冷却风扇
阅读：110发布：2022-08-13
专利汇可以提供冷却风扇专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种冷却 风 扇，该 冷却风扇 包括：第一 叶轮 和第二叶轮，与所述第一叶轮相比，除了所述第二叶轮具有成反向倾斜的翼面 叶片 外，所述第二叶轮与所述第一叶轮基本上相同；所述第一叶轮和所述第二叶轮适合于在一单个 外壳 中 定位 ；所述第一叶轮沿第一方向旋转，所述第二叶轮沿与所述第一叶轮的第一方向相反的方向旋转；所述第二叶轮和所述第一叶轮一样将空气压入同一轴向方向；和利用与所述第一叶轮相同的两个叶轮，在所述外壳中的所述叶轮的气流基本上大于等同的共旋风扇的气流。，下面是冷却风扇专利的具体信息内容。
1.一种冷却风扇，该冷却风扇包括：
第一叶轮和第二叶轮，与所述第一叶轮相比，除了所述第二叶轮具有成反 向倾斜的翼面叶片外，所述第二叶轮与所述第一叶轮基本上相同；
所述第一叶轮和所述第二叶轮适合于在一单个外壳中定位；其中
所述第一叶轮沿第一方向旋转，所述第二叶轮沿与所述第一叶轮的第一方 向相反的方向旋转；
所述第二叶轮和所述第一叶轮一样将空气压入同一轴向方向；和
利用与所述第一叶轮相同的两个叶轮，在所述外壳中的所述叶轮的气流基 本上大于等同的共旋风扇的气流。
2.一种轴流式风扇，该轴流式风扇包括：
基本上以单一旋转轴线为中心的多个不共心的叶轮，其中，所述多个叶轮 至少包括第一叶轮和第二叶轮；
一个或更多个定子组件；
用于使每个叶轮与定子组件连接的装置，从而每个叶轮围绕所述旋转轴线 自由旋转，但是否则被固定就位；
双极电动机，用于使所述第一叶轮沿第一方向旋转；和
双极电动机，用于使所述第二叶轮沿与所述第一方向相反的方向旋转；其 中
所述多个叶轮中的每个叶轮包括圆箍和多个翼面叶片；
与所述第一叶轮的多个翼面叶片相比，所述第二叶轮的多个翼面叶片是不 同数量的翼面叶片；
所述第一叶轮的多个翼面叶片被配置成当所述第一叶轮旋转时使空气沿与 所述旋转轴线基本上平行的方向流动；
所述第二叶轮的多个翼面叶片被配置成当所述第二叶轮沿与所述第一叶轮 相反的方向旋转时使空气沿与由所述第一叶轮产生的气流相同的轴向流动。
3.根据权利要求2的轴流式风扇，其中，所述第一叶轮具有十三个翼面叶 片，所述第二叶轮具有十一个翼面叶片。
4.一种冷却风扇，该冷却风扇包括：
N个基本上同轴的叶轮，其中，每个叶轮包括翼面叶片；以及其中，至少 一个叶轮相对于所述N个叶轮中的第一叶轮的旋转方向反向旋转，其中，N是 整数，并且所述N个叶轮将空气压入同一方向，所述叶轮适合于在一外壳中定 位，并且所述外壳中的所述叶轮的气流大于单独采用N个叶轮的每个叶轮的气 流的和，假定在风扇的出口处的静压力大于某一最小压力。
5.一种冷却风扇，该冷却风扇包括：
N个基本上同轴并基本上相同的叶轮，其中，每个叶轮包括翼面叶片；并 且至少一个叶轮相对于所述N个叶轮中的第一叶轮的旋转方向反向旋转，其中， N是整数，并且所述N个叶轮将空气压入同一方向，所述叶轮适合于在一外壳 中定位，并且所述外壳中的所述叶轮的气流大于所述叶轮中的单个叶轮的气流 的N倍，假定在风扇的出口处的静压力大于某一最小压力。
6.根据权利要求5所述的冷却风扇，其中：
N等于2，并且所述最小压力等于0.3英寸水柱。
7.一种轴流式风扇，该风扇包括：
基本上以单一旋转轴线为中心的多个不共心的叶轮，其中，所述多个叶轮 至少包括第一叶轮和第二叶轮；
一个或更多个定子组件；
用于使每个叶轮与定子组件连接的装置，从而每个叶轮围绕所述旋转轴线 自由旋转，但是否则被固定就位；
双极电动机，用于使所述第一叶轮沿第一方向旋转；和
双极电动机，用于使所述第二叶轮沿与所述第一方向相反的方向旋转；其 中
所述多个叶轮中的每个叶轮包括圆箍和多个翼面叶片；
所述第一叶轮的多个翼面叶片被配置成当所述第一叶轮旋转时使空气沿与 所述旋转轴线基本上平行的方向流动；
所述第二叶轮的多个翼面叶片被配置成当所述第二叶轮沿与所述第一叶轮 相反的方向旋转时使空气沿与由所述第一叶轮产生的气流相同的轴向流动。
8.根据权利要求7的轴流式风扇，其中：
所述翼面叶片具有沿所述翼面叶片径向任意位置截取的横截面形状，该横 截面形状的特征在于具有基本固定地位于约16％弦长至约23％弦长之间的最 大厚度和基本固定地位于40％弦长至51％弦长之间的最大弯度。
9.一种用于冷却电子元件的轴流式风扇，该风扇包括：
基本上以单一旋转轴线为中心的多个不共心的叶轮，其中，所述多个叶轮 至少包括第一叶轮和第二叶轮；
一个或更多个定子组件；
用于使每个叶轮与定子组件连接的装置，从而每个叶轮围绕所述旋转轴线 自由旋转，但是否则被固定就位；
用于使所述第一叶轮沿第一方向旋转的装置；和
用于使所述第二叶轮沿与所述第一方向相反的方向旋转的装置；其中
所述多个叶轮中的每个叶轮包括圆箍和多个翼面叶片；
所述第一叶轮的多个翼面叶片被配置成当所述第一叶轮旋转时使空气沿与 所述旋转轴线基本上平行的方向流动；
所述第二叶轮的多个翼面叶片被配置成当所述第二叶轮沿与所述第一叶轮 相反的方向旋转时使空气沿与由所述第一叶轮产生的气流相同的轴向流动。
10.根据权利要求9的轴流式风扇，该风扇还包括一外壳，所述多个叶轮 被封入该外壳中。
11.根据权利要求10的轴流式风扇，其中，所述外壳被做成圆锥形。
12.根据权利要求9的轴流式风扇，该风扇还包括：
用于所述叶轮的翼面叶片具有根部、顶部、前缘和尾缘，所述翼面叶片具 有：
沿所述翼面叶片径向任意位置截取的横截面形状，该横截面形状的特征在 于具有基本固定为弦长的百分比的最大厚度和基本固定为弦长的百分比的最大 弯度。
13.根据权利要求9的轴流式风扇，该风扇还包括：
用于所述叶轮的翼面叶片具有根部、顶部、前缘和尾缘，所述翼面叶片具 有：
沿所述翼面叶片径向任何位置截取的横截面形状，该横截面形状的特征在 于具有基本固定地位于约16％弦长至约23％弦长之间的最大厚度和基本固定 地位于40％弦长至51％弦长之间的最大弯度。
14.根据权利要求9所述的轴流式风扇，该风扇还包括：
用于所述叶轮的翼面叶片具有根部、顶部、前缘和尾缘，所述翼面叶片的 特征在于：
在平面形式中，所述翼面叶片的每一个在最大弦长位于所述根部和所述预 部之间的同时从所述根部变化到所述顶部，所述翼面叶片的所述前缘和所述尾 缘从所述根部凸起到所述顶部；和
沿所述翼面叶片径向任意位置截取的横截面形状，该横截面形状的特征在 于具有基本固定为弦长的百分比的最大厚度。
15.根据权利要求14的轴流式风扇，其中，所述最大厚度基本固定地位于 约16％弦长至约23％弦长之间。
16.根据权利要求14的轴流式风扇，其中，所述最大弯度基本固定地位于 40％弦长至51％弦长之间。
17.根据权利要求9的轴流式风扇，该风扇还包括：
用于所述叶轮的翼面叶片具有根部、顶部、前缘和尾缘，所述翼面叶片的 特征在于：
在平面形式中，所述翼面叶片的每一个在最大弦长位于所述根部和所述顶 部之间的同时从所述根部变化到所述顶部，所述翼面叶片的所述前缘和所述尾 缘从所述根部凸起到所述顶部；和
沿所述翼面叶片径向任意位置截取的横截面形状，该横截面形状的特征在 于具有凸形上表面和下表面，所述前缘为类似于抛物线形状，该下表面向所述 前缘凸起并向所述尾缘凹入。
18.根据权利要求9的轴流式风扇，该风扇还包括：
用于所述叶轮的翼面叶片具有根部、顶部、前缘和尾缘，所述翼面叶片具 有：
沿所述翼面叶片径向任意位置截取的横截面形状，该横截面形状的特征在 于具有基本固定为弦长的百分比的最大厚度和基本固定为弦长的百分比的最大 弯度、凸形上表面和下表面，所述前缘为类似于抛物线形状，该下表面向所述 前缘凸起并向所述尾缘凹入。
技术领域
本发明涉及一种冷却风扇，尤其涉及一种同轴反向旋转叶轮的多叶轮装置。 本发明的多叶轮反向旋转轴流式风扇特别适用于冷却电子元件。
背景技术
传统的轴流式风扇一般包括一个驱动电动机、一个安装在与驱动电动机相 连的电动机轴上的圆柱形中央轮毂部分、多个附于该轮毂的叶片和一个用于把 风扇或叶轮包起来的外壳，此处所用的风扇或叶轮看作相同的术语。每个叶片 从风扇的中央轮毂部分径向向外延伸。电动机轴从中心孔连接到轮毂部分，因 此轮毂部分可以被驱动电动机通过机动轴驱动旋转。在这样的装置中，轮毂部 分和叶片一起由电动机驱动绕外壳的轴旋转，从而推动气流从风扇的进气区域 流到出气区域。风扇的叶片是翼面构型，以便使叶片在与其旋转方向相反的方 向产生力和在与其旋转方向垂直的方向产生气流。
众所周知，例如由IMC磁性元件公司，即本申请的受让人生产的No.5920 型轴流式风扇利用了一个使用四极电动机的单极绕组，但同时仅有两个绕组接 通。这些风扇使用了包括大尺寸电路元件的电路系统，例如，一个用于减小启 动电流的感应器，用于控制功率级足够大的晶体管和用于保护这些晶体管所需 的大型箝位二极管。这样的轴流式见扇不能使用57V-64V范围内的输入电压， 而被限制在最大输入电压约56V的范围内，更典型地在输入电压约48V下运行。
由于单极绕组所需匝数，同时也由于二极管、感应器和所用的晶体管的大 尺寸，No.5920型风扇的轴宽为两英寸。而且，No.5920型风扇的轴宽被认为是 它的五个叶片所造成的，其中每个叶片的特征在于近似描述为曲平面板的对称 横截面。因此，这些叶片空气动力的效能不高，因而需要一个更大的弦长，来 满足促使No.5920型风扇的尺寸达到两英寸轴宽的性能需要。
随着电路板上的电子元件的密度及承载能力的不断提高，以及由此产生的 加热问题的间接增多，轴流式风扇越来越多地致力于解决这样的加热问题。在 这样的轴流式风扇的设计中，重要的是在保持、或甚至提高它们冷却电子元件 的能力的同时，要使它们尽可能的小以及成本尽可能的低。特别重要的是尽可 能减小这种风扇的外形尺寸。例如，No.5920型风扇的两英寸轴宽比用于冷却电 子元件的轴流式风扇所用的最佳尺寸要宽。因此，最好是在保持它的性能参数 和设计约束条件的同时能减小它的尺寸。
减小这种风扇的外形尺寸的一种方法是，在保持性能参数和设计约束条件 的同时消除大的电子元件以及减小其它元件的尺寸。例如，轴流式风扇的外壳 可以用作吸热器，通过消除对单独吸热器的需要来减小风扇的轴宽。
