燃气热水器

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，即时可用燃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 够占据更小的空间。

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联管、一个上 环形联管和一些按圆周方式排列在两个联管之间并将它们连接起 来的管子组成。冷水从一个联管输入，经过管子到达另一个联管， 并从后一个联管排出。一个气体燃烧器安装在下联管的中央，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。位于热交换器的联管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，燃烧器被安装在上联管的中央。

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 包括一圆筒状壳体；一沿壳体横截面安装在壳体上端的第一平板； 一沿壳体横截面安装在壳体下端的第二平板；一设置在壳体上端 的第一联管，该联管有一环形空间，液体从该空间输入；一设置 在壳体下端的第二联管，该联管有一环形空间和一个出口管；一 组彼此间隔且在以壳体中心线为轴线的一圆周上相互平行设置的 第一管，管的一端固定在第一平板上；一组从第一管内部穿过的 第二管，第二管的两端分别与联管的环形空间连通，其特征在于 该燃气热水器还包括一水平穿过壳体的第三平板，该平板与第二 平板形成一燃烧空间；一位于所述多根第一管围成的圆周内部且 与所述壳体同心的第三管，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；所述的第一联管与 壳体的上端之间留有一定间隔以形成一通风孔空间，该空间通过 一排气管与大气连通；固定在第一平板上的第一管的所述一端与 通风孔空间连通，而第一管的另一端固定在第三平板上以便与燃 烧空间连通；每一第二管的外圆周上重叠地安装一组圆环形翅片， 翅片与第二管垂直且带有通孔；一向第一联管输送液体的装置， 以便使液体通过第二管到达第二联管；还包括一安装在燃烧空间 内的燃烧器，以及向燃烧空间输送空气的装置，从而使燃烧空间 中被加热的空气流经第一管后进入通风孔空间，以便对流过第二 管的液体进行加热。

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，它表示出图中示 出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联管 14，靠近底部带有一个热水联管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，它们都连接在联管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，如联管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。

联管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联管圆环空间26和28。 第二管18的上端安装后，都与联管空间26相通，它们下端都与 联管空间28相通。一根带有弯头的冷水输入管30通过联管的一 个表面进入空间26，这个表面与第二管18所进入的表面的位置相 对。

一根也带有一个弯头的热水输出管32通过联管的一个表面接 入空间28，这一表面与第二管18所进入的表面的位置相对。使用 热水器时，冷水通过输入管30进入联管空间26，并分布到整个联 管中。然后，水就通过每根第二管18的彼此平行的通道输送到联 管空间28中，从这里这些水变成热水后，经过输出管32排出热 水。

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，该燃烧器安装在联管16的 上表面并且其轴线与轴线20重合。一装在阀34和联管16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装在联管16的上表面上。第四管42的轴线 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。围筒 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，其中央部位形有圆孔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联管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 一个通风筒空间68，该空间位于第一平板66以上联管14以下的 位置。一段短排气管70通过联管的开放中央部位，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这空间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烧气和空 气组成，空气是通过通孔56，经过空间54和74所形成的平行气 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中的排出。

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 交换器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。