CN104884812A - 层流径向吊扇 - Google Patents

Abstract

现有技术已使用连接至固定电机(通常地，电动机)的斜叶片使得建筑物或房间界限内的空气运动。本优选发明包含一系列固体圆盘。圆盘被固定到固定电动机，从而绕中心轴线旋转。圆盘被均等地间隔开且在中心处被穿孔，以允许大体积的空气流动通过穿孔并沿圆盘经过，从而在每个圆盘之间垂直于位于其入口处的空气流对称地离开。由于较少限制或低压的空气入口以及合适的竖直圆盘间隔，实现了层流的相应增大。本优选发明的这种特征允许以吊扇实际使用的旋转速度操作。

Description

层流径向吊扇

本发明的背景技术

本文公开的发明通过利用空气的强制运动维持居所内的人体舒适水平。当温度暖和时，在人造风经过人体时，有助于让人觉得凉爽。

本发明的优选实施例是吊扇。任何风扇的任务都是将风扇的运动(典型地，平的斜叶片的运动)转化为空气的运动。现有技术利用由电机旋转的叶片导致空气的运动，从而产生人造风。

自从二十世纪中期以来，诸如中央空调系统的系统被装入室内以在夏季期间控制家里的内部温度。这些系统添加了加热元件以使业主具有非凡的中央系统。然而，由这些系统产生的热气或冷气的分布的局限性已经表明房间或封闭的结构区域内的不均匀分布使得要增加吊扇以在房间或封闭的结构区域内增补空气的流通，以使用户觉得舒适。

如上所述，通过使用吊扇明显地增加房间的界限内的空气的运动，已经部分地解决了作为制热和/或制冷系统的一部分的缺陷，吊扇的正常操作状态是其操作连续。当制热/制冷系统从操作到其关闭状态循环时发生这种连续操作。

现有技术的叶片式吊扇的另一益处是，通过改变制热/制冷系统的设定温度的能力以减少其操作时间而引起的能耗的总体降低，但中央制热/制冷系统仍能以较低的工作周期为用户提供舒适水平。

空气的已知物理属性有助于吊扇的补充帮助。具体的，事实是，具有较大密度的较冷空气将寻求较低的水平面，而较热的空气上升。当使用制冷空气源系统时，现有技术的风扇将驱动位于天花板水平面处的较热空气向下，试图在房间的界限内创建较高状态的运动，从而试图均衡冷空气的分布。现有技术的大多数吊扇包括通过反转风扇叶片的旋转方向来反转空气流的能力。反转流的目的在于，在冬季的几个月中，当使用制热/制冷系统的中央制热特征时，增大热空气的分布。在反转流的操作期间，位于天花板处的较热空气循环穿过天花板，且这种运动的期望结果是创建更均等地分布房间空气的循环。

需要注意的是，现有技术的所有吊扇试图通过与房间的竖直表面平行地从而与房间的水平表面垂直地移动空气，而获得用户在舒适度方面的改善。因此，现有技术的空气循环的运动局限于通常在房间的中心处发现的单个增压空气柱，或对于较大的房间，将在天花板上固定多个风扇。为简便起见，我们描述优选实施例，在典型的独院住宅内的普通房间的中心安装单个单元。

如前所述，现有技术的斜叶片吊扇推动单个竖直空气柱从天花板向下到地板。

现有技术使用单个竖直空气柱的运动碰撞房间的水平表面中的一个，从而要求这个空气柱的突然的90度转弯。这将造成无效的气流紊流。因此，现有技术在尝试有效地循环空气并使自然热层和冷层均衡或均匀的方面是有缺点的。

存在可选的风扇设计。在其最基本设置中，其包括两个平行的平圆盘。圆盘旋转进而旋转困于圆盘之间的气团。离心力作用于气团上，将其向外驱离到圆盘边缘之外，从而进入到周围的空气空间。如果圆盘具有允许新空气取代被驱离的空气的某种路径，则旋转的圆盘将使空气循环。因此，无需传统的风扇叶片，旋转的圆盘可以使空气循环。

现有技术已将这种结构公认为“泰斯拉涡轮机(Tesla turbine)”、“普朗特层涡轮机(Prandtl layer turbine)”或“圆盘类型”涡轮机。这种设计已被认为只在水力涡轮机或高压空气应用(如，真空吸尘器电机或喷气式引擎涡轮机)的情况下是有用的。

