带有出口流量测量的诱导流风机的制作方法

专利名称：带有出口流量测量的诱导流风机的制作方法
技术领域：
本发明一般地涉及具有出口流量大于入口流量类型的诱导流风机，更具体地涉及这种风机的出口流量的测量。
背景技术：
普遍使用诱导流风机的应用实例之一是用于诸如实验室之类建筑物中的建筑物排气系统，这样的实验室因化学和生物反应过程产生恶臭、有害或有毒的气体。排气系统从建筑物中抽走污染的空气，将污染的空气与周围空气混和以稀释污染物，并将稀释后的空气从建筑物中排出到周围的环境中。排气系统设计成以高的速度以烟流的形式将混和空气排放到建筑物上空，以使地面空气不受排出气体的影响。在授予本发明的受让人的美国专利申请出版物Nos.2005/0170767和2005/0159102中描述了这种系统的实例，本文援引其全部内容，一如在此完整阐述。
为了确保污染空气的稀释后烟流足够高地排入空气中，重要地是，监察该地区中风机运行的系统特性。合适特性的特别重要之处在于，排出空气的体积流量，通常测量为每分钟的立方英尺(CFM)。计算排出空气流量的一种传统技术是将一风速计(或类似的流动测量装置)置于排出空气的路径中以形成横贯出口的速度分布图。流率可以计算为平均速度与出口截面积之乘积。该技术通常由于表征诱导流风机的复杂的速度分布而不够精确，并且因为测量装置的实体存在将与被测量的排出空气的流动发生干扰。该技术也可使技术人员受到排出空气中有潜在危害的气体和污染物。
诸如Greenheck Fan Corporation那样的风机制造商会具有内部的测试实验室，实验室具有房间大小的空气室，用来精确地测量建筑物排气系统中使用的大型诱导流风机的出口流量。一旦排气系统安装在建筑物中，由风机制造商测量出口流量所需要的大型复杂的试验设施不能用来测量系统特性。
因此，理想的是需要这样一种系统，其精确地测量诸如用于建筑物排气应用中的诱导流风机的出口流量，而与该地区内排气系统的有效运行不发生干扰，或人员不需暴露于排气污染物前。

发明内容
本发明提供一种诱导流风机组件，其在出口处具有一用来测量组件出口流量的空气测量系统。该测量系统是一位于风机出口处的压力检测结构，以便不会显著地干扰出口流并可精确地测量和监控出口流。流动数据可在无需人员-出口流界面的情况下获取并分析。本风机组件可用作从建筑物中排放出污染空气的排气组件的一部分。
根据本发明的一个方面，一种诱导流风机组件包括一外壳，该外壳限定出与空气入口、掺气开口和空气出口连通的内部流动路径。风机设置在外壳内部以通过空气入口和掺气开口抽入空气，并吹动空气通过流动路径和流出出口。从掺气开口流入的空气与从空气入口流入的空气合并，使得通过空气出口的气流大于通过空气入口的气流。位于空气出口的压力检测结构用来测量从风机组件出来的空气流量输出。
空气出口可由安装在外壳出口端上方的风套形成，诸如与空气入口相对的上端。风套可以是任何传统的形状，诸如从上游端到下游端向内颈缩的锥形。不管其特殊的构造如何，上游端限定横截面面积大于下游端开口横截面的开口。此外，风套上游端处的开口具有的截面面积大于外壳出口端处开口的截面积，以便在其间形成掺气的开口。
压力检测结构可包括位于风套上游端的一个或多个压力计接口(pressuretap)，以及位于风套下游端的另外一个或多个压力计接口，由此，在不同的轴向部位(或高度)处，可检测到横贯风套的压降并用来确定输出的空气流动。
多个压力计接口可形成一个或多个环形流压计，最好一个环安装在风套各端的内部处。各端处的接口可以角度地间隔开以形成多个环，例如，可使用三个或更多个压力计接口，尤其是，四个压力计接口可位于钟面上的3、6、9和12的位置上。在各个轴向位置处使用多个接口可防止测量系统因阻塞或接口损坏造成不能操作，并纠正围绕风套的角度位置的不同部位处的不均匀的压差。
计算机或其它控制模块可电气地连接到传感器结构上，由此，提供监察和分析压力数据的电子系统，以根据从接口中的读数确定输出的空气流动。
