KR102035317B1

KR102035317B1 - 축류 팬

Info

Publication number: KR102035317B1
Application number: KR1020180037757A
Authority: KR
Inventors: 유호국; 김민수
Original assignee: 디와이오토 주식회사
Priority date: 2018-03-30
Filing date: 2018-03-30
Publication date: 2019-10-22
Also published as: KR20190114679A

Abstract

본 발명에 따른 축류 팬은, 회전축에 결합되는 허브와, 상기 허브의 외주에 방사상으로 배열되어 상기 허브와 일체로 회전되면서 공기를 축 방향으로 송풍하는 복수 개의 회전 날개를 포함하며, 상기 회전 날개의 형상을 결정하는 인자로서 익현길이, 스윕각, 설치각, 캠버각, 유입각, 유출각, 점유각 및 후연선 높이가 정의된 축류 팬에 있어서, 상기 유입각, 유출각, 점유각 및 후연선의 높이를 최적으로 설정함으로써 팬의 외경이 410mm 이상인 대용량 축류 팬에 적용되는 형상으로서 동일한 고압 저항에서 종래의 축류 팬에 비하여 현저하게 많은 풍량을 발생시키는 효과를 제공하는 것을 특징으로 한다.

Description

축류 팬{Axial flow fan}

본 발명은 회전축에 결합 되는 허브와, 상기 허브의 외주에 방사상으로 배열되어 상기 허브와 일체로 회전되면서 공기를 축 방향으로 송풍하는 복수 개의 회전 날개를 포함하는 축류 팬에 관한 것으로서, 더 구체적으로는 상기 축류 팬의 회전 날개의 형상을 변경하여 높은 압력 저항에서 풍량을 효율적으로 발생시키는 축류 팬에 관한 것이다.

축류 팬(axial flow fan)은 허브를 중심으로 방사상으로 배열된 다수 회전 날개를 구비하여, 모터 등에 의해 회전되면서 공기를 회전 날개의 축방향으로 송풍하는 유체기계로서, 선풍기나 환기용 환풍기 또는 자동차의 라디에이터나 콘덴서 등의 공랭식 열교환기 방열을 촉진하기 위하여 상기 열교환기에 대하여 방열용 공기를 송풍하는 냉각 팬(cooling fan)등은 대표적인 축류 팬이다.

이와 같은 축류 팬의 일 예가 대한민국 등록특허 제0663965호에 개시되어 있다.

일반적으로 도 1에 도시된 바와 같이 축류 팬(1)은 중앙의 허브(12)와 그 허브(12)의 둘레에 방사상으로 배열되는 다수의 회전 날개(11)가 합성수지제로써 일체형으로 성형되어 이루어지며 그 회전 날개의 외측단에는 밴드(13)가 마련되어 있다. 상기 축류 팬(1)은 그 허브(12)가 구동모터(미도시)의 구동축에 결합되어 구동모터의 회전력에 의해 허브(12)에 비스듬히 배치된 유선 단면구조를 갖는 회전 날개(11)가 허브(12)와 함께 일체로 회전하면서 그 전후면에 공기 유동속도 차이에 따른 차압을 생성하여 공기를 축 방향으로 송풍하게 된다.

이와 같은 축류 팬의 구성에 있어서, 공기 유동에 직접 관여하는 것은 팬의 회전 날개로서, 이 회전 날개는 유선형 단면 구조를 가지고 있으면서 회전에 따른 회전 날개 압력면의 압력상승을 이용하여 축류 팬 전방에서부터 공기를 끌어들여 축류 팬 후방으로 공기를 밀어내는 역할을 한다.

따라서, 이 회전 날개(11)는 축류 팬(1)의 송풍효율 및 소음의 발생량에 가장 큰 영향을 주므로, 축류 팬 회전 날개에 관련한 용어의 정의를 보인 도 2의 회전 날개 단면도에 도시된 바와 같이, 축류 팬(1) 설계시 회전 날개(11)의 익현길이(chord length, W), 설치각(stagger angle, β), 캠버각(camber angle, θ)과 도 1의 축류 팬의 정면도에 도시된 바와 같이 스윕각(sweeping angle, α) 등은 중요한 설계인자가 된다.

이러한 축류 팬을 설계할 때에는 다음과 같은 많은 제약 조건들이 따르게 된다.

