專利名稱：超高效即時可用熱水器的制作方法
技術領域：
本發明涉及到一種燃氣熱水器和一種用于上述燃氣熱水器的熱交換器。
典型的市場銷售的家用輕型商業燃氣熱水器都包含一個起儲水、熱水作用的水箱，一個由恒溫器控制的燃燒器，恒溫器可盡可能地將水溫保持在一個設定的溫度上。制造商們為了改善這些用具的效率所采取的節能措施的范例包括對水箱采用更有效的熱絕緣措施和對燃燒器采用電子點火裝置。但是，這種熱水器的基本概念在美國幾乎沒有根本性的改變它仍然包括一個用于儲水、把水加熱后備用的水箱。
從節能的角度看，即時可用燒氣熱水器將會有顯著的改進，如果它不再包含這種向周圍環境浪費性地散熱的水箱的話。但是，對于可用于商業目的的這種類型的用具的一個必要條件是，在考慮其改善效率的同時，必須以一種在市場上具有合理競爭性的價格來生產它們。另外一個要求是，它所占據的空間不能比現有的具有相同熱水供應速度的熱水器所占據的空間大很多，最好是能夠占據更小時空間。
在對本發明進行新穎性檢索時發現了下列專利，它們是美國專利4，909，191;1，582，230;4，453，496;4，867，106;4，401，058;4，366，778;4，096，616;4，825，813和2，537，984號。
美國第4，453，496和4，825，813號專利描述了一種叫做“一次通過”型的煮水器。這種煮水器包含一個直立的圓柱形封閉體，封閉體內有一個熱交換器，熱交換器由一個下環形復式接頭、一個上環形復式接頭和一些按圓周方式排列在兩個復式接頭之間并將它們連接起來的管子組成。冷水從一個復式接頭輸入，經過管子到達另一個復式接頭，并從后一個復式接頭排出。一個氣體燃燒器安裝在下復式接頭的中央，燃燒后被加熱的廢氣經過上述管子的外部，將經過管子的水加熱。為了改善熱交換效率，在管子的外部帶有翅片。
在管子的外部鑲上彼此疊放的翅片，這種一般性思路并不新奇。這一思路已在美國2，537，984中提出。
美國4，909，191號專利公開了一種帶有熱交換器的熱水器，其中的熱交換器在某些方面與上述美國4，453，496和4，825，813號專利中提出的相似。位于熱交換器的復式接頭之間的每根管子實際上都是彼此套裝的兩根管子，其中一根用來輸送“衛生”水，另一根用來輸送“輻射”水。熱交換器被一圓柱形圍壁封閉住，該圓柱形圍壁與熱水器的殼體之間留有一定空隙，從而在熱交換器的外圍形成一個環柱形空間。燃燒氣體在到達氣體燃燒器之前從這個空間流過。非常有趣的是，燃燒器被安裝在上復式接頭的中央。
美國1，582，230;4，401，058和4，366，778號專利提出了帶有相似熱交換器的其他熱水器。
美國4，096，616號專利公開了一種包含同軸管子的熱交換器，同軸管子上帶有翅片。美國4，867，106號專利公布了一種熱水器，其中的燃燒氣體是流過一條螺旋形的通道，該通道是通過在一根管子內裝入螺旋形嵌入物形成的。
本發明的目的是提供一種新穎獨特的即時可用燃氣熱水器，該熱水器體積較小并具有超高熱效率，而且在保證獲得由于本發明改善的熱能效率而達到的節能效果的同時，可采用現有技術以足可與現有同類用具競爭的價格進行生產。
為了達到本發明的上述目的，在此提出一種燃氣熱水器，它包括一個圓筒形殼體，其中裝有一套熱交換結構;
一沿殼體橫截面安裝在殼體上端的第一平板;
一片沿殼體橫截面安裝在殼體下端的第二平板;
一個第一復式接頭，該接頭與殼體的上端之間留有一定的空隙，從而相對于殼體形成一個第一空間和一根流入管，該管有一圓環形空間，流體就從這一空間輸入;
