CN102834621B - 具有成形的涡壳外形的径流式鼓风机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动力空气净化呼吸器(PAPR)，其包括径流式鼓风机。所述径流式鼓风机至少包括叶轮和涡壳，所述涡壳具有上外表面和下外表面。在一个实施例中，所述涡壳的空气通道的横截面包括与所述上外表面和所述下外表面对应的边，所述边具有平行的斜线段。在另一实施例中，所述边可基本上平行，并可弯曲。在另一实施例中，所述涡壳的上外表面为凹形，并且所述涡壳的下外表面为凸形。在该实施例中，所述PAPR还包括入口，并且所述入口设置在所述下外表面处。

Description

具有成形的涡壳外形的径流式鼓风机

技术领域

本发明涉及径流式鼓风机，包括用在头盔安装式呼吸器系统中的径流式鼓风机。

背景技术

径流式鼓风机用在许多种应用中，包括工业、电子和个人应用。例如，用于冷却电子元件或提供空气调节的诸如风扇的冷却装置以及其他正气压装置(例如，过滤装置)在很多情况下包括径流式鼓风机。此类鼓风机通常具有中央入口和叶轮，所述叶轮随着其通过电机旋转而通过入口抽入空气，并在环形方向上推进所述空气。涡壳常常为鼓风机部件提供外壳，并包括包裹在叶轮周围的空气通道。叶轮可推进空气穿过所述空气通道并从出口离开。

许多因素影响径流式鼓风机的流速以及压力和效率。例如，流体密度、电机速度和功率、叶轮设计和尺寸以及涡壳的形状和尺寸均影响径流式鼓风机的效率和输出。在一些工业应用中，径流式鼓风机的设计受到效率和输出要求的驱动；形状和尺寸不是重要的限制因素。在由使用者运送包含径流式鼓风机的装置(例如，动力空气净化呼吸器)的其他应用中，鼓风机的尺寸和形状会尤其受到工效学和运送可行性考虑的限制。

仍需要一种径流式鼓风机以用于带动力空气净化呼吸器，其可满足输出和效率要求，同时契合设计限制。

发明内容

在一个方面，本发明涉及一种动力空气净化呼吸器，其包括至少一个径流式鼓风机。所述径流式鼓风机至少包括叶轮和涡壳，所述涡壳具有上外表面和下外表面。所述涡壳的空气通道的横截面包括与所述上外表面和所述下外表面对应的边，所述边具有平行的斜线段。在一些示例性实施例中，所述径流式鼓风机可设置在头盔中。

在另一方面，本发明涉及一种动力空气净化呼吸器，其包括至少一个径流式鼓风机。所述径流式鼓风机至少包括叶轮和涡壳，所述涡壳具有上外表面和下外表面。所述涡壳的空气通道的横截面具有与所述上外表面和所述下外表面对应的一组基本上平行的边，其中所述一组基本上平行的边是弯曲的。

在另一方面，本发明涉及一种动力空气净化呼吸器，其包括至少一个径流式鼓风机。所述径流式鼓风机包括至少叶轮、涡壳和入口。所述涡壳具有上外表面和下外表面，其中所述上外表面为凸形，所述下外表面为凹形所述入口设置在所述下外表面处。

附图说明

结合附图，由以下对本发明各实施例的详细描述可以更全面地理解本发明，其中：

图1示出头盔安装式带动力空气净化呼吸器的示意性侧视图；

图2示出具有成形外形的径流式鼓风机的透视图；

图3示出具有成形外形的径流式鼓风机的分解图；

图4示出具有成形外形的径流式鼓风机的剖视图；

图5是具有成形外形的径流式鼓风机的侧视图；

图6A是涡壳的示例性平行四边形形状的横截面；

图6B是具有弯曲平行边的示例性涡壳横截面。

在以下对图示实施例的描述中，参照了附图，并通过举例说明的方式在这些附图中示出在其中可以实施本发明的多种实施例。应当理解，在不脱离本发明范围的前提下，可以利用这些实施例，并且可以进行结构上的修改。附图未必按比例绘制。附图中使用的相同附图标记指示相同部件。然而，应当理解，在给定附图中使用标号指示部件并非意图限制另一个附图中用相同标号标记的部件。

