高效率吊扇 相关申请案参照
本申请是2002年7月11日提交的序号为10/194,699的部分连续申请案。
【技术领域】
本发明通常涉及吊扇，特别地涉及电动吊扇及其效率。
背景技术
由电机驱动的吊扇用于循环空气已有多年。此类吊扇典型地具有一个位于外壳中的电动机，该电动机固定在一根直立杆上，以使风扇叶片绕该直立杆旋转。这种风扇叶片传统上为扁平状，定向时使其具有一定倾斜度或者螺距，以便在空气中转动时相对于气团形成一个攻角，这样就可向下驱动空气。
当由旋转轴径向延伸出来的风扇叶片旋转时，在一定的时间内其末梢所经历的路径远比其根部所经历的路径长。因此风扇叶片末梢的速度远大于其根部的速度。为了平衡沿叶片的风的阻力和由叶片运动产生的空气流，在设计风扇时使其攻角朝末梢方向递减。此设计特点也常用于设计其它的旋转叶片，例如船用螺旋桨和飞机螺旋桨。
1997年，美国佛罗里达太阳能中心(Florida Solar Energy Center)对几种市场上可买到的吊扇的效率做了一个研究。该测试在美国申请专利号为6 039 541的专利案中报道过。该专利权所有人发现，通过在设计叶片使其在根部有几度的扭转，该扭转角度向叶片末梢均匀递减直至形成一较小的扭转角或一攻角，能效(也就是每一功率消耗(以瓦特为单位)所产生的空气流(CFM)将增加。例如，这应用于在其根部具有一26.7°角度的扭转，而在其末梢扭转角为6.9°，长20英寸的叶片(该叶片具有不等弦)上。
吊扇另一个长期存在的问题是空气流分布。虽然定向时有一个攻角，但大多数吊扇的叶片只在水平面内旋转，这就迫使气流向下，尤其是风扇下面空间中地气流。但是由于气流不直接从风扇流动，周围空间中的气流很少。在风扇叶片具有上反角处，此类问题减少了。但是，这只能以大幅度减少风扇正下方的气流为代价。
【发明内容】
现已发现，统一均匀地减小攻角或者扭转角对于吊扇来说不是最有效率的办法。两脚叶片或者螺旋桨的末端在一转中运行一个圆周或者2π(2)，因此向外伸出的叶片的中点在一转中运行2π(1)或者说一半的距离。由于飞机螺旋桨的运动轨迹通常位于与其飞行路径垂直的平面中，所以该线性关系对于飞机螺旋桨来说是有效的。然而吊扇的运行轨迹平行于空气流并位于空气流约束之下，也就是平行于天花板本身并位于其之下，因此它的叶片并不像飞机一样与气团均匀冲击，这是因为在吊扇叶片的末梢比在末梢内侧更容易获得“置换”空气。邻近叶片旋转轴的空气必须来自周围环境，在空气到达叶片的根部端的过程中要经过天花板平面与风扇叶片之间的有限空间。
了解这一点后，现在已经发现，在形成叶片时通过使从其攻角从根部到末梢不均匀地增加可提高吊扇的效率。更具体地讲就是，现在已经发现，攻角或者螺距的变化率在邻近叶片末梢处应比在邻近根部处更大一些。这显然是用来迫使在天花板限制之下、叶片之上的置换空气向内运动，以便在叶片的根部端附近可容易地获得更多的空气。然而，不管该理论正确与否，事实已经证明这样做风扇的效率得到了提高。通过使风扇的攻角在其末梢的变化率大于在其根部的变化率，已发现风扇的效率得到了极大提高。
由于风扇的叶片由具有持续变化的上反角的向上曲线所形成，现在吊扇的气流分布也提高了。更好的是，气流从叶片根部到末梢呈连续分布，而且这一点可以结合上面所描述的非均匀减小攻角或者扭转来实现。采取以上措施的结果是可以提供一种不仅效率高而且可使气体分布更好的吊扇。
【附图说明】
图1为以较佳形式实现了本发明的吊扇的侧视图。
图2为图1中的吊扇叶片的一个简图，为便于显示，假定其以二维形式显示。
图3为图2中的吊扇叶片的一个简图，显示了沿叶片的不同位置叶片扭转的角度。
图4为空气流测试参数的一个图表。
图5为图1所示风扇的一个叶片的侧视图。
图6为图1所示风扇的一个叶片的顶视图。
图7为图1所示风扇的一个叶片的端面视图。
【具体实施方式】
在美国专利申请号为6 039 541的专利案中公开的风扇叶片技术遵循这样一个假定：所有进入风扇叶片的空气流都来自与叶片旋转平面垂直的一个方向。此外，就像在飞机螺旋桨理论中所使用的那样，还假定空气流从叶片的根部以恒定速度流至叶片末梢。利用该假设，在设计叶片时就令从根部端到末梢的扭转角度为一定值。
扭转叶片的目的在于企图优化空气流方向相对于叶片表面的相对攻角。这样做是为了保证叶片从其根部到其末梢都以最优攻角运转。此角度变化是为了适应这样一个事实，即叶片末梢移动的速度比叶片直径根部移动的速度要快，而速度的增加改变了叶片上方的相对气流方向。
再就是，现在已经发现这个假定已经不适用于吊扇。吊扇为空气重复循环装置，而不像飞机螺旋桨那样穿过空气。在风扇叶片上，从其根部到其末梢，空气并不沿着同一矢量方向移动，甚至速度也不相同。