在房间风扇的情况下，泰斯拉涡轮机被认为是不实用的，因为在一个大气压力的标准气压下，如果没有不切实际地巨大的体积，泰斯拉涡轮机被认为根本不可能使足够体积的空气运动。设备将需要非常多的圆盘，每个圆盘都非常大且圆盘必须以远远超出可实现的RPM(每分钟的转数)进行旋转。

出人意料地，本发明人发现，圆盘类型风扇的实际设计在标准大气压力下是可操作的。确实，正如本领域技术人员将从公开的发明中了解到的，圆盘类型风扇不只实用而且改进现有技术的风扇系统。

本发明的目的

发明“目的”的以下公开旨在描述用于将本发明与现有技术进行比较或对照的示例，或优选实施例。然而，这种公开并非意图以任何方式限制所主张的发明。

因此，本发明的一般目的在于提供一种满足目的并最小化先前所描述的类型的限制的吊扇装置。

本发明的特定目的在于提供一种吊扇，该吊扇以增加的层流将其输出侧向地推动到其旋转平面。

本发明的另一个特定目的在于当不同温度的空气用于房间的界限内时，提供不同温度的空气的完整循环和混合。

本发明的另一个特定目的在于平行于其旋转平面的所有方向(360°)上，分散其大体积的层流空气移动。

本发明的另一个目的在于使得空气畅通无阻地进入吊扇。

本发明的另一个目的在于无需由畅通无阻输入的空气引起的冲击即可驱离输出的层流空气。

本发明的优选实施例的概述

为了提供现有技术的缺陷的解决方案，本发明的优选实施例提供层流径向吊扇，该层流径向吊扇包括大体等距地堆叠并具有绕中心轴线的径向对称性的多个圆盘。通过绕所述中心轴线旋转所述圆盘，风扇进行操作。所述旋转的圆盘以这样的方式制作：允许空气畅通无阻地从所述圆盘中的中心开口进入，然后通过圆盘阵列之间的等间距以大体积层流从所有方向离开，当使用本优选发明时，房间内的这种独特的空气流消除任意不流通的空气。由于相对小的输入孔，现有技术试图以吊扇惯用的有用旋转速度获得增加的层流的尝试失败。

此外，由于相对低压宽输入孔，本优选发明改进了空气运动的动作。当空气返回风扇时，空气作倒扩展圆锥形式旋转。这种圆锥形的返回空气的起点在房间内的最低点(地板)，其基底扩展至房间的竖直边界(墙)。这种圆锥返回空气的顶端是风扇的基底处的其输入开口。

附图

通过结合附图对实施例进行以下的详细描述，本发明的目的和优点将变得明显，其中：

图1示出了空气离开风扇的优选气流图案；

图2示出了突出空气返回的优选气流图案(圆锥形返回图案)；

图3示出了包括离开风扇和进入风扇的独特气流路径的优选实施例的完整视图；

图4示出了优选发明的爆炸图；

图5为优选发明的单个从动圆盘的俯视图；

图6为示出了配合腔的两个竖直隔离件的横截面视图；

图7A-D示出了整流片(进一步推进空气层流的设计变化)的各种视图；

图8是包括电机附件和平滑的圆锥形状以促进空气层流的优选实施例的顶部或主动、驱动圆盘；

图9是优选实施例的连接保持环的俯视图；

图10是安装在图9的连接保持环上的螺栓接纳圆柱的横截面。

详细说明

对现有技术的一个改进是更有效的空气循环。由于多个圆盘及其特定大小、形状以及相对定位，在优选实施例中，风扇产生在整个标准房间内有效地循环空气的层流空气循环图案。例如，如图1所示，当风扇位于天花板的中心时，空气水平地越过天花板从旋转圆盘出来，在各个方向上均匀地朝房间的墙壁扩散。在墙处，空气平行于墙向下行走，空气流沿着地板向内转并朝着房间中心往回行走，再次参见图1。接下来，如图2所示，空气以倒圆锥图案朝向位于风扇底部的空气返回孔向上旋转。最后，空气通过空气返回孔进入风扇，从而完成循环图案。

这种空气循环是各种功能性风扇设计的经验实验的结果，每个功能性风扇设计结合风扇的各种特征，特别是圆盘尺寸、圆盘数目以及圆盘相对定位。

这些空气图案是由图3中示出的风扇(被构造为层流吊扇)产生的，该层流吊扇也在以下的图4中的爆炸图中示出。水平箭头407示出离开风扇并超出从动圆盘401的边缘的空气。返回空气406被示出通过中心空气返回孔(也参见图5的103)进入风扇。当空气进入风扇时，通过以下图8中更详细地描述的主动驱动圆盘的圆锥形部408，被平稳地向外引导。这种在不明显扰乱空气流的层流的情况下将空气流引导进和引导出风扇的新特征是现有技术完全不具备的独特属性。