一根將第一空間和大氣連通的排氣管;
一個裝在殼體下部的第二復式接頭，它帶有一個環形空間和一出口管;
一個與殼體同軸但直徑較小的圓柱形圍筒，其兩端分別固定在第一、第二平板上;
一片沿橫截面安裝在上述圍筒內的第三平板，該平板與上述第二平板形成一個第二空間。
一組彼此留有一定間距、安裝在同一圓周上彼此相互平行的第一管，它們的一端固定在第一平板上以便同第一空間連通，另一端固定在第三平板上以便同第二空間連通;
一組從第一管內部穿過的第二管，它們彼此相通并與上述第一、第二復式接頭中的空間連通;
一根與上述圍筒同軸處于上述一組第一管中間位置的第三管，該管的一端固定在第一平板上，另一端是開口的并處于尚未到達第三板的位置;
一向第一復式接頭輸送流體的裝置，以便使流體可以通過第二管，流過一定空間后從第一復式接頭到達第二復式接頭;
一個裝在第二空間內可對流入第二管的流體加熱的燃燒器;和一向第二空間輸送空氣的裝置，在第二空間中被加熱后的空氣流經第一管后進入第一空間。
采用本發明原理的裝置充分適合以各種型號進行批量生產。
在對以下實施例的詳細說明中，將會看到本發明的杰出特點和許多特性，該實施例是用于實現本發明的最佳形式。
參照附圖對一實施例加以詳細描述后，就會更清晰地看出本發明的上述目的和其他優點。
附圖中
圖1是采用本發明原理的熱水器的縱向截面視圖。
圖2是沿圖1中2-2線所取的橫截面視圖。
圖3是熱交換器的一部分的縱截面視圖。
圖4是沿圖3中4-4線所取的橫截面視圖，它表示出圖示中第一管子的一種實施例。
圖5是沿圖3中4-4線所取的橫截面視圖，它表示出圖示中第一管子的另一種實施例。
圖6是圖1所示熱水器的另一個縱截面視圖，用來表示熱水器的工作過程。
圖1是采用本發明原理的一個熱水器實施例的縱截面視圖，圖2是沿圖1中2-2線所取的橫截面視圖，但是為了清楚起見在圖2中省去了某些部分。
這些圖紙表示出按本發明制造的一個熱水器。參見圖1和圖2，熱水器包含一個圓柱形殼體12，殼體的頂部帶有一個冷水復式接頭14，靠近底部帶有一個熱水復式接頭16。一組圓管18沿一個以熱水器10的主縱軸線20為圓心的圓周均勻排列，它們都連接在復式接頭14和16之間并與軸線20平行。每根圓管18上的特定部分都重疊地鑲有翅片件22，詳見圖3和圖4。每一根第二管18和其上的翅片件22組成一個分組件，并被同軸地安裝在相應的較大的第一圓管24中。第二管18、翅片22和第一種管24的組合構成了熱交換器的基本結構，這些基本結構被安裝在以軸20為軸線的同心圓周上。由這種熱交換器基本結構與另外的結構(如復式接頭14和16)相組合，就構成了熱交換器結構，后面還要描述這些結構。
復式接頭14和16的構成是相似的，因為它們都包含一個大體上為圓柱形的主體，主體內部有一個相應的復式接頭圓環空間26和28。第二管18的上端安裝后，都與復式接頭空間26相通，它們的下端都與復式接頭空間28相通。一根帶有彎頭的冷水輸入管30通過復式接頭的一個表面進入復式接頭空間26，這個表面與第二管18所進入的表面的位置相反。
一根也帶有一個彎頭的熱水輸出管32通過復式接頭的一個表面接入復式接頭空間28，這一表面與第二管18所進入的表面的位置相反。使用熱水器時，冷水通過輸入管30進入復式接頭空間26，并分布到整個復式接頭中。然后，水就通過每根第二管18的彼此平行的通道(在這里水被加熱，加熱方式還要在后文中加以描述)輸送到復式接頭空間28中，從這里這些水變成熱水后，經過輸出管32排出熱水器。
