线性风扇强制风冷 |
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| 申请号 | CN202180025277.8 | 申请日 | 2021-03-04 | 公开(公告)号 | CN115956163A | 公开(公告)日 | 2023-04-11 |
| 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，包括通过线 弹簧 附接在风扇 框架 上的 风扇 叶片 ，该线弹簧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。该风扇叶片包括自由端，使得叶片通过在线弹簧上枢转而振荡。线弹簧弯曲以使风扇叶片振荡。该风扇包括用于驱动风扇叶片振荡的 马 达。该马达包括连接到风扇叶片的电枢或 永磁体 和连接到风扇框架的 定子 组件。该定子组件包括缠绕在定子芯的腿部上的载 流线 圈。马达被控制以改变在线圈中承载的 电流 的方向，从而改变由定子组件产生的 磁场 的方向并导致风扇叶片振荡。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种线性风扇，包括： |
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| 说明书全文 | 线性风扇强制风冷[0001] 相关申请的交叉引用 [0002] 本专利申请要求于2020年3月27日提交的序列号为63/001,071的美国临时专利申请以及于2020年3月4日提交的序列号为62/985,121的美国临时专利申请的优先权。前述临时专利申请均通过引用并入本申请。 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，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] 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、电信和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，这会显着降低风扇的使用寿命，因为随着工作温度的升高，轴承润滑剂的蒸发速度会呈指数级增长。在恶劣的环境中，轴承还可以吸入大气污染物，导致润滑剂降解，从而进一步缩短风扇寿命。 [0005] 由于线性风扇(又名悬臂式风扇)经由振荡的叶片来移动空气，该叶片在弹簧上枢转，因此它们不需要轴承，因此它们的预期寿命不受温度或润滑剂降解的影响。如果弹簧的峰值弯曲应力小于材料的疲劳极限，则使用黑色金属制成的枢轴弹簧可以为线性风扇实现所谓的“无限寿命”。然而，钢板金属枢轴弹簧已被证明存在问题，因此尚未取得商业成功。 [0006] 典型的现有技术的线性风扇结构如图1所示，包括弹簧夹块2、金属板弹簧4和刚性风扇叶片6。叶片6通过在金属板弹簧4上枢转而来回振荡，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] 为了产生气流，叶片必须在其基本枢轴模式下在±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的振荡模式下被激励，那么这些更高模式的振荡会叠加在基本振荡上，这会导致叶片动态不稳定，由于高弹簧应力和过大噪声而导致弹簧过早失效。 [0008] 对于图1所示的架构，叶片高度HB与弹簧高度HS之比越大，则叶片组件的动态稳定性就越大。HB/HS之比越大，叶片的动态行为就越像铰链上的简单面板。与沿其整个高度自由弯曲的全悬臂叶片相比，具有高HB/HS之比的图1架构将大大减少导致动态不稳定性的不需要的较高共振模式的数量，并且还将增加这些模式和基本枢轴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，这些优点就会得到认可。 [0009] 虽然理论上图1的叶片组件架构似乎提供了高稳定性，但使用金属板枢轴弹簧会引入这种不稳定性，以致叶片组件在商业上不可行。