图3的实施例包括安装在下面的8个从动圆盘401的阵列之上的一个主动，或驱动圆盘405。连接主动圆盘和从动圆盘的贯穿螺栓402穿过竖直隔离件403，竖直隔离件403保持从动圆盘401彼此平行且彼此间隔开预定距离。主动圆盘还以引导空气通过空气进入路径406进入到在阵列旁边示出的层流输出407的本发明的平滑圆锥形状为特征。

图4是完整风扇的爆炸图。501是电机。贯穿螺栓502穿过整个阵列，将整个从动圆盘阵列连接到主动驱动圆盘503，并在连接和保持环504处终止。在风扇操作期间，基座空气导引件505覆盖电机安装螺钉组件506，而在风扇装配和服务期间，基座空气导引件505可以被移除。这个组件将电机501连接到主动驱动圆盘503。

完整的从动圆盘阵列507和主动驱动圆盘503被示为通过固定穿过主动驱动圆盘电机安装螺钉孔506的5个机用螺钉而被装配并固定到固定的驱动电机501，从而完成本优选发明的制造。电机501分别地旋转整个主动驱动圆盘503和从动圆盘阵列507。

图5是优选实施例的单个从动圆盘101的俯视图。优选地，每个从动圆盘由塑料原料注射成型并被同样地制造为具有圆形开口。空气进入腔103位于每个圆盘的中心。风扇中的每个圆盘将具有空气进入腔103。当如图3中所示将圆盘堆叠在一起时，空气进入腔将产生空气流入的空气返回孔406，这将在下面更全面地解释。

优选地，通过塑料注射成型制造从动圆盘101以在其两侧上产生平滑表面。平滑表面是用于促进旋转圆盘101上的层流的优选表面。当然，设计为促进层流的任意表面将用于本发明。这在可以被先进的航空工程学采用的高端设计中尤其准确。

利用以下的等式得到空气进入腔103的直径。圆盘内直径(ID)是单个圆盘的表面积(A)的函数，如下所示：

$\mathrm{ID}=\sqrt{A}$

从动圆盘105的外直径(OD)如下被确定：

OD≌1.5×ID

或，更精确地：

$\mathrm{OD}=\sqrt{\frac{4+\mathrm{\π}}{\mathrm{\π}}}\×\mathrm{ID}$

当然，准确的ID:OD比例的一些变化是允许的。实际上，在特定条件(房间大小，大气压力)下，为了实现最佳性能，可以执行一些测试并且百分之二、百分之五、百分之十并且多达百分之十五的变化可能是必要的。

在优选实施例中，表面积(A)为约500平方英寸，外直径(OD)为约34英寸以及内直径(ID)为约23英寸。

确定阵列301中的圆盘的最佳数目。当将从动圆盘的数目从1增加到8，风扇工作地更有效。(请注意，如果主动圆盘被计入在内，则这个范围是2到9。)在优选实施例中，当阵列中的圆盘从7个增加到8个时，存在效率的边际(marginal)但明显增长。出人意料地是，当数目增加为超过8个时，观察不到效率的提高，因此8个成为上限。

项102描述具有竖直圆柱形或空气动力形状的整体隔离件。圆盘之间的空间，竖直尺寸(V)是圆盘外直径(OD)和内直径(ID)的函数，如下所示：

V＝(OD-ID)×0.0625

在优选实施例中，竖直尺寸(V)是0.75英寸。

当先前的公式提供用于设计所主张的发明的实施例的有用方案时，理所当然的存在竖直尺寸的允许变化，但是允许的变化惊人地小。我们估计，当竖直距离增加10％的幅度时，层流将继续存在，但在竖直距离增加100％的幅度后，层流将会消失。当然，对于高端使用，可以通过暴力试验确定用于特定实施例的最大竖直尺寸限值。简单地建立具有不同竖直尺寸的各种风扇直到发现层流胜过湍流且最大化运动的空气体积的最佳距离。

图6是隔离件的垂直剖面图。一组隔离件以在一圆上均匀分布的图案绕从动圆盘分布，各个隔离件之间间隔一定距离，在优选实施例中，这个间隔的距离为从圆盘的ID到圆盘的OD的距离的1/3。在优选实施例中，沿着图5中的虚线104指示的弧，塑造总数为10个的整体竖直隔离件，并如上所述均匀地分散。

