高效率吊扇的制作方法

专利名称：高效率吊扇的制作方法
技术领域：
本发明大体上是关于吊扇，且明确地说是关于电动吊扇及其效率。
背景技术：
多年来，一直使用由电动机供电的吊扇来循环空气。其在安装到一直立杆的外壳内通常具有一电动机，所述电动机使得一组风扇叶片围绕直立杆的轴旋转。传统上，其叶片为扁平状，且倾斜或俯仰地定向，以便与叶片旋转所处的气团成一冲角。这样就引起向下驱动空气。
当使大体从其旋转轴径向延伸的风扇叶片旋转时，在任何给定时间内，其末梢端运转的路径远远长于其根部端。因而，其末梢端比其根部端运转地快得多。为了平衡沿叶片的风阻负荷和由其运动所产生的气流，已将风扇叶片设计成具有朝向末梢减小的冲角。此设计特征在诸如船用螺旋浆和飞机螺旋桨的其它旋转叶片的设计中也很平常。
1997年，Florida Solar Energy Center对几种市场上买得到的吊扇的效率进行了研究。在第6,039,541号美国专利中报道了此测试。该专利权所有人发现，能效(即，气流(CFM)/功率消耗(瓦特))随风扇叶片的设计而增加，即风扇叶片在其根部端具有一定程度的扭曲，且向其末梢端均匀地递减直到其末梢端形成一较小的扭曲或冲角。例如，此适用于20英寸长叶片(具有锥形翼弦)，在其根部具有26.7E扭曲，且在其末梢具有6.9E扭曲。
另一个长期存在的与吊扇有关的问题是气流分布。即使以一定冲角定向，多数吊扇的叶片仍在水平面内旋转。这就迫使空气向下流动，从而有利地提供在风扇下面的空间中的气流。然而，因为气流不直接从风扇流动，所以周围空间中的气流不足。当风扇叶片具有上反角时，这个问题会减少。然而，这只有以大幅减少位于风扇正下方的气流为代价才能达成。

发明内容
现已发现，匀速减小冲角或扭曲对于吊扇来说并不是最有效的方法。2英尺叶片或螺旋桨的末梢在一个回转中运转一个圆的圆周或2π(2)。因而，它的中点(一英尺外)在一个回转中运转2π(1)或一半距离。因为飞机螺旋桨运转的轨道路径一般位于垂直于其飞行路径的平面中，所以此线性关系对其有效。然而，吊扇是在平行于气流限制(即，天花板自身)且位于其下方的轨道路径中旋转。因此，其叶片不向飞机那样均匀地冲击气团。这是因为在吊扇叶片的末梢比在其末梢内侧更容易获得Areplacement空气。邻近其旋转轴的空气必须从周围运转穿过天花板平面与风扇叶片之间的受限制空间而到达其根部端。
明白了这一点，现已发现可通过使吊扇叶片形成一个从其根部端到其末梢端不均匀增大的冲角来提高吊扇的效率。更明确地说，已发现靠近叶片末梢的冲角或俯仰角的变化率应大于靠近其根部的冲角或俯仰角的变化率。这显然是用于迫使风扇叶片上方、天花板限制下方的置换空气向内运动，以使得靠近叶片的根部端更容易获得更多的空气。但是不管这个理论是否正确，结果已证明效率得到提高。已发现，通过使其末梢的冲角变化速率大于其根部的冲角变速率，大幅提高了风扇效率。


