HVAC风扇进气口的制作方法

权利要求2018年4月10日提交的名称为“hvac风扇进气口(hvacfaninlet)”的美国专利申请no.62/655,411，其公开内容以全文引用的方式并入本文中，如同详细阐述一样。

背景技术：

本公开涉及hvac风扇进气口。更具体地说，本公开涉及用于hvac风扇的风扇进气口，所述风扇进气口接收不是周向均匀的进气口流。

典型的住宅气候控制(空调和/或热泵)系统具有室外单元，所述室外单元包括压缩机、制冷剂-空气热交换器(线圈)和用于驱动气流穿过热交换器的电扇。室外单元通常包括用于为压缩机电动机和/或风扇电动机供电的逆变器。

在一种基本的室外单元配置中，室外单元具有大致方形的占用空间，其中热交换器围绕两个集管之间的占用空间的四条边和三个角。压缩机位于由设备底座上的热交换器围绕的中心腔体内。壳体的维修面板与间隙对准安装并且承载逆变器。风扇安装在室外单元的顶部，并且将空气通过热交换器向内吸入中心腔，接着向上排出。

技术实现要素：

本公开的一个方面涉及一种用于容纳围绕中心轴线旋转的风扇的风扇壳体。所述风扇壳体包括：进气口；扩散器；面向所述中心轴线的内径(id)表面；以及背对所述中心轴线的外径(od)表面。所述进气口处的轮缘具有多个顶点和多个最低点。

在任何前述实施方案的一个或多个实施方案中，所述壳体具有安装凸缘。

在任何前述实施方案的一个或多个实施方案中，所述安装凸缘具有大致矩形的平面形状；并且所述最低点与所述矩形的边对准，并且所述顶点与所述矩形的角对准。

在任何前述实施方案的一个或多个实施方案中，所述顶点具有沿着所述安装凸缘的底侧的突出部，所述突出部相对于所述中心轴线向下并且径向向外突出。

在任何前述实施方案的一个或多个实施方案中，在中央纵向截面中，所述内径表面和所述外径表面各自具有凸起部分，并且至少在给定的轴向位置处，所述内径表面凸起部分和所述外径表面凸起部分的相应径向位置在围绕所述中心轴线的圆周方向上变化。

在任何前述实施方案的一个或多个实施方案中，所述凸起部分从所述进气口的所述轮缘延伸。

在任何前述实施方案的一个或多个实施方案中，在至少一个圆周位置处，所述外径表面凸起部分延伸的纵向跨度(h2)为喉部直径(d喉部)的5%至40%，并且径向跨度(rs)为d喉部的3%至20%。

在任何前述实施方案的一个或多个实施方案中，在所述顶点处，所述径向跨度(rs)至少是所述最低点处的径向跨度(rs)的200%。

在任何前述实施方案的一个或多个实施方案中，在所述顶点处，所述径向跨度(rs)是所述最低点处的所述径向跨度(rs)的200%至1000%。

在任何前述实施方案的一个或多个实施方案中，顶点与所述最低点轴向隔开所述高度h1，所述高度h1为喉部直径(d喉部)的至少3%。

在任何前述实施方案的一个或多个实施方案中，所述顶点与所述最低点轴向隔开至少为喉部直径(d喉部)的3%的所述高度h1。

在任何前述实施方案的一个或多个实施方案中，所述顶点与所述最低点轴向隔开为所述喉部直径(d喉部)的4%至12%的高度h1。

在任何前述实施方案的一个或多个实施方案中，所述风扇壳体包括与下部构件配合的顶盖，所述下部构件由模制塑料制成并且包括所述安装凸缘。

本公开的另一方面涉及一种气候控制室外单元，所述气候控制室外单元包括风扇壳体，并且还包括：压缩机，所述压缩机具有电动机；制冷剂-空气热交换器，所述制冷剂-空气热交换器联接到所述压缩机并且围绕所述中心轴线在第一集管与第二集管之间延伸；以及电风扇，所述电风扇由所述风扇壳体环绕，并且定位成沿着空气流动路径驱动空气流穿过所述制冷剂-空气热交换器，接着穿过所述进气口并且从所述扩散器流出。

