基于热力学理论设计的新型气体膨胀降温冷风扇
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摘 要：根据热力学理论，在绝热系统当中，气体体积膨胀，对外做功，气体内能下降，温度减低。如果在传统的风扇的扇叶和导风轮之间添加一个使气体体积膨胀的装置，那么就可以使得传统的风扇吹出温度较低的冷风，从而使得风扇具有一定程度的降温功能。
关键词：热力学 气体膨胀 降温 风扇 冷风扇
中图分类号：TB61+1; TB657.2 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2019）09（c）-0119-03
Abstract： according to the thermodynamic theory， in an adiabatic system， the volume expansion of a gas， the external work done， the internal energy of the gas decreases， the temperature decreases. If a device is added to expand the volume of the gas between the fan blade and the wind guide wheel of the traditional fan， it can make the traditional fan blow cold air with lower temperature， so that the fan can cool down the air.
Key Words： Thermodynamics; Gas expansion; Cool; Fan; Cool fan
传统的风扇的散热原理是通过空气流动加速物体表面的水的蒸发，蒸发带走热量，散热降温。人体皮肤汗腺分泌的水分在接触到风后加快蒸发，人体就能明显感受到凉爽的感觉，所以人们在刚洗完澡，全身水珠的时候吹风扇感觉最凉爽。市面上除了传统的风扇和空调，还有一种介于两者之间的冷风扇，但是多是通过一些吸水纸质材料和水箱结合（要外加冰种）的传统风扇，或者只是单纯地通过加装水雾喷洒装置来降温。这些冷风扇本身没有高效的降温动力系统，降温效果一般，远远比不上空调，属于一种适合年轻人随声携带的新式小风扇，在市场上的定位偏向于科技小产品、小玩具一类。而基于热力学理论设计的新型冷风扇，有类似于空调压缩机的气体体积膨胀处理，该降温装置是配备动力源，能进行高效降温的，能够完美实现传统风扇和空调之间的完美过渡。传统风扇便宜但降温不理想;空调高效降温但价格为一般风扇的十倍以上，能耗高还污染环境，而且不适合室外开阔环境。新型冷风扇，成本可以控制在传统风扇的两倍左右，能耗可以控制在两倍以内，且降温明显，适用于室外开阔环境。
1 新型冷风扇三层结构分解图
风扇主体和导风轮与传统的样式并无实质区别，关键在于在两者之间添加一个降温装置，降温装置里面有三条管状物，每一根管状物都是可控制密封的气体膨胀管，可以根据实际情况增加膨胀管的数量（见图1）。
2 膨胀管的具体结构
工作原理：螺线管接入电路当中，当有电流I流入螺线管时，螺线管内部产生磁场，磁场强度大小正比于电流I，计算无限长螺线管内部磁场B有
B=μ0nI[1]
其中μ0是真空的磁导率，n是单位长度的螺线管匝数，I是电流。图2中的螺线管长度应该是密集且完全包裹弹簧和两端的铁磁体材料的，可采用上式计算（见图2）。
弹簧两端的铁磁体以及内管外壁和螺线管之间的铁条，由于受到同一个磁场的磁化，磁化后磁性大大增强且同[2]，所以表现出较大的磁力吸引作用，由于尾部铁磁体固定，则内部包裹铁磁体的活塞就会压缩弹簧，靠近尾部，使得压缩分管压缩。磁力、弹簧力和气体压力差平衡时停止（略去摩擦力），有
F磁=F弹+F气压差
可取铁磁体磁力作用正比于磁场，γ应包含了磁化过后的正比常数（可实验测出），k是弹簧劲度系数，?x是弹簧收缩量，S是内管的横截面积。
F磁=γB=k?x+（P大气压-P膨胀气体）S
如果弹簧被压缩的过程中膨胀分管处于密封状态，则膨胀分管内的空气就会发生膨胀。根据热力学定律[3]，膨胀分管内的气体体积膨胀，对活塞做功，输出能量，内能下降，温度降低，此时风扇吹过来的风从膨胀管周围或者疏通导风孔流过，通过热传导降温。
