無(wú)扇葉風(fēng)扇技術(shù)及命名討論

摘 要：空氣倍增器是由英國(guó)科學(xué)家詹姆斯·戴森發(fā)明的一種無(wú)扇葉的電風(fēng)扇，又名無(wú)扇葉風(fēng)扇。由于獨(dú)特的工作原理讓其擺脫了風(fēng)扇扇葉這個(gè)部件，掀起了風(fēng)扇行業(yè)的革命。文章介紹了無(wú)扇葉風(fēng)扇的相關(guān)概念、產(chǎn)生背景及工作原理。

關(guān)鍵詞：空氣倍增器，無(wú)扇葉風(fēng)扇，空氣增壓，附壁效應(yīng)

中圖分類號(hào)：N04；TM92 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1673-8578（2014）S1-0156-03

Air Multiplier—the Formal Designation of Bladeless Fan

LI Jie

Abstract：Dyson air multiplier is a bladeless fan invented by the famous British scientist James Dyson. Due to unique working principle to get rid of the blades， a fan industry revolution happened. This paper introduces the concept， the background， and the working principle of air multiplier.

Keywords：air multiplier， bladeless fan，air compression，Coanda effect

收稿日期：2014-06-25

作者簡(jiǎn)介：李潔（1982—），女，四川人，國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作北京中心審查員，從事專利審查工作。通信方式：lijie_5@sipo.gov.cn。

引 言

自世界上第一臺(tái)電風(fēng)扇被發(fā)明以來(lái)，一百多年過(guò)去了，無(wú)扇葉風(fēng)扇的發(fā)明使風(fēng)扇行業(yè)終于迎來(lái)了一次偉大的變革。無(wú)扇葉風(fēng)扇因?yàn)槠溟_(kāi)拓性和優(yōu)異的節(jié)能、安全、環(huán)保性能在2009年被美國(guó)《時(shí)代》（TIME）雜志評(píng)為年度最佳發(fā)明之一。隨著無(wú)扇葉風(fēng)扇進(jìn)入公眾視線，其時(shí)尚新穎多變的造型，速度均勻、無(wú)脈沖波動(dòng)的空氣流，給人們帶來(lái)了優(yōu)越的視覺(jué)效果和使用體驗(yàn)。為了使讀者對(duì)無(wú)扇葉風(fēng)扇有更深入和廣泛的了解，筆者在這里簡(jiǎn)單介紹無(wú)扇葉風(fēng)扇的相關(guān)名詞和概念。

一 無(wú)扇葉風(fēng)扇的起源和工作原理

英國(guó)人詹姆斯·戴森受空氣葉片干手器迫使空氣經(jīng)過(guò)一個(gè)小裂縫送出的原理啟發(fā)[1]，發(fā)明了空氣倍增器，英文全稱為air multiplier，由于拋棄了傳統(tǒng)電風(fēng)扇必需的扇葉部件，又名無(wú)扇葉風(fēng)扇（bladeless fan）。無(wú)扇葉風(fēng)扇包括圓柱形座體和安裝在座體上的環(huán)形表面，座體內(nèi)安裝有進(jìn)氣口和空氣增壓裝置，空氣從進(jìn)氣口被吸入后，經(jīng)過(guò)空氣增壓裝置升壓后送入環(huán)形表面上的排氣口，通過(guò)排氣口噴射出的高速氣流因附壁效應(yīng)（Coanda effect）使排氣口出風(fēng)的流向發(fā)生改變，并帶動(dòng)風(fēng)扇外部的空氣吹向使用者，令使用者感受到穩(wěn)定的吹風(fēng)效果。

在空氣升壓過(guò)程中采用的空氣增壓裝置和在環(huán)形排氣口中使用的附壁效應(yīng)是無(wú)扇葉風(fēng)扇的核心技術(shù)。

二 空氣增壓裝置分析和應(yīng)用

空氣增壓裝置包括電動(dòng)機(jī)、葉輪（impeller）和葉輪罩[2]。葉輪是空氣增壓裝置中不可或缺的核心部件，葉輪和傳統(tǒng)電風(fēng)扇中的扇葉在形狀和功能上均不相同，葉輪由輪盤和安裝在輪盤上的回轉(zhuǎn)壓氣葉片組成?；剞D(zhuǎn)空氣增壓裝置的工作步驟為：通過(guò)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)葉輪高速旋轉(zhuǎn)，在旋轉(zhuǎn)離心力的作用下，葉輪罩中的氣體經(jīng)過(guò)回轉(zhuǎn)壓氣葉片的擴(kuò)壓流動(dòng)，使空氣的壓力和速度同時(shí)得到提高。

葉輪根據(jù)氣流運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)分類為離心、軸流和混流式葉輪，其中采用混流式葉輪可以獲得更高的風(fēng)壓和流量系數(shù)，這就是詹姆斯·戴森無(wú)扇葉風(fēng)扇采用的葉輪類型。葉輪的加工方式包括鑄造、焊接和數(shù)控加工，鑄造精度低，特別是打磨和噴砂后葉片的表面難以精確控制，焊接費(fèi)時(shí)費(fèi)事且焊縫難以保證各方面性能，所以采用多軸數(shù)控技術(shù)尤其是五軸數(shù)控技術(shù)整體加工葉輪的方法日益普及。在現(xiàn)階段的無(wú)扇葉風(fēng)扇的國(guó)內(nèi)專利申請(qǐng)中，大多集中在改變外觀或者簡(jiǎn)單地改進(jìn)結(jié)構(gòu)組成，對(duì)于核心部件葉輪的壓氣葉片或空氣增壓裝置的專利還比較少。

