CN103080657A - 局部化的个人空气调节 - Google Patents

Abstract

一种睡眠空间的空调，包括安静的小功率空调（1）和睡眠空间，经调节的空气被递送到该睡眠空间内，该睡眠空间包括上方透气部分（2）和围绕睡眠空间内的床的下方相对不透气部分（3），不透气部分（3）延伸到床的睡眠表面上方的高度，当空气向睡眠空间的相对端或相对侧运动或从相对端或相对侧返回时，该高度足以包含经调节的空气，不透气部分（3）在该相对端或相对侧处延伸到睡眠表面上方足够增大的高度，以允许气流的方向朝向所述一端或一侧反向，而不会明显损失通过透气部分（2）的经调节的空气。

Description

局部化的个人空气调节

本发明涉及对局部化的个人空气调节的改进。本申请与临时申请2010903591相关，该申请的全部内容以参见的方式纳入本文。

传统的空调装置大多通过将冷空气注入期望冷却的封闭空间内来工作。空气以造成空气在空间内混合的方式而注入，以在封闭空间内的任何位置处实现相对均匀的温度和感受到的舒适度。通常，空气通过空调内的风扇经由一个或多个通风口、以相对较高的速度被注入，以形成在整个封闭空间内的混合。在置换式空调系统中，在空间的底部处注入空气，以仅在由人所占的空间的下部形成冷空气层。

空调通过使空气经过包含冷流体的换热器或由诸如珀耳帖（或热电）效应之类的其它一些机制冷却的换热器来从空气中散热。

冷却空间内的空气从冷却空间内的墙壁、地板、人员和其它物体吸收热量。

通常但并不总是，冷却空间内的空气通过空调再循环，以减小维持冷却所需的能量。

在蒸发器处从冷却空间的空气吸收的热量（包括通过使水汽凝结成液态水获得的潜热）在加热外部空气的冷凝器处再次出现。用于压缩制冷气体的能量也在冷凝器处出现。因此，在冷凝器处传递到外部热空气的热量比在蒸发器处从冷却的空间吸收的热量大出一定量，该量等于供给到压缩机和风扇的电能（除了通过其它方式由系统损失的相对较小的热量之外）。空调性能的系数是从冷却的空间吸收热量（包括通过由水汽冷凝成液态水而获得的潜热）的速率除以供给到压缩机的电能。

基本上，空调作为热泵运行，从而从冷却空间内部的空气散热，并将该热量连同用于压缩制冷气体的能量传递到冷却空间外的较热空气。除了使压缩机运行所需的功率，需要较小的附加量的功率来使风扇运行，以使内部和外部空气运动。

便携式空调可由与已知的家用空调相似的空调来构成。空调通常放置在需冷却的房间内，因此需要相对较大直径的空气管以确保来自冷凝器的热空气通过窗排出。在某些情况下，第二空气管将来自窗的空气运送到冷凝器循环风扇，以泵送通过冷凝器。冷却空气与室内空气混合，或者在下面讨论的某些本发明的情况下，将冷却空气引导到室内的局部部分。

用于这些传统空气调节结构的相当一部分能量造成仅冷却建筑结构和冷却空间内的物体，并散去通过房顶或天花板、墙壁、地板并特别是通过诸如窗和门之类的敞开或被覆盖的开口进入的热量。这种能量需求可通过提供附加的隔热装置或通过遮蔽房顶、墙壁、窗和门来减少。然而，这些措施并不总是可行，特别是在并未考虑到能效所设计的旧建筑的情况下。

通过使空调的作用局部化到冷却空间的一小部分、通常是远离门、窗和墙壁，可以节省非常大的能量。人们经常在室内的某个位置花较长时间（诸如睡在床上），并且仅需要保持人的上身和脸部冷却以感觉到非常舒适。

在Karl Hoffman的2000年12月26日的美国专利6,425,255(2002年6月30日授权)中已描述这个原理。在AsirIyaduraiJebaraj的2002年1月2日的美国专利2002/0121101（2002年9月5日公开）中描述了进一步的改良。该专利还涉及中国专利CN2259099（San Jianhua等人）和CN1163735（Tan Mingsen等人），这些专利描述了经空气调节的蚊帐，空气在该蚊帐内调节并被供给到封闭件，且全部的空气被排出到封闭件外。中国专利CN1061140（He BaoAn等人）描述了一种具有多个可膨胀气穴壁的隔热蚊帐。中国的改进还包括用于礼堂中座位的局部化的空气调节。