另外，为了减小轴流式风扇的外形尺寸，最好是使用窄弦叶片。但是，这 种窄弦叶片的使用导致性能降低，尤其是风扇压力和气流的降低。这些性能的 降低必须通过改变设计参数来补偿。众所周知，在其它的因素中，弦长、叶形 中心线弯曲角(Camber angle)、叶片安装角(stagger angle)和叶片的横截面 形状是可能影响风扇性能的因素。另外，众所周知，通过沿着叶片展长改变工 作分布，在保持性能参数的同时，弦长可以沿着叶片展长变化。
理论上，叶形中心线弯曲角越大，在固定冲角下的提升力越大。但是，如 果叶形中心线弯曲角太大，叶片可能失速，导致性能下降以及噪声波形(noise signature)增大。因此，叶形中心线弯曲角必须设计为合适的值。
通过一个更进一步的实例，工作分布在径向位置的降低将便于弦长的减小， 伴随着在径向位置叶片输出速度的降低。因此，最好是在轮毂部分(叶片根部) 使工作分布达到最小，因为这影响到轴宽，以及在叶片顶部使工作分布达到最 大，以便在顶部产生最大的叶片输出速度。这种方法曾在美国专利No.5,320,493 中公开。但是，由于叶片顶部输出速度的增加和从叶片顶部喷出的湍流空气的 增加，这种方法可能会导致风扇的噪声波形过度增大。因此，最好是在处于根 部和顶部间的某个有利位置确定最大工作分布。
此外，叶片的横截面形状影响它的速度分布。圆弧轮廓，例如NACA系列 65个翼面示出一个流速分布图，该图导致速度在叶片尾缘沿着吸力面急剧下降。 这样大的减速率导致边界层更加不稳定，促使边界层分离并因此导致升力损失 和更大的输出叶片的湍流空气。因此，横截面翼面的流速分布图必须设计成会 得到有利的流速分布图。
现有各种美国专利在这方面已经取得进展。例如，美国专利No.4,971,520、 No.4,569,631、No.5,244,347、No.5,326,225、No.5,513,951、No.5,320,493、 No.5,181,830、No.5,273,400、No.2,811,303和No.5,730,483公开了轴流式 风扇。但是，在这些专利中公开的风扇没有有效地组合上述参数以克服上面所 描述的问题。尤其是没有发明公开一种翼型或叶片，该翼型或叶片在减小风扇 轴宽的同时表现出本发明的性能。并且也没有任何发明公开在多叶轮反向旋转 装置中应用这种优化叶片，以进一步开发分别减小每个叶轮宽度并得到外形尺 寸小性能高的风扇。
在不相似的飞行器旋翼领域，如Sudrow的美国专利No.3,127,093中所公 开，使用多个共轴旋翼人所共知。Sudrow的专利公开了一种“用于飞行器的函 道支重旋翼”，这种旋翼利用了两套共轴旋翼，其中每一套有多个翼面构成以产 生提升力。这些旋翼装到电动机轴上，该电动机轴能够反向旋转。这种反向旋 转装置被用来降低扭矩，减少轴向气流以及降低振动和噪声。
与装在飞行器旋翼上的翼面不同，构成装在风扇转子上的翼面以产生气流。 传统理论预测，在没有显著下游流阻的自由流动环境中，串联运行的两个相同 的轴流式风扇不会比其中一个自己运行的轴流式风扇提供更多的气流。传统理 论还预测，在有显著下游流阻的流动受限制的环境中，串联运行的两个相同的 轴流式风扇最多提供独自运行的单个风扇气流的两倍气流，这里只有当下游流 阻变得非常大时才能达到最大的增加。传统理论进一步预测，在反向旋转装置 中放置另外两个相同的轴流式风扇，通过颠倒一个这样风扇的转子并以与其它 风扇转子相反的方向旋转该转子，则可以提供与共旋(Co-rotating)装置中风 扇相同的气流量。由于用两个风扇的成本和功率需求是用一个风扇的两倍，传 统的理论不支持使用相对复杂和体积庞大的反向旋转装置。
Weske的美国专利No.2,313,413公开了一种轴流式风扇，该风扇使用多个 带有交替固定叶片的共旋叶轮。Van Houten等人的美国专利No.5,931,640公 开了使用带有反向偏斜叶片的两个反向旋转风扇，以用作车用发动机冷却风扇。 这些专利公开了这些装置使风扇在低速运行时能产生所需要的气流。这些专利 也讲到所公开的装置降低了附加损失并提供了改进的声音性能。
众所周知，例如由IMC磁性元件公司，即本申请的受让人生产的No.5920 型轴流式风扇利用了一个使用四极电动机的单极绕组，但同时仅有两个绕组接 通。这些风扇使用了包括大尺寸电路元件的电路系统，例如，一个用于减小启 动电流的感应器，用于控制功率级足够大的晶体管和用于保护这些晶体管所需 的大型箝位二极管。这样的轴流式见扇不能使用57V-64V范围内的输入电压， 而被限制在最大输入电压约56V的范围内，更典型地在输入电压约48V下运行。
由于单极绕组所需匝数，同时也由于二极管、感应器和所用的晶体管的大 尺寸，No.5920型风扇的轴宽为两英寸。而且，No.5920型风扇的轴宽被认为是 它的五个叶片所造成的，其中每个叶片的特征在于近似描述为曲平面板的对称 横截面。因此，这些叶片空气动力的效能不高，因而需要一个更大的弦长，来 满足促使No.5920型风扇的尺寸达到两英寸轴宽的性能需要。
随着电路板上的电子元件的密度及承载能力的不断提高，以及由此产生的 加热问题的间接增多，轴流式风扇越来越多地致力于解决这样的加热问题。在 这样的轴流式风扇的设计中，重要的是在保持、或甚至提高它们冷却电子元件 的能力的同时，要使它们尽可能的小以及成本尽可能的低。特别重要的是尽可 能减小这种风扇的外形尺寸。例如，No.5920型风扇的两英寸轴宽比用于冷却电 子元件的轴流式风扇所用的最佳尺寸要宽。因此，最好是在保持它的性能参数 和设计约束条件的同时能减小它的尺寸。
减小这种风扇的外形尺寸的一种方法是，在保持性能参数和设计约束条件 的同时消除大的电子元件以及减小其它元件的尺寸。例如，轴流式风扇的外壳 可以用作吸热器，通过消除对单独吸热器的需要来减小风扇的轴宽。
另外，为了减小轴流式风扇的外形尺寸，最好是使用窄弦叶片。但是，这 种窄弦叶片的使用导致性能降低，尤其是风扇压力和气流的降低。这些性能的 降低必须通过改变设计参数来补偿。众所周知，在其它的因素中，弦长、叶形 中心线弯曲角(Camber angle)、叶片安装角(stagger angle)和叶片的横截面 形状是可能影响风扇性能的因素。另外，众所周知，通过沿着叶片展长改变工 作分布，在保持性能参数的同时，弦长可以沿着叶片展长变化。
理论上，叶形中心线弯曲角越大，在固定冲角下的提升力越大。但是，如 果叶形中心线弯曲角太大，叶片可能失速，导致性能下降以及噪声波形(noise signature)增大。因此，叶形中心线弯曲角必须设计为合适的值。
通过一个更进一步的实例，工作分布在径向位置的降低将便于弦长的减小， 伴随着在径向位置叶片输出速度的降低。因此，最好是在轮毂部分(叶片根部) 使工作分布达到最小，因为这影响到轴宽，以及在叶片顶部使工作分布达到最 大，以便在顶部产生最大的叶片输出速度。这种方法曾在美国专利No.5,320,493 中公开。但是，由于叶片顶部输出速度的增加和从叶片顶部喷出的湍流空气的 增加，这种方法可能会导致风扇的噪声波形过度增大。因此，最好是在处于根 部和顶部间的某个有利位置确定最大工作分布。
此外，叶片的横截面形状影响它的速度分布。圆弧轮廓，例如NACA系列 65个翼面示出一个流速分布图，该图导致速度在叶片尾缘沿着吸力面急剧下降。 这样大的减速率导致边界层更加不稳定，促使边界层分离并因此导致升力损失 和更大的输出叶片的湍流空气。因此，横截面翼面的流速分布图必须设计成会 得到有利的流速分布图。
现有各种美国专利在这方面已经取得进展。例如，美国专利No.4,971,520、 No.4,569,631、No.5,244,347、No.5,326,225、No.5,513,951、No.5,320,493、 No.5,181,830、No.5,273,400、No.2,811,303和No.5,730,483公开了轴流式 风扇。但是，在这些专利中公开的风扇没有有效地组合上述参数以克服上面所 描述的问题。尤其是没有发明公开一种翼型或叶片，该翼型或叶片在减小风扇 轴宽的同时表现出本发明的性能。并且也没有任何发明公开在多叶轮反向旋转 装置中应用这种优化叶片，以进一步开发分别减小每个叶轮宽度并得到外形尺 寸小性能高的风扇。
在不相似的飞行器旋翼领域，如Sudrow的美国专利No.3,127,093中所公 开，使用多个共轴旋翼人所共知。Sudrow的专利公开了一种“用于飞行器的函 道支重旋翼”，这种旋翼利用了两套共轴旋翼，其中每一套有多个翼面构成以产 生提升力。这些旋翼装到电动机轴上，该电动机轴能够反向旋转。这种反向旋 转装置被用来降低扭矩，减少轴向气流以及降低振动和噪声。
与装在飞行器旋翼上的翼面不同，构成装在风扇转子上的翼面以产生气流。 传统理论预测，在没有显著下游流阻的自由流动环境中，串联运行的两个相同 的轴流式风扇不会比其中一个自己运行的轴流式风扇提供更多的气流。传统理 论还预测，在有显著下游流阻的流动受限制的环境中，串联运行的两个相同的 轴流式风扇最多提供独自运行的单个风扇气流的两倍气流，这里只有当下游流 阻变得非常大时才能达到最大的增加。传统理论进一步预测，在反向旋转装置 中放置另外两个相同的轴流式风扇，通过颠倒一个这样风扇的转子并以与其它 风扇转子相反的方向旋转该转子，则可以提供与共旋(Co-rotating)装置中风 扇相同的气流量。由于用两个风扇的成本和功率需求是用一个风扇的两倍，传 统的理论不支持使用相对复杂和体积庞大的反向旋转装置。
Weske的美国专利No.2,313,413公开了一种轴流式风扇，该风扇使用多个 带有交替固定叶片的共旋叶轮。Van Houten等人的美国专利No.5,931,640公 开了使用带有反向偏斜叶片的两个反向旋转风扇，以用作车用发动机冷却风扇。 这些专利公开了这些装置使风扇在低速运行时能产生所需要的气流。这些专利 也讲到所公开的装置降低了附加损失并提供了改进的声音性能。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供一种冷却风扇，该冷却风扇包括：第一叶轮 和第二叶轮，与所述第一叶轮相比，除了所述第二叶轮具有成反向倾斜的翼面 叶片外，所述第二叶轮与所述第一叶轮基本上相同；所述第一叶轮和所述第二 叶轮适合于在一单个外壳中定位；所述第一叶轮沿第一方向旋转，所述第二叶 轮沿与所述第一叶轮的第一方向相反的方向旋转；所述第二叶轮和所述第一叶 轮一样将空气压入同一轴向方向；和利用与所述第一叶轮相同的两个叶轮，在 所述外壳中的所述叶轮的气流基本上大于等同的共旋风扇的气流。
