CN101263361A

CN101263361A - 换热器元件以及利用该换热器元件的水加热器和热泵

Info

Publication number: CN101263361A
Application number: CNA2006800337803A
Authority: CN
Inventors: 帕特里克·普塞尔
Original assignee: DUX Manufacturing Ltd
Current assignee: DUX Manufacturing Ltd
Priority date: 2005-09-16
Filing date: 2006-08-01
Publication date: 2008-09-10
Anticipated expiration: 2026-08-01
Also published as: CN100578132C

Abstract

一种换热器元件(30)由内铜管(32)和外铜管(34)形成。内管(32)的整个外表面大致与外管(34)的整个内表面接触。

Description

换热器元件以及利用该换热器元件的水加热器和热泵

技术领域

本发明涉及一种换热器元件以及利用该换热器元件的水加热器和热泵。

本发明主要用于家用热水加热器，并且在下文中将参照该应用来对本发明进行描述。然而，本发明不限于该特定用途，并且换热器还适用于在各种换热器应用中加热除水以外的流体。

背景技术

在包括澳大利亚、欧洲和美国的许多管辖区域中的监管机构要求在家用热水加热器中所用的换热器元件具有将循环流经换热器的加热流体与在热水罐中被加热的水分隔开的两层金属。这是为了确保即使金属层中的一层损坏也不会使换热器流体与供给使用者的水混合。

一种已知的“双壁式”热水加热器利用缠绕在圆筒形钢制水罐的外侧的铜管。经过铜管泵送换热器流体。然而，该装置难于制造并且制造成本相对较高，尤其是绕大约600mm直径的罐滚轧管的步骤。该装置还具有相对较差的热交换效率，因为作为导体，钢比铜的效果小几乎三十倍。

另一种已知的“双壁式”热水加热器利用定位于水罐内的管的内侧的一卷铜管。该装置也是制造困难并且制造成本相对较高。确保铜管与管内部进行良好的面-面接触是困难的，而良好的面-面接触对于良好的热交换效率来说是必需的。

发明内容

本发明的目的是克服或基本改进至少一个或多个上述现有技术的缺陷。

因此，第一方面，本发明提供一种由内铜管和外铜管所形成的换热器元件，其中内管的整个外表面大致与外管的整个内表面接触。

在一种形式中，外管的内径大致等于内管的外径，使得外管的大约100％的内表面与内管的外表面接触。

在另一种形式中，外管的内表面包括凹纹或沟槽并且外管的最小直径大致等于内管的外径，使得外管的大约80％的内表面与内管的外表面接触。

在实施方式中，该元件优选地大致为圆筒形形状，并且极优选地具有由螺旋形的内管及外管所形成的圆筒形壁。

在再一实施方式中，该元件优选地为大致圆筒形形状，并具有由螺旋形的内管和外管所形成的圆筒形壁，并且该元件包括附连到螺旋形的外管的外部的外圆筒形壁。

在另一实施方式中，该元件优选地为大致圆筒形形状，并具有由螺旋形的内管及外管所形成的圆筒形壁，并且该元件包括附连到螺旋形外管的内部的内圆筒形壁。

在又一实施方式中，该元件优选地为大致圆筒形状，并具有由螺旋形的内管及外管所形成的圆筒形壁，并且该元件包括分别附连到螺旋形外管的内圆筒形壁的内部和螺旋形外管的外部的外圆筒形壁。

