Regenerative Compressor (Ring Blower/Side Channel Blower) cho làm mát CPAP, v.v.

Regenerative compressor cho áp (pressure head) tốt và lưu lượng (flow) mức trung bình ở RPM thấp. Mình thiết kế cái này từ đầu trong Sketchup để thử nghiệm ý tưởng, hướng tới việc làm mát CPAP cho máy in của mình. Nó bắt đầu lên áp ở RPM khá thấp, nhưng cần khá nhiều công suất! Một brushless motor kiểu “torquey” chạy RPM thấp, hoặc thậm chí stepper “khỏe” cũng hợp, nhưng DC 775 motor chạy rất ổn ở tốc độ cao hơn và giá cũng rẻ. Một motor 12V 1A kèm belt reduction để quay impeller khoảng 500–600 RPM là gần như mức thấp nhất để còn cho ra lưu lượng hữu ích. Motor 12V 10A (peak) có thể đạt 1+ PSI pressure head và 10+ CFM, tùy RPM và tỉ số truyền dây đai. Tính tới hiện tại, mình đo được tối đa 1.25 PSI (bóp nghẹt đầu ra) và 11 CFM (đầu ra mở) với bản lắp 2 tầng ở khoảng 4300 RPM. Bonus là nó cũng khá “trâu”, ít bị hư khi hút phải mảnh vụn, dù mình không khuyến khích cố tình quăng đồ vô (hoặc xài như máy hút bụi).

Bạn có thể làm 1 cụm cho compressor 1 tầng (single-stage), hoặc chồng nhiều cụm lên cùng một trục để thành compressor nhiều tầng (multi-stage) tăng boost. Xem bài/performance review này nhé!

IMPORTANT: đây là prototype và bạn phải tự DIY giải pháp motor. Mình chưa có khuyến nghị chuẩn hóa hay “tốt nhất” đâu, nhưng DC 775 10-Amp chạy 6k ở 12V dùng rất ổn, và trên Amazon thường tầm US $20 hoặc rẻ hơn! Bạn cần thứ gì đó chạy khỏe và ổn trong dải 2k–6k+ RPM, nên đây không phải việc dành cho motor siêu RPM cao trừ khi bạn dùng belt reduction. Thông số 775 nói trên chạy cái compressor này dễ dàng ở tỉ lệ giảm 3:1 (gần như không bị “ngộp” so với tải) cho nhu cầu áp/CFM thấp hơn, hoặc chạy 1:1 để lên khoảng gấp đôi RPM—lúc đó nó đuối tải hơn và nóng lên nhưng vẫn thổi được nhiều khí. (Cũng xin cảnh báo: nó RÉO cực to khi quá ~3K RPM nếu không có silencer. MÌNH KHÔNG CHỊU TRÁCH NHIỆM VỀ THÍNH GIÁC CỦA BẠN. ĐEO PPE!) Bản 2 tầng có thể kéo ngon ở geardown 1.5:1 tới 2:1 với cùng motor.

Nếu bạn không muốn xài 550 hoặc 775 mà muốn đi brushless, mình khuyên bạn tự làm motor mount cho mẫu này. Vỏ (casing) có pattern bắt vít gồm 6 lỗ ren M3 sâu 8mm trên bán kính 35mm. Mình có sẵn motor mount cho 775 (khoảng cách vít M4 là 29mm) và cho DC motor cỡ 550 (khoảng cách vít M3 là 25mm). Ngoài ra bạn có thể dùng sliding mount và tự chế motor mount (khoảng cách lỗ M3 là 24mm x 62mm).

Có thể phương án nguồn lực tốt nhất là stepper hạng nặng như NEMA 23, vì một điểm mạnh của thiết kế này là chạy được trên dải RPM đầu vào rất rộng, nhưng motor chạy PWM thường khó êm ở dải thấp. Tuy nhiên mình chưa test cái này, và bạn sẽ phải tự nghĩ motor mount và giải pháp điều khiển.

Printing tips:

READ THE STL DESCRIPTIONS!!!

Khi slice impeller, bật “union overlapping volumes” vì mình lười solid hết đống cánh đó (xin lỗi). Mình dùng 3 perimeters và 10–15% infill cho kết quả đẹp với PLA. Với phần housing, bạn chỉ cần support cho phần ren của nozzle, nên thử chặn support ở các chỗ khác. Còn lại chỉ nozzle và các ống/phụ kiện (accessory pipes) là cần support. Bạn cần nhúng (embed) 6 con M3 nut vào mỗi housing cho motor mounts; ở layer height 0.2 thì thời điểm pause và nhét vào tốt nhất là khoảng layer 22. Sẽ có cảnh báo “nuts” xuất hiện trong infill khi gần tới lúc cần đặt chúng!

