CN109642585A - 用于降噪的风扇壳体 - Google Patents

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罗伯特·拉切布鲁
查尔斯·休·奥佩内梅
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Abstract

一种风扇包括：壳体；和具有轴和多个叶片的叶轮，所述叶轮被安装在所述壳体内部；以及来自所述壳体的多个出口，每个出口均包括具有顶部和底部的截止部。每个截止部的所述顶部和所述底部之间的线不平行于所述叶轮的所述轴。

Description

用于降噪的风扇壳体
背景技术
风扇被用在包括打印机的许多种类的设备中，以帮助热传递。通过增加流体经过暖部件或冷部件的对流来完成热传递增加。对流增加使部件与附近流体之间的温差增加。部件与周围流体之间的温差增加使热传递的速率增加。风扇也可以用于其他空气处理操作。
附图说明
附图示出本文描述原理的各种示例，且该附图是本说明书的一部分。示出的示例旨在示出权利要求书的范围但不限制该范围。在整个附图中，相同的附图标记指示相似但不一定相同的元件。
图1示出根据本文描述原理的一个示例的通过风扇的输出端口的侧视图。
图2A是根据本文描述原理的一个示例的壳体的俯视图。图2B是相同壳体的同构视图；
图3示出根据本文描述原理的风扇的示例的俯视图。
图4示出根据本文描述原理的风扇的示例的侧视图。
图5示出根据本文描述原理的一个示例的通过风扇的输出端口的侧视图。
图6示出根据本文描述原理的一个示例的通过风扇的输出端口的侧视图。
图7示出根据本文描述原理的一个示例的通过风扇的输出端口的侧视图。
图8示出应用本文描述的成形叶片和成形截止部的原理的效果的示例。
图9示出根据本文描述原理的一个示例的风扇的俯视图。
图10示出根据本文描述原理的风扇的示例的俯视图。
图11示出根据本文描述原理的一个示例的叶轮的侧视图。
具体实施方式
风扇操作的多个方面可产生噪声，该噪声是不需要的声音。具体地，由风扇引起的流体流动增加可产生噪声。为风扇提供动力的电动马达可产生噪声。叶轮在其轴承上的旋转可产生噪声。空气的运动可产生噪声。气流与引流特征件的相互作用也可产生噪声，该噪音经常比气流单独产生的噪音多。
特别地，从引流特征件附近经过的叶轮的叶片可产生由各个叶轮叶片生成的气流尾流与引流特征件之间的周期性相互作用引起的音调噪声。音调噪声是具有一种或多种一致音调的噪声。由于人对音调噪声的意识和敏感性的提高，所以音调噪声可能是特别令人反感的。给定响度的音调声音对人听觉而言通常比相同响度级别的非音调声音明显。因此，可期望降低由风扇产生的噪声，特别是音调噪声。
在多出口叶轮风扇的开发期间，发现噪声由两个出口产生。如果出口具有相似的几何形状，则它们的噪声分布(profile)往往是相加的。因此，本说明书探讨如何减小每个出口以及作为整体的***的噪声分布。
如在本说明书和相关的权利要求书中使用的，术语“截止部(cutoff)”是指壳体的叶轮叶片在壳体后面通过的下游边缘。平行于叶轮的轴的截止部的使用与更大的叶片通过音调噪声相关。相反，如果截止部覆盖多个叶片的外边缘，则音调噪声降低，三个或更多个叶片是优选的。
在其他示例中，本说明书描述一种风扇，该风扇包括：壳体；和具有轴和多个叶片的叶轮，该叶轮被安装在壳体内部；来自壳体的多个出口，每个出口均包括具有顶部和底部的截止部。每个截止部的顶部与底部之间的线不平行于叶轮的轴。
本说明书还描述一种用于风扇的壳体，该壳体包括：具有第一截止部的第一输出端口；以及具有第二截止部的第二输出端口，其中第一截止部相对于流体离开第一输出端口的流动方向被成形。