根据另一方面，本发明提供一种用来从建筑物中排出废气的排气组件。在一种形式中，排气组件包括具有接受废气的空气入口的外壳，至少一个混和环境空气和废气以产生组合空气的环境掺气区域，以及排出组合空气的空气出口。风机设置在外壳内部，以抽入废气通过空气入口，将环境空气抽入到掺气区域内，并吹动组合的空气通过空气出口。位于空气出口处的压力检测组件用来获得表示从排气组件输出的空气流动的压力数据。该组件具有位于空气出口轴向位置处的一个或多个压力计接口以及位于空气出口另一轴向位置处的一个或多个压力计接口。在另一形式中，排气组件包括限定接受废气的空气入口的外壳，限定空气出口并与空气入口相对安装在外壳上端的风套，以及至少一个混和环境空气和废气以产生组合空气的环境掺气区域。风套具有限定开口的上游端，该开口的横截面大于由下游端形成的开口的截面积。
在以下的描述中，将参照诸附图，附图形成本说明书的一部分，在诸附图中借助于说明而不是加以限制，示出本发明的一优选实施例。这样的实施例也不限定本发明的范围，为此目的，因此必须参照附后的权利要求书。


由此，参照以下的附图，其中，相同的标号对应于相同的元件，其中图1是根据本发明原理构造的建筑物通风系统的示意立体图；图2是根据优选实施例构造的排气组件的侧视图；图3是示出图2所示排气组件的风机组件的侧视剖视图；图4是沿图3中所示的平面4-4截取的剖视图；图5是沿图3中所示的平面5-5截取的剖视图；图6是出口风套和传感器组件的示意图；图7示出压力变化数据与出口流量相关的采样标定曲线。
具体实施例方式
参照图1，建筑物排气系统20包括一个或多个排风罩22，该类型排风罩通常安装在形成需从建筑物中排气出去的有毒或其它气体的商用厨房、实验室、制造设施，或建筑物内的其它合适的部位处。尤其是，各个排风罩22形成腔室28，该腔室在罩的前面处敞开以便接受周围的空气。腔室28的上端连接到从罩22向上延伸到集管34内的导管32的下端。集管34又连接到上升管38，上升管向上延伸到屋顶40或建筑物的其它上表面。上升管38的上端又连接到排气风机组件42，该风机组件42安装在屋顶40顶上并向上延伸离开屋顶以从建筑物中排出气体。排气风机组件42的部件用金属制成，最好是用钢材制造，除非文中另有描述。
建筑物可装备有一个以上排气组件42，各个这种组件42可操作地连接到单独组的排风罩22或集管34。因此，各个排气组件42可以负责从建筑物26中的特定区域排出有毒气体，或多个排气组件42可一前一后地离开该集管34操作。此外，集管34可连接到建筑物26内的总的排气室。电子控制系统210可用来自动地控制系统的操作。该系统的控制通常包括机械的和电子的控制元件。传统的阻尼器36设置在导管32内，位于稍在各排风罩22上方的部位处，并自动地在全打开的定向(如图所示)和全关闭的定向之间致动，以控制通过腔室28的废气流量。因此，通过各排风罩22排出的空气量得到控制。
现更具体地参照图2，排气组件42包括设置在组件底部处的送气通风室44，用来从上升管38中接受废气并将它与新鲜空气混和。风机组件46连接到送气通风室44并从其中向上延伸。风机组件46包括风机叶轮，其向上抽入废气通过送气通风室44并将其吹出通过设置在其上端处的风套52。在操作过程中，排气组件42抽入气流，该气流从各个连接的排风罩22流过腔室28、导管32、集管34、上升管38和送气通风室44。该废气与新鲜空气混和，然后，以高的速度向上排出通过风套52顶上的开口。
矩形的底座68固定到送气通风室44的顶壁上，其用作为对风机组件46的支撑。罩72向外从外壳延伸以提供通到送气通风室44的旁路空气入口。电子或气动控制的阻尼器安装在罩72下面，用来控制通过旁路空气入口的进入送气通风室44外壳的周围空气量，尽管从建筑物排出的空气量有变化，但能使进入送气通风室44内的旁路空气流保持进入到风机组件46内有恒定的总空气流量。从建筑物排出的废气通过形成在矩形外壳底部的废气入口进入送气通风室44，并与旁路空气混和以产生一次稀释的废气，其通过底座68顶上的废气出口向上抽出，并进入到风机组件46内。
参照图2和3，风机组件46坐落在送气通风室44顶上，并具有带圆柱形外壁100的外壳，外壁100焊接到矩形底板102上。一组八个三角形加强板104焊接在外壁100下端周围以帮助将它支撑在直立位置。支撑在外壁100内的是圆柱形的内壁106，其将外壳的内部分为三个部分中心的驱动腔室108，位于内和外壁106和100之间的环绕的环形空间110，以及位于驱动腔室108下方的风机腔室112。风机腔室112和环形空间110形成建筑物废气流动路径的部分，而驱动腔室108与流动路径隔绝并因此不暴露于与废气相关的污染物。