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，随着运行过程中温度的变化，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)随之而来的动态不稳定性，(3)应力升高超过弹簧的疲劳极限导致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卡扣导致商业上不可接受的噪声水平。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的增加，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运行，并且较大的弹簧K(刚度)值是需要的，以为有用的空气流速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速提供足够大的弹簧K值，从而导致风扇快速失效。 [0011] 如果所有线性风扇部件都由相同的材料制成，则CTE失配将被消除。然而，由于弹簧必须由钢制成以实现长寿命，因此所有其他部件也必须由钢制成。但是全钢叶片组件在商业上不可行，因为线性风扇必须以它们的机械共振频率运行，并且全钢叶片的大质量会导致共振频率太低而无法实现商业上有用的空气流速。 [0012] 因此，对于任何宽度W的线性风扇要实现商业可行性，需要枢轴弹簧，它可以吸收由于CTE失配而导致的叶片组件部件的不同尺寸变化，并提供商业有用的空气流速所需的大弹簧K值，而无需破坏图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明显，这些示例性实施例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是包括线弹簧的风扇叶片组件的示例性实施例的透视图。 [0017] 图3是图2的组件中采用的线圈弹簧的侧视图。 [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，该风扇叶片组件包括以相对于风扇叶片的各种取向安装的线弹簧。 [0020] 图6是包括线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，该风扇叶片组件包括线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是包括一对定子组件的线性风扇的示例性实施例的俯视图。 [0026] 图12是定子组件的示例性实施例的透视图。 [0028] 图14是用于线性风扇的马达架构的示例性实施例的简化俯视图。 [0029] 图15是线性风扇组件的局部透视图，示出了安装在风扇叶片上的永磁体。 [0030] 图16是用于线性风扇中的马达架构的示例性实施例的俯视图。 [0031] 图17包括用于线性风扇的马达中的双芯定子组件的透视图。 [0032] 图18包括用于线性风扇的轴向马达架构中的定子组件的示例性实施例的透视图和简化图。 [0033] 图19是具有轴向马达架构的线性风扇的示例性实施例的透视图。 [0034] 图20是具有横向马达架构的线性风扇的示例性实施例的侧视图。 [0035] 图21是用于线性风扇的横向马达架构的示例性实施例的简化视图。 [0036] 图22是用于线性风扇的横向马达架构的示例性实施例的简化视图。 [0037] 图23是针对具有轴向和横向马达架构的线性风扇的示例性实施例所获取的力对安匝数据的比较图。 [0038] 图24是线性风扇叶片组件的示例性实施例的侧视图。 [0039] 图25是线性风扇和散热器组件的示例性实施例的透视图。 [0040] 图26是图25的线性风扇和散热器组件的实施例的侧视图，示出了气流的方向。 [0041] 图27是旋转风扇和散热器组件的透视图。 [0042] 图28是线性风扇和散热器组件的示例性实施例的透视图。 [0043] 图29‑32示出了线性风扇叶片在不同激励模式下的运动。 [0044] 图33是采用金属板叶片弹簧的线性风扇系统的透视图。 [0045] 图34是图33的叶片组件表示为差动质量‑弹簧网络的侧视图。 [0046] 图35是由线性风扇的示例性实施例在外壳中产生的气流的透视图。 [0047] 图36示出了用于冷却TV或计算机监视器的线性风扇的示例性实施例。 具体实施方式[0048] 本文所述的实施例涉及一种线性风扇，该线性风扇可包括线性叶片组件，该线性叶片组件包括线性风扇叶片和弹簧。如下面进一步描述的，线性风扇叶片可以由例如电磁马达驱动。本发明不限于这里所示的各种实施例。实施例仅作为本发明的各种特征的示例而呈现。 [0049] 图2示出了线性风扇叶片组件的示例性实施例，其包括多个具有竖直取向的线圈弹簧10，线圈弹簧10通过支架12刚性附接到风扇叶片8，而弹簧10的另一端连接到固定夹块14。尽管图示示出了四个弹簧，但其他实施例可以包括一个或多个线圈弹簧，这取决于风扇的尺寸和使用风扇的应用。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以横向模式弯曲，如图3所示。弹簧10配置有足够大的节距以防止在横向弯曲期间线圈匝之间发生接触，这会产生不稳定性、应力升高、表面损坏、弹簧过早失效和明显的噪声。 [0050] 图2的叶片组件解决了CTE失配的问题，因为竖直安装的线圈弹簧10能够在横向x‑z平面中弯曲，如图4所示，以吸收叶片组件的子部件的不同尺寸膨胀或收缩，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弯曲不会以任何方式影响它们作为叶片的枢轴弹簧的功能，因此尽管叶片组件部件之间可能存在较大的CTE变化，但允许风扇在任何商业运行温度范围内稳定运行。 [0051] 如图5所示，由于线圈弹簧可以向任何方向弯曲，因此无论弹簧安装角度如何，从横向弯曲模式中的0°(竖直)到扭转弯曲模式或中间角Q中的90°(水平)，弹簧都可以管理部件CTE失配，其中弹簧挠度将包括作为中间角Q的函数的不同的横向弯曲和扭转弯曲之比。因此，本文所述的风扇叶片组件包括弹簧安装在相对于风扇叶片的各种取向的实施例，例如，如图5所示。 [0052] 所公开的风扇叶片组件的另一个显着优点是，对于给定的峰值弯曲应力，线圈弹簧可以提供高得多的弹簧刚度K。这些较高的K值和较低的弯曲应力能够实现更高的运行共振频率和叶片位移，从而实现更高的空气流速和压力。例如，图6和图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和相同运行条件的弹簧特性。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，其一端刚性连接到叶片18，另一端刚性夹在固定夹块16之间。图7的叶片组件包括0.004英寸厚的钢板金属弹簧，一端与叶片18刚性结合，另一端刚性夹在固定夹块22之间，其中叶片18与图6的叶片相同。在运行中，图6和图7的叶片18通过在各自的弹簧上枢转而振荡如弯曲箭头所示。 [0053] 对于FEA，图6和图7的叶片组件被设计成它们的叶片在相同的叶片位移下具有相同的扫掠体积。这种等效需要知道图6中叶片18的几何枢轴点。图8提供了图6和图7的两个叶片组件的并排端视图，并显示了图6组件的叶片枢轴点位于线圈弹簧的中心。如图8所示，为了提供等效扫掠体积，金属板弹簧20的高度HS必须等于从线圈弹簧枢轴点到叶片底部的距离，即10mm。 [0054] 对于图7的叶片组件，FEA用于找到弹簧厚度，导致峰值弯曲应力等于700MPa的疲劳极限，叶片尖端位移为8mm。对于图6的叶片组件，FEA结果表明，线圈弹簧在相同的8mm位移下将看到300MPa的峰值应力。图6和图7的叶片组件的FEA结果如下表所示。 [0055] [0056] 对于给定的叶片组件，可以通过增加共振振荡频率来改善空气流速和压力，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，不能提供进一步的增加，因为这会增加已经处于疲劳极限的弯曲应力，这意味着应力安全系数为零。应力安全系数是疲劳极限除以峰值弯曲应力。 [0057] 相比之下，线圈弹簧具有以下优点，即提供类似的共振频率，应力安全系数为3.7，并且还可以在叶片组件中添加更多相同的弹簧，以获得更高的运行频率，而不会增加应力。例如，叶片组件可以容纳30个相同的线圈弹簧，这会将共振频率从48Hz增加到13l Hz，在相同的8mm峰值位移下，空气流速增加2.73倍，压力增加7.45倍。