CN117803608A - 一种基于壁面微结构的低噪音微涡轮 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于壁面微结构的低噪音微涡轮，涉及呼吸机辅助设备技术领域，解决了现有呼吸机微涡轮噪音大的问题。本发明包括壳体和叶轮，壳体上的涡舌包括导风凹槽、若干微缝和空腔，涡舌内壁设置有若干导风凹槽，导风凹槽一端与容纳腔相接，另一端与扩散管相接；导风凹槽底部设置有若干微缝，若干微缝和设置于涡舌内部的空腔连通；同时，在叶片尾缘位置设置有多孔介质。本发明对涡舌结构进行改造，通过导流凹槽对气流进行导流和梳理，有效地抑制了因旋涡而引起的噪声；并且通过微缝将气流引入到空腔中发生共振，从而达到降噪的目的；同时在叶片尾缘部位设置多孔介质材料，从而达到降噪效果。

Description

一种基于壁面微结构的低噪音微涡轮

技术领域

本发明涉及呼吸机辅助设备技术领域，具体为一种基于壁面微结构的低噪音微涡轮。

背景技术

呼吸机是一种能代替、控制或改变人的正常生理呼吸的一种医疗设施。在现代临床医学中，呼吸机已普遍用于各种原因所致的呼吸衰竭、大手术期间的麻醉呼吸管理、呼吸支持治疗和急救复苏中，在现代医学领域内占有十分重要的位置。

微涡轮可以实现增加肺通气量，改善呼吸功能，减轻呼吸消耗，节约心脏储备，是呼吸机中的核心部件。涡轮包括蜗壳和叶轮，所述叶轮由电机轴驱动，气体在电机带动的高速旋转的叶片作用下，由进口吸入，经过叶轮做功获得动能和内能，再通过蜗壳流道进一步转化为所需要的高压气体，最后由出口接入至设备中。

现有的呼吸机由于气体在叶片形成流道内高速流动所产生的气动噪声仅靠改变叶片形状难以满足患者需求，通常采用增加海绵材料，大面积包裹风机或者贴在风道的内壁面，虽然产生了一定的降噪效果，但是海绵材料特有的多孔结构容易吸附灰尘，滋生细菌，并且长时间使用后海绵的性状会发生变化，弹性逐渐降低，使得降噪和减震性能下降，甚至还有可能发生海绵粉末吹入患者气道的危险。

发明内容

本发明为了解决上述提到的现有呼吸机微涡轮噪音大的问题，特此提出了一种基于壁面微结构的低噪音微涡轮。本发明对涡舌结构进行改造，通过导流凹槽对气流进行导流和梳理，有效地抑制了因旋涡而引起的噪声；并且通过微缝将气流引入到空腔中发生共振，从而达到降噪的目的；同时在叶片尾缘部位设置多孔介质材料，从而达到降噪效果。

本发明提出了一种基于壁面微结构的低噪音微涡轮，其具体包括壳体和叶轮，叶轮转动设置于壳体中；壳体包括蜗壳和两个罩板，叶轮转动安装在蜗壳内部；两个罩板分别设置于蜗壳两侧，将叶轮罩在内部，罩板上设置有气体进口，两个罩板之间为容纳腔；蜗壳包括涡舌、涡室、阿基米德螺旋曲面和扩散管，阿基米德螺旋曲面一端和扩散管连接，另一端和涡舌连接，涡舌和扩散管连接，从而形成一个环形结构；环形结构内圈和罩板连接；涡舌包括导风凹槽、若干微缝和空腔，涡舌内壁设置有若干导风凹槽，导风凹槽一端与容纳腔相接，另一端与扩散管相接；导风凹槽底部设置有若干微缝，若干微缝和设置于涡舌内部的空腔连通。

