叶轮及风扇的制作方法

1.本发明是关于一种叶轮及风扇。


背景技术：

2.根据风扇的入风与出风的方向关系，一般风扇可分为轴流式风扇与离心式风扇。一般轴流式风扇的气流由入风口流入，再由出风口流出，气流由入风口流入时之方向与气流由出风口流出时的方向大致相同。
3.一般轴流式风扇的扇叶的设计，大部分是使用naca 4-digit或5-digit翼截面并且搭配2至4等份的扇叶堆栈方式，将这些位在不同段的翼截面连续地连接而形成立体的扇叶。但是，这种设计方法对于扇叶表面细腻处将不容易有效描述。而且，为保持扇叶曲率连续性，扇叶各段也不容易各做变化。再者，以往静音风扇的扇叶的最大前倾角度大多为25至36度之间，但若使用更大前倾角度时，风扇特性反而容易衰退。


技术实现要素：

4.为解决现有技术中的至少一个技术问题，本发明提供了一种叶轮，包括一轮毂以及多个扇叶，轮毂具有一转轴，扇叶环设于轮毂。叶轮运转方向上，各扇叶区分成一前缘、一外缘、一中段部及一后缘，其中前缘、外缘及后缘围绕中段部三侧边，在自轮毂朝远离转轴的方向上，前缘距扇叶最低点所在水平面的高度为先渐减再渐增。
5.为解决现有技术中的至少一个技术问题，本发明还提供了一种叶轮，包括一轮毂以及多个扇叶，轮毂具有一转轴，扇叶环设于轮毂。叶轮运转方向上，各扇叶区分成一前缘、一外缘、一中段部及一后缘，其中前缘、外缘及后缘围绕中段部三侧边，在径向上，扇叶靠近外缘处的上表面有一谷状结构，且于扇叶的下表面对应谷状结构处有一峰状结构。
6.在一实施例中，中段部的前倾角大于25度，其中各扇叶的该中段部的中心部位自该轮毂朝远离该轮毂连接形成一中心虚拟线，该前倾角为该中心部位与该轮毂连接处的法线与中心虚拟线之间的夹角。
7.在一实施例中，扇叶于靠近轮毂的部位，部分与前后扇叶轴向上重叠。
8.在一实施例中，在自轮毂朝远离转轴的方向上，扇叶安装角为渐减，其中该扇叶安装角为同一扇叶的同一径向距离下之前缘与后缘之间的直线联线与水平面的夹角。
9.在一实施例中，在自轮毂朝远离转轴的方向上，扇叶安装角为先渐减再渐增，其中该扇叶安装角为同一扇叶的同一径向距离下之前缘与后缘之间的直线联线与水平面的夹角。
10.在一实施例中，在自轮毂朝远离转轴的方向上，扇叶安装角为先渐增再渐减，其中该扇叶安装角为同一扇叶的同一径向距离下之前缘与后缘之间的直线联线与水平面的夹角。
11.在一实施例中，叶轮运转方向上，扇叶外缘的前缘入风角为最大，其中各扇叶的该中段部的中心部位自该轮毂朝远离该轮毂连接形成一中心虚拟线，该入风角为空气进各扇
叶的方向与该中心虚拟线的夹角。
12.一种风扇，使用前述叶轮。
13.承上所述，本技术的叶轮及风扇的扇叶中，在自轮毂朝远离转轴的方向上，前缘距扇叶最低点所在水平面的高度为先渐减再渐增，当风扇转动时，可有效减少因扇叶上下表面的压力差而自扇叶下表面所翻上来的气流强度，进而减少扇叶上的气流扰动及有效降低噪音。再者，在径向上，扇叶靠近外缘处的上表面有一谷状结构，且于扇叶的下表面对应谷状结构处有一峰状结构，因而也可降低叶轮转动时所造成的噪音和紊流。前述扇叶的设计可提高风压风量及有效降低噪音。
附图说明
14.图1a至图1c为本发明较佳实施例的一种叶轮的立体图。
15.图1d为图1a所示叶轮的俯视图。
16.图1e为图1a所示叶轮的半部放大视图。
17.图2a为翼截面的示意图。
18.图2b为翼截面的安装示意图。
19.图3a为部分叶轮的俯视图。
20.图3b为在图3a的a-a线段处扇叶的侧视图。
21.图3c为在图3a的b-b线段处扇叶的侧视图。
22.图3d为在图3a的c-c线段处扇叶的侧视图。
23.其中，附图标记说明如下：
24.1：轮毂
25.11：外表面
26.12：顶面
27.13：轮毂轴心
28.14：转轴
29.2：扇叶
30.21：内缘
31.22：外缘
32.23：前缘
33.24：后缘
34.25：上表面
35.26：下表面
