无叶风扇的发展现状及前景展望

引言

无叶风扇,即没有叶片的风扇,实质上并非真正无叶,而是将叶片隐藏在特制的壳体内,没有外露的扇叶｡无叶风扇最早于1981年由日本东京芝浦取得设计专利,但是没有投入生产,相似设计的无叶风扇于2009年,由英国詹姆斯·戴森制造及投入市场｡

无叶风扇的设计初衷是提升使用的安全性能,解决传统风扇在使用过程中,叶片高速旋转带来的安全隐患｡随着科技的发展以及用户需求的改变,在无叶风扇领域注入了更多的设计理念,如使用性能的提升､美观性､科技感等｡

1无叶风扇的生产销售概况

无叶风扇主要包括基座和出风圈两大部分(见图1和图2),基座内包括叶轮､电机等主要部件,出风圈为中空的环形结构,带有喷嘴｡无叶风扇的工作原理如下:基座中带有电动马达,电动马达带动基座中的叶轮工作,将空气吸入基座内部,经由叶轮加速后,空气流通速度可被增大16倍左右,经由无叶风扇的环形扇头环绕,其环绕力带动扇头附近的空气随之进入扇头,并以高速度向外吹出｡

无叶风扇的最大生产商和销售商仍然是戴森公司｡戴森公司十分注重对产品的专利保护,自2008年开始,首次申请相关专利,到目前为止,戴森公司是拥有相关专利申请量最多的申请人｡戴森公司不仅注重专利的数量,更注重专利的质量,拥有多项PCT专利权,垄断了无叶风扇的核心技术,使得其产品在市场上的价位高出很多｡戴森Cool系列多功能无叶风扇在国内的最低售价达到3600多元,与市面上几百元的普通风扇相比,售价高昂,让许多消费者望而却步｡

国内无叶风扇相关的生厂商和销售商多生产一些仿制品,价格平民化,但是使用性能上也存在很大差距｡在无叶风扇面世的初期,国内出现多起侵权案件,很多企业没有知识产权保护意识｡近年来,随着国家对知识产权相关知识的宣传和以及对侵权行为的惩戒,无叶风扇相关的侵权纠纷逐渐减少｡国内诸多品牌也开始注入研发力量,并注重知识产权的申请和保护,如美的､格力等｡总体来说,无叶风扇的生产和销售趋于成熟水平,但因其高端品牌的价格较高,未能得到普及｡

2基于使用性能的发展现状

在无叶风扇的研发中,基于使用性能的发展现状主要体现在送风性能､降噪､多功能集成､智能化提升等方面,与使用者的用户体验息息相关｡

送风性能是无叶风扇使用性能中最重要的研究对象,直接影响到使用者的用户体验,主要涉及送风柔和度､送风范围等,理想化的是吹出自然风｡送风柔和度与喷出的风的流量和流速有关,电机的功率､叶轮结构以及出风圈的流线形状等综合决定了风速和风量｡叶轮在电机的带动下,将外部的空气吸入基座内部,并通过风道向上送入出风圈｡经过加速的空气在出风圈的出风口处出现“科恩达效应”,使得出风圈中心形成负压区,该负压区带动周围的空气一起向前运动,最终达到合适的风速(见图3)｡整个过程中,无叶风扇的风应当平稳且没有漩涡｡设计者主要基于流体学理论,通过计算机模拟对出风口处流线的出风效果进行验证｡此外,还应当尽量扩大送风范围,主要的技术手段为:出风圈相对于基座可以在一定范围内活动,出风圈相对于基座在一定的倾角范围内调整(见图4),或者可以设计成摇头的形式｡

无叶风扇多用于室内,降低噪音是需要突破的一大技术难题｡无叶风扇的噪音多来源于基座内部的电机､旋转叶轮以及在狭小空间内形成的空气流｡在电机选型时,应当选用小体积的低噪音类型｡旋转叶轮主要通过优化叶片形状来达到降噪的目的,可以借鉴风机中的叶片选型和设计｡对于空气流带来的噪音,主要通过优化出风圈的结构来实现｡根据声学理论,当空气流动的方向和大小发生改变时,会产生一定的噪音,当风速较高时,改变方向会产生较高的噪音｡因此,空气在无叶风扇的各个拐点处都会产生噪音,且噪声主要集中在出风圈的下部区域｡王钰提出收缩角θ=25°的无叶风扇模型的送风效果最好,风量放大效果明显,并设计双出风口无叶风扇,双出风口无叶风扇的气动噪声要远低于单出风口无叶风扇的气动噪声(见图5)｡

