CN101065620A - 热水器以及操作该热水器的方法 - Google Patents

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Abstract

一种热水器(10)，包括：适于安装为使其纵向轴线基本竖直的水箱(12)和适于安装为使其纵向轴线基本竖直的管道(32)。管道(32)位于水箱(12)中并且延伸过至少大部分的水箱(12)高度。管道(32)限定位于管道内部的第一容积(34)和位于管道外部和水箱内部之间的第二容积(36)。第一容积(34)小于第二容积(36)。管道(32)在该管道(32)顶部处或在邻近该管道顶部处具有至少一个上部开口(38)，以及在该管道(32)底部处或在邻近该管道底部处具有至少一个下部开口(40)。热水器(10)还具有加热元件(44)，该加热元件位于管道(32)中或者形成全部或部分的管道(32)。元件(44)至少大致延伸过管道(32)的上半部分。热水器(10)还具有位于所述水箱(12)的底部处或邻近所述水箱底部的入口(24)，以及位于所述水箱(12)的顶部处或邻近所述水箱顶部的出口(22)。在使用中，对加热元件(44)通电使得水通过上部开口(38)从第一容积(34)流向第二容积(36)、以及使得水通过下部开口(40)从第二容积(36)流向第一容积(34)。

Description

热水器以及操作该热水器的方法
技术领域
本发明涉及一种热水器以及操作该热水器的方法。
本发明主要开发用于家用电热水器中，并且在下文中参考这种应用进行描述。然而，本发明并不局限于这种特定的用途，其还适于和煤气管道加热元件或热泵热交换器一起使用。
背景技术
已知的家用电热水器具有水箱，其中冷水入口靠近所述水箱的底部而热水出口靠近所述水箱的顶部。内部加热元件定位于靠近所述水箱的底部。这种设置具有几个缺点。
首先，为在出口处提供热水，水箱中的水的整个体积必须从底部向顶部进行加热，这样不利于提高能效。
其次，当向水箱导入新的冷水时，必须特别注意不能搅乱热水的上升部分。这通常需要使用例如扩散器以降低冷水进入水箱的速度，这就增加了热水器的复杂度和成本。如果例如电热水器与太阳能热水器并联时，这种问题会更加明显。
本发明的一个目的是能够基本克服或至少改善一个或多个现有技术的缺点。
发明内容
因此，在第一方面，本发明提供了一种热水器，其包括：
水箱，其适于安装为使其纵向轴线基本竖直；
管道，其适于安装为使其纵向轴线基本竖直，
所述管道位于所述水箱中并且延伸过至少大部分的水箱高度，所述管道限定位于所述管道内部的第一容积以及位于所述管道外部和所述水箱内部之间的第二容积，所述第一容积小于所述第二容积，所述管道在该管道顶部处或在邻近该管道顶部处具有至少一个上部开口，以及在该管道底部处或在邻近该管道底部处具有至少一个下部开口；
加热元件，该加热元件位于所述管道中或者形成全部或部分的所述管道，所述元件至少大致延伸过所述管道的上半部分；
入口，其位于所述水箱的底部处或邻近所述水箱底部；以及
出口，其位于所述水箱的顶部处或邻近所述水箱顶部，
其中，在使用中，对所述加热元件通电使得水通过所述上部开口从所述第一容积流向所述第二容积、以及使得水通过所述下部开口从所述第二容积流向所述第一容积。
在一个实施例中，所述加热元件与所述管道分开并且设置在所述管道内。在一种形式中，所述管道是端部开口的筒，其中所述加热元件设置在所述筒的内部。
在另一个实施例中，所述加热元件形成所述管道，且所述管道形成所述加热元件。在一种形式中，所述加热元件大体呈筒形并由紧密盘绕的中空管形成，其中加热流体适于流经所述中空管。在另一种形式中，所述加热元件大体呈筒形并由紧密盘绕的中空管形成，其中加热流体适于流经所述中空管，并且所述加热元件在其外表面上具有端部开口的筒。在再另一种形式中，所述加热元件大体呈筒形并由紧密盘绕的中空管形成，其中加热流体适于流经所述中空管，并且所述加热元件在其内表面上具有端部开口的筒。在再又一种形式中，所述加热元件大体呈筒形并由紧密盘绕的中空管形成，其中加热流体适于流经所述中空管，并且所述加热元件在其内表面上和在外表面上分别具有端部开口的筒。
