CN110114153A - 具有壁喷流的实验室通风柜 - Google Patents

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Abstract

一种用于实验室的通风柜(1)，该通风柜具有设置在每个侧壁(36)的前端面上的第一中空型材(10、10')，该第一中空型材具有带多个第一开口(10d、10d')的第一压力腔(10b、10b')，空气喷流可以以由压缩空气构成的壁喷流(100)的形式从第一开口沿着相应的侧壁(36)输出到工作空间中。第一开口(10d、10d')的大小和在第一压力腔(10b、10b')中存在的空气压力被选择，从而第一压力腔(10b、10b')可以与安装在建筑物侧的压缩空气系统(74)流体连接，而在从工作空间的前侧到工作空间的深度的至少25％的区域中不会出现所述壁喷流(100)的气流与所述侧壁(36)脱离。还有一种通风柜，其中，这种中空型材(20、20')设置在底板(34)的前端面上。

Description

具有壁喷流的实验室通风柜
本发明涉及实验室通风柜，特别是流动优化的、节能的实验室通风柜。
节约能量不仅对环境友好，而且还降低了现代化实验室的有时非常高的营运成本，在该实验室中有时可以安装数十个通风柜，这些通风柜分别每周7天、每天24小时运行。然而，现代通风柜的最重要的特性在于，它们可以实现安全地处理有毒物质，并防止这些物质从通风柜的工作空间逸出。这种安全措施也被称为截留能力。为此目的，公开了一系列详细的标准“EN14175第1部分至第7部分”，其中主要描述了动态空气流对截留能力的影响。因此，通风柜领域的许多发展涉及如何在不对截留能力造成不利影响的情况下减少这种通风柜的能耗的问题。
在20世纪50年代人们就已尝试通过空气幕(“空气帷幕”)来改善通风柜的防逸出安全性。该空气幕借助在前面的前滑板开口区域中设置在通风柜工作空间侧壁上的空气出口喷嘴所产生，并且应防止可能的有毒烟雾从工作空间排出(US 2 702 505 A)。
在EP 0 486 971 A1中提出，在侧柱的前边缘和工作板的前边缘上设置具有流动优化轮廓的所谓的导向板(“翼片”)。根据EP 0 486 971 A1的教导，通过这些导向板，在前滑板打开时流入的室内空气在导向板的迎流面上很少出现脱离，因此很少出现涡流。但是，在这些导向板后面留有一个可产生涡流的区域，因为流入的室内空气会在导向板的下游端脱离。当室内空气以相对于侧壁的一角度进入到通风柜中时，这种效应明显出现。
在GB 2 336 667A中，截留能力通过如下措施进一步得到改善：与工作板的前边缘和侧柱间隔开地设置翼状型材，从而室内空气不仅能够沿着翼状型材进入到通风柜内部空间中，而且穿过在作为一方面的型材和工作板的前边缘与作为另一方面的侧柱之间存在的通常为漏斗状的间隙。室内空气在漏斗状间隙中加速，从而在侧壁和工作板的区域中提高了废气的速度曲线。
通过优化地供应所谓的“辅助喷流”实现了进一步提高防逸出安全性的里程碑，同时减少了实验室通风柜的能量需求。通过既在工作板的前边缘又在侧柱的前端面上设置中空型材，可以将压缩空气馈入到这些型材的中空腔中，并以压缩空气喷流的形式通过设置在中空型材上的开口将其吹入到工作空间中。这里的优点是，由压缩空气组成的辅助喷流沿着侧壁且沿着工作板进入到通风柜的工作空间中，即沿着对于涡流风险(回流区域)而言是关键的且因此会对截留能力产生不利影响的区域。在工作空间的侧壁和底部的区域内的压缩空气喷流的效果是多方面的。它们不仅防止流入的室内空气流在中空型材的下游端脱离，而且减少了可能的壁摩擦效应，从而在这些区域中明显很少出现涡流，进而很少出现回流区。进入到工作空间中的室内空气可以说在动态的向后移动的空气垫上沿着壁和工作板滑动到工作空间的后面区域中，它在那里被抽出。乍一看，这似乎是矛盾的，因为提供压缩空气喷流额外地耗费能量。然而，这对通风柜的总能量平衡有积极的影响，因为在通风柜内部空间的其他区域中空气速度会减小，而不会不利地影响截留能力。通过这些辅助喷流，满足实验室通风柜的防逸出安全性还有标准化规定的最小废气量可以在前滑板部分地或完全地打开情况下明显减少。在DE 101 46 000 A1、EP 1 444 057 B1和US 9,266,154 B2中描述了采用辅助喷流技术的实验室通风柜的示例。
