ВЕНТИЛЯТОР
FAN

Изобретение относится к вентилятору, в частности, к бытовому, например, настольному, для создания циркуляции воздуха и воздушного потока в комнате, офисе или другой бытовой среде.
Известны различные бытовые вентиляторы, обычно имеющие отдельную группу лопастей или лопаток, установленных с возможностью вращения вокруг оси, и привод, установленный вблизи оси для вращения группы лопастей. Бытовые вентиляторы имеют различные размеры и диаметры, например, потолочный вентилятор может иметь диаметр свыше 1 м и обычно подвешивается под потолком для создания потока воздуха вниз, обеспечивая охлаждение всей комнаты.
С другой стороны, настольные вентиляторы часто имеют диаметр примерно 30 см и обычно устанавливаются без крепления, являясь переносными. В стандартных настольных вентиляторах отдельная группа лопастей располагается рядом с пользователем, и вращение лопастей вентилятора обеспечивает в комнате или ее части движение воздуха вперед в сторону пользователя. Вентиляторы других типов могут быть прикреплены к полу или установлены на стене. Перемещение и циркуляция воздуха создают так называемое «охлаждение ветром» или легкий ветерок и, как результат, пользователь ощущает охлаждающее воздействие, когда тепло рассеивается за счет конвекции и испарения. Вентиляторы, например, описанные в документе USD 103476, могут устанавливаться на рабочем или обычном столе. В документе US 2620127 описан вентилятор двойного назначения, который может быть установлен на окне или использоваться как переносной настольный вентилятор.
В быту желательно, чтобы приборы были по возможности небольшими и компактными. В документе US 1767060 описан настольный вентилятор с функцией колебания, что помогает обеспечить циркуляцию воздуха, эквивалентную двум или более известным вентиляторам. Нежелательно, чтобы из бытового прибора выступали какие-либо части, или чтобы пользователь мог прикасаться к подвижным частям вентилятора, например, лопастям. Вентилятор, описанный в документе USD 103476, содержит решетку вокруг лопастей. Другие типы вентиляторов описаны в документах US 2488467, US 2433795 и JP 56-167897. Вентилятор по документу US 2433795 вместо лопастей имеет во вращающемся экране спиральные пазы.
Некоторые конструкции имеют предохранительные устройства, например, решетку или защитный экран вокруг лопастей для защиты пользователя от травм в результате контакта с подвижными частями вентилятора. Однако закрытые решеткой детали лопастей трудно очищать, а движение лопастей в воздухе может создавать шум и дискомфорт для пользователя в доме или офисе.
Недостатком таких конструкций является то, что пользователь не чувствует равномерного движения потока воздуха, создаваемого вентилятором, что обусловлено изменениями в поперечном направлении лопастей или обращенной наружу поверхности вентилятора. Неравномерный или «прерывистый» воздушный поток может ощущаться как ряд импульсов или порывов воздуха. Другим недостатком является то, что создаваемое вентилятором охлаждающее действие уменьшается с расстоянием от пользователя. Это означает, что вентилятор должен быть помещен в непосредственной близости от пользователя, чтобы тот почувствовал пользу от действия вентилятора.
Расположение вентиляторов, например вышеописанных, рядом с пользователем не всегда возможно, поскольку громоздкая форма и конструкция означают, что вентилятор занимает значительную площадь в рабочем пространстве пользователя. В частности, корпус или основание вентилятора, установленного на рабочем столе или рядом с ним, уменьшает площадь, доступную для расположения документов, компьютера или другого офисного оборудования.
Форма и конструкция вентилятора, помещенного на рабочем столе, не только уменьшает доступную пользователю рабочую площадь, но также может закрывать освещение (естественное или искусственное), падающее на стол. Для напряженной работы и для чтения необходим хорошо освещенный рабочий стол. Кроме того, хорошая освещенность снижает напряжение глаз и уменьшает соответствующие проблемы со здоровьем, которые могут возникнуть в результате продолжительных периодов работы в условиях пониженной освещенности.