在任何前述实施方案的一个或多个实施方案中，所述制冷剂空气热交换器具有有四条边和四个角的占用空间，在所述四个角中的一者处具有集管间间隙；所述顶点与所述四个角中的相应角对准；并且所述最低点与所述四条边中的相应边对准。

在任何前述实施方案的一个或多个实施方案中，所述电风扇位于所述室外单元的顶部。

本公开的另一方面涉及一种用于容纳围绕中心轴线旋转的风扇的风扇壳体，所述风扇壳体包括：进气口；扩散器；面向所述中心轴线的内径(id)表面；以及背对所述中心轴线的外径(od)表面。在中央纵向截面中，所述外径表面具有凸起部分。在所述中央纵向截面中，所述内径表面具有凸起部分。至少在给定的轴向位置处，所述内径表面凸起部分和所述外径表面凸起部分的相应径向位置在围绕所述中心轴线的圆周方向上变化。

本公开的另一方面涉及一种气候控制室外单元，所述气候控制室外单元包括：压缩机，所述压缩机具有电动机；制冷剂-空气热交换器，所述制冷剂-空气热交换器联接到所述压缩机并且围绕中心轴线在第一集管与第二集管之间延伸；风扇壳体，所述风扇壳体具有下部进气口和上部扩散器；以及电风扇，所述电风扇由所述风扇壳体环绕，并且定位成沿着空气流动路径驱动空气流穿过所述制冷剂-空气热交换器，接着穿过所述进气口并且从所述扩散器流出。所述风扇管道进气口包括用于限制进气口流分离和减少围绕所述中心轴线的流入不均匀性的装置。

在任何前述实施方案的一个或多个实施方案中，所述制冷剂空气热交换器具有有四条边和四个角的占用空间，在所述四个角中的一者处具有集管间间隙；所述进气口具有与其余三个角对准的第一部分和与所述四条边对准的第二部分；并且所述第一部分轴向突出超过所述第二部分。

在附图和以下描述中阐述了一个或多个实施方案的细节。根据说明书和附图以及权利要求，其它特征、目的和优点将是显而易见的。

附图说明

图1是处于加热模式的热泵系统的示意图。

图2是处于冷却模式的热泵系统的示意图。

图3是热泵系统的室外单元的侧视图。

图4是室外单元的局部剖视俯视图。

图5是室外单元的局部剖视图。

图6是室外单元的风扇管道和风扇组件的垂直分解图。

图7是风扇管道的分离视图。

图8是现有技术导管的分离视图。

图9是沿着图4的线9-9截取的室外单元的上部的第一局部示意性局部剖视图。

图10是沿着图4的线10-10截取的室外单元的第二局部示意性局部垂直剖视图。

图11是现有技术的室外单元的局部示意性局部垂直剖视图。

图12是图9横截面的流动模型。

图13是图11横截面的流程模型。

各附图中相同的附图标记和名称表示相同的元件。

具体实施方式

在热交换器(线圈)位于风扇上游的此加热、通风和空调(hvac)应用中，风扇性能高度依赖于通过线圈、线圈配置、线圈的特性，以及相对于风扇进气口的线圈距离。这通常导致进入风扇的进气口流的不均匀加速，并且在使用平面风扇进气口的情况下，这将导致流动分离、风扇功率增加和风扇噪声增加。一个关键的示例是住宅热泵室外单元，其中热交换器占用空间的非圆形性质在进气口流动上施加周向不对称。

图1示出了具有室外单元22(具有壳体23)和室内单元24(具有壳体25)的hvac系统20的一个示例。室内单元24位于建筑物28的内部26内。如下文进一步论述的，示例性室外单元22是具有加热(图1)和冷却(图2)模式的住宅热泵。示例性热泵室外单元包括具有电机32的电动压缩机30。压缩机沿着制冷剂流路驱动制冷剂流，所述制冷剂流路在吸入口34处进入压缩机并且在排出口36处离开压缩机。各种示出的管线可以是常规的制冷剂管线/导管结构。

