使用脈衝調製輸送調節空氣的方法和設備的製作方法
2023-09-18 04:41:10 2
專利名稱：使用脈衝調製輸送調節空氣的方法和設備的製作方法
技術領域：
本發明一般涉及調節空氣的輸送，從而在建築物和其他空間中對空氣進行加熱、冷卻、通風和/或其他處理。更具體地，本發明涉及使用脈衝調製技術進行空氣輸送的方法和設備。
背景技術：
傳統的為加熱和冷卻建築物而輸送空氣的系統使用三種不同的技術之一。恆定體積系統可以連續供給恆定體積的空氣並且改變被供給空氣的溫度以實現空間內溫度的改變。可變體積系統在簡單的開/關控制下運行或使用相似的節流風門或鼓風機調製來改變流量。
所有這些傳統系統都有嚴重的缺點。典型的恆定體積系統在空間中使用恆溫器，該恆溫器可以感知周圍溫度並發送反饋信號。如果空氣溫度超過溫度設定值，空氣供給溫度就會下降。相反，如果感知的溫度低於設定值，空氣供給溫度就會增加。雖然恆定體積系統相對簡單並且提供了良好的通風，但是由於它們的能量低效，它們的普及率在降低。問題在於，當負荷低時，恆定體積系統輸送的空氣比維持溫度設定值所需的空氣多。這導致了鼓風機能量的浪費，這也增加了負面效應如能耗的增加。
可變體積開/關系統被廣泛使用，因為它們安裝簡單、經濟並且運行相對便宜。然而，它的重要缺點在於在關閉循環中沒有通風，空間的溫度不均勻，在開關循環變化間有顯著的噪音，在恆溫器控制中必需有顯著的死區，並且除了單區系統它們都不實用。
利用可變風門或可變鼓風機改變流量的可變體積系統是有利的，因為它們能夠緊緊地跟蹤空間的負荷並且在鼓風機的能量使用方面是高效的。然而，它們的特徵還在於相對高的成本和複雜性，由於流量調製導致的噪音變化，通風效率低，在低的空氣體積和負荷下不能充分混合。
改變流量的類似調製技術當空氣量在低負荷狀態下減小時是特別不利的。當流量減小時，空氣動量、速度、空氣落差、空氣混合和空氣感應也減小。這導致了空間的佔有人的不舒適並損害了系統的熱效率。通過使用空氣終端，已經著手解決這些問題，在所述空氣終端中，當流量減小時，可以限制排放面積以維持相對恆定的速率。然而，排放空氣的量仍然減小了，並且在動能、動量、混合、感應和空氣落差等方面仍然存在相關的局限。在低供給壓力下，這些問題特別顯著。由於所有這些原因，所謂的恆定速率、可變面積裝置對於它們能成功控制的負荷狀態的範圍都存在不足。
與可變風門機構相關的另一個問題是靈敏度。標準的實施為風門提供了慢的打開和關閉時間以更好地匹配空間的動態響應從而對控制、傳感元件和風門機構做出響應。如果響應太快，可導致風門的不穩定控制並產生「擺動(hunting)」狀態，在這種狀態下，風門反覆地重新定位但不能產生正確的空氣量。相反，如果風門打開和關閉太慢，空間的溫度控制將遭難。這種狀態是指「漂移」並且經常是由於為了避免擺動效應而以瞬時響應為代價的結果所致。達到系統良好調整的折衷總是具有挑戰性的，並且即使成功也常常耗費很多力氣。
現有技術的風門的其他問題在於它們存在噪音，這些噪音主要在空氣速率改變時產生。以低流量穿過小面積的空氣可能導致硬體部分的振動，並且還可能由於空氣本身導致討厭的噪音。結果是，產生了討厭的噪音，而在不同流量時變化的噪音使得這種狀態更不能接受。
以其他方式對諸如高或低溼度、缺氧、二氧化碳過量等處理的空氣也存在相同的問題。
發明內容
本發明涉及一種用來輸送調節空氣的改進方法和設備，所述方法和設備利用脈衝調製克服或者至少顯著減小了過去給空氣輸送系統帶來麻煩的問題。
本發明的重要目的是提供一種以某種方式輸送空氣的方法和設備，所述方式是不管所述負荷狀態都可以實現全量、全動能、全動量、全感應、最大流量和速度的輸送空氣以使所述供給空氣與所述空間中的空氣完全混合。
本發明的其他重要目的是提供一種方法和設備，所述方法和設備的特徵在於利用低的供給壓力(優選地，小於0.25英寸水柱)。
本發明的其他目標是提供一種方法和設備，所述方法和設備的特徵在於僅產生最少的噪音(優選地，在普通環境下，所述噪音是人聽不到的)。
本發明的其他目標是提供一種方法和設備，所述方法和設備的特徵在於風門或其他流量控制裝置沒有「擺動」或「漂移」。
本發明的其他目標是提供一種方法和設備，所述方法和設備的特徵在於安裝經濟且運轉高效。
本發明的其他目標是提供一種方法和設備，所述方法和設備的特徵在於可以緊緊地維持溫度設定值以使被供給調節空氣的區域達到最大化的舒適度。
本發明的其他目的是提供一種改進的空氣終端和風門結構，在調節空氣輸送到建築物和其他空間時可以表現出改進的性能，特別是在有效混合、更均勻的溫度、更少的鼓風機能耗、高效的通風以及在其他性能特性方面。
本發明的其他目的是根據所述方法和設備提供一種不需要平衡的終端單元。
本發明的其他目標是提供一種方法和設備，所述方法和設備的特徵在於可變空氣體積和恆定空氣體積裝置可用於相同的系統。在這點上，所述空氣終端單元具有最大的空氣流量體積，這取決於所述出口的排放面積而不是風門。因此，有些終端可以配備風門以實現可變空氣體積運行(通過脈衝調製)，而其他終端可以沒有風門從而在恆定體積模式下運行。
本發明的其他目標是提供一種方法和設備，所述方法和設備的特徵在於所述終端是壓力依賴型的。因為所述終端空氣體積通過壓力和所述風門在每個工作循環期間打開狀態的持續時間來控制，因此可以改變壓力以實現終端的不同落差特性。同時，所述風門提供了獨立於所述壓力的預期流量體積。
