CN1246651C - 热交换元件、热水器和热交换器组件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及热交换元件以及包含这类热交换元件的热交换组件和热水器。本发明的热交换元件包括一个细长形的支承件或脊柱，对应于延伸着的一个单个叶片或一系列叶片的支承件的长度。热交换元件可以平行于烟道的纵轴定位。在一个实施例中，热交换元件可以赋予烟道气体螺旋运动，但在另一个实施例中，没有赋予烟道气体螺旋运动。本发明的实施例包括几种制造热交换元件的方法。热水器和热交换组件的实施例也公开了导流器和元件在一起使用，来提高在热水器上游端的效率。

Description

热交换元件、热水器和热交换器组件

技术领域

本发明涉及热水器、热水器烟道和能安装在热水器装置的烟道中的热交换元件。

背景技术

现有工艺的热水器用的热交换器通常包括以预定方式焊接在烟道上的单独的叶片或导向叶片，结果通过烟道的空气以螺旋方式流动。叶片或导向叶片也起到热交换元件的作用，用于将热传导到烟道壁上，从而传递到烟道通过的容器中的水中。

在公布于1978年4月13日的澳大利亚专利申请18306/76中，一系列的、以螺旋方式绕烟道四周布置的独立叶片，并和烟道纵轴成一定的角度，从而产生涡流效应。每个叶片独立地焊接到烟道上。

公开于1960年8月30日的专利US2950740描述了同澳大利亚专利申请18306/76类似的布置结构。而美国公开于1967年10月31日的专利3349754公开了一个对专利US2950740修正的结构，是通过独立的叶片终止在烟道中心区域来修正。每个上述的美国专利以及澳大利亚专利，公开了单独定位或焊接的叶片或导向叶片。如果利用手工焊接到烟道上，那么这些叶片或导向叶片的安装相对耗费时间。而用机械焊接则需要复杂和昂贵的机械。

现有工艺构造的另一个困难是这些叶片接近燃烧室，倾向于氧化和逐渐剥裂。这会由于过分热量的吸收造成的破坏而发生。

如果相对有效地从排放气体中提取热量，那么沿着烟道在叶片的某处也会发生腐蚀。这尤其是在烟道下游位置的情况，因为气体到达这些位置时，排放气体的温度降低到其中所含潮气的露点以下。这会导致水分在烟道下游位置上沉积。如果水分积存足够多和燃烧室的燃烧停止时(如水到达需要的温度)，水份会分散到烟道的其它部分，造成腐蚀和产生对烟道和叶片相对恶劣的环境。

对这种湿度的一个普通解决方案是在烟道内部涂上光滑釉料。可是，由于独立的叶片焊接在烟道中，难于在具有尖锐边角或类似部位的叶片上涂上光滑釉料。在此情况下，发现釉料不能粘结到叶片上。如果涂上这种釉料，由于釉料只是临时粘结到金属上，以及由于烟道上游端部的恶劣环境，过多的热量会使得釉料层剥裂。一旦这种剥裂发生，在叶片上开始发生腐蚀或氧化，并能延伸到其它区域加速烟道系统以及热水器的劣化。

发明内容

本发明提供一种适合安装在热水器的烟道表面的热交换元件，并具有一个沿着其长度方向的假想X轴和跨过其宽度且与所述X轴正交的假想Y轴以及一个与所述X轴和Y轴正交的假想Z轴；所述Z轴具有正的和负的方向，所述负方向开始于并延伸离开热交换元件的后表面，所述正方向开始于并延伸离开热交换元件的前表面；一个沿X轴方向延伸的支承件在其相反的两侧的每一面至少具有一个叶片，所述叶片在支承件上沿Y轴方向间隔分布；所述叶片通常沿着具有正向Z方向分量的方向延伸离开所述前表面。

本发明提供一种适合安装在热水器的烟道内表面的热交换元件，并具有一个沿着其长度方向的假想X轴和跨过其宽度且与所述X轴正交的假想Y轴以及一个与所述X轴和Y轴正交的假想Z轴；所述Z轴具有正的和负的方向，所述负方向开始于并延伸离开热交换元件的后表面，所述正方向开始于并延伸离开热交换元件的前表面；一个沿X轴方向延伸的支承件在其至少一个侧面上至少具有一个叶片，并且所述叶片沿着具有正向Z方向分量的方向延伸离开所述前表面，其中所述支承件长度大于从所述支承件到所述至少一个叶片的长度。

本发明提供的热交换元件包括：

细长的结构，该结构具有第一部分和一个或两个第二部分，以便所述第一部分和一个或两个第二部分分别形成为L或U形的横截面，所述第一部分适合连接到所述烟道的内侧并且其轮廓与所述烟道轮廓匹配，所述一个或两个第二部分包括至少一个叶片，在附加到烟道中时，该叶片相对于所述烟道沿径向向内的方向从所述第一部分延伸出来，在附加到烟道中时，在所述元件的将位于接近于所述燃烧设备的燃烧室的第一端处，所述一个或两个第二部分从所述第一部分延伸出来的延伸长度，与所述一个或两个第二部分位于所述第一端以外的部分的延伸长度相比较短。