本公开还描述一种操作具有多个输出端口的风扇的方法，该方法包括：由第一输出端口的输出产生第一音频分布；以及由第二输出端口的输出产生第二音频分布。第一音频分布和第二音分布彼此不同，以减小风扇的组合音频分布的峰值。
转到附图，图1示出根据本文描述原理的一个示例的通过风扇(100)的输出端口的侧视图。风扇(100)包括壳体(110)和叶轮(120)。叶轮(120)具有多个叶片(130)，多个叶片(130)在由箭头所示的方向上旋转。输出端口由壳体(110)形成并包括截止部(140)。连接截止部(140)的顶部和底部的线不是竖直的，即，不平行于叶轮的旋转轴。相反，底端向左延伸朝向本图的中部，并且输出端口(140)的下游边缘被成形。在此示例中，截止部几何形状在输出端口的下游部分形成楔形开口。
风扇(100)可以利用电动马达进行操作。风扇(100)可以以预定速度操作或者可以在速度范围内连续操作。可以选择速度以减少壳体(110)的几何形状与包括叶片(130)的叶轮(120)之间的谐波相互作用。一般而言，增加叶轮(120)速度使由风扇(100)驱动的流体的总流动速率增加。马达噪声可以随着叶轮(120)的旋转速度的增加而增加。流动噪声可以随着流体流量的增加而增加。音调叶片(130)通过噪声的级别和频率两者可以随着叶轮(120)的旋转速度的增加而增加。然而，虽然速度和流动的增加与噪声的增加相关，但是一些几何形状与其他几何形状相比表现出更小的整体噪声；这对于音调叶片通过噪声尤其如此。
壳体(110)有助于限定风扇中的流动路径。壳体(110)靠近叶轮和气流出口处的叶片，高流体运动速率产生将流体吸入叶轮(120)中部的低压。壳体(110)远离叶轮打开，从而形成蜗壳，以引导流体流向输出端口，如图3中可见。
在此示例中，叶轮(120)在叶片(130)的远离入口的部分具有轮缘。叶轮(120)可以在顶部、底部、顶部和底部、或不是顶部和底部的位置具有轮缘。
叶片(130)可以是各种形状和构造中的任何一种。叶片(130)可以是平坦的。叶片(130)可以是弯曲的，凹的或凸的。
截止部(140)可以是斜面。截止部(140)可以是曲面。截止部(140)可以是更复杂的几何形状。
对截止部(140)的不同几何形状进行测试已经发现当下游边缘横贯多于一个的叶片(130)时，噪声大大降低。相反，当输出端口的截止部(140)覆盖单个叶片(130)、一个半叶片(130)或两个叶片(130)时，噪声级别未被强烈影响。
风扇(100)可以具有多个出口端口。选择截止部(140)的几何形状以使它们产生不同的音频分布可以减少峰值音频输出。例如，如果几何形状A具有峰值音量，则对于两个出口而言使用几何形状A将倾向于增加来自两个端口的组合音量的峰值音量。然而，将几何形状A与具有不同音频分布的几何形状B组合可以减少峰值的堆叠并产生具有较低峰值噪声级别的组合分布。
图2A是根据本文描述原理的一个示例的壳体(110)的平面图。壳体(110)包括在中央的用于安装马达和叶轮(120)的孔。可以看到利于叶轮(120)相对于壳体(110)对准和固定的凹槽。在壳体(110)的中部可见的一对较大圆对应于叶轮(120)的扫掠区域。在图2A的视图中，叶轮(120)逆时针旋转。在3点钟位置开始，叶轮(120)和壳体(110)的壁极为接近。壳体(110)的壁与叶轮(120)逐渐分离，从而提供压力梯度以引起流体朝向输出端口的运动。在大约10点钟位置，第一出口端口的开口的上游边缘是可见的，并且空气被推向第一出口。在大约8点钟与9点钟位置之间，在出口端口的下游边缘处截止部(140)是可见的。在此示例中，截止部(140)是在壳体(110)的顶部与底部之间的斜面。然后另一个出口端口重复这种循环。
