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风扇,日本和韩国称为扇风机,风扇通过驱动扇叶旋转使空气加速流通,风扇中包括旋转的叶片,叶片材质有木头、塑胶或是金属,对空气作用,以产生气流。叶片和轮毂会合称叶轮或是转子。有时风扇会装在一外壳内[1]。外壳可以导引气流,也避免其他物品接触到旋转中的扇叶,提升其安全性。目前大部分的风扇是由电动机驱动,因此也称电风扇或是电扇,不过也可以用其他的动力来源来驱动风扇,例如油压马达、曲柄及内燃机。
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若以机械的观点来看,任何可以旋转产生气流的设备都是风扇。风扇可以产生大量的气流,压力较低(不过仍比外界压力要大),压缩机则和其相反,产生的气流压力很大,但流量较小。一般扇叶在气流底下会开始旋转,其他利用此性质的设备(像是风速计和风力发动机)也会设计成和风扇类似。
风扇常见的应用包括空调控制、维持个人的热舒适性(像是电子的桌扇及落地扇)、汽车引擎冷却系统(风扇会放在水箱散热器之前)、机器冷却系统(例如电脑内,或是音频功率放大器内)、通风、排烟、扬谷(分离谷壳和谷物)、除尘(例如吸尘器内)、干燥(一般会配合热源进行)。有些工业热交换器中会装风扇来间接冷却。
风扇对物体冷却的效果很好,但风扇不会直接降低空气温度,风扇可以让人凉爽,是因为汗水的蒸发冷却,并且因为风扇产生的气流,增加和周围空气的热对流。因此若周围空气温度很高,或是湿度很高,风扇冷却的效果就比较差。
风扇的历史悠久。用树叶作的风扇在古埃及和印度就已出现,当时是以竹片或是其他植物纤维为材质的手持扇,可以旋转或是扇风来让空气流动。英属印度时期,盎格鲁-印度人 将固定在天花板,由佣人拉动的大型平板风扇称为punkawallah。
中国西汉时长安机械师丁缓发明了七轮扇,这大概是在一个轮轴上装有七个扇轮的风扇,以人力推动机轮运转[2]。在唐朝时已有使用水力来带动风扇轮,用在空调上。到宋朝时旋转风扇更加普遍[3][4]。
日本平安时代时,扇子也变成社会阶层的符号角色。铁扇是在封建时期使用的日本扇,外形类似一般的折扇,但是是可怕的武器,若武士认为无法使用日本刀当作武器,会改用铁扇。
十七世纪时,包括奥托·冯·居里克、罗伯特·胡克和罗伯特·波义耳等科学家的实验建立了有关真空以及气流的基本定理。英国建筑师克里斯托弗·雷恩爵士在威斯敏斯特宫建立了早期的通风系统,当时使用风箱来循环空气。雷恩的设计也是后来许多改善及创新的基础。欧洲第一个旋转扇出现在16世纪,是用在矿坑的通风,是格奥尔格·阿格里科拉(1494–1555)所设计[5]。
英国工程师约翰·西奥菲勒斯·德札古利埃在1727年成功的展示利用风扇系统将矿坑不流通的空气抽出,煤矿坑里的通风对于避免窒息非常重要,后来也在议会中装设了类似的装置[6]。土木工程师约翰·斯密顿以及后来的约翰·巴德尔在英国北部的矿坑里架设了旋转式的空气泵,不过该机器很容易故障。
1849年时,由William Brunton所设计,半径六米的蒸汽驱动扇,在南威尔士的Gelly Gaer采矿场运作。在1851年的万国工业博览会也有展出此风扇。在同一年,苏格兰的医生David Boswell Reid在利物浦圣乔治医院的天花板装了四个蒸汽驱动风扇,风扇所产生的压力让空气往上流动,通过天花板的通风口[7][8]。詹姆斯·内史密斯、Frenchman Theophile Guibal和J. R. Waddle后来继续针对技术进行改良[9]。
Schuyler Wheeler在1882年到1886年之间发明了电力驱动的风扇[10],由美国Crocker & Curtis电机公司商品化。1885年时,位在纽约的Stout, Meadowcraft & Co公司将直驱式桌扇商品化[11]。
发明家Philip Diehl在1882年开发了第一个吊扇。在进入二十世纪,发明密集出现的期间,出现许多用乙醇、油或是煤油作燃料的风扇。日本的松下环境系统在1909年领先发明可以量产的家用电扇。1920年代的工业进步,可以量产不同形状的钢制电扇,让电扇的价格下降,让更多家庭有能力可以购买。1930年代,爱默生公司设计了第一款art deco风扇(Silver Swan)[12]。1940年代时,印度的Crompton Greaves成为全世界大的吊扇公司,主要贩售印度、亚洲以及中东。1950年代时,桌扇和立扇开始设计成明亮的颜色,吸引人们注意。
1960年代的窗式冷气和中央空气调节系统,让许多公司停止生产风扇[13],不过在1970年代中期,越来越多人知道电费的支出,以及用在家庭供暖以及冷气的能源消耗,吊扇再度流行了起来。
William Fairbank和Walter K. Boyd在1998年发明了高风量、低转速的HVLS吊扇,用长的扇叶低速旋转,产生比较大的风量,以此减少能耗[14]。
