TW201344059A

TW201344059A - 軸流式風扇及其控制方法

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Publication number: TW201344059A
Application number: TW101114072A
Authority: TW
Inventors: Chien-Ming Lee; Chia-Ming Hsu; Jung-Yuan Chen; Ching-Sen Hsieh; Jian-Cun Lin; Shih-Yu Lai
Original assignee: Delta Electronics Inc
Priority date: 2012-04-20
Filing date: 2012-04-20
Publication date: 2013-11-01
Also published as: TWI504809B; US9963970B2; US20180128108A1; US20130280029A1; US10570740B2

Abstract

一種軸流式風扇包括一扇框、一葉輪以及一馬達。扇框具有一框體、一底座及複數連接件，底座設置於框體一側的中央處，該些連接件分別連接框體與底座。葉輪容置於框體內，並設置於底座，葉輪具有一轉軸、一輪轂及複數扇葉環設於輪轂的外周緣。馬達設置於底座，馬達連結轉軸以驅動葉輪轉動。當葉輪正轉時，葉輪帶動氣流先流經該些連接件，再流經該些扇葉後，自框體相對於底座的另一側排出。當葉輪反轉時，葉輪帶動氣流自框體相對於底座的另一側流入，先流經該些扇葉，再流經該些連接件後排出。

Description

軸流式風扇及其控制方法

本發明係關於一種軸流式風扇及其控制方法，特別是關於一種具有相當正反轉特性的軸流式風扇及其控制方法。

現行軸流式風扇係用在各種用途，例如用以冷卻電子裝置之風扇及空氣調節機的戶外單元，而且經由各種技術用在研發獲得高效率及低噪音的效果。請參照圖1A與1B，其中圖1A為一種習知技術之軸流式風扇1之底座俯視圖，圖1B為圖1A之輪轂15與其中一扇葉13之部分放大圖，且係為自軸流式風扇1具有連接件14的一側俯視扇葉13之示意圖。軸流式風扇1具有一扇框11、一底座12、複數扇葉13、複數連接件14以及一輪轂15。其中，扇葉13具有遠離輪轂15的一外緣端16，外緣端16下方有一末端點17。

請參照圖2，其係為圖1的軸流式風扇1之正反轉特性曲線圖，其中橫軸表示軸流式風扇流量，其單位是立方英呎每分鐘（cubic feet per minute；CFM），縱軸表示軸流式風扇靜壓，單位是毫米－水柱（millimeter aqua；mmAq），由圖中可輕易得知，軸流式風扇1正轉時的特性曲線L1與反轉時的特性曲線L2兩者相差甚大。由於目前軸流式風扇的使用絕大多數是應用於軸流式風扇正轉狀態下，故在設計軸流式風扇時，係針對軸流式風扇正轉的特性及效率為最佳化進行設計，因此在未考量使用軸流式風扇於反轉的情況下，習知軸流式風扇1之扇葉13及連接件14的形狀等（如圖1B之所示）設計係以應用於正轉的前提下來進行設計，使得軸流式風扇1之正轉特性佳於軸流式風扇1之反轉特性。

但在不同的應用場合，需讓反轉的特性和正轉特性較為接近時，目前的軸流式風扇設計是不適用的，為此對於軸流式風扇構成必須兼顧正反轉特性重新設計。因此，如何提供具備正反轉特性較為接近的軸流式風扇及其控制方法，已成為重要的課題。

有鑑於上述課題，本發明之目的為提供一種軸流式風扇及其控制方法，可提升軸流式風扇反轉時的特性，進而使軸流式風扇反轉的特性及效率係趨近於軸流式風扇正轉的特性及效率。

為達上述目的，本發明提供一種軸流式風扇包括一扇框、一葉輪以及一馬達。扇框具有一框體、一底座及複數連接件，底座設置於框體一側的中央處，該些連接件分別連接框體與底座。葉輪容置於框體內，並設置於底座，葉輪具有一轉軸、一輪轂及複數扇葉環設於輪轂的外周緣。馬達設置於底座，馬達連結轉軸以驅動葉輪轉動。當葉輪正轉時，葉輪帶動氣流先流經該些連接件，再流經該些扇葉後，自框體相對於底座的另一側排出。當葉輪反轉時，葉輪帶動氣流自框體相對於底座的另一側流入，先流經該些扇葉，再流經該些連接件後排出。

