專利名稱：高效率吊扇的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及吊扇，特別地涉及電動(dòng)吊扇及其效率。
背景技術(shù)：
由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的吊扇用于循環(huán)空氣已有多年。此類吊扇典型地具有一個(gè)位于外殼中的電動(dòng)機(jī)，該電動(dòng)機(jī)固定在一根直立桿上，以使風(fēng)扇葉片繞該直立桿旋轉(zhuǎn)。這種風(fēng)扇葉片傳統(tǒng)上為扁平狀，定向時(shí)使其具有一定傾斜度或者螺距，以便在空氣中轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)相對(duì)于氣團(tuán)形成一個(gè)攻角，這樣就可向下驅(qū)動(dòng)空氣。
當(dāng)由旋轉(zhuǎn)軸徑向延伸出來的風(fēng)扇葉片旋轉(zhuǎn)時(shí)，在一定的時(shí)間內(nèi)其末梢所經(jīng)歷的路徑遠(yuǎn)比其根部所經(jīng)歷的路徑長。因此風(fēng)扇葉片末梢的速度遠(yuǎn)大于其根部的速度。為了平衡沿葉片的風(fēng)的阻力和由葉片運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的空氣流，在設(shè)計(jì)風(fēng)扇時(shí)使其攻角朝末梢方向遞減。此設(shè)計(jì)特點(diǎn)也常用于設(shè)計(jì)其它的旋轉(zhuǎn)葉片，例如船用螺旋槳和飛機(jī)螺旋槳。
1997年，美國佛羅里達(dá)太陽能中心(Florida Solar Energy Center)對(duì)幾種市場(chǎng)上可買到的吊扇的效率做了一個(gè)研究。該測(cè)試在美國申請(qǐng)專利號(hào)為6 039 541的專利案中報(bào)道過。該專利權(quán)所有人發(fā)現(xiàn)，通過在設(shè)計(jì)葉片使其在根部有幾度的扭轉(zhuǎn)，該扭轉(zhuǎn)角度向葉片末梢均勻遞減直至形成一較小的扭轉(zhuǎn)角或一攻角，能效(也就是每一功率消耗(以瓦特為單位)所產(chǎn)生的空氣流(CFM)將增加。例如，這應(yīng)用于在其根部具有一26.7°角度的扭轉(zhuǎn)，而在其末梢扭轉(zhuǎn)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(gè)長期存在的問題是空氣流分布。雖然定向時(shí)有一個(gè)攻角，但大多數(shù)吊扇的葉片只在水平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)，這就迫使氣流向下，尤其是風(fēng)扇下面空間中的氣流。但是由于氣流不直接從風(fēng)扇流動(dòng)，周圍空間中的氣流很少。在風(fēng)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(fēng)扇正下方的氣流為代價(jià)。

發(fā)明內(nèi)容
現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)，統(tǒng)一均勻地減小攻角或者扭轉(zhuǎn)角對(duì)于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(zhuǎn)中運(yùn)行一個(gè)圓周或者2π(2)，因此向外伸出的葉片的中點(diǎn)在一轉(zhuǎn)中運(yùn)行2π(1)或者說一半的距離。由于飛機(jī)螺旋槳的運(yùn)動(dòng)軌跡通常位于與其飛行路徑垂直的平面中，所以該線性關(guān)系對(duì)于飛機(jī)螺旋槳來說是有效的。然而吊扇的運(yùn)行軌跡平行于空氣流并位于空氣流約束之下，也就是平行于天花板本身并位于其之下，因此它的葉片并不像飛機(jī)一樣與氣團(tuán)均勻沖擊，這是因?yàn)樵诘跎热~片的末梢比在末梢內(nèi)側(cè)更容易獲得“置換”空氣。鄰近葉片旋轉(zhuǎn)軸的空氣必須來自周圍環(huán)境，在空氣到達(dá)葉片的根部端的過程中要經(jīng)過天花板平面與風(fēng)扇葉片之間的有限空間。
了解這一點(diǎn)后，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在形成葉片時(shí)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(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，攻角或者螺距的變化率在鄰近葉片末梢處應(yīng)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(nèi)運(yùn)動(dòng)，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(shí)已經(jīng)證明這樣做風(fēng)扇的效率得到了提高。通過使風(fēng)扇的攻角在其末梢的變化率大于在其根部的變化率，已發(fā)現(xiàn)風(fēng)扇的效率得到了極大提高。
由于風(fēng)扇的葉片由具有持續(xù)變化的上反角的向上曲線所形成，現(xiàn)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(xù)分布，而且這一點(diǎn)可以結(jié)合上面所描述的非均勻減小攻角或者扭轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)。采取以上措施的結(jié)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(shí)現(xiàn)了本發(fā)明的吊扇的側(cè)視圖。