這些和其他目的是通過提供一種獨特設置的空氣輸送系統實現的，其中所述系統使用脈衝調製來控制調節空氣的輸送。根據本發明的優選實施例，調節空氣以低壓力供給到一個或多個輸送所述空氣的終端單元。每個終端單元配備有一個或多個特殊結構的風門，所述風門在完全打開和完全關閉位置之間循環以全速供給空氣和幾乎完全關閉或切斷所述空氣。
所述風門是獨特構造的，以通過在每個相對短的工作循環的一部分期間打開和在所述循環的剩餘部分期間關閉而維持所述空間處於溫度設定值。每個循環的打開時間和關閉時間的比值確定了輸送到所述空間的調節空氣的平均時間，同時這也取決於恆溫器或其他控制裝置感知的負荷。所述工作循環的故意發生快於所述熱傳感器能夠探測到的任何溫度變化。然而，由所述開/關循環產生的平均流量以某種方式受到控制，在所述方式中所述風門被保持打開足夠的時間以使所述平均流量滿足所述溫度設定值。
本發明系統中的空氣「脈衝」來自於全壓輸送的空氣以及一段時間中到達所述終端單元的體積，該段時間足夠建立終端的全落差。所述風門打開的持續時間是足夠的以允許空氣噴射或卷流完全展開。
這種脈衝調製技術的優點在於每個風門可以完全打開或完全關閉並且在部分打開的位置不會浮起。這種雙重型運轉允許使用低供給壓力，因為無論何時風門被打開，它是被完全打開的並且以全速、全量、全落差輸送空氣，因此在風門每次打開時，它以相同的動量和相同的動能實現了徹底混合。因此，可以利用低壓流動而不會遇到大的困難，並且避免了現有技術的系統可變體積通常存在的空氣分配問題。另外，也沒有噪音問題或風門「漂移」或「擺動」問題。
本發明的特徵在於控制系統，在其中不同的風門可以在不同的時間打開和關閉，同時每個風門都保持相同的工作循環。優選地，所述終端以串級鏈的方式控制，其中應用於第一終端的「打開」脈衝相對於第二終端以預選的時間延遲被延遲，如果存在第三終端的話則延遲另一時間延遲，以此類推。結果是，每個終端具有相同的開/關循環持續時間，但是所述循環在時間上是交錯的以穩定所述空氣輸送和鼓風機運行。如果所有風門同時打開和同時關閉，流量將從0突然跳到最大值，並且可能潛在的不穩定流動方式和不穩定鼓風機狀態也會產生問題。
本發明還構思了一種具有改進性能的終端和風門驅動結構，使得它們特別適合用於脈衝調製系統和其他類型的可以利用它們性能特性的系統。在這方面，所述風門由特殊馬達控制，所述馬達可以快速打開和關閉所述風門而不會產生討厭的噪音並且在大量的循環中磨損最小。另外，所述終端單元的出口尺寸可被調節以提供許多性能優勢。
本發明的其他和進一步的目的以及從屬於其的新穎特徵在以下的描述中將顯而易見。
在形成說明書一部分並且結合說明書閱讀的附圖中，相同的附圖標記用來指代各個視圖中的相同部分，其中圖1是現有技術中常用類型的常規空氣輸送系統的示意圖；圖2是根據本發明優選實施例構造的空氣輸送系統的示意圖；圖3是圖2中附圖標記3所指代的細節的放大比例局部正視圖，為了示出目的各部分被剖開；圖4是可被整合在本發明中的空氣終端單元的俯視透視圖；圖5是沿圖3線5-5在箭頭方向上展開的剖視圖，為了示出目的各部分被剖開；圖6是沿圖5線6-6在箭頭方向上展開的剖視圖，虛線指示處於其關閉位置的風門；圖7是沿圖5線7-7在箭頭方向上展開的放大比例的局部剖視圖；圖8是可以使用根據本發明的空氣輸送系統的控制系統的示意圖；圖9是具有可調節擋板的備選終端單元的局部示意圖；圖10是可以使用根據本發明的空氣輸送系統的控制系統的流程圖；圖11是用於圖10系統的增加打開時間的程序的流程圖；圖12是用於圖10系統的減少打開時間的程序的流程圖；圖13是用於圖10系統的打開脈衝輸出的程序的流程圖；和圖14是用於圖10系統的關閉脈衝輸出的程序的流程圖。
具體實施例方式
現在參考更詳細的附圖，圖1示意性地示出了典型的現有技術的空氣輸送系統，該類型的系統可以將調節空氣輸送到具有牆14和屋頂16的建築物12內的房間10中。在屋頂16下面隔出房間10的假頂棚18以在頂棚上提供開放的間隙空間20。鼓風機或其他冷熱空氣源(未示出)將調節空氣供給到在空間20中延伸的供給管道22。管道22依次供給一條或多條小管道24，這些管道通向頂棚安裝的終端26。終端26將調節空氣擴散到房間10。可以位於頂棚上的一個或多個回流格柵28允許回流空氣排出房間10。為管道22供給的鼓風機(未示出)和加熱或冷卻空氣的加熱或冷卻單元通過位於房間10中的恆溫器或其他溫度傳感器(也未示出)以常規方式控制。
為了給管道系統和其他設備的安裝提供足夠空間，通常該空間20在頂棚18和屋頂16之間要具有36英寸的高度或更多。
現在詳細參考圖2，本發明涉及一種空氣輸送系統，它對圖1所示的常規系統和其他類型的已知系統的許多方面進行了改進。建築物30包括地板32和牆或將建築物內的空間分隔成多個不同房間36的隔板34。建築物18具有屋頂38，在其下提供了假頂棚或吊頂40以覆在房間36之上。在頂棚40和屋頂38之間提供了間隙空間42，但是與例如圖1的常規系統所需空間20的通常36英寸的高度相比，該空間僅為大約18-24英寸高。