예컨대, 자동차용 축류 팬은 엔진 냉각용 라디에이터나 에어컨용 컨덴서 혹은 둘 다를 냉각시키는데 사용되며, 이러한 열교환기에 걸리는 부하를 극복하면서 충분한 풍량을 생성시킬 수 있어야 한다. 또한, 허브에 장착된 모터의 전력소모량 대비 송풍 효율이 높아야 한다. 그런데 상기 등록특허 제0663965호에 개시된 축류 팬의 형상은 외경이 390mm 내지 410mm 정도의 축류 팬에 적합한 형상으로서, 승용차와 같이 축류 팬 전면부에 발생하는 압력 저항이 작은 경우에는 양호한 성능을 발휘하지만, 최근에 수요가 증가하는 스포츠 유틸리티 차량(SUV)과 같이 공기 역학(Aerodynamics) 상 고압의 압력 저항이 축류 팬의 전면부에 가해지는 차량에는 충분한 풍량을 발생시키지 못하는 문제점이 있다. 또한, 종래의 차량에는 대용량의 냉각 풍량을 발생시키기 위해 작은 크기로 된 복수의 냉각 팬 장치를 병렬로 배치하였으나, 패키지 공간을 많이 차지하고 제조 원가가 비싼 문제점이 있다. 이러한 문제점을 해소하기 위해 대용량 단일 팬 시스템을 채용하는 최근의 경향에 비추어 새로운 형상의 축류 팬 개발의 필요성이 있다.

본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로서, 회전 날개의 형상을 결정하는 인자인 유입각, 유출각, 점유각, 후연선 높이 등을 최적으로 조합되도록 함으로써 고압 저항에서도 송풍 효율이 높은 축류 팬을 제공함에 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 실시 예에 따른 축류 팬은, 회전축에 결합되는 허브와,

상기 허브의 외주에 방사상으로 배열되어 상기 허브와 일체로 회전되면서 공기를 축 방향으로 송풍하는 복수 개의 회전 날개를 포함하며, 상기 회전 날개의 형상을 결정하는 인자로서 익현길이, 스윕각, 설치각, 캠버각, 유입각, 유출각, 점유각 및 후연선 높이가 정의된 축류 팬에 있어서,

상기 회전 날개의 내측단으로부터 상기 회전 날개의 외측단을 연결하는 최단 직선 길이(R)를 분모로 하고, 상기 회전 날개의 내측단으로부터 상기 최단 직선상에 있으며 상기 회전 날개의 내측단과 외측단 사이의 임의의 점과의 거리(r)를 분자로 한 무차원 값을 길이비(r/R)라 정의할 때,

상기 유입각은 상기 회전 날개의 내측단으로부터 외측단으로 갈수록 지속적으로 감소하며,

상기 유출각은 상기 회전 날개의 내측단으로부터 상기 길이비가 0.8인 구간까지 감소하다가 이후 상기 회전 날개의 외측단까지 증가하며,

상기 점유각은 상기 회전 날개의 내측단으로부터 상기 길이비가 0.08인 구간까지 증가하는 제1증가구간, 상기 길이비가 0.08인 지점에서 상기 길이비가 0.72인 구간까지 감소하는 감소구간 및 상기 길이비가 0.72인 지점에서 상기 회전 날개의 외측단까지 증가하는 제2증가구간을 가지며,

상기 후연선 높이는 상기 회전 날개의 내측단으로부터 외측단까지 지속적으로 감소하는 점에 특징이 있다.

상기 회전 날개는 내측단으로부터 외측단으로 갈수록 상기 익현길이가 점진적으로 증가하는 제1증가구간과, 상기 제1증가구간에 연속되며 상기 익현길이가 점진적으로 감소하는 감소구간과, 상기 감소구간에 연속되며 상기 익현길이가 점진적으로 증가하는 제2증가구간을 가지며,

상기 제1증가 구간과 상기 감소 구간 간 변곡점은 상기 길이비가 0.2 내지 0.4인 지점에서 형성되며,

상기 감소 구간과 상기 제2증가 구간 간 변곡점은 상기 길이비가 0.65 내지 0.7인 지점에서 형성된 것이 바람직하다.

상기 캠버각은 상기 회전 날개의 내측단으로부터 상기 길이비가 0.8인 지점까지 감소하다 상기 길이비가 0.8인 지점 이후부터 상기 회전 날개의 외측단까지 증가하는 것이 바람직하다.

상기 스윕각은 상기 회전 날개의 내측단으로부터 상기 길이비가 0.15 내지 0.3인 지점을 기준으로 점점 감소하다가 상기 회전 날개의 외측단까지 점점 증가하는 것이 바람직하다.