Изобретение направлено на создание усовершенствованного вентилятора, не имеющего недостатков известных устройств.
Задача изобретения заключается в создании вентилятора, который во время работы создает равномерный воздушный поток по всей рабочей поверхности вентилятора. Другая задача изобретения заключается в создании вентилятора, с которым пользователь на некотором расстоянии от него может ощущать воздушный поток и охлаждающее воздействие, улучшенные по сравнению с известными вентиляторами.
Согласно изобретению безлопастной вентилятор для создания потока воздуха содержит сопло и средство создания потока воздуха через него, при этом сопло имеет внутренний канал, выпускное отверстие для приема воздушного потока из внутреннего канала и поверхность Коанда, прилегающую к выпускному отверстию, причем выпускное отверстие расположено так, чтобы направлять поток воздуха по этой поверхности.
За счет такой конфигурации для создания воздушного потока и охлаждающего эффекта не требуется лопастной вентилятор. Безлопастная конструкция позволяет обеспечить пониженное шумовое воздействие благодаря отсутствию звука от лопасти вентилятора, движущейся через поток воздуха, а также снижению количества подвижных частей и уменьшению сложности конструкции.
Далее в описании термин «безлопастной» используется для описания устройства, в котором поток воздуха выпускается в переднем от вентилятора направлении без использования лопастей. На этом основании можно считать, что безлопастной вентилятор имеет выходную область или зону выпуска без лопастей или лопаток, из которой поток воздуха выходит в направлении, приемлемом для пользователя. Безлопастной вентилятор может снабжаться воздухом с помощью источника первичного воздуха от множества источников или генерирующих средств, например, насосов, генераторов, электродвигателей или других устройств подачи текучей среды, которые включают в себя вращающиеся устройства, например, ротор электродвигателя и лопастной вентилятор для создания потока воздуха. Подача создаваемого электродвигателем воздуха вынуждает воздух проходить из пространства помещения или среды, окружающей вентилятор, по внутреннему каналу к соплу и затем наружу через выпускное отверстие.
Описание вентилятора как такового не предусматривает подробного описания источника питания, электродвигателей и компонентов, необходимых, например, для выполнения вентилятором вторичных функций. Вторичными функциями вентилятора могут быть, например, освещение, регулирование и колебание вентилятора.
Безлопастной вентилятор обеспечивает выпуск и охлаждающее воздействие, описанные выше, с помощью сопла, которое содержит поверхность Коанда для создания области усиления, использующей эффект Коанда. Поверхность Коанда представляет собой известный тип поверхности, обеспечивающей действие эффекта Коанда на поток среды, выходящий из выпускного отверстия вблизи этой поверхности. Среда имеет тенденцию протекать вплотную к поверхности, почти «прилипая» или «сильно прижимаясь» к поверхности. Эффект Коанда представляет собой уже испытанный и убедительно подтвержденный способ всасывания, где первичный поток воздуха направляется по поверхности Коанда. Описание особенностей поверхности Коанда и эффекта протекания среды по такой поверхности можно найти в статьях, например, Reba, Scientific American, том 214, июнь 1963 г., стр.84-92.
Преимущественно сопло образует отверстие, через которое воздух снаружи вентилятора всасывается потоком воздуха, направляемым по поверхности Коанда. Преимущественно с помощью этой конфигурации может быть спроектирован и изготовлен вентилятор с меньшим количеством частей, чем у известных вентиляторов. Это снижает производственные расходы и сложность изготовления.