优选每个叶片包括多个片状或指状元件。

优选至少一个所述片状或指状元件包括一个表面，在安装到烟道中时，该表面相对于烟道的纵向轴线定向在10°到35°的角度范围内。

优选所述元件由板材成型并折叠成需要的形状。

优选所述元件由槽形件成型。

优选所述元件由L形的件成型。

优选所述一个或两个第二部分仅包括一个叶片，其中当附加在烟道中时，每个叶片平行于所述烟道的纵向轴线延伸。

优选所述每个片状或指状元件与所述烟道的所述纵向轴线之间具有相同的角度。

优选所述第一部分的轮廓包括与所述烟道的外形相匹配的外形，所述元件连接至所述烟道中。

优选所述第一部分的轮廓具有这样的形状，该形状提供至少一个区域，通过该区域所述元件能够接触并连接到所述烟道中。

优选所述第一部分的所述轮廓的半径不大于所述烟道的内侧半径。

优选在所述元件的第二端所述元件的第一预定长度内，所述一个或两个第二部分从所述第一部分延伸出相同的长度，在所述元件长度中除了所述第一预定长度的长度内，其中所述元件长度为沿该元件的主要尺寸方向的长度，所述一个或两个第二部分从所述第一部分延伸出来的延伸长度逐渐减小，以便在所述元件接近所述燃烧室的第一端，所述一个或两个第二部分在所述元件上具有最短的延伸长度。

优选所述的预定长度在所述元件长度的50％到80％范围内。

优选所述一个或两个第二部分为平面状。

优选所述一个或两个第二部分为部分螺旋形。

优选所述一个或两个第二部分赋予在使用时流过它们的气体至少部分螺旋的运动。

优选每个所述片状或指状元件或一组所述片状或指状元件与烟道的纵向轴线成一个角度，该角度不同于其它每个所述片状或指状元件，或其它组所述片状或指状元件。

优选在所述元件的一端，所述片状或指状元件或其它组所述片状或指状元件与在所述元件另一端的所述片状或指状元件或其它组所述片状或指状元件相比较，相对于所述烟道的纵向轴线所成的角度较小。

优选所述烟道的纵向轴线与每个所述片状或指状元件之间的角度沿元件长度逐渐增大。

优选相邻片状或指状元件或相邻所述片状或指状元件组之间的隙缝或间距是恒定的尺寸。

优选相邻片状或指状元件或相邻所述片状或指状元件组之间的隙缝或间距，从所述元件一端到另一端减小。

优选所述热交换元件安装到所述烟道中后，涂上釉料。

本发明还提供一种热水器，包括：一个适于装水的水箱，一个内部具有燃烧器的燃烧室，该燃烧器提供在高温下燃烧的气体产物源，一个烟道，其穿过该水箱以便将所述燃烧产物运送到所述热水器之外，并将热量引入到装在所述水箱内的水中，所述烟道中连接有至少一个上述的热交换元件。

优选一个导流器位于所述烟道中的下游端，用来引导废气通过所述热交换元件。

优选所述导流器包括一个一端封闭的圆筒管。

优选所述导流器包括在所述圆筒管一端的法兰，以便从所述至少一个热交换元件的所述一个或两个第二部分支承所述圆筒管的所述端部，其中所述圆筒管从所述至少一个热交换元件的最下游端向其上游方向延伸。

本发明还提供一种可附加在燃烧设备烟道内部以便帮助热量传输通过所述烟道的热交换元件，所述热交换元件具有细长的结构，该结构具有第一部分和一个或两个第二部分，以便所述第一部分和一个或两个第二部分分别形成L或U形的横截面，所述第一部分适合连接到所述烟道的内侧并且其轮廓与所述烟道匹配，所述一个或两个第二部分包括至少一个叶片，在附加到烟道中时，该叶片相对于所述烟道沿径向向内的方向从所述第一部分延伸出来，每个所述叶片包括多个片状或指状元件，其中，至少一个所述片状或指状元件包括一个表面，在安装到烟道中时，该表面相对于烟道的纵向轴线定向在10°到35°的角度范围内。

本发明还提供一种热水器，包括：一个适于装水的水箱，一个内部具有燃烧器的燃烧室，该燃烧器提供在高温下燃烧的气体产物源，一个烟道管，其穿过该水箱以便将所述燃烧产物运送到所述热水器之外，并将热量引入到装在所述水箱中的水中，所述烟道中连接有至少一个如上所述的热交换元件。

本发明还提供一种热交换器组件，包括：

一个管状烟道，具有环绕气流通道的一个或多个内表面；和

多个如上所述的热交换元件，环绕烟道轴线间隔分布，并固定到所述一个或多个内表面上，从而位于所述通道中；

其中每个所述热交换元件都与所述烟道的纵向轴线对齐。

本发明还提供一种制造热交换元件的方法，所述方法包括下述步骤：选择或成形一个通常金属板构成的平板状细长件，该件具有一个沿着其长度方向的假想X轴和跨过其宽度且与该件正交的假想Y轴以及一个与所述X轴和Y轴正交的假想Z轴，所述Z轴具有正的和负的方向，所述负方向开始于并延伸离开所述板的后表面，所述正方向开始于并延伸离开所述板的前表面；并且

(a)构成与所述元件的中心部分的至少一侧、或所述元件的中心部分的相对的两侧面上相联接并延伸离开该侧的至少两个叶片，所述的中心部分构成一个支承件，所述的叶片通过间隔彼此分开；以及

(b)相对于所述支承件旋转所述叶片，结果每个所述叶片具有一个Z轴正方向分量。

优选所述叶片为一系列独立的指状叶片。

优选所有的、在所述支承件的至少一侧上的所述叶片相对于X轴以相同的角度旋转。

优选所有的、在所述支承件的一侧上的所述叶片相对于Y轴以相同的角度旋转。

优选所有的、在所述支承件的至少一侧上的所述叶片相对于Y轴以相同的角度旋转。

优选方法的步骤(b)中也包括同所述支承件另一端的叶片相比，在所述支承件整个长度一端构成较短长度的叶片。

优选在所述支承件的两侧上形成叶片并都离开所述支承件取向，使得它们至少具有部分沿着Z轴正向的方向分量。

当从两个正交方向观察时，优选在所述支承件一侧上的所有叶片大体上彼此平行。

优选完成最后步骤后，所述叶片沿着这样的方向，使得沿着所述支承件一侧的每个相邻叶片彼此或者大体上共线或者平行。

优选所述支承件沿着其长度方向焊接到烟道上，从而联接到燃烧热水器上。

优选所述方法的所述步骤，通过冲压和/或锻压和/或轧制工艺，和或激光切割形成。

本发明的方法实施例的优点是提供了一种相对快速和有效的方法制造热交换元件的叶片。其它实施例的优点是提供了接触烟道表面的表面，同其它联接两个组件的方法相比，这会相对较高程度地将热传递到与热交换元件相连的烟道，所述元件如此构造使得当所述X轴定位得大体上平行于所述烟道的纵轴时，所述叶片件以与相对于所述X轴大体上相同的角度，相对于所述烟道的所述纵轴。