本發明的系統可以配備屋頂頂部單元44，該單元包括用於加熱和冷卻空氣的鼓風機46和合適的設備(未示出)，以及過濾器和其他常規裝置。在空間42中的殼體50內形成一個或多個供給風室48，該殼體50可以使風室或各風室48剛好位於吊頂40之上。雖然也可以使用全部連接在一起並且以相同的壓力接收空氣的多個風室48，但優選地，僅有單個風室48佔用大部分的間隙空間42。鼓風機46的排風側46與通向風室48的管道52連接以為該風室供給調節空氣。每個供給風室48設置了一個或多個終端單元54，該終端單元可以安裝在頂棚40上並且將調節空氣從風室48供給到下面的房間36。雖然為了簡明，每個風室48被示為具有單個終端單元54，但是可以預想，每個風室48可以配備相對多數量的終端單元，將更全面的解釋。
圖3和4可以最好地示出每個終端單元54的構造。每個終端單元54可以臨近形成在頂棚14上的開口56安裝。每個終端單元包括具有底部邊緣60的罩58，所述底部邊緣可以位於臨近開口56的頂棚14的頂部上。在罩58的頂部部分上形成上翻的圓柱形套環62，在其中有圓形的通道64，調節空氣穿過該通道向下流入罩的內部。
罩58包括環形肩部66，該肩部是水平的並且剛好位於套管64的外面。水平擋板68通過多個懸架70掛在肩部66下面。擋板68與頂棚14位於大致相同的水平面但是小於開口56以提供出口72，罩58內的空氣穿過該出口沿圖3中的指示箭頭74所示排入下面的房間。
水平安裝板76固定在套管64頂部並且支撐通常由數字78指代的風門殼。風門殼78可以是矩形的並且可以配備有一個或多個風門80。如圖所示，可以提供兩個風門80，儘管在各個終端單元中可以使用不同數量的風門。
風門殼78具有敞開的頂，該頂敞開到風室48以接收供給到該風室的調節空氣。穿過風門殼78向下進入罩58的氣流通過風門80控制。如圖6所示，每個風門80可以採取安裝在水平軸82上的扁平風門片的形式。當軸82被轉動時，風門80在圖6實線所示的打開完全位置和圖6虛線所示的完全關閉位置之間旋轉。在完全打開位置，每個風門80具有垂直方向，因此提供了穿過風門殼78的最大流量。在關閉位置，每個風門80水平延伸，並且兩個風門基本完全佔據了風門殼78內部，從而基本阻斷了從風室48到罩58的調節空氣氣流。在風門殼內風門80沒有提供徹底的密封，因此即使在風門關閉時，有些空氣也可以穿過風門殼。因此，在風門關閉時，該結構提供了被控制的漏氣量。每個風門80可在風門的打開和關閉位置之間旋轉90度的圓弧。
每個風門80配備有致動器，所述致動器的形式可以為專用電機84，以將該風門在打開和關閉位置之間旋轉。如圖4和5所示，電機84安裝在固定在風門殼78一側的電機殼86中。軸82延伸穿過風門殼78並且支撐在風門殼上以旋轉。每個軸82伸入電機殼86中並且與形成電機一部分的轉子88連接。
特別參考圖7，每個轉子88是圓柱形的並且位於安裝到殼體86上的定子90外部。定子90具有一對相對的保持相同極性的繞組92和另一對相對的彼此保持相同極性但與繞組92極性不同的繞組94。轉子88是鐵磁的並且具有一對相對的彼此相同極性的磁極96。轉子88上的另一對相對的磁極98彼此具有相同的但與磁極96相反的極性。流入繞組92和94的電流可以反向以致動電機並將風門80從打開位置到關閉位置或從關閉位置到打開位置旋轉90度圓弧。
電機84設置有磁性鎖止裝置，該裝置包括臨近其中一個磁極96安裝在轉子88外側的永久磁鐵100。四個金屬銷102固定在殼體86上，並且只要繞組92和94與磁極96和98對齊時，這些銷就在磁鐵100與其中一個銷102對齊的位置處隔開90度。臨近其中一個銷102的磁鐵100的對齊將轉子88可釋放地鎖止在合適的位置從而將風門80鎖止在其打開和關閉位置而不需要機械止塊。
優選地，定子90固定在印刷電路板104(圖3)上，該印刷電路板被固定在殼體86上並且包括在電機和控制電路之間提供接口的電路，其中所述控制電路可以以某種將全面解釋的方式控制風門的打開和關閉位置。每個風門軸82直接與轉子88連接，因此風門可以在其打開和關閉位置之間快速旋轉。優選地，繞組92和94的激勵電流是僅施加足夠時間使轉子開始旋轉的瞬時電流。當轉子轉動90度圓弧時，由於磁鐵100和隨後與磁鐵對齊的金屬銷102之間的磁性吸引，轉子被鎖止在合適位置。因此，風門80在打開和關閉位置之間快速旋轉並且被磁性鎖止裝置鎖止在它們旋轉到的任何位置處。全部完成過程不需要電機或風門上的機械止塊或密封。
雖然，優選地，風門80為所示類型的蝶型風門，但是也可以使用其他類型的風門，包括百葉窗型風門、滑閥型或其他類型的具有合適致動器的風門機構。
本發明的風門機構的特徵在於代替其他風門以改善系統性能的能力。作為實例，可以用本發明的風門代替美國專利No.6,019,677中所示類型的風門機構。
參考圖2，每個房間36可以配備恆溫器106或其他傳感器。恆溫器106可被設置到選定的溫度設定值並且提供有用來感知房間36中周圍空氣溫度的傳感元件。來自每個恆溫器106或其他傳感器的信號通過合適的線路108提供給風門的控制電路。
繼續特別參考圖2，每個房間36上的頂棚40設置有一個或多個位於供給風室48之間的回流通風調節裝置110。回流風室112設置在空間42中並且佔據了沒有被供給風室48佔據的空間。回流風室112接收穿過回流格柵110的空氣並且通過回流管道114與鼓風機46的進風側連接。