根据本发明的另一方面，提供一种轴流式风扇，该轴流式风扇包括：基本 上以单一旋转轴线为中心的多个不共心的叶轮，其中，所述多个叶轮至少包括 第一叶轮和第二叶轮；一个或更多个定子组件；用于使每个叶轮与定子组件连 接的装置，从而每个叶轮围绕所述旋转轴线自由旋转，但是否则被固定就位； 双极电动机，用于使所述第一叶轮沿第一方向旋转；双极电动机，用于使所述 第二叶轮沿与所述第一方向相反的方向旋转；其中所述多个叶轮中的每个叶轮 包括圆箍和多个翼面叶片；与所述第一叶轮的多个翼面叶片相比，所述第二叶 轮的多个翼面叶片是不同数量的翼面叶片；所述第一叶轮的多个翼面叶片被配 置成当所述第一叶轮旋转时使空气沿与所述旋转轴线基本上平行的方向流动； 所述第二叶轮的多个翼面叶片被配置成当所述第二叶轮沿与所述第一叶轮相反 的方向旋转时使空气沿与由所述第一叶轮产生的气流相同的轴向流动。
根据本发明的另一方面，提供一种冷却风扇，该冷却风扇包括：N个基本 上同轴的叶轮，其中，每个叶轮包括翼面叶片；以及其中，至少一个叶轮相对 于所述N个叶轮中的第一叶轮的旋转方向反向旋转，其中，N是整数，并且所 述N个叶轮将空气压入同一方向，所述叶轮适合于在一外壳中定位，并且所述 外壳中的所述叶轮的气流大于单独采用N个叶轮的每个叶轮的气流的和，假定 在风扇的出口处的静压力大于某一最小压力。
根据本发明的另一方面，提供一种冷却风扇，该冷却风扇包括：N个基本 上同轴并基本上相同的叶轮，其中，每个叶轮包括翼面叶片；并且至少一个叶 轮相对于所述N个叶轮中的第一叶轮的旋转方向反向旋转，其中，N是整数， 并且所述N个叶轮将空气压入同一方向，所述叶轮适合于在一外壳中定位，并 且所述外壳中的所述叶轮的气流大于所述叶轮中的单个叶轮的气流的N倍，假 定在风扇的出口处的静压力大于某一最小压力。
根据本发明的另一方面，提供一种轴流式见扇，该风扇包括：基本上以单 一旋转轴线为中心的多个不共心的叶轮，其中，所述多个叶轮至少包括第一叶 轮和第二叶轮；一个或更多个定子组件；用于使每个叶轮与定子组件连接的装 置，从而每个叶轮围绕所述旋转轴线自由旋转，但是否则被固定就位；双极电 动机，用于使所述第一叶轮沿第一方向旋转；双极电动机，用于使所述第二叶 轮沿与所述第一方向相反的方向旋转；其中所述多个叶轮中的每个叶轮包括圆 箍和多个翼面叶片；所述第一叶轮的多个翼面叶片被配置成当所述第一叶轮旋 转时使空气沿与所述旋转轴线基本上平行的方向流动；所述第二叶轮的多个翼 面叶片被配置成当所述第二叶轮沿与所述第一叶轮相反的方向旋转时使空气沿 与由所述第一叶轮产生的气流相同的轴向流动。
根据本发明的另一方面，提供一种用于冷却电子元件的轴流工风扇，该风 扇包括：基本上以单一旋转轴线为中心的多个不共心的叶轮，其中，所述多个 叶轮至少包括第一叶轮和第二叶轮；一个或更多个定子组件；用于使每个叶轮 与定子组件连接的装置，从而每个叶轮围绕所述旋转轴线自由旋转，但是否则 被固定就位；用于使所述第一叶轮沿第一方向旋转的装置；用于使所述第二叶 轮沿与所述第一方向相反的方向旋转的装置；其中所述多个叶轮中的每个叶轮 包括圆箍和多个翼面叶片；所述第一叶轮的多个翼面叶片被配置成当所述第一 叶轮旋转时使空气沿与所述旋转轴线基本上平行的方向流动；所述第二叶轮的 多个翼面叶片被配置成当所述第二叶轮沿与所述第一叶轮相反的方向旋转时使 空气沿与由所述第一叶轮产生的气流相同的轴向流动。
现有技术中没有发明公开一种多叶轮同轴反向旋转风扇，它能提供相对于 单叶轮风扇按传统理论预测所产生的气流更多的气流。现有技术中没有发明公 开一种反向旋转风扇，它向增压环境中提供的气流比共旋风扇提供的多过一倍。 现有技术中没有发明公开这些因素的组合阐明这样一种叶片，它在减小外形尺 寸到本发明尺寸的同时表现出所期望的性能。另外，现有技术中没有发明公开 在制造双叶轮同轴反向旋转风扇过程中使用这种优化叶片。
通过实验已经表明，当与单叶轮风扇比较时，装有使用本文所述改进的叶 片设计的反向旋转叶轮风扇将使气流得到增强，这种增强比按传统理论预测的 要大相当多。另外已经表明，装有使用本文所述改进的叶片设计的反向旋转叶 轮风扇比另外相同装有共旋叶轮风扇向增压环境中提供的气流多过一倍。因此， 本发明的一个目的是提供一种多叶轮轴流式风扇，其中叶轮是基本上同轴反向 旋转的，显著提高了性能参数。
本发明另一个目的是提供一种叶片，该叶片与一种翼剖面结合，该翼剖面 能在保持性能参数和设计约束条件的同时降低轴流式风扇的轴宽。
本发明再一个目的是提供一种叶片，该叶片与一种翼剖面结合，该翼剖面 在叶片根部和顶部之间设置最大工作分布的同时，考虑轴流式风扇轴宽的减小。
本发明又一个目的是提供一种叶片，该叶片与一种翼剖面结合，该翼剖面 在保持叶片吸入边合适流速分布的同时考虑轴流式风扇外形尺寸的减小。
本发明还有一个目的是提供一种反向旋转叶轮装置，该装置提供增加轴向 气流，该气流比利用理论模型预测所提供的气流大得多。
本发明再有一个目的是提供一种反向旋转叶轮装置，该装置向增压环境中 提供的气流比另外相同的共旋叶轮装置提供的多过一倍。
本发明又有一个目的是通过利用与制造反向旋转多叶轮装置相同的方法开 发减小轴流式风扇的宽度，该反向旋转多叶轮装置在电风扇一定设计约束条件 下有可能使轴向气流达到增加，以用于冷却电子部件。
这些目的和其它目的由一种轴流式风扇结构实现，该风扇结构包括至少两 个同轴转子组件，其中每个转子组件还包括一个带有多个叶片的叶轮；并且所 述转子组件中至少一个是这样构形的，即它以与第一个所述转子组件相反的方 向旋转；并且其中在每个转子组件上的叶片是这样构形的，即每个叶轮和其它 叶轮一样将空气压入同一轴向方向。
这些目的和其它目的进一步通过提供装有叶片的所述叶轮来实现，所述叶 片具有如下特征：有根部、顶部、前缘和尾缘；沿叶片径向任何位置截取具有 横截面形状的叶片的特征在于：基本上固定设在约19％到约20％弦长之间的最 大厚度，和基本上固定设在约45％到约46％弦长之间的最大弯度。
已经通过实验确定，一种双叶轮反向旋转风扇的声音性能可以通过在上游 叶轮和下游叶轮上具有不同数目的叶片来改善。在一个优选的实施例中，上游 叶轮由与圆箍相连接的十三个径向延伸叶片组成，下游叶轮由与圆箍相连接的 十一个周向间隔的径向延伸叶片组成。
进一步确定，当所述反向旋转多叶轮被置于圆锥形外壳中时，气流便被优 化。第二个叶轮的直径可以大于第一个叶轮的直径。
本发明这些目的和其它目的、特征和优点根据下面详细的描述以及附图会 变得更加明显。
根据本发明的另一方面，提供一种轴流式风扇，该轴流式风扇包括：基本 上以单一旋转轴线为中心的多个不共心的叶轮，其中，所述多个叶轮至少包括 第一叶轮和第二叶轮；一个或更多个定子组件；用于使每个叶轮与定子组件连 接的装置，从而每个叶轮围绕所述旋转轴线自由旋转，但是否则被固定就位； 双极电动机，用于使所述第一叶轮沿第一方向旋转；双极电动机，用于使所述 第二叶轮沿与所述第一方向相反的方向旋转；其中所述多个叶轮中的每个叶轮 包括圆箍和多个翼面叶片；与所述第一叶轮的多个翼面叶片相比，所述第二叶 轮的多个翼面叶片是不同数量的翼面叶片；所述第一叶轮的多个翼面叶片被配 置成当所述第一叶轮旋转时使空气沿与所述旋转轴线基本上平行的方向流动； 所述第二叶轮的多个翼面叶片被配置成当所述第二叶轮沿与所述第一叶轮相反 的方向旋转时使空气沿与由所述第一叶轮产生的气流相同的轴向流动。
根据本发明的另一方面，提供一种冷却风扇，该冷却风扇包括：N个基本 上同轴的叶轮，其中，每个叶轮包括翼面叶片；以及其中，至少一个叶轮相对 于所述N个叶轮中的第一叶轮的旋转方向反向旋转，其中，N是整数，并且所 述N个叶轮将空气压入同一方向，所述叶轮适合于在一外壳中定位，并且所述 外壳中的所述叶轮的气流大于单独采用N个叶轮的每个叶轮的气流的和，假定 在风扇的出口处的静压力大于某一最小压力。
根据本发明的另一方面，提供一种冷却风扇，该冷却风扇包括：N个基本 上同轴并基本上相同的叶轮，其中，每个叶轮包括翼面叶片；并且至少一个叶 轮相对于所述N个叶轮中的第一叶轮的旋转方向反向旋转，其中，N是整数， 并且所述N个叶轮将空气压入同一方向，所述叶轮适合于在一外壳中定位，并 且所述外壳中的所述叶轮的气流大于所述叶轮中的单个叶轮的气流的N倍，假 定在风扇的出口处的静压力大于某一最小压力。
根据本发明的另一方面，提供一种轴流式见扇，该风扇包括：基本上以单 一旋转轴线为中心的多个不共心的叶轮，其中，所述多个叶轮至少包括第一叶 轮和第二叶轮；一个或更多个定子组件；用于使每个叶轮与定子组件连接的装 置，从而每个叶轮围绕所述旋转轴线自由旋转，但是否则被固定就位；双极电 动机，用于使所述第一叶轮沿第一方向旋转；双极电动机，用于使所述第二叶 轮沿与所述第一方向相反的方向旋转；其中所述多个叶轮中的每个叶轮包括圆 箍和多个翼面叶片；所述第一叶轮的多个翼面叶片被配置成当所述第一叶轮旋 转时使空气沿与所述旋转轴线基本上平行的方向流动；所述第二叶轮的多个翼 面叶片被配置成当所述第二叶轮沿与所述第一叶轮相反的方向旋转时使空气沿 与由所述第一叶轮产生的气流相同的轴向流动。
根据本发明的另一方面，提供一种用于冷却电子元件的轴流工风扇，该风 扇包括：基本上以单一旋转轴线为中心的多个不共心的叶轮，其中，所述多个 叶轮至少包括第一叶轮和第二叶轮；一个或更多个定子组件；用于使每个叶轮 与定子组件连接的装置，从而每个叶轮围绕所述旋转轴线自由旋转，但是否则 被固定就位；用于使所述第一叶轮沿第一方向旋转的装置；用于使所述第二叶 轮沿与所述第一方向相反的方向旋转的装置；其中所述多个叶轮中的每个叶轮 包括圆箍和多个翼面叶片；所述第一叶轮的多个翼面叶片被配置成当所述第一 叶轮旋转时使空气沿与所述旋转轴线基本上平行的方向流动；所述第二叶轮的 多个翼面叶片被配置成当所述第二叶轮沿与所述第一叶轮相反的方向旋转时使 空气沿与由所述第一叶轮产生的气流相同的轴向流动。
现有技术中没有发明公开一种多叶轮同轴反向旋转风扇，它能提供相对于 单叶轮风扇按传统理论预测所产生的气流更多的气流。现有技术中没有发明公 开一种反向旋转风扇，它向增压环境中提供的气流比共旋风扇提供的多过一倍。 现有技术中没有发明公开这些因素的组合阐明这样一种叶片，它在减小外形尺 寸到本发明尺寸的同时表现出所期望的性能。另外，现有技术中没有发明公开 在制造双叶轮同轴反向旋转风扇过程中使用这种优化叶片。
