包括线材弹簧的线性风扇 |
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| 申请号 | CN202080094121.0 | 申请日 | 2020-12-02 | 公开(公告)号 | CN115038879A | 公开(公告)日 | 2022-09-09 |
| 申请人 | 波佩图阿有限公司; | 发明人 | T·S·卢卡斯; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种线性 风 扇 叶片 组件，其包括具有附接到 风扇叶片 的第一端和附接到风扇 框架 的第二端的线材 弹簧 。风扇叶片包括自由端，使得叶片可以通过在线材弹簧上枢转而振荡。线材弹簧屈曲以使风扇叶片振荡。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种线性风扇叶片组件，包括： |
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| 说明书全文 | 包括线材弹簧的线性风扇[0001] 相关申请的交叉引用 背景技术[0003] 本申请涉及用于强制空气热管理系统的风扇技术且特别是用于炎热恶劣环境中的强制空气热管理系统和通用风扇应用。 [0004] 旋转风扇驱动的强制空气传热系统是电子冷却最流行的热管理解决方案。最近，汽车、自主车辆、电信、户外电子外壳、军事、航空航天、能源和LED照明应用等市场正在将电子产品推向日益炎热和恶劣的环境，这会显著降低风扇寿命，这是由于随着操作温度升高，轴承润滑剂指数性地更快蒸发。在恶劣的环境中，轴承还可吸入大气污染物，导致润滑剂劣化，从而进一步缩短风扇寿命。 [0005] 由于线性风扇(例如悬臂风扇)经由在弹簧上枢转的振荡叶片移动空气，因此其不需要轴承且因此其预期寿命不受温度或润滑剂劣化的影响。如果弹簧的峰值弯曲应力小于材料的疲劳极限，则使用含铁金属制成的枢转弹簧可以为线性风扇实现所谓的“无限寿命”。然而，钢板金属枢转弹簧已被证明存在问题且因此尚未取得商业成功。 [0006] 典型的现有技术线性风扇结构如图1所示，包括弹簧夹块2、板金属弹簧4和刚性风扇叶片6。叶片6通过在金属板弹簧4上枢转来回振荡，金属板弹簧4弯曲以适应叶片振荡。这种由在弯曲弹簧上枢转的刚性叶片组成的架构对于商业上可行的线性风扇所需的动态稳定性至关重要。 [0007] 为了产生空气流，叶片必须在其基本枢转模式下在±x方向上振荡，如图1中的弯曲箭头所示。如果叶片组件在更高振荡模式下被激发，那么这些更高模式振荡叠加在基本振荡上，导致叶片的动态不稳定性、由于高弹簧应力和过大噪声导致的过早弹簧失效。 [0008] 对于图1所示的架构，叶片高度HB与弹簧高度HS的比率越大，则叶片组件的动态稳定性就越大。HB/HS的比率越大，叶片就越像铰链上的简单面板进行动态行为。与沿其整个高度自由弯曲的全悬臂叶片相比，具有高HB/HS比率的图1架构将大大减少导致动态不稳定性的不期望更高共振模式的数量并且还将增加这些更高模式和基本枢转模式之间的频率分离。只要弹簧不会将其自身的不稳定性引入叶片组件，则这些优点就会得到确认。 [0009] 虽然理论上图1的叶片组件架构似乎提供了高稳定性，但在实践中，金属板枢转弹簧的使用引入了阻止叶片组件在商业上可行的不稳定性。每个部件所需的不同材料将具有不同的热膨胀系数(CTE)值。因此，随着操作期间温度变化，CTE失配将导致金属板弹簧变形，从而导致(1)弹簧刚度的周期性变化，(2)随之引起的动态不稳定性，(3)超过弹簧疲劳极限的应力梯级，使商业相关的风扇寿命无法实现，以及(4)金属板弹簧中的循环跳变导致的商业上不可接受的噪音水平。