专利名称：超高效即时可用热水器的制作方法
技术领域：
本发明涉及到一种燃气热水器和一种用于上述燃气热水器的热交换器。
典型的市场销售的家用轻型商业燃气热水器都包含一个起储水、热水作用的水箱，一个由恒温器控制的燃烧器，恒温器可尽可能地将水温保持在一个设定的温度上。制造商们为了改善这些用具的效率所采取的节能措施的范例包括对水箱采用更有效的热绝缘措施和对燃烧器采用电子点火装置。但是，这种热水器的基本概念在美国几乎没有根本性的改变它仍然包括一个用于储水、把水加热后备用的水箱。
从节能的角度看，即时可用烧气热水器将会有显著的改进，如果它不再包含这种向周围环境浪费性地散热的水箱的话。但是，对于可用于商业目的的这种类型的用具的一个必要条件是，在考虑其改善效率的同时，必须以一种在市场上具有合理竞争性的价格来生产它们。另外一个要求是，它所占据的空间不能比现有的具有相同热水供应速度的热水器所占据的空间大很多，最好是能够占据更小时空间。
在对本发明进行新颖性检索时发现了下列专利，它们是美国专利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号。
美国第4，453，496和4，825，813号专利描述了一种叫做“一次通过”型的煮水器。这种煮水器包含一个直立的圆柱形封闭体，封闭体内有一个热交换器，热交换器由一个下环形复式接头、一个上环形复式接头和一些按圆周方式排列在两个复式接头之间并将它们连接起来的管子组成。冷水从一个复式接头输入，经过管子到达另一个复式接头，并从后一个复式接头排出。一个气体燃烧器安装在下复式接头的中央，燃烧后被加热的废气经过上述管子的外部，将经过管子的水加热。为了改善热交换效率，在管子的外部带有翅片。
在管子的外部镶上彼此叠放的翅片，这种一般性思路并不新奇。这一思路已在美国2，537，984中提出。
美国4，909，191号专利公开了一种带有热交换器的热水器，其中的热交换器在某些方面与上述美国4，453，496和4，825，813号专利中提出的相似。位于热交换器的复式接头之间的每根管子实际上都是彼此套装的两根管子，其中一根用来输送“卫生”水，另一根用来输送“辐射”水。热交换器被一圆柱形围壁封闭住，该圆柱形围壁与热水器的壳体之间留有一定空隙，从而在热交换器的外围形成一个环柱形空间。燃烧气体在到达气体燃烧器之前从这个空间流过。非常有趣的是，燃烧器被安装在上复式接头的中央。
美国1，582，230;4，401，058和4，366，778号专利提出了带有相似热交换器的其他热水器。
美国4，096，616号专利公开了一种包含同轴管子的热交换器，同轴管子上带有翅片。美国4，867，106号专利公布了一种热水器，其中的燃烧气体是流过一条螺旋形的通道，该通道是通过在一根管子内装入螺旋形嵌入物形成的。
本发明的目的是提供一种新颖独特的即时可用燃气热水器，该热水器体积较小并具有超高热效率，而且在保证获得由于本发明改善的热能效率而达到的节能效果的同时，可采用现有技术以足可与现有同类用具竞争的价格进行生产。
为了达到本发明的上述目的，在此提出一种燃气热水器，它包括一个圆筒形壳体，其中装有一套热交换结构;
一沿壳体横截面安装在壳体上端的第一平板;
一片沿壳体横截面安装在壳体下端的第二平板;
一个第一复式接头，该接头与壳体的上端之间留有一定的空隙，从而相对于壳体形成一个第一空间和一根流入管，该管有一圆环形空间，流体就从这一空间输入;
一根将第一空间和大气连通的排气管;
一个装在壳体下部的第二复式接头，它带有一个环形空间和一出口管;
一个与壳体同轴但直径较小的圆柱形围筒，其两端分别固定在第一、第二平板上;
一片沿横截面安装在上述围筒内的第三平板，该平板与上述第二平板形成一个第二空间。
一组彼此留有一定间距、安装在同一圆周上彼此相互平行的第一管，它们的一端固定在第一平板上以便同第一空间连通，另一端固定在第三平板上以便同第二空间连通;
一组从第一管内部穿过的第二管，它们彼此相通并与上述第一、第二复式接头中的空间连通;
一根与上述围筒同轴处于上述一组第一管中间位置的第三管，该管的一端固定在第一平板上，另一端是开口的并处于尚未到达第三板的位置;
一向第一复式接头输送流体的装置，以便使流体可以通过第二管，流过一定空间后从第一复式接头到达第二复式接头;
