CN1097681C - 送风装置 - Google Patents

Abstract

一种送风装置，从风扇(1)的叶片前端起间隔地形成环状壁(2)，并在所述环状壁(2)上与所述叶片前端相对的部分形成将环状壁的内周部与外周部连通的切缝(6)，随着风扇的旋转而从所述切缝将空气吸入环状壁的内周部，其特征在于，通过使所述切缝的间隙宽度w沿半径方向及圆周方向变化，使从切缝流入环状壁内周部的空气流量在全周大致相等。采用这种结构，可以抑制在叶片前端从正压侧流到背压侧的漏泄涡流、改善P-Q特性，同时可以抑制在设有切缝的环状壁上产生的噪声，故可实现送风装置的低噪声化。

Description

送风装置

技术领域

本发明涉及送风装置。

背景技术

近年来，由于设备的小型化和电子化，盛行电路的高密度安装。随之而来的是电子设备的发热密度也有所增加，故将送风装置用于设备冷却。传统的送风装置如图15所示，从轴流风扇1的叶片前端起间隔地形成环状壁2，在电动机部3通电的送风状态下，轴流风扇1以轴4为中心旋转，产生从吸入侧向排出侧流动的气流5。

然而，在上述的送风状态下，气流速度在叶片前端的背压侧加快，并在将其转换成压力能的叶片后缘侧形成因叶片间二维流的影响导致的低能量区域。在这部分的损耗也增大，易产生气流剥离，气流会从叶片表面脱离，并在其脱离区域产生涡流，使紊流噪声增加，导致噪声电平以及静压-风量特性(以下称P-Q特性)劣化。这种现象尤其频繁见于在排出流一侧施加流动阻力(系统阻抗)时叶片前端的漏泄涡流增大且风扇陷入失速状态的场合。为了改善这种风扇的特性，与本案为同一申请人的特愿平8-174042、特愿平9-151450以及特愿平9-260738号公报提出一种对设于风扇外周的环状壁形状作了改进的送风装置。另外，特表平6-508319号公报和美国专利5292088中记载的送风装置则是通过在轴流风扇外周间隔地设置多个环状体，利用从环状体的间隙流入的空气涡流来增加流体流量。或者是如美国专利5407324号中记载的送风装置那样，采用使围绕轴流风扇外周的环状板(叶片)的内周部沿风的方向倾斜、并将该环状板多块重叠、使空气能在环状壁内周与外周之间流动的方法。总之，上述的装置和方法都是通过从风扇外周吸入空气来改进风扇的特性。

然而，用于个人电脑、工位等的60mm×60mm到92mm×92mm的外形为矩形的送风装置，为了降低成本，要求形状、尺寸等通用化，不希望外形有大幅度变化，譬如变为圆形等。在这种外周形状不是圆形的送风装置上，为了改进特性，与本案为同一申请人的特愿平9-151450及特愿平9-260738号公报公开了一种方法，是通过在环状壁上设置切缝并且改变切缝的间隙宽度，来谋求改善特性。图16到图18表示特愿平9-151450号公报的送风装置。如图16(b)所示，层叠的环状板7a到7d的宽度与轴流风扇1在轴向的宽度相同或大致相同。另外，各切缝6的间隙宽度w连续地变化，以使各部的流入阻力相等。图18则模式地表示切缝6的间隙宽度w在全周保持不变的状态。由于轴流风扇1在箭头9方向受到旋转驱动，在叶片前端背压侧产生负压力，与切缝外之间的气压差导致从各切缝6向内侧流入的气流5产生。通过将切缝6的间隙宽度w设定在适当的值，就使从各切缝6流入的气流5成为层流，在叶片前端从正压侧流到背压侧的漏泄涡流10就受到抑制，这样就避免了在背压面的气流脱离。然而，在这种场合，4边部7s处的切缝的空气流入阻力小于其他部分7r处的切缝，故其空气的流入量大于其他部分，这部分的气流容易形成紊流，同时在风扇上产生流量大的部分和小的部分，容易引起叶片振动，或气流从下游侧的切缝逆流而上并被上游侧的切缝再度吸入而形成圆形环流12，会导致P-Q特性恶化以及噪声增大。而图17则表示使切缝6的间隙宽度w连续地变化、以使各部的流入阻力相等的场合。在这种场合，4边部7s处的切缝的空气流入阻力也与其他部分7r处的切缝相等，空气的流入量在全周保持相等，因此叶片的振动、圆形环流等得到抑制，不会发生P-Q特性恶化及噪声增大的现象。

