無葉風扇的發展現狀及前景展望

方貴靈

（國家知識產權局專利局專利審查協作湖北中心 武漢 430070）

引言

無葉風扇，即沒有葉片的風扇，實質上并非真正無葉，而是將葉片隱藏在特制的殼體內，沒有外露的扇葉。無葉風扇最早于1981年由日本東京芝浦取得設計專利，但是沒有投入生產，相似設計的無葉風扇于2009年，由英國詹姆斯·戴森制造及投入市場。

無葉風扇的設計初衷是提升使用的安全性能，解決傳統風扇在使用過程中，葉片高速旋轉帶來的安全隱患。隨著科技的發展以及用戶需求的改變，在無葉風扇領域注入了更多的設計理念，如使用性能的提升、美觀性、科技感等。

1 無葉風扇的生產銷售概況

無葉風扇主要包括基座和出風圈兩大部分（見圖1和圖2），基座內包括葉輪、電機等主要部件，出風圈為中空的環形結構，帶有噴嘴。無葉風扇的工作原理如下：基座中帶有電動馬達，電動馬達帶動基座中的葉輪工作，將空氣吸入基座內部，經由葉輪加速后，空氣流通速度可被增大16倍左右，經由無葉風扇的環形扇頭環繞，其環繞力帶動扇頭附近的空氣隨之進入扇頭，并以高速度向外吹出[1]。

圖1 無葉風扇的整體結構

圖2 無葉風扇的主要構件

無葉風扇的最大生產商和銷售商仍然是戴森公司。戴森公司十分注重對產品的專利保護，自2008年開始，首次申請相關專利，到目前為止，戴森公司是擁有相關專利申請量最多的申請人。戴森公司不僅注重專利的數量，更注重專利的質量，擁有多項PCT專利權，壟斷了無葉風扇的核心技術，使得其產品在市場上的價位高出很多。戴森Cool系列多功能無葉風扇在國內的最低售價達到3 600多元，與市面上幾百元的普通風扇相比，售價高昂，讓許多消費者望而卻步[2]。

國內無葉風扇相關的生廠商和銷售商多生產一些仿制品，價格平民化，但是使用性能上也存在很大差距。在無葉風扇面世的初期，國內出現多起侵權案件，很多企業沒有知識產權保護意識。近年來，隨著國家對知識產權相關知識的宣傳和以及對侵權行為的懲戒，無葉風扇相關的侵權糾紛逐漸減少。國內諸多品牌也開始注入研發力量，并注重知識產權的申請和保護，如美的、格力等。總體來說，無葉風扇的生產和銷售趨于成熟水平，但因其高端品牌的價格較高，未能得到普及。

2 基于使用性能的發展現狀

在無葉風扇的研發中，基于使用性能的發展現狀主要體現在送風性能、降噪、多功能集成、智能化提升等方面，與使用者的用戶體驗息息相關。

送風性能是無葉風扇使用性能中最重要的研究對象，直接影響到使用者的用戶體驗，主要涉及送風柔和度、送風范圍等，理想化的是吹出自然風。送風柔和度與噴出的風的流量和流速有關，電機的功率、葉輪結構以及出風圈的流線形狀等綜合決定了風速和風量。葉輪在電機的帶動下，將外部的空氣吸入基座內部，并通過風道向上送入出風圈。經過加速的空氣在出風圈的出風口處出現“科恩達效應”，使得出風圈中心形成負壓區，該負壓區帶動周圍的空氣一起向前運動，最終達到合適的風速（見圖3）。整個過程中，無葉風扇的風應當平穩且沒有漩渦。設計者主要基于流體學理論，通過計算機模擬對出風口處流線的出風效果進行驗證。此外，還應當盡量擴大送風范圍，主要的技術手段為：出風圈相對于基座可以在一定范圍內活動，出風圈相對于基座在一定的傾角范圍內調整（見圖4），或者可以設計成搖頭的形式。

無葉風扇多用于室內，降低噪音是需要突破的一大技術難題。無葉風扇的噪音多來源于基座內部的電機、旋轉葉輪以及在狹小空間內形成的空氣流。在電機選型時，應當選用小體積的低噪音類型。旋轉葉輪主要通過優化葉片形狀來達到降噪的目的，可以借鑒風機中的葉片選型和設計。對于空氣流帶來的噪音，主要通過優化出風圈的結構來實現。根據聲學理論，當空氣流動的方向和大小發生改變時，會產生一定的噪音，當風速較高時，改變方向會產生較高的噪音。因此，空氣在無葉風扇的各個拐點處都會產生噪音，且噪聲主要集中在出風圈的下部區域。王鈺[3]提出收縮角θ=25 °的無葉風扇模型的送風效果最好，風量的放大效果明顯，并設計雙出風口無葉風扇，雙出風口無葉風扇的氣動噪聲要遠低于單出風口無葉風扇的氣動噪聲（見圖5）。

