TWI490415B - 具有非對稱葉片間隔之離心式鼓風機 - Google Patents

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Description

具有非對稱葉片間隔之離心式鼓風機
本發明係關於攜帶型電子產品，且更特定言之，係關於特別適合在攜帶型電子產品之空氣冷卻系統中使用之鼓風機或風扇。
軸流及離心風扇或鼓風機通常實施於電子裝置之冷卻系統中以輔助使電子裝置在其變得過熱時冷卻下來。典型風扇設計包括具有以相對於彼此之相等角度間隔的葉片之葉輪。均勻間隔之風扇葉片允許葉輪得以平衡。在風扇葉片未均勻地間隔時，葉輪可具有偽聲(acoustic artifact)、不平衡問題及熱懲罰(thermal penalty)。不平衡可引起增加之振動應力、風扇之承載及馬達結構上的磨損，及品質問題。
通常，風扇之噪音源為空氣流且來自馬達。流動誘發的噪音源中之一者為葉片通過頻率(blade passage frequency；BPF)音調。BPF及相關諧波與在每一風扇葉片通過固定參考點時產生之壓力擾動有關。葉片尖產生週期性壓力波，該週期性壓力波產生音調。
主要馬達噪音源為磁極通過頻率(pole passage frequency；PPF)音調。PPF為藉由風扇之馬達中的磁極產生之振動及所得壓力波。BPF通常將被感知為音調，且可在其與PPF重合之情況下被放大。BPF及PPF音調自鼓風機或風扇發出，且在可聽見時對於含有彼鼓風機或風扇之產 品的使用者而言可為惱人的。另一噪音源係來自與風扇上之撐桿或任何其他種類之障礙物的相互作用。因此，需要具有減小之噪音之充分平衡的風扇。
廣義而言，本文中所揭示之實施例描述在一離心鼓風機中的具有可接受平衡之非均一葉片間隔及該離心鼓風機在攜帶型電子產品中之實施。
描述一離心鼓風機。該離心鼓風機包括：至少一馬達，其具有數個磁極通道(pole pass)，其中磁極通道之數目為一偶數；及六十一個葉片，該等葉片中之每一者係與具有一標稱葉片角度值的一標稱葉片角度相關聯，該標稱葉片角度值為在鄰近葉輪葉片之間的一角位移。該六十一個葉輪葉片各自圍繞一中心輪轂非對稱地間隔，以使得圍繞該中心輪轂定位每一葉輪葉片，使得該等標稱葉片角度值之一加總等於360°，且該離心鼓風機之一操作特性值被認為在操作特性值之一預定範圍內。在所描述實施例中，其中一第一標稱葉片角度值為5.33°，一第二標稱葉片角度值為5.35°；一第三標稱葉片角度值為5.48°；一第四標稱葉片角度值為5.23°；一第五標稱葉片角度值為5.97°；一第六標稱葉片角度值為5.54°；一第七標稱葉片角度值為5.33°；一第八標稱葉片角度值為5.52°；一第九標稱葉片角度值為5.90°；一第十標稱葉片角度值為6.05°；一第十一標稱葉片角度值為6.27°；一第十二標稱葉片角度值為6.15°；一第十三標稱葉片角度值為5.55°；一第十四標稱 葉片角度值為5.53°；一第十五標稱葉片角度值為5.93°；一第十六標稱葉片角度值為6.08°；一第十七標稱葉片角度值為6.27°；一第十八標稱葉片角度值為6.53°；一第十九標稱葉片角度值為6.45°；一第二十標稱葉片角度值為6.60°；一第二十一標稱葉片角度值為6.55°；一第二十二標稱葉片角度值為6.59°；一第二十三標稱葉片角度值為5.53°；一第二十四標稱葉片角度值為6.28°；一第二十五標稱葉片角度值為5.58°；一第二十六標稱葉片角度值為5.75°；一第二十七標稱葉片角度值為5.48°；一第二十八標稱