專利名稱：帶有高效熱交換器和空氣過濾器的通風設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及通風設備、裝置、系統和/或安裝。更具體地說，本發明涉及一種具有熱交換和空氣過濾功能的通風設備、裝置、系統和安裝。特別地講，本發明涉及一種可以用在住宅和商業加熱、冷卻和空調系統或安裝中或與它們一起使用的通風設備、裝置、系統和/或安裝。本發明也涉及具有內置式熱交換器和高效空氣過濾器的空氣調節器。
空氣調節器廣泛用于為住宅、商業或公共建筑、房屋或其它諸如辦公室、學校、電影院、戲院、大廈的等封閉的空間或其它類似的地方中的人們提供舒適的室內環境。在封閉的建筑物里，特別是擁擠的建筑物中，有害氣體，一般包括二氧化碳、一氧化碳、難聞氣味以及像建筑材料中的甲醛和大理石中釋放的放射性氡等，以及各種刺激物，一般令空氣質素下降。空氣調節器已廣泛用于許多象學校那樣的擁擠的地方來提供較好室內環境的時候。一般來說，空氣調節器都聲稱具有良好換風功能，然而，這些空調裝置的空氣交換效果通常都不太令人滿意。實際上，已有報告顯示，在許多有空調的學校，室內二氧化碳的濃度超過了一般可接受的800ppm水平，甚至超出該水平達到35％之多。
通風設備通常與空氣調節器一起使用但亦可內置其中。通風設備使可能含有大量有害氣體的室內空氣能夠排出室外及引入具有較高氧氣含量和較低有害氣體含量的室外空氣。
另一方面，雖然室外空氣一般具有較高的氧氣含量，但它并非不含污染物。在城市及其它建筑物密度較高的地區，空氣污染通常都特別嚴重。這些地區室外空氣中所含的污染物一般包括諸如塵土、灰燼、煙塵、由柴油燃料的不完全燃燒而產生的顆粒、花粉、香料、酸或其它化學氣體和細菌有機物。
為了阻止或盡量減少有害物質進入封閉的室內空間以提供一個更健康的室內環境，空氣調節器的通風設備通常在“新鮮空氣”入口接口處配有空氣過濾器。雖然更復雜的過濾器，例如活性炭過濾器、聚合泡沫過濾器、玻璃纖維過濾器和含有高錳酸鉀的生物穩定過濾器可提供高效的過濾，簡單的篩網或空氣過濾器通常都可滿足基本要求。此外，高效顆粒空氣(HEPA)過濾器亦可應用以清除空氣中0.3微米或更大的顆粒。此類過濾器的效能高達99.7％。在通風設備使用的空氣過濾器可以包括一種或更多類型的過濾材料和設計以便優化空氣清除空氣中不同類型的有害物質。
由于待排出的室內空氣通常都含有可以重新利用的熱能，通風設備的設計者已提出可以使用熱交換器以促使進出空內的氣流之間發生熱能傳遞以節省能源。美國專利US5,238,052、US4,874,042和US4,377,400對這種通風設備就已經作出了描述。這些設計利用熱交換器從一排出的氣流中回收熱能以減少排出空氣中熱能的浪費。這種能量回收不僅有利于環境保護，亦會減少空氣調節器的負載，同時也降低了空氣調節器的操作和運行成本。
對于空氣冷卻系統來說，這設計的使用大致上是使進來的氣流在通過空氣調節器之前被排出的空氣冷卻。與此相類似，對于空氣加熱系統來說，出去的熱空氣就用來將室外空氣在其進入建筑物之前加熱。
綜觀以上，具有高效熱交換器和高效空氣過濾器的空氣調節器是為大眾所期待的。然而，根據觀察所得具備以上設計的現有空氣調節器的熱效率并不高，尤其是經長期使用以后。由此，同時具有較高熱效率和穩定性能及具有高效空氣過濾器的通風設備仍不可多得。