针对采用通常的辅助喷流技术的通风柜，在借助PIV测量(“Particle ImageVelocimetry(粒子图像测速)”-测量)来研究壁喷流的流场时，本发明的发明人首次观察到，与先前采用雾的研究—其中不能确定出壁喷流的显著的气流脱离—相反，气流脱离在前滑板的平面后面相对短的距离处就已经发生，因此在侧壁处会产生危险的回流区域。
因此，本发明所追求的主要目标尤其在于，进一步改善采有辅助喷流技术的通风柜的防逸出安全性，并且同时进一步降低其能量需求。
该目的通过权利要求1和2的特征来实现。本发明的可选的或优选的特征在从属权利要求中给出。
因此，本发明一方面提供了一种用于实验室的通风柜，该通风柜具有壳体，工作空间位于该壳体中，该工作空间在前侧由前滑板限定，在底侧由底板限定，在旁侧分别由侧壁限定。通风柜还包括设置在每个侧壁的前端面上的第一中空型材，其中，每个第一中空型材具有与多个第一开口流体连通的第一压力腔，空气喷流可以以由压缩空气构成的壁喷流的形式从这些第一开口沿着相应的侧壁输出到工作空间中。通风柜的特征在于，第一开口的大小和在按规定使用通风柜时在第一压力腔中存在的空气压力经过选择，使得第一压力腔可以与安装在建筑物侧的压缩空气系统流体连接，而在从工作空间的前侧到工作空间的深度的至少25％的区域中不会出现壁喷流的气流与侧壁脱离。
另一方面，本发明提供了一种用于实验室的通风柜，该通风柜具有壳体，工作空间位于该壳体中，该工作空间在前侧由前滑板限定，在底侧由底板限定，在旁侧分别由侧壁限定。通风柜还包括设置在底板的前端面上的第二中空型材，其中，第二中空型材具有与多个第二开口流体连通的第二压力腔，空气喷流可以以由压缩空气构成的底部喷流的形式从这些第二开口沿着底板输出到工作空间中。通风柜的特征在于，第二开口的大小和在按规定使用通风柜时在第二压力腔中存在的空气压力经过选择，使得第二压力腔可以与安装在建筑物侧的压缩空气系统流体连接，而在从工作空间的前侧到工作空间的深度的至少25％的区域中不会出现底部喷流的气流与底板脱离。
如果通风柜既有第一中空型材又有第二中空型材，则是有利的。
根据本发明的一个优选实施方式，对于该通风柜，在从工作空间的前侧到工作空间的深度的至少50％的区域中，不出现壁喷流的气流与侧壁脱离或者底部喷流的气流与底板脱离。
更优选地，对于该通风柜，在从工作空间的前侧到工作空间的深度的至少75％的区域中，不出现壁喷流的气流与侧壁脱离或者底部喷流的气流与底板脱离。
同样优选地，设置了第一和/或第二压力传感器，其与第一和/或第二压力腔流体连接。
根据本发明的一个有利的设计，第一和/或第二压力传感器包括第一和/或第二压力传感器线路，该压力传感器线路经过布置，从而第一和/或第二压力传感器线路的在压力腔侧的端部与第一和/或第二压力腔的内表面表面齐平地终止。
同样有利的是，设置有控制装置，在按规定使用通风柜时，控制装置将第一和/或第二压力腔中的压力设定在50Pa至500Pa的范围内，优选设定在150Pa至200Pa的范围内。
控制装置优选与第一和/或第二压力传感器电连接。
更优选的是，控制装置是布置在第一和/或第二压力腔上游的减压器或质量流量调节器。
根据本发明的另一优选的实施方式，减压器或质量流量调节器设置在壳体内部。
优选地，垂直于流动方向观察，第一和/或第二开口中的至少一个开口的横截面积，优选所有第一和/或第二开口的横截面积处在1mm2至4mm2的范围内。
更优选地，垂直于流动方向观察，第一和/或第二开口中的至少一个开口的横截面积，优选所有第一和/或第二开口的横截面积处在1.8mm2至3mm2的范围内。
在如下时候存在通风柜的一个有利设计：第一和/或第二开口中的至少一个开口经过构造，从而离开第一和/或第二开口的压缩空气喷流作为周期性振荡的壁喷流(100)和/或作为周期性振荡的底部喷流(200)输出到工作空间中。
同样有利的是，周期性处在1Hz至100kHz，优选200Hz至300Hz的范围内。
根据本发明的再一种优选的实施方式，壁喷流和/或底部喷流的周期性振荡仅仅由第一和/或第二中空型材的不可移动的构件所产生，这些构件优选一体地构造。
更优选的是，壁喷流和/或底部喷流的周期性振荡由自激发所产生。
同样有利的的是，设置至少一个包括第一和/或第二开口的第一和/或第二流体振荡器，优选设置多个分别包括第一和/或第二开口的第一和/或第二流体振荡器，其产生一个壁喷流/多个壁喷流的周期性振荡，和/或产生一个底部喷流/多个底部喷流的周期性振荡。
更优选的是，第一和/或第二开口具有圆形、球形、椭圆形、矩形或多边形形状。