상기 설치각은 상기 회전 날개의 내측단에서 외측단까지 연속적으로 감소하는 것이 바람직하다.

상기 스윕각은 상기 길이비가 0.5인 지점까지 음의 값을 가지며, 상기 길이비가 0.5인 지점을 기점으로 상기 회전 날개의 외측단까지 양의 값을 가지는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 축류 팬은, 팬의 외경이 410mm 이상인 대용량 축류 팬에 적용되는 형상으로서 축류 팬을 구성하는 회전 날개의 높은 압력 지점에서 작동이 용이하고 송풍효율을 최대로 확보할 수 있도록 함으로써 동일한 고압 저항에서 종래의 축류 팬에 비하여 현저하게 많은 풍량을 발생시키는 효과를 제공한다.

도 1은 일반적인 축류 팬의 정면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 축류 팬 회전 날개의 Ⅱ-Ⅱ 선 단면도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 축류 팬의 정면도이다.
도 4는 도 3에 도시된 축류 팬의 회전 날개의 Ⅳ-Ⅳ 선 단면도이다.
도 5는 도 3에 도시된 축류 팬의 회전 날개의 길이비에 대한 익현길이의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 6은 도 3에 도시된 축류 팬의 회전 날개의 길이비에 대한 스윕각의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 7은 도 4에 도시된 축류 팬의 회전 날개의 길이비에 대한 설치각의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 8은 도 4에 도시된 축류 팬의 회전 날개의 길이비에 대한 캠버각의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 9는 도 4에 도시된 축류 팬의 회전 날개의 길이비에 대한 유입각의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 10은 도 4에 도시된 축류 팬의 회전 날개의 길이비에 대한 유출각의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 11은 도 3에 도시된 축류 팬의 회전 날개의 길이비에 대한 점유각의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 12는 도 3에 도시된 축류 팬의 회전축에 대해 수직인 방향에서 본 허브와 회전 날개의 형상으로써 후연선 높이의 정의를 도식적으로 보여주는 도면이다.
도 13은 도 3에 도시된 축류 팬의 회전 날개의 길이비에 대한 후연선 높이의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 14는 동일 압력 조건에서 종래의 축류 팬과 본 발명의 축류 팬의 풍량을 비교한 실험 결과이다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 냉각팬를 첨부된 도면을 참조하면서 상세히 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 축류 팬의 정면도이다. 도 4는 도 3에 도시된 축류 팬의 회전 날개의 Ⅳ-Ⅳ 선 단면도이다. 도 5는 도 3에 도시된 축류 팬의 회전 날개의 길이비에 대한 익현길이의 변화를 보여주는 그래프이다. 도 6은 도 3에 도시된 축류 팬의 회전 날개의 길이비에 대한 스윕각의 변화를 보여주는 그래프이다. 도 7은 도 4에 도시된 축류 팬의 회전 날개의 길이비에 대한 설치각의 변화를 보여주는 그래프이다. 도 8은 도 4에 도시된 축류 팬의 회전 날개의 길이비에 대한 캠버각의 변화를 보여주는 그래프이다. 도 9는 도 4에 도시된 축류 팬의 회전 날개의 길이비에 대한 유입각의 변화를 보여주는 그래프이다. 도 10은 도 4에 도시된 축류 팬의 회전 날개의 길이비에 대한 유출각의 변화를 보여주는 그래프이다. 도 11은 도 3에 도시된 축류 팬의 회전 날개의 길이비에 대한 점유각의 변화를 보여주는 그래프이다. 도 12는 도 3에 도시된 축류 팬의 회전축에 대해 수직인 방향에서 본 허브와 회전 날개의 형상으로써 후연선 높이의 정의를 도식적으로 보여주는 도면이다. 도 13은 도 3에 도시된 축류 팬의 회전 날개의 길이비에 대한 후연선 높이의 변화를 보여주는 그래프이다. 도 14는 동일 압력 조건에서 종래의 축류 팬과 본 발명의 축류 팬의 풍량을 비교한 실험 결과이다.

도 3 내지 도 14를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 축류 팬(20)은, 허브(25)와 회전 날개(30)와 밴드(60)를 포함하여 이루어진다.

상기 허브(25)는 외부 동력에 의한 회전축에 대해 회전 가능하게 설치된다. 상기 회전 날개(30)는 상기 허브(25)의 외주에 방사상으로 배열되어 상기 허브(25)와 일체로 회전되면서 공기를 축 방향으로 송풍하며, 복수 개가 마련된다. 상기 회전 날개(30)와 상기 허브(25)가 만나는 부분을 회전 날개의 내측단(32)이라 하며, 상기 회전 날개(30)의 회전반경 방향의 타단부를 외측단(33)이라 정의한다.