风机轴114设置在驱动腔室108内并向下延伸到风机腔室112内，以在其下端处支承风机叶轮120，并向上延伸到驱动腔室108内，那里，它通过顺从的柔性连接器122连接到风机驱动电机150的电机轴152，该连接器122沿至少一个最好是两个定向补偿轴的对齐不准(例如，角度和轴向轴的对齐不准)。风机叶轮120包括一盘形的轮背部130，轮背部具有一组固定到其下表面上的主风机叶片132，其支撑围绕风机叶片的周缘延伸的截头形的轮缘。该轮缘的下边缘配装在入口锥136的圆形上部唇周围，入口锥136固定到底板102并从该底板向上延伸。风机叶轮120是混和流的风机叶轮，诸如由Greenheck FanCorporation以商标名MODEL QEI在市场上出售的产品，其描述在待审批的美国专利申请Ser.No.10/297,450中，本文援引其以供参考。当风机叶轮120转动时，从送气通风室44中向上抽出废气，通过由入口锥136形成的空气入口并沿径向向外和向上地鼓吹到环形空间110内(如图4中箭头140所示)。
现还参照图4，废气向上移动通过环形空间110，并通过形成在壁100和106上端处的环形管嘴162排出(如箭头164所示)。通过张开内壁106的上端166使得管嘴162的横截面面积基本上小于环形空间110的横截面面积，由此形成管嘴162。其结果，排气速度随着其通过管嘴162排出而大大地提高。叶片170安装在围绕其圆周的环形空间110内，这样，当废气离开风机并向上流动时，拉直废气的路径。业已发现，叶片170的作用可增加进入到废气中的夹带的周围空气，这将在下面作进一步描述。
风套52安装在风机组件46顶上并围绕管嘴162。一组支架54围绕外壁100的圆周附连。支架54从外壁100的顶部轮缘向上并径向地向外延伸，并固定到风套52。风套52基本上是截头形，其具有围绕中心轴线56的与环形管嘴162同轴地对齐的大圆形的底部开口。风套52的底端通过一入口钟形物58展开，而入口钟形物58的底部轮缘基本上与管嘴162的轮缘共面地对齐。风套52的顶端由圆柱形环部分60终止，该圆柱形环部分限定排气组件42的排气出口。
风套52相对于管嘴162定尺寸和定位，以便夹带最大量的周围空气进入排出管嘴162的废气内。周围空气通过形成在管嘴162和入口钟形物58之间的环形间隙进入(如箭头62所示)。它与通过管嘴162排出的旋转的高速废气混和，该混和物通过风套52顶上的废气出口排出。
周围空气也通过通道吸入并与废气混和(如箭头172所示)。该周围空气流出张开的内壁106的敞开顶部，并与从包围的管嘴162射出的废气混和。周围空气由此从废气内侧混和。因此，从排气组件42排出的出口流量是以下两种气体的组合来自送气通风室44且通过入口锥136的废气，以及通过箭头172所示路径内的通道62所夹带的周围空气。
重要的是需评估和监察系统特性，以确保稀释的污染的空气流在离建筑物足够高处排出，以不影响地表上空气的质量。在诸如如上所述的排气组件42那样的诱导流风机系统中，通过评估系统入口侧不能准确地估计输出流量的特征，因为输出流量由于夹带的周围空气而与入口流量极大地不同。不影响出口的空气流动而从出口侧获得数据是很困难的，这将降低系统效率和特性，并由此，使输出的流动测量不够精确。因此，诸如压力计等的传统空气流量测量装置不适于该目的。因为其中有潜在危害的污染物，需要人员暴露在排出的空气流量中的任何装置也不适用。此外，通过分析空气速度进行出口侧的流动评估甚至更加困难，因为夹带的周围空气流可使出口处的速度分布实际上很不确定。