附图说明

现在参照附图，通过例子描述本发明，这些附图包括：

图1表示本发明第一实施例的平面视图；

图2表示图1装置的后视截面图；

图3表示图1装置在最终条件下的后视截面图；

图4是通过烟道的平视图，表示图1中布置的5个热交换元件；

图5表示本发明另一个实施例的平面视图；

图6表示图3装置的立体视图，此时装置折合成最终形式；

图7表示本发明第三个实施例的平面视图；

图8表示图7装置的后视截面图；

图9表示图7装置在最终形式的后视截面图；

图10表示图9装置和图1的装置一起安装在烟道中的平面视图；

图11表示本发明第四个实施例的立体视图，其中叶片的端部大体上平行；

图12表示由L形或凹形件成型热交换元件；

图13是一个表示成形的热交换元件的示意性平面视图，该热交换元件具有相对于X轴不同角度的叶片；

图14是一个表示成形的热交换元件的示意性平面视图，该热交换元件的叶片具有相同的角度和不同大小的叶片之间的隙缝或间距；

图15表示一个热交换器一部分的立体视图，其中本热交换器具有相邻叶片间不同的间隔；

图16是一个表示成形的热交换元件的叶片的端部的示意性平面视图，其叶片间具有不同的尺寸间隔，并且相邻叶片相对于X轴的角度不同；

图17是折合制成热交换元件整体之前的热交换元件的平面视图；

图18是由图17的装置形成的一个元件的平面视图；

图19表示通过一个200mm烟道的横截面；

图20表示本发明另一个实施例的叶片的立体视图；

图21表示通过一个具有图20所示热交换元件的燃烧热水器的横截面图；

图22表示通过一个图21所示燃烧热水器的烟道的横截面，表明图20的六个叶片绕所述烟道的内表面按一定角度间隔分布；

图23表示一个烟道的立体视图和部分剖视图，具有内部安装着热交换元件和外部安装着叶片；

图24表示通过具有本发明热交换元件和导流器的热水器的截面图。

具体实施方式

图1到3表示一个热交换元件2。在图1和2中的热交换元件2表示该元件已通过将一般的板材锻压或冲压而成形之后，但在叶片14相对于脊柱或支承件4旋转之前的情况。在图3中热交换元件2表示叶片14已经旋转之后。

热交换元件2由沿着热交换元件长度延伸的细长形的支承件或脊柱4构成。优选脊柱4的宽度大于制造热交换元件2的材料厚度6(如图2所示)。脊柱4具有一个代表假想X轴8的中心纵轴。示于图1和3的是假想Y轴10，示于图3的是假想Z轴12。

如图3所示，Z轴12具有在Y轴10上方的正方向和在Y轴10下方的负方向。

脊柱4的边缘由假想的组装线18和侧面20折合起来表示，其边沿不能由直线代表，因为叶片14以相对于脊柱4的角度17延伸离开。叶片14的延伸方向由箭头6表示。

由于叶片14以相对于脊柱4的角度17延伸离开，支承件的假想组装线18和侧面20以波折线或正弦模式形成。应注意脊柱4沿着其长度方向平行于Y轴10测量得到的宽度大体上恒定。

开始成形的脊柱4表现为平面构造，可是包括一个制造步骤来形成凸形、弯曲后表面22，使得后表面22接近烟道壁布置。前表面24和后表面22优选为弧形，但其轮廓可以由一系列直线弯曲形成，从而构成类似瓦形的形状。在本实施例中，前表面24和后表面22平行。可是，只是优选前表面24和后表面22平行，如果需要，前表面24和后表面22可以不平行。后表面22具有大体上和烟道的内径匹配的轮廓，该烟道和热交换元件2相连。通过烟道和支承件轮廓大体上匹配，后表面22会通过脊柱4到与之相连的烟道产生较好的热传递，尤其是同相对不足的线接触或点接触相比更是如此。

通过后表面22具有大体上和与之相连的烟道的内表面匹配的轮廓，如果后表面22和烟道内表面最大程度的接触，元件2只能在烟道中沿着一个方向定位。其方向大体上与烟道直线部分的纵轴方向平行。

如果需要，后表面22具有小于烟道内表面半径的半径。在此情况下，后表面与烟道内表面在跨过其宽度的范围内不完全接触。可是，可以接触足够近，使得具有良好水平的热传递。如果元件2和烟道内表面涂上釉料时，那么会导致更好的热传输。如果这样，在烟道和后表面22之间的隙缝或间距会被釉料添满，这会帮助提高热传输效率。

上述的轮廓和半径，产生在Z轴负方向突起后表面22。可是，产生相对于Z轴负方向凹下的后表面的半径或轮廓也可以形成。在本例中，元件2可以在后表面22的侧面形成两个可与元件2相连的纵长表面区域，将这两个纵长表面区域之一或两个都焊接到烟道上。在属于凹形后表面22的情况下，可使用釉料填充在后表面22和烟道内表面之间的任何空洞和隙缝或间距中，优选在后表面22和烟道之间没有。没有空气隙缝或间距，从而提供较好的热传递性能。

