CN102645936B - 流路结构和电子装置 - Google Patents

Abstract

一种流路结构，包括：流路(1)，用于将流体从入口(2)引向出口(3)；和流速控制结构(5)，设置在流路中入口和出口之间的部分中，以减小流入流路的流体在与流体流动方向交叉的方向上具有的流速差，其特征在于，在与流动方向交叉的方向，该流速控制结构(5)包括多个与流体流过的间隔(5b)交替设置的流速控制构件(5a)，并且流速控制构件具有彼此不同的尺寸，所述尺寸随着在设置各流速控制构件的与流动方向交叉方向上的区域处流体流速的增大而增大。还提供了一种包括上述流路结构的电子装置。

Description

流路结构和电子装置

技术领域

本发明涉及在各种电子装置中用于引导流体(例如气体和液体)的流路结构。

背景技术

在电子装置框架中用于引导流体(例如气体和液体)的流路(例如管道和导管)需要围绕框架上的各个元件设置，从而流路通常包括弯部(弯曲部)或截面积在流体流动方向上改变的部分。在垂直于流动方向的方向(或平面)上，所述部分使流路中流动的流体产生流速差。换句话说，这些部分产生了流速分布。

例如，在空气流入的管道的下游侧设有风扇的情况下，流入风扇的空气的流速分布显著地劣化风扇的性能。此外，具有流速分布的流体流入流路的弯部会产生流动分离，这减小了流路的利用效率。因此，获得高的利用效率要求流路结构允许具有均匀流速的流体流动。

例如，这种流路结构适用于图像投影装置，例如液晶投影仪，该投影仪使用驱动风扇产生的空气对流来冷却布置在投影仪内的发热元件，同时要求小型化和低噪音的结构。

日本专利特开No.2002-349944公开了一种流路结构，其中，利用设置在管道(管道包括弯部)入口的多孔板和蜂窝板来调整流入的空气，然后经由布置在弯部中的分布板将调整过的空气引向设置在比弯部更靠下游侧的出口。该流路结构通过设置在出口的另一多孔板和另一蜂窝板来进一步调整流出的空气。

此外，日本专利特开No.2005-098657公开了一种流路结构，其中，在管道内设有流动控制过滤器，具有流速分布的空气流入管道，并且，通过把流动控制过滤器设定成对于高流速区域具有高气流阻力和对于低流速区域具有低气流阻力来减小流速差。该流路结构使用褶状过滤器作为流动控制过滤器，通过改变过滤器的褶间距来增大和减小气流阻力。

此外，日本专利No.2706222公开了一种流路结构，在管道的弯部设有形成为彼此具有相似形状的引导叶片。引导叶片允许以均匀流速流入弯部的流体在弯部的更下游侧也保持均匀的流速。

然而，在日本专利特开No.2002-349944公开的流路结构中，在弯部之前和之后(即，在入口和出口)设有多孔板和蜂窝板，这两个构件显著地增大了流路阻力。因此，该结构需要增大风扇的功率以便确保预定流量的空气流过管道，这会增大噪音。

此外，日本专利特开No.2005-098657公开的流路结构用流动控制过滤器覆盖了与空气流动方向垂直的整个流路截面，这与日本专利特开No.2002-349944公开的流路结构一样显著地增大了流路阻力，从而导致风扇的所需功率增大和噪音增大。

此外，如果流入弯部的流体的流速是不均匀的，也就是说，如果流入弯部的流体具有流速差(流速分布)，在日本专利No.2706222中公开的流路结构不能使从弯部流出的流体的流速均匀化。

发明内容

本发明提供了一种流路结构，能够使与流体流动方向交叉的方向具有流速差的流入流体的流速均匀化，而不显著增大流路阻力。

本发明的一个方面是提供一种流路结构，包括：流路，用于将流体从入口引向出口；和流速控制结构，设置在流路中入口和出口之间的部分中，以减小流入流路的流体在与流体流动方向交叉的方向上具有的流速差。在与流动方向交叉的方向，该流速控制结构包括多个与流体流过的间隔交替设置的流速控制构件。流速控制构件具有彼此不同的尺寸。所述尺寸随着在设置各流速控制构件的与流动方向交叉方向上的区域处流体流速的增大而增大。