本发明的一个有利的设计涉及一种通风柜，其特征在于，至少一个第一和/或第二开口通过第一和/或第二细长的通道与第一和/或第二压力腔流体连接，并且第一和/或第二通道具有长度L，垂直于流动方向观察，该长度是相关开口的横截面的水力直径的至少3倍，优选4倍至11倍。
现在将参照附图纯粹示例性地解释本发明。在这些图中：
图1是通常的实验室通风柜的透视图；
图2是沿图1中所示的线A-A剖切的图1中所示的实验室通风柜的横截面图；
图3示出了压缩空气馈入到侧柱型材中和底板型材中；
图4是根据本发明的中空型材的横截面图，其被设置在侧壁的前侧端面上和/或底板的前侧端面上；
图5示出了在中空型材的出口通道中的流体振荡器；
图6示出了在通常的通风柜(图6A)中，在根据本发明的一个优选实施方式(图6B)的具有Jet-喷嘴的实验室通风柜中和在根据本发明的另一优选实施方式(图6C)的具有OsciJet-喷嘴的通风柜中的壁喷流的流场的PIV-测量结果；
图7示出了用于确定在两个侧柱型材和底部型材的压力腔中的静态空气压力的试验装置；
图8示出了用于确定从侧柱型材中排出的壁喷流的体积流量的试验装置；
图9示出了在通常的实验室通风柜(实线)的、在通风机的不同控制电压情况下具有Jet-喷嘴和OsciJet-喷嘴的实验室通风柜(虚线和点划线)的侧柱型材的压力腔中的静压的测量结果；和
图10是示出在侧柱型材的不同的喷嘴几何形状情况下壁喷流的体积流量减小的图。
图1中立体地示出的实验室通风柜1与大约自2002年以来几乎在全世界由申请人销售的商品名为的实验室通风柜大致相同。由于前面介绍的辅助喷流技术，该实验室通风柜需要的废气体积流量仅为270m3/(h·lfm)。该通风柜(名称：TA-1500)用作在本发明的范畴内进行的测量的参考，这些测量将在后面描述。
根据本发明的通风柜的基本构造相应于图1中所示的通风柜1。根据本发明的通风柜特别是在中空型材10、20的喷嘴几何形状和从中空型材10、20排出的压缩空气喷流100、200如何产生的方式方面与通常的通风柜不同。
图1中所示的实验室通风柜1具有通风柜内部空间，该通风柜内部空间在后侧优选由挡板壁40限定，在旁侧由两个侧壁36限定，在底侧由底板34或工作板限定，在前侧由可关闭的前滑板30限定，并且在顶侧优选由天花板48限定。
前滑板30优选为多部件结构，使得当前滑板30被打开和关闭时，多个可竖直地移动的窗部件同向伸缩地彼此相继地滑动。在前滑板30的关闭位置布置在下面最远处的窗部件优选地在其前边缘具有空气动力学优化的翼状型材32(图2)。此外，前滑板30优选地具备有可水平移动的窗部件，这些窗部件即使在前滑板30的关闭位置也允许实验室人员进入到通风柜的内部空间中。
这里要指出的是，前滑板30也可以构造为两部分的滑动窗，该滑动窗的两个部分可以在竖直方向上相反地移动。在这种情况下，相反的这些部分通过缆索或皮带和转向轮—其具有补偿前滑板质量的重量—耦联。
通道63优选地位于通风柜壳体60的挡板壁40和后壁62(图2)之间，并且伸展至在实验室通风柜1的顶部上的废气收集通道50。废气收集通道50与安装在建筑物侧的排气机构连接。家具结构38被布置在通风柜内部空间的工作板34的下方，并且用作各种不同的实验室仪器的存放空间。按照这里使用的术语，该家具结构可理解为实验室通风柜100的壳体60的一部分。
在实验室通风柜1的侧壁36的前侧的端面上设置有中空型材10，这些侧壁通常也称为侧柱。在底板34的前侧的端面上同样设置有中空型材20。
如果这里提到“在前侧的端面上”，则这个术语不能从字面上理解。确切地说，它也指的是仅设置或安置在端面的区域中的结构。
类似于在最下面的前滑板部件30的底侧上的在空气动力学上优化的翼状型材32，中空型材10或侧柱型材10(图4)的翼形迎流侧面10a也优选在空气动力学上被优化地构造。同样的情况优选地也适用于在底板34的前部前侧端面上的中空型材20。翼型型材几何形状能够实现当前滑板30被部分地或完全地打开时使得室内空气以很少的涡流、在最佳情况下甚至无涡流地流入到通风柜内部空间中。
借助于中空型材10、20把所谓的“辅助喷流”，即由压缩空气组成的压缩空气喷流100、200沿着侧壁36和底板34引入到通风柜内部空间中。这些压缩空气喷流通常上由布置在工作板34下方和壳体60内部的通风机70(图3)所产生。虽然中空型材10、20的确切布置在图2中难以看到，但中空型材10、20优选地位于最前面的前滑板部件的平面之前。因此，优选只有当前滑板30部分地或完全地打开时压缩空气喷流100、200才到达通风柜内部空间。