Согласно изобретению поток воздуха создается с помощью сопла вентилятора. В дальнейшем описании этот поток воздуха будет упоминаться как первичный. Первичный поток воздуха выходит из сопла через выпускное отверстие и предпочтительно проходит по поверхности Коанда. Первичный поток воздуха всасывает воздух, окружающий выпускное отверстие сопла, которое действует как усилитель потока как первичного, так и захваченного воздуха. Захваченный воздух в дальнейшем будет называться вторичным потоком воздуха. Вторичный поток воздуха всасывается из помещения, участка или внешней среды, окружающих выпускное отверстие сопла вблизи вентилятора. Первичный поток воздуха, направленный по поверхности Коанда и объединенный с вторичным потоком воздуха, захваченным усилителем воздуха, дает общий поток воздуха, выпускаемый или переносимый в направлении пользователя от отверстия, образованного соплом. Общий поток воздуха является достаточным, для создания охлаждения.
Поток воздуха, переносимый таким вентилятором к пользователю, обладает тем преимуществом, что он имеет низкую турбулентность и более линейный профиль потока, чем профиль, создаваемый другими известными устройствами. Линейный поток воздуха с низкой турбулентностью эффективно перемещается из точки выпуска и теряет меньше энергии, а также имеет меньшие потери скорости на турбулентность, чем воздушный поток, создаваемый известными вентиляторами. Преимущество для пользователя состоит в том, что охлаждающее действие может ощущаться равномерным на некотором расстоянии, при этом увеличивается общая эффективность вентилятора. Это означает, что пользователь может выбрать место для вентилятора на некотором расстоянии от рабочей площади, чтобы ощущать охлаждающее воздействие вентилятора.
Преимущественно вентилятор обеспечивает всасывание воздуха, окружающего выпускное отверстие сопла, так, чтобы первичный поток воздуха усиливался, по меньшей мере, на 15%, в то же время, поддерживая плавный общий выпуск. Характеристики всасывания и усиления вентилятора позволяют получить вентилятор с более высокой эффективностью по сравнению с известными устройствами. Поток воздуха, выпускаемый из образованного соплом отверстия, имеет приблизительно прямоугольную эпюру скоростей по диаметру сопла. В общем, скорость и профиль потока могут быть описаны как для поршневого режима потока с некоторыми участками, имеющими ламинарный или частично ламинарный поток.
Предпочтительно сопло содержит петлю. Форма сопла не ограничивается требованием включить в нее пространство для лопастного вентилятора. В предпочтительном варианте осуществления изобретения сопло является кольцевым. С помощью кольцевого сопла вентилятор потенциально может обслуживать широкий участок. В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения сопло является, по меньшей мере, частично кольцевым. Эта конфигурация может обеспечить множество вариантов конструкции вентилятора, увеличивая выбор, доступный пользователю или заказчику.
Предпочтительно внутренний канал является непрерывным. Это обеспечивает плавный свободный поток воздуха в сопле, уменьшает потери на трение и снижает уровень шума. В этой конфигурации сопло может быть изготовлено в виде единой детали, что снижает сложность конструкции и, тем самым, уменьшает производственные затраты.
Выпускное отверстие может быть по существу кольцевым. Посредством по существу кольцевого выпускного отверстия общий поток воздуха может выпускаться в направлении пользователя на широком участке. Преимущественно источник освещения в помещении или в месте установки настольного вентилятора или естественное освещение могут достигать пользователя через центральное отверстие.
Преимущественно выпускное отверстие концентрично внутреннему каналу. Эта конфигурация будет иметь привлекательный внешний вид, а концентричное с каналом расположение выпускного отверстия облегчает изготовление. Предпочтительно поверхность Коанда продолжается симметрично относительно оси. Более предпочтительно угол между поверхностью Коанда и осью составляет 7°-20°, предпочтительно около 15°. Это обеспечивает эффективный первичный поток воздуха по поверхности Коанда и ведет к максимальному всасыванию воздуха и максимальному вторичному потоку воздуха.