36.27：中段部
37.i：叶轮
38.r0：基线
39.ψ：前倾角
40.a：翼截面
41.r：曲率中心
42.d：轴向安装位置
43.l：弦长
44.c：弧线
45.p：参数
46.dmax：最大厚度
47.dtail：后缘厚度
48.α：入风角
49.θ：弓角
50.β：安装角
51.g：谷状结构
52.q：峰状结构
具体实施方式
53.以下将参照相关附图，说明依本发明较佳实施例的一种叶轮及风扇，其中相同的组件将以相同的参照符号加以说明。
54.图1a至图1c为本发明较佳实施例的一种叶轮i的立体图，图1b为图1d所示叶轮i的俯视图，而图1e为图1a所示叶轮i的半部放大视图。扇框包括一轮毂1以及多个扇叶2，这些扇叶2环设于轮毂1，叶轮i可用于风扇。本实施例是以五个扇叶2为例进行说明，为清楚及方便说明，图1a仅出示五个扇叶2的其中一个扇叶2。
55.如图1a至图1c，轮毂1为一柱状结构，并具有一外表面11、一顶面12、一轮毂轴心13及一转轴14。在本实施例中，轮毂轴心13与顶面12相互垂直，即轮毂轴心13的延伸方向与顶面12的法线向量相互平行。轮毂轴心13连接转轴14。
56.扇叶2连接于轮毂1的外表面11。叶轮i运转方向上，各扇叶2区分成一内缘21、一前缘(leading edge)23、一外缘22、一中段部27及一后缘(trailing edge)24，前缘23、外缘22及后缘24围绕中段部27三侧边，在自轮毂1朝远离转轴14的方向上，前缘23距扇叶2最低点所在水平面的高度为先渐减再渐增。在径向上，扇叶2靠近外缘22处的上表面25有一谷状结构g，且于扇叶2的下表面26对应谷状结构g处有一峰状结构q。谷状结构g从前缘23附近往后缘24沿伸，其深度为逐渐变深再逐渐变浅。峰状结构q从前缘23附近往后缘24沿伸，其高度为逐渐变凸再逐渐变平。
57.在本实施例中，这四个边缘为曲线而非直线。内缘21为扇叶2与轮毂1的外表面11连接的边缘，而外缘22与内缘21相对设置，即扇叶2上远离轮毂1的边缘。另外，前缘23为叶轮i转动时，扇叶2的入风边缘，而后缘24与前缘23相对设置，即扇叶的2出风边缘。其中内缘21连接前缘23及后缘24，而外缘22也连接前缘23及后缘24。
58.扇叶2于靠近轮毂1之部位，部分与前后扇叶2轴向上重叠，由此来提高风压风量。重叠部分如图1d中符号op所标示。
59.如图1a、图1d与图1e，内缘21与外缘22之间可具有多个翼截面(airfoil)a。需先说明的是，本文所指的“翼截面”为弧面而非平面，此弧形翼截面a是由一虚拟弧线沿轮毂轴心13的延伸方向所延伸的弧面与扇叶2相交而成，其中虚拟弧线所对应的曲率中心r即位于轮毂1的轴心延伸方向上，而虚拟弧线的曲率半径r决定翼截面a的位置。于此，本实施例是以七个翼截面a(第一翼截面a1至第七翼截面a7)为例进行说明，并分别以七个相异的曲率半
径r(第一曲率半径r1至第七曲率半径r7)定义这些翼截面a的位置，其中第一曲率半径r1至第七曲率半径r7的长度渐增。在本实施例中，第一曲率半径r1与轮毂1外表面的半径相同，也就是第一翼截面a1即为扇叶2的内缘21，而第七翼截面a7为扇叶2的外缘22。
60.请参照图2a及图2b所示，其分别为翼截面的示意图及翼截面的安装示意图。在本实施例中，每一个翼截面a皆包括下列的叶形参数：
61.弧线(camber line)c：翼截面上自前缘23连至后缘24的中心线，即位于上表面至弧线c的距离与下表面至弧线c的距离相等。本实施例包括第一弧线c1至第七弧线c7，其分别对应于第一翼截面a1至第七翼截面a7。
62.弦长(chord line)l：同一扇叶2的同一径向距离下的前缘23与后缘24之间的直线联线，又称安装线。本实施例包括第一弦长l1至第七弦长l7，其分别对应于第一翼截面a1至第七翼截面a7。