由于本发明可应用于各种不同类型的实验室通风柜，如台式通风柜、低空间-台式通风柜、深潜式通风柜、步入式通风柜或者甚至移动式实验室通风柜，因此图1中所示的实验室通风柜1被视为是纯示例性的。这些通风柜同样符合在本专利申请的申请日有效的DINEN 14175系列欧洲标准。此外，这些通风柜也可以满足其他标准，如对美国有效的ASHRAE110/1995。
如果在本说明书和权利要求书中参引了标准，则在此始终是指当前有效的标准。这是因为，根据经验，在这些标准中提出的规定越来越严格，因而符合当前标准的通风柜也将符合较早标准的规定。
图2非常简化地示出了在通风柜内部空间中从中空型材10、20排出的压缩空气喷流100、200和在挡板壁40与后壁62之间的通至废气收集通道50的通道63中的废气的流动情况。图2中的视图相应于沿着图1中的线A-A剖切的横截面视图。
如在图2中可见，挡板壁40优选在底侧与工作板34间隔开，并且优选地与壳体的后壁62间隔开，由此形成排气通道63。挡板壁40优选地包括多个细长地构造的开口42(图1)，废气或者位于通风柜内部空间中的可能有毒的空气流经这些开口，且可以进入到通道63中。在通风柜内部空间中在天花板48上优选设置有其它的开口47，特别是轻的气体和烟雾可以经由这些开口被引导至废气收集通道50。
虽然在图1和图2中未示出，挡板壁40也可以优选地与通风柜壳体60的侧壁36间隔开。通过如此形成的间隙，还能够使废气经过该间隙被导入到废气通道63中。
在挡板壁40上优选设置有多个保持座44，可以将各杆能松开地夹入到这些保持座中，这些保持座在通风柜内部空间中用作试验装置的保持器。
如图3中所示，对于图1和图2中所示的通常的实验室通风柜，压缩空气喷流或辅助喷流100、200由布置在底板34下方且优选布置在壳体60内部的通风机70所产生。在本发明的范畴内进行测量时所使用的通风机70是ebm Papst公司的单侧抽吸的径流式通风机，其名称为G1G097-AA05-01。
由通风机70产生的压缩空气首先被馈入到设置在底板34的前端面的区域中的中空型材20内。通风机压缩空气优选地在大致位于沿通风柜的宽度方向伸展的中空型材20的纵向延伸段的中间的位置被馈入到中空型材20中。通过这种方式实现使得中空型材20中的压降相对于该位置大致对称。
在图3中同样可看出，中空型材10、20彼此流体连接。由此，一部分压缩空气到达两个侧柱型材10，并且以辅助喷流100的形式从侧柱型材10出来沿着侧壁36排到通风柜内部空间中。
尽管人们可能最初猜想，通风机70的能量需求会恶化而不是改善实验室通风柜的总能量平衡，但是在本申请人的通常的实验室通风柜中，由于辅助喷流100、200的正面功效，有可能减少维持标准的防逸出安全性所必需的最小废气体积流量，即仍满足关于通风柜防逸出安全性的法定要求，并且安装在建筑物侧并与废气收集通道50连接的排气设备必须能够产生的最小体积流量。通过这种方式，可以将实验室通风柜的能量需求降低了比通风机的能量需求更大的量，这又对实验室通风柜的总能量平衡具有正面功效。
图4中以横截面，即垂直于中空型材10、20的纵向延伸段示出了根据本发明的一个实施方式构造的中空型材10、20的结构或几何形状。外面的迎流侧面10a、20a在空气动力学上优化地构造成翼状型材。在中空型材10、20内部有压力腔10b、20b。由通风机70产生的压缩空气沿着中空型材10、20的纵向延伸段流经压力腔10b、20b。同样沿中空型材10、20的纵向延伸段优选存在多个输出开口10d、20d，压缩空气能够通过这些输出开口逸出进入到通风柜内部空间中。
根据实验室通风柜1的相应的使用目的，在中空型材10、20上设置了多个在空间上彼此分开的输出开口10d、20d。这些输出开口可以不规则地沿着中空型材10、20的长度分布，或者按照一定的样式布置，或者甚至相互等距地且规律地布置。
中空型材10、20可以优选地与相应的侧壁36和/或底板34一体地构造，例如构造为挤压的铝型材。也可以考虑将中空型材10、20插到并固定到相应的侧壁36和/或底板34的端面上，或者以其他方式与其固定。
多个输出开口10d、20d—具有或没有输出通道10c、20c—也可以按异型条的形式在相应的中空型材10、20中开设而成，或者与其一体地构造。
图4中所示的几何形状既可用于侧柱中空型材10，又可用于设置在工作板或底板34的前端面上的中空型材20。为了便于区分，在本说明书和权利要求书中，部分地将侧柱型材称为第一中空型材10，并且将底板型材称为第二中空型材20。
