电气轴流式风扇 【技术领域】
本发明总体上涉及电气轴流式风扇。
背景技术
电气设备(例如个人计算机和服务器计算机)一般包括用于散发由电气设备的电气部件产生的热量的冷却风扇。近来，由于在电气设备中有高密度的电气部件，因而在机壳中积累了大量的热量。为了排出所积累的热量，需要具有高散热能力的冷却风扇。
风扇一般可以分成两种：用于排出电器设备机壳中的热空气的排气扇；用于将空气流提供到电气设备中以散发由电气设备所产生的热量的冷却风扇。对于冷却风扇，由冷却风扇所产生的空气流的流向会影响其散热能力。然而，在常规风扇中，因之而产生的空气流径向向外散开并与其机壳干涉。这通常会导致产生噪音并降低散热效率。
【发明内容】
根据本发明的优选实施方式，提供一种轴流式风扇，该风扇提供大致沿着中心轴线的空气流动，并产生更少的噪音，并提供一种用于该风扇的叶轮。
用于轴流式风扇的叶轮包括：轮轴，其具有中心位于中心轴线上的外周表面；和多个叶片，其从所述轮轴的外周表面径向向外延伸，以在轮轴在转动方向上转动时产生沿着中心轴线的空气流。所述多个叶片中的每个叶片都包括：前缘，其是在转动方向上位于前侧的边缘；后缘，其是在转动方向上位于后侧的边缘；和径向外缘，其连接所述前缘和后缘。在所述多个叶片中的每个叶片中，所述径向外缘和后缘相接处的第一拐角在转动方向上设置在所述轮轴的外周表面与前缘相接处的第二拐角的前侧。
而且，轴流式风扇包括：叶轮；马达，其以中心位于中心轴线上的方式转动该叶轮；和机壳，其具有彼此之间通过通孔连接的入口和出口，该通孔由径向内表面限定。该机壳的径向内表面径向地环绕该叶轮，并且该机壳的出口侧包括锥形部分，使得该通孔的尺寸逐渐变大。
通过参照附图阅读对本发明的优选实施方式进行的下列详细说明，本发明的其它特征、元件、过程、步骤、特性和优点将变得更为清楚。
【附图说明】
图1是示出根据本发明的优选实施方式的轴流式风扇的立体图。
图2A是示出轴流式风扇的竖向截面的视图。
图2B是示出轴流式风扇的竖向截面的视图。
图3是示出沿着中心轴线从出口侧观察到的轴流式风扇的叶轮的平面图。
图4是示出沿着中心轴线从入口侧观察到的轴流式风扇的平面图。
图5是示出沿着中心轴线的轴流式风扇的部分横截面以及轴流式风扇中空气流动的视图。
图6是示出轴流式风扇的平面图。
图7示出沿着叶片虚拟圆的横截面，该圆具有半径R并且中心在中心轴线上。
图8是描述弯度比f与半径R之间关系的曲线图。
图9示出叶片沿着虚拟圆的横截面，该圆具有半径R并且中心在中心轴线上。
图10是描述半径R与出口角βb2之间关系的曲线图。
图11A示出常规风扇的横截面以及由该风扇所产生的空气流。
图11B示出常规风扇的横截面以及由该风扇所产生的空气流。
图12是示出风扇沿着穿过中心轴线J1和锥形部分的表面的部分横截面以及轴流式风扇中空气流动的视图。
图13是示出沿着中心轴线从出口侧观察到的轴流式风扇的平面图。
图14示出肋条和叶片沿着虚拟圆的横截面，该圆具有半径R并且中心在中心轴线J1上。
图15是示出静压力和流率(P-Q曲线)之间的关系的曲线图。
【具体实施方式】
下面将参照图1详细地描述本发明的第一优选实施方式。图1是示出根据本发明第一优选实施方式的轴流式风扇的立体图。风扇A包括机壳10、多个肋条12、马达(图1中未示出)和具有多个叶片1和轮轴2的叶轮。