因此本發明的理想是提供一種同時具有高效空氣過濾器、較高熱效率和較低運行成本的通風設備，以使環境能夠得到保護，同時又令廢熱和能量成本降低。由于城市空間比較寶貴，因此提供一種結構輕巧的改良通風設備也是人們想得到的。為了易于維護，通風設備的重要部件，如熱交換器單元等，最好采用模塊設計。此外，盡管通風設備能夠作為獨立的單元使用時，但是改進的通風設備可以與空氣調節器合并在一起或與空氣調節器一起使用。
根據本發明，提供一種通風設備，該通風設備包括一個主外殼的，該主外殼包括第一和第二通風室，第一和第二氣流可分別沿著它們流動，所述通風設備包括分別用來輸送所述第一和第二氣流的第一和第二空氣輸送裝置，一個在所述第一和第二氣流之間提供熱交換但不將其混合的熱交換器，一個安裝在其中一個所述通風室的進氣端的空氣過濾器和一個與所述空氣過濾器串連并位于所述通風室內的附加的空氣輸送裝置。
所述第一和第二空氣輸送裝置優選分別安裝在所述第一和第二通風室內。
帶有所述空氣過濾器的所述通風室優選被用來將室外空氣吸入封閉的室內空間，而所述串聯的附加空氣輸送裝置提供附加的空氣吸入力量。
所述附加空氣輸送裝置優選安裝在所述第一通風室內并位于所述空氣過濾器和所述第一空氣輸送裝置之間。
所述空氣過濾器優選包括HEPA過濾器和活性炭過濾器的組合。
所述第一和第二空氣輸送裝置優選由一單獨的發動機驅動。
所述熱交換器優選安裝在所述空氣通道的空氣出口。
所述第一和第二空氣輸送裝置優選包括由一單獨的發動機驅動的離心式通風機。
所述附加空氣輸送裝置優選包括安裝在所述過濾器和所述熱交換器之間的旋轉式風扇。
所述熱交換器優選包括許多大體上平行堆積的熱交換半剛體金屬片，在所述半剛體金屬片上排列有許多大體上平行的導肋及相應的凹槽。
所述半剛體金屬片優選包括交替地安裝在所述金屬片側面的一對向上延伸的和一對向下延伸的側壁，相應金屬片的所述側壁連接在一起并封閉以在所述熱交換器內形成一個封閉的空氣通道。
所述導肋和凹槽優選通過緊壓所述半剛體金屬片而形成。
根據本發明的另一方面，提供一種包括一個主外殼的通風設備，所述主外殼包括第一和第二封閉的通風室，第一和第二氣流可分別沿著此第一和第二封閉的通風室流動，所述通風設備包括第一和第二空氣輸送裝置用來分別在第一和第二通風室分別輸送所述第一和第二氣流，一個在所述第一和第二氣流之間提供熱交換而不將這些氣流混合的熱交換器，一個安裝在所述第一通風室的空氣進氣端的空氣過濾器，一個與所述空氣過濾器串聯并安裝在所述第一通風室內的附加空氣輸送裝置，所述附加空氣輸送裝置安裝在所述空氣過濾器與所述第一空氣輸送裝置之間。
根據本發明的另一方面，提供一種包括通風設備的空氣調節器，所述通風設備包括一個主外殼，在此主外殼之內安裝有用來沿著第一和第二空氣通道分別輸送所述第一和第二氣流的一個第一和一個第二空氣輸送裝置，一個在所述第一和第二氣流之間提供熱交換而不將這些氣流混合的熱交換器，一個安裝在一個所述空氣通道的空氣進氣端的空氣過濾器，和一個安裝在所述空氣通道內并與所述空氣過濾器串聯的附加空氣輸送裝置。
根據本發明的另一方面，提供一種包括許多用于兩種氣流熱交換的半剛體金屬片的熱交換器，至少所述半剛體金屬片中的一些受到緊壓以形成用于支撐相鄰金屬片并調節空氣流動的導肋。所述半剛體金屬片優選大體上為正方形。
通風設備(1)裝有一個熱交換器(30)，熱交換器設有兩個相交但不混合的空氣通道。熱交換器(30)為進入空氣和出去空氣之間的熱能交換提供了裝置，從而使調節供給室內空間的空氣所需的全部能量得到減少。
