KR100547328B1

KR100547328B1 - 에어컨 실외기의 축류팬

Info

Publication number: KR100547328B1
Application number: KR1020030062005A
Authority: KR
Inventors: 정문기; 진심원
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2003-09-05
Filing date: 2003-09-05
Publication date: 2006-01-26
Also published as: JP2005083386A; EP1512918A2; EP1512918B1; EP1512918A3; CN1982729A; KR20050024158A; CN1590779A; US20050053493A1; CN100339601C

Abstract

본 발명은 에어컨 실외기의 축류팬에 관한 것으로서, 이는 축류팬의 구성요소 중 블레이드 면에 발생하는 난류 강도 증가 및 블레이드 면의 경계층 두께 증가를 억제하고, 허브 영역의 공기 유동 교란을 억제할 수 있는 등의 최적 설계 범위(날개 면적과 팬 전체 면적의 비율인 솔리디티가 약 0.87 정도, 상기 블레이드의 캠버량이 약 5.0% 정도) 내로 축류팬을 설계하므로서, 이에 따른 축류팬에서의 소음을 최대로 저감시킬 수 있는 탁월한 효과와 함께, 상기 축류팬에 의한 압력계수 및 정압효율이 종래 축류팬에 비해 크게 향상되는 탁월한 효과가 있다.

또한, 종래 축류팬과의 동일 풍량에 대한 소정영역(300∼1000㎐)의 주파수 범위 내에서 소음 특성을 크게 감소시킬 수 있는 탁월한 효과가 있다.

분리형 에어컨, 실외기, 축류팬, 레이크 각

Description

에어컨 실외기의 축류팬{The fan of air-conditioner outdoor unit}

도 1 은 일반적인 분리형 에어컨을 나타낸 사시도.

도 2 는 종래 축류팬의 정면도 및 측면도.

도 3 은 도 2 에 도시된 축류팬의 압력계수와 유량계수와의 관계를 종래 축류팬과 비교하여 나타낸 그래프.

도 4 는 도 2 에 도시된 축류팬의 정압효율과 유량계수와의 관계를 종래 축류팬과 비교하여 나타낸 그래프.

도 5 는 본 발명에 따른 축류팬의 정면도 및 측면도.

도 6 은 본 발명에 따른 축류팬 중 허브 외주면에 소정의 레이크 각도로 블레이드가 경사져 형성된 상태도.

도 7 은 본 발명에 따른 축류팬의 솔리디티 변화에 따른 소음변화상태를 나타낸 그래프.

도 8 은 본 발명에 따른 축류팬의 캠버량 변화에 따른 소음변화상태를 나타낸 그래프.

도 9 는 본 발명에 따른 축류팬의 압력(정압)계수 및 정압효율과 유량계수와의 관계를 종래 축류팬과 비교하여 나타낸 그래프.

도 10 은 본 발명에 따른 축류팬의 주파수 변화에 따른 소음변화상태를 종래 축류팬과 비교하여 나타낸 그래프.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

10. 실내기 20. 실외기

30. 냉매관 40, 140. 축류팬

42, 142. 허브 44, 144. 블레이드

46, 146. 융기부

본 발명은 에어컨에 관한 것으로, 보다 상세하게는 축류팬의 구성요소 중 블레이드 면에 발생하는 난류 강도의 증가 및 블레이드 면의 경계층 두께의 증가를 억제하고, 허브 영역의 공기 유동 교란을 억제할 수 있는 등의 최적 설계 범위 내로 설계 구성하여 동일 풍량에 대한 소정영역 내에서 소음 특성이 크게 감소하도록 한 에어컨 실외기의 축류팬에 관한 것이다.

일반적으로 에어컨(Air-conditioner)은 압축기, 응축기, 모세관, 열교환기 등으로 구성되는 냉동 사이클 장치가 내부에 장착되어 있어, 증발기에서 형성되는 냉기와 응축기에서 발생되는 온기를 실내의 상황에 따라 적절하게 내보내어 실내의 분위기를 쾌적하게 유지시켜 주는 기기이다.

