專利名稱：用于具有反向旋轉(zhuǎn)葉輪的軸流式風(fēng)扇的葉輪片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種軸流式風(fēng)扇，尤其涉及一種同軸反向旋轉(zhuǎn)葉輪的多葉輪裝置。本發(fā)明的多葉輪反向旋轉(zhuǎn)軸流式風(fēng)扇特別適用于冷卻電子元件。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的軸流式風(fēng)扇一般包括一個(gè)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)、一個(gè)安裝在與驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)相連的電動(dòng)機(jī)軸上的圓柱形中央輪轂部分、多個(gè)附于該輪轂的葉片和一個(gè)用于把風(fēng)扇或葉輪包起來的外殼，此處所用的風(fēng)扇或葉輪看作相同的術(shù)語。每個(gè)葉片從風(fēng)扇的中央輪轂部分徑向向外延伸。電動(dòng)機(jī)軸從中心孔連接到輪轂部分，因此輪轂部分可以被驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)通過機(jī)動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)。在這樣的裝置中，輪轂部分和葉片一起由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)繞外殼的軸旋轉(zhuǎn)，從而推動(dòng)氣流從風(fēng)扇的進(jìn)氣區(qū)域流到出氣區(qū)域。風(fēng)扇的葉片是翼面構(gòu)型，以便使葉片在與其旋轉(zhuǎn)方向相反的方向產(chǎn)生力和在與其旋轉(zhuǎn)方向垂直的方向產(chǎn)生氣流。
眾所周知，例如由IMC磁性元件公司，即本申請(qǐng)的受讓人生產(chǎn)的No.5920型軸流式風(fēng)扇利用了一個(gè)使用四極電動(dòng)機(jī)的單極繞組，但同時(shí)僅有兩個(gè)繞組接通。這些風(fēng)扇使用了包括大尺寸電路元件的電路系統(tǒng)，例如，一個(gè)用于減小啟動(dòng)電流的感應(yīng)器，用于控制功率級(jí)足夠大的晶體管和用于保護(hù)這些晶體管所需的大型箝位二極管。這樣的軸流式風(fēng)扇不能使用57V-64V范圍內(nèi)的輸入電壓，而被限制在最大輸入電壓約56V的范圍內(nèi)，更典型地在輸入電壓約48V下運(yùn)行。
由于單極繞組所需匝數(shù)，同時(shí)也由于二極管、感應(yīng)器和所用的晶體管的大尺寸，No.5920型風(fēng)扇的軸寬為兩英寸。而且，No.5920型風(fēng)扇的軸寬被認(rèn)為是它的五個(gè)葉片所造成的，其中每個(gè)葉片的特征在于近似描述為曲平面板的對(duì)稱橫截面。因此，這些葉片空氣動(dòng)力的效能不高，因而需要一個(gè)更大的弦長，來滿足促使No.5920型風(fēng)扇的尺寸達(dá)到兩英寸軸寬的性能需要。
隨著電路板上的電子元件的密度及承載能力的不斷提高，以及由此產(chǎn)生的加熱問題的間接增多，軸流式風(fēng)扇越來越多地致力于解決這樣的加熱問題。在這樣的軸流式風(fēng)扇的設(shè)計(jì)中，重要的是在保持、或甚至提高它們冷卻電子元件的能力的同時(shí)，要使它們盡可能的小以及成本盡可能的低。特別重要的是盡可能減小這種風(fēng)扇的外形尺寸。例如，No.5920型風(fēng)扇的兩英寸軸寬比用于冷卻電子元件的軸流式風(fēng)扇所用的最佳尺寸要寬。因此，最好是在保持它的性能參數(shù)和設(shè)計(jì)約束條件的同時(shí)能減小它的尺寸。
減小這種風(fēng)扇的外形尺寸的一種方法是，在保持性能參數(shù)和設(shè)計(jì)約束條件的同時(shí)消除大的電子元件以及減小其它元件的尺寸。例如，軸流式風(fēng)扇的外殼可以用作吸熱器，通過消除對(duì)單獨(dú)吸熱器的需要來減小風(fēng)扇的軸寬。
另外，為了減小軸流式風(fēng)扇的外形尺寸，最好是使用窄弦葉片。但是，這種窄弦葉片的使用導(dǎo)致性能降低，尤其是風(fēng)扇壓力和氣流的降低。這些性能的降低必須通過改變?cè)O(shè)計(jì)參數(shù)來補(bǔ)償。眾所周知，在其它的因素中，弦長、葉形中心線(Camber line)彎曲角、葉片安裝角(Camber angle)和葉片的橫截面形狀是可能影響風(fēng)扇性能的因素。另外，眾所周知，通過沿著葉片展長改變工作分布，在保持性能參數(shù)的同時(shí)，弦長可以沿著葉片展長變化。
理論上，葉形中心線彎曲角越大，在固定沖角下的提升力越大。但是，如果葉形中心線彎曲角太大，葉片可能失速，導(dǎo)致性能下降以及噪聲波形(noisesignature)增大。因此，葉形中心線彎曲角必須設(shè)計(jì)為合適的值。
通過一個(gè)更進(jìn)一步的實(shí)例，工作分布在徑向位置的降低將便于弦長的減小，伴隨著在徑向位置葉片輸出速度的降低。因此，最好是在輪轂部分(葉片根部)使工作分布達(dá)到最小，因?yàn)檫@影響到軸寬，以及在葉片頂部使工作分布達(dá)到最大，以便在頂部產(chǎn)生最大的葉片輸出速度。這種方法曾在美國專利No.5,320,493中公開。但是，由于葉片頂部輸出速度的增加和從葉片頂部噴出的湍流空氣的增加，這種方法可能會(huì)導(dǎo)致風(fēng)扇的噪聲波形過度增大。因此，最好是在處于根部和頂部間的某個(gè)有利位置確定最大工作分布。
此外，葉片的橫截面形狀影響它的速度分布。圓弧輪廓，例如NACA系列65個(gè)翼面示出一個(gè)流速分布圖，該圖導(dǎo)致速度在葉片尾緣沿著吸力面急劇下降。這樣大的減速率導(dǎo)致邊界層更加不穩(wěn)定，促使邊界層分離并因此導(dǎo)致升力損失和更大的輸出葉片的湍流空氣。因此，橫截面翼面的流速分布圖必須設(shè)計(jì)成會(huì)得到有利的流速分布圖。
現(xiàn)有各種美國專利在這方面已經(jīng)取得進(jìn)展。例如，美國專利No.4,971,520、No.4,569,631、No.5,244,347、No.5,326,225、No.5,513,951、No.5,320,493、No.5,181,830、No.5,273,400、No.2,811,303和No.5,730,483公開了軸流式風(fēng)扇。但是，在這些專利中公開的風(fēng)扇沒有有效地組合上述參數(shù)以克服上面所描述的問題。尤其是沒有發(fā)明公開一種翼型或葉片，該翼型或葉片在減小風(fēng)扇軸寬的同時(shí)表現(xiàn)出本發(fā)明的性能。并且也沒有任何發(fā)明公開在多葉輪反向旋轉(zhuǎn)裝置中應(yīng)用這種優(yōu)化葉片，以進(jìn)一步開發(fā)分別減小每個(gè)葉輪寬度并得到外形尺寸小性能高的風(fēng)扇。
