CN102057232A - 热水加热器和供应热水的方法 - Google Patents

Abstract

热水加热器包括热水储罐、连接至公共自来水干线的供给管和连接至龙头的排放管。热水储罐具有周壁，其包围储罐内部并且设置有布置在热水储罐内部的加热元件和温度控制装置。储罐周壁包括波纹管形部，其可在压力下变形以使储罐能够膨胀和收缩。储罐壁的波纹管形部由容纳加压气体的气体室包围，所述气体室能够平衡储罐的膨胀。本发明还涉及用于供应热水的方法。

Description

热水加热器和供应热水的方法

技术领域

本发明涉及热水加热器，其包括至少一个热水储罐，连接至公共自来水干线的供给管和连接至龙头的排放管，所述热水储罐具有至少一个壁部，其包围储罐内部的至少一部分并且设置有布置在热水储罐内部的加热元件和温度控制装置。

背景技术

在热水加热器中，来自自来水干线的水加热到希望的温度。作为所述加热的结果，水发生膨胀，膨胀量达到2-5％。水的膨胀容积必须去到某处。根据热水加热器的类型，现有技术提供了就此而言的各种解决方案。无压(大气压)加热器和设置有压力储罐的加热器之间的连接必然存在区别。在尝试解决膨胀问题时需要考虑国家设备规范。

大气压热水加热器通常具有位于进口侧的阀门，使得热出口打开。在许多情况下，允许热膨胀水通过出口泄漏，这是简单但非常有效的解决方案。漏水龙头让使用者感到烦恼并且导致水和(加热)能量的浪费。

大气压热水加热器具有下列缺陷，即，储罐设置有排气孔，水蒸气可以通过该排气孔排出。为此，这种加热器不太适合储存温度超过80℃的水。因此，热水加热器必须安装在适当通风的房间。

当压力储罐用于储存热水时，如本发明中这样，可以使用各种膨胀系统。

在第一种系统中，使用止回阀、溢流阀和溢流漏斗(″进口组合″)。溢流阀安装在正好位于储罐之前的冷水供应管上。当超过预定压力(其高于最大供水压力)时，所述阀将打开，此后，膨胀水将通过开放接头和通常通向排水管的漏斗形构件流出。这种解决方案具有下列缺陷：1)具有排放口的开放接头会在例如厨房厨柜中的排水管发生堵塞时导致溢流。2)根据热水温度，会浪费2-5％的水。3)在每个加热周期内，储罐中的压力必然升高到最大供水压力以上。4)设置膨胀水排放口涉及额外的安装并且牺牲了橱柜中的可用空间。

在第二种系统中，止回阀和膨胀储罐安装在冷水进口之前。在加热时，膨胀水将沿其通路进入膨胀储罐。这具有下列后果：1)提供水与气之间分离的隔膜(由EPDM或丁基橡胶制成)不是完全气密的，因此，储罐必须周期性地加压。2)需要安装相当大的额外部件，这增加了成本并且需要空间。3)不能确保膨胀储罐中水的通流(一个供给管)，这在一定条件下会造成细菌繁殖。

因此，这种解决方案不能被热水应用无条件地接受。除此之外，保养方面构成了主要缺陷。

在第三种系统中，使用内部空气室收集膨胀水。根据该系统，大量空气截留在热水储罐顶部，作为对允许膨胀水排出或从外部对其进行收集的缺陷的解决方案。出口通道向下延伸到锅炉中，从而在储罐灌满时将足够大的空气容积压缩到减小的供水压力。当水被加热时，膨胀储罐将压缩截留的空气。因此，空气压力以及由其造成的储罐中的压力将增大。由于空气加热的原因，压力进一步增大。最终，由于热水上方的饱和水蒸汽的高压，膨胀室内的压力将增大。这三个因素会在储罐开始加热时导致压力显著增大。限制最终压力的唯一方法是使用相对较大的空气空间，使得由水加热引起的压缩减少。然而，只能通过使热水出口进一步延伸到锅炉中以实现所需(冷)空气压缩获得大空气室。冷空气初始压缩以产生膨胀缓冲的必要性是″气泡″膨胀系统的主要问题。后果是当水通过龙头流出时，大部分热水不能流出。在高于75℃的储存温度下，这会成为重要的缺陷。

