专利名称：用于离心通风机、泵或涡轮机的机罩的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种机罩或腔室，用于通风机运送空气、泵体引导流体流动或者用于象涡轮机那样应用液流来工作的转距发生器。本发明尤其提供一种改进的机罩，用于这些设备，提高它们的工作效率。
背景技术：
每年，离心通风机、吹风机、涡轮泵等代表了世界上一半的通风机、泵和涡轮机产品的生产。通风机或泵用于产生较轴流式推进器和通风机更高的压力和更慢的流速。它们广泛地应用于这些参数必需满足的场合。它们还用在轴流式通风机安装受限制的场合。例如，家用排风扇要求相对压差较小的流速较大的应用。通常，轴流式通风机可以满足这样的应用。但是在许多场合，需要使用离心式通风机以直角改变流道，这样它就可以装在屋顶或墙角。而轴流式通风机不能安装在墙角并保证效率。在另一实例中，许多建筑中的排风管直径只有3或4英寸。在这样小的排风管安装有效的高输出轴流式通风扇是不切实际的。
尽管离心式风扇已经使用了相当长的一段时间，但人们很少关注安装转子的机罩的设计。当研究效率和噪音问题时，设计者往往主要把注意力集中在叶轮上。有史以来，机罩还没有作过以下的优化设计1.减小液流阻滞；2.减小噪音；3.调整压力/流动关系。
此外，典型的风扇、吹风机、涡轮泵等导致进入的液体在离开机罩前急弯。这样的形状对装置的整体工作效率有害，常常导致很大的湍流。
申请人先前公开的WO03056228中的液流控制器中，申请人注意到允许流体以自然方式流动将会获得益处。
发明内容
一种用于吹风机、风扇、泵或涡轮机的机罩，该机罩适于与转子结合，转子适于在使用中与穿过机罩的流体协作，其特征在于机罩包含一用于引导流体与转子结合运动的罩体，转子具有至少一个叶片，该叶片与流体协作，适于驱动流体或被流体驱动，罩体设计为能促进穿过机罩的流体的旋涡流动。
根据本发明的一个优选特征，罩体设计为具有一作用面，该作用面适于在机罩内与流体协作，其中，作用面具有二维或三维对数螺旋的结构。
根据本发明的一个优选特征，对数螺旋符合等角或黄金比例。
根据本发明的一个优选特征，作用面具有一基本遵循对数曲线的弯曲部分。
根据本发明的一个优选特征，作用面设计为具有符合等角或黄金比例的弯曲部分。
根据一个优选实施例，罩体内表面符合涡流的流型线。
根据一个优选实施例，罩体内表面在形状上遵从钟螺科壳体的形状。
根据一个优选实施例，罩体至少包围转子的周界，在机罩的内表面和转子转动中至少一个叶片的外缘扫过的面之间提供空间，空间从最小横截面区域到最大横截面区域呈增加。
根据一个优选实施例，以空间-对数比例增加空间的区域。
根据一个优选实施例，空间-对数比例遵循等角或黄金比例。
根据一个优选实施例，空间相对于转子包含一轴向分量。
根据一个优选实施例，机罩适于与离心转子协作。
根据一个优选实施例，机罩适于与轴向转子协作。
根据一个优选实施例，机罩适于与流动特征介于离心和轴向转子之间的转子协作。
根据一个优选实施例，机罩包含至少一个叶片，叶片具有适于与流过机罩的流体协作的转子作用面，其中，转子作用面的弯曲部分是等角的或遵从黄金比例。
根据一个优选实施例，罩体是可调整的，以与转子协作来提供优化性能。
图1表示现有技术中传统的离心风扇的等轴测图。