更进一步地，所述导风凹槽采用仿鲨鱼盾鳞结构，导风凹槽的高度与宽度之比为1。

更进一步地，所述微缝为长方形微缝，相邻两条微缝中心距为16mm，每条微缝宽度为2mm，微缝的开缝率不小于50％。

更进一步地，所述空腔的深度为12mm。

更进一步地，所述叶轮包括轮盘和若干叶片，若干叶片均匀且对称的设置于轮盘的上下两个表面；轮盘厚度由中心向边缘递减，边缘厚度为0.4mm-0.8mm。

更进一步地，所述轮盘上下表面的母线为贝塞尔曲线。

更进一步地，所述叶片中弧线为鲤科鱼C型启动鱼体中心曲线。

更进一步地，所述叶片包括前缘和尾缘，前缘形状为曲线型，尾缘形状为直线型；前缘顶部距离轮盘中心的距离为5-10mm，底部距离轮盘中心的距离为1.5-2.5mm。

更进一步地，所述叶片厚度为0.5mm-1mm。

更进一步地，所述尾缘处设置有多孔介质。

本发明所述的一种基于壁面微结构的低噪音微涡轮的有益效果为：

(1)本发明所述的一种基于壁面微结构的低噪音微涡轮，通过采用以鲤科鱼C型启动鱼体中心曲线作为中弧线的仿生叶片，并在尾缘吸力面壁面设置有多孔介质材料，降低了工作时的声压脉动幅值，从而达到降噪效果，多孔介质设置简单、成本低；同时以鲤科鱼C型启动鱼体中心曲线作为中弧线的仿生叶片与普通叶片相比具有较大的气体流量，有效提高了微涡轮的气动效率；

(2)本发明所述的一种基于壁面微结构的低噪音微涡轮，通过对涡舌结构进行改进，导流凹槽对气流进行导流以及梳理，有效的抑制了因旋涡而引起的噪声；通过微缝结构将气流引入到空腔中，在特定频率的声波作用下，与周围的空气发生谐振，从而达到降噪的目的，减少气流对涡舌的撞击以及涡舌表面的气流分离，使得气流的流动更为均匀，并且能够减少压力的波动，从而降低了旋转噪声。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

在附图中：

图1是本发明所述的一种基于壁面微结构的低噪音微涡轮的立体结构示意图；

图2是本发明所述的一种基于壁面微结构的低噪音微涡轮的另一立体结构示意图；

图3是本发明所述的一种基于壁面微结构的低噪音微涡轮的主视图；

图4是本发明所述的一种基于壁面微结构的低噪音微涡轮的俯视图；

图5是本发明所述的一种基于壁面微结构的低噪音微涡轮省略罩板的结构示意图；

图6是本发明所述的一种基于壁面微结构的低噪音微涡轮省略罩板的俯视图；

图7是本发明所述的一种基于壁面微结构的低噪音微涡轮在图6中B-B方向的剖视图；

图8是本发明所述的一种基于壁面微结构的低噪音微涡轮的叶轮的结构示意图；

图9是本发明所述的一种基于壁面微结构的低噪音微涡轮的叶轮的主视图；

图10是本发明所述的一种基于壁面微结构的低噪音微涡轮的叶轮的俯视图；

图11是本发明所述的一种基于壁面微结构的低噪音微涡轮的叶轮的周向剖分示意图；

图12是本发明所述的一种基于壁面微结构的低噪音微涡轮的壳体径向剖分示意图；

图13是本发明所述的一种基于壁面微结构的低噪音微涡轮的壳体无涡舌时的径向剖分示意图；

图14是本发明所述的一种基于壁面微结构的低噪音微涡轮的涡舌的结构示意图；

图15是本发明所述的一种基于壁面微结构的低噪音微涡轮在图14中的局部放大图；

图16是本发明所述的一种基于壁面微结构的低噪音微涡轮的涡舌的局部剖视图；

图17是本发明所述的一种基于壁面微结构的低噪音微涡轮在图16中的局部放大图；

其中：1-壳体；11-蜗壳；111-涡舌；1111-导风凹槽；1112-微缝；1113-空腔；112-涡室；113-阿基米德螺旋曲面；1131-起点；1132-终点；114-扩散管；12-罩板；121-气体进口；13-容纳腔；2-叶轮；21-轮盘；211-中心轴孔；2111-叶轮轴孔；2112-电机轴孔；212-第一表面；213-第二表面；22-叶片；221-前缘；222-尾缘；223-叶根；224-叶顶；225-压力面；226-吸力面；227-多孔介质敷设面，23-第一对称面。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明：

具体实施方式一：参见图1-图17具体说明本实施方式。本实施方式所述的一种基于壁面微结构的低噪音微涡轮具体包括壳体1和叶轮2，叶轮2转动设置于壳体1中；壳体1包括蜗壳11和两个罩板12，叶轮2转动安装在蜗壳11内部；两个罩板12分别设置于蜗壳11两侧，将叶轮2罩在内部，罩板12上设置有气体进口121，气体进口121的中心与叶轮2的轴线在同一直线上；两个罩板12之间为容纳腔13；