상기 에어컨은 냉동 사이클 장치가 하나의 몸체내에 장착되어 창문 등에 설 치되는 창문형 에어컨과, 실내기와 실외기를 분리하여 실내와 실외에 각각 설치하는 분리형 에어컨 등으로 구분되며, 특히 상기 분리형 에어컨의 경우 설치방법에 따라 벽걸이형, 상치형(패키지 에어컨 포함), 천정걸이형, 천정 매립형 등으로 구분되는데, 특히 벽걸이형이나 상치형으로 사용이 가능하면서 사용자의 필요에 따라 천정걸이형으로 활용될 수 있는 구조의 실내기를 컨버터블형 실내기라고 한다.

이러한 분리형 에어컨의 실외기(20)는 보통 소음발생이 많은 압축기, 응축기, 냉각팬(이하, 축류팬이라 함.)과, 상기 축류팬을 회전시키는 구동모터 등으로 구성되며, 실내기(10)는 증발기와 송풍팬으로 구성되어 실내공기의 냉각작용 및 순환작용을 하게 된다. 상기 실내기(10)와 실외기(20)는 도 1 에 도시한 바와 같이, 냉매관(30)에 의해 상호 연결되어 있다.

이상과 같이 구성된 상기 분리형 에어컨은, 인가된 전원에 의해 실외기(20)에 설치된 압축기(미도시)가 작동하면서 실내기(10)에 설치된 증발기(미도시)에서 토출된 저온저압의 기상상태인 냉매를 고온고압 상태로 가압시켜 응축기(미도시)로 토출시키고, 상기 응축기로 유입된 냉매는 외부공기와 열교환을 통해 상온 고압의 액상상태로 상변화를 이루면서 팽창밸브(미도시)로 토출되게 되며, 팽창밸브로 유입된 액상의 냉매는 증발기를 통해 내부공기와의 열교환이 이루어지도록 저온 저압의 액상상태로 감압된 다음, 실내기(10)에 장착된 증발기로 유입되면서 증발기에서 외부공기의 열을 흡수하여 냉기를 형성한 후, 실내기(10)의 토출구를 통해 실내로 냉기를 토출하므로서, 실내 냉방이 이루어지게 된다.

한편, 상기 축류팬(40)은 도 2 에 도시한 바와 같이, 모터의 회전축(미도시) 과 연결되는 허브(42)와, 상기 허브(42)의 외주면에 형성된 다수개의 블레이드(44)가 일체로 구성되어 있으며, 특히 상기 모터 구동에 의한 축류팬(40)이 회전하게 되면, 상기 허브(42) 외주면에 다수 형성된 블레이드(44) 전/후면에 압력차이가 발생하게 되고, 이와 같은 압력차이로 인해 공기를 빨아들이는 흡입력이 발생하게 되는 등, 상기한 흡입작용을 통해 외부공기를 실외기(20) 내로 흡입하게 되는데, 이 때 외부공기는 실외기(20)의 흡기구측에 설치되어 있는 응축기를 통과하면서 상기 응축기 내부를 유동중인 기체 냉매와의 열교환을 통해 상기 냉매를 액체 상태로 응축시킨 다음, 축류팬(40)의 송풍작용을 통해 실외기(20) 외부로 배출되게 된다.

이와 같은 축류팬(40)의 송풍특성을 결정하는 특성인자를 살펴보면, 이는 블레이드(44)의 개수를 비롯하여 팬직경(D), 허브직경(d) 등과 같은 이른바 전체인자와, 블레이드의 피치각(β), 최대 캠버위치(P), 최대 캠버량(MC), 코드길이, 스윕각(α) 등의 이른바 블레이드 인자로 구분되는데, 이에 관해 설명하면 다음과 같다.

상기 블레이드의 피치각(β)은 도 2의 (b)와 같이, 유체의 흐름방향(도면상 x축)과, 블레이드(44)의 리딩 에지(leading edge: L.E)에서 트레일링 에지(trailing edge: T.E)를 잇는 직선 즉, 코드(chord) 사이의 각도이다.