此外，大的应力安全系数允许线圈弹簧被设计成更高的刚度，在不超过疲劳极限的情况下进一步提高共振频率和空气性能。 [0058] 图9示出了为大功率LED植物灯开发的双叶片线性风扇，该风扇采用带有19英寸长的风扇叶片的竖直线圈弹簧。图10提供了图9所示的线性风扇的端视图。如图10所示，风扇包括与风扇框架32刚性连接的定子26和与风扇叶片30刚性连接的电枢28。在各种实施例中，电有源部件可以放置在框架或叶片上，并且电无源部件将相应地位于框架或叶片中的另一个上。在运行中，定子26产生周期性磁场，从而在电枢28上产生周期性力，从而使叶片28以180°异相振荡，从而通过消除由叶片30施加到风扇框架32上的反作用力来最小化风扇振动。许多不同的马达拓扑可用于以周期性力致动叶片30，典型示例在专利申请PCT/US17/ 67658中的高性能悬臂式风扇中提供，其全部内容通过引用并入本文。图9的风扇以38Hz的频率运行，并提供高达80CFM的气流，而不会超过弹簧的疲劳极限。 [0059] 对于带有在弹簧上枢转的叶片的线性风扇，叶片的振荡频率将等于或接近叶片组件的质量‑弹簧共振，以实现最大的风扇能量效率。共振频率可以通过调节线圈弹簧的刚度K以及诸如线圈直径、线径和节距等参数以及通过调节叶片的质量来调节。除了线圈弹簧之外，还可以添加永磁体弹簧以进一步增加叶片组件的有效弹簧K，从而提供更高的共振频率和更高的空气流和压力，如专利申请PCT/US17/67658中的高性能悬臂式风扇所述，其全部内容通过引用并入本文。 [0060] 图11提供了图9的风扇的俯视图并且示出了一种马达架构，该马达架构可用于驱动本文公开的线性风扇的各种实施例的叶片的振荡。在图11中，相同的定子组件34和40被示为位于叶片38和44之间，并且每个组件都刚性附接到风扇框架32。永磁体36刚性附接到叶片38，永磁体42刚性地附接到叶片44。定子组件34对叶片磁体36施加周期性的力并且定子组件40在叶片磁体42上施加周期性的力。相同的定子组件34和40的部件在图12中示出。定子组件45包括叠片组或定子芯46、线圈架48和线圈50。本文所述的示例性叠片组或磁芯的各个叠片将具有大于空气的磁导率，并且由诸如用于电力变压器叠片的硅钢之类的材料或适用于给定应用的任何材料制成。本发明的定子芯可以由叠片构成或作为熔融动力金属或任何其他材料或制造方法的单个部件构成，从而产生适合给定应用的磁特性。 [0061] 图13提供了图12的定子组件45的俯视图。该组件包括类似于图11的叶片磁体36和42的永磁体52。永磁体52的极化方向由圆圈和箭头指示。线圈50中的电流导致磁通回路56和54，其与磁体52的磁场相互作用，从而在定子组件45和磁体52之间产生力。该力和产生的磁体位移将在平行于磁体极化方向的方向上，从而导致磁体52取向或远离定子组件45移动，这取决于线圈50内的电流方向，其在本文中被定义为轴向方向。尽管未示出，但在本文的各个实施例中描述的线圈连接到在期望方向上驱动电流的电压源。可以提供处理器或控制器来控制线圈中的电压和产生的电流以及频率和叶片位移。图13中的磁体52将响应于来自定子组件45的交变磁场而在轴向方向上振荡。除了穿过线圈50中心的E形叠片组46的中心腿部51之外，侧腿部53和55的叠层结构进一步降低了磁通回路56和54的空气磁阻，从而使与磁体52相互作用的磁场幅度最大化，从而使通过线圈50的给定电流的合力最大化。 [0062] 图14示出了具有仅穿过线圈50并且没有图13的侧腿部53和55的I形叠片组57的定子组件62。与图13的叠片组46相比，图14的叠片组57对磁通回路58和60产生更高的磁阻。因此，与磁体52相互作用的磁场的幅度减小，从而减小了通过线圈50的给定电流的合力。FEA磁建模表明，当在线圈50中使用相同的安匝数、相同的磁体52和相同的叠片材料时，图13的配置产生的力是图14的配置的两倍。图14中的磁体52将响应于来自定子组件62的交变磁场而在轴向方向上振荡。 [0063] 图15提供了图11的磁性支架37的特写视图，其用于将磁体36刚性地夹在叶片38上。如图13所示，图16提供了定子组件45和磁体52的俯视图，其中添加了磁性支架37。