高效率吊扇的製作方法

2023-05-09 14:03:51

專利名稱：高效率吊扇的製作方法
技術領域：
本發明通常涉及吊扇，特別地涉及電動吊扇及其效率。
背景技術：
由電機驅動的吊扇用於循環空氣已有多年。此類吊扇典型地具有一個位於外殼中的電動機，該電動機固定在一根直立杆上，以使風扇葉片繞該直立杆旋轉。這種風扇葉片傳統上為扁平狀，定向時使其具有一定傾斜度或者螺距，以便在空氣中轉動時相對於氣團形成一個攻角，這樣就可向下驅動空氣。
當由旋轉軸徑向延伸出來的風扇葉片旋轉時，在一定的時間內其末梢所經歷的路徑遠比其根部所經歷的路徑長。因此風扇葉片末梢的速度遠大於其根部的速度。為了平衡沿葉片的風的阻力和由葉片運動產生的空氣流，在設計風扇時使其攻角朝末梢方向遞減。此設計特點也常用於設計其它的旋轉葉片，例如船用螺旋槳和飛機螺旋槳。
1997年，美國佛羅裡達太陽能中心(Florida Solar Energy Center)對幾種市場上可買到的吊扇的效率做了一個研究。該測試在美國申請專利號為6 039 541的專利案中報導過。該專利權所有人發現，通過在設計葉片使其在根部有幾度的扭轉，該扭轉角度向葉片末梢均勻遞減直至形成一較小的扭轉角或一攻角，能效(也就是每一功率消耗(以瓦特為單位)所產生的空氣流(CFM)將增加。例如，這應用於在其根部具有一26.7°角度的扭轉，而在其末梢扭轉角為6.9°，長20英寸的葉片(該葉片具有不等弦)上。
吊扇另一個長期存在的問題是空氣流分布。雖然定向時有一個攻角，但大多數吊扇的葉片只在水平面內旋轉，這就迫使氣流向下，尤其是風扇下面空間中的氣流。但是由於氣流不直接從風扇流動，周圍空間中的氣流很少。在風扇葉片具有上反角處，此類問題減少了。但是，這只能以大幅度減少風扇正下方的氣流為代價。

發明內容
現已發現，統一均勻地減小攻角或者扭轉角對於吊扇來說不是最有效率的辦法。兩腳葉片或者螺旋槳的末端在一轉中運行一個圓周或者2π(2)，因此向外伸出的葉片的中點在一轉中運行2π(1)或者說一半的距離。由於飛機螺旋槳的運動軌跡通常位於與其飛行路徑垂直的平面中，所以該線性關係對於飛機螺旋槳來說是有效的。然而吊扇的運行軌跡平行於空氣流並位於空氣流約束之下，也就是平行於天花板本身並位於其之下，因此它的葉片並不像飛機一樣與氣團均勻衝擊，這是因為在吊扇葉片的末梢比在末梢內側更容易獲得「置換」空氣。鄰近葉片旋轉軸的空氣必須來自周圍環境，在空氣到達葉片的根部端的過程中要經過天花板平面與風扇葉片之間的有限空間。
了解這一點後，現在已經發現，在形成葉片時通過使從其攻角從根部到末梢不均勻地增加可提高吊扇的效率。更具體地講就是，現在已經發現，攻角或者螺距的變化率在鄰近葉片末梢處應比在鄰近根部處更大一些。這顯然是用來迫使在天花板限制之下、葉片之上的置換空氣向內運動，以便在葉片的根部端附近可容易地獲得更多的空氣。然而，不管該理論正確與否，事實已經證明這樣做風扇的效率得到了提高。通過使風扇的攻角在其末梢的變化率大於在其根部的變化率，已發現風扇的效率得到了極大提高。
由於風扇的葉片由具有持續變化的上反角的向上曲線所形成，現在吊扇的氣流分布也提高了。更好的是，氣流從葉片根部到末梢呈連續分布，而且這一點可以結合上面所描述的非均勻減小攻角或者扭轉來實現。採取以上措施的結果是可以提供一種不僅效率高而且可使氣體分布更好的吊扇。