Có sẵn một impeller 1 mảnh nếu bạn muốn đơn giản, nhưng KHÔNG KHUYẾN NGHỊ vì khó canh/tune độ phẳng và độ đồng tâm. Impeller dạng nhiều phần (multi-part) có thể tune được mấy cái đó. Tuy nhiên bản in yêu cầu dung sai (tolerances) tốt để lắp khít. May là bạn có thể iterate để vừa máy bằng cách chỉ chỉnh 1 chi tiết nhỏ (alignment ring), nên không phải lo bỏ phí mấy bản in lớn nếu lần đầu chưa khớp.

Về tổng quan lắp ráp, đặc biệt bản multi-stage, mình khuyên mạnh là xem video YouTube.

MINIMUM prints and Hardware bạn cần cho bản single-stage với impeller 1 mảnh và không có silencer (nhưng thật ra bạn nên có silencer):

• Impeller 1 mảnh
• 2–4x spacer 0.9mm 5mm (trong STL cũng có spacer lớn hơn)
• Upper và Lower housings
• Sliding motor mount
• Upper motor mount phù hợp motor của bạn
• 2x Nozzle lock collars
• 2x Nozzles đúng size ống của bạn
• 12x M3 nuts để nhúng vào housings
• 2x flanged bearings 5x10x4x11.6F (MF105 - kiếm loại tốt - mình dùng ABEC 9)
• 1x trục 5mm dài 70mm+
• 2x lock collars 5mm, OD 10mm và 2x+ ốc chỉnh M4 (set screws) dài 12mm cho chúng
• 8x vít M3 dài 12mm và nuts để bắt 2 nửa housing lại
• 4x vít M3 dài 12mm và washers để gắn sliding motor mount, nếu dùng
• 4x vít M3 dài 20mm, washers và nuts cho motor mount
• 2x vít M3 8mm (cho 550) hoặc M4 8mm (cho 775) và washers để bắt DC motor
• Motor, pulley và belt tùy chọn (Motor 775 đơn giản vì trục 5mm và dùng được GT2 printer pulleys dễ kiếm; mình khuyên mua nhiều size pulley, kiểu 60T, 40T và 20T để thử tỉ số truyền và tìm mức không làm cháy motor)
• Băng keo mút (foam tape) dán kín cửa sổ (cắt theo kích thước)

RECOMMENDED intake silencer:

• BỎ intake nozzle.
• Thay vào đó, in:
• 1x “straight” accessory thread adapter
• 1x accessory elbow
• Silencer housing
• Silencer lid
• Intake Stack
• OPTIONAL: in silencer sleeve và bộ silencer sleeve retainer ring. Xem video YouTube để biết lắp. Sleeve in phẳng, bạn phải cuộn lại (hâm ấm nếu cần), dán superglue thành ống, rồi dán 2 đầu vào retaining rings. Quấn vải hoặc foam, rồi lắp vào housing.
• HOẶC: silencer cũng gần hiệu quả tương tự nếu bạn cuộn miếng bọt biển rửa chén thành vòng rồi nhét vào housing—chỉ cần đảm bảo lỗ trung tâm thoáng, không bị bít.

RECOMMENDED thiết lập in impeller multi-part và phần cứng bổ sung:

