对螺旋风扇/泵/涡轮的改进的制作方法

本申请基于递交的与新西兰专利申请号728734、730610、729277、732973、737988和733441相关的临时说明书，这些申请的全部内容通过引用并入本文。

本发明总体上涉及用于空调系统中的替代性的风扇。本发明还可以涉及运送流体的其他应用，以及用作捕获风能或其他能量的涡轮。

背景技术：

通风系统可能需要细长或更紧凑的风扇，或者可以有效地使用沿不同方向运送流体的风扇，尤其是那些提高流速和压力的风扇。更紧凑且高效的、可以适合小型住宅使用的涡轮在未来也非常有用。以下现有技术公开了与本发明的一些相似之处。

pct/in2010/000761描述了一种在锥形壳体内具有连续圆锥形螺旋叶片的泵。入口来自一侧，叶片与壳体的内表面构造配合以形成压力。

de202015100489描述了一种轴向塔式风扇，其中，空气在风扇叶片下方从所有方向被吸入，并在风扇叶片上方沿周向向外吹向所有方向。

美国专利号1258986描述了一种压缩机，该压缩机在外壳上具有基本上横向于叶片的连续螺旋肋装置，该叶片在旋转体和外壳的内壁表面之间限定了基本上螺旋形的流体工作空间。流体工作空间的横截面积从外壳的一个端部部分朝向外壳的另一端部部分逐渐减小，目的是形成压力。

本发明的发明人的pct/nz2016/050088描述了一种相反手性的螺旋叶片，该螺旋叶片从轴线的一侧吸入流体，并将该流体偏转到与入口开口的中心纵向地偏移的排出开口。本发明改进了pct/nz2016/050088中的某些特征，以增加各种应用中的流速和压力。

技术实现要素：

根据本发明的一个方面，提供了一种风扇/涡轮/泵，该风扇/涡轮/泵包括可旋转的旋转体：

该旋转体包括具有纵向轴线和至少一对叶片的细长的第一端部部分、具有根部的第一叶片，根部根据对数、指数、幂或其他序列相对于纵向轴线基本上螺旋地成形。

优选地，第一叶片具有平坦或凹形的压力面。

优选地，至少一个叶片从第一端部部分延伸，其中，提供第一开口，该第一开口基本上且至少与基本上螺旋成形的部分轴向地对齐，使得叶片的切线在第一端部部分的第一端接近于与轴线垂直对齐，并在第一端部部分的第二端接近于与轴线平行对齐。

优选地，第一部分包括与第一开口纵向地偏移的第二开口。

根据本发明的第二方面，提供了一种包括旋转体的风扇/涡轮/泵，该旋转体包括具有纵向轴线的细长的第一基本上螺旋成形的部分和第二基本上螺旋成形的部分，第二螺旋成形的部分具有与第一基本上螺旋成形的部分相反的手性。

优选地，该旋转体包括中心部分和至少两对叶片，其中至少一个第一叶片和第二叶片从中心部分的中心延伸。

优选地，第一叶片和第二叶片具有根部，该根部相对于纵向轴线基本上螺旋地成形，第一叶片和第二叶片具有平坦和/或凹形的压力面。

优选地，限定流体入口的第一开口与第一基本上螺旋成形的部分和第二基本上螺旋成形的部分的第一端部部分基本上轴向对齐，使得叶片的切线在中心部分的中心处接近于与轴线垂直对齐，并在中心部分的外部界限附近接近于与轴线平行对齐；并且其中，根部根据对数、指数、幂或其他序列相对于纵向轴线基本上螺旋地成形

