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风扇

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電風扇
鴻運扇,扇前風罩用作改變送風風向。
牛角扇
一个正在运行的小型桌面风扇

風扇,日本和韓国称為扇風機,風扇通过驱动扇叶旋转使空气加速流通,風扇中包括旋轉的葉片,葉片材質有木頭、塑膠或是金屬,對空氣作用,以產生氣流。葉片和輪轂會合稱葉輪或是转子。有時風扇會裝在一外殼內[1]。外殼可以導引氣流,也避免其他物品接觸到旋轉中的扇葉,提昇其安全性。目前大部份的風扇是由电动机驅動,因此也稱電風扇或是電扇,不過也可以用其他的動力來源來驅動風扇,例如油壓馬達曲柄内燃机

若以機械的觀點來看,任何可以旋轉產生氣流的設備都是風扇。風扇可以產生大量的氣流,但其壓力較低(不過仍比外界壓力英语ambient pressure要大),壓縮機則和其相反,產生的氣流壓力很大,但流量較小。一般扇葉在氣流底下會開始旋轉,其他利用此性質的設備(像是风速计風力發動機)也會設計成和風扇類似。

風扇常見的應用包括空调控制、維持個人的熱舒適性(像是電子的桌扇及落地扇)、汽車引擎冷卻系統(風扇會放在水箱散熱器之前)、機器冷卻系統(例如電腦內,或是音頻功率放大器內)、通風、排烟、揚穀(分離穀殼穀物)、除塵(例如吸塵器內)、乾燥(一般會配合熱源進行)。有些工業熱交換器中會裝風扇來間接冷卻。

風扇對物體冷卻的效果很好,但風扇不會直接降低空氣溫度,風扇可以讓人涼爽,是因為汗水的蒸發冷卻英语evaporative cooling,並且因為風扇產生的氣流,增加和周圍空氣的熱對流。因此若周圍空氣溫度很高,或是濕度很高,風扇冷卻的效果就比較差。

歷史

風扇這種機械歷史悠久,中國西漢時長安機械師丁緩發明了七輪扇,這大概是在一個輪軸上裝有7個扇輪的風扇,以人力推動機輪運轉[2]

種類

有燈的吊扇

風扇有許多不同的設計,可以放在地上、桌上,安裝在天花板上(吊扇),也可以裝在窗戶、牆或是屋頂上。會大量發熱的電子設備(像是電腦)也會用風扇散熱。吹風機以及小型暖氣器等家電也會用到風扇。在空調系統以及汽車引擎中,風扇提供氣流來散熱。風扇讓室內舒適的方式,是利用空氣流動增加传热系数,但不直接降低室內溫度。而用來冷卻電子系統、引擎或其他機器的風扇,會直接冷卻機器,作法是將熱空氣排到機器外部,並且讓溫度較低的空氣流入機器內。風扇主要可以分為三種:軸流、離心式(也稱為徑向)以及橫流。美國機械工程師學會的Performance Testing Code 11(PTC)[3]就有列出進行風扇測試以及製作報告的標準程序,其中有包括了軸流扇、離心扇以及橫流扇的測試。

軸流扇

軸流扇的扇葉會讓氣流以和扇葉旋轉軸平行的方向流動。許多應用會用到這種風扇,從電子設備中使用的小型冷卻風扇,到冷卻塔中使用的巨型風扇。軸流扇也用在空調以及工業製程應用上。標準軸流扇的直徑為300–400 mm或1,800–2,000 mm,可在800 Pa以下的壓力中工作。在飛機引擎裡,也用特殊的軸流扇來進行低壓段旳空氣壓縮。 以下是一些軸流扇的例子:

