CN107795495A - 低噪声风机 - Google Patents

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CareFusion 303 Inc
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Abstract

一种低噪声风机具有叶轮，该叶轮包括叶轮板和均附接于叶轮板的多个叶片。各个叶片包括末端和具有第一部分的前沿面，该第一部分与末端邻近并具有在0.03英寸至0.20英寸的范围内的第一半径。

Description

低噪声风机
本申请是基于2014年6月26日提交的、申请号为201480036971.X、发明创造名称为“低噪声风机”的中国专利申请的分案申请。
相关申请的交叉引用
不适用
技术领域
本公开内容大致涉及一种气压缩机，特别涉及一种离心风机。
背景技术
可以向具有诸如慢性呼吸衰竭等呼吸系统损伤的患者提供呼吸机以辅助他们的呼吸，或者在严重的情况下，完全接管呼吸功能。呼吸机通常在吸气间隔期间提供具有升高压力的空气流或者其他呼吸气体，接着在呼气间隔里使加压的空气转向，从而患者的肺里的空气能够被自然地排出。可以在检测到患者自然吸气之后或利用呼吸机开始吸气间隔。
可以使用具有各种尺寸且能够提供不同范围的空气流量和压力的呼吸机。例如，与成年患者相比，新生儿患者需要更低的压力和更少的每次呼吸的空气体积，然而，许多常规呼吸机不能够提供体积和压力在该范围内的压缩空气的准确输送。
在利用风机对提供给患者的气体加压的一些常规呼吸机中，所使用的风机声音较大，使得患者房间中的噪声水平通常为65dB以上。该噪声水平可能打扰患者的休息和睡眠以及使护理人员变得疲劳，并且还可能因掩盖了提供患者状况的指示的自然呼吸声音而进一步妨碍对患者的诊断和监测。
发明内容
优选地提供一种安静的小型风机，该风机可以准确地提供具有大范围的流量和压力的压缩气体的流动。
在某些实施例中，公开了一种风机，其具有叶轮，该叶轮包括叶轮板和均附接于叶轮板的多个叶片。各个叶片具有末端和前沿面，该前沿面包括与末端邻近的第一部分。第一部分具有在0.03英寸至0.20英寸的范围内的第一半径。
在某些实施例中，公开了一种叶轮，该叶轮包括：叶轮板，其包括具有第一半径的外边缘；以及多个叶片，其附接于叶轮板。多个叶片中的每一个叶片包括前沿面和位于外边缘处的末端，该前沿面具有从末端延伸的第一部分以及以第二半径从第一部分延伸的第二部分，第二半径在0.14英寸至0.16英寸的范围内。
附图说明
附图说明为提供对本发明的进一步理解并且并入说明书且构成说明书的一部分，示出了本发明所披露的实施例，附图连同说明书一起用于解释所披露的实施例的原理。在附图中：
图1和图2是根据本发明的某些方面的示例性风机的顶部透视图和底部透视图。
图3是根据本发明的某些方面的图1的风机的分解图。
图4是根据本发明的某些方面的示例性叶轮的透视图。
图5是常规叶轮的透视图。
图6是根据本发明的某些方面的图3的叶轮的叶片末端的放大俯视图。
图7是根据本发明的某些方面的图1的风机的截面图。
图8是根据本发明的某些方面的图7的一部分的放大视图。
图9A至图9C是根据本发明的某些方面的包覆成型的顶部壳体的透视图。
具体实施方式
优选地提供一种相对小且安静的风机，该风机可以准确地提供具有大范围的流量和压力的压缩气体流。
在下面的详细描述中，阐述了若干具体细节，以提供对本发明的全面理解。然而，对于本领域普通技术人员而言显而易见的是，可以在不具有一些具体细节的情况下来实施本发明的实施例。在其他实例中，为避免使本发明不清楚，没有详细示出公知的结构和技术。在所参考的附图中，相似标记的元件相同或实质上相似。附图标记可以附有字母后缀，以表示共同元件的单独实例，而在没有后缀字母的情况下，这些实例由相同的标号一般性地标示。
虽然本文中的说明涉及提供压缩空气作为医用呼吸机的一部分，然而本发明所公开的构思和方法可应用于也将从安静的便携式压缩空气源受益的其他领域。例如，通常用于将树叶及小的花园碎屑吹成堆的常规的吹叶机声音很大，并且该类型的风机可以有利地替代现有的风机。