Предпочтительно сопло в направлении оси продолжается на расстояние, по меньшей мере, 5 см, а вокруг оси - предпочтительно на расстоянии 30-180 см. Это обеспечивает возможность выбора вариантов выпуска воздуха в диапазоне различных площадей выпуска и размеров отверстий, например, это может быть пригодно для охлаждения верхней части туловища и лица пользователя, когда он работает, например, за рабочим столом. В предпочтительном варианте осуществления изобретения сопло содержит диффузор, расположенный после поверхности Коанда. Угловая конфигурация поверхности диффузора и форма аэродинамического профиля поверхности сопла могут улучшить усиливающие свойства вентилятора и в то же время свести к минимуму шумовое воздействие и потери на трение.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения сопло содержит по меньшей мере одну стенку, образующую внутренний канал и выпускное отверстие. Эта по меньшей мере одна стенка содержит противолежащие поверхности, образующее выпускное отверстие. Предпочтительно расстояние между противолежащими поверхностями у выхода из выпускного отверстия составляет 1-5 мм, более предпочтительно примерно 1,3 мм. С помощью этой конфигурации сопло может иметь требуемые свойства потока для направления первичного потока воздуха по поверхности Коанда и иметь относительно равномерный или близкий к равномерному общий поток воздуха, доходящий до пользователя.
В предпочтительном варианте выполнения вентилятора средство создания потока воздуха через сопло содержит крыльчатку, приводимую в действие электродвигателем. В таком выполнении вентилятор эффективно создает поток воздуха. Более предпочтительно средство создания потока воздуха содержит бесщеточный электродвигатель постоянного тока и диагональную крыльчатку. Такая конструкция снижает потери на трение от щеток электродвигателя, а также уменьшает количество частиц графита от щеток в традиционных электродвигателях. Снижение количества частиц графита и выбросов является преимуществом в смысле чистоты или загрязнения экологически чувствительной среды, например, больницы или места, где находятся страдающие аллергией.
Сопло может вращаться или поворачиваться относительно основания или другой части вентилятора. Это позволяет направлять сопло по необходимости к пользователю или от него. Вентилятор может быть настольным, напольным, или крепиться к стене или потолку. Это может увеличивать участок помещения, в котором пользователь ощущает охлаждение.
Вариант осуществления изобретения описан далее со ссылкой на чертежи.
На фиг 1 показан вентилятор, вид спереди;
на фиг.2 - часть вентилятора, изображенного на фиг.1, вид в перспективе;
на фиг.3 - разрез по А-А на фиг.1;
на фиг.4 - фрагмент вентилятора, изображенного на фиг.1, в увеличенном масштабе, вид сбоку в разрезе;
на фиг.5 - разрез по В-В на фиг.3, показанный в направлении по стрелке F.
На фиг.1 показан пример выполнения вентилятора 100, вид спереди. Вентилятор 100 содержит кольцевое сопло 1, образующее центральное отверстие 2. Как показано на фиг.2 и 3, сопло 1 имеет внутренний канал 10, выпускное отверстие 12 и поверхность 14 Коанда, прилегающую к выпускному отверстию 12. Поверхность 14 Коанда расположена таким образом, что поток первичного воздуха, выходящий из выпускного отверстия 12 и направляемый по поверхности 14 Коанда, усиливается за счет эффекта Коанда. Сопло 1 установлено на основании 16, содержащем наружный корпус 18. Основание 16 имеет несколько расположенных на наружном корпусе 18 кнопок 20 для управления вентилятором 100.
В основании 16 расположен электродвигатель 22 для создания воздушного потока через сопло 1. Основание 16 имеет входное отверстие 24 для воздуха, образованное в наружном корпусе 18. В основания 16 расположен кожух 26 электродвигателя, на который опирается электродвигатель 22 и удерживается в закрепленном положении с помощью резиновой опоры или уплотнительного элемента 28.
В показанном варианте осуществления изобретения электродвигатель 22 представляет собой бесщеточный электродвигатель постоянного тока, с валом которого соединена крыльчатка 30. После крыльчатки 30 расположен диффузор 32. Диффузор 32 содержит закрепленный неподвижный диск, имеющий спиральные лопасти.