参考图1，这些CTE失配在任何叶片宽度W下都是有问题的，但是随着叶片宽度W增加，CTE引起的部件变形明显成比例地变得更严重。 [0010] 在图1的架构中包含金属板弹簧的另一个缺点是，线性风扇必须以或接近其质量‑弹簧共振频率运行，以便以可接受的能量效率操作，并且需要大弹簧K(刚度)值以针对有用空气流率提供足够高的共振频率。在动态叶片稳定性所需的短高度HS内，金属板弹簧无法在不超过弹簧疲劳极限的情况下为商业相关流率提供足够大的弹簧K值，从而导致风扇快速失效。 [0011] 金属板弹簧的另一个缺点是，一旦将材料切割成应用所需的尺寸，在应用中经历重复弯曲的切割边缘必须首先进行边缘修整操作，以消除导致应力梯级的毛刺和裂纹。在远低于材料认证的疲劳极限的弹簧弯曲应力下，这些应力梯级会导致弹簧的裂纹传播失效。无论轧机制造的金属板的质量和材料特性如何，其寿命和可靠性仅与二次边缘修整操作一样好。 [0012] 因此，对于任何宽度W的线性风扇要实现商业可行性，需要这样一种枢转弹簧：其可以吸收由于实际CTE失配而导致的叶片组件部件的不同尺寸变化，同时还提供了商业有用空气流率所需的大弹簧K值，而不会出现弹簧失效或破坏图1架构的固有动态稳定性。 [0014] 本公开的特征、方面和优点将从以下描述以及附图中所示的随附示例性实施例变得显而易见，这些附图将在下文进行简要描述。 [0015] 图1是采用金属板弹簧的风扇叶片组件的透视图。 [0016] 图2是包括线材弹簧的风扇叶片组件的示例性实施例的透视图。 [0018] 图4示出了图2的风扇叶片组件的侧视图和俯视图。 [0019] 图5示出了风扇叶片组件的各种示例性实施例的侧视图，包括以相对于风扇叶片的各种定向安装的线材弹簧。 [0020] 图6是包括线材弹簧的风扇叶片组件的透视图。 [0021] 图7是采用金属板弹簧的风扇叶片组件的透视图。 [0022] 图8是图6和7的叶片组件的并排端视图。 [0023] 图9是风扇叶片组件的示例性实施例的透视图，其包括线材弹簧和多个风扇叶片。 [0024] 图10是图9的风扇叶片组件的侧视图。 [0025] 图11是与风扇叶片一起使用的线材弹簧的示例性实施例的透视图。 [0026] 图12是连接到示例性风扇叶片的图11的线材弹簧的透视图。 具体实施方式[0028] 图2示出了线性风扇叶片组件的示例性实施例，该组件包括多个线材螺旋弹簧10，这些线材螺旋弹簧具有竖直定向并通过支架12刚性地附接到风扇叶片8，而弹簧10的另一端附接到静止夹块14。尽管图示了四个弹簧，但其他实施例可以包括一个或多个螺旋弹簧，这取决于风扇的尺寸和采用风扇的应用。弹簧10允许叶片8如弯曲箭头所示枢转和振荡。弹簧10具有类似于压缩弹簧的节距，但与压缩弹簧不同的是，弹簧10以侧向模式弯曲，如图3所示。弹簧10被构造为具有足够大的螺旋节距以防止在侧向弯曲期间螺旋匝之间的接触，这种接触会造成不稳定性、应力梯级、表面损坏、弹簧过早失效和显著噪音。 [0029] 图2的叶片组件解决了CTE失配问题，这是由于竖直安装的螺旋弹簧10能够在侧向x‑z平面中屈曲(如图4所示)以吸收叶片组件和风扇组件子部件的变化尺寸膨胀或收缩，从而防止这些部件由于其不同的CTE值而发生任何变形或翘曲。弹簧的x‑z屈曲不会以任何方式干扰其作为叶片的枢转弹簧的功能，因此尽管叶片组件和风扇组件部件之间可能存在大CTE变化，但仍允许风扇在任何商业操作温度范围上稳定操作。 [0030] 与现有技术线性风扇中使用的典型单金属板弹簧相比，本发明的线材弹簧提供以下额外优点。