具体实施方式

本发明提供一种动力空气净化呼吸器(PAPR)，其包括径流式鼓风机。根据本发明构造的径流式鼓风机及其涡壳的形状可得到更紧凑和工效的PAPR设计。在便携式呼吸器系统(例如，头盔安装式、面部安装式或束带安装式PAPR设计)中，在一些情况下，本发明所公开的径流式鼓风机可减小尺寸并提高PAPR的平衡和贴合性，这可提高佩戴者的舒适度。

图1示出头盔安装式PAPR10的侧视图。PAPR通常是带有电机的系统，其在环境空气输送至佩戴者的呼吸区之前使用过滤器从环境空气去除污染物。

PAPR10包括覆盖佩戴者头部的头盔50、面甲或护罩40，其可覆盖和/或保护佩戴者面部，并在佩戴者呼吸区14的区域中包含过滤空气。PAPR10还包括安装在头盔50内部的至少一个过滤器30和径流式鼓风机20。当PAPR10启动时，径流式鼓风机20内的叶轮通过电机(示出于图2中)旋转。在图1的实施例中，径流式鼓风机20抽吸通过入口(未示出)进入PAPR10的空气使其穿过过滤器30并进入径流式鼓风机20的入口。在本发明的典型实施例中，PAPR入口在使用者头部的后面，例如佩戴者颈部的后颈附近的区域。径流式鼓风机20的入口可位于其一侧。优选地，所述入口位于鼓风机20面向使用者头部的一侧。然后，经由径流式鼓风机20的出口将过滤空气吹到佩戴者的呼吸区14中。在PAPR10的入口和径流式鼓风机20的入口之间、以及径流式鼓风机20的出口和使用者呼吸区14之间可设置任何合适的形状和尺寸的输气管(未示出)。

过滤器30优选安装在头盔50内部。然而，任何其他合适的位置也在本发明的范围内，只要过滤器30设置在径流式鼓风机20的上游即可。在穿过过滤器30之后，空气流经涡壳中的空气通道，并从径流式鼓风机20的出口离开，最终进入佩戴者的呼吸区14。佩戴者的呼吸区可由面甲40限定，并且在一些实施例中，也由面密封件12限定。当PAPR10运行时，优选连续地向呼吸区14提供过滤空气。

PAPR在很多情况下由光和移动电源(未示出)提供动力，以允许佩戴者独立地移动。例如，PAPR可由一次性的或可充电电池提供动力，例如镍金属氢化物(NiMH)、镍镉(NiCd)、锂离子(LI)和锂锰二氧化物电池或任何其他适当的电池或电源。

过滤器30可包括多种材料中的任何一种或多种，并可以多种物质为目标。例如，过滤器30可包括传统过滤床、折叠介质或者任何其他类型的过滤介质或介质的组合。过滤介质可包括颗粒过滤介质、化学过滤介质或这二者的任意组合。化学过滤介质可包括吸附剂、催化剂或化学反应性介质中的一种或多种，并可以气体为目标，例如氨气、甲胺、甲醛、氯、氯化氢、二氧化硫、酸性气体、有机蒸气或者任何其他所需的气体或污染物。

径流式鼓风机20(在下面结合图2-6B中更详细地描述)可具有成形外形，使得涡壳的空气通道席卷叶轮周围。传统PAPR径流式鼓风机设计包括具有矩形横截面的涡壳的径流式鼓风机。相比之下，根据本发明的涡壳的成形外形可允许鼓风机20更好地与头盔50的形状或者特定应用所形成的任何其他独特形状限制适形。除了允许PAPR部件具有更紧凑的构造之外，在头盔安装式PAPR中，这种构型可增大佩戴者头顶与鼓风机20之间的间隙距离，如图1所示。这样的距离对满足ANSIZ89.1、EN397、AS-NZ1801头盔标准以及安全帽的其他健康和安全标准而言很重要。在头盔安装式PAPR10中径流式鼓风机的位置和安装也会影响PAPR10的重量分布，并且在一些情况下减轻佩戴者头部或颈部上的应变。

