CN1417527A - 改进的水加热器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水加热器，该水加热器包括：一个水箱(1)，水箱(1)由具有热传输性能的材料制成的壁(2)和与水箱的一端相邻的一个冷水入口(5)。一个管道(8)围绕所述水箱壁(2)进行固定外部安装且用以输送冷却流体。所述管道具有沿着其长度布置的热传导材料，热传导材料与所述水箱壁的外表面进行热传导性接触以将由所述管道中冷却流体的冷凝产生的热量通过所述壁而输送至水箱(1)中的水。一个蒸发器(15)暴露布置在周围环境中，该蒸发器用于吸收周围环境的热能，蒸发器还具有一个通道以输送冷却流体，而所述冷却流体可由周围环境加热。一个压缩机(12)与所述通道相连，该压缩机与所述管道(8)相连以使冷却流体在所述管道中循环并流至所述蒸发器(15)。

Description

改进的水加热器

技术领域

本发明涉及水加热器的设计和制造中的改进，更具体地说，本发明涉及加热泵水加热器的设计和制造。

背景技术

在说明书中对现有技术的任何讨论内容均不应被认为是一种承认，即这些现有技术是被广泛了解的或形成为本领域中共用知识的一部分。

澳大利亚专利No.603510披露了一种水加热器和水加热器所用的热交换器的制造方法，其中，用于输送致冷流体的管道围绕水箱布置且通过热传导粘合材料粘结到水箱壁上。该管道在张力的作用下缠绕在水箱上，从而，在应用中，在管道和水箱的膨胀和收缩的过程中减少了热传导粘合材料破坏的可能性。在一个烤箱中烘烤水箱而使粘合材料变硬。粘合材料起到两种作用：将管道匝粘合到水箱上；其次是提高管道和水箱之间的热传输性能。

但是，与这种方法相应的一个问题是：它需要利用一种比较昂贵的、专门配制的粘合材料，该材料需要在烤箱或炉灶中且在约250℃的高温下烘烤约2小时而使其硬化。利用烤箱而使粘合材料变硬的需要就增加了制造的时间和成本。

因此，本发明的一个目的是克服或改善现有技术的至少一个缺陷，或提供一种有用的选择。

发明内容

至此，本发明的第一个方面是提供一种水加热器，该加热器包括：

一个水箱，该水箱具有由传热性能的材料形成的壁；

与水箱的一端相邻的一个冷水入口；

用于输送冷却流体的一个管道，该管道固定安装在所述箱壁的外部；

沿着所述管道的长度布置的热传导材料，所述管道和热传导材料与水箱壁的外表面进行热传导性接触，从而将由所述管道中的冷却流体的冷凝所产生的热传输过所述壁以输送至水箱中的水；

一个蒸发器，该蒸发器暴露至周围环境而进行定位，该蒸发器用于吸收来自所述周围环境的热量且具有用于输送所述冷却流体的一个通道，这样，所述冷却流体就可由周围环境来加热；

一个压缩机，该压缩机与所述通道和所述管道相连以使冷却流体流过所述管道而到达所述蒸发器。

除非在内容中清楚地提出要求，否则在整个描述内容和权利要求中，词语“包括(comprise，comprising)”或类似的词均具有一个广泛的含义，其含义不是唯一的或限定性的；也就是说，其含义为“包括(including)，但并不仅限于此”。

优选的情况为，管道围绕所述水箱卷绕。

优选的情况为，热传导性材料与管道的长度基本上是共同延展的。

优选的情况为，管道由铜或基于铜的合金制成。

优选的情况为，管道在一个或多个位置处被机械性地紧固在水箱壁上。

在一个优选的实施例中，围绕水箱卷绕两根或多根管道以输送冷却流体。

本发明的第二个方面提供了用于制作水加热器的热交换器的一种方法，该方法包括如下步骤：将管道的一端附加到金属水箱的外表面上；围绕水箱的外表面布置所述管道；在管道和水箱壁之间喷涂传热性密封材料。

优选的情况为，管道围绕水箱的外表面卷绕。更优选的情况为，将管道在预定的张力下卷绕到水箱的外表面上。

在一个优选的实施例中，管道围绕水箱卷绕的绕匝之间的间距可变化。更优选的情况为，在水箱底部，管道的绕匝非常靠近。而朝着水箱的顶部，相邻绕匝之间的间距逐渐增大。

优选的情况为，与澳大利亚专利No.603510所披露的现有的水加热器相比较，本发明消除了在较高的温度下将粘合材料进行处理的需要。与澳大利亚专利No.603510所披露的水加热器相比较，所述的传热材料提高了管道和水箱之间的热传导与在现有技术中所披露的粘合材料不同，不将管道保持在水箱壁上。根据本发明，所述管道被机械性地保持在水箱壁上。

