CN105972839B - 层级式相变储热水箱 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种层级式相变储热水箱，包括箱体、与箱体密封连接的上盖、设于箱体内上部的相变储热装置、用于加热水且水平设置的第一盘管组件、用于初步加热水并使制冷剂由气态变成液态且水平设置的第二盘管组件、设于箱体下部的进水嘴、设于箱体内的出水管以及设于箱体上与出水管的外端口相连接的出水嘴；相变储热装置、第一盘管组件以及第二盘管组件在箱体内从上到下设置，使用时箱体内的水从下至上被自然分成低温层区、高温层区和储热区。本发明整体体积不大，热转换效率高，出水温度高且出水温度相对稳定，用户体验良好。

Description

层级式相变储热水箱

技术领域

本发明涉及热水器领域，具体涉及一种热水器的层级式相变储热水箱。

背景技术

太阳能、空气能作为重要的可再生清洁能源，其开发应用日益受到重视。太阳能热水器尤其是真空管太阳能热水器在技术上已发展得比较成熟并已大规模产业化，但是太阳能热水器最大的不足是必须在有太阳光的白天才能较好地使用；目前，将太阳能与空气能相结合的热水器亦见应用，其原理是通过热交换装置将太阳光能和/或大气环境中的空气热能转移至制冷剂中，通过压缩机（热泵）使得高温高压的制冷剂在热水器水箱内的管路中流动与水进行热交换，实现加热水的目的。目前此类热水器存在的不足之处是：其一，热水器出水温度一般在65℃中温区域，为了满足日常供水需要，水箱容积往往很大，如家用空气能热水器容积一般都在150L以上，占用空间大；出水温度较低的原因，主要是受制冷剂临界温度所限，制冷剂冷凝温度不能过高，同时又不能超出压缩机极限压力，高温高压的制冷剂回流时必须冷凝至70℃以下，因而其出水温度不能过高；为了解决冷凝温度，可能需要多个水箱。其二，热水器普遍采用螺旋式盘管用于热交换，常见的如浸入式盘管，其将绕好的螺旋盘管设置在水箱内，其在使用时，水箱内水受热不均匀，不仅在垂直方向存在温度梯度，在水平方向也存在温度分层现象，远离螺旋盘管中心的区域和沿筒壁区域水温明显偏低；也有将热交换的盘管绕在水箱内胆的外壁上，避免盘管直接与水接触，其同样存在离筒壁越远水温愈低的现象。

目前，在前述类型的太阳能、空气能或太阳能与空气能相结合的热水器中加设相变介质用于储能已多见研究，如申请公布号为CN 105588327A、名称为“新型储热式空气能热泵热水器”、又如申请公布号为CN 104180521A、名称为“一种纳米相变储能式热泵热水器”、再如申请公布号为CN 103615817A、名称为“一种插装式相变储热水箱”等中国专利文献，即公开了利用相变材料储热的各式热水器，其普遍存在的问题是，由于水箱内部放置相变材料的装置、热交换的盘管等构件的设计以及水箱内部整体布局的不足，使得其存在水箱出水温度不高、热转换效率不高、因水箱内的水受热不均造成出水冷热不均使得用户体验不佳等问题。

发明内容

本发明的目的是：提供一种整体体积不大、使用时热转换效率高、出水温度较高且出水温度相对稳定、用户体验效果良好的层级式相变储热水箱。

本发明的技术方案是：本发明的层级式相变储热水箱，其结构特点是：包括箱体、上盖、相变储热装置、第一盘管组件、第二盘管组件、连接管、进水嘴和出水管；

上述的第一盘管组件包括基板、盘管、制冷剂进嘴和制冷剂出嘴；基板为铜质的圆形板体件，基板上开设有若干通孔；盘管由1根铜管折弯而成；盘管整体呈连续的Z字形；盘管焊接固定在基板的上端面上；制冷剂进嘴固定设置在盘管的一个端口上；制冷剂出嘴固定设置在盘管的另一个端口上；第二盘管组件的结构与第一盘管组件相同；

