高效率吊扇 相关应用参考
本说明为序号为No.10/209,044、于2002年7月30日提交的申请的部份接续，而该申请则为序号为No.10/194,699、于2002年7月11日提交申请的部份接续。
【技术领域】
本发明主要涉及吊扇，具体而言，涉及电力驱动的吊扇及其效率。
背景技术
多年以来，由电动马达驱动的吊扇被用来循环空气。典型情况下，它们有安装在机壳内的马达，机壳安装在一个能够使一组扇叶围绕下垂杆轴旋转的下垂杆上。传统情况下，它们的扇叶是平的、并且方向呈一个倾斜或螺距(pitch)，以便使它们旋转的气团形成攻角(angle ofattack)。这样可以将空气向下驱动。
当一个通常从旋转轴呈放射状延伸的扇叶旋转时，其末端在任何给定的时间内经过的路径长于其基端经过的路径。因此，它的末端(tip end)比它的基端(root end)移动速度快得多。为了使沿扇叶出现的空气阻力的负载和由它们的运动所发生地气流保持平衡，扇叶一直被设计为具有一个向末端逐渐减小的攻角。该设计特征通常也用于其它旋转叶片的设计中，例如，船用螺旋桨和航空器螺旋桨。
1997年，佛罗里达太阳能中心开展了一项有关几款商用吊扇效率的研究。该测试在美国专利6,039,541号中得到记载。专利权人发现能源效率，即每能源消耗(瓦)产生的气流(CFM)，可以通过一种扇叶设计来提高，该扇叶在其基端有一种扭转度，该扭转度均匀地呈锥形缩减为一较小的扭转度或攻角直到末端。举例来说，该设计可应用于一种20英寸长的扇叶(具有锥形的弦)，其在基端具有26.7°的扭转度，在末端具有6.9°的扭转度。
另外一个长期存在与吊扇有关的问题是气流分布的问题。大多数吊扇使它们的扇叶在一个水平的平面旋转，即便它们指向一个攻角。这可以迫使空气向下运动，有利于为风扇下方的空间提供气流。然而周围空间的气流很弱，因为气流不直接从风扇处流出。如果扇叶在上反角上(dihedral)，这个问题就得到了缓解。但这种效果是以风扇正下方的气流出现实质上的减弱得以实现的。
【发明内容】
目前发现，对于吊扇而言，具有均匀比率的攻角或扭转角逐渐减小并不是最有效率的。一种2英尺的扇叶或螺旋桨的末端在一次旋转中经过一个圆周或2π(2)的长度。因此，其一英尺以外的中点在一次旋转中经过2π(1)的距离或旋转一周距离的一半。这种线性关系对一个航空器螺旋桨是有效的，因为它所行进的轨道路径通常在与其飞行路径垂直的平面上。但吊扇是在平行于、并处于气流限制(即天花板本身)的下方这样的轨道路径中旋转。因此它的扇叶无法像航空器一样均匀地攻击气团。这是因为“替换(replacement)”空气在吊扇扇叶的末端比在其末端内侧更易利用。邻近扇叶旋转轴的空气必须从周围环境经过天花板平面和风扇扇叶平面之间的有限空间抵达扇叶的基端。
根据这种理解，目前已发现吊扇效率可以通过形成带攻角的扇叶来提高，该攻角从扇叶的基端到末端不均匀地逐渐增加。更具体地说，已经发现在更靠近扇叶末端处的攻角或螺距的改变率应该大于更接近基端处。这显然有助于迫使风扇扇叶上的替换空气向内流动至天花板限制之下，因此更多的空气能够更容易而有效地靠近扇叶基端。但是，无论该理论是否正确，改进效率的结果已得到证明。已经发现，通过使扇叶末端的攻角改变率大于扇叶基端的攻角改变率，风扇效率可以得到实质性的提高。
现在，气流分布也可以通过一种具有向上弯曲而形成的扇叶的吊扇来得到改善，这种弯曲可以提供一种连续逐级的两面角。较佳方法是，这种弯曲从其基端到末端是连续的。另外，也可以结合刚刚描述的那种非均匀减小的攻角或扭转度而实现这一点。结果就可以提供一种效率高、而且能更好分布空气的吊扇。
同时也发现，在气流向下工作时，效率也可以增加，这时扇叶的中央部分比其两侧部分更薄。当扇叶的顶面和底面都是凹面时，如此，扇叶从基端到末端沿其中心部分比两侧部分薄25％，这样可以获得3％和4％之间的效率改进。
【附图说明】
图1是本发明较佳实施例中的吊扇的侧视图。
图2是为了说明目的而展示的一种平面形式的假设图解视图，用来显示图1的扇叶。
图3是图2扇叶的图解视图，举例说明沿扇叶不同位置的扇叶扭转度。