为了能够使得不同的被流体流过的具有不同横截面形状的通道在流体动力方面相互比较，考虑采用所谓的“水力直径”。术语“水力直径”对于从事本领域的技术人员来说是众所周知的，它是说明具有任意横截面的流动通道的直径的计算参数，在相同长度和相同平均流速的情况下，相比于具有圆形横截面和相同直径的流管，该直径具有相同的压力损失。
在本申请人的通常的实验室通风柜中，输出开口10d、20d的纵向尺寸，即输出开口10d、20d的在中空型材10、20的纵向方向上的延伸段，等于30mm，并且与其垂直的横向尺寸等于2mm。对于矩形输出开口，根据公式dh＝2ab/(a+b)计算水力直径。如果a＝30mm且b＝2mm，则对于通常的实验室通风柜，每个输出开口10d、20d的水力直径等于3.75mm，面积为60mm2。
与此相反，根据本发明的一种优选实施方式，对于图4中所示的中空型材10、20，输出开口10d、20d的面积优选仅为1mm2至4mm2，更优选为1.8mm2至3mm2。在此，输出开口10d、20d可以优选具有圆形、球形、椭圆形、矩形或多边形形状。
几乎矩形的输出开口10d、20d的纵向伸展段优选为3mm，与其垂直的横向尺寸优选为1mm。这产生了1.5mm的水力直径。具有如此构造的输出开口10d、20d的中空型材10、20也在本发明的范畴内进行的一系列测量中应用。在下文中，该中空型材10、20也用术语“Jet-喷嘴”来表示。
根据本发明的另一方面，至少一个输出开口10d、20d，优选所有设置在中空型材10、20中的输出开口10d、20d，通过具有长度L的通道10c、20c与压力腔10b、20b流体连通(图4)。
对于图4中所示的中空型材10a、20a，通道的长度L优选为9mm。该长度L与水力直径(1.5mm)的比率因此等于6。
在本发明的范畴内进行的一系列测量表明，优选地与每个输出开口10d、20d流体连通的通道10c、20c应具有长度L，该长度至少为输出开口10d、20d的水力直径的3倍，优选4倍至11倍。在通道长度L满足这种条件的情况下才将压缩空气喷流输出到通风柜内部空间中，为这些压缩空气喷流“赋予”一个方向，该方向相比于只需经过较短通道的空气喷流更明显。由此，在通风柜内部空间中蔓延的压缩空气喷流100、200的张开角度变小。换句话说，在离开输出开口10d、20d的时间点，压缩空气喷流100、200明显地受到引导，从而它们尽可能靠近侧壁36和底板34。
与此相反，针对通常的实验室通风柜使用的由铝挤压成的中空型材10、20具有2mm的厚度，即，通道在输出开口之前具有仅为2mm的长度L。长度L与水力直径(3.75mm)的比率因此明显小于1。
优选笔直地伸展的通道10c、20c相对于侧壁36和/或底板34所夹成的角度α(图4)优选处在0°至10°的范围内。这里要提及，经过与相关侧壁或底板夹成0°角的通道的空气喷流不会绝对地平行于侧壁或底板在通风柜内部空间中蔓延。这是由于平均速度向量即使在平行地吹出时总是与侧壁36或底板34夹成大于0°的角度。
根据本发明的另一优选的实施方式，代替直线地从压力腔10b、20b延伸到输出开口10d、20d的通道10c、20c(图4)，提供了图5中所示的出口几何形状，其能实现吹出优选周期性振荡的压缩空气喷流。这种喷嘴几何形状在下面也称为OsciJet。
相关地需要指出，图5中所示的局部截面大致相应于图4中虚线所示的部分区域，从而结合图4解释的中空型材10、20的其他特征也可转用到图5的中空型材10'、20'。
周期性振荡优选通过自激发而产生，并且优选借助于不可移动的构件产生，这些构件优选与中空型材10'、20'一体地构造。为此，借助所谓的“流体振荡器”在本发明的范畴中进行测量。
流体振荡器的特点是，它们在流过它们的流体中产生自激发振荡。这种振荡是因流体流分成主流和次流而产生的。主流流过主通道10c'、20c'，而次流交替地流过两个副通道10f'、20f'中的一个(图5)。次流在输出开口10d'、20d'的区域中再次与主流汇合，以交替方式使得主流向下或向上转向，确切地说，这取决于次流先前经过哪个副通道10f'、20f'。由于副通道10f'、20f'中的交替地变化的压力情况，次流在下一个循环中流过相应的另一个副通道10f'、20f'。这导致在输出开口10d'、20d'的区域中汇合的主流和次流分别朝向另一方向偏转。然后重复这些过程。