그리고, 캠버(블레이드의 단면상 중심선)와 코드를 잇는 길이를 캠버량이라 하며, 상기 캠버량의 최대 지점인 최대 캠버량(MC)은 도 2의 (b)와 같이, 블레이드(44)의 리딩 에지(leading edge: L.E)에서 트레일링 에지(trailing edge: T.E)를 잇는 코드(chord)상에서 리딩에지로부터 최대 캠버위치(P)에서의 캠버량을 의미한다.

상기 스윕각(α)은 블레이드(44)의 내측단 중심, 즉 블레이드(44)가 허브(42)와 접하는 부분의 중심과 블레이드(44)의 외측단(팁) 중심점을 연결하여 블레이드(44)의 곡률에 따라 만곡되는 선이, 상기 블레이드(44)의 내측단 중심점 및 허브(42)의 중심점을 통과하는 선(도면상 Y 축)과 이루는 각을 말한다.

특히, 상기 스윕각(α)은 축류팬(40)의 유동소음을 결정하는 인자로서, 스윕각(α)이 크면 허브(42)와 블레이드(44) 팁 사이에서의 공기유동 위상차가 크게 되고, 스윕각(α)이 작으면 공기유동 위상차가 작아지게 된다.

또한, 공기유동의 위상차이로 인해 블레이드(44)의 외측단에서 발생하는 소음과 내측단에서 발생하는 소음에도 위상차이가 발생하게 되는데, 이러한 위상차이가 클수록 블레이드(44)를 통과하는 공기유동 주파수가 감소되어 소음이 작아진다.

그리고, 상기 블레이드(44)의 개수는 팬(40)의 작동시 발생하는 공기유동소음을 결정하는 중요 인자가 된다.

이와 같은 종래 축류팬(40)의 경우, 본 출원인에 의해 선출원되어 2003년 2월 20일자로 공개된 에어컨 실외기의 축류팬(특허 공개번호 2003-14960)인 것으로, 이의 축류팬을 살펴보면, 모터의 회전축과 연결되는 허브(42)와, 상기 허브(42)의 외주면에 일체로 형성된 다수개의 블레이드(44)를 포함하되, 상기 블레이드(44)의 개수를 3개로 하며, 팬의 전체 직경(D)이 340 ±2mm이고, 허브(22)의 직경(d)이 100 ±2mm로 형성되어 있다.

또한, 상기 블레이드(44)는 피치각(β)이 허브(42)에서 블레이드(44)의 끝단 까지 37∼20°로 선형적으로 달라지는 구조로 이루어져 있다.

그리고, 상기 블레이드(44)는 최대 캠버위치(P)가 날개 전단에서 후단방향으로 코드길이의 70% 지점에 형성되고, 허브(42)에서 블레이드(44) 끝단까지 각 반경에서의 최대 캠버량(MC)이 0.5%로 일정하게 유지되는 구조로 이루어져 있다.

또한, 상기 블레이드(44)의 스윕각(α)은 무차원 반경좌표 0.3 이하에서는 47∼49°이고, 무차원 반경좌표 0.3을 초과하여서는 선형적으로 증가하여 블레이드(44) 끝단에서 55∼57°범위로 이루어져 있다.

참고로, 상기 무차원 반경좌표는 허브(42)를 제외한 블레이드(44)만에 의한 팬의 성능을 고려하기 위한 인자로서, 블레이드(44)와 허브(42)가 붙는 위치를 0으로 하고, 블레이드(44)의 끝단을 1이라 할 때, 0에서 1까지의 수치로 결정된다.

이에 대한 무차원 반경좌표를 구하는 공식으로,

r=(R-Rh)/(Rt-Rh)

에서 R은 팬 중심(허브중심)으로부터 임의의 위치까지의 길이이며, Rh는 허브(42)의 반경이고, Rt는 팬 중심(허브중심)에서 블레이드(44) 끝단까지의 길이 즉, 팬의 반경이다.

전술한 에어컨 실외기의 축류팬(40)에 의하면, 도 3 및 도 4 에 도시한 바와 같이, 종래 블레이드(44)가 4개인 축류팬(미도시)에 비해 압력계수 및 정압효율이 향상되게 되고, 이로 인한 운전점에서의 모터 작동효율 또한 향상되게 되는 장점과 함께, 종래 블레이드(44)가 4개인 축류팬에 비해 작은 모터를 이용하여서도 구동이 가능하며, 작동에 필요한 소비전력 또한 22% 정도 감소되는 장점이 있다.