상기 밴드(60)는 상기 회전 날개(30)의 강성을 보완하여 주는 기능을 하며, 상기 회전 날개(30)의 외측단(33)에 상기 회전 날개(30)와 일체로 회전하도록 마련된다.

상기 회전 날개(30)의 형상을 결정하는 인자로서 익현길이(W), 스윕각(α), 설치각(β), 캠버각(θ), 유입각(β1), 유출각(β2), 점유각(φ), 후연선 높이(Z)가 후술하는 바와 같이 정의된다.

상기 회전 날개(30)의 형상을 결정하는 인자들을 서술하기 위해 상기 회전 날개(30)의 회전 반경 방향에 따른 위치좌표로서 길이비(r/R)를 정의한다. 상기 길이비(r/R)는 상기 회전 날개의 내측단(32)으로부터 상기 회전 날개의 외측단(33)을 연결하는 최단 직선길이 즉 회전 날개 전체길이(R)를 분모로 하고, 상기 내측단(32)으로부터 상기 최단 직선상에 있으며 상기 회전 날개의 내측단(32)과 외측단(33) 사이의 임의의 점과의 거리(r)를 분자로 한 무차원 값이다.

도 4를 참조하면, 전연(leading edge, 35)은 회전 날개(30)의 단면에서 회전 날개의 회전방향 최선단에 위치하는 점이고, 전연(35)의 반대단 즉 날개의 회전반대방향측 끝단에 위치하는 점을 후연(trailing edge, 36)이라 할 때, 그 각 지점들을 반경방향으로 연결한 선을 도 3에 도시된 바와 같이 각각 전연선(leading edge Line, 350)과 후연선(trailing edge line, 360)이라고 정의한다. 그리고 전연선(350)과 후연선(360)의 중앙, 즉, 회전 날개(30)에서 동일한 반경에 위치하는 전연(35)과 후연(36)의 중간에 위치한 점들을 연결한 선을 중앙선(median line, 34)이라고 정의한다.

상기 익현길이(chord length, W)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 전연(35)에서부터 후연(36)까지 거리이다. 상기 익현길이(W)는 상기 축류 팬(20)의 회전시 회전 날개(30)의 회전방향의 폭을 나타내는 인자로서, 풍량과 효율에 영향을 준다. 즉, 동일한 조건의 축류 팬에 있어서 상기 익현길이(W)가 클수록 풍량과 효율이 증가하나 일정 기준값 이상에서는 오히려 감소한다. 즉, 축류 팬의 유동 특성상 회전 날개의 밴드(60)측과 허브측에서의 유동이 회전 날개의 중간영역(mid-span)으로 몰리는 현상이 발생하게 되는데, 이때 중간영역에서 익현길이가 크면 상기 축류 팬(20)의 효율상승의 효과보다 오히려 부하적 요인에서 역효과를 가져오게 된다. 따라서 상기 익현길이의 중간영역을 어떻게 구성하는 것은 상기 축류 팬(20)의 설계 상 매우 중요하다. 상기 축류 팬(20)의 풍량과 효율은 회전 날개(30)의 반경 방향에 대한 익현길이(W)의 분포에 의해서도 달라진다. 따라서 본 발명의 바람직한 실시 예에 있어서는 상기 익현길이(W)가 상기 내측단(32)으로부터 상기 외측단(33)으로 가면서 3차곡선형태로 연속적으로 변화하며 각 변곡점을 경계로 하여 제1증가구간(a1), 감소구간(a2), 제2증가구간(a3)으로 구분되는 변화 분포를 가진다. 상기 제1증가구간(a1)은 상기 회전 날개(30)의 내측단(32)에서 시작하여 길이비(r/R)가 대략 0.3이 되는 지점까지이다. 상기 제1증가구간(a1)에서 상기 익현길이(W)는 점진적으로 증가하는 분포를 보인다.

상기 감소구간(a2)은 상기 제1증가구간(a1)으로부터 연결되며 상기 길이비(r/R)가 상기 길이비가 0.65 내지 0.7인 지점까지가 바람직하다. 상기 감소구간(a2)에서는 길이비(r/R)가 증가함에 따라 상기 익현길이(W)는 점진적으로 감소하는 분포를 보인다.