然而，上述技术是将切缝6的间隙宽度w在半径方向设想为保持不变的状态，从环状板7a到7d的半径方向截面必然形成矩形的截面形状。采用这种结构时，尽管由于上述效果而在P-Q特性方面有大幅度改善，但在噪声方面，设有切缝的环状壁本身又成为新的噪声发生源，尤其是在即使使用传统的送风装置也不会发生太大失速的低压使用条件下，噪声反而会升高。

本发明的目的在于，在上述的在环状壁上形成将内周部与外周部连通的切缝、并随着风扇的旋转而从前述切缝将空气吸入环状壁内周部的送风装置上，进一步改善切缝部的形状，以降低噪声。

发明的公开

本发明的送风装置在环状壁上设有切缝，从风扇的叶片前端起间隔地形成环状壁、并在前述环状壁上在与前述叶片前端相对的部分形成将环状壁的内周部与外周部连通的切缝，随着风扇的旋转而从前述切缝将空气吸入环状壁的内周部，其特点是，通过使前述切缝的间隙宽度w(1)沿半径方向及圆周方向变化，使从切缝流入环状壁内周部的空气流量在全周大致相等。采用这种结构，可抑制在叶片前端从正压侧流到背压侧的漏泄涡流，改善P-Q特性，同时抑制在设有切缝的环状壁上发生的噪声，故可实现送风装置的低噪声化。

本发明权利要求1的发明是从风扇的叶片前端起间隔地形成环状壁，并在前述环状壁上在与前述叶片前端相对的部分形成将环状壁的内周部与外周部连通的切缝，随着风扇的旋转而从前述切缝将空气吸入环状壁的内周部，其特点是，当设前述环状壁的从内周到外周的空气流动方向长度为L、与前述切缝的内周相距1的位置上的切缝的间隙宽度为w(1)时，通过使前述切缝的间隙宽度w(1)沿半径方向及圆周方向变化，以使 ${\∫}_0^L\frac{1}{w{\left(l\right)}^3}\mathrm{dl}$ 满足保持固定值或其近似条件，而使从切缝流入环状壁内周部的空气流量在全周大致相等，可提高送风装置的P-Q特性、降低噪声。

本发明权利要求2的发明是从风扇的叶片前端起间隔地形成环状壁，并在前述环状壁上在与前述叶片前端相对的部分形成将环状壁的内周部与外周部连通的切缝，随着风扇的旋转而从前述切缝将空气吸入环状壁的内周部，其特点是，当设前述环状壁的从内周到外周的空气流动方向长度为L、与前述切缝的内周相距1的位置上的切缝的间隙宽度为w(1)、旋转轴方向的切缝条数为n时，使前述切缝的条数变化，同时使间隙宽度w(1)沿半径方向及圆周方向变化，以使 $\frac{1}{n}\·{\∫}_0^L\frac{1}{w{\left(l\right)}^3}\mathrm{dl}$ 满足保持固定值或其近似条件，而使从切缝流入环状壁内周部的空气流量在全周大致相等，可提高送风装置的P-Q特性、降低噪声。

