专利名称：燃气热水器及其进出水控制方法
技术领域：
本发明涉及一种燃气热水器，尤其是一种燃气热水器水箱及进出水结构的改进， 属于热水器技术领域。
背景技术：
据申请人了解，目前市场上普遍应用的传统容积式燃气热水器均采用燃烧器置于 水箱下部，以及水箱下部进水、上部出水的结构。具体而言，此类传统容积式燃气热水器的燃烧器置于水箱底部，水箱中安置燃烧 换热管路，使燃烧产生的高温烟气利用本身的热压头，自下而上流动，对水箱中的冷水进行 加热。这种燃烧系统对应的进出水结构包括一置于水箱底部的进水口，一置于水箱顶部的 出水口。在加热阶段，冷水被加热后，由于热水密度小于冷水密度，在重力作用下热水上升、 冷水下降，在水箱内部形成温度上高下低的水分层。用户用水时，热水从顶部排出，虽然此 时冷水会从下部补充进入，由于密度较大，将下部热水逐渐推到水箱上部，因此不会直接 影响顶部热水的温度。由于充分利用了水的分层特性，用户用水时不会出现水温波动，这 种进出水结构数十年来未发生大的变化，如1967年公布的专利号为US33M925，专利名为 Gas Burner的美国专利，2010年公布的专利号为US77U677，专利名为WaterHeater and Control的美国专利，均采用了类似的、包含一个从顶部插到水箱底部的称之为Dip Tube 的进水管和一个置于水箱顶部的出水口的进出水结构。近年来，根据市场需求，出现了燃烧器置于水箱顶部的大功率容积式燃气热水器， 当此类容积式燃气热水器沿袭上述进出水结构时，出现了如下明显的缺点1)由于冷热水 的分层，原先的热水处于水箱顶部，当燃烧装置启动时，对热水层持续加热极易造成过热； 2)由于燃烧器上置时，烟气被强制自上向下流经水箱内的烟气流道，因此与上部的热水层 大量换热，而流至底层时温度下降，与下部冷水层的换热量相对较小，导致冷水层温度上升 缓慢或不能达到预期温度，影响热水量的提供。因此，传统下进上出式的进水方式不能适应 这种新的大功率容积式燃气热水器。检索发现，专利号为CN97247641、专利名为《上进水式电热水器》的中国专利提出 了一种可以从上部进水的热水器。然而，这种热水器是一种敞开式结构，与目前热水器普遍 采用的密闭式承压水箱有本质区别，其进水和出水不在同一时间进行。所谓的密闭式承压 水箱是指该水箱除进出水位置以外的其余部分都密闭，不和外界相通，因此进出水必须同 时进行。同时，以上专利的结构是为了避免冷热水的混合，若储水用完，必须停机等待，是一 种落后的设计。
发明内容
本发明的目的在于针对上述大功率燃气热水器遇到的问题，通过对水箱进出水 结构的创新改进，提出一种燃气热水器及其进出水控制方法，以使热水器运行时可以有效 避免水箱上部的水温过热，使水箱内的热交换更合理充分。
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为了达到以上目的，本发明提出的燃气热水器包括水箱、燃烧器以及热交换组件， 水箱顶部安装燃烧器，所述燃烧器与位于水箱中的热交换组件相关联，以对该热交换组件 提供热能；其特点是所述水箱的上部联结有上部冷水供应组件，且下部也联结有下部冷 水供应组件，所述上部冷水供应组件和下部冷水供应组件与冷水供应源联结，所述水箱的 上部联结有热水输出组件。所述水箱的上部联结有上部冷水供应组件，且下部也联结有下部冷水供应组件， 可以有效防止前述过热问题。所述的燃气热水器，其进一步的特点是，该燃气热水器还包括水量控制阀和恒温 管道，所述热水输出组件和冷水供应源分别和恒温管道相通，水量控制阀设置在热水输出 组件至恒温管道的管路中，或者设置在冷水供应源至恒温管道的管路中，或者在热水输出 组件至恒温管道的管路以及冷水供应源至恒温管道的管路中同时设置，或者设置在热水输 出组件至恒温管道的管路和冷水供应源至恒温管道的管路的交汇处。