已经发现所描述的几何形状相对于平行于叶轮(120)轴的截止部(140)降低风扇(100)的音调噪声。虽然不希望受任何特定理论束缚，但是认为音调噪声降低是由于时间效应和空间效应导致每个叶轮叶片(130)的气流尾流与截止部(140)的相互作用减弱而引起的。对于平行截止部(140)，随着由叶片(130)生成的尾流快速经过截止部(140)，相互作用是突然的并且跨越后缘的整个长度。可以通过增加叶片(130)后缘与蜗壳之间的间隙来减小尾流与截止部(140)之间的相互作用，从而减少音调声音生成，但是这种方法产生不期望的气流损失和风扇(100)效率损失。相比之下，例如倾斜的或弯曲的成形截止部(140)通过截止部的方向增加尾流经过截止部(140)的通过时间，从而减少声辐射而不损害风扇(100)功能。根据叶片(130)和成形截止部几何形状(140)(其小于与平行截止部(140)相关的总叶片(130)长度区域)，成角度的截止部(140)还将生成声音的最大瞬时区域减小到在成形截止部(140)与叶片(130)后缘之间的间隙处的一组离散区域。因此，成形截止部(140)通过降低音调声音生成的效率和减小音调声音生成的区域来降低音调噪声。在一个示例中，成形截止部(140)是倾斜的。斜度可以在20度与60度之间。斜度可以在30度与50度之间。在一个示例中，斜度约为45度。在倾斜的示例中，下游边缘的整个壁的斜度是均匀且连续的。
成形截止部(140)可以是曲面。该曲面可以具有与上述斜面相同的平均斜度，例如20度至60度。然而，在曲面中，斜面的角度随轮廓变化，而不是恒定且连续的。
在一个示例中，第一出口和第二出口的下游边缘具有彼此不同的轮廓。例如，一个下游边缘可以具有30度的斜度，而另一个下游边缘具有60度的斜度。
图2B示出图2A的壳体(110)的同构视图。壳体(110)提供来自风扇(100)的多个输出端口，在这种情况下为两个输出端口。端口位于叶轮(120)的相对侧。每个端口均具有上游边缘和截止部(140)。端口的下游边缘与壳体(110)的顶部和底部交汇的点不形成平行于叶轮的旋转轴的线。截止部(140)不垂直于叶轮的旋转方向。
图3示出根据本文描述原理的风扇(100)的示例的俯视图。风扇(100)包括壳体(110)，该壳体(110)容纳具有叶片(130)的叶轮(120)。风扇(100)包括在本图的左边和右边的出口端口。每个出口端口均具有上游边缘和截止部(140)。上游边缘邻近蜗壳，壳体(110)与叶轮(120)的叶片(130)之间的扩展间隙。截止部(140)被成形以使截止部(140)不是竖直的。具体地，截止部(140)与壳体(110)的底部交汇的点以及截止部(140)与壳体(110)的顶部交汇的点不形成平行于叶轮(120)的旋转轴的线。在本示例中，壳体(110)底部处的点被移位，使得出口端口(140)的下游边缘不平行于叶轮(120)的轴。
在此示例中，叶轮(120)的叶片(130)基于叶轮的旋转方向是凹的。叶片(130)可以是平坦的。叶片(130)可以是凸的。叶片(130)可以是矩形。叶片(130)的远侧尖端可以是锥形的。叶片(130)的远侧尖端可以是圆形的。叶片(130)可以具有在旋转方向上为凹形的梯形横截面。
叶片(130)可以是任何合适的构造。然而，与其他叶片构造相比，使用如图3中示出的向旋转方向倾斜的凹叶片产生高效率。还发现在进气口附近具有凹定向和凸定向的叶片(130)在降低噪音和提高效率方面是有效的。
在一个示例中，叶片(130)在进气口附近具有较小的宽度，并在叶片(130)的远离进气口的边缘处具有较大的宽度。这与在给定每分钟转数下叶片(130)的远侧边缘的较高速度有关。进而，较高速度产生较低压力，该较低压力有助于通过进气口向下且远离叶轮(120)的进气侧吸空气。这种方法可以与风扇(100)的更高效率相关。