本发明的发明者已经得出结论，通过评估横贯出口的压降，尤其是，圆柱形环60处的从风套52的上游(或入口钟形物58)侧到风套52的下游侧的压降，就能够精确地估计排气系统42的流动输出。风套52的入口钟形物58限定特别截面面积的圆形开口(在垂直于组件的垂直中心轴线56的平面内)，而环60限定另一横截面面积，其小于入口钟形物58的横截面面积。风套52的截头壁从入口钟形物58到环60沿径向向内呈锥形。这样，风套52有效地形成一文丘里管。在稳态不可压缩流的条件下，有关质量守恒的连续性方程(ρ1V1A1＝ρ2V2A2)和伯努利方程(P1+1/2ρ1V12+ρ1g1h1＝P2+1/2ρ2V22+ρ2g2h2)的组合可用来计算输出流度。
然而，鉴于在排出系统的出口处由诱导流引起的速度不均匀分布，必须测试各个排出组件的结构并用经验方法确定横贯出口风套52的压降和输出流量之间的相关性。使用经验数据，可对各个排气组件结构或风机尺寸建立流动方程。流动方程是非线性的具有依赖于风机尺寸的常数的平方根表达式。由此流动方程呈如下形式 其中，C是用经验公式确定的专门对于排气组件结构和/或风机尺寸的常数，dP是风套处静态压差，以及ρ是标准密度(0.075lb/ft3)。从该流动方程可对于每个排气组件的结构/风机尺寸产生诸如图7所示的标定曲线。使用该方程或标定曲线，在风套处获得的压力数据可与输出流量相关联。
如图4-6所示，为了获得出口处的压差数据而不与输出流动干扰，低的压力分布检测结构安装在风套上。尤其是，两个环形流压计200和202安装在风套52上，一个位于入口钟形物58处，另一个位于圆柱形环60处。各环围绕风套外面延伸，并由连接多个T形压力计接口206的塑料或金属管204形成。压力计接口可以任何合适的方式安装，诸如通过焊接方法安装在延伸到风套52的内侧的小直径开口207上。压力计接口不延伸到风套内部，以便不影响出口流动分布和速度。各环200和202包括多个围绕环角度地间隔开的压力计接口，例如，位于钟面上的3、6、9和12位置上的四个接口。使用多个压力计接口起到两个目的。首先，如果一个接口失效，例如，如果因使用而损坏或阻塞，则系统可根据从一个或多个其它的接口中读取的读数进行操作。其次，压力数据町在风套52的两个轴向位置处的多个角度位置上获得，由此，允许数据进行平均，或检测到一伪读数(也许形成损坏或阻塞的接口)。因此，在风套52两端处使用多个接口提高了系统的寿命和精确性。
环形流压计200和202都通过单独的管连接到具有压力单元的压差发送器208，诸如由Dwyer Instrument，Inc.出品的677型，其靠近或远离排气组件42安装，最好在高于环200和202的高度上，以防止在压力单元内形成凝结。压差发送器208又连接到专用或主系统控制器或计算机210，用于自动电子数据采集和分析以及系统监视。响应于压力数据，可控制诸如风机速度之类的系统参数以提高系统效率和/或改变出口流量条件。这可由人员干预，或使用合适的控制硬件予以实现。流动输出值可使用基于特定排气组件结构或风机尺寸的流动方程的软件算法进行计算。压差或出口流量的值也可记录和/或输出到一图形用户接口中，以便由技术员进行评价。
以上描述是对于本发明优选实施例的描述，本技术领域内的技术人员将会认识到，在不脱离本发明精神和范围的前提下，可作出许多修改。为了告知公众各种实施例会落入本发明的范围之内，特作出如下的权利要求书。
权利要求
1.一种诱导流风机组件，包括外壳，限定出与空气入口、掺气开口和空气出口连通的内部流动路径；风机，设置在外壳内部以通过所述空气入口和所述掺气开口抽入空气，并吹动空气通过流动路径和流出出口，从掺气开口流入的空气与从空气入口流入的空气合并，使通过所述空气出口的流量大于通过所述空气入口的流量；以及位于空气出口的压力检测结构，用来测量从所述风机组件出来的空气流量输出。
2.如权利要求1所述的诱导流风机组件，其特征在于，所述压力检测结构包括位于空气出口的第一轴向位置处的第一压力计接口，以及位于不同于所述第一轴向位置的空气出口的第二轴向位置处的第二压力计接口。
3.如权利要求2所述的诱导流风机组件，其特征在于，在所述第一轴向位置处有多个第一压力计接口，而在所述第二轴向位置处有多个第二压力计接口。
4.如权利要求3所述的诱导流风机组件，其特征在于，所述诸第一压力计接口在第一轴向位置处围绕空气出口成角度地间隔开，而所述诸第二压力计接口在第二轴向位置处围绕空气出口成角度地间隔开。