根据使用，所述中空管可以是单壁的或是双壁的。
在一个实施例中，所述管道延伸过所述水箱的整个高度，并且具有形成在所述管道中的下部开口。在此实施例的一个变体中，所述管道还包括至少一个位于所述上部开口和所述下部开口之间的中部开口，其中在使用中，温度较低的水也通过所述中部开口从所述第二容积流向所述第一容积。在此实施例的另一个变体中，所述管道包括位于所述上部开口和所述下部开口之间的限流器。
在另一个实施例中，所述管道下端终止于所述水箱底部的上方以在所述管道下端和所述水箱底部之间留出间隙，所述间隙限定所述下部开口。所述管道优选延伸过所述水箱高度的大约70％-90％。在此实施例的一个变体中，所述管道还包括至少一个位于所述上部开口和所述下部开口之间中部开口，其中在使用中，温度较低的水还通过所述中部开口从所述第二容积流向所述第一容积。在此实施例的另一个变体中，所述管道包括位于所述上部开口和所述下部开口之间的限流器。在此实施例的再另一个变体中，所述管道包括位于所述下部开口处或邻近所述下部开口处的限流器。
优选地，所述热水器具有多个第一上部开口、多个第二下部开口和多个第三中部开口。
所述上部开口的总尺寸优选地为所述下部开口的总尺寸的大约两倍，以及为所述中部开口的总尺寸的四倍。
在一种形式中，所有开口的尺寸是相同的，并且所述多个第一开口的总尺寸大约比多个第二和多个第三开口的总和大25％。
所述中部开口优选地大致位于所述上部开口和所述下部开口的中间。
所述水箱优选地具有两个位于所述水箱顶部处或邻近所述水箱顶部处的出口。所述水箱优选地具有两个位于所述水箱底部处或邻近所述水箱底部处的入口。
所述管道优选地适于安装成使其纵向轴线与所述水箱的纵向轴线为同一轴线。
所述水箱优选地包括位于一端中的开口，该开口适于允许所述管道从其穿过。最优选地，所述开口位于上端中。
在第二方面，本发明提供了一种操作热水器的方法，所述热水器包括：
水箱，其适于安装为使其纵向轴线基本竖直；
管道，其适于安装为使其纵向轴线基本竖直，所述管道位于所述水箱中并且延伸过至少大部分的水箱高度，所述管道限定位于所述管道内部的第一容积以及位于所述管道外部和所述水箱内部之间的第二容积，所述第一容积小于所述第二容积，所述管道具有位于其中的开口；
加热元件，该加热元件位于所述管道中或者形成部分的所述管道，所述元件至少大致延伸过所述管道的上半部分；
入口，其位于所述水箱的底部处或邻近所述水箱底部；以及
出口，其位于所述水箱的顶部处或邻近所述水箱顶部，
所述方法包括以下步骤；
通过所述入口导入温度较低的水；
对所述热水器通电以加热位于所述第一容积中的水；
在所述管道顶部处或邻近所述管道顶部处将温度较高的水从所述第一容积引导至所述第二容积；
在所述管道底部处或邻近所述管道底部处将所述第二容积中的温度较低的水引导至所述第一容积；以及
由此在所述出口处提供温度较高的水。
优选地，所述方法还包括将位于所述第二容积中的温度较低的水经由位于所述管道底部处或邻近所述管道底部处的限流器引导至所述第一容积的步骤。
优选地，所述方法还包括在所述管道中部处或邻近所述管道中部处将所述第二容积中的温度较低的水引导至所述第一容积的步骤。
优选地，所述方法还包括将位于所述第二容积中的温度较低的水经由位于所述管道中部处或邻近所述管道中部处的限流器引导至所述第一容积的步骤。
在第三方面，本发明提供了一种组装热水器的方法，所述方法包括以下步骤：
提供在一端中具有开口的水箱；
将管道通过所述开口插入所述水箱内；以及
将加热元件插入所述管道内。
在第四方面，本发明提供了一种组装热水器的方法，所述方法包括以下步骤：
提供在一端中具有开口的水箱；
组装其中带有整体加热元件的管道；以及
将所述管道通过所述开口插入所述水箱内。
