Hintergrund der Erfindung
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Niederfrequente Strömungsschwingungen können in Luftkonditioniersystemen
auftreten, die ein Querstromgebläse (oder einen Querstromlüfter) verwenden,
das strömungsabwärts eines Platten-Rippenwärmetauschers angeordnet ist.
Diese Schwingungen hängen mit einer wirbelnden Strömung entgegen der
Gebläserotation zwischen der strömungsabwärtigen Seite des Wärmetauschers
und dem Gebläseeinlass zusammen. Solche Zustände verursachen überhöhte
Strömungseinfallswinkel über einen lokalen Sektor des Laufradeinlasses, was
eine verlangsamte oder abgerissene Strömung innerhalb dieses Sektors
erzeugt.
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Der lokale Charakter der abgerissenen Strömung führt dazu, dass sie instabil
und oszillierend wird, mit einer Frequenz, fS, in dem Bereich von 30 bis 80% der
Gebläserotationsfrequenz, n. Eine Wechselwirkung der Laufschaufel mit dem
unstetigen, oszillierenden Strömungsabriss führt zu einem übermäßigen
Geräusch mit einer Frequenz, die mit dem Produkt der Strömungsabriss-
Schwingungsfrequenz, fS, der Anzahl von Laufschaufeln auf dem Laufrad, Z, und
der Gebläserotationsfrequenz, n, korrespondiert. Das Produkt von Z·n ist die
Laufschaufelpassierfrequenz, BPF (blade passing frequency), und das
übermässige Geräusch ist darum ein Sub-BPF-Geräusch mit einer Frequenz in
dem Bereich von 30 bis 80% der BPF.
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich generell auf Kreuzstromgebläse oder
Querstromgebläse, z. B. US-A-5 094 586. Im Speziellen bezieht sich die
Erfindung auf ein Querstromgebläse mit einem Stabilisierungsleitelement, das die
Erzeugung eines oszillierenden Luftströmungsabrisses und ein resultierendes
Geräusch unterhalb einer Laufschaufelpassierfrequenz verhindert.
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Die vorliegende Erfindung verwendet ein Strömungsstabilisierungsleitelement,
das einen oszillierenden Laufschaufelströmungsabriss und das resultierende
Geräusch in einer Anordnung von Querstromgebläse und Wärmetauscher, das
von einem solchen Strömungsabrissphänomen abhängt, zu verhindern oder zu
reduzieren. Das Leitelement hat ungefähr die gleiche Breite wie die
strömungsabwärtige Seite des Wärmetauschers und ragt von dieser Seite weg. Das
Leitelement erstreckt sich in Richtung auf das Gebläselaufrad, mit einer kleinen
Lücke zwischen seinem distalen Ende und dem Laufrad. Das Leitelement kann
im Lateralschnitt gerade sein, aber in einer bevorzugten Ausführungsform ist
der Schnitt nicht gerade, um eine strukturelle Steifigkeit zu erreichen und
folglich ein Flattern ohne eine übermäßige Leitelementdicke zu verhindern. Die
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen beschreibt im Folgenden
eine bevorzugte Dimensionierung, Anordnung und Orientierung des
Leitelements.
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Es ist eine Aufgabe dieser Erfindung, einen oszillierenden
Laufschaufelströmungsabriss zu verhindern.
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Es ist eine weitere Aufgabe dieser Erfindung, niederfrequente
Strömungsschwingungen in Querstromgebläse-Windungsanordnungen zu reduzieren
oder zu eliminieren. Diese Aufgabe und Weitere, wie sie nachstehend
ersichtlich werden, werden durch die vorliegende Erfindung gelöst.
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Im Wesentlichen ist ein einzelnes Leitelement an der strömungsabwärtigen
Seite eines Wärmetauschers, das derart orientiert ist, dass es eine
rotationsmäßige Strömung in der Richtung der Gebläserotation einbringt, in dem
Bereich gerade strömungsaufwärts der engsten Lücke zwischen dem Gebläse und
dem Wärmetauscher angeordnet, um dadurch eine lokal wirbelnde
Gegenströmung zu reduzieren, die sonst tendenziell einen oszillierenden
Laufschaufelströmungsabriss und das resultierende Geräusch verursachen würde.