上述的上盖与箱体密封固定连接；相变储热装置固定设置在箱体内的上部；第一盘管组件的基板和盘管水平固定设置在箱体内的中部偏下方位置，且位于相变储热装置的下方；第一盘管组件的制冷剂进嘴和制冷剂出嘴固定设置在箱体上且第一盘管组件的制冷剂进嘴伸出于箱体外；出水管的外端口上设有出水嘴；出水嘴固定设置在箱体上且位于第一盘管组件的制冷剂进嘴和制冷剂出嘴的上方；出水管的内端口设于相变储热装置内；第二盘管组件的基板和盘管水平固定设置在箱体内的下部；第二盘管组件的制冷剂进嘴和制冷剂出嘴固定设置在箱体上且第二盘管组件的制冷剂出嘴伸出于箱体外；

连接管将第一盘管组件的制冷剂出嘴与第二盘管组件的制冷剂进嘴相连；进水嘴固定设置在箱体上且位于第二盘管组件的制冷剂进嘴和制冷剂出嘴的下方；

使用时，冷水从设于箱体下部的进水嘴流入，热水从设于箱体中部偏下位置的出水嘴流出；高温高压的制冷剂气体从第一盘管组件的制冷剂进嘴流入；冷却后的制冷剂液体从第一盘管组件的制冷剂出嘴流出；箱体内的水体从下至上被自然分成低温层区、高温层区和储热区；其中，第二盘管组件周围的空间构成低温层区，第一盘管组件上方、相变储热装置下方的空间构成高温层区；相变储热装置内的空余空间构成储热区。

进一步的方案是：上述的箱体为上端开口的中空圆柱体件；箱体包括外壳、内胆以及设置在外壳和内胆间的保温层。

进一步的方案是：上述的箱体的内胆为搪瓷内胆；保温层的材质为聚氨脂发泡保温材料。

进一步的方案是：上述的相变储热装置包括顶座、底座、铝管和相变储热材料；顶座由插接板和安装环组成；插接板为圆形的板体件，插接板上设有若干个铝管安装孔；安装环的周边设有若干安装用的螺孔，安装环设于插接板的上方且与插接板的外周边一体连接，从而使得安装环的上端面与插接板的上端面之间形成一个预留相变膨胀空间；底座由底板和裙板一体组成，底板为圆形的板体件；底板的圆心处设有圆形的中心孔；裙板设置在底板的上端外周边上且与底板一体连接；铝管设置的数量与顶座的插接板上的铝管安装孔的数量相同；各铝管在顶座的插接板和底座的底板间垂直设置；各铝管的下端与底座的底板的上端面超声波焊接方式固定连接；各铝管的上端与顶座的插接板上相应的铝管安装孔插接；相变储热材料填充在各铝管内。

进一步的方案是：上述的相变储热装置的相变储热材料为比热为水的50倍且固液相变临界温度为80℃的石蜡和石墨混合物。

进一步的方案还有：上述的出水管具有相连的水平管段和垂直管段，出水管整体呈L形；出水管的水平管段的外端口上连接出水嘴，出水管的水平管段位于第一盘管组件的盘管的上方；出水管的垂直管段穿过相变储热装置的底座的底板的中心孔后沿相变储热装置的中轴线向上伸出，且出水管的垂直管段的上端口与相变储热装置的上板接近。