為達上述目的，本發明更提供一種軸流式風扇的控制方法包括下列步驟：提供一脈波寬度調變（Pulse Width Modulation, PWM）訊號；計算脈波寬度調變訊號的工作週期（Duty cycle）是否持續一段時間；以及當脈波寬度調變訊號的工作週期持續一段時間後，判斷脈波寬度調變訊號的工作週期；其中工作週期為第一判斷範圍時，控制軸流式風扇停止運轉；當判斷為第二判斷範圍時，控制軸流式風扇的旋轉方向為正轉；當判斷為第三判斷範圍時，控制軸流式風扇的旋轉方向為反轉。

承上所述，本發明之軸流式風扇係適用於正轉及反轉的使用。當葉輪為正轉時，葉輪係帶動氣流先流經扇框之連接件，再流經扇葉後，自框體相對於底座的另一側排出；當葉輪為反轉時，葉輪帶動氣流自框體相對於底座的另一側流入，流經該些扇葉，再流經該些連接件後排出。另外，扇葉翼形與扇框上連接件結構做搭配設計，以有效提升反轉時軸流式風扇特性。更進一步，本發明的軸流式風扇之控制方法因採用脈波寬度調變之工作週期來控制軸流式風扇正反轉，故無須改變現有軸流式風扇電路架構，也不需其他控制訊號即可輕易按實際需求自由變更軸流式風扇轉向或轉速。

以下將參照相關圖式，說明依本發明較佳實施例之一種軸流式風扇及其控制方法，其中相同的元件將以相同的參照符號加以說明。

請參照圖3A至圖3C所示，其中圖3A為本發明較佳實施例之一種軸流式風扇3之ㄧ側的示意圖。圖3B係分別為本發明較佳實施例之一種軸流式風扇3之另一側的示意圖，圖3C係為圖3A之軸流式風扇3的側面剖視圖。軸流式風扇3係包括一葉輪31、一扇框32以及一馬達33，其中葉輪31與馬達33皆係容置於扇框32內。本實施例之軸流式風扇3之一側係為入風側，而相對之另一側係為出風側。又，由於本實施例之軸流式風扇3適用於正轉及反轉，使得軸流式風扇3的其中一第一側W1係例如為正轉的入風側，且亦為反轉的出風側；而相對之一第二側W2係例如為正轉的出風側，且為反轉的出風側，其中正反轉的氣流流動之介紹將詳述於後。

葉輪31係具有一輪轂311、一轉軸312及複數個扇葉313，轉軸312與輪轂311耦接，該些扇葉313係等間隔環設於輪轂311之外周緣，該些扇葉313係具有後緣314（trailing edge）。

扇框32具有一框體321、一底座322，及複數連接件323，底座322設置於框體321一側的中央處，該些連接件323分別連接框體321與底座322，該些連接件323例如可為靜葉或平板肋，本實施例之該些連接件323係以靜葉為例。葉輪31容置於框體321內，並設置於底座322，且該些扇葉313的後緣314係鄰近連接件323。

馬達33設置於底座322，馬達33係連結轉軸312以驅動葉輪31轉動。由於馬達33驅動葉輪31轉動係為習知技術，故不予詳述。

值得說明的是，請同時參照圖4A與圖4B，係為圖3A之軸流式風扇3之一扇葉313與輪轂311的部份放大圖。如圖4A所示，扇葉313具有一輪轂端41及一邊緣端42，其中，輪轂端41係為扇葉313與輪轂311相連之一端；而邊緣端42係為扇葉313遠離輪轂311之一端。輪轂311與邊緣端42兩者相連之一第一弦線43與垂直於轉軸312的一第一水平線44之間形成一第一夾角α，第一夾角α的範圍係例如大於等於40度且小於等於50度，藉由調整第一夾角α之角度以可減少軸流式風扇正反轉特性的差異。如圖4B所示，通過邊緣端42之一第一切線45與通過輪轂端41之ㄧ第二切線46之間形成一第二夾角β，第二夾角β的範圍係例如小於等於30度，若第二夾角β角度越小則可讓軸流式風扇反轉特性提升。本實施例之第一夾角α為安裝角，第二夾角β為外傾角（Camber angle）。