图1是以优选形式实现本发明的吊扇的侧视图。
图2是为说明的目的以平面形式假定显示的图1的风扇叶片的简图。
图3是说明沿叶片的不同位置的叶片扭曲度的图2的风扇叶片的简图。
图4是气流测试参数的图表。
图5是在图1中显示的风扇的一个叶片的侧视图。
图6是在图1中显示的风扇的一个叶片的顶视图。
图7是在图1中显示的风扇的一个叶片的端视图。
图8是以另一个优选实施例实现本发明的吊扇的透视图。
图9是为说明的目的以平面形式假定显示的图8的风扇叶片的简图。
图10是说明沿叶片的不同位置的叶片扭曲度的图8的风扇叶片的一系列简图。
具体实施例方式
在第6,039,541号美国专利中揭示的风扇叶片技术遵循这样一种假设，即所有流入风扇叶片中的空气都是来自垂直于叶片旋转平面的方向。另外，就像在飞机螺旋桨理论中所使用的那样，假设气流从叶片的根部端到末梢端为恒速。利用此假设，将叶片设计成从根部端到末梢端具有恒扭曲率。
进行叶片扭曲以尝试最优化气流方向相对于叶片表面的相对冲角。这样做是为了确保叶片从根部端到末梢端以最优冲角运转。改变这个角度，以便适应这样一个事实，即叶片的末梢比叶片直径的根部端移动的更快。此速度的增加改变了叶片上方的相对风的方向。
此外，现已发现此假设对吊扇无效。吊扇是空气再循环装置，它不像飞机螺旋桨那样穿过空气。在风扇叶片上方从根部端到末梢端，空气不会以相同矢量或甚至相同速度移动。
图1说明常规构造的吊扇，只是其叶片的形状有所不同。可看到风扇通过从天花板延伸到一个用于电动机和开关盒的外壳的直立杆安装在天花板下面。在此还可看到，在风扇的底部有一个灯具。通过电导体向驱动叶片的电动机提供动力，所述电导体延伸穿过直立杆到市政电源(source ofmunicipal power)。
可看到，风扇叶片为扭曲而不是扁平状，且具有分级的上反角。流到风扇叶片及从其流出的空气流如多条带箭头的线显示。从这些线可直观了解风扇叶片为何不像飞机螺旋桨那样遭遇气团。更确切地，与飞机相反，在叶片上方的受限制的空间改变了流入风扇的空气流的矢量。
如图2中的图解显示，每个风扇叶片的宽度或翼弦逐渐减小。每个风扇叶片都从底部或根部端到末梢端逐渐变细，以使得在其末梢变窄。另外，尽管对于体现本发明的优点来说并不必要，但每个风扇叶片最好具有如图1所示的上反角。提供上反角是为了使风扇下面的空间中的空气发散分布得更宽。
继续参考图2和图3可见，尽管叶片实际上是单一构造，但仍可将叶片划分为三个部分。在此，24英寸长的叶片具有三个相等长度的部分，即每个部分8英寸。由图1显而易见，所有部分都是扭曲的。然而，从根部到末梢的扭曲率不一致。扭曲或冲角从根部端减小直到末梢端为10E。然而，在图1中亦显见的这种减小具有三种不同的速率。在邻近根部端的第一个8英寸部分中，扭曲变化速率为0.4E/英寸。对于中间部分，则为0.7E/英寸。对于邻近末梢的第三部分，则为1.0E/英寸的变化速率。当然，在每个部分之间存在可忽略的小过渡。因此，在图3中，从外侧部分的一端到另一端存在8E的冲角差(1E/英寸×8英寸)。对于中间部分，存在约6E的差值，且对于内侧部分，存在约3E的差值。
图5-7更详细地展示图1的风扇的一个叶片10。可看到叶片的根部端11安装在风扇电动机转子轮毂12上，其末梢端13位于轮毂的远侧。轮毂围绕图1所示从天花板大体上向下垂直的直立杆的轴旋转。由叶片中心线15可非常清楚地注意到，叶片在其根部端11具有0E上反角(dihedral)，而在其末梢13具有10E上反角dt。这里，风扇叶片从这端到那端连续成拱形或弯曲，使得其上反角从这端到那端连续地改变。如图1中气流分布的虚线所示，这是用于使空气分布在风扇正下方以及在围绕此空间的周围空气空间中。相反地，现有技术的风扇主要将空气向下引导在风扇的下面，而在周围空间中的气流则迂回且微弱。尽管那些使得其叶片的整个长度以固定上反角倾斜的风扇解决了此问题，但这是以减少风扇正下方的气流为代价的。
叶片上反角可从这端到那端连续地增大。然而，在靠近其根部端和/或靠近其末梢的叶片上反角可恒定，而沿其剩余部分为拱形或弯曲部分。实际上，最有效的设计(称作海欧型设计(gull design))从其根部端到距离其末梢一半距离处具有0E上上反角反角，接着上反角连续增加，直到其末梢达到10E的上反角。在所示优选实施例中，叶片根部端具有0E上反角，且其末梢具有10E上反角。然而，其根部端上反角可小于或大于0E，且其末梢上反角可小于或大于10E。风扇尺寸、功率、高度和应用是在选择特定上反角时要考虑的所有因素。
由在Hunter Fan Company laboratory中对风扇进行了Energy StarCompliance测试，其得到了environmental Protection Agency的认证。根据Energy Stazr测试要求对风扇进行测试，除了还在风扇叶片的顶部上方且靠近其的位置安装了空气速度传感器。此考虑到邻近风扇叶片的空气速度的测量。在测试期间，确定在风扇叶片上从根部端到末梢端的不同位置空气的速度是不同的。图4中显示了测试参数。实际的测试结果显示在表1中。
表1