通行的熱交換器包括板式、波紋板式、翅管式和管殼式等熱交換器。板式熱交換器一般不太復雜且更易于制造，因此出于解釋的需要在本優選實施例中采用該熱交換器。當然，其它適當類型的熱交換器做適當改進和改變后也可使用。進來和出去的氣流于熱交換器進行熱接觸以在室內空氣離開封閉空間和室外空氣進入封閉空間之前進行兩種氣流的熱能交換。
為了迫使兩種氣流的空氣運動以便提供新鮮空氣而排出不新鮮空氣，空氣通道內設有空氣輸送裝置。一般使用的空氣輸送裝置通常包括旋轉式葉輪、離心式通風機、鼓風機和螺旋槳等，當然也可使用其它裝置。在本實施例中，用于新鮮空氣通道的空氣輸送裝置(“第一空氣輸送裝置”)包括置于空氣過濾器(40)和熱交換器(30)之間的第一空氣通道(10)內的一個旋轉式葉輪或一個離心式通風機(11)。用于將室內空氣排到室外的空氣輸送裝置(“第二空氣輸送裝置”)包括置于熱交換器(30)和室內空氣吸入口(22)之間的類似的一個旋轉式葉輪或一個離心式通風機(21)。
在此實施例中，所述第一(11)和第二(21)空氣輸送裝置連接到一電動機的軸上以使兩個空氣輸送裝置(11、21)都由相同的發動機驅動，從而使結構簡單緊湊，同時也降低元件成本。
為了向封閉的空間提供優質空氣，本發明提供一種包括三層過濾單元的空氣過濾器。在此空氣過濾器中，前端是一篩網或網格過濾器以阻擋較大顆粒。第二過濾器層包括一個活性炭過濾器以除去氣味、氡氣和其它能夠被活性炭吸收的污染物。第三層包括一個高效顆粒空氣(HEPA)過濾器，這種已知過濾器能夠清除99.7％的空氣中尺寸為0.3微米或更大的顆粒。當然，“絕對”過濾器或其它化學吸收過濾器，特別是除活性炭之外的過濾器單元也可與以上各種過濾器單元結合、附加或替代使用。
在開發安裝有高熱效熱交換器和高效空氣過濾器的改進通風設備(1)的過程中，經反復揣摩注意到，如果通風設備使用了包括一單獨的置于新鮮空氣通道內的空氣過濾器和熱交換器之間的空氣輸送裝置的傳統結構的話，熱效率會隨著運行時間的增加而急速下降，而且通風設備的性能也很不穩定。
經進一步的研究和實驗發現，熱效率和性能穩定性的下降的主要原因至少是由于通過通風設備排出空氣的體積率與補充空氣的體積率的不平衡而造成的。當空氣過濾器由于長期使用而變得越來越阻塞的時候這種現象特別容易觀察到。
當空氣過濾器(40)受到阻塞或部分阻塞的時候，通過通風設備(1)離開封閉區域的空氣的體積率與吸入封閉區域的空氣的體積率之間出現不平衡。結果，在鄰近通風設備的封閉區域會產生一個壓力不足區域。此壓力不足區引致外部空氣不通過通風設備而是通過未封閉好的縫隙，如窗戶縫或門縫，進入封閉空間。由于外部空氣不經過熱交換而直接被吸入封閉空間且室內空氣未能理想地將剩余能量釋放給進來的外部空氣就從屋內離開，所以熱效率大打折扣。外部空氣的直接進入也意味著一些進來的空氣可不經過空氣過濾器而帶來一些另人討厭的有害物質。為了克服這種不利現象，一種可能的解決方法是增加新鮮通風室中空氣輸送裝置(11)的轉動速度以補償由于空氣過濾器阻塞而導致的新鮮空氣供應率的損失，以期在進出氣流之間得到一個氣流率的平衡。然而，轉動速度的增加通常引致較高的噪音水平，特別是尖聲噪音，而令設備不符合噪音要求而不為大眾所接受。
為解決以上問題，本發明提供了一種改進的結構，這種結構從本質上解決了與前面提到的原型結構有關的問題。
