КОМПЛЕКСНАЯ СИСТЕМА ВЕНТИЛЯТОРА И ТЕПЛООБМЕННИКА
COMPLEX SYSTEM OF FAN AND HEAT EXCHANGER

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[001] Раскрытый здесь объект изобретения относится к управлению тепловой энергией и, в частности, к теплообменному оборудованию.
[002] Управление тепловой энергией может занимать важное место во многих применениях, таких как электроника (например, охлаждение микропроцессоров), климат-контроль, выработка электроэнергии и рассеяние мощности. Эффективность, размер и/или мощность различных систем и оборудования могут зависеть от эффективности управления их тепловой энергией. Например, холодопроизводительность оборудования для кондиционирования воздуха может зависеть от эффективности конденсатора, передающего тепловую энергию из потока хладагента воздушному потоку.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[003] Согласно одному варианту реализации изобретения предусмотрен комплексный узел статора теплообменника и вентилятора, содержащий втулку и корпус. Между втулкой и корпусом расположено множество элементов. Множество элементов отделено друг от друга множеством внешних проточных каналов. По меньшей мере один внутренний проточный канал выполнен с возможностью подачи первой текучей среды для теплопередачи через один или большее количество из множества элементов. Первая текучая среда для теплопередачи находится в тепловой связи со второй текучей средой для теплопередачи, выполненной с возможностью протекания по меньшей мере через один из внешних проточных каналов.
[004] В дополнение к одному или нескольким признакам, описанным выше, или в качестве альтернативы, в дополнительных вариантах реализации изобретения множество элементов содержит по меньшей мере одну направляющую лопасть, проходящую радиально между втулкой и корпусом.
[005] В дополнение к одному или нескольким признакам, описанным выше, или в качестве альтернативы, в дополнительных вариантах реализации изобретения по меньшей мере одна направляющая лопасть выполнена с возможностью выравнивания потока второй текучей среды для теплопередачи.
[006] В дополнение к одному или нескольким признакам, описанным выше, или в качестве альтернативы, в дополнительных вариантах реализации изобретения по меньшей мере одна направляющая лопасть выполнена с возможностью предварительной закрутки потока второй текучей среды для теплопередачи.
[007] В дополнение к одному или нескольким признакам, описанным выше, или в качестве альтернативы, в дополнительных вариантах реализации изобретения множество элементов сформировано с по меньшей мере одним из изгибов по окружности и оси.
[008] В дополнение к одному или нескольким признакам, описанным выше, или в качестве альтернативы, в дополнительных вариантах реализации изобретения множество элементов содержит по меньшей мере один элемент, проходящий по окружности между втулкой и корпусом.
[009] В дополнение к одному или нескольким признакам, описанным выше, или в качестве альтернативы, в дополнительных вариантах реализации изобретения, в которых по меньшей мере один из множества элементов содержит множество элементов, проходящих между передним и задним краями втулки и корпуса.
[0010] В дополнение к одному или нескольким признакам, описанным выше, или в качестве альтернативы, в дополнительных вариантах реализации изобретения множество ребер сообщаются по текучей среде с по меньшей мере частью из множества элементов.
[0011] В дополнение к одному или нескольким признакам, описанным выше, или в качестве альтернативы, в дополнительных вариантах реализации изобретения множество ребер выполнены с возможностью выравнивания или предварительной закрутки потока.
[0012] Согласно еще одному варианту реализации изобретения предусмотрен узел вентилятора, содержащий ротор вентилятора, имеющий множество лопастей вентилятора. Ротор вентилятора выполнен с возможностью вращения вокруг оси для создания потока первой текучей среды для теплопередачи. Узел статора содержит втулку, корпус и множество элементов, расположенных между втулкой и корпусом. Множество элементов разделено множеством внешних проточных каналов. По меньшей мере один внутренний проточный канал выполнен с возможностью подачи второй текучей среды для теплопередачи через один или большее количество из множества элементов. Вторая текучая среда для теплопередачи находится в тепловой связи с первой текучей средой для теплопередачи, выполненной с возможностью протекания по меньшей мере через один из множества внешних проточных каналов.