图6示出允许隔离件竖直堆叠的优选设计。如上所述，隔离件102提供从动圆盘阵列401中的每个圆盘之间的均匀竖直分隔，且以允许贯穿螺栓402、502穿过圆盘阵列的中心孔102a为特征。此外，整体隔离件具有符合并接受竖直隔离件配对部(counterpart)102b匹配的连接和对齐腔101b，这将导致下一个连续的圆盘被放置在竖直隔离件的肩部103b上。

图7A-D示出可以在图6的竖直隔离件中随意连接的层流翼叶片。图7A是轴测图。图7B是俯视图。图7C是主视图，图7D是右视图。每个叶片701的高度703小于叶片所安装到其上的竖直隔离件的高度，安装孔702的直径稍微大于竖直隔离件的外径。这些特征合在一起允许叶片自由地旋转。整个叶片可以改变它的冲角以与进入的层流空气的运动对齐，由于空气速度的改变、电机RPM(每分钟的转数)的改变等，进入的层流空气的运动可以不时变化。由于放置在进入的层流空气的路径中并旋转的竖直叶片的离心力，这些叶片701增大输出空气速度。效果类似于拿一张平的纸板在人脸之前摇动以产生冷风的效果。

示出的叶片是优选实施例，并且根据期望的层流翼型的类型，其可以呈现不同的形状。如果需要的话，叶片也可以被制作成固定的。

图8是为从动圆盘阵列401以及通过电机安装孔303的驱动电机提供连接基座的顶部主动驱动圆盘301的描述。优选地，主动圆盘301被模塑为单件。主动驱动圆盘301，在轴测图中，示出允许螺栓穿过并连接到连接保持环201的螺栓通过孔302。请注意，对齐腔304的形式与图5和图9中的形式相同，以便贯穿螺栓和竖直隔离件102可以从最顶层的圆盘通过阵列到达风扇底部上的保持环。请再次注意，主动驱动圆盘具有圆锥共形空气导引件305，以辅助空气的进入以及通过提供进出旋转圆盘阵列的畅通无阻的空气通路增大层流。

图9和图10分别示出保持环和保持环螺栓。在俯视图中示出连接保持环201。保持环的目的在于接纳经过主动驱动圆盘301(参见图8)以及圆盘阵列中的每个从动圆盘的螺栓。图10示出对齐和保持环螺栓接纳圆柱201a，202a，对齐和保持环螺栓接纳圆柱201a，202a被设计为嵌入底部从动圆盘101并被形成为接受通过中心孔102a的螺纹栓。以与整体竖直隔离件201的图案相匹配的图案分布这些保留螺栓。通过虚线203描绘这种图案。螺栓接纳圆柱201a与位于螺栓的底部的对齐腔101b共形。连接保持环201被固定到阵列401的底部圆盘，以便它的上表面与最底层的圆盘平齐。

本优选发明作为单元将具有如由前述等式所描述的数目的圆盘。本优选发明的操作旋转速度在常规吊扇的正常范围内。电机501被设计为根据用户期望的层流空气速度调节各种速度。下面的公式可以用于描述气流的压力。这被定义为由离开风扇的空气产生的压力与周围的空气压力的差值，(P2-P1)。

其中“流体密度”是标准空气密度，R2和R1是分别从旋转的圆盘中心测量的到圆盘外边缘和内边缘的距离。

如上所述，现有技术的风扇的气流图案是低效的。它们通常被限于产生空气柱的单个柱取代周围空气。绕风扇的叶毂旋转的叶片的直径限定这个空气柱的大小。而且，在典型的安装中，空气柱离开位于房间中心的风扇，在这个空气柱侧向的任意点处空气柱具有有限的效果，直到空气柱接触到房间的水平面。在夏季期间，比周围的空气稍微凉爽和密集的空气柱将向下偏转，允许热空气聚集在天花板附近，这是制冷房间的非常低效的方式。

在本发明的描述中，参考优选实施例和本发明的说明性的优点。本领域内熟悉本主题发明的目前公开的技术人员可以认识到增加、删除、修改、替换以及其他改变将落入本主题发明和权利要求的范围内。

例如，上述实施例的一个中，在阵列中具有8个圆盘作为最佳数目。然而，这个阵列的大小取决于被设计为常规大小的房间内的家用的风扇。然而，不存在风扇是这个特定大小的理论上的理由。实际上，给定适当的预算，可以设计适于大型工业空间的风扇阵列。在这些应用中，空气返回孔将更大，阵列中的圆盘的最佳数目可以更大。最有可能的，制造这些更大的圆盘将会更贵。圆盘将受到更大的离心力，反过来，这将要求成比例地更强更贵的材料。尽管如此，构建可以处理大型仓库或飞机库的阵列，不存在理论上的问题。

