窗框式无叶风扇设计原理

于家浩，王 哲，李 迅

(佳木斯大学信息电子技术学院，黑龙江 佳木斯 154000)

2017-07-23

于家浩(1998- )，男，黑龙江大庆人，大学本科，专业：机器人学。

田思庆(1965- )，男，硕士生导师，教授，研究方向：计算机控制与应用。

1674- 4578(2017)05- 0017- 03

窗框式无叶风扇设计原理

于家浩，王 哲，李 迅

(佳木斯大学信息电子技术学院，黑龙江 佳木斯 154000)

随着生活的不断智能化，生活中的小物件也被赋予了更为便捷的功能，比如风扇。同作为“夏日神器”，相对空调而言，风扇具有廉价、低功耗、易安装等优势。智能化的一种可以选择模式并且实时监控环境和生命体征，并根据生命体征数据反过来控制风速模式的风扇，在解决风速风向贴近自然和睡眠时忘记关闭风扇造成的安全事故问题上，变形后应用在用户家中的活动窗窗框上，对于室内流动风的控制取得了很好的成效。

无叶风扇；环境监控；舒适度；窗框

“过堂风”一直都是人们又爱又恨的自然现象，一般是在房屋相对面开着的两扇窗，由于两侧温差和气流等原因产生的空气对流现象造成的室内不可控自然风。随着工程力学技术和技术流体力学的飞速进步，智能温控设备也越来越舒适而安全，风扇几乎可以完全做到将室内模拟出野外一样的空气流动，使人们无论是办公还是生活都如同生活在大自然中一样，而这是通过实时监控环境特征和生物特征，相应的参考人体体验条件做出响应的风力变化，从而达到最舒适的效果。

1 风扇的生命监控原理

空气流动造成的风虽然轻柔，但常常以柔克刚，会导致风湿、中风等疾病，或吹乱室内的布置，给人的生命财产安全造成损失。因此即使是风扇，也应随时关注潜在的安全问题。

1.1 无叶风扇原理

2010年左右兴起了一波无叶风扇浪潮，无叶风扇因其无扇叶的新奇外观和噪音小、风力大、安全等特点被很多人家选中。

其工作原理是风扇基座处内置一个压气装置，将空气吸入内腔，然后从边缘处缝隙吹出。由于进出口的截面差距较大，加上吹出口呈流线造型，使风扇吹出的风压被提升了至少16倍之多，并且气流相对平稳。无扇叶的好处还包括安全性，可以进一步提升风速的同时，不存在有东西卷入扇叶发生危险的问题；而且没有扇叶，也就不会积灰，清洗便捷。

1.2 环境交互原理

现代智能设备的好处就在于，内置的自动化处理程序通过传感器对环境相应变量的监测，即可自动做出反应，而不需要人类干预，使人产生了一种控制了自然又没有花费力气的错觉，也就是“舒适感”。

如图1所示，即是生命监控部分的硬件设定。

通过采集环境温度数据和红外人体数据，CPU会根据设定好的程序，根据叶片风速比和出口处应有的风速计算出电机应产生的转速，通过控制口位控制电子调速器，从而精确控制电机转速。空气流动会产生热传递现象，因此风扇除了可以降温外，在出风口处放置电热丝加热空气流，风扇也就具有了加热功能。

考虑到不同人群的需求，四个按键可以设置不同的功能。对于习惯稳定风速的人可以设置成基础模式，即维持稳定转速；对于热爱自然的人，可以设定成自然风，同时，指示灯会随风速一起呼吸变化；对于不同环境不同时期对风速要求不同的人，可以设置成智能模式，CPU会根据如图2曲线环境数据拟合出应得的风速风温需求值，将这个值通过电机风速比计算得出最终传出给电子调速器的控制信号波形(PWM)。

图1 智能监控硬件组成

图2 环境变量曲线

1.3 控制算法

任何控制器的程序都离不开算法，越是先进的产品，算法的综合性、智能性、容错性越高。近来多发生炎热天气下睡眠时，大风挡风扇忘记关闭造成的死亡事件，因此智能风扇的智能性不仅要体现在对风的控制，更要体现在脱离控制仍能保持舒适而安全的性能。