[0013] В дополнение к одному или нескольким признакам, описанным выше, или в качестве альтернативы, в дополнительных вариантах реализации изобретения ротор вентилятора представляет собой ротор с осевым направлением потока.
[0014] В дополнение к одному или нескольким признакам, описанным выше, или в качестве альтернативы, в дополнительных вариантах реализации изобретения ротор вентилятора представляет собой ротор вентилятора смешанного типа.
[0015] В дополнение к одному или нескольким признакам, описанным выше, или в качестве альтернативы, в дополнительных вариантах реализации изобретения по меньшей мере часть множества элементов расположена ниже по потоку от ротора вентилятора относительно направления потока первой текучей среды для теплопередачи через узел вентилятора.
[0016] В дополнение к одному или нескольким признакам, описанным выше, или в качестве альтернативы, в дополнительных вариантах реализации изобретения по меньшей мере часть множества элементов расположена выше по потоку от ротора вентилятора относительно направления потока первой текучей среды для теплопередачи через узел вентилятора.
[0017] В дополнение к одному или нескольким признакам, описанным выше, или в качестве альтернативы, в дополнительных вариантах реализации изобретения множество элементов содержит по меньшей мере одну направляющую лопасть, проходящую радиально между втулкой и корпусом.
[0018] В дополнение к одному или нескольким признакам, описанным выше, или в качестве альтернативы, в дополнительных вариантах реализации изобретения по меньшей мере одна направляющая лопасть сформирована с по меньшей мере одним из изгибов по окружности и оси.
[0019] В дополнение к одному или нескольким признакам, описанным выше, или в качестве альтернативы, в дополнительных вариантах реализации изобретения множество элементов содержит по меньшей мере один элемент, проходящий по окружности между втулкой и корпусом.
[0020] В дополнение к одному или нескольким признакам, описанным выше, или в качестве альтернативы, в дополнительных вариантах реализации изобретения каждый из множества элементов содержит множество элементов, проходящих между передним и задним краями втулки и корпуса.
[0021] В дополнение к одному или нескольким признакам, описанным выше, или в качестве альтернативы, в дополнительных вариантах реализации изобретения множество ребер проходит из по меньшей мере части множества элементов.
[0022] В дополнение к одному или нескольким признакам, описанным выше, или в качестве альтернативы, в дополнительных вариантах реализации изобретения отдельный теплообменник расположен рядом с системой вентилятора, так что поток первой текучей среды для теплопередачи, создаваемый ротором вентилятора, дополнительно создает соответствующий поток первой текучей среды для теплопередачи через теплообменник.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
[0023] Объект изобретения раскрыт и явно заявлен в формуле изобретения в заключительной части описания. Указанные выше и другие отличительные признаки и преимущества настоящего изобретения станут очевидными из последующего подробного описания, приведенного в сочетании с прилагаемыми чертежами, на которых:
[0024] На Фиг. 1 приведен вид в перспективе узла вентилятора с частичным разрезом;
[0025] На Фиг. 2 приведен вид в поперечном сечении узла вентилятора и теплообменника;
[0026] На Фиг. 3А-3С приведены виды в перспективе с частичными разрезами статора вентилятора с интегрированными проточными каналами для теплообмена.
[0027] Подробное описание разъясняет варианты реализации настоящего изобретения вместе с преимуществами и отличительными признаками в виде примера со ссылкой на чертежи.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0028] Теплообменники могут быть сконструированы таким образом, чтобы иметь различные конфигурации, например, с использованием микроканалов или круглых трубчатых структур с удлиненными ребрами. С помощью такого теплообменника тепло может переноситься к текучей среде или от текучей среды, протекающей через множество трубок, расположенных между коллекторами для сообщения по текучей среде. Конструкции теплообменников включают поперечно- и противоточные конструкции с различными конфигурациями ребер, например, в виде жалюзи, со смещением или с волнистыми ребрами. Эти автономные теплообменники спроектированы с большими передними поверхности и обеспечивают поток воздуха с низкой скоростью через теплообменник. Такое сочетание большой площади поверхности и низкой скорости необходимо для управления потерей давления на стороне воздуха и соответствующей мощностью вентилятора, необходимой для обеспечения потока.