附图说明

参考附图，下面将只通过例子而对本发明的一个优选实施例进行描述，其中：

图1所示为结合有一个热交换器的水箱的部分剖面立视图，该热交换器适用于本发明的水加热器；

图1A所示为水箱的一部分的放大剖面立视图，图中显示了在水箱上附加的管道；

图2A所示为将管道施加到水箱上所用的机构的示意性立视图；

图2B所示为图2A中所示的管道变形辊子的示意性放大立视图；

图3所示为一个示意图，图中显示了实现本发明的太阳能加热泵水加热系统的布局；

图4显示了一种结构的示意图，该结构用于冷却图3中的系统所用的压缩机；

图5所示为一种布局示意图，该示意图显示了图3的系统中所用的太阳能集能器中的冷却剂通道的布局；

图6显示了图3所示系统中应用的一个太阳能蒸发器/集能器的侧面剖视立视图。

具体实施方式

参考附图，水箱1具有：筒形壁2；底壁3；凸出的顶壁4；冷水入口5和一个热水出口7。冷水入口5与底壁3相邻且包含一个扩散器或称为分流器6，热水出口7与顶壁4相邻。图中所示的底壁3为凹形，如果需要的话，底壁3也可以为凸形。用于输送冷却剂如冷却剂R22的一根管道8卷绕在水箱壁2的外表面上。管道8是由铜或基于铜的合金制成的。如图1A所示，管道8最好是经修整的，这样，其截面基本为D形且具有与水箱壁相贴紧的一个平坦面。在管道8和水箱壁的相邻表面之间布置有热密封粘合剂9以在其间进行热传导。优选的情况为，热密封粘合剂是沿着管道8和水箱壁2之间的交界面的整个长度布置的。但是，应认识到：热密封粘合剂也可沿着所述交界面间断性地布置，虽然这样通常会降低热传输效率。在应用中，为保证管道和水箱壁2在膨胀和收缩的过程中尽可能进行接触，管道8应在张力作用下卷绕到水箱1上，从而在张力作用下机械性地固定到水箱1上。该过程可通过图2A中示意性显示的方式来实现。

虽然优选将管道8螺旋卷绕到水箱壁2的外表面上，但应注意到：也可采用其他方式将管道8布置到所述箱的外壁上。例如，管道可以手风琴似的方式形成且布置在所述箱的外壁上，这样管道就可上下延伸过水箱的外壁。但是，应注意到：这样一种结构就对系统的制造增添了额外的复杂性，因此，人们对这种结构的需求就比不上对螺旋卷绕管道的需求。

根据本发明，将粘合剂形式的传热材料9插入或喷涂到管道8和所述箱壁2之间。所述粘合剂最好不需要处理，或者，如果需要处理，也只是在周围环境条件下对其进行处理，从而消除了在烤箱或炉灶中以较高的温度对其进行处理的需要。一种适当的传热粘合剂是在澳大利亚销售的且由Electrolube生产的“HTSP Silicone Heat Transfer Compound Plus(HTSP硅树脂传热复合物添加剂)”。这是一种硅油基热传导粘合剂，其热传导率约为3.0W/mK。也可利用其他适当的传热粘合剂，例如，在澳大利亚销售且由Bostik生产的“Bostik 1128 Heat Transfer Sealer(Bostik1128传热密封剂)”。利用传热密封剂存在多种益处，包括降低产品的成本，以及消除了对处理步骤的需要，这样就显著减少了生产时间。此外，初步的测试也显示出：系统的传热性能也得到了改善。

如图2A所示，所述箱1被支撑在一个转台20上，马达21通过齿轮箱22和链驱动机构23而旋转驱动转台20。由进给辊子24进给适当长度的管道8且通过变形辊子25将管道变形为图1A所示的D形。进给辊子24和变形辊子25形成为包括一个螺母在内的组件的一部分，该螺母与一个进给螺杆26相接合。螺杆26由马达27旋转驱动而将所述组件以与转台20的转速相应的所需转速移动至水箱1的高度，这样，就可将管道8卷绕到水箱上且相邻绕匝之间具有所需的间距。

如图2B中更详细显示的那样，变形辊子25包括一个有滚花辊子28和一个槽式支撑辊子29。辊子28、29由齿轮30、31驱动，它们与夹送棍子24以相同的速度被驱动，从而保证管道28是以同样的速度被进给和变形的。夹送棍子24和辊子28、29受到例如图2B中的参考数字32处的止动垫的限制而不能自由转动。施加到管道上的张力也可通过在弹簧33的作用下将止动垫32与辊子29、齿轮30进行接合来调整，而弹簧33可由一个张紧螺帽34调节性地压缩。