如果磁性支架37的材料具有比空气大的磁导率，则支架37的存在将减小磁体52的磁通回路64的磁阻，从而增加磁体52的磁场强度，其与定子组件45的磁场相互作用，从而在通过线圈50的给定电流下使定子组件45和磁体52之间的合力最大化。FEA磁性模型示出，当支架37具有诸如硅钢的高磁导率时，添加磁性支架37导致线圈50中相同安匝的力增加30％。图16中的磁体52将响应于来自定子组件45的交变磁场沿轴向方向振荡。 [0064] 图17提供了另一种用于向风扇叶片磁体提供周期性驱动力的马达架构，其中使用单个定子组件用于驱动两个叶片，而不是图11中所示的两个单独的定子组件。在图17中，架71和线圈69被安装在叠片组66的腿部78上，并且架70和线圈68被安装在叠片组66的腿部76上。线圈68中的电流产生磁通回路75，导致施加到磁体72的力，线圈69中的电流产生磁通回路77，从而导致在施加到磁体74的力。磁体72和74的极性将使得磁体轴向振荡。如果两个磁体和线圈之间的气隙大小相等，则向线圈68和69施加相等的电流将导致磁体72和74上的力相等。当安装在风扇组件中时，磁体72和74将各自附接到单独的风扇叶片。当向线圈68和69施加相同的周期性电流波形时，线圈68和69中的电流方向以及磁体72和74的磁极性方向将决定磁体是同相振荡还是以180°异相振荡。 [0065] 图18提供了另一种马达架构，用于使用单个线圈向风扇叶片磁体提供周期性驱动力。马达结构包括侧腿部叠片组80、中心腿部叠片组82和侧腿部叠片组84。叠片组80、82和84都通过支架86刚性地固定在一起。架88和线圈90被安装在中心腿部叠片组82上。向线圈 90施加电流会产生显示为虚线的磁通回路，其与磁体92和94的磁场相互作用，导致轴向力施加到磁体92和94。所有叠片组80、82和84都用于减小马达磁通回路的磁阻，从而增加与磁体92和94相互作用的磁场强度，并且对于给定的线圈电流使施加到磁体92和94的力最大化。磁体92和94将响应来自线圈90的交变磁场沿轴向方向振荡。 [0066] 图19提供了另一种马达架构，用于以更高的能量效率向风扇叶片磁体提供周期性驱动力。图19和20示出相同的定子组件96和100以及它们各自的叶片磁体98和102的取向。图21和22示出了定子组件96的更多细节。定子组件96包括E形叠片组或芯106，线圈104和架 108被安装在叠片组106的中心腿部上，并且磁体具有从先前图13‑18中所示的轴向磁体极化方向旋转90°的磁极性取向。图21示出了由线圈104中的电流方向产生的力矢量方向，该电流方向产生了叠片组96上所示的磁极。该力方向将导致磁体98在与力矢量相同的方向上移动，此处称为横向方向。横向方向可以在图21中示出为横向于位于架和线圈内的叠片组的腿部的长轴线。参考图22，反转线圈104中的电流方向将产生叠片组96上所示的磁极，从而在与图21相反的横向方向上对磁体98施加力。 [0067] 图13确定了定子组件45和磁体52之间的气隙G。由于磁体及其各自的风扇叶片的轴向振荡，图13‑18的马达结构都必须具有足够大的气隙G以允许叶片和磁体在不撞击定子组件的情况下振荡。马达效率在此定义为施加到磁体的力除以产生该力所消耗的电能。马达效率随着气隙G的减小而增加，并且由于G在图21的横向马达架构中不振荡，因此与图13‑18的轴向马达架构相比，可以提供小得多的气隙G。因此，横向马达架构可以提供更高的能源效率。 [0068] 进行了测量以比较图13和21中所示的轴向和横向定子磁体组件。对于这些测量，定子组件的轴向和横向架构是相同的，只有磁极发生了变化。定子组件由EE‑26‑27变压器叠片和230匝线圈构成。磁体是钕铁硼，尺寸为0.25英寸x0.25英寸x0.5英寸。本文公开的风扇实施例在以其质量弹簧共振频率运行时将具有其最高的机电能量效率。在这个共振频率下，峰值马达力将出现在叶片的最大速度处，该速度出现在叶片的两个极端位移位置之间的中间点。在叶片冲程的这一点上，磁体位于其各自定子组件前面的中心，因此静力测量是在磁铁处于其中心位置的情况下进行的，如图13和21所示。图23中提供了轴向和横向马达架构所采用的力与安匝数的关系数据，该图显示横向马达架构的效率大约是轴向马达架构的3倍。 [0069] 图21的马达架构可以沿着叶片的任何边缘放置，并且不限于图190中所示的位置。