图4示出根据本文描述原理的风扇(100)的示例的侧视图。风扇(100)包括壳体(110)，该壳体(110)容纳具有多个叶片(130)的叶轮(120)。可以通过风扇(100)的出口端口看到叶轮(120)和叶片(130)。叶轮(120)如本图中可见的向下旋转。因此，出口的截止部(140)位于本图的中央正下方。截止部(140)相对于壳体(110)的顶部和底部成角度。截止部(140)相对于叶轮(120)的旋转轴成角度。截止部(140)相对于叶轮叶片(130)的运动方向成角度，使得在任何给定时间，至少一个叶轮叶片(130)的平面穿过截止部(140)。优选地，三个或四个叶片在任何给定的时间点都穿过截止部(140)。叶轮叶片(130)可以包括肩部和/或支撑物。在图4中，可以在叶轮叶片(130)的左侧看到肩部，并且可以看到支撑物支撑连接到在叶轮叶片(130)的右侧的轮缘的连接件(如图中所示)。
图5示出根据本文描述原理的一个示例的通过风扇(100)的输出端口的侧视图。风扇(100)包括壳体(110)和具有多个叶片(130)的叶轮(120)。风扇(100)包括多个出口端口，其中每个出口端口均具有截止部(140)。
在图5中，截止部(140)是弯曲的。具体地，截止部(140)是凹的。截止部(140)在截止部(140)的任一侧相交壳体的点不形成平行于叶轮(120)的旋转轴的线。相反，在叶轮(120)的旋转方向上，一侧位于另一侧前方。
图6示出根据本文描述原理的一个示例的通过风扇(100)的输出端口的侧视图。风扇(100)包括壳体(110)和具有多个叶片(130)的叶轮(120)。风扇(100)包括多个出口端口，其中每个出口端口均具有截止部(140)。
在图6中，截止部(140)是弯曲的。具体地，截止部(140)是凸的。截止部(140)在截止部(140)的任一侧相交壳体的点不形成平行于叶轮(120)的旋转轴的线。相反，在叶轮(120)的旋转方向上，一侧位于另一侧前方。
图7示出根据本文描述原理的一个示例的通过风扇(100)的输出端口的侧视图。风扇(100)包括壳体(110)和具有多个叶片(130)的叶轮(120)。风扇(100)包括多个出口端口，其中每个出口端口均具有截止部(140)。
在图7中，出口端口的截止部(140)形成V形。截止部(140)在截止部(140)的任一侧相交壳体的点不形成平行于叶轮(120)的旋转轴的线。相反，在叶轮(120)的旋转方向上，一侧位于另一侧前方。
图8示出应用本文描述的成形叶片和成形截止部的原理的效果的示例。基线示出关于平行于叶轮轴的截止部的分布。修正的线示出关于不平行于叶轮轴的截止部的分布。以基线设计的1550Hz音调的大峰值几乎不存在，该大峰值已经被降低大约20dB，从而证明这些原理的有效性。
图9示出根据本文描述原理的一个示例的壳体(110)的俯视图。壳体(110)包括在任一侧的两个输出端口。每个输出端口均具有截止部(140)。然而，第一输出端口的下游边缘的轮廓和第二出口端口的下游边缘的轮廓彼此不同。具体地，在本图右边的端口的截止部(140)短于左边的端口的截止部(140)。两个下游边缘(140)都不正交于壳体(110)的顶部和底部。
在一个示例中，第一下游边缘和第二截止部(140)都被成形但具有不同的几何形状。例如，第一截止部(140)可以以大约60度倾斜，而第二截止部(140)可以以大约30度倾斜。在第二示例中，第一下游边缘和第二下游边缘(140)二者都可以是弯曲的但具有不同的轮廓。在第三示例中，第一截止部(140)可以是倾斜的，第二截止部(140)可以是弯曲的。在第四示例中，第一截止部(140)可以具有V型边缘，而第二截止部(140)具有不同的边缘形状，例如弯曲边缘或倾斜边缘。
使用不同或非对称的截止部(140)还可以用于调节两个输出端口之间的平衡。在一些情况下，调整几何形状将允许在输出之间的平衡流动。在其他情况下，由于设计原因，可以期望至一个输出端口的更强的流动。