一个装在第二空间内可对流入第二管的流体加热的燃烧器;和一向第二空间输送空气的装置，在第二空间中被加热后的空气流经第一管后进入第一空间。
采用本发明原理的装置充分适合以各种型号进行批量生产。
在对以下实施例的详细说明中，将会看到本发明的杰出特点和许多特性，该实施例是用于实现本发明的最佳形式。
参照附图对一实施例加以详细描述后，就会更清晰地看出本发明的上述目的和其他优点。
附图中
图1是采用本发明原理的热水器的纵向截面视图。
图2是沿图1中2-2线所取的横截面视图。
图3是热交换器的一部分的纵截面视图。
图4是沿图3中4-4线所取的横截面视图，它表示出图示中第一管子的一种实施例。
图5是沿图3中4-4线所取的横截面视图，它表示出图示中第一管子的另一种实施例。
图6是图1所示热水器的另一个纵截面视图，用来表示热水器的工作过程。
图1是采用本发明原理的一个热水器实施例的纵截面视图，图2是沿图1中2-2线所取的横截面视图，但是为了清楚起见在图2中省去了某些部分。
这些图纸表示出按本发明制造的一个热水器。参见图1和图2，热水器包含一个圆柱形壳体12，壳体的顶部带有一个冷水复式接头14，靠近底部带有一个热水复式接头16。一组圆管18沿一个以热水器10的主纵轴线20为圆心的圆周均匀排列，它们都连接在复式接头14和16之间并与轴线20平行。每根圆管18上的特定部分都重叠地镶有翅片件22，详见图3和图4。每一根第二管18和其上的翅片件22组成一个分组件，并被同轴地安装在相应的较大的第一圆管24中。第二管18、翅片22和第一种管24的组合构成了热交换器的基本结构，这些基本结构被安装在以轴20为轴线的同心圆周上。由这种热交换器基本结构与另外的结构(如复式接头14和16)相组合，就构成了热交换器结构，后面还要描述这些结构。
复式接头14和16的构成是相似的，因为它们都包含一个大体上为圆柱形的主体，主体内部有一个相应的复式接头圆环空间26和28。第二管18的上端安装后，都与复式接头空间26相通，它们的下端都与复式接头空间28相通。一根带有弯头的冷水输入管30通过复式接头的一个表面进入复式接头空间26，这个表面与第二管18所进入的表面的位置相反。
一根也带有一个弯头的热水输出管32通过复式接头的一个表面接入复式接头空间28，这一表面与第二管18所进入的表面的位置相反。使用热水器时，冷水通过输入管30进入复式接头空间26，并分布到整个复式接头中。然后，水就通过每根第二管18的彼此平行的通道(在这里水被加热，加热方式还要在后文中加以描述)输送到复式接头空间28中，从这里这些水变成热水后，经过输出管32排出热水器。
在管32下方，位于热水器最底部的位置，有一流量控制阀34用于控制通往燃烧器36的燃气流量，该燃烧器安装在复式接头16的上表面并与轴线20重合。一装在阀34和复式接头之间的燃气输入管件38从一供气源(没有表示出)接受燃气并输送到流量控制阀34。一个带有气体输出通道41的燃气输出管件40将流量控制阀的输出端与燃烧器的输入端连通。
燃烧器36包含一段短的第四管42，该管装在第二平板44上，并向上竖起，平板44装在复式接头16的上表面上。第四管42向轴线与轴线20重合，其上端开放着。在第二平板44上有一圆孔46，燃气通过这个孔从控制阀34进入第四管42的内部。
第四管42被一个火焰稳定器48包住，该稳定器呈一较大的管状，并装在第二平板44上，向上竖起，以轴线20为其轴线。火焰稳定器的上端是封闭的，但在其侧圆柱表面上开有规则排列的通孔。一个点火器51被装在燃烧器中靠近火焰稳定器48外侧底部的位置。
第二平板44的上部还装有一个向上竖起，与壳体12同轴但直径略小于壳体12的圆柱形围筒52。围筒52的高度几乎与壳体12的高度相同，因而两者共同在壳体的内部形成一个环状空间54。靠近壳体12顶部的位置上开有规则排列的通孔56，形成空气输入通道，周围环境中的空气通过这些通孔进入热水器10。围壁52上靠近底部的位置开有规则排列的通孔58，其位置在第三圆形平板60之下，该平板被装在围筒52中与轴线20垂直并且与第一管24的下端处于同一水平面的位置上。第三平板60被固定在围筒52的内部，其中央部位开有圆孔62，并开有一些规则排列的圆孔，第一管24的下端就装在这些孔内。因此，通孔58位于围筒52上沿轴向介于第二平板44和第三平板60之间的部分，围筒的这一部分与上述这两块平板形成了一个燃烧空间64。管18穿过第一管24后继续向下延伸的部分穿过这一燃烧空间与复式接头16相连，并在这一过程中穿过第二平板44上的通孔。