상기 제2증가구간(a3)은 상기 감소구간(a2)으로부터 연결되며 상기 외측단(33)까지의 구간을 가리킨다. 상기 제2증가구간(a3)에서는 길이비(r/R)가 증가함에 따라 상기 익현길이(W)는 점진적으로 증가하는 분포를 보인다.

도 5는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 축류 팬(20)에 있어서, 회전 날개(30)의 반경방향 위치에 따른 익현길이(W)의 변화를 보여주고 있다. 이 그래프에서 세로축은 상기 익현길이(W)를 상기 회전 날개 전체길이(R)로 나눈 무차원 값을 나타낸다. 이 그래프에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 축류 팬(20)은 회전 날개(30)의 내측단(32)으로부터 반경방향으로 갈수록 상기 익현길이(W)가 제1증가구간(a1), 감소구간(a2), 제2증가구간(a3)으로 나뉘어 특징적으로 변하고 있음을 알 수 있다. 이러한 3차곡선 형태의 익현길이(W)의 분포는 종래의 축류 팬의 회전 날개와 현저히 구별되는 본 발명의 특징중 하나이다.

상기 스윕각(sweeping angle, α)은, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 허브중심(27)에서 상기 회전 날개(30)의 상기 전연선(350)상의 내측단(32)을 연결하는 직선(Lo)과 상기 허브중심(27)에서 상기 전연선(350)상의 임의 지점(P)을 연결하는 직선(Lr) 사이의 각이다. 상기 각도는 날개의 회전 방향(전향)각도를 양(+)의 각도로 회전 반대방향(후향)의 각도를 음(-)의 각도라 한다.

상기 스윕각(α)은 소음 감소와 아울러 효율 향상을 위해 최적값을 취하고 있다. 즉, 도 3에 도시된 바와 같이, 허브(25)에서 가까운 영역에서는 스윕각(α)을 점진적으로 감소하도록 구성하여 효율 증대 및 허브 측에서 스윕각(α)의 급격한 변화로 발생할 수 있는 날개 강도의 취약성을 보완하였다. 상기 회전 날개(30)의 외측단(33)에 가까운 영역에서는 스윕각(α)을 음의 값을 가지도록 구성하여 소음 감소를 도모하였다. 더 구체적으로, 상기 스윕각(α)은 상기 회전 날개(30)의 내측단(32)에서는 0의 각도를 가지며 점진적으로 감소하다가, 상기 길이비(r/R)가 0.15 내지 0.3인 구간에서 변곡되어 점진적으로 증가하는 분포를 보인다. 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시 예에서는 상기 스윕각(α)이 음의 각도에서 양의 각도로 바뀌는 지점은 길이비(r/R)가 0.5인 지점이다.

상기 설치각(stagger angle, β)은, 도 4에 도시된 바와 같이, 회전 날개(30)의 원주방향 단면에서 전연(35)과 후연(36)을 잇는 직선이 회전방향 직선(HL)과 이루는 각이다. 축류 팬은 회전하면서 공기를 회전 날개 전방에서 후방으로 이동시키게 되는데, 이러한 공기의 이동은 회전 날개가 회전하면서 정압부(355)의 압력을 상승시킴에 따라 발생하는 것이다. 즉, 축류 팬 회전에 따라 날개의 정압부(355)에는 정압(+)이 생성되고 부압부(366)에는 부압(-)이 발생하게 되며, 따라서 축류 팬이 회전하기 위해서는 날개의 정압부(355)와 부압부(366) 사이의 압력차를 극복할 수 있는 회전력 즉 모터의 구동력을 필요로 한다. 이를 역설적으로 보면 정압부(355)와 부압부(366)의 압력차를 줄이면 축류 팬 회전에 필요한 회전력이 줄어들어 결과적으로 축류 팬의 효율을 향상시킬 수 있다는 것을 추론할 수 있다.

그런데 축류 팬에 있어서, 상기 설치각(β)이 너무 크면 부압부(366)에서 박리 현상이 발생하여 정압부(355)와 부압부(366) 사이의 압력차가 커지게 되어 효율이 급격히 떨어지며, 설치각(β)이 너무 작으면 요구되는 풍량을 내기 위해 고속회전이 필요하여 소음이 급격이 증가하게 된다. 따라서 적절한 설치각(β)을 결정하는 것은 축류 팬의 효율 향상에 중요하다.