1) 恒速风：基础模式下的风速相对稳定，可分为低速、中速、高速三挡，上拉输出电平控制电机稳速旋转，相对稳定的风力通过内腔的整流，从出气口传出均匀而稳定的气流形成稳流速的风洞，达到持续降温的效果。

2) 自然风：自然风主要是风速小，风速变化无规律而相对频繁的特点，但自然风给人一种舒适的感觉。自然风状态下，CPU产生随机数，每个数字随机赋予规定好的几种地址，随机数为风速，地址为维持的时长，根据这两个数据进行数字量到模拟量转换，得出随即自然风曲线，然后将此曲线微分，发送给电机，电机便产生自然风。

3) 智能风：智能风主要功能是通过气体流动控制小范围环境处于一个相对舒适而稳定的状态。通过采集环境温度数据和用户比较喜欢的温度得到温度差，然后通过人体感应模块得出使用者与最大风速(即风口)的距离，通过运动连贯性判断使用者状态(此方法主要区分是否处于睡眠或精神不振等状态)，由以上数据，经计算实时得出电机转速，电热丝是否需要启动等数据，从而稳定控制室内环境。

4) 睡眠监控：在单片机控制方面，设置最高一级中断为睡眠状态，当判断生命状态为睡眠状态时，风扇也进入相应的睡眠保护模式，监测到环境相对稳定，则限制风速区间输出自然风；不稳定，则进入智能模式到稳定为止。

2 窗框式无叶风扇优势

“过堂风”的风力往往要么过小，小到需要时基本没什么感觉，有时过大，大到只能把窗户关上。因此在室内学习、办公或生活一般都采用廉价的风扇，为了更舒适的温度还可以选择空调，但是开空调时需要关闭窗户，这就导致了空气不流通，而且空调的制冷液经常出现渗透，导致了对大气层的破坏和很多人的空调病。但是室内环境变化几乎都来自于窗外的大气流动，因此我们大可不必进行功耗巨大的“反向热传递”，而是直接从窗口拦截掉我们不需要的变化因素即可。

在窗口，这样一个既需要敞开有需要具有风场拦截和温度拦截的空间，无叶风扇便具有了很大的优势。增压后的风从一个极窄的框型结构的边框缝隙吹出，造成整个框内的空气流动产生风洞，并且风洞的温度可以通过简单的散热片或电热丝轻松控制。在对立面窗口分别安装，过堂风方向、大小、温度便都可以直接由人控制或控制器自动管理，甚至可以完全阻断；在北方的冬天，开启对向的窗框式风扇，并加热风，室内便会迅速保持温度恒定，同时由于空气处于动态流动平衡，也不会有闷热感。应对很多人家存在的窗缝造成的室内温度低的问题，智能风算法还可以保证严冬时可以开窗睡眠(通过硬件完成智能程序意外停止时自动关窗，保证睡眠安全)。

3 结语

目前，由于智能无叶风扇价格高昂，人们逐渐仍旧回到了普通风扇或空调的选项上。但无叶风扇的发明并非过期，将这样新奇的技术应用在窗框上，如同安装了一个隐形屏障；买一个风扇花费几十几百元，很多人当然会觉得浪费，而换个角度，相当于安装一个纱窗，却具有“场屏蔽”一样的神奇的功能，人们会更容易接受。廉价的同时，可控、可进行空气质量处理的智能风力控制也更有助于人们的身体健康。

DesignPrincipleofWindowFrameTypeVanelessFan

Yu Jiahao，Wang Zhe，Li Xun

(InformationandElectronicTechnologyInstitute,JiamusiUniversity,JiamusiHeilongjiang154000,China)

With the constant intelligence of life, the small objects in life are given more convenient features, such as fans. Comparing with the “summer artifact”-air conditioning, the fan has the advantages of cheap, low power, easy to install and so on. As a intelligent one, it can chooses the model and makes real-time monitoring for the environment and vital signs, and in accordance with vital signs data, it in turn can control wind speed mode fan. In solving the questions that the wind speed closes to the natural and the safety problem caused by forgetting to close the fan when sleep, the fan is applied to the user's home window frame after deformation, which achieves very good results for the control of indoor flow wind.

vaneless fan; environmental monitoring; comfort; window frames

TN23

B