通过实验已经表明，当与单叶轮风扇比较时，装有使用本文所述改进的叶 片设计的反向旋转叶轮风扇将使气流得到增强，这种增强比按传统理论预测的 要大相当多。另外已经表明，装有使用本文所述改进的叶片设计的反向旋转叶 轮风扇比另外相同装有共旋叶轮风扇向增压环境中提供的气流多过一倍。因此， 本发明的一个目的是提供一种多叶轮轴流式风扇，其中叶轮是基本上同轴反向 旋转的，显著提高了性能参数。
本发明另一个目的是提供一种叶片，该叶片与一种翼剖面结合，该翼剖面 能在保持性能参数和设计约束条件的同时降低轴流式风扇的轴宽。
本发明再一个目的是提供一种叶片，该叶片与一种翼剖面结合，该翼剖面 在叶片根部和顶部之间设置最大工作分布的同时，考虑轴流式风扇轴宽的减小。
本发明又一个目的是提供一种叶片，该叶片与一种翼剖面结合，该翼剖面 在保持叶片吸入边合适流速分布的同时考虑轴流式风扇外形尺寸的减小。
本发明还有一个目的是提供一种反向旋转叶轮装置，该装置提供增加轴向 气流，该气流比利用理论模型预测所提供的气流大得多。
本发明再有一个目的是提供一种反向旋转叶轮装置，该装置向增压环境中 提供的气流比另外相同的共旋叶轮装置提供的多过一倍。
本发明又有一个目的是通过利用与制造反向旋转多叶轮装置相同的方法开 发减小轴流式风扇的宽度，该反向旋转多叶轮装置在电风扇一定设计约束条件 下有可能使轴向气流达到增加，以用于冷却电子部件。
这些目的和其它目的由一种轴流式风扇结构实现，该风扇结构包括至少两 个同轴转子组件，其中每个转子组件还包括一个带有多个叶片的叶轮；并且所 述转子组件中至少一个是这样构形的，即它以与第一个所述转子组件相反的方 向旋转；并且其中在每个转子组件上的叶片是这样构形的，即每个叶轮和其它 叶轮一样将空气压入同一轴向方向。
这些目的和其它目的进一步通过提供装有叶片的所述叶轮来实现，所述叶 片具有如下特征：有根部、顶部、前缘和尾缘；沿叶片径向任何位置截取具有 横截面形状的叶片的特征在于：基本上固定设在约19％到约20％弦长之间的最 大厚度，和基本上固定设在约45％到约46％弦长之间的最大弯度。
已经通过实验确定，一种双叶轮反向旋转风扇的声音性能可以通过在上游 叶轮和下游叶轮上具有不同数目的叶片来改善。在一个优选的实施例中，上游 叶轮由与圆箍相连接的十三个径向延伸叶片组成，下游叶轮由与圆箍相连接的 十一个周向间隔的径向延伸叶片组成。
进一步确定，当所述反向旋转多叶轮被置于圆锥形外壳中时，气流便被优 化。第二个叶轮的直径可以大于第一个叶轮的直径。
本发明这些目的和其它目的、特征和优点根据下面详细的描述以及附图会 变得更加明显。
附图说明
参照下列附图本发明可以更容易被理解。
图1是单叶轮轴流式风扇的分解透视图。
图2是它的横截面装配图。
图3是定子组件的分解透视图。
图4是印制电路板基板52顶视图。
图5是定子铁心和绕组的顶视图。
图6(a)是用于单叶轮轴流式风扇的流量(立方英尺/分)与静压力(英寸水柱数) 关系曲线图。
图6(b)是如下四种独立轴流式风扇的流量(立方英尺/分)与静压力(英寸水柱 数)关系曲线图：(A)一种具有正常旋转和正常倾斜叶片的单叶轮轴流式风扇；(B) 一种具有反向旋转和反向倾斜叶片的单叶轮轴流式风扇；(C)一种双叶轮共旋轴 流式风扇，其中两个叶轮具有正常旋转和正常倾斜叶片；(D)根据本发明的一种 双叶轮反向旋转轴流式风扇，其中一个叶轮具有正常旋转和正常倾斜叶片，另 一个叶轮具有反向旋转和反向倾斜叶片。
图7(a)是标准叶轮片的横截面图，该图示出由叶轮旋转带动叶片运动产生 的流过叶片表面的气流。
图7(b)是单叶轮轴流式风扇的三维视图，该图示出由旋转叶轮产生的径向 (涡流)气流和风扇输出的轴向气流。
图7(c)是单叶轮轴流式风扇理想化的横截面图，该风扇利用定子组件消除 下游气流的径向部分。
图7(d)是双叶轮反向旋转轴流式风扇理想化的横截面图，该风扇具体体现 了本发明，其中由第一个叶轮传递的径向气流被第二个叶轮消除。
图7(e)是双叶轮反向旋转轴流式风扇理想化的横截面图，该风扇具有圆锥 形外壳。
图8是根据本发明的叶片横截面图；
图9A是根据本发明的叶片正视图；
图9B是根据本发明的叶片侧视图；
图10是根据本发明的叶片三维视图；
图11是本发明采用的叶片描述中利用的坐标系解说图；
图12是接近本发明设计条件的有利叶片表面速度分布与不利叶片表面速度 分布的图示比较；
图13A-C是用于本发明优选实施例的五个翼剖面最佳标准化贝塞尔 (Bezier)控制点图表；
图14是本发明优选实施例根部叶形中心线分布和相关的最佳标准化贝塞尔 (Bezier)控制点图解；
图15是本发明优选实施例根部法向厚度分布和相关的最佳标准化贝塞尔 (Bezier)控制点图解；
图16是本发明优选实施例的标准化工作分布图解；
图17是本发明优选实施例的五个翼剖面叶形中心线分布图解；
图18是本发明优选实施例的五个翼剖面厚度分布图解；
图19是本发明优选实施例的五个叶片翼剖面标准化型面图解；
图20是描述本发明优选实施例的五个翼剖面的最佳值图表；
图21A-E是描述本发明优选实施例的标准化表面坐标图表。
图1是单叶轮轴流式风扇的分解透视图。
图2是它的横截面装配图。
图3是定子组件的分解透视图。
图4是印制电路板基板52顶视图。
图5是定子铁心和绕组的顶视图。
图6(a)是用于单叶轮轴流式风扇的流量(立方英尺/分)与静压力(英寸水柱数) 关系曲线图。
图6(b)是如下四种独立轴流式风扇的流量(立方英尺/分)与静压力(英寸水柱 数)关系曲线图：(A)一种具有正常旋转和正常倾斜叶片的单叶轮轴流式风扇；(B) 一种具有反向旋转和反向倾斜叶片的单叶轮轴流式风扇；(C)一种双叶轮共旋轴 流式风扇，其中两个叶轮具有正常旋转和正常倾斜叶片；(D)根据本发明的一种 双叶轮反向旋转轴流式风扇，其中一个叶轮具有正常旋转和正常倾斜叶片，另 一个叶轮具有反向旋转和反向倾斜叶片。
图7(a)是标准叶轮片的横截面图，该图示出由叶轮旋转带动叶片运动产生 的流过叶片表面的气流。
图7(b)是单叶轮轴流式风扇的三维视图，该图示出由旋转叶轮产生的径向 (涡流)气流和风扇输出的轴向气流。
图7(c)是单叶轮轴流式风扇理想化的横截面图，该风扇利用定子组件消除 下游气流的径向部分。
图7(d)是双叶轮反向旋转轴流式风扇理想化的横截面图，该风扇具体体现 了本发明，其中由第一个叶轮传递的径向气流被第二个叶轮消除。
图7(e)是双叶轮反向旋转轴流式风扇理想化的横截面图，该风扇具有圆锥 形外壳。
图8是根据本发明的叶片横截面图；
图9A是根据本发明的叶片正视图；
图9B是根据本发明的叶片侧视图；
图10是根据本发明的叶片三维视图；
图11是本发明采用的叶片描述中利用的坐标系解说图；
图12是接近本发明设计条件的有利叶片表面速度分布与不利叶片表面速度 分布的图示比较；
图13A-C是用于本发明优选实施例的五个翼剖面最佳标准化贝塞尔 (Bezier)控制点图表；
图14是本发明优选实施例根部叶形中心线分布和相关的最佳标准化贝塞尔 (Bezier)控制点图解；
图15是本发明优选实施例根部法向厚度分布和相关的最佳标准化贝塞尔 (Bezier)控制点图解；
图16是本发明优选实施例的标准化工作分布图解；
图17是本发明优选实施例的五个翼剖面叶形中心线分布图解；
图18是本发明优选实施例的五个翼剖面厚度分布图解；
图19是本发明优选实施例的五个叶片翼剖面标准化型面图解；
图20是描述本发明优选实施例的五个翼剖面的最佳值图表；
图21A-E是描述本发明优选实施例的标准化表面坐标图表。
具体实施方式
轴流式风扇的一般结构
现对本发明的一个优选实施例给予描述。现在参见附图，尤其是图1和2， 其中所示的是轴流式风扇100，它包括叶轮10，该叶轮用以在旋转时产生气流； 轭20，该轭装在叶轮10中；轴30，该轴与轭20相连；永磁体40，该永磁体装 在轭20中；定子组件50；风扇外壳70；绝缘片60，该绝缘片用于使定子组件 50中的基板与风扇外壳70电绝缘，以及轴承与装配构件80，在使轭20和磁体 40自由旋转从而带动叶轮10旋转时，该轴承与装配构件用于使轴30紧固在外 壳70上。叶轮10包括多个叶片11，所述叶片等间距沿圆周装在圆箍12上。当 装在轭20上的永磁体40与定子组件50组合时，便形成电动机，当电压施加到 定子组件50中印制电路板上的激励电路时，该电动机便转动叶轮10。定子组件 50的构造在同时待审和共有专利申请No.09/119,221中有全面描述，该共有专利 申请的名称是“用于电动机的定子安装方法和设备”(“Stator Mounting Method and Apparatus for a Motor”)，于1998年7月20日提出的，并作为依据包括在 本文内。
如图7(d)所示，优选实施例的反向旋转风扇包括在前述段落中描述的第一 单叶轮轴流式风扇和置于单外壳中的第二单叶轮轴流式风扇。第二单叶轮轴流 式风扇的输入端与第一单叶轮轴流式风扇的输出端相连接。另外，第二单叶轮 轴流式风扇有一叶轮，该叶轮以与装在第一单叶轮轴流式风扇中的叶轮旋转方 向相反的方向旋转，而且第二单叶轮轴流式风扇有多个叶片，所述叶片具有与 第一单叶轮轴流式风扇中的叶片以相反的方向倾斜。
在优选的实施例中，第一叶轮有十三个叶片，第二叶轮有十一个叶片。另 外，第二叶轮可以做的比第一叶轮稍大(即具有较大的直径)，而且其共同的外 壳可以做成圆锥形，其直径从第一叶轮的输入端扩大到第二叶轮的输出端，如 图7(e)所示。
图3所示为定子组件50，包括一个基板52，四个绝缘销54，一个定子铁心 56和绕组58。在优选的实施例中，基板52是一个印制电路板，该电路板包括 激励和运行电动机的电路。
如图4所示，基板52是一个印制电路板，该电路板上装有用于运行电动机 的电路。电压调节器57允许使用在约28V～64V范围内的输入电压，该电压范 围比其它风扇的范围要大，例如在前面标题为“发明背景”部分提及的No.5920 型风扇。电压调节器的输入和输出电压是不同的。电压调节器调节输出端电压 以适合于电压调节器输出端的IC电路。从电压调节器的输出端向所有电阻、晶 体管、二极管和电容器输送低电压使能使用减小电路尺寸的小元件，从而可以 应用于减小宽度的风扇中。在优选的实施例中，不需要大的箝位二极管，例如 应用于No.5920型轴流式风扇中由Hitachi公司生产的零件No.V03C。四个大 的晶体管，例如用在No.5920型风扇的电路中由Sanyo公司生产的用于控制高 电压电平的热和功率的零件No.25B1203-5，在本发明中被省去。优选的实施例 在ICs61和62中应用了晶体管开关，该开关用于对电压调节器输出端的低电压 电平进行操作。此外，在No.5920型轴流式风扇中由Minebea公司生产的感应 器零件No.6308-R8151在本发明中也被省去。因此，当与早期的电路板，例如 用于No.5920型风扇的电路板相比较时，优选实施例成品电路板减小了宽度。 进而获得减小宽度的轴流式风扇。