利用水量控制阀将热水输出组件的水量和冷水供应源的水量相关联起来，使得恒 温管道内的水温保持恒温。所述的燃气热水器，其进一步的特点是，所述上部冷水供应组件包括位于水箱内 的进水管上部设有的上部进水口，所述下部冷水供应组件包括该进水管下部设有的下部进 水口，该进水管的上端和冷水供应源相通。上部冷水供应组件、下部冷水供应组件大部分内置在水箱中，在水箱内设置进水 管，利用进水管来分配上、下进水量，使得整体结构紧凑，冷水由上而下在进水管中流动，有 预热过程。所述的燃气热水器，其进一步的特点是，所述水箱的上部设置有连接口，所述连接 口的一端与冷水供应源联结，另一端与该进水管的上端联结。通过连接口连接进水管和冷水供应源，管路不会相对水箱内胆滑动，增强了结构 的稳定性。所述的燃气热水器，其进一步的特点是，所述上部冷水供应组件包括所述水箱的 上部设有的上部进水口，所述上部进水口的一端与冷水供应源联结；所述下部冷水供应组 件包括所述水箱的下部设有的下部进水口，所述下部进水口的一端与冷水供应源联结。上部冷水供应组件和下部冷水供应组件主要外置于水箱，因此维修方便，并且能 方便地加入各种阀，以便于对上、下部冷水供应的量进行精确控制。所述的燃气热水器，其进一步的特点是，所述热水输出组件包括所述水箱的上部 还设有的出水口以及出水口连接的热水出水管路，所述热水出水管路为所述热水输出组件 至恒温管道的管路。所述的燃气热水器，其进一步的特点是，所述水量控制阀为电磁阀。所述的燃气热水器，其进一步的特点是，所述进水管的下端接近所述水箱的底部。 越接近水箱底部，水箱的利用率越高。所述的燃气热水器，其进一步的特点是，所述上部进水口和下部进水口为一定数 目的孔。通过一定数目的孔来进水，水朝多个方向喷射，可以使得进水更均勻。所述的燃气热水器，其进一步的特点是，所述上部进水口和下部进水口的面积比在1/40-40/1范围内。在该范围内的面积比，既可以避免过热问题，也不会使得热水产率不至于过低。所述的燃气热水器，其进一步的特点是，所述进水管还开有附加进水口，该附加进 水口位于上部进水口和下部进水口之间。增加附加进水口，可以让水箱内胆的冷水分布更均勻，提高热水产率。所述的燃气热水器，其进一步的特点是，所述下部进水口和冷水供应源之间的管 路中设置有水量控制阀，从而可更精确地控制下部进水。所述的燃气热水器，其进一步的特点是，所述上部进水口、下部进水口和冷水供应 源之间的管路中均设置有水量控制阀，对上、下进水同时进行控制，可以进一步地精确控制 进水量。所述的燃气热水器，其进一步的特点是，所述燃气热水器还包含一控制电路；所述 热水出水管路中和冷水供应源至恒温管道的管路中分别装有水温和水量检测装置，该水温 和水量检测装置和所述控制电路间构建有反馈温度信号和水量信号的信号传输通道，控制 电路和所述水量控制阀间构建有传输控制所述水量控制阀的开度的控制信号的信号传输 通道，该控制信号由控制电路根据所述水温和水量检测装置检测的温度信号和水量信号产 生。控制电路根据各种温度信号、水量信号来控制水量控制阀的开口度，从而可以得 到恒温的热水，并保证温度的精度。所述的燃气热水器，其进一步的特点是，该燃气热水器还包括水量控制阀和恒温 管道，所述热水输出组件和冷水供应源分别和恒温管道相通，水量控制阀设置在热水输出 组件至恒温管道的管路和冷水供应源至恒温管道的管路的交汇处，所述水量控制阀为机械 混水阀，所述机械混水阀为一含有记忆合金弹簧的恒温混水阀；所述恒温混水阀有一热水 进口、一冷水进口和一出口，其热水进口与所述热水输出组件接通，冷水进口与冷水供应源 接通。