在烟道波纹状的或具有波纹状或正弦状的外周，后表面22可以具有与之相同的轮廓从而使两个轮廓尽可能地大体上一致，或作为另一种选择，可用釉料填满任何隙缝或间距。当使用比较薄的金属板制造热交换元件2时，形成曲面后表面22和相应的曲面前表面22是给脊柱4提供结构刚度的手段，从而保持一个相对直的X轴8。可是如果由于某些理由，烟道需要通过一定角度的弯头，或具有在其纵轴方向的曲率，那么热交换元件2的X轴8具有相同的曲率或半径。在此情况下，有必要修正叶片14在径向的形状从而保持叶片之间的空气隙缝或间距，使得相邻叶片之间的间隔不再平行，而是倾斜的。

如图1或5所示的叶片14通过冲压开始形成时，从脊柱4沿着箭头16的方向延伸。从X轴8沿顺时针测量，角度17的数量级为105度。当沿叠和线折合叶片时，这个角17相对图3所示的位置(这个位置相对于X轴8、沿顺时针测量为大约15度的角19，见图6表示的角19)定位叶片14。这个15度的角19意味着任何在箭头26方向的、沿着热交换元件2长度方向流动热燃烧，都会有沿着Y轴10方向的速度分量以及沿着箭头26方向降低的速度，这样使得燃烧开始以螺旋方式流动到其中布置着热交换元件2的烟道出口。

在图1中，位于热交换元件2的区域28的叶片14，都具有大体上相同的长度和宽度以及表面积。然而，在区域30的叶片14具有降低的表面积(通过沿延伸方向降低叶片的长度实现)。在区域30的叶片14的宽度32保持大体上相同。应注意到在区域30的在脊柱4每一侧的各对叶片34、36、38、40、42，其长度从34到42逐渐减小。优选叶片14的长度降低到最低长度为大约正常长度的30％。在下文将进一步介绍这些特征。

在图1中，所有的叶片14大体上都是矩形结构，每个叶片的角部44、46包括弧度。通过提供更多气流通道，帮助使用时减低向后的压力。每个叶片的下游或引导边缘49，在本实施例中是平的边缘面(等于板材的厚度)，垂直于每个叶片的两个矩形表面。(引导边缘49很好地示于图6和11)。由于引导边缘49是平的并几乎和排放气体方向成直角，在箭头26方向的气流路径中会产生阻力，当这些叶片14叠合而处于图4和图5所示的位置。通过改变这些引导边缘49的形状来降低阻力，如使其具有一个斜角或两个斜角或甚至机翼状的形状。

从如图1所示的通常在同一平面内的热交换元件成形的第一阶段，每个叶片旋转如角48表示的98～105度(图3)。角48的实际尺寸依赖多种因素。一个因素是，是否五个热交换元件都应用在图4A所述的4英寸(100mm)直径的烟道中，角48最好接近105度。然而如果只有四个这样的热交换元件，那么角48为98度。如果需要，依赖于应用多少热交换组件，角48可以从相对于Y轴10(考虑烟道的轮廓)很小的角度变化到这样的角度，该角度使得叶片14在脊柱4相反两侧的终端在内部接触在一起。作为一种选择，一侧选择一个角度而另一侧选择其它的角度，或每个叶片14相对于每个相邻或其它的叶片14不同的角度。

尽管各种角度可以应用，但当选择的角度使得叶片14沿着Z轴12尽可能延伸时，才会产生最好的效果。其原因在于在燃烧或燃油系统的排放烟道中，在中心的排放气体通常比在侧面的热，越接近较热气体热交换元件接收到更大热强度。

在初始成形时和旋转成图3所示位置时，在每对叶片14之间存在间隔50。间隔50的宽度有几个因素平衡决定。如间隔太小，热交换元件2会在较高的热传导或较高的热传递速率条件下将热传导到烟道，但如采用自然排放，产生的向后的压力会阻塞燃烧室。可是，如果隙缝或间距太大，那么降低热交换元件的热传递或传导性，但只产生相对较低的向后的压力。

对于采用强制排放机或风扇辅助排放的系统，间隔50会减小到几乎接触或很窄的间隔，这是由于可能产生的向后的压力会由风扇或强力排放机克服。

优选间隔50在叶片宽度的30～45％范围内。在图1所示的元件2中，如果叶片的宽度接近20mm，间隔50的宽度可以是8mm。

图17是一个叶片叠合前的热交换元件170。在图17中，与其它图中类似的部分用相同的数字表示。在本实施例中，叶片14的长度32A小于叶片14的宽度32。通过使得叶片14长度32A大于叶片14的宽度32，发现在叠合前相邻叶片14的间隔50很小。在元件170情况下，间隔50通过剪切形成，实际上不去除金属。

从图17应注意，在Y轴10下方的八个叶片14构成的一组叶片都按照相对于支承件4或X轴8相同的角度分布(在联接叶片前)。而在Y轴10上方的一组叶片在联接前都按照相对于支承件4或X轴8更大的相同的角度分布。从底部一组叶片到顶部一组叶片的变化，由于不同角度，叶片14A、14B同其它叶片14相比具有不同的形状。

如图18的端视图所示的叶片叠合时的热交换元件170，除了代以弯曲的脊柱4(该脊柱具有人字型横截面)之外，具有和前述的实施例类似的外观。

嵌入热交换元件2的烟道的大小也沿着箭头16的方向规定长度。对于一个直径为4英寸(100mm)的烟道，叶片14具有大约30mm的长度和20mm的宽度，而对于一个直径为8英寸(图19)的烟道，叶片14具有大约50mm的长度和同样20mm的宽度。在两种情况下，间隔50近似相同，为8mm。