[0029] Соответственно, желательно обеспечить улучшенную комбинацию вентилятора и теплообменника, объединяющую два компонента для использования высоких скоростей потока и создания компактной системы вентилятора и теплообменника.
[0030] На Фиг. 1-2 более подробно проиллюстрирован пример узла вентилятора 30. Узел вентилятора 30 содержит корпус 32 с ротором вентилятора или крыльчаткой 34, расположенным(ой) с возможностью вращения внутри корпуса 32. Ротор вентилятора 34 содержит множество лопастей вентилятора 38, проходящих от втулки 40 и заканчивающихся у кожуха вентилятора 42. Кожух вентилятора 42 соединен с одной или большим количеством из множества лопастей вентилятора 38. Электродвигатель (не показан), соединенный с узлом вентилятора 30 валом или другими средствами соединения, например, ременной передачей, может использоваться для приведения в действие узла вентилятора 30 путем вращения ротора вентилятора 34 вокруг оси вентилятора 36. В одном варианте реализации изобретения узел вентилятора 30 представляет собой осевой вентилятор с направляющими лопастями, подробно описанный в публикации РСТ WO 2014109970, включенной в настоящее описание путем ссылки. Тем не менее, настоящее изобретение предусматривает использование и других узлов вентилятора 30, например, вентилятора смешанного типа.
[0031] Узел вентилятора 30 содержит по меньшей мере один узел статора 50, например, соединенный с корпусом 32 рядом с выпускным концом 46 узла вентилятора 30. В таких вариантах реализации изобретения узел статора 50 выполнен в виде узла статора на выходе. В неограничивающем варианте реализации изобретения, проиллюстрированном на Фиг. 3а, узел статора 50 содержит втулку 52 и множество элементов 54, таких как ребра или выпускные направляющие лопасти, например, проходящие радиально наружу от втулки 52. Множество радиальных элементов 54 отделены друг от друга, располагаясь на расстоянии, позволяющем определить множество внешних проточных каналов 55 (см. Фиг. 3b). Хотя элементы 54 показаны как имеющие, по существу, плоскую конфигурацию, на Фиг. 3а-3с, следует понимать, что элементы 54 могут быть выполнены с любой конфигурацией, например, конфигурациями, включающими наклон или изгиб в окружном или осевом направлениях. Дистальные концы одного или большего количества элементов 54 могут, но не обязательно, быть соединены с корпусом статора 56. При вращении лопастей вентилятора 38 воздушный поток А, движущийся к радиальным элементам 54, обычно имеет осевую и касательную составляющие. Радиальные элементы 54 могут быть выполнены с возможностью выравнивания потока, выходящего из ротора вентилятора 34, с преобразованием вихревой кинетической энергии воздушного потока в повышение статического давления на направляющих лопастях 54 на выходе.
[0032] В варианте реализации изобретения, проиллюстрированном на Фиг. 1 и 3А, в качестве альтернативны или в дополнение ко множеству радиальных элементов 54, узел статора 50 содержит один или большее количество элементов 58, проходящих по окружности вокруг периферии втулки 52. Например, узел статора 50 может содержать один круговой элемент 58, проходящий между втулкой 52 и корпусом 56 в спиральной конфигурации, так что расстояние между втулкой 52 и круговым элементом 58 увеличивается по периферии втулки 52. В другом варианте реализации изобретения узел статора 50 содержит множество круговых элементов 58, расположенных концентрически вокруг втулки 52 и расположенных на некотором расстоянии друг от друга с образованием множества внешних проточных каналов 59 между ними. Если узел статора 50 содержит как радиальные, так и круговые элементы 54, 58, круговые элементы 58 в целом проходят через по меньшей мере часть множества радиальных элементов 54.
[0033] В альтернативном варианте или дополнительно узел статора 50 может быть выполнен в виде узла статора на входе, расположенного рядом с входным концом 48 узла вентилятора 30. В случае конфигурации в виде узла статора 50 на входе (см. Фиг. 1 и 2) узел 50 содержит втулку 60, имеющую множество элементов 62, таких как, например, входные направляющие лопасти, отделенные друг от друга, так что между элементами 62 предусмотрено множество внешних проточных каналов 63. Один или большее количество из множества элементов 62 могут заканчиваться на корпусе 64. Входные направляющие лопасти 62 могут быть выполнены с возможностью направления потока входящего воздуха А в нужном направлении через узел вентилятора 30, например, путем предварительной закрутки потока.
