在寒冷区域应用暖风机取暖极为普遍，目前市售暖风机多采PTC发热体，缺点是轴流扇存在所产生之噪音。本研究针对系统方面，研究降低噪音之可能方法。

　　藉由模型研究，在最大可能方面采取各种方式改变；系统组件中以PTC发热体及风扇连接PTC之系统效应所造成阻抗最多，相对噪音也由此发生。模型研究不同风扇出口状态(平口，缩口，张口)及配合放大PTC发热体尺寸，可使模型风量由原先0.887CMM提升至1.56CMM，而噪音值相对降低5dBA。

　　由模型成果再考虑已有模具及最小成本下，由原有模具，尽可能搭配上述结论，对PTC及风扇系统采扩口设计，可使修改后的暖风机风量可达1.182CMM，而同时噪音降约3.5dB。

一、前言

　　暖风机在寒带国家使用极为普遍，尤其在许多个人场合常以暖风机来替代原有暖气系统，在使用上极方便且经济。国内制暖风机每年外销欧洲有相当数量，但随着顾客需求，暖风机的噪音将使产品失去竞争力，所以开发低噪音且保持原有小巧特性之暖风机，将是提升品质重要方向。

　　虽然暖风机的构造非常简单，而且人类使用电暖风机的历史也已有相当时日，早期发热体是以Ni-Cr电阻丝为主体，但却很容易受外物附着而短路，甚至造成火灾危险。因此，目前所流行暖风机，不仅改良Ni-Cr电阻丝为安全性很高的PTC，且发热稳定，不易受外物附着影响，而且其发热密度高，使整台暖风机外形尺寸可缩小至l5x2Oxl2cm(同发热量之Ni-Cr系统将大至30～4Ocm)。在小巧体积、保持轻薄短小的设计趋势而采用轴流风扇(一般约Φ120x38cm)，虽然整体造型相当轻巧，但轴流风扇却在搭配高密度散热片(鳍片间距高至1吋19片)PTC发热体后，使暖风机系统阻力上升，而使轴流风扇在高阻抗失速范围运转，因此暖风机使用时高噪音很难避免。

　　本文目的将在保持原先轻巧组合下，尝试由风扇设计及系统改良调整去减低噪音。系统研究是指外部空气从入口滤网进入暖风机经过风扇，加热器以及出口铁栅等所经过组件分别以模型或成品，探讨阻抗及噪音之变化，从而归纳出暖风机系统可能之改变方向，并将这些观念用于实际产品改良上，并比较其成效。

二、暖风机各组件阻抗分析

　　暖风机主要组件为风机及发热体，市售暖风机为增加使用安全性，在入口有加装滤网以及出口加装安全铁网(图一)之设计，除此以外有些系统亦设计一些非关热流之安全考虑，像倾倒自动切断系统及过热自动切断系统等。

　　市售暖风机一般规格如图二所示，在轴流风扇Φll5mm下，搭配厚25mm、宽x高90x9OmmPTC发热体(框架12lx122MM)，至于其它组件规格见表一。藉AMCA Fig.12风量测试设备(图三)来测试各组件阻抗。其测试方法是以被测组件在未装风扇下，应用测试设备用辅助风机提供不同风量时，藉由气流被吸入被测组件所造成之压力降，从测试设备上去测得阻抗值(静压值)，而风量则由测试设备中喷嘴压差值换算求得(详见AMCA[1])。所以当静压值为零时，其所量得风量代表该组件在一般使用状态下之风量，以此方法可量得暖风机整合之操作风量。

　　暖风机性能测试在未开加热器下，采冷模条件测试其相关性能，得风量0.887CMM、转数3026RPM、噪音55.1dB(见表二)。至于各组件组之阻抗风量则可由图四得到，其中

d ：PTC HX(25mm)

a1：PTC HX+进口滤网(IS)

a2：PTC HX+出口滤网(OS)

a3：PTC HX+IS+OS

A ：PTC HX+IS+OS+风扇(静置)

　　上述系统组合量取合并情形之阻抗风量关系，其目的是藉由组合各组件彼此之影响，而尽可能将实际系统在运作时，彼此间因气流流动时所造成之影响完整测得，如此再搭配系统中趋动力风扇时，则可由相同阻抗去预测出实际系统运作时风量之大小。

　　在一般流体组件阻抗值介绍各组件之阻抗风量关系时，其基本假设系每一组件皆在发展完整均匀流场中测得，以此方式所建立之数据，一方面方便了解各组件之优劣，另一方面对相关因素之整理会较简洁。虽然设计者可藉由上述数据，初估自已所建立系统阻抗，以便于选取风扇规格，但在此须说明上述假设每一组件系在发展完整均匀流场中测得，事实上除了大系统管线有相当长度，可使流体在发展完整流场中运作外，像目前暖风机这么小系统，其组件皆受上游组件入口太短影响。另外弯管将造成二次流，必须相当距离后流场才会趋于稳定，所以在实际组合产品时，系统真正阻抗将须以整体系统，以近于实际操作时之流场去模拟，如此量得阻抗才是真正阻抗。