图2图示说明黄金分隔的形状；图3是依照本发明第一实施例的风扇的等轴测图；图4是图3风扇的俯视图；图5是图3风扇剖面图；图6是依照第二实施例的风扇的分解图；图7是图6风扇的等轴测视图，以虚线说明转子在机罩中的位置；图8是依照第三实施例的风扇的剖面图；图9是依照第四实施例的风扇的等轴测分解图；图10是依照第五实施例的风扇的等轴测视图；图11是图10所示风扇的俯视图；图12是依照第六实施例的风扇的等轴测视图；图13是图12所示的风扇的侧视图。
具体实施例方式
各个实施例用来说明机罩，该机罩用于风扇、吹风机、泵或涡轮机等来提供有效的流体通道。本说明书中后面提到的术语“风扇”用于广义的代表任何风扇、吹风机、泵或涡轮机等。当提到驱动或推动流体流动的风扇时，这种说法旨在包含流体流动驱动转子或涡轮机等的情形。
为了说明与现有技术的区别，描述一下常用离心风扇机罩的主要特征是很有用的。图1中的实例图示地说明了典型离心风扇机罩1的结构。通常，这种机罩1的形状设计成遵从二维的螺旋弧形。通常它包括一对分离设置的扁平侧板3、4，这两个侧板彼此平行，而且绕周界由边板5封住，边板5由一平板制成。这样，在板3和边板5的连接部分形成一定角度的角6，同样，在板4底部和边板5之间也形成一定角度的角6。当流体在机罩内穿行时，这种有角度的角会导致不想要的紊流。
螺旋弧的形状意味着在边板的内表面和由转子的叶片的外边缘扫过的虚构面之间有一空间。最好该空间的深度绕360度的角度渐渐地从最小到最大增加。在接近最大深度出设有一排放流体的出口。
各个实施例用来说明机罩，它为流体穿过机罩提供有效的流动通道。这样的风扇包括一转子，尽管一个转子也可以只设有一个叶片，但这样的转子通常设有多个叶片或风叶。叶片通常设置提供向外或径向的分量，加速要驱动的流体，或者在涡轮机时，流体偏斜，为施加到叶片的力提供径向分力，因此流体的偏斜包括一径向分力。
大自然为优化流线、减小阻滞、较小噪音提供了极好的模型。任何成长或侵蚀优化流线的生物表面都没有成角度的角，也不会让流体在直角处打转，而是遵循着依照三维等角或黄金分割螺旋构造的螺旋。该螺旋潜在的几何形状还存在于鸟蛋、蜗牛和海贝中。
这些螺旋或涡旋一般遵循黄金比例或斐波纳契数列的数学级数。
每个实施例的绝大部分都是用于使流体以自然优选方式流动，因此减小了常见于离心风扇机罩中由于紊流和摩擦的效率低下。以前的技术很少遵循自然流体流动趋势。
据观察，如果流体具有这样的特征，当流体以涡旋形式流动通过通道时，流体流动几乎不产生紊流，这样流体分离或形成气穴的趋势也会大大减小。这些实施例的一个共有特点就是所描述的机罩用来在流体穿过机罩时促进流体的螺旋流动。当机罩结构遵循二维或三维的螺旋时会促进螺旋流动。进一步发现，如果螺旋曲线基本遵从或者大部分遵从黄金分割或黄金比率的话，该结构为优化结构。所有实施例的一个共有特征是构成机罩的内表面的大部分具有二维或三维形状的曲线，该曲线接近自然界旋涡的螺旋或条纹线。这种形状的通常形状为对数螺旋。进一步发现，当机罩表面的曲线基本遵从或在大部分遵从黄金分割或黄金比例的特征时，实施例的性能将会得到优化。还进一步发现，如果流体通道的横截面的变化遵循或在大部分遵循黄金分割或黄金比例的特征时，该性能也能得到优化。
据观察，如果流体在其上流动的表面具有或在大部分地方与黄金分割比例相应，流体流动会更有效。由于流体穿过风扇时产生的紊流程度减小，依照本发明各实施例的机罩可以以更低噪音和磨损、以较之以往具有相同尺寸的机罩更具效率地导引流体。