面甲或面罩40可相对透明，以允许佩戴者良好的可见性，并且可由聚碳酸酯材料或任何其他合适的材料制成。头盔50还可包括密封构件或面密封件12，其与佩戴者面部接触以在佩戴者的呼吸区14内的过滤空气与外部环境之间提供阻隔。另外，径流式鼓风机20所提供的正气压可为佩戴者供应过滤空气。面甲或面罩40可模制为单个单元，或者可包括多个部件(这些部件随后彼此附接)，或者可由任何其他适当的方法构造而成。尽管上面描述了PAPR的一种特定构造，根据本发明可使用任意种类或构型的PAPR。

图2示出具有成形外形的示例性径流式鼓风机20的透视图。例如，图2所示示例性实施例具有成角度的外形，使得当从侧透视图观察时，涡壳25的至少一侧的至少一部分相对于鼓风机20的中心部分成斜角地延伸。然而，其他成形外形也在本发明的范围内。图2所示实施例与安装在头盔50上时径流式鼓风机20的取向相比是颠倒的，以允许更好地观察径流式鼓风机20中的部件。通常，如果示例性径流式鼓风机包括大致凸形侧面，则这样的侧面可方便地紧邻预期容纳它的系统的凹面(例如，上面图1所示PAPR10的头盔50)设置。另一方面，如果示例性径流式鼓风机包括大致凹形侧面，则这样的侧面可方便地紧邻凸面(例如，上面图1所示PAPR10的佩戴者的头部)设置。

进一步参照图2，示例性径流式鼓风机20包括涡壳25。除了为吸入和离开径流式鼓风机20的空气提供通道之外，涡壳25为各种径流式鼓风机部件提供外壳。涡壳25可由任何适当的金属、聚合物材料或者本领域已知的任何其他材料制成。涡壳25可模制、浇铸、压制，或者通过任何其他适当的制造方法形成。涡壳25可为固体的整体构造、由两个或更多个件制成、或者任何适当数量的部件。当涡壳25由多个部件构成时，所述部件可通过任何适当的手段附接，例如粘合剂或机械手段。在图2所示实施例中，构成涡壳25的两个部件通过搭扣配合紧固件彼此固定。可用于固定涡壳部件的其他器械手段包括例如螺纹连接器、夹片或销。在此特定实施例中，第一涡壳部件31上的外唇缘和第二涡壳部件33上的内唇缘重叠，以为叶轮26穿过涡壳25所推进的空气提供流体密封。

径流式鼓风机20还包括电机28。电机28使叶轮26(下面更详细地描述)旋转，所述叶轮通过径流式鼓风机20的入口29吸入空气。在图示实施例中，入口29设置在叶轮26的中心。电机28可容纳于涡壳25内(如图2所示)或在涡壳25外部。电机28可通过销、螺钉、搭扣配合紧固件或者任何其他适当的方法或装置来安装到涡壳25。在图示实施例中，叶轮26安装在涡壳25内部，与电机28相邻。在图示实施例中，叶轮26具有向后倾斜的叶片27，但叶轮26可具有任何适当的叶片设计，例如前向弯曲的叶片、平坦叶片或者任何其他可行设计。叶轮26可以若干不同的件制造，这些件稍后彼此固定，或者整个叶轮26可为一体构造。例如，叶轮26的基部和叶片可模制为单个部件，并且随后固定到环形构造(例如，环)，以形成叶轮26。叶轮26可模制而成或通过任何其他适当的方法制成。当通过入口29吸入空气时，其顺着涡壳25的空气通道22的弯曲前进，直到最终离开叶轮26。涡壳空气通道22的形状限定离开叶轮26的空气所遵循的路径。