本发明权利要求3的发明是，切缝在空气流入方向的角度相对垂直于风扇旋转轴的垂直面而倾斜，这样可改善送风装置的效率。

本发明权利要求4的发明是从环状壁的内周向着外周逐渐增大切缝的间隙宽度，使空气顺畅地流向切缝，可降低噪声电平。

对附图的简单说明

图1(a)是本发明实施例1送风装置的侧视图，(b)是其主视图，(c)其剖视图，(d)是沿X-X’线的剖面详细图。

图2(a)是现有技术(特开平9-151450号公报)的送风装置的侧视图，(b)是其主视图，(c)是其剖视图，(d)是沿X-X’线的剖面详细图。

图3表示本发明实施例1的送风装置切缝部的气流状态。

图4表示现有技术(特开平9-151450号公报)的送风装置切缝部的气流状态。

图5表示本发明实施例1的送风装置切缝内部的气流状态。

图6(a)是将本发明实施例1的送风装置特性与传统送风装置相比较的P-Q特性图，(b)是其风量-噪声特性图。

图7(a)是将外壳外形做成多角形时的侧视图，(b)是其主视图。

图8(a)是将外壳外形做成椭圆形时的侧视图，(b)是其主视图。

图9(a)、(b)、(c)分别表示本发明实施例1其他各种环状板形状。

图10(a)是本发明实施例2送风装置的外壳的侧视图，(b)是其主视图，(c)是沿(b)中X-X’线的剖面详细图。

图11(a)是表示本发明实施例2送风装置的外壳成型用金属模的结构的半剖视立体图，(b)是其俯视图。

图12是本发明实施例2送风装置的外壳成型用金属模的结构图。

图13表示本发明实施例2的送风装置切缝附近的气流状态。

图14(a)是本发明实施例3送风装置外壳的侧视图，(b)是其主视图，(c)是沿(b)中Y-Y’线的剖面详细图，(d)是沿(b)中Z-Z’线的剖面详细图。

图15是传统送风装置的剖视图。

图16(a)是现有技术(特开平9-151450号公报)的送风装置的主视图，(b)是其侧视图，(c)是其剖视图。

图17是表示切缝的效果的说明图。

图18是表示切缝的效果的说明图。

实施例

(实施例1)

图1(a)到(d)表示实施例1的送风装置。如图1(a)到(d)所示，外壳13具有：作为固定电动机部的轴承支承部的轮毂部11、作为送风装置的安装基准的基座部14，在前述基座部14上，将薄壁环状体的4边切割成直线后形成的环状板7a到7e隔着衬垫8而纵向连接，从层叠的环状板7a到7e安装在与轴流风扇1在旋转轴方向的宽度对应的部分，它们全部用树脂形成一个整体。另外，各切缝6的间隙宽度是靠环状壁外周一侧比靠内周一侧宽，使环状板的截面形状成为纺锤形，再使各切缝6的间隙宽度在圆周方向也发生变化，这样使各部的流入阻力在全周相等。

以下，为了明确本发明送风装置的特征，与现有技术的送风装置进行比较说明。图2(a)到(d)表示现有技术(特愿平9-151450号公报)，即切缝间隙的宽度在半径方向保持不变的状态。图2的送风装置除了切缝6的间隙宽度w在半径方向保持不变外，其余都与图1所示的本实施例送风装置完全相同。图4是表示现有技术的送风装置在沿图2(b)X-X’线的截面上的气流流动状态。如图4所示，从环状壁外周流入到内周的气流5以一度与环状壁外周部碰撞的形式流入切缝6内。通过适当地设定切缝6的间隙宽度w，使流入切缝6的气流5在因切缝6的整流效果而流入环状壁内周之际以层流状态流入，故具有充分改善P-Q特性的效果，但气流5与环状壁外周部碰撞之际产生的紊流21会导致从这部分产生噪声。图3表示在本实施例的图1(b)的X-X’截面上的气流状态。如图3所示，从环状壁外周流入的气流5沿纺锤形的环状板7a到7e而被引入环状壁内周，故气流5流入切缝6内时产生的紊流被抑制在最小限度。采用这种结构，在P-Q特性得到改善的同时，在切缝6处产生的噪声也被控制在最小限度，可实现送风装置的低噪声化。这里举例说明使各部切缝6的流入阻力相等的条件。