  • 桌上風扇:桌上風扇一般是在家中房間使用,除了扇葉、馬達等組件外,會有風扇罩,避免人員或是物品接觸到轉動的扇葉,另外也會有自動變動風扇吹風方向的機構,讓風扇不會只吹在室內的特定位置。
  • 家用抽風扇:一般會裝在牆上或是天花板上,家用抽風扇是要移除家中的濕氣,並且使空氣流通。浴室的抽風扇一般會用四英寸(100 mm)大小的機種,廚房的空間比較大,一般會用六英寸(150 mm)的機種。也有些較大的浴室使用五英寸(125 mm)的抽風扇,不過這比較少見。家用抽風扇不適合用在風管較長,超過3 m或4 m的應用(實際長度限制也和風管的轉折數情形有關),因為較長風管增加的空氣壓力會影響風扇性能。
  • 有一種抽風扇會持續以低速運行,在有需要時會以正常速度運行。例如浴室的抽風扇可能會在開燈時以正常速度運行,其餘時候以慢速運行。這種風扇在低速持續運行時,風量約5至10 l/sec,耗電只有1至2瓦,每年的花費很低。有些有濕度感測器,在濕度過高時動作。這類設備的優點是確保通風,避免濕氣的累積[4]。在寒冷的天氣,抽風扇會讓室內溫度明顯的下降[5]
  • 機電風扇:依其運作條件、尺寸以及扇葉數目有所不同。最常見的是四片扇葉的設計,五片或六片扇葉的設計非常少見。機電風扇的材質,是選用的重要因素之一。
  • 吊扇是安裝在房間天花板下的風扇,多半會以較低的速度運行。吊扇安裝位置較高,不容易被人碰到,因此不會有風扇罩。吊扇可以用在住家、工業或是商業的場合。
  • 汽车裡會有機械驅動或是電動的風扇來為引擎散熱,避免引擎過熱,其作法是是將外界空氣帶往裝有冷却剂散热器內,為冷却剂降溫,之後再由冷却剂來冷卻引擎。此可以透過連接在内燃机曲轴上的滑轮來驅動,也可以是電動馬達,由自動調溫器開關切換其運轉或停止。
  • 散熱風扇可以用來冷卻電腦或其他電子設備,在筆記式電腦的筆記式電腦散熱器英语laptop cooler中也有散熱風扇。
  • 音頻功率放大器裡的風扇可以冷卻其中發熱的電子元件。
  • 變槳距風扇英语Variable pitch fan:變槳距風扇配合供氣管道,可以精準的控制靜壓。

離心扇

離心扇的外形有些類似倉鼠輪,其中有轉動件(稱為葉輪),由旋轉軸以及一組形成螺线的葉片所組成。離心扇送風的方向和進氣方向垂直,且會將透過離心力以及葉片的帶動,將空氣帶到外界。葉輪旋轉時,會使空氣從接近軸的位置進入離心扇,然後沿著徑向移動到螺线葉片邊緣的開口處。針對相同的空氣量,離心扇可以提供的壓力更大,可用在像吹葉機英语leaf blower吹風機、床墊充氣機、充氣結構英语inflatable structure暖通空調裡的空調箱英语Air handler等應用。離心扇的噪音會比相同功率的軸流扇要大(不過也有些空調箱中用的離心扇是低噪音的設計)。

橫流扇

橫流扇

橫流扇(cross-flow fan)由Paul Mortier於1893年為此申請專利[6][7],廣泛用在暖通空調 (HVAC),特別是無風管的分離冷氣中。橫流扇的長度會比其直徑要長,其流場近似是二維的,空氣可以從二個方向離開風扇。橫流扇使用有特殊前彎式葉片的葉輪,其外殼有背板以及旋涡板。橫流扇和徑向扇不同,其主要氣流會橫向穿過葉輪,通過葉片二次。

无叶风扇

無葉風扇,戴森公司(Dyson)的產品於2010年柏林國際電子消費品展覽會上展示
超市開放式冷凍櫃的空氣幕。透過冷凍櫃後方的深色開口,以及另一個前方看不到的格欄,讓冷空氣圍繞食物流動

Dyson在2009年將無葉風扇推出至消費市場,此產品是將1981年东芝的設計商品化,無葉風扇的特點是沒有外露的葉片或是可動件(不包括為了調整吹風方向功能加入的元件)[8]。無葉風扇中有風葉可以產生小流量,但是高壓力的氣流,此風葉是放在機座裡,再透過其上方翼型表面的設計,因著寬德效應,在圓形或橢圓形的開放空間產生低壓區,引導較大量,但是速度較慢的氣流可以通過[8][9][10]

