I. 서 론
II. 기존 원심팬 시스템
2.1 기존 원심팬과 설계 제약 조건
III. 수치 해석
3.1 수치 기법 및 해석 도메인
3.2 수치 기법의 검증
3.3 95D 원심팬의 유동 성능
IV. 성능 개선 모델
4.1 성능 개선 모델 제시
4.2 실험적 검증
V. 결 론
I. 서 론
최근 자동차의 성능이 좋아짐에 따라 운전자에게 쾌적한 운전 환경을 제공하는 것이 중요해졌고, 운전자에게 제공된 다양한 편의기능 중 자동차 시트는 운전자와 가장 가깝게 접하고 있는 중요한 요소로 자리매김하고 있다. 시트의 편의기능 중 온도 환경을 쾌적하게 유지할 수 있는 냉난방 시스템에 대한 연구가 활발해지고 있다. 그 중 한 사례로 전기차의 기술이 발전하는 가운데 에어컨 및 히터의 사용으로 전기차의 주행거리와 효율이 줄어드는 문제가 대두되었고, 이와 관련해 HVAC (Heating, Ventilation, & Air Conditioning) 산업에서 관심있는 주제로 떠오르고 있다. 이러한 냉난방 시스템에서 필수적으로 들어가는 제품은 쿨링팬이며, 원심팬의 일종인 시로코팬은 비교적 소형으로 많은 유량을 낼 수 있는 장점으로 인하여 쿨링팬으로 많이 사용되고 있다. 그러나 높은 유량은 필연적으로 원치 않는 공력 소음을 수반하게 되는 문제로 팬 시스템의 유동 특성의 분석과 소음저감을 위한 많은 연구가 진행되었다. Shin et al.[1]은 냉기순환용 냉장고에 사용되는 원심팬 시스템을 실험적, 수치적으로 유동 성능을 분석하고 팬의 허브 끝단과 날개사이에서 발생한 와류를 저감하여 유동 및 소음 성능을 개선하였다. Lee et al.[2]은 전산유체역학의 RANS(Reynolds Averaged Navier-Stokes) 방정식을 기초로 한 복합 CAA 방법을 이용하여 원심팬의 BPF 소음을 예측 및 저감하였다. Heo et al.[3]은 RANS 방정식에 기초한 전산유체역학(Computational Fluid Dynamics, CFD) 해석을 통해 예측한 유동장내에서 광대역 소음의 주요한 소음원으로 인식되는 난류를 난류합성모델을 이용하여 합성하고, 합성된 난류 유동장에 Lee et al.[2]에 의해 적용된 복합방법을 사용하여 원심팬 내부 광대역 소음을 예측하였다. Heo et al.[4]은 복합 CAA 방법을 이용하여 원심팬의 주요한 소음의 영역으로 알려진 볼루트 영역을 사극자 소음원으로 모델링하여 대상 원심팬 시스템의 소음을 예측하였다. Heo et al.[5]은 기울어진 S 형상의 날개깃 뒷전을 활용하여 냉장고에 사용되는 저소음 원심팬을 개발하였다. Sanjose와 Moreau[6]는 열교환기의 허브 형상 개선을 통해서 허브에서 발생하는 박리 유동을 제거하여 성능을 개선하였다.
이 논문에서는 자동차 시트 쿨링용 팬으로고성능/저소음의 원심팬을 개발하였다. 먼저 수치해석을 통해 기존 원심팬의 유동과 소음 성능을 확인하고, 실험을 통해 사용된 수치기법의 유효성을 검증하였다. 구조적인 제약 조건을 충족하는 원심팬의 설계 범위를 확인하고, 유동장의 특성을 분석한 결과를 활용하여 이를 개선하기 위한 형상변경 설계안을 제시하였다. 그 결과 개발된 성능 개선 모델이 유량, 소음 측면에서 모두 목표값을 넘어선 결과를 나타냄을 수치적, 실험적으로 확인하였다.