图5模式地表示各切缝6内空气的速度分布。不过，切缝6内的气流是假定为层流，且对空气的惯性力、空气的压缩等忽略不计。在图5中，L是从环状壁的内周到外周的空气流动方向长度，w(1)是与前述切缝的内周相距1的位置上的切缝间隙宽度，P(1)是该位置上的压力，u是空气的流速，Q是每一单位时间内从单位切缝流入的空气量。切缝6内的速度u的分布如图5所示，呈抛物线状分布，每一单位时间内从单位切缝流入的空气量Q表示为 $Q=\frac{w{\left(l\right)}^3}{12\mathrm{\η}}\frac{\mathrm{dp}\left(l\right)}{\mathrm{dx}}---\left(1\right)$ 其中η是空气的粘度。这里，若设切缝6在空气流动方向的长度为L、切缝内外的气压差为ΔP，则可改写成 $Q=\frac{\mathrm{\ΔP}}{12\mathrm{\η}{\∫}_0^L\frac{1}{w{\left(l\right)}^3}\mathrm{dl}}---\left(2\right)$ 由于ΔP取决于风扇的旋转，η是空气的粘度且在各部为固定值，故使Q成为固定值的条件为

从而，由于按该式而使切缝6的间隙宽度最佳化，使空气的流入量在全周相等，故可抑制叶片的振动等，防止P-Q特性恶化和噪声增大。

以上的最佳化条件是在无视空气的惯性力、空气的压缩等状态下的条件，故实际的最佳化条件与上述条件略有差异。然而由于将切缝部的气流设定为层流状态，换言之，是设定为空气的惯性力相对粘性力而较小的状态，故这种差异极小，在根据上述最佳化条件求出的形状的基础上，通过试制或用计算机作流体分析等，并作若干修正，就可求出更适合的形状。

以下表示以上述条件为基础实行最佳化后的送风装置实际特性的测试结果。图6(a)、(b)是通过试制来对传统的环状壁上不设切缝的送风装置、切缝的间隙宽度全周不变的送风装置、现有技术(特愿平9-151450号公报)中记载的、切缝的间隙宽度w只在圆周方向变化的送风装置、以及本发明的间隙宽度在圆周方向和半径方向都变化的送风装置的特性进行比较。这些送风装置使用目前批量生产的送风装置零件，只有外壳是用切削品试制的，并在同一条件下进行测试，送风装置的尺寸、风扇的尺寸及形状、驱动风扇的电动机特性均相同。图6(a)是用同一转速对这些送风装置的风扇进行驱动时的P-Q特性比较图。采用传统的环状壁上不设切缝的送风装置时，一旦形成施加某种程度静压的状态，风量立即急剧下降，陷入失速状态。至于切缝的间隙宽度不变的场合，虽然与传统的送风装置相比对失速状态有所改善，但尚未完全消除失速现象。而在切缝的间隙宽度只在圆周方向变化的场合以及在圆周方向和半径方向都变化的场合，这种失速状态就可基本上完全避免。图6(b)是对这些送风装置的风扇以同一转速进行驱动时的风量-噪声特性比较图。传统的环状壁上不设切缝的送风装置随着风扇的失速，存在着噪声增加的区域，而其他3种设有切缝的送风装置则没有出现这种急剧变化的区域，而是在整个区域内显示出稳定的特性。然而，在切缝宽度始终保持不变的场合，或只在圆周方向变化的场合，与在圆周方向和半径方向都发生变化的场合相比，整体上噪声偏高，而且在静压小的区域，噪声反而比传统的送风装置还高。而在切缝宽度在圆周方向及半径方向都发生变化的场合，则在整个区域都显示出较低的值，几乎在整个区域内噪声都比传统的送风装置低。以上是用同一转速对风扇进行驱动时的特性，实际使用时，往往是在一定的送风条件、即静压及风量相等的条件下使用，在这种相同的送风条件下，本发明的送风装置可以降低风扇转速，故与传统的环状壁上不设切缝的送风装置相比，噪声差别更为显著，同时电动机部的功耗也降低，成为低噪声且低功耗的送风装置。