風門的控制系統是本發明的重要方面並在圖8中示意性地示出。控制電路116接收來自不同房間36的恆溫器106或其他傳感器的輸入信號。基於從恆溫器106或其他傳感器(它們可以感知各種狀態，例如空氣溫度、溼度、平均輻射空間溫度、缺氧、二氧化碳過量或其他調節空氣所需的狀態)接收到的信號，控制電路116將控制信號提供給操作不同房間36內的風門的馬達84。控制電路116可以通過線118為馬達84提供「打開」信號，通過線120為馬達提供「關閉」信號。當打開信號作用在線118上時，馬達84被激活將相應的風門80旋轉到打開位置，風門將保持鎖止在該位置直到在線120上提供關閉信號。然後，馬達將風門旋轉到關閉位置。
風門的控制是本發明的獨特方面並且包括為每個風門分配相當短持續時間的工作循環，該工作循環一般在兩分鐘以內，常常總計僅為數秒。在每個工作循環期間，風門80在某個時間周期內保持打開(或「開」)，這取決於溫度設定值和空間中的實際溫度。在每個工作循環的剩餘期間，風門保持關閉(或「關」)。每個「打開」或「開」時間周期的持續時間可被調節以保持溫度設定值。作為實例，如果其中一個房間36的最大空氣流量為100立方英尺/分(cfm)，風門在每個工作循環的全部期間保持打開可以為房間提供100立方英尺/分的流量。如果工作循環為60秒長，那麼風門在每個工作循環中保持打開48秒以及關閉12秒可以向該空間輸送80立方英尺/分的流量。為了提供40立方英尺/分的流量，風門可以保持打開24秒以及關閉36秒。
可以使用其他的工作循環。例如，工作循環可以僅為10秒或更短，那麼風門通常將相對頻繁地打開和關閉。相反地，如果工作循環為兩分鐘長，那麼風門將相對較不頻繁地打開和關閉。可以選擇工作循環的長度以滿足期望的任何狀態，這取決於所涉及到的許多變量。一般，工作循環的持續時間將短於恆溫器或其他傳感器可以感知的溫度變化。可以設想，在大多數應用中，工作循環將為12-60秒。
作為典型的運行實例，在最大空氣流量為100立方英尺/分的系統中，工作循環可以為12秒。當負荷為50％時，風門可以在每個工作循環中打開6秒並且在每個工作循環剩餘的6秒內關閉以提供50立方英尺/分的平均空氣流量。在工作循環的「開」部分，100立方英尺/分流入房間。在「關」的工作循環過程中，幾乎沒有空氣輸送到房間，儘管少量的洩漏是故意允許的，它的好處是在風室中保持了穩定的狀態。
將此與傳統的調製風門系統比較，該風門將被調製到半開位置直到50立方英尺/分的流量被連續輸送到該空間。利用傳統的「開/關」系統，空氣供給將被打開大約5分鐘，然後關閉大約5分鐘，以提供50％的平均運行時間。在這種類型的系統中，與本發明系統具有的6秒「開」循環相比，「開」循環通常為5分鐘。
本發明設想鼓風機46將連續運行並且將風室48保持在恆定的和相對較低的壓力下。作為實例，通常的風室壓力小於0.10英寸水柱(inch wg)或者更優選地為大約0.05英寸水柱，在大部分情況下內部損失為0.01英寸水柱或甚至更小。因此，穿過終端單元54的壓力降較低，從而將空氣流通保持在人類聽覺範圍以下的水平。另外，無論何時在終端單元54的風門80被打開時，空氣的速度和落差是恆定的，從而實現了冷熱空氣在整個房間36內的徹底混合和有效分布。
可以設想，需要供給調節空氣的各個空間將配備相對多數量的終端單元54。雖然可以使用更多的或更少的終端單元，但是在每個空間中使用10個或更多的終端單元也不是罕見的。為了保持穩定的鼓風機靜壓和氣流穩定性，特定空間的終端單元54是同步的，因此它們的工作循環在不同的時刻啟動。例如，供給其中一個房間36的終端單元54可以以串級鏈的方式連接，這樣第二終端在相對於第一終端工作循環啟動延遲的時刻處開始其工作循環。相似地，第三終端延遲其工作循環的啟動等等。工作循環的這種交錯安排避免了在全部終端同時打開和關閉時可能發生的鼓風機感知到氣流幾乎瞬時從滿值跳到零的情況，反之亦然。由於終端的這種交錯工作循環，鼓風機的穩定性和氣流的穩定性被顯著增強了。
在空氣輸送系統的運行中，每個終端84在其工作循環一部分期間為「開」在其工作循環剩餘部分期間為「關」。在每個工作循環「開」的部分期間，為了在滿足該負荷的條件下供給調節空氣(加熱的、冷卻的或其他處理的)，風門80完全打開以為房間提供最大量的空氣。在工作循環「關」的部分期間，風門80被完全關閉以阻斷調節空氣流入房間。恆溫器106連續感知房間36的狀態並且將控制電路116提供的信號與溫度設定值比較。例如，如果在加熱模式下，12秒的工作循環在每個工作循環期間被設置為6秒開和6秒關，並且房間36內的溫度低於溫度設定值，則控制電路116通過增加工作循環中「開」的部分並減小工作循環中「關」的部分來採取校正動作。工作循環「開」的部分可以增加到7秒而「關」的時間可以減小到5秒。如果滿足了溫度設定值，則保持該狀態。如果在加熱模式中超過了溫度設定值，則根據需要減小每個工作循環「開」的部分和增加「關」的部分以保持溫度設定值。在製冷模式下，在系統的運行期間可以採取相似的處理。
值得注意的是，工作循環被設置為相對較短的持續時間，對於恆溫器106來說該持續時間不夠長以感知在任何給定工作循環期間的溫度變化。控制電路116不對任何單個工作循環期間的任何狀態做出反應而是對相對較多數量的工作循環產生的平均狀態做出反應。控制系統可以通過風門的開/關操作控制隨時間過去而受到影響的平均流量。系統中提供的流量是基於大量開/關循環的平均值，這些循環不是由恆溫器或由該空間的居住者個別探測的。
這種技術可以得到許多優點。因為風門既可以完全打開又可以完全關閉，所以總是以相同的空氣速度、相同的質量、相同的混合、相同的動能、相同的動量、相同的感應和相同的落差來排出。由於本發明系統的「雙重」性質克服了在先系統存在的聲學問題和徹底混合的缺乏，其中本發明系統基本上在比傳統的「開/關」系統產生的間隔更短的間隔內提供了許多調節空氣「脈衝」。另外，使用的低壓供給也有好處。