在此結合了改進的實施例中，在第一通風室(10)或新鮮空氣通道中安裝一個附加空氣輸送裝置(12)，以補償由于壓力不足而產生的不平衡。而這種壓力不足是由于過濾器阻塞而很難將外部空氣通過通風設備吸入封閉空間時產生的。此附加空氣輸送裝置是一連接到一電動機的離心式通風機，它提供額外的吸力來通過空氣過濾器(40)將空氣從外部吸入，然后將這些空氣向第一空氣輸送裝置(11)輸送。而第一空氣輸送裝置接著向熱交換器(30)輸送。由于壓力不足的問題現已從實質上解決，所以就無需一個高速吸入裝置來補償由于阻塞或部分阻塞而增加的負載。作為其結果，兩個空氣輸送裝置均能夠在800-1,200rmp的正常轉動速度范圍內運行，且在同時也保持了高熱效。
對于比較復雜的通風設備來說，附加空氣輸送裝置可由帶有監視這種不平衡的傳感器的微處理器來控制，以提供附加空氣輸送裝置與另一空氣輸送裝置協調地最佳運行。
在本實施例中，離心式通風機用作空氣輸送裝置使得空氣沿著兩個封閉的通風室流動且將空氣通過過濾器(40)從外部吸入。也可使用其它可參照的空氣輸送裝置，如螺旋槳、離心式通風機和旋轉式葉輪。本實施例使用的如圖5所示的優選空氣過濾器(40)包括一個多層過濾器單元，該多層過濾器單元由第一層篩網或網格過濾器(41)、第二層(42)活性炭過濾器和第三層(43)HEPA過濾器組成。第一過濾器層(41)用于過濾較大顆粒的污染物。活性炭的第二層(42)提供吸收氣味的的裝置同時也可包括化學吸收劑或象高錳酸鉀這樣的生物穩定劑。為了便于清潔、維護和拆換個別組成過濾器單元，優選過濾器(40)以模塊形式制造或組裝，以便在需要時能夠拆卸或替換每個個別組成過濾器單元或整個過濾器組合。模塊設計的使用使具有不同使用壽命的過濾器能夠在不同的時間間隔進行清潔和/或置換以使空氣很好地得到過濾。
現在來看能夠用在本優選實施例中的熱交換器的一個優選實施例，圖6所示的熱交換器單元(30)包括一個平行堆積的熱交換器單元(32)的組合，這些熱交換器單元通常為薄的金屬片、金屬板或金屬箔，如鋁片或鋁箔。優選薄金屬片或金屬箔是因為其高熱導率能提供較高的熱交換率且其低厚度提供高的熱敏度。這些特征共同提供高的熱效率。熱交換器單元(32)以平行導肋(32)的形式預先形成，它帶有間隔，且這些導肋沿著該單元的寬度分布。因為薄金屬片，特別是用鋁或鋁合金制造的金屬片大致都是半剛性的，所以這些導肋可用緊壓而成型。在突出導肋形成的同時，在這些導肋的另一側就形成了相應的凹槽，從而就為熱交換器(30)的給定體積提供了最大空氣流動空間。一般提供間隔是為了隔開和支撐相鄰的單元或金屬片，并且同時保持相鄰單元之間的隔離以便為空氣通道形成一個副通道。
每個熱單元(31)大體上是正方形的，相對的兩端以大約90。向上彎曲形成一對相對的從這兩端向上延伸的壁。剩余相對的兩端以大約90。向下彎曲形成另外一對以與另外一對相反方向延伸的相對的壁。熱交換器(30)通過將金屬片單元(31)堆積在一起然后密封并連接相鄰而連續的壁而形成。熱交換器片以如下方式堆積向下延伸的邊的底邊與位置較低的熱交換器片單元的向上延伸的邊對齊，以使向下延伸的邊與下一個位置較低的單元的向上延伸的對齊并接觸，反之亦然。
通過將相鄰的向下和向上延伸的壁沿著兩條相對邊進行密封和連接，就形成了封閉的空氣通道，該通道具有圖6所示的在金屬片相對的面上的空氣入口和空氣出口，且密封的邊限定該封閉空氣通道的側橫斷界線。通過以上述交替方式堆積金屬片，就形成了具有大體上垂直方向的空氣通道，在這種交替方式中，相鄰單元上的導肋朝著大體上垂直的方向延伸。
圖7表明了一個熱交換器(301)的又一個優選實施例，該熱交換器可用于本通風設備(1)，也可與本通風設備(1)一起使用。與圖6實施例相類似，該熱交換器(301)也是由薄金屬片或金屬板(301)的堆積組裝而成。金屬片(301)中的每個都包括沿著金屬板的邊緣分布的一對脊(321)，由此就限定了在相鄰的熱交換片之間形成的空氣通道的界線。為了通過限定的通道來分散氣流，在金屬板(301)的至少一個表面形成有許多突出部分。