C.F.Kettering等人的1933年8月30日的美国专利2,159,741（1939年5月23日公开）先于这些专利，该专利描述了一种床周围的织物壁结构和将空气馈送到床上方的由壁围成的封闭空间内的小型空调单元。该发明利用了置换式空气调节原理，其中，已知的是冷却空气的密度高于热空气，并由此留在位于床上方的带壁封闭件内。

通过使用蚊帐、甚至借助相对细密的编织物来试图使空气调节局部化是低效的。CN2803143Y意识到了这个难点，其使蚊帐借助内帘被细分成仅让睡觉者的头部位于经空气调节的部分内。封闭件内的较冷空气和外侧的较热空气之间的微小密度差足以提供使冷空气通过蚊帐快速散布到室内的压差。这就是为什么许多专利公开了不透气屏障的原因。然而，这些对于需要使用封闭件的人来说不具有吸引力。

从以上明显的是，需要一种局部化的个人空调系统，其中，经调节的空气可用于更有效地冷却位于睡眠空间内的人。

采用电池储备装置的不间断电源（UPS）在受经常性电力供给中断影响的区域内变得流行，因为它们安静且不排出任何废气。常见的UPS可供电几个小时以使小功率荧光灯、通讯设备和风扇运行。常见的家用UPS单元可供给1000到2500瓦之间的功率。在许多市场中，大功率UPS单元的价格是最小型空调的价格的高达3倍，并且通常，需要每12个月左右更换电池。

吸引人的替代选择是通过类似于UPS单元中所用的逆变器来从光伏太阳能电池阵列供电。

然而，常见的UPS逆变器不能容易地提供用于空气调节的功率。原因在于使压缩机运行（如在制冷空调中所用的那样）所需的电动机在其从静止状态开始运行时在通常为50到100毫秒的短时间内提取正常供电电流的十倍的电流。尽管UPS单元能在短时间内供给较大的电流而不过载，但UPS单元的功率定额需要比电动机定额大出约3倍才能使电动机可靠地起动。因此，即使是定额在600瓦的最小型空调，也需要具有超过2000瓦容量的UPS单元来使其运行。在此，应注意到制造商所说的空调中的一些以相对较小的功率定额运行，例如450瓦，实际上在一定条件下（包括最初起动时）需要达到两倍或两倍半的功率。因此，它们通常不能由UPS系统来运行，而是需要能供给所需功率的发电机。

更多的人通过使用空气调节将能获得舒适感和更好的睡眠，如果他可减小空调压缩机所需的电功率的话。这可通过大幅减小由空调所需的冷却容量来实现。一种方法是使空调的作用局部化，以使得仅头部和上身周围的空气被冷却。

本发明提供一种睡眠空间的空调，该空调包括用于产生经调节的气流的安静的小功率装置和限定睡眠空间的装置，经调节的空气适于以使睡眠空间内的人和经调节的空气之间的接触最大化的方式从睡眠空间的一端或一侧递送到睡眠空间内，限定睡眠空间的装置包括上方透气部分和下方相对不透气部分，下方相对不透气部分适于围绕睡眠空间内的床，并构造成使经调节的空气从睡眠空间经透气部分或其它泄漏路径的通过减到最少，不透气部分在床的与所述一端或一侧相对的相对端或相对侧处延伸到床的睡眠表面上方的一定高度，当空气向睡眠空间的相对端或相对侧运动或从该相对端或相对侧返回时，该高度足以包含经调节的空气，不透气部分在相对端或相对侧处延伸到睡眠表面上方一足够增大的高度，以允许气流的方向朝向所述一端或一侧反向，而不会明显损失通过透气部分的经调节的空气。