图3示出具有成形外形的径流式鼓风机20分解图。在此特定构造中，涡壳25由两个联锁部件制成(如上面相对于图2所说明的)。在此特定实施例中，电机28配合到第一涡壳部件31内部的凹陷32中。叶轮26安装到电机28上，与第一涡壳部件31相对的一侧。第二涡壳部件33具有形成入口29的中央开口，其与叶轮26对准，以使得通过入口29将空气吸入叶轮26的中心中，并向外推进到涡壳25的空气通道22中。涡壳空气通道22的更复杂的形状允许其保持与具有大致矩形横截面的传统涡壳类似的横截面积和体积。同时，径流式鼓风机20可更有效地契合具有任何弯曲外壳、头盔或其他复杂表面或尺寸约束的PAPR。

图4示出径流式鼓风机20的示意性剖视图。在此图示实施例中，第一涡壳部件31的外表面21基本上为凸形。根据本发明的凸形表面是大致向外弯曲或膨胀的表面。在典型实施例中，第一涡壳部件31的内表面(其是与外表面21相对设置的主表面，并形成空气通道22的一部分)基本上为凹形。根据本发明的凹形表面是向内弯曲或凹陷的表面。第一涡壳部件31的内表面可具有与外表面21的形状相反的形状(如图4所示，并且其中涡壳部件31的外壁具有均匀的厚度)，或者其可具有不同的形状。进一步参照图4，第二涡壳部件33的外表面23基本上为凹形。因此，在典型实施例中，第二涡壳部件31的内表面(其是与外表面23相对设置的主表面，并与第一涡壳部件的内表面一起形成空气通道22的一部分)基本上为凸形。第二涡壳部件33的内表面也可具有与外表面23的形状相反的形状，或者其可具有不同的形状。

尽管第一涡壳部件31和第二涡壳部件33的精确形状可根据为了安装、容纳电机或其他部件而设计的特征以及其他功能性和装饰性特征而有所不同，根据本发明，第一涡壳部件31的上外表面21或第二涡壳部件33的下外表面23的总体形状仍可被认为是基本上凹形或基本上凸形。例如，如图4所示，第一涡壳部件31和第二涡壳部件33的中部相对平坦，以适应叶轮26的形状。在此实施例中，当叶轮26通过入口29吸入空气时，空气流35进入入口29的方向相对于涡壳22的下外表面23和上外表面21延伸的方向形成锐角。因此，涡壳表面的上述凸形和/或凹形形状可由平坦壁区段、弯曲壁区段、或其组合形成。

图5是具有成角度的外形的径流式鼓风机20的侧视图。空气通道22围绕涡壳25的中心席卷，以形成成形的涡壳25外形。涡壳25的横截面24可(例如)沿着包含叶轮的旋转中心的平面截取(例如，如图4所示)。沿着涡壳25的空气通道22在给定点处，涡壳25可具有高度H和宽度W。例如，空气通道22高度H和宽度W可具有任何合适的值，例如约10、12、15、18、20、25mm或之间的任何高度。在此实施例中，空气通道22的横截面的宽度W基于沿着空气通道22的横截面的径向位置而有所不同。

在本发明的一些实施例中，出口处的横截面24的高度H和宽度W可与传统径流式鼓风机相同，但根据本发明的空气通道22的横截面形成非矩形形状。例如，在图5所示示例性实施例中，横截面(例如，空气通道22的出口处的横截面24)可成形为非矩形平行四边形。示例性非矩形平行四边形可具有两组基本上平行的边，但其中任何相交的边相对于彼此均未形成直角。其他非矩形形状可具有一组基本上平行的边和两组或更多组不平行的边。