图1和图2是根据本发明的某些方面的示例性风机100的顶部透视图和底部透视图。在图1的构造中，风机100吸入环境空气，或者如果风机100与气源连接，则风机100经由壳体112的贯穿入口119引入其他气体。叶轮160可以以高达例如30,000转/分钟(rpm)的可变速度旋转，以离心地加速空气并在出口118处提供加压的气流。在该实施例中，壳体112包括被多个夹子114保持在一起的两部分112T和112B(见图3)。剖面线A-A表示图7的截面图。
图2是在风机100被旋转以使底部壳体部分112B可见的情况下的图1的风机100的透视图。电动机120附接在壳体112上，并且电动机的轴(图2中不可见)穿过壳体112并与叶轮160连接。
图3是根据本发明的某些方面的图1的风机100的分解图。顶部壳体部分112T具有叶轮空腔119。当将风机100组装起来时，叶轮160至少局部布置在叶轮空腔119中。壳体112包括顶部壳体部分112T与底部壳体部分112B配合时所形成的收集器116。在该实例中，收集器116成形为沿着壳体112的径向平面具有圆形横截面轮廓的蜗壳，其中，随着围绕蜗壳相距出口118的距离减小，轮廓的面积单调地增大。在某些实施例中，蜗壳可以具有非圆形的轮廓。在某些实施例中，轮廓的面积可以在蜗壳的一部分上恒定。
顶部壳体部分112T和底部壳体部分112B还分别包括边缘124U和124L，当风机100被组装起来并包围叶轮空腔以共同限定将叶轮空腔119与收集器116连接起来的狭槽(图3中不可见)时，边缘124U和124L是彼此邻近的。底部壳体部分112B还包括与边缘124L相邻的壁部120和搁板122。将参考图7对风机100的该区域进行更详细的描述。
图4是常规叶轮10的透视图。该叶轮10具有多个叶片12和20，叶片12和20均具有前缘14和后缘16，虽然叶片20比叶片12短，但也共同称为“分流片(splitter)”。常规叶片12和20具有这样的三维曲率：该三维曲率具有从前缘14至后缘16的大致均一厚度，并且一些外拐角被倒圆角而内拐角被倒角。
图5是根据本发明的某些方面的示例性叶轮160的透视图。叶轮160包括叶轮板162，叶轮板162具有成形表面166和围绕旋转轴线161定心的圆形外边缘164。在该实施例中，存在与一组分流叶片171交替出现的一组长叶片170。长叶片170的未在分流叶片171中出现的一部分称为“导流片(inducer)”173。各个叶片170和171具有入口边缘172、与外边缘164邻近的末端174以及上表面176，在该实例中，上表面176在沿大致径向弯曲的同时沿围绕轴线161的大致周向是平坦的。在图6中示出由标记为“B”的虚线椭圆表示的区域。
图6是根据本发明的某些方面的图5的叶轮160的叶片末端174的放大俯视图。示例性叶片170具有在末端174处相接的前沿面180和后沿面182。前沿面180包括第一部分177和第二部分175。在该实例中，第二部分175以与外边缘164的半径相同的半径R2从末端174延伸。第一部分177与第二部分175邻接并以半径R1延伸，该半径R1比R2小但比通常用于将外边缘倒圆角的半径大。在某些实施例中，半径R1可以在0.03英寸至0.20英寸的范围内。在某些实施例中，半径R1可以在0.12英寸至0.18英寸的范围内。在某些实施例中，半径R1可以在0.14英寸至0.16英寸的范围内。在某些实施例中，半径R1可以为约0.15英寸。
在不受理论限制的情况下，与以前沿面与外边缘之间的相当大的角度在外边缘处突然终止的常规叶片(在图4的叶轮10中可见)相比，可以认为的是，半径R1的作用可以是控制末端174处的空气的湍流，并在空气离开叶轮160的同时减小气流的速度梯度。通过使例如第一部分177和可能的第二部分175的长度在较大面积上平稳过渡且重定向气流方向，能够减小速度梯度，并且可以在空气离开叶轮160且穿过狭槽126的同时使气流较少湍动。