但是，就它们对风扇气流的干扰或阻碍而言，不同的位置或多或少是可取的。 [0070] 本发明实现了独特且灵活的风扇形状系数，当使用强制空气热管理系统或用于任何其他风扇应用时，其可提供显着的热性能和最终产品设计优势。例如，图9的风扇的侧视图在图24中示出以说明可能的大叶片长度L与宽度W的比率。叶片110的长度L为484mm，高度H为41mm，L/H之比为11.8。这些叶片长度说明了如何将风扇拉伸到较长的形状系数，以便一个风扇可以为大型散热器或其他大面积提供直接气流，否则这将需要多个旋转风扇。所公开的实施例代表具有L/H之比大于1.0的风扇叶片的线性风扇的第一公开和使用。根据不同的应用要求，可以实现更高的L/H比。 [0071] 前述应用优点的一个示例在图25中呈现，该图显示了具有多个翅片的散热器112，这些翅片形成用于空气流动的通道。图25显示了冲击强制空气热解决方案，其中单个线性风扇114可以提供穿过19英寸长的散热器112的所有散热器翅片通道的冲击气流。散热器112的长度和可以调整风扇以匹配与被冷却装置相关的冷却要求。图26中提供了图25的风扇散热器配置的端视图，它显示了风扇的冲击气流如何向下引导至散热器，在散热器中气流被分开，一半气流离开散热器翅片通道的左侧，一半的气流离开散热器翅片通道的右侧。 [0072] 延长风扇长度以匹配给定散热器尺寸的能力使得冲击空气冷却的传热优势能够在只有一个风扇的非常大的散热器上实现。这些冲击气流的优势包括与逆流传热相关的改进的传热系数、减少通过散热器的压降，因为散热器通道仅暴露于风扇总流速的1/2，并且由于气流仅流经1/2的通道长度，因此热阻较低，从而与端到端通道强制空气流动路径相比，导致空气温度升高较低，散热器到环境的平均DT值更小。 [0073] 图27进一步说明了所公开的创新线性风扇的优点及其与旋转风扇相比的可拉伸形状系数。为了使用单个旋转风扇116来为图25和26的散热器112提供类似的冲击冷却，将需要管道120将气流引导到散热器的中心区域。由于从风扇116到挡板120出口的横截面流动面积扩大，旋转风扇的出口速度必须高于散热器翅片通道中的目标空气速度。在图27所示的示例中，风扇出口速度必须比散热器翅片通道中的目标空气速度高8倍。相比之下，图25和26中所示的线性风扇及其拉伸风扇形状系数使风扇叶片能够直接向所有翅片通道提供空气，而不会引起由图27的中间挡板120的速度降低。因此，拉伸线性风扇的出口速度基本上等于散热器翅片通道中的空气速度。因此，图25的线性风扇只需提供图27所示旋转风扇的风扇出口速度的1/8，即可提供相同的总散热器空气流速。离开线性风扇的空气的较低t速度导致气流噪声显着降低。此外，线性风扇的使用消除了与旋转风扇轴承相关的噪音，该噪音对于提供比目标散热器翅片通道速度高8倍的风扇出口速度所需的更高RPM非常重要。 [0074] 除了图25和26中所示的冲击式风扇散热器布置外，拉伸线性风扇架构可用于任何数量的风扇散热器配置。例如，图28示出了风扇散热器122，其具有位于散热器124的翅片通道的入口处的拉伸风扇126，其沿散热器124的翅片通道的整个长度提供气流。 [0075] 在开发本申请中公开的创新线性风扇系统之前，设计成功的拉伸线性风扇架构存在重大未解决的技术挑战，因此拉伸架构的优势在商业上仍然不可用。商业可行性的要求和由此产生的技术挑战解释如下。 [0076] 要求1：共振运行‑任何线性风扇的叶片必须以或接近其基本质量弹簧共振模式的频率运行，以提供商业上可接受的能源效率和空气性能。当在该基本模式频率下运行时，叶片在其弹簧上枢转，从而允许叶片尖端的振荡，如图2中的弯曲箭头线所示，并进一步由图29中所示叶片的基本模式偏转来说明，这里称为基本模式。 [0077] 要求2：共振品质系数Q‑当在基本模式下运行时，质量弹簧振荡器还必须具有高共振品质系数Q，以提供商业上可接受的能量效率。Q可以表示为机械共振器的总存储能量除以每个周期耗散的能量。 [0078] 要求3：动态稳定性‑风扇叶片必须在基本模式下提供稳定的振荡，而不会激励任何叶片的高阶机械共振模式。在没有高阶模式振荡的情况下，叶片在纯基本模式中的运动就像一扇门在其铰链上枢转。 [0079] 要求3对于满足要求1和2至关重要。