雖然所示的終端單元在許多方面都有優點，但是也可以使用其他類型的空氣擴散器。可以使用諸如線性槽(linear slot)結構和各種其他結構的出口結構。
可以設想，每個終端54的工作循環將與用於相同空間的其他終端相同。然而，在所有的情況下，這不是必需的。還可以設想，工作循環隨著時間的流逝可以是恆定的並且僅僅每個工作循環「開」的部分將被改變以滿足負荷狀態，或者如果需要或想要滿足負荷並保持該系統的有效運行，工作循環也可以延長或縮短。
可以設想，用於給定房間36的終端單元54將以柵格形式均勻隔開以在整個房間內以相等的間隔位置提供空氣。雖然可以使用吊頂安裝終端54，但是也有可能提供地板安裝的通風調節裝置或牆壁安裝的通風調節裝置。另外，雖然本發明為自己提供了圖2所示的風室型系統，但它也可以使用例如圖1所示的具有分離管道系統的系統。風室系統是優選地，因為與需要大量管道系統的系統空間20中所需的高度相比，空間42的高度可被充分減小。
本發明需要以基本恆定的壓力供給空氣的空氣供給裝置、可以是風室或管道且優選為風室的空氣分配裝置、排出空氣的空氣終端、以及諸如用來感知空氣被供給到的空間內的狀態的恆溫器的裝置。本發明的特定特徵為這種類型的系統允許使用不需要平衡的終端裝置。另外，可以容易地在單個系統中混合可變空氣體積裝置和恆定空氣體積裝置。在這方面，一些或全部終端單元可以配備風門以提供可變空氣體積的能力，而其他的終端單元可以沒有風門，從而它們總是在恆定空氣體積條件下運行。關於空氣終端很重要的是，它的氣流體積具有固定的最大體積，該體積不是風門的函數而是取決於終端出口的排放面積。
關於終端，重要的是它們是壓力依賴型裝置。因為終端空氣體積由每個工作循環期間的壓力和風門張開狀態的持續時間控制，所以壓力依賴型終端的使用允許壓力變化以實現改變終端的落差特性，同時風門還提供了獨立的壓力修正體積。因此，可以提供一種終端尺寸並且該終端尺寸將覆蓋很寬範圍的應用。另外，由於本發明使用的體積控制方法避免了傳統空氣終端的噪音和減弱(turn down)問題。
如前面指出的，本發明系統提供了一種使用風室的系統，所述系統使用的風室例如是不同於傳統管道系統的風室48和回流風室112。這種風室系統的一個優點是在頂棚40上方相當大的可用空間沒有被管道系統佔用，因此可以在頂棚上的空間中布線、鋪設管道或用別的方式配備其他裝置。例如，可以提供整體吊頂單元，在該整體吊頂單元中可以整合終端單元、回流通風調節裝置以及一個或多個其他裝置，包括噴灑滅火器、燈、煙火探測器和其他裝置。固定裝置、管子、管道、電線和其他本類型系統所需的部件可以使用由於沒有管道系統而可用的空間。由於去除了管道系統並且緊鄰地定位了回流和供給風室，因此有可能構造一種整合有此前不能實行的固定裝置的多功能裝置。例如，以前將燈具與供給管道/空氣擴散器整合的嘗試導致了該結構很難建造、安裝和應用。本發明的系統消除了這些問題。
風門結構和其與馬達84的直接連接是有利的，主要因為風門可以被迅速打開和關閉而沒有過度的噪音，並且由於不需要機械止塊所以磨損也最小。因為風門80比傳統系統打開和關閉得更頻繁，通常利用為本發明風門提供的磁性鎖止裝置應該可以避免磨蝕和其他磨損。
圖9示出了備選的終端單元，其中擋板68可被上下調節以改變出口72的尺寸。罩58具有四個角區120，每個角區都提供有延伸的凸緣122。不像圖3懸在固定懸架70上的結構，圖9的可調節的板68支撐在可調節吊架124的下端，其中吊架的一個邊緣具有多個槽口126。吊架124沿著安裝在凸緣122上的引導部件128引導。
為每個吊架124設置了彈簧腿130。腿130安裝在凸緣122上，它們的頂端為彎頭132，該彎頭可以緊緊地容納在槽口126中從而將吊架保持在合適的位置。
板68可被向上推使得頭132與下一個更低的槽口126嚙合，從而將板68固定在更高的位置以減小出口72的尺寸。相反，板68可以下降使得頭132與下一個更高的槽口126嚙合，從而增加了出口72的尺寸。這樣，出口的尺寸可以根據需要調節。頭132具有與槽口126配合的卡扣，在頭扣在槽口中時，可以提供聽得見的卡塔聲和一定的感覺。實際上可以提供任何數量的槽口，並且為了提供寬範圍的調節和在允許範圍內提供精細的調節，這些槽口可以隔開希望的距離。
圖9所示的空氣終端單元在許多方面都有利，這主要是由它的結構和它與使用相對較低的和均勻的空氣分配壓力的風室，如圖2所示的風室48的系統相整合而得到的。通過使用這種系統和圖7所示的空氣終端，空氣以受控方式輸送到所述空間中而沒有節流。該終端單元具有僅僅約束氣流的排出區。在它和風室壓力之間沒有中間調製氣流控制風門，因為風門80是不以傳統方式節流氣流的「開/關」數字裝置，因此在風門打開時，不會改變由該終端輸送的空氣體積。因此，風室壓力和出口72的終端區可以設置該終端的最大流量。風室壓力沒有被減小以調製該氣流。另外，與頂棚40臨近的具有大風室面積的風室提供了有利的輻射冷卻/加熱效果。
由於具有恆定壓力的風室、終端單元的結構、以及風門可以完全打開或完全關閉的調製方法，有可能產生有益的結果和性能。在系統中將這三種特徵結合在一起的結果是消除了空氣平衡，因此提供了更好的空氣分配性能並允許該些部分再次使用和/或調節到適當的位置。