또한, 축류 팬의 유동 특성상 회전 날개(30)의 밴드(60) 측에 공기 유동이 회전 날개의 외측단(33)으로 몰리는 현상이 발생하게 되므로 본 발명에서는 상기 회전 날개(30)의 외측단(33)에서 최소의 설치각(β)을 갖도록 함으로써 상기 회전 날개(30)의 외측단(33)에 스트레스가 집중되지 않도록 구성하였다. 도 7에는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 설치각(β)의 분포를 상기 길이비에 따라 도시하였다.

상기 캠버각(camber angle, θ)은 도 4에 도시된 바와 같이 전연(35) 에서 캠버라인(37)의 접선과 후연(36)에서 캠버라인(37)의 접선 사이의 각도이다.

본 발명에 따른 바람직한 실시 예에 따르면, 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 캠버각(θ)은 상기 회전 날개(30)의 내측단(32)으로부터 점점 감소하여 길이비(r/R)가 0.8인 지점에서 내측단(32)의 캠버각(θ)이 최소값을 가지며, 그 지점으로부터 점점 증가한다.

상기 유입각(β1)은 도 4에 도시된 바와 같이 전연(35) 에서 캠버라인(37)의 접선과 회전 방향 직선(HL)이 이루는 각도로 정의한다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따르면, 도 9에 도시된 바와 같이, 상기 유입각(β1)은 상기 회전 날개(30)의 내측단(32)으로부터 외측단으로 갈수록 지속적으로 감소하도록 구성된다. 상기 유입각(β1)이 크면 풍량이 증가하나 상기 회전 날개(30)에 가해지는 부하가 증가하므로 진동 및 소음이 증가할 수 있다. 상기 유입각(β1)이 작으면 풍량이 감소하나 상기 회전 날개(30)에 가해지는 부하가 감소하므로 진동 및 소음이 감소하여 회전 날개(30)의 내구성이 향상된다. 이와 같이 상기 유입각(β1) 외측단으로 갈수적 감소함으로써 견고한 구조로 형성된 허브(25)에 가까운 부위에서 큰 풍량을 발생시키고 회전 날개(30)의 외측단으로 갈수록 부하를 감소시켜 내구성이 양호하게 유지되면서 최고의 풍량을 발생시키는 효과를 얻을 수 있다.

상기 유출각(β2)은 도 4에 도시된 바와 같이 후연(36) 에서 캠버라인(37)의 접선과 회전 방향 직선(HL)이 이루는 각도로 정의한다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따르면, 도 10에 도시된 바와 같이, 상기 유출각(β2)은 상기 회전 날개(30)의 내측단(32)으로부터 길이비가 0.8인 구간까지 감소하다가 이후 상기 회전 날개의 외측단까지 증가하도록 구성된다. 상기 유출각(β2)이 크면 상기 회전 날개(30)의 후연(36)에 가해지는 부하가 커진다. 한편, 상기 유출각(β2)이 작으면 상기 회전 날개(30)의 후연(36)에 가해지는 부하가 작아진다. 이와 같이 상기 유출각(β2)이 일정 구간까지 감소하다가 증가하도록 구성됨으로써 내구성이 가장 취약한 회전 날개(30)의 중간 부위에서 상기 회전 날개(30)에 가해지는 부하를 최소화할 수 있는 효과를 제공한다.

상기 점유각(φ)은 도 3에 도시된 바와 같이, 축류 팬(20)의 정면도에서 허브중심(27)에서 회전 날개(30)의 전연(35)과 후연(36)을 지나는 직선을 그을 때 그 두 직선 사이의 각도로 정의한다. 즉, 상기 점유각(φ)은 상기 길이비의 변화에 따라 회전 날개(30)의 단면이 차지하는 호의 중심각을 의미한다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따르면, 도 11에 도시된 바와 같이, 상기 점유각(φ)은 상기 회전 날개(30)의 내측단(32)으로부터 상기 길이비(r/R)가 0.08인 구간까지 증가하는 제1증가구간(b1)을 가지며, 상기 길이비(r/R)가 0.08인 지점에서 상기 길이비(r/R)가 0.72인 구간까지 감소하는 감소구간(b2) 및 상기 길이비(r/R)가 0.72인 지점에서 상기 회전 날개(30)의 외측단까지 증가하는 제2증가구간(b3)을 가진다. 상기 점유각(φ)이 크면 각각의 회전 날개(30)의 풍량이 증가한다. 그러나, 상기 점유각(φ)이 크면 회전 날개(30)에 가해지는 부하가 커지므로 회전 날개(30)의 내구성이 약화 된다. 이에 따라 상기 점유각(φ) 제1증가구간(b1), 감소구간(b2), 제2증가구간(b3)을 순차적으로 가지도록 구성됨으로써 상기 회전 날개(30)의 중간 부위의 취약함을 보완하면서 최대의 풍량을 발생시킬 수 있는 효과가 있다.