在不相似的飛行器旋翼領(lǐng)域，如Sudrow的美國專利No.3,127,093中所公開，使用多個(gè)共軸旋翼人所共知。Sudrow的專利公開了一種“用于飛行器的函道支重旋翼”，這種旋翼利用了兩套共軸旋翼，其中每一套有多個(gè)翼面構(gòu)成以產(chǎn)生提升力。這些旋翼裝到電動(dòng)機(jī)軸上，該電動(dòng)機(jī)軸能夠反向旋轉(zhuǎn)。這種反向旋轉(zhuǎn)裝置被用來降低扭矩，減少軸向氣流以及降低振動(dòng)和噪聲。
與裝在飛行器旋翼上的翼面不同，構(gòu)成裝在風(fēng)扇轉(zhuǎn)子上的翼面以產(chǎn)生氣流。傳統(tǒng)理論預(yù)測(cè)，在沒有顯著下游流阻的自由流動(dòng)環(huán)境中，串聯(lián)運(yùn)行的兩個(gè)相同的軸流式風(fēng)扇不會(huì)比其中一個(gè)自己運(yùn)行的軸流式風(fēng)扇提供更多的氣流。傳統(tǒng)理論還預(yù)測(cè)，在有顯著下游流阻的流動(dòng)受限制的環(huán)境中，串聯(lián)運(yùn)行的兩個(gè)相同的軸流式風(fēng)扇最多提供獨(dú)自運(yùn)行的單個(gè)風(fēng)扇氣流的兩倍氣流，這里只有當(dāng)下游流阻變得非常大時(shí)才能達(dá)到最大的增加。傳統(tǒng)理論進(jìn)一步預(yù)測(cè)，在反向旋轉(zhuǎn)裝置中放置另外兩個(gè)相同的軸流式風(fēng)扇，通過顛倒一個(gè)這樣風(fēng)扇的轉(zhuǎn)子并以與其它風(fēng)扇轉(zhuǎn)子相反的方向旋轉(zhuǎn)該轉(zhuǎn)子，則可以提供與共旋(Co-rotating)裝置中風(fēng)扇相同的氣流量。由于用兩個(gè)風(fēng)扇的成本和功率需求是用一個(gè)風(fēng)扇的兩倍，傳統(tǒng)的理論不支持使用相對(duì)復(fù)雜和體積龐大的反向旋轉(zhuǎn)裝置。
Weske的美國專利No.2,313,413公開了一種軸流式風(fēng)扇，該風(fēng)扇使用多個(gè)帶有交替固定葉片的共旋葉輪。Van Houten等人的美國專利No.5,931,640公開了使用帶有反向偏斜葉片的兩個(gè)反向旋轉(zhuǎn)風(fēng)扇，以用作車用發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇。這些專利公開了這些裝置使風(fēng)扇在低速運(yùn)行時(shí)能產(chǎn)生所需要的氣流。這些專利也講到所公開的裝置降低了附加損失并提供了改進(jìn)的聲音性能。

發(fā)明內(nèi)容
現(xiàn)有技術(shù)中沒有發(fā)明公開一種多葉輪同軸反向旋轉(zhuǎn)風(fēng)扇，它能提供相對(duì)于單葉輪風(fēng)扇按傳統(tǒng)理論預(yù)測(cè)所產(chǎn)生的氣流更多的氣流?，F(xiàn)有技術(shù)中沒有發(fā)明公開一種反向旋轉(zhuǎn)風(fēng)扇，它向增壓環(huán)境中提供的氣流比共旋風(fēng)扇提供的多過一倍?，F(xiàn)有技術(shù)中沒有發(fā)明公開這些因素的組合闡明這樣一種葉片，它在減小外形尺寸到本發(fā)明尺寸的同時(shí)表現(xiàn)出所期望的性能。另外，現(xiàn)有技術(shù)中沒有發(fā)明公開在制造雙葉輪同軸反向旋轉(zhuǎn)風(fēng)扇過程中使用這種優(yōu)化葉片。
通過實(shí)驗(yàn)已經(jīng)表明，當(dāng)與單葉輪風(fēng)扇比較時(shí)，裝有使用本文所述改進(jìn)的葉片設(shè)計(jì)的反向旋轉(zhuǎn)葉輪風(fēng)扇將使氣流得到增強(qiáng)，這種增強(qiáng)比按傳統(tǒng)理論預(yù)測(cè)的要大相當(dāng)多。另外已經(jīng)表明，裝有使用本文所述改進(jìn)的葉片設(shè)計(jì)的反向旋轉(zhuǎn)葉輪風(fēng)扇比另外相同裝有共旋葉輪風(fēng)扇向增壓環(huán)境中提供的氣流多過一倍。因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種多葉輪軸流式風(fēng)扇，其中葉輪是基本上同軸反向旋轉(zhuǎn)的，顯著提高了性能參數(shù)。
本發(fā)明另一個(gè)目的是提供一種葉片，該葉片與一種翼剖面結(jié)合，該翼剖面能在保持性能參數(shù)和設(shè)計(jì)約束條件的同時(shí)降低軸流式風(fēng)扇的軸寬。
本發(fā)明再一個(gè)目的是提供一種葉片，該葉片與一種翼剖面結(jié)合，該翼剖面在葉片根部和頂部之間設(shè)置最大工作分布的同時(shí)，考慮軸流式風(fēng)扇軸寬的減小。
本發(fā)明又一個(gè)目的是提供一種葉片，該葉片與一種翼剖面結(jié)合，該翼剖面在保持葉片吸入邊合適流速分布的同時(shí)考慮軸流式風(fēng)扇外形尺寸的減小。
本發(fā)明還有一個(gè)目的是提供一種反向旋轉(zhuǎn)葉輪裝置，該裝置提供增加軸向氣流，該氣流比利用理論模型預(yù)測(cè)所提供的氣流大得多。
本發(fā)明再有一個(gè)目的是提供一種反向旋轉(zhuǎn)葉輪裝置，該裝置向增壓環(huán)境中提供的氣流比另外相同的共旋葉輪裝置提供的多過一倍。
本發(fā)明又有一個(gè)目的是通過利用與制造反向旋轉(zhuǎn)多葉輪裝置相同的方法開發(fā)減小軸流式風(fēng)扇的寬度，該反向旋轉(zhuǎn)多葉輪裝置在電風(fēng)扇一定設(shè)計(jì)約束條件下有可能使軸向氣流達(dá)到增加，以用于冷卻電子部件。
這些目的和其它目的由一種軸流式風(fēng)扇結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，該風(fēng)扇結(jié)構(gòu)包括至少兩個(gè)同軸轉(zhuǎn)子組件，其中每個(gè)轉(zhuǎn)子組件還包括一個(gè)帶有多個(gè)葉片的葉輪；并且所述轉(zhuǎn)子組件中至少一個(gè)是這樣構(gòu)形的，即它以與第一個(gè)所述轉(zhuǎn)子組件相反的方向旋轉(zhuǎn)；并且其中在每個(gè)轉(zhuǎn)子組件上的葉片是這樣構(gòu)形的，即每個(gè)葉輪和其它葉輪一樣將空氣壓入同一軸向方向。
這些目的和其它目的進(jìn)一步通過提供裝有葉片的所述葉輪來實(shí)現(xiàn)，所述葉片具有如下特征有根部、頂部、前緣和尾緣；沿葉片徑向任何位置截取具有橫截面形狀的葉片的特征在于基本上固定設(shè)在約19％到約20％弦之間的最大厚度，和基本上固定設(shè)在約45％到約46％弦之間的最大彎度。
已經(jīng)通過實(shí)驗(yàn)確定，一種雙葉輪反向旋轉(zhuǎn)風(fēng)扇的聲音性能可以通過在上游葉輪和下游葉輪上具有不同數(shù)目的葉片來改善。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，上游葉輪由與圓箍相連接的十三個(gè)徑向延伸葉片組成，下游葉輪由與圓箍相連接的十一個(gè)周向間隔的徑向延伸葉片組成。
進(jìn)一步確定，當(dāng)所述反向旋轉(zhuǎn)多葉輪被置于圓錐形外殼中時(shí)，氣流便被優(yōu)化。第二個(gè)葉輪的直徑可以大于第一個(gè)葉輪的直徑。
本發(fā)明這些目的和其它目的、特征和優(yōu)點(diǎn)根據(jù)下面詳細(xì)的描述以及附圖會(huì)變得更加明顯。