另一个问题在于，气(空气或水蒸气)和水未分离，使得空气量可以增大或减小。空气量的增大在龙头打开时会最终导致空气排出，而空气量的减小在加热时会在锅炉中引起过压。

此外，由于水蒸气和氧气的高温以及波动液面的结合，内部空气/蒸汽泡导致增大的腐蚀风险。

DE 8806097U1公开了用于储存热水的家庭用热水加热器，其包括由橡胶或其它弹性材料制成的隔膜，其中，气体室形成在隔膜和储罐盖或储罐壁之间，用于在水加热时吸收水的体积增大。

DE 3040450A1公开了壁部设置有可变形皱褶的无压热水储罐。皱褶设置有双金属层，其在温度改变时会主动造成皱褶变形，从而引起储罐容积改变。在另一个实施例中，储罐设置有压缩杆，该压缩杆设置有双金属皱褶，从而可以使储罐在温度变化时膨胀或收缩。

发明内容

本发明的目的是尽可以避免已知热水加热器的缺陷，并且提供一种新颖的热水加热器，其优选地易于安装并且具有紧凑结构。

为了实现该目标，根据本发明的热水加热器的特征在于，储罐壁至少包括构造为可在压力下变形的壁部分，从而使储罐能够膨胀和收缩，储罐壁的可变形部分可操作地连接到容纳加压气体的气体室上并且优选地被其包围，所述气体室能够平衡储罐的膨胀。

使用根据本发明的热水加热器很大程度上解决了空气-蒸汽泡膨胀室的问题，这缘于使用与固定气体室配合的储罐。这具有下列优点：

1)储罐的整个容积可以通过龙头排出，因为储罐可以完全充满水。

2)不存在因水蒸气引起的压力增加。

3)气体量恒定，因为气体截留在单独的气体室中，从而与水分开。

尽管气体室可以通过柱塞等连接到储罐壁的可变形部分上，有利的是，该可变形部分被气体室直接包围，因为这会产生更简单和更紧凑的结构。

有利的是，可变形部分包括可变形皱褶或(锯齿形)折层，因为在这种情况下有可能使用能够在热水加热器的工作压力下变形但不可拉伸的材料。

储罐优选地包括具有纵轴线的圆柱形周壁和两个端壁，其中，储罐的周壁包括靠近所述端壁中的至少一个的可变形部分，在所述可变形部分中，皱褶或折层形成波纹管部或褶状部(accordion)，从而使储罐能够沿纵轴线方向膨胀和收缩，其中，周壁和相邻端壁的波纹管部由气体室包围，或者其中，所述侧壁中的至少一个设置有可变形部分并且由气体室包围。

这样，形成可易于变形的波纹管部分，其在不使用所需可拉伸材料的情况下，以相对较大的容积变化实现易于控制的膨胀和收缩。

因此，壁部，优选地整个壁部的可变形部分由金属，尤其是不锈钢制成，其可以制成整体并且可以具有大约0.6毫米或更少，优选地大约0.4毫米的壁厚。

储罐壁的可变形部分设计成允许储罐的最大膨胀量为其未膨胀容积的大约至多10％，优选地至多5％。在大部分情况下，这足以吸收在储罐内加热的水的膨胀。

储罐优选地设置有止动件，用于至少限制储罐壁的可变形部分的收缩运动，所述止动件可以布置在气体室壁的内侧，例如，尤其是气体室的周壁上，并且其可以与波纹管部分的至少一个皱褶配合。