换言之，设置小型空调单元以使位于织物封闭件内的床上方的空气冷却，该织物封闭件设计成有效地保持床上方的冷却空气，并以约600瓦的冷却功率来提供用于两人的舒适睡眠环境，该冷却功率需要约270瓦的电功率，较好地在典型的1000瓦UPS单元的容量内。织物封闭件以足够的冷空气深度来保持床上方的冷空气，以能进行有效循环并还能防止昆虫到达睡觉者。

较佳地，经调节的气流产生装置包括具有气流整流器（straightener）的喷嘴，该气流整流器将睡眠空间内的人的裸露皮肤上的气流速度保持在至少每秒0.4米，由此减少来自喷嘴的气流与周围空气混合的趋势，因而，在离喷嘴的较大距离处保持较高的气流速度。

较佳地，经调节的气流产生装置包括返回空气进口，该返回空气进口具有用作空气过滤器的足够面积的透气材料，透气材料将进气速度保持在低到足以防止经调节的空气上方的热空气进入所述进气口。

在较佳实施例中，空调具有蒸发器，该蒸发器用作具有喷气（airprojector）喷嘴的气流整流器。

在较佳实施例中，限定睡眠空间的空调包括织物封闭件，该织物封闭件包括所述不透气和透气部分。

现在将参照附图来描述本发明的实施例。

图1是实施本发明的系统的示意侧视图；

图2和3是在空气进入左端的情况下的气流的简化示意图；

图4是合适的喷气喷嘴的示意侧视图；以及

图5示意地示出进气结构的作用、简单的进气口、织物空气过滤器和进口扩散器。

所述实施例中的空调（1）的出口如图1中所示将冷却气流引导到床上方。空气从封闭空间返回到冷却器，并通过进气口进入单元的顶部。用于使冷凝器冷却的空气在地板水平处从封闭件外的室内空气获取，并在单元的背部、也在地板水平（11）附近排出。房间窗户通常应敞开，从而允许热空气从空气冷却器逸出。

这克服了常见室内空调的显著缺点。当采用室内空调时，窗必须关上。许多人不喜欢这样，他们更喜欢来自外部的新鲜空气。该发明允许房间窗户保持打开。即便窗户关闭，由从空调单元释放的相对较小的热量引起的、对房间的加热也最小；释放到房间的净热量仅仅是压缩机和风扇的功率消耗。

使空气调节局部化的手段有效地允许该实施例用于户外，这与常见的空调不同。

当把单元顶部处的铰接盖子放下时，所有进气口和出气口均不可见，并保护进气口和出气口免受灰尘积聚的影响。因此，空调单元在不使用时与普通卧室家具类似。

参照图1，织物封闭件由两个部分构成。上部（2）由适于作为防虫网的织物构成，空气可非常容易地穿过该织物。下部（3）由相对不透气的织物构成，该织物也具有较大的单位面积重量。织物的下部使冷空气保持在床上方。

在图1中所示的结构中，空气冷却器单元（1）位于床的脚端，以保持噪声源尽可能远离睡觉者的耳朵。床的头端处的床垫上的不透气织物的高度h₁需要为至少约1000毫米。在床的脚端处，高度h₂需要为至少600毫米。由于来自冷却器单元的气流减慢，所以需要头端处的附加高度，从而如由伯努利法则预计的那样增加冷空气的静压力。如果没有该附加高度，冷空气将溢过不透气织物的壁，从而造成对于外部较热的室内空气的不期望损失。不透气织物的底部就挂在地板水平上方。

冷空气射流以每秒约2.4米（米/秒）从空气冷却器出口90排出。出口流量通常为约每秒30-40升（升/秒），且温度在约12°到18°之间。通过利用描述不可压缩流体流的著名的伯努利方程，显示冷空气射流的静压力低于周围空气。由此，如图2中所示，周围的较热空气W倾向于与快速运动的冷空气C混合。在此混合过程中必须保持动量，因此，尽管平均速度由于混合而随着离出口90的距离而减小，但运动的射流中的空气总质量增大，该空气总质量是来自射流的冷空气和已与冷空气混合并且至此随着较冷空气运动的外围空气的一部分的组合。我们可以通过观察到速度现在为约0.4米/秒来估计在此位置的空气流量。总空气流量（冷空气加上与冷空气混合的较热空气）现在为约180-200升/秒。测量显示该空气混合物通常比室内的环境空气冷5°到7°之间。由于该空气比环境室内空气密度高，它使较热空气向上位移，如图2中所示。