與通常製造的傳統終端需要較多種類的頸部或管道尺寸相比，本發明終端可以製造為單一的尺寸。雖然終端單元的實際尺寸是固定的，但由於為擋板68提供的可調節性，出口的張開面積是可調節的。因此，單個終端裝置可以應用於很寬的種類和很寬範圍的應用，並且它可以被移動或重新應用而不需要得到具有不同尺寸的其他裝置。可以提供具有單一尺寸的終端單元的能力降低了製造、庫存和供給大量該裝置的需求，這些都是過去所需要的。
對於恆定體積的應用，可以安裝終端單元而無空氣平衡需求。該終端可被設置到固定的流量而無平衡需求，因為所有的終端基本上從風室接收相同的壓力，終端的流動特徵由其實際結構設置並且流動體積的調製不採用節流。
終端單元的優點包括其在較寬範圍的應用中有用的能力。例如，該終端單元可以安裝在小辦公室內並且設置在低的最大流量，或者它可以被安裝在大的開放空間並且設置在高的流量。該終端單元可以與包括可變空氣體積的本發明脈衝調製系統一起使用，或者在恆定體積區域中它可以不與這種系統一起使用。因此，一種裝置差不多可以代替幾百種必須根據管道尺寸和所需體積/壓力狀態和預期氣流特徵確定尺寸的傳統終端。
由於本發明系統的性質，該終端單元可以容易的重新定位、增加或刪除。由於恆定壓力供給風室的使用、採用的控制方法、管道的去除、控制系統的空氣平衡和性質，所以增加、刪除或移動終端沒有困難。在具有管道的傳統系統中，增加終端需要重新確定設備的尺寸，包括終端、管道、風門和其他部件。在本發明的系統中，當終端增加、移動或刪除時，工作循環會自動調節。終端的「尺寸」可以通過調節擋板來調節，而不需要改變和重新平衡終端。
當通過重新定位擋板68調節終端單元的最大流量時，落差上會有衝擊。即使該終端是恆定速率裝置，在擋板68向上調節時風室體積的減小可以稍微減小該落差。在更小的區域中，該落差的減小是有利的。另外，當該終端單元不與風門一起使用時，擋板的調節允許該終端更好的平衡該空間中的負荷。
傳統的空氣輸送系統在嘗試混合恆定體積空氣分配和可變體積空氣分配時會遇到困難。利用本發明的系統和可調節的終端單元，可以沿著體積可變的其他區建立體積恆定區。終端單元上的控制風門可以在起始時就安裝，或者如果該單元在現場被轉換時再增加。因為沒有平衡需求，所以允許這種靈活性。從恆定體積向可變體積或從可變體積向恆定體積的改變、終端的重新定位或終端體積的改變都可以實現，而不需要特殊的設備或需要丟棄現有裝置。
圖10-14是可以用來控制風門80打開和關閉的系統的流程圖。圖10示出了主程序，該程序可以用來在製冷模式下運行利用恆溫器或其他溫度傳感器來探測供給冷卻空氣的房間中的空氣溫度。
參考圖10，在塊134中執行加電程序。在塊136中，清空內存並聲明變量。接下來，塊138中的配置程序修改程序參數和檢查用來配置該裝置的一套DIP開關。如果在塊140中確定測試開關在加電時被按下，則在塊142中執行設置系統的測試程序。否則，在塊144中初始化主計時循環。
當系統初始化時，由恆溫器感知的溫度通過LED或其他方式顯示，如在塊146中所示。接下來，如塊148所示，讀取熱敏電阻值並轉換為數字溫度。在塊150中，將該溫度與溫度設定值比較以確定其是否超過溫度設定值。如果沒有，在塊152中做出關於感知溫度是否低於溫度設定值的判斷。如果沒有，所述溫度在設定值。在塊154中將「積分時間」設為零並且程序繼續，如框圖所示。
如果在塊150中確定感知溫度高於溫度設定值，則在塊158中判斷該溫度是否超過設定值5度或更多。如果沒有，如塊160所示，執行增加打開時間的程序。
圖11示出了在溫度高於設定值不足5度時執行的增加打開時間的程序。在這種狀態下，希望在每個工作循環期間增加風門180的打開時間以降低房間內的溫度。通常，打開和關閉時間通過等量地延長打開時間和減少關閉時間來改變。改變量可以取決於兩個常數(K1和K2)來確定，這兩個常數是裝置設置和處理器執行的循環設置時間的函數。打開和關閉風門的脈衝之間的間隔是溫度與設定值偏離和積分因子(「積分時間」)的函數，其中積分因子代表溫度與設定值偏離的時間量。作為實例，在圖11的塊162中，打開時間可以重置為以前的打開時間加上常數K1乘以溫度偏離(設定值減去實際溫度)再加上常數K2乘以積分時間值。關閉時間計算為以前的關閉時間減去K1乘以溫度偏離再減去K2乘以積分時間。因此，打開時間增加的持續時間等於關閉時間中減小的持續時間，在這些條件下工作循環保持恆定。
在塊162中計算完打開時間和關閉時間後，在塊164中積分時間值增加1，並且模式塊166表明該系統處於冷模式。
在大多數條件下，作為實際情況希望風門保持打開至少6秒，雖然這不是一直必需的。另外，如果它們都變得過長，也希望縮短打開和/或關閉時間的持續時間。作為實例，打開時間和關閉時間都為2秒的4秒工作循環、打開時間和關閉時間都為10秒的20秒工作循環以及打開時間和關閉時間都為30秒的60秒工作循環都提供了50％最大值的「平均流量」。然而，為了保持系統正常運行，應該避免過分短的循環如2秒打開和2秒關閉的循環和過分長的循環(通常超過30秒)。