室外单元具有室外热交换器40(例如，制冷剂-空气热交换器)和电扇42，所述电扇用于沿着穿过室外热交换器的空气流路521驱动气流520。类似地，室内单元具有室内热交换器50(例如，制冷剂-空气热交换器)和电扇52，所述电扇用于沿着穿过室内热交换器的空气流路523驱动气流522。示例性流520从室外单元的壳体23的进气口传递到壳体的出口。类似地，流522可以从室内单元的进气口传递到室内单元的出口以返回到内部26。涉及空气交换的其它更复杂的系统是可能的。示例性室外单元还包括用于加热模式的膨胀装置44(例如，热膨胀阀、电子膨胀阀、孔口等)。提供止回阀旁路46以在冷却模式下绕过膨胀装置44。类似地，室内单元包括加热模式膨胀装置54和旁通止回阀56。

示例性室外单元还包括储集器60和用于在加热模式与冷却模式之间切换的一个或多个切换阀。示例性示出的切换阀是四通阀62。

在加热模式中，制冷剂流510被压缩机压缩，并且沿着制冷剂流路511从排出口通过示例性切换阀62沿着从室外单元通出的管线(蒸汽管线)进入建筑物，以最终进入室内单元以供给室内热交换器50。在此模式中，室内热交换器50用作排热热交换器，其将热量排放到空气流522(例如，用作冷凝器或气体冷却器)。冷却的制冷剂流接着穿过旁路56，并且经由管线(液体管线)从室内单元和建筑物返回以重新进入室外单元。图1示出了室外单元中的一对示例性维修阀70和72，其允许维修。在进入室外单元之后，制冷剂通过膨胀装置44前进到热交换器40，因此所述热交换器通常用作从空气流520吸收热量的吸热热交换器或蒸发器。接着制冷剂通过阀62和示例性地储集器60返回到吸入口34。

图2冷却模式通常使通过热交换器的流动方向反转，其中压缩的制冷剂最初通过室外热交换器，接着穿过旁路46并且穿过膨胀装置54和室内热交换器50，最终返回。因此，在冷却模式中，室外热交换器用作排热热交换器，并且室内热交换器用作吸热热交换器，其将热量排放到各自相关联的空气流并且从其相应的空气流吸收热量。

如下文进一步论述的，示例性压缩机电机32由逆变器供电。逆变器冷却是系统运行中的关键因素。

图3示出了示例性室外单元22。室外单元具有大致正方形(例如，具有圆角或刻面角)平面形状的底座(底盘)100。底盘支撑室外单元部件的其余部分。替代线圈可以具有其它平面形状，例如非方形矩形或其它多边形的三角形。其它线圈可以不同地定向(例如，护罩在v之上的v形线圈)。

底盘形成壳体23的一部分。壳体向上延伸以包括顶盖102。沿着横向周边，一个或多个百叶窗板104和/或角柱105(在所示实施方案中也示出为百叶窗)或其它结构构件可将底盘连接到顶盖。顶盖可以是承载风扇42的组件，并且与所述风扇的壳体/护罩(下文论述)集成在一起。示例性风扇及其电机限定了与室外单元的其余部分共用的中心竖直轴线500。在顶盖的顶部，顶盖组件可以包括筛网或风扇壳体110。百叶窗开口形成沿着室外单元空气流动路径的空气进气口，并且顶盖风扇防止开口形成空气出口。

示例性室外热交换器40包括管阵列，所述管阵列通常围绕第一集管120和第二集管122(图5中示出)之间的室外单元的占用空间的四条边和三个角。两个集管之间的间隙123通常与室外单元的占用空间的一个角124(图4，示出为顶盖102和风扇防护罩110局部切除)对准。控制箱130(图5)可以沿着所述角垂直安装，并且包含压缩机电动机控制/逆变器单元132和其它相关部件。压缩机(未示出)可以位于由支撑在底盘顶上的室外热交换器的中央。示例性输入功率是单相ac(例如，标称220v、60hz)。逆变器单元的示例性输出是三相ac(例如，电压、电流和频率改变)。逆变器功率通常受电流和逆变器温度的限制。