机械混水阀不需额外的控制电路，使系统结构简洁，且反应速度快，恒温性能好。所述的燃气热水器，其进一步的特点是，所述水箱为密闭式承压水箱。密闭式承压 水箱寿命长，控制简单，可以提供一个大的出水压力，以提高用户舒适度。本发明的燃气热水器的进出水控制方法，其特点是，将燃烧器设置在水箱的上部， 提供从水箱的上部向下通过水箱内的热能，对水箱内的水进行加热；在水箱的上部排出热 水，同时在水箱的上部和下部分别供应冷水；引入冷水至该排出热水，将冷水和热水混合， 并控制该引入冷水和/或该排出热水的量，以得到恒温的水源。所述的燃气热水器的进出水控制方法，其进一步的特点是，根据该排出热水的水 量和水温以及该引入冷水的水量和水温来控制该引入冷水和/或该排出热水的量，以得到 恒温的水源。进一步地，本发明的有益之处在于本发明的热水器工作时，燃烧器提供的高温烟 气或热能自上向下流经热交换器或热交换部件，与水箱中的储水进行热交换。热水输出组 件输出热水时，补充的冷水分为两部分，一部分由在上的上部冷水供应组件进入水箱，与燃 烧器的燃烧室部位接触，同时与水箱上部的高温热水混合，因此抑制了水箱上部的温度，有 效防止了过热。另一部分冷水由下部冷水供应组件进入水箱底部，防止上部冷水供应组件补水量过大时，上层热水温度因降低过快而影响用户使用。由于借助本发明的水箱进出水 结构，可以合理分配上、下冷水量，因此在避免上层水温过热的同时，还可以使水箱内的热 交换更合理充分，从而达到尽可能多供应热水的目的。此外，采用本发明的结构和方法后，由上部冷水供应组件进入水箱的冷水与水箱 上部的高温热水混合后，使其温度低于水箱中层的水温，密度相对增大，因此产生下沉的运 动趋势；而由下部冷水供应组件进入水箱的冷水被加热后，密度变小，产生上升的运动趋 势；两者的结合使得水箱内出现紊流，有助于加快热交换速率，提高换热效率。总之，本发明突破了进水位置普遍置于水箱底部的传统思维，通过在水箱上部增 设进水供应组件，巧妙解决了大功率容积式热水器水箱容易过热的问题，能以较小容量的 水箱提供尽可能多的热水，并且还具有提高换热速度和热交换效率的作用，与以往技术相 比，具有突出的实质性进步。
图1为本发明实施例一的示意图。图2为本发明实施例二的示意图。图3为实施例二中综合进水量与水压关系图。图4为本发明实施例二和传统容积式热水器的性能对比图。
具体实施例方式尽管后面所使用的术语是从公知公用的术语中选择的，但是有些术语则是申请人 按其判断来选择的，其详细含义应根据本申请欲揭示的精神来理解，例如，本说明书中前述 或后述的“联结”，并非限定为如附图所示的直接相连，可以是间接相连；前述或后述的“相 通”并非限定为如附图所示的直接相通，可以是间接相通。实施例一图1是本发明实施例一的结构示意图。该密闭式承压热水器(可以但不限于是容 积式热水器)包括一水箱1，水箱1上端设置向下的燃烧器3，燃烧器上端与风机4联结，下 端与内置于水箱1内的燃烧换热装置2(含燃烧换热管路)联结，燃烧换热装置2通过出口 11将烟气排出。水箱1上部设置一热水出水口 7，出水口 7与热水出水管路71构成热水输 出组件，该热水输出组件提供热水流道。水箱1上部还设有连接口 8，该连接口 8内装有进 水管9，进水管9的末端(即下端)与水箱2的底部接近，位于水箱1内的进水管9的上部 设有上部进水口 91，下部设有下部进水口 92。连接口 8还和水箱1外部的联结冷水源的进 水管路81相连，联结管路81的另一端接三通阀82的第一端，三通阀82的第二端与冷水供 应源相连，三通阀82的第三端联结电磁水量控制阀5的一端，电磁水量控制阀5的另一端 与热水出水管路71联结，热水出水管路71最终通过恒温管路6与用户端联结。