轮轴2具有中心位于中心轴线J1上的腮盖形的圆柱形状，并且从轮轴2的径向外表面径向向外延伸的多个叶片1绕着中心轴线J1周向地设置。在本发明的本优选实施方式中，叶轮包括七个叶片1。然而，应该注意，叶片1的数目不限于七个，并且可有多种改变。马达设置在轮轴2内，并且被固定地支撑在基部13上。具体地，马达包括与轮轴2连接的转子单元和固定地设置在基部13上的定子单元。
从基部13的径向外表面径向向外延伸的多个肋条12绕着中心轴线J1周向地设置。在本发明的本优选实施方式中，风扇A包括三个肋条12，但是肋条12的数目可有多种改变。肋条12从基部13延伸并到达机壳10的径向内表面。由此构造，基部13相对于机壳10固定设置。
如图1所示，沿着中心轴线J1观察时，机壳10的轮廓基本上为四方形。在机壳10的四个拐角中的每个拐角上设置一个安装孔，所述安装孔在沿着中心轴线J1的方向上轴向地穿过机壳。由于机壳10的四方形形状，因而能够便于将风扇A安装到电气设备。通过插入到安装孔中的螺钉，风扇A能够固定地设置在电气设备中。
机壳10的径向内表面径向地环绕叶轮，并限定由叶轮的转动所产生的空气流的通道。机壳10包括：入口，空气从该入口被吸入到风扇A中；和出口，被吸入到风扇A中空气从该出口被排出(即，空气流的上游侧是入口，下游侧是出口)。机壳10的径向内表面的入口侧端限定为弯曲的表面。当空气从径向外侧被吸入到机壳中时，空气流与机壳的入口侧端相干涉。由于设置在机壳10的轴向入口侧端的弯曲的表面，可以减小从机壳10的径向外侧被吸入到机壳中的空气流的能量损失。
如图1和2B所示，风扇A包括锥形部分11，机壳10的径向内表面在该处朝向机壳10的四方形形状的四个拐角径向向外延伸，使得空气流的通道(即由机壳10的径向内表面限定的通孔)沿着中心轴线J1朝向出口侧逐渐变大。在本发明的本优选实施方式中，锥形部分由横截面为平坦表面所限定，但是，锥形部分11可由弯曲表面等限定。由此构造，在径向内表面附近经过的空气流沿着锥形部分11从风扇A排出。这样减小了空气流的流动阻力，由此可以以有效的方式产生空气流。
当轴流式风扇在电气设备中用作冷却风扇时，待冷却物体和/或热交换器设置在风扇的入口侧或出口侧。从而，静压力Ps在风扇的入口侧和出口侧之间形成。静压力Ps由示出静压力和流率之间关系的P-Q曲线与由示出其中设置有物体和/或热交换器的电气设备中流动阻力的流动阻力曲线的交叉点所确定。一般地，确定的静压力施加到用于电气设备的冷却风扇中(即一般在静压力Ps大于0(Ps＞0)的情况下冷却风扇被驱动)。
通过本发明者进行的实验，与在静压力为0的情况下所产生的空气流相比较，在静压力大于0的情况下，由冷却风扇产生的空气流径向向外扩散。当空气流径向向外扩散时，提供到待冷却物体的空气流的流率可能会减小。这导致减小轴流式风扇的冷却能力。而且，这可能导致在出口侧空气流的通道不是连续圆滑形状时会产生噪音。为了解决上述问题，根据本发明的本优选实施方式的风扇A包括具有如下构造的叶轮。
下面将参照图3详细地描述叶轮的构造。图3是示出沿着中心轴线J1从出口侧观察到的轴流式风扇的叶轮的平面图。为了下面说明的方便，在图3中仅示出多个叶片1中的一个。叶轮在图3中沿逆时针方向转动(下文中，该方向被称为转动方向RD)。叶片1包括：前缘6，其是叶片1沿转动方向RD的前部边缘；后缘7，其是叶片1沿转动方向RD的后部边缘；和径向外缘8。