对于图5的喷嘴几何形状，输出开口10d'、20d'也通过具有长度L的通道10c'、20c'(这里为主通道)与压力腔10b'、20b'流体连通。在这里，通道长度L也至少是输出开口10d'、20d'的水力直径的3倍，优选4倍至11倍。在本发明的优选实施方式中，大致矩形的输出开口10d'、20d'的纵向延伸段等于1.8mm，与其垂直的延伸段等于1mm。这产生了1.3mm的水力直径。通道长度L优选为14mm，因此大约为水力直径的11倍。
作为OsciJet-喷嘴几何形状的替代方案，可考虑产生非周期性的压缩空气喷流的喷嘴几何形状。换句话说，这种喷嘴几何形状产生来回变动的、随机地移动的压缩空气喷流。为了产生这种非周期性压缩空气喷流，可以不同于流体振荡器而使用无回馈的流体构件。
图6示出了在使用通风柜的通常的喷嘴几何形状(图6A)、Jet-喷嘴几何形状(图6B)和OsciJet-喷嘴几何形状(图6C)时从侧柱型材10排出的壁喷流的流场的PIV测量结果。在图6所示的测量中，通风机电压为9.85V。
在图6a中可清楚地看出，尽管从中空型材10吹出辅助喷流100，经由打开的前滑板流入的室内空气如何在对应于0位置的前滑板平面之后约150mm后与侧壁脱离。在之前采用雾的实验中没有观察到这种脱离。在图6b和图6c中看不到这种脱离。在图6B和图6C中，室内空气沿着侧壁流动，在这种情况下没有出现涡流，且未形成回流区域。表明较高的空气速度的场线密度在侧壁区域内在图6B和图6C中比在图6A中明显更大。由此可以推断：室内空气在Jet-喷嘴几何形状(图6B)和OsciJet-喷嘴几何形状(图6C)的情况下相比于通风柜的通常的喷嘴几何形状的情况(图6A)明显更快地朝向通风柜内部空间的挡板壁流动。在图6B和图6C中同样可看到，室内空气如何即便与侧柱型材10、10'(y轴)间隔开而抽吸式地朝向侧壁蔓延，而在图6A中室内空气更倾向于离开侧壁流动。
因此，流场的PIV测量结果非常清楚地表明，无论对于Jet-喷嘴(图4)还是对于OsciJet-喷嘴(图5)，都可以有效地防止气流脱离。此外，流入的室内空气更好地贴近侧柱的翼形构造的前部区域，从而进一步降低了回流的风险。
在通风机70(图3)的不同的控制电压情况下进行一系列PIV-测量。在此，较高的控制电压相应于辅助喷流的较高吹出速度。PIV测量清楚地表明，在更高的喷流速度下更好地实现了避免气流脱离的目的。为了实现本发明的这个方面，在从工作空间的前侧到工作空间的深度的至少25％的区域内避免气流脱离就足够了。这相应于对危险的回流区域而言被评价为特别关键的工作空间。该值优选至少为50％，更优选为75％。
在实验上确定通风机70的控制电压—在该控制电压时可以确定没有显著的回流区域且几乎无涡流的流动—之后，发明人致力于为了能够再现无涡流的流场需要多大的最小体积流量的问题。
由于Jet和OsciJet喷嘴输出开口10d、20d和10d'、20d'的小尺寸，借助热线风速计来测量出气速度无法提供可再现的结果。在OsciJet-喷嘴的情况下，热线风速计甚至与周期性振荡的辅助喷流一起振荡。
根据本发明的另一方面，随后研发了用于确定最小体积流量的方法。图7和图8中示出了相关的试验装置。
在此，对壁喷流的体积流量的求取分两步骤进行。如图7中所示，借助于电压调节器72将通风机70的控制电压调整到一值，在该值情况下，借助于PIV-测量所证实的壁喷流流场几乎未表现出明显的气流脱离。然后，在测量点1、2、3、4、5和6确定中空型材10、10'和20、20'内的静压。为此使用压力传感器80，其优选地通过相应的压力传感器线路82测量在中空型材10、10'和20、20'的压力腔10a、10a'和20a、20a'中的静压。压力传感器线路82在此优选地被布置成使得其在压力腔侧的端部表面齐平地终止于相应的压力腔10a、10a'和20a、20a'的内表面。在该第一测量步骤中，仅示例性地在左侧柱上使用具有Jet-喷嘴的中空型材10，并且在右侧柱上使用具有OsciJet-喷嘴的中空型材10'。
在第二测量步骤中，如在图8中可见，通风机70被替换为压缩空气接头74。校准的减压器或质量流量调节器76被布置在压缩空气接头74的下游。在此使用的质量流量调节器来自于Teledyne Hastings Instruments公司的系列201。在调整第一测量步骤中所确定的中空型材10、10'和20、20'中的静态参考空气压力之后，于是可以借助质量流量调节器确定相关的质量流量。考虑到环境压力和环境温度，可以由相应的质量流量计算出体积流量。