所述蜗壳11包括涡舌111、涡室112、阿基米德螺旋曲面113和扩散管114，阿基米德螺旋曲面113一端和扩散管114连接，另一端和涡舌111连接，涡舌111和扩散管114连接，从而形成一个环形结构；阿基米德螺旋曲面113和涡舌111连接的位置为阿基米德螺旋曲面113的起点1131，阿基米德螺旋曲面113和扩散管114连接的位置为阿基米德螺旋曲面113的终点1132；环形结构内圈和罩板12连接；蜗壳11的外壁的径向尺寸是沿着涡室112内气体流动方向逐渐增大的。由此，可以满足气流通过螺旋形涡室112时达到升压的效果，满足气体的升压需求。通过以速度为基础的Pleiderer理论得到蜗壳11的外壁的径向尺寸增大的比例。

所述蜗壳11其材料选用碳纤维增强复合材料，和普通材料相比，具有较高的安全系数，且具有较高的减振效果，能够使减少因结构振动而引起的噪声。

所述扩散管114的管径沿着气体的流向增加，扩散管114的长度L为33mm-34mm。扩压段的取消省略了利用扩压段进行气体升压的步骤，减少了由于扩压段工作而产生的噪音，减少了微涡轮噪音。扩散管114的管径沿着气体的流向增加使叶片22的吸力面226和压力面225型线具有更好的扩压和导流能力并且损失更小。

涡舌111的径向偏移为0。随着涡舌111的径向偏移减小，微涡轮100的效率提高，当径向偏移减小为0时，效率最高。由于涡舌111的偏离越小使其对于气流通道的阻挡越小，进而使得气流对于涡舌111的冲击较小，减小脉动，因此当径向偏移为0时，微涡轮100的使用寿命有所提高。

涡舌111螺旋角α₀，是在涡室112对应螺旋线的起始点处，螺旋线的切线与基圆切线之间的夹角。为了使气体无冲击地从叶轮2进入涡室112。一般选取α₀等于叶轮2出口稍后的绝对速度的液流角，在本发明的示意图中涡舌111螺旋角α₀为3.14°。

涡舌111安放角根据比转速来进行选取。所示涡舌111半径r₄由涡舌111旋转角和涡室112涡舌111的安放角/>以及扩散管114的相关参数来决定，在本发明的示意图12中涡室112涡舌111安放角/>为32.9°。

涡舌111包括导风凹槽1111、若干微缝1112和空腔1113，涡舌111内壁设置有若干导风凹槽1111，导风凹槽1111一端与容纳腔13相接，另一端与扩散管114相接；导风凹槽1111的底部设置有若干微缝1112，若干微缝1112沿导风凹槽1111在蜗壳11上的延伸方向等间距均匀排布；若干微缝1112和设置于涡舌111内部的空腔1113连通。流出气流流经涡舌内壁上的导风凹槽1111，一部分气流经过导风凹槽1111的整流，改变气流的走向后流出蜗壳11，另一部分气体通过导风凹槽1111内的微缝1112流入空腔1113。

所述导风凹槽1111采用仿鲨鱼盾鳞结构，其几何形状可简化为扇形凹槽；导风凹槽1111的高度与宽度之比为1。

所述微缝1112为长方形微缝，相邻两条微缝1112中心距为16mm，每条微缝1112宽度为2mm，微缝1112的开缝率不小于50％，能充分发挥该涡舌11的引流和传递噪音的效果，保证风机蜗壳的降噪效果。。

所述空腔1113的深度为12mm，与微缝1112共同引起空气在一定声波下共振，达到消声降噪的目的。

所述叶轮2包括轮盘21和若干叶片22，若干叶片22分为两组均匀且对称的设置于轮盘21的第一表面212和第二表面213上，具体为一个叶片组中的单叶片22的叶根223与另一个叶片组中的单叶片22的叶根223相对设置，且两个叶片组在轮盘21转动过程带动气流旋转的方向一致；通过将轮盘21的两个相对的表面上各设置一个叶片组，在输出相同的压力时，可以降低呼吸机的微涡轮100的转速，进而减低微涡轮100的能耗。每组叶片设置多个叶片22可以提升容纳腔13内的质量流量，进而提升转动效率，保证叶轮2的旋转时具有足够的单叶片对气流进行做功，满足叶轮2对于气体的升压需求。而且，在相同的旋转速度下，通过在轮盘21两个相对面上分别设置一组叶片，能够提高气体入口121的气流的质量流速和效率，缩减轮盘21和叶片组的尺寸，具有便携的优点。同时，两个叶片组分别设置在轮盘21的两个端面，工作时该微涡轮100产生的轴向力能够抵消大部分的轴推力，降低了轮盘21所承受的轴推力，可以有效的提高本发明所述的微涡轮的使用寿命。每组叶片的叶片22的数量为8-15个。

轮盘21的轴向截面形状为梭型，厚度由中心向边缘递减，边缘厚度为0.4mm-0.8mm。通过轮盘21可以使从气体进口121进入容纳腔13内的气流分散，对从气体进口121进入容纳腔13的气流起到一定的导向作用。轮盘21的中心设置有中心轴孔211。

