Quạt điện

Quạt điện hoặc quạt máy là một thiết bị sử dụng điện để tạo ra luồng gió, giúp giảm nhiệt độ cơ thể, làm mát và thông gió, từ đó tạo cảm giác dễ chịu và thoải mái cho người sử dụng.

Khi hoạt động, quạt điện có các cánh quạt quay nhanh để tạo ra luồng khí. Các quạt điện thường có nhiều chế độ quay khác nhau, từ nhanh đến chậm. Nguyên lý hoạt động của quạt điện cũng được áp dụng trong nhiều thiết bị khác như phong tốc kế và tua-bin gió, với thiết kế tương tự.

Một số ứng dụng nổi bật của quạt điện bao gồm điều hòa không khí, hệ thống làm mát, các thiết bị tiện ích như quạt bàn, thông gió như quạt hút khí thải, sàng lọc như máy tách ngũ cốc, và loại bỏ bụi như máy hút bụi. Quạt điện còn được sử dụng phổ biến để làm khô quần áo, tóc và khăn tắm.

Lịch sử

Punkah, hay còn gọi là quạt, đã được dùng ở Ấn Độ từ khoảng 500 năm trước Công nguyên. Đây là loại quạt cầm tay làm từ tre hoặc sợi cây khác, có thể quạt hoặc quay để tạo luồng không khí. Trong thời kỳ thuộc địa, người Anh-Ấn sử dụng thuật ngữ này để chỉ một quạt lớn treo trên trần, có thể di chuyển qua lại và được kéo bởi một người hầu gọi là punkawallah.

Để làm mát không khí, vào thời nhà Hán (khoảng năm 180 sau Công nguyên), kỹ sư Ding Huan đã sáng chế một quạt quay tay với bảy bánh xe có đường kính khoảng 3 mét. Sau đó, vào thời nhà Đường (618-907), người Trung Quốc đã sử dụng năng lượng nước để quay các bánh quạt, làm mát không khí. Quạt trở nên phổ biến hơn trong thời nhà Tống (960-1279).

Vào thế kỷ 17, các nhà khoa học như Otto von Guericke, Robert Hooke và Robert Boyle đã thực hiện các thí nghiệm để khám phá chân không và luồng không khí. Đồng thời, kiến trúc sư người Anh Sir Christopher Wren đã triển khai hệ thống thông gió trong Tòa nhà Quốc hội bằng cách sử dụng ống thổi để lưu thông không khí. Thiết kế của Wren đã mở đường cho nhiều cải tiến và đổi mới sau này. Trước đó, vào thế kỷ 16, chiếc quạt quay đầu tiên ở châu Âu được sử dụng để thông gió trong các mỏ, như ghi chép của Georg Agricola (1494-1555).

Năm 1727, kỹ sư người Anh John Theophilus Desaguliers đã thành công trong việc sử dụng hệ thống quạt để loại bỏ không khí ô nhiễm khỏi các mỏ than. Ông còn lắp đặt thiết bị tương tự tại Tòa nhà Quốc hội. Việc thông gió hiệu quả là rất quan trọng trong các mỏ than để giảm nguy cơ ngạt thở cho công nhân. Kỹ sư John Smeaton và sau này là John Buddle đã cài đặt các máy bơm không khí piston ở miền Bắc nước Anh, mặc dù hệ thống này không phải là lý tưởng vì máy móc dễ hỏng.

Hơi nước

Vào năm 1849, William Brunton đã thiết kế một chiếc quạt hơi nước có đường kính 6 mét và đưa vào hoạt động tại Xưởng đúc Gelly Gaer ở Nam Wales. Chiếc quạt này đã được trưng bày nổi bật tại Triển lãm năm 1851. Cùng năm đó, bác sĩ người Scotland David Boswell Reid đã lắp đặt bốn quạt hơi nước trên trần Bệnh viện St George ở Liverpool. Những quạt này tạo áp suất để đẩy không khí qua các lỗ thông hơi trên trần nhà. Trong quá trình đó, các kỹ sư như James Nasmyth, Theophile Guibal từ Pháp và JR Waddle đã thực hiện các cải tiến công nghệ.