冷空气到达封闭件的端部，并必须停止水平运动。密度较高的冷空气的深度在此较大。

可由基本原理计算出深度差：伯努利用于其描述不可压缩流体流的著名方程的相同原理。用基本原理工作的原因是传统的流体机械教科书提供描述通道内水（或类似流体）流的方程，而忽略上方空气的密度。这是合理的，因为空气的密度通常比水小800倍左右。

然而，在冷空气位于封闭件内的情况下，上方热空气的密度仅略小于底部的较冷空气的密度。此外，测量显示冷空气和较热空气之间没有清晰的边界。相反，有在约0.2-0.4米的距离上、从较热空气到较冷空气的逐步过渡。然而，我们可通过假定存在明显可测量边界来简化计算，并仍能获得具有足够精度的结果。

靠近头端的较小单位体积的空气具有由冷空气的较大深度表示的势能（具有较高的密度）。在远离头端处，冷空气的深度较小，且这种深度差造成两个作用。首先，头端处的空气需要再循环回到床的脚端。其次，在睡客的头部和肩部上方流动的冷空气减慢并开始向上运动。我们通过将运动的空气的动能等于由冷空气的不同深度表示的势能差来处理这种现象，如图3中所示。

小体积运动空气的dv具有质量ρ_idv，其中，ρ_i是封闭件内的冷空气密度。该小体积空气的动能因此是0.5ρ_idvu²，其中，u是通常沿水平方向的速度。由头端处的冷空气的增大深度表示的势能也容易计算出。对于头端附近的静止的小体积，势能是（ρ_i-ρ_a）dv g(h₁–h₂)。在此，采用冷空气（ρ_i）和环境空气（ρ_a）之间的密度差，因为正是该密度差形成影响空气速度的小的压力差。可以对此建立两个方程：

0.5ρ_idvu²=（ρ_i-ρ_a）dv g(h₁–h₂)     (方程1)

注意到dv在等式两侧出现，我们可消掉该项。由此，我们可以重新整理该方程并由以下计算u：

u=(2(ρ_i-ρ_a)g(h₁–h₂)/ρ_i)^0.5     (方程2)

代入上述值，我们获得下面计算出的结果：

这证实了如果冷空气的深度差为0.5米，则与该深度差相关的预计流速为我们在测试中观察到的0.4米/秒。

冷空气需要在封闭件内循环，以部分地提供足够的空气速度，以形成额外的舒适感，并且部分地由于空气将夹带在从冷空气出口进入床封闭件的经调节的空气射流内。我们可计算出为这种循环需要多大空间。

睡客O的头部和肩部上方的混合冷空气的总流量为约180升/秒。在0.4米/秒的速度下，这需要0.46平方米的流动面积。实际上，速度不会是均匀的，因此，将需要较大的面积，通常为大出约50％。采用获得的测量值来估计在睡客的头部和肩部上方流动的冷空气的深度；该深度为约0.3米。床的宽度为约1.8米，且我们需要几乎整个宽度来容纳此空气流。因此，我们可得出使该较冷空气层顶上的气流返回到床的脚端。因此，这两层的组合厚度需要为约0.6米。这对应于来自实验观察到的结果。头端处的冷空气的典型深度为0.9-1.0米左右，而在中段处为约0.4-0.5米左右。当顾及上述冷空气和热空气之间的过渡层时，需要允许更大的深度，且所需的最小值将比这些值大0.1米左右。

应注意到人的肩部的典型宽度为0.45米。在睡客侧睡的情况下，肩部高度大于流向床的头端的冷空气的厚度。然而，就如流水在水流中向上流动并流过被淹没的岩石上方那样，冷空气将在人的肩部上流动。这将引起一定的摩擦流动损失，但这些不会明显影响封闭件内的冷空气水平。