由于采用线材拉动工艺，钢线材弹簧的最终抗拉强度和疲劳极限几乎是最高质量钢板(例如片状阀钢)的两倍。此外，因为线材弹簧不需要边缘修整，因此线材弹簧使得多弹簧支腿设计实现商业实用性。相反地，包括各个金属板弹簧的多弹簧支腿方法产生等于弹簧支腿数量两倍的待修整边缘数量。 [0031] 如图5所示，由于线材弹簧可以向任何方向屈曲，因此无论弹簧安装角度如何(从侧向弯曲模式中的0°(竖直)到扭转弯曲模式中的90°(水平)或其中弹簧偏转将包括作为中间角度θ函数的侧向和扭转弯曲的变化比率的中间角度θ)，弹簧都可以管理部件CTE失配。因此，本文所述的风扇叶片组件包括具有例如如图5所示相对于风扇叶片以各种定向安装的线材弹簧的实施例。 [0032] 所公开的风扇叶片组件的另一个显著优点是线材弹簧可以成形为许多不同形状因子(例如线圈)，而金属板弹簧则不能。与金属板弹簧相比，线材弹簧成型所提供的额外设计尺寸可以为给定峰值弯曲应力提供更高弹簧刚度K。这些更高K值和更低弯曲应力能够实现更高操作共振频率和叶片位移，从而实现更高空气流率和压力。例如，图6和7的叶片组件用有限元分析(FEA)建模以比较两种情况下相同叶片18和相同操作条件的弹簧特性。图6的叶片组件包括0.040英寸厚和19英寸宽的铝制叶片18，四个钢弹簧10，这些弹簧的一端刚性连接到叶片18且另一端刚性夹持在静止夹块16之间。图7的叶片组件包括0.004英寸厚的钢板弹簧，其一端刚性联结到叶片18且另一端刚性夹持在静止夹块22之间，其中图7的叶片18与图6的叶片18相同。在操作中，图6和7的叶片18通过在其相应弹簧上枢转而如弯曲箭头所示地振荡。 [0033] 对于FEA，图6和图7的叶片组件被设计成使得其叶片对于相同叶片位移具有相同扫掠体积。这种等效需要知道图6中叶片18的几何枢转点。图8提供了图6和7的两个叶片组件的并排端视图，并示出了图6的组件的叶片枢转点位于螺旋弹簧的中心。如图8所示，为了提供扫掠体积相等，金属板弹簧20的高度HS必须等于从螺旋弹簧枢转点到叶片的基部的距离，其为10mm。 [0034] FEA在导致两个叶片组件的相同空气流的相同叶片位移和相同操作频率下比较了图6和7叶片组件的弹簧应力。空气流率随着操作频率增加而增加，而操作频率又随着弹簧刚度增加而增加，且弹簧刚度随着金属板厚度增加而增加。因此，对于图7的叶片组件，FEA被用于找到最大弹簧厚度，该厚度可以在峰值弯曲应力不超过700MPa金属板疲劳极限的情况下用于8mm叶片尖端位移。对于图6的叶片组件，螺旋弹簧被设计为提供与图7的金属板弹簧相等的总弹簧刚度，以匹配两个叶片组件的共振频率。 [0035] 如下表所提供的，FEA结果表明，对于相同操作频率和叶片位移，线材螺旋弹簧的安全系数(即疲劳极限除以峰值弯曲应力)为3.7，而金属板弹簧由于弹簧在其疲劳极限下进行操作而没有安全系数。 [0036] [0037] 对于给定叶片组件，可以通过增加共振振荡频率来改善空气流率和压力，如上所述，这需要增加弹簧刚度。但是对于图7的金属板弹簧，不能提供弹簧刚度的进一步增加，这是因为这会增加超过疲劳极限的弯曲应力，从而导致弹簧失效。相比之下，使用线材螺旋弹簧使得能够为了更高总弹簧刚度和更高操作频率而将更多相同的弹簧添加到图6的叶片组件，而不会增加应力。例如，叶片组件可以容纳30个相同的螺旋弹簧，这会将共振频率从48Hz增加到13lHz，从而在相同的8mm峰值位移下提供空气流率的2.73倍增加以及空气压力的7.45倍增加，并且由于高疲劳极限，操作叶片位移超过8mm也是可能的，这将提供空气流率的额外增加。