CN1580578A - 供热、通风和空气调节系统所用的集成式高效鼓风机设备 - Google Patents

供热、通风和空气调节系统所用的集成式高效鼓风机设备 Download PDF

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Abstract

一种供热、通风以及空气调节(HVAC)鼓风机单元(100)所用的集成离心式鼓风机叶轮(202)包括一第一叶片支承件(212)、一第二叶片支承件(214)、以及多个置于第一与第二叶片支承件(212、214)之间的S形叶片(210),其中每个S形叶片(210)具有一相对于叶轮的限定转动方向向前弯曲的后缘(218)。

Description

供热、通风和空气调节系统所用的集成式高效鼓风机设备
政府权益的声明
依据序号为DE-FC26-00NT40993的(能源部)合同,政府可以对本申请拥有某些权益。
技术领域
本公开内容总体涉及一种供热、通风以及空气调节(HVAC)系统,尤其涉及一种HVAC系统所用的集成式高效鼓风机设备。
背景技术
多数住宅(和许多商业)HVAC单元使用前弯型(FC)离心式鼓风机以便将空气从待加热或冷却的空间中吸入HVAC单元中,同时将已经加热或冷却过的空气从单元中再推回至待加热或冷却的空间中。根据需要较小的鼓风机外壳并且一般在较低的转速下工作的观点来考虑,这些类型的HVAC单元所使用的FC离心式鼓风机(即,负载比较轻并且需要保持HVAC单元的初始成本较低)是有利的。然而,由于FC叶片的固有空气动力特性,所以FC鼓风机的静态效率相当低。一种用于提高HVAC单元的鼓风机效率的方法是使用一种电子整流马达(ECM)代替一种更传统的单速度感应马达,在授予Young的美国专利4,806,833中对其进行了更充分的描述。
另一方面,后弯(BC)或后倾型鼓风机在较高的工作速度和压力下具有较高的静态效率和总效率。然而,BC鼓风机的速度与扭矩关系曲线互相重叠,因此不能用于与FC叶片相同的流量控制。因此,在HVAC鼓风机系统中同时组合流可控性与高效率性能非常有挑战性。另外,在住宅HVAC系统中,鼓风机组件所用的封装空间有限。因此,一种与ECM结合的BC鼓风机的总效率仍可由粗劣的外壳与风机的设计而受损,尽管其效率比带有前弯型鼓风机的单元得以提高。
因此,鉴于后弯型鼓风机的扭矩-速度特性,就需要能够通过提高气流的可控性来减少HVAC系统的能量消耗。
发明内容
现有技术的上述及其它缺点和不足可以通过一种供热、通风以及空气调节(HVAC)鼓风机单元所用的离心式鼓风机叶轮而得以克服或减轻。在一个示例性实施例中,鼓风机叶轮包括一第一叶片支承件、一第二叶片支承件以及多个置于第一与第二叶片支承件之间的S形叶片,其中每个S形叶片具有一相对于叶轮的限定转动方向向前弯曲的后缘。
在另一方面中,一种集成式供热、通风以及空气调节(HVAC)鼓风机设备包括一置于一外壳内的离心式鼓风机叶轮以及一电子整流马达(ECM),电子整流马达(ECM)与离心式鼓风机叶轮保持操作相联通,ECM至少部分地通过一置于外壳第一侧的第一入口锥形部延伸。离心式鼓风机叶轮还包括一第一叶片支承件、一第二叶片支承件以及多个置于第一与第二叶片支承件之间的S形叶片,其中每个S形叶片具有一相对于叶轮的限定转动方向向前弯曲的后缘。
在另外一方面中,一种用于加热/冷却一空间的供热、通风以及空气调节(HVAC)系统包括一系统控制器、至少一个加热与冷却源、一与系统控制器相联通的集成式鼓风机设备以及一用于将空气循环通过空间的气流路径。集成式鼓风机设备还包括一置于一外壳内的离心式鼓风机叶轮,离心式鼓风机叶轮还包括一第一叶片支承件、一第二叶片支承件以及多个置于第一与第二叶片支承件之间的S形叶片。每个S形叶片具有一相对于叶轮的限定转动方向向前弯曲的后缘。一电子整流马达(ECM)与离心式鼓风机叶轮保持操作相联通,ECM至少部分地通过一置于外壳第一侧的第一入口锥形部延伸。
附图说明
请参照以下示例性附图,其中这几个图中相同的元件具有相同的数字编号:
图1是一种示例性的供热、通风以及空气调节(HVAC)系统的示意图,其适于根据本发明的一个实施例使用;
图2是根据本发明一个实施例的新型鼓风机组件的透视图;
图3是图2中所示的鼓风机组件的部件分解透视图;
图4是与一电子整流马达(ECM)一起用于进行气流控制的一组示例性速度对扭矩的曲线图;
图5是根据本发明另一方面的鼓风机叶轮的透视图,其特点在于S形的风机叶片;
图6是图5中的鼓风机叶轮的剖视图;
图7是根据本发明另一方面的鼓风机外壳的剖视图;
图8是根据本发明另一方面的入口锥形部的另一实施例的剖视图;
图9是一种示例性的风机曲线,示出了效率与静压增加随着图2中的鼓风机组件的气流而变的情况;以及
图10和11分别是常规后弯型叶片与S形叶片在不同的流速下的示例性扭矩与速度关系曲线图。
具体实施方式
本文公开了一种HVAC系统所用的集成式高效鼓风机设备,除了别的方面以外,其包括一种具有“S”形风机叶片/叶轮的鼓风机叶轮。S形叶片(基于通常向后倾斜的叶片的原理,但是其后缘也置于前方)连同经特殊设计的外壳和入口锥形部一起通过扭矩和速度信息得到比常规设计的离心式HVAC鼓风机更高的静态效率和气流控制。更具体而言,本发明的实施例通过将叶轮后缘向前弯曲以产生唯一的扭矩-速度曲线与静压和气流的关系,从而解决气流可控性问题。另外,叶轮组件的特色还在于一种用于进一步提高效率的集成式ECM,下文中将对此进行更详细地描述。
首先参看图1,示出了一种示例性供热、通风以及空气调节(HVAC)系统100的示意图,其配置成用于加热或冷却一空间102,适用于根据本发明的一个实施例。系统100包括一调温器/系统控制器104、一鼓风机马达106与任选的相关过滤器108、一加热和冷却源110、一HVAC鼓风机112与任选的相关过滤器114以及一气流路径116。应当理解,鼓风机112与鼓风机马达106也可集成单个组件(如后所述),因此系统100的示意图应当理解成实际上只是进行示例说明而并非进行任何限制。