葉片角度值為5.45°；一第二十九標稱葉片角度值為5.84°；一第三十標稱葉片角度值為5.25°；一第三十一標稱葉片角度值為5.23°，一第三十二標稱葉片角度值為5.65°，一第三十三標稱葉片角度值為5.27°，一第三十四標稱葉片角度值為5.96°，一第三十五標稱葉片角度值為5.93°，一第三十六標稱葉片角度值為5.35°，一第三十七標稱葉片角度值為6.57°；一第三十八標稱葉片角度值為6.48°；一第三十九標稱葉片角度值為6.25°；一第四十標稱葉片角度值為6.27°；一第四十一標稱葉片角度值為6.32°；一第四十二標稱葉片角度值為6.02°；一第四十三標稱葉片角度值為5.87°；一第四十四標稱葉片角度值為6.04°；一第四十五標稱葉片角度值為5.21°；一第四十六標稱葉片角度值為5.20°；一第四十七標稱葉片角度值為5.43°；一第四十八標稱葉片角度值為5.77°；一第四十九標稱葉片角度值為6.27°；一第五十標稱葉片角度值為 5.72°；一第五十一標稱葉片角度值為5.84°；一第五十二標稱葉片角度值為6.47°；一第五十三標稱葉片角度值為6.35°；一第五十四標稱葉片角度值為6.32°；一第五十五標稱葉片角度值為6.46°；一第五十六標稱葉片角度值為6.58°；一第五十七標稱葉片角度值為6.37°；一第五十八標稱葉片角度值為5.54°；一第五十九標稱葉片角度值為5.87°；一第六十標稱葉片角度值為5.78°，且一第六十一標稱葉片角度值為6.26°。
在所描述實施例之一態樣中，該等葉片角度各自具有+/- 5%之一容差。
其他態樣及優點將自結合作為實例說明本發明之原理的隨附圖式進行之以下詳細描述而變得顯而易見。
所描述之實施例將藉由結合隨附圖式之以下詳細描述而容易理解，在隨附圖式中，相同參考數字指示相同結構元件。
所描述之實施例係關於可實施於諸如膝上型電腦之攜帶型電子裝置的冷卻系統中之離心風扇或鼓風機。應理解，所描述實施例亦可用於諸如桌上型電腦之其他非攜帶型電子裝置中。在所描述實施例中之離心風扇或鼓風機為攜帶型電子裝置提供空氣冷卻，同時自風扇發出之所感知聲音在與習知風扇相比較時降低。
下文參看圖1至圖10論述實施例。然而，熟習此項技術者將容易瞭解，本文中關於此等圖所給出之詳細描述係為 了達成解釋之目的，此係因為本發明超出此等有限的實施例。
如上文所論述，典型風扇設計包括具有均一葉片間隔之葉輪。亦即，葉輪100之葉片110以相對於彼此之相等角度A、B、C間隔，如圖1中所展示。如圖1中所說明，葉片110之間的角度A、B、C彼此相等。葉片110之均一間隔由於葉輪100之質量均勻地分佈而提供平衡，且亦在風扇旋轉時提供隨時間之流逝恆定的音調頻率。通常，葉輪100具有質數個葉片以避免使得葉片之諧波與馬達中之磁極的諧波聯合(lining up)或合併。對於葉片之數目通常選擇質數係因為磁極通道通常為偶數。應理解，若葉片之諧波與磁極之諧波聯合，則來自風扇之噪音將增加。因此，工業標準為在葉輪具有質數個葉片時提供均勻間隔之葉片。
最小化來自風扇之噪音之一方法為控制由風扇產生的純音調之頻譜分佈。使音調之能量分散於數個離散頻率之上可藉由減小對於音調BPF的感知而使音調對聽眾而言似乎較不嘈雜。使風扇葉片不均勻地間隔同時維持葉輪平衡為控制純音調效應之一方法。圖2說明具有不均勻地間隔之葉片210之離心鼓風機的葉輪200。如圖所示，角度D、E、F彼此不相等。為了判定非均一葉片間隔配置之間隔，可按正弦振幅型樣修改均勻地間隔之風扇葉片110的位置。可用於根據正弦調變之經修改角度間隔之方程式為：θ i '=θ i +Δθ sin(mθ i )其中θ i 為在均勻間隔之配置中的第i個葉片之原始間隔角 度，θ i '為在修改之後的第i個標稱葉片角度之新間隔角度，Δθ為間隔角度改變(調變振幅)之最大百分比，且m為待使用之正弦型樣的數目(調變循環在風扇之單一轉中重複的次數)。應理解，上文所闡述之方程式可適用於可藉由在葉輪上之關鍵位置添加重物來平衡的諸如軸流風扇之較大風扇。