所述叶片22中弧线为鲤科鱼C型启动鱼体中心曲线，即叶顶224在轮盘21中心的与轴线垂直的第一对称面23上的投影为鲤科鱼C型启动特征型线的叶片。叶片22的厚度为0.5mm-1mm。

所述叶片22包括前缘221、尾缘222、叶根223和叶顶224，前缘221形状为曲线型，尾缘222形状为直线型；叶片22与轮盘21相连的一侧为叶片22的叶根223，单叶片22上与叶根223相对的一侧为叶片22的叶顶224；前缘221在叶顶224处距离轮盘21中心的距离为5-10mm，叶根223处距离轮盘21中心的距离为1.5-2.5mm。压力面225和吸力面226从单叶片22的叶根223向单叶片22的叶顶224延伸，吸力面226朝向旋转方向凸起形成曲面，压力面225朝向旋转方向凹陷形成曲面。叶片22的吸力面226与该叶片22相邻另一个叶片22的压力面225相对设置。气流从叶片22的前缘221流向尾缘222，尾缘222对气流做功；由于尾缘222的气流总压和静压比前缘221的气流总压和静压高，从而当气流从前缘221流向尾缘222时，叶片22对气流的动能和压力起到提升的作用，进而提高了容纳腔13内的气体压力。

所述轮盘21的第一表面212和第二表面213为曲面，第一表面212和第二表面213的母线为贝塞尔曲线。第一表面212和第二表面213可以使进入容纳腔13的气流更为平稳地从前缘221流向尾缘222，避免沿轮盘21的轴向进入容纳腔13内的气体冲击轮盘21的表面造成的噪声振动的问题，减少了气体和轮盘21之间的摩擦损失。

所述叶片22在前缘221的叶根223起点处的进口气流方向与该点在叶片22周向分布圆上切线之间的夹角β₁(如图10所示)，即叶片22的进口角，其取值范围为5°-25°。

所述尾缘222处，具体为多孔介质敷设面227处设置有多孔介质，所述多孔介质为金属有机骨架化合物(MOFs)。多孔介质敷设面227位于叶片22的吸力面226的尾缘222处，敷设范围为0-0.5倍的叶顶224沿所述轮盘21的轴向在所述第一对称面23上的投影弧长，在本实施方式中敷设范围具体为0.2倍的叶顶224沿所述轮盘21的轴向在所述第一对称面23上的投影弧长。

本实施方式所述的微涡轮，通过采用以鲤科鱼C型启动鱼体中心曲线作为中弧线的单叶片22，在气体流动过程中，叶片进、出口角更符合气流进入叶轮2时的流动角度，叶片中弧线的曲线特征对气流有更好的引导和做功作用，使得叶间流道内的速度分布更加均匀，抑制了叶道内的旋涡的产生与发展，改善了叶间流道内的漩涡堵塞程度，进而减小了叶轮内部的局部能量损失和涡流噪声。同时，通过在多孔介质敷设面227敷设多孔介质，使声压脉动幅值被显著降低，从而达到降噪效果。由此，本发明实施例的用于呼吸机的涡轮100的具有噪音低、气动效果好的优点。

吸力面226可以用于增加单叶片对于气体的吸力，使得气流可以快速进入叶轮2之中，压力面225则可以用于增加叶片22对于气体的做功，使得气体升压，提高气体的气压。此外，吸力面226朝向旋转方向设置凸起可以有效地抑制吸力面226的叶顶224间隙附近涡旋的产生，进而减少了气流的能量损失。

如图10所示，单叶片22的前缘221在叶根处的半径r₂和在叶顶处的半径r₄，为了符合高性能呼吸机体积小的要求，可选地，所述曲线型前缘221叶根223处的半径r₂的范围为1.5-2.5mm，所述曲线型前缘221叶顶224处的半径r₄的范围为5-10mm。

根据转速、叶片轴和电机轴所需要的强度要求选择叶片轴孔2111的半径r₀和电机轴孔2112的半径r₁。

本发明所述的一种基于壁面微结构的低噪音微涡轮的具体工作过程为：

外界空气由两个空气入口进入微涡轮时，首先与直线型前缘221接触，由电机通过轴与叶轮2相连驱动叶轮21和若干叶片22转动，与前缘221接触的气流分为两股分别沿着吸力面226和压力面225流向尾缘222，在流动过程中，由于叶片22的转动，叶片22会对叶轮2中的气流做功，尾缘222处的气流的总压和静压将比直线型前缘221的要高，从而达到提高气体动能和压力的目的。气体经过背靠背式叶轮2做功后通过壳体1气体入口汇聚进入蜗壳11，先进入螺旋形涡腔，由于气体流经的截面积扩大，气体速度降低压力增加，动能转化为压力能，再由扩散管114流出。