图4是气流测试参数图。
图5是图1所示的风扇扇叶之一的侧视图。
图6是图1所示的风扇扇叶之一的顶面视图。
图7是图1所示的风扇扇叶之一的尾视图。
图8A和8B是图1所示的风扇扇叶之一的其他侧视图，此处显示为横断面视图；而图8C是沿平面8-8绘制的扇叶断面。
【具体实施方式】
风扇扇叶技术在美国(U.S.)专利No.6,039,541号中得到了揭示，其遵循的假定为，进入风扇扇叶之内的所有气流都来自一种与扇叶旋转平面垂直的方向。除此之外，它假定气流具有一种从扇叶的基端到末端保持不变的速度，如航空器螺旋桨理论所用的扇叶。使用这项假定，扇叶被设计为从基端到末端带有一种不变的扭转率。扇叶的扭转是为了试图优化相对于扇叶表面的气流方向的相对攻角。这样做是为了确定扇叶在运行时从基端到末端都具有最佳的攻角。这个角度发生变化，以便适应这样的事实，即扇叶的末端比扇叶直径的基端移动更快速。这种速度的增加会改变扇叶上的相对风向。
再一次说明，现在发现这项假定对吊扇无效。吊扇是空气重新循环装置，其并非如航空器螺旋桨那样在空气中移动。从扇叶的基端到末端，空气并不以相同的矢量或甚至速度移动。
图1举例说明一种具有传统构造、但扇叶形状例外的吊扇。所见的风扇通过下垂杆被安装在天花板之下，该下垂杆从天花板延伸到容纳电动马达和开关箱的机壳。这里，所见的风扇在其底部也有一个灯光盒。使用穿过下垂杆而连接电源或市政动力电的电力导线，将电力提供到驱动扇叶的马达。
所见的风扇扇叶是扭转的，而非平面的，并具有一种分级的上反角。进入和离开风扇扇叶的气流由带有箭头的复式线条来显示。从这些地方可以在视觉上感知风扇扇叶是如何没有象飞机螺旋桨那样遭遇气团的。相反，扇叶上面的有限空间改变了进入风扇之内的气流矢量，这一点与航空器的情形相反。
如图2的图解所示，每个风扇扇叶都根据其宽度或弦而逐渐呈锥形变小。每个扇叶都从底座或基端到末端而逐渐呈锥形变小，以便使末端变得比较狭窄。除此之外，较佳方法是，如图1所示，每个扇叶都具有一种上反角，虽然这样做对于实施本发明的优势并非是必须的。提供上反角是为了在风扇下的空间中进行更广泛的空气发散分布。
继续参考图2和图3，可见扇叶被区分为三个断面，虽然扇叶当然只有一种构造。这里，24英寸长的扇叶具有长度相等的三个断面，也就是每个8应寸。所有的断面都有扭转，正如图1所示的那样。然而从基端到末端的扭转率是不均匀的。扭转或攻角从基端缩小为末端的10°。然而，这种在图1中也很明显的缩小具有三种不同的缩小率。在毗邻基端的第一个8英寸断面中，扭转率的变化是0.4°每英寸。对于中央断面而言，变化是0.7°每英寸。对于毗邻末端的第三个断面而言，变化率是1.0°每英寸。当然，在每个断面之间有一个很小的、可以忽略的过渡。因此，在图3中，从外侧断面的一端到其另一端，攻角有8°的差别(1°每英寸×8英寸)。中央部分约有6°的差别，内侧部分约3°的差别。
图5-7更具体地显示了图1的风扇扇叶10之一。可见扇叶的基端11被安装到风扇电动机转子轮毂12，其末端13位于轮毂的远轴处。轮毂围绕从天花板伸出的下垂杆轴旋转，如图1所示，该轴在实质上是垂直的。扇叶中线15清楚地标明，扇叶在其基端11有个0°的上反角，且在其末端13有一个10°的上反角dt。这里，风扇扇叶从基端到末端不断地呈弓形或曲形，以便使其上反角从基端到末端不断地变化。如图1中气流分布虚线所示，这不仅有助于风扇径直下方的空气分布，也有助于包围在此空间周围的空气的分布。相反，现有技术中的风扇主要使空气向下运动到风扇下方，而周围空间的气流则变得间接而微弱。那些风扇具有在其长度各处都以固定的上反角倾斜的扇叶，尽管它们能解决这个问题，但这是以减少风扇径直下方的气流为代价的。
扇叶上反角可能从基端到末端不断增加。然而，在接近其基端及/或其末端时，它可能是恒定的，而沿其剩余部分则是弓形或曲形的。的确，这种被称为鸥形设计(gull design)的最有效设计从其基端至距末端中点处具有一个0°的上反角，然后有一个逐渐增加的上反角至其末端，在末端形成一个10°的上反角。在较佳的实施例中显示出，扇叶基端有一个0°的上反角，其末端有一个10°的上反角。然而，它的基端上反角可能小于或大于0°，其末端上反角可能小于或大于10°。风扇的尺度、动力、高度和应用都是在选择特定上反角时可能应考虑到的因素。