如前所述,使用前弯型叶片的HVAC鼓风机通常效率较低,而那些使用后弯型叶片的鼓风机效率较高但是通常具有较低效的流量可控性。因此,图2-3中描述了一种根据本发明一个实施例的新型鼓风机组件200,其特征在于鼓风机叶轮202具有“S”形风机叶片/叶轮。如所示,鼓风机叶轮202(图2-3中示作双叶轮)置于一对数成形的外壳204之内,外壳204具有一对置于其相对侧的入口锥形部206,在图3中看得最为清楚。另外,一种电子整流马达(ECM)208通过一个入口锥形部206可操作地联接于鼓风机叶轮202上。
在一个优选实施例中,按照ECM208的配置方式,鼓风机的速度设置成用于在所包含的空间中在现有静压下实现预选定的流率,并且鼓风机的速度只会响应静压的变化且只遵循与静压变化的关系而改变。对鼓风机速度的改变进行检测并根据所检测的速度改变对鼓风机速度进行调节,以便建立在作用于鼓风机上的变化过的静压下通过所包含空间的预选定流率。图4是当鼓风机组件200带有一ECM208时,在各种静压下流过的每分钟立方英尺数(CFM)的一种示例性图示。CFM为鼓风机叶轮202的速度与扭矩的函数。图中的每条实线表示一恒定CFM线,示出了对于任意特定的CFM,速度和扭矩之间的近似线性关系以及速度和扭矩随着静压增加时的变化。关于ECM208的工作情况的更多详细描述可以见于授予Young的美国专利4,806,833。
现在参看图5-6,对鼓风机叶轮(单构型)进行了更详细地示出。由图5中可以看出,各个叶片210安装于一用作第一叶片支承件的中心盘212与一用作第二叶片支承件的带有一中心空气入口216的叶轮锥形部214之间。如图6中特别所示,每个鼓风机叶片210通常具有S形构型,其中叶片210的后缘218(图6中的转动方向为逆时针)相对于叶片的其余部分向前弯曲。而且,应当指出,根据S形构型,每个叶片210的前缘220相对于叶轮202的中心向内弯曲,而后缘则向外弯曲。因为具有这种构型,叶片210就减轻或消除了普通前弯叶片的流分离特性,从而相应地使得气流的可控性保持于可接受的程度。
在一个示例性实施例中,在经过若干次进行CFD(计算流量动力学)模拟以示出如何通过增多或减少叶片的数量而影响气流的效率之后,鼓风机叶轮202中采用的叶片总量为16个。然而,视最终应用情况和所使用的叶片材料而定,叶片的总量可以在约12个至约18个的范围中。另外,每个叶片210的前、后缘角度可以进行调节以便适于不同的外壳限制。也已经调节成特定的叶片角度以便助于保持高效率,而同时在扭矩-速度特性中保持间隔以便实现气流可控性。轴向中心盘的位置可以进行调节以便弥补由马达阻塞空气进入所造成的流不均衡情况。
考虑到整个叶轮202的外径,选择将一小半径电动马达208包括于双入口式鼓风机的入口区域中,其尺寸的选择应便于有助于使得鼓风机高度尺寸保持最小,而同时还保持效率最大。如图7中所示,外壳204的对数设计既考虑了效率又考虑了HVAC封装空间的限制。
图8是入口锥形部206的另一实施例的剖视图。可以看出,锥形部206的直径相对于鼓风机叶轮沿径向向内首先减小,但随后直径增加。换种说法,入口锥形部206的直径在大约其中间处最小。这种特殊构型便于吸入空气的翻转从而减少了气流分离损失。
图9是一示例性的风机曲线,其示出了效率与静压增加随鼓风机组件200的气流而变的情况。从效率曲线300可以看出,在流速约800立方英尺/分钟(CFM)时,静态效率达到峰值大约为70%,这比现有的OEM鼓风机大约高出15%。另外,曲线302示出了当马达速度约为1380rpm时,流速与鼓风机组件200排出空气所要克服的压力(单位为水英寸)之间的关系。
最后,图10和11分别是常规后弯型叶片与S形叶片在不同的流速下的示例性扭矩与速度关系曲线图。如前文所述和图10中所示,常规型BC鼓风机的速度-扭矩曲线(各种CFM值)互相重叠。这种情况并不适于将扭矩/速度/气流参数彼此分开来简便地确定。相反地,图11示出了各种流速下的一组扭矩/速度曲线。应当指出,这些曲线彼此之间明确分离,因此显示了良好的流可控性。
通过以上描述可以理解,新型鼓风机组件及其相应的“S”形叶片增强了鼓风机的效率并且保持了流可控性,同时还使用了一种可以适合于不同的OEM HVAC装置并有助于保持流可控性的特殊对数外壳设计。叶片的数量(例如从大约12个至大约18个)和鼓风机叶轮的整体尺寸尤其适于集成于空间有限的现有HVAC系统中。而且,结合变化的速度,通过扭矩-速度与气流和静压的一一对应,ECM技术还提供了较高的输出气流可控性。一种例如可从General Electric公司买到的电子整流马达与单速度感应马达相比具有大约2∶1的效率优势。
尽管前文参照一优选实施例对本发明进行了描述,但是本发明所属领域的普通技术人员应该理解,在不背离本发明范围的情况下,可以对本发明作出多种变动,并且可以利用等价装置来代替其元件。另外,在不背离本发明基本范围的情况下,根据本发明的教导,可以对本发明作出多种改进以便适应于特定情况或材料。因此,并不打算将本发明限定于作为考虑用于实现本发明的最佳模式所公开的特定实施例,而本发明将包括属于附属权利要求范围内的所有实施例。
部件列表
  100   供热、通风以及空气调节(HVAC)系统
  102   空间
  104   调温器/系统控制器
  106   鼓风机马达
  108   过滤器
  110   加热和冷却源
  112   HVAC鼓风机
  114   过滤器
  116   气流路径
  200   鼓风机组件
  202   鼓风机叶轮
  204   外壳
  206   入口锥形部
  208   电子整流马达(ECM)
  210   叶片
  212   中心盘
  214   叶轮锥形部
  216   中心空气入口
  218   后缘
  220   前缘
  300   效率曲线