[0034] Как показано на Фиг. 1, узел статора 50 может дополнительно содержать один или большее количество элементов 66, проходящих по окружности вокруг периферии втулки 52 и отделенных друг от друга множеством внешних проточных каналов 67. Круговые элементы 66 могут проходить через по меньшей мере часть из множества радиальных элементов 62. Как указано выше, каждый из элементов 62 или 66 может быть выполнен как один элемент или множество сегментированных или многолопастных элементов, проходящих между передней кромкой и задней кромкой втулки 60 и корпуса 64.
[0035] Как показано на Фиг. 1-2, выполняющая функции теплообменника часть встроена в часть узла вентилятора 30, например, в узел статора 50. Узел вентилятора 30 содержит один или большее количество проточных каналов 70, 72, выполненных с возможностью транспортировки текучей среды для теплопередачи, такой как жидкость, газ или двухфазная смесь хладагента, между втулкой 52, 60 и корпусом 56, 64 узла статора 50. Проточные каналы 70 для текучей среды для теплопередачи могут быть выполнены с возможностью радиального потока, например, между втулкой 52, 60 и корпусом 56, 64, с соединением некоторых из радиальных элементов 54, 62, соответственно. В другом варианте реализации изобретения текучая среда для теплопередачи может быть выполнена с возможностью потока по окружности, например, по меньшей мере по одному проточному каналу 72, выполненному в круговых элементах 58, 66, проходящих, например, вокруг периферии втулок 52, 60 узла статора 50.
[0036] Множество ребер 71 может проходить от поверхности либо радиальных элементов 54, либо круговых элементов 58 для повышения теплопередачи расположенной там текучей среды. Кроме того, если радиальный элемент 54 не содержит проточные каналы 70, выполненные в нем, этот элемент 54 может быть выполнен с возможностью функционирования в качестве ребра и улучшения рассеяния тепла текучей среды, протекающей по проточным каналам 72 кругового элемента 58. Аналогично, кольцевой элемент 58 без сформированных в нем проточных каналов 72 может быть выполнен с возможностью функционирования в качестве ребра и улучшения рассеяния тепла текучей среды, протекающей по проточным каналам 70 радиального элемента 54.
[0037] На Фиг. 3А-3С более подробно проиллюстрировано сечение комплексного узла статора теплообменника и вентилятора 50. В варианте осуществления изобретения, изображенном на Фиг. 3А, текучая среда для теплопередачи может быть выполнена с возможностью потока по окружности, например, через проточные каналы 72, выполненные в круговых элементах 58, вокруг периферии втулки 52 узла статора 50. В альтернативном варианте или дополнительно текучая среда для теплопередачи может быть выполнена с возможностью радиального потока, например, между втулкой 52 и кожухом 56 через проточные каналы 70, выполненные в радиальных элементах или лопастях 54, как показано на Фиг. 3B. В альтернативном варианте или дополнительно текучая среда для теплопередачи может протекать радиально, например, через сегментированные или многоэлементные лопасти 54, например, как показано на Фиг. 3С. Хотя радиальный элемент 54 проиллюстрирован как выполненный из множества сегментированных или многолопастных элементов, один или большее количество из множества круговых элементов 58 также могут быть сформированы как один элемент или несколько элементов, проходящих между передней кромкой и задней кромкой втулки 52 и корпусом 56.
[0038] В зависимости от требуемых характеристик системы узел вентилятора 30 может быть ориентирован так, чтобы обеспечить конфигурацию «сквозной продувки» в прямом или обратном направлении относительно местоположения проточных каналов 70 и направления воздушного потока А через узел вентилятора 30. Вращение ротора вентилятора 24 двигателем затягивает или выдувает воздух через узел вентилятора 30, содержащий узел статора 50. При перемещении воздуха А через узел вентилятора 30, в частности, через внешние проточные каналы 55, 59, 63, 67, образованные между смежными элементами узла статора 50, воздух А оказывается в связи по теплопередаче с текучей средой для теплопередачи, протекающей через по меньшей мере одну из входных направляющих лопастей 62, выпускных направляющих лопастей 54 или круговых элементов 58, 66 узла статора 50.