圖1為以較佳形式實現了本發明的吊扇的側視圖。
圖2為圖1中的吊扇葉片的一個簡圖，為便於顯示，假定其以二維形式顯示。
圖3為圖2中的吊扇葉片的一個簡圖，顯示了沿葉片的不同位置葉片扭轉的角度。
圖4為空氣流測試參數的一個圖表。
圖5為圖1所示風扇的一個葉片的側視圖。
圖6為圖1所示風扇的一個葉片的頂視圖。
圖7為圖1所示風扇的一個葉片的端面視圖。
具體實施例方式
在美國專利申請號為6 039 541的專利案中公開的風扇葉片技術遵循這樣一個假定所有進入風扇葉片的空氣流都來自與葉片旋轉平面垂直的一個方向。此外，就像在飛機螺旋槳理論中所使用的那樣，還假定空氣流從葉片的根部以恆定速度流至葉片末梢。利用該假設，在設計葉片時就令從根部端到末梢的扭轉角度為一定值。
扭轉葉片的目的在於企圖優化空氣流方向相對於葉片表面的相對攻角。這樣做是為了保證葉片從其根部到其末梢都以最優攻角運轉。此角度變化是為了適應這樣一個事實，即葉片末梢移動的速度比葉片直徑根部移動的速度要快，而速度的增加改變了葉片上方的相對氣流方向。
再就是，現在已經發現這個假定已經不適用於吊扇。吊扇為空氣重複循環裝置，而不像飛機螺旋槳那樣穿過空氣。在風扇葉片上，從其根部到其末梢，空氣並不沿著同一矢量方向移動，甚至速度也不相同。
圖1顯示了一臺除其葉片形狀之外其餘為傳統構造的吊扇。從圖中可見，風扇通過一條直立杆安裝在天花板之下，該直立杆從天花板伸出至一用於放置電機和開關盒的外殼中。從此處還可以看到，在風底部還有一個燈具。由從直立杆伸出至市電電源的導電體給電機提供動力，以驅動葉片旋轉。
從圖可以看到，風扇葉片被扭轉了而不成扁平狀，以便形成一逐漸變化的上反角。進出風扇葉片的空氣流用帶箭頭的多條線表示。從這些線條我們可以直觀地看到風扇葉片為何不像飛機螺旋槳那樣遇到空氣團。相反地，葉片之上的有限空間改變了進入風扇的空氣流矢量，使其與飛機的空氣流矢量相反。
如圖2中所示的簡圖，每一風扇葉片的寬度或者翼弦都形成一錐度。每一葉片都從其基部或者根部向其末梢逐漸變細，以便其在末梢變得更窄。另外，儘管對於體現本發明的優勢並不必要，但每一葉片最好還是具有一個如圖1中所示的上反角。設計上反角是為了使風扇下面空間中的空氣發散分布得更寬。
繼續參考圖2和圖3我們可以看到，儘管葉片實際上為單體結構，仍然將其區分為三個區域。此處24英寸長的葉片具有三個等長度的區域，即每一區域長8英寸。如圖1可見，所有區域都被扭轉了一定角度，但是從根部到末梢扭轉速率不一樣。從根部開始的扭轉或者攻角一直減小直到在末梢變成10°。從圖1中還可以清楚看到，該攻角以三種不同的速率減小。在靠近根部的第一個8英寸區域，扭轉變化速率為每英寸0.4°；在中間的區域，扭轉變化速率為每英寸0.7°；對於鄰近末梢的第三個區域，扭轉變化速率為每英寸1.0°。當然每一區域之間有一個小轉變，其顯著性可忽略不計。因此在圖3中，從外側區域的一端到其另一端攻角的差值為8°(1°/英寸×8英寸)。中間區域兩端攻角之差大約為6°，而內側區域兩端的攻角差值約為3°。
圖5-7更詳細地說明了圖1中風扇的一個葉片10。從圖中可以看出，該葉片的根部11安裝在電機轉子輪轂12上，末梢在遠離輪轂端。如圖1所示，輪轂繞從天花板伸出的垂直直立杆旋轉。從葉片中心線15可以明顯看出，葉片在其根部11處的上反角為0°，在其末梢13處的上反角dt為10°。此風扇葉片從一端至另一端是持續的圓弧或者曲線，因而從一端到另一端上反角也是持續變化的。如圖1中所示的氣流分布虛線，其作用是將空氣分布在風扇正下方以及周圍的空間中。相反，先前技術中的風扇主要將氣體驅動至風扇下面向下運動，而周圍空間中的氣流迂迴而微弱。雖然那些在整個葉片長度上傾斜了固定上反角的風扇已經解決了這個問題，但這是以減少風扇正下方的氣流為代價的。
葉片上反角從一端至另一端可以持續增加，但是隨著圓弧或者曲線接近末端，根部附近或者末梢處附近的上反角可能為定值。根據海鷗式設計，實際最有效的設計是從根部到距離末梢一半處的上反角為0°，然後持續增加，到達末梢時上反角為10°。在較佳實施例中，葉片根部上反角為0°，末梢上反角10°。但是根部上反角可以小於或者大於0°，末梢上反角也可以小於或大於10°。風扇尺寸、功率、高度和應用是選擇特殊的上反角時所需考慮的所有因素。
在Hunter Fan Company(Hunter風扇公司)實驗室對風扇進行了測試，即「能源之星適應性」(Energy Star Compliance)測試，並得到了環境保護機構(Environmental Protection Agency)的認證。除空氣速度傳感器也安裝在上面並靠近風扇葉片之外，依照「能源之星」測試要求測試了風扇。這樣就可以測試風扇鄰近的空氣速度。在測試過程中，認定在風扇葉片上從根部端到末梢，不同位置空氣的速度也不相同。圖4給出了測試參數，表1是實際測試結果。
表1