II. 기존 원심팬 시스템
2.1 기존 원심팬과 설계 제약 조건
본 연구의 개선 대상이 되는 원심팬은 Fig. 1에 나타낸 바와 같이 직경 81 mm, 높이 29 mm, 47개의 전향-곡선 형식(forward-curved type)의 날개를 가져 많은 유량을 내기에 적합한 형태를 가진다. 이러한 원심팬 Fig. 2에 도시한 것처럼 모터 드라이브, 스크롤 하우징, 가이드 덕트가 추가로 부착되어 시트에 장착된다. 본 연구에서는 원심팬과 스크롤 하우징만을 고려하여 연구를 진행하였다.
원심팬이 시트에 장착되기 위해서는 Table 1에서 제시한 설계 제약 조건과 최소 성능조건을 만족시켜야 한다. 대상 원심팬은 하나의 유입구와 두개의 토출구를 가지며, 직경이 95 mm 이하, 높이가 16 mm, 3,000 r/min의 회전속도 등의 제약 조건을 가진다. 이 외 날개 개수, 코드 길이, 날개 입ᆞ출구각은 기존과 동일하게 유지하였다. 이때 최소 유량 61 CMH, 소음 성능은 57.8 dB동등 이하를 목표로 하였다. 소음 성능은 기존 원심팬의 음압레벨을 기준으로 하였다. 기존 원심팬의 높이가 29 mm로 설계 제약 조건에 위배되기 때문에 16 mm로 축소 설계를 해야하는 점이 가장 도전적인 제안요소였다.
Table 1. Design constraint of target centrifugal fan unit.
| Diameter (mm) | Height (mm) | RPM | VFR (CMH) | SPL (dB) | |
| Original fan | 81 | 29 | 3000 | 46 | 57.8 |
| Constraint | 95 | 16 | 3000 | 61 | 57.8 |
원심팬의 유량은 팬 법칙에 따라 근사적으로 팬의 직경의 제곱과 높이의 곱에 비례하는데, 제약 조건으로 팬의 높이가 크게 줄어든 만큼 팬의 설계 최대 직경인 95 mm로 설계하였다. 설계 제한 조건을 만족하는 초기 원심팬의 형상을 Fig. 3에 나타내었다.
III. 수치 해석
3.1 수치 기법 및 해석 도메인
설계 제약 조건을 만족하는 원심팬을 설계하기 위한 수치해석기법의 검증과 더불어 기존 원심팬의 유동 특성을 분석하기 위하여 전산유체역학 기법을 기초로 유동 성능을 예측하였다. 아래의 식과 같은 3차원 비압축성 정상 상태 RANS 방정식을 지배방정식으로 사용하였다.
| $$\frac\partial{\partial x_j}(\rho u_j)=0.$$ | (1) |
해당 지배방정식을 수치적으로 해석하기 위해 상용 전산유체역학 프로그램인 ANSYS Fluent를 사용하였다. Fig. 4에서 회전부분인 날개표면의 y+의 분포가1~15 범위를 가지도록 격자를 구성하였고 난류모델은 Standard k- ε 모델을 사용하였다. 정상 상태에서 원심팬의 회전을 모사하기 위해서 이동기준좌표계(Moving Reference Frame. MRF) 모델을 적용하였다. 해석에 사용된 수치기법은 SIMPLE(Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equation) 기법과 1차 공간차분법을 적용하였다. 해석에 사용된 도메인은 Fig. 5에 나타낸 것과 같이 직육면체로 구성하였고, 경계 조건으로는 유동이 유입되는 면에는 입구단 압력 조건을, 나머지 5개의 면에는 출구단 압력 조건을 부여하였다. 해석에 사용된 격자는 약 1,300만 개의 사면체 격자로 구성하였다.