圖2為圖1中的吊扇葉片的一個(gè)簡圖，為便于顯示，假定其以二維形式顯示。
圖3為圖2中的吊扇葉片的一個(gè)簡圖，顯示了沿葉片的不同位置葉片扭轉(zhuǎn)的角度。
圖4為空氣流測(cè)試參數(shù)的一個(gè)圖表。
圖5為圖1所示風(fēng)扇的一個(gè)葉片的側(cè)視圖。
圖6為圖1所示風(fēng)扇的一個(gè)葉片的頂視圖。
圖7為圖1所示風(fēng)扇的一個(gè)葉片的端面視圖。
具體實(shí)施例方式
在美國專利申請(qǐng)?zhí)枮? 039 541的專利案中公開的風(fēng)扇葉片技術(shù)遵循這樣一個(gè)假定所有進(jìn)入風(fēng)扇葉片的空氣流都來自與葉片旋轉(zhuǎn)平面垂直的一個(gè)方向。此外，就像在飛機(jī)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恒定速度流至葉片末梢。利用該假設(shè)，在設(shè)計(jì)葉片時(shí)就令從根部端到末梢的扭轉(zhuǎn)角度為一定值。
扭轉(zhuǎn)葉片的目的在于企圖優(yōu)化空氣流方向相對(duì)于葉片表面的相對(duì)攻角。這樣做是為了保證葉片從其根部到其末梢都以最優(yōu)攻角運(yùn)轉(zhuǎn)。此角度變化是為了適應(yīng)這樣一個(gè)事實(shí)，即葉片末梢移動(dòng)的速度比葉片直徑根部移動(dòng)的速度要快，而速度的增加改變了葉片上方的相對(duì)氣流方向。
再就是，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這個(gè)假定已經(jīng)不適用于吊扇。吊扇為空氣重復(fù)循環(huán)裝置，而不像飛機(jī)螺旋槳那樣穿過空氣。在風(fēng)扇葉片上，從其根部到其末梢，空氣并不沿著同一矢量方向移動(dòng)，甚至速度也不相同。
圖1顯示了一臺(tái)除其葉片形狀之外其余為傳統(tǒng)構(gòu)造的吊扇。從圖中可見，風(fēng)扇通過一條直立桿安裝在天花板之下，該直立桿從天花板伸出至一用于放置電機(jī)和開關(guān)盒的外殼中。從此處還可以看到，在風(fēng)底部還有一個(gè)燈具。由從直立桿伸出至市電電源的導(dǎo)電體給電機(jī)提供動(dòng)力，以驅(qū)動(dòng)葉片旋轉(zhuǎn)。
從圖可以看到，風(fēng)扇葉片被扭轉(zhuǎn)了而不成扁平狀，以便形成一逐漸變化的上反角。進(jìn)出風(fēng)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(fēng)扇葉片為何不像飛機(jī)螺旋槳那樣遇到空氣團(tuán)。相反地，葉片之上的有限空間改變了進(jìn)入風(fēng)扇的空氣流矢量，使其與飛機(jī)的空氣流矢量相反。
如圖2中所示的簡圖，每一風(fēng)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(xì)，以便其在末梢變得更窄。另外，盡管對(duì)于體現(xiàn)本發(fā)明的優(yōu)勢(shì)并不必要，但每一葉片最好還是具有一個(gè)如圖1中所示的上反角。設(shè)計(jì)上反角是為了使風(fēng)扇下面空間中的空氣發(fā)散分布得更寬。
繼續(xù)參考圖2和圖3我們可以看到，盡管葉片實(shí)際上為單體結(jié)構(gòu)，仍然將其區(qū)分為三個(gè)區(qū)域。此處24英寸長的葉片具有三個(gè)等長度的區(qū)域，即每一區(qū)域長8英寸。如圖1可見，所有區(qū)域都被扭轉(zhuǎn)了一定角度，但是從根部到末梢扭轉(zhuǎn)速率不一樣。從根部開始的扭轉(zhuǎn)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(gè)8英寸區(qū)域，扭轉(zhuǎn)變化速率為每英寸0.4°；在中間的區(qū)域，扭轉(zhuǎn)變化速率為每英寸0.7°；對(duì)于鄰近末梢的第三個(gè)區(qū)域，扭轉(zhuǎn)變化速率為每英寸1.0°。當(dāng)然每一區(qū)域之間有一個(gè)小轉(zhuǎn)變，其顯著性可忽略不計(jì)。因此在圖3中，從外側(cè)區(qū)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(qū)域兩端攻角之差大約為6°，而內(nèi)側(cè)區(qū)域兩端的攻角差值約為3°。
圖5-7更詳細(xì)地說明了圖1中風(fēng)扇的一個(gè)葉片10。從圖中可以看出，該葉片的根部11安裝在電機(jī)轉(zhuǎn)子輪轂12上，末梢在遠(yuǎn)離輪轂端。如圖1所示，輪轂繞從天花板伸出的垂直直立桿旋轉(zhuǎn)。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(fēng)扇葉片從一端至另一端是持續(xù)的圓弧或者曲線，因而從一端到另一端上反角也是持續(xù)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(fēng)扇正下方以及周圍的空間中。相反，先前技術(shù)中的風(fēng)扇主要將氣體驅(qū)動(dòng)至風(fēng)扇下面向下運(yùn)動(dòng)，而周圍空間中的氣流迂回而微弱。雖然那些在整個(gè)葉片長度上傾斜了固定上反角的風(fēng)扇已經(jīng)解決了這個(gè)問題，但這是以減少風(fēng)扇正下方的氣流為代價(jià)的。
葉片上反角從一端至另一端可以持續(xù)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(jù)海鷗式設(shè)計(jì)，實(shí)際最有效的設(shè)計(jì)是從根部到距離末梢一半處的上反角為0°，然后持續(xù)增加，到達(dá)末梢時(shí)上反角為10°。在較佳實(shí)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于或者大于0°，末梢上反角也可以小于或大于10°。風(fēng)扇尺寸、功率、高度和應(yīng)用是選擇特殊的上反角時(shí)所需考慮的所有因素。