优选的实施例通过采用电压调节器57消除了包括箝位二极管和晶体管的大 电路元件的需要。用于降低输入电压的电压调节器的使用产生经过电压调节器 的热量，该热量必须被驱散。风扇的外壳70用作吸热器。作为吸热器的外壳70 的应用消除了对大尺寸电阻器的需要，该电阻器用作电压调节器的吸热器。由 于外壳70在作为外壳的同时还起到吸热器的作用，所以一种标准的热复合物被 用来将热量从电压调节器57传递给金属外壳70，该热复合物是一种吸热的热传 导胶粘剂，例如热传导胶粘剂3873。另一方面或者另外，可用销将电 压调节器IC57紧固到外壳上。销的作用是在热复合物硬化期间临时紧固电压调 节器。因此，获得减小宽度的风扇。
实际上，当与下面研讨的叶片设计组合时，通过实施上面所述的改进措施， 会获得具有一英寸厚度和与IMC磁力公司5920型轴流式风扇(具有两英寸厚 度)一样气流输出的单叶轮轴流式风扇，和通过实施上面所述的改进，还会获 得本发明具有两英寸厚度和改进的气流特征的双叶轮反向旋转轴流式风扇。
叶片结构参数
图8是本发明优选实施例叶片11中的一个叶片横截面图，该图示出了本发 明的叶片参数，该参数部分地确定了本发明叶片11的横截面形状14。每个横截 面具有前缘16、尾缘18、上表面22和下表面24。该横截面可以进一步由叶片 安装角26、叶形中心线弯曲角28、弦线32、弦长34、叶形中心线36和厚度(t)38 限定。
现在参照图9A和图9B，优选实施例的叶片11通过径向和轴向堆叠 (stacking)和混合(blending)横截面14构成，以形成三维叶片。图9A是叶 片11的正视图，而图9B是叶片11的侧视图。因此图9B的视图是从图9A的 视图旋转90度得到的视图。叶片具有根部42和顶部44。根部42与圆箍12(图 1)的圆周相连接。叶片11的每个翼剖面14与从圆箍12中心起始并径向向外 延伸的半径等同，如图9B所示。每个翼剖面14的位置由r/r顶部限定，r/r顶部是 特定横截面14的径向位置(r)被顶部14翼剖面的半径(r顶部)除的比值，如图9A 和图9B所示。
圆周堆叠轴由这样的轴限定，该轴与位于根部42处的横截面14前缘16交 叉，并沿圆周方向延伸。圆周堆叠距离由翼面横截面14的前缘16和圆周堆叠 轴之间的距离限定。轴向堆叠轴由这样的轴限定，该轴与位于根部42处的横截 面14前缘16交叉，并沿轴向延伸。轴向堆叠距离由翼面横截面14的前缘16 和轴向堆叠轴之间的距离限定。一旦横截面14堆叠起来，便得到三维叶片11， 如图10所示。图11是示出随机选取的叶片横截面解说图，该图给出用于限定 本发明叶片11和其横截面形状14的坐标轴。
本发明的叶片曾根据下面的方法设计的。设定了满足单叶轮轴流式风扇100 和附属叶片11的一系列风扇性能参数和设计约束条件。风扇性能参数包括以每 分钟立方英尺(立方英尺/分)定义的在自由空气条件下的容积流动速率、轴转速 (转数/分)和以每立方英尺磅(磅/立方英尺)表示的进气密度。设计约束条件包括风 扇尺寸(包括轴宽)、风扇重量、电动机输入功率和噪声波形。这些性能参数和 设计约束条件曾设定为：容积流动速率240立方英尺/分，轴转速3400转数/分 和进气密度0.075磅/立方英尺，以及风扇轴宽尺寸1英寸。尽管这些是最佳要 求，但225～255立方英尺/分的容积流动速率，3200～3600转数/分的轴转速仍 可获得满意的结果。在这些参数和限制条件中，最重要的是容积流动速率和风 扇轴宽尺寸。
在空气动力设计时，曾采用一种多流线型间接方法来确定弦长34、叶形中 心线弯曲角28和叶片安装角26的最佳值，这些值能够提供规定的风扇性能参 数和满足确定的设计约束条件。基于经验选择了理想的工作分布。工作分布被 定义为在叶轮10的出气口(横截面14的尾缘18)气流的角动量分布。工作分 布影响弦长34的尺寸。最后基于经验，选择了使气流输出和风扇宽度最佳化的 叶片数量。
下一步是确定叶形中心线和厚度分布。这些分布是通过使用贝塞尔(Bezier) 曲线确定的，这种应用的一个实例引用在Casey的“离心压缩机的叶片和内部气 流通道的计算几何学”(A Computational Geometry for the Blades and Internal Flow Channels of Centrifugal Compressors)，ASME 82-GT-155中。这种方法以 下面的参数形式求出叶形中心线和厚度的分布：
式中：F(u)表示贝塞尔(Bezier)曲线的解法，在这种情况下分别用于求出 叶形中心线x和y的坐标。以及厚度分布；
u是0和1之间线性变化的参数(在前缘16u＝0，在尾缘18u＝1)；
fk是贝塞尔控制点的一维阵列；
Bk n(u)是伯恩斯坦(Bernstein)n次多项式；
n+1是贝塞尔控制点的数量；和
(k n)是CRC(循环冗余码校验)标准数学用表(第22版，1974年，第627 页)中定义的二项式系数。
n选择为18，以便使贝塞尔终结公式是18次多项式，该多项式产生19个 控制点。这种选择在叶片11的横截面形状14的最佳化中比低阶多项式提供更 大的精确度。贝塞尔曲线的终结公式为：
Xc(u)＝A0(1-u)18x0+A1u(1-u)17x1+A2u2(1-u)16x2+A3u3(1-u)15x3+
A4u4(1-u)14x4+A5u5(1-u )13x5+A6u6(1-u)12x6+A7u7(1-u)11x7+
A8u8(1-u)10x8+A9u9(1-u)9x9+A10u10(1-u)8x10+A11u11(1-u)7x11+
A12u12(1-u)6x12+A13u13(1-u)5x13+A14u14(1-u)4x14+A15u15(1-u)3x15+
A16u16(1-u)2x16+A17u17(1-u)x17+A18u18x18
Yc(u)＝A0(1-u)18y0+A1u(1-u)17y1+A2u2(1-u)16y2+A3u3(1-u)15y3+
A4u4(1-u)14y4+A5u5(1-u)13y5+A6u6(1-u)12y6+A7u7(1-u)11y7+
A8u8(1-u)10y8+A9u9(1-u)9y9+A10u10(1-u)8y10+A11u11(1-u)7y11+
A12u12(1-u)6y12+A13u13(1-u)5y13+A14u14(1-u)4y14+A15u15(1-u)3y15+
A16u16(1-u)2y16+A17u17(1-u)y17+A18u18y18
Tn(u)＝A0(1-u)18t0+A1u(1-u)17t1+A2u2(1-u)16t2+A3u3(1-u)15t3+
A4u4(1-u)14t4+A5u5(1-u)13t5+A6u6(1-u)12t6+A7u7(1-u)11t7+
A8u8(1-u)10t8+A9u9(1-u)9t9+A10u10(1-u)8t10+A11u11(1-u)7t11+
A12u12(1-u)6t12+A13u13(1-u)5t13+A14u14(1-u)4t14+A15u15(1-u)3t15+
A16u16(1-u)2t16+A17u17(1-u)t17+A18u18t18
式中：
Xc是由弦长标准化的叶形中心线x坐标，
Yc是由弦长标准化的叶形中心线y坐标，
Tn是由弦长标准化的厚度分布，
A0～A18是根据如下值的伯恩斯坦多项式系数：
A0＝1 A6＝18564 A12＝18564 A18＝1
A1＝18 A7＝31824 A13＝8568
A2＝153 A8＝43758 A14＝3060
A3＝816 A9＝48620 A15＝816
A4＝3060 A10＝43758 A16＝153
A5＝8568 A11＝31824 A17＝18
和
x0～x18(以下表示为“xk”)是贝塞尔控制点的标准化x坐标；
y0～y18(以下表示为“yk”)是贝塞尔控制点的标准化y坐标；和
t0～t18(以下表示为“tk”)是标准化厚度控制点；
基于经验选择了贝塞尔控制点xk，yk和tk的初始值。利用这些控制点，解 上述公式求出弯度和厚度的分布。
一旦随着最佳弦长34、叶形中心线弯曲角28和叶片安装角26求出分布， 便利用无粘性流分析确定吸入(上)边和压力(下)侧的表面速度分布和叶片 11的工作分布。设计者观察速度分布和合成工作分布以校验工作分布图和最初 的设计选择相一致，并且还保证获得有利的速度分布图。
试图获得一种典型的理想叶片表面速度分布，该分布显示出有利的减速梯 度，这种梯度在速度分布不会促使边界层分离从而削弱叶片11的性能意义上是 有利的。图12是接近本发明设计条件(r/r顶部＝0.6459时)的有利叶片表面速度 分布与不利叶片表面速度分布的图示比较。有利的工作分布是将最大的工作分 布设在根部和顶部之间的某个点。
经过最初的重复，由于合成速度分布和工作分布对设计者来说是不满意的 或不理想的，所以贝塞尔控制点被人为地改变以获得不同的弯度和厚度的分布。 再一次地对速度和工作分布进行分析，以确定是否获得了有利的解决方案。这 个过程被重复直到获得有利的解决方案。在优选的实施例中，最佳的标准化贝 塞尔控制点在图13A-C中以表格形式示出。
这些优化的贝塞尔控制点以及用于设在根部42翼剖面14的最佳弯度分布 和厚度分布在图14和15中以曲线图示出。优选实施例的所有五个翼剖面14的 工作分布在图16中以曲线图示出。从图16可以看出，最大工作分布设在根部 和顶部之间。优选实施例的所有五个翼剖面14的叶形中心线和厚度分布以及r/r 顶部＝0.7908时的横截面外形在图17和18中示出。
根据优化的叶形中心线和厚度分布，采取类似于NACA系列翼剖面所用的 方式确定了叶片表面坐标，NACA系列翼剖面引用在1959年由DOVER出版 公司出版IRA H.ABBOTT和ALBERT E.VON DOENHOFF著作“翼剖面理 论”第111-13页上。
叶片表面坐标由弦线32、叶形中心线36和法向厚度分布得出，如下所示：
X上＝Xc-YtSin.
Y上＝Yc+YtCos.
X下＝Xc+YtSin.
Y下＝Yc-YtCos.