附图说明
本发明的优选实施例将仅通过示例同时参考附图来进行描述，在附图中：
图1是根据本发明第一实施例的热水器的示意性的横截面侧视图；
图2是图1示出的热水器在全负载模式的操作过程中的示意性的横截面侧视图；
图3是图1示出的热水器在减小负载模式的操作过程中的示意性的横截面侧视图；
图4是根据本发明第二实施例的热水器的示意性的横截面侧视图；
图5是根据本发明第三实施例的热水器的示意性的横截面侧视图；
图6是根据本发明第四实施例的热水器的示意性的横截面侧视图；
图7是根据本发明第五实施例的热水器的示意性的横截面侧视图；
图8是根据本发明第六实施例的热水器的示意性的横截面侧视图；
图9A是根据本发明第七实施例的热水器的示意性的横截面侧视图；
图9B是使用于图9A示出的热水器中的加热元件的示意性的横截面端视图；
图10是根据本发明第八实施例的热水器的示意性的横截面侧视图；
图11是根据本发明第九实施例的热水器的示意性的横截面侧视图；以及
图12是根据本发明第十实施例的热水器的示意性的横截面侧视图。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的家用电热水器10的第一实施方式。所述热水器10包括250升容积、绝缘金属的筒形水箱12，所述水箱12具有纵轴线13以及上部圆顶端14和下部圆顶端16。水箱12安装为使轴线13基本竖直。上部圆顶端14具有居中的收缩开口18，所述开口18具有外凸缘20。
水箱12还具有一个位于上部圆顶端14中的第一热水出口22以及位于下部圆顶端16中的第一冷水入口24。出口22在操作中连接至家用管道。入口24在操作中连接至自来水供水系统。水箱12还具有例如可用于将水箱12与太阳能热水器并联的第二热水出口26和第二冷水入口28。
筒形管道32设置在水箱12内部。所述管道32用于将水箱的内部容积分为第一容积34和第二容积36，其中所述第一容积34位于管道32的内部，所述第二容积36位于水箱12的内部和管道32的外部之间。管道32安装为使其纵轴线基本竖直并与水箱12的轴线13对应。
  所述管道32分别在靠近其顶部处具有第一组上部开口38，靠近其底部处具有第二组下部开口40，以及在管道32中部处并且在上部开口38和下部开口40之间具有第三组中部开口42。上部开口38的总面积大于下部开口40和中部开口42的面积之和。在所示出的优选的形式中，上部开口38的面积约为下部开口40面积的两倍，约为中部开口42面积的四倍。在金属板卷成筒形以形成管道32之前，所有的开口优选地通过在金属板中冲孔而形成。水箱12的顶部通过由螺栓固定至凸缘20的封盖(未示出)密封。
加热元件44在所示出的优选的形式中为电加热元件，所述加热元件44安装在管道32的内部中以从管道32的顶部延伸至管道32的中部附近(即，位于管道32的上半部分中)。
现在将描述热水器10的操作。当开始填充热水器10时、或开始启动热水器10时，水箱12中的所有的水的温度相对较低。当对加热元件44通电时，在第一容积34上半部分中的邻近的水被开始加热。加热的水自然会上升，如箭头46所示，接着通过第一开口38从第一容积34流至第二容积36，如箭头48所示。该上升的热水在管道32中产生相对的低压，其将温度相对较低的水从第二容积36通过下部开口40和中部开口42抽入第一容积34，分别如箭头50、52所示。该水的运动在水箱12中产生一个自然热虹吸，其将温度较低的水从第二容积36连续地抽入第一容积34以通过加热元件44加热，如其余的箭头54、56和58所示。
水的温度通过温度调节装置控制在大约60摄氏度。使用高能元件44，以允许水仅在单次循环通过管道32之后就可以将60摄氏度的水供应至出口22。可选择地，可使用低能元件44，以在多次再循环之后将60摄氏度的水供应至出口22。
如上所述的加热过程和水的循环具有多个优点。首先，因为加热元件44最初仅仅对管道32上半部分中的少量的水进行加热(与加热整个水箱容积相对比)，其可以相对快速及有效地提供热水，且热水直接提供至出口22。