此处所描述所有实施例的机罩绝大部分内部表面依照黄金分割或黄金比例设计，因此每个实施例均具有的特征是，机罩可提供螺线结构的流体通道而且至少是在大部分地方符合等角或黄金分割或黄金比例。图2中说明了黄金分割或黄金比例的特点，图2图示了依照黄金分割或黄金比例展开的螺旋曲线。当螺线展开时，在等角半径处测量(如E、F、G、H、I和J)的曲线半径的增加是常数。这可以从每个序列间的每条半径的三角表示来说明，该序列满足公式a∶b＝b∶a+b，大致遵循比例1∶0.618，而且在整个曲线一致。
另外一种方式，本发明可使用蜗牛或海贝状形状的流道的机罩，它可以是对数形状但不是黄金比例。尽管如果它不遵循三维黄金比例它就不能优化，但是它仍然能较之以往设计在其目标应用中提供优越的性能。
本发明的第一实施例是一风扇，如图3到5所示。该风扇装置11包含一具有多个叶片13的风扇转子12，该转子12适于由电机转动，电机未作图示。该风扇电机在具有入口16和出口17的机罩14中安装。
机罩14至少在其内表面具有旋转形状，该内表面呈钟螺科贝状。该形状通常与螺旋流线一致。在附图中外表面的形状与内表面的形状一致，但在实际风扇中外表面的形状对于这种风扇的性能来说并不重要，而且还可能与内表面相差甚远。实际上，机罩可能具有一内罩，该内罩包含一与机罩外表面分离的元件，当采用这样的设计时，分离罩的内表面必须遵循上述原则。
在第一实施例中，机罩构成两部分18和19。这两部分的前者构成入口部分18，它包含入口16，同时提供安装装置(图中未示)，用来支撑风扇转子12所连接的风扇电机。入口部分18还是包围转子12的叶片13的外延的罩体，它在入口部分18的内表面21和转子12转动的过程中叶片13的外边缘23扫过的虚拟面之间提供空间22。图5中可以看到该空间的深度在最小空间25和最大空间之间以类似于传统离心风扇的相应空间的方式增加，但是，不同于传统的离心风扇，该空间的增加伴随着流道从转子在第一部分18中转动的区域朝着流出口17轴向偏移。
机罩14的第二部分包含一以连续方式从第一部分延伸流道的流出罩19。在流出罩19中，罩19的内表面随着流道的轴向偏移连续扩展。这样，总体形成了螺旋形的流道，它促使流体穿过机罩14时采取螺旋流动的模式，如图5中虚线所示。这样的流模式较之相应的以往风扇具有较高效率和较低噪音。此外，由于被旋转形成螺旋流，流体相对于入流在横向改变方向，不需要在流向中急速变化和发生紊流变化。从而提高了效率，减小了噪音。
如前所述，尽管具有螺旋内部构造的机罩可以大大提高效率并减小噪音，但通过使机罩具有自然的三维等角螺线或黄金分割螺线的构造还是可以优化这些所取的益处。该形状具有设计成具有遵从黄金分隔螺线结构的内表面。这种形状遵循流体的自然流动趋势，因此进一步提高效率。
把机罩设计成两部分为仅仅是为制造、安装和保养提供便利。这种机罩的这两个部分的结合可通过如夹子(未作图示)的可释放夹紧装置，或可包括配合凸缘、卡销紧固装置、或其他适合的连接装置来结合。
在第二实施例中，如图6和图7所示，对第一实施例进行改造，机罩31制成单一部件，例如，通过旋转成模的方式。另外，该机罩可包含不止两个部分。
图8说明第三实施例的风扇41，其包含一转子42，转子42具有单一叶片43，叶片43具有扩展的螺纹形状。该转子42装在螺旋形状的延伸机罩44中。可以想象，这种设计更适合于粘性更大的流体或者流体状的物质。
