紧凑涡旋风扇组件 |
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| 申请号 | CN201180041572.9 | 申请日 | 2011-09-01 | 公开(公告)号 | CN103200995B | 公开(公告)日 | 2015-07-01 |
| 申请人 | 3M创新有限公司; | 发明人 | 罗纳德·A·哈根; 基思·K·麦克劳克林; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及用于电动空气 净化 呼吸器(10)的 辐射 式 风 扇组件(18,20,30)，其至少包括 叶轮 (36)、印刷 电路 板(31)和涡旋壳体(22)。涡旋壳体具有第一(34)和第二(31)涡旋壳体元件。第二涡旋壳体元件包括印刷 电路板 的至少一部分。当辐射式风扇组件用于电动空气净化呼吸器时，呼吸器还可以包括诸如 过滤器 组件(26)的部件。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种辐射式风扇组件，用于电动空气净化呼吸器，所述辐射式风扇组件包括： |
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| 说明书全文 | 紧凑涡旋风扇组件技术领域背景技术[0002] 涡旋风扇也被称为辐射式或离心式风扇，用于各种装置并且用于各种目的。应用包括例如，气候控制、车辆和机器冷却系统、个人舒适性、通风、排烟、除尘和干燥。具体地，涡旋风扇可以用于许多装置，范围从头发吹风机和吹叶机到用于个人计算机和电动空气净化呼吸器的冷却单元。 [0003] 典型的涡旋风扇具有涡旋形壳体，并且具有称为叶轮的运动部件。叶轮通常包括中心轴，一组叶片或肋绕该中心轴定位。空气通常在轴中或轴附近进入风扇。然后，其在叶轮转动时在涡旋形风扇壳体中从轴运动到开口。空气通过偏转和离心力向外旋转到出口。涡旋风扇以与风扇的进气倾斜或垂直的角度将空气吹出。对于给定的空气体积，涡旋风扇可以产生比其它类型的风扇大的压力，这对于特定的应用（例如上述那些应用）而言可能是期望的。 [0004] 除了涡旋形壳体和叶轮之外，涡旋风扇通常还包括马达，并且通常还包括控制电路。传统的涡旋风扇构造具有涡旋壳体、封闭在涡旋壳体内的叶轮、转动叶轮的马达，并且通常还具有安装在马达内的小印刷电路板（PCB）。然后，马达和印刷电路板可以经由连接器带状物或其它装置连接到较大的印刷电路板。然后，涡旋和较大的印刷电路板容纳在它们的特定装置内。 [0005] 对于任何涡旋风扇设计而言，空间都可能是重要的限制因素。电动空气净化呼吸器（PAPR）也不例外。PAPR所含的涡旋风扇可以用于多种设计，包括罩子、头盔、面罩、套装、安装束带的呼吸器和其它形式。在许多这些设计中，特别是在期望PAPR是便携式的或由佩戴者运送的情况下，形成轻质的、人类工程学的和紧凑的设计是特别重要的。 发明内容[0006] 在一个方面，本发明涉及用于电动空气净化呼吸器的辐射式风扇组件。辐射式风扇组件至少包括叶轮、印刷电路板和涡旋壳体。涡旋壳体包括第一涡旋壳体元件和第二涡旋壳体元件。第二涡旋壳体元件包括印刷电路板的至少一部分。 [0008] 结合附图，由以下对本发明各实施例的详细描述可以更全面地理解本发明，其中： [0009] 图1示出了示例性电动空气净化呼吸器。 [0010] 图2示出了用于电动空气净化呼吸器的具有紧凑涡旋风扇组件的鼓风机组件的分解图。 [0011] 图3示出了紧凑涡旋风扇组件的俯视图。 [0012] 图4示出了紧凑涡旋风扇组件的分解图。 [0013] 图5示出了鼓风机组件的剖视图。 [0014] 图6示出了符合本发明的示例性印刷电路板的俯视图。 [0015] 在以下对图示实施例的描述中，参照了附图，并通过举例说明的方式在这些附图中示出在其中可以实施本发明的多种实施例。应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以使用实施例，并可以进行结构上的更改。附图未必按比例绘制。附图中所使用的类似标号是指类似部件。然而，应当理解，使用标号来指代给定附图中的部件并非意图限制另一附图中使用相同标号标记的部件。 具体实施方式[0016] 下面将结合附图对本发明进行更完整的描述，其中示出了本发明的优选的实施例。然而，本发明可体现为许多不同的形式，而不应限于在这里给出的实施例；更确切地说，提供这些实施例是为了使本发明将是全面且完整的，并将向本领域的技术人员完整传达本发明的范围。 [0017] 图1示出了示例性电动空气净化呼吸器10（PAPR）。电动空气净化呼吸器是一种常用类型的呼吸器，该呼吸器在已知存在可能危害或损害健康的粉尘、烟雾或气体或者存在这种风险的区域中有用。PAPR具有鼓风机组件18，该鼓风机组件18包括风扇，该风扇由电动马达驱动，以用于将强制空气流递送到呼吸器使用者。过滤器装配到鼓风机组件上，空气被风扇吸入而通过该过滤器。空气从鼓风机组件18穿过呼吸管或软管16，而到达使用者11所处的环境。这样的环境通常被面罩14（如图1所示）、头盔或套装围绕。在图示实施例中，面罩还包括保护头盔12。从而，软管16向使用者的呼吸区域58提供经过滤的空气。 [0018] 面罩14可相对透明，以允许佩戴者良好的可见性，并且可由聚碳酸酯材料或任何其他合适的材料制成。保护头盔12还可包括密封构件或面密封件13，其与使用者的面部接触以在使用者的呼吸区域58内的经过滤的空气与外部环境之间提供阻隔。面罩14可模制为单个单元，或者可包括多个部件（这些部件随后彼此附接），或者可由任何其他适当的方法构造而成。 [0019] 在所示的构造中，鼓风机组件18安装到束带19，并且由使用者11围绕腰部佩戴。或者，鼓风机组件可以安装到背包或者允许使用者佩戴或承载鼓风机组件18的任何其它装置。在图示实施例中，软管16用来将空气流从鼓风机组件18引导到面罩14和头盔12所含的使用者的呼吸区域58。 [0020] 尽管上面描述了PAPR的一种特定构造，根据本发明可使用任意种类或构型的PAPR。例如，在一种构造中，过滤器和鼓风机组件可以直接安装到保护头盔或面罩（也称为呼吸辅助PAPR）中。 [0021] 图2示出了用于电动空气净化呼吸器的具有紧凑辐射式或涡旋风扇组件30的鼓风机组件20的分解图。因为许多PAPR如上所述由使用者佩戴或运送，所以鼓风机组件的尺寸、重量和形状是重要的因素，并且能够有助于使用者的舒适性和移动性。风扇是PAPR内的重要部件。除了马达效率和速度之外，类似叶轮直径、叶片设计和涡旋壳体密封之类的因素可影响提供给使用者的空气压力和体积。 [0022] 图2示出了紧凑辐射式风扇组件30的实例，其能够降低风扇组件30在鼓风机组件20内所需的整体空间，同时保持空气体积和压力水平。鼓风机后壳体22提供用于鼓风机组件20的外部结构。后壳体22可以包括夹片、带子可以穿过的狭槽、互锁装置或者一个或多个其它特征，以用于将鼓风机组件20附接到能够由使用者佩戴或运送的束带、带具、背包或其它物品。