參照下列附圖本發(fā)明可以更容易被理解。
圖1是單葉輪軸流式風(fēng)扇的分解透視圖。
圖2是它的橫截面裝配圖。
圖3是定子組件的分解透視圖。
圖4是印制電路板基板52頂視圖。
圖5是定子鐵心和繞組的頂視圖。
圖6(a)是用于單葉輪軸流式風(fēng)扇的流量(立方英尺/分)與靜壓力(水柱英寸數(shù))關(guān)系曲線圖。
圖6(b)是如下四種獨(dú)立軸流式風(fēng)扇的流量(立方英尺/分)與靜壓力(水柱英寸數(shù))關(guān)系曲線圖(A)一種具有正常旋轉(zhuǎn)和正常傾斜葉片的單葉輪軸流式風(fēng)扇；(B)一種具有反向旋轉(zhuǎn)和反向傾斜葉片的單葉輪軸流式風(fēng)扇；(C)一種雙葉輪共旋軸流式風(fēng)扇，其中兩個(gè)葉輪具有正常旋轉(zhuǎn)和正常傾斜葉片；(D)根據(jù)本發(fā)明的一種雙葉輪反向旋轉(zhuǎn)軸流式風(fēng)扇，其中一個(gè)葉輪具有正常旋轉(zhuǎn)和正常傾斜葉片，另一個(gè)葉輪具有反向旋轉(zhuǎn)和反向傾斜葉片。
圖7(a)是標(biāo)準(zhǔn)葉輪片的橫截面圖，該圖示出由葉輪旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)葉片運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的流過葉片表面的氣流。
圖7(b)是單葉輪軸流式風(fēng)扇的三維視圖，該圖示出由旋轉(zhuǎn)葉輪產(chǎn)生的徑向(渦流)氣流和風(fēng)扇輸出的軸向氣流。
圖7(c)是單葉輪軸流式風(fēng)扇理想化的橫截面圖，該風(fēng)扇利用定子組件消除下游氣流的徑向部分。
圖7(d)是雙葉輪反向旋轉(zhuǎn)軸流式風(fēng)扇理想化的橫截面圖，該風(fēng)扇具體體現(xiàn)了本發(fā)明，其中由第一個(gè)葉輪傳遞的徑向氣流被第二個(gè)葉輪消除。
圖7(e)是雙葉輪反向旋轉(zhuǎn)軸流式風(fēng)扇理想化的橫截面圖，該風(fēng)扇具有圓錐形外殼。
圖8是根據(jù)本發(fā)明的葉片橫截面圖；圖9A是根據(jù)本發(fā)明的葉片正視圖；圖9B是根據(jù)本發(fā)明的葉片側(cè)視圖；圖10是根據(jù)本發(fā)明的葉片三維視圖；圖11是本發(fā)明采用的葉片描述中利用的坐標(biāo)系解說圖；圖12是接近本發(fā)明設(shè)計(jì)條件的有利葉片表面速度分布與不利葉片表面速度分布的圖示比較；圖13A-C是用于本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的五個(gè)翼剖面最佳標(biāo)準(zhǔn)化貝塞爾(Bezier)控制點(diǎn)圖表；圖14是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例根部葉形中心線分布和相關(guān)的最佳標(biāo)準(zhǔn)化貝塞爾(Bezier)控制點(diǎn)圖解；圖15是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例根部法向厚度分布和相關(guān)的最佳標(biāo)準(zhǔn)化貝塞爾(Bezier)控制點(diǎn)圖解；圖16是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的標(biāo)準(zhǔn)化工作分布圖解；圖17是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的五個(gè)翼剖面葉形中心線分布圖解；圖18是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的五個(gè)翼剖面厚度分布圖解；圖19是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的五個(gè)葉片翼剖面標(biāo)準(zhǔn)化型面圖解；圖20是描述本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的五個(gè)翼剖面的最佳值圖表；圖21A-E是描述本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的標(biāo)準(zhǔn)化表面坐標(biāo)圖表。
具體實(shí)施例方式
軸流式風(fēng)扇的一般結(jié)構(gòu)現(xiàn)對(duì)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例給予描述?，F(xiàn)在參見附圖，尤其是圖1和2，其中所示的是軸流式風(fēng)扇100，它包括葉輪10，該葉輪用以在旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生氣流；軛20，該軛裝在葉輪10中；軸30，該軸與軛20相連；永磁體40，該永磁體裝在軛20中；定子組件50；風(fēng)扇外殼70；絕緣片60，該絕緣片用于使定子組件50中的基板與風(fēng)扇外殼70電絕緣，以及軸承與裝配構(gòu)件80，在使軛20和磁體40自由旋轉(zhuǎn)從而帶動(dòng)葉輪10旋轉(zhuǎn)時(shí)，該軸承與裝配構(gòu)件用于使軸30緊固在外殼70上。葉輪10包括多個(gè)葉片11，所述葉片等間距沿圓周裝在圓箍12上。當(dāng)裝在軛20上的永磁體40與定子組件50組合時(shí)，便形成電動(dòng)機(jī)，當(dāng)電壓施加到定子組件50中印制電路板上的激勵(lì)電路時(shí)，該電動(dòng)機(jī)便轉(zhuǎn)動(dòng)葉輪10。定子組件50的構(gòu)造在同時(shí)待審和共有專利申請(qǐng)No.09/119,221中有全面描述，該共有專利申請(qǐng)的名稱是“用于電動(dòng)機(jī)的定子安裝方法和設(shè)備”(“Stator Mounting Methodand Apparatus for a Motor”)，于1998年7月20日提出的，并作為依據(jù)包括在本文內(nèi)。
如圖7(d)所示，優(yōu)選實(shí)施例的反向旋轉(zhuǎn)風(fēng)扇包括在前述段落中描述的第一單葉輪軸流式風(fēng)扇和置于單外殼中的第二單葉輪軸流式風(fēng)扇。第二單葉輪軸流式風(fēng)扇的輸入端與第一單葉輪軸流式風(fēng)扇的輸出端相連接。另外，第二單葉輪軸流式風(fēng)扇有一葉輪，該葉輪以與裝在第一單葉輪軸流式風(fēng)扇中的葉輪旋轉(zhuǎn)方向相反的方向旋轉(zhuǎn)，而且第二單葉輪軸流式風(fēng)扇有多個(gè)葉片，所述葉片具有與第一單葉輪軸流式風(fēng)扇中的葉片以相反的方向傾斜。
在優(yōu)選的實(shí)施例中，第一葉輪有十三個(gè)葉片，第二葉輪有十一個(gè)葉片。另外，第二葉輪可以做的比第一葉輪稍大(即具有較大的直徑)，而且其共同的外殼可以做成圓錐形，其直徑從第一葉輪的輸入端擴(kuò)大到第二葉輪的輸出端，如圖7(e)所示。