各个叶片170和171具有中心线179，该中心线179跟随并平分前沿面180与后沿面182之间的上表面176。叶片170和171具有垂直于中心线179截取而获得的共同宽度W，其中，W沿着中心线179变化。在沿着中心线179相距末端174相同距离的位置，至少在分流叶片171的长度上，各个叶片170和171的宽度W将相同。
与常规叶轮的恒定厚度叶片相比，叶片170和171在第二部分177附近的形状和宽度可以选定为能够容易使半径与R1一样大。在某些实施例中，后沿面182具有比前沿面180的第一部分的半径大的最小半径。在某些实施例中，后沿面182的形状和位置可以选择成与相邻叶片170和171的前沿面配合，以控制在前沿面180与后沿面182之间流动的空气的压力和/或速度。
叶片170和171的高度(即，从成形表面166至上表面176的距离)从入口边缘172到末端174变化。在某些实施例中，在前沿面180的第一部分177和第二部分175上，该高度从末端174起是恒定的。在某些实施例中，成形表面166具有与前沿面180的第一部分177和第二部分175邻近的外侧部分163。在某些实施例中，成形表面166是平坦的且与外侧部分163中的轴线16垂直。
图7是沿着根据本发明的某些方面的图1的风机100的剖面线A-A所截取的截面图。箭头101和102分别表示空气是如何经由入口119被吸入且被叶轮160引导到收集器116中的。以示意性的形式示出电动机120，并且在该实施例中，电动机120的转子(未在图7中示出)与叶轮160直接连接。将参考图8对由虚线框“C”示出的区域进行更详细的讨论。
图8是根据本发明的某些方面的图7的区域C的放大视图。叶轮160的截面示出上表面166、底面167和外边缘162。顶部壳体部分112T的上边缘124U和底部壳体部分112B的下边缘124L彼此邻近并被狭槽126隔开。在该实施例中，边缘124U和124L这两者在最靠近叶轮160的内拐角处具有半径R4，并具有以夹角174朝收集器116向外延伸的成角度的表面。半径R4提高了由狭槽126形成的喷嘴的效率。边缘124U和边缘124L的半径R4引起“附壁(Coanda)效应”，其中，在气体流动通过狭槽126期间，与尖锐边缘相比，流动气体往往更容易跟随弯曲表面。对流动通过狭槽126的气体重定向能够产生流量和压力的损耗较低且减少了可听噪声的更平稳过渡。在某些实施例中，R4可以在0.01英寸至0.30英寸的范围内。在某些实施例中，R4可以为约0.020英寸。
在该实例中，基准线170与下边缘124L的半径R4的顶点对准，而基准线172与上边缘124U的半径R4的顶点对准。因此，狭槽126由基准线170和172限定。在该实例中，成形表面166在外边缘162处与基准线170(即狭槽126的下边缘124L)对准，而多个叶片170和171的上表面176均与基准线172(即，狭槽126的上边缘124U)对准。
上表面176与顶部壳体112T的上部内表面123之间的间隙是从叶轮160的边缘162朝向中央的潜在回流的路径。使上表面176与上部内表面123之间的间隙183最小化能够减少该回流，从而改进风机100的压力恢复。在某些实施例中，当叶轮160相对于壳体112处于静止时，间隙183可以在0.002英寸至0.150英寸的范围内。在某些实施例中，间隙183可以在0.005英寸至0.050英寸的范围内。在某些实施例中，间隙180可以为约0.010英寸。
下边缘124L具有相邻壁部120，且在外边缘162与壁部120之间存在间隙180。在某些实施例中，当叶轮160相对于壳体112处于静止时，间隙180可以在0.0035英寸至0.110英寸的范围内。在某些实施例中，间隙180可以在0.005英寸至0.050英寸的范围内。在某些实施例中，间隙180可以为约0.0073英寸。在某些实施例中，随着叶轮160的旋转速度增大，叶轮160的外边缘162的半径R2也可以增大，因此，当叶轮160相对于壳体112旋转时，可以减小间隙180。在某些实施例中，叶轮160可以以高达60,000转/每分钟(rpm)的旋转速度相对于壳体112旋转，并且间隙可以减小到仅为0.003英寸。因为存在附着于壁部120和外边缘162这两者上的边界层(图8中不可见)，所以减小该间隙可以减小间隙的气流可能发生湍动的部分(例如，两个边界层之间的一部分)，从而减小由湍动空气产生的声能。