與上一個實施例相類似，不同方向的空氣通道可以通過交替地堆積相鄰的熱交換片而形成，這樣脊(321)就會大體上相互垂直。
在這些排列中，以不同方向流動的氣流可在不出現混合的情況下流過熱交換器。采用如圖6所示的交替結構平行地堆積許多形狀相同的金屬片，就會形成具有兩個分離的且交錯但不混合的氣流通道的熱交換器。進一步地，圖6中的多層結構能夠使氣流分成許多子通道來增加有效接觸面積，進而增加總的熱接觸面積，因此也提高了熱交換效率。
以熱交換器(30)的一個空氣通道入口連接到新鮮通風室(10)而另一空氣通道入口連接到排出通風室(20)的方式將熱交換器安裝在主外殼(2)之內，進來的新鮮空氣與出去的不新鮮空氣之間的熱交換就會不經過混合而進行。參看
圖1和圖2，熱交換之后的氣流將被引導到其分別指定的方向，即新鮮空氣被引導到封閉空間而不新鮮空氣被引導到封閉空間之外。
因為使用薄而輕的金屬片，如鋁或鋁合金來組合成熱交換器，熱交換器通常重量輕、結構簡單且能以低成本制造。而且因為其結構簡單，熱交換器在通風設備經過長期使用后也可以以低成本置換且比較容易。為了易于維護和簡單置換，整個熱交換器(30)制成可拆卸的模塊以使高的熱交換效率通過經常而定期地替換交換器單元而能夠得到保持。例如，熱交換器單元能夠組裝在一框架或罩內以使整個單元能夠被容易地拆卸或替換。而且，由于長期暴露在含有可導致在表面上的有害沉積的氣流的污染物而導致的性能的老化或表面條件的老化可以減少。
當一優選熱交換器的一個實施例在本實施例中解釋之后，就會理解其它適當形式的熱交換器在本發明中也可使用。例如，如果舉例用的熱交換器通過堆積許多大體上是矩形的金屬片而形成時，那幺對于本領域的技術人員來說，為達到大致相同的結果而使用不同形狀的或不同材料的金屬片是顯而易見的。概括來講，本發明對具有減少一般通風設備所具有的困難的裝置的、結合了高效空氣過濾器和熱交換器單元的改進的通風設備作了描述。
進一步講，盡管通過參考獨立通風設備對本發明作了描述，本發明也可合并到空氣調節器中以提高熱效率。例如，新鮮空氣在熱交換之后能夠被繼續傳遞到冷卻或加熱單元繼續調節。
至于包含一個附加的空氣輸送裝置輔助新鮮通風室內的空氣輸送裝置來解決前述問題，對轉動軸向著進來空氣方向排列的并位于鄰近空氣過濾器的離心式通風機作了描述。人們也會理解其它形式的空氣輸送裝置，包括螺旋槳或其它旋轉式風扇都可使用，該空氣輸送裝置可以位于沿著新鮮通風室的其它一些地方而且方向可以不同但不喪失一般性。進一步講，盡管通過參考上面所描述的優選實施例對本發明作了說明，但是，本領域的技術人員會理解到可以利用細微的修改和變化來實現本發明所公開的概念而不背離本發明的范圍和精神。
權利要求
1.一種包括一個主外殼的通風設備，所述主外殼包括第一和第二通風室，第一和第二氣流可分別沿著這兩個通風室流動，所述通風設備包括第一和第二空氣輸送裝置，用來分別輸送所述第一和第二氣流，一個熱交換器，用來在所述第一和第二氣流之間提供熱交換而不將它們混合，一個安裝在一個所述通風室的空氣進氣端的空氣過濾器，一個與上述空氣過濾器一起安裝在上述通風室內并與上述空氣過濾器相連的附加空氣輸送裝置。
2.根據權利要求1的通風設備，其特征在于所述第一和第二空氣輸送裝置分別安裝在所述通風室內。