式中：
X上、Y上、X下和Y下分别是叶片的上(吸入)表面22和下(压力)表面24 的坐标；
Xc和Yc是叶形中心线36的坐标；
Yt是叶片11厚度的一半；和
Tan是叶形中心线36的斜率，式中Tan＝dYc/dXc。
优选实施例的标准化横截面外形在图19中绘出。图21A-E是优选实施例的 表面坐标图表，以无量纲值表示。
一旦所需的横截面14在每个径向位置得出，便通过在圆周方向和轴向堆叠 五个横截面14中的每一个截面，并使每个横截面14从根部42偏移到规定堆叠 距离，形成一个三维叶片11。所述五个横截面14以平滑连续的方式混合。用于 这五个横截面外形的合成最佳值列在图20中。确定参数的关键是基本固定位于 约19％～约20％弦长之间的最大厚度和基本固定位于约45％～约46％弦长之间 的最大弯度。尽管这些是最佳数值范围，但扔然有一个扩大的数值范围虽不是 最佳但却令人满意的方式基本上满足性能参数和设计约束条件的要求。这些数 值是基本固定位于约16％～约23％弦长之间的最大厚度和基本固定位于 40％～51％弦长之间的最大弯度。
在图20中还可以看到其它用于确定每个横截面图参数的关键，例如最大厚 度和最大弯曲高度(两者都以英寸和在特定径向位置弦长的百分比表示)、叶形 中心线弯曲角、叶片安装角、半径、弦长和圆周与径向堆叠距离。用于每个横 截面外形以英寸表示的最大厚度特征是一个常数。以弦长百分比表示的最大厚 度从最大值在数值上下降变化到最小值，然后在数值上增加到叶片顶部，所述 最大值在根部，所述最小值基本位于半径的79％到约90％之间，所述半径是从 叶轮的中心到顶部测量的。以英寸和特定径向位置弦长百分比表示的最大弯曲 高度从根部的最大弯曲高度连续下降最大弯曲高度至叶片顶部。
叶形中心线弯曲角以根部的最大值为特征，该最大值在数值上连续下降到 叶片顶部。另一方面，叶片安装角以根部的最小值为特征，该最小值在数值上 连续增加直到叶片顶部。另外，叶片11的横截面外形可以由它的几何形状描述， 其前缘类似于抛物线形状，凸形上表面和下表面，该下表面向前缘凸起并向后 缘凹入。
图20中的其它参数包括纵横比和叶片桨盘面积比。纵横比以无量纲单位 定义为叶片的长度除以特定横截面上的弦长。叶片的长度定义为顶部半径(r顶 部)减去根部半径(r根部)。叶片浆盘面积比以无量纲单位定义为特定径向位置上 的弦长除以叶片间隔。叶片间隔是相邻叶片之间在给定半径上的距离，并进 一步用叶片数量除2πr确定。最后，标准化半径、标准化弦长和标准化圆周 及轴向堆叠距离表示在图20中，这些参数都通过用参数的最大值除特定径向 位置上的参数值，以无量纲单位来定义。此处讨论的叶片可以应用于下面描 述的反向旋转叶轮。
反向旋转叶轮
在给定物理尺寸和功率输入的电风扇中用于冷却电子元件的最重要的参数 是空气流量。能带来流过电子元件的空气流量越大，则被驱散的热量就越多。 空气流量通常以每分钟立方英尺(CFM)计量。
当被风扇推动的空气未被限制在风扇下游的任何方向时，该情形称为自由 空气，即从风扇发出的阻止气流的静压力为零。当气流被限制时，例如空气被 迫经过一套电子元件并流出电子元件周围的容器，那么将产生一定量的静压力。 在特定空气流量条件下将产生多少静压力这取决于许多物理参数，包括被冷却 的电子元件构型、电子元件周围的容器尺寸以及该容器如何通风排气。也就是 说，对于相同的空气流量，在受通风限制的小盒中的一套非常复杂的电子元件 会导致相对高的静压力，而在大的和较好通风条件的容器中一套简单的电子元 件会导致相对低的静压力。
传统的空气流量理论预测，同轴互相串联放置两个风扇导致自由空气的空 气流量增加极小，即在风扇下游基本上没有反压力的情况下。传统的理论还预 测，当反压力增加时，风扇同轴机组的空气流量可能比单风扇情况增加到两倍。
图6(a)是风扇的空气流量(CFM)与静压力(英寸水柱数)的关系曲线图， 该风扇由IMC公司生产(批注：即它是IMC吗？)并被称为5910系列轴流式 风扇。从图6(a)可以看出，自由空气条件下的空气流量值大约为240CFM，而 当静压力值大约0.6英寸水柱时，空气流量是0CFM。
曾用两个同轴IMC5910系列轴流式风扇进行试验。两个风扇同轴放置并彼 此邻近。根据这两个风扇同向旋转和反向旋转(相反方向)测量相对于静压力 的流量。这些试验的结果如图6(b)所示。从图6(b)可以看出，有关风扇串联旋 转的情况遵循传统的空气流量理论，即自由空气条件下空气流量只有边际增加， 当静压力增加时，空气流量只是逐步增加。
本发明的反向旋转叶轮结构示于图7(d)。反向旋转叶片以相同方向推动空 气，因为第二个叶轮的斜度与第一个叶轮的相反。从图6(b)可以看出，传统的 空气流量理论不能正确地预测在给定静压力下的空气流量。虽然对于自由空气 的情况，空气流量的增加仍然仅仅是边际的，但是本发明的反向旋转优选实施 例中空气流量的增加更快更剧烈。
空气动力影响可以解释空气流量效率的这种显著增加，这种影响主要分为 两类：翼剖面阻力和二次流。翼部面阻力一切由叶片形状、表面光洁度、叶轮 产生的湍流空气、甚至叶片产生的阻力形成。由叶轮产生的湍流空气示于图7(a)。 二次流主要包括涡流气流(径向速度)和由于风扇的内壁产生的空气流量损失。 涡流气流的图解示于图7(b)。该气流是空气与叶轮叶片和包装叶轮管的固定壁 的相互作用产生的。所有这些空气动力影响降低了风扇的效率。
“理论上”，即不考虑复杂的空气动力因素，风扇的效率是100％。把所有 的空气动力因素考虑进去，风扇的效率能降低到刚好低于50％。在相同旋转试 验情况下，这些影响得到加强。进气在理论上是层状的(没有湍流的自由流动)。 空气离开第一个风扇后是湍流的，并以“螺旋”方式向下游流动。这时这种湍流 空气是同一方向旋转另一风扇的进气。最终的下游空气更加螺旋前进。这些有 害的空气动力影响严重破坏了整体风扇效率。
为了保持轴流式风扇的高效率，设计者要把空气动力影响尽可能地减少到 最低程度。在设计约束条件允许的情况下，轴流式风扇最好的构型是：利用预 旋转定子把进气方向改到转子叶片，并利用整流(straightening)定子将气流尽 可能地改回成自由束流。这种理想化的构型示于图7(c)。这种理想化的结构明 显地将二次流的影响减少到最低程度，并因此将空气动力效率(和整体风扇的 效率)保持在较高水平。
如图7(d)所示，使用本发明反向旋转叶轮达到了与图7(c)理想化结构相同的 效果。输入第一叶轮的层状气流被第一叶轮“预旋转”，这增加了轴向和径向(涡 流)气流向下游流动。这些气流然后被同轴反向旋转的第二叶轮“整流”。第二 个风扇进一步提高了轴向流量并回收了其它在系统中损失的绝大部分径向(涡 流)气流。既然由第一个叶轮产生的涡流几乎被第二个叶轮抵消，那么空气动 力效率更高。这种更高的效率有助于提高系统总的空气流量。
本发明进一步设想在一个外壳中装入N个基本同轴叶轮的方法，其中N为 整数；以与所述N个叶轮中的第一个叶轮旋转方向相反的方向旋转至少一个叶 轮运行叶轮以相同的方向推动空气；和从外壳内N个叶轮产生的空气流量比 单叶轮产生的空气流量多N倍，假定风扇出气口的静压力大于某一最小压力。 静压力取决于具体风扇的特征，包括风扇的尺寸。例如，对于反向旋转双叶轮 和6英寸直径的风扇来说，静压力约为0.3英寸水柱。
图6(b)示出，当叶轮在最佳压力范围运行时，在某一静压力值下的相同环 境中，即用于建立反压力条件相同的外壳中，反向旋转双叶轮的空气流量基本 上可比普通旋转单叶轮运行的空气流量大一倍多。另外，本发明的反向旋转叶 轮提供的空气流量基本上大于图6(b)所示以相同方向旋转的两个叶轮产生的空 气流量。
本发明可以包括基本同轴的多个叶轮。至少一个叶轮以相反方向旋转。因 此，可以有N个叶轮，此处N为整数。如果N为偶数，那么一半叶轮可以第一 方向旋转，而一半可以相反方向旋转。旋转方向可以在相邻叶轮之间交换。所 有叶轮可都相同，在这种情况下，假定风扇出气口的静压力大于某一最小压力， 则总的空气流量基本上比在前面相同环境中运行的单叶轮产生的空气流量多N 倍。如果叶轮不相同，假定风扇出气口的静压力大于某一最小压力，则总的空 气流量基本上大于在相同环境中运行的N个叶轮中的每个叶轮产生的空气流量 之和。
同轴反向旋转的多叶轮结构可以具有如IMC5910系列的叶片，或者是前面 名为“叶片结构参数”那一节所述的叶片。
第一和第二叶轮各有它们自己独立的电动机，所述电动机的定子按常规反 向绕线，以产生反向旋转。另一方面，电动机可共用一根轴。
总之，本发明提供了一种轴流式风扇，该风扇具有新的电路和外壳、新的 包括多个混合一起的翼剖面的叶片，这种结构使在保持所需性能参数和设计约 束条件的同时缩小了轴流式风扇的轴宽。本发明还公开了多个同轴反向旋转叶 轮，这种叶轮在给定静压力值时的空气流量值比传统理论预计的空气流量值大 得多。另外，叶片使多种同轴反向旋转叶轮能够开发它们的最大可能优点，尽 管存在用于冷却电子元件的电动机尺寸参数的设计约束条件。
另外，对于本发明的反向旋转轴流式风扇来说，更多的空气流量或声学优 点可以通过采取以下一种或更多的设计改进来达到：
向反向旋转的叶轮上附装与常规旋转叶轮不同数目的叶片(这样减小风扇 的噪声波形)；
根据风扇内叶轮的轴向位置确定叶轮的直径，使得邻近风扇出气口的叶轮 直径大于邻近风扇进气口的叶轮直径(这样提高空气流量)；和
将叶轮装入圆锥形的外壳中，其中圆锥部分的直径从风扇的进气口向风扇 的出气口增大(如图7(e)所示，这样提高空气流量)。
因为本发明的优选实施例已经作了展示和详细描述，对于本领域的那些技 术人员来讲，在其上进行各种修正和改进将变得显而易见。例如与公开的数值 有较小的偏差，以及对公开的公式近似求法规定要在本发明的精神之内。另外， 由于横截面设计的混合或由于不同的混合方法产生的较小偏差或差异规定要在 本发明的精神和范围之内。对于基本上相同的性能参数和设计约束条件，或者 在性能参数和设计约束条件上几乎没有经济意义的差异，通过较小的方式改变 设计方法，例如为控制点数量选择不同的值、为横截面外形数量选择不同的值、 为叶片数量选择不同的值、通过不同的径向距离确定横截面外形、或者选择不 同的堆叠距离、叶片安装角、叶形中心线弯曲角或弦长，其中数值差异较小， 则可以获得富有生命力的产品。优选实施例的附图和说明是通过示例作出的， 但不限制本发明的范围，而且它们都预计在本发明的精神和范围内囊括前面所 述的所有变化和修改。
本申请是申请号为2004100477318、申请日为2004年3月21日、发明名称 为“用于具有反向旋转叶轮的轴流式风扇的叶轮片”的发明专利申请的分案申 请。
现对本发明的一个优选实施例给予描述。现在参见附图，尤其是图1和2， 其中所示的是轴流式风扇100，它包括叶轮10，该叶轮用以在旋转时产生气流； 轭20，该轭装在叶轮10中；轴30，该轴与轭20相连；永磁体40，该永磁体装 在轭20中；定子组件50；风扇外壳70；绝缘片60，该绝缘片用于使定子组件 50中的基板与风扇外壳70电绝缘，以及轴承与装配构件80，在使轭20和磁体 40自由旋转从而带动叶轮10旋转时，该轴承与装配构件用于使轴30紧固在外 壳70上。叶轮10包括多个叶片11，所述叶片等间距沿圆周装在圆箍12上。当 装在轭20上的永磁体40与定子组件50组合时，便形成电动机，当电压施加到 定子组件50中印制电路板上的激励电路时，该电动机便转动叶轮10。定子组件 50的构造在同时待审和共有专利申请No.09/119,221中有全面描述，该共有专利 申请的名称是“用于电动机的定子安装方法和设备”(“Stator Mounting Method and Apparatus for a Motor”)，于1998年7月20日提出的，并作为依据包括在 本文内。
如图7(d)所示，优选实施例的反向旋转风扇包括在前述段落中描述的第一 单叶轮轴流式风扇和置于单外壳中的第二单叶轮轴流式风扇。第二单叶轮轴流 式风扇的输入端与第一单叶轮轴流式风扇的输出端相连接。另外，第二单叶轮 轴流式风扇有一叶轮，该叶轮以与装在第一单叶轮轴流式风扇中的叶轮旋转方 向相反的方向旋转，而且第二单叶轮轴流式风扇有多个叶片，所述叶片具有与 第一单叶轮轴流式风扇中的叶片以相反的方向倾斜。