上部进水 口 91、进水管9的一部分(自上部进水口 91以上的一部分)和连接口 8、联结管路81构成 上部冷水供应组件，下部进水口 92和进水管9的另一部分(进水口 91、92之间的部分)构 成下部冷水供应组件。同时，在联结热水出水管路71、冷水进水管路81上分别设有水温和 水量检测装置A、B。这些检测装置所得信号传输到控制电路10中，控制电路10通过后述 的算法控制电磁阀5的开度，并将控制信号反馈给电磁阀5，从而使得热水出水管路71的初次热水和冷水进水管路81的部分冷水混合，以在恒温管路6提供热水或者说用户需要的热 水，可达到出水温度恒定的目的。设进入水箱2的总流量为Qtl，上部、下部进水口的流量分别为Qp Q2,则Q0 = Q^Q2.(1)由于Gj1 > 0，一部分水从水箱的上部进入，压力足够时，会正对燃烧室喷射，有效地 降低了燃烧室外壁温度，并与周围的高温热水混合，降低了水箱顶部温度，减少了过热的可 能性。同时，由于该部分冷水密度大于周围热水，会自上而下运动，与周围的热水不断混合， 在水箱上部造成紊流，破坏了原有的冷热水分层，进一步降低了过热的可能性，同时借助水 流自上而下运动的惯性，搅动水箱下部的冷水，使该部分冷水得到迅速加热，提高了水箱的 利用率，缩短了加热时间。为保证在不同进水量的情况下均能达到较好的防过热和混水效果，需使上部进水 口和下部进水口的流量匹配，或者说使二者的进水口面积比在一定的范围内，大量实验证 明，该面积比在1/40-40/1之间最佳。同时，设检测装置A处的热水温度为T3,热水流量为仏，检测装置B处冷水温度为 T4,冷水流量为Q4,恒温管路6处温度为T。ut，出口水流量为Qtlut,则Qout = Q3+Q4 ；(2)Q3 = Q0 = Q^Q2-为使出水温度恒定，需使Q4 = Q0X (Tout-T4)/(T3-T4) (3)则出口热水温度稳定在设置温度范围内。实施例二本实施例提供了实施例一的一种替代装置，如图2所示该密闭式承压热水器(可 以但不限于是容积式热水器)包括一水箱1，水箱1上端设置向下的燃烧器3，燃烧器上端 与风机4联结，下端与燃烧换热管路2联结，换热装置2通过出口 11将烟气排出。水箱1 上部设有上部进水口 91，上部进水口 91通过管路94与四通阀82的第一端联结，构成上部 冷水供应组件。水箱1下部设有下部进水口 92，下部进水口 92通过管路与四通阀82的第 二端联结，该管路设有水量控制阀93，构成下部冷水供应组件。水箱1上部还设有一出水口 7，其通过热水出水管路71与一个水量控制阀5的进水端联结，形成热水供应组件。水量控 制阀5的另外一个进水端通过管路与四通阀82的第三端联结。水量控制阀5的出口联结 用户端，四通阀82的入口联结冷水供应源。此处的水量控制阀93为一个止回阀。水量控 制阀5为一个机械恒温混水阀。通过水量控制阀93和管路94的配合，可对进入上部进水口 91的水流量Gl1进行 精确控制，使之不受总水量％的变化影响，从而达到对燃烧室持续稳定的降温，以实现最佳 的防过热功能。艮口，
_ ^fe SS⑷其中C1为通过实验确定的最佳水流量值。为满足以上水量要求，水量控制阀93的流量曲线为
ρ2 = J0'(5)
Ιδο-C,,Q0>CV以上Qp %以及综合进水量的曲线见图3。图中O-A-B为兑与总压头的关系， O-C-D-E为％与总压头的关系，O-A-F-G为与总压头的关系。通过实验测试，这种装置可以达到这样的效果，即小水量时，供水全部从上部进 水口 91进入，此时即使燃烧系统处于工作状态，也能避免过热，同时使水箱内热水均勻；大 水量时，水量控制阀93打开，上部进水口 91仍保持小水量状况时的流量，其余供水从下部 进水口 92进入水箱，避免大量冷水从上部进入导致的热水供应不足。