本发明具有积极的效果：（1）本发明的层级式相变储热水箱，其通过设于箱体内的相变储热装置、用于加热水的第一盘管组件、用于初步加热水并使制冷剂由气态变成液态的第二盘管组件、设于箱体下部的进水嘴和出水管的结构和位置安排等布局结构设计，使其在使用时箱体内的水从下至上被自然分成低温层区、高温层区和储热区，箱体内的水自然对流热交换，水体受热均匀，有效克服了现有技术中水箱内的水温分区、冷热不均的现象。（2）本发明的层级式相变储热水箱，其通过相变储热装置的结构设计使得相变储热材料与热水能够进行充分的热交换，保持热水温度，从而能够相应最大程度地减小水箱的体积；同时通将出水管的上端口设置在相变储热装置内，使得出水嘴输出的热水基本保持在80℃左右温度，用户体验大为改善。（3）本发明的层级式相变储热水箱，其通过将盘管组件的基板采用多孔的铜板、固定设置基板上的盘管设计成整体呈连续的Z字形等结构设计，能够有效提高与水的热交换面积，提高热转换效率；同时通过将第一盘管组件和第二盘管组件分层水平设置，使其能够通过水的自然对流实现对水的充分加热，使得水体受热均匀。（4）本发明的层级式相变储热水箱，其整体体积不大，热转换效率高，出水温度高且出水温度相对稳定，用户体验良好。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1的A-A向剖视图；

图3为图2中的储热装置的结构示意图；

图4为图3中的底座的俯视图；

图5为图2中的第一盘管组件的结构示意图；

图6为图5中去掉基板后的结构示意图；

图7为本发明一种应用例的系统结构示意图。

上述附图中的附图标记如下：

箱体1，外壳11，内胆12，保温层13；

上盖2；

相变储热装置3，顶座31，插接板31-1，安装环31-2，底座32，底板32-1，中心孔32-1-1，裙板32-2，铝管33，相变储热材料34；

第一盘管组件4，基板41，盘管42，制冷剂进嘴43，制冷剂出嘴44；

第二盘管组件5；第二制冷剂进嘴53，第二制冷剂出嘴54；

连接管6；

进水嘴7；

出水管8，出水嘴81；

低温层区101，高温层区102，储热区103。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

（实施例1）

见图1至图6，本实施例的层级式相变储热水箱，其主要由箱体1、上盖2、相变储热装置3、第一盘管组件4、第二盘管组件5、连接管6、进水嘴7和出水管8组成。

箱体1本实施例中优选采用上端开口的中空圆柱体件；显然，箱体1也可采用方形等其他形状。箱体1主要由外壳11、内胆12以及设置在外壳11和内胆12间的保温层13组成；内胆12本实施例中优选采用搪瓷内胆；保温层13的材质本实施例中优选采用聚氨脂发泡保温材料。箱体1侧壁的中部偏下位置设有内外贯通的出水嘴安装孔、制冷剂进嘴安装孔；箱内1的内胆12的中部偏下位置还设有制冷剂出嘴安装孔；制冷剂进嘴安装孔和制冷剂出嘴安装孔设置在同一平面上；出水嘴安装孔设置在制冷剂进嘴安装孔和制冷剂出嘴安装孔的上方；箱体1侧壁的下部设有内外贯通的进水嘴安装孔、第二制冷剂出嘴安装孔；箱内1的内胆12的下部还设有第二制冷剂进嘴安装孔；第二制冷剂出嘴安装孔和第二制冷剂进嘴安装孔在同一平面上；进水嘴安装孔设置在第二制冷剂出嘴安装孔和第二制冷剂进嘴安装孔的下方。

上盖2由外壳和设置在外壳内的保温层组成；上盖2的形状与箱体1的上端口相匹配，上盖2与箱体1密封连接。

参见图2至图4，相变储热装置3主要由顶座31、底座32、铝管33和相变储热材料34组成。顶座31由插接板31-1和安装环31-2组成，插接板31-1为圆形的板体件，插接板31-1上设有若干个铝管安装孔；安装环31-2的周边设有若干安装用的螺孔，安装环31-2设于插接板31-1的上方且与插接板31-1的外周边一体连接，从而使得安装环31-2的上端面与插接板31-1的上端面之间形成一个空间，该空间为预留的相变膨胀空间；底座32由底板32-1和裙板32-2一体组成，底板32-1为圆形的板体件；底板32-1的圆心处设有圆形的中心孔32-1-1；裙板32-2设置在底板32-1的上端外周边上且与底板32-1一体连接；铝管33设置的数量与顶座31的插接板31-1上的铝管安装孔的数量相同；各铝管33在顶座31的插接板31-1和底座32的底板32-1间垂直设置；各铝管33的下端与底座32的底板32-1的上端面超声波焊接方式固定连接；各铝管33的上端与顶座31的插接板31-1上相应的铝管安装孔插接；各铝管33的上端开口；相变储热材料34填充在各铝管33内；本实施例中，相变储热材料34优选采用固液相变临界温度为80℃的石蜡和石墨混合物，相变储热材料34的比热为水的50倍；相变储热装置3通过结构设计，能够使得使用时相变储热材料34与热水进行充分的热交换，保持热水温度，实现最大程度地减小水箱的容积。