• BỎ impeller 1 mảnh.
• Thay vào đó, in hub core, alignment ring, spoke wheel, và impeller ring, kèm bộ spacer. In spacer ở layer height 0.1. Khuyến nghị RẤT MẠNH là in các chi tiết này với outer perimeter in TRƯỚC để đạt độ chính xác kích thước tốt nhất. (Đây là phần “ăn tiền” của cả bộ, lỗi fit/finish/độ bền sẽ quay lại hành bạn, nên đây là lúc ưu tiên chất lượng slice, đừng ưu tiên tốc độ!)
• 3x vít M3 12mm và nuts để bắt spokes của impeller multi-part vào impeller ring.
• 2x M4 grub screws 8mm để cân bằng với các set screw dài hơn thật sự vặn vào lock collars (vặn vào các lỗ đối diện)
• 2–4x M3 grub screws 8–12mm để cân bằng toàn cụm (vặn vào vòng ngoài/periphery).
• Dung sai cho phiên bản này khá gắt. Nếu core, alignment ring và spokes bị kẹt hoặc trượt vào quá dễ, thử đổi slice settings cho alignment ring để nở/thu chút xíu. Khi fit đúng, các phần sẽ trượt vào nhau không quá khó, đủ ma sát để tự giữ chắc, nhưng cũng không bị kẹt cứng. Bạn PHẢI tháo ra dễ dàng mà không phá bằng dụng cụ, vì ốc khóa hub chỉ truy cập được khi tháo các phần còn lại.
• Tune độ phẳng: cấu hình “mặc định” là dùng 1 spacer lớn nhất (2mm) giữa mỗi spoke và impeller ring. Spacer gồm 2mm, 1mm, 0.5mm và 0.2mm. Nếu impeller quay không phẳng, tìm điểm cao nhất rồi bắt đầu bằng cách thêm spacer mỏng nhất vào spoke gần điểm đó NHẤT HOẶC giảm chồng spacer ở phía đối diện. (LƯU Ý: nghe hơi ngược đời—thêm spacer sẽ đẩy ring ĐI XUỐNG.) Với 2 cái mình làm, mình canh được gần như phẳng hoàn hảo chỉ với 1–2 spacer mỏng nhất.
• Tune độ đồng tâm: cấu hình mặc định (đồng tâm) là canh thẳng 3 marker trên core, ring và spokes. Lỗ tâm (bore) có thể lệch tối đa 0.6mm bằng cách xoay ring so với marker của hub core, và bạn có thể xoay vị trí lỗ bằng cách xoay spokes so với ring. Mình không cần chỉnh cái này, nhưng nếu lock collars của bạn dở thì có thể phải.

Multi-stage bonus hardware và prints:

• Với mỗi tầng thêm, in top housing bản “MULTISTAGE ONLY” thay vì top housing thường. Bản này KHÔNG nhúng nuts, mà có lỗ xuyên để bắt các tầng lại với nhau. Các lỗ xuyên có một lớp mỏng (thin skin) ở đáy bạn phải khoan phá ra, cùng với lỗ vào cho drive shaft.
• Bạn cũng phải in một số phần “accessory” để nối các tầng. Xem video YouTube để có mẹo lắp; ý tưởng là accessory thread adapters thay cho nozzle để dùng accessory pipes. 2x Lock Collars, 2x adapter accessory 30 độ, 2x elbows và cặp F-F connector là đủ ổn để nối outlet tầng trước vào inlet tầng sau. Để kín khí ở các khớp ống, mình dùng vòng foam đóng ô (closed-cell packing foam), nhưng bạn cũng có thể dùng keo, keo trám (caulk), hoặc thậm chí dây thun.
• 6x vít M3 12mm để bắt top housing “MULTISTAGE ONLY” của tầng thêm vào bottom housing của tầng 1.
• Thêm window sealing foam tape để làm 2 vòng seal giữa các stage housings (xem hình). CỰC KỲ QUAN TRỌNG: siết vít nối housing phải ĐỀU và từng chút một (giống siết ốc bánh xe ô tô) để foam nén đều và 2 housing phẳng so với nhau (không là lệch trục ngay).
• 1x trục 5mm dài 150mm+ (cho 2 tầng). (200+ có thể ổn cho 3 tầng, nhưng chưa test).

Construction tips:

Đảm bảo impeller quay phẳng. Với impeller 1 mảnh, có thể bạn phải sửa lỗ trục và/hoặc chỉnh set screws để canh cho ngay. Trên vành impeller có các hốc để gắn M3 grub screws cân bằng, nhưng mình không cần tới. Bạn có thể phải chà nhám (sand) các “air dams/rub lines” bên trong để quay trơn, không cạ khi siết housing lại. Dùng spacer đi kèm (có thể chồng) để canh khe hở đúng. Nếu lắp đúng, bạn có thể xoay housing và thấy drive shaft quay ngược lại trong khi impeller đứng yên bên trong. Bạn cũng sẽ cần khoan/cắt lỗ cho trục ở phía housing nơi bạn định gắn motor. Bên còn lại thì để bịt lại để khỏi hụt áp! Cuối cùng, nhớ lắp impeller sao cho mặt lõm của cánh (cupped blade surfaces) quay theo hướng rời xa inlet. Nếu chạy ngược chiều, hiệu năng sẽ tệ hơn.

ADDED 3.9.24: Đây là video ngắn về cách mình canh (dialing in) độ phẳng của impeller. Trong phần mô tả video có mẹo shim nữa!