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Fig. 1 ist eine Darstellung einer Schalldruckhöhe in Dezibel über eine
normalisierte Frequenz, f/BPF, wo f die Schallfrequenz in Zyklen pro Sekunde ist und
BPF die Laufschaufelpassierfrequenz in Zyklen pro Sekunde ist, für ein Gerät
des Standes der Technik und für eines, das das Leitelement der vorliegenden
Erfindung verwendet;
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Fig. 2 zeigt das 1/3 Oktave, A-gewichtete Schallleistungsspektrum für ein Gerät
des Standes der Technik und für eines, das ein Leitelement verwendet;
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Fig. 3 ist ein schematisches Diagramm eines Querstromgebläses des Standes
der Technik, das mit einem hindernisfreien Einlass arbeitet;
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Fig. 4 ist ein schematisches Diagramm eines Querstromgebläses des Standes
der Technik, das unter ungünstigen aerodynamischen Bedingungen arbeitet,
die durch seine Positionierung in Bezug mit seinem zugeordneten
Wärmetauscher verursacht werden;
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Fig. 5 ist ein schematisches Diagramm der Luftströmungsvektoren, die an der
Laufschaufel eines Querstromgebläses eintreten, das unter den gleichen
Bedingungen, wie in Fig. 4 dargestellt, arbeitet;
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Fig. 6 ist ein schematisches Diagramm eines Querstromgebläses, das unter den
gleichen Bedingungen, wie in Fig. 4 dargestellt, arbeitet, wobei aber das
Leitelement der vorliegenden Erfindung eingebaut ist;
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Fig. 7 bis 10 sind schematische Diagramme eines Querstromgebläses in
vier unterschiedlichen Installationen und stellen einige dimensionsmäßige
Beziehungen dar, die beim Beschreiben der vorliegenden Erfindung nützlich sind;
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Fig. 11 ist eine Ansicht eines Querstromgebläses und des Leitelements der
vorliegenden Erfindung.
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Fig. 1 zeigt die gemessenen Schalldruckhöhen gegenüber der normalisierten
Frequenz bei Vorhandensein und Fehlen des Leitelements der vorliegenden
Erfindung. Obwohl die Daten generell einander folgen, senkt das Leitelement
der vorliegenden Erfindung die breite Sub-BPF-Spitze wesentlich, verglichen
mit einem korrespondierenden Gerät ohne dem Leitelement der vorliegenden
Erfindung.
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Fig. 2 zeigt die A-gewichteten, 1/3 Oktave Schallleistungsspektren, die mit Fig.
1 korrespondieren. Die A-Gewichtung stellt eine Korrektur zur Verfügung, um
den menschlichen Hörbereich zu repräsentieren. Das Vorhandensein des
Leitelements der vorliegenden Erfindung reduziert signifikant das niederfrequente
Geräusch.
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In Fig. 3 arbeitet ein Querstromgebläse 30 oder Kreuzstromgebläse 30 in einer
aerodynamisch günstigen Eintrittsumgebung. Die Strömungslinien zeigen einen
glatten Übergang von einem Ansaugeinlass 32 über ein Laufrad 31 zu einem
Abgabeauslass 33. Die Strömungslinie in einer geschlossenen Schleife
repräsentiert eine bekannte Wirbelzone innerhalb des Gebläses. Ein Gebläse 230 des
Standes der Technik, das in Fig. 4 dargestellt ist, arbeitet in einer
aerodynamischen Umgebung, die für das Entstehen des Sub-BPF-Geräusches förderlich
ist. Ein Gebläse 230 unterscheidet sich von dem Gebläse 30 durch das
Hinzufügen von einem Wärmetauscher 220. Der Wärmetauscher 220 ist so
dargestellt, als wäre er aus zwei Abschnitten 220-1 und 220-2 gemacht, aber er
kann aus einem Abschnitt oder mehr als zwei Abschnitten gemacht sein. Ein