相变储热装置3设置在箱体1内的上部，相变储热装置3由其上板31与箱体1的内胆12的上端口配合固定连接；相变储热装置3由其底座32的裙板32-2加设密封圈后与箱体1的内胆紧密相接；相变储热装置3的上板31加装密封垫后与上盖2相接。

参见图5和图6，第一盘管组件4主要由基板41、盘管42、制冷剂进嘴43和制冷剂出嘴44组成。基板41为铜质的圆形板体件，基板41上开设有若干个通孔，以增大散热面积，利于使用时盘管42与水的充分热交换；盘管42由1根铜管折弯而成；盘管42整体呈连续的Z字形；盘管42焊接固定在基板41的上端面上；基板41和盘管42的结构设计，使其在使用时能够充分实现与水的热交换，提高热转换效率，同时使得水体受热均匀，不存在水温分区现象；制冷剂进嘴43固定设置在盘管42的一个端口上；制冷剂出嘴44固定设置在盘管42的另一个端口上。第一盘管组件4设置在箱体1内的中部偏下方位置，相变储热装置3的底座32的下方；第一盘管组件4的基板41固定设置在箱体1的内胆12上，且制冷剂进嘴43固定设置在箱体1的制冷剂进嘴安装孔内并向箱体1外伸出；制冷剂出嘴44固定设置在箱内1的内胆12中下部的制冷剂出嘴安装孔内但不伸出箱体1外。

第二盘管组件5的结构与第一盘管组件4相同；第二盘管组件5设置在箱体1内的下部，第二盘管组件5的基板固定设置在箱体1的内胆12上，且第二制冷剂进嘴53固定设置在箱体1的内胆12的第二制冷剂进嘴安装孔内但不伸出箱体1外；第二制冷剂出嘴54固定设置在箱内1的第二制冷剂出嘴安装孔内并向箱体1外伸出。

连接管6设置在箱体1的外壳11与保温层13之间；连接管6的上端与第一盘管组件4的制冷剂出嘴44相连；连接管6的下端与第二盘管组件5的第二制冷剂进嘴53相连。

进水嘴7固定设置在箱体1侧壁下部的进水嘴安装孔内；进水嘴7位于第二盘管组件5的第二制冷剂进嘴53和第二制冷剂出嘴54的下方。

出水管8具有相连的水平管段和垂直管段，出水管8整体呈L形，出水管8的水平管段的外端口上连接有出水嘴81，出水嘴81固定安装在箱体1侧壁中下部的出水嘴安装孔内；出水嘴81位于第一盘管组件4的制冷剂进嘴43和制冷剂出嘴44的上方；出水嘴81用于使用时出热水；出水管8的水平管段位于第一盘管组件4的盘管42的上方；出水管8的垂直管段穿过相变储热装置3的底座32的底板32-1的中心孔32-1-1后沿相变储热装置3的中轴线向上伸出，且出水管8的垂直管段的上端口与相变储热装置3的上板31接近。