請參照圖5，其係為本發明較佳實施例之一種軸流式風扇3之一扇葉313與輪轂311的放大圖，且係為圖3A之軸流式風扇3的俯視示意圖。本實施例之扇葉313更具有遠離輪轂311之一外緣端51以及一末端點52。請同時參照圖1B及圖5所示，圖1B係為習知技術之軸流式風扇的一扇葉及輪轂的示意圖，而圖5係為本發明之軸流式風扇的一扇葉及輪轂的示意圖。將兩圖相比較，惟本發明之末端點52因扇葉313成倒掛關係而位於外緣端51上方，此扇葉313翼形態樣稱之為倒掛葉設計，本實施例中扇葉313之翼形藉此倒掛葉形狀設計，並搭配扇框32出風側的連接件323，以提高軸流式風扇3的反轉特性，使得本發明之軸流式風扇3具有相當之正轉及反轉特性。

請參照圖6A與圖6B，為依據圖3A本發明較佳實施例之一種軸流式風扇3正轉與反轉的風向流動示意與側面剖視圖。首先需述明的是，當自軸流式風扇3具有連接件323的ㄧ側俯視軸流式風扇3時，本實施例係以葉輪31為順時針旋轉作為正轉，而葉輪31為逆時針旋轉作為反轉，以做說明。如圖6A所示，當葉輪31為正轉時，葉輪31係帶動氣流按圖中之一第一方向X自第一側W1，流經該些連接件323，再流經該些扇葉313後，最後自框體321相對於底座322之第二側W2排出。因此，當葉輪31係操作於正轉時，第一側W1係為入風側，而第二側W2係為出風側。如圖6B所示，當葉輪31為反轉時，葉輪31帶動氣流按圖中之一第二方向Y自框體321相對於底座322的第二側W2流入，先流經該些扇葉313，再流經該些連接件323後，自第一側W1排出。因此，當葉輪31係操作於反轉時，第二側W2係為入風側，而第一側W1係為出風側。

請參照圖7所示，其係為本發明較佳實施例中一種軸流式風扇3之正轉與反轉的軸流式風扇流量－軸流式風扇靜壓特性曲線圖。圖中橫軸表示軸流式風扇流量，其單位是立方英呎每分鐘，縱軸表示軸流式風扇靜壓，單位是毫米－水柱，同時參照圖7及圖2並相比較，可看出在本發明之軸流式風扇3經由扇葉313翼形之第一夾角（安裝角）α與第二夾角（外傾角β）的設計改良後，軸流式風扇3的正轉特性曲線L3與反轉特性曲線L4差異不會太大，且較為接近。

請參照圖8，為本發明較佳實施例之一種軸流式風扇3之控制方法的流程圖。本實施例之控制方法係用以控制上述之軸流式風扇3，更詳細來說，軸流式風扇之控制方法係用以控制葉輪31的旋轉方向及轉速。本實施例之控制方法包括步驟S10、步驟S20及步驟S30。

首先，步驟S10提供一脈波寬度調變訊號。值得說明的是，於執行步驟S10之前，係先將一輸入控制訊號轉換為脈波寬度調變訊號。其中，輸入控制訊號係為用以控制葉輪旋轉方向及轉速之控制訊號。

步驟S20計算脈波寬度調變訊號的工作週期（Duty cycle）是否持續一段時間。例如一微控制器接收脈波寬度調變訊號，並計算脈波寬度調變訊號之工作週期比是否持續一段時間。本實施例之ㄧ段時間係例如為5秒，但並非限定於本發明，於其他實施例中，一段時間亦可為2秒或3秒等。

接續，步驟S30判斷脈波寬度調變訊號的工作週期。詳細來說，當脈波寬度調變訊號維持於一定的工作週期，且持續一段時間以上，接著判斷脈波寬度調變訊號的工作週期。若脈波寬度調變訊號的工作週期係為第一判斷範圍時，係控制軸流式風扇為停止運轉。第一判斷範圍係介於一第一數值及一第二數值之間。其中第二數值係大於第一數值。本實施例之第一數值係例如為0%，而第二數值係例如為5%，然非限用於本發明。因此，當脈波寬度調變訊號之工作週期為4%時，係判斷此工作週期為第一判斷範圍，則微控制器係控制軸流式風扇停止運轉。