其次，因为没有必要避免搅乱靠近水箱12底部的热水，因此准许冷水没有任何流动限制地通过冷水入口24(以及根据需要，通过入口28)。这样简化了热水器10的结构和操作。
第三，如图2中的阴影所示，加热元件44可以通电以通过整个水箱12容积进行热虹吸，并由此对整个水箱容积进行加热。这例如适于大家庭使用。然而，如图3中的阴影所示，对于较小家庭或低的使用需要，加热元件44可周期地操作或者通过降低的功率进行操作，以将热虹吸限制于仅大致位于上部开口和中部开口之间。因此，仅对水箱12的上半部分容积进行加热，从而节省了能量。
第四，由于管道32可以通过开口18简单地插入、以及加热元件44可类似地插入管道32，热水器10非常容易构建。
而且，通过简单地改变加热元件44，热水器10可非常快捷简单地适用于其它用途。在图4中进行举例说明，图4示出了热水器110的第二实施方式，该热水器使用煤气供能的加热元件144(入口和出口未示出)。在第二实施方式中与在描述第一实施方式中所使用的特征相同的特征由相同的附图标记表示。
图5示出了第三实施方式的热水器210。在第三实施方式中与在描述先前实施方式中使用的部件相同的部件由相同的附图标记表示。热水器210在结构和操作方面与图1所示的热水器10非常相似，除了管道32仅仅延伸至水箱高度的大约88％、且并不延伸至水箱12的下部圆顶端16。在管道32的下端16和水箱12的下端留出一个间隙70。与如图1所示水流动通过下部开口40相同的方式，水可流动通过所述间隙70，如箭头52所示。热水器210比热水器10的材料成本更低并且更易于制造。
图6示出了第四实施方式的热水器310。在第四实施方式中与在描述先前实施方式中使用的部件相同的部件由相同的附图标记表示。热水器310在结构和操作方面与图5所示的热水器210相似，除了不存在中部开口42。这样，热水器310中的所有水循环都是从水箱12的上端14至水箱12的下端16。热水器310比热水器210或热水器10更易于制造，并且最适于通过多次水容积再循环来相对较慢地加热水。
图7示出了第五实施方式的热水器410。在第五实施方式中与在描述先前实施方式中使用的部件相同的部件由相同的附图标记表示。热水器410在结构和操作方面与图6所示的热水器310非常相似，除了热水器410具有设置在管道32下端处的限流器80。所述限流器80用于降低流入管道内的水的流速，并因此增加水与加热元件44基础的时间量。这样，热水器410最适于仅在单次水循环之后就提供热水。
图8示出了第六实施方式的热水器510。在第六实施方式中与在描述先前实施方式中使用的部件相同的部件由相同的附图标记表示。热水器510在结构和操作方面与图7所示的热水器410相似，除了中部开口42以限流器90代替。与图7所示的限流器80一样，限流器90用于降低水通过管道32向上流动的流速以延长水与加热元件44的接触时间。这导致热水器能够仅在单次循环之后或在穿过水箱12的整个高度之后就向其出口22(或出口22和出口26)提供热水。
图9A示出了第七实施方式的热水器610。在第七实施方式中与在描述先前实施方式中使用的部件相同的部件由相同的附图标记表示。热水器610在结构和操作方面与图8所示的热水器510相似，除了加热元件和管道由单个构件——即中空管100——形成，所述中空管100紧密地盘绕而大致呈筒形。管100的紧密盘绕使其如同管道地作用并将水箱的内部容积分为第一容积34和第二容积36。管100具有入口102和出口104，并且通过使加热流体106抽吸通过所述管100来加热，从而加热水箱12中的水。图9B示出了管100A和管100B的双壁横截面视图结构和流动通过的加热流体106。双壁管100需要满足许多区域的安全规程。然而，在加热流体106是无毒的且与饮用水相容的应用中，管100可以是单壁的。