不过，在上述实施例中，环状壁2的外周形状是将圆形的4边部切割成平面状形成的，不言而喻，即使采用图7所示的多角形状、或图8所示的椭圆形状等其他任何外周形状，只要在同样的条件下实行最佳化，就可提供P-Q特性优良、噪声低的送风装置。另外，图中虽未示出，但在环状壁的外周形状为圆形的场合，通过使切缝的间隙宽度只在半径方向变化，并做成可以使空气顺利流入切缝的形状，也可得到相同的效果。另外，上述实施例是将环状板7a到7e的截面形状做成纺锤形，当然也可如图9(a)那样做成梯形。或者如图9(b)那样做成三角形。从便于气流5顺利流入的观点出发，上述实施例所示的纺锤形较为有利，但即使做成梯形或三角形，与现有技术的切缝间隙宽度w在半径方向保持不变的场合相比，也可降低噪声，而且与纺锤形相比，形状更为简单，故容易批量生产，更有利于生产。或者，如图9(c)那样将环状板7a到7e的截面形状做成翼形，以使切缝的间隙宽度在中间部分最小，在这种场合，由于形状复杂，难以将环状板7a到7e和外壳13用树脂注射模塑成型等方法成型为一个整体，不适于批量生产，但这种形状适于使气流在环状壁外周部顺利流入，在环状壁内周部分也能使气流大范围地流入风扇1，可使风扇1上的气流状态均匀化，故可抑制风扇1上的气流脱离，使特性更佳。

(实施例2)

图10表示实施例2。上述实施例1未详细说明外壳的成型方法，本实施例则说明外壳的成型方法及适于其成型方法的最佳示例。图10(a)到(c)表示本实施例的送风装置的外壳。在图10(a)到(c)中，外壳13具有：作为固定电动机部的轴承支承部的轮毂部11、成为送风装置安装基准的基座部14，在前述基座部14上，将薄壁环状体的4边切割成直线状后形成的环状板7a到7e隔着衬垫8而纵向连接，它们都通过树脂注射模塑成型而成型为一个整体。各切缝6a到6d的间隙宽度是越靠环状壁2的外周一侧越比靠内周一侧宽，使环状板7a到7e的截面形状成为纺锤形，且使各切缝6a到6d的间隙宽度w在圆周方向也发生变化，这样使各部的流入阻力相等，这一点与实施例1相同，但本实施例还使各切缝6a到6d从垂直于风扇1旋转轴的垂直面起略微倾斜地成型，且各切缝的倾斜角度不同。

图11模式地表示本实施例的外壳13成型用的金属模结构。如图11所示，金属模具有上下模15、16和2个滑芯17、18，结构较为简单。这种金属模结构即使用于传统的环状壁上不设切缝的送风装置的外壳成型，也是非常一般的结构，很适于批量生产。由于用这种金属模结构成型，如图10(b)所示，4角部分的衬垫8a是在半径方向上成型，而4边部分的衬垫8b则是相对半径方向倾斜成型。而一旦衬垫8b倾斜，衬垫8b就会妨碍气流从环状壁2外周流到内周，会使特性恶化，但只要将其设于4边部中央，即设于环状壁2在半径方向的尺寸L最小的部位，就可以减轻因衬垫8b倾斜所产生的不良影响。另外，上述滑芯17、18保持与外壳的中心轴垂直的平面状而正对着滑动，而利用外壳13的切缝6a到6d是越靠外周侧越宽的特点，如图12那样改变切缝6a的上侧面19与下侧面20的角度，就能成型相对该面而倾斜的切缝6a和6d。

如上所述，使切缝6a到6d的角度从垂直于风扇旋转轴的垂直面起略微倾斜，可达到以下效果。图13(a)、(b)表示气流5在切缝部的的流动状态。如图13(a)所示，在通常的送风状态下，从切缝6a到6d流入的气流5a被风扇1变换成大致轴向的气流5b，此时要改变气流5的方向需要一定的能量，而为了减少角度变化，使从切缝6a到6d的内周侧向气流排出方向倾斜的方法极为有效。另外，通过使切缝6a到6d倾斜，与环状壁2的内周和外周间的尺寸L相比，气流5在流动方向的尺寸L’较长，且在将切缝6a到6d的间隙宽度w设定为相同时，较之切缝6a到6d不倾斜的场合，将气流5变为层流的效果更佳。还有，在本实施例中，上风侧的切缝6a到6b如上所述是内周侧向气流的排出方向倾斜，而下风侧的切缝6d则相反，是外周侧向气流的排出方向倾斜。这是为了通过改变各切缝6a到6d的角度来将大范围的空气导入环状壁2内周并增大风量。另外，如图13(b)所示，当在静压高的状态下使用时，空气会从下风侧的切缝6d逆流而上，并再度被吸入上风侧的切缝6a到6c，形成圆形环流12，导致效率低下，但由于下风侧的切缝6d的外周侧与上风侧相反，是向气流5的排出方向倾斜，故从下风侧切缝6d到上风侧切缝6a、6b、6c的流路延长，具有抑制圆形环流12的效果。