63.入风角α：空气进入扇叶2的方向(或向量)与弦长l的夹角。本实施例包括第一入风角α1至第七入风角α7，其分别对应于第一翼截面a1至第七翼截面a7。叶轮i运转方向上，扇叶2外缘22的前缘23入风角α7为最大，由此提高风压风量及有效降低噪音。
64.弓角θ：弧线c的前缘切线与后缘切线相交的锐角。本实施例包括第一弓角θ1至第七弓角θ7，其分别对应于第一翼截面a1至第七翼截面a7，受到入风角影响，叶轮i运转方向上，扇叶2外缘22的前缘23入风角θ7为最大。
65.扇叶厚度(blade thickness)，扇叶上表面至下表面的厚度，包括最大厚度dmax及后缘厚度dtail。本实施例的最大厚度dmax包括第一最大厚度dmax1至第七最大厚度dmax7，其分别对应于第一翼截面a1至第七翼截面a7，而后缘厚度dtail包括第一后缘厚度dtail1至第七后缘厚度dtail7，其分别对应于第一翼截面a1至第七翼截面a7。另外，最大厚度dmax的位置可由参数p决定，于此以弦长l作为基线段，并以前缘23为起点，后缘24为终点，而参数p即是此基线段的百分比位置，例如当参数p为20％时，即最大厚度dmax至后缘24的距离为最大厚度dmax至前缘23的距离的四倍，其中本实施例的参数p为50％，即最大厚度dmax位于弦长l的中间点。
66.如此一来，依据上述各叶形参数的数值可决定各翼截面a的形状。接着，请参照图1d、图1e及图2b所示，每一个位在不同曲率半径r上的翼截面a再依据「安装参数」而与轮毂1连结，其中安装参数包括：
67.安装角(stagger angle)β：弦长l与水平面hp的夹角。本实施例包括第一安装角β1至第七安装角β7，其分别对应于第一翼截面a1至第七翼截面a7。通过每一个安装角β的大小决定各翼截面a的倾斜关系。第一安装角β1至第七安装角β7之间有连续变化的关系，例如在自轮毂1朝远离转轴14的方向上，扇叶2安装角从第一安装角β1至第七安装角β7为先渐减；或者是在自轮毂1朝远离转轴14的方向上，扇叶2安装角从第一安装角β1至第七安装角β7为先渐增再渐减或先渐减再渐增。藉安装角的逐渐变化可提高风压风量。
68.轴向安装位置d：定义轴向数在线，顶面12为轴向原点，且顶面12连接外表面11的方向为正向，而另一方向为负向，轴向安装位置d即为各翼截面a的前缘23于此轴向数在线所对应的位置。其中，轴向安装位置d可为正数或负数，以图1c为例，当轴向安装位置d为正数时，前缘23位于顶面12的下方，当轴向安装位置d为负数时，前缘23位于顶面12的上方。另外，本实施例包括第一轴向安装位置d1至第七轴向安装位置d7，其分别对应于第一翼截面
a1至第七翼截面a7。在本实施例中，这些轴向安装位置d1至d7中，第七翼截面a7的第七轴向安装位置d7的値为最小，位于外缘22的第七翼截面a7位在最高的轴向安装位置d7。在本实施例中，第一翼截面a1的第一轴向安装位置d1为次高，第三翼截面a3的第三轴向安装位置d3为最低。也就是说，内缘21及外缘22上的翼截面a1、a7位在较高的轴向安装位置，较中间的翼截面(例如第三翼截面a3、第四翼截面a4)位于较低的轴向安装位置，因此，在自轮毂1朝远离转轴14的方向上，前缘23距扇叶2最低点所在水平面的高度为先渐减再渐增，扇叶2的前缘23呈凹形。
69.前倾角ψ：扇叶2中段部27之中心部位自轮毂1朝远离轮毂1连接形成一中心虚拟线，该中心部位与轮毂1连接处之法线与中心虚拟线之间的夹角就是前倾角。对于每一个翼截面a来说，前缘23与后缘24间中段部27的中间与轮毂轴心13的联机与一基线r0之间的夹角为前倾角ψ。其中，基线r0为该中心部位与轮毂1连接处之法线，也就是第一翼截面a1的中间的法线。请参照图1b所示。本实施例包括第一前倾角ψ1至第七前倾角ψ6，其分别对应于第二翼截面a1至第七翼截面a7。第一翼截面a1与第七翼截面a7分别位于内缘21与外缘22，这些翼截面的前倾角之间的关系如下：
70.ψn＝(7+0.1*(n+1))+ψn-1