5.如权利要求4所述的诱导流风机组件，其特征在于，至少有三个成角度地间隔开的第一压力计接口，且至少有三个成角度地间隔开的第二压力计接口。
6.如权利要求3所述的诱导流风机组件，其特征在于，所述多个第一压力计接口在所述第一轴向位置处形成第一环形流压计，而所述多个第二压力计接口在所述第二轴向位置处形成第二环形流压计。
7.如权利要求1所述的诱导流风机组件，其特征在于，通过一安装在所述外壳出口端上的风套，形成空气出口。
8.如权利要求7所述的诱导流风机组件，其特征在于，所述风套具有上游端和下游端，所述上游端形成的开口截面积大于所述下游端开口的截面积。
9.如权利要求8所述的诱导流风机组件，其特征在于，风套上游端处的开口截面积大于外壳出口端处的开口截面积，以在其间形成掺气开口。
10.如权利要求8所述的诱导流风机组件，其特征在于，所述压力检测结构包括位于风套上游端处的第一压力计接口，以及位于风套下游端处的第二压力计接口。
11.如权利要求10所述的诱导流风机组件，其特征在于，在风套上游端处有多个第一压力计接口，而在风套下游端处有多个第二压力计接口。
12.如权利要求11所述的诱导流风机组件，其特征在于，风套是从所述上游端到所述下游端朝向内颈缩的锥形。
13.如权利要求1所述的诱导流风机组件，其特征在于，还包括一连接到压力检测结构上的电子控制器，用于根据从压力检测结构的一个或多个压力计接口中读取的读数计算输出的空气流量。
14.如权利要求1所述的诱导流风机组件，其特征在于，所述外壳包括限定内腔的外壁，其中，在其底端处有空气入口；以及固定到所述外壁并定位在内腔内的内壁，以将内腔分成为容纳风机的中心腔室和从空气入口接受空气的包围的环形空间。
15.一种用来从建筑物中排出废气的排气组件，该排气组件包括外壳，具有接收废气的空气入口的、至少一个将环境空气与废气混合以产生合并空气的环境空气掺气区域、以及排出所述合并空气的空气出口；风机，设置在外壳内部的，以通过所述空气入口抽入废气并将环境空气抽入到所述掺气区域内，并吹动所述合并空气通过所述空气出口；以及位于空气出口处的压力检测组件，用来测量从所述排气组件输出的空气流量，所述压力检测组件具有位于空气出口的第一轴向位置处的第一压力计接口以及位于不同于所述第一轴向位置的空气出口的第二轴向位置处的第二压力计接口。
16.如权利要求15所述的排气组件，其特征在于，空气出口由一安装在所述外壳上端上的风套形成。
17.如权利要求16所述的排气组件，其特征在于，所述风套具有上游端和下游端，所述上游端形成的开口截面积大于所述下游端的开口的截面积。
18.如权利要求17所述的排气组件，其特征在于，在风套上游端处有多个第一压力计接口，而在风套下游端处有多个第二压力计接口。
19.一种用来从建筑物中排出废气的排气组件，该排气组件包括限定出接收废气的空气入口的外壳；限定出空气出口的风套，所述风套与空气入口相对地安装在所述外壳上端、并具有上游端和下游端，所述上游端限定的开口截面积大于所述下游端限定的开口的截面积；至少一个将环境空气和废气混合以产生合并空气的环境空气掺气区域；设置在外壳内部的风机，用来通过所述空气入口抽入废气和抽入环境空气进入所述掺气区域内，并吹动所述合并空气通过风套的所述空气出口；以及用于测量从风套排出的空气流量的压力检测组件，该压力检测组件具有位于风套上游端处的第一压力计接口和位于风套下游端处的第二压力计接口。
20.如权利要求19所述的排气组件，其特征在于，在风套上游端处有多个在环内间隔开的第一压力计接口，以及在风套下游端处有多个在环内间隔开的第二压力计接口。
全文摘要
一种诱导流风机组件设置有用来测量组件输出流量的位于出口处的压力计接口结构。压力检测结构包括安装在出口风套上的两个环形流压计，一个环位于风套的较宽的上游端，外环位于较窄的下游端。用电子方法获得有关横贯风套的压差数据，并用来确定入口的总的输出流量和夹带的空气流量。风机组件适于作为从建筑物中排出污染空气的排气组件。
文档编号G01F1/34GK101033751SQ20071008520
公开日2007年9月12日 申请日期2007年2月16日 优先权日2006年2月24日
发明者M·G·塞林格, S·S·科斯泽瓦斯基 申请人:格林海克风机股份有限公司