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風扇,日本和韓國稱為扇風機,風扇通過驅動扇葉旋轉使空氣加速流通,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轉子。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電動機驅動,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、曲柄及內燃機。
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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,壓力較低(不過仍比外界壓力要大),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(像是風速計和風力發動機)也會設計成和風扇類似。
風扇常見的應用包括空調控制、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、排煙、揚穀(分離穀殼和穀物)、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,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。
風扇的歷史悠久。用樹葉作的風扇在古埃及和印度就已出現,當時是以竹片或是其他植物纖維為材質的手持扇,可以旋轉或是扇風來讓空氣流動。英屬印度時期,盎格魯-印度人 將固定在天花板,由傭人拉動的大型平板風扇稱為punkawallah。
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七個扇輪的風扇,以人力推動機輪運轉[2]。在唐朝時已有使用水力來帶動風扇輪,用在空調上。到宋朝時旋轉風扇更加普遍[3][4]。
日本平安時代時,扇子也變成社會階層的符號角色。鐵扇是在封建時期使用的日本扇,外形類似一般的摺扇,但是是可怕的武器,若武士認為無法使用日本刀當作武器,會改用鐵扇。
十七世紀時,包括奧托·馮·居里克、羅伯特·胡克和羅伯特·波義耳等科學家的實驗建立了有關真空以及氣流的基本定理。英國建築師克里斯多福·雷恩爵士在威斯敏斯特宮建立了早期的通風系統,當時使用風箱來循環空氣。雷恩的設計也是後來許多改善及創新的基礎。歐洲第一個旋轉扇出現在16世紀,是用在礦坑的通風,是格奧爾格·阿格里科拉(1494–1555)所設計[5]。
英國工程師約翰·西奧菲勒斯·德札古利埃在1727年成功的展示利用風扇系統將礦坑不流通的空氣抽出,煤礦坑裡的通風對於避免窒息非常重要,後來也在議會中裝設了類似的裝置[6]。土木工程師約翰·斯密頓以及後來的約翰·巴德爾在英國北部的礦坑裡架設了旋轉式的空氣泵,不過該機器很容易故障。
1849年時,由William Brunton所設計,半徑六公尺的蒸汽驅動扇,在南威爾斯的Gelly Gaer採礦場運作。在1851年的萬國工業博覽會也有展出此風扇。在同一年,蘇格蘭的醫生David Boswell Reid在利物浦聖喬治醫院的天花板裝了四個蒸汽驅動風扇,風扇所產生的壓力讓空氣往上流動,通過天花板的通風口[7][8]。詹姆斯·內史密斯、Frenchman Theophile Guibal和J. R. Waddle後來繼續針對技術進行改良[9]。
Schuyler Wheeler在1882年到1886年之間發明了電力驅動的風扇[10],由美國Crocker & Curtis電機公司商品化。1885年時,位在紐約的Stout, Meadowcraft & Co公司將直驅式桌扇商品化[11]。
發明家Philip Diehl在1882年開發了第一個吊扇。在進入二十世紀,發明密集出現的期間,出現許多用乙醇、油或是煤油作燃料的風扇。日本的松下環境系統在1909年領先發明可以量產的家用電扇。1920年代的工業進步,可以量產不同形狀的鋼製電扇,讓電扇的價格下降,讓更多家庭有能力可以購買。1930年代,愛默生公司設計了第一款art deco風扇(Silver Swan)[12]。1940年代時,印度的Crompton Greaves成為全世界大的吊扇公司,主要販售印度、亞洲以及中東。1950年代時,桌扇和立扇開始設計成明亮的顏色,吸引人們注意。
1960年代的窗式冷氣和中央空氣調節系統,讓許多公司停止生產風扇[13],不過在1970年代中期,越來越多人知道電費的支出,以及用在家庭供暖以及冷氣的能源消耗,吊扇再度流行了起來。
William Fairbank和Walter K. Boyd在1998年發明了高風量、低轉速的HVLS吊扇,用長的扇葉低速旋轉,產生比較大的風量,以此減少能耗[14]。
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傳熱係數,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)[15]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:
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線的葉片所組成。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線葉片邊緣的開口處。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、吹風機、床墊充氣機、充氣結構、暖通空調裡的空調箱等應用。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(cross-flow fan)由Paul Mortier於1893年為此申請專利[18][19],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渦板。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。
Dyson在2009年將無葉風扇推出至消費市場,此產品是將1981年東芝的設計商品化,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)[20]。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[20][21][22]。
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也是使用此一效應增加室內的氣流, 甚至比通風口還好,而且可以節省空調箱內鼓風機的耗能。
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。
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。
在通空系統中,噴流式風機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[23]。
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[24]。
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[25][26][27]。
風扇進氣口的外形也會影響風扇的噪音[28]。
獨立的風扇多半會用電動機驅動,多半會將風扇直接由馬達軸驅動,不透過皮帶或是齒輪傳動。電動機可能藏在風扇的輪轂裡或是輪轂後方。若是大型的工業風扇,會使用三相感應馬達,放在風扇附近,用滑輪驅動。較小的風扇可能會用蔽極馬達、直流有刷馬達或直流無刷電動機驅動。交流驅動風扇多半會直接使用市電,直流驅勳風扇的電壓多半比較低,例如24V, 12V或5V。
有時會將風扇連結在旋轉的設備上,像內燃機車輛、大型的冷卻系統、火車頭等,會將風扇接在傳動軸上,或是用滑輪帶動。另一種常見的作法是雙軸電動機,電動機的一個軸連接負載,另一個軸連接冷卻電動機的風扇。窗型冷氣就會依此方式運作室內部份和室外部份的風扇。
在沒有電力或是旋轉設備的場合,也有其他驅動風扇的方法。像蒸氣之類的高壓氣體可以驅動小型的渦輪發動機,而高壓液體可以驅動佩爾頓式水輪機,這兩個都可以提供風扇需要的動力。
大型,緩慢移動的動力來源(例如河),也可以利用水車,再加上變速齒輪或滑輪,讓轉速維持在適合使用風扇的轉矩,再驅動風扇。
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