使用时，自来水从下部的进水嘴7进入，热水从上方的出水嘴81出；箱体1的内胆12内的空间从下至上被自然分成低温层区101、高温层区102和储热区103；其中，第二盘管组件5周围的空间构成低温层区101，第一盘管组件4上方、相变储热装置3下方的空间构成高温层区102；相变储热装置3内的空余空间构成储热区103；使用时高温高压的冷媒介质气体流过第一盘管组件4的盘管42对高温层区102的水进行加热，被加热的高温层区102的热水在从下而上的水压力下通过相变储热装置3的底座32的底板32-1的中心孔32-1-1进入储热区103；当储热区103内的热水温度超过80℃时，相变储热装置3的各铝管33内的相变储热材料34开始固液相变，吸收大量潜热，将热量储存在相变储热材料34中；当储热区103内的热水温度低于80℃时，相变储热材料34反向逆变释放热量给热水增温，从而使得出水管8通过出水嘴81所出的热水基本保持在80℃左右。

（应用例）

参见图7，本实施例的层级式相变储热水箱，其在使用时，如图7所示接入太阳能/空气能制备热水系统中：将第一盘管组件4的制冷剂进嘴43通过管线与系统的压缩机相连；第二盘管组件5的第二制冷剂出嘴54通过管路与系统的节流膨胀毛细管相连；进水嘴7外接冷水管进自来水；出水嘴81外接热水管出热水。

系统工作时，制冷剂（冷媒介质）液体经空气能集热装置和太阳能集热装置加热后变成气体经压缩机后，高温高压的制冷剂气体从第一盘管组件4的制冷剂进嘴43进入盘管42，通过盘管42和多孔的基体41与水进行热交换将高温层区102的水加热；被加热的高温层区102的热水进入储热区103经出水管8出热水；热交换后的制冷剂气体在压力下经制冷剂出嘴44、连接管6和第二盘管组件5的第二制冷剂进嘴53进入第二盘管组件5的盘管和基体与低温层区101的水进行热交换，低温层区101的水一方面本就比高温层区的水温度低，另一方面外部的冷水不断从进水嘴7进入低温层区101，从而使得进入第二盘管组件5的盘管内的制冷剂气体冷却降温至60℃以下液化，第二盘管组件5在初步加热水的同时，使得制冷剂气体充分液化变成液态制冷剂由第二盘管组件5的第二制冷剂出嘴54通过管路再次进入系统的节流膨胀用的毛细管内，进入下一个循环；从而实现将从水箱下部进水嘴7不断进入的自来水加热，从出水管8的出水嘴81不断流出温度基本保持在80℃左右的热水之目的。

综上所述，本实施例的层级式相变储热水箱，其通过设于箱体1内的相变储热装置3、用于加热水的第一盘管组件4、用于初步加热水并使制冷剂由气态变成液态的第二盘管组件5、设于箱体1下部的进水嘴7和设于箱体1中部的出水管8等布局结构设计，使得其在使用时箱体1内的水从下至上被自然分成低温层区101、高温层区102和储热区103，箱体1内的水自然对流热交换，水体受热均匀，有效克服了现有技术中水箱内的水温分区、冷热不均的现象；其通过相变储热装置3的结构设计以及将出水管8的上端口设置在相变储热装置3内，能够使得相变储热材料34与热水进行充分的热交换，保持热水温度，一方面能够实现最大程度地减小水箱的体积；另一方面出水嘴81输出基本保持在80℃左右的热水，用户体验大为改善；其通过将盘管组件的基板采用多孔的铜板、固定设置基板上的盘管设计成整体呈连续的Z字形等结构设计，能够有效提高与水的热交换面积，提高热转换效率；同时通过将第一盘管组件和第二盘管组件分层水平设置，使其能够通过水的自然对流实现对水的加热，使得水体受热均匀；其整体体积不大、热转换效率高，出水温度高且出水温度相对稳定，用户体验良好。

以上实施例和应用例是对本发明的具体实施方式的说明，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变换和变化而得到相对应的等同的技术方案，因此所有等同的技术方案均应该归入本发明的专利保护范围。

Claims (6)