图9中示出了在中空型材10、10'的压力腔10a、10a'中的测量的静态空气压力。最下面的实线仅用于比较目的，并表明在系列通风柜的中空型材中的静态空气压力，确切地说，是在通风机电压为4.41V情况下的空气压力。在这里，平均静态空气压力为12.5Pa。虚线表示平均值为65Pa，并且是针对Jet-喷嘴和OsciJet-喷嘴在通风机电压为4.41V情况下确定的。最上面的点划线相应于197Pa的平均空气压力。该空气压力是使用Jet-喷嘴和OsciJet-喷嘴在通风机电压9.85V情况下确定的。在此要注意，在通风机电压为9.85V情况下在通风柜的系列型材内部测得的平均静态空气压力未在图9中示出。
由此推产生的体积流量在图10中示出。使用优化的Jet和OsciJet壁喷流喷嘴，所需的最小体积流量相比于系列通风柜在Jet设计中减小68％，在OsciJet设计中减小76％。
根据本发明的另一方面，发明人已经得出结论，由于体积流量显著降低，现在可行的是，符合规定地运行全功能的实验室通风柜，即符合DIN EN 14175系列标准的实验室通风柜，其具有在建筑物侧通常存在的压缩空气系统。本领域技术人员在此知道，安装在建筑物侧的这种压缩空气系统通常能够提供0至7巴范围内的空气压力。因此省去了电动通风机。
根据本发明，并非侧柱型材10、10'的所有输出开口10、10'且并非底板型材20、20'的所有输出开口20d、20d'—这些输出开口指定用于在相应的中空型材10、20中输出壁喷流100或底部喷流200—都必须为了实现在权利要求书中给出的主题而具有图4或图5中所示的喷嘴几何形状。因此，如此构造侧柱型材10、10'的至少一个输出开口10、10'和/或底板型材20、20'的至少一个输出开口20d、20d'就足够了。这同样适用于通道10c、10c'和20c、20c'的长度L，该通道直接设置在相应的输出开口10、10'和20d、20d'的上游。

Claims (20)

1.一种用于实验室的通风柜(1)，具有：壳体(60)，工作空间位于该壳体中，该工作空间在前侧由前滑板(30)限定，在底侧由底板(34)限定，在旁侧分别由侧壁(36)限定；设置在每个侧壁(36)的前端面上的第一中空型材(10、10')，其中，每个第一中空型材(10、10')都具有与多个第一开口(10d、10d')流体连通的第一压力腔(10b、10b')，空气喷流可以以由压缩空气组成的壁喷流(100)的形式从第一开口沿着相应的所述侧壁(36)输出到所述工作空间中，
其特征在于，所述第一开口(10d、10d')的大小和在按规定使用所述通风柜时在所述第一压力腔(10b、10b')中存在的空气压力经过选择，从而所述第一压力腔(10b、10b')可以与安装在建筑物侧的压缩空气系统(74)流体连接，而在从所述工作空间的前侧到所述工作空间的深度的至少25％的区域中不会出现所述壁喷流(100)的气流与所述侧壁(36)脱离。
2.一种用于实验室的通风柜(1)，具有：壳体(60)，工作空间(3)位于该壳体中，该工作空间在前侧由前滑板(30)限定，在底侧由底板(34)限定，在旁侧分别由侧壁(36)限定；设置在所述底板(34)的前端面上的第二中空型材(20、20')，其中，所述第二中空型材(20、20')具有与多个第二开口(20d、20d')流体连通的第二压力腔(20b、20b')，空气喷流可以以由压缩空气组成的底部喷流(200)的形式从第二开口沿着所述底板(34)输出到所述工作空间中，
其特征在于，所述第二开口(20d、20d')的大小和在按规定使用所述通风柜时在所述第二压力腔(20b、20b')中存在的空气压力经过选择，从而所述第二压力腔(20b、20b')可以与安装在建筑物侧的压缩空气系统(74)流体连接，而在从所述工作空间的前侧到所述工作空间的深度的至少25％的区域中不会出现所述底部喷流(200)的气流与所述底板(34)脱离。
3.一种具有根据权利要求1和2的特征的通风柜(1)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的通风柜(1)，其特征在于，在从所述工作空间的前侧到所述工作空间的深度的至少50％的区域中，不出现所述壁喷流(100)的气流与所述侧壁(36)脱离或者所述底部喷流(200)的气流与所述底板(34)脱离。
5.根据前述权利要求中任一项所述的通风柜(1)，其特征在于，在从所述工作空间的前侧到所述工作空间的深度的至少75％的区域中，不出现所述壁喷流(100)的气流与所述侧壁(36)脱离或者所述底部喷流(200)的气流与所述底板(34)脱离。
