风扇
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风扇，日本和韩国称为扇风机，风扇通过驱动扇叶旋转使空气加速流通，风扇中包括旋转的叶片，叶片材质有木头、塑胶或是金属，对空气作用，以产生气流。叶片和轮毂会合称叶轮或是转子。有时风扇会装在一外壳内[1]。外壳可以导引气流，也避免其他物品接触到旋转中的扇叶，提升其安全性。目前大部分的风扇是由电动机驱动，因此也称电风扇或是电扇，不过也可以用其他的动力来源来驱动风扇，例如油压马达、曲柄及内燃机。
若以机械的观点来看，任何可以旋转产生气流的设备都是风扇。风扇可以产生大量的气流，压力较低（不过仍比外界压力要大），压缩机则和其相反，产生的气流压力很大，但流量较小。一般扇叶在气流底下会开始旋转，其他利用此性质的设备（像是风速计和风力发动机）也会设计成和风扇类似。
风扇常见的应用包括空调控制、维持个人的热舒适性（像是电子的桌扇及落地扇）、汽车引擎冷却系统（风扇会放在水箱散热器之前）、机器冷却系统（例如电脑内，或是音频功率放大器内）、通风、排烟、扬谷（分离谷壳和谷物）、除尘（例如吸尘器内）、干燥（一般会配合热源进行）。有些工业热交换器中会装风扇来间接冷却。
风扇对物体冷却的效果很好，但风扇不会直接降低空气温度，风扇可以让人凉爽，是因为汗水的蒸发冷却，并且因为风扇产生的气流，增加和周围空气的热对流。因此若周围空气温度很高，或是湿度很高，风扇冷却的效果就比较差。
历史
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风扇的历史悠久。用树叶作的风扇在古埃及和印度就已出现，当时是以竹片或是其他植物纤维为材质的手持扇，可以旋转或是扇风来让空气流动。英属印度时期，盎格鲁-印度人 将固定在天花板，由佣人拉动的大型平板风扇称为punkawallah。
中国西汉时长安机械师丁缓发明了七轮扇，这大概是在一个轮轴上装有七个扇轮的风扇，以人力推动机轮运转[2]。在唐朝时已有使用水力来带动风扇轮，用在空调上。到宋朝时旋转风扇更加普遍[3][4]。
日本平安时代时，扇子也变成社会阶层的符号角色。铁扇是在封建时期使用的日本扇，外形类似一般的折扇，但是是可怕的武器，若武士认为无法使用日本刀当作武器，会改用铁扇。
十七世纪时，包括奥托·冯·居里克、罗伯特·胡克和罗伯特·波义耳等科学家的实验建立了有关真空以及气流的基本定理。英国建筑师克里斯托弗·雷恩爵士在威斯敏斯特宫建立了早期的通风系统，当时使用风箱来循环空气。雷恩的设计也是后来许多改善及创新的基础。欧洲第一个旋转扇出现在16世纪，是用在矿坑的通风，是格奥尔格·阿格里科拉（1494–1555）所设计[5]。
英国工程师约翰·西奥菲勒斯·德札古利埃在1727年成功的展示利用风扇系统将矿坑不流通的空气抽出，煤矿坑里的通风对于避免窒息非常重要，后来也在议会中装设了类似的装置[6]。土木工程师约翰·斯密顿以及后来的约翰·巴德尔在英国北部的矿坑里架设了旋转式的空气泵，不过该机器很容易故障。
蒸汽驱动扇
[编辑]1849年时，由William Brunton所设计，半径六米的蒸汽驱动扇，在南威尔士的Gelly Gaer采矿场运作。在1851年的万国工业博览会也有展出此风扇。在同一年，苏格兰的医生David Boswell Reid在利物浦圣乔治医院的天花板装了四个蒸汽驱动风扇，风扇所产生的压力让空气往上流动，通过天花板的通风口[7][8]。詹姆斯·内史密斯、Frenchman Theophile Guibal和J. R. Waddle后来继续针对技术进行改良[9]。
电扇
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Schuyler Wheeler在1882年到1886年之间发明了电力驱动的风扇[10]，由美国Crocker & Curtis电机公司商品化。1885年时，位在纽约的Stout, Meadowcraft & Co公司将直驱式桌扇商品化[11]。
发明家Philip Diehl在1882年开发了第一个吊扇。在进入二十世纪，发明密集出现的期间，出现许多用乙醇、油或是煤油作燃料的风扇。日本的松下环境系统在1909年领先发明可以量产的家用电扇。1920年代的工业进步，可以量产不同形状的钢制电扇，让电扇的价格下降，让更多家庭有能力可以购买。1930年代，爱默生公司设计了第一款art deco风扇（Silver Swan）[12]。1940年代时，印度的Crompton Greaves成为全世界大的吊扇公司，主要贩售印度、亚洲以及中东。1950年代时，桌扇和立扇开始设计成明亮的颜色，吸引人们注意。