如图4所示，一个热水器51具有中心布置的烟道52。在最接近燃烧室54的烟道52的下端，各对叶片42、40、38、36、34沿着箭头26方向(烟道52的上游方向)逐渐增加其长度。元件2按这种方式制造减少了叶片42到34吸收的热量(通过减少各个叶片的表面积)。这会帮助减少氧化和降低任何在热交换元件2上和烟道52内部的釉料涂层的劣化。涂料用于保护叶片14和烟道，以抗腐蚀和氧化。通过不让叶片42到34具有与区域28其它叶片相同的长度，整个烟道系统的寿命会延长。这是因为下部叶片42到34的初始劣化和氧化会耗费较长时间发生。

降低接近燃烧室的叶片的另一个优点是在烟道底部由叶片产生的向后的压力会比烟道的下游端低。对于4英寸的烟道叶片14逐渐增加尺寸可跨过五排或五对叶片发生。可是，也可以跨过热交换元件上的十排或十对叶片发生，尤其是涉及较大直径时更这样。如果涉及更高温度的燃烧气体，需要更大的过渡距离如沿着热交换元件长度的第一个一半部分。

示于图5的是不同于图1的、本发明的第二个实施例的热交换元件56。在本实施例中，叶片具有相对较短的长度；角部44、46不是圆的；中心的脊柱4和图1的脊柱相同，但假想的叠合线18没有表示出。应注意本实施例中的热交换元件56没有长度逐渐降低的叶片。如果需要这些叶片，可以通过在支承件一端缩短叶片产生。

当叠合或弯曲到所需位置时，图5的叶片叠合成与图3相同的角度，即最好是98～105度，具体依赖于所使用的热交换元件56的数目和安装热交换元件的烟道的大小。图6表示完全成形的热交换元件56的立体视图，其中叶片14相对于支承件4转动。

如图7、8、9所示，除了只是用脊柱4一侧成形叶片外，它是和图1相似的热交换元件58。图7、8、9中与图1类似的部分用相同的数字表示。当将热交换元件58装配到烟道中时，装配时使得一个脊柱4的端部60相对于相邻的脊柱4的另一端62间隔开。图7到9的热交换元件可以用于燃烧系统对逆向压力敏感的热水器中。通过减少叶片的数目一半，每个所用元件58会产生较小的逆向压力。如果需要，可以使用示于图10的两个或多个元件2、56和/或58的折合体。

在烟道中安装任何一个上述的热交换元件2、56和58时，需要沿着其整个长度，顺着脊柱的中心线，使用3mm～5mm宽的焊缝。这可以使热传输最大化，但也容易使用釉料涂层。优选靠着布置热交换元件2、56和58一侧的相反一侧进行焊接。

可以进行对上述热交换元件的修正。例如，叶片14不是按相对于X轴8的角度为15度，它们如图11所示的那样，通过叶片14的宽度33大体上平行于X轴8，可以平行或大体上平行于X轴8。这可以使所有叶片取向，以便它们在支承件2的每一侧大体上彼此共线，而不是图1到10的实施例情况即平行但不共线。尽管排放气体不会有涡流或螺旋运动发生，叶片和支承件会起到热交换的作用，并且它们会吸收热量并传递给烟道。

可以使用相对于X轴8的其它大小的角度，图6的角19的大小为15度，已被选择用于自然排放系统，可以预期角度19在大约10～20度时仍可用于自然排放系统。可以预期角度大于20度时，依赖于燃烧系统的其它因素和特征，或许需要强力风扇辅助排风。如果有风扇，叶片14相对于X轴8的角度可以在大约20～35度之间变化。

在没有热交换叶片的烟道中，这里需要从排放烟气中提取50MJ的能量，并且烟道具有4英寸的直径，需要大约1.8m长度的烟道提取这些能量。上述的图1到6、11、13到18的实施例的热交换元件具有两侧的叶片，从4英寸直径的烟道中提取50MJ的能量，需要大约0.9m长度的烟道。本发明实施例的两侧具有叶片热交换元件，同从前工艺采用每个叶片单独焊接到烟道上相比，提供一种相对快速和容易的机构制造有叶片的烟道。

制造任何一种上述实施例的元件时，优选金属板材冲压成的指状叶片14，同时构成脊柱14。同时或随后形成后表面22的曲度。下一步是旋转叶片14是它们按设计的角度48相对于Y轴10取向。

热交换元件2、58和56可以选择截面为U、C、J型的管状材料和L型的角钢材料制造。如图12所示，若利用管状材料制造，则中间部分作为脊柱4。通过沿着线31在侧面激光切割出叶片14，这样侧面29和29′可以有在它们上面形成的叶片。如果要求按一定的角度相对于X轴分布，可以把叶片14弯曲到任何需要的位置以及进行旋转。在每种情况中，叶片的一部分会具有部分螺旋结构。

如果必要，在激光切割进行前，侧壁29和29′可以相对于脊柱4一定的角度成形。

在图12中，仅仅一侧29′表明具有成形在上面的叶片14。另一侧29可以具有随后或与侧面29′同时成形在上面的叶片14。可是，如果必要，也可以应用在一侧上的叶片按一定角度分布，而在另一侧上只有单个的直线型叶片29′。

如在L型截面上形成叶片14，所用工艺与上述的工艺类似当然只有一个侧面29′从脊柱4延伸出来。

如果图12的叶片14没有旋转，叶片将平行于X轴8取向。

在燃烧室中排放出来的气体通常具有很大的体积，并且随着排放气体沿着烟道向上移动和热量的传出其体积逐渐减小。为适应这种特征，下述实施例提供允许热水器所具有的热交换元件和加热器烟道一起使得更有效地工作。

