CN103591690A - 一种相变储热夹套式水箱 - Google Patents

一种相变储热夹套式水箱 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种相变储热夹套式水箱，属于热水器技术领域。该水箱包括具有进、出水结构的金属储水内胆和包围内胆的保温外壳，所述内胆的胆壁至少局部形成由内壁和外壁构成的金属夹层结构，所述夹层结构至少形成两个相互隔离的夹套腔，其中之一为灌装相变材料的储热夹套腔，另一为具有换热介质进、出口的换热夹套腔。本发明的双腔夹层结构可以在采用相同重量金属材料的前提下，获得最大的内胆刚度和容积，即防止对内胆的损伤，又避免产生空隙降低换热效率，一举多得。

Description

一种相变储热夹套式水箱
技术领域
本发明涉及一种储水容器，尤其是一种相变储热夹套式水箱，属于热水器技术领域。
背景技术
近年来，借助相变材料储存太阳或其它热源的热能，进而在需要时通过换热装置利用储存的热能加热水箱中的水，以满足人们生活、工作所需，已得到实际应用。
此类中国发明专利有200910048479.5《一种太阳能相变蓄热热水器》、201010197705.9《相变蓄能热泵热水器》等。据申请人了解，现有技术中的相变材料设置主要由内置与外置两种方式。内置方式将相变材料直接安置在介质容器中，其缺点是减少了容器的有效容积；外置方式将相变材料安置在单独的储热装置内，其缺点是换热效率较低。
专利号为201010271298.1的中国专利公开了《一种相变储热节能型电热水器》，其热水器外壳和内胆之间的保温层采用复合保温层设计，复合保温层由聚氨酯泡沫隔热层和相变储热层组成，这样虽然可以通过储热-隔热耦合的双重保温实现储水式电热水器的节能，但存在以下问题：由于相变储热层介于水箱内胆和隔热保温层之间，为宏胶囊封装且有一定厚度，因此相变储热层在相变过程中的体积变化很大。理论和试验表明，若制造时主要考虑相变材料的固态体积，则相变材料变为液态时体积变大，对内胆外壁形成外压，易使其内瘪变形造成损伤；若制造时主要考虑相变材料的液态体积，则相变材料变为固态时体积变小，内胆、相变储热层、聚氨酯隔热层之间将产生空隙，使热水器的保温性能变差。此外，相变材料的导热系数不高，加上宏胶囊封装后，导热系数更加低，不利于进行热交换。 
申请号为201210455077.9的中国专利公开了一种储热水箱，该水箱内部设有一个发热内胆，水箱夹套中装有熔点在50℃的相变储热介质，发热内胆中装有沸点在30℃左右的介质。据介绍，这种设计可以增加导热介质的循环速度，提高太阳能集热器与水箱的换热速度。当热水温度高于50℃时，储热材料将从热水中吸收大量的热量储存起来，并在水温降低时放热，保证水温稳定在50℃左右。然而，该设计的发热内胆占据储水空间，并且使用沸点为30℃左右的介质易导致发热内胆的压力高，存在安全隐患。
发明内容
本发明的目的在于：针对上述现有技术存在的问题，提出一种不仅可以借助相变材料储存并在需要时快速释放多余热量，而且结构紧凑、不占用内胆储水空间，同时避免内胆变形和产生空隙的相变储热夹套式水箱，从而获得理想的储热、换热效果。
为了达到以上目的，申请人对诸多需要解决的问题进行了多角度综合考虑，形成了本发明的相变储热夹套式水箱基本技术方案：包括具有进、出水结构的金属储水内胆和包围内胆的保温外壳，所述内胆的胆壁至少局部形成由内壁和外壁构成的金属夹层结构，所述夹层结构至少形成两个相互隔离的夹套腔，其中之一为灌装相变材料的储热夹套腔，另一为具有换热介质进、出口的换热夹套腔。
工作时，外部热源通过传热介质通过自然循环或强制循环方式进入换热夹套腔，对储水内胆进行加热。在储水内胆水温升高的同时，储热夹套腔中的相变材料可以通过内胆壁获取热量。当温度达到相变材料的熔点时，相变材料吸取热量完成相变转换并储存潜热。当用户持续使用储水内胆中的水时，随着冷水不断进入，水温会逐渐降低，此时相变储热装置将通过内胆壁快速释放热量，延缓水温下降速度。