　　目前暖风机使用轴流风扇为驱动源，若系统阻抗过高，轴流扇风量不仅会下降，且呈现扩张式的涡漩流[2]，此一特性，使搭配系统须特别设计外，量取整体阻抗时必须尽可能表达。因此上述静置风扇，使吸入气流呈扩张的吹出，以使出口流场状况近似于实际风扇运转时出口型态，以此建立系统阻抗线。

　　在未装风扇下，将系统以PTC HX为主体，搭配进出口网如上述组合，分别以原有暖风机外壳直接吸外气，量取风量与阻抗间变化。图四线A为考虑加装风扇于暖风机内，但风扇是固定而不旋转的，以此模拟风扇在高阻抗上，呈扩张特性，由AMCA Fig12辅助风机吸风，其所产生阻抗线为A。同样的，风扇单独测试风量、压力结果，亦可同时表达于图四。图四风扇性能曲线与系统阻抗线A交于风量约0.9CMM处，此结果与完整暖风机系统风量、压力测试结果(表二)相同。

　　当然上述系统在风扇出口侧的特性，亦可与系统分离而直接放在风扇上，然后进行性能测试，另外搭配系统但不考虑风扇出口之影响，而以一般均匀气流来测试。最后将所得风扇性能曲线与系统阻抗线相交，亦可得相同结果。由图四在风量0.9CMM下得各组件阻抗组如下：

PTC：1.85mmAg(包括护栅，出入口效应)。
IS ：0.4mmAg
OS ：0.75mmAg
系统效应：2mmAg
合计：5mmAg

　　其总和压降为5mmAq，其中PTC及系统效应为产生阻力的主因。

　　上述风扇系统效应所造成2mmAq之压损，在系统总阻抗超过风扇轴向流动条件时，其气流吹出方向将呈扩张型态，尤其在目前暖风机中PTC为一密致性很高的组件，其系统阻抗将使轴流风扇往高阻抗区操作，所以这种应用将使风扇与组件搭配间产生多余损耗，此一部份测试可藉由所有组件包括风扇，但不转情况下，去求得风量阻抗线(如图四A线所示)，再与风扇性能曲线相交，即为实际操作点(风量0.887CMM)。

三、暖风机系统效应实验

　　针对上述系统内各组件阻抗分析，由于进口滤网及出口铁网属外加附件，改变这些附件当可改善阻抗，但此对目前研究较无关联，纯粹是选择的问题，所以我们将重点放在改变风道系统上。除上述附件组件外，其余有关风流动组件尚有入口效应，风扇外壳及加热器等部份。对暖风机之改善，在模型研究方面，以不特别考量产品限制下，尽可能将其可改善地方及区域以最大改善为目标，从而再以最小成本且最大可能改善方式去调整实际产品，亦即藉由模型较大发挥空间彻底了解暖风机可能改进地方，而产品实际能修改到什么程度则是受成本影响。

　　由前节知目前最大阻抗为PTC发热体，及与风扇搭配连接状态所造成之系统效应损失，因此在此将以相同风扇，搭配不同状态之连接管去进行风扇特性实验。目前考虑之状态有下列三种：

A.Φl15风扇搭配90x90 四方管外　加35 cm连接管
B.Φl15风扇搭配Φ120　圆管
C.Φl15风扇搭配135x135四方扩张管

　　测试结果如图五所示，其结果可区分为低阻抗区与高阻抗区，在低阻抗区，轴流风扇具有轴向流动特性，突缩(状态A)或突展(状态C)都将造成额外损失，其中又以突缩损耗较大，其结果由图五可知(差约0.225CMM)。而在高阻抗区时，轴流风扇呈扩张性运动，突张(状态C)便会比平管损耗小些，所以在静压4mmAq以上，其风量以状态C较大。此一实验有助降低整体系统阻抗改善考虑。

　　依照上一节针对最大阻抗(PTC及风扇系统效应)改善调整时，以最大可能改善空间做为系统最优化结果，并做为未来产品调整时的依据。

　　上述依各组件特色，采最大可能阻抗降低为设计要点，其结果如图六所示，以下就更动项目说明(目前进出口网不变情形下)

(a)PTC由90x92mm扩展成9Oxll5mm(鳍片间距空气保持为19片/in)，原先PTC座由1l2x1l5mm调整成135x135mm，而在PTC虽为90xll5但其座平行扩张至115x115mm，其座原由2Omm降至16mm。