在一些实施例中，在涡壳上的横截面的一些径向位置处，宽度W可大于高度H，而在其他径向位置处，高度H可大于宽度W。本发明实施例中所形成的涡壳横截面的形状和非矩形形状的角度通常影响上外表面21和下外表面23的形状，使得这些表面中的至少一个包括非平面形状或复杂形状。根据本发明，复杂形状包括通过使一个或多个斜线段绕轴旋转而形成的一个或多个表面。斜线段可包括直线、圆、椭圆、抛物线或任何其他形状的线段。例如，直线段可绕与之形成倾斜角度的轴旋转。椭圆线段可绕其长轴或短轴旋转，或者可绕另一轴旋转。圆线段可绕在其中心或任何其他点处与其相交或与其不相交的轴旋转。其他线段可绕任何适当的轴旋转。

图6A示出根据本发明的空气通道的示例性非矩形横截面，它是在例如图5所示的位置A处截取的涡壳25的空气通道22的大致平行四边形形状的横截面52。在此实施例中，横截面成形为基本上类似具有两组平行边的平行四边形。根据本发明，在横截面52中，平行四边形的确切形状或其一条或多条边的曲率可存在变化。例如，在此特定实施例中，横截面52的拐角略微弯曲。在此实施例中，大致平行四边形形状的横截面52具有由相邻相交的边形成的两个锐角54(测量小于90度)。锐角54可为任何可行的角度，例如45度、60度、65度、70度、85度或其之间的任何数值。

图6B示出根据本发明的空气通道的另一示例性非矩形横截面，它是具有一条或多条弯曲边58的涡壳横截面56。在一些实施例中，两条弯曲边58可大致平行。弯曲边58可具有不同的曲率半径，和/或可弯曲以使得其具有类似的凹陷方向或相同的曲率中心。一条或多条弯曲边58可具有恒定或变化的曲率半径，或者其可包括直线段。横截面56还可具有第二对平行边57。一条或多条边57可包括直线或弯曲段或其组合。在一些实施例中，边57可不平行。

具有与图6A所示类似的涡壳横截面52的风扇壳体可具有与具有圆锥形侧面的碗的外表面的一段类似的上外表面，以及与具有圆锥形侧面的碗的内表面的一段类似的下外表面。类似的，具有与图6B所示类似的涡壳横截面56的风扇壳体可具有与圆形碗的外表面的一段类似的上外表面，以及与圆形碗的内表面的一段类似的下外表面。或者，上外表面可为大致凸形，并且下外表面可为大致凹形，如参照图4所说明的。

在可供选择的实施例中，根据本发明的空气通道的横截面可具有不止两组边，并可仅具有一组平行边，或者根据本发明，可没有平行边。

实例

构造根据本发明的径流式鼓风机(鼓风机1)。鼓风机中使用由德国的冯哈伯集团(FaulhaberGroup)销售的平直流微电机2607T。电机直径为26mm，长度为7mm，无负载速度最高至6,600rpm，失速扭矩为7.01mNm。电机设置在由ABS[丙烯腈丁二烯苯乙烯]制成的快速成型涡壳中。涡壳的径向宽度为86.5mm，高度为18mm。出口宽度大约为25.6mm。位于出口处涡壳的横截面形成具有大约65度的两个锐角的非矩形平行四边形。叶轮安装到涡壳内部的电机上，所述叶轮具有向后倾斜的叶片，高度为大约15mm，并且直径为大约48mm。

还构造了具有传统设计的第二径流式鼓风机(鼓风机2)。第二鼓风机的参数与第一鼓风机相同，不同的是涡壳是平的，使得在鼓风机的出口处涡壳的横截面为矩形。

在185LPM恒定流速下测量两个鼓风机的电机效率、风扇效率和总效率，如表1所示。

表1：效率比较

通过将给定输入电压和电流与电机轴处的扭矩和rpm进行比较来确定电机效率。通过将电机轴处的扭矩和rpm与鼓风机出口处的输出空气流和压力进行比较来确定风扇效率。通过测量针对给定输入电压和电流的输出空气流和压力来确定总效率。在将改型鼓风机的效率与传统鼓风机的效率进行比较时，实现的效率水平非常类似，而根据本发明的鼓风机允许更好地契合特定设计限制。