本发明的另一方面是提供一种具有上述流体流路结构的电子装置。

从下面参考附图对示例性实施例的描述，本发明的其他特征将变得明显。

附图说明

图1是本发明实施例1的管道单元沿气流方向的剖面图。

图2示出了在实施例1的管道单元沿气流方向的剖面中的流速分布。

图3示出了在实施例1的管道单元沿线A0-A1的剖面中的流速分布。

图4示出了在实施例1的管道单元沿线B0-B1、C0-C1和D0-D1的剖面中的流速。

图5示出了实施例1的管道单元的流量-压力相关性。

图6示出了实施例1的管道单元和不包括实施例1描述的流速控制结构的管道单元的流量-压力相关性的比较。

图7是不包括实施例1描述的流速控制结构的管道单元的俯视图。

图8示出了在不包括实施例1描述的流速控制结构的管道单元沿气流方向的剖面中的流速分布。

图9示出了在不包括实施例1描述的流速控制结构的管道单元沿线a0-a1的剖面中的流速分布。

图10示出了在不包括实施例1描述的流速控制结构的管道单元分别沿线b0-b1、c0-c1和d0-d1的剖面中的流速。

图11示出了在不包括实施例1描述的流速控制结构的管道单元沿线c0-c1的剖面中的流速分布、近似表示流速分布的逼近函数和该逼近函数的反转曲线。

图12示出了不包括实施例1描述的流速控制结构的管道单元的流量-压力相关性。

图13是本发明实施例2的管道单元沿气流方向的剖面图。

图14是本发明实施例3的图像投影装置的俯视图。

图15是示出了实施例3的图像投影装置的冷却结构的俯视图。

具体实施方式

下面将参考附图描述本发明的示例性实施例。

[实施例1]

图1示出了作为本发明第一实施例(实施例1)流路结构的管道单元的剖面。参考数字1表示在管道单元中形成流路的管道。参考数字2表示管道1的入口。参考数字3表示管道1的出口。参考数字6表示以90度角度弯折(弯曲)并形成在管道1中的入口2和出口3之间的部分。下文将部分6称为“弯部”(或“弯曲部”)。

管道1(管道单元)把作为流体从入口2流入管道1的空气(图1中用实线箭头示出)引向出口3，空气流动方向(图1中用虚线箭头示出，并在下文称为“气流方向”)在弯部6中弯折90度。

参考数字4表示设置在管道1(即流路)中处于弯部6和出口3之间的风扇。本实施例使用轴流风扇作为风扇4。

参考数字5表示设置在弯部6(也就是说，管道1中沿气流方向处于入口2和出口3之间的部分)中的流速控制结构。在与气流方向交叉的方向上，流速控制结构包括多个与间隔5b交替设置的流速控制构件5a，空气穿过该间隔。与气流方向交叉的方向不仅包括与气流方向成90度交叉的方向，即垂直于气流方向的方向，而且包括与气流方向成除90度之外的角度交叉的方向。下文把与气流方向交叉的方向称为“流动交叉方向”。

尽管本实施例在弯部6设置了流速控制结构5，但是流速控制结构5也可以设置在入口2和风扇4之间的任意部分(位置)上，只要流速控制结构5能够减小流入风扇4的空气的流速差(下文称为“流速差”)。换句话说，期望的是将风扇4设置在流速控制结构5和出口3之间的任意位置。

流速控制结构5具有的构造能够减小流入入口2的空气在流动交叉方向上具有的流速差。具体地，流速控制构件5a的尺寸彼此不同，以至于随着空气流速在设有流速控制构件的流动交叉方向区域中的增大而增大。下面将描述确定流速控制构件5a的尺寸的方法。