优选地，第一基本上螺旋成形的部分和第二基本上螺旋成形的部分的细长的第二端部部分包括第二开口，该第二开口限定与第一开口纵向地偏移的流体出口。

根据本发明的第三方面，提供了一种风扇/涡轮/泵，该风扇/涡轮/泵包括可旋转的旋转体：

优选地，从轴心到第一叶片的叶片尖部和/或表面区域的半径成比例地等于或大于从轴心到第二叶片的叶片尖部和/或表面区域的半径。

优选地，在第一端部部分或第二端部部分增大轴线直径，以容纳包括马达的风扇和/或引流和/或增加压力。

优选地，轴线直径的变化率遵循对数级数或其他级数，使得其在第一部分的第一端或第二部分的第二端接近于与轴线垂直对齐，并在第一部分的第二端和第二部分的第一端接近于与轴线平行对齐。

优选地，第二端部部分与第一端部部分基本上连续。

根据本发明的第四方面，提供了一种风扇/涡轮/泵，该风扇/涡轮/泵包括可旋转的旋转体：

优选地，叶片表面和/或轴包括穿孔。

优选地，第一叶片符合贝茨定律(betz'slaw)，即在风中捕获不超过大约60％的动能。

根据本发明的第五方面，提供了一种风扇/涡轮/泵，该风扇/涡轮/泵包括可旋转的旋转体：

优选地，第二叶片包括锯齿和/或沿着叶片的边缘呈扇形。

根据本发明的第六方面，提供了一种风扇/涡轮/泵，该风扇/涡轮/泵包括可旋转的旋转体：

优选地，第二部分包括在第二端部部分的第二端的额外的风扇。

根据本发明的第七方面，提供了一种风扇、涡轮或泵，该风扇、涡轮或泵将流体从连接到第一端部部分的壳体的一个或多个导管引导到第二端部部分的壳体中的一个或多个导管。

根据本发明的第八方面，提供了一种包括壳体的风扇/涡轮或泵，该壳体在第一端部部分的第一端向外呈漏斗状以增加流体的吸入；或者在第二端部部分向内或向外呈漏斗状以增加或释放压力。

根据本发明的第九方面，提供了至少一个用于热回收的风扇/涡轮/泵壳体。

优选地，热回收壳体包括服务于两个传热单元的两个风扇/涡轮/泵。

根据本发明的第十方面，提供了至少一个风扇/涡轮/泵壳体。

优选地，壳体由防水歧管组成，以保护建筑围护结构内或外的风扇/涡轮/泵。

附图说明

图1是本发明的风扇/涡轮的壳体的一个实施方式的透视图。

图2是使用本发明的风扇的换热单元的壳体的另一个实施方式的示意图

图3是根据沿着轴线的距离和角度定位本发明的风扇/涡轮/泵叶片的根部的一个实施方式的图示

图4是本发明的相反手性的风扇/涡轮/泵和壳体的另一个实施方式的透视图

图5是本发明的风扇/涡轮/泵和壳体的另一个实施方式的透视图

图6是本发明的限定两个不同的区域和功能的风扇/涡轮/泵的另一个实施方式的透视图

图7是本发明的限定两个不同的区域和功能的相反手性的风扇/涡轮/泵的另一个实施方式的透视图

图8是本发明的在这两个不同的区域内具有相对不同的半径的风扇/涡轮/泵和壳体的另一个实施方式的透视图

图9是本发明的在这两个不同的区域内具有相对不同的半径，并具有额外开口的风扇/涡轮/泵和壳体的另一个实施方式的透视图

图10是本发明的具有增加的自由面积的风扇/涡轮/泵的另一个实施方式的透视图

图11是从一个主导管供应多个较小导管的替代性的风扇壳体的实施方式的透视图

图12是沿着轴线的第一区域内的风扇/涡轮/泵的横截面图

图13是另一替代性的风扇壳体的实施方式的透视图

具体实施方式

本发明描述了一种风扇/涡轮/泵1，该风扇/涡轮/泵1具有基本上螺旋成形的叶片，该叶片具有与纵向轴线轴向对齐的流体入口。流体入口部分内的叶片具有平坦和/或凹形的压力面。流体入口部分中的一个或多个叶片的根部根据对数、指数、幂或其他序列相对于纵向轴线基本上螺旋地成形，使得叶片的切线在流体入口部分的第一端接近于与轴线垂直对齐，并在流体入口部分的第二端接近于与轴线平行对齐。流体出口与流体入口纵向地偏移。