3.2 수치 기법의 검증
본 연구에서 사용한 수치해석기법과 구성한 격자, 부여한 경계 조건의 신뢰성을 검증하기 위하여, 기존 원심팬에 대하여 실험으로 얻은 유량값과 수치 해석으로 예측한 유량값을 비교하였다. 비교 지점으로는 Fig. 6에 나타낸 바와 같이 팬테스터를 이용하여 측정한 성능 곡선(P-Q curve) 상에서 정압이 0 Pa인 지점인 무부하 조건에서 비교하였다. 비교 결과 무부하 조건에서 수치 해석 결과가 실험 결과를 1.5 % 정도에서 정확하게 잘 예측하고 있음을 볼 수 있다. 이를 통해 본 연구에서 사용한 수치적 기법이 타당함을 확인하였다.
3.3 95D 원심팬의 유동 성능
3.2절에서 검증한 수치 기법을 이용하여 95D원심팬의 유동성능을 좀 더 구체적으로 분석하였다. 기존 원심팬과 95D 원심팬의 수치해석으로 얻은 유량값을 Table 2에서 비교하였다. 95D 원심팬의 유량이 기존 원심팬에 비하여 13.6 % 증가하였으나 설계 목표로 하고 있는 유량에 대해서는 18.5 % 부족한 결과를 보였다.
Table 2. Result of numerical analysis.
| Original | 95D model | Target | |
| VFR [CMH] | 45.4 | 51.6 | 61.1 |
95D 원심팬을 기본으로 설계 목표 유량을 만족하는 팬을 개발하기 위하여 Figs. 7 ~ 9에서 95D 원심팬의 내부 유동장을 x, y, z-축에 수직한 단면을 잘라 분석한 결과를 차례로 나타내었다. Fig. 7의 x-축 수직 단면에서는 좁은 유입구와 평평한 허브 윗면의 영향으로 유입된 공기가 매끄럽게 흘러가지 못하는 것을 확인하였다. Fig. 8의 y-축 단면에서는 허브의 아래쪽 끝단과 날개사이에서 작은 와류가 발생하고 있는 것을 확인하였다. 마지막으로 Fig. 9에서는 z-축에 수직한 단면에서 날개 근처의 유속은 빠르지만 스크롤 하우징과 날개 사이의 간극이 출구쪽으로 가면서 급격하게 증가하면서 공기를 토출구로 효율적으로 밀어내지 못하는 것을 확인하였다. 하우징과 날개사이의 공간은 날개의 역학적 회전 운동에너지로부터 전달받은 공기의 운동에너지의 일부가 정압으로 변하며 유량을 생성시키는 역할을 수행하는데, 현재 모델은 급격한 단면적 변화로 인한 급격한 속도의 변화로 역압력 구배가 발생하고 있다.
다음 절에서는 각 단면에서 관측된 유동 현상들을 개선할 수 있도록 성능 개선 모델을 제시하였다.
IV. 성능 개선 모델
4.1 성능 개선 모델 제시
3.3절에서 95D 모델에서 관측된 유동 현상을 개선하기 위해, 먼저 팬 허브의 윗면을 Fig. 10과 같이 변경하였다. 95D 모델의 허브 형상은 윗면이 평평해서 유입된 유동의 방향이 급격히 변경되어 유동 성능에 악영향을 준다. 평평한 윗면을 타원 형태로 변경하여 공기를 매끄럽게 흐르도록 하였다. 또한 추가적으로 Fig. 8에서 관찰된 와류를 개선하기 위한 허브 길이를 반지름 방향으로 증가시켰다. Fig. 11에서 두가지 개선 모델을 적용한 팬 주위 유동해석결과를 나타내었다. 입구 허브 쪽 부분의 유동이 보다 원활하게 형성되고 허브 끝단 부근 유동에서 와류가 급격히 줄어 들었음을 확인할 수 있다.