1960年代的窗式冷气和中央空气调节系统，让许多公司停止生产风扇ref name="A Brief History of Fans">Fancollectors.org – A Brief History of Fans Information Provided by Steve Cunningham – retrieved July 5, 2010.</ref>，不过在1970年代中期，越来越多人知道电费的支出，以及用在家庭供暖以及冷气的能源消耗，吊扇再度流行了起来。
William Fairbank和Walter K. Boyd在1998年发明了高风量、低转速的HVLS吊扇，用长的扇叶低速旋转，产生比较大的风量，以此减少能耗[13]。
种类
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风扇有许多不同的设计，可以放在地上、桌上，安装在天花板上（吊扇），也可以装在窗户、墙或是屋顶上。会大量发热的电子设备（像是电脑）也会用风扇散热。吹风机以及小型暖气器等家电也会用到风扇。在空调系统以及汽车引擎中，风扇提供气流来散热。风扇让室内舒适的方式，是利用空气流动增加传热系数，但不直接降低室内温度。而用来冷却电子系统、引擎或其他机器的风扇，会直接冷却机器，作法是将热空气排到机器外部，并且让温度较低的空气流入机器内。风扇主要可以分为三种：轴流、离心式（也称为径向）以及横流。美国机械工程师学会的Performance Testing Code 11（PTC）[14]就有列出进行风扇测试以及制作报告的标准程序，其中有包括了轴流扇、离心扇以及横流扇的测试。
轴流扇
[编辑]轴流扇的扇叶会让气流以和扇叶旋转轴平行的方向流动。许多应用会用到这种风扇，从电子设备中使用的小型冷却风扇，到冷却塔中使用的巨型风扇。轴流扇也用在空调以及工业制程应用上。标准轴流扇的直径为300–400 mm或1,800–2,000 mm，可在800 Pa以下的压力中工作。在飞机引擎里，也用特殊的轴流扇来进行低压段旳空气压缩。 以下是一些轴流扇的例子：
- 桌上风扇：桌上风扇一般是在家中房间使用，除了扇叶、马达等组件外，会有风扇罩，避免人员或是物品接触到转动的扇叶，另外也会有自动变动风扇吹风方向的机构，让风扇不会只吹在室内的特定位置。
- 家用抽风扇：一般会装在墙上或是天花板上，家用抽风扇是要移除家中的湿气，并且使空气流通。浴室的抽风扇一般会用四英寸（100 mm）大小的机种，厨房的空间比较大，一般会用六英寸（150 mm）的机种。也有些较大的浴室使用五英寸（125 mm）的抽风扇，不过这比较少见。家用抽风扇不适合用在风管较长，超过3 m或4 m的应用（实际长度限制也和风管的转折数情形有关），因为较长风管增加的空气压力会影响风扇性能。
- 有一种抽风扇会持续以低速运行，在有需要时会以正常速度运行。例如浴室的抽风扇可能会在开灯时以正常速度运行，其余时候以慢速运行。这种风扇在低速持续运行时，风量约5至10 l/sec，耗电只有1至2瓦，每年的花费很低。有些有湿度感测器，在湿度过高时动作。这类设备的优点是确保通风，避免湿气的累积[15]。在寒冷的天气，抽风扇会让室内温度明显的下降[16]。
- 机电风扇：依其运作条件、尺寸以及扇叶数目有所不同。最常见的是四片扇叶的设计，五片或六片扇叶的设计非常少见。机电风扇的材质，是选用的重要因素之一。
- 吊扇是安装在房间天花板下的风扇，多半会以较低的速度运行。吊扇安装位置较高，不容易被人碰到，因此不会有风扇罩。吊扇可以用在住家、工业或是商业的场合。
- 汽车里会有机械驱动或是电动的风扇来为引擎散热，避免引擎过热，其作法是是将外界空气带往装有冷却剂的散热器内，为冷却剂降温，之后再由冷却剂来冷却引擎。此可以透过连接在内燃机曲轴上的滑轮来驱动，也可以是电动马达，由自动调温器开关切换其运转或停止。
- 散热风扇可以用来冷却电脑或其他电子设备，在笔记式电脑的笔记式电脑散热器中也有散热风扇。
- 音频功率放大器里的风扇可以冷却其中发热的电子元件。
- 变桨距风扇：变桨距风扇配合供气管道，可以精准的控制静压。
离心扇
[编辑]离心扇的外形有些类似仓鼠轮，其中有转动件（称为叶轮），由旋转轴以及一组形成螺线的叶片所组成。离心扇送风的方向和进气方向垂直，且会将透过离心力以及叶片的带动，将空气带到外界。叶轮旋转时，会使空气从接近轴的位置进入离心扇，然后沿着径向移动到螺线叶片边缘的开口处。针对相同的空气量，离心扇可以提供的压力更大，可用在像吹叶机、吹风机、床垫充气机、充气结构、暖通空调里的空调箱等应用。离心扇的噪音会比相同功率的轴流扇要大（不过也有些空调箱中用的离心扇是低噪音的设计）。
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离心扇的上视图，可以看出气流方向 -
典型的离心扇 -
HP ZBook行动工作站中安装的离心扇。离心扇会将空气吹往散热片，散热片里有一组热管。