하지만, 상기 축류팬(40)의 구동시 선행하는 블레이드(44)의 리딩 에지(L.E) 및 트레일링 에지(T.E)에서 발생하는 후류 및 부압면에서의 박리에 의한 난류 성분이 후행하는 블레이드(44)에 영향을 주어 팬(40)의 성능이 저하됨과 동시에, 난류에 의한 소음 발생의 원인이 되는 등 커다란 문제점이 있었다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 본 발명은, 축류팬의 구성요소 중 블레이드 면에 발생하는 난류 강도의 증가 및 블레이드 면의 경계층 두께의 증가를 억제하고, 허브 영역의 공기 유동 교란을 억제할 수 있는 등의 최적 설계 범위 내로 축류팬을 설계하므로서, 이에 따른 축류팬에서의 소음을 최대로 저감시킬 수 있으며, 특히 상기 축류팬에 의한 압력계수 및 정압효율이 종래 축류팬에 비해 크게 향상되도록 하는데 그 목적이 있다.

또한, 종래 축류팬의 동일 풍량에 대한 소정영역(300∼1000㎐)의 주파수 범위 내에서 소음 특성을 크게 감소시킬 수 있도록 하는데 또 다른 목적이 있다.

이러한 본 발명의 목적은, 모터의 회전축과 연결되는 허브와, 상기 허브 외주면에 일체로 형성된 다수개의 블레이드를 포함하되, 상기 블레이드의 개수를 2개로 형성하고, 내외경비가 0.35∼0.4 로 이루어진 에어컨 실외기의 축류팬에 의해 해결될 수 있는 바, 이하 첨부된 도면을 참고로 상세히 설명한다.

도 5 는 본 발명에 따른 축류팬의 정면도 및 측면도를 나타낸 것이고, 도 6 은 본 발명에 따른 축류팬 중 허브 외주면에 소정의 레이크 각도로 블레이드가 경사져 형성된 상태도를 나타낸 것이다.

본 발명인 에어컨 실외기의 축류팬(140)은, 모터의 회전축과 연결되는 허브(142)와, 상기 허브(142) 외주면에 일체로 형성된 다수개의 블레이드(144)를 포함하되; 상기 블레이드(144)의 개수를 2개로 형성하고, 내외경비(허브 직경과 팬 외경의 비율)가 0.35∼0.4이며, 날개 면적과 팬(140) 전체 면적과의 비율인 솔리디티 범위가 0.85±0.05이고, 허브(142)의 캠버량 범위가 5.0%±1.0%으로 구성되어 있다.

이하, 본 발명인 에어컨 실외기의 축류팬에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 축류팬(140)은, 축류팬(140)의 구동시 선행하는 블레이드(144)의 리딩 에지(L.E) 및 트레일링 에지(T.E)에서 발생하는 후류 및 부압면에서의 박리에 의한 난류 성분이 후행하는 블레이드(144)에 영향을 주어 팬(140)의 성능이 저하됨과 동시에, 난류에 의한 소음 발생을 방지 및 저감시키는 등, 상기 블레이드(144) 면에 발생하는 난류 강도의 증가 및 블레이드(144) 면의 경계층 두께 증가를 억제하고, 허브(142) 영역의 공기 유동 교란을 억제할 수 있도록 상기 블레이드(144)의 개수를 2개로 형성하면서 내외경비를 0.35∼0.4로 하고, 날개 면적과 팬(140) 전체 면적과의 비율인 솔리디티 범위가 0.85±0.05이고, 허브(142)의 캠버량 범위가 5.0%±1.0%으로 하여 축류팬(140)을 형성한 것으로서, 이에 대한 본 발명의 상세한 구성은 다음과 같다.

본 발명에 따른 에어컨 실외기의 축류팬(140)은 도 5 에 도시한 바와 같이, 모터의 회전축과 연결되는 허브(142)와, 상기 허브(142)의 외주면에 일체로 형성된 다수개의 블레이드(144)로 이루어져 있다.