두 번째로, 투영 면적을 설계변수로 활용하여 유입면의 모양을 변경하였다. 유입면의 투영면적 즉, 유입구 뚫린 면적이 커지면 저항이 줄뿐만 아니라 공기가 날개에 직접 닿는 면적이 증가해서 유동 성능이 개선될 것으로 예측된다. 투영면적비는 Aproject/A 형태로 나타낼 수 있는데, 이때 Aproject는 투영된 면적을 의미하고 A는 완전히 뚫렸을 때의 유입구 면적에 해당한다. Fig. 12(a)에서 볼 수 있듯이 95D 모델은 원형의 좁은 폭을 가진 유입구가 수십 개 있는 형태이다. 반면 Fig. 12(b)에서 볼 수 있듯이 성능 개선을 위해 제안한 모델은 중앙위치에서 좁은 폭을 가지면서 중앙으로부터 멀어질 수록 넓은 폭의 유입구 형태를 가지도록 제시하였다. 각 모델의 투영면적비는 Table 3에 나타내었다. 유입구의 반지름은 40 mm로 두 모델 동일하고, 투영면적을 개선된 모델이 95D 모델보다 약 1.7배 크게 설계하였다. 개선된 투영면적은 구조적, 강성, 먼지, 이물질 등의 이유로 유입구를 완전히 개방하지 않는 조건 하에서 설계하였다. Fig. 13은 성능 개선 모델의 x축에 수직한단면에서의 속도 벡터 분포를 나타내고 있다. 결과적으로, Fig. 7에서 관측된 정체 유동이 좀 더 개선되어 입구 유속과 허브 주위 유속이 빨라진 것을 볼 수 있었다.
Table 3. Comparison of projected area ratio.
| 95D model | Modified model | |
| Projected area [mm2] | 1894 | 3271 |
| Inlet area [mm2] | 5027 | 5027 |
| Projected area ratio | 0.38 | 0.65 |
세 번째로, 스크롤 하우징을 변경하였다. 95D 모델은 스크롤 하우징과 날개 사이의 간극이 급격히 변하여 효율적으로 공기를 이송하지 못하고 있다. 성능 개선 모델은 Fig. 14에서 볼 수 있듯이 95D 모델 대비 스크롤 하우징과 날개 사이의 간극을 줄여 효율적으로 공기를 이송하도록 설계하였다[7]. Fig. 15에 z-축에 수직한 단면에서 성능 개선 전과 개선 후의 유동장을 비교하여 나타내었다. 스크롤 하우징과 날개와의 줄어든 간극이 유동을 유출구 방향으로 보다 효율적으로 이송하는 것을 볼 수 있다.
마지막으로는 정규화한 컷-오프(normalized cut-off) 간극의 변화를 주어 소음 저감을 위한 설계를 수행하였다. 컷-오프 간격은 원심팬에서 날개와 하우징 사이의 최소 간격을 의미한다. Neise[8]에 따르면 정규화한 컷-오프 간극은 Δr/R로, Δr은 컷-오프 간극을 의미하며, R은 대상 팬의 반지름이다. Neise[8]는 Fig. 16과 같이 정규화한 컷-오프 간극이 증가할수록 소음이 줄어드는 경향성을 나타낸다고 보고하였다. 95D 모델과 형상 개선 모델의 컷-오프 간극을 Table 4에 나타내었다. 95D 모델의 컷-오프 간극은 2.7 mm이고, 이를 정규화하면 0.056이 된다. 해당 값은 Fig. 16 그래프의 경향을 보았을 때 소음이 개선될 여지가 있기 때문에 성능 개선 모델에서는 컷-오프 간극을 4.5 mm로 증가시켰다.
Table 4. Comparison of the normalized cut-off clearance.
| 95D model | Modified model | |
| Cut-off clearance [mm] | 2.7 | 4.5 |
| Normalized cut-off clearance | 0.056 | 0.094 |
위에 언급한 설계요소를 모두 반영한 모델과 기존 모델, 95D 모델의 수치 해석으로 얻은 유량과 목표 유량과의 비교 결과를 Table 5에 나타내었다. 그 결과 성능 개선 모델이 기존 모델에 비해 약 42 %, 95D 모델에 비해 약 25 % 만큼 유량이 증가한 결과를 보이고, 목표로 한 유량에 대해 약 6 % 많은 결과를 보이고 있다.