该元件优选地具有两个大致纵向的入口部和出口部，一个从圆筒的第一端部延伸，并且另一个穿过圆筒内部从圆筒的第二端部延伸至圆筒的第一端部。

第二方面，本发明提供一种包括罐和根据本发明的第一方面的换热器元件的水加热器。

第三方面，本发明提供一种形成换热器元件的方法，该方法包括以下步骤：

a.拉伸第一铜管和第二铜管，第一管的外径小于第二管的内径；

b.将第一管插入到第二管内；

c.使管穿过适于将第二管挤压到第一管上的辊轧成形机，使得第一管的整个外表面大致与第二管的整个内表面接触；

d.将经过挤压的管退火；

e.将所述管弯曲成所需的构造；以及

f.将经过弯曲的管退火。

步骤e.优选地包括将管弯曲成大致圆筒形形状，极优选地具有由螺旋形的管形成圆筒形壁的步骤。

步骤a.优选地包括拉伸具有内凹纹或沟槽的第二管。

第四方面，本发明提供一种热水热泵，其包括：

热泵回路，该热泵回路包括：蒸发器盘管、压缩机、与水体成热交换关系的冷凝器盘管以及恒温膨胀阀(TX阀)，该回路适合容纳制冷剂填料，

其中，冷凝器盘管是根据本发明第一方面的换热器元件的形式。

附图说明

现仅以举例方式并参照附图来描述本发明的优选实施方式，其中：

图1A是根据本发明的水加热器的第一实施方式的示意性横截面侧视图，该水加热器具有根据本发明的换热器元件的第一实施方式；

图1B是图1A示出的换热器元件的横截面端视图；

图2是根据本发明的水加热器的第二实施方式的示意性横截面侧视图；

图3是根据本发明的水加热器的第三实施方式的示意性横截面侧视图；

图4是根据本发明的水加热器的第四实施方式的示意性横截面侧视图；

图5是根据本发明的换热器元件的第二实施方式的横截面端视图；

图6是根据本发明的热水热泵的实施方式的示意图。

具体实施方式

图1A示出根据本发明的家用热水加热器10的第一实施方式。该水加热器10包括分别带有穹形上端部14和穹形下端部16的250升容积的绝热钢制圆筒形罐12。罐12以其纵向轴线成大致竖直的方式安装。穹形上端部14具有带有外凸缘20的中央颈缩开口18。使用时，罐12几乎完全充满水。

罐12还具有位于穹形上端部14内的第一热水出口22以及位于穹形下端部16中的第一冷水入口24。操作时，出口22连接到家用管道设备。操作时，入口24连接到自来水供源。罐12还具有第二热水出口26和第二冷水入口20，第二热水出口26和第二冷水入口20例如能够用来将罐12并联连接到太阳能热水加热器。

换热器元件30的第一实施方式穿过开口18插入到罐内部。如图1B最佳示出的，元件30分别形成有内铜管32和外铜管34。内管32的外径大致等于外管34的内径，使得内管32的整个外表面大致与外管34的整个内表面接触。大致接触的该内表面和该外表面使通过内管32内部所泵送的高温制冷剂流体(例如，水或乙二醇或它们的混合物)到罐12内的水的热传递最大化。换热器元件30还具有入口部38和出口部40。由被供能的加热元件30所引起的罐12内的水循环由箭头标示出。水加热器10的一个优点在于，由于经由开口18将元件30引入到罐12内，所以其成本相对较低并且制造简单。另一优点在于，由于制冷流体经由具有相对较高导热性的铜管32和34对水直接进行热传递，所以本发明具有较高的效率。

构建加热元件30包括以下步骤。首先，将两个铜管拉伸至大约19米的长度。小直径管32具有5.0mm的内径以及5.5mm的外径。大直径外管34具有5.7mm的内径以及6.3mm的外径。内管32的外径与外管34的内径之间的差异容许内管32插入到外管34内。在此阶段，内管32的外表面与外管34的内表面之间存在小间隙。然后，将两个管32和34馈送通过辊轧成形机，辊轧成形机挤压外管34使其接触内管32以消除间隙。辊轧成形还略微延伸了外管34的长度，如果需要，可在初始时将外管34制造成稍短于内管32以使外管34延长到共同长度。可替代地，可裁减外管34的超出量。辊轧成形还硬化了管32和34。然后，将(辊轧成形/挤压的)管32和34退火以使它们软化，从而接下来能够将它们弯曲并螺旋缠绕成如图1所示的形状。然后，再次将(弯曲/螺旋的)管32和34退火。最后，将合适的连接配件(例如，黄铜配件)附连到入口部38和出口部40。

图2示出水加热器210的第二实施方式。利用相似的附图标号标示与用来描述第一实施方式的特征相似的特征。水加热器210在结构和操作方面与图1中示出的水加热器10非常相似，除了该加热元件30由外圆筒或管42包绕，外圆筒或管42起到增加换热器元件30的导热面积的作用并且因此增加了从加热流体36到罐12内的水的传热。

图3示出水加热器310的第三实施方式。利用相似的附图标号标示与用来描述前述实施方式的特征相似的特征。水加热器310在结构和操作方面也与图1中示出的水加热器10非常相似，除了该换热器元件30具有用来增加其导热面积的内圆筒或管44。

图4示出水加热器410的第四实施方式。利用相似的附图标号标示与用来描述前述实施方式的特征相似的特征。水加热器410在结构和操作方面也与图1中示出的水加热器10非常相似，除了该换热器元件30分别具有用来增加其导热面积的外管42和内管44。

图5示出分别由内铜管132和外铜管134形成的换热器元件130的第二实施方式。元件130以与关于元件30的前述方式相似的方式构建，只是外管134的内表面初始设置有内凹纹或沟槽136。在辊压成形之后，由于凹纹/沟槽136所留下的间隙，外管134的仅大约80％的内表面与内管132的外表面接触。这稍稍降低元件130的导热能力/热交换效率。然而，在某些管辖区域中需要空气间隙来满足安全规定。