3.根據權利要求1的通風設備，其特征在于具有所述空氣過濾器的所述通風室是用來將室外空氣吸入封閉的室內空間，而所述相連的附加空氣輸送裝置提供額外的空氣吸入力量。
4.根據權利要求1的通風設備，其特征在于所述附加空氣輸送裝置在所述第一通風室內并位于所述空氣過濾器和所述第一空氣輸送裝置之間。
5.根據權利要求1的通風設備，其特征在于所述空氣過濾器包括HEPA過濾器和活性炭過濾器的組合。
6.根據權利要求1的通風設備，其特征在于所述第一和第二空氣輸送裝置由一個單獨的發動機驅動。
7.根據權利要求1的通風設備，其特征在于所述熱交換器安裝在所述空氣通道的空氣出口。
8.根據權利要求1的通風設備，其特征在于所述第一和第二空氣輸送裝置包括由一單獨的發動機驅動的離心式通風機。
9.根據權利要求8的通風設備，其特征在于所述附加空氣輸送裝置包括一個安裝在所述過濾器和所述熱交換器之間的旋轉式風扇。
10.根據權利要求1的通風設備，其特征在于所述熱交換器包括許多大體上平行堆積的熱交換半剛體金屬片，在這些半剛體金屬片上有許多大體上平行的導肋和相應的凹槽。
11.根據權利要求10的通風設備，其特征在于所述半剛體金屬片包括一對向上延伸和一對向下延伸的交替地安裝在所述金屬片側面上的側壁，相應金屬片的所述側壁被連接和密封以在所述熱交換器內形成一個封閉的空氣通道。
12.根據權利要求10的通風設備，其特征在于所述導肋和凹槽是通過緊壓所述半剛體金屬片而形成的。
13.一種包括一個主外殼的通風設備，所述主外殼包括一個第一和一個第二封閉的通風室，第一和第二氣流可分別沿著這兩個通風室流動，所述通風設備包括一個第一和一個第二空氣輸送裝置，用來分別在所述第一和第二通風室內輸送所述第一和第二氣流，一個熱交換器，用來在所述第一和第二氣流之間提供熱交換裝置而不將它們混合，一個安裝在一個所述通風室的空氣進氣端的空氣過濾器，一個與上述空氣過濾器一起安裝在上述第一通風室內并與上述空氣過濾器相連的附加空氣輸送裝置所述附加空氣輸送裝置安裝在所述空氣過濾器和所述第一空氣輸送裝置之間。
14.一種包括一通風設備的空氣調節器，所述空氣調節器包括一個主外殼，在此主外殼之內裝有一個第一和一個第二空氣輸送裝置，用來分別沿著第一和第二空氣通道輸送所述第一和第二氣流；一個熱交換器，用來在所述第一和第二氣流之間提供熱交換而不將它們混合；一個安裝在一個所述空氣通道的空氣進氣端的空氣過濾器；和一個與上述空氣過濾器一起安裝在上述空氣通道內并與上述空氣過濾器相連的附加空氣輸送裝置。
15.一個包括許多用于兩種氣流之間熱交換的半剛體金屬板的熱交換器，其特征在于所述半剛體金屬板的至少一部分被緊壓以形成導肋來支撐一個相鄰的金屬板并調整氣流。
16.根據權利要求15的熱交換器，其特征在于半剛體金屬板大體上是正方形的。
17.根據權利要求15的熱交換器，其特征在于半剛體金屬板是大體上是正方形的鋁片。
全文摘要
一種緊湊的帶有高效熱交換器和空氣過濾器的通風設備，其中熱交換器采用平行堆積的有預制空間的薄金屬板的重量輕的組件。所述高效空氣過濾器包括過濾器單元的結合，這些過濾器單元包括篩網網格、一個活性炭層和一個HEPA過濾器。此通風設備可作為空氣調節器的部件而置入或作為單獨的單元為普通空氣調節器提供額外的空氣循環來改善室內空氣質量。考慮到易于定期維護和置換，熱交換器及過濾器單元最好以組件式設計。
文檔編號F24F12/00GK1409061SQ02103130
公開日2003年4月9日 申請日期2002年1月31日 優先權日2001年9月20日
發明者楊渠旺 申請人:楊渠旺