在本发明的另一个实施方式中，第二基本上螺旋成形的部分具有与第一基本上螺旋成形的部分相反的手性，其中，叶片的切线在流体入口部分的中心处接近于与轴线垂直对齐，并在流体入口部分的两端接近于与轴线均平行对齐。

图1是用于相反手性的风扇/涡轮/泵1的壳体的示例，该风扇/涡轮/泵1驱动流体从壳体部分2的所有侧面流向壳体7的端部处的开口10a和10b。空气沿着壳体部分2内的螺旋叶片6a和6b朝着外壳体部分3a和3b偏转，在外壳体部分3a和3b处，流体同时分散到开口10a和10b之外。壳体部分2中的开口4可以沿着任何侧面具有任何尺寸或形状。纵向界限8a和8b限定了空气吸入的部分5。在风扇的应用中，扩散器14有时可能是期望的。应用的示例可以是由马达9驱动的垂直风扇，或者是通过风力旋转螺旋叶片6a和6b的涡轮。

在壳体7的端部处提供开口10a和10b在许多其他应用中可能是有用的，例如在管道的t型交叉处有用以将流体从一个主管道分支运送到两个管道，或者作为水力发电机或风力发电机。在需要交叉流动的一些情况下，壳体部分3a和3b中的开口可以在侧面，或者在稍后讨论的某些情况下也可以完全打开。应用范围可以很广，不限于任何一种流体。

图2是热回收单元壳体的一个示例的俯视图。热回收系统通常通过传热单元将来自内部空气流的加热和冷却传递到新鲜空气流。热回收系统至少需要两个风扇，一个用来泵送新鲜空气，另一个用来泵送不新鲜空气。该示例示出了两个手性相反的螺旋风扇/涡轮/泵1如何通过同时向两个传热箱12a和12b(而不是仅仅一个传热箱)供应新鲜空气或不新鲜空气来增加输出和效率。

沿着壳体7a的侧面具有开口的风扇例如可以从外部吸入空气，并且沿着7b的侧面具有开口的风扇可以从内部吸入空气。在某些情况下，第一部分的所有侧面可以打开。随后，壳体7a内的新鲜空气和7b内的不新鲜空气可以朝着传热单元12a和12b被驱动。随后，被不新鲜空气加热或冷却的新鲜空气通过开口13a和13b引入内部，同时不新鲜空气从开口11a和11b排出。传热单元可以不同地布置或者可以是细长的，以使得能够进行逆流布置，该逆流布置比交叉流动布置更高效。因此，相反手性的风扇/涡轮/泵1使得空间紧凑的系统能够仅使用两个风扇来供应更大量的流体，以服务于两个传热单元，在一些情况下，如下所述的更简单的半风扇/涡轮/泵1可以是有益的。

为了增大入口处流的体积效率，螺旋叶片6的根部根据对数数列(例如斐波纳契数列)的近似值沿轴线绘制。事实上，叶片6的根部的位置可以近似任何对数、指数、幂或其他数列，或者这些数列的线性外插，以便实现本文描述的目标。从视觉上看，这首先使得叶片与轴线几乎垂直对齐，随后螺旋叶片6沿着轴线逐渐拉伸，直到其切向接近于与轴线平行对齐。

以下是这样一个数列的示例，如下所示，斐波纳契数列中的每个数都是前两个数的和。右边一栏是125mm长轴线的按比例调整的斐波纳契数列的示例。这标志着沿着轴线距原点的距离。

