防塵風(fēng)扇的研究與設(shè)計周

俞秋子 葛苗 張雪 谷彩云 蔡云

摘要：為解決傳統(tǒng)風(fēng)扇容易積灰、清洗難度大的問題，研究設(shè)計出了一種減少灰塵積累、便捷清理的新型防塵風(fēng)扇。通過對傳統(tǒng)風(fēng)扇積累灰塵原因的研究，正向利用靜電吸附，將研究結(jié)果與實際應(yīng)用相結(jié)合，使防塵風(fēng)扇對灰塵的吸附、溶解、過濾各環(huán)節(jié)的設(shè)置更優(yōu)。

關(guān)鍵詞：防塵風(fēng)扇;回流水管;半透膜;創(chuàng)新;設(shè)計

中圖分類號：TP391 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）28-0214-02

傳統(tǒng)風(fēng)扇容易積灰，將積累的灰塵洗滌掉往往需要對風(fēng)扇進(jìn)行拆卸，十分耗費精力和時間，且很多公共場所（如教師、宿舍等）風(fēng)扇吊頂放置，清理更加困難、清理人員清理高處的風(fēng)扇也不安全。以解決風(fēng)扇積灰不便于清潔為目的對防塵風(fēng)扇進(jìn)行設(shè)計與研究，致力于設(shè)計出可以更加便捷地進(jìn)行清潔、減少灰塵積聚的新型風(fēng)扇，希望可以通過該新型風(fēng)扇便捷人們的生活，減少人力物力的消耗，增加人們生活的質(zhì)量。

1防塵風(fēng)扇設(shè)計方案

風(fēng)扇聚集灰塵是因為風(fēng)扇在轉(zhuǎn)動時，側(cè)刃與空氣接觸并不斷摩擦使扇葉帶上了靜電，從而使扇葉不斷吸收室內(nèi)漂浮的細(xì)小灰塵，同時風(fēng)扇轉(zhuǎn)動使風(fēng)扇周圍的空氣流速變大，和外面的空氣形成壓力差，導(dǎo)致灰塵也被壓力推向風(fēng)扇。在長久使用過程中，灰塵不斷地被吸附在扇葉上，再和大氣中的水蒸氣不斷結(jié)合產(chǎn)生結(jié)露反應(yīng)，導(dǎo)致灰塵黏糊在風(fēng)扇上，非常難以清理。

故在側(cè)刃上設(shè)計回流水管，管壁的縫隙大小控制在萬分之一毫米左右，使得灰塵可以進(jìn)入管內(nèi)，而管內(nèi)的溶劑不能出去。因為伯努利原理，流速大的地方壓強小，風(fēng)扇轉(zhuǎn)動的時候，氣壓會把灰塵壓向管壁，從而使灰塵進(jìn)入回流水管，隨后被溶劑溶解?；亓魉芡ㄟ^小型發(fā)動機帶動，管內(nèi)的溶劑會隨著風(fēng)扇的啟動進(jìn)行循環(huán)，在循環(huán)末端設(shè)置過濾器，將溶劑中的灰塵過濾掉，定期更換過濾掉的灰塵即可。

2回流水管的設(shè)置

2.1回流水管位置的設(shè)置

考慮灰塵的吸收效率，回流水管應(yīng)設(shè)置在風(fēng)扇最容易積灰的地方。對傳統(tǒng)風(fēng)扇進(jìn)行多方面觀察，發(fā)現(xiàn)在傳統(tǒng)風(fēng)扇扇葉沿風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)方向一側(cè)的側(cè)刃處積灰最多，且灰塵量從側(cè)刃處到扇面逐漸降低;風(fēng)扇扇葉遠(yuǎn)離中心軸的一端灰塵最多，且灰塵量從遠(yuǎn)離中心軸的一端向內(nèi)逐漸降低。

通過對風(fēng)扇表面積灰程度的觀察研究，為最大限度地吸收灰塵，將回流水管設(shè)置在風(fēng)扇的側(cè)刃處，又考慮到實際應(yīng)用的便捷和美觀，將新型防塵風(fēng)扇的扇葉進(jìn)行改造，在風(fēng)扇側(cè)刃處嵌入回流水管。使得新型防塵風(fēng)扇可以保持傳統(tǒng)風(fēng)扇的使用效率及習(xí)慣，同時使得灰塵能快速被回流水管所吸收。