在图示实施例中，风扇组件30装配成与鼓风机后壳体22相邻。风扇组件30包括第一涡旋壳体元件34和印刷电路板（PCB）31，该印刷电路板31在该实施例中用作第二涡旋壳体元件。第一涡旋壳体元件34可以是涡旋壳体的任何部分，用来将空气流引导通过涡旋风扇或者容纳空气流。第一涡旋壳体元件34可以具有任何可用形状，包括但不限于，圆柱形形状或碗形形状。第一涡旋壳体元件34可以模制、浇注、压制而成，或者通过任何其它合适的制造方法形成。 [0023] 第二涡旋壳体元件也可以是涡旋壳体的任何部分，用来将空气流引导通过涡旋风扇或者容纳空气流。虽然印刷电路板31在图示实施例中用作第二涡旋壳体元件，但是印刷电路板31可以仅仅为第二涡旋壳体元件的一部分。例如，由任何合适材料制成的额外部件可以固定到印刷电路板31，以在组合时形成第二涡旋壳体元件。 [0024] 第一涡旋壳体元件34安装到印刷电路板31，以形成用于空气的路径，该空气被吸入通过过滤器部件26，以涡旋方式转动，并且被提供给使用者。印刷电路板31可以使用为单层或多层、刚性或柔性形式的有机或无机基料。鼓风机前壳体24（鼓风机壳体的背离佩戴者身体的部分）装配在风扇组件30上，并且连接到鼓风机后壳体22。过滤器部件26装配到鼓风机前壳体24的前方。过滤器部件26可以通过各种方法附接到鼓风机前壳体24，这些方法为例如，通过使用夹片、螺钉、卡扣件、使过滤器部件26滑入狭槽、或者通过本领域已知的任何其它方法。该构造允许风扇组件将周围空气吸入通过过滤器部件26、进入叶轮36且围绕涡旋壳体（如后面的附图所示），并且迫使空气经由出口37到达使用者的呼吸区域。 [0025] 过滤器部件26可包括多种材料中的任何一种或多种，并可以多种物质为目标。例如，过滤器部件26可以包括传统的滤垫、带褶皱介质或任何其它类型的过滤介质或介质的组合。过滤介质可包括颗粒过滤介质、化学过滤介质或这二者的任意组合。化学过滤介质可包括吸附剂、催化剂或化学反应性介质中的一种或多种，并可以气体为目标，例如氨气、甲胺、甲醛、氯、氯化氢、二氧化硫、酸性气体、有机蒸气或者任何其他所需的气体或污染物。在一个实施例中，过滤器部件26可以弯曲以提供更加紧凑或人类工程学的构造。 [0026] 鼓风机组件20可以以多种不同的方式构造。风扇组件30优选地设置在过滤器部件26的下游，以防止风扇组件30从周围空气中收集污染物。然而，在可选的实施例中，过滤器部件26可以位于风扇组件30的下游。在另一个可选的实施例中，鼓风机壳体可以被设计成单个部件，而不是包括鼓风机后壳体22和鼓风机前壳体24。鼓风机壳体还可以具有多于两个的部件，或者包括仅两个部件，这两个部件以与图所示的不同的构造布置。鼓风机组件20也可以被构造为装配到头盔或面罩内部或者安装到头盔或面罩，或者用于任何其它类型的PAPR。 [0027] 图3示出了紧凑涡旋风扇组件30的俯视图。第一涡旋壳体元件34利用螺钉51安装到印刷电路板31，以形成涡旋风扇壳体54。或者，可以使用任何其它安装方法或装置，例如夹片、夹钳、卡扣件、销或本领域已知的任何其它方法，将第一涡旋壳体元件34固定到印刷电路板31。衬垫61或另一种密封元件可以设置在印刷电路板31和第一涡旋壳体元件34的边缘之间，以在印刷电路板31和第一涡旋壳体元件34之间提供不透空气或几乎不透空气的密封。衬垫61可以有任何合适的材料制成，包括弹性体材料，例如泡沫或橡胶类型的弹性体材料。