图3是一个示意性示例，示出了如何将风扇/泵/涡轮1的在轴线的侧面的一个开口应用于与第一开口纵向地偏移的另一开口。横截面轴线15可以分成相等的扇形，例如25.7度(deg)的扇形。数列16可以是在每个25.7度的角度转向处距原点23的距离。这些点沿着轴线的间距继续变宽，直到围绕轴线15进行了7次25.7度的转向，螺旋叶片的根部面对与其在原点23的初始位置相反的方向，并沿着轴线与原点间隔大约50毫米。然而，使得叶片接近于与轴线平行对齐的位置不一定需要面对与其初始位置相反的方向。在这个示例中，该点接近于从流体入口到流体排出口的过渡，原因是螺旋叶片的切线现在基本上平行于轴线，并且其吸入流体的能力大大降低。事实上，将开口延伸超过这一点可以对流体流动产生负阻力并产生反作用。风扇的一部分(例如在50mm和75mm之间的部分)完全封闭是有益的，以避免这种负阻力并形成压力。

总之，螺旋叶片6(或者在相反手性的风扇/泵/涡轮1的情况下为6a或6b)最初基本上切向垂直于入口处的轴线，根部的位置源自如上所述的数列，以便阻力最小地切开流体并最大化流体入口。除了沿着轴线进一步的流体入口之外，第二个目的是切向变化率逐渐减慢，以便沿轴线平稳地转移该流体。当叶片的切线接近于与轴线平行对齐时，其功能则是继续沿轴线转移流体，有时在排出该流体之前沿叶片形成压力。

通过在第一端部部分的第一端(任何位置直到并包括叶片尖部)的方向上增加轴线直径，流体流可以另外沿着第一端部部分处的轴线平滑地被引导。同样，如果期望朝轴线的另一端向外引流，例如，轴线直径可以朝着第二端部部分的第二端(任何位置直到并包括叶片尖部)再次增大。轴线直径的变化率也可以遵循对数或其他数列，使得它也在第一部分的第一端或第二部分的第二端接近于与轴线垂直对齐，并在第一部分的第二端和第二部分的第一端接近于与轴线平行对齐。

在叶片根部的对数级数的反向适应可以在外壳体部分3处在叶片16或16a和16b的旋转过程中加速流体的排出。但是可以使用有助于排出流体的其他方法，这些方法包括例如过渡到基本上圆锥形的螺旋叶片16或16a和16b、沿边缘的一个或多个锯齿17、增加叶片数量、改变为凸形叶片、如图4中所述的位于轴线端部的另一个风扇/涡轮26、以及目的是有效地偏转流体并将流体排出到与入口纵向地偏移的出口的任何其他方法。

图4和图5中开口4的位置取决于图5中叶片6的切线角度或图4中叶片6a和6b的切线角度。在图4的情况下，这些叶片在开口4的中间的原点23处接近于与轴21垂直对齐，并且在图5的情况下，这些叶片在外部界限8a处接近于与轴21垂直对齐。空气沿着图4中的螺旋叶片6a和6b朝向界限8a和8b偏转，或者沿着图5中的叶片6朝向界限8b偏转，在界限8b处，其切线接近于与轴平行对齐，并且吸入空气的能力大大降低。这些界限8a和8b限定了部分5。

除了入口处的叶片根部由对数或指数序列限定之外，刮取流体并沿螺旋叶片6或6a和6b保持流体的平坦或凹形的叶片是增加和保持吸入的流体量的另一个重要因素。

在这些示例中，壳体3或3a和3b向外呈漏斗状。当壳体3或3a和/或3b内的轴22向外突出时，例如当马达9位于轴22的端部时，这可以用于防止阻塞效应。这种呈漏斗状在某些情况下也可以用于向外引导排出的空气。借助于壳体7的端部处的二级风扇叶片26或其它装置，例如图4和图5中在壳体部分3或3a和3b内沿叶片16或16a和16b的边缘的一个或多个锯齿17，空气流可以进一步最大化。在其他应用中，可能期望流体沿着轴形成更大的压力，在这种情况下，壳体可以向内呈漏斗状。此外，叶片6或6a和6b的半径和/或表面积可以大于叶片16或16a和16b的半径和/或表面积，这将进一步增加流体吸入量并增加沿叶片16或16a和16b的压力。