根據(jù)伯努利原理：在流體中，速度越小，壓強越大;速度越大，壓強越大。在風(fēng)扇快速旋轉(zhuǎn)的時候，風(fēng)扇周圍的壓強增加將空氣中的灰塵壓向風(fēng)扇側(cè)刃，如在傳統(tǒng)風(fēng)扇的情況下，這些灰塵會逐漸積累在風(fēng)扇扇葉上，并隨著時間灰塵與空氣中的水蒸氣產(chǎn)生結(jié)露反應(yīng)，難以清理。設(shè)置回流水管則使灰塵在被壓向風(fēng)扇側(cè)刃時就可以被扇葉側(cè)刃嵌入的回流水管吸收，從而不會有后續(xù)的灰塵積累過程，以此大大降低風(fēng)扇的清理難度。

回流水管是新型防塵風(fēng)扇的創(chuàng)新點，與傳統(tǒng)風(fēng)扇相比較，回流水管的增加沒有使新型防塵風(fēng)扇的成本過高，且與傳統(tǒng)風(fēng)扇的外形沒有過大變化，新型防塵風(fēng)扇的設(shè)計使其在防塵之外，同樣擁有很好的風(fēng)感，不影響日常的使用，且使用方法與傳統(tǒng)風(fēng)扇無異，簡單方便，但卻大大降低了傳統(tǒng)風(fēng)扇的清理難度。

2.2回流水管半透膜及管內(nèi)溶劑的選擇

風(fēng)扇的側(cè)刃最先與空氣摩擦，也是灰塵聚集最多的地方，因此回流水管設(shè)置在風(fēng)扇的側(cè)刃處，沿著風(fēng)扇的側(cè)刃環(huán)繞一周，為使灰塵順利進(jìn)入環(huán)流水管中，對于回流水管采用半透膜制成。不同材料半透膜的間隙直徑不同，而灰塵顆粒的直徑一般在萬分之一到百萬分之一毫米。為使灰塵可以最大限度被吸附，選擇使用的半透膜的間隙直徑應(yīng)在萬分之一毫米左右。

考慮實際應(yīng)用，在半透膜間隙直徑確定的情況下，管內(nèi)溶劑要適量增稠，確保環(huán)流水管可以吸收灰塵，同時管內(nèi)溶劑不能出去。對于具體溶劑的配比，本文不再贅述，可以通過設(shè)計多次對照試驗，在其余變量相等的情況下，將不同配比的溶劑與灰塵相溶解，找出溶解速率最快同時黏稠度適合的最佳配比方案。

3基于伯努利原理的防塵風(fēng)扇最適發(fā)動機模型

3.1模型假設(shè)

①環(huán)流水管管壁處處均勻，沒有折痕。②在風(fēng)扇工作時，扇葉收到的大氣壓力處處相等。③環(huán)流水管管內(nèi)溶液在流動時充滿整個環(huán)流水管，沒有大氣泡存在。④環(huán)流水管內(nèi)溶液在流動時，各點速率相同。

3.2基于伯努利原理的防塵風(fēng)扇最適發(fā)動機模型的建立

通過調(diào)查，市面上的風(fēng)扇扇葉長度在25cm～100cm之間，風(fēng)扇有擋位區(qū)別，一般低檔的轉(zhuǎn)速為14.2r/s，中檔轉(zhuǎn)速為16.7r/s，高檔轉(zhuǎn)速為19.2r/s。線速度v、扇葉長度r和轉(zhuǎn)速之間有如下轉(zhuǎn)換關(guān)系：

通過圖像可以看出不同擋位不同扇葉長度下所需的發(fā)動機水頭不同?？紤]到實際應(yīng)用的需求，選取發(fā)動機時，其揚程最大應(yīng)超過上圖所示的最大揚程16.1667m。

按計算出的結(jié)果，選擇的發(fā)動機只要保證揚程大于等于最大揚程即可，但若統(tǒng)一選取16.1667m的最大揚程，在低檔和中檔時會造成較大的電能浪費。為節(jié)省電能，在設(shè)計風(fēng)扇時，應(yīng)讓風(fēng)扇在選擇不同擋位時發(fā)動機所需的電能盡量小，則可以設(shè)置風(fēng)扇在不同擋位下發(fā)動機的最大揚程也可變，所以風(fēng)扇不同擋位使用時發(fā)動機最大揚程可以靈活變動，使選取的發(fā)動機揚程低檔為8.8429m，中檔為12.2307m，高檔為16.1667m。

4結(jié)語

新型防塵風(fēng)扇利用伯努利原理使灰塵在風(fēng)扇上結(jié)露之前使其溶解、過濾。正向利用靜電吸附，在灰塵結(jié)露前進(jìn)行處理，所設(shè)計的新型風(fēng)扇通過小的改變，極大地方便了風(fēng)扇灰塵的清理，節(jié)省人力、物力、財力，減少清理吊頂風(fēng)扇的危險性，提高人們的生活質(zhì)量，使風(fēng)扇易積灰、灰塵難以清理的問題得到解決，且通過該方法改進(jìn)的風(fēng)扇需要的成本不會提得太高。

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