采用上述结构时，形状略为复杂，但只要对传统的送风装置的制造方法和设备略作改动，就可提供适于批量生产、P-Q特性好、且噪声低、效率高的送风装置。

(实施例3)

上述实施例中，各部分的切缝6的条数是在全周保持不变，但通过相应地变化切缝6的条数也能达到同样的最佳化目的。图14(a)到(c)表示本实施例送风装置的外壳。在图14(a)中，切缝6的条数在4边部与其他部分不同。在这种切缝条数发生变化的场合，不是局限于1条切缝的流入阻力，而是要使从多条切缝流入的空气流量在全周相等。每1条切缝的空气流入量可与实施例1的式2同样表示，故若设该部分的切缝条数为n条，则从该部分流入的空气流量的总和∑Q可表示为 $\mathrm{\ΣQ}=\frac{n\·\mathrm{\ΔP}}{12\mathrm{\η}{\∫}_0^L\frac{1}{w{\left(l\right)}^3}\mathrm{dl}}---\left(4\right)$ ΔP取决于风扇的旋转，η是空气的粘度，在各部保持不变，故使∑Q保持固定值的条件是从而只要按照该式使切缝6的间隙宽度及条数发生变化，就能使空气的流入量在全周相等，故可以提供抑制叶片振动和圆形环流等、避免P-Q特性恶化和噪声增大、高风量、低噪声的送风装置。

从上述实施例可知，权利要求1和2所述的发明是从风扇的叶片前端起间隔地形成环状壁，同时在该环状壁上与前述叶片前端相对的部分形成将环状壁的内周部与外周部连通的切缝，且使前述切缝的间隙宽度发生变化，以使从前述切缝流入环状壁内周部的空气流量在全周相等，故可以通过抑制风扇背压侧的气流剥离及涡流来改善送风状态，同时可抑制叶片的振动和圆形环流等，与传统的送风装置相比，可改善P-Q特性及降低噪声。

Claims (4)

1.一种送风装置，从风扇(1)的叶片前端起间隔地形成环状壁(2)，并在所述环状壁(2)上与所述叶片前端相对的部分形成将环状壁(2)的内周部与外周部连通的切缝(6)，随着风扇(1)的旋转而从所述切缝(6)将空气吸入环状壁(2)的内周部，其特征在于，当设所述环状壁(2)的从内周到外周的空气流动方向长度为L、与所述切缝(6)的内周相距l的位置上的切缝的间隙宽度为w(1)时，通过使所述切缝(6)的间隙宽度w(1)沿半径方向及圆周方向变化，以满足或其近似条件，而使从切缝(6)流入环状壁内周部的空气流量在全周大致相等。

2.一种送风装置，从风扇(1)的叶片前端起间隔地形成环状壁(2)，并在所述环状壁(2)上与所述叶片前端相对的部分形成将环状壁(2)的内周部与外周部连通的切缝(6)，随着风扇(1)的旋转而从所述切缝(6)将空气吸入环状壁(2)的内周部，其特征在于，当设所述环状壁(2)的从内周到外周的空气流动方向长度为L、与所述切缝(6)的内周相距l的位置上的切缝的间隙宽度为w(1)，旋转轴方向的切缝条数为n时，通过使所述切缝(6)的条数变化，同时使间隙宽度w(1)沿半径方向及圆周方向变化，以满足或其近似条件，而使从切缝流入环状壁内周部的空气流量在全周大致相等。

3.根据权利要求1或2所述的送风装置，其特征在于，切缝(6)在空气流入方向的角度相对垂直于风扇旋转轴的垂直面而倾斜。

4.根据权利要求1或2所述的送风装置，其特征在于，在所述环状壁(2)的同一圆周方向，随着从内周向外周的延伸，切缝(6)的间隙宽度w(1)增大。

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