圖3 出風圈截面圖

圖4 可傾斜的出風圈

圖5 出風圈截面圖以及收縮角θ示意圖

多功能集成型無葉風扇是一種發展趨勢，主要是根據需求在原有的無葉風扇的結構基礎上，結合進一些跨功能的結構。針對當前的空氣污染問題，2015年4月1日，戴森公司正式推出了旗下首款空氣凈化器產品——Dyson Pure Cool，融合了空氣凈化和送風兩種功能。Dyson Pure Cool 空氣凈化風扇能夠凈化 99.95 % 小至 PM0.1 的有害顆粒物，同時還可以吸附甲醛等裝修帶來的有害氣體[4]。此外，還有在無葉風扇中加入滅蚊部分、空氣加熱部分、霧化加濕部分等，極大地提升了無葉風扇的實用性。

無葉風扇的智能化控制是近期以及以后的研究熱點，主要是根據人體和環境的變化，自動地調節風速、風向、濕度等。隨著近年來，自動控制技術在各個領域的應用，無葉風扇也開發出了變頻節能、遠程多檔調速、自動感應人體位置、藍牙、無線網絡、靜音等多項自動控制技術。在硬件方面，無葉風扇中植入智能控制芯片、多種傳感器、接收器、處理器、可視界面等。在軟件方面，通過編入的操作系統，各個傳感器執行命令，監測環境參數，并傳送至處理器，在操作系統的指示下，調節無葉風扇的風速、風向、濕度等。

3 基于外觀的發展現狀

無葉風扇的外觀是其一大賣點，主要體現在現代感、科技感、時尚感，使得無葉風扇不僅可以作為家用電器使用，還可以作為家居裝飾品。無葉風扇的大小和形狀各異，可以小到10 cm左右，用于手持，也可以大到幾米，用于較大空間的吹風，常見的是0.5 m左右的臺式款和1～2 m高的落地款。無葉風扇的基礎造型是電器部分的基座加上環形出風圈，高端品牌的造型一般追求簡約大氣，更加人性化。為了防止頭重腳輕，基座需帶有一定的重量，一般為圓柱形，也有支架形、圓臺形等異形結構。為了綜合考慮美觀性、送風效果和占地面積，出風圈部分有圓形、橢圓形、跑道形、異形等形狀。無葉風扇的美感來源于整體的優美流線以及色彩搭配出的和諧感，也有一些產品設計的較為特別，吸引不同喜好的消費者。

4 無葉風扇技術的前景展望

無葉風扇在整體外形以及主體功能上的技術日趨成熟，未來更多的設計會在細節上的提升，如對送風性能的進一步優化，增加送風柔和度、擴大送風范圍等。未來，隨著新的空氣方面問題的出現，也會結合進更多的跨界功能模塊，如針對病毒的消殺功能、進一步優化空氣質量的凈化功能等。在智能化控制方面，還具有更多的研究空間，結合人體需求，朝著一個自動感知、自動判斷、自動調節的設計方向發展，更貼合人體設計，還可以與其他家用電器聯合編入一個物聯網系統，集成操作，提高可操作性。

無葉風扇的價格和產品質量之間一直沒有達到一個平衡范圍，這導致無葉風扇的普及程度一直不高，使其難以像空調和普通風扇那樣被廣泛應用。此外，國內無葉風扇市場還需要一定的秩序性。因此，未來無葉風扇的發展中，還需要在價格和產品質量上尋找一個合理的平衡點，以擴大用戶群體。

5 總結

無葉風扇作為風扇的一種創新類型，正不斷的進入人們的生活，帶來的安全性、舒適性、美觀性等使用體驗，使得其占有一定的市場。本文研究了無葉風扇的生產銷售情況，總結了無葉風扇在使用性能和外觀設計上的發展現狀。無葉風扇在整體外形以及主體功能上的技術日趨成熟，未來更多的設計會在細節上的提升。還需要在價格和產品質量之間尋找一個合理的平衡范圍，以增加無葉風扇的普及程度。