在优选的实施例中，第一叶轮有十三个叶片，第二叶轮有十一个叶片。另 外，第二叶轮可以做的比第一叶轮稍大(即具有较大的直径)，而且其共同的外 壳可以做成圆锥形，其直径从第一叶轮的输入端扩大到第二叶轮的输出端，如 图7(e)所示。
图3所示为定子组件50，包括一个基板52，四个绝缘销54，一个定子铁心 56和绕组58。在优选的实施例中，基板52是一个印制电路板，该电路板包括 激励和运行电动机的电路。
如图4所示，基板52是一个印制电路板，该电路板上装有用于运行电动机 的电路。电压调节器57允许使用在约28V～64V范围内的输入电压，该电压范 围比其它风扇的范围要大，例如在前面标题为“发明背景”部分提及的No.5920 型风扇。电压调节器的输入和输出电压是不同的。电压调节器调节输出端电压 以适合于电压调节器输出端的IC电路。从电压调节器的输出端向所有电阻、晶 体管、二极管和电容器输送低电压使能使用减小电路尺寸的小元件，从而可以 应用于减小宽度的风扇中。在优选的实施例中，不需要大的箝位二极管，例如 应用于No.5920型轴流式风扇中由Hitachi公司生产的零件No.V03C。四个大 的晶体管，例如用在No.5920型风扇的电路中由Sanyo公司生产的用于控制高 电压电平的热和功率的零件No.25B1203-5，在本发明中被省去。优选的实施例 在ICs61和62中应用了晶体管开关，该开关用于对电压调节器输出端的低电压 电平进行操作。此外，在No.5920型轴流式风扇中由Minebea公司生产的感应 器零件No.6308-R8151在本发明中也被省去。因此，当与早期的电路板，例如 用于No.5920型风扇的电路板相比较时，优选实施例成品电路板减小了宽度。 进而获得减小宽度的轴流式风扇。
优选的实施例通过采用电压调节器57消除了包括箝位二极管和晶体管的大 电路元件的需要。用于降低输入电压的电压调节器的使用产生经过电压调节器 的热量，该热量必须被驱散。风扇的外壳70用作吸热器。作为吸热器的外壳70 的应用消除了对大尺寸电阻器的需要，该电阻器用作电压调节器的吸热器。由 于外壳70在作为外壳的同时还起到吸热器的作用，所以一种标准的热复合物被 用来将热量从电压调节器57传递给金属外壳70，该热复合物是一种吸热的热传 导胶粘剂，例如热传导胶粘剂3873。另一方面或者另外，可用销将电 压调节器IC57紧固到外壳上。销的作用是在热复合物硬化期间临时紧固电压调 节器。因此，获得减小宽度的风扇。
实际上，当与下面研讨的叶片设计组合时，通过实施上面所述的改进措施， 会获得具有一英寸厚度和与IMC磁力公司5920型轴流式风扇(具有两英寸厚 度)一样气流输出的单叶轮轴流式风扇，和通过实施上面所述的改进，还会获 得本发明具有两英寸厚度和改进的气流特征的双叶轮反向旋转轴流式风扇。
叶片结构参数
图8是本发明优选实施例叶片11中的一个叶片横截面图，该图示出了本发 明的叶片参数，该参数部分地确定了本发明叶片11的横截面形状14。每个横截 面具有前缘16、尾缘18、上表面22和下表面24。该横截面可以进一步由叶片 安装角26、叶形中心线弯曲角28、弦线32、弦长34、叶形中心线36和厚度(t)38 限定。
现在参照图9A和图9B，优选实施例的叶片11通过径向和轴向堆叠 (stacking)和混合(blending)横截面14构成，以形成三维叶片。图9A是叶 片11的正视图，而图9B是叶片11的侧视图。因此图9B的视图是从图9A的 视图旋转90度得到的视图。叶片具有根部42和顶部44。根部42与圆箍12(图 1)的圆周相连接。叶片11的每个翼剖面14与从圆箍12中心起始并径向向外 延伸的半径等同，如图9B所示。每个翼剖面14的位置由r/r顶部限定，r/r顶部是 特定横截面14的径向位置(r)被顶部14翼剖面的半径(r顶部)除的比值，如图9A 和图9B所示。
圆周堆叠轴由这样的轴限定，该轴与位于根部42处的横截面14前缘16交 叉，并沿圆周方向延伸。圆周堆叠距离由翼面横截面14的前缘16和圆周堆叠 轴之间的距离限定。轴向堆叠轴由这样的轴限定，该轴与位于根部42处的横截 面14前缘16交叉，并沿轴向延伸。轴向堆叠距离由翼面横截面14的前缘16 和轴向堆叠轴之间的距离限定。一旦横截面14堆叠起来，便得到三维叶片11， 如图10所示。图11是示出随机选取的叶片横截面解说图，该图给出用于限定 本发明叶片11和其横截面形状14的坐标轴。
本发明的叶片曾根据下面的方法设计的。设定了满足单叶轮轴流式风扇100 和附属叶片11的一系列风扇性能参数和设计约束条件。风扇性能参数包括以每 分钟立方英尺(立方英尺/分)定义的在自由空气条件下的容积流动速率、轴转速 (转数/分)和以每立方英尺磅(磅/立方英尺)表示的进气密度。设计约束条件包括风 扇尺寸(包括轴宽)、风扇重量、电动机输入功率和噪声波形。这些性能参数和 设计约束条件曾设定为：容积流动速率240立方英尺/分，轴转速3400转数/分 和进气密度0.075磅/立方英尺，以及风扇轴宽尺寸1英寸。尽管这些是最佳要 求，但225～255立方英尺/分的容积流动速率，3200～3600转数/分的轴转速仍 可获得满意的结果。在这些参数和限制条件中，最重要的是容积流动速率和风 扇轴宽尺寸。
在空气动力设计时，曾采用一种多流线型间接方法来确定弦长34、叶形中 心线弯曲角28和叶片安装角26的最佳值，这些值能够提供规定的风扇性能参 数和满足确定的设计约束条件。基于经验选择了理想的工作分布。工作分布被 定义为在叶轮10的出气口(横截面14的尾缘18)气流的角动量分布。工作分 布影响弦长34的尺寸。最后基于经验，选择了使气流输出和风扇宽度最佳化的 叶片数量。
下一步是确定叶形中心线和厚度分布。这些分布是通过使用贝塞尔(Bezier) 曲线确定的，这种应用的一个实例引用在Casey的“离心压缩机的叶片和内部气 流通道的计算几何学”(A Computational Geometry for the Blades and Internal Flow Channels of Centrifugal Compressors)，ASME 82-GT-155中。这种方法以 下面的参数形式求出叶形中心线和厚度的分布：
式中：F(u)表示贝塞尔(Bezier)曲线的解法，在这种情况下分别用于求出 叶形中心线x和y的坐标。以及厚度分布；
u是0和1之间线性变化的参数(在前缘16u＝0，在尾缘18u＝1)；
fk是贝塞尔控制点的一维阵列；
Bk n(u)是伯恩斯坦(Bernstein)n次多项式；
n+1是贝塞尔控制点的数量；和
(k n)是CRC(循环冗余码校验)标准数学用表(第22版，1974年，第627 页)中定义的二项式系数。
n选择为18，以便使贝塞尔终结公式是18次多项式，该多项式产生19个 控制点。这种选择在叶片11的横截面形状14的最佳化中比低阶多项式提供更 大的精确度。贝塞尔曲线的终结公式为：
Xc(u)＝A0(1-u)18x0+A1u(1-u)17x1+A2u2(1-u)16x2+A3u3(1-u)15x3+
A4u4(1-u)14x4+A5u5(1-u )13x5+A6u6(1-u)12x6+A7u7(1-u)11x7+
A8u8(1-u)10x8+A9u9(1-u)9x9+A10u10(1-u)8x10+A11u11(1-u)7x11+
A12u12(1-u)6x12+A13u13(1-u)5x13+A14u14(1-u)4x14+A15u15(1-u)3x15+
A16u16(1-u)2x16+A17u17(1-u)x17+A18u18x18
Yc(u)＝A0(1-u)18y0+A1u(1-u)17y1+A2u2(1-u)16y2+A3u3(1-u)15y3+
A4u4(1-u)14y4+A5u5(1-u)13y5+A6u6(1-u)12y6+A7u7(1-u)11y7+
A8u8(1-u)10y8+A9u9(1-u)9y9+A10u10(1-u)8y10+A11u11(1-u)7y11+
A12u12(1-u)6y12+A13u13(1-u)5y13+A14u14(1-u)4y14+A15u15(1-u)3y15+
A16u16(1-u)2y16+A17u17(1-u)y17+A18u18y18
Tn(u)＝A0(1-u)18t0+A1u(1-u)17t1+A2u2(1-u)16t2+A3u3(1-u)15t3+
A4u4(1-u)14t4+A5u5(1-u)13t5+A6u6(1-u)12t6+A7u7(1-u)11t7+
A8u8(1-u)10t8+A9u9(1-u)9t9+A10u10(1-u)8t10+A11u11(1-u)7t11+
A12u12(1-u)6t12+A13u13(1-u)5t13+A14u14(1-u)4t14+A15u15(1-u)3t15+
A16u16(1-u)2t16+A17u17(1-u)t17+A18u18t18
式中：
Xc是由弦长标准化的叶形中心线x坐标，
Yc是由弦长标准化的叶形中心线y坐标，
Tn是由弦长标准化的厚度分布，
A0～A18是根据如下值的伯恩斯坦多项式系数：
A0＝1 A6＝18564 A12＝18564 A18＝1
A1＝18 A7＝31824 A13＝8568
A2＝153 A8＝43758 A14＝3060
A3＝816 A9＝48620 A15＝816
A4＝3060 A10＝43758 A16＝153
A5＝8568 A11＝31824 A17＝18
和
x0～x18(以下表示为“xk”)是贝塞尔控制点的标准化x坐标；
y0～y18(以下表示为“yk”)是贝塞尔控制点的标准化y坐标；和
t0～t18(以下表示为“tk”)是标准化厚度控制点；
基于经验选择了贝塞尔控制点xk，yk和tk的初始值。利用这些控制点，解 上述公式求出弯度和厚度的分布。
一旦随着最佳弦长34、叶形中心线弯曲角28和叶片安装角26求出分布， 便利用无粘性流分析确定吸入(上)边和压力(下)侧的表面速度分布和叶片 11的工作分布。设计者观察速度分布和合成工作分布以校验工作分布图和最初 的设计选择相一致，并且还保证获得有利的速度分布图。
试图获得一种典型的理想叶片表面速度分布，该分布显示出有利的减速梯 度，这种梯度在速度分布不会促使边界层分离从而削弱叶片11的性能意义上是 有利的。图12是接近本发明设计条件(r/r顶部＝0.6459时)的有利叶片表面速度 分布与不利叶片表面速度分布的图示比较。有利的工作分布是将最大的工作分 布设在根部和顶部之间的某个点。
经过最初的重复，由于合成速度分布和工作分布对设计者来说是不满意的 或不理想的，所以贝塞尔控制点被人为地改变以获得不同的弯度和厚度的分布。 再一次地对速度和工作分布进行分析，以确定是否获得了有利的解决方案。这 个过程被重复直到获得有利的解决方案。在优选的实施例中，最佳的标准化贝 塞尔控制点在图13A-C中以表格形式示出。
这些优化的贝塞尔控制点以及用于设在根部42翼剖面14的最佳弯度分布 和厚度分布在图14和15中以曲线图示出。优选实施例的所有五个翼剖面14的 工作分布在图16中以曲线图示出。从图16可以看出，最大工作分布设在根部 和顶部之间。优选实施例的所有五个翼剖面14的叶形中心线和厚度分布以及r/r 顶部＝0.7908时的横截面外形在图17和18中示出。
根据优化的叶形中心线和厚度分布，采取类似于NACA系列翼剖面所用的 方式确定了叶片表面坐标，NACA系列翼剖面引用在1959年由DOVER出版 公司出版IRA H.ABBOTT和ALBERT E.VON DOENHOFF著作“翼剖面理 论”第111-13页上。
叶片表面坐标由弦线32、叶形中心线36和法向厚度分布得出，如下所示：
X上＝Xc-YtSin.