[0039] Использование высокой скорости потока и интегрированной комбинации узла статора 50 и теплообменника создает компактную систему вентилятора-теплообменника. В результате в вариантах реализации изобретения, в которых узел вентилятора 30 используется, например, в системе вентиляции, отопления, кондиционирования воздуха и охлаждения (HVAC&R), может быть устранена потребность в отдельном теплообменнике 28, а общий размер системы HVAC&R может быть значительно сокращен. Возвращаясь к Фиг. 2, отдельный теплообменник 70 может быть расположен внутри канала потока воздуха А, входящего или выходящего из узла вентилятора 30, для повышения производительности системы. Отдельный теплообменник 70 может содержать один змеевик или множество змеевиков, например, ориентированных в любой конфигурации. Хотя узел вентилятора 30, обладающий функциями интегрированного в нем теплообменника, описан в целом со ссылкой на часть системы HVAC&R, интегрированный теплообменник и узел вентилятора 30 могут использоваться в любом приложении, в котором происходит теплопередача между воздухом и другой движущейся текучей средой.
[0040] Кроме того, шум узла вентилятора 30 и, следовательно, системы HVAC&R 20 может быть уменьшен путем использования входных направляющих лопастей 62 в качестве устройства для кондиционирования потока.
[0041] Вариант реализации изобретения 1: Комплексный узел статора теплообменника и вентилятора, содержащий: втулку и корпус; множество элементов, расположенных между втулкой и корпусом, причем указанное множество элементов отделены друг от друга множеством внешних проточных каналов; и по меньшей мере один внутренний проточный канал, выполненный с возможностью подачи первой текучей среды для теплопередачи через один или большее количество из множества элементов, причем первая текучая среда для теплопередачи находится в тепловой связи со второй текучей средой для теплопередачи, выполненной с возможностью потока через по меньшей мере один из множества внешних проточных каналов.
[0042] Вариант реализации изобретения 2: Узел статора согласно варианту реализации изобретения 1, отличающийся тем, что множество элементов содержит по меньшей мере одну направляющую лопасть, проходящую радиально между втулкой и корпусом.
[0043] Вариант реализации изобретения 3: Узел статора согласно варианту реализации изобретения 2, отличающийся тем, что по меньшей мере одна направляющая лопасть выполнена с возможностью выравнивания потока второй текучей среды для теплопередачи.
[0044] Вариант реализации изобретения 4: Узел статора согласно варианту реализации изобретения 2, отличающийся тем, что по меньшей мере одна направляющая лопасть выполнена с возможностью предварительной закрутки потока второй текучей среды для теплопередачи.
[0045] Вариант реализации изобретения 5: Узел статора в соответствии с любым из предшествующих вариантов реализации изобретения, отличающийся тем, что множество элементов выполнено с по меньшей мере одним из изгибов по окружности и оси.
[0046] Вариант реализации изобретения 6: Узел статора в соответствии с любым из предшествующих вариантов реализации изобретения, отличающийся тем, что множество элементов содержит по меньшей мере один элемент, проходящий по окружности между втулкой и корпусом.
[0047] Вариант реализации изобретения 7: Узел статора в соответствии с любым из предшествующих вариантов реализации изобретения, отличающийся тем, что по меньшей мере один из множества элементов содержит множество элементов, проходящих между передней кромкой и задней кромкой втулки и корпуса.
[0048] Вариант реализации изобретения 8: Узел статора в соответствии с любым из предшествующих вариантов реализации изобретения, отличающийся тем, что множество ребер находятся в тепловой связи по меньшей мере с частью множества элементов.
[0049] Вариант реализации изобретения 9: Узел статора в соответствии с любым из предшествующих вариантов реализации изобретения, отличающийся тем, что множество ребер выполнено с возможностью выравнивания или предварительной закрутки потока.