圖3所示為定子組件50，包括一個(gè)基板52，四個(gè)絕緣銷54，一個(gè)定子鐵心56和繞組58。在優(yōu)選的實(shí)施例中，基板52是一個(gè)印制電路板，該電路板包括激勵(lì)和運(yùn)行電動(dòng)機(jī)的電路。
如圖4所示，基板52是一個(gè)印制電路板，該電路板上裝有用于運(yùn)行電動(dòng)機(jī)的電路。電壓調(diào)節(jié)器57允許使用在約28V～64V范圍內(nèi)的輸入電壓，該電壓范圍比其它風(fēng)扇的范圍要大，例如在前面標(biāo)題為“發(fā)明背景”部分提及的No.5920型風(fēng)扇。電壓調(diào)節(jié)器的輸入和輸出電壓是不同的。電壓調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)輸出端電壓以適合于電壓調(diào)節(jié)器輸出端的IC電路。從電壓調(diào)節(jié)器的輸出端向所有電阻、晶體管、二極管和電容器輸送低電壓使能使用減小電路尺寸的小元件，從而可以應(yīng)用于減小寬度的風(fēng)扇中。在優(yōu)選的實(shí)施例中，不需要大的箝位二極管，例如應(yīng)用于No.5920型軸流式風(fēng)扇中由Hitachi公司生產(chǎn)的零件No.V03C。四個(gè)大的晶體管，例如用在No.5920型風(fēng)扇的電路中由Sanyo公司生產(chǎn)的用于控制高電壓電平的熱和功率的零件No.25B1203-5，在本發(fā)明中被省去。優(yōu)選的實(shí)施例在ICs61和62中應(yīng)用了晶體管開關(guān)，該開關(guān)用于對(duì)電壓調(diào)節(jié)器輸出端的低電壓電平進(jìn)行操作。此外，在No.5920型軸流式風(fēng)扇中由Minebea公司生產(chǎn)的感應(yīng)器零件No.6308-R8151在本發(fā)明中也被省去。因此，當(dāng)與早期的電路板，例如用于No.5920型風(fēng)扇的電路板相比較時(shí)，優(yōu)選實(shí)施例成品電路板減小了寬度。進(jìn)而獲得減小寬度的軸流式風(fēng)扇。
優(yōu)選的實(shí)施例通過采用電壓調(diào)節(jié)器57消除了包括箝位二極管和晶體管的大電路元件的需要。用于降低輸入電壓的電壓調(diào)節(jié)器的使用產(chǎn)生經(jīng)過電壓調(diào)節(jié)器的熱量，該熱量必須被驅(qū)散。風(fēng)扇的外殼70用作吸熱器。作為吸熱器的外殼70的應(yīng)用消除了對(duì)大尺寸電阻器的需要，該電阻器用作電壓調(diào)節(jié)器的吸熱器。由于外殼70在作為外殼的同時(shí)還起到吸熱器的作用，所以一種標(biāo)準(zhǔn)的熱復(fù)合物被用來將熱量從電壓調(diào)節(jié)器57傳遞給金屬外殼70，該熱復(fù)合物是一種吸熱的熱傳導(dǎo)膠粘劑，例如Loctite熱傳導(dǎo)膠粘劑3873。另一方面或者另外，可用銷將電壓調(diào)節(jié)器IC57緊固到外殼上。銷的作用是在熱復(fù)合物硬化期間臨時(shí)緊固電壓調(diào)節(jié)器。因此，獲得減小寬度的風(fēng)扇。
實(shí)際上，當(dāng)與下面研討的葉片設(shè)計(jì)組合時(shí)，通過實(shí)施上面所述的改進(jìn)措施，會(huì)獲得具有一英寸厚度和與IMC磁力公司5920型軸流式風(fēng)扇(具有兩英寸厚度)一樣氣流輸出的單葉輪軸流式風(fēng)扇，和通過實(shí)施上面所述的改進(jìn)，還會(huì)獲得本發(fā)明具有兩英寸厚度和改進(jìn)的氣流特征的雙葉輪反向旋轉(zhuǎn)軸流式風(fēng)扇。
葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)圖8是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例葉片11中的一個(gè)葉片橫截面圖，該圖示出了本發(fā)明的葉片參數(shù)，該參數(shù)部分地確定了本發(fā)明葉片11的橫截面形狀14。每個(gè)橫截面具有前緣16、尾緣18、上表面22和下表面24。該橫截面可以進(jìn)一步由葉片安裝角26、葉形中心線彎曲角28、弦線32、弦長34、葉形中心線36和厚度(t)38限定。
現(xiàn)在參照?qǐng)D9A和圖9B，優(yōu)選實(shí)施例的葉片11通過徑向和軸向堆疊(stacking)和混合(blending)橫截面14構(gòu)成，以形成三維葉片。圖9A是葉片11的正視圖，而圖9B是葉片11的側(cè)視圖。因此圖9B的視圖是從圖9A的視圖旋轉(zhuǎn)90度得到的視圖。葉片具有根部42和頂部44。根部42與圓箍12(圖1)的圓周相連接。葉片11的每個(gè)翼剖面14與從圓箍12中心起始并徑向向外延伸的半徑等同，如圖9B所示。每個(gè)翼剖面14的位置由r/r頂部限定，r/r頂部是特定橫截面14的徑向位置(r)被頂部14翼剖面的半徑(r頂部)除的比值，如圖9A和圖9B所示。
圓周堆疊軸由這樣的軸限定，該軸與位于根部42處的橫截面14前緣16交叉，并沿圓周方向延伸。圓周堆疊距離由翼面橫截面14的前緣16和圓周堆疊軸之間的距離限定。軸向堆疊軸由這樣的軸限定，該軸與位于根部42處的橫截面14前緣16交叉，并沿軸向延伸。軸向堆疊距離由翼面橫截面14的前緣16和軸向堆疊軸之間的距離限定。一旦橫截面14堆疊起來，便得到三維葉片11，如圖10所示。圖11是示出隨機(jī)選取的葉片橫截面解說圖，該圖給出用于限定本發(fā)明葉片11和其橫截面形狀14的坐標(biāo)軸。
本發(fā)明的葉片曾根據(jù)下面的方法設(shè)計(jì)的。設(shè)定了滿足單葉輪軸流式風(fēng)扇100和附屬葉片11的一系列風(fēng)扇性能參數(shù)和設(shè)計(jì)約束條件。風(fēng)扇性能參數(shù)包括以每分鐘立方英尺(立方英尺/分)定義的在自由空氣條件下的容積流動(dòng)速率、軸轉(zhuǎn)速(轉(zhuǎn)數(shù)/分)和以每立方英尺磅(磅/立方英尺)表示的進(jìn)氣密度。設(shè)計(jì)約束條件包括風(fēng)扇尺寸(包括軸寬)、風(fēng)扇重量、電動(dòng)機(jī)輸入功率和噪聲波形。這些性能參數(shù)和設(shè)計(jì)約束條件曾設(shè)定為容積流動(dòng)速率240立方英尺/分，軸轉(zhuǎn)速3400轉(zhuǎn)數(shù)/分和進(jìn)氣密度0.075磅/立方英尺，以及風(fēng)扇軸寬尺寸1英寸。盡管這些是最佳要求，但225～255立方英尺/分的容積流動(dòng)速率，3200～3600轉(zhuǎn)數(shù)/分的軸轉(zhuǎn)速仍可獲得滿意的結(jié)果。在這些參數(shù)和限制條件中，最重要的是容積流動(dòng)速率和風(fēng)扇軸寬尺寸。
在空氣動(dòng)力設(shè)計(jì)時(shí)，曾采用一種多流線型間接方法來確定弦長34、葉形中心線彎曲角28和葉片安裝角26的最佳值，這些值能夠提供規(guī)定的風(fēng)扇性能參數(shù)和滿足確定的設(shè)計(jì)約束條件?；诮?jīng)驗(yàn)選擇了理想的工作分布。工作分布被定義為在葉輪10的出氣口(橫截面14的尾緣18)氣流的角動(dòng)量分布。工作分布影響弦長34的尺寸。最后基于經(jīng)驗(yàn)，選擇了使氣流輸出和風(fēng)扇寬度最佳化的葉片數(shù)量。