在这种管道单元中，由电源(未示出)供电的风扇4旋转，从而使空气从入口2流入管道1。流入管道1的空气朝流速控制结构5流动。如上所述地，流入入口2的空气在流动交叉方向具有流速差(流速分布)。

通过流速控制结构5来使到达流速控制结构5的空气的速度均匀化(即，减小流速差)，然后空气流向风扇4。流过风扇4的空气经由出口3从管道1流出，以用于例如冷却发热元件。

接着，将更加详细地描述流速控制结构5。首先，参考图7至10，描述在作为对比例的管道单元中的气流，该对比例不具有实施例1中所描述的流速控制结构5。

图7中，参考数字7表示作为管道1一部分的弯部，该弯部没有设置流速控制结构5。该对比例的管道单元的其他元件与图1中示出的管道单元的元件相同，因此用与图1相同的参考数字来表示这些元件。

图8示出了在该对比例的管道单元沿空气流动方向的剖面上在风扇4的中心轴附近的空气流速分布。图9示出了在沿图7所示的线a0-a1的剖面上即将流入风扇4之前的空气流速分布。图10示出了沿图9所示的线b0-b1、c0-c1和d0-d1的剖面上的流速分布。图10中，横轴示出了在流动交叉方向上的位置(剖面距离L)，纵轴示出了流速(m/s)。图11也是一样。

作为该对比例的边界条件，入口2处的压力设定为0(Pa)，在风扇4的旋转作用下流向出口3的空气流量设定为1.5(m³/min)。

当如图8、9和10所示地空气在管道1中形成90度弯曲角的弯部7中流动时，由于离心力的作用，流过弯部7的外侧部分的空气流速变得比流过弯部7的内侧部分的空气流速低(慢)。因此，在流入风扇4的空气中，已经流过弯部7的外侧部分的空气和已经流过弯部7的内侧部分的空气之间具有大的流速差。

这种流速差在弯部7的内侧部分产生气流分离，从而降低管道1的利用效率(即，流路利用效率)。此外，在旋转叶片以吸入和排出空气的风扇4中，与低流速空气撞击在叶片上的情况相比，高流速空气撞击在叶片上产生更大的噪音。因此，随着流入风扇4的空气流速差的增大，从风扇4产生的噪音增大。因此，本实施例在风扇4的上游侧设置流速控制结构5，以减小这种空气流速差。

下面，将参考图11描述本实施例中确定流速控制结构5的方法。图11中的曲线E示出了在如图7所示地未设置流速控制结构5的情况下沿图9所示线c0-c1的剖面上的流速分布(即，连接各个位置处流速的曲线)。可以用沿线b0-b1和d0-d1的剖面上的流速分布中的一个作为曲线E。

流速控制结构5的确定方法首先是通过对曲线E的回归分析来计算曲线E的逼近函数(逼近曲线)Y＝f(X)。在逼近函数Y＝f(X)中，Y表示流速，X表示在管道1中沿线c0-c1(即，沿流动交叉方向)的位置。