图6示出了包括风扇42的组件150。所述风扇具有电动机152和带叶片的叶轮154。示例性叶轮154是金属板结构或模制聚合物结构，其具有轮毂156，所述轮毂具有用于安装到电机的转子轴的插座158。多个叶片160从轮毂的周边侧壁162径向向外延伸到相关联的远端或尖端164。这与具有与叶片成一体的外径(od)护罩的叶轮不同。然而，可替代地使用带护罩的叶轮。叶片具有相应的前缘166和后缘168。电机壳体可以包括一个或多个安装孔170，用于安装电机。示例性安装可以经由螺纹连接到风扇壳体110或通过顶盖安装在开口180的上端上的框架(未示出)。如上所述，示例性顶盖102与具有开口183的下部构件182结合，以限定围绕风扇叶轮的风扇壳体184(也称为风扇护罩或单元出口管道)。图7示出了组装的顶盖102和下部构件182，其形成出口管道184，竖直通道186穿过其中。

图9示出了顶盖内侧或内径(id)表面200，其具有下游发散形状以用作扩散器202。在示例性实施方案中，出口管道上的最小id位置或喉部204靠近顶盖id表面200与构件182的id表面210之间的接面处。接面可以通过邻接顶盖下部轮缘206与构件182的上部轮缘208而形成。然而，不一定是这种情况，并且如下所述，甚至是在其它这种两件式管道组合中，边界可以沿着两个部件中的一者或另一者。此外，更多部件的组合是可能的，并且单件式管道也是可能的。

然而，在此示例性实施方式中，构件182形成用于风扇的进气口212(喉部的上游)，其具有从下端220延伸的大致下游的会聚表面。

图9是沿着图4的线9-9截取的室外单元的上部的局部示意性局部剖视图，所述线是横跨热交换器的两个角的占用空间的对角线。图10是沿着图4的线10-10截取的室外单元的局部示意性局部垂直剖视图，所述线横跨热交换器占用空间的两条边或支腿切割的占用空间的两条边。

比较图9和10，可以看出，构件182(更具体地说，形成管道进气口的任何元件)不是围绕轴线500旋转对称，而是具有四个周向隔开的轴向突出部分(突起或凸起)230(图9)(沿着轮缘220形成具有相关联顶点231的峰)，与四个谷232(形成沿着轮缘220具有相关联的最低点233的谷)周向交错。顶点和最低点限定在护罩本身及其下部构件182的参照系中，以便与护罩的定向无关。因此，在示例性室外单元中，顶点是观察者的参照系中的低点。

如下文进一步论述的，突起或凸起/顶点与热交换器占用空间的角周向对准，并且谷/最低点与边对准。

图8示出了现有技术或基线顶盖900。示例性顶盖900形成为金属钣金冲压件。因此，其具有基本恒定的壁厚。示例性顶盖900完全限定了相关联的风扇出口管道。因此，下部轮缘902形成管道进气口。从进气口902向下游前进，向内凸起的部分904(图11)延伸到喉部906，之后扩散器908进一步向下游延伸到轮缘910。扩散器可大致类似于由顶盖102提供的扩散器。已经观察到，利用此种管道进气口，具有圆形有角方形占用空间热交换器外加进气口流动不对称性，其干扰通过管道的期望气流。

在示例性示出的图9和10的实施方案和对应的图11的在现有技术中，热交换器的上缘260高于进气口的高度。另外，使靠近轮缘的占用空间的角处的风扇和热交换器之间的距离大于靠近边的距离会存在不对称性。利用这种系统，图13示出了在与占用空间的角相邻的管道中形成的分离气泡950的效果。分离气泡远在叶片上游开始。当每个叶片周向旋转并且遇到分离气泡时，叶片经历流动条件的变化，并且因此经历循环输入。结果可能进一步损失效率和相关联的声音产生。如下文进一步论述的，叶片和谷的存在有助于周向均匀地流出以减少或消除分离气泡。这可以最大化流量，同时最小化噪声和能量损失。

如上所述，改进的进气口的第一方面是不对称性。第二方面是将单层钣金构造替换为使构件182的外侧(外径(od))表面240(图9)远离内侧表面的构造。在垂直截面中，这提供了从安装凸缘250的底侧到下端或轮缘220的平滑的径向和轴向向外凸起的表面，此后，平滑过渡继续通过径向向内和轴向向外凸起的id表面210。图9示出了刚好在喉部直径d喉部内部的叶片尖端处的风扇直径d风扇。高度h1示出在下部轮缘的末端之间。外侧凸起的高度(垂直跨度)示出为h2。外侧凸起的径向跨度示出为rs。示例性h1是d喉部的至少3%，更具体地说，3%至20%或4%至12%。顶点和最低点的示例性h2至少与h1一样大。举例来说，示例性的h2是d喉部的至少5%，更具体地说，5%至40%或10%至30%。技术上，谷可以到达凸缘底侧，使得h2局部为零。