实验证明，上部进水 口 91与四通阀82之间的联结管94内径为4mm、下部进水口与四通阀82之间的水量控制阀 93为开阀压力0. 2kg的止回阀时，进水流量= 5-16L/min的工况下，可将上进水压力控 制于3L/min左右，符合预期。机械恒温混水阀5则为一种装有记忆合金弹簧的混水阀，其工作原理在于，利用 记忆合金对温度的敏感性，自动调节冷热水的混合量，达到出水温度恒定的效果。这种温度 调节结构无需控制系统，简单易行。图4显示了本实施例和对应产品的产热水能力对比。以本实施例输入负荷^kw, 水温升40°C，容积80L为基准，对比一台输入负荷^kw的快速燃气热水器(25度温升条件 下供水量13L/min)和一个80L容量，输入功率20kw的容积式热水器。图中A’ B’ C’ D’线 为传统80L容积热水器的放水曲线，该热水器以lOL/min的流量可以放水8分钟，然后降至 6. 25L/min持续放水；ABCD线为容量80L的本实施例的放水曲线，该热水器先以12L/min的 流量放水10分钟，然后可以10. 5L/min的流量持续放水-X B’ E线为一 13升快速机的放 水曲线，它只能以lOL/min持续放水，线CD与线B’ E的高度差是由本实施例与所述13升 快速机的效率差异导致的。本实施例在一定时间内的供水能力为I、IIJII三个区域的面积 之和，传统80L容积热水器的供水能力为I区域的面积，13L快速机的供水能力为I、Π两 个区域的面积之和。由图可见，本实施例对比相当容量的传统容积式燃气热水器和对比相 当输入功率的快速热水器均有优势，结合了容积式热水器水箱和快速式热水器大功率的优 点，具有明显的技术进步。本发明并不局限于上述实施例，具有许多的变形，例如，为了保持恒温的水量控制 阀的位置可以灵活的选择，水量控制阀可以设置在热水输出组件至恒温管道的管路中，也 可以设置在冷水供应源至恒温管道的管路中，也可以在热水输出组件至恒温管道的管路以 及冷水供应源至恒温管道的管路中同时设置，也可以设置在热水输出组件和冷水供应源至 恒温管道的交汇处，对于本领域技术人员而言，可以理解到具有上下两个进水口，且通过控 制上下进水口水流量比例，例如通过管径和水量控制阀控制上、下进水口水流量比例的方 法及其装置均落在本发明的保护范围。
权利要求
1.一种燃气热水器，包括水箱、燃烧器以及热交换组件，水箱顶部安装燃烧器，所述燃 烧器与位于水箱中的热交换组件相关联，以对该热交换组件提供热能；其特征在于所述 水箱的上部联结有上部冷水供应组件，且下部也联结有下部冷水供应组件，所述上部冷水 供应组件和下部冷水供应组件与冷水供应源联结，所述水箱的上部联结有热水输出组件。
2.根据权利要求1所述的燃气热水器，其特征在于该燃气热水器还包括水量控制阀 和恒温管道，所述热水输出组件和冷水供应源分别和恒温管道相通，水量控制阀设置在热 水输出组件至恒温管道的管路中，或者设置在冷水供应源至恒温管道的管路中，或者在热 水输出组件至恒温管道的管路以及冷水供应源至恒温管道的管路中同时设置，或者设置在 热水输出组件至恒温管道的管路和冷水供应源至恒温管道的管路的交汇处。
3.根据权利要求2所述的燃气热水器，其特征在于所述上部冷水供应组件包括位于 水箱内的进水管上部设有的上部进水口，所述下部冷水供应组件包括该进水管下部设有的 下部进水口，该进水管的上端和冷水供应源相通。
4.根据权利要求3所述的燃气热水器，其特征在于所述水箱的上部设置有连接口，所 述连接口的一端与冷水供应源联结，另一端与该进水管的上端联结。
5.根据权利要求2所述的燃气热水器，其特征在于所述上部冷水供应组件包括所述 水箱的上部设有的上部进水口，所述上部进水口的一端与冷水供应源联结；所述下部冷水 供应组件包括所述水箱的下部设有的下部进水口，所述下部进水口的一端与冷水供应源联 结。