除了已经描述的设计特征，发明人具体地展望，促进层流的任意的空气动力特征在所主张的发明的某些实施例中是有用的。此描述只提及了一些相当有成本效益的特征。根据可用的预算，另外的特征也变成合适的。

本发明的主要优点的概述

在阅读并理解依照本发明的优选实施例的本发明的层流吊扇的前述详细描述之后，应当理解的是，可以获得本主题的层流吊扇的一些显著优点。

主要优点的至少一些包括提供由塑料制成且被注塑成型为具有整体竖直隔离件的圆盘阵列401。由于允许实现圆盘的竖直堆叠的整体竖直隔离件102，无需夹具即可简单地构建圆盘阵列。当通过驱动电机501旋转完整的圆盘阵列401时，将通过开放的空气入口406畅通无阻地吸入空气并在与旋转方向平行的所有360度的方向上以相对于现有技术高的体积和较低的RPM排出层流空气。当与现有技术的吊顶叶片式风扇相关使用时，本优选发明导致的循环使房间内的空气均匀以引起被加热或被调节的空气的均匀温度分布，且无需其旋转方向的任何改变。

Claims (14)

1.一种产生层流空气循环的方法，包括：

装置，所述装置包括：

多个圆盘，所述多个圆盘平行定向、彼此间隔开且具有共同的中心轴线，所述多个圆盘包括最底层圆盘，每个圆盘具有外圆周和内圆周，所述内圆周限定出位于中心的中心孔；

杆，所述杆位于所述装置的中心轴线处且具有外表面；

所述多个圆盘围绕所述杆安装以在所述杆的所述外表面和所述最底层圆盘的所述内圆周之间形成空气返回空间；以及

所述圆盘安装为所述圆盘绕所述中心轴线自由地旋转；产生所述层流的方法步骤包括：

以足以使空气向上流入所述空气返回空间，在所述圆盘之间向外流动，流出超出所述圆盘外圆周和周围的空气空间的速度旋转所述圆盘，

其中，在所述装置上操作的所述方法步骤在所述周围的空气空间内大体产生层流空气循环。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述装置进一步包括具有带凹侧面的倒圆锥的大体形状的所述杆，以使得所述杆协助促进空气层流。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述周围的空气空间是建筑物内的房间，所述建筑物选自由私人居所、零售业务空间、前台业务空间以及后台业务空间组成的组。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述多个圆盘的数目为5-8个。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述多个圆盘包括由电机驱动的单个驱动圆盘，以及由所述驱动圆盘驱动的4-7个从动圆盘。

6.根据权利要求4所述的方法，其中，所述圆盘的每个是大体相同的，所述圆盘外圆周为约30-38英寸，所述圆盘内圆周为约20-24英寸。

7.根据权利要求4所述的方法，其中，每个所述圆盘以约0.7到约0.8英寸的距离间隔开。

8.一种装置，包括：

多个圆盘，所述多个圆盘平行定向、彼此间隔开且具有共同的中心轴线，所述多个圆盘包括最底层圆盘，每个圆盘具有外圆周和内圆周，所述内圆周限定出位于中心的中心孔；

杆，所述杆位于所述装置的中心轴线处且具有外表面；

所述多个圆盘围绕所述杆安装以在所述杆的所述外表面和所述最底层圆盘的所述内圆周之间形成空气返回空间，以及

所述圆盘安装为所述圆盘绕所述中心轴线自由地旋转；

其中，所述空气返回空间的大小，所述杆的所述外表面形状，所述多个圆盘的间隔距离，所述圆盘的数目以及旋转的速度被配置为在所述装置周围的空间内大体地产生层流空气循环。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述装置进一步包括具有带凹面的倒圆锥的大体形状的所述杆，以便所述杆协助促进空气层流。

10.根据权利要求8所述的方法，其中，所述周围的空气空间是建筑物内的房间，所述建筑物选自由私人居所、零售业务空间、前台业务空间以及后台业务空间组成的组。

11.根据权利要求8所述的方法，其中，所述多个圆盘的数目为5-8个。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述多个圆盘包括由电机驱动的单个驱动圆盘，以及由所述驱动圆盘驱动的4-7个从动圆盘。

13.根据权利要求11所述的方法，其中，所述圆盘的每个是大体相同的，所述圆盘外圆周为约30-38英寸，所述圆盘内圆周为约20-24英寸。

14.根据权利要求11所述的方法，其中，每个所述圆盘以约0.7到约0.8英寸的距离间隔开。