在顶点处的示例性rs是d喉部的至少5%，更具体地说，6%至25%或6%至15%。在最低点的示例性rs是d喉部的至少1%，更具体地说，1%至10%或2%至6%。在一些实施方案中，顶点处的rs可以是最低点处的rs的至少200%，或200%至1000%或250%至1000%。技术上，当谷可能进入凸缘时，最低点的rs可能会变为零。

可以采用叶状进气口结构作为具有现有顶盖900的现有单元的改型。在这种情况的一些变型中，可以保留/维持现有顶盖，并且添加的下部构件182可以与顶盖900配合，以向下延伸所产生的出口管道在轮缘902下方并且通常限定突出结构(例如，使气流偏离金属板的外表面)并且限定特定的离散突起/凸起。因此，在一个示例中，现有的顶盖可以限定进气口id表面直到顶盖的下部轮缘902。下部构件的id表面可以使进气口id表面向下/上游延伸到下部/上游轮缘220，此后形成od表面，所有这些都延续纵向凸起性。然而，沿着顶盖的进气口id表面部分可以是旋转对称的，当沿着下部构件接近轮缘220时，id表面将变得旋转不对称以限定凸起或突起230的id表面部分。因此，由于这种不对称性，至少在轮缘220的给定轴向位置处，id表面和od表面凸起部分的相应径向位置可以围绕中心轴线500在圆周方向上变化。

环境暴露因素可能导致顶盖102的冲压金属板(例如，钢或铝合金)。这可通过现有的顶盖技术制成。下部构件可以是模制塑料材料。这可以是具有加强腹板/肋的相对结构的模制(例如，注塑)。或者，其可以是薄壁结构，例如吹塑或片材热成型。进一步的变化包括形成膨胀珠粒材料的下部构件(例如，膨胀聚丙烯(epp))或气泡。或者，钣金冲压可用于下部构件。

设计过程可以配置出口管道(主要是其进气口)以控制/预处理/重新分配进入风扇周向/径向/轴向的线圈出口流量，以实现风扇功率降低和/或风扇噪声降低。这是通过改变围绕风扇的进气口配置横截面来实现的，所述风扇从风扇-线圈夹点部分(最小的风扇-线圈接近)到风扇-线圈角(最大的风扇-线圈接近)。可以通过计算流体动力学(cfd)或物理迭代来优化特定变化。图中示出了风扇盘管角和风扇盘管夹点处的叶状风扇进气口的横截面。可以看出，叶状风扇进气口的特征在于围绕风扇圆周的独特波浪形状，其中叶状进气口部分在角分处的线圈内部最深并且在夹点部分处最浅。这种凸起或波浪形状允许进气口相应地控制流动加速度，因为其围绕风扇周长而变化。

在各种实施方式中，叶状风扇进气口可以控制进气口流动加速度并且消除或减少进气口流动分离并且减少流入不均匀性。这可以实现更好的风扇性能，从而降低风扇功率。叶状风扇进气口还可以更均匀地围绕风扇圆周重新分配进气口流动，从而减少进入风扇的进气口流动不均匀性并且降低风扇噪声水平。叶片式风扇进气口因此可以降低风扇功率和风扇噪音水平。

尽管在住宅室外单元的背景下示出，但其它情况也是可能的。一个示例是商用hvac单元，其中风扇在矩形hvac管道中的v形线圈上方。通常，沿着v形线圈有两个风扇，因此两者都可以具有这样的叶状进气口。

在说明书和所附权利要求中使用“第一”、“第二”等仅用于在权利要求内进行区分，并且不一定表示相对或绝对重要性或时间顺序。类似地，将一个元件在权利要求中标识为“第一”(等)并不排除这样的“第一”元件标识在另一权利要求或说明书中被称为“第二”(等)的元件。

已经描述了一个或多个实施方案。然而，应理解，可以进行各种修改。举例来说，当应用于现有基本系统时，这种配置的细节或其相关联使用可能影响特定实施方式的细节。因此，其它实施方案在所附权利要求的范围内。