Điện

Từ năm 1882 đến 1886, Schuyler Wheeler đã phát minh ra chiếc quạt điện đầu tiên, đánh dấu một bước đột phá trong công nghệ quạt. Quạt điện này sau đó được công ty động cơ điện Crocker & Curtis ở Mỹ tiếp thị. Vào năm 1885, công ty Stout, Meadowcraft & Co. ở New York đã đưa ra thị trường một loại quạt điện dành cho bàn làm việc.

Năm 1882, Philip Diehl chế tạo chiếc quạt trần điện đầu tiên trên thế giới, đánh dấu sự tiến bộ trong công nghệ quạt. Trước đó, quạt chạy bằng cồn, dầu hoặc dầu hỏa rất phổ biến vào đầu thế kỷ 20. Tuy nhiên, từ năm 1909, KDK của Nhật Bản đã dẫn đầu trong việc phát minh và sản xuất quạt điện hàng loạt cho gia đình. Đến những năm 1920, sản xuất hàng loạt quạt thép với nhiều kiểu dáng đã giảm giá thành và mở rộng khả năng sở hữu quạt. Vào những năm 1930, Emerson giới thiệu quạt trang trí nghệ thuật đầu tiên mang tên 'Silver Swan'. Đến những năm 1940, Crompton Greaves của Ấn Độ trở thành nhà sản xuất quạt trần điện lớn nhất thế giới, chủ yếu cung cấp cho thị trường trong nước, Châu Á và Trung Đông. Đến những năm 1950, quạt bàn và quạt đứng được sản xuất với các màu sắc tươi sáng và hấp dẫn.

Vào những năm 1960, sự phát triển của cửa sổ và hệ thống điều hòa không khí trung tâm đã dẫn đến việc nhiều công ty ngừng sản xuất quạt. Tuy nhiên, giữa những năm 1970, khi nhận thức về chi phí điện và tiêu thụ năng lượng tăng cao, quạt trần theo phong cách cổ điển trở nên phổ biến trở lại. Chúng không chỉ làm đẹp không gian mà còn tiết kiệm năng lượng.

Năm 1998, William Fairbank và Walter K. Boyd phát minh ra quạt trần tốc độ thấp (HVLS - High Volume Low Speed), được thiết kế để giảm tiêu thụ năng lượng. Quạt này có cánh dài, quay chậm để di chuyển một lượng lớn không khí, tạo ra luồng gió rộng và êm, hiệu quả trong việc làm mát và thông gió các không gian lớn.

Nguyên lý làm mát

Khi dòng điện đi vào động cơ của quạt, các cánh quạt sẽ quay và đẩy không khí về phía người sử dụng. Trong điều kiện không có gió, cơ thể con người liên tục tỏa nhiệt để duy trì nhiệt độ ổn định, khiến không khí xung quanh nóng lên và gây cảm giác oi bức, dẫn đến đổ mồ hôi. Khi bật quạt, cánh quạt tạo ra luồng gió giúp làm bay hơi mồ hôi và tạo ra lớp không khí mát xung quanh cơ thể, khiến người dùng cảm thấy dễ chịu hơn. Tuy nhiên, nhiệt độ môi trường không thực sự giảm, chỉ có cảm giác mát mới được cảm nhận.

Quạt điện đầu tiên

Chiếc quạt điện đầu tiên được phát minh vào năm 1832 bởi Omar-Rajeen Jumala, người đã gọi nó là quạt máy ly tâm. Chiếc quạt điện đầu tiên có hai cánh được sản xuất bởi công ty Động cơ điện Croker and Curtis (C&C Company). Các cánh quạt ban đầu thường làm bằng vải giống như cối xay gió. Quạt máy bao gồm các thành phần chính như thân quạt có bộ công tắc điều chỉnh tốc độ, lồng quạt, cánh quạt, mô-tơ quạt và bộ chuyển hướng. Một số quạt còn được trang bị các phụ kiện như đèn hoặc đồng hồ.