图6是风扇/泵/涡轮1的另一实施方式的透视图，其示出了限定部分5的横截面平面18和19。部分5沿轴线的界限由1)当叶片接近于与轴线垂直对齐时叶片6在原点平面18和横截面叶片23处的切向角和2)当叶片接近于与轴21平行对齐时叶片6在横截面叶片24和平面19处的切线限定。在该部分5内，当流体沿着轴21和叶片6偏转时，切线角变化的速率减慢。通过平面19，叶片16的功能现在是在排出流体之前高效地排出流体和/或形成压力。取决于应用，该出口开口可以是平面19和20之间限定的外部部分24内的任何位置和/或位于轴22的端部。

图7是一个透视图，其示出了当图2的风扇/泵/涡轮1在原点平面18处以相反的手性延续时，平面19a和19b如何限定吸入部分5。在这种情况下，吸入叶片6a和6b将流体转移至轴线的两端，在该轴线的两端，流体沿着叶片16a和16b从外部部分24a和24b排出。在该示例中，叶片6a或6b处切线的基本上垂直的角度位于吸入部分5的中间。这使得流体能够在机械驱动时沿旋转方向流线型进入。在涡轮的情况下，流速将沿着凹形的叶片6a和6b增加，凹形的叶片6a和6b则像帆一样起作用，使得轴线旋转。

图8是示出壳体7的透视图，其中，吸入部分5由平面18和19限定，并且出口部分24限定在平面19和20内。流体入口可以来自于沿着吸入部分5的轴线的一侧，或者是围绕吸入部分5的任何比例处。这里没有示出流体出口壳体7的开口，但是该开口也可以在轴线的侧面或端部，这取决于叶片16是否在交叉流动中，或者在l或t型交叉方向流动中排出流体。

在该示例中，平面18处的横截面的螺旋叶片6的半径可以大于平面19处的横截面的叶片6的半径。甚至叶片6的半径在原点平面23附近的小范围延伸可以显著地增加流体的吸入。相反，将轴21的半径延伸相等的量，对自由横截面积的影响不明显。在这个示例中，轴21在马达9所在的入口处凸出。这可以有助于沿着叶片6和16朝着出口输送流体。

部分5和24沿轴线的比例可以根据例如1)所需要形成的压力、2)叶片部分6相对于叶片部分16或轴线的相对半径差、3)壳体所呈的漏斗状、4)壳体中开口的位置和比例，或在某些情况下没有壳体、5)叶片6与叶片16是否连续而变化。

图9是与图8相似的透视图。除了吸入部分5，还可以通过平面18中的开口27获得一些流体的吸入。在其他实施方式中，平面18可以是拱形的以形成盖29，例如，叶片6在平面18处与盖29一致。开口27不限于任何形状或尺寸。螺旋叶片6的半径长度也不限于壳体8的尺寸。目的是增加流体的吸入量，有时是增加压力。

图10是风扇/涡轮的另一个实施方式的透视图。根据贝茨定律，没有涡轮能够在风中捕获超过大约60％的动能。目的则是在保持足够强度的同时，还能减轻重量和减少一部分阻力。在这个示例中，轴21和22被理解，但不一定存在。可能需要保持轴31的部分，以确保叶片在转动时不会趋向于向外膨胀。叶片还可以包括穿孔30，以进一步防止空气流动的阻力并使得一些空气能够流过。穿孔30在这里示出为垂直的狭缝，但是它们也可以例如与叶片平行，或者为任何形状。

为了最大化涡轮根据外力的旋转，尽管根据贝茨定律仍然受到限制，但是适量的阻力(由叶片中较小的“自由面积”产生)可以相对于出口部分24更集中在吸入部分5内。降低出口部分24内的阻力的方法可以包括壳体或部分壳体，和/或减小(例如圆锥形地螺旋成形的)螺旋叶片16的尺寸，和/或沿叶片16的更多自由面积，和/或使叶片16的边缘呈扇形，和/或移除轴22的部分或全部。