在管32下方，位于熱水器最底部的位置，有一流量控制閥34用于控制通往燃燒器36的燃氣流量，該燃燒器安裝在復式接頭16的上表面并與軸線20重合。一裝在閥34和復式接頭之間的燃氣輸入管件38從一供氣源(沒有表示出)接受燃氣并輸送到流量控制閥34。一個帶有氣體輸出通道41的燃氣輸出管件40將流量控制閥的輸出端與燃燒器的輸入端連通。
燃燒器36包含一段短的第四管42，該管裝在第二平板44上，并向上豎起，平板44裝在復式接頭16的上表面上。第四管42向軸線與軸線20重合，其上端開放著。在第二平板44上有一圓孔46，燃氣通過這個孔從控制閥34進入第四管42的內部。
第四管42被一個火焰穩定器48包住，該穩定器呈一較大的管狀，并裝在第二平板44上，向上豎起，以軸線20為其軸線。火焰穩定器的上端是封閉的，但在其側圓柱表面上開有規則排列的通孔。一個點火器51被裝在燃燒器中靠近火焰穩定器48外側底部的位置。
第二平板44的上部還裝有一個向上豎起，與殼體12同軸但直徑略小于殼體12的圓柱形圍筒52。圍筒52的高度幾乎與殼體12的高度相同，因而兩者共同在殼體的內部形成一個環狀空間54。靠近殼體12頂部的位置上開有規則排列的通孔56，形成空氣輸入通道，周圍環境中的空氣通過這些通孔進入熱水器10。圍壁52上靠近底部的位置開有規則排列的通孔58，其位置在第三圓形平板60之下，該平板被裝在圍筒52中與軸線20垂直并且與第一管24的下端處于同一水平面的位置上。第三平板60被固定在圍筒52的內部，其中央部位開有圓孔62，并開有一些規則排列的圓孔，第一管24的下端就裝在這些孔內。因此，通孔58位于圍筒52上沿軸向介于第二平板44和第三平板60之間的部分，圍筒的這一部分與上述這兩塊平板形成了一個燃燒空間64。管18穿過第一管24后繼續向下延伸的部分穿過這一燃燒空間與復式接頭16相連，并在這一過程中穿過第二平板44上的通孔。
還有一塊圓形第一平板66沿橫截面方向安裝在殼體12內部靠近頂端的位置。板66上開有規則排列的圓孔用于安裝第一管24的上端。第二管18穿過第一管24后繼續向上延伸的部分要通過一個圓柱形空間68，該空間位于第一平板66以上復式接頭14以下的位置。一段短排氣管70通過復式接頭的開放中央部位，將通風筒空間68與一個廢氣管(沒有表示出)接通，該廢氣管固定在排氣管70的上端。第三管72以軸20為軸線，從第一板66向下延伸，并相對于每根第一管24徑向朝里的表面保留一定的距離。第三管72向下延伸的長度相當于第一管24大部分的長度，但是其終止位置還沒有到達第三平板60。盡管第三管72的下端是開放的，但是因為其上端被第一平板66的中心部分封閉住，所以該管沒有構成一根貫通管路。第三管72與圍筒52相結合，形成一個圓環柱形空間74，從第一平板66延伸下來的第一管24的大部分長度就裝置在這個空間中。在圍筒52的上部開有規則排列的通孔75，使得空間74的上端與空間54的上端相互溝通。通過這種方式，空間74為燃燒空氣提供出一條與穿過空間54的通道相互平行的通道。