多功能集成型无叶风扇是一种发展趋势,主要是根据需求在原有的无叶风扇的结构基础上,结合进一些跨功能的结构｡针对当前的空气污染问题,2015年4月1日,戴森公司正式推出了旗下首款空气净化器产品——DysonPureCool,融合了空气净化和送风两种功能｡DysonPureCool空气净化风扇能够净化99.95%小至PM0.1的有害颗粒物,同时还可以吸附甲醛等装修带来的有害气体｡此外,还有在无叶风扇中加入灭蚊部分､空气加热部分､雾化加湿部分等,极大地提升了无叶风扇的实用性｡

无叶风扇的智能化控制是近期以及以后的研究热点,主要是根据人体和环境的变化,自动地调节风速､风向､湿度等｡随着近年来,自动控制技术在各个领域的应用,无叶风扇也开发出了变频节能､远程多档调速､自动感应人体位置､蓝牙､无线网络､静音等多项自动控制技术｡在硬件方面,无叶风扇中植入智能控制芯片､多种传感器､接收器､处理器､可视界面等｡在软件方面,通过编入的操作系统,各个传感器执行命令,监测环境参数,并传送至处理器,在操作系统的指示下,调节无叶风扇的风速､风向､湿度等｡

3基于外观的发展现状

无叶风扇的外观是其一大卖点,主要体现在现代感､科技感､时尚感,使得无叶风扇不仅可以作为家用电器使用,还可以作为家居装饰品｡无叶风扇的大小和形状各异,可以小到10cm左右,用于手持,也可以大到几米,用于较大空间的吹风,常见的是0.5m左右的台式款和1~2m高的落地款｡无叶风扇的基础造型是电器部分的基座加上环形出风圈,高端品牌的造型一般追求简约大气,更加人性化｡为了防止头重脚轻,基座需带有一定的重量,一般为圆柱形,也有支架形､圆台形等异形结构｡为了综合考虑美观性､送风效果和占地面积,出风圈部分有圆形､椭圆形､跑道形､异形等形状｡无叶风扇的美感来源于整体的优美流线以及色彩搭配出的和谐感,也有一些产品设计的较为特别,吸引不同喜好的消费者｡

4无叶风扇技术的前景展望

无叶风扇在整体外形以及主体功能上的技术日趋成熟,未来更多的设计会在细节上的提升,如对送风性能的进一步优化,增加送风柔和度､扩大送风范围等｡未来,随着新的空气方面问题的出现,也会结合进更多的跨界功能模块,如针对病毒的消杀功能､进一步优化空气质量的净化功能等｡在智能化控制方面,还具有更多的研究空间,结合人体需求,朝着一个自动感知､自动判断､自动调节的设计方向发展,更贴合人体设计,还可以与其他家用电器联合编入一个物联网系统,集成操作,提高可操作性｡

无叶风扇的价格和产品质量之间一直没有达到一个平衡范围,这导致无叶风扇的普及程度一直不高,使其难以像空调和普通风扇那样被广泛应用｡此外,国内无叶风扇市场还需要一定的秩序性｡因此,未来无叶风扇的发展中,还需要在价格和产品质量上寻找一个合理的平衡点,以扩大用户群体｡

5总结

无叶风扇作为风扇的一种创新类型,正不断的进入人们的生活,带来的安全性､舒适性､美观性等使用体验,使得其占有一定的市场｡本文研究了无叶风扇的生产销售情况,总结了无叶风扇在使用性能和外观设计上的发展现状｡无叶风扇在整体外形以及主体功能上的技术日趋成熟,未来更多的设计会在细节上的提升｡还需要在价格和产品质量之间寻找一个合理的平衡范围,以增加无叶风扇的普及程度｡