这样，确定了储罐的最小体积，储罐膨胀能够通过水的膨胀以可预测的方式发生。

在空载状态下，波纹管形部分可以具有介于使用中的波纹管部分的极限长度之间的长度，优选地为大约所述极限长度之间长度的一半。

因此，波纹管部分所承受负载在正常使用期间较低，这是因为波纹管部分不从其处于空载状态的位置进一步移动，并且因为它在静止状态下没有(即使有的话)过大负载。

气体室的容积可以是处于未膨胀状态下的储罐容积的大约10-50％，优选地10-25％。作为该相对较小容积的结果，热水加热器的总容积只通过气体室少量增加。

在根据本发明的热水加热器的优选实施例中，加热元件和温度控制装置设计成在超大气压力情况下将水加热到超过100℃的温度。

因此，热水加热器适合直接供应沸水。

本发明还涉及使用热水加热器供应热水的方法，所述热水加热器包括至少一个可膨胀的储罐，其设置有连接到公共自来水干线上的供给管和连接到龙头上的排放管。根据本发明，该方法包括步骤：

1)从自来水干线给储罐供水，直至未膨胀的储罐完全充满冷水，

2)将储罐中的水加热到优选地100℃或更高的温度，导致水体积增大，储罐膨胀，

3)利用龙头连续放水，导致气体压力使储罐再次压缩到其收缩状态，和

4)在储罐中再次装满水并进行加热，导致储罐膨胀到取决于已排出水量的程度。

附图说明

现在将参考附图更详细地解释本发明，其中，附图显示了根据本发明的热水加热器的实施例。

图1是根据本发明的热水加热器的实例的示意图。

图2是图1所示热水加热器的可能实施例的剖视图。

图3和4是根据本发明的热水加热器的另一实例的储罐的可变形壁部的示意性剖视图，显示了两种不同的膨胀状态。

图5是根据本发明的热水加热器的储罐的可变形壁部的另一实例的示意性剖视图。

具体实施方式

图1示意性地显示了热水加热器的可能实施例。加热器包括热水储罐1、供给管2和排放管3，所述供给管可以连接到公共自来水干线M，所述排放管可以连接到龙头T。供给管2设置有止回阀/减压阀4、5，用于在水从自来水干线M供给时控制储罐1中的压力。此外，热水加热器设置有加热元件6。

热水加热器的储罐1具有周壁11、顶壁12和底壁13。在本实施例中，周壁11的部分14(在这种情况下，为下部)的形状设置成使其能够在储罐1中的压力作用下弹性变形，从而使储罐1能够膨胀和收缩。在本实施例中，所述部分14配置有可变形的褶皱或皱褶，即，它是波纹管形。在本实施例中，波纹管形部分14在未变形状态下略小于周壁11长度的一半(例如，大约30％到40-50％)，该波纹管形部分设计成能够吸收储罐中的水体积的5-10％的增大量。波纹管形部分围绕加热元件的一部分延伸并且形成储罐1的整体部分。储罐1的波纹管形部分的收缩和可能的膨胀会受到止动件15的限制，所述止动件与皱褶中的至少一个(在这种情况下为波纹管形部分14的最靠下皱褶14′)配合，其在波纹管形部分14收缩时会抵靠止动件15。

在本实施例中，环形(在这种情况下)止动件15形成在周壁16上，所述周壁与端壁17一起限定气体室18，特别是空气室，所述气体室围绕储罐1的波纹管形部分14和底壁13。气体室18的周壁16在刚好位于波纹管形部分14上方的位置处例如通过焊接固定到储罐1的周壁11上。这样，气体室壁16、17与储罐1形成固定单元，其在使用中实际上不发生变形，波纹管形部分14可相对于气体室壁16、17移动。因此，气体室18的容积在波纹管形部分14收缩或膨胀时增大或减小，气体室14可以起到用于热水储罐1的气体弹簧的作用，因为气体室18中的压力将作用力施加到储罐1的底壁13上，从而使波纹管形部分14偏压到收缩状态。储罐1的波纹管形部分14的收缩或膨胀率一方面取决于储罐1中水的压力(以及重量)和气体室18中的压力之间的平衡，另一方面取决于波纹管形部分的刚性。如果波纹管形部分14的弹性系数相对较小是有利的，因为更为柔性的波纹管与更为刚性的波纹管相比在储罐中产生更低的最大压力。气体室的容积例如是处于未膨胀状态下的储罐1的容积的大约10-50％，优选地10-25％。