Table 5. Result of numerical analysis.
| Original | 95D model | Modified model | Target | |
| VFR [CMH] | 45.6 | 51.6 | 64.7 | 61.1 |
4.2 실험적 검증
4.1절에서 최종 개선된 모델에 대한 실험적 검증을 위해 실물 모형을 제작하여 최종 개발된 모델의 유량 및 소음 측정 실험을 실시하였다. 유량 실험은 Fig. 17에 나타낸 팬 테스터를 사용하였다. 이는 600(W)*600(D)*1600(L) mm의 내부 챔버를 가지고 있고, 측정 가능한 유량의 범위는 0.016 CMM에서 9.467 CMM이다. Fig. 18은 성능 개선 모델의 성능 곡선과 수치 해석 결과를 나타내고 있다. 무부하 조건에서는 수치 해석 결과가 실험결과를 잘 예측하고 있음을 알 수 있었다. 원심팬에서는 축류팬과 달리 성능 곡선상에서 실속 영역이 없기 때문에 무부하 지점에서의 유동 성능을 개선하면 좀 더 고압 작동 영역에서도 유동 성능이 향상되는 것을 확인할 수 있다.
소음 실험은 Fig. 19에 나타낸 것과 같이 반무향실에서 소음 측정을 실시하였다. 해당 반무향실은 150 Hz의 차단주파수와 전체(overall) 20 dB(A)의 암소음을 가진다. 소음 측정은 실제 자동차에 장착되는 높이인 600 mm를 고려하여 자체 제작한 지그에 장착하여 실시하였다. 마이크로폰의 위치는 원심팬의 입구단 면에 수평방향으로 500 mm 이격하여 기존 모델과 개선모델 모두 3,000 r/min 작동조건에서 음압레벨을 측정하였다. Table 6에서 측정에 사용한 장비를 나타내었다.
Table 6. Measurement equipment.
| Type | Model |
| Microphone | B&K 4189 |
| pre-amplifier | B&K 2674 |
| Recoder | LMS scadas mobile SCM02 |
| Laptop | hp 8570p |
| Calibrator | B&K 4231 |
Fig. 20은 성능 개선 모델과 기존 모델의 음압 레벨 스펙트럼을 나타내고 있다. 2,300 Hz 부근에서 개선모델이 기존모델에 비해 순음 성분이 증가한 이유는 구조적으로 높이는 낮아지면서 반경은 증가하여 같은 회전속도에서 날개 끝 속도가 증가한 것에 기인하는 것으로 판단된다. 하지만 개선 설계안이 유동내의 와류 강도를 크게 감소시킴으로써 광대역 소음성분을 많이 줄여, 기존모델은 전체 음압레벨이 57.8 dB, 개선 모델의 전체 음압 레벨은 55.4 dB로 나타나 최종적으로 개선 모델이 설계 목표로 하는 음압 레벨 보다 2.4 dB 낮은 값을 가짐을 확인하였다.
V. 결 론
본 연구에서는 새로운 자동차 시트에 사용되는 냉각팬을 개발하기 위하여 기존의 냉각팬을 기준으로, 자동차 시트에 장착하기 위한 기하학적 제약 조건을 만족하면서 유량과 소음 성능의 설계목표값을 충족하는 원심팬을 개발하였다. 먼저, 일차적으로 기하학적 조건을 만족하는 95D 모델의 수치적 분석을 통하여 원심팬의 성능을 분석하였고, 내부 유동장에서 해석결과를 분석하여 손실 요인들을 식별하였다. 이러한 손실 요인들을 제거 또는 감소시킬 수 있는 설계요소, 즉 허브 형상, 입구 그릴 형상, 컷-오프 길이에 대하여 새로운 설계안을 제시하고 수치적으로 그 유효성을 확인하였다. 이러한 결과를 기반으로 시제품을 제작하여 성능평가 시험을 진행하였다. 시험결과 무부하 지점에서의 기준시스템에 비해 유량이 약 42 %, 목표 유량에 대해서는 약 6 % 증가하였다. 소음 성능은 기존 모델에 비해 전체 음압 레벨을 2.4 dB 저감하였다.