Y上＝Yc+YtCos.
X下＝Xc+YtSin.
Y下＝Yc-YtCos.
式中：
X上、Y上、X下和Y下分别是叶片的上(吸入)表面22和下(压力)表面24 的坐标；
Xc和Yc是叶形中心线36的坐标；
Yt是叶片11厚度的一半；和
Tan是叶形中心线36的斜率，式中Tan＝dYc/dXc。
优选实施例的标准化横截面外形在图19中绘出。图21A-E是优选实施例的 表面坐标图表，以无量纲值表示。
一旦所需的横截面14在每个径向位置得出，便通过在圆周方向和轴向堆叠 五个横截面14中的每一个截面，并使每个横截面14从根部42偏移到规定堆叠 距离，形成一个三维叶片11。所述五个横截面14以平滑连续的方式混合。用于 这五个横截面外形的合成最佳值列在图20中。确定参数的关键是基本固定位于 约19％～约20％弦长之间的最大厚度和基本固定位于约45％～约46％弦长之间 的最大弯度。尽管这些是最佳数值范围，但扔然有一个扩大的数值范围虽不是 最佳但却令人满意的方式基本上满足性能参数和设计约束条件的要求。这些数 值是基本固定位于约16％～约23％弦长之间的最大厚度和基本固定位于 40％～51％弦长之间的最大弯度。
在图20中还可以看到其它用于确定每个横截面图参数的关键，例如最大厚 度和最大弯曲高度(两者都以英寸和在特定径向位置弦长的百分比表示)、叶形 中心线弯曲角、叶片安装角、半径、弦长和圆周与径向堆叠距离。用于每个横 截面外形以英寸表示的最大厚度特征是一个常数。以弦长百分比表示的最大厚 度从最大值在数值上下降变化到最小值，然后在数值上增加到叶片顶部，所述 最大值在根部，所述最小值基本位于半径的79％到约90％之间，所述半径是从 叶轮的中心到顶部测量的。以英寸和特定径向位置弦长百分比表示的最大弯曲 高度从根部的最大弯曲高度连续下降最大弯曲高度至叶片顶部。
叶形中心线弯曲角以根部的最大值为特征，该最大值在数值上连续下降到 叶片顶部。另一方面，叶片安装角以根部的最小值为特征，该最小值在数值上 连续增加直到叶片顶部。另外，叶片11的横截面外形可以由它的几何形状描述， 其前缘类似于抛物线形状，凸形上表面和下表面，该下表面向前缘凸起并向后 缘凹入。
图20中的其它参数包括纵横比和叶片桨盘面积比。纵横比以无量纲单位 定义为叶片的长度除以特定横截面上的弦长。叶片的长度定义为顶部半径(r顶 部)减去根部半径(r根部)。叶片浆盘面积比以无量纲单位定义为特定径向位置上 的弦长除以叶片间隔。叶片间隔是相邻叶片之间在给定半径上的距离，并进 一步用叶片数量除2πr确定。最后，标准化半径、标准化弦长和标准化圆周 及轴向堆叠距离表示在图20中，这些参数都通过用参数的最大值除特定径向 位置上的参数值，以无量纲单位来定义。此处讨论的叶片可以应用于下面描 述的反向旋转叶轮。
反向旋转叶轮
在给定物理尺寸和功率输入的电风扇中用于冷却电子元件的最重要的参数 是空气流量。能带来流过电子元件的空气流量越大，则被驱散的热量就越多。 空气流量通常以每分钟立方英尺(CFM)计量。
当被风扇推动的空气未被限制在风扇下游的任何方向时，该情形称为自由 空气，即从风扇发出的阻止气流的静压力为零。当气流被限制时，例如空气被 迫经过一套电子元件并流出电子元件周围的容器，那么将产生一定量的静压力。 在特定空气流量条件下将产生多少静压力这取决于许多物理参数，包括被冷却 的电子元件构型、电子元件周围的容器尺寸以及该容器如何通风排气。也就是 说，对于相同的空气流量，在受通风限制的小盒中的一套非常复杂的电子元件 会导致相对高的静压力，而在大的和较好通风条件的容器中一套简单的电子元 件会导致相对低的静压力。
传统的空气流量理论预测，同轴互相串联放置两个风扇导致自由空气的空 气流量增加极小，即在风扇下游基本上没有反压力的情况下。传统的理论还预 测，当反压力增加时，风扇同轴机组的空气流量可能比单风扇情况增加到两倍。
图6(a)是风扇的空气流量(CFM)与静压力(英寸水柱数)的关系曲线图， 该风扇由IMC公司生产(批注：即它是IMC吗？)并被称为5910系列轴流式 风扇。从图6(a)可以看出，自由空气条件下的空气流量值大约为240CFM，而 当静压力值大约0.6英寸水柱时，空气流量是0CFM。
曾用两个同轴IMC5910系列轴流式风扇进行试验。两个风扇同轴放置并彼 此邻近。根据这两个风扇同向旋转和反向旋转(相反方向)测量相对于静压力 的流量。这些试验的结果如图6(b)所示。从图6(b)可以看出，有关风扇串联旋 转的情况遵循传统的空气流量理论，即自由空气条件下空气流量只有边际增加， 当静压力增加时，空气流量只是逐步增加。
本发明的反向旋转叶轮结构示于图7(d)。反向旋转叶片以相同方向推动空 气，因为第二个叶轮的斜度与第一个叶轮的相反。从图6(b)可以看出，传统的 空气流量理论不能正确地预测在给定静压力下的空气流量。虽然对于自由空气 的情况，空气流量的增加仍然仅仅是边际的，但是本发明的反向旋转优选实施 例中空气流量的增加更快更剧烈。
空气动力影响可以解释空气流量效率的这种显著增加，这种影响主要分为 两类：翼剖面阻力和二次流。翼部面阻力一切由叶片形状、表面光洁度、叶轮 产生的湍流空气、甚至叶片产生的阻力形成。由叶轮产生的湍流空气示于图7(a)。 二次流主要包括涡流气流(径向速度)和由于风扇的内壁产生的空气流量损失。 涡流气流的图解示于图7(b)。该气流是空气与叶轮叶片和包装叶轮管的固定壁 的相互作用产生的。所有这些空气动力影响降低了风扇的效率。
“理论上”，即不考虑复杂的空气动力因素，风扇的效率是100％。把所有 的空气动力因素考虑进去，风扇的效率能降低到刚好低于50％。在相同旋转试 验情况下，这些影响得到加强。进气在理论上是层状的(没有湍流的自由流动)。 空气离开第一个风扇后是湍流的，并以“螺旋”方式向下游流动。这时这种湍流 空气是同一方向旋转另一风扇的进气。最终的下游空气更加螺旋前进。这些有 害的空气动力影响严重破坏了整体风扇效率。
为了保持轴流式风扇的高效率，设计者要把空气动力影响尽可能地减少到 最低程度。在设计约束条件允许的情况下，轴流式风扇最好的构型是：利用预 旋转定子把进气方向改到转子叶片，并利用整流(straightening)定子将气流尽 可能地改回成自由束流。这种理想化的构型示于图7(c)。这种理想化的结构明 显地将二次流的影响减少到最低程度，并因此将空气动力效率(和整体风扇的 效率)保持在较高水平。
如图7(d)所示，使用本发明反向旋转叶轮达到了与图7(c)理想化结构相同的 效果。输入第一叶轮的层状气流被第一叶轮“预旋转”，这增加了轴向和径向(涡 流)气流向下游流动。这些气流然后被同轴反向旋转的第二叶轮“整流”。第二 个风扇进一步提高了轴向流量并回收了其它在系统中损失的绝大部分径向(涡 流)气流。既然由第一个叶轮产生的涡流几乎被第二个叶轮抵消，那么空气动 力效率更高。这种更高的效率有助于提高系统总的空气流量。
本发明进一步设想在一个外壳中装入N个基本同轴叶轮的方法，其中N为 整数；以与所述N个叶轮中的第一个叶轮旋转方向相反的方向旋转至少一个叶 轮运行叶轮以相同的方向推动空气；和从外壳内N个叶轮产生的空气流量比 单叶轮产生的空气流量多N倍，假定风扇出气口的静压力大于某一最小压力。 静压力取决于具体风扇的特征，包括风扇的尺寸。例如，对于反向旋转双叶轮 和6英寸直径的风扇来说，静压力约为0.3英寸水柱。
图6(b)示出，当叶轮在最佳压力范围运行时，在某一静压力值下的相同环 境中，即用于建立反压力条件相同的外壳中，反向旋转双叶轮的空气流量基本 上可比普通旋转单叶轮运行的空气流量大一倍多。另外，本发明的反向旋转叶 轮提供的空气流量基本上大于图6(b)所示以相同方向旋转的两个叶轮产生的空 气流量。
本发明可以包括基本同轴的多个叶轮。至少一个叶轮以相反方向旋转。因 此，可以有N个叶轮，此处N为整数。如果N为偶数，那么一半叶轮可以第一 方向旋转，而一半可以相反方向旋转。旋转方向可以在相邻叶轮之间交换。所 有叶轮可都相同，在这种情况下，假定风扇出气口的静压力大于某一最小压力， 则总的空气流量基本上比在前面相同环境中运行的单叶轮产生的空气流量多N 倍。如果叶轮不相同，假定风扇出气口的静压力大于某一最小压力，则总的空 气流量基本上大于在相同环境中运行的N个叶轮中的每个叶轮产生的空气流量 之和。
同轴反向旋转的多叶轮结构可以具有如IMC5910系列的叶片，或者是前面 名为“叶片结构参数”那一节所述的叶片。
第一和第二叶轮各有它们自己独立的电动机，所述电动机的定子按常规反 向绕线，以产生反向旋转。另一方面，电动机可共用一根轴。
总之，本发明提供了一种轴流式风扇，该风扇具有新的电路和外壳、新的 包括多个混合一起的翼剖面的叶片，这种结构使在保持所需性能参数和设计约 束条件的同时缩小了轴流式风扇的轴宽。本发明还公开了多个同轴反向旋转叶 轮，这种叶轮在给定静压力值时的空气流量值比传统理论预计的空气流量值大 得多。另外，叶片使多种同轴反向旋转叶轮能够开发它们的最大可能优点，尽 管存在用于冷却电子元件的电动机尺寸参数的设计约束条件。
另外，对于本发明的反向旋转轴流式风扇来说，更多的空气流量或声学优 点可以通过采取以下一种或更多的设计改进来达到：
向反向旋转的叶轮上附装与常规旋转叶轮不同数目的叶片(这样减小风扇 的噪声波形)；
根据风扇内叶轮的轴向位置确定叶轮的直径，使得邻近风扇出气口的叶轮 直径大于邻近风扇进气口的叶轮直径(这样提高空气流量)；和
将叶轮装入圆锥形的外壳中，其中圆锥部分的直径从风扇的进气口向风扇 的出气口增大(如图7(e)所示，这样提高空气流量)。
因为本发明的优选实施例已经作了展示和详细描述，对于本领域的那些技 术人员来讲，在其上进行各种修正和改进将变得显而易见。例如与公开的数值 有较小的偏差，以及对公开的公式近似求法规定要在本发明的精神之内。另外， 由于横截面设计的混合或由于不同的混合方法产生的较小偏差或差异规定要在 本发明的精神和范围之内。对于基本上相同的性能参数和设计约束条件，或者 在性能参数和设计约束条件上几乎没有经济意义的差异，通过较小的方式改变 设计方法，例如为控制点数量选择不同的值、为横截面外形数量选择不同的值、 为叶片数量选择不同的值、通过不同的径向距离确定横截面外形、或者选择不 同的堆叠距离、叶片安装角、叶形中心线弯曲角或弦长，其中数值差异较小， 则可以获得富有生命力的产品。优选实施例的附图和说明是通过示例作出的， 但不限制本发明的范围，而且它们都预计在本发明的精神和范围内囊括前面所 述的所有变化和修改。
本申请是申请号为2004100477318、申请日为2004年3月21日、发明名称 为“用于具有反向旋转叶轮的轴流式风扇的叶轮片”的发明专利申请的分案申 请。
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