상기 후연선 높이(Z)는 도 12에 도시된 바와 같이, 축류 팬(20)의 회전축의 측방에서 보았을 때, 허브(25)의 상단면과 회전 날개(30)의 후연(36) 사이의 직선 거리로 정의한다. 상기 후연선 높이(Z)는 허브(25)의 상단면을 기준으로 그 상단면보다 높은 쪽을 양(+)의 값으로 정의하고, 그 상단면 보다 낮은 쪽을 음(-)의 값으로 정의한다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따르면, 도 13에 도시된 바와 같이, 상기 후연선 높이(Z)는 상기 회전 날개(30)의 내측단(32)으로부터 외측단(33)까지 지속으로 감소하도록 구성된다. 후연선 높이(Z)가 크면 회전 날개(30)의 전연(35)과 후연(36) 간의 경사가 커져서 풍량이 증가한다. 그러나 후연선 높이(Z)이 크면 회전 날개(30)의 부하가 커지므로 내구성이 약화 되고 진동 및 소음이 증가할 수 있다. 이러한 점을 고려하여 후연선 높이(Z)는 상술한 유입각(β1), 유입각(β1) 및 점유각(φ)과의 상호작용을 고려하여 최적으로 설계하여야 한다. 이러한 설계인자들을 고려하여 본원 발명에서는 상기 후연선 높이(Z)를 상기 길이비(r/R)에 따라 지속적으로 감소하도록 구성함으로써 전체적으로 최고의 풍량을 발생시키며 회전 날개(30)의 양호한 내구성을 확보하도록 하였다.

상술한 바와 같이 축류 팬(20)의 회전 날개(30) 형상은 익현길이(W), 스윕각(α), 설치각(β), 캠버각(θ), 유입각(β1), 유출각(β2), 점유각(φ), 후연선 높이(Z)에 따라 결정되며, 상기 익현길이(W)는 상기 회전 날개(30)의 내측단(32)으로부터 상기 길이비(r/R)에 따라 제1증가구간(a1), 감소구간(a2), 제2증가구간(a3)이 순차적으로 형성되도록 구성하였다. 상기 설치각(β)은 상기 회전 날개(30)의 외측단(33)에서 최소의 값을 가지는 것이 바람직하며, 이는 상기 회전 날개(30)의 외측단(33)에서의 부하 손실을 최소로 하기 위한 것이다. 축류 팬(20)은 그 회전 날개(30)의 설계 인자의 조합이 최적상태가 될 때, 사용자가 필요로 하는 송풍 효율 및 소음감소 효과를 얻을 수 있다. 또한, 상기 유입각(β1), 유출각(β2), 점유각(φ) 및 후연선 높이(Z)를 상술한 바와 한정하여 구성함으로써 전체적으로 최고의 풍량을 발생시키며 회전 날개(30)의 양호한 내구성을 확보하도록 하였다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 회전 날개(30)가 장착된 축류 팬(20)의 송풍효율은 도 14에 도시된 바와 같이 종래의 축류 팬의 송풍 효율에 비해 동일 압력 조건에서 그 성능이 2.5배 이상 월등히 향상된 것을 알 수 있다. 즉, 도 14를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 축류 팬은 고압 저항인 20mmAq에서 종래의 축류 팬이 발생하는 풍량(Q)은 4300CMH(시간당 풍량, cubicmeter per hour)로써 종래 축류 팬이 발생하는 풍량 1600CMH에 비하여 현저하게 향상된 것을 알 수 있다. 도 14에서 세로축은 축류 팬(20)의 전면부에 발생하는 압력 저항으로서 표기된 압력 단위는 mmAq, 즉 압력의 크기를 물기둥의 높이로 표기한 것이다. 통상적으로 1mmAq의 압력은 9.8Pa이다.

이와 같이 본 발명에 따른 축류 팬은, 팬의 외경이 410mm 이상인 대용량 축류 팬에 적용되는 형상으로서 축류 팬을 구성하는 회전 날개의 높은 압력 지점에서 작동이 용이하고 송풍효율을 최대로 확보할 수 있도록 함으로써 동일한 고압 저항에서 종래의 축류 팬에 비하여 현저하게 많은 풍량을 발생시키는 효과를 제공한다.