空氣門和空氣幕也是使用這類的效果,在一個沒有蓋子或是門的區域,讓暖空氣或冷空氣維持在其中。空氣幕常用在開放式的乳品櫃、冷凍櫃以及蔬果櫃,透過開口處的層流氣流循環,讓冷空氣可以維持在其內,同時可以方便顧客看到商品進行購買。氣流一般是用其他的機械式風扇來提供。暖通空調中的線性槽散流器英语Diffuser (thermodynamics)也是使用此一效應增加室內的氣流, 甚至比通風口英语Register (air and heating)還好,而且可以節省空調箱英语Air handler鼓风机的耗能。

安裝

風扇安裝的方式有許多種,依其應用而定。有一些特殊的安裝方式。

導管扇

飛機中的導管扇是屬於推進方式的一種,會將風扇、螺旋槳或轉子放在空氣動力導管或護圈內,以增強其性能,產生飛行需要的升力或是推力。

噴流式風機

在通空系統中,噴流式風機英语jet fan會噴出氣流來夾帶週圍的氣流,使氣流可以循環。此系統所需的空間明顯的比傳統的通風導管要小很多,明顯可以增加新鮮空氣流進的流率,也讓內部渾濁空氣可以排出[11]

噪音

風扇產生噪音的原因是因為空氣快速流動,經過葉片以及障礙物所產生的渦流,帶動的動力源也會產生噪音。風扇噪音約和轉速的五次方成正比,轉速減半約可讓噪音減少15 dB[12]

人感知到的風扇噪音程度也和噪音的頻率分佈有關。這和移動件(特別是葉片)和不動件(特別是支柱)的形狀以及分佈有關。不規的形狀以及分佈可以將噪音的頻譜打散,讓噪音比較不擾人[13][14][15]

風扇進氣口的外形也會影響風扇的噪音[16]

都會傳說

韓國流行一種電風扇致死傳說,此傳說起源甚早可能來自1920年代,原因是來自人們對新科技的不了解。[17]

相關機器

參考文獻

  1. ^ Fan. Encyclopædia Britannica. [2012-05-19]. 
  2. ^ 《西京雜記》卷一:“長安巧工丁緩者……又作七輪扇,連七輪,大皆徑丈,相連續,一人運之,滿堂寒顫。”
  3. ^ ASME PTC 11 – Fans.
  4. ^ MacEachern, Ruth. Do extractor fans cost a lot to run?. EnviroVent. 24 October 2022. 
  5. ^ Heat loss through Continuous Running Fans. BuildHub.org.uk. 8 November 2019. 
  6. ^ Paul Mortier. Fan or Blowing apparatus. US Pat. No. 507,445
  7. ^ Everything You Should Know About Cross Flow Fan - PBM Motor and Fan. PBM. [2023-11-29] (英语). 
  8. ^ 8.0 8.1 Wallop, Harry. Dyson fan: was it invented 30 years ago?需要付费订阅. The Daily Telegraph (London). October 20, 2009. (原始内容存档于2022-01-12). 
  9. ^ Wilson, Mark. Dyson Air Multiplier Review: Making a $300 Fan Takes Cojones. Gizmodo. October 12, 2009. 
  10. ^ Biggs, John. Video Review: The Dyson Air Multiplier. TechCrunch. October 12, 2009 [May 22, 2011]. (原始内容存档于March 15, 2011). 
  11. ^ Jet Fan Systems 互联网档案馆存檔,存档日期2022-02-24., Syetemair, 2017. (retrieved 22 March 2022)
  12. ^ UK Health and Safety Executive: Top 10 noise control techniques
  13. ^ The Thermodynamics Behind the Mac Pro. Popular Mechanics. 10 December 2019 [17 December 2019]. 
  14. ^ Tae Kim. "Reduction of Tonal Propeller Noise by Means of Uneven Blade Spacing". p. 4
  15. ^ M. Boltezar; M. Mesaric; A. Kuhelj. "The influence of uneven blade spacing on the SPL and noise spectra radiated from radial fans".
  16. ^ UltraFlo Fluid Dynamic Bearing Fans for Thin Laptop Computers. 
  17. ^ 存档副本. [2022-02-22]. (原始内容存档于2022-02-02). 页面存档备份,存于互联网档案馆

外部連結