Laufrad 231 ist sehr nahe an einem Bereich einer strömungsabwärtigen Seite
221 des Wärmetauschers 220 angeordnet. Ferner dreht sich die Luft, die das
Laufrad 231 von der äußersten Ausdehnung der strömungsabwärtigen Seite
221 ansaugt, um einen großen Winkel, um in das Laufrad einzutreten und über
dieses in einen Abgabeauslass 233 zu strömen, wie durch die Strömungslinien
gezeigt wird. In einer Zone S eines Ansaugeinlasses 232 dringt der Umfang
oder dringen die Spitzen der Laufschaufeln des Laufrads 231 in die
einströmende Luft, die gegen die Rotationsrichtung strömt, hinein, beginnend an dem
Punkt der engsten Nähe zwischen dem Laufrad 231 und der Seite 221, wie er
durch eine Gerade L, bestimmt wird, welche eine Gerade ist, die sich von einer
Achse AR des Gebläses 231 rechtwinklig zu der Seite 221 des Wärmetauschers
220 erstreckt. Die Zone S erstreckt sich in der Rotationsrichtung von L&sub1; nach L&sub2;,
wobei L&sub2; 130% des äußeren Durchmessers Do des Laufrads von Achse AR
beträgt. Fig. 5 zeigt eine Laufschaufel 235 des Laufrads 231, das eine Spitze 236
aufweist und um eine Achse AR mit einer Drehzahl von n Umdrehungen pro
Sekunde rotiert, um die dargestellte Vektorbeziehung zwischen der
Laufschaufelspitzen-Umfangsgeschwindigkeit U, der absoluten Luftgeschwindigkeit V
und der resultierenden relativen Luftgeschwindigkeit W in der Zone S
herzustellen. Falls die Richtung der Geschwindigkeit V genügend nahe an der
Richtung der Geschwindigkeit U ist, kann eine resultierende Luftgeschwindigkeit W
zu einem übermäßigen Strömungseintrittswinkel i führen, was zu einer
Ablösung oder einem Abriss der Luft, die über die Laufschaufel 235 strömt, führt.
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Es wird jetzt auf Fig. 6 verwiesen. Das Bezugszeichen 100 bezeichnet allgemein
ein Gebläse-Windungsgerät mit einem Gehäuse 110, das einen Einlassgrill 111
und Auslassschlitze 112 aufweist. Ein Wärmetauscher 120 ist innerhalb des
Gehäuses 110 mit dem Einlassgrill 11·1 in einander gegenüber stehender
Beziehung angeordnet und weist zwei Abschnitte, 120-1 und 120-2, mit einer
strömungsabwärtigen Seite 121 auf. Ein Laufrad 131 ist in dem Gehäuse 110 so
angeordnet, dass es um seine Achse AR rotiert und arbeitet mit einer
Wirbelwand 134 und einer rückwärtigen Wand 115 zusammen, um das Innere des
Gehäuses 110 in einem Ansaugeinlass 132 und einem Abgabeauslass 133
aufzuteilen, die in fluidmäßiger Kommunikation über das Laufrad 131 stehen. Ein
Leitelement 151 der vorliegenden Erfindung erstreckt sich von der
strömungsabwärtigen Seite 121 des Wärmetauschers 120 auf das Laufrad 131 nach
aussen. Das Leitelement 151 ist in dem Bereich der Ansaugseite des Laufrads
angeordnet wo sich die Laufschaufeln des Laufrads 131 in den einströmenden
Luftstrom hineinbewegen (Bereich S in Fig. 4). Das Leitelement 151 berührt das
Laufrad 131 nicht sondern es gibt vielmehr einen Spalt g zwischen dem
Leitelement 151 und dem Laufrad 131. In einer bevorzugten Ausführungsform
beträgt der Spalt g zwischen 0,08 und 0,15 multipliziert mit dem äußeren
Durchmesser DO des Laufrads 131. Wie dargestellt, ist das Leitelement 151 im
Lateralquerschnitt gekrümmt oder geknickt. Die Querschnittsform dient sowohl
der struktureller Steifigkeit als auch Luftströmungsüberlegungen, da ein gerader
Querschnitt zusätzliches Material benötigen kann, um genügend Steifigkeit
bereitzustellen, um ein Flattern in der einströmenden Luftströmung zu verhindern. ·
Falls das Leitelement 151 kurvenförmig oder eine Kombination von geraden
Linien ist, sollte das Leitelement derart angeordnet werden, um die einströmende
Luftströmung in die gleiche Richtung wie die Rotationsrichtung des Laufrads
131 zu lenken.