与现有技术相比，本发明的双腔夹层结构不仅可以借助相变材料储存并在需要时快速释放多余热量，而且外围储热夹套腔和换热夹套腔不占用内胆储水空间，尤其是金属夹层结构对内胆壁起到加强作用，可以在采用相同重量金属材料的前提下，获得最大的内胆刚度和容积，即防止对内胆的损伤，又避免产生空隙降低换热效率，一举多得。 
本发明进一步的完善一是，所述储热夹套腔环绕内胆上部，所述换热夹套腔环绕内胆下部。由于储热夹套腔与换热夹套腔分离，外部热源通过传热介质进入换热夹套腔优先对储水内胆下部加热，并借助热水升腾的自然对流作用使储水内胆上部的水温也逐渐上升，同时，储热夹套腔中的相变材料可以通过内胆壁获取并储存热量，以便在需要时释放。
本发明进一步的完善二是，所述储热夹套腔环绕内胆中上部，所述换热夹套腔自下至上环绕内胆的同时，将储热夹套腔包围在其内，形成局部双夹套结构。这样，外部热源通过传热介质进入换热夹套腔对储水内胆下部加热，同时也对储热装置加热。
本发明进一步的完善三是，所述储热夹套腔环绕内胆上半部，所述换热夹套腔环绕内胆下半部，且其上端延伸到储热夹套腔外，形成对储热夹套腔的半包围结构。这样，外部热源通过传热介质进入换热夹套腔主要对储水内胆下部加热，储热夹套与换热夹套接触部分主要被传热介质加热储热，而其余部分则主要在水温升高时储存热量。 
本发明进一步的完善四是，所述换热夹套腔自下至上环绕内胆的同时，所述储热夹套腔自下至上环绕换热夹套腔，储热夹套腔处于换热夹套腔外部，形成内胆外的完整双夹套结构。工作时，外部热源通过传热介质进入换热夹套腔，同时对储水内胆和储热夹套腔内的相变材料加热。其优点是储热夹套腔最大化，可储存更多的热量，且万一储热夹套腔壁出现渗漏，也不会污染内胆中的水，因此可以确保满足相关标准的要求。
本发明更进一步的完善是，所述储热夹套腔和换热夹套腔分别以螺旋方式环绕所述储水内胆。尤其是，所述储热夹套腔与换热夹套腔的相邻螺旋环绕腔具有共用隔壁。
本发明再进一步的完善是，所述储热夹套腔和换热夹套腔分别以不同旋向螺旋环绕在内胆外。这样可以使储热夹套腔和换热夹套腔相互交叉，既有利于加固强化内胆，又有助于提高换热效率。
附图说明
 下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为本发明实施例一的结构简图。
图2为图1实施例的结构示意图。
图3为图2的A处局部放大图。
图4为本发明实施例二的结构简图。
图5为图4实施例的结构示意图。
图6为本发明实施例三的结构示意图。
图7为本发明实施例四的结构示意图。
图8为图7的局部放大图。
具体实施方式
实施例一
本实施例的相变储热夹套式水箱如图1和图2所示，金属储水内胆5底部插入进水管7和出水管1，并装有电加热器6，外部包围保温外壳2。内胆5的胆壁中上部具有金属夹层形成的储热夹套腔3，同时外壁自下至上环绕内壁形成金属夹层的换热夹套腔4，且换热夹套腔4将储热夹套腔3包围在其内，形成相互隔离的局部双夹套结构。储热夹套腔3灌装相变材料，换热夹套腔4具有分别位于其底部和顶部的换热介质进、出口。
如图3所示，储热夹套腔3由环绕壁3-2以及两端的过渡环3-1构成，过渡环3-1由分别与环绕壁3-2和内胆内壁贴附的两端贴附段以及两端贴附段之间的倾斜过渡段构成。由储热夹套腔3穿出换热夹套腔4的3-3是用于填充相变材料的罐装口。换热夹套腔的结构相同，可以类推。该结构成形、焊接简单，焊接之后，容易保证密封，且对内胆起到加强筋的作用，因此可以采用薄壁板材，降低成本。
工作时，外部热源通过传热介质进入换热夹套腔对储水内胆下部加热，同时也对储热装置加热。在储水内胆水温升高的同时，储热夹套腔中同时获取并储存热量。这种局部双夹套结构对内胆的加固作用更为显著，并且换热面积大，加热与储热同时进行，尤为适合与能源充分的外部热源配套。