Phân loại

Quạt lưỡi quay cơ học có nhiều kiểu dáng khác nhau và có thể được sử dụng ở nhiều vị trí khác nhau như trên sàn, bàn làm việc, hoặc treo trên trần (quạt trần). Chúng cũng có thể được lắp đặt ở cửa sổ, tường, mái nhà, ống khói và nhiều nơi khác. Các thiết bị điện tử như máy tính thường đi kèm với quạt để làm mát các linh kiện bên trong. Quạt cũng có mặt trong các thiết bị như máy sấy tóc, máy sưởi di động và máy sưởi gắn tường để tạo luồng không khí. Thêm vào đó, quạt còn được dùng trong hệ thống điều hòa không khí và trong động cơ ô tô, nơi chúng có thể được vận hành bằng dây đai hoặc động cơ trực tiếp. Quạt nâng cao hiệu suất truyền nhiệt, nhưng không giảm nhiệt độ trực tiếp. Chúng cũng được sử dụng để làm mát thiết bị điện hoặc máy móc khác bằng cách thổi không khí nóng ra ngoài và đưa không khí mát vào.

Có ba loại quạt chính để di chuyển không khí: quạt hướng trục, quạt ly tâm (hoặc quạt hướng tâm) và quạt dòng chảy ngang (hoặc quạt tiếp tuyến). Hiệp hội Kỹ sư Cơ khí Hoa Kỳ (ASME) cung cấp hệ thống kiểm tra hiệu suất quạt chuẩn (PTC-11) để thực hiện và báo cáo kết quả thử nghiệm. Hệ thống này bao gồm các quy trình chuẩn cho việc thử nghiệm quạt dòng chảy ngang, quạt hướng trục và quạt hỗn hợp.

Hướng trục

Quạt hướng trục là loại quạt có cánh quạt song song với trục, tạo ra luồng khí di chuyển theo hướng trục quay. Loại quạt này được ứng dụng rộng rãi, từ những quạt nhỏ làm mát thiết bị điện tử đến những quạt lớn dùng trong hệ thống làm mát tòa nhà. Quạt hướng trục còn được sử dụng trong hệ thống điều hòa không khí và các quy trình công nghiệp.

Quạt hướng trục tiêu chuẩn thường có đường kính từ 300-400 mm đến 1.800-2.000 mm và hoạt động dưới áp suất lên đến 800 Pa. Một ứng dụng đặc biệt là quạt hướng trục làm tầng nén hạ áp trong động cơ máy bay. Một ví dụ về quạt hướng trục là:

• Quạt bàn thông thường bao gồm các thành phần như cánh quạt, đế, phần ứng và dây dẫn, động cơ, bộ bảo vệ cánh quạt, vỏ động cơ, hộp số bộ dao động và trục bộ dao động. Bộ dao động giúp quạt di chuyển qua lại. Trục bộ dao động kết hợp bệ cân và hộp giảm tốc, trong khi vỏ động cơ bảo vệ cơ chế dao động bên trong. Bộ bảo vệ cánh quạt đảm bảo an toàn khi sử dụng.
• Quạt hút gia đình được lắp đặt trên tường hoặc trần để loại bỏ độ ẩm và không khí ô nhiễm. Quạt hút phòng tắm thường có cánh quạt 4 inch (100 mm), trong khi quạt hút nhà bếp có cánh quạt 6 inch (150 mm) do kích thước phòng lớn hơn. Một số quạt hút hướng trục với cánh quạt 5 inch (125 mm) cũng có mặt, nhưng ít phổ biến. Quạt hút không hiệu quả với đường ống dài hơn 3-4 mét do áp suất tăng làm giảm hiệu suất.
• Quạt cơ điện được phân loại theo tình trạng, kích thước, tuổi thọ và số lượng cánh quạt. Thiết kế phổ biến nhất là bốn lưỡi quạt. Thiết kế với năm hoặc sáu lưỡi quạt rất hiếm. Chất liệu chế tạo, chẳng hạn như đồng thau, cũng góp phần vào sự hấp dẫn của quạt.
• Quạt trần được gắn lên trần nhà, thường hoạt động ở tốc độ thấp và không có bộ bảo vệ cánh quạt. Quạt trần phổ biến trong cả khu dân cư và khu thương mại/công nghiệp.
• Trong ô tô, quạt làm mát động cơ bằng cách thổi hoặc hút không khí qua bộ tản nhiệt để ngăn động cơ quá nóng. Quạt có thể được điều khiển bằng cơ hoặc điện. Điều khiển cơ có thể sử dụng dây đai và ròng rọc, trong khi điều khiển điện có thể bật hoặc tắt qua công tắc điều nhiệt.
• Quạt máy tính làm mát linh kiện điện tử bên trong máy tính và thường được tích hợp trong đế tản nhiệt cho laptop.
• Quạt trong bộ khuếch đại công suất âm thanh giúp làm mát các bộ phận điện tử bằng cách hút nhiệt ra khỏi chúng.
• Quạt có bước thay đổi điều chỉnh áp suất tĩnh trong hệ thống cấp khí. Cánh quạt xoay quanh trung tâm điều khiển bước, tăng lưu lượng khí khi góc của các lưỡi quạt tăng lên.