尽管已经结合优选的实施例描述了本公开，但是本领域的技术人员将知道，可以在不脱离本公开的精神和范围的条件下进行形式和细节上的修改。

Claims (16)

1.一种安装在头盔中的动力空气净化呼吸器，包括：

径流式鼓风机，其至少包括叶轮和涡壳，所述涡壳具有上外表面和下外表面，其中所述涡壳的空气通道的横截面包括与所述上外表面和所述下外表面对应的边，所述边具有平行的斜线段；

其中，所述径流式鼓风机具有成形外形，所述成形外形包括紧邻所述头盔的凹面设置的大致凸形的第一侧面以及紧邻所述头盔的佩戴者的头部设置的大致凹形的第二侧面，并且

其中所述径流式鼓风机包括入口，所述入口位于所述径流式鼓风机的面向使用者头部的一侧。

2.根据权利要求1所述的动力空气净化呼吸器，其中空气流进入所述入口的方向与所述涡壳的上外表面和下外表面延伸的方向形成锐角。

3.根据权利要求1所述的动力空气净化呼吸器，其中所述空气通道的横截面形成非矩形平行四边形。

4.根据权利要求1所述的动力空气净化呼吸器，其中所述径流式鼓风机还包括电机，其中所述电机和所述叶轮设置在所述涡壳的中心部分。

5.根据权利要求4所述的动力空气净化呼吸器，其中所述涡壳的上外表面和下外表面在所述叶轮的外径内平坦。

6.根据权利要求3所述的动力空气净化呼吸器，其中所述平行四边形的锐角介于45度和85度之间。

7.根据权利要求3所述的动力空气净化呼吸器，其中所述平行四边形的锐角介于60度和70度之间。

8.根据权利要求1所述的动力空气净化呼吸器，其中所述鼓风机还包括出口，其中所述出口的宽度大于所述出口的高度。

9.根据权利要求1所述的动力空气净化呼吸器，其中沿着所述涡壳的所述空气通道的所述涡壳的高度恒定。

10.根据权利要求1所述的动力空气净化呼吸器，还包括过滤器组件，其中所述径流式鼓风机设置在所述过滤器组件的下游。

11.一种安装在头盔中的动力空气净化呼吸器，包括：

径流式鼓风机，其至少包括叶轮和涡壳，所述涡壳具有上外表面和下外表面，其中所述涡壳的空气通道的横截面具有与所述上外表面和所述下外表面对应的一组基本上平行的边，其中所述一组基本上平行的边是弯曲的，

其中，所述径流式鼓风机具有成形外形，所述成形外形包括紧邻所述头盔的凹面设置的大致凸形的第一侧面以及紧邻所述头盔的佩戴者的头部设置的大致凹形的第二侧面，并且

其中所述径流式鼓风机包括入口，所述入口位于所述径流式鼓风机的面向使用者头部的一侧。

12.根据权利要求11所述的动力空气净化呼吸器，其中空气流进入所述入口的方向与所述涡壳的上外表面和下外表面延伸的方向形成锐角。

13.根据权利要求11所述的动力空气净化呼吸器，其中所述径流式鼓风机还包括电机，其中所述电机和所述叶轮设置在所述涡壳的中心部分。

14.根据权利要求13所述的动力空气净化呼吸器，其中所述涡壳的上表面和下表面在所述叶轮的外径内平坦。

15.根据权利要求11所述的动力空气净化呼吸器，其中所述鼓风机还包括出口，其中所述出口的宽度大于所述出口的高度。

16.根据权利要求11所述的动力空气净化呼吸器，其中所述涡壳沿着所述空气通道的高度恒定。