横流扇
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横流扇（cross-flow fan）由Paul Mortier于1893年为此申请专利[17][18]，广泛用在暖通空调 （HVAC），特别是无风管的分离冷气中。横流扇的长度会比其直径要长，其流场近似是二维的，空气可以从二个方向离开风扇。横流扇使用有特殊前弯式叶片的叶轮，其外壳有背板以及旋涡板。横流扇和径向扇不同，其主要气流会横向穿过叶轮，通过叶片二次。
无叶风扇
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Dyson在2009年将无叶风扇推出至消费市场，此产品是将1981年东芝的设计商品化，无叶风扇的特点是没有外露的叶片或是可动件（不包括为了调整吹风方向功能加入的元件）[19]。无叶风扇中有风叶可以产生小流量，但是高压力的气流，此风叶是放在机座里，再透过其上方翼型表面的设计，因着宽德效应，在圆形或椭圆形的开放空间产生低压区，引导较大量，但是速度较慢的气流可以通过[19][20][21]。
空气门和空气幕也是使用这类的效果，在一个没有盖子或是门的区域，让暖空气或冷空气维持在其中。空气幕常用在开放式的乳品柜、冷冻柜以及蔬果柜，透过开口处的层流气流循环，让冷空气可以维持在其内，同时可以方便顾客看到商品进行购买。气流一般是用其他的机械式风扇来提供。暖通空调中的线性槽散流器也是使用此一效应增加室内的气流， 甚至比通风口还好，而且可以节省空调箱内鼓风机的耗能。
安装
[编辑]风扇安装的方式有许多种，依其应用而定。有一些特殊的安装方式。
导管扇
[编辑]飞机中的导管扇是属于推进方式的一种，会将风扇、螺旋桨或转子放在空气动力导管或护圈内，以增强其性能，产生飞行需要的升力或是推力。
喷流式风机
[编辑]在通空系统中，喷流式风机会喷出气流来夹带周围的气流，使气流可以循环。此系统所需的空间明显的比传统的通风导管要小很多，明显可以增加新鲜空气流进的流率，也让内部浑浊空气可以排出[22]。
噪音
[编辑]风扇产生噪音的原因是因为空气快速流动，经过叶片以及障碍物所产生的涡流，带动的动力源也会产生噪音。风扇噪音约和转速的五次方成正比，转速减半约可让噪音减少15 dB[23]。
人感知到的风扇噪音程度也和噪音的频率分布有关。这和移动件（特别是叶片）和不动件（特别是支柱）的形状以及分布有关。不规的形状以及分布可以将噪音的频谱打散，让噪音比较不扰人[24][25][26]。
风扇进气口的外形也会影响风扇的噪音[27]。
风扇的驱动方式
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独立的风扇多半会用电动机驱动，多半会将风扇直接由马达轴驱动，不透过皮带或是齿轮传动。电动机可能藏在风扇的轮毂里或是轮毂后方。若是大型的工业风扇，会使用三相感应马达，放在风扇附近,用滑轮驱动。较小的风扇可能会用蔽极马达、直流有刷马达或直流无刷电动机驱动。交流驱动风扇多半会直接使用市电，直流驱勋风扇的电压多半比较低，例如24V, 12V或5V。
有时会将风扇连结在旋转的设备上，像内燃机车辆、大型的冷却系统、火车头等，会将风扇接在传动轴上，或是用滑轮带动。另一种常见的作法是双轴电动机，电动机的一个轴连接负载，另一个轴连接冷却电动机的风扇。窗型冷气就会依此方式运作室内部分和室外部分的风扇。
在没有电力或是旋转设备的场合，也有其他驱动风扇的方法。像蒸气之类的高压气体可以驱动小型的涡轮发动机，而高压液体可以驱动佩尔顿式水轮机，这两个都可以提供风扇需要的动力。
大型，缓慢移动的动力来源（例如河），也可以利用水车，再加上变速齿轮或滑轮，让转速维持在适合使用风扇的转矩，再驱动风扇。
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内燃机可以直接驱动风扇，也可以透过马达驱动 -
大型马达的内部或是后面可以加装风扇。 -
窗型冷气的双轴风扇马达
都会传说
[编辑]韩国流行一种电风扇致死传说，此传说起源甚早可能来自1920年代，原因是来自人们对新科技的不了解。[28]
相关条目
[编辑]参考文献
[编辑]- ^ Fan. Encyclopædia Britannica. [2012-05-19].
- ^ 《西京杂记》卷一：“长安巧工丁缓者……又作七轮扇，连七轮，大皆径丈，相连续，一人运之，满堂寒颤。”
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- ^ Needham, Volume 4, Part 2, 154.
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