示于图13的是本发明另一个实施例的叶片的示意性平面视图。图13的热交换元件62利用上述的任何一种方法制造元件62与其它实施例的不同之处是每个从图13底部开始的叶片14逐步增加相对于X轴8的角度(对应于图6的角14)。应注意相邻叶片14之间的间隔50近似相等。

如果必要，每个叶片14不必有相对于相邻叶片的不同角度。叶片可以分成邻近零件的组别(例如每组具有3～5个或任何合适数目的叶片)，在每组零件中的叶片具有相对于X轴8相同的角度(对应于图6的角14)。而每组叶片相对于X轴8的角度可以随组别不同而变化。优选角的度数变化在元件62的一端的该组叶片具有最小的角，在相对于X轴8度数为0～5度范围；并且在相邻的组别角度逐渐增加，例如在强制气体排放情况下，相对于X轴8角为35～45度，或在自然排放情况下，相对于X轴8角为20～25度。

通过在烟道中安装图13的元件62，使得最小取向角的叶片或叶片组最接近热水器的燃烧室，并且由于角度从最小到最大的变化，可产生一种更有效的能量提取系统。这是由于大体积和高温的排放气体可由相对小角度的叶片影响其流动路径。元件62也在接近燃烧室的热交换元件的端部提供最小的阻力。而体积和温度降低后，要由相对大角度的叶片影响其流动路径。

示于图14的是另一个热交换元件64的叶片的示意性平面视图。元件64的每个叶片相对于X轴8的角度相同(对应于图6的角19)。可是，应注意间隔84、95具有不同的尺度。

示于图15的是图14中的元件64的一部分的立体视图，表示在箭头26方向间隔84到89尺度降低，这个方向就是排放气体离开燃烧室向烟道的下游端流动的方向。

如果必要，间隔84和85的尺度不必不同，类似的85和86的情况等等。间隔可以分成邻近间隔的组别，在每组间隔中的叶片具有相同的宽度。而每组的间隔可以随组别不同而变化。优选间隔的尺度变化在元件64的一端具有最小的尺度，并且在相邻的组别尺度逐渐增加。

通过在烟道中安装热交换元件64，使得最大的间隔位于最接近燃烧室的烟道的上游端，由于间隔大，导致较小的阻力和逆向压力产生。尤其是高温、大体积的气体同低温、小体积的气体相比，任何阻力都会产生较大逆向压力。

示于图16的是另一个热交换元件66的叶片的示意性平面视图。元件66不但沿着箭头26的方向逐步增加相对于X轴8的角度(对应于图6的角19)，而且在箭头26方向间隔84到95尺度增加。元件66有效地复合了元件62、64，可以安装和上述的元件62、64一样的方式安装在热水器烟道中。

示于图19的是8英寸烟道的横截面，其中绕烟道52的内周具有十个热交换元件2。在每个热交换元件上的叶片14具有圆角46、44(如图1)。一个工具172用来保持元件2在靠近烟道的位置，与此同时将元件2焊接到合适位置。工具172具有I型，优选环型。

尽管上述的说明和实施例涉及适合安装在烟道内表面的热交换元件，在本领域的技术人员很快会理解本发明实施例的热交换元件也可以用在烟道的外表面，支承件的后表面具有凹形的轮廓从而与烟道的外周匹配。

示于图20的是细长形的热交换元件180，它包括一个一定轮廓的支承件182和两个向前延伸的平面状叶片184、186。叶片184、186沿着X轴8以及Z轴12的正向延伸。延伸的叶片184、186也相对于Y轴10一定的角度取向。靠近烟道的燃烧室一端的叶片184、186的端部可包括一个斜度188，以便减小延伸离开支承件182的叶片的长度。这会降低通过叶片热传递的水平，同样和由于上述同样的理由对应于在图1区域30中缩短的叶片14。热交换元件180不会导致排放气体的螺旋形流动。

从图22应注意，每个元件的叶片184、186大体上同从烟道52轴线出发的半径共线。每个元件180是具有与烟道52内径相同外径的的圆的扇形形状。

示于图21、22的是六个热交换元件180，按照上述的热交换元件的其它实施例基本相同的方式，在燃烧或燃油热水器的烟道52的内周间隔分布。

示于图23的是具有绕烟道52的内周焊接在恰当位置的元件2(图1-3)的烟道52。焊缝190表明焊接保持住热交换元件在恰当位置。在烟道底部，燃烧室端部194，是一系列的十个叶片192(在烟道52的一侧只有5个可见)，都沿着焊缝190布置。每个叶片192，具有大约150mm～200mm的长度，大约8mm～10mm的厚度，大约20mm的厚度；其中厚度是垂直离开烟道52测量的，长度是平行于烟道纵轴测量的。叶片192位于烟道52的外侧，用来在燃烧室端部194帮助同热交换元件接触的排放气体降低温度。

这些叶片192除了用作热交换元件的有斜度长度部分的叶片，或如果从叶片192提供足够的热传递，则可以代替热交换元件的有斜度的一端。为增加热传递能力，叶片192可以利用上述的图1-20的叶片代替。

为提高上述热交换元件的效率，尤其是在位于远离燃烧室的支承件一端的热交换元件的端部，可使用导流器。这种导流器示于图4，并伴随一个与图4所示类似的热水器。从图24可以看出，由圆筒管222构成的导流器220，由盘224在一端密封，确保在烟道顶端，烟道气体被强制流过热交换元件2的叶片14。这确保最热的气体(否则会通过管的中心流过)不从热交换元件的旁边流过。

提供的热交换元件2具有纵向延伸支承件，它的一个优点是任何出现在邻近支承件的燃烧室端的烟道壁的热强度能很快散失掉。通过快速散热，烟道的釉料会比没有叶片192得到更好的保护，从而同从前工艺相比，有利于提供更长的寿命，以及快速和便宜地生产该组件。