前缘6和轮轴2的径向外表面9相接的位置称为拐角A。前缘6在转动方向RD上相对于穿过拐角A和中心轴线J1的直线S向前弯曲。后缘7具有与前缘6相类似的构造。后缘7与轮轴2的径向外表面9相接的位置称为拐角C。后缘7在转动方向RD上相对于穿过拐角C和中心轴线J1的直线向前弯曲。径向外缘8具有中心位于中心轴线J1上的圆弧形状。径向外缘8周向上的端部分别连接到前缘6和后缘7的径向外端。
径向外缘8与后缘7相接的位置称为拐角B，并且穿过拐角B和中心轴线J1的直线称为直线T。直线T设置为在转动方向RD上位于直线S的前侧。当认为转动方向RD是正向时，直线S和直线T之间绕中心轴线的角度称为Δθ。
接下来，将参照图4和5描述具有上述构造的轴流式风扇的操作。图4是示出沿着中心轴线从入口侧观察到的轴流式风扇的平面图。下面将参照图4描述空气流的状态。如图4所示，直线R1与径向外缘8和前缘6相交，然后到达中心轴线J1。直线R2与前缘6和后缘7相交，并到达中心轴线J1。直线R3与后缘7相交，并到达中心轴线J1。直线R1在转动方向RD上设置在拐角A和B的前侧。直线R2在拐角A和B的周向之间延伸。直线R3沿转动方向RD设置在拐角A和B的后侧。与叶片1相交并到达中心轴线J1的所有直线将被分成三组：直线R1、直线R2和直线R3。
接下来将详细描述当叶轮1转动时直线R1、R2和R3上的静压力的增加。区域D1h在转动方向RD上设置在前缘的前方并位于直线R1上。区域D1h中的静压力不由于叶片1而增加。另一方面，位于叶片1上方和直线R1上的区域D1t处的静压力由于叶片1而增加。当叶片1转动时，其动能施加到空气。叶片1经过的区域D1t处的空气的静压力高于叶片还未经过的区域D1h处的空气的静压力。
区域D2h在转动方向RD上设置在前缘的前方并位于直线R2上。区域D2h中的静压力不由于叶片1而增加。区域D2t一部分设置在叶片1上方，而其另一部分在转动方向RD上设置在拐角B和后缘7后侧。区域D2t处的空气的静压力由于叶片1而充分增加。叶片1经过的区域D2t处的空气的静压力高于叶片1还未经过的区域D2h处的空气的静压力。
区域D3h位于叶片1上方并在转动方向RD上设置在拐角A后侧。然而，由于区域D3h在转动方向RD上设置在后缘7的前方，因而D3h处的空气的静压力还未由于叶片1而充分增加。相反，由于区域D3t在转动方向RD上设置在后缘7和拐角B后侧，因而D3t处的空气的静压力已由于叶片1而充分增加。如上所述，叶片1已经经过的区域D3t处的空气的静压力高于叶片正在经过的区域D3h处的空气的静压力。
如上所述，由于根据本发明的本优选实施方式的叶片1的形状，在从中心轴线J1处开始沿径向方向延伸的所有直线上，在径向外缘8侧处空气的静压力高于转子轮轴2侧处的空气的静压力。因而，如图5所示，空气沿着流线Sh和St(即在沿着中心轴线J1的方向上)吹过。
如上所述，在径向外缘8侧处的静压力高于轮轴2侧处的静压力。由于外缘8侧中的较高的静压力，空气可能在机壳10和叶轮的外缘8之间向上游流动(即，空气可能从出口侧流到入口侧)。在本发明的本优选实施方式中，外缘8具有中心位于中心轴线J1上的圆弧形状，因而，机壳10和外缘8之间在径向上的间隙被以恒定较小的方式保持。由此构造，限制外缘8和机壳10之间处的空气向上游的流动。而且，随着外缘8和机壳10之间在径向上的间隙变窄，外缘8处的静压力变大。