当初始时设定一个逐渐增大的电流I接入螺线管，内管的活塞逐渐压缩弹簧，当弹簧开始被压缩时，尾部的压力传感器感受到压力开始变化，通过控制电路将膨胀分管的阀门接入电流，阀门是密封材料包裹的电磁体，通电产生磁性，通过磁吸作用紧密闭合（如不带电磁体的磁吸冰箱门[4]）。此时膨胀分管密封，内部气体在弹簧收缩时发生膨胀，温度减低，期间风扇的风掠过管体通过热传导降温。当电流增大至一个最大值时，磁力、弹簧力和气体压力差平衡，不再收缩。压力传感器的控制电路接收到稳定的峰值压力信号后，将阀门电流降至0，磁性消失，阀门开启，同时缓慢降低接入螺线管的电流I至0，磁力逐渐下降，弹簧逐渐伸长至原长，膨胀管内的低温气体被推出膨胀分管，并因风扇风力作用迅速和周围流动气体混合，使得整体吹出来的风温度下降，周围空气温度下降。
3 膨胀管的简单电路
膨胀管简单电路（见图3），工作过程中壓力传感器的压力信号图，如图4。 控制电路是有定时功能的芯片，外接电。工作时，控制电路给可控电源输入逐渐增大的电压U，增大过程不能过快，以免电感元件（螺线管）产生反电动势过大烧毁电路，如果电压增大的过程可以视为准静态的，则有
F压=F弹=F磁-F气压差=γμ0nI-（P大气压-P膨胀气体）S=γμ0nU/R-（P大气压-P膨胀气体）S
U逐渐增大，压力F就逐渐增大。t=0时，压力开始变化，控制电路检测到变化信号后通电关闭阀门，弹簧压缩，气体膨胀。到t=t1时，压力F和电压U达到峰值，控制电路检测到不变的峰值信号后，将阀门电流降至0，阀门开启。经过一段时间，到t=t2时，控制电路控制电源电压逐渐下降，在t=t3时降至0，电路和降温装置恢复到t=0时的状态，即原始状态。静置一段时间后，到t=t4时，控制电路又重新开始重复上面的工作。
故0～t4为一个工作周期。
4 降温效果计算
弹簧原长L，此时膨胀分管内管长d，内管横截面积S，弹簧压缩?x后。
以理想气体模型计算，根据理想气体的物态方程αmol气体
pV=αRT[5]
初态：
P大气压dS=αRT1
末态：
P膨胀气体（d+?x）S=αRT2
得
根据①式，得
将③式代入②式中得
上式小于0，因为是降温过程。
风扇单位时间内的排风量，单位是L/s（升每秒），换算为摩尔每秒，Vm是对应环境大气压和温度下的摩尔体积。
计算一个周期0～t4时间的平均降温結果：
空气摩尔热容为Cm，近似不变，冷热空气混合过程能量守恒，
3根膨胀管，所以是3α，
将④式代入⑤式得
3α和βt4相比，即膨胀气体原体积和风扇一个周期t4排风量比，很小，可略去不算，得
是降温过程。
风扇单位时间内的排风量β越小，降温装置的工作周期t4越短，通入螺线管的电流越大，膨胀管越多，则降温幅度越大，降温效果越好。
显然，降温工作周期越短，则降温频率高，温度下降就大;接入电压U越大，电流就越大，螺线管产生磁场强度越大，磁力越强，弹簧收缩越大，气体体积膨胀就越大，降温幅度就越大;风扇单位时间内的排风量越小，则混合气体中冷空气占比重就大，降温就大;膨胀管数量越多，工作降温的量就越多，降温幅度越大。
5 关于新型冷风扇的注意事项
（1）螺线管是电感元件，所以接入的电流不能一下子变化过大，应采用逐渐增大或减小电流的方法，避免〖电感的反电动势[6]烧坏电路。
（2）降温装置的工作周期不宜过短，过短的话电流要求变化大，同时由于工作频率过高，压缩分管内部活塞运动产生的热量和噪音影响不可忽略。
（3）当工作周期较短、工作电流（峰值电压）较大时，降温周期短，降温幅度大，应该增大排风量，以确保获得冷空气得到充分利用;当工作周期较长、工作电流（峰值电压）较小时，降温周期长，降温幅度小，应该减小排风量，以确保制冷降温效果。
6 经济成本、能耗和泛用性
成本：传统风扇的核心是风扇电机，成本主要集中在电机上。而增加的降温装置主要成本是膨胀管的材料、内部铁磁体和控制电路的芯片，还有优质弹簧。如果芯片技术成熟，材料选取得当，那么新型的冷风扇价格应该在传统风扇的两倍左右。对比贵十倍价格以上的空调和市面一般的冷风扇，这都是有一定优势的。
能耗：新型冷风扇由于增加了一个降温装置，能耗肯定会比传统风扇高，但通过提高材料质量和降低压缩分管内的摩擦，配备旋钮调控降温频率（工作周期）和降温幅度（峰值电压），可以将能耗控制在原来传统风扇的两倍以内。
泛用性：比起不制冷的传统风扇、市面制冷效果一般的冷风扇，以及价格高、能耗高但不适用于室外开阔地方的空调，新型冷风扇具有较大的优势，能耗不高有制冷效果且能适用于开阔地带（如工作厂房、车间等）。
参考文献
[1] 赵凯华，陈熙谋.新概念物理教程 电磁学[M].3版.北京：高等教育出版社，2011.
[2] 梁灿彬.电磁学[M].第1版.北京：高等教育出版社，1980.
[3] 汪志诚.热力学·统计物理[M].5版.北京：高等教育出版社，2013.
[4] 林朝平.冰箱磁性门封条的保养和维修[J].家电检修技术，1996（5）：24.
[5] 李椿，章立源，钱尚武著，等.热学[M].2版.北京：高等教育出版社，2008.
[6] 梁灿彬.电磁学[M].第1版.北京：高等教育出版社，1980.
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