6.根据前述权利要求中任一项所述的通风柜(1)，其特征在于，设置了与所述第一压力腔(10b、10b')和/或所述第二压力腔(20b、20b)流体连接的第一和/或第二压力传感器(80)。
7.根据权利要求6所述的通风柜(1)，其特征在于，所述第一和/或第二压力传感器(80)包括第一和/或第二压力传感器线路(82)，该压力传感器线路经过布置，从而所述第一和/或第二压力传感器线路(82)的在压力腔侧的端部与所述第一压力腔(10b、10b')和/或所述第二压力腔(20b、20b')的内表面表面齐平地终止。
8.根据前述权利要求中任一项所述的通风柜(1)，其特征在于，设置有控制装置(76)，在按规定使用所述通风柜时，该控制装置将所述第一压力腔(10b、10b')和/或所述第二压力腔(20b、20b')中的压力设定在50Pa至500Pa的范围内，优选设定在150Pa至200Pa的范围内。
9.根据权利要求8所述的通风柜(1)，其特征在于，所述控制装置(76)与所述第一和/或第二压力传感器(80)电连接。
10.根据权利要求8或9所述的通风柜(1)，其特征在于，所述控制装置是布置在所述第一压力腔(10b、10b')和/或所述第二压力腔(20b、20b')的上游的减压器或质量流量调节器(76)。
11.根据权利要求10所述的通风柜(1)，其特征在于，所述减压器或所述质量流量调节器(76)布置在所述壳体(60)内部。
12.根据前述权利要求中任一项所述的通风柜(1)，其特征在于，垂直于流动方向观察，所述第一开口(10d、10d')和/或所述第二开口(20d、20d')中的至少一个开口的横截面积，优选全部第一和/或第二开口的横截面积位于1mm2至4mm2的范围内。
13.根据前述权利要求中任一项所述的通风柜(1)，其特征在于，垂直于流动方向观察，所述第一开口(10d、10d')和/或所述第二开口(20d、20d')中的至少一个开口的横截面积，优选全部第一和/或第二开口(20d、20d')的横截面积位于1.8mm2至3mm2的范围内。
14.根据前述权利要求中任一项所述的通风柜(1)，其特征在于，所述第一开口(10d、10d')和/或所述第二开口(20d、20d')中的至少一个开口，优选全部第一和/或第二开口经过构造，从而离开所述第一开口(10d、10d')和/或所述第二开口(20d、20d')的压缩空气喷流作为周期性振荡的壁喷流(100)和/或作为周期性振荡的底部喷流(200)输出到所述工作空间中。
15.根据权利要求14所述的通风柜(1)，其特征在于，所述周期性处在1Hz至100kHz优选200Hz至300Hz的范围内。
16.根据权利要求14或15中任一项所述的通风柜(1)，其特征在于，所述壁喷流(100)和/或所述底部喷流(200)的周期性振荡仅由所述第一中空型材(10)和/或所述第二中空型材(20)的不可移动的优选一体地构造的构件所产生。
17.根据权利要求14～16中任一项所述的通风柜(1)，其特征在于，所述壁喷流(100)和/或所述底部喷流(200)的周期性振荡由自激发所产生。
18.根据权利要求14～17中任一项所述的通风柜(1)，其特征在于，设置至少一个包括所述第一开口(10d')和/或所述第二开口(20d')的第一和/或第二流体振荡器(11)，优选设置多个分别包括第一和/或第二开口的第一和/或第二流体振荡器，所述流体振荡器产生一个/多个壁喷流(100)的周期性振荡和/或一个/多个底部喷流(200)的周期性振荡。
19.根据前述权利要求中任一项所述的通风柜(1)，其特征在于，所述第一开口(10d、10d')和/或所述第二开口(20d、20d')具有圆形、球形、椭圆形、矩形或多边形形状。
20.根据前述权利要求中任一项所述的通风柜(1)，其特征在于，至少一个第一开口(10d、10d')和/或第二开口(20d、20d')通过细长的第一通道(10c、10c')和/或第二通道(20c、20c')与所述第一压力腔(10b、10b')和/或所述第二压力腔(20b、20b')流体连接，并且所述第一通道(10c、10c')和/或所述第二通道(20c、20c')具有长度L，垂直于流动方向观察，该长度是相关的开口的横截面的水力直径的至少3倍。
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