对比测试结果显示在表2中，其中叶片1是刚刚所描述的具有10E固定上反角的新叶片，叶片2是第6,039,541号专利所讲授的设计的Hampton BayGossomer Wind/Windward叶片，叶片3是具有15E固定冲角的平叶片。列表中的改进是如先前所定义的能效上的改进。
表2

接着参照图8-10，其中展示以另一个优选形式结合本发明的具有多个叶片的吊扇。在此可见，尽管实际上叶片为单一构造，但仍将叶片划分为六个部分。在此，24英寸长的叶片具有6个不同长度的部分。邻近根部的第一部分约3英寸，第二部分约5英寸，第三部分约2英寸，第四部分约7英寸，第五部分约7英寸，且第六部分约1英寸。由图8-10明显可见，除了第一部分外，其余所有部分均扭曲。
然而，扭曲率并不一致。扭曲或冲角从第三部分的内侧部分到末梢端逐渐减小。然而，在图1中同样明显的这种减小具有两种不同的速率。在第三部分中，扭曲变化速率约为0.5E/英寸。第四、第五和第六部分约为0.7E/英寸。当然，在各部分之间存在可以忽略的小过渡。
因而，在图10中，第三部分以24E冲角开始，以23E冲角结束，因此在从第三部分的一端到其另一端存在1E的冲角差(1E/英寸×2英寸)。第四部分以23E冲角开始，以18E冲角结束，因此在从第四部分的一端到其另一端存在5E的冲角差(5E/英寸×7英寸)。第五部分以18E冲角开始，以14E冲角结束，因此在第五部分的一端到其另一端存在4E冲角差(4E/英寸×6英寸)。
应了解，第二个实施例在原理上与图1所示的第一个实施例类似，除了事实上叶片根部水平开始接着向下倾斜然后开始叶片的正常冲角。此差异源于叶片在实际根部处大体垂直于电动机轴安装，而不是在最初将叶片设置为与电动机轴成一角度，即叶片在最初具有冲角。然而，应了解，在第二个实施例中，可简单地认为Aroot位于实际Aroot的外侧或叶片的实际内侧端。因此，本文所使用的术语Aroot也可视为是沿着风扇邻近风扇轴中产生所需气流的冲角开始的位置，在此实施例中此位置是第三部分的内侧部分。
因而可见，现在吊扇的能效比现有技术的吊扇的能效大幅提高，且具有增强的流动分布。当然，所述风扇也可用于诸如桌面的其它位置。
尽管以优选形式展示并描述了本发明，但应了解，可在不脱离如前述权利要求书所陈述的精神和范围的情况下对其进行其它修改、添加或删除。
权利要求
1.一种具有复数个风扇叶片的高效率吊扇，所述风扇叶片安装成围绕一叶片旋转风扇轴旋转，且所述叶片在邻近所述风扇轴的位置的冲角比在远离所述风扇轴的位置的冲角大，且其间的冲角的变化率不一致，所述叶片冲角从邻近所述风扇轴端到远离所述风扇轴端连续减小，且其中所述叶片冲角以复数个不同的递增速率从邻近所述风扇轴端到远离所述风扇轴端减小。
2.根据权利要求1所述的高效率吊扇，其中所述叶片冲角以两个不同的递增的固定速率减小。
3.根据权利要求2所述的高效率吊扇，其中所述叶片冲角在邻近所述风扇轴端以约0.5度/英寸的速率减小，到远离所述风扇轴端以约0.7度/英寸的速率减小。
4.一种具有复数个风扇叶片的高效率吊扇，所述风扇叶片安装成围绕一叶片旋转风扇轴旋转，且当所述叶片从一邻近所述风扇轴的位置延伸时，其以复数个固定的减小率扭曲，扭曲率从一邻近所述电动机的位置到所述叶片末梢端不均匀地减小。
5.根据权利要求4所述的高效率吊扇，其中所述叶片冲角以两个不同的递增的固定速率减小。
6.根据权利要求5所述的高效率吊扇，其中所述叶片冲角在邻近所述风扇轴端以约0.5度/英寸的速率减小，到远离所述风扇轴端以约0.7度/英寸的速率减小。
全文摘要
本发明通过风扇叶片来提高吊扇能耗效率，所述风扇叶片的冲角从根部端到末梢端减小，且靠近其末梢端的冲角的减小速率比其根部端的冲角的减小速率大。
文档编号F04D29/34GK1696515SQ20051006835
公开日2005年11月16日 申请日期2005年5月8日 优先权日2004年5月3日
发明者格雷戈里·M·伯德, 迈克尔·J·斯托弗, 哈第·斯拉斯 申请人:亨特风扇公司