替代的结构是允许冷空气在床的一端、即头端处进入，并从需冷却的床的脚端抽取空气，进行再循环。然而，首先必须允许上方的热空气和下方的冷空气之间的0.2-0.4米的过渡层。然后，必须允许使气流上升到侧睡的睡客的0.45米高的肩部之上的足够深度。这意味着封闭件内的冷空气的最小深度必须在0.5米左右（在考虑到过渡层之后为0.6米）。如果包含冷空气的织物帘的不透气部分小于0.6米，则冷空气将溢出帘的侧面，从而明显影响空气冷却的效率。此外，需要相当大的管道来将空气从床的一端传送到另一端。由于传导，该管道是热增量的另一个源，从而降低了效率。由于期望在此结构中允许冷空气在头端处进入，存在另一问题，即睡客的耳朵更靠近空气冷却器的声源，从而使噪声更明显。

织物封闭件可以由若干部分永久地缝合在一起。由防虫网材料制成的一个部分4形成封闭件的顶部。由防虫网材料制成的、在顶部（2）处的四个交叠悬挂部分以及在底部（3）处的不透气织物缝合到顶部，以使它们在顶部水平地交叠至少1000毫米，最好更多。每一片均形成封闭件端部（脚端或头端）的一部分和侧面的一部分，由此提供端部和侧部的进出开口。会需要附加的材料聚集在角部处，特别是在床的脚端，以允许有足够的织物来封闭空调单元。

织物悬挂在床的侧面和端部上方，以形成连续的空气屏障和防虫网，还提供用于使人方便地进入或离开封闭空间的侧开口。

开口处的交叠织物改善封闭件和外部室内空气之间的隔热。

缝合到使顶片和侧片连结的接缝处的织物带（5）使织物封闭件能附连于由例如金属、木或竹制成的支承轻质杆（6）。杆从屋顶（7）悬下，它们离开床边缘正上方的位置向内一较小距离。由此，织物抵靠床的侧面和端部悬挂，形成有效屏障，从而防止空气在床的侧面和端部上方瀑落。

直径约100毫米的由轻填织物制成的长管形成空调单元和床（12）之间的密封件。这还有助于将封闭件织物在空调单元的各侧周围锚定在位，以阻止空气在封闭件和外部的较热室内空气之间泄漏（9，10）。

在白天，封闭件的四个悬挂部分可被拉开，并系好以便于使各片换气和铺床。安装在脚轮上的空调单元可移动到工作台附近，使用者在白天可在此位置得到冷却。

由于由该空调消耗的功率非常小，所以适于由中等尺寸和成本的太阳能电池来提供动力，特别是在为了晚间操作而联接于电池储备装置的情况下。

测量显示，在室温为35°且湿度为约50％时，以270瓦的输入功率运行以冷却上述封闭件的小空调可提供约5°的降温。封闭件内的空气运动的作用增加2°的明显降温，从而使该单元满足通过研究所建立的舒适度要求。这通过采用冷排出空气通风口来实现，该通风口将冷空气通过空气整流器（straightener）供给到封闭空间，从而减少排出空气流内的湍流。这使空调能在整个床的区域保持气流速度，该气流速度在出口空气通风口附近为约每秒2米，在床的头端处为约0.4米每秒，足以实现明显的2°冷却。

在图4中所示的替代结构中，蒸发器E本身可用作整流器，因为它具有多个紧密间隔开的翅片。通过使来自蒸发器的空气在具有约25厘米的曲率半径的弯曲出口喷嘴的内部重新定向，排出气流能以最小湍流引向离出口达2米的人。

遥控的叶片V提供用来调节冷空气射流的方向的装置。

需要仔细考量使返回空气进入空气冷却器的布置。进气口的横截面面积和空气流率一起确定进入进口的空气的平均流速。进口的中部附近的最大进入速度将略高，这是因为边缘处的空气速度将低于平均速度。

按照伯努利原理，封闭件内的密度较高的冷空气的深度提供相对的压差，以使空气加速到进气速度。如果进气速度过高，则该压力将不够。当这种情况发生时，冷空气层上方的热空气将连同一部分的冷空气被吸入进口，这种吸入方式类似于当浴缸不完全空时排出夹带有空气的水流。这增大了进气的平均温度，从而减小了空气冷却器的冷却效率。