이 때, 상기 블레이드(144)의 개수는 2개로 형성되어 있으며, 상기 축류팬(140)의 내외경비 즉, 허브(142) 직경과 팬(140) 외경의 비율이 0.35∼0.4의 범위에 있다.

또한, 날개 면적과 팬(140) 전체 면적과의 비율인 솔리디티 범위가 0.85±0.05이고, 허브(142)의 캠버량 범위가 5.0%±1.0%으로 이루어져 있는데, 상기한 솔리디티에 대한 식을 설명하면 다음과 같다.

솔리디티 = 2πｒ/(chord ×Z)

2πｒ : 팬 전체 면적.

chord : 블레이드의 리딩 에지(leading edge: L.E)에서 트레일링 에지(trailing edge: T.E)를 잇는 직선.

Z : 블레이드 개수.

그리고, 상기 축류팬(140)의 경우, 도 6 에 도시한 바와 같이, 상기 허브(142) 외주면에 형성된 블레이드(144)의 레이크 베이스 라인이 종래 허브(42) 외주면에 수평으로 형성된 블레이드(44)의 레이크 베이스 라인으로부터 약 20~23°내외의 레이크 각만큼 경사져 있는데, 상기한 레이크 각은 상기 블레이드(144)를 허브(142) 외주면상에 얼마만큼 기울여 형성시키는지를 결정하는 각도인 것이다.

이와 같이 상기한 레이크 각을 통해 허브(142) 외주면에 블레이드(144)가 형성된 상태를 설명하면, 이는 도 6 에 도시한 바와 같이, 상기 허브(142) 외주면으로부터 블레이드(144)의 외측단(팁)까지 전체 길이 중 상기 허브(142) 외주면으로부터 일정길이부까지는 상기 레이크 각을 이루면서 경사져 있고, 상기 일정길이부 이후부터 블레이드(144)의 외측단(팁)까지는 압력면 방향으로 돌출된 융기부(146)가 형성되어 있으며, 상기 블레이드(144)의 외측단(팁)은 상기 허브(142) 외주면으로부터 경사진 일정길이부의 레이크 각과 동일 각도로 이루어지면서 축류팬(140)의 전체적인 형상을 형성하게 된다.

이 때의 전체 직경(D)이 460 ±2mm, 허브(142)의 직경(d)이 170 ±2mm인 것을 특징으로 하여 이루어진다.

여기서, 상기 블레이드(144)의 피치각(미도시) 및 최대 캠버량(미도시), 스윕각(미도시)은 도 2 에 도시된 종래 블레이드(44)의 피치각(β) 및 최대 캠버량(MC), 스윕각(α)과 동일하게 이루어져 있으며, 이에 대한 블레이드(144)의 피치각 및 최대 캠버량, 스윕각을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

이에 따른 상기 블레이드(144)는 피치각(β)이 허브(142)에서 블레이드(144)의 끝단까지 37∼20°로 선형적으로 달라지는 구조로 이루어진다(도 2 참조).

그리고, 상기 블레이드(144)는 최대 캠버위치(P)가 날개 전단에서 후단방향으로 코드길이의 70% 지점에 형성되고, 허브(142)에서 블레이드(144) 끝단까지 각 반경에서의 최대 캠버량(MC)이 0.5%로 일정하게 유지되는 구조로 이루어진다(도 2 참조).

더욱이, 상기 블레이드(144)의 스윕각(α)은 무차원 반경좌표 0.3 이하에서는 47∼49°이고, 무차원 반경좌표 0.3을 초과하여서는 선형적으로 증가하여 블레이드(144) 끝단에서 55∼57°가 된다(도 2 참조).

이상과 같이 구성된 축류팬에 의해 소음의 변화상태를 살펴보면 다음과 같다.

도 7 은 본 발명에 따른 축류팬의 솔리디티 변화에 따른 소음변화상태를 나타낸 그래프이고, 도 8 은 본 발명에 따른 축류팬의 캠버량 변화에 따른 소음변화상태를 나타낸 그래프이며, 도 9 은 본 발명에 따른 축류팬의 압력(정압)계수 및 정압효율과 유량계수와의 관계를 종래 축류팬과 비교하여 나타낸 그래프이다.