还有一块圆形第一平板66沿横截面方向安装在壳体12内部靠近顶端的位置。板66上开有规则排列的圆孔用于安装第一管24的上端。第二管18穿过第一管24后继续向上延伸的部分要通过一个圆柱形空间68，该空间位于第一平板66以上复式接头14以下的位置。一段短排气管70通过复式接头的开放中央部位，将通风筒空间68与一个废气管(没有表示出)接通，该废气管固定在排气管70的上端。第三管72以轴20为轴线，从第一板66向下延伸，并相对于每根第一管24径向朝里的表面保留一定的距离。第三管72向下延伸的长度相当于第一管24大部分的长度，但是其终止位置还没有到达第三平板60。尽管第三管72的下端是开放的，但是因为其上端被第一平板66的中心部分封闭住，所以该管没有构成一根贯通管路。第三管72与围筒52相结合，形成一个圆环柱形空间74，从第一平板66延伸下来的第一管24的大部分长度就装置在这个空间中。在围筒52的上部开有规则排列的通孔75，使得空间74的上端与空间54的上端相互沟通。通过这种方式，空间74为燃烧空气提供出一条与穿过空间54的通道相互平行的通道。
图3和图4详细表示出翅片件22及其与管组18和24之间的关系。每片翅片件都是圆形并包含一个带有凸缘78的中央圆孔76。翅片件彼此重叠地安装在管18上，凸缘的作用之一是使翅片静配合地装在管子上，作用之二是为两片紧邻的翅片提供一个接合点。通过这种方式，所有翅片的横向伸展部分都准确地沿轴向等间距地安装在管18的长度方向上，而且翅片组件与管子之间具有良好的热传递关系。在翅片件的横向伸展部分上开有一些通孔80。图4中所示通孔80是圆形的，而且通孔的形式都是统一的。图5所示的通孔形式是一种可供选择的结构，其中的通孔在翅片的周边上开出了相应数目的切口。
将翅片件重叠装到管件上时，可以将它们(的外缘)安排在同一圆周(柱面)上，也可选择将它们(的外缘)安排在交错的圆周上。
彼此交错的安装方法与彼此一致的安装方法相比，将产生更为弯转的通路。
上文说明了热水器10的构造，现在将描述它的工作过程。读者可以借助图6，该图借助箭头表示出热气的流向。当需要热水时，将流量控制阀34适量开启，使相应的燃气流向燃烧器36。操纵点火器将充满在燃烧器36周围燃烧空间64中的空气和燃气的混合气体点燃。这种燃气、空气混合气体由来自燃烧器的燃气和空气组成，空气是通过通孔56，经过空间54和74所形成的平形气流通道向下流动后进入热水器的。通过空间54的空气流横向穿过通孔58，大体上沿径向向里的方向进入空间64。流过空间74的空气流，通过孔62，大体上沿轴向向下的方向进入空间64。被加热后的燃烧废气进入第一管24，经过翅片件22上的通孔80向上流动。这些废气从第一管24中流出后，进入空间68，然后经排气管70从热水器10中排出。
在热气通过第一管24向上流动的同时，冷水也在通过第二管18向下流动，这种由两种流体进行的同轴反向对流，会产生从热气到冷水的高效率的热传递。其结果是，当水经过第二管18完成向下流动过程后，就已被加热到预定的温度。
控制系统包括一些适合于测量各种与水流有关的指标的传感器和可对上述传感器迅速做出响应的电子控制元件，这些元件用于调节流量控制阀34，从而调节输入燃烧器36的能量，最终使通过输出管32输出的热水达到预定的温度。
这样，就提供出一种体积较小、非常适用于家庭商业和工业用途的即时可用超高效热水器。但是，应该说明的是，本专利申请文件所公开的热水器和热交换装置，在不联合使用任何专门控制系统的情况下，本身就可单独使用。
上述热水器中有不止一个结构特点有助于提高其热效率。当然，其中之一就是已详细说明过的热交换结构。另一个是空气通道结构，周围环境中的空气(如室内空气)经过这一空气通道进入热水器10中，然后沿轴向向下流动，在这一过程中还要流经热交换结构;这一过程中在对燃烧空气产生一定的同流热交换预热作用的同时，空间54这样的通道还可成为一种防止热能透过壳体12的侧壁损耗掉的热屏蔽层。再有的另一个结构特点是燃烧室空间和燃烧器的配置方式，特别是将燃气与空气混合并在燃烧室中进行燃烧，然后通过热交换器最后被排出这一整个过程所采取的方式。