自此正弦調變所得之噪音藉由以下方程式表示：f(t)=A 0 sin(2πF 0 t+Δφ sin2πυt)，其中A 0 為基諧葉片通過音調之振幅，F 0 =If s(I為葉片之數目，且f s為軸桿旋轉頻率)，調變頻率υ=mf s，且相位調變振幅Δφ=IΔθ。
人耳中之底膜具有使傳入之音波的頻率分散之功能。聲波之頻率的分散使得某一頻率之聲音使底膜之一些部位比其他部位振動得大。圖3為比較沿具有均一葉片間隔之葉輪100之底膜的聲音頻率分佈與沿具有非均一葉片間隔之葉輪200之底膜的聲音頻率分佈之曲線圖。如圖3中所展示，來自兩個葉輪100、200之噪音使得在相同時段之內激發類似量的神經元。然而，具有非均一葉片間隔之葉輪200引起聲波頻率之更大散播強度，其會降低BPF音調。應理解，BPF音調之量測的減小可能並不完全反映所感知到之BPF音調的減小。
在習知風扇中，葉輪葉片均一地間隔以達成平衡。均一間隔亦在風扇旋轉時提供隨時間之流逝恆定的BPF音調頻率。在葉片未均一地間隔時，不平衡可發生，且BPF音調 頻率在風扇旋轉時隨時間之流逝不恆定。對於大風扇，重物可附著於某些風扇葉片上之關鍵位置以達成平衡。然而，對於小風扇(諸如，攜帶型裝置中使用之彼等風扇)而言無法以有效方式使用重物。為了在具有非均一間隔之葉片的此等小風扇中達成可接受平衡，平衡必須為風扇自身的設計所固有。本文中所描述之實施例經設計以使得風扇得以平衡，即使葉片圍繞葉輪之中心輪轂或軸桿不均一地間隔亦如此，且BPF音調頻率隨時間之流逝保持恆定，藉此減小自風扇發出之噪音。在一些實施例中，鼓風機具有150cm或更小之直徑。
根據一實施例，離心鼓風機具有圍繞中心輪轂或葉輪軸桿220非均一地間隔且自中心輪轂或葉輪軸桿220延伸出之至少15個葉輪葉片210。亦即，葉片210彼此未均勻地間隔開。為了減小風扇噪音，葉輪葉片210之數目經選擇而不同於馬達230中之磁極通道的數目以避免使得葉片210之諧波與磁極之諧波合併。若磁極之諧波與葉片210之諧波合併，則BPF及PPF音調增加，從而導致自風扇發出之增加的噪音。因此，若磁極之諧波與葉片之諧波未聯合，則來自風扇之所感知到的噪音將減小。應理解，若在風扇中存在多個噪音源，則噪音源不應聯合以便最小化噪音。
儘管葉片210不均一地間隔，但葉輪200仍能夠在旋轉時維持可接受的平衡。在非均一地間隔之葉輪葉片之間的空間中之每一者的角度D、E、F係藉由葉片210之位置判定。如圖2中所展示，葉片210之間的角度D、E、F彼此不 相等。儘管葉輪葉片210之位置沿至少兩個重複正弦型樣均勻地分佈，但葉輪葉片210圍繞中心輪轂220不均勻地或非均一地間隔。葉片210之間的空間中之每一者之角度D、E、F藉由葉片位置判定。葉輪葉片210中之每一者的位置對應於重複正弦型樣上之獨特點，且可藉由以下方程式表示：θ i '=θ i +θ i *α*cos(mx)其中θ i 為均勻間隔之葉片的原始間隔角度(葉片之數目/360°)，θ i '為在修改之後的第i個標稱葉片角度之新間隔角度，α與間隔角度改變(調變振幅Δθ)之最大百分比有關，m為待使用之正弦型樣的數目(調變循環在風扇之單一轉中重複的次數)，且0x2π。