图5是示出沿着中心轴线J1的风扇A的部分横截面以及风扇A中空气流动的视图。图5中示出的风扇A的机壳10不包括锥形部分11。根据本发明的本优选实施方式，空气沿着中心轴线J1吹过，从而并不必需将用于减小空气流的流动阻力的锥形部分11提供到机壳10。需要指出，为了说明的方便，流线Sh和St在图5中示出为平行于中心轴线J1，但是实际上空气以涡流的方式流动。
图6和13是示出根据本发明的本优选实施方式的风扇A的平面图。图6中示出：在径向向外的方向上从中心轴线J1延伸、并穿过机壳10的拐角X1的直线U1；以及在径向向外的方向上从中心轴线J1延伸、并穿过机壳10的外形的边的中点Y1的直线W1。图2A是示出风扇A沿着直线U1的竖向截面图，图2A是示出风扇A沿着直线W1的竖向截面图。
如图1、2A和2B所示，机壳10的下游侧包括朝向机壳10的拐角分别延伸的四个锥形部分11以及位于机壳10的各侧的中间处的大致平坦的部分。如上所述，当空气被常规风扇以径向扩散的方式吹过时，空气流与平坦部分11相干涉，从而阻碍空气流的平滑流动。此外，由于空气和平坦部分11之间的干涉，可能产生噪音。在本发明的本优选实施方式中，空气流在径向上的扩散受到限制，因而，空气流和平坦部分11之间的干涉以及噪音的产生都得到抑制。
在常规风扇中，由此产生的空气流径向向外扩散并与机壳10的下游侧端部(对应于图2中示出的部分γ1)相干涉并可能产生噪音。在本发明的本优选实施方式中，由于上述叶轮构造，因而噪音的产生得到抑制。
图7示出叶片1沿着虚拟圆的横截面，该圆具有半径R并且中心在中心轴线J1上。图7中示出叶片1的连接前缘6和后缘7的弦线3、弦线3的长度L、压力面PS、抽吸表面SS、叶片1的中心线4和表示叶片1的弯曲量的弯度c。弯曲量是中心线4和弦线6在垂直于弦线3的方向上的最大距离。弯度比f由算式c/L表示(弯曲量c除以弦线3的长度L)。
图8是描述根据本发明的本优选实施方式的弯度比f与半径R之间关系的曲线图。在图8中，半径R由算式(R-Rh)/(Rt-Rh)标准化，其中R表示虚拟圆的半径，Rh表示轮轴2的半径，Rt表示叶轮的叶片尖端半径。即，当半径R为0.0时，半径R等于轮轴半径Rh。当半径R为1.0时，半径R等于叶片尖端半径Rt。
为了下面描述方便，在叶片尖端处的弯度比f被称为弯度比ft，在与轮轴2的接合处的弯度比被称为弯度比fh。在本发明的本优选实施方式中，弯度比在与轮轴2的接合处最小，在叶片尖端处最大。如图8所示，弯度比f从最小的弯度比fh朝向最大的弯度比ft单调地增大。通过使在叶片中具有最大转动速度的叶片尖端处的弯度比最大，可以增加叶片尖端侧的静压力。
如上所述的弯度比f的构造能够与如下特征，即叶片1的拐角B与设置在叶片1的拐角B的下游侧的拐角A之间的角度，相结合，如图3所示(即角度Δθ＞0)，以在沿着中心轴线J1的方向上产生空气流。因而，风扇的冷却能力得以增加。
接下来将参照图9和10详细地描述叶片1的出口角度。图9示出叶片1沿着虚拟圆的横截面，该圆具有半径R并且中心在中心轴线J1上。直线14是平行于转动方向RD的直线，直线15是中心线4在后缘7处的切线。出口角度βb2是直线14和15之间的角度。