基於這些情況，在塊168中判斷打開時間是否小於6秒。如果是，則在塊170中，打開時間被設置為等於6秒，並且進入塊172，表明完成了增加打開時間的程序。如果打開時間不小於6秒，則在塊174中判斷打開時間是否大於30秒且關閉時間大於6秒。如果不能滿足這兩個條件，進入塊172。然而，如果打開時間大於30秒且關閉時間大於6秒，則在塊176中打開時間和關閉時間都被設置為它們以前持續時間的一半，然後進入塊172。以這種方式，打開時間通常被保持在或高於6秒，同時也避免了過分長的超過30秒的打開時間。當增加打開時間的程序完成時，在塊156處繼續主程序。
參考圖10，如圖溫度低於設定值，如塊152所示，則在塊178中判斷溫度是否低於設定值2度或更多。如果不是，執行減小打開時間的程序，如塊180所示。
圖12示出了減小打開時間的程序並且在塊182中包括新的打開和關閉時間的確定。打開時間計算為以前的打開時間加上常數K1乘以溫度偏離(計算為負值)減去常數K2乘以積分時間值。關閉時間計算為以前的關閉時間減去K1乘以溫度偏離(負值)加上常數K2乘以積分時間。在塊184中，積分時間增加1，在塊186中提供製冷模式的指示。與圖11所示的程序相似，在塊188中判斷打開時間是否小於6秒。如果是，在塊190中它被設為等於6秒，程序在塊192完成。如果打開時間不小於6秒，在塊194中判斷是否打開時間大於30秒且關閉時間大於6秒。如果不滿足這兩個條件，程序在塊192完成。如果打開時間大於30秒且關閉時間大於6秒，二者的時間都消減一半，如塊196所示，然後程序在塊192處完成。當圖12所示的程序完成時，在塊156處繼續主程序。
再次參考圖10，當主程序在塊156繼續時，在塊198判斷風門是否打開，如果打開，是否為保持打開而為其設置的時間已經過去。如果已經過去，在塊200執行關閉脈衝輸出程序。如果沒有過去，在塊202中沒有關閉脈衝時間延遲，並且在塊204中判斷風門是否關閉，如果關閉，是否關閉時間已經過去。如果沒有過去，在塊204a中沒有打開脈衝時間延遲，主程序的程序循環完成(塊205)並且重複。如果風門被關閉並且循環的關閉部分被完成，則打開脈衝輸出程序起效，如塊206所示。
如果在塊158中確定溫度高於設定值5度或更多，則風門被設置為恆定打開，如塊208所示，並且在塊206中執行打開脈衝輸出程序。
圖13示出了打開脈衝輸出程序，並且該程序包括開始塊210。在塊212中，判斷風門打開標誌是否處於高的狀態。如果是，在塊214中有給定的延遲並且程序在塊216完成。如果風門打開標誌不是高，則在塊218中將風門打開埠設置為高的狀態。在塊220中延遲之後，在塊222中風門打開埠被降低到低的狀態，在塊224中將風門打開標誌設置為高的狀態，之後在塊216完成程序。當圖13所示的打開脈衝輸出程序完成時，主程序完成(塊205)並重複。
在主程序(圖10)中，如果溫度低於設定值2度或更多，風門被設置為恆定關閉狀態，如塊226所示，並且在塊200初始化關閉脈衝輸出程序。
圖14示出了關閉脈衝輸出程序，該程序與打開脈衝輸出程序相似。在228處包括開始塊，在塊230判斷風門打開標誌是否為低。如果是，在塊232中延遲，在塊234處完成關閉脈衝輸出程序。如果風門打開標誌不為低，在塊236中，處理器的風門關閉埠被升高到高的狀態。然後，在塊238中延遲，在塊240中風門關閉埠被降低到低的狀態，然後，在塊242風門打開標誌被設為低，之後程序完成。當關閉輸出脈衝程序完成時，主程序完成(塊205)並重複。
根據上述內容，可以看到本發明可以很好地達到上述的所有目標和目的以及顯而易見的和該結構固有的其他優點。
應該理解，可以使用本發明的某些特徵和再組合而不用參考其他的特徵和再組合。這都考慮在了權利要求裡並且在權利要求的範圍內。
因為可以不脫離本發明的範圍製造許多可能的實施例，因此應該理解，這裡所述的和附圖中所示的內容都應該解釋為示例性的而不是限制性的。
權利要求
1.一種將調節空氣輸送到空間的方法，包括以下步驟感知所述空間的狀態；選擇工作循環的持續時間；選擇每個工作循環期間的時間周期，其中所述工作循環取決於在所述空間中感知到所述狀態；在每個工作循環所述時間周期期間，將調節空氣應用到所述空間；在每個工作循環的不包括所述時間周期的部分期間停止將調節空氣應用到所述空間。
2.如權利要求1所述的方法，其中將調節空氣應用到所述空間的所述步驟包括在每個工作循環的所述時間周期期間以基本恆定的速率和流量體積將調節空氣應用到所述空間。
3.如權利要求1所述的方法，其中感知所述空間的狀態的所述步驟包括感知所述空間中的空氣溫度，並且包括響應於所述空間中感知溫度的變化調節所述時間周期持續時間的步驟。
4.如權利要求1所述的方法，其中將調節空氣應用到所述空間的所述步驟包括在所述空間中的多個不同位置將調節空氣應用到所述空間。
5.如權利要求4所述的方法，其中每個所述位置的所述時間周期大致具有相同的持續時間；至少一個所述位置的所述時間周期在每個工作循環期間的啟動時間晚於其他所述位置的所述時間周期在每個工作循環期間的啟動時間。
6.如權利要求1所述的方法，其中每個工作循環具有小於2分鐘的持續時間。
7.一種將調節空氣輸送到空間的設備，包括調節空氣源；與所述源連通並從其處接收調節空氣並將所述空氣應用到所述空間的終端單元，所述終端單元包括具有完全打開狀態和關閉狀態的風門，在完全打開狀態，調節空氣通過所述終端單元應用到所述空間，在關閉狀態，來自所述終端單元的調節空氣流被所述風門阻斷；在所述空間中感知其中選定狀態的傳感器；以及對每個選定的持續時間具有連續工作循環的控制系統，所述控制系統響應於所述傳感器感知的狀態以實現使所述風門的完全打開狀態在每個工作循環期間持續選定的時間周期，以及使所述風門的關閉狀態持續每個工作循環中不包括所述選定時間周期的部分。