Вход 34 в крыльчатку 30 связан с входным отверстием 24 для воздуха, образованным в наружном корпусе 18 основания. Выпускной канал крыльчатки 30 и выход 36 диффузора 32 связаны с полыми участками каналов или проходами, расположенными в основании 16 для обеспечения прохода воздуха от крыльчатки 30 к внутреннему каналу 10 сопла 1. Электродвигатель 22 соединен с электрическим разъемом и источником питания и управляется блоком управления (не показан). Связь между блоком управления и несколькими кнопками 20 позволяет пользователю управлять вентилятором 100.
Далее со ссылкой на фиг.3 и 4 будут описаны конструктивные особенности сопла 1. Сопло 1 имеет кольцевую форму, и в данном варианте осуществления изобретения его диаметр составляет примерно 350 мм. Однако сопло может иметь любой необходимый диаметр, например, около 300 мм. Внутренний канал 10 является кольцевым и выполнен в виде непрерывной петли или прохода в сопле 1. Сопло 1 образовано, по меньшей мере, одной стенкой, ограничивающей внутренний канал 10 и выпускное отверстие 12. Сопло 1 содержит внутреннюю стенку 38 и наружную стенку 40. В показанном варианте осуществления изобретения стенки 38 и 40 образуют петлю или загиб, так что внутренняя стенка 38 и наружная стенка 40 приближаются друг к другу. Внутренняя стенка 38 и наружная стенка 40 совместно образуют выпускное отверстие 12, проходящее вокруг оси X. Выпускное отверстие 12 имеет участок 42, сужающийся к выходу 44. Выход 44 представляет собой зазор или расстояние между внутренней и наружной стенками 38 и 40 сопла 1. Расстояние между противолежащими поверхностями стенок 38 и 40 у выхода 44 выпускного отверстия 12 выбирается в диапазоне 1-5 мм. Выбор этого расстояния зависит от требуемых эксплуатационных характеристик вентилятора. В данном варианте осуществления изобретения выход 44 имеет ширину примерно 1,3 мм, при этом выпускное отверстие 12 и выход 44 концентричны внутреннему каналу 10.
Выпускное отверстие 12 прилегает к поверхности 14 Коанда, за которым расположен диффузорный участок сопла 1. Диффузорный участок содержит поверхность 46 для содействия протеканию воздушного потока, создаваемого вентилятором 100. В примере, показанном на фиг.3, выпускное отверстие 12 и общая конфигурация сопла 1 выполнены так, что угол между поверхностью 14 Коанда и осью Х составляет примерно 15°. Угол выбирается из условия обеспечения достаточного потока воздуха по поверхности 14 Коанда. Основание 16 и сопло 1 имеют глубину в направлении оси Х примерно 5 см. Поверхность 46 диффузора и общий профиль сопла 1 основаны на форме аэродинамического профиля, и в показанном примере диффузорный участок продолжается на расстояние, равное примерно двум третям общей глубины сопла 1.
Вентилятор 100 работает следующим образом.
После того, как пользователь сделает соответствующий выбор и нажмет выбранную кнопку 20 для управления или приведения в действие вентилятора 100, отправляется сигнал на приведение в действие электродвигателя 22. Электродвигатель 22 включается, и воздух всасывается в вентилятор 100 через впускное отверстие 24. В предпочтительном варианте осуществления изобретения воздух всасывается с производительностью примерно 20 - 30 л/с, предпочтительно около 27 л/с.Воздух проходит через наружный корпус 18 и по траектории, показанной стрелкой F на фиг.3, поступает к входу 34 крыльчатки 30. Воздух, выходящий из выхода 36 диффузора 32 и выпускного канала крыльчатки 30, разделяется на два потока, которые движутся в противоположных направлениях по внутреннему каналу 10. Поток воздуха сужается при входе в выпускное отверстие 12 и дополнительно сужается на выходе 44 из него. Воздух выходит из выхода 44 как первичный поток воздуха.