이상, 바람직한 실시 예를 들어 본 발명에 대해 설명하였으나, 본 발명이 그러한 예에 의해 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범주 내에서 다양한 형태의 축류 팬이 구체화될 수 있을 것이다.

20: 축류 팬
25: 허브
27: 허브중심
30: 회전 날개
32: 내측단
33: 외측단
34: 중앙선
35: 전연
36: 후연
W: 익현길이
a1: 제1증가구간(익현길이)
a2: 감소구간(익현길이)
a3: 제2증가구간(익현길이)
b1: 제1증가구간(점유각)
b2: 감소구간(점유각)
b3: 제2증가구간(점유각)
Z: 후연선 높이
α: 스윕각
β: 설치각
β1: 유입각
β2: 유출각
θ: 캠버각
φ: 점유각
60: 밴드
350: 전연선
355: 정압부
360: 후연선
366: 부압부

Claims

회전축에 결합되는 허브와,
상기 허브의 외주에 방사상으로 배열되어 상기 허브와 일체로 회전되면서 공기를 축 방향으로 송풍하는 복수 개의 회전 날개를 포함하며, 상기 회전 날개의 형상을 결정하는 인자로서 익현길이, 스윕각, 설치각, 캠버각, 유입각, 유출각, 점유각 및 후연선 높이가 정의된 축류 팬에 있어서,
상기 회전 날개의 내측단으로부터 상기 회전 날개의 외측단을 연결하는 최단 직선 길이(R)를 분모로 하고, 상기 회전 날개의 내측단으로부터 상기 최단 직선상에 있으며 상기 회전 날개의 내측단과 외측단 사이의 임의의 점과의 거리(r)를 분자로 한 무차원 값을 길이비(r/R)라 정의할 때,
상기 유입각은 상기 회전 날개의 내측단으로부터 외측단으로 갈수록 지속적으로 감소하며,
상기 유출각은 상기 회전 날개의 내측단으로부터 상기 길이비가 0.8인 구간까지 감소하다가 이후 상기 회전 날개의 외측단까지 증가하며,
상기 점유각은 상기 회전 날개의 내측단으로부터 상기 길이비가 0.08인 구간까지 증가하는 제1증가구간, 상기 길이비가 0.08인 지점에서 상기 길이비가 0.72인 구간까지 감소하는 감소구간 및 상기 길이비가 0.72인 지점에서 상기 회전 날개의 외측단까지 증가하는 제2증가구간을 가지며,
상기 후연선 높이는 상기 회전 날개의 내측단으로부터 외측단까지 지속적으로 감소하는 것을 특징으로 하는 축류 팬.
제1항에 있어서,
상기 회전 날개는 내측단으로부터 외측단으로 갈수록 상기 익현길이가 점진적으로 증가하는 제1증가구간과, 상기 제1증가구간에 연속되며 상기 익현길이가 점진적으로 감소하는 감소구간과, 상기 감소구간에 연속되며 상기 익현길이가 점진적으로 증가하는 제2증가구간을 가지며,
상기 제1증가 구간과 상기 감소 구간 간 변곡점은 상기 길이비가 0.2 내지 0.4인 지점에서 형성되며,
상기 감소 구간과 상기 제2증가 구간 간 변곡점은 상기 길이비가 0.65 내지 0.7인 지점에서 형성된 것을 특징으로 하는 축류 팬.
제1항에 있어서,
상기 캠버각은 상기 회전 날개의 내측단으로부터 상기 길이비가 0.8인 지점까지 감소하다 상기 길이비가 0.8인 지점 이후부터 상기 회전 날개의 외측단까지 증가하는 것을 특징으로 하는 축류 팬.
제1항에 있어서,
상기 스윕각은 상기 회전 날개의 내측단으로부터 상기 길이비가 0.15 내지 0.3인 지점을 기준으로 점점 감소하다가 상기 회전 날개의 외측단까지 점점 증가하는 것을 특징으로 하는 축류 팬.
제1항에 있어서,
상기 설치각은 상기 회전 날개의 내측단에서 외측단까지 연속적으로 감소하는 것을 특징으로 하는 축류 팬.
제1항에 있어서,
상기 스윕각은 상기 길이비가 0.5인 지점까지 음의 값을 가지며, 상기 길이비가 0.5인 지점을 기점으로 상기 회전 날개의 외측단까지 양의 값을 가지는 것을 특징으로 하는 축류 팬.