图10示出了第八实施方式的热水器710。在第八实施方式中与在描述先前实施方式中使用的部件相同的部件由相同的附图标记表示。热水器710在结构和操作方面与图9A所示的热水器610相似，除了管100在其外表面上具有外部圆筒110以增大加热元件100的导热面积并因此增强水通过管道的向上流动。
图11示出了第九实施方式的热水器810。在第八实施方式中与在描述先前实施方式中使用的部件相同的部件由相同的附图标记表示。热水器810在结构和操作方面与图9A所示的热水器610相似，除了管100在其内表面上具有内部圆筒112以增大加热元件100的导热面积并因此增强水通过管道的向上流动。
图12示出了第十实施方式的热水器910。在第九实施方式中与在描述先前实施方式中使用的部件相同的部件由相同的附图标记表示。热水器910在结构和操作方面与图9A所示的热水器610相似，除了管100在其外表面上具有外部圆筒110以及在其内表面上具有内部圆筒112以增大加热元件100的导热面积并因此增强水通过管道的向上流动。而且，相互密封圆筒110、112的顶部边缘和底部边缘使得管100可以是单壁的，但仍然满足双壁热交换器的安全标准。
尽管参考优选的实施方式了描述本发明，但是本领域的技术人员应当理解本发明能够以许多其它形式实现。

Claims (33)

1.一种热水器，包括：
水箱，其适于安装为使其纵向轴线基本竖直；
管道，其适于安装为使其纵向轴线基本竖直；
所述管道位于所述水箱中并且延伸过至少大部分的水箱高度，所述管道限定位于所述管道内部的第一容积以及位于所述管道外部和所述水箱内部之间的第二容积，所述第一容积小于所述第二容积，所述管道在该管道顶部处或在邻近该管道顶部处具有至少一个上部开口，以及在该管道底部处或在邻近该管道底部处具有至少一个下部开口；
加热元件，该加热元件位于所述管道中或者形成全部或部分的所述管道，所述元件至少大致延伸过所述管道的上半部分；
入口，其位于所述水箱的底部处或邻近所述水箱底部；以及
出口，其位于所述水箱的顶部处或邻近所述水箱顶部，
其中，在使用中，对所述加热元件通电使得水通过所述上部开口从所述第一容积流向所述第二容积、以及使得水通过所述下部开口从所述第二容积流向所述第一容积。
2.如权利要求1所述热水器，其中所述加热元件与所述管道分开并且设置在所述管道内。
3.如权利要求2所述的热水器，其中所述管道是端部开口的筒，其中所述加热元件设置在所述筒的内部。
4.如权利要求1所述的热水器，其中所述加热元件形成所述管道，且所述管道形成所述加热元件。
5.如权利要求4所述的热水器，其中所述加热元件大体呈筒形并由紧密盘绕的中空管形成，其中加热流体适于流经所述中空管。
6.如权利要求4所述的热水器，其中所述加热元件大体呈筒形并由紧密盘绕的中空管形成，其中加热流体适于流经所述中空管，并且所述加热元件在其外表面上具有端部开口的筒。
7.如权利要求4所述的热水器，其中所述加热元件大体呈筒形并由紧密盘绕的中空管形成，其中加热流体适于流经所述中空管，并且所述加热元件在其内表面上具有端部开口的筒。
8.如权利要求4所述的热水器，其中所述加热元件大体呈筒形并由紧密盘绕的中空管形成，其中加热流体适于流经所述中空管，并且所述加热元件在其内表面上和在外表面上分别具有端部开口的筒。
9.如权利要求4至8中任一所述的热水器，其中所述中空管是单壁的。
10.如权利要求4至8中任一所述的热水器，其中所述中空管是双壁的。
11.如前述权利要求中任一所述的热水器，其中所述管道延伸过所述水箱的整个高度，并且具有形成在所述管道中的下部开口。
12.如权利要求11所述的热水器，其中所述管道还包括至少一个位于所述上部开口和所述下部开口之间的中部开口，其中在使用中，温度较低的水也通过所述中部开口从所述第二容积流向所述第一容积。
13.如权利要求11或12所述的热水器，其中所述管道包括位于所述上部开口和所述下部开口之间的限流器。