图10是描述根据本发明的本优选实施方式的半径R与出口角度βb2之间关系的曲线图。在图10中，半径R由算式(R-Rh)/(Rt-Rh)标准化，其中R表示虚拟圆的半径，Rh表示轮轴2的半径，Rt表示叶轮的叶片尖端半径。即，当半径R为0.0时，半径R等于轮轴半径Rh。当半径R为1.0时，半径R等于叶片尖端半径Rt。在本发明的本优选实施方式中，出口角度在接合处和叶片尖端之间最小，然后，出口角度朝向叶片尖端单调地增大。
上述出口角度的构造可以与图3中描述的角度Δθ＞0的特征结合，以增大叶片尖端处的静压力。
图11A和11B示出常规风扇的横截面以及由该风扇所产生的空气流。如图11A和11B所示，由常规风扇所产生的空气流径向向外扩散。由于锥形部分11，空气沿着锥形部分11流动，不与机壳10的下游侧端部相干涉。在如图11A所示的没有锥形部分11的部分中，空气流与机壳10的下游侧端部相干涉并可能产生噪音。在本发明的本优选实施方式中，空气在沿着中心轴线J1的方向上吹过，空气流和机壳10之间的干涉受到限制。从而噪音的产生受到抑制。
图12是示出风扇A沿着穿过中心轴线J1和锥形部分11的表面的部分横截面以及根据本发明的本优选实施方式的风扇A中空气流动的视图。机壳10的径向内表面18和锥形部分11相接处的部分被称为拐角E。如图12所示，叶片1的拐角B(见图3)设置在拐角E的上游侧(即入口侧)(即拐角B由径向内表面18径向地环绕，使得拐角B和E不以径向重叠的方式设置)。在拐角B和E之间沿中心轴线J1的距离在图12中示出为“重叠量”。图12中示出的构造被称为“重叠量＞0”的状态，其中拐角B沿着中心轴线J1设置在拐角E的上游侧。
当物体在空气中运动时，由于绕物体流动的空气流不能结合物体的形状，所以在物体尾部出现卡曼涡街。将要形成的卡曼涡流的数目与物体的移动速度成正比。当风扇A的叶轮转动时，卡曼涡流在每个叶片1的尾部形成(即卡曼涡流在叶片1的转动方向RD的下游侧产生)。在本优选实施方式中，由于如图7所示的叶片1的横截面的流线，卡曼涡流不会朝向空气流动的方向形成。然而，应该指出，在叶片1的外缘8的径向外侧，略微形成有涡流ε。
在本发明的本优选实施方式中，由于拐角B设置在空气流上游侧的构造，因而限制了涡流ε与锥形部分11的干涉。从而，空气在风扇A中平滑地流动，并且噪音的产生得到抑制。
接下来，将参照图13和14描述肋条12的形状。图13是示出沿着中心轴线J1从出口侧观察到的风扇A的平面图。图14示出肋条12和叶片1沿着虚拟圆弧Z的横截面，该圆弧具有半径R并且中心在中心轴线J1上。如图14所示，肋条12的横截面具有近似泪滴形状，肋条具有球形的圆头19和圆锥形的尾部20。圆头19在风扇A中相对于圆锥形的尾部20朝向上游侧，从而使得圆头19朝向叶片1的后缘7。
由上述构造，叶片1所产生的空气流ζ沿着肋条12的横截面像图14中示出的空气流η一样流动，从而，湍流的产生得到抑制。应该注意，肋条12的横截面的形状和结构不限于泪滴形状。该形状可以是流线型或者抑制湍流产生的类似形状。而且，肋条12可具有这样的泪滴形状，其圆锥形的尾部在风扇A中设置在上游侧，从而使得圆锥形的尾部朝向后缘7。
尽管上面已经描述了本发明的优选实施方式，但需要理解的是，在不偏离本发明的范围和主旨的情况下，变型和改进对于本领域技术人员来说是显而易见的。因而，本发明的范围应该仅由所附的权利要求确定。