在图示实施例中，印刷电路板31还具有安装到其上的其它部件，包括电池连接器35和其它分立的电气部件42，例如晶体管、微控制器、二极管、电阻器以及用于鼓风机组件20和甚至PAPR其它部分的控制电路中的其它部件。 [0028] 图4示出了紧凑涡旋风扇组件30的分解图。印刷电路板31用作涡旋壳体部件，使得其为涡旋壳体的一部分，并且引导风扇涡旋内的空气流或容纳该空气流。印刷电路板31还用作用于马达55的安装表面。马达55至少包括定子32、转子组件33、支承塔部62和霍尔效应传感器68。定子32可以焊接到或以其它方式固定到印刷电路板31。支承塔部62可以附接到或固定到印刷电路板31的一侧，该侧与固定定子32的一侧相对。支承塔部62可以利用螺钉或本领域已知的任何其它紧固方法附接到印刷电路板31。转子33可以固定在定子32上方。霍尔效应传感器68可以通过例如焊接的方法固定在印刷电路板31上，并且用来感测转子33的位置。该信息可以被反馈到马达控制器（未示出），以允许进行更加精确的马达控制。 [0029] 将马达55和第一涡旋风扇壳体元件34两者安装到印刷电路板31的一个优点在于，能够获得单个尺寸较大的印刷电路板31，以满足本安型应用的设计和安全要求。传统的马达设计具有安装在马达55内侧的较小的印刷电路板，并且连接器用来将马达55连接到其对应的驱动和安全部件，所述驱动和安全部件通常安装在第二印刷电路板上。将马达55安装到较大的印刷电路板31允许马达的驱动电子器件和安全部件直接安装到同一个印刷电路板31。安全部件的实例包括用来防止马达电压超出最大水平的二极管。然后，这些部件可以利用印刷电路板中的迹线连接到马达55，而不需要额外的连接器部件或带状物。这又可以降低连接失效或出现火花的可能性，并且使得该设计能够满足合格地用于危险位置的安全要求。 [0030] 叶轮36安装到转子组件33。在一个实施例中，叶轮36可以利用摩擦安装到转子组件33。或者，叶轮36可以直接模制到转子组件33上，利用粘合剂固定至转子组件33，或者通过任何其它合适的方法进行固定。第一涡旋壳体元件34最后安装到印刷电路板31，并且与印刷电路板31一起形成用于涡旋风扇组件30的涡旋壳体54。如图所示，在这个实施例中，仅仅印刷电路板31的一部分形成涡旋壳体54的一部分。在可选的实施例中，印刷电路板31的较大的或较小的表面区域可以用作涡旋壳体54的一部分。或者，多于两个的部件可以用来形成涡旋壳体54。 [0031] 定子32、转子组件33、支承塔部62和霍尔效应传感器68组合形成电动马达55，该电动马达55使叶轮36转动。当叶轮36转动时，其通过入口38吸入周围空气。叶轮36的叶片52迫使空气绕由第一涡旋壳体元件34和印刷电路板31形成的涡旋壳体54的空气通路53的曲线行进。出口部件37附接到涡旋壳体54。出口部件37可以将软管16（如图1所示）连接到涡旋壳体34，以确保涡旋风扇组件30和使用者的呼吸区域58（如图1所示）之间的空气流。 [0032] 电动马达55可以是适合用于涡旋风扇的任何类型的马达。例如，其可以是直流（DC）马达，例如电刷式或无电刷式DC马达。也可以使用交流（AC）马达，例如AC感应或AC同步马达。当电池用于向PAPR供电时，使用DC马达可能比AC马达更加有利，原因是使用AC马达需要另外使用电力变换器，以将DC电力转换为AC马达可用的形式。 [0033] 当电池用于向PAPR 10中的鼓风机组件20供电时，可以使用多种电池，包括锂离子、镍金属氢化物或镍镉电池。电池可以任何期望的方式连接到PAPR 10。