在本热水器的生产过程中，使用的是传统材料，例如，在热交换结构中使用了不锈钢。同时还采用了传统的各种结构件，例如在各个连接处使用了适当的密封和固定结构。同样，还采用了传统的工程计算方法来确定各个零件的体积和尺寸细节以便获得本热水器的预期性能。;在管70上连接使用一台泵可有利于燃烧空气和热气在热水器中流通。
至此，前文中描述出一种本发明的现行实施例，但是，在不脱离本发明基本原理的情况下，可对本实施例做一些改型。例如，第二管18可以设计成带有螺旋结构的管子，在这种情况下，热能效率将得到改善。
权利要求
1.一种燃气热水器，它包括一个圆筒状壳体；一块沿横截面安装在壳体上端的第一平板；一块沿横截面安装在壳体下端的第二平板；一个第一复式接头，该接头与壳体的上端之间留有一定间隔，从而相对于壳体形成了一个第一空间和一个流入管，该流入管带有一个环形空间，流体就从这一空间输入；一根将第一空间和大气连通的排气管；一个装在壳体下部的第二复式接头，该接头带有一个环形空间和一个出口管；一块水平穿过壳体的第三平板，该平板与上述第二平板形成了一个第二空间；一组彼此留有一定间距，它装在同一圆周上互相平行的第一管，它们的一端固定在上述第一平板上以便与第一空间沟通，另一端固定在上述第三平板上以便与第二空间连通；一组从第一管子内部穿过的第二管，它们彼此相通并与上述第一、第二复式接头中的空间连通；一根位于所述多根第二管围成的圆周内部且与所述圆筒状壳体同心的第三管，该管的一端固定在第一平板上，另一端是开口的并处于尚未到达第三平板的位置；一向第一复式接头输送流体的装置，以便使流体可以通过第二管，从第一复式接头流过一定空间到达第二复式接头；安装在第二空间内，以便对流经第二管的流体加热的燃烧器；一用于向第二空间输送空气的装置，在第二空间中被加热后的空气流经第一管后进入第一空间，从而使流过第二管的水被加热。
2.一种如权利要求1中所述的燃气热水器，其中的空气输送装置包括一个与圆筒形壳体之间留有一定间隔并与其同心的圆筒形围筒，该围筒的两端分别固定在第一和第二块平板上，在上述壳体及围壁上靠近上述第一空间上述第一管的上部的部位，分别开一些孔，还要在上述围筒位于上述第二空间中的部位上开一些孔。
3.一种如权利要求1中所述的燃气热水器，其中要通过在上述第三平板上开通的用于与第三管连通的孔，将在第二空间中加热过的空气输送到第三管中。
4.一种如权利要求1中所述的燃气热水器，其中，所述的第二管呈螺旋状。
5.一种如权利要求1中所述的燃气热水器，其中还包括一些圆环形翅片，这些翅片被重叠地安装在上述第二管的外圆周上，翅片横切来自第二空间的被加热空气的流动方向设置。
6.一种如权利要求5中所述的燃气热水器，其中，所述的翅片上带有通道，被加热的空气可从这些通道流过。
7.一种如权利要求6中所述的燃气热水器，其中，上述通道是通过在上述翅片上开一些通孔而形成的。
8.一种如权利要求6中所述的燃气热水器，其中，所述通道是通过在上述翅片的周边开出朝着装在第二管上的翅片中央部分凹进的切口形成的。
9.一种如权利要求1中所述的燃气热水器，其中，所述燃烧器包含一个火焰稳定器，该稳定器是一个一头开口一头封闭的圆筒，圆筒的筒壁上开有用于与所述第二空间连通的通孔，其开口端固定在上述第二平板上，燃烧器还包括一种用于通过上述第二平板上开出的通孔向上述第二空间输送燃烧空气的装置，在第二平板上还开有与火焰稳定器相连通的孔。
10.一种如权利要求9中所述的燃气热水器，其中还包括一根第四圆管，该管的长度小于上述火焰稳定器的长度，并在上述火焰稳定器中被固定在第二平板上。
全文摘要
一种热能效率得到改善的燃气热水器，其中包括一组第二管，液体通过这些管输入壳体12，还包括一组将第二管18包住的第一管24，以及一个将所有第一管24包容的圆筒状围筒52。需特别注意的是，在第二管18的外圆周上装有一组翅片22。这种结构将热空气送入第一管24中，而且还在第一管18周围形成象围筒52和壳体12这样的绝热层。
文档编号F24H1/22GK1113562SQ9410550
公开日1995年12月20日 申请日期1994年5月13日 优先权日1994年5月13日
发明者戈登·W·芬恩 申请人:尖端公司