尽管上述实施例公开了通常使用平直的叶片，其它形状的如曲面、斜角形的叶片也可以应用。可是，应理解，与在这里公开的矩形叶片相比，这些叶片要耗费更多的时间制造，这样更昂贵，可能需要更复杂的成形工艺。

应理解公开的本发明可进行提及的两个或多个特征进行折合。所有这些折合构成本发明的不同方面。

对本领域技术人员很明显，在不脱离本发明范围前提下，可以进行本发明的前述实施例和修正。

Claims (53)

1.一种可附加在燃烧设备的烟道内侧以便帮助热量传输通过所述烟道的热交换元件，所述热交换元件具有细长的结构，该结构具有第一部分和一个或两个第二部分，以便所述第一部分和所述一个或两个第二部分分别形成为L或U形的横截面，所述第一部分适合连接到所述烟道的内侧并且其轮廓与所述烟道轮廓匹配，所述一个或两个第二部分包括至少一个叶片，在附加到烟道中时，该叶片相对于所述烟道沿径向向内的方向从所述第一部分延伸出来，在附加到烟道中时，在所述元件的将位于接近于所述燃烧设备的燃烧室的第一端处，所述一个或两个第二部分从所述第一部分延伸出来的延伸长度，与所述一个或两个第二部分位于所述第一端以外的部分的延伸长度相比较短。

2.如权利要求1所述热交换元件，其特征在于每个叶片是多个片状或指状元件。

3.如权利要求2所述热交换元件，其特征在于至少一个所述片状或指状元件包括一个表面，在安装到烟道中时，该表面相对于烟道的纵向轴线定向在10°到35°的角度范围内。

4.如权利要求1到3中任何一项所述热交换元件，其特征在于所述元件由板材成型并折叠成需要的形状。

5.如权利要求1到3中任何一项所述热交换元件，其特征在于所述元件由槽形件成型。

6.如权利要求1到3中任何一项所述热交换元件，其特征在于所述元件由L形的件成型。

7.如权利要求1到3中任何一项所述热交换元件，其特征在于所述一个或两个第二部分仅包括一个叶片，其中当附加在烟道中时，每个叶片平行于所述烟道的纵向轴线延伸。

8.如权利要求2或3所述热交换元件，其特征在于所述每个片状或指状元件与所述烟道的所述纵向轴线之间具有相同的角度。

9.如权利要求1到3中任何一项所述热交换元件，其特征在于所述第一部分的轮廓包括与所述烟道的外形相匹配的外形，所述元件连接至所述烟道中。

10.如权利要求1到3中任何一项所述热交换元件，其特征在于所述第一部分的轮廓具有这样的形状，该形状提供至少一个区域，通过该区域所述元件能够接触并连接到所述烟道中。

11.如权利要求1到3中任何一项所述热交换元件，其特征在于所述第一部分的所述轮廓的半径不大于所述烟道的内侧半径。

12.如权利要求1到3中任何一项所述热交换元件，其特征在于在所述元件的第二端所述元件的第一预定长度内，所述一个或两个第二部分从所述第一部分延伸出相同的长度，在所述元件长度中除了所述第一预定长度的长度内，其中所述元件长度为沿该元件的主要尺寸方向的长度，所述一个或两个第二部分从所述第一部分延伸出来的延伸长度逐渐减小，以便在所述元件接近所述燃烧室的第一端，所述一个或两个第二部分在所述元件上具有最短的延伸长度。

13.如权利要求12所述热交换元件，其特征在于所述的第一预定长度在所述元件长度的50％到80％范围内。

14.如权利要求1到3中任何一项所述热交换元件，其特征在于所述一个或两个第二部分为平面状。

15.如权利要求1到3中任何一项所述热交换元件，其特征在于所述一个或两个第二部分为部分螺旋形。

16.如权利要求1到3中任何一项所述热交换元件，其特征在于所述一个或两个第二部分赋予在使用时流过它们的气体至少部分螺旋的运动。

17.如权利要求2或3所述热交换元件，其特征在于每个所述片状或指状元件或一组所述片状或指状元件与烟道的纵向轴线成一个角度，该角度不同于其它每个所述片状或指状元件，或其它组所述片状或指状元件。

18.如权利要求2或3所述热交换元件，其特征在于在所述元件的一端，所述片状或指状元件或其它组所述片状或指状元件与在所述元件另一端的所述片状或指状元件或其它组所述片状或指状元件相比较，相对于所述烟道的纵向轴线所成的角度较小。

19.如权利要求18所述热交换元件，其特征在于所述烟道的纵向轴线与每个所述片状或指状元件之间的角度沿元件长度逐渐增大。

20.如权利要求2或3所述热交换元件，其特征在于相邻片状或指状元件或相邻所述片状或指状元件组之间的隙缝或间距是恒定的尺寸。

21.如权利要求2或3所述热交换元件，其特征在于相邻片状或指状元件或相邻所述片状或指状元件组之间的隙缝或间距，从所述元件一端到另一端减小。

22.如权利要求1到3中任何一项所述热交换元件，其特征在于所述热交换元件安装到所述烟道中后，涂上釉料。

23.一种热水器，包括：一个适于装水的水箱，一个内部具有燃烧器的燃烧室，该燃烧器提供在高温下燃烧的气体产物源，一个烟道，其穿过该水箱以便将所述燃烧产物运送到所述热水器之外，并将热量引入到装在所述水箱内的水中，所述烟道中连接有至少一个如权利要求1到22中任何一项所述的热交换元件。