Quạt ly tâm

Quạt ly tâm, hay còn gọi là 'lồng sóc' hoặc 'quạt cuộn', có cánh quạt được bố trí xung quanh một trục trung tâm, tạo thành hình xoắn ốc hoặc gân xương. Quạt ly tâm thổi không khí theo hướng vuông góc với phần vào của quạt và đẩy khí ra ngoài qua lực ly tâm và sự lệch hướng.

Khi cánh quạt ly tâm hoạt động, không khí được hút vào gần trục và sau đó được đẩy ra theo hướng vuông góc từ trục qua phần cuộn của vỏ quạt. Quạt ly tâm tạo ra áp suất cao hơn cho cùng một lượng không khí, được sử dụng trong các ứng dụng cần tăng áp suất như máy thổi lá, máy sấy, máy bơm nệm hơi, các cấu trúc bơm hơi, hệ thống điều khiển khí hậu trong thiết bị xử lý không khí, và nhiều mục đích công nghiệp khác. Thường thì quạt ly tâm phát ra tiếng ồn lớn hơn so với các quạt hướng trục tương đương, mặc dù một số mô hình có thể hoạt động khá êm ái, đặc biệt là trong các thiết bị xử lý không khí.

Quạt chảy chéo

Quạt chảy chéo hay còn gọi là quạt tangential, đôi khi được biết đến với tên gọi quạt ống dẫn, được Paul Mortier cấp bằng sáng chế vào năm 1893. Loại quạt này rất phổ biến trong hệ thống sưởi, thông gió và điều hòa không khí (HVAC), đặc biệt là trong các máy điều hòa không khí phân tách không ống. Quạt chảy chéo có chiều dài lớn hơn đường kính, tạo ra dòng chảy gần như hai chiều trong quạt. Nó sử dụng một impeller với các lưỡi cắt uốn lượn về phía trước, nằm trong một vỏ bao gồm một tường sau và một tường xoáy. Khác với máy ly tâm, dòng không khí chính di chuyển chéo qua impeller, đi qua lưỡi cắt hai lần.

Quạt không cánh

Quạt Dyson Air Multiplier, ra mắt năm 2009, dựa trên thiết kế năm 1981 của Toshiba. Quạt này không có cánh quạt truyền thống và các bộ phận chuyển động lộ ra ngoài (trừ khi có tính năng bổ sung như dao động và điều chỉnh hướng). Nó tạo ra không khí áp suất cao trong một không gian bên trong đế, thay vì phát ra ngoài như quạt truyền thống, dẫn đến một dòng chảy không khí lớn hơn và chậm hơn qua lỗ hình tròn hoặc hình bầu dục nhờ hiệu ứng Coandă.

Rèm gió và cửa gió cũng tận dụng hiệu ứng Coandă để duy trì nhiệt độ trong các khu vực không có mái che hoặc cửa. Rèm gió thường được sử dụng trên các thiết bị như tủ trưng bày sữa, tủ đông và tủ rau quả mở, giúp giữ không khí lạnh bên trong bằng cách sử dụng luồng không khí lưu thông qua lỗ trưng bày. Luồng không khí này thường do một quạt ẩn trong đế của thiết bị tạo ra. Các lưới thông gió tuyến tính trong hệ thống HVAC cũng sử dụng hiệu ứng này để tăng cường luồng không khí đồng đều trong phòng và giảm năng lượng tiêu thụ của quạt trong hệ thống xử lý không khí.