壁部120与搁板122连接。在叶轮160的底面167与底部壳体部分112B的搁板122之间存在间隙182。在某些实施例中，当叶轮160相对于底部壳体部分112B静止或移动时，间隙182可以小于或等于0.020英寸。在某些实施例中，间隙182可以小于或等于0.050英寸。在某些实施例中，间隙182可以小于或等于0.020英寸。
图9A至图9C是根据本发明的某些方面的包覆成型的顶部壳体112T的透视图。图9A示出形成为与图9B所示的外壳210的外轮廓匹配的声阻尼材料层200的半透明视图。在该实例中，声阻尼材料层200覆盖外壳210的外表面的除了用于夹子114(未在图9A至图9C中示出)的附接点212之外的大部分。图9C示出在声阻尼层200位于外壳210的外表面上的情况下的组合好的顶部壳体部分112T。
在某些实施例中，声阻尼层200包括具有较差的声传递率的弹性体，例如，硅树脂或橡胶。在某些实施例中，在外壳210上可以包覆成型有声阻尼层200。在某些实施例中，通过传递模塑、喷涂、浸渍、涂刷、淋涂或其他手工或自动的涂覆应用方法中的一个或多个方法将声阻尼层200施加在外壳210上。在某些实施例中，声阻尼层200可以包括能够进一步减小声阻尼层200的传递率的高密度颗粒，例如钢。
可以看出，所公开的风机的实施例可以在操作期间提供尺寸、成本、性能和降噪方面的优点。叶片的在叶轮外边缘附近的前沿面和后沿面的成形可以减少叶片末端附近的湍流并减小气流的速度梯度，从而减小由气流产生的噪声。与减小边界层的深度相比，通过减小间隙，叶轮的一部分与壳体的一部分之间的较小间隙可以进一步减小噪声，从而减小间隙的易于产生噪音和湍流的部分。
提供以上说明是为了使任何本领域技术人员都能够实现本文中所描述的各个方面。尽管上文已描述了被认为是最佳的模式和/或其他实例，应当理解，对这些方面的各种变型对于本领域的技术人员来说是显而易见的，并且在本文中所限定的一般原理可以应用到其它的方面中。因此，权利要求并不意在限制在本文中所描述的各个方面，而是意在符合与权利要求的文字一致的全部范围，其中，除非明确指出，否则对单数形式元件的引用不是指“一个且仅一个”，而是指“一个或多个”。除非明确指出，否则术语“一组”和“一些”指代一个或多个。阳性代词(例如他的)包括阴性和中性(例如，她的和它的)，反之亦然。标题和副标题(如果存在)仅仅是起到方便的作用，对本发明没有限制作用。
应该理解，所公开的工艺中的步骤的具体次序或层次是为了示例性工艺。根据设计的选择，应该理解，工艺中的步骤的具体次序或层次是可以重新组织的。一些步骤可以同时执行。所附的方法权利要求以范例的次序展示了各个步骤的要素，并不局限于所展示的具体次序或层次。
本文中所使用的例如“顶部”、“底部”、“前”、“后”等术语应该被理解为参考任意的参考体系，而不是参考普通的重力参考体系。因此，顶部表面、底部表面、前表面和后表面可能在重力参考体系中向上、向下、斜向或者水平延伸。
诸如“方面”等表述并非意味这种方面对主题技术来说是必不可少的或这种方面适用于主题技术的所有构造。与一个方面有关的公开内容可适用于所有构造、或一个或多个构造。诸如方面等表述可指一个或多个方面，且反之亦然。诸如“实施例”等表述并非意味这种实施例对主题技术来说是必不可少的或这种实施例适用于主题技术的所有构造。与一个实施例有关的公开内容可适用于所有实施例、或一个或多个实施例。诸如一个实施例等表述可指一个或多个实施例，并且反之亦然。
本文使用的单词“示例性的”表示“用作实例或者说明”。在本文中描述为“示例性的”任何方面或设计不一定被理解为是比其它方面或设计更优选的或更有利的。