在Hunter Fan Company(Hunter風(fēng)扇公司)實(shí)驗(yàn)室對(duì)風(fēng)扇進(jìn)行了測(cè)試，即“能源之星適應(yīng)性”(Energy Star Compliance)測(cè)試，并得到了環(huán)境保護(hù)機(jī)構(gòu)(Environmental Protection Agency)的認(rèn)證。除空氣速度傳感器也安裝在上面并靠近風(fēng)扇葉片之外，依照“能源之星”測(cè)試要求測(cè)試了風(fēng)扇。這樣就可以測(cè)試風(fēng)扇鄰近的空氣速度。在測(cè)試過程中，認(rèn)定在風(fēng)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(cè)試參數(shù)，表1是實(shí)際測(cè)試結(jié)果。
表1

表2給出了比較試驗(yàn)結(jié)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(qǐng)專利號(hào)為6 039 541的專利案中講到的技術(shù)設(shè)計(jì)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(shù)據(jù)系指能效方面的改良。
表2

因此可以看到，現(xiàn)在提供的吊扇比采用先前技術(shù)的吊扇顯著提高了能效，而且也促進(jìn)了氣流分布。風(fēng)扇當(dāng)然也可用在其它位置，比如桌上。盡管利用吊扇的較佳形式進(jìn)行了顯示和描述，我們應(yīng)該了解的是，只要不偏離權(quán)利要求書中所闡述的本發(fā)明的精神和范圍，可進(jìn)行其它的更改，增減。
權(quán)利要求
1.一種吊扇，其具有多個(gè)風(fēng)扇葉片繞葉片旋轉(zhuǎn)的垂直風(fēng)扇軸旋轉(zhuǎn)，且每個(gè)葉片的根部在該旋轉(zhuǎn)軸附近，葉片末梢遠(yuǎn)離該旋轉(zhuǎn)軸，其中每個(gè)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(xù)變化的上反角來促進(jìn)氣流分散。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的吊扇，其中每一個(gè)葉片從其根部到末梢逐漸連續(xù)地彎曲。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的吊扇，其中每一個(gè)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(jù)權(quán)利要求1所述的吊扇，其中每一個(gè)葉片在該風(fēng)扇軸附近比遠(yuǎn)離該風(fēng)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(jù)權(quán)利要求4所述的吊扇，其中葉片攻角從該風(fēng)扇軸附近至遠(yuǎn)離該風(fēng)扇軸處持續(xù)減小。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的吊扇，其中每一個(gè)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(gè)風(fēng)扇葉片繞一基本垂直的軸旋轉(zhuǎn)，且每個(gè)葉片至少有一部分為上反角遞增的向上弧形，以促進(jìn)氣流分散。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的吊扇，其中每一個(gè)葉片從其根部到末梢是連續(xù)向上的圓弧。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的吊扇，其中每一個(gè)葉片在其根部的上反角近似為0°。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的吊扇，其中每一個(gè)葉片在其末梢的上反角近似為10°。
11.根據(jù)權(quán)利要求7所述的吊扇，其中每一個(gè)葉片在該風(fēng)扇軸附近比遠(yuǎn)離該風(fēng)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(jù)權(quán)利要求11所述的吊扇，其中每一個(gè)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(jù)權(quán)利要求7所述的吊扇，其中每一個(gè)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(diǎn)至末梢，上反角持續(xù)遞增。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的吊扇，其中每一個(gè)葉片在其末梢的上反角近似為10°。
全文摘要
通過使風(fēng)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。由于葉片至少有一部分具有持續(xù)增加的上反角，空氣流的分布也得到了提高。
文檔編號(hào)F04D29/38GK1483940SQ0315032
公開日2004年3月24日 申請(qǐng)日期2003年7月24日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月30日
發(fā)明者G·M·伯德, G M 伯德 申請(qǐng)人:亨特風(fēng)扇公司