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Während des Betriebs des Gebläsegeräts 100 saugt die Rotation des Laufrads
131 Luft in einen Ansaugeinlass 132 über den Grill 111 und den Wärmetauscher
120. Da die Luft von dem Wärmetauscher 120 über die gesamte
strömungsabwärtige Seite 121 austritt, muss sich die Luft um unterschiedliche Beträge
drehen, während sie von unterschiedlichen Bereichen der strömungsabwärtigen
Seite 121 strömt und in das Laufrad 131 eintritt. Die Luft strömt von dem
Laufrad 131 in den Abgabeauslass 133 und über die Schlitze 112 in den zu
konditionierenden Raum. Es wird festgestellt, dass das Laufrad 131 von den
Abschnitten des Wärmetauschers 120 um variierende Distanzen separiert ist. Wie
unter Bezugnahme auf Fig. 4 beschrieben ist, wird beginnend mit dem Punkt
der nächster Nähe zwischen dem Laufrad 131 und der Seite 121, welche
entlang Gerade L&sub1; ist, ein Bereich S in der Richtung der Rotation definiert, welcher
für einen oszillierenden Strömungsabriss und die Geräuscherzeugung förderlich
ist. Das Vorhandensein des Leitelements 151 in Übereinstimmung mit den
Lehren der vorliegenden Erfindung liefert eine geringere Möglichkeit für das
Auftreten eines oszillierenden Strömungsabrisses. Das geschieht, weil das
Leitelement 115 den Einfallswinkel der Strömung reduziert, die in die
Laufschaufeln im Bereich S eintritt, indem es der Strömung eine örtlich begrenzte
Vordrehung verleiht, z. B. eine Drehung in der gleichen Richtung wie die
Gebläsedrehung.
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Die Größe und die Positionierung des Leitelements 151 ist wichtig, um die
Aufgabe der Geräuschreduzierung auf Grund eines oszillierenden
Strömungsabrisses zu lösen. Fig. 7 bis 10 dienen dazu, die verwendeten Prinzipien
darzustellen. Fig. 7 bis 10 zeigen vier verschiedene Einrichtungen aus
Querstromgebläse- und Wärmetauscheranordnung. In Fig. 7 hat ein
Wärmetauscher 520 eine planare strömungsabwärtige Seite 521. Ein Laufrad 531 ist in
einer beabstandeten Beziehung zu der Seite 521 angeordnet. In Fig. 8 und 9
sind Wärmetauscher 620 und 720 "gebogen", so wie es der Wärmetauscher 120
von Fig. 6 ist wobei die relative Stelle der "Biegung" und die Positionierung von
Laufrädern 631 bzw. 731 in den zwei Figuren unterschiedlich ist.
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Unter Bezugnahme speziell auf Fig. 8 hat ein Laufrad 631 Laufschaufeln 635. Im
Betrieb saugt ein Laufrad 831 Luft von einem Ansaugeinlass 632. Ein
Leitelement 651 arbeitet mit der strömenden Luft zusammen, um das
Luftströmungsmuster, verglichen mit Fig. 4, zu verändern, wie es durch die Pfeile, die eine
Strömung anzeigen, gezeigt wird. Die Strömungslinie in der geschlossenen
Schleife in der Nähe der Wirbelwand 634 ist der Wirbelbereich.
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In Fig. 10 ist ein Wärmetauscher 820 auch gebogen und aus zwei Abschnitten
820-1 und 820-2 hergestellt. Jedoch ist Abschnitt 820-2 gebogen. Gebogene
Wärmetauscher werden üblicherweise bei Anwendungen gefunden, wo die
benötigte Stirnfläche des Wärmetauschers nicht mit einem Wärmetauscher mit
einer geradlinigen Stirnfläche innerhalb der Abmessungen des Gehäuses
erreicht werden kann, in dem der Wärmetauscher eingebaut wird. Die innerhalb
eines Gebäudes angeordneten Einheiten eines kanallosen, aufgeteilten
Luftkonditioniersystems haben beispielsweise üblicherweise "gebogene"
Wärmetauscher. (Der Fachmann versteht, dass ein kanalloses, aufgeteiltes
Luftkonditioniersystem ein Dampfverdichter-Luftkonditioniersystem ist, das keinen
zentralen inneren Wärmetauscher mit Kanälen aufweist, um konditionierte Luft zu
zu konditionierenden Zimmern oder Räumen zu liefern, aber vielmehr einen
oder mehrere innere Wärmetauscher aufweist, die jeweils in einem
individuellen zu kühlenden Raum oder Bereich angeordnet sind.) Die Prinzipien, welche
die Dimensionierung und die Positionierung des Leitelements 551 bestimmen,
sind jedoch die Gleichen, unabhängig von der Form des Wärmetauschers und
der Positionierung des Gebläselaufrads in Bezug auf den Wärmetauscher.