6.根据权利要求3或5所述的燃气热水器，其特征在于所述热水输出组件包括所述 水箱的上部还设有的出水口以及出水口连接的热水出水管路，所述热水出水管路为所述热 水输出组件至恒温管道的管路。
7.根据权利要求2所述的燃气热水器，其特征在于所述水量控制阀为电磁阀。
8.根据权利要求3所述的燃气热水器，其特征在于所述进水管的下端接近所述水箱 的底部。
9.根据权利要求3所述的燃气热水器，其特征在于所述上部进水口和下部进水口为 一定数目的孔。
10.根据权利要求9所述的燃气热水器，其特征在于所述上部进水口和下部进水口的 面积比在1/40-40/1范围内。
11.根据权利要求3所述的燃气热水器，其特征在于所述进水管还开有附加进水口， 该附加进水口位于上部进水口和下部进水口之间。
12.根据权利要求5所述的燃气热水器，其特征在于所述下部进水口和冷水供应源之 间的管路中设置有水量控制阀。
13.根据权利要求5所述的燃气热水器，其特征在于所述上部进水口、下部进水口和 冷水供应源之间的管路中均设置有水量控制阀。
14.根据权利要求7所述的燃气热水器，其特征在于所述燃气热水器还包含一控制 电路；所述热水出水管路中和冷水供应源至恒温管道的管路中分别装有水温和水量检测装 置，该水温和水量检测装置和所述控制电路间构建有反馈温度信号和水量信号的信号传输 通道，控制电路和所述水量控制阀间构建有传输控制所述水量控制阀的开度的控制信号的 信号传输通道，该控制信号由控制电路根据所述水温和水量检测装置检测的温度信号和水量信号产生。
15.根据权利要求1所述的燃气热水器，其特征在于该燃气热水器还包括水量控制阀 和恒温管道，所述热水输出组件和冷水供应源分别和恒温管道相通，水量控制阀设置在热 水输出组件至恒温管道的管路和冷水供应源至恒温管道的管路的交汇处，所述水量控制阀 为机械混水阀，所述机械混水阀为一含有记忆合金弹簧的恒温混水阀；所述恒温混水阀有 一热水进口、一冷水进口和一出口，其热水进口与所述热水输出组件接通，冷水进口与冷水 供应源接通。
16.根据权利要求1所述的燃气热水器，其特征在于所述水箱为密闭式承压水箱。
17.一种燃气热水器的进出水控制方法，其特征在于，将燃烧器设置在水箱的上部，提供从水箱的上部向下通过水箱内的热能，对水箱内的 水进行加热；在水箱的上部排出热水，同时在水箱的上部和下部分别供应冷水；引入冷水至该排出热水，将冷水和热水混合，并控制该引入冷水和/或该排出热水的 量，以得到恒温的水源。
18.根据权利要求17所述的燃气热水器的进出水控制方法，其特征在于，根据该排出 热水的水量和水温以及该引入冷水的水量和水温来控制该引入冷水和/或该排出热水的 量，以得到恒温的水源。
全文摘要
本发明涉及燃气热水器及其进出水控制方法，该热水器的水箱顶部装有燃烧器，所述燃烧器与位于水箱中的热交换器连通；所述水箱的上部联结有上部冷水供应组件，且下部也联结有下部冷水供应组件，所述上部冷水供应组件和下部冷水供应组件与冷水供应源联结，所述水箱的上部联结有热水输出组件，所述热水输出组件和冷水供应源联结，且所述热水输出组件和冷水供应源之间的管路上设置有水量控制阀，该控制阀控制该热水器的进出水温度。本发明可以有效避免水箱上部的水温过热，并能以较小容量的水箱提供尽可能多的恒温热水，并且还具有提高换热速度和热交换效率的作用。
文档编号F24H9/18GK102062465SQ201010217170
公开日2011年5月18日 申请日期2010年6月30日 优先权日2010年6月30日
发明者曾祥才, 毕大岩, 窦礼亮, 蔡茂虎, 邱步 申请人:艾欧史密斯(中国)热水器有限公司