이 때, 도 9 의 그래프 중 상측의 그래프는 축류팬(140)의 압력(정압)계수와 유량계수와의 관계를 종래 축류팬(40)과 비교한 것이며, 하측의 그래프는 축류팬(140)의 정압효율과 유량계수와의 관계를 종래 축류팬(40)과 비교한 것이다.

본 발명에 따른 축류팬(140)의 경우, 먼저 날개 면적과 팬(140) 전체 면적과의 비율인 솔리디티 변화에 따른 소음변화를 측정한 결과, 도 7 에 도시한 바와 같이 날개 면적과 팬(140) 전체 면적의 비율이 약 0.87 정도에서 소음이 가장 적은 것으로 나타났고, 또한 축류팬(140) 중 블레이드(144)의 캠버량 변화에 따른 소음변화를 측정한 결과, 도 8 에 도시한 바와 같이 상기 블레이드(144)의 캠버량이 약 5.0% 정도에서 소음이 가장 적은 것으로 실험 결과 밝혀졌다.

그리고, 본 발명에 따른 축류팬(140)에 의하면, 도 9 에 도시한 바와 같이, 압력계수 및 정압효율이 종래 축류팬(40)에 비해 향상됨을 알 수 있으며, 상기와 같이 축류팬(140)의 압력계수 및 정압효율의 향상에 따른 운전점에서의 모터 작동효율 역시 향상되게 된다.

더욱이, 도 10 은 본 발명에 따른 축류팬의 주파수 변화에 따른 소음변화상태를 종래 축류팬과 비교하여 나타낸 그래프로서, 도 10 에 도시한 바와 같이 종래 축류팬(40)과의 동일 풍량시 300∼1000㎐ 범위에서 소음이 크게 감소하고 있음을 알 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 축류팬은, 축류팬의 구성요소 중 블레이드 면에 발생하는 난류 강도 증가 및 블레이드 면의 경계층 두께 증가를 억제하고, 허브 영역의 공기 유동 교란을 억제할 수 있는 등의 최적 설계 범위(날개 면적과 팬 전체 면적의 비율인 솔리디티가 약 0.87 정도, 상기 블레이드의 캠버량이 약 5.0% 정도) 내로 축류팬을 설계하므로서, 이에 따른 축류팬에서의 소음을 최대로 저감시킬 수 있는 탁월한 효과와 함께, 상기 축류팬에 의한 압력계수 및 정압효율이 종래 축류팬에 비해 크게 향상되는 탁월한 효과가 있다.

Claims

모터의 회전축과 연결되는 허브와, 상기 허브 외주면에 일체로 형성된 다수개의 블레이드로 이루어진 축류팬에 있어서;

상기 블레이드의 개수를 2개로 형성하고, 내외경비(허브 직경과 팬 외경의 비율)가 0.35∼0.4이며, 날개 면적과 팬 전체 면적과의 비율인 솔리디티 범위가 0.85±0.05이고, 허브의 캠버량 범위가 5.0%±1.0%인 것을 특징으로 하는 에어컨 실외기의 축류팬.
제 1 항에 있어서,

상기 허브 외주면에 형성된 블레이드의 레이크 베이스 라인이 23°내외의 레이크 각만큼 경사져 형성된 것을 특징으로 하는 에어컨 실외기의 축류팬.
제 1 항에 있어서,

상기 솔리디티는,

솔리디티 = 2πｒ/(chord ×Z)의 식을 통해 구해지며, chord는 블레이드의 리딩 에지(leading edge: L.E)에서 트레일링 에지(trailing edge: T.E)를 잇는 직선이고, Z는 블레이드 개수인 것을 특징으로 하는 에어컨 실외기의 축류팬.
제 2 항에 있어서,

상기 허브로부터 블레이드의 외측단(팁)까지 중 상기 허브로부터 일정길이까지는 상기 레이크 각과 동일하게 이루어지고, 상기 일정길이 이후부터 블레이드의 외측단(팁)까지는 압력면 방향으로 융기되는 것을 특징으로 하는 에어컨 실외기의 축류팬.