24.如权利要求23所述热水器，其特征在于一个导流器位于所述烟道中的下游端，用来引导废气通过所述热交换元件。

25.如权利要求24所述热水器，其特征在于所述导流器包括一个一端封闭的圆筒管。

26.如权利要求25所述热水器，其特征在于所述导流器包括在所述圆筒管一端的法兰，以便从所述至少一个热交换元件的所述一个或两个第二部分支承所述圆筒管的所述端部，其中所述圆筒管从所述至少一个热交换元件的最下游端向其上游方向延伸。

27.一种可附加在燃烧设备烟道内部以便帮助热量传输通过所述烟道的热交换元件，所述热交换元件具有细长的结构，该结构具有第一部分和一个或两个第二部分，以便分别形成L或U形的横截面，所述第一部分适合连接到所述烟道的内侧并且其轮廓与所述烟道匹配，所述一个或两个第二部分包括至少一个叶片，在附加到烟道中时，该叶片相对于所述烟道沿径向向内的方向从所述第一部分延伸出来，每个所述叶片是多个片状或指状元件，其中，至少一个所述片状或指状元件包括一个表面，在安装到烟道中时，该表面相对于烟道的纵向轴线定向在10°到35°的角度范围内。

28.如权利要求27所述热交换元件，其特征在于所述每个片状或指状元件与所述烟道的所述纵向轴线具有相同的角度。

29.如权利要求27或28所述热交换元件，其特征在于所述第一部分的轮廓包括与所述烟道的外形相匹配的外形，所述元件连接至所述烟道中。

30.如权利要求27或28所述热交换元件，其特征在于所述第一部分的轮廓具有这样的形状，该形状提供至少一个区域，通过该区域所述元件能够接触并连接到所述烟道中。

31.如权利要求27或28所述热交换元件，其特征在于所述第一部分的所述轮廓的半径不大于所述烟道的内侧半径。

32.如权利要求27或28所述热交换元件，其特征在于在所述元件的第二端所述元件的第一预定长度内，所述一个或两个第二部分从所述第一部分延伸出相同的长度，在所述元件长度中除了所述第一预定长度的长度内，其中所述元件长度为沿该元件的主要尺寸方向的长度，所述一个或两个第二部分从所述第一部分延伸出来的延伸长度逐渐减小，以便在所述元件接近所述燃烧设备的燃烧室的第一端，所述一个或两个第二部分在所述元件上具有最短的延伸长度。

33.如权利要求32所述热交换元件，其特征在于所述的第一预定长度在所述元件长度的50％到80％范围内。

34.如权利要求27或28所述热交换元件，其特征在于所述片状或指状元件为平面状。

35.如权利要求27或28所述热交换元件，其特征在于所述片状或指状元件为部分螺旋形。

36.如权利要求27或28所述热交换元件，其特征在于所述片状或指状元件赋予在使用时流过它们的气体至少部分螺旋的运动。

37.如权利要求27或28所述热交换元件，其特征在于每个所述片状或指状元件或每组所述片状或指状元件与烟道的纵向轴线成一个角度，该角度不同于其它每个所述片状或指状元件，或其它组所述片状或指状元件。

38.如权利要求27或28所述热交换元件，其特征在于在所述元件的一端，所述片状或指状元件或其它组所述片状或指状元件与在所述元件另一端的所述片状或指状元件或其它组所述片状或指状元件相比较，相对于所述烟道的纵向轴线所成的角度较小。

39.如权利要求27或28所述热交换元件，其特征在于所述烟道的纵向轴线与每个所述片状或指状元件之间的角度沿元件长度逐渐增大。

40.如权利要求27或28所述热交换元件，其特征在于相邻片状或指状元件或相邻所述片状或指状元件组之间的隙缝或间距是恒定的尺寸。

41.如权利要求27或28所述热交换元件，其特征在于相邻片状或指状元件或相邻所述片状或指状元件组之间的隙缝或间距，从所述元件一端到另一端减小。

42.如权利要求27或28所述热交换元件，其特征在于所述热交换元件安装到所述烟道中后，涂上釉料。

43.如权利要求27所述热交换元件，其特征在于所述元件由板材成型并折叠成需要的形状。

44.如权利要求27所述热交换元件，其特征在子所述元件由槽形件成型。

45.如权利要求27所述热交换元件，其特征在于所述元件由L形的件成型。

46.一种热水器，包括：一个适于装水的水箱，一个内部具有燃烧器的燃烧室，该燃烧器提供在高温下燃烧的气体产物源，一个烟道，其穿过该水箱以便将所述燃烧产物运送到所述热水器之外，并将热量引入到装在所述水箱中的水中，所述烟道中连接有至少一个如权利要求27所述的热交换元件。

47.如权利要求46所述热水器，其特征在于一个导流器位于所述烟道中的下游端，用来引导废气通过所述热交换元件。

48.如权利要求47所述热水器，其特征在于所述导流器包括一个一端封闭的圆筒管。

49.如权利要求48所述热水器，其特征在于所述导流器包括一个在所述圆筒管一端的法兰，以便从所述至少一个热交换元件的所述一个或两个第二部分支承所述圆筒管的所述端部，其中所述圆筒管从所述至少一个热交换元件的最下游端向其上游方向延伸。

50.如权利要求46所述所述热水器，其特征在于所述元件由板材成型并折叠成需要的形状。

51.如权利要求46所述所述热水器，其特征在于所述元件由槽形件成型。

52.如权利要求46所述所述热水器，其特征在于所述元件由L形的件成型。

53.一种热交换器组件，包括：

一个管状烟道，具有环绕气流通道的一个或多个内表面；和

多个如权利要求1到3中任何一项所述的热交换元件，环绕烟道轴线间隔分布，并固定到所述一个或多个内表面上，从而位于所述通道中；

其中每个所述热交换元件都与所述烟道的纵向轴线对齐。

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