图11是风扇和壳体的另一个实施方式，其中，空气通过多个较小的导管从侧面被吸入，并被排出到在轴线的端部的一个主导管，在这种情况下，围绕入口部分5的导管32的尺寸和形状根据吸入叶片6和在17处供应一个大导管开口所需的数量来确定。在其他实施方式中，壳体中的突出部可以替代地位于入口部分5。此外，在轴线的端部的第二风扇17可以进一步增加压力。此外，它可以具有与如图4所示的第一风扇和壳体相反的手性。这种应用有助于自身有效地利用电力并同样地减少弯曲和阻尼。例如，在hvac的情况下，它可以有效地将空气从建筑物中的多个位置排出(或吸入到建筑物中的多个位置)。在某些情况下，连接到吸入部分5的一个或多个导管供应到出口部分24中的一个或多个导管可以是有益的。

图12是具有吸入部分5的三个叶片的横截面的示例，但是该数量不限于三个。优选地，一个或每个叶片是从平坦至凹形的，以最大化流体的吸入。

类似于图7的一系列手性相反的交叉流动风扇可以形成细长形状，该细长形状可以有效地用于在壁腔的狭窄范围内吸入或排出空气。当然，挑战在于保护风扇免受湿气和水的流出。图13是在建筑围护结构外部延伸的替代性通风口的示例，以提供足够的防水来保护这种风扇。通风口可以是独立的，或者可以连接到窗框38和横梁35之间的外部窗挤压件上。空气通过整个通风口吸入，并通过收集器39供应到内部，反之亦然。

在这种情况下，良好的防水性是由于歧管34的通风口37位于建筑围护结构的外部，使得进入通风口37或溅到歧管34的后内表面上的任何水都往回滴，它还迫使空气在进入内部之前向上流动足够的距离，这又有助于避免水流出。此外，位于通风口上方的滴水密封件33可以排出大部分水。图13示出了这种类型的歧管通风口的使用和风扇与壁挂式太阳能收集器39的结合使用。替代性地，它们可以用于如图2中描述的壁式集成换热器，或者仅用作被动通风口。其形状不限于本文所示的示例，通风口的位置也不限于所示的位置。一般来说，它是一个将水排到建筑围护结构外部的歧管/通风口，以使风扇和内部防水。

如图1至图11中描述的风扇/涡轮/泵1的实施方式根据具体应用而变化。例如，图10中的实施方式可能最适合涡轮，图4中的实施方式可能最适合风扇，并且图9中的实施方式可能最适合螺旋桨。变型包括1)叶片6和16或轴21和22的半径的相对宽度、2)包括平面20的吸入部分5或包括平面18的出口区域24内的开口的位置、3)壳体形状(如果有壳体的话)、4)叶片6或16是否符合壳体的内周、5)风扇/涡轮/泵是否还处于相反的手性、6)叶片16的形状是凹形的还是凸形的、7)由沿叶片和轴线的自由面积产生的阻力的量、以及8)轴上的突出部(在任何位置，直到并包括叶片尖部)和/或壳体中的突出部。应用可以结合任何这些功能。

尽管存在差异，但是所有多种应用都共享显著提高吸入量和压力的效率的某些特征：

·入口开口4基本上与轴线轴向对齐

·出口部分24内的出口开口与入口开口4纵向地偏移

·当叶片6的切线接近于切向地基本上与轴线垂直对齐或与轴线平行对齐时，入口开口4的外部界限由叶片6的切线的角度决定。在相反手性的风扇/涡轮/泵的情况下，当它们接近于垂直对齐时，开口的中心与相反手性的叶片对齐。

·对数、指数、幂或其他序列沿着吸入部分5的轴线来定位叶片6的根部。这在视觉上使得螺旋叶片逐渐拉伸，该拉伸由沿吸入部分5的轴线使叶片的切向角的变化率减小而引起。

·叶片6优选地沿吸入区域5是平坦的或凹形的。