当与具有大范围的叶片结构的转子一起使用时，依照第一实施例和第二实施例的机罩可以提高性能，风扇装置的性能还依赖于转子的结构。据观察，当转子自身也设计成能提供依照自然原理的流动时，性能可以得到进一步提高。这样的转子在申请人的申请“螺旋流动转子”中进行了描述。可知，这样的转子旨在提供旋涡流，当与依照第一实施例和第二实施例的机罩结合进行适当配置时，可以获得优化的性能特征。
在前面的描述中可以得知依照第一和第二实施例的机罩在使用离心转子时会改善性能。如结合图5所提到的，可以看到向液流施加径向分量使得流体向外并且旋转，因此形成螺旋流。使用带有轴向风扇的第一实施例的机罩也能取得显著的性能提高，虽然这不是显而易见的，但事实的确是这样。看上去是设置能顺利地容纳螺旋流的机罩真正促进了这种螺旋流。因此，此处公开的使用带有转子轴向结构的机罩仍然属于本发明的范围。
该发现导致进一步的改善。在第一实施例的机罩中使用的转子的叶片可设计为这样的轮廓，它介于轴向式和离心式转子之间。如前所述，轴流式和离心式转子具有相去甚远的性能特征轴流式转子以低压推进高流速而离心式转子是以高压推出低流速。通过选择具有介于它们之间特性的转子，风扇的性能可以“调整”得更精确适应实际应用。机罩的结构也要“调整”以完全与所选择的转子协作进一步提高该设计的性能。以前，没有人认识到这种柔性。现在，设计者可以进行开发项目，他知道可以为该任务设计一合适的风扇，而不是采用一个有物理限制的不合适的风扇。
此外，据观察上述实施例机罩的复合曲线具有超越以往机罩中的扁平侧板的刚度和结构整体性，因此，可以用较轻和较薄的材料制成。尽管如此，其固有硬度加上流体内没有紊流，还是会减小噪音——这是以往机罩最主要的问题。扁平侧机罩振动、鼓鸣、共鸣、和放大噪音。本实施例的机罩能减小振动、鼓鸣、共鸣、和放大噪音。
尽管可以确信具有优越性能的风扇可以通过结合第一实施例描述的三维螺旋形式设计机罩来获得，但有些情况下不能采用这样的形式。可能这样的情况是发生在风扇用在已知的先前安装以往离心风扇的装置中。尽管如此，可通过在以往离心风扇的设计中加入在第一实施例中披露的原理来获得显著的改进。
图9所述的第四实施例包含一机罩51，机罩51用于安装风扇转子52，该机罩尽量按照上面描述的原理进行构造。如实施例中所示，机罩类似于图1所示的以往机罩，但在设计上改变适应自然流动原理。该风扇依照遵从于黄金比例的二维对数螺旋设计。此外，内表面是弯曲的，具有遵从于黄金分割的弯曲部份。据观察，该结构相对于图1的传统机罩能提供显著的效率改进。
图10和图11是风扇的第五实施例，它以非常实际的设计采用了第四实施例的特征。如图10和11所示，该风扇包括一机罩61，机罩61包含两半体，第一半体62和第二半体63，每一半体都遵从螺旋状。第一半体62设有中心放置的圆形进入开口63，该进入开口63包括一支撑元件64，用于支撑风扇电机66的轴65。第二半体63具有相应的支撑电机66的支撑装置。第一半体62和第二半体63都在其周界具有相应的凸缘67，凸缘67上具有孔68，孔68使这两个半体通过螺栓或类似的紧固装置(图中未示)很容易地紧固在一起。电机66驱动具有叶片70的安装在电机轴65上的叶轮69。
当安装在一起时，第一和第二半体在机罩的内表面和叶轮69转动时叶片13的外边缘形成的虚拟表面间提供流体空间。该空间在点“A”从最小到相邻的点“B”增加到最大。在最大点“B”，机罩设有横穿叶轮的旋转面的流出开口71，它与轴共面。在使用中，流出输送管72(图中是虚线)安装在流出口，把流体从机罩中传输出来。