圖4說明藉由根據一實施例之具有非均一地間隔之葉輪葉片的風扇提供之噪音減小。圖4為由具有均一間隔之葉輪葉片之風扇產生的聲音與由具有非均一間隔之葉輪葉片之風扇產生的聲音之圖形比較。在此實施例中，如圖4中所展示，主音調(在約2300Hz處)在非均一地間隔之風扇中減小，且引入邊帶(在約1900Hz及2700Hz處)。邊帶表示聲波之頻率的分散，從而導致噪音之減小。應理解，所感知到之噪音減小可甚至大於所量測之噪音減小。
如上文所論述，風扇具有至少15個葉輪葉片。根據一實施例，存在圍繞中心輪轂非均一地間隔之17個葉輪葉片。在另一實施例中，存在23個非均一地間隔之葉輪葉片。在一些實施例中，葉輪具有29個葉片或更少的葉片。若存在 過少的葉片，則可引入不需要的調變偽聲(modulation artifact)，藉此增強自風扇發出之噪音，如圖5中所展示。如圖5中所展示，具有13個非均一地間隔之葉輪葉片的風扇不僅產生高於具有均一地間隔之葉輪葉片的風扇之主音調(在約1300Hz處)，而且產生高邊帶(在約1100Hz及1500Hz處)。
如上文所論述，圍繞中心輪轂220之葉輪葉片210中之每一者的位置對應於在至少兩個重複正弦型樣上之獨特點。至少兩個重複正弦型樣用以維持平衡。根據一實施例，使用偶數個重複正弦型樣。亦即，葉片210係根據偶數個正弦型樣而間隔。在具有單一風扇之實施例中，使用兩個重複正弦型樣。在某些實施例中，使用四個重複正弦型樣。熟習此項技術者應瞭解，在一些實施例中，一個以上風扇實施於裝置中，且使用兩個或四個重複正弦型樣。較佳地，使用至多四個重複正弦型樣。因此，在2 m 4時特別有效。熟習此項技術者應瞭解，方程式中之餘弦可用正弦來替代，使用以下方程式：θ i '=θ i +θ i *α*sin(mx)。
在一實施例中，與間隔角度改變之最大百分比有關的變數α在保持於約0.01至約0.07之範圍中時特別有效。根據另一實施例，α在約0.01至約0.05之範圍中。若α過大，則可感知到低頻調變。若α過小，則可能不存在所感知之音調減小。類似地，自均勻地間隔之配置之間隔改變的百分比在約百分之一至約百分之七的範圍中特別有效。亦即，葉 片位置中之每一者與具有相同數目個葉輪葉片之葉輪的均勻地間隔之葉輪葉片相比修改約百分之一至約百分之七。在系統中使用單一風扇時，待使用之正弦型樣的數目m應等於2。
根據另一實施例，離心鼓風機具有圍繞中心輪轂以非均一方式間隔開之質數個葉輪葉片。如上文所論述，質數個葉片防止葉片之諧波與磁極之諧波聯合或合併。由於磁極通道通常為偶數，所以選擇葉輪葉片之數目等於質數防止BPF音調與PPF音調合併。
所需要之葉片的數目及具有最大BPF音調之頻率範圍可判定葉片之間的間隔之可變性之百分比。所關注之頻率愈高，變化在不引入其他偽聲之情況下減小所感知之音調的過程中愈有效。葉片通過頻率(BPF)之頻率經調變且經感知為對使用者而言較不惱人的或較不強的。小頻率步階之平均能量減小，但調變必須足夠小以不允許感知到低頻偽聲。
圖6為根據所描述實施例之製造風扇之方法的流程圖。在步驟600中，在風扇中提供馬達230。馬達230具有偶數個磁極通道。在步驟610中提供至少15個葉輪葉片210。葉輪葉片210之數目不同於馬達230中之磁極通道的數目。在步驟620中，接著圍繞中心輪轂220非均一地定位葉輪葉片210，以使得每一葉片210對應於至少兩個重複正弦型樣上之獨特點。