表2給出了比較試驗結果，其中葉片1為剛描述過的一新葉片，其具有一10°的固定上反角，葉片2是利用申請專利號為6 039 541的專利案中講到的技術設計的Hampton Bay Gossomer Wind/Windward葉片，葉片3為一固定攻角為15°的扁平狀葉片。如前所定義，表中所列出的數據係指能效方面的改良。
表2

因此可以看到，現在提供的吊扇比採用先前技術的吊扇顯著提高了能效，而且也促進了氣流分布。風扇當然也可用在其它位置，比如桌上。儘管利用吊扇的較佳形式進行了顯示和描述，我們應該了解的是，只要不偏離權利要求書中所闡述的本發明的精神和範圍，可進行其它的更改，增減。
權利要求
1.一種吊扇，其具有多個風扇葉片繞葉片旋轉的垂直風扇軸旋轉，且每個葉片的根部在該旋轉軸附近，葉片末梢遠離該旋轉軸，其中每個葉片至少有一部分向上朝著其末梢逐漸彎曲，以獲得一持續變化的上反角來促進氣流分散。
2.根據權利要求1所述的吊扇，其中每一個葉片從其根部到末梢逐漸連續地彎曲。
3.根據權利要求2所述的吊扇，其中每一個葉片根部的上反角近似為0°，末梢的上反角近似為10°。
4.根據權利要求1所述的吊扇，其中每一個葉片在該風扇軸附近比遠離該風扇軸處有一更大的攻角，且在這兩者之間的攻角變化率是不均勻的。
5.根據權利要求4所述的吊扇，其中葉片攻角從該風扇軸附近至遠離該風扇軸處持續減小。
6.根據權利要求5所述的吊扇，其中每一個葉片在末梢有一近似10°的上反角，末梢有一近似為10°的攻角。
7.一種吊扇，其具有多個風扇葉片繞一基本垂直的軸旋轉，且每個葉片至少有一部分為上反角遞增的向上弧形，以促進氣流分散。
8.根據權利要求7所述的吊扇，其中每一個葉片從其根部到末梢是連續向上的圓弧。
9.根據權利要求7所述的吊扇，其中每一個葉片在其根部的上反角近似為0°。
10.根據權利要求7所述的吊扇，其中每一個葉片在其末梢的上反角近似為10°。
11.根據權利要求7所述的吊扇，其中每一個葉片在該風扇軸附近比遠離該風扇軸處有一更大的攻角，且在這兩者之間的攻角變化率是不均勻的。
12.根據權利要求11所述的吊扇，其中每一個葉片在其根部的上反角近似為0°，其末梢的上反角近似為10°。
13.根據權利要求7所述的吊扇，其中每一個葉片在根部至距離其末梢大約一半處的上反角近似為0°，從該中點至末梢，上反角持續遞增。
14.根據權利要求13所述的吊扇，其中每一個葉片在其末梢的上反角近似為10°。
全文摘要
通過使風扇葉片的攻角從根部端到末梢減小，且鄰近末梢的攻角減小速率比根部的攻角減小速率大，這樣就提高了吊扇的能耗效率。由於葉片至少有一部分具有持續增加的上反角，空氣流的分布也得到了提高。
文檔編號F04D29/38GK1483940SQ0315032
公開日2004年3月24日 申請日期2003年7月24日 優先權日2002年7月30日
發明者G·M·伯德, G M 伯德 申請人:亨特風扇公司