图1显示了一台除其叶片形状之外其余为传统构造的吊扇。从图中可见，风扇通过一条直立杆安装在天花板之下，该直立杆从天花板伸出至一用于放置电机和开关盒的外壳中。从此处还可以看到，在风底部还有一个灯具。由从直立杆伸出至市电电源的导电体给电机提供动力，以驱动叶片旋转。
从图可以看到，风扇叶片被扭转了而不成扁平状，以便形成一逐渐变化的上反角。进出风扇叶片的空气流用带箭头的多条线表示。从这些线条我们可以直观地看到风扇叶片为何不像飞机螺旋桨那样遇到空气团。相反地，叶片之上的有限空间改变了进入风扇的空气流矢量，使其与飞机的空气流矢量相反。
如图2中所示的简图，每一风扇叶片的宽度或者翼弦都形成一锥度。每一叶片都从其基部或者根部向其末梢逐渐变细，以便其在末梢变得更窄。另外，尽管对于体现本发明的优势并不必要，但每一叶片最好还是具有一个如图1中所示的上反角。设计上反角是为了使风扇下面空间中的空气发散分布得更宽。
继续参考图2和图3我们可以看到，尽管叶片实际上为单体结构，仍然将其区分为三个区域。此处24英寸长的叶片具有三个等长度的区域，即每一区域长8英寸。如图1可见，所有区域都被扭转了一定角度，但是从根部到末梢扭转速率不一样。从根部开始的扭转或者攻角一直减小直到在末梢变成10°。从图1中还可以清楚看到，该攻角以三种不同的速率减小。在靠近根部的第一个8英寸区域，扭转变化速率为每英寸0.4°；在中间的区域，扭转变化速率为每英寸0.7°；对于邻近末梢的第三个区域，扭转变化速率为每英寸1.0°。当然每一区域之间有一个小转变，其显著性可忽略不计。因此在图3中，从外侧区域的一端到其另一端攻角的差值为8°(1°/英寸×8英寸)。中间区域两端攻角之差大约为6°，而内侧区域两端的攻角差值约为3°。
图5-7更详细地说明了图1中风扇的一个叶片10。从图中可以看出，该叶片的根部11安装在电机转子轮毂12上，末梢在远离轮毂端。如图1所示，轮毂绕从天花板伸出的垂直直立杆旋转。从叶片中心线15可以明显看出，叶片在其根部11处的上反角为0°，在其末梢13处的上反角dt为10°。此风扇叶片从一端至另一端是持续的圆弧或者曲线，因而从一端到另一端上反角也是持续变化的。如图1中所示的气流分布虚线，其作用是将空气分布在风扇正下方以及周围的空间中。相反，先前技术中的风扇主要将气体驱动至风扇下面向下运动，而周围空间中的气流迂回而微弱。虽然那些在整个叶片长度上倾斜了固定上反角的风扇已经解决了这个问题，但这是以减少风扇正下方的气流为代价的。
叶片上反角从一端至另一端可以持续增加，但是随着圆弧或者曲线接近末端，根部附近或者末梢处附近的上反角可能为定值。根据海鸥式设计，实际最有效的设计是从根部到距离末梢一半处的上反角为0°，然后持续增加，到达末梢时上反角为10°。在较佳实施例中，叶片根部上反角为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°。风扇尺寸、功率、高度和应用是选择特殊的上反角时所需考虑的所有因素。
在Hunter Fan Company(Hunter风扇公司)实验室对风扇进行了测试，即“能源之星适应性”(Energy Star Compliance)测试，并得到了环境保护机构(Environmental Protection Agency)的认证。除空气速度传感器也安装在上面并靠近风扇叶片之外，依照“能源之星”测试要求测试了风扇。这样就可以测试风扇邻近的空气速度。在测试过程中，认定在风扇叶片上从根部端到末梢，不同位置空气的速度也不相同。图4给出了测试参数，表1是实际测试结果。
表1 传感器平均速度英尺/分钟(FPM)空气速度英尺/秒(FPS)转子速度英尺/秒(FPS) 合速度 合力角 度/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
表2给出了比较试验结果，其中叶片1为刚描述过的一新叶片，其具有一10°的固定上反角，叶片2是利用申请专利号为6 039 541的专利案中讲到的技术设计的Hampton Bay Gossomer Wind/Windward叶片，叶片3为一固定攻角为15°的扁平状叶片。如前所定义，表中所列出的数据系指能效方面的改良。
表2 叶片 电机 带圆筒在HamptonBay方面的改良在标准之上的改良 在 Hampton Bay方面 的改良不带圆筒 在4 英尺 之外 的改 良 1 172× 18AM 12878 21％29％ 37327 24％ 27％ 2 188× 15 10639 NA6％ 30034 NA NA 3 172× 18AM 10018 -6％NA 28000 -7％ -7％
因此可以看到，现在提供的吊扇比采用先前技术的吊扇显著提高了能效，而且也促进了气流分布。风扇当然也可用在其它位置，比如桌上。尽管利用吊扇的较佳形式进行了显示和描述，我们应该了解的是，只要不偏离权利要求书中所阐述的本发明的精神和范围，可进行其它的更改，增减。