例如，电池可以容纳在鼓风机组件20内，外部附接到鼓风机组件20，经由电缆附接到鼓风机中心20，或通过任何其它手段。在一个实施例中，电池连接器组件35可以被设计成为电池提供不透空气的密封，以防止连接器引脚被粉尘或其它可能有害的污染物污染。 [0034] 在图示实施例中，叶轮36具有向后倾斜的叶片52，但叶轮36可具有任何适当的叶片设计，例如向前弯曲的叶片、平坦叶片或者任何其他可行设计。叶轮36可以若干不同的件制造，这些件稍后彼此固定，或者整个叶轮36可为一体构造。例如，叶轮36的基部和叶片可模制为单个部件，并且随后固定到环形构造（例如，环），以形成叶轮36。叶轮36可模制而成或通过任何其他适当的方法制成。 [0035] 图5示出了鼓风机组件20的剖视图。在这个图示实施例中，鼓风机后壳体22形成鼓风机壳体的最靠近佩戴者的部分。T形夹片44从鼓风机后壳体22伸出，并且能够用来将鼓风机组件20固定到束带或其它类型的带子、支架或衣服。在这个例子中，鼓风机后壳体22的表面稍稍弯曲，以贴合佩戴者的腰部。印刷电路板31可以定位成与鼓风机后壳体22相邻。虽然在该具体实施例中印刷电路板31为刚性的，但是作为另外一种选择，印刷电路板31可以是柔性的，以更加贴合鼓风机后壳体22或鼓风机壳体的任何其它部件的形状。 柔性的印刷电路板包括形成在柔性基底上的印刷电路，以允许其折叠或弯曲。柔性的印刷电路板可以使得电路能够更好地装配到可用空间中，或者允许其更好地进行运动。 [0036] 包括支承塔部62、定子32和转子33的马达55安装到印刷电路板31。叶轮36通过马达55转动。第一涡旋壳体元件34固定到印刷电路板31，并且在这个例子中覆盖叶轮36和马达55，同时提供用于入口38的开口。鼓风机前壳体24覆盖叶轮，并且在这个例子中连接到鼓风机后壳体22以封闭涡旋风扇组件30。如上所述，本领域已知的任何类型的鼓风机壳体可以用于本发明。过滤器部件26安装到鼓风机前壳体22的顶部（如图所示）或面向外的表面。如上所述，过滤器部件26可以利用任何附接方法固定到鼓风机壳体或鼓风机壳体内，所述方法例如夹片、螺钉、卡扣件、使过滤器部件26滑入狭槽、或者通过本领域已知的任何其它方法。或者，过滤器部件26可以设置在涡旋风扇组件30的下游，或设置在PAPR上任何其它期望位置中。 [0037] 图6示出了符合本发明的印刷电路板31的俯视图。在这个例子中，定子32、电池连接器组件35和其它电气部件42安装到印刷电路板31。另外，传感器43可以安装到印刷电路板31。在一个实施例中，传感器43处于涡旋风扇组件30的空气流动路径中。 [0038] 本领域已知的任何类型的印刷电路板31可以用于本发明。印刷电路板通常用来机械地支承和利用导电通路或迹线57电连接电子部件。印刷电路板及其迹线可以以多种方式制成。例如，迹线57可以由层合到非导电基底上的铜片材蚀刻而成。基底可以由多种材料制成。例如，其可以由与环氧树脂预先绝缘浸渍的纤维层合在一起的多层电介质制成。一种通用的电介质为聚四氟乙烯。预先绝缘浸渍的纤维可以为例如，酚醛棉纸、棉纸和环氧树脂、织造玻璃和环氧树脂、糙面玻璃和聚酯等。在各层环氧树脂层合在一起之后，它们可以涂覆有由例如薄铜箔制成的导电层。 [0039] 迹线57可以由若干不同的方法形成。例如，利用丝网印花法，在施加临时掩模之后可以移除不期望的铜，从而仅仅留下期望的铜迹线。在期望的铜迹线上的这样的掩模可以通过利用丝网印刷施加耐蚀刻墨水以保护铜箔而形成。然后，后续的蚀刻可以移除不期望的墨水。