下一步是確定葉形中心線和厚度分布。這些分布是通過使用貝塞爾(Bezier)曲線確定的，這種應(yīng)用的一個(gè)實(shí)例引用在Casey的“離心壓縮機(jī)的葉片和內(nèi)部氣流通道的計(jì)算幾何學(xué)”(A Computational Geometry for the Blades and InternalFlow Channels of Centrifugal Compressors)，ASME 82-GT-155中。這種方法以下面的參數(shù)形式求出葉形中心線和厚度的分布F(u)=Σk=0k=nfkBkn(u)]]>式中F(u)表示貝塞爾(Bezier)曲線的解法，在這種情況下分別用于求出葉形中心線x和y的坐標(biāo)。以及厚度分布；Bkn(u)=(kn)uk(1-u)n-k]]>u是0和1之間線性變化的參數(shù)(在前緣16u＝0，在尾緣18u＝1)；fk是貝塞爾控制點(diǎn)的一維陣列；Bkn(u)是伯恩斯坦(Bernstein)n次多項(xiàng)式；n+1是貝塞爾控制點(diǎn)的數(shù)量；和(kn)是CRC(循環(huán)冗余碼校驗(yàn))標(biāo)準(zhǔn)數(shù)學(xué)用表(第22版，1974年，第627頁)中定義的二項(xiàng)式系數(shù)。
n選擇為18，以便使貝塞爾終結(jié)公式是18次多項(xiàng)式，該多項(xiàng)式產(chǎn)生19個(gè)控制點(diǎn)。這種選擇在葉片11的橫截面形狀14的最佳化中比低階多項(xiàng)式提供更大的精確度。貝塞爾曲線的終結(jié)公式為Xc(u)＝A0(1-u)18x0+A1u(1-u)17x1+A2u2(1-u)16x2+A3u3(1-u)15x3+A4u4(1-u)14x4+A5u5(1-u)13x5+A6u6(1-u)12x6+A7u7(1-u)11x7+A8u8(1-u)10x8+A9u9(1-u)9x9+A10u10(1-u)8x10+A11u11(1-u)7x11+A12u12(1-u)6x12+A13u13(1-u)5x13+A14u14(1-u)4x14+A15u15(1-u)3x15+A16u16(1-u)2x16+A17u17(1-u)x17+A18u18x18Yc(u)＝A0(1-u)18y0+A1u(1-u)17y1+A2u2(1-u)16y2+A3u3(1-u)15y3+A4u4(1-u)14y4+A5u5(1-u)13y5+A6u6(1-u)12y6+A7u7(1-u)11y7+A8u8(1-u)10y8+A9u9(1-u)9y9+A10u10(1-u)8y10+A11u11(1-u)7y11+A12u12(1-u)6y12+A13u13(1-u)5y13+A14u14(1-u)4y14+A15u15(1-u)3y15+A16u16(1-u)2y16+A17u17(1-u)y17+A18u18y18Tn(u)＝A0(1-u)18t0+A1u(1-u)17t1+A2u2(1-u)16t2+A3u3(1-u)15t3+A4u4(1-u)14t4+A5u5(1-u)13t5+A6u6(1-u)12t6+A7u7(1-u)11t7+A8u8(1-u)10t8+A9u9(1-u)9t9+A10u10(1-u)8t10+A11u11(1-u)7t11+
A12u12(1-u)6t12+A13u13(1-u)5t13+A14u14(1-u)4t14+A15u15(1-u)3t15+A16u16(1-u)2t16+A17u17(1-u)t17+A18u18t18式中Xc是由弦長標(biāo)準(zhǔn)化的葉形中心線x坐標(biāo)，Yc是由弦長標(biāo)準(zhǔn)化的葉形中心線y坐標(biāo)，Tn是由弦長標(biāo)準(zhǔn)化的厚度分布，A0～A18是根據(jù)如下值的伯恩斯坦多項(xiàng)式系數(shù)A0＝1 A6＝18564A12＝18564 A18＝1A1＝18 A7＝31824A13＝8568A2＝153A8＝43758A14＝3060A3＝816A9＝48620A15＝816A4＝3060 A10＝43758 A16＝153A5＝8568 A11＝31824 A17＝18和x0～x18(以下表示為“xk”)是貝塞爾控制點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化x坐標(biāo)；y0～y18(以下表示為“yk”)是貝塞爾控制點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化y坐標(biāo)；和t0～t18(以下表示為“tk”)是標(biāo)準(zhǔn)化厚度控制點(diǎn)；基于經(jīng)驗(yàn)選擇了貝塞爾控制點(diǎn)xk，yk和tk的初始值。利用這些控制點(diǎn)，解上述公式求出彎度和厚度的分布。
一旦隨著最佳弦長34、葉形中心線彎曲角28和葉片安裝角26求出分布，便利用無粘性流分析確定吸入(上)邊和壓力(下)側(cè)的表面速度分布和葉片11的工作分布。設(shè)計(jì)者觀察速度分布和合成工作分布以校驗(yàn)工作分布圖和最初的設(shè)計(jì)選擇相一致，并且還保證獲得有利的速度分布圖。
試圖獲得一種典型的理想葉片表面速度分布，該分布顯示出有利的減速梯度，這種梯度在速度分布不會(huì)促使邊界層分離從而削弱葉片11的性能意義上是有利的。圖12是接近本發(fā)明設(shè)計(jì)條件(r/r頂部＝0.6459時(shí))的有利葉片表面速度分布與不利葉片表面速度分布的圖示比較。有利的工作分布是將最大的工作分布設(shè)在根部和頂部之間的某個(gè)點(diǎn)。
經(jīng)過最初的重復(fù)，由于合成速度分布和工作分布對(duì)設(shè)計(jì)者來說是不滿意的或不理想的，所以貝塞爾控制點(diǎn)被人為地改變以獲得不同的彎度和厚度的分布。再一次地對(duì)速度和工作分布進(jìn)行分析，以確定是否獲得了有利的解決方案。這個(gè)過程被重復(fù)直到獲得有利的解決方案。在優(yōu)選的實(shí)施例中，最佳的標(biāo)準(zhǔn)化貝塞爾控制點(diǎn)在圖13A-C中以表格形式示出。
這些優(yōu)化的貝塞爾控制點(diǎn)以及用于設(shè)在根部42翼剖面14的最佳彎度分布和厚度分布在圖14和15中以曲線圖示出。優(yōu)選實(shí)施例的所有五個(gè)翼剖面14的工作分布在圖16中以曲線圖示出。從圖16可以看出，最大工作分布設(shè)在根部和頂部之間。優(yōu)選實(shí)施例的所有五個(gè)翼剖面14的葉形中心線和厚度分布以及r/r頂部＝0.7908時(shí)的橫截面外形在圖17和18中示出。
根據(jù)優(yōu)化的葉形中心線和厚度分布，采取類似于NACA系列翼剖面所用的方式確定了葉片表面坐標(biāo)，NACA系列翼剖面引用在1959年由DOVER出版公司出版IRA H.ABBOTT和ALBERT E.VON DOENHOFF著作“翼剖面理論”第111-13頁上。
葉片表面坐標(biāo)由弦線32、葉形中心線36和法向厚度分布得出，如下所示X上＝Xc-YtSin.