该方法将逼近函数Y＝f(X)定义为如下式所表达的对数函数：

Y＝a1×Ln(X)+a2

图11中的曲线F示出了逼近函数Y＝a1×Ln(X)+a2。

接着，该方法从逼近函数Y＝f(X)得出函数Y＝f(-X)。在本实施例中，函数Y＝f(-X)表达如下：

Y＝a1×(-Ln(X))-a2，

并且对应于图11所示的曲线G。

然后，为了使Y＝f(X)和Y＝f(-X)的坐标在Y轴方向彼此匹配，该方法计算以下表达式：

Y＝f(-X)+|Ymax-Ymin|

在上面的表达式中，Ymax和Ymin分别是在沿线c0-c1的位置处的流速Y的最大值和最小值。绝对值|Ymax-Ymin|对应于均匀化后的空气目标流速。

图11中，通过计算Y＝f(-X)+|Ymax-Ymin|得到曲线H。曲线H是通过在XY坐标系上反转曲线F(逼近函数Y＝f(X))而得到的曲线(反转函数)。

该实施例设定了包括在流速控制结构5中的流速控制构件5a的尺寸，从而使在流动交叉方向没有流速差的空气(流体)具有根据曲线H(反转函数)的流速差。通过把尺寸如上设定的流速控制构件5a和供空气通过的间隔交替地布置来构造流速控制结构5，就以抵消的方式减小了曲线F示出的空气流速差，从而使得在流动交叉方向上空气的流速均匀化。

接着，将描述使用曲线H(反转函数)设定流速控制构件5a的尺寸的方法。在该方法中，每个流速控制构件5a具有圆柱形状，在这种情况下流速控制构件5a的尺寸是指圆柱形状的直径或从气流方向来看时圆柱形状的面积。换句话说，圆柱形状的直径是从气流方向看时在流动交叉方向上的宽度。

此外，在该方法中，流速控制构件5a的数量用n表示，圆柱形的直径用Φ表示，在弯部6中从最内侧的流速控制构件5a起第n个流速控制构件5a的直径Φ用Φn表示。

尽管如上所述可以将流速控制结构5设置在入口2和风扇4之间的任意部分，但是本实施例将流速控制结构5设置在弯部6中。

首先，该方法确定作为流速控制构件5a的n个圆柱的位置，使得这n个圆柱的中心在流动交叉方向上在管道1的宽度上等间隔设置。在该实施例中，设置了六个流速控制构件5a。

接着，为了确定各个圆柱的尺寸(直径)，该方法使用曲线H(反转函数)。在该方法中，在XY坐标系中，横轴X示出了在管道1中沿流动交叉方向的位置，布置第n个流速控制构件5a的圆柱位置用Xn表示。此外，第n个流速控制构件5a的圆柱直径用ΦTn表示。此外，位置Xn的流速Y用Yn表示，直径ΦTn变为最大处的流速Y用Yn max表示。此外，确定每个圆柱尺寸的系数用(Yn/Yn max)表示。直径ΦTn的最大值用ΦTn max表示。

该方法通过使用上述值而如下式计算第n个流速控制构件5a的圆柱直径ΦTn：

ΦTn＝ΦTn max×(Yn/Yn max)

如上所述地，该实施例设定了流速控制构件5a的不同圆柱直径，以使在流动交叉方向没有流速差的空气(流体)具有根据曲线H(反转函数)的流速差。这种设定减小了流入流速控制结构5的空气最初具有并由曲线F(逼近函数)近似表示的流速差，从而能够把沿流动交叉方向具有大致均匀流速的空气供给到风扇4。特别地，该实施例采用流速的逼近函数和反转函数来设定流速控制构件5a的尺寸，从而能够更有效地使流速均匀化。

接着，将参考图2至6描述设置流速控制结构5的效果。图2示出了在该实施例的管道单元沿气流方向的剖面上在风扇4的中心轴附近的空气流速分布。图3示出了在沿图1示出的线A0-A1的剖面上即将流入风扇4之前的空气流速分布。图4示出了沿图3示出的线B0-B1、C0-C1和D0-D1的剖面上的流速分布。图4中，横轴示出了沿流动交叉方向的位置(剖面距离L)，纵轴示出了流速(m/s)。

如图2至4所示，与图8至10所示对比例的管道单元相比，在流动交叉方向上，减小了在该实施例的管道单元中流入风扇4的空气流速差(即，流速被均匀化)。

流速控制结构5(流速控制构件5a)提供了流路阻力。然而，如上所述地，在管道单元中不设置流速控制结构5会在弯部7中产生气流分离，这会降低管道1的利用效率。因此，图1示出的该实施例在管道单元中设置了流速控制结构5，以抑制在弯部6中产生气流分离，从而能够提高管道1的利用效率。即使流速控制结构5提供了流路阻力，但是上述效果能够使整个管道1的流路阻力与不设置流速控制结构5的情况下的流路阻力几乎相等。