圖7為根據另一實施例之製造風扇之方法的流程圖。在 步驟700中，針對葉輪選擇至少17之質數個葉輪葉片210。在步驟710中，葉輪葉片210藉由定位葉輪葉片中之每一者，以使得其對應於偶數個重複正弦型樣上之獨特點而圍繞中心輪轂非均一地間隔。
應注意，已發現薄輪廓對於大數目個使用者而言在審美上令人愉悅且因此為在製造諸如膝上型電腦之攜帶型電子裝置時的合乎需要的工業設計考慮因素。所描述實施例中之離心鼓風機可以與習知風扇相比較小的大小製造。因此，實施於攜帶型裝置中之較小鼓風機允許攜帶型裝置具有薄輪廓。熟習此項技術者應瞭解，本文中所描述之實施例亦可適用於可具有較大大小之軸流風扇。
非對稱葉片間隔實施例
圖8至圖10說明非對稱葉片間隔實施例之特徵，其中離心鼓風機可以使得葉輪葉片各自係與標稱葉片角度值相關聯且(i)彼此非對稱地間隔開且(ii)非對稱間隔之葉輪葉片之標稱葉片角度值的加總等於360°的方式得以形成。在一實施例中，容差因子可歸結於葉片角度，此意謂葉片角度值可各自在根據容差因子(加或減)之值的範圍內變化而不會嚴重影響離心鼓風機之所要效能特性(應注意，即使在葉片角度值之可能變化的情況下，葉輪葉片之葉片角度值的加總必須仍等於360°)。舉例而言，葉片角度值之容差因子可為+/- 5%。因此，對於非對稱間隔之葉片的每一組態，可計算對應離心鼓風機之一組操作特性。操作特性可經分析以供在攜帶型計算裝置中使用。在一實施例中，操 作特性可與離心鼓風機之一組所要操作特性相比較。在另一實施例中，操作特性可與另一組操作特性相比較，該另一組操作特性係與非對稱間隔之葉片的另一組態相關聯。在此環境下，非對稱地選擇之葉片的更優組態可經選擇以用於最終設計或用於進一步改進。
在一實施例中，離心鼓風機可包括具有根據如下所描述之表1的葉片角度值且體現為圖8中之葉片總成900及圖9中之葉片總成1000的六十一(61)個葉片。在另一實施例中，離心鼓風機可包括具有在表2中所描述的葉片角度值且體現為圖10中所展示之葉片總成1200之六十一(61)個葉片。
本發明之優點眾多。不同態樣、實施例或實施可產生以下優點中之一或多者。本發明之一優點為裝置中之風扇安靜得多，且對於使用者而言較不惱人。利用本文中所描述之風扇的風扇之熱效能等效於在使用技術之前的風扇。此 等風扇之另一優點為風扇葉輪仍可平衡，此係因為質量之中心仍位於葉輪之軸桿上。又，本文中所描述之實施例中的設計允許風扇為更小的，其又允許攜帶型裝置更小。
本發明之許多特徵及優點自書面描述為顯而易見，且因此意欲由附加申請專利範圍涵蓋本發明之所有此等特徵及優點。此外，由於熟習此項技術者將易於想到眾多修改及改變，所以不應將本發明限於如所說明且描述之確切構造及操作。因此，可採取在本發明之範疇內之所有合適修改及等效物。
100‧‧‧葉輪
110‧‧‧葉片
200‧‧‧葉輪
210‧‧‧葉輪葉片
220‧‧‧中心輪轂
230‧‧‧馬達
900‧‧‧葉片總成
1000‧‧‧葉片總成
1200‧‧‧葉片總成
圖1為具有圍繞中心輪轂均一地間隔之葉片之葉輪的俯視平面圖。
圖2為具有圍繞中心輪轂不均一地間隔之葉片之葉輪的實施例之俯視平面圖。
圖3為比較沿具有均一葉片間隔之葉輪之底膜的聲音頻率分佈與沿具有非均一葉片間隔之葉輪之底膜的聲音頻率分佈之曲線圖。
圖4為由具有均一間隔之葉輪葉片之風扇產生的聲音與由具有非均一間隔之葉輪葉片之風扇產生的聲音之圖形比較。
圖5為由具有均一間隔之葉輪葉片之風扇產生的聲音與由具有13個非均一間隔之葉輪葉片之風扇產生的聲音之圖形比較。
圖6為根據所描述實施例之製造風扇之方法的流程圖。
圖7為根據另一實施例之製造風扇之方法的流程圖。