14.如权利要求1至10中任一所述的热水器，其中所述管道下端终止于所述水箱底部的上方以在所述管道下端和所述水箱底部之间留出间隙，所述间隙限定所述下部开口。
15.如权利要求14所述的热水器，其中所述管道延伸过所述水箱高度的大约70％-90％。
16.如权利要求14或15所述的热水器，其中所述管道还包括至少一个位于所述上部开口和所述下部开口之间的中部开口，其中在使用中，温度较低的水还通过所述中部开口从所述第二容积流向所述第一容积。
17.如权利要求14、15或16所述的热水器，其中所述管道包括位于所述上部开口和所述下部开口之间的限流器。
18.如权利要求13或17所述的热水器，其中所述管道包括位于所述下部开口处或邻近所述下部开口处的限流器。
19.如权利要求12至18中任一项所述的热水器，其中具有多个第一上部开口、多个第二下部开口和多个第三中部开口。
20.如权利要求19所述的热水器，其中所述上部开口的总尺寸优选地为所述下部开口的总尺寸的大约两倍，以及为所述中部开口的总尺寸的四倍。
21.如权利要求19所述的热水器，其中所有开口的尺寸是相同的，并且所述多个第一开口的总尺寸大约比多个第二和多个第三开口的总和大25％。
22.如权利要求12至21中任一所述的热水器，其中所述中部开口大致位于所述上部开口和所述下部开口的中间。
23.如前述权利要求中任一所述的热水器，其中所述水箱具有两个位于所述水箱顶部处或邻近所述水箱顶部处的出口。
24.如前述权利要求中任一所述的热水器，其中所述水箱具有两个位于所述水箱底部处或邻近所述水箱底部处的入口。
25.如前述权利要求中任一所述的热水器，其中所述管道适于安装成使其纵向轴线与所述水箱的纵向轴线为同一轴线。
26.如前述权利要求中任一所述的热水器，其中所述水箱包括位于一端中的开口，该开口适于允许所述管道从其穿过。
27.如权利要求26所述的热水器，其中所述水箱的开口位于上端中。
28.一种操作热水器的方法，所述热水器包括：
水箱，其适于安装为使其纵向轴线基本竖直；
管道，其适于安装为使其纵向轴线基本竖直，所述管道位于所述水箱中并且延伸过至少大部分的水箱高度，所述管道限定位于所述管道内部的第一容积以及位于所述管道外部和所述水箱内部之间的第二容积，所述第一容积小于所述第二容积，所述管道具有位于其中的开口；
加热元件，该加热元件位于所述管道中或者形成部分的所述管道，所述元件至少大致延伸过所述管道的上半部分；
入口，其位于所述水箱的底部处或邻近所述水箱底部；以及
出口，其位于所述水箱的顶部处或邻近所述水箱顶部，
所述方法包括以下步骤；
通过所述入口导入温度较低的水；
对所述热水器通电以加热位于所述第一容积中的水；
在所述管道顶部处或邻近所述管道顶部处将温度较高的水从所述第一容积引导至所述第二容积；
在所述管道底部处或邻近所述管道底部处将所述第二容积中的温度较低的水引导至所述第一容积；以及
由此在所述出口处提供温度较高的水。
29.如权利要求28所述的方法，其中所述方法还包括将位于所述第二容积中的温度较低的水经由位于所述管道底部处或邻近所述管道底部处的限流器引导至所述第一容积的步骤。
30.如权利要求28或29所述的方法，其中所述方法还包括在所述管道中部处或邻近所述管道中部处将所述第二容积中的温度较低的水引导至所述第一容积的步骤。
31.如权利要求28、29或30所述的方法，其中所述方法还包括将位于所述第二容积中的温度较低的水经由位于所述管道中部处或邻近所述管道中部处的限流器引导至所述第一容积的步骤。
32.一种组装热水器的方法，所述方法包括以下步骤：
提供在一端中具有开口的水箱；
将管道通过所述开口插入所述水箱内；以及
将加热元件插入所述管道内。
33.一种组装热水器的方法，所述方法包括以下步骤：
提供在一端中具有开口的水箱；
组装其中带有整体加热元件的管道；以及
将所述管道通过所述开口插入所述水箱内。
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