图5示出了该实施例的管道单元的气流流量和空气压力的相关性(气流流量-空气压力相关性)。另一方面，图12示出了没有流速控制结构5的对比例的管道单元的气流流量-空气压力相关性。图6示出了这些流量-压力相关性的比较。在图5、6和12中，横轴示出了气流流量(m³/min)，纵轴示出了空气压力(Pa)。如图6所示，在设有流速控制结构5的本实施例中的流路阻力与不设有流速控制结构5的对比例中的流路阻力几乎相等。

该实施例仅在入口2和出口3之间需要进行流速控制的部分处设置流速控制结构5，从而能够使具有流速分布的流入空气的流速均匀化，而不会使管道单元的结构复杂化。均匀的流速能够抑制流路中的气流分离，从而防止因气流分离而导致的流路利用效率的降低。此外，均匀的流速能够降低风扇4的所需功率，和减小风扇4产生的噪音。

该实施例已经描述了使流速控制构件5a形成为圆柱形状的情况并通过使用上述的反转函数来设定直径，该直径是流速控制构件5a的尺寸。然而，流速控制构件5a可以形成为除圆柱形状之外的其他形状，例如三角形、矩形和板形；流速控制构件5a的宽度或面积(即，从气流方向来看流速控制构件5a的尺寸)可以设定成使得在流动交叉方向没有流速差的空气具有根据上述反转函数的流速差。

此外，该实施例已经描述了控制气流的管道单元。然而，本发明的替代实施例包括用于控制液体(例如水和油，也是流体)流动的流路结构(导管)，与本实施例具有相同的构造。

[实施例2]

图13示出了本发明第二实施例的管道单元沿气流方向的剖面。与实施例1的管道单元中相同的元件用与实施例1中相同的参考数字表示，并省略其描述。参考数字8表示用于收集流入管道1中的空气所包含的灰尘的集尘过滤器。集尘过滤器8设置在流速控制结构5和风扇4(出口3)之间。

集尘过滤器8的可收集灰尘大小和集尘率通常是取决于经过集尘过滤器8的空气流速而改变。这样，当流入管道1的空气流量恒定且在集尘过滤器8的集尘表面的平面内方向(即在流动交叉方向)存在空气流速分布时，高的流速会影响可收集的灰尘大小和集尘率。例如，在图像投影装置(例如液晶投影仪)中使用该管道单元以用于将冷却空气引至液晶面板或光学元件的情况下，灰尘附着在液晶面板或与其相邻的光学元件上会导致灰尘图像包含在投影的图像中，从而降低了投影图像的图像质量。

此外，在集尘过滤器8的集尘表面的平面内方向的流速分布容易导致灰尘沉积并堵塞在流速高的过滤器区域，从而难以有效地利用整个集尘表面并且需要较早地更换集尘过滤器8。

因此，如图13所示，本实施例在集尘过滤器8的更上游侧(即，在入口2和集尘过滤器8之间)设置流速控制结构5。这种布置能够减小流入集尘过滤器8的空气在集尘过滤器8的集尘表面的平面内方向上的流速差，从而能够提高集尘过滤器8的集尘率，并能够延迟堵塞的发生，以延长集尘过滤器8的寿命。

[实施例3]

图14和15示出了本发明第三实施例(实施例3)的图像投影装置的结构，该图像投影装置包括实施例1中描述的管道单元。该实施例的图像投影装置是使用反射式液晶面板作为光调制元件的液晶投影仪，是电子装置或光学装置中的一种。