圖8至圖10展示根據所描述實施例之具有葉片之非對稱分佈的風扇總成之額外實施例。
1200‧‧‧葉片總成

Claims (2)

  1. 一種離心鼓風機，其包含：一馬達，其具有數個磁極通道，其中磁極通道之數目為一偶數；及六十一個葉輪葉片，其中該六十一個葉輪葉片中之每一者係與具有一標稱葉片角度值之一標稱葉片角度相關聯，該標稱葉片角度為在鄰近葉輪葉片之間的一角位移，其中該數個葉輪葉片各自圍繞一中心輪轂非對稱地間隔，以使得圍繞該中心輪轂定位每一葉輪葉片，使得該等標稱葉片角度值之一加總等於360°，且該離心鼓風機之一操作特性值被認為在操作特性值之一預定範圍內，其中一第一標稱葉片角度值為5.33°，一第二標稱葉片角度值為5.35°；一第三標稱葉片角度值為5.48°；一第四標稱葉片角度值為5.23°；一第五標稱葉片角度值為5.97°；一第六標稱葉片角度值為5.54°；一第七標稱葉片角度值為5.33°；一第八標稱葉片角度值為5.52°；一第九標稱葉片角度值為5.90°；一第十標稱葉片角度值為6.05°；一第十一標稱葉片角度值為6.27°；一第十二標稱葉片角度值為6.15°；一第十三標稱葉片角度值為5.55°；一第十四標稱葉片角度值為5.53°；一第十五標稱葉片角度值為5.93°；一第十六標稱葉片角度值為6.08°；一第十七標稱葉片角度值為6.27°；一第十八標稱葉片角度值為6.53°；一第十九標稱葉片角度值為6.45°；一第二十標稱葉片角度值為6.60°；一第二十一 標稱葉片角度值為6.55°；一第二十二標稱葉片角度值為6.59°；一第二十三標稱葉片角度值為5.53°；一第二十四標稱葉片角度值為6.28°；一第二十五標稱葉片角度值為5.58°；一第二十六標稱葉片角度值為5.75°；一第二十七標稱葉片角度值為5.48°；一第二十八標稱葉片角度值為5.45°；一第二十九標稱葉片角度值為5.84°；一第三十標稱葉片角度值為5.25°；一第三十一標稱葉片角度值為5.23°，一第三十二標稱葉片角度值為5.65°，一第三十三標稱葉片角度值為5.27°，一第三十四標稱葉片角度值為5.96°，一第三十五標稱葉片角度值為5.93°，一第三十六標稱葉片角度值為5.35°，一第三十七標稱葉片角度值為6.57°；一第三十八標稱葉片角度值為6.48°；一第三十九標稱葉片角度值為6.25°；一第四十標稱葉片角度值為6.27°；一第四十一標稱葉片角度值為6.32°；一第四十二標稱葉片角度值為6.02°；一第四十三標稱葉片角度值為5.87°；一第四十四標稱葉片角度值為6.04°；一第四十五標稱葉片角度值為5.21°；一第四十六標稱葉片角度值為5.20°；一第四十七標稱葉片角度值為5.43°；一第四十八標稱葉片角度值為5.77°；一第四十九標稱葉片角度值為6.27°；一第五十標稱葉片角度值為5.72°；一第五十一標稱葉片角度值為5.84°；一第五十二標稱葉片角度值為6.47°；一第五十三標稱葉片角度值為6.35°；一第五十四標稱葉片角度值為6.32°；一第五十五標稱葉片角度值為6.46°；一第五十六標稱葉片角 度值為6.58°；一第五十七標稱葉片角度值為6.37°；一第五十八標稱葉片角度值為5.54°；一第五十九標稱葉片角度值為5.87°；一第六十標稱葉片角度值為5.78°，且一第六十一標稱葉片角度值為6.26°。
  2. 如請求項1之離心鼓風機，其中該等標稱葉片角度值中之每一者具有+/- 5%之一容差範圍。
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