另外，若脈波寬度調變訊號的工作週期係為第二判斷範圍時，係控制軸流式風扇為正轉運轉。第二判斷範圍係介於一第三數值及一第四數值之間。其中第四數值係大於第三數值。本實施例之第三數值係例如為6%，而第四數值係例如為10%，然非限用於本發明。因此，當脈波寬度調變訊號之工作週期為9%時，係判斷此工作週期為第二判斷範圍，則微控制器係控制軸流式風扇正轉運轉。

再者，若脈波寬度調變訊號的工作週期係為第三判斷範圍時，係控制軸流式風扇為反轉運轉。第三判斷範圍係介於一第五數值及一第六數值之間。其中第六數值係大於第五數值。本實施例之第五數值係例如為11%，而第六數值係例如為15%，然非限用於本發明。因此，當脈波寬度調變訊號之工作週期為14%時，係判斷此工作週期為第三判斷範圍，則微控制器係控制軸流式風扇反轉運轉。

另外於上述第二與第三判斷範圍內用以控制軸流式風扇正反轉的工作週期範圍中，可按實際使用需要轉速輸入對應的工作週期來控制軸流式風扇轉速，本實施例中轉速的對應工作週期範圍係介於一第七數值及一第八數值之間。其中第八數值係大於第七數值。本實施例之第七數值係例如為16%，而第八數值係例如為95%，然非限用於本發明，其中數值越大對應的轉速就越快，此時，當工作週期介於96%至100%時，可固定在一最大轉速。此外，亦可不做轉速控制，讓軸流式風扇維持同方向且一定速度運轉。

值得說明的是，若脈波寬度調變訊號的工作週期係非上述三個判斷範圍時，係皆設定控制軸流式風扇為正轉運轉。非上述三個判斷範圍係例如介於第二數值及第三數值之間、第四數值及第五數值之間、第六數值及第七數值之間。其中第三數值係大於第二數值，第五數值係大於第四數值，第七數值係大於第六數值。本實施例之第二數值係例如為5%，第三數值係例如為6%，第四數值係例如為10%，第五數值係例如為11%，第六數值係例如為15%，第七數值係例如為16%，然非限用於本發明。因此，當脈波寬度調變訊號之工作週期為5.5%、10.5%或15.5%時，係判斷此工作週期係非上述三個判斷範圍，則微控制器係控制軸流式風扇正轉運轉，然控制轉速的方式已詳述於前，故不再敘述。

綜上所述，本發明之軸流式風扇係適用於正轉及反轉的使用。當葉輪為正轉時，葉輪係帶動氣流先流經扇框之連接件，再流經扇葉後，自框體相對於底座的另一側排出；當葉輪為反轉時，葉輪帶動氣流自框體相對於底座的另一側流入，流經該些扇葉，再流經該些連接件後排出。另外，於相連扇葉之邊緣端與輪轂端的直線與垂直於轉軸的水平線之間形成第一夾角，於邊緣端的切線與該輪轂端的切線之間形成第二夾角，藉由調整第一夾角的角度於40度至50度之間，且第二夾角小於等於30度，以使得軸流式風扇的反轉特性可趨近於正轉特性。再者，扇葉翼形與扇框上連接件結構做搭配設計，以有效提升反轉時軸流式風扇特性。更進一步，本發明的軸流式風扇之控制方法因採用脈波寬度調變之工作週期來控制軸流式風扇正反轉，故無須改變現有軸流式風扇電路架構，也不需其他控制訊號即可輕易按實際需求自由變更軸流式風扇轉向或轉速。