圖3和圖4詳細表示出翅片件22及其與管組18和24之間的關系。每片翅片件都是圓形并包含一個帶有凸緣78的中央圓孔76。翅片件彼此重疊地安裝在管18上，凸緣的作用之一是使翅片靜配合地裝在管子上，作用之二是為兩片緊鄰的翅片提供一個接合點。通過這種方式，所有翅片的橫向伸展部分都準確地沿軸向等間距地安裝在管18的長度方向上，而且翅片組件與管子之間具有良好的熱傳遞關系。在翅片件的橫向伸展部分上開有一些通孔80。圖4中所示通孔80是圓形的，而且通孔的形式都是統一的。圖5所示的通孔形式是一種可供選擇的結構，其中的通孔在翅片的周邊上開出了相應數目的切口。
將翅片件重疊裝到管件上時，可以將它們(的外緣)安排在同一圓周(柱面)上，也可選擇將它們(的外緣)安排在交錯的圓周上。
彼此交錯的安裝方法與彼此一致的安裝方法相比，將產生更為彎轉的通路。
上文說明了熱水器10的構造，現在將描述它的工作過程。讀者可以借助圖6，該圖借助箭頭表示出熱氣的流向。當需要熱水時，將流量控制閥34適量開啟，使相應的燃氣流向燃燒器36。操縱點火器將充滿在燃燒器36周圍燃燒空間64中的空氣和燃氣的混合氣體點燃。這種燃氣、空氣混合氣體由來自燃燒器的燃氣和空氣組成，空氣是通過通孔56，經過空間54和74所形成的平形氣流通道向下流動后進入熱水器的。通過空間54的空氣流橫向穿過通孔58，大體上沿徑向向里的方向進入空間64。流過空間74的空氣流，通過孔62，大體上沿軸向向下的方向進入空間64。被加熱后的燃燒廢氣進入第一管24，經過翅片件22上的通孔80向上流動。這些廢氣從第一管24中流出后，進入空間68，然后經排氣管70從熱水器10中排出。
在熱氣通過第一管24向上流動的同時，冷水也在通過第二管18向下流動，這種由兩種流體進行的同軸反向對流，會產生從熱氣到冷水的高效率的熱傳遞。其結果是，當水經過第二管18完成向下流動過程后，就已被加熱到預定的溫度。
控制系統包括一些適合于測量各種與水流有關的指標的傳感器和可對上述傳感器迅速做出響應的電子控制元件，這些元件用于調節流量控制閥34，從而調節輸入燃燒器36的能量，最終使通過輸出管32輸出的熱水達到預定的溫度。
這樣，就提供出一種體積較小、非常適用于家庭商業和工業用途的即時可用超高效熱水器。但是，應該說明的是，本專利申請文件所公開的熱水器和熱交換裝置，在不聯合使用任何專門控制系統的情況下，本身就可單獨使用。
上述熱水器中有不止一個結構特點有助于提高其熱效率。當然，其中之一就是已詳細說明過的熱交換結構。另一個是空氣通道結構，周圍環境中的空氣(如室內空氣)經過這一空氣通道進入熱水器10中，然后沿軸向向下流動，在這一過程中還要流經熱交換結構;這一過程中在對燃燒空氣產生一定的同流熱交換預熱作用的同時，空間54這樣的通道還可成為一種防止熱能透過殼體12的側壁損耗掉的熱屏蔽層。再有的另一個結構特點是燃燒室空間和燃燒器的配置方式，特別是將燃氣與空氣混合并在燃燒室中進行燃燒，然后通過熱交換器最后被排出這一整個過程所采取的方式。
在本熱水器的生產過程中，使用的是傳統材料，例如，在熱交換結構中使用了不銹鋼。同時還采用了傳統的各種結構件，例如在各個連接處使用了適當的密封和固定結構。同樣，還采用了傳統的工程計算方法來確定各個零件的體積和尺寸細節以便獲得本熱水器的預期性能。;在管70上連接使用一臺泵可有利于燃燒空氣和熱氣在熱水器中流通。
至此，前文中描述出一種本發明的現行實施例，但是，在不脫離本發明基本原理的情況下，可對本實施例做一些改型。例如，第二管18可以設計成帶有螺旋結構的管子，在這種情況下，熱能效率將得到改善。
權利要求