Cấu trúc

Các thành phần chính của quạt

• Động cơ quạt: Động cơ quạt tạo ra luồng gió bằng cách sử dụng điện theo nguyên lý điện từ. Đây là bộ phận cốt lõi của quạt, quyết định sức gió và hiệu suất của nó. Ngày nay, động cơ quạt được chế tạo với tiêu chuẩn cao về hiệu suất, độ rung và tiếng ồn. Một quạt chất lượng tốt thường có độ rung và tiếng động thấp, đồng thời ít tỏa nhiệt.
• Cánh quạt: là bộ phận chính tạo ra luồng gió. Khi động cơ quay, cánh quạt cũng chuyển động, tạo ra sự chênh lệch áp suất giữa hai mặt của cánh, từ đó sinh ra gió. Các loại cánh quạt hiện nay có thể là 3 hoặc 5 cánh, cánh mỏng hoặc cánh dày. Hiệu quả của cánh quạt phụ thuộc vào thiết kế và khả năng tạo ra gió mạnh khi hoạt động.
• Lồng quạt: là bộ phận bảo vệ quạt, giúp ngăn ngừa nguy hiểm và tránh va chạm giữa quạt và người dùng. Đây là phần đơn giản nhưng rất quan trọng.
• Thân quạt: là phần đỡ động cơ và cánh quạt, giữ cho quạt đứng vững khi hoạt động. Thân quạt thường có thiết kế có thể tháo lắp để thuận tiện cho việc di chuyển hoặc bảo trì.
• Đế quạt: chứa bảng mạch nhỏ để phân phối điện năng hoặc nhận nguồn điện từ dây dẫn.

Cấu trúc của phần động cơ quạt

• Cuộn dây đồng được quấn quanh lõi sắt từ (stator), gồm nhiều lớp tôn silic mỏng ghép lại để giảm hiện tượng dòng điện Foucault.
• Rotor được chế tạo từ nhiều lá thép mỏng ghép lại và có phần nhôm đúc gắn với trục thép để lắp cánh quạt và phần đuôi, giúp tạo ra chuyển động cho bộ chuyển hướng.
• Tụ điện có nhiệm vụ tạo ra dòng điện lệch pha.
• Vỏ nhôm dùng để kết nối giữa rotor và stator.
• Bạc thau có ổ bôi trơn giúp giảm ma sát.

Nguyên lý hoạt động

Khi dòng điện đi qua các cuộn dây quấn quanh lõi sắt từ (hay phe silic) được làm từ nhiều tấm tôn silic mỏng ghép lại, nó tạo ra lực tác động lên rotor. Các cuộn dây (dây chạy và dây đề) được đặt lệch nhau và sự tác động của tụ điện gây ra hiệu ứng lệch pha, tạo ra trong stator các lực hút không đồng phương (tụ điện điều chỉnh để dòng điện đảo chiều AC tạo ra một chiều quay cho cánh quạt). Do hai lực hút này lệch nhau về thời gian và phương nên trong stator hình thành một từ trường quay, khiến rotor quay được.

Để điều chỉnh tốc độ quạt, người ta quấn thêm một số vòng dây vào cuộn chạy. Khi điện trở của cuộn dây thay đổi, dòng điện tăng hoặc giảm, tạo ra từ trường mạnh hơn hoặc yếu hơn, từ đó làm cho quạt chạy nhanh hơn hoặc chậm hơn.

Phân loại

Các loại quạt hiện có bao gồm:

• Quạt đứng: Đặt trên mặt đất, có thể điều chỉnh chiều cao và xoay được.
• Quạt để bàn: Bao gồm quạt để bàn thông thường và quạt hộp. Quạt để bàn thông thường có thể xoay nhưng không điều chỉnh được chiều cao. Quạt hộp thường có hai lớp cánh, dễ di chuyển hơn.
• Quạt trần: Có hai loại, quạt trần thông thường và quạt trần trang trí.
• Quạt treo tường
• Quạt đá
• Quạt tích hợp trong các thiết bị điện tử
• Quạt hộp: Thiết kế gọn gàng, hình chữ nhật, vuông hoặc cầu, có lưới bảo vệ để tránh tay trẻ em tiếp xúc với quạt, tăng cường an toàn cho gia đình có trẻ nhỏ.
• Quạt cây
• Quạt thông gió

• Quạt trần
• Nguy cơ từ quạt
• Quạt điện tử

Liên kết bên ngoài

Sự phát triển của quạt điện