Выпуск первичного потока воздуха создает зону пониженного давления у впускного отверстия 24, обеспечивая всасывание дополнительного воздуха в вентилятор 100. Действие вентилятора 100 создает интенсивный поток воздуха через сопло 1 и обеспечивает его выход через отверстие 2. Первичный поток воздуха направляется по поверхности 14 Коанда и поверхности 46 диффузора, усиливаясь за счет эффекта Коанда. Вторичный поток воздуха создается всасыванием воздуха из внешней среды, в частности, из области вокруг выхода 44 и вокруг наружного края сопла 1. Часть вторичного потока воздуха, всасываемая первичным потоком воздуха, также может направляться по поверхности 46 диффузора. Этот вторичный поток воздуха проходит чрез отверстие 2, где он объединяется с первичным потоком воздуха для образования общего потока, который переносится вперед вентилятора 100 с расходом в диапазоне от 500 до 700 л/с.
Сочетание всасывания с усилением потока приводит к получению общего потока воздуха из отверстия 2 вентилятора 100, который превышает поток воздуха от вентилятора без поверхности Коанда, смежной с зоной выпуска.
Усиление потока и его ламинарное течение приводят к получению установившегося потока воздуха, направляемого к пользователю от сопла 1. Производительность на расстоянии от пользователя до 3 диаметров сопла (т.е. примерно 1000-1200 мм) составляет около 400-500 л/с. Общий поток воздуха имеет скорость примерно 3-4 м/с. Высокие скорости достигаются за счет уменьшения угла между поверхностью 14 Коанда и осью X. Небольшой угол приводит к получению более сфокусированного общего потока воздуха. Такой поток воздуха обычно имеет высокую скорость, но уменьшенный массовый расход. Наоборот, большой массовый расход может быть достигнут за счет увеличения угла между поверхностью Коанда и осью. В этом случае скорость созданного потока воздуха уменьшается, но расход увеличивается. Таким образом, эксплуатационные характеристики вентилятора могут быть изменены за счет изменения угла между поверхностью Коанда и осью X.
Изобретение не ограничено приведенным здесь описанием. Специалисту в этой области техники понятны варианты осуществления изобретения. Например, вентилятор может иметь различную высоту или диаметр. Основание и сопло вентилятора могут иметь различную глубину, ширину и высоту. Вентилятор не обязательно устанавливать на столе, он может стоять без крепления или может быть установлен на стене или на потолке. Форма вентилятора может быть адаптирована к любой ситуации или месту, где необходим охлаждающий поток воздуха. Переносной вентилятор может иметь небольшое сопло, например, диаметром 5 см. Средством для создания потока воздуха через сопло может быть электродвигатель или другое устройство, создающее поток воздуха, например, компрессор или вакуумная установка, которые могут быть использованы для создания вентилятором потока воздуха в комнате. Электродвигатель может быть, например, асинхронным электродвигателем переменного тока или бесщеточным двигателем постоянного тока, однако могут использоваться любые пригодные устройства перемещения или транспортирования воздуха, например, насос или другие средства создания прямолинейного потока воздуха. После электродвигателя может быть расположен диффузор или вторичный диффузор для восстановления некоторой части статического давления, потерянного в кожухе электродвигателя и в электродвигателе.
Выход из выпускного отверстия может быть модифицирован: расширен или сужен до различных размеров с целью максимального увеличения потока воздуха. Эффект Коанда может быть получен на ряде различных поверхностей, или ряд внутренних или наружных конструкций может быть использован совместно с целью получения требуемого потока и всасывания.
Кроме того, сопло может иметь другие формы. Например, может быть использовано сопло овальной форму или формы «беговой дорожки», отдельной полосы, линии или блока. Поскольку имеется доступ к центральной части вентилятора из-за отсутствия лопастей, в отверстии, образованном соплом, могут быть расположены дополнительные конструктивные элементы, например подсветка, часы или ЖК-дисплей.
Кроме того, основание может быть поворотным или наклонным, чтобы пользователю было удобно перемещать и регулировать положение сопла.