总结上述实施案例，本发明所述的一种基于壁面微结构的低噪音微涡轮，通过采用以鲤科鱼C型启动鱼体中心曲线作为中弧线的仿生叶片，并在尾缘222的吸力面226壁面设置有多孔介质材料，降低了工作时的声压脉动幅值，从而达到降噪效果，多孔介质设置简单、成本低；同时以鲤科鱼C型启动鱼体中心曲线作为中弧线的仿生叶片与普通叶片相比具有较大的气体流量，有效提高了微涡轮的气动效率；本发明所述的一种基于壁面微结构的低噪音微涡轮，通过对涡舌111的结构进行改进，导流凹槽1111对气流进行导流以及梳理，有效的抑制了因旋涡而引起的噪声；通过微缝1112结构将气流引入到空腔1113中，在特定频率的声波作用下，与周围的空气发生谐振，从而达到降噪的目的，减少气流对涡舌111的撞击以及涡舌111表面的气流分离，使得气流的流动更为均匀，并且能够减少压力的波动，从而降低了旋转噪声。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明。所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制发明，还可以是上述实施方式记载的特征的合理组合，凡在本发明精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于壁面微结构的低噪音微涡轮，其特征在于：包括壳体(1)和叶轮(2)，叶轮(2)转动设置于壳体(1)中；壳体(1)包括蜗壳(11)和两个罩板(12)，叶轮(2)转动安装在蜗壳(11)内部；两个罩板(12)分别设置于蜗壳(11)两侧，将叶轮(2)罩在内部，罩板(12)上设置有气体进口(121)，两个罩板(12)之间为容纳腔(13)；蜗壳(11)包括涡舌(111)、涡室(112)、阿基米德螺旋曲面(113)和扩散管(114)，阿基米德螺旋曲面(113)一端和扩散管(114)连接，另一端和涡舌(111)连接，涡舌(111)和扩散管(114)连接，从而形成一个环形结构；环形结构内圈和罩板(12)连接；涡舌(111)包括导风凹槽(1111)、若干微缝(1112)和空腔(1113)，涡舌(111)内壁设置有若干导风凹槽(1111)，导风凹槽(1111)一端与容纳腔(13)相接，另一端与扩散管(114)相接；导风凹槽(1111)底部设置有若干微缝(1112)，若干微缝(1112)和设置于涡舌(111)内部的空腔(1113)连通。

2.根据权利要求1所述的基于壁面微结构的低噪音微涡轮，其特征在于：所述导风凹槽(1111)采用仿鲨鱼盾鳞结构，导风凹槽(1111)的高度与宽度之比为1。

3.根据权利要求1所述的基于壁面微结构的低噪音微涡轮，其特征在于：所述微缝(1112)为长方形微缝，相邻两条微缝(1112)中心距为16mm，每条微缝(1112)宽度为2mm，微缝(1112)的开缝率不小于50％。

4.根据权利要求1所述的基于壁面微结构的低噪音微涡轮，其特征在于：所述空腔(1113)的深度为12mm。

5.根据权利要求1所述的基于壁面微结构的低噪音微涡轮，其特征在于：所述叶轮(2)包括轮盘(21)和若干叶片(22)，若干叶片(22)均匀且对称的设置于轮盘(21)的上下两个表面；轮盘(21)厚度由中心向边缘递减，边缘厚度为0.4mm-0.8mm。

6.根据权利要求5所述的基于壁面微结构的低噪音微涡轮，其特征在于：所述轮盘(21)上下表面的母线为贝塞尔曲线。

7.根据权利要求5所述的基于壁面微结构的低噪音微涡轮，其特征在于：所述叶片(22)中弧线为鲤科鱼C型启动鱼体中心曲线。

8.根据权利要求7所述的基于壁面微结构的低噪音微涡轮，其特征在于：所述叶片(22)包括前缘(221)和尾缘(222)，前缘(221)形状为曲线型，尾缘(222)形状为直线型；前缘(221)顶部距离轮盘(21)中心的距离为5-10mm，底部距离轮盘(21)中心的距离为1.5-2.5mm。

9.根据权利要求8所述的基于壁面微结构的低噪音微涡轮，其特征在于：所述叶片(22)厚度为0.5mm-1mm。

10.根据权利要求8所述的基于壁面微结构的低噪音微涡轮，其特征在于：所述尾缘(222)处设置有多孔介质。