图10示出根据本文描述原理的风扇(100)的示例的俯视图。风扇(100)包括壳体(110)，该壳体(110)容纳具有叶片(130)的叶轮(120)。风扇(100)包括在本图的左边和右边的出口端口。每个出口端口均具有上游边缘和截止部(140)。上游边缘邻近蜗壳、壳体(110)与叶轮(120)的叶片(130)之间的扩展间隙。截止部(140)被成形以使截止部(140)不是竖直的。截止部(140)被成形以使截止部(140)不平行于叶轮(120)的轴。
图10示出叶片设计，其中叶片(130)是与叶轮(120)旋转方向相反的基部定向。叶片(130)还具有朝向叶片(130)外部部分的凸形和在叶片(130)内部部分的凹形。虽然这更为复杂，但是双曲面叶片(130)形状与竖直截止部(140)一起提供降噪。然而，在使用非竖直截止部(140)的情况下，益处不太明显。
图11示出根据本文描述原理的示例的叶轮(120)的侧视图。叶轮(120)的叶片在更靠近入口处具有较大直径的圆锥截面形状增加风扇(100)的效率。较大直径叶片(130)边缘在给定每分钟转数下行进得更快，从而在入口处产生较低的压力。较低压力吸入更多流体。进而，这在一些设计中增加气流和叶轮(120)的效率。这种设计方法还可以降低进入叶轮(120)的空气速度，这导致对于相同气流需要更小负压或者在给定负压下提供更大气流。
应理解，在本说明书描述的原理内，存在大量变型。还应理解，所描述的示例仅是示例，并不旨在以任何方式限制权利要求书的范围、适用性或构造。

Claims (15)

1.一种风扇，包括：
壳体；
具有轴和多个叶片的叶轮，所述叶轮被安装在所述壳体内部；
来自所述壳体的多个出口，每个出口均包括具有顶部和底部的截止部，其中每个截止部的所述顶部与所述底部之间的线不平行于所述叶轮的所述轴。
2.根据权利要求1所述的风扇，其中所述多个出口为两个出口。
3.根据权利要求2所述的风扇，其中所述两个出口位于所述叶轮的相对侧。
4.根据权利要求3所述的风扇，其中所述截止部相对于所述叶轮的旋转方向是倾斜的。
5.根据权利要求3所述的风扇，其中所述截止部相对于所述叶轮的旋转方向是弯曲的。
6.根据权利要求3所述的风扇，其中第一出口的截止部的形状与第二出口的所述截止部的形状不同。
7.根据权利要求6所述的风扇，其中所述第一出口的所述截止部被成形为具有第一几何形状且所述第二出口的所述截止部被成形为具有不同的第二几何形状，其中所述第一几何形状和所述第二几何形状不是与所述叶轮的所述轴平行的直边缘。
8.根据权利要求1所述的风扇，其中所述截止部被成形以降低人可听范围内的噪声。
9.根据权利要求4所述的风扇，其中下游边缘的斜度在30度与60度之间。
10.一种用于风扇的壳体，所述壳体包括：
具有第一截止部的第一输出端口；以及
具有第二截止部的第二输出端口，
其中所述第一截止部相对于流体离开所述第一输出端口的流动方向被成形。
11.根据权利要求10所述的壳体，其中所述第二截止部相对于流体离开所述第二输出端口的流动方向被成形，并且所述第一截止部和所述第二截止部中的每个均相对于流体离开其各自端口的所述流动方向形成不同形状。
12.根据权利要求11所述的壳体，进一步包括被安装在所述壳体中的叶轮，所述叶轮包括叶片，其中每个叶片均向后倾斜并向前弯曲。
13.根据权利要求11所述的壳体，进一步包括被安装在所述壳体中的叶轮，所述叶轮包括叶片，其中每个叶片均在进气口附近具有第一直径并在远离所述进气口的边缘处具有比第一直径小的第二直径。
14.一种操作具有多个输出端口的风扇的方法，所述方法包括：
由第一输出端口的输出产生第一音频分布；以及
由第二输出端口的输出产生第二音频分布，其中所述第一音频分布和所述第二音频分布可以彼此不同。
15.根据权利要求14所述的方法，其中组合的音频分布在特定风扇速度下被优化而且在其他特定风扇速度下未被优化。
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