非常重要的是，包围空间的两个半体的壁依照遵从黄金分隔的曲线弯曲。该弯曲部分的设计使流体在空间内以螺旋方式移动。这样，流体穿过空间时的阻滞就减小了。阻滞的减小弱化了振动、共鸣、背压、紊流、鼓鸣、噪音和能量消耗，相对于图1所示的以往风扇类型，效率得到提高。
已发现，空间以遵从黄金比例的对数比率增加是有利的。
第五实施例可以适用进一步的改造。图12和图13中所示的第六实施例加入了合适的安装固定架75。在其他方面，该实施例与第五实施例相同，因此图中，相同的数字用来描述与第五实施例中相同的特征。
整个说明书中，如果整文中没有要求，词“包含”或其变化应理解为是说包括了说明的部分但不排除其他部分。
权利要求
1.一种用于吹风机、风扇、泵或涡轮机的机罩，该机罩适于与转子结合，转子适于在使用中与穿过机罩的流体协作，其中机罩包含一用于引导流体与转子结合运动的罩体，转子具有至少一叶片，该叶片与流体协作，适于驱动流体或被流体驱动，罩体设计为能促进穿过机罩的流体的旋涡流动。
2.如权利要求1所述的机罩，其特征为罩体设计有一作用面，该作用面适于在机罩内与流体协作，其中，作用面具有二维或三维对数螺旋的结构。
3.如权利要求2所述的机罩，其特征为对数螺旋符合等角型或黄金比例。
4.如权利要求2或3所述的机罩，其特征为作用面具有基本遵循对数曲线的弯曲部分。
5.如权利要求4所述的机罩，其特征为作用面设计为具有基本符合等角或黄金比例的弯曲部分。
6.如前面任何一项权利要求所述的机罩，其特征为罩体的内表面符合涡流的流型线。
7.如前面任何一项权利要求所述的机罩，其特征为罩体内表面在形状上遵从钟螺科壳体的形状。
8.如前面任何一项权利要求所述的机罩，其特征为罩体至少包围转子的周界，在机罩的内表面和转子转动中至少一个叶片的外缘扫过的面之间提供空间，空间从最小横截面区域到最大横截面区域增加。
9.如权利要求8所述的机罩，其特征为以空间-对数比例增加空间的区域。
10.如权利要求9所述的机罩，其特征为空间-对数比例遵循等角或黄金比例。
11.如权利要求8到10任何一项所述的机罩，其特征为空间相对于转子包含一轴向分量。
12.如前面任何一项权利要求所述的机罩，其特征为机罩适于与离心转子协作。
13.如权利要求1到11任何一项所述的机罩，其特征为机罩适于与轴向转子协作。
14.如权利要求1到11任何一项所述的机罩，其特征为机罩适于与流动特征介于离心和轴向转子之间的转子协作。
15.如前面任何一项权利要求所述的机罩，其特征为机罩包含至少一个叶片，叶片具有适于与流过机罩的流体协作的转子作用面，转子作用面的弯曲部分是等角的或遵从黄金比例。
16.如权利要求11到15任何一项所述的机罩，其特征为罩体是可调整的，以与转子协作来提供优化性能。
全文摘要
一种用于吹风机、风扇、泵或涡轮机(11)的机罩(14)，该机罩(14)适于与转子(12)结合，转子(12)适于在使用中与穿过机罩(14)的流体协作，其特征在于机罩(14)包含一用于引导流体与转子(12)协同运动的罩体，转子(12)具有至少一叶片(13)，该叶片与流体协作，适于驱动流体或被流体驱动，罩体设计为能促进穿过机罩(14)的流体的旋涡流动。
文档编号F04D17/06GK1985093SQ200580003632
公开日2007年6月20日 申请日期2005年1月31日 优先权日2004年1月30日
发明者杰丹·大卫·哈曼 申请人:百思科技公司