1.一種燃氣熱水器，它包括一個圓筒狀殼體；一塊沿橫截面安裝在殼體上端的第一平板；一塊沿橫截面安裝在殼體下端的第二平板；一個第一復式接頭，該接頭與殼體的上端之間留有一定間隔，從而相對于殼體形成了一個第一空間和一個流入管，該流入管帶有一個環形空間，流體就從這一空間輸入；一根將第一空間和大氣連通的排氣管；一個裝在殼體下部的第二復式接頭，該接頭帶有一個環形空間和一個出口管；一塊水平穿過殼體的第三平板，該平板與上述第二平板形成了一個第二空間；一組彼此留有一定間距，它裝在同一圓周上互相平行的第一管，它們的一端固定在上述第一平板上以便與第一空間溝通，另一端固定在上述第三平板上以便與第二空間連通；一組從第一管子內部穿過的第二管，它們彼此相通并與上述第一、第二復式接頭中的空間連通；一根位于所述多根第二管圍成的圓周內部且與所述圓筒狀殼體同心的第三管，該管的一端固定在第一平板上，另一端是開口的并處于尚未到達第三平板的位置；一向第一復式接頭輸送流體的裝置，以便使流體可以通過第二管，從第一復式接頭流過一定空間到達第二復式接頭；安裝在第二空間內，以便對流經第二管的流體加熱的燃燒器；一用于向第二空間輸送空氣的裝置，在第二空間中被加熱后的空氣流經第一管后進入第一空間，從而使流過第二管的水被加熱。
2.一種如權利要求1中所述的燃氣熱水器，其中的空氣輸送裝置包括一個與圓筒形殼體之間留有一定間隔并與其同心的圓筒形圍筒，該圍筒的兩端分別固定在第一和第二塊平板上，在上述殼體及圍壁上靠近上述第一空間上述第一管的上部的部位，分別開一些孔，還要在上述圍筒位于上述第二空間中的部位上開一些孔。
3.一種如權利要求1中所述的燃氣熱水器，其中要通過在上述第三平板上開通的用于與第三管連通的孔，將在第二空間中加熱過的空氣輸送到第三管中。
4.一種如權利要求1中所述的燃氣熱水器，其中，所述的第二管呈螺旋狀。
5.一種如權利要求1中所述的燃氣熱水器，其中還包括一些圓環形翅片，這些翅片被重疊地安裝在上述第二管的外圓周上，翅片橫切來自第二空間的被加熱空氣的流動方向設置。
6.一種如權利要求5中所述的燃氣熱水器，其中，所述的翅片上帶有通道，被加熱的空氣可從這些通道流過。
7.一種如權利要求6中所述的燃氣熱水器，其中，上述通道是通過在上述翅片上開一些通孔而形成的。
8.一種如權利要求6中所述的燃氣熱水器，其中，所述通道是通過在上述翅片的周邊開出朝著裝在第二管上的翅片中央部分凹進的切口形成的。
9.一種如權利要求1中所述的燃氣熱水器，其中，所述燃燒器包含一個火焰穩定器，該穩定器是一個一頭開口一頭封閉的圓筒，圓筒的筒壁上開有用于與所述第二空間連通的通孔，其開口端固定在上述第二平板上，燃燒器還包括一種用于通過上述第二平板上開出的通孔向上述第二空間輸送燃燒空氣的裝置，在第二平板上還開有與火焰穩定器相連通的孔。
10.一種如權利要求9中所述的燃氣熱水器，其中還包括一根第四圓管，該管的長度小于上述火焰穩定器的長度，并在上述火焰穩定器中被固定在第二平板上。
全文摘要
一種熱能效率得到改善的燃氣熱水器，其中包括一組第二管，液體通過這些管輸入殼體12，還包括一組將第二管18包住的第一管24，以及一個將所有第一管24包容的圓筒狀圍筒52。需特別注意的是，在第二管18的外圓周上裝有一組翅片22。這種結構將熱空氣送入第一管24中，而且還在第一管18周圍形成象圍筒52和殼體12這樣的絕熱層。
文檔編號F24H1/22GK1113562SQ9410550
公開日1995年12月20日 申請日期1994年5月13日 優先權日1994年5月13日
發明者戈登·W·芬恩 申請人:尖端公司