凸版印刷方法使用光掩模和化学蚀刻，以从基底移除铜箔。光掩模可以通过光电绘图仪利用由技术人员用计算机辅助制造软件提供的数据制备而成。印刷电路板研磨利用两轴或三轴机械研磨系统，以将铜箔从基底研磨出去。对于较小数量或原型数量，研磨可能是尤其有用的。迹线57还可以通过叠加工艺形成，其中颠倒掩模施加在印刷电路板上的铜层或导电层上，使得仅仅显出期望的迹线。然后，额外的铜或导电材料可以在未掩模区域中镀到板上。 [0040] 印刷电路板31可以在其两个主表面上具有迹线。钻出通过印刷电路板的通路、孔通常填充有导电材料的环形环，以允许印刷电路板的相对侧上的导体或迹线的热和电气连接。另外，某些印刷电路板（称为多层印刷电路板）在印刷电路板内具有迹线层。这些可以通过将单独蚀刻的板粘接在一起而形成。 [0041] 印刷电路板31上的迹线57可以涂覆有例如光阻材料的材料，以防止暴露的铜被蚀刻出去。不应当焊接的区域或不容纳迹线的区域可以覆盖有焊接掩模涂层。这样的涂层可以防止焊料跨接在导体之间，并且可以防止产生短路。 [0042] 其它的涂层可以施加到印刷电路板31。例如，诸如环氧树脂或硅树脂的保形涂层可以施加到印刷电路板的整个表面或者印刷电路板表面的仅仅一部分。例如，印刷电路板TM TM31的最接近第一涡旋壳体元件的部分可以用保形涂层密封。一种示例性涂层为3M Novec涂层流体，由明尼苏达圣保罗的3M公司制造。涂料可以用来密封印刷电路板表面上任何暴露的迹线或通路，并且除了保护安装到印刷电路板表面的任何部件之外，还提供对印刷电路板表面的保护。在一些实施例中，印刷电路板的最接近第一涡旋元件的一侧上的这种涂层可以用作流体屏蔽件。这可以提高风扇的效率，继而提高PAPR的效率。 [0043] 在还安装有第一涡旋壳体元件34的印刷电路板31的同一表面上，传感器43可以安装到印刷电路板31上任何适当的位置。另外，传感器43可以安装到印刷电路板31的相对侧，或者可以安装到涡旋风扇的空气路径中的区域，使得其设置在涡旋壳体的内部中。传感器43可以监测参数，例如温度、空气压力、马达位置、马达速度或任何其它期望的参数。TM 可以用于本发明的传感器的实例包括，由德克萨斯州奥斯汀的Freescale 配销的MPL115A数字气压计，或由新泽西州莫里森的Honeywell有限公司配销的ASDX系列压力传感器，或者任何其它合适的传感器。 [0044] 其它有源或无源的电气部件42可以安装在印刷电路板31上任何期望的位置处。例如，微处理器、电阻器、电容器、晶体管、二极管、继电器、无线收发机或任何其它部件或这些部件的组合可以用于本发明。部件42可以安装在涡旋壳体的内部中、安装在涡旋壳体的外部上、或者安装在印刷电路板31的与第一涡旋壳体元件相对的一侧上。 [0045] 电子器件42可以是用于PAPR任何部分或用于整个PAPR的控制电子器件。例如，控制电子器件42可以用来监控PAPR的空气流的速率，计算剩下的电池寿命，监控过滤器负载和任何其它期望的参数。 [0046] 连接器35（例如单独的部件或者一个或多个导体）可以用来将印刷电路板31和其上的任何部件连接到电源。如上所述，在一个实施例中，电源可以是电池。或者，其可以是AC电源的形式。用于印刷电路板31的电源可以以任何期望的方式设置。例如，其可以安装到印刷电路板31上，电气地安装到印刷电路板31并安装到别的地方，或者不安装。 |
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