对本领域普通技术人员来说公知的或以后将为本领域普通技术人员所知的贯穿本公开内容描述的各个方面的要素的所有结构和功能等同物通过引用清楚地并入本文并且旨在为权利要求所涵盖。此外，文中公开的所有内容不管是否在权利要求书中明确地要求保护，均不意在无偿贡献给公众。权利要求要素不应在35U.S.C.§112的第六段的规定下进行解释，除非使用表述“用于…的装置”清楚地叙述该要素，或在方法权利要求的情况下，使用表述“用于…的步骤”叙述该要素。此外，对于在说明书或权利要求中使用的术语“包括”、“具有”等而言，这种术语按照与术语“包括”类似的方式是包括性的，就像“包括”在权利要求书中用作转折语时所理解的那样。

Claims (14)

1.一种风机，包括：
叶轮，其包括：
叶轮板；以及
多个叶片，每一个叶片均附接于所述叶轮板并包括末端和前沿面，所述前沿面包括与所述末端邻近的第一部分，所述第一部分具有第一部分半径；和
壳体，其包括：
叶轮空腔，其中，所述叶轮板布置在所述叶轮空腔中；
收集器；以及
狭槽，其位于所述叶轮空腔与所述收集器之间，所述狭槽具有上边缘和下边缘，其中所述狭槽的所述上边缘和所述下边缘均包括从各个边缘朝所述收集器延伸的相应倾斜表面，所述倾斜表面相对于彼此布置，从而随着所述倾斜表面从所述叶轮延伸，所述倾斜表面之间的距离增大。
2.根据权利要求1所述的风机，其中，所述第一部分半径在0.14英寸至0.16英寸的范围内。
3.根据上述任一权利要求所述的风机，其中：
所述叶轮板包括外边缘；
所述末端与所述叶轮板的所述外边缘重合；
所述前沿面包括布置在所述末端与所述第一部分之间的第二部分；以及
所述前沿面的所述第二部分包括第二部分半径。
4.根据上述任一权利要求所述的风机，其中，所述倾斜表面相对于彼此布置成在10°至40°范围内的角度。
5.根据上述任一权利要求所述的风机，其中：
所述叶轮空腔还包括上部内表面；
每个叶片包括上表面；以及
相应叶片的所述末端处的所述上表面与所述叶轮空腔的所述上部内表面之间的间隙在0.005英寸至0.050英寸的范围内。
6.根据上述任一权利要求所述的风机，其中：
所述壳体包括与所述外边缘邻近的内壁部；以及
当所述叶轮处于静止时，所述内壁部与所述外边缘之间的间隙在0.035英寸至0.110英寸的范围内。
7.根据上述任一权利要求所述的风机，其中：
所述壳体包括搁板；
所述叶轮板还包括与所述叶轮板的外边缘邻近且布置在所述搁板的一部分上方的底面；以及
所述叶轮板的所述底面与所述壳体的所述搁板之间的间隙小于或等于0.050英寸。
8.根据上述任一权利要求所述的风机，其中，所述狭槽的所述上边缘和所述下边缘均包括在最靠近所述叶轮的内拐角处的边缘半径，所述边缘半径在0.01英寸至0.30英寸的范围内。
9.根据上述任一权利要求所述的风机，其中：
所述多个叶片中的每一个叶片包括上表面，所述上表面具有从各个叶片的所述末端至相应叶片的入口端部为止的中心线；以及
所述多个叶片中的每一个叶片还包括最大宽度，所述最大宽度垂直于所述中心线测量且与所述前沿面的所述第一部分相交。
10.根据权利要求9所述的风机，其中：
所述多个叶片中的每一个叶片包括与相应叶片的所述入口端部邻近的起始宽度；以及
每个叶片的所述最大宽度至少为相应叶片的所述起始宽度的两倍。
11.根据上述任一权利要求所述的风机，其中，所述多个叶片包括均具有导流片的第一组叶片以及不具有导流片的第二组叶片。
12.根据上述任一权利要求所述的风机，其中，所述多个叶片中的每一个叶片包括后沿面，所述后沿面终止于所述末端并具有比所述第一部分半径大的最小半径。
13.根据上述任一权利要求所述的风机，其中，所述多个叶片中的每一个叶片包括所述叶轮板和各个叶片的上表面之间的高度，所述高度从各个叶片的所述末端至相应叶片的入口端部为止进行变化。
14.根据上述任一权利要求所述的风机，其中，所述叶轮包括旋转轴线和成形表面，所述成形表面包括外侧部分，所述外侧部分与所述外边缘邻近并且与所述旋转轴线垂直。
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