以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。

1、3．．．軸流式風扇

11、32．．．扇框

12、322．．．底座

13、313．．．扇葉

14、323．．．連接件

15、311．．．輪轂

16、51．．．外緣端

17、52．．．末端點

31．．．葉輪

312．．．轉軸

314．．．後緣

321．．．框體

33．．．馬達

41．．．輪轂端

42．．．邊緣端

43．．．第一弦線

44．．．第一水平線

45．．．第一切線

46．．．第二切線

α．．．第一夾角

β．．．第二夾角

L1、L3．．．軸流式風扇正轉特性曲線

L2、L4．．．軸流式風扇反轉特性曲線

S10、S20、S30．．．步驟

W1．．．第一側

W2．．．第二側

X．．．第一方向

Y．．．第二方向

圖1A為習知軸流式風扇底座俯視圖；
圖1B為圖1A之軸流式風扇的俯視示意圖；
圖2為習知軸流式風扇之正反轉特性曲線圖；
圖3A為依據本發明較佳實施例之軸流式風扇一側示意圖；
圖3B為依據本發明較佳實施例之軸流式風扇另一側示意圖；
圖3C為依據圖3A之軸流式風扇剖面圖；
圖4A及圖4B為依據圖3A之軸流式風扇的部份放大圖；
圖5為依據圖3A之軸流式風扇的俯視示意圖；
圖6A及圖6B為依據圖3A之軸流式風扇的側面剖視圖；
圖7為依據本發明較佳實施例之軸流式風扇的正反轉特性曲線圖；以及
圖8為依據本發明較佳實施例之一種軸流式風扇之控制方法的流程圖。

3．．．軸流式風扇

31．．．葉輪

311．．．輪轂

312．．．轉軸

313．．．扇葉

314．．．後緣

32．．．扇框

321．．．框體

322．．．底座

323．．．連接件

33．．．馬達

W1．．．第一側

W2．．．第二側

Claims

一種軸流式風扇，包括：
一扇框，具有一框體、一底座及複數連接件，該底座設置於該框體一側的中央處，該些連接件分別連接該框體與該底座；
一葉輪，容置於該框體內，並設置於該底座，該葉輪具有一轉軸、一輪轂及複數扇葉環設於該輪轂的外周緣；以及
一馬達，設置於該底座，該馬達連結該轉軸以驅動該葉輪轉動；
當該葉輪正轉時，該葉輪帶動氣流先流經該些連接件，再流經該些扇葉後，自該框體相對於該底座的另一側排出；當該葉輪反轉時，該葉輪帶動氣流自該框體相對於該底座的另一側流入，先流經該些扇葉，再流經該些連接件後排出。
如申請專利範圍第1項所述之軸流式風扇，其中該扇葉具有一邊緣端及一輪轂端，相連該邊緣端與該輪轂端的直線與垂直於該轉軸的水平線之間形成一第一夾角，該第一夾角為安裝角，該第一夾角是大於等於40度且小於等於50度。
如申請專利範圍第1項所述之軸流式風扇，其中該邊緣端的切線與該輪轂端的切線之間形成一第二夾角，該第二夾角為外傾角，該第二夾角是小於等於30度。
如申請專利範圍第1項所述之軸流式風扇，其中該些扇葉的後緣鄰近該些連接件。
如申請專利範圍第1項所述之軸流式風扇，其中該些連接件為靜葉或平板肋。
如申請專利範圍第1項所述之軸流式風扇，其中該些扇葉的翼形態樣為倒掛葉設計。
一種軸流式風扇的控制方法，包括下列步驟：
提供一脈波寬度調變訊號；
計算該脈波寬度調變訊號的工作週期是否持續一段時間；以及
當該脈波寬度調變訊號的工作週期持續一段時間後，判斷該脈波寬度調變訊號的工作週期；
其中該工作週期為第一判斷範圍時，控制該軸流式風扇停止運轉；當判斷為該第二判斷範圍時，控制該軸流式風扇的旋轉方向為正轉；當判斷為該第三判斷範圍時，控制該軸流式風扇的旋轉方向為反轉。
如申請專利範圍第7項所述之控制方法，其中當判斷為該第二或第三判斷範圍時，進一步控制該軸流式風扇的轉速。
如申請專利範圍第7項所述之控制方法，其中於提供該脈波寬度調變訊號之前，更包括一步驟：
將一輸入控制訊號轉換為該脈波寬度調變訊號。
如申請專利範圍第7項所述之控制方法，其中該第一判斷範圍為停止範圍，該第一判斷範圍的脈波寬度調變訊號的工作週期介於第一數值至第二數值之間。
如申請專利範圍第7項所述之控制方法，其中該第二判斷範圍為正轉範圍，該第二判斷範圍的脈波寬度調變訊號的工作週期介於第三數值至第四數值之間。
如申請專利範圍第7項所述之控制方法，其中該第三判斷範圍為反轉範圍，該第三判斷範圍的脈波寬度調變訊號的工作週期介於第五數值至第六數值之間。