1.一种层级式相变储热水箱，其特征在于：包括箱体、上盖、相变储热装置、第一盘管组件、第二盘管组件、连接管、进水嘴和出水管；

所述的第一盘管组件包括基板、盘管、制冷剂进嘴和制冷剂出嘴；基板为铜质的圆形板体件，基板上开设有若干通孔；盘管由1根铜管折弯而成；盘管整体呈连续的Z字形；盘管焊接固定在基板的上端面上；制冷剂进嘴固定设置在盘管的一个端口上；制冷剂出嘴固定设置在盘管的另一个端口上；第二盘管组件的结构与第一盘管组件相同；

所述的上盖与箱体密封固定连接；相变储热装置固定设置在箱体内的上部；第一盘管组件的基板和盘管水平固定设置在箱体内的中部偏下方位置，且位于相变储热装置的下方；第一盘管组件的制冷剂进嘴和制冷剂出嘴固定设置在箱体上且第一盘管组件的制冷剂进嘴伸出于箱体外；出水管的外端口上设有出水嘴；出水嘴固定设置在箱体上且位于第一盘管组件的制冷剂进嘴和制冷剂出嘴的上方；出水管的内端口设于相变储热装置内；第二盘管组件的基板和盘管水平固定设置在箱体内的下部；第二盘管组件的制冷剂进嘴和制冷剂出嘴固定设置在箱体上且第二盘管组件的制冷剂出嘴伸出于箱体外；

连接管将第一盘管组件的制冷剂出嘴与第二盘管组件的制冷剂进嘴相连；进水嘴固定设置在箱体上且位于第二盘管组件的制冷剂进嘴和制冷剂出嘴的下方；

使用时，冷水从设于箱体下部的进水嘴流入，热水从设于箱体中部偏下位置的出水嘴流出；高温高压的制冷剂气体从第一盘管组件的制冷剂进嘴流入；冷却后的制冷剂液体从第一盘管组件的制冷剂出嘴流出；箱体内的水体从下至上被自然分成低温层区、高温层区和储热区；其中，第二盘管组件周围的空间构成低温层区，第一盘管组件上方、相变储热装置下方的空间构成高温层区；相变储热装置内的空余空间构成储热区。

2.根据权利要求1所述的层级式相变储热水箱，其特征在于：所述的箱体为上端开口的中空圆柱体件；箱体包括外壳、内胆以及设置在外壳和内胆间的保温层。

3.根据权利要求2所述的层级式相变储热水箱，其特征在于：所述的箱体的内胆为搪瓷内胆；保温层的材质为聚氨脂发泡保温材料。

4.根据权利要求1所述的层级式相变储热水箱，其特征在于：所述的相变储热装置包括顶座、底座、铝管和相变储热材料；顶座由插接板和安装环组成；插接板为圆形的板体件，插接板上设有若干个铝管安装孔；安装环的周边设有若干安装用的螺孔，安装环设于插接板的上方且与插接板的外周边一体连接，从而使得安装环的上端面与插接板的上端面之间形成一个预留相变膨胀空间；底座由底板和裙板一体组成，底板为圆形的板体件；底板的圆心处设有圆形的中心孔；裙板设置在底板的上端外周边上且与底板一体连接；铝管设置的数量与顶座的插接板上的铝管安装孔的数量相同；各铝管在顶座的插接板和底座的底板间垂直设置；各铝管的下端与底座的底板的上端面超声波焊接方式固定连接；各铝管的上端与顶座的插接板上相应的铝管安装孔插接；相变储热材料填充在各铝管内。

5.根据权利要求4所述的层级式相变储热水箱，其特征在于：所述的相变储热装置的相变储热材料为比热为水的50倍且固液相变临界温度为80℃的石蜡和石墨混合物。

6.根据权利要求4所述的层级式相变储热水箱，其特征在于：所述的出水管具有相连的水平管段和垂直管段，出水管整体呈L形；出水管的水平管段的外端口上连接出水嘴，出水管的水平管段位于第一盘管组件的盘管的上方；出水管的垂直管段穿过相变储热装置的底座的底板的中心孔后沿相变储热装置的中轴线向上伸出，且出水管的垂直管段的上端口与相变储热装置的上板接近。