[0050] Вариант реализации изобретения 10: Узел вентилятора, содержащий: ротор вентилятора, имеющий множество лопастей вентилятора и выполненный с возможностью вращения вокруг оси для создания потока первой текучей среды для теплопередачи; и узел статора, содержащий: втулку; корпус; множество элементов, расположенных между втулкой и корпусом, причем указанное множество элементов разделены множеством внешних проточных каналов; и по меньшей мере один внутренний проточный канал, выполненный с возможностью подачи второй текучей среды для теплопередачи через один или большее количество из множества элементов, причем вторая текучая среда для теплопередачи находится в тепловой связи с первой текучей средой для теплопередачи, выполненной с возможностью потока через по меньшей мере один из множества внешних проточных каналов.
[0051] Вариант реализации изобретения 11: Узел вентилятора согласно варианту реализации изобретения 10, отличающийся тем, что ротор вентилятора представляет собой ротор с осевым направлением потока.
[0052] Вариант реализации изобретения 12: Узел вентилятора согласно варианту реализации изобретения 11, отличающийся тем, что ротор вентилятора представляет собой ротор вентилятора смешанного типа.
[0053] Вариант реализации изобретения 13: Узел вентилятора согласно любому из вариантов реализации изобретения 10-12, отличающийся тем, что по меньшей мере часть множества элементов расположена ниже по потоку от ротора вентилятора относительно направления потока первой текучей среды для теплопередачи через узел вентилятора.
[0054] Вариант реализации изобретения 14: Узел вентилятора согласно любому из вариантов реализации изобретения 10-13, отличающаяся тем, что по меньшей мере часть множества элементов расположена выше по потоку от ротора вентилятора относительно направления потока первой текучей среды для теплопередачи через узел вентилятора.
[0055] Вариант реализации изобретения 15: Узел вентилятора согласно любому из вариантов реализации изобретения 10-14, отличающийся тем, что множество элементов содержит по меньшей мере одну направляющую лопасть, проходящую радиально между втулкой и корпусом.
[0056] Вариант реализации изобретения 16: Узел вентилятора согласно варианту реализации изобретения 15, отличающийся тем, что по меньшей мере одна направляющая лопасть сформирована с по меньшей мере одним из изгибов по окружности и оси.
[0057] Вариант реализации изобретения 17: Узел вентилятора согласно любому из вариантов реализации изобретения 10-16, отличающийся тем, что множество элементов содержит по меньшей мере один элемент, проходящий по окружности между втулкой и корпусом.
[0058] Вариант реализации изобретения 18: Узел вентилятора согласно любому из вариантов реализации изобретения 10-17, отличающийся тем, что каждый из множества элементов содержит множество элементов, проходящих между передним и задним краями втулки и корпуса.
[0059] Вариант реализации изобретения 19: Узел вентилятора согласно любому из вариантов реализации изобретения 10-18, отличающийся тем, что множество ребер проходит из по меньшей мере части множества элементов.
[0060] Вариант реализации изобретения 20: Узел вентилятора согласно любому из вариантов реализации изобретения 10-19, отличающийся тем, что отдельный теплообменник расположен рядом с системой вентилятора, так что поток первой текучей среды для теплопередачи, создаваемый ротором вентилятора, дополнительно создает соответствующий поток первой текучей среды для теплопередачи через теплообменник.
[0061] Хотя настоящее изобретение было подробно описано лишь в ограниченном количестве вариантов осуществления, нетрудно понять, что настоящее изобретение не ограничивается этими раскрытыми вариантами осуществления. Напротив, настоящее изобретение может быть модифицировано таким образом, что оно будет включать множество вариантов, изменений, замен или эквивалентных механизмов, не описанных ранее, но которые соответствуют сущности и объему настоящего изобретения. Кроме того, хотя были описаны различные варианты осуществления настоящего изобретения, следует понимать, что аспекты настоящего изобретения могут включать только некоторые из описанных вариантов осуществления. Соответственно, настоящее изобретение следует рассматривать не как ограниченное вышеприведенным описанием, а как ограниченное лишь объемом прилагаемой формулы изобретения.