葉輪也被廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，尤其是動(dòng)力機(jī)械的關(guān)鍵部件，比如在汽車的渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)中，通過(guò)葉輪壓縮空氣增加發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率；在噴氣式飛機(jī)中，空氣被葉輪壓縮后噴射產(chǎn)生的反作用力為飛機(jī)提供了動(dòng)力。

三 附壁效應(yīng)分析和應(yīng)用

無(wú)扇葉風(fēng)扇最明顯的特征在于環(huán)狀壁，現(xiàn)代感十足，然而其設(shè)計(jì)并不僅僅是為了美觀，更重要的是利用環(huán)形壁形成附壁效應(yīng)。附壁效應(yīng)是指平順流動(dòng)的流體經(jīng)過(guò)具有一定彎度的凸表面時(shí)，有向凸表面吸附的趨向。在無(wú)扇葉風(fēng)扇中，從排氣口噴射出的高壓高速主氣流沿環(huán)形壁內(nèi)壁擴(kuò)散，主氣流引起外部環(huán)境的空氣卷吸產(chǎn)生次氣流，其中外部環(huán)境的空氣主要包括環(huán)形表面中間的空氣，以及由于總氣流向前排出時(shí)后部產(chǎn)生負(fù)壓導(dǎo)致的后方補(bǔ)入以平衡氣壓的空氣，主次氣流的結(jié)合使風(fēng)扇的出風(fēng)量得以顯著放大，可以達(dá)到從進(jìn)氣口抽取風(fēng)量的15倍[2]。

在工業(yè)領(lǐng)域，附壁效應(yīng)被廣泛地應(yīng)用于飛機(jī)機(jī)翼的制造中，利用附壁效應(yīng)誘導(dǎo)氣流在機(jī)翼上表面產(chǎn)生比飛機(jī)和空氣相對(duì)速度更大的氣流速度，可以提高升力。附壁效應(yīng)在蝶形飛行器的垂直起降和懸停能力上也發(fā)揮著決定性的作用，一方面飛行器的曲面殼體將氣流引導(dǎo)向下方流動(dòng)進(jìn)而產(chǎn)生豎直方向上的力，另一方面當(dāng)氣流沿著曲面殼體表面流動(dòng)時(shí)，殼體表面的靜壓降低，在殼體兩側(cè)產(chǎn)生壓力差，這個(gè)壓力差也可以產(chǎn)生垂直方向上的升力。在日常生活中，附壁效應(yīng)用于抽油煙機(jī)中進(jìn)行油煙的抽吸，用于空氣清潔凈化裝置中進(jìn)行空氣分離。利用附壁效應(yīng)制作的空氣放大器有很大的使用范圍，例如食品、機(jī)械、電子等產(chǎn)業(yè)，用于驅(qū)散煙霧和收集灰塵、鋸屑、鐵屑等小顆粒物質(zhì)，以及利用放大的空氣流冷卻、干燥物體等[3]。已有產(chǎn)品例如美國(guó)的埃泰克（AIRTX）空氣放大器等。

四 命名討論

從上述結(jié)構(gòu)和工作原理介紹可以看出無(wú)扇葉風(fēng)扇中的“無(wú)扇葉”指的是沒(méi)有傳統(tǒng)電風(fēng)扇的扇葉，在很多文獻(xiàn)和專利中都將無(wú)扇葉風(fēng)扇稱為無(wú)葉風(fēng)扇。由于其組成部件中具有壓氣葉片結(jié)構(gòu)，因此稱為無(wú)葉風(fēng)扇并不正確。而且，通過(guò)空氣增壓裝置和環(huán)形表面的附壁效應(yīng)使空氣流放大，最終導(dǎo)致了出風(fēng)量的倍增，因此無(wú)扇葉風(fēng)扇稱為空氣倍增器更恰當(dāng)和準(zhǔn)確。

五 無(wú)扇葉風(fēng)扇面臨的挑戰(zhàn)和未來(lái)展望

無(wú)扇葉風(fēng)扇作為新興產(chǎn)品，在市場(chǎng)占有率上還無(wú)法和傳統(tǒng)風(fēng)扇抗衡，也存在許多需要改進(jìn)的地方，比如功能單一、高速檔位有噪聲、風(fēng)力不夠理想、制作成本較高等問(wèn)題，但這也為科研人員和企業(yè)帶來(lái)了新的契機(jī)，可以不斷對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)。比如增加加濕功能、過(guò)濾凈化功能、設(shè)置靜音部件、通過(guò)串聯(lián)或并聯(lián)葉輪組的方式獲得增強(qiáng)的加壓效果等。詹姆斯·戴森無(wú)扇葉風(fēng)扇推出的最新一代就比上一代的噪音減少了75%，甚至可以在錄音室中使用。在不久的將來(lái)，隨著科技的進(jìn)步，推陳出新，無(wú)扇葉風(fēng)扇的應(yīng)用前景將更加廣闊。

參考文獻(xiàn)

[1] 何龍橋. 從戴森無(wú)扇葉風(fēng)扇系列無(wú)效請(qǐng)求案看我國(guó)外觀設(shè)計(jì)創(chuàng)新[J]. 中國(guó)發(fā)明與專利，2012（12）：27-29.

[2] 王旱祥，詹敏，徐海珍. 無(wú)葉風(fēng)扇繞環(huán)出口分析與優(yōu)化[J]. 流體機(jī)械，2013（5）：19-21.

[3] 張薇. 淺談無(wú)葉風(fēng)扇的原理應(yīng)用工業(yè)前景[J]. 企業(yè)導(dǎo)報(bào)，2012（4）：285.