Claims (10)

1.一种供热、通风以及空气调节(HVAC)鼓风机单元(100)所用的离心式鼓风机叶轮(202),包括:
一第一叶片支承件(212);
一第二叶片支承件(214);以及
多个置于所述第一与所述第二叶片支承件(212、214)之间的S形叶片(210),其中每个所述S形叶片(210)具有一相对于叶轮的限定转动方向向前弯曲的后缘(218)。
2.根据权利要求1所述的鼓风机叶轮(202),其中所述S形叶片(210)的前缘(220)相对于叶轮(202)的中心向内弯曲。
3.根据权利要求2所述的鼓风机叶轮(202),其中所述后缘(218)相对于叶轮(202)的中心向外弯曲。
4.根据权利要求1所述的鼓风机叶轮(202),其中所述多个S形叶片(210)包括大约12至大约18个单独的叶片(210)。
5.根据权利要求1所述的鼓风机叶轮(202),其中所述多个S形叶片(210)包括16个单独的叶片(210)。
6.一种集成式供热、通风以及空气调节(HVAC)鼓风机设备(112),包括:
一置于一外壳(204)内的离心式鼓风机叶轮(202);
一电子整流马达(ECM)(208),其与所述离心式鼓风机叶轮(202)保持操作相联通,所述ECM(208)至少部分地通过一置于所述外壳(204)的第一侧的第一入口锥形部(206)延伸;以及
所述离心式鼓风机叶轮(202)还包括:
一第一叶片支承件(212);
一第二叶片支承件(214);以及
多个置于所述第一与所述第二叶片支承件(212、214)之间的S形叶片(210),其中每个所述S形叶片(210)具有一相对于所述叶轮的限定转动方向向前弯曲的后缘(218)。
7.根据权利要求6所述的HVAC鼓风机设备(112),其中所述S形叶片(210)的前缘(220)相对于叶轮(202)的中心向内弯曲。
8.根据权利要求7所述的HVAC鼓风机设备(112),其中所述后缘(218)相对于叶轮(202)的中心向外弯曲。
9.根据权利要求6所述的HVAC鼓风机设备(112),其中所述多个S形叶片(210)包括大约12至大约18个单独的叶片(210)。
10.根据权利要求6所述的HVAC鼓风机设备(112),其中所述多个S形叶片(210)包括16个单独的叶片(210)。
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