8.如權利要求7所述的設備，其中所述源以基本恆定的壓力將調節空氣供給到所述終端單元。
9.如權利要求8所述的設備，其中所述源以小於大約0.10英寸水柱的壓力將調節空氣供給到所述終端單元。
10.如權利要求7所述的設備，其中所述傳感器可被操作來感知所述空間中的空氣溫度，並且在所述傳感器感知的溫度改變時，所述控制系統被安排用來調節所述時間周期的持續時間。
11.一種將調節空氣輸送到空間的設備，包括用來感知所述空間選定狀態的傳感器；多個終端單元，每個終端單元接收調節空氣以應用到所述空間，所述終端單元在所述空間中被隔開；用於每個終端單元的風門，所述風門具有完全打開狀態和關閉狀態，在完全打開狀態，調節空氣應用到所述空間，在關閉狀態，流到所述空間的調節空氣被阻斷，每個風門具有連續的工作循環，每個工作循環根據所述傳感器感知的狀態包括選定的時間周期；以及控制系統，所述控制系統用來實現使每個風門的完全打開狀態在每個工作循環期間持續所述選定的時間周期，以及使每個風門的關閉狀態持續每個工作循環中不包括所述選定時間周期的部分，所述控制系統在與其他所述風門啟動所述工作循環不同的時間啟動至少一個風門的所述工作循環。
12.如權利要求11所述的設備，其中每個風門的所述工作循環基本具有相同的持續時間；並且所述控制系統響應於所述傳感器感知的溫度變化來改變每個風門所述選定時間周期的持續時間。
13.一種將調節空氣輸送到房間的設備，其中所述房間具有位於覆蓋所述房間的頂棚上方的空間，所述設備包括調節空氣源；封閉的供給風室，所述風室位於剛好在所述頂棚之上的所述空間中並且與所述源連通以從其處接收調節空氣；所述頂棚上的終端單元用來從所述供給風室接收調節空氣並將所述調節空氣應用到所述房間；位於所述房間用來感知其中空氣溫度的溫度傳感器；與所述終端單元相關聯的風門，所述風門具有完全打開狀態和關閉狀態，在完全打開狀態，調節空氣通過所述終端單元應用到所述空間，在關閉狀態，來自所述終端單元的調節空氣流被阻斷，所述風門具有連續的工作循環，每個工作循環根據所述傳感器感知的溫度包括選定的時間周期；控制系統，所述控制系統用來實現使所述風門的完全打開狀態在每個工作循環期間持續所述選定的時間周期，以及使所述風門的關閉狀態持續每個工作循環中不包括所述選定時間周期的部分；回流空氣風室，位於所述空間的所述回流空氣風室與所述供給風室隔開並與所述源連通以將所述房間的回流空氣供給到所述源；以及回流通風調節裝置，位於所述房間中的所述回流空氣通風調節裝置與所述回流空氣風室連通以將回流空氣供給到其處。
14.如權利要求13所述的設備，其中所述控制系統用來響應於所述傳感器感知的溫度變化改變每個工作循環的所述選定時間周期的持續時間。
15.一種將調節空氣應用到空間的空氣終端，包括具有流路的殼體，所述調節空氣可穿過所述流路；用來控制穿過所述通道流動的風門；支撐所述風門的軸，所述軸被安裝在所述殼體上以在所述風門打開位置和所述風門的關閉位置之間移動，其中在所述風門的打開位置所述流路被打開，在所述風門的關閉位置所述流路被關閉；磁鐵和金屬鎖止元件，它們可合作以產生磁力，從而在移動到其處時將所述風門可釋放地鎖止在打開位置，在移動到其處時將所述風門可釋放地鎖止在關閉位置；以及與所述軸連接的電動操作的驅動元件，在給所述驅動元件供電時，所述驅動元件可用來克服所述磁鐵和鎖止元件的磁力從而使所述軸在所述風門的打開位置和關閉位置之間移動。
16.如權利要求15所述的空氣終端，其中所述驅動元件包括馬達，所述馬達具有定子和轉子，所述轉子直接與所述軸連接以在所述轉子旋轉時轉動所述軸。
17.如權利要求16所述的空氣終端，其中所述磁鐵和鎖止元件用來鎖止所述風門，每次鎖止所述軸都旋轉穿過大約90度的圓弧。
18.一種用來供給調節空氣的空氣終端，包括提供有流路的殼體，所述流路用來容納穿過其的空氣通道；與所述流路相關聯的擋板，所述擋板提供了從所述流路排出空氣的出口，所述出口的尺寸隨著所述板的線性位置的改變而變化；以及可調節的支座，所述支座以允許線性調節所述板從而改變所述出口尺寸的方式將所述板和所述殼體連接在一起。
19.如權利要求18所述的空氣終端，其中所述出口形成在臨近所述板的邊緣部分並且在所述邊緣部分的外面。
20.如權利要求18所述的空氣終端，其中所述殼體適於安裝在頂棚上；所述板具有基本水平的方向；所述可調節的支座被設置成允許所述板的垂直調節。
全文摘要
本發明公開一種利用短的工作循環輸送調節空氣的方法和設備，其中在所述工作循環內，風門(80)完全打開一定時間並且在剩餘的時間內完全關閉。調節空氣以低的壓力連續供給到風室(48)，並且在所述風門打開時應用到所述空間，在所述風門關閉時阻斷所述調節空氣。每個工作循環期間的開關比例可被調節以滿足所述負荷。當幾個供給終端服務空間時，它們的工作循環被交錯以避免鼓風機的不穩定。專用馬達(84)直接連接到所述風門(軸82)上以快速打開和關閉所述風門。磁性鎖止(100)將風門保持在打開或關閉位置直到所述馬達再次移動。
文檔編號F24F1/00GK1771412SQ03826511
公開日2006年5月10日 申請日期2003年6月26日 優先權日2003年4月25日
發明者斯坦利·J·登斯特 申請人:空氣裝置公司