图14中，参考数字9表示光源灯，参考数字10表示用于冷却灯9的灯冷却风扇。参考数字11表示用于将从灯冷却风扇10流出的空气引向灯9的灯冷却管道。参考数字1至6表示在实施例1中描述的管道单元的元件，该管道单元用于使空气在冷却了灯9后经由后述的排出口14b从装置框架流出。

参考数字12表示电控单元，用于控制电源单元(未示出)和图像投影装置(液晶投影仪)的各种操作。参考数字13表示光学引擎，包括照明光学系统、彩色分解/组合光学系统和投影透镜。照明光学系统把从灯9发出的光转变成适合反射式液晶面板照明的光。彩色分解/组合光学系统把来自照明光学系统的光分解成多种彩色光，并将它们引至反射式液晶面板，然后把由反射式液晶面板调制的多种彩色光组合。投影透镜把由彩色分解/组合光学系统组合的光投影到投影表面(例如屏幕)上。参考数字14表示作为框架组成部分的外部构件，其包括外部空气入口14a和排气口14b。

图15用粗实线箭头示出了本实施例的图像投影装置中的气流。在电控单元12供电驱动下风扇4和灯冷却风扇10的旋转导致空气经由外部空气入口14a从框架外部流入框架。流入框架的部分空气被灯冷却风扇10吸入并排出，冷却了灯9，之后流向管道1的入口2。

从入口2流入管道1的空气朝流速控制结构5流动。通过流速控制结构5使到达流速控制结构5的空气在流动交叉方向的流速均匀化，然后流向风扇4。流入风扇4的空气在流动交叉方向具有大致均匀的流速，从而能够提高管道1的利用效率和减小风扇4产生的噪音。从风扇4排出的空气穿过出口3和排气口14b，排出到框架的外部。

尽管本实施例已经描述了在图像投影装置中使用实施例1的管道单元的情况，但是除了图像投影装置之外，实施例1和2的管道单元也可以用于需要控制气流(流体流动)的各种电子装置(或各种光学装置)。

尽管已经参考示例性实施例描述了本发明，但是应该理解，本发明不限于所公开的示例性实施例。随附权利要求的范围应给予最宽泛的解释，以涵盖所有这类修改和等同的结构及功能。

Claims (4)

1.一种流路结构，包括：

流路(1)，用于将空气从入口(2)经弯部(6)引向出口(3)，

设置在弯部(6)中的流速控制结构(5)，当空气流动方向是从入口向出口引导空气且通过弯部弯曲的方向、并且流动交叉方向是与空气流动方向交叉的方向时，流速控制结构(5)用于减小空气在流动交叉方向上具有的流速差，和

风扇(4)，设置于弯部(6)和出口(3)之间，用于使空气从入口流入流路，

其特征在于，在流动交叉方向上，该流速控制结构(5)包括多个与流体流过的间隔(5b)交替设置的流速控制构件(5a)，所述流速控制构件具有第一流速控制构件和第二流速控制构件，与设置有第一流速控制构件的区域相比，在设置有第二流速控制构件的区域中，气流以更高的流速流动，并且在第二流速控制构件的位置处第二流速控制构件沿流动交叉方向的宽度大于在第一流速控制构件的位置处第一流速控制构件沿流动交叉方向的宽度。

2.根据权利要求1所述的流路结构，其中，当X表示在流动交叉方向上的位置，且Y表示空气在位置X处的流速时，在与流动方向交叉的方向上流速Y的分布用逼近函数Y＝f(X)来近似表示，并且通过在XY坐标系中反转逼近函数而获得的函数被称为反转函数，

沿流动交叉方向在流速控制构件中设置的每一个位置处，流速控制构件(5a)的宽度设定成使得在流动交叉方向上无流速差的空气具有根据该反转函数的流速差。

3.根据权利要求1所述的流路结构，其中，集尘过滤器(8)设置在流速控制结构(5)和出口(3)之间。

4.一种电子装置，其特征在于，该电子装置包括根据权利要求1至3中任何一项所述的流路结构。