防尘风扇的研究与设计周

俞秋子 葛苗 张雪 谷彩云 蔡云

摘要：为解决传统风扇容易积灰、清洗难度大的问题，研究设计出了一种减少灰尘积累、便捷清理的新型防尘风扇。通过对传统风扇积累灰尘原因的研究，正向利用静电吸附，将研究结果与实际应用相结合，使防尘风扇对灰尘的吸附、溶解、过滤各环节的设置更优。

关键词：防尘风扇;回流水管;半透膜;创新;设计

中图分类号：TP391        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2020）28-0214-02

传统风扇容易积灰，将积累的灰尘洗涤掉往往需要对风扇进行拆卸，十分耗费精力和时间，且很多公共场所（如教师、宿舍等）风扇吊顶放置，清理更加困难、清理人员清理高处的风扇也不安全。以解决风扇积灰不便于清洁为目的对防尘风扇进行设计与研究，致力于设计出可以更加便捷地进行清洁、减少灰尘积聚的新型风扇，希望可以通过该新型风扇便捷人们的生活，减少人力物力的消耗，增加人们生活的质量。

1防尘风扇设计方案

风扇聚集灰尘是因为风扇在转动时，侧刃与空气接触并不断摩擦使扇叶带上了静电，从而使扇叶不断吸收室内漂浮的细小灰尘，同时风扇转动使风扇周围的空气流速变大，和外面的空气形成压力差，导致灰尘也被压力推向风扇。在长久使用过程中，灰尘不断地被吸附在扇叶上，再和大气中的水蒸气不断结合产生结露反应，导致灰尘黏糊在风扇上，非常难以清理。

故在侧刃上设计回流水管，管壁的缝隙大小控制在万分之一毫米左右，使得灰尘可以进入管内，而管内的溶剂不能出去。因为伯努利原理，流速大的地方压强小，风扇转动的时候，气压会把灰尘压向管壁，从而使灰尘进入回流水管，随后被溶剂溶解。回流水管通过小型发动机带动，管内的溶剂会随着风扇的启动进行循环，在循环末端设置过滤器，将溶剂中的灰尘过滤掉，定期更换过滤掉的灰尘即可。

2回流水管的设置

2.1回流水管位置的设置

考虑灰尘的吸收效率，回流水管应设置在风扇最容易积灰的地方。对传统风扇进行多方面观察，发现在传统风扇扇叶沿风扇旋转方向一侧的侧刃处积灰最多，且灰尘量从侧刃处到扇面逐渐降低;风扇扇叶远离中心轴的一端灰尘最多，且灰尘量从远离中心轴的一端向内逐渐降低。

通过对风扇表面积灰程度的观察研究，为最大限度地吸收灰尘，将回流水管设置在风扇的侧刃处，又考虑到实际应用的便捷和美观，将新型防尘风扇的扇叶进行改造，在风扇侧刃处嵌入回流水管。使得新型防尘风扇可以保持传统风扇的使用效率及习惯，同时使得灰尘能快速被回流水管所吸收。

根据伯努利原理：在流体中，速度越小，压强越大;速度越大，压强越大。在风扇快速旋转的时候，风扇周围的压强增加将空气中的灰尘压向风扇侧刃，如在传统风扇的情况下，这些灰尘会逐渐积累在风扇扇叶上，并随着时间灰尘与空气中的水蒸气产生结露反应，难以清理。设置回流水管則使灰尘在被压向风扇侧刃时就可以被扇叶侧刃嵌入的回流水管吸收，从而不会有后续的灰尘积累过程，以此大大降低风扇的清理难度。

回流水管是新型防尘风扇的创新点，与传统风扇相比较，回流水管的增加没有使新型防尘风扇的成本过高，且与传统风扇的外形没有过大变化，新型防尘风扇的设计使其在防尘之外，同样拥有很好的风感，不影响日常的使用，且使用方法与传统风扇无异，简单方便，但却大大降低了传统风扇的清理难度。

2.2回流水管半透膜及管内溶剂的选择

风扇的侧刃最先与空气摩擦，也是灰尘聚集最多的地方，因此回流水管设置在风扇的侧刃处，沿着风扇的侧刃环绕一周，为使灰尘顺利进入环流水管中，对于回流水管采用半透膜制成。不同材料半透膜的间隙直径不同，而灰尘颗粒的直径一般在万分之一到百万分之一毫米。为使灰尘可以最大限度被吸附，选择使用的半透膜的间隙直径应在万分之一毫米左右。

考虑实际应用，在半透膜间隙直径确定的情况下，管内溶剂要适量增稠，确保环流水管可以吸收灰尘，同时管内溶剂不能出去。对于具体溶剂的配比，本文不再赘述，可以通过设计多次对照试验，在其余变量相等的情况下，将不同配比的溶剂与灰尘相溶解，找出溶解速率最快同时黏稠度适合的最佳配比方案。

3基于伯努利原理的防尘风扇最适发动机模型

3.1模型假设

①环流水管管壁处处均匀，没有折痕。②在风扇工作时，扇叶收到的大气压力处处相等。③环流水管管内溶液在流动时充满整个环流水管，没有大气泡存在。④环流水管内溶液在流动时，各点速率相同。

3.2基于伯努利原理的防尘风扇最适发动机模型的建立

通过调查，市面上的风扇扇叶长度在25cm～100cm之间，风扇有挡位区别，一般低档的转速为14.2r/s，中档转速为16.7r/s，高档转速为19.2r/s。线速度v、扇叶长度r和转速之间有如下转换关系：

通过图像可以看出不同挡位不同扇叶长度下所需的发动机水头不同。考虑到实际应用的需求，选取发动机时，其扬程最大应超过上图所示的最大扬程16.1667m。

按计算出的结果，选择的发动机只要保证扬程大于等于最大扬程即可，但若统一选取16.1667m的最大扬程，在低档和中档时会造成较大的电能浪费。为节省电能，在设计风扇时，应让风扇在选择不同挡位时发动机所需的电能尽量小，则可以设置风扇在不同挡位下发动机的最大扬程也可变，所以风扇不同挡位使用时发动机最大扬程可以灵活变动，使选取的发动机扬程低档为8.8429m，中档为12.2307m，高档为16.1667m。

4结语

新型防尘风扇利用伯努利原理使灰尘在风扇上结露之前使其溶解、过滤。正向利用静电吸附，在灰尘结露前进行处理，所设计的新型风扇通过小的改变，极大地方便了风扇灰尘的清理，节省人力、物力、财力，减少清理吊顶风扇的危险性，提高人们的生活质量，使风扇易积灰、灰尘难以清理的问题得到解决，且通过该方法改进的风扇需要的成本不会提得太高。

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