图6示出根据本发明的热水热泵140的实施方式。热泵140具有包括蒸发器盘管142、压缩机144、冷凝器盘管146以及恒温膨胀阀(TX阀)148的热泵回路。该回路构造成：压缩机144的出口连接到冷凝器盘管146的入口，冷凝器盘管146的出口连接到TX阀148的入口，TX阀148的出口连接到蒸发器盘管142的入口，以及蒸发器盘管142的出口连接到压缩机144的入口。该回路适于容纳制冷剂填料。如本领域技术人员已知，操作热泵140的组件以产生制冷循环。冷凝器盘管146定位成与由罐150所容纳的水体成热交换关系。冷凝器盘管146是如前文参照图1至图5所述的双壁式换热器元件的形式。

在热泵应用中作为冷凝器盘管146的双壁式换热器元件的优点在于，其通过导热提供了至水中的最直接并因此最有效的能量传输路径。更特别地，当冷凝器盘管146悬置在水中时，冷凝器盘管146周围不存在空气间隙。这样导致从制冷剂到水的传热系数最小。

这与现有的使用铜管道系统来容纳制冷剂的制冷系统相反，例如铜管缠绕在水罐外表面上的现有热泵构造。

此外，冷凝器盘管146的双壁式构造提供了只在内管失效时才起作用的安全特征(内管与外管之间的内部制冷剂溢漏路径)。由于制造过程的特性以及冷凝器盘管悬置在压力比冷凝器盘管内的制冷剂的压力低的罐内所容纳的水中，该安全特征才是可能的。

通常的“管中管”设计所具有的该安全特征总是设置成管之间的空气间隙的形式，这样导致热传递不良。

尽管已经参照优选实施方式描述了本发明，但本领域技术人员可以理解，本发明可以以很多其它的形式实施。

Claims

1.一种由内铜管和外铜管形成的换热器元件，其中，所述内管的整个外表面大致与所述外管的整个内表面接触。

2.如权利要求1所述的元件，其中，所述外管的内径大致等于所述内管的外径，使得所述外管的大约100％的内表面与所述内管的外表面接触。

3.如权利要求1所述的元件，其中，所述外管的内表面包括凹纹或沟槽并且所述外管所具有的最小直径大致等于所述内管的外径，使得所述外管的大约80％的内表面与所述内管的外表面接触。

4.如权利要求1、2或3所述的元件，其中，所述元件是大致圆筒形形状。

5.如权利要求4所述的元件，其中，所述大致圆筒形形状的元件具有由螺旋形的所述内管和所述外管所形成的圆筒形壁。

6.如权利要求5所述的元件，还包括附连到所述螺旋形外管的外部的外圆筒形壁。

7.如权利要求5所述的元件，还包括附连到所述螺旋形外管的内部的内圆筒形壁。

8.如权利要求4所述的元件，还包括分别附连到所述螺旋形外管的内部的内圆筒形壁和所述螺旋形外管的外部的外圆筒形壁。

9.如权利要求1-8中任一项所述的元件，其中，所述元件具有两个大致纵向的入口部和出口部，一个从所述圆筒的第一端部延伸，并且另一个穿过所述圆筒内部从所述圆筒的第二端部延伸至所述圆筒的第一端部。

10.一种水加热器，其包括罐和如权利要求1-9中任一项所述的换热器元件。

11.一种形成换热器元件的方法，所述方法包括以下步骤：

g.拉伸第一铜管和第二铜管，所述第一管的外径小于所述第二管的内径；

h.将所述第一管插入到所述第二管内；

i.使所述管穿过适于将所述第二管挤压到所述第一管上的辊轧成形机，使得所述第一管的整个外表面大致与所述第二管的整个内表面接触；

j.将经过挤压的管退火；

k.将所述管弯曲成所需的构造；以及

l.将经过弯曲的管退火。

12.如权利要求10所述的方法，其中，步骤e.包括将所述管弯曲成大致圆筒形形状。

13.如权利要求12所述的方法，包括由螺旋形的管形成圆筒形壁的步骤。

14.如权利要求10或11所述的方法，其中，步骤a.包括拉伸带有内凹纹或沟槽的所述第二管。

15.一种热水热泵，其包括：

热泵回路，所述热泵回路包括：蒸发器盘管、压缩机、与水体成热交换关系的冷凝器盘管以及恒温膨胀阀(TX阀)，所述回路适于容纳制冷剂填料，

其中，所述冷凝器盘管是根据权利要求1至9中任一项所述的换热器元件的形式。