71.但当n＝6时，ψ6＝(7+0.1*(n+1))+ψ5+ψ6’72.在本实施例中，中段部27的前倾角大于25度，由此降低噪音。扇叶2在外缘22的第七翼截面a7的前倾角ψ大于40度，例如44.1度。ψ6’是外加值，第七翼截面a7因受到ψ6’的影响，其前倾角ψ变化的较剧烈因而更明显的前弯。因此，前缘23有较剧烈的曲率变化，此设计可降低叶轮i转动时所造成的噪音和紊流。
73.在本实施例中，各扇叶2系通过依序连续地连接七个位处不同段的翼截面所定义。举例来说，通过上述安装参数定义每一个翼截面a与轮毂1之间的关系，而各第一翼截面a1至第七翼截面a7经由叶形参数及安装参数定义后，将各翼截面a的前缘23彼此相连，以及后缘24彼此相连，即形成本实施例的扇叶2。
74.在本实施例中，扇叶2的上表面25及下表面26是由五个以上(例如七个)不同段的翼截面连续地连接所定义，上表面25及下表面26的变化例如谷状结构g与峰状结构q是连续渐进的，而非突然的凸出或凹陷。谷状结构g与峰状结构q位在第六翼截面a6。相较于传统一般藉2至4等份的扇叶堆栈方式的设计，本案更可对扇叶的表面做更细部的设计，例如设计出前述谷状结构g与峰状结构q。
75.图3a为部分风扇的上视图，图3b为在图3a的aa线段处扇叶的侧视图，图3c为在图3a的bb线段处扇叶的侧视图，图3d为在图3a的cc线段处扇叶的侧视图。
76.请同时参照图3a至图3d所示，在自轮毂1朝远离转轴14的方向上，前缘23距扇叶2最低点所在水平面的高度为先渐减再渐增，前缘23呈凹形。在径向上，扇叶2靠近外缘22处的上表面25有谷状结构g，且于扇叶2之下表面26对应谷状结构g处有峰状结构q。谷状结构g与峰状结构q主要位在第六翼截面a6，从上表面25来看，第六翼截面a6在中段部27大部分是低于第五翼截面a5与第七翼截面a7，因而呈现局部谷状；从下表面26来看，第六翼截面a6在中段部27大部分是低于第五翼截面a5与第七翼截面a7，因而呈现局部峰状。
77.外缘22是基于图2b的第七翼截面a7所设定，由于第七翼截面a7的前倾角相较内侧的翼截面大许多，因此，从顶面12上方俯视轮毂1可看到扇叶2的前缘23在外缘22处往前突
出。另外，由于第七翼截面a7位在最高的第七轴向安装位置d7，从侧视图来看，外缘22在前缘23附近往上突出。因此，整体来看，外缘22在前缘23附近上翘。
78.再者，在本实施例中，因翼截面的参数p为50％，这些翼截面的最大厚度dmax位于弦长l的中间点。以轮毂轴心13为中心从第七翼截面a7的前缘23到最大厚度dmax之间，外缘22仍较其他翼截面位在较高的位置，因此，外缘22从前缘23往后缘23的一段弧长会上翘。
79.因此扇叶2由内缘21至外缘22的形状并非线性的变化，其在外缘22上邻近前缘23处具有上翘的结构，如图3b所示，下表面26在aa线段处的最低点至最高点之间有一段高度差h。如此一来，通过扇叶2的外缘22上翘结构，当风扇f转动时，可有效减少因扇叶2上下表面的压力差而自扇叶2下表面所翻上来的气流强度，进而减少扇叶2上的气流扰动及有效降低噪音。
80.在本实施例中，谷状结构g及峰状结构q的形状是在上下表面是连续渐进的，这些形状本身亦非极大的变化，因此，这些结构不至于对风扇性能产生负面影响，还能提高风压风量及有效降低噪音。
81.综上所述，本案的叶轮及风扇的扇叶中，在自轮毂朝远离转轴的方向上，前缘距扇叶最低点所在水平面的高度为先渐减再渐增，当风扇转动时，可有效减少因扇叶上下表面的压力差而自扇叶下表面所翻上来的气流强度，进而减少扇叶上的气流扰动及有效降低噪音。再者，在径向上，扇叶靠近外缘处的上表面有一谷状结构，且于扇叶之下表面对应谷状结构处有一峰状结构，因而也可降低叶轮转动时所造成的噪音和紊流。前述扇叶的设计可提高风压风量及有效降低噪音。
82.以上所述仅为举例性，而非为限制性者。任何未脱离本发明之精神与范畴，而对其进行之等效修改或变更，均应包含于后附之权利要求中。