此外，大应力安全系数允许线材螺旋弹簧针对更高刚度进行设计，从而在不超过疲劳极限的情况下实现共振频率和空气性能的进一步增益。相反，图7的金属板弹簧肯定随着叶片位移的任何增加而失效。 [0038] 图9示出了为大功率LED植物灯开发的双叶片线性风扇，其采用具有19英寸长风扇叶片的竖直线材螺旋弹簧。图10提供了图9所示线性风扇的端视图。如图10所示，风扇包括刚性连接到风扇框架32的定子26和刚性连接到风扇叶片30的电枢28。风扇叶片沿风扇框架在平行方向上延伸。在各种实施例中，电有源部件可以放置在框架或叶片任一者上，而电无源部件将对应地位于框架或叶片中的另一者上。在操作中，定子26产生周期性磁场，从而导致电枢28上的周期性力，使得叶片28以180°异相振荡，以通过促进消除叶片30施加到风扇框架32上的反作用力来最小化风扇振动。许多不同马达拓扑可用于以周期性力致动叶片30且典型示例在专利申请PCT/US17/67658的高性能悬臂风扇中提供，其全部内容通过引用并入本文。图9的风扇以38Hz的频率操作并提供高达80CFM的空气流而不会超过弹簧的疲劳极限。线材弹簧的使用消除了CTE失配问题并使得实现具有大叶片宽度W与叶片高度HB比率的线性风扇的稳定操作。图9风扇的叶片高1.6英寸且长19英寸。当使用线材弹簧时，叶片长度可以无限增加，同时仍保持风扇的稳定操作。 [0039] 图2‑10的实施例示出了具有圆形横截面形状的线材弹簧，但是在本发明的范围内可以使用任何横截面形状，例如椭圆形、正方形、矩形或非对称形状，只要线材没有产生导致弹簧过早失效的应力梯级的锋利边缘即可。线材横截面积、纵线材弹簧长度、弹簧材料和弹簧形状因子都被选择为满足给定应用的对于本领域技术人员来说是众所周知的要求。 [0040] 图2‑10的实施例都示出了以螺旋形状因子缠绕的线材弹簧，其中在弹簧的每一端均具有附接支腿。本发明范围内的线材弹簧也可以以任何数量弹簧形状因子进行缠绕。图11提供了缠绕线材弹簧形状因子的另一个示例，其中弹簧线被缠绕为形成平面弹簧34。图 11中所示的示例性弹簧以锯齿形或蛇形形状缠绕，其中弹簧旋转使得线材的较长部分的平行长度在风扇叶片和风扇框架之间延伸而较短部分连接到风扇叶片或风扇框架中任一者。 如图12所示的示例性叶片组件36所示，叶片38的底部边缘刚性地附接到弹簧34的顶部，其中弹簧34示出为在风扇操作期间处于偏转状态，在该风扇操作期间，弹簧34的底部被刚性夹持以保持静止。将弹簧紧固到叶片的方法包括夹块、螺钉、铆钉或塑料叶片的插入成型(如图11所示)。图12叶片组件的FEA示出了47.7Hz共振频率，在距其余部分9mm的叶片尖端位移处的应力安全系数为2.3。叶片高度HB、厚度和材料与图6和图7的叶片18相同。 [0041] 在本发明的范围内，线材弹簧可以形成无数种形状和形状因子，但不管这些各自应用相关的线材弹簧设计如何，其都将提供本发明的益处，包括消除与金属板弹簧相关的CTE失配问题，由于线材拉动工艺提供更高弹簧疲劳极限，并消除了与金属板弹簧的边缘修整相关的寿命和可靠性问题。 [0042] 对于具有在弹簧上枢转的叶片的线性风扇，叶片的振荡频率将处于或接近叶片组件的质量‑弹簧共振以实现最大风扇能量效率。共振频率可以通过调节螺旋弹簧的具有诸如线圈直径、线材直径和节距等参数的刚度K以及通过调节叶片的质量来调节。除了螺旋弹簧之外，还可以添加永磁弹簧，以进一步增加叶片组件的有效弹簧K，以提供更高共振频率和更高空气流和压力，如专利申请PCT/US17/67658中的高性能悬臂式风扇所教导的，其全部内容通过引用并入本文。 |
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