储罐1的波纹管形部分14和优选地整个周壁11可以由整块不锈钢制成，其可以具有大约0.6毫米或更小，优选地0.4毫米的壁厚。储罐的周壁例如可以通过液压成形制成。选择不锈钢由于该金属的卫生性质而尤为有利，从而使它非常适合用于饮用水的热水加热器。波纹管形部分14优选地设计成使其长度在空载状态下介于使用中的波纹管部分14的极限长度之间，优选地为大约所述极限长度之间长度的一半。这是指，如果波纹管部分14的最靠下皱褶14′抵靠止动件15并且储罐1内的压力等于(实际上)零的话，波纹管部分14将由于气体室18内的压力克服弹性压力压缩。当波纹管部分14因水加热而膨胀，并且储罐内的压力增大时，波纹管部分14将首先松弛，随后在经过空载点之后克服弹性压力膨胀。

图1所示热水加热器的操作如下。

当热水加热器投入使用时，储罐1由自来水干线完全充满水，此时，储罐1中的水和气体室18中的空气处于低温，通常具有10-20℃的温度。由于低温，由气体室18中的空气施加在储罐1的底壁13上的作用力比在正常使用状态下低大约25％，其中，在所述正常使用状态下水和空气的温度为大约110℃。波纹管形部分14随后处于最靠下皱褶抵靠止动件15的位置，因此，储罐1的容积最小。因此，有可能使波纹管形部分14和储罐1实现最大膨胀。气体室18中的压力与储罐1中水的压力以及略微压缩的波纹管形部分14的压力平衡。

当储罐1中的水通过加热元件6加热时，水膨胀，导致体积增大和波纹管形部分14膨胀。因此，储罐1的底壁13将向下移动，气体室18内的压力将由于其体积减小和气体室18中的温度升高而增大。储罐1的底壁13将持续调节其位置以便保持力平衡。实际上，在第二皱褶于正常使用状态下接触到止动件15时，波纹管部分14不会进一步膨胀。总之，在储罐1不能进一步膨胀，同时储罐1中的水实际发生膨胀的情况下，储罐1中的压力可以达到非常高的水平，毫无疑问，必须避免这种情况。

储罐1中水的体积在储罐完全充满冷水并且所述冷水随后加热之后达到最大，这是因为平均开始温度和最后温度之间的差异最大。

当龙头T在热水加热器已经投入使用之后第一次打开时，在膨胀容积(就3升储罐而言，膨胀容积通常为大约125毫升)已经流过龙头T并且波纹管形部分回到其最高位置(其中，它抵靠止动件15)的时候，水压将下降到降低的自来水干线压力左右。在关闭龙头T之后，作用在储罐1的底壁13上的向下作用力将由于减压阀的作用略有增加，而且在这种情况下，波纹管形部分将与止动件15保持接触，因为气体室18中的热空气的压力比低温状况下高得多，高大约25-30％。

新供应的冷水现在将通过加热元件6进行加热。根据通过龙头T排出的热水量(和由此供应的冷水量)，储罐1中的水将由于所述加热的原因膨胀到更大或更小的程度，但显然，所述膨胀程度将始终小于全部储罐充满冷水的情况。因此，波纹管形部分14的膨胀将保持在最大程度以下。该循环每当水从储罐1通过龙头流出并且储罐中的水再次装满时重复进行。

图2显示了图1所示的热水加热器的切实可行的实施例，其设置有带电子温度控制装置8的温度传感器7，通过所述电子温度控制装置对储罐1中的水温进行恒温控制。储罐1的顶壁12由通过紧固件，例如螺栓固定到储罐的凸缘上的盖子形成。当盖子拆下时，温度传感器7、加热元件6和附接到其上的供应及排放管线3、4也从储罐上拆下。附图进一步显示了气体室18的周壁16平顺地抵接储罐1的周壁的上部，从而获得储罐1的平滑外侧。这使储罐配置有真空绝缘部成为可能，如美国专利US 6612268B1中公开的那样，其内容在此引入作为参考。为了简化起见，储罐1的绝缘部显示为绝缘材料19的形式。