图5说明这种情况，并示出捕获于封闭件内的冷空气C，该封闭件诸如是该实施例主题的织物封闭件。在上部结构中，小进气口I从封闭件内部去除冷空气。由于进气口的面积较小，所以需要较高的出口速度。冷空气的压力不足，且热空气W因此进入进气口。图5的下方的布置示出具有大得多的表面积的先前所述的织物分散进口，其以虚线示出，还用作空气过滤器。由于进入织物分散进口的速度低得多，所以使空气加速通过进口所需的压力小得多。为此足够的压力可由封闭件内部的冷空气深度获得。因此，没有较热空气进入进气口，并且提高了空调的操作效率。

织物的面积必须大到足以使入流速度保持在约0.1米/秒（对于40升/秒的流大约为0.4平方米）。如上所阐释的那样，这对于防止冷空气上方的热空气层被抽吸到进气口内是重要的。

在此说明书和下述权利要求书中，除非情况另有需要，否则词语“包括”和诸如“包括”和“包括”的变型将被理解为包括所述的整体或步骤或整体或步骤的组，而不排除任何其它的整体或步骤或整体或步骤的组。

本说明书对于任何现有出版物（或来源与此的信息）或者对于任何已知事项的参考并不且不应被认为是承认或接纳或任何形式的建议，现有出版物（或来源与此的信息）或者已知事项形成本说明书所涉及领域公知常识的一部分。

Claims (9)

1.一种睡眠空间的空调，所述空调包括用于产生经调节的气流的安静的小功率装置和限定睡眠空间的装置，经调节的空气适于以使所述睡眠空间内的人和经调节的空气之间的接触最大化的方式从所述睡眠空间的一端或一侧递送到所述睡眠空间内，所述限定睡眠空间的装置包括上方透气部分和下方相对不透气部分，所述下方相对不透气部分适于围绕所述睡眠空间内的床，并构造成使经调节的空气从所述睡眠空间经透气部分或其它泄漏路径的通过减到最少，所述不透气部分在所述床的与所述一端或一侧相对的相对端或相对侧处延伸到所述床的睡眠表面上方的一定高度，当空气向所述睡眠空间的所述相对端或相对侧运动或从所述相对端或相对侧返回时，所述高度足以包含经调节的空气，所述不透气部分在所述相对端或相对侧处延伸到睡眠表面上方足够增大的高度，以允许气流的方向朝所述一端或一侧反向，而不会明显损失通过透过部分的经调节的空气。

2.如权利要求1所述的空调，其特征在于，经调节的气流产生装置包括具有气流整流器的喷嘴，所述气流整流器保持所述睡眠空间内的人的裸露皮肤上的气流速度，以足够获得附加的感受到的舒适，由此减少来自所述喷嘴的气流与周围空气混合的趋势，因而，在离所述喷嘴的较大距离处保持较高的气流速度。

3.如权利要求1或2所述的空调，其特征在于，所述经调节的气流产生装置包括返回空气进口，所述返回空气进口具有用作空气过滤器的足够面积的透气材料，所述透气材料保持进气速度低到足以防止经调节的空气上方的热空气进入所述进气口。

4.如任一前述权利要求所述的空调，其特征在于，所述空调具有蒸发器式换热器，所述蒸发器式换热器用作具有喷气喷嘴的气流整流器。

5.如任一前述权利要求所述的空调，其特征在于，所述限定睡眠空间的装置至少部分地包括织物封闭件，所述织物封闭件包括不透气部分和透气部分。

6.如权利要求5所述的空调，其特征在于，所述织物封闭件设置成以相对于垂向成角度悬挂，因而，织物抵靠床的侧面和端部悬挂，以使在织物和床垫的边缘之间从封闭件泄漏的冷空气最少。

7.如权利要求5或6所述的空调，其特征在于，通过使用包含到织物内的磁性材料或能使织物暂时固定到床垫或床的侧面的其它装置来减少织物和床垫的边缘之间的经调节空气的泄漏。

8.如任一前述权利要求所述的空调，其特征在于，用于产生经调节的气流的装置的电功率和起动电涌充分小，因而，它能采用后备电池电源、太阳能光伏板、风力发电机或类似的电源来运行。

9.一种基本上参照附图如所述的睡眠空间空调。

Images