(b)风扇出口处，所谓风扇系统效应区，由原先少Φ1l5mm风扇厚38mm改成在下游风扇出口面由Φ.115扩张成Φ135，以接PTC座，其深约15mm。

(c)入口原先护栅凸起去除，改成深17mm，半径28.5mm角度35°之钟形入口，其入口由1l5mm扩张成125mm。

　　最后再加上原先IS及OS使成新的暖风机模型风道。

　　风扇未置入前，上述风道在可量得模型系统在25mm及l5mmPTC下之风量阻抗如图七(配合图五3种风扇系统效应曲线)。结果显示上面所做模型(9Oxll5x25mm PTC)，其系统阻抗线已降低向右移，由C型系统阻抗与风扇性能曲线，风量线交于风量约 1.4CMM；上述实际模型风道在装上风扇测得风量为1.56CMM，3.62RPM，其噪音值也由原先系统之6OdB降至55dB，(表三)。

表三、模型暖风机系统之性能

	风量(CMM)	转数(RPM)	噪音(dB^)*
25mmPTC 15mmPTC 原系统	1.56 1.91 0.887	3062 2925 3026	54.9 53 60.4

　　实际模型出口为图五C张口(135X135)但为圆形扩张设计，对高阻抗轴流风扇而言，此处因搭配张口使模型暖机风量可1.56CMM较图七交会点1.4CMM高。

　　上述模型在相同风扇下提供了最大提升风量及降低噪音的可能，至于实际系统是否可达到这么大的调整尚待进一步探讨并在下一阶段进行。若PTC改成90Xll5Xl5mm，其结果风量可提升至1.9lCMM，噪音可降达7dB。其性能可参见图七。

五、原型机开发

　　在完成第一阶段基本组件特性分析后，对系统降低噪音之方向业已确定，以下将就上述模型暖风机结论，配合现有模具及风道空间予以实际调整，其主要重贴将放在影响系统阻抗最大之PTC发热体、座及与之相配风扇间系统，至于纯属单独更替性组件(如进口滤网及出口铁网)在此不特别研究。

上述原型机更替重点如下：

(a)90X92X25mm PTC换成90X1lOX25mm PTC，鳍片间距保持1吋19片散热鳍片。

(b)PTC座限制于原有模具外观，只能在维持外观尺寸(12lX122X15mm前提下，将内部PTC连接部分，由原先99XlO1mm扩展至110X117mm，亦即PTC座原先之斜度予以切平以尽力配合115Xll5mmPTC模型暖风机之设计(见图八)。

(c)风扇外壳出口内部在维持原风扇方形外框(165X165m)下，依照模型扩张口建议，将Φ115mm扩张成Φ135mm。

　　使用原有风扇(即a、b两项改善)进行上述调整过后之性能(风量，噪音)测试，结果如图九所示，系统阻抗线在风扇放置但静置不转动情况下，由图可看出新的PTC对阻抗有稍降之情形，单就PTC对整个暖风机系统之操作点调整(未换新的风扇外壳)而言，由表四得其风量已由旧PTC(表二)的0.877CMM提升至1.142CMM，但噪音变化却不明显。

将上述a，b，c三项改善同时结合，再以原有风扇配合新改暖风机，其阻抗线与风扇性能曲线变化不大，但由暖风机操作风量，噪音值来看(表四)，其风量可及1.182CMM且噪音值可再降到52dB。

　　实际系统原型机所修改项目是依据模型暖风机的测试结果而来，其主要差异在于实际系统原型机须搭配已有风道模具去调整，而无法原原本本从模型结论中去修改模具，其结果当然会有差异。

六、结论

　　暖风机系统噪音来自轴流扇及其搭配系统间之不协调，由于PTC发热体本身厚25mm及密致性高及1吋19片之散热鳍片，造成整个暖风机系统阻抗较高，而搭配之轴流风扇必须在高阻抗区操作。但搭配风扇出口之设计对上述轴流扇高阻抗区，气流呈扩张型态吹出并不配合，以致不仅造成高阻抗，且形成噪声源并降低暖风机之操作风量。

　　模型探讨改善暖风机性能，在最大可能改善情况下，保持原先进出口网，考虑入口有圆弧角，PTC保持厚25mm但放大尺寸至9OXll5mm，最后搭配风扇出口呈张口设计(由Φ1l5mm扩张至Φ135mm)，结果可由原先暖风机风量0.887CMM，提升至1.56CMM，而噪音更可降低5dB。

　　再由模型结论，考虑原有模具限制及最小成本下，在保持原有进出口网，对原型机修改PTC发热体及风扇扩张出口，可得新修改系统之原型暖风机风量可由原先暖风机之0.877CMM提升至1.182CMM，而噪音可降约3dB。