在传统情况下，吊扇是可以逆向操作的。在图8A中所示，扇叶从下方看可能是顺时针旋转的。在这个方向上、且由于它的攻角，扇叶迫使空气向上运动，如箭头所示。典型情况下，在较冷的空气条件中这样做，以便迫使风扇上方的暖空气向下运动。如图8B所示，扇叶也可能在暖空气的条件下逆时针旋转，使人们上方的空气流动以便让他们感到凉爽。已经发现，在制成扇叶时使其具有不均匀的厚度，这样可以提高效率。图8C以最佳方式显示了这一点，这里可见扇叶从一边到另一边逐渐呈锥形变小。扇叶10的顶面稍微有些凹入，其底面同样如此，以便在它们的基端和末端之间形成延伸的浅谷。如果扇叶沿这些中央部分的厚度比中央部分两侧离散边的厚度约薄25％，则可以产生最佳的效率增益。较佳方法是，顶面和底面的造形使用相同的布局。尚不了解为什么这样做优于一个平坦的表面，平坦表面可以减少攻角扭转度，而且可以变更上反角。请注意，为举例说明和解释清楚的需要，图8C仅仅显示沿平面8-8的风扇扇叶部分。
已经发现，在制成扇叶时，改变其两边之间的扇叶厚度可以增加3％到4％之间的效率，这一点发生在扇叶如图8B所示进行旋转、并产生一个向下气流时，但是如果扇叶按照图8A显示的方向旋转，则可以忽略效率的改变。尚不完全了解这种情况为何发生，尤其是既然仅使一个表面发生凹入即可以产生较少的效率改善，那么这种情况为何还会发生。
该风扇经过获得环保署资质认定的亨特风扇公司实验室用于检定能源之星顺应性的测试。该风扇的测试根据能源之星检测需求，除了下列内容：在顶端且接近风扇扇叶处也安装了空气速度传感器。这样做可以允许测量毗邻风扇扇叶处的空气速度。在测试期间，可以确定，风扇扇叶上从基端到末端各种不同位置的空气速度是不同的。图4显示了测试参数。实际的测试结果出现在表1中。
表1 传感器 平均速度 FPM 空气速度 FPS 转子速度 FPS 结果 速度 结果 角度 Dcg/英 寸 0 283 4.7 22.7 23.2 11.7 1 303 5.1 24.4 24.9 11.7 0.07 2 320 5.3 26.2 26.7 11.5 0.16 3 325 5.4 27.9 28.4 11.0 0.54 4 320 5.3 29.7 30.1 10.2 0.79 5 313 5.2 31.4 31.8 9.4 0.76 6 308 5.1 33.1 33.5 8.8 0.63 7 305 5.1 34.9 35.3 8.3 0.51 8 290 4.8 36.6 37.0 7.5 0.77 9 275 4.6 38.4 38.7 6.8 0.71 10 262 4.4 40.1 40.4 6.2 0.60 11 235 3.9 41.9 42.0 5.3 0.87 12 174 2.9 43.6 43.7 3.8 1.54 13 132 2.2 45.4 45.5 2.8 1.03
比较测试结果出现在表2中，其中扇叶1是刚刚描述的一种新扇叶，其具有一个10°的固定上反角，扇叶2是根据专利No.6,039,541而设计的汉普顿·贝伊·高索墨风/迎风(Hampton Bay GossomerWind/Windward)扇叶，而扇叶3是一种具有一个15°固定攻角的平扇叶。表格所示的改进结果属于先前所定义的能源效率方面。
表2扇叶马达带有风缸较汉普顿·贝伊产品的改进较标准产品的改进不带有风缸较汉普顿·贝伊产品的改进4英尺之外的改进1172×18AM12,87821％29％37,32724％27％2188×1510,639NA6％30,034NANA3172×18AM10,018-6％NA28,000-7％-7％
因此，可见现在可以提供一种实质上比现有技术具有更高能源效率的吊扇，而且其具有更高的气流分布性。当然，该风扇也可以用于其他位置，例如台面。虽然该发明以其较佳形式得到显示和描述，但是应了解，此外可以进行其他的修正、添加或删除，而不会背离以下权利要求所给出的本发明的精神和范围。