但由于实际线性风扇叶片的丰富模态谱，动态稳定性可能难以实现。如图30‑32中的叶片模式2‑4所示，叶片在较高模式下的激励将导致叶片的不同区段以不同的方向和不同的频率和相位移动。更高模式的存在也会从基本模式中夺走存储的能量，从而降低基本模式的Q，这将减少叶片的振荡位移和气流。更高模式的激励也会导致基本模式的共振频率的快速和混乱移位，从而使风扇无法可靠地保持在基本共振频率上。这些更高的模式还将产生不可预测的机械应力，从而导致风扇故障以及不可接受的噪声和振动。总之，除非可以避免更高叶片模式的激励，否则风扇将无法运行和/或不可靠。 [0080] 在开发本申请中公开的创新线性风扇系统之前，线性风扇使用金属板叶片弹簧，如图33的叶片组件128所示，其中叶片130在金属板弹簧132上枢转，金属板弹簧132的下端刚性连接到固定弹簧夹134。使用金属板弹簧的叶片组件由于以下原因不能满足上述要求。 [0081] 图34示出了图33的叶片组件128由于其多自由度而可以如何被表示为差动质量‑弹簧网络。沿着其长度L，总质量M和总弹簧刚度K的叶片可以在功能上分成不同的长度区段dL，每个长度区段具有其各自的质量dMn、弹簧刚度dKn和共振频率fn。差分振荡器通过可以认为是弹簧的叶片被耦合，因为叶片不是无限刚性的。假设所有差分质量dMn相等，所有dKn值都相等，那么所有fn和Qn值也将相等。在这种情况下，Qn＝Qe，其中Qe是叶片组件128在基本模式下运行的有效共振品质系数。由于叶片组件128的自由度，这些等式或近似等式对于叶片在基本模式下稳定振荡是必需的。相反，如果dMn和dKn值不相等，则叶片的不同区段将以相对于驱动频率的不同相位响应，导致这些区段的振荡领先或落后于叶片的基本模式振荡。从图30‑32中的较高模态形状可以看出，这种截面超前和滞后行为非常适合激励叶片的较高共振模式，并具有上述所有负面性能后果。 [0082] 如果Kn值沿L变化，那么所有fn值和相关联的Qn曲线的叠加将显着降低叶片组件128的Qe，导致除了动态不稳定性之外风扇功率消耗成比例地增加。 [0083] 结合图1描述的热膨胀系数问题将导致图33的金属板弹簧132变形，从而导致Kn值的显着变化，从而导致如上所述的更高模式的激励。本文所述的线性风扇系统的各种实施例通过使用离散的线圈弹簧消除了热膨胀系数问题。此外，使用少量具有非常明确的连接点的离散弹簧，而不是金属板弹簧的分布式连接，这会产生较大的dL值，并使设计和制造对dL和Kn的控制能够实现动态稳定性，并且完全不受热膨胀效应的影响。每个区段dL的Q值可以轻松且精确地匹配，从而为叶片组件获得最高的Qe值。对于本发明的叶片组件，如图2和图9所示的那些，可以很容易地实现100和更高的Qe值。 [0084] 总之，本文所述的叶片弹簧的使用提供了长叶片在基本模式下的非常稳定的运行，从而实现了独特的拉伸风扇结构。根据本发明设计的这些风扇叶片的长度没有实际限制，同时仍提供基本模式下的稳定运行。但是，设计人员会发现，在某些情况下，随着叶片长度的增加，将需要额外的马达，以便在沿叶片长度的多个点向叶片施加驱动力，以免造成不可接受的叶片变形。 [0085] 本申请中描述的线性风扇可用于任何数量的强制空气冷却应用，其中热粘合到散热器底部的电子部件，例如图25和28中所示的那些，可以包括：例如用于通用照明的LED、用于生长灯的LED、用于太阳能的光伏电池板，尤其是在使用太阳能集中器的情况下，以及任何需要强制风冷的通用PCB。本申请中描述的线性风扇的其他应用包括高温恶劣环境中的空气冷却，例如汽车液气热交换器、汽车电池的液体或空气冷却、户外应用中的强制空气冷却，例如用于交通控制、能源、安全、电信等的电池和电子设备外壳。 [0086] 本申请中描述的拉伸风扇架构也适用于热管理需要气流通过薄型架构的产品，例如叶片服务器、用于计算机监视器的薄视频屏幕、消费类电视和视频墙。图35说明了单个线性风扇138如何提供由箭头指示的穿过叶片服务器136的宽度W并通过低横截面尺寸P的气流。图36说明单个线性风扇142如何提供由箭头指示的穿过薄屏幕电视或计算机监视器的宽度W并通过低横截面尺寸P的气流。 |
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