实施例二
本实施例的相变储热夹套式水箱如图4和图5所示，基本结构与实施例一相同，不同之处在于储热夹套腔3环绕内胆5上部，换热夹套腔4环绕内胆5下部。外部热源通过传热介质进入换热夹套腔优先对储水内胆下部加热，储热夹套腔中的相变材料可以通过内胆壁获取并储存热量。
由于储水内胆的出水口通常设置在上部，因此可以直接获得储热夹套腔释放的热量，及时满足用水需求。此外，储热夹套腔与换热夹套腔分离，在热交换过程中对内胆产生的应力相互分散，不会叠加，从而有助于保护内胆。
实施例三
本实施例的相变储热夹套式水箱如图6所示，基本结构与实施例二相同，不同之处在于储热夹套腔3和换热夹套腔4分别以螺旋方式环绕内胆5。不难理解，构成螺旋结构储热夹套腔3和换热夹套腔4的螺旋过渡环3-1对于内胆具有更好的加固强化作用，且由于换热夹套腔4具有分别位于其底部和顶部的换热介质进、出口，因此换热介质进入后将以旋流方式流动，从而提高与内胆中水的热交换效率，同时改善与储热夹套腔3中储热相变材料的热交换效率。
实施例四
本实施例的相变储热夹套式水箱如图7和图8所示，基本结构与实施例三类似，储热夹套腔3以间隔螺旋环绕在储水内胆5外，不同之处是，螺旋状的换热夹套腔4环绕在储热夹套腔3外，形成对储热夹套腔3的半包围结构。储热夹套腔3和换热夹套腔4既可以选向相同，也可以不同旋向螺旋环绕在内胆外。
工作时，进入换热夹套腔4的传热介质在储热夹套腔3的螺旋间隔处直接对储水内胆加热，半包围处则可以对相变材料加热后储热。此结构的优点是当储水内胆容量较小时，可以通过适当增大储热夹套腔的空间弥补内胆中水蓄热能力的不足。储热夹套腔被换热夹套腔的半包围比例可根据外部热源的功率酌情进行设计。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡本领域技术人员根据本发明的启示，非创造性形成的等同替换或等效变换的技术方案，例如改变储热夹套腔和换热夹套腔的内外位置等等，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种相变储热夹套式水箱，其特征在于：包括具有进、出水结构的金属储水内胆和包围内胆的保温外壳，其特征在于：所述内胆的胆壁至少局部形成由内壁和外壁构成的金属夹层结构，所述夹层结构至少形成两个相互隔离的夹套腔，其中之一为灌装相变材料的储热夹套腔，另一为具有换热介质进、出口的换热夹套腔。
2.根据权利要求1所述的相变储热夹套式水箱，其特征在于：所述储热夹套腔环绕内胆上部，所述换热夹套腔环绕内胆下部。
3.根据权利要求1所述的相变储热夹套式水箱，其特征在于：所述储热夹套腔环绕内胆中上部，所述换热夹套腔自下至上环绕内胆的同时，将储热夹套腔包围在其内，形成局部双夹套结构。
4.根据权利要求1所述的相变储热夹套式水箱，其特征在于：所述储热夹套腔环绕内胆上半部，所述换热夹套腔环绕内胆下半部，且其上端延伸到储热夹套腔外，形成对储热夹套腔的半包围结构。
5.根据权利要求1所述的相变储热夹套式水箱，其特征在于：所述换热夹套腔自下至上环绕内胆的同时，所述储热夹套腔自下至上环绕换热夹套腔，储热夹套腔处于换热夹套腔外部，形成内胆外的完整双夹套结构。
6.根据权利要求1至5任一所述的相变储热夹套式水箱，其特征在于：所述储热夹套腔和换热夹套腔分别以螺旋方式环绕所述储水内胆。
7.根据权利要求6所述的相变储热夹套式水箱，其特征在于：所述储热夹套腔和换热夹套腔分别以不同旋向螺旋环绕在内胆外。
8.根据权利要求6所述的相变储热夹套式水箱，其特征在于：所述储热夹套腔和换热夹套分别由环绕壁以及两端的过渡环构成，所述过渡环由分别与环绕壁和内壁贴附的两端贴附段以及两端贴附段之间的倾斜过渡段构成。
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