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In jeder der Fig. 6 bis 11 verläuft eine Gerade L&sub1; durch eine
Laufrad-Rotationsachse AR und ist zu einer strömungsabwärtigen Seite 121, 521, 621 oder
721 und zu dem nächsten Punkt bei 821 rechtwinklig. Eine Gerade L&sub2; verläuft
durch eine Laufradrotationsachse AR und einen Punkt auf strömungsabwärtiger
Seite 121, 520, 620, 721 oder 812, der sich an dem Punkt eines maximalen
Freiraums oder einer Distanz von 1,3 multipliziert mit dem äußeren
Laufraddurchmesser DO von der Rotationsachse AA befindet. Ein Winkel α (Fig.
4, 8 und 11) zwischen Geraden L&sub1; und L&sub2; definiert eine Region S, in welcher der
oszillierende Strömungsabriss tendenziell auftritt. Es wird auf Fig. 11 verwiesen.
Eine Gerade L&sub1; und eine Rotationsachse AR definieren eine Ebene, welche die
Seite 522 in einer Geraden L&sub3; schneidet. Die Gerade L&sub2; und die Rotationsachse
AR definieren eine Ebene, welche die Seiten 20 in einer Geraden L&sub4; schneidet. In
den Figuren ist nicht gezeigt, dass ein Laufrad 531 eine
Überstreichungsoberfläche hat, die als die Oberfläche eines Zylinders definiert werden kann, der
durch Rotieren einer Linie erzeugt wird, die parallel zu einer Rotationsachse AR
ist und die auch durch einen Punkt verläuft, der sich radial am äußersten bei
den Gebläserädern 531 befindet, aber man kann es sich einfach vorstellen.
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Für die beste Wirksamkeit zum Reduzieren eines oszillierenden
Strömungsabrissgeräusches sollte das Leitelement 551 derart positioniert und dimensioniert
sein, dass es innerhalb der Umhüllenden enthalten ist, die durch die
strömungsabwärtige Seite 521, die Ebene, die durch die Rotationsachse AR und die
Gerade L&sub1; definiert wird, die Ebene, die durch die Rotationsachse AR und die
Gerade L&sub2; definiert wird, und die von dem Laufrad überstrichene Oberfläche
definiert wird. Es sollte ein Spalt von 0,08 bis 0,15 multipliziert mit dem
Außendurchmesser des Laufrads zwischen dem Laufrad 531 und dem Leitelement 551
der oben diskutiert wurde, vorhanden sein.
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Der Fachmann wird würdigen, dass ein Leitelement, das gemäß der Lehre der
vorliegenden Erfindung konstruiert und eingebaut wird, die Quelle von
Laufschaufelpassierfrequenz-Geräusch sein könnte. Dies kann verhindert oder
minimiert werden, indem das Leitelement derart positioniert wird, dass
verschiedene Punkte auf der gleichen Laufradschaufel das Leitelement nicht zur
gleichen Zeit passieren. Das Leitelement 551 in Fig. 11 ist in einer derartigen Weise
angeordnet. Fig. 11 zeigt auch das Leitelement 551, das in Bezug auf das
Laufrad 531 angeordnet ist, um das Laufschaufelpassierfrequenz-Geräusch zu
minimieren.
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Das Leitelement der vorliegenden Erfindung wurde in schachtfreien,
aufgeteilten Geräten aus Gebläse und Windung getestet, die
Sub-BPF-Geräuschprobleme an den Tag legten, und zeigte, dass es das Sub-BPF-Geräusch um 5 bis
8 Dezibel reduziert. Fig. 1 und 2 stellen die Ergebnisse von einem derartigen
Fall dar.
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Obwohl bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dargestellt
und beschrieben wurden, werden Fachleuten weitere Änderungen einfallen. Es
ist darum beabsichtigt, dass der Bereich der vorliegenden Erfindungen nur
durch den Bereich der beigefügten Ansprüche zu begrenzen ist.