Développement d’un ventilateur cantilever à haut débit

Les ventilateurs en porte-à-faux déplacent l’air grâce à une action de battement, semblable aux ventilateurs à main. Disponibles dans le commerce, ils sont associés à une cintreuse piézoélectrique, qui fournit leur force motrice. Ces ventilateurs sont peu bruyants, peu puissants et ont un faible débit. Ils constituent un créneau utile pour augmenter le refroidissement des composants électroniques au-delà de celui de la convection naturelle, sans nécessiter un débit élevé.

J’ai développé une conception de ventilateur en porte-à-faux avec un débit volumétrique plus de 100 fois supérieur, et j’ai démontré qu’il peut être compétitif par rapport aux ventilateurs axiaux en termes de débit et de niveau sonore. Je pense que cette amélioration pourrait ouvrir la voie à une adoption plus large des ventilateurs cantilever dans les applications de déplacement d’air et de refroidissement.

Un ventilateur piézoélectrique typique est illustré à la figure 1. Il se compose d’une pale de ventilateur en polymère et d’une cintreuse piézoélectrique. Lorsque la cintreuse vibre à la fréquence de résonance de la pale du ventilateur, la pointe du ventilateur se déplace avec une déviation de quelques centimètres et déplace ainsi l’air. Comme il n’y a ni entrée ni sortie du ventilateur, le mouvement de l’air est dominé par des vortex de recirculation. Cependant, une certaine quantité de mouvement nette vers l’avant est transmise à l’air, donc un modeste flux d’air net.

La conception que j’ai développée est illustrée à la figure 2. Au centre de la plate-forme se trouvent trois pales de ventilateur en acier inoxydable peintes en jaune pour plus de clarté. Chaque pale de ventilateur mesure 15 cm sur 14 cm. Le système est entraîné par deux moteurs linéaires personnalisés connectés à chaque extrémité d’une poutre vibrante, qui à son tour est connectée à la base des trois pales du ventilateur. Les ventilateurs fonctionnent à 20 Hz, une fréquence inférieure à celle de l’audition humaine. Cela limite le son audible uniquement au battement turbulent de l’air passant devant les pales.

Approche pour augmenter le débit

La forte augmentation du débit peut être attribuée aux effets combinés de plusieurs facteurs. Les moteurs linéaires sont nettement plus puissants que les cintreuses piézoélectriques, les pales du ventilateur sont plus grandes, les pales du ventilateur sont en acier à ressort, plusieurs ventilateurs sont combinés en réseaux et le placement stratégique du carénage réduit les tourbillons.

Mon article, publié dans Résultats en ingénierie, montre que la vitesse maximale de la pointe du ventilateur dépend de la résistance du matériau (plus précisément de la limite d’endurance), du module d’Young et de la densité. L’acier à ressort a une limite d’endurance exceptionnellement élevée, de sorte que la vitesse de pointe du ventilateur est supérieure à celle des pales du ventilateur en polymère.

L’utilisation de plus d’un ventilateur dans un réseau est également importante pour produire un débit élevé. Mon article montre qu’un minimum de deux ventilateurs sont nécessaires pour encapsuler un cuboïde d’air, qui est accéléré vers l’avant lorsque les ventilateurs oscillent à gauche et à droite. Cela peut être vu dans la vidéo au ralenti qui accompagne le journal.

Le placement stratégique des carénages contribue au débit élevé en réduisant les tourbillons de recirculation. En plaçant des carénages sur les bords supérieur et inférieur des pales, l’air est empêché de circuler des côtés haute pression vers basse pression du ventilateur. De plus, placer des carénages à gauche et à droite des rangées de ventilateurs empêche les reflux et crée une zone d’entrée bien définie.

Contexte et conclusion

La grande majorité des ventilateurs commerciaux peuvent être classés comme ventilateurs axiaux, centrifuges, à flux mixte ou à flux transversal. L’ajout le plus récent à cette liste est le ventilateur à flux transversal, inventé en 1893. Chacun de ces types de ventilateurs a ses atouts et a trouvé des applications qui exploitent ces atouts. Cette conception de ventilateur en porte-à-faux avec un débit comparable à celui d’un ventilateur axial pourrait trouver des applications tout aussi utiles.

Deux de ses atouts uniques sont l’élimination de toute surface d’appui ou de frottement, et en raison de l’absence de rotation, il a la liberté de créer différents rapports d’aspect du rectangle d’entrée du ventilateur. Les travaux présentés dans cet article ne bénéficient d’aucune protection de propriété intellectuelle et sont donc libres de faire l’objet d’expérimentations ultérieures.

Cette histoire fait partie de Science X Dialog, où les chercheurs peuvent rapporter les résultats de leurs articles de recherche publiés. Visitez cette page pour plus d’informations sur ScienceX Dialog et comment participer.

Peter Leaback a obtenu un BSc(Hons) en informatique de l’Université de Kingston à Londres en 1992. Il a passé 15 ans à concevoir des algorithmes pour les puces de silicium et est aujourd’hui un inventeur indépendant spécialisé dans l’atténuation du changement climatique.