Y上＝Y(jié)c+YtCos.
X下＝Xc+YtSin.
Y下＝Y(jié)c-YtCos.
式中X上、Y上、X下和Y下分別是葉片的上(吸入)表面22和下(壓力)表面24的坐標(biāo)；Xc和Yc是葉形中心線36的坐標(biāo)；Yt是葉片11厚度的一半；和Tan是葉形中心線36的斜率，式中Tan＝dYc/dXc。
優(yōu)選實(shí)施例的標(biāo)準(zhǔn)化橫截面外形在圖19中繪出。圖21A-E是優(yōu)選實(shí)施例的表面坐標(biāo)圖表，以無量綱值表示。
一旦所需的橫截面14在每個(gè)徑向位置得出，便通過在圓周方向和軸向堆疊五個(gè)橫截面14中的每一個(gè)截面，并使每個(gè)橫截面14從根部42偏移到規(guī)定堆疊距離，形成一個(gè)三維葉片11。所述五個(gè)橫截面14以平滑連續(xù)的方式混合。用于這五個(gè)橫截面外形的合成最佳值列在圖20中。確定參數(shù)的關(guān)鍵是基本固定位于約19％～約20％弦之間的最大厚度和基本固定位于約45％～約46％弦之間的最大彎度。盡管這些是最佳數(shù)值范圍，但仍然有一個(gè)擴(kuò)大的數(shù)值范圍雖不是最佳但卻令人滿意的方式基本上滿足性能參數(shù)和設(shè)計(jì)約束條件的要求。這些數(shù)值是基本固定位于約16％～約23％弦之間的最大厚度和基本固定位于40％～51％弦之間的最大彎度。
在圖20中還可以看到其它用于確定每個(gè)橫截面圖參數(shù)的關(guān)鍵，例如最大厚度和最大彎曲高度(兩者都以英寸和在特定徑向位置弦長的百分比表示)、葉形中心線彎曲角、葉片安裝角、半徑、弦長和圓周與徑向堆疊距離。用于每個(gè)橫截面外形以英寸表示的最大厚度特征是一個(gè)常數(shù)。以弦長百分比表示的最大厚度從最大值在數(shù)值上下降變化到最小值，然后在數(shù)值上增加到葉片頂部，所述最大值在根部，所述最小值基本位于半徑的79％到約90％之間，所述半徑是從葉輪的中心到頂部測(cè)量的。以英寸和特定徑向位置弦長百分比表示的最大彎曲高度從根部的最大彎曲高度連續(xù)下降最大彎曲高度至葉片頂部。
葉形中心線彎曲角以根部的最大值為特征，該最大值在數(shù)值上連續(xù)下降到葉片頂部。另一方面，葉片安裝角以根部的最小值為特征，該最小值在數(shù)值上連續(xù)增加直到葉片頂部。另外，葉片11的橫截面外形可以由它的幾何形狀描述，其前緣類似于拋物線形狀，凸形上表面和下表面，該下表面向前緣凸起并向后緣凹入。
圖20中的其它參數(shù)包括縱橫比和葉片槳盤面積比?？v橫比以無量綱單位定義為葉片的長度除以特定橫截面上的弦。葉片的長度定義為頂部半徑(r頂部)減去根部半徑(r根部)。葉片漿盤面積比以無量綱單位定義為特定徑向位置上的弦長除以葉片間隔。葉片間隔是相鄰葉片之間在給定半徑上的距離，并進(jìn)一步用葉片數(shù)量除2πr確定。最后，標(biāo)準(zhǔn)化半徑、標(biāo)準(zhǔn)化弦和標(biāo)準(zhǔn)化圓周及軸向堆疊距離表示在圖20中，這些參數(shù)都通過用參數(shù)的最大值除特定徑向位置上的參數(shù)值，以無量綱單位來定義。此處討論的葉片可以應(yīng)用于下面描述的反向旋轉(zhuǎn)葉輪。
反向旋轉(zhuǎn)葉輪在給定物理尺寸和功率輸入的電風(fēng)扇中用于冷卻電子元件的最重要的參數(shù)是空氣流量。能帶來流過電子元件的空氣流量越大，則被驅(qū)散的熱量就越多?？諝饬髁客ǔＲ悦糠昼娏⒎接⒊?CFM)計(jì)量。
當(dāng)被風(fēng)扇推動(dòng)的空氣未被限制在風(fēng)扇下游的任何方向時(shí)，該情形稱為自由空氣，即從風(fēng)扇發(fā)出的阻止氣流的靜壓力為零。當(dāng)氣流被限制時(shí)，例如空氣被迫經(jīng)過一套電子元件并流出電子元件周圍的容器，那么將產(chǎn)生一定量的靜壓力。在特定空氣流量條件下將產(chǎn)生多少靜壓力這取決于許多物理參數(shù)，包括被冷卻的電子元件構(gòu)型、電子元件周圍的容器尺寸以及該容器如何通風(fēng)排氣。也就是說，對(duì)于相同的空氣流量，在受通風(fēng)限制的小盒中的一套非常復(fù)雜的電子元件會(huì)導(dǎo)致相對(duì)高的靜壓力，而在大的和較好通風(fēng)條件的容器中一套簡單的電子元件會(huì)導(dǎo)致相對(duì)低的靜壓力。
傳統(tǒng)的空氣流量理論預(yù)測(cè)，同軸互相串聯(lián)放置兩個(gè)風(fēng)扇導(dǎo)致自由空氣的空氣流量增加極小，即在風(fēng)扇下游基本上沒有反壓力的情況下。傳統(tǒng)的理論還預(yù)測(cè)，當(dāng)反壓力增加時(shí)，風(fēng)扇同軸機(jī)組的空氣流量可能比單風(fēng)扇情況增加到兩倍。
圖6(a)是風(fēng)扇的空氣流量(CFM)與靜壓力(水柱英寸數(shù))的關(guān)系曲線圖，該風(fēng)扇由IMC公司生產(chǎn)(批注即它是IMC嗎？)并被稱為5910系列軸流式風(fēng)扇。從圖6(a)可以看出，自由空氣條件下的空氣流量值大約為240CFM，而當(dāng)靜壓力值大約0.6英寸水柱時(shí)，空氣流量是0CFM。
曾用兩個(gè)同軸IMC5910系列軸流式風(fēng)扇進(jìn)行試驗(yàn)。兩個(gè)風(fēng)扇同軸放置并彼此鄰近。根據(jù)這兩個(gè)風(fēng)扇同向旋轉(zhuǎn)和反向旋轉(zhuǎn)(相反方向)測(cè)量相對(duì)于靜壓力的流量。這些試驗(yàn)的結(jié)果如圖6(b)所示。從圖6(b)可以看出，有關(guān)風(fēng)扇串聯(lián)旋轉(zhuǎn)的情況遵循傳統(tǒng)的空氣流量理論，即自由空氣條件下空氣流量只有邊際增加，當(dāng)靜壓力增加時(shí)，空氣流量只是逐步增加。
本發(fā)明的反向旋轉(zhuǎn)葉輪結(jié)構(gòu)示于圖7(d)。反向旋轉(zhuǎn)葉片以相同方向推動(dòng)空氣，因?yàn)榈诙€(gè)葉輪的斜度與第一個(gè)葉輪的相反。從圖6(b)可以看出，傳統(tǒng)的空氣流量理論不能正確地預(yù)測(cè)在給定靜壓力下的空氣流量。雖然對(duì)于自由空氣的情況，空氣流量的增加仍然僅僅是邊際的，但是本發(fā)明的反向旋轉(zhuǎn)優(yōu)選實(shí)施例中空氣流量的增加更快更劇烈。