图3和4示意性地显示了根据本发明的热水加热器的另一实施例，尤其是储罐1的壁部的可变形部分。图3和4显示了储罐1的周壁11、储罐1的底壁13以及气体室18的周壁16和底壁17。在这种情况下，环形横向隔壁20安装到储罐1上，可变形的壁部分14附接于其上，所述壁部分在这种情况下是褶状风箱形。在压缩状态下，褶状风箱形壁部分14抵靠横向隔壁20，其起到止动件的作用。所述褶状风箱形壁部分14还可以由金属，尤其是不锈钢制成，其可以容易地形成和焊接并且还非常耐腐蚀。褶状风箱部的部件(segments)可以由2×0.25毫米的部件组成，其提供了所需的压力阻力(例如，内部和外部之间具有3巴压差)。气体室18的容积为大约450毫升，在这种情况下，可变形部分14在使用具有3升容量的储罐时能够提供150毫升的膨胀容积(图3所示位置和图4所示位置之差)。

图5示意性地显示了可变形壁部分的另一实施例，其中，在这种情况下，储罐1的底壁13具有可变形壁部分22。在本实施例中，可变形壁部分22具有环形皱褶23，在储罐的底部同样如此；然而，在这种情况下，皱褶更为明显，从而使储罐1能够膨胀和收缩。图5显示了在可变形部分22的不同变形状态下底壁13处于两个不同位置，所述可变形部分沿与圆筒形储罐的中心轴线平行的方向移动。至少底壁的中心必须可操作地连接到气体室上。在这种情况下，整个底壁由气体室包围。

通过上文显而易见的是，本发明提供了以其简单和紧凑为特征的热水加热器。此外，不会有膨胀水损失，使得热水加热器在使用中非常经济。热水加热器的正常操作及其效率不会受到根据本发明的方面的不利影响，同时还确保了卫生水平。特别地，根据本发明的方面能够在例如厨房中供应沸水的电器中非常好地实现，其中，所述电器在厨房橱柜中布置在水槽下面。

本发明不局限于附图所示和如上所述的实施例，其可以在不脱离本发明范围的情况下改变。因此，这里显示和描述的实施例的可变形壁部分由可弹性变形，但在使用期间基本上不可拉伸的材料制成，使得膨胀不(仅)由储罐的变形引起，而是(还)作为材料拉伸的结果。

就不可拉伸材料和圆筒形储罐而言，主要沿与储罐中心轴线平行的方向发生膨胀，使得移动(全部或其中心部分)的相应端壁将操作连接到气体室上或者由其包围。如前所述，可变形部分成形和构造为使弹性系数及所需变形力相对较小，因此，用于水压力的平衡力主要由气体压力产生。

在龙头T处或之前，或者在另一个出水点，来自热水加热器的热水可以与冷水混合，从而可以从热水加热器获得任意希望温度的水。

Claims (18)

1.一种热水加热器，包括至少一个热水储罐、连接到公共自来水干线的供给管和连接到龙头的排放管，所述热水储罐具有包围储罐内部的至少一部分的至少一个壁，并且设置有布置在热水储罐内的加热元件和温度控制装置，其特征在于，储罐壁至少包括构造为能够在压力下变形的壁部，从而使储罐能够膨胀和收缩，所述储罐壁的可变形部分操作连接到容纳加压气体的气体室上，优选地由该气体室包围，所述气体室能够平衡储罐的膨胀。

2.如权利要求1所述的热水加热器，其中，所述可变形部分包括可变形皱褶。

3.如权利要求2所述的热水加热器，其中，储罐包括具有纵轴线的圆柱形周壁和两个端壁，其中，储罐的周壁包括靠近所述端壁中的至少一个的可变形部分，在所述可变形部分中，皱褶或折层形成波纹管部或褶状风箱部，从而使储罐能够沿纵轴线方向膨胀和收缩，其中，周壁的波纹管部和相邻端壁由气体室包围，或者其中，所述侧壁中的至少一个设置有可变形部分并且由气体室包围。