风扇有许多不同的设计,可以放在地上、桌上,安装在天花板上(吊扇),也可以装在窗户、墙或是屋顶上。会大量发热的电子设备(像是电脑)也会用风扇散热。吹风机以及小型暖气器等家电也会用到风扇。在空调系统以及汽车引擎中,风扇提供气流来散热。风扇让室内舒适的方式,是利用空气流动增加传热系数,但不直接降低室内温度。而用来冷却电子系统、引擎或其他机器的风扇,会直接冷却机器,作法是将热空气排到机器外部,并且让温度较低的空气流入机器内。风扇主要可以分为三种:轴流、离心式(也称为径向)以及横流。美国机械工程师学会的Performance Testing Code 11(PTC)[15]就有列出进行风扇测试以及制作报告的标准程序,其中有包括了轴流扇、离心扇以及横流扇的测试。
轴流扇的扇叶会让气流以和扇叶旋转轴平行的方向流动。许多应用会用到这种风扇,从电子设备中使用的小型冷却风扇,到冷却塔中使用的巨型风扇。轴流扇也用在空调以及工业制程应用上。标准轴流扇的直径为300–400 mm或1,800–2,000 mm,可在800 Pa以下的压力中工作。在飞机引擎里,也用特殊的轴流扇来进行低压段旳空气压缩。 以下是一些轴流扇的例子:
离心扇的外形有些类似仓鼠轮,其中有转动件(称为叶轮),由旋转轴以及一组形成螺线的叶片所组成。离心扇送风的方向和进气方向垂直,且会将透过离心力以及叶片的带动,将空气带到外界。叶轮旋转时,会使空气从接近轴的位置进入离心扇,然后沿着径向移动到螺线叶片边缘的开口处。针对相同的空气量,离心扇可以提供的压力更大,可用在像吹叶机、吹风机、床垫充气机、充气结构、暖通空调里的空调箱等应用。离心扇的噪音会比相同功率的轴流扇要大(不过也有些空调箱中用的离心扇是低噪音的设计)。
横流扇(cross-flow fan)由Paul Mortier于1893年为此申请专利[18][19],广泛用在暖通空调 (HVAC),特别是无风管的分离冷气中。横流扇的长度会比其直径要长,其流场近似是二维的,空气可以从二个方向离开风扇。横流扇使用有特殊前弯式叶片的叶轮,其外壳有背板以及旋涡板。横流扇和径向扇不同,其主要气流会横向穿过叶轮,通过叶片二次。
Dyson在2009年将无叶风扇推出至消费市场,此产品是将1981年东芝的设计商品化,无叶风扇的特点是没有外露的叶片或是可动件(不包括为了调整吹风方向功能加入的元件)[20]。无叶风扇中有风叶可以产生小流量,但是高压力的气流,此风叶是放在机座里,再透过其上方翼型表面的设计,因着宽德效应,在圆形或椭圆形的开放空间产生低压区,引导较大量,但是速度较慢的气流可以通过[20][21][22]。
空气门和空气幕也是使用这类的效果,在一个没有盖子或是门的区域,让暖空气或冷空气维持在其中。空气幕常用在开放式的乳品柜、冷冻柜以及蔬果柜,透过开口处的层流气流循环,让冷空气可以维持在其内,同时可以方便顾客看到商品进行购买。气流一般是用其他的机械式风扇来提供。暖通空调中的线性槽散流器也是使用此一效应增加室内的气流, 甚至比通风口还好,而且可以节省空调箱内鼓风机的耗能。
风扇安装的方式有许多种,依其应用而定。有一些特殊的安装方式。
飞机中的导管扇是属于推进方式的一种,会将风扇、螺旋桨或转子放在空气动力导管或护圈内,以增强其性能,产生飞行需要的升力或是推力。
在通空系统中,喷流式风机会喷出气流来夹带周围的气流,使气流可以循环。此系统所需的空间明显的比传统的通风导管要小很多,明显可以增加新鲜空气流进的流率,也让内部浑浊空气可以排出[23]。
风扇产生噪音的原因是因为空气快速流动,经过叶片以及障碍物所产生的涡流,带动的动力源也会产生噪音。风扇噪音约和转速的五次方成正比,转速减半约可让噪音减少15 dB[24]。
人感知到的风扇噪音程度也和噪音的频率分布有关。这和移动件(特别是叶片)和不动件(特别是支柱)的形状以及分布有关。不规的形状以及分布可以将噪音的频谱打散,让噪音比较不扰人[25][26][27]。
风扇进气口的外形也会影响风扇的噪音[28]。
独立的风扇多半会用电动机驱动,多半会将风扇直接由马达轴驱动,不透过皮带或是齿轮传动。电动机可能藏在风扇的轮毂里或是轮毂后方。若是大型的工业风扇,会使用三相感应马达,放在风扇附近,用滑轮驱动。较小的风扇可能会用蔽极马达、直流有刷马达或直流无刷电动机驱动。交流驱动风扇多半会直接使用市电,直流驱勋风扇的电压多半比较低,例如24V, 12V或5V。
有时会将风扇连结在旋转的设备上,像内燃机车辆、大型的冷却系统、火车头等,会将风扇接在传动轴上,或是用滑轮带动。另一种常见的作法是双轴电动机,电动机的一个轴连接负载,另一个轴连接冷却电动机的风扇。窗型冷气就会依此方式运作室内部分和室外部分的风扇。
在没有电力或是旋转设备的场合,也有其他驱动风扇的方法。像蒸气之类的高压气体可以驱动小型的涡轮发动机,而高压液体可以驱动佩尔顿式水轮机,这两个都可以提供风扇需要的动力。
大型,缓慢移动的动力来源(例如河),也可以利用水车,再加上变速齿轮或滑轮,让转速维持在适合使用风扇的转矩,再驱动风扇。
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