空氣動(dòng)力影響可以解釋空氣流量效率的這種顯著增加，這種影響主要分為兩類翼剖面阻力和二次流。翼部面阻力一切由葉片形狀、表面光潔度、葉輪產(chǎn)生的湍流空氣、甚至葉片產(chǎn)生的阻力形成。由葉輪產(chǎn)生的湍流空氣示于圖7(a)。二次流主要包括渦流氣流(徑向速度)和由于風(fēng)扇的內(nèi)壁產(chǎn)生的空氣流量損失。渦流氣流的圖解示于圖7(b)。該氣流是空氣與葉輪葉片和包裝葉輪管的固定壁的相互作用產(chǎn)生的。所有這些空氣動(dòng)力影響降低了風(fēng)扇的效率。
“理論上”，即不考慮復(fù)雜的空氣動(dòng)力因素，風(fēng)扇的效率是100％。把所有的空氣動(dòng)力因素考慮進(jìn)去，風(fēng)扇的效率能降低到剛好低于50％。在相同旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)情況下，這些影響得到加強(qiáng)。進(jìn)氣在理論上是層狀的(沒有湍流的自由流動(dòng))?？諝怆x開第一個(gè)風(fēng)扇后是湍流的，并以“螺旋”方式向下游流動(dòng)。這時(shí)這種湍流空氣是同一方向旋轉(zhuǎn)另一風(fēng)扇的進(jìn)氣。最終的下游空氣更加螺旋前進(jìn)。這些有害的空氣動(dòng)力影響嚴(yán)重破壞了整體風(fēng)扇效率。
為了保持軸流式風(fēng)扇的高效率，設(shè)計(jì)者要把空氣動(dòng)力影響盡可能地減少到最低程度。在設(shè)計(jì)約束條件允許的情況下，軸流式風(fēng)扇最好的構(gòu)型是利用預(yù)旋轉(zhuǎn)定子把進(jìn)氣方向改到轉(zhuǎn)子葉片，并利用整流(straightening)定子將氣流盡可能地改回成自由束流。這種理想化的構(gòu)型示于圖7(c)。這種理想化的結(jié)構(gòu)明顯地將二次流的影響減少到最低程度，并因此將空氣動(dòng)力效率(和整體風(fēng)扇的效率)保持在較高水平。
如圖7(d)所示，使用本發(fā)明反向旋轉(zhuǎn)葉輪達(dá)到了與圖7(c)理想化結(jié)構(gòu)相同的效果。輸入第一葉輪的層狀氣流被第一葉輪“預(yù)旋轉(zhuǎn)”，這增加了軸向和徑向(渦流)氣流向下游流動(dòng)。這些氣流然后被同軸反向旋轉(zhuǎn)的第二葉輪“整流”。第二個(gè)風(fēng)扇進(jìn)一步提高了軸向流量并回收了其它在系統(tǒng)中損失的絕大部分徑向(渦流)氣流。既然由第一個(gè)葉輪產(chǎn)生的渦流幾乎被第二個(gè)葉輪抵消，那么空氣動(dòng)力效率更高。這種更高的效率有助于提高系統(tǒng)總的空氣流量。
本發(fā)明進(jìn)一步設(shè)想在一個(gè)外殼中裝入N個(gè)基本同軸葉輪的方法，其中N為整數(shù)；以與所述N個(gè)葉輪中的第一個(gè)葉輪旋轉(zhuǎn)方向相反的方向旋轉(zhuǎn)至少一個(gè)葉輪；運(yùn)行葉輪以相同的方向推動(dòng)空氣；和從外殼內(nèi)N個(gè)葉輪產(chǎn)生的空氣流量比單葉輪產(chǎn)生的空氣流量多N倍，假定風(fēng)扇出氣口的靜壓力大于某一最小壓力。靜壓力取決于具體風(fēng)扇的特征，包括風(fēng)扇的尺寸。例如，對(duì)于反向旋轉(zhuǎn)雙葉輪和6英寸直徑的風(fēng)扇來說，靜壓力約為03英寸水柱。
圖6(b)示出，當(dāng)葉輪在最佳壓力范圍運(yùn)行時(shí)，在某一靜壓力值下的相同環(huán)境中，即用于建立反壓力條件相同的外殼中，反向旋轉(zhuǎn)雙葉輪的空氣流量基本上可比普通旋轉(zhuǎn)單葉輪運(yùn)行的空氣流量大一倍多。另外，本發(fā)明的反向旋轉(zhuǎn)葉輪提供的空氣流量基本上大于圖6(b)所示以相同方向旋轉(zhuǎn)的兩個(gè)葉輪產(chǎn)生的空氣流量。
本發(fā)明可以包括基本同軸的多個(gè)葉輪。至少一個(gè)葉輪以相反方向旋轉(zhuǎn)。因此，可以有N個(gè)葉輪，此處N為整數(shù)。如果N為偶數(shù)，那么一半葉輪可以第一方向旋轉(zhuǎn)，而一半可以相反方向旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)方向可以在相鄰葉輪之間交換。所有葉輪可都相同，在這種情況下，假定風(fēng)扇出氣口的靜壓力大于某一最小壓力，則總的空氣流量基本上比在前面相同環(huán)境中運(yùn)行的單葉輪產(chǎn)生的空氣流量多N倍。如果葉輪不相同，假定風(fēng)扇出氣口的靜壓力大于某一最小壓力，則總的空氣流量基本上大于在相同環(huán)境中運(yùn)行的N個(gè)葉輪中的每個(gè)葉輪產(chǎn)生的空氣流量之和。
同軸反向旋轉(zhuǎn)的多葉輪結(jié)構(gòu)可以具有如IMC5910系列的葉片，或者是前面名為“葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)”那一節(jié)所述的葉片。
第一和第二葉輪各有它們自己獨(dú)立的電動(dòng)機(jī)，所述電動(dòng)機(jī)的定子按常規(guī)反向繞線，以產(chǎn)生反向旋轉(zhuǎn)。另一方面，電動(dòng)機(jī)可共用一根軸。
總之，本發(fā)明提供了一種軸流式風(fēng)扇，該風(fēng)扇具有新的電路和外殼、新的包括多個(gè)混合一起的翼剖面的葉片，這種結(jié)構(gòu)使在保持所需性能參數(shù)和設(shè)計(jì)約束條件的同時(shí)縮小了軸流式風(fēng)扇的軸寬。本發(fā)明還公開了多個(gè)同軸反向旋轉(zhuǎn)葉輪，這種葉輪在給定靜壓力值時(shí)的空氣流量值比傳統(tǒng)理論預(yù)計(jì)的空氣流量值大得多。另外，葉片使多種同軸反向旋轉(zhuǎn)葉輪能夠開發(fā)它們的最大可能優(yōu)點(diǎn)，盡管存在用于冷卻電子元件的電動(dòng)機(jī)尺寸參數(shù)的設(shè)計(jì)約束條件。