4.如权利要求1、2或3所述的热水加热器，其中，所述壁的可变形部分，优选地整个壁由金属，尤其是不锈钢制成，其可以制成整体并且具有大约0.6毫米或更少，优选地大约0.4毫米的壁厚。

5.如权利要求3或4所述的热水加热器，其中，所述气体室形成在热水储罐和气体室壁之间，所述气体室壁至少包括气体室的端壁和周壁。

6.如权利要求5所述的热水加热器，其中，所述气体室的周壁在其远离气体室端壁，尤其是邻近可变形部分的端部处附接到热水加热器的周壁上。

7.如在先任意一项权利要求所述的热水加热器，其中，所述储罐壁的可变形部分设计成允许储罐的最大膨胀量为其未膨胀容积的大约至多10％，优选地至多5％。

8.如在先任意一项权利要求所述的热水加热器，其中，储罐设置有止动件，用于至少限制储罐壁的可变形部分的收缩运动。

9.如权利要求5和8所述的热水加热器，其中，所述止动件布置在气体室壁的内侧上，尤其是气体室的周壁上，并且其与波纹管部的至少一个皱褶配合。

10.如在先任意一项权利要求所述的热水加热器，其中，所述供给管设置有用于控制储罐中的压力的减压阀。

11.如在先任意一项权利要求所述的热水加热器，其中，处于空载状态的波纹管部具有介于使用中的波纹管部的极限长度之间的长度，优选地等于所述极限长度之间大约一半的长度。

12.如在先任意一项权利要求所述的热水加热器，其中，所述波纹管部分占未膨胀状态下的周壁11的总长度的大约30-50％。

13.如在先任意一项权利要求所述的热水加热器，其中，气体室的容积是未膨胀状态下的储罐容积的大约10-50％，优选地10-25％。

14.如在先任意一项权利要求所述的热水加热器，其中，加热元件和温度控制装置设计成在超大气压力情况下将水加热到超过100℃的温度。

15.如权利要求3所述的热水加热器，其中，邻近波纹管部的储罐端壁形成储罐的底壁。

16.如在先任意一项权利要求所述的热水加热器，其中，加热元件延伸到储罐由可变形部分包围的部分中。

17.一种使用热水加热器供应热水的方法，所述热水加热器包括至少一个可膨胀的储罐，该储罐设置有连接到公共自来水干线上的供给管和连接到龙头上的排放管，所述方法包括步骤：

1)从自来水干线给储罐供水，直至未膨胀的储罐完全充满冷水，

2)将储罐中的水加热到优选地100℃或更高的温度，导致水体积增大，储罐膨胀，

3)利用龙头连续放水，导致气体压力使储罐再次压缩到其收缩状态，和

4)在储罐中再次装满水并进行加热，导致储罐膨胀到取决于已排出水量的程度。

18.一种热水加热器，包括：至少一个热水压力储罐；连接至公共自来水干线以引入加压自来水并将所述水加热且在至少80℃的温度下储存的供给管；以及连接到饮用水龙头的排放管，所述热水储罐具有至少一个壁，所述至少一个壁完全由耐腐蚀金属制成并且包括围绕中心轴线形成的至少一个圆柱形壁，所述圆柱形壁包围储罐内部的至少一部分，并且设置有布置在热水储罐内的加热元件和温度控制装置，其中，储罐的圆柱形壁包括靠近储罐端部的壁部分，该壁部分设置有可变形皱褶以便能够在储罐中的水压下沿着与中心轴线平行的方向变形，从而使储罐能够膨胀和收缩，储罐的所述圆柱形壁的可变形部分和储罐的相邻端壁由容纳加压气体的气体室可操作地围绕，所述气体室能够平衡储罐的膨胀。

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