另外，對(duì)于本發(fā)明的反向旋轉(zhuǎn)軸流式風(fēng)扇來說，更多的空氣流量或聲學(xué)優(yōu)點(diǎn)可以通過采取以下一種或更多的設(shè)計(jì)改進(jìn)來達(dá)到向反向旋轉(zhuǎn)的葉輪上附裝與常規(guī)旋轉(zhuǎn)葉輪不同數(shù)目的葉片(這樣減小風(fēng)扇的噪聲波形)；根據(jù)風(fēng)扇內(nèi)葉輪的軸向位置確定葉輪的直徑，使得鄰近風(fēng)扇出氣口的葉輪直徑大于鄰近風(fēng)扇進(jìn)氣口的葉輪直徑(這樣提高空流量)；和將葉輪裝入圓錐形的外殼中，其中圓錐部分的直徑從風(fēng)扇的進(jìn)氣口向風(fēng)扇的出氣口增大(如圖7(e)所示，這樣提高空氣流量)。
因?yàn)楸景l(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例已經(jīng)作了展示和詳細(xì)描述，對(duì)于本領(lǐng)域的那些技術(shù)人員來講，在其上進(jìn)行各種修正和改進(jìn)將變得顯而易見。例如與公開的數(shù)值有較小的偏差，以及對(duì)公開的公式近似求法規(guī)定要在本發(fā)明的精神之內(nèi)。另外，由于橫截面設(shè)計(jì)的混合或由于不同的混合方法產(chǎn)生的較小偏差或差異規(guī)定要在本發(fā)明的精神和范圍之內(nèi)。對(duì)于基本上相同的性能參數(shù)和設(shè)計(jì)約束條件，或者在性能參數(shù)和設(shè)計(jì)約束條件上幾乎沒有經(jīng)濟(jì)意義的差異，通過較小的方式改變?cè)O(shè)計(jì)方法，例如為控制點(diǎn)數(shù)量選擇不同的值、為橫截面外形數(shù)量選擇不同的值、為葉片數(shù)量選擇不同的值、通過不同的徑向距離確定橫截面外形、或者選擇不同的堆疊距離、葉片安裝角、葉形中心線彎曲角或弦長，其中數(shù)值差異較小，則可以獲得富有生命力的產(chǎn)品。優(yōu)選實(shí)施例的附圖和說明是通過示例作出的，但不限制本發(fā)明的范圍，而且它們都預(yù)計(jì)在本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)囊括前面所述的所有變化和修改。
權(quán)利要求
1.一種用于確定第一最佳葉形中心線和厚度分布和第二最佳葉形中心線和厚度分布的方法，所述第一最佳葉形中心線和厚度分布是在第一葉輪所用的第一葉片中，所述第二最佳葉形中心線和厚度分布是在第二葉輪所用的第二葉片中，該方法包括步驟為包含所述第一葉輪和所述第二葉輪的反向旋轉(zhuǎn)風(fēng)扇確定一系列性能參數(shù)和設(shè)計(jì)約束條件；為所述第一葉片確定弦長、葉形中心線彎曲角和葉片安裝角，以及為所述第二葉片確定弦長、葉形中心線彎曲角和葉片安裝角；利用貝塞爾曲線在所述第一葉片和所述第二葉片中確定最佳葉形中心線和厚度分布。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中設(shè)計(jì)約束條件中的一個(gè)是，除了在所述反向旋轉(zhuǎn)風(fēng)扇中所述第二葉片與所述第一葉片成反向傾斜外，所述第一葉片與所述第二葉片相同。
3.一種用于確定第一葉輪所用的第一葉片和第二葉輪所用的第二葉片中的最佳葉形中心線和厚度分布的方法，其中所述第一葉片和所述第二葉片各有根部、頂部、前緣和后緣，該方法包括步驟為包含所述第一葉輪和所述第二葉輪的反向旋轉(zhuǎn)風(fēng)扇確定一系列性能參數(shù)和設(shè)計(jì)約束條件；根據(jù)如下公式利用貝塞爾曲線求出合適的葉形中心線和厚度分布F(u)=Σk=0k=nfkBkn(u)]]>式中F(u)表示貝塞爾曲線的解法；u是0和1之間線性變化的參數(shù)(在前緣u＝0，在尾緣u＝1)；fk是貝塞爾控制點(diǎn)的一維陣列；Bkn(u)是伯恩斯坦n次多項(xiàng)式；Bkn(u)=(kn)uk(1-u)n-k]]>n+1是貝塞爾控制點(diǎn)的數(shù)量；和(kn)是CRC標(biāo)準(zhǔn)數(shù)學(xué)用表(第22版，1974年，第627頁)中定義的二項(xiàng)式系數(shù)；選擇貝塞爾控制點(diǎn)的初值；分別應(yīng)用F(u)求出葉形中心線x和y坐標(biāo)以及厚度分布；進(jìn)行無粘性流分析，為每個(gè)合成葉形中心線和厚度分布確定表面速度分布和工作分布；改變貝塞爾控制點(diǎn)，獲得不同的彎度和厚度分布，并重復(fù)該過程，直到獲得有利的解決方案。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其中風(fēng)扇性能參數(shù)包括容積流動(dòng)速率、軸速和進(jìn)氣密度。
5.如權(quán)利要求3所述的方法，其中設(shè)計(jì)約束條件包括風(fēng)扇尺寸、風(fēng)扇重量、電動(dòng)機(jī)輸入功率和噪聲波形。
6.如權(quán)利要求3所述的方法，其中風(fēng)扇性能參數(shù)包括容積流動(dòng)速率、軸速和進(jìn)氣密度；和設(shè)計(jì)約束條件包括風(fēng)扇尺寸、風(fēng)扇重量、電動(dòng)機(jī)輸入功率和噪聲波形。
7.如權(quán)利要求所述的方法，其中n選擇為18，以便使貝塞爾(Bezier)終結(jié)公式是18次多項(xiàng)式。
8.如權(quán)利要求所述的方法，其中表面速度分布不會(huì)促使邊界層分離。
9.如權(quán)利要求3所述的方法，其中工作分布將最大工作分布設(shè)置在根部和頂部之間的一點(diǎn)。
全文摘要
用于確定葉片葉形中心線和厚度分布的方法，該葉片用在具有反向旋轉(zhuǎn)葉輪的冷卻風(fēng)扇中。每個(gè)葉輪的葉片葉形中心線和厚度分布是通過利用貝塞爾曲線確定的，并被選擇以減少流過葉片的氣流邊界層分離。貝塞爾控制點(diǎn)會(huì)改變以產(chǎn)生一組葉形中心線分布和厚度分布，并且求出最有利的一組具有高的冷卻效率。
文檔編號(hào)F04D29/38GK1542288SQ20041004773
公開日2004年11月3日 申請(qǐng)日期2004年3月21日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月21日
發(fā)明者菲利普·J·布拉德伯里, 菲利普 J 布拉德伯里, X 源, 菲普·X·源, R 詹金斯, 查默斯·R·詹金斯, H 弗蘭克爾, 斯科特·H·弗蘭克爾 申請(qǐng)人:美蓓亞株式會(huì)社