在本实施例中，水箱1上用于固定管道8的那一部分是清洁的，且以一种已知的铜烧化的方式将管道8固定到水箱1上。然后，通过点焊将管道8固定到水箱壁2的底部，之后，利用图2A中所示的机构将管道8卷绕到水箱上。一旦将管道完全卷绕到水箱的长度上，则通过点焊的方式将管道的上端固定到水箱1的壁2上以保持管道8受到张力的作用。

管道8从与底壁3相邻的位置延伸至水箱1上的适当的高度，且在水箱壁2上确定了一个热交换表面S。管道8的最下面一匝8A位于冷水入口5的下面，该冷水入口通常是冷的，这样就使冷却剂更冷以使其足够稳定而进行输送。管道8与澳大利亚专利No.509901中所述的一种常用类型的太阳能加热泵(将在下面的图3中描述)相连，应注意到：在下面描述的系统中已对上述系统进行了变更。也可利用其他形式的加热泵，并根据需要改变由管道8所载运的热交换介质。

可认识到：通过将冷却剂输送管道8附加到水箱1的外表面上，这样可自动达到一种双壁效果且可满足由相关的水管理机构所提出的保护要求，所述管理机构规定与水相关的冷却剂输送管道应是一个双壁管道。管道8和水箱1优选由类似的材料制成，或至少由具有相似热膨胀系数的材料制成。

在本发明的情况中，所述箱1由钢或不锈钢构造，而管道8由铜或基于铜的合金制成。在利用具有不同热膨胀系数的材料的情况下，通过增加以上述方式布置的管道8的卷绕张力可对材料不同的膨胀和收缩速率进行补偿。在任何情况下，在张力的作用下卷绕管道均可确保：在应用中，虽然膨胀和收缩会引起材料的弯曲，但可保持所述的热粘合。

此外，上述的热交换机构特别适用于流体A例如可能包含可沉淀污染物的水，这是由于热交换器的表面S的主要部分是竖直的，这样就阻碍了沉淀物在热交换表面上的集聚。另外，热交换表面S足够大以允许施加涂覆层，例如玻璃质的磁釉，这样可进一步保证产品的传热系数、具有一定传热效率的表面面积，且使被加热的流体A和热交换表面S之间的温度差最小。

热交换表面S的面积是经选择的以在下述相冲突的需求之间给出最好的折衷：

(a)对上述热交换表面是基本垂直、面向下或向下倾斜的要求；

(b)被加热的流体A的热通量密度应足够低以消除流体中的不稳定部分的不稳定性，从而限制热交换表面S和流体A之间的最大温度差，这样，与所述表面相接触的流体就不会被局部加热至一温度点，在该温度点处，流体A会达到某个关键的不稳定温度；

(c)对热交换表面S应足够大且尽量紧凑的要求。

要求(c)使系统的不可逆转性最小，热交换器是系统的一部分，这样就意味着：在冷却剂B和被加热的流体A之间传输的热量的温度应尽可能接近流体A的最低下沉温度。通过使热交换器紧凑，这样就增大了容器的无(热)源容积。该容积作为流体的存储容积以准备输送至流体A的最终用户。

为使热交换器既紧凑又高效，则必须优化管道8的绕匝之间的间隔以及冷却剂或其他传热流体B的流速，从而产生足够大的侧表面积S、传热介质侧表面积T、传热系数、热交换器散热片的效率，如果需要的话，还应产生足够大的无(热)源容积(passive storage)。这种优化要求是一种折衷方案，其主要依赖于系统的尺寸和所应用的流体而定。

上述优选实施例的设计过程可以常用的术语而在下面的内容中进行概括：

考虑到无(热)源存储容积的要求及流体A的层化，在热交换器尽可能紧凑的情况下将表面积S制作得尽可能大，直至表面S上的热传输温度差的增大使上述的益处无效，表面S上的热传输温度差是由传输所需总热通量的面积的减少引起的。

然后，通过设定的工程设计工艺来确定热交换表面S的外表面上的管道的间隔和尺寸，如果应用所述工程设计工艺的话，需要考虑管道内的热传输、管道与壁接合部的热传导和散热片的效率。

如果对管道间隔的计算显示出：通过一些对表面积S的折衷所述设计作进一步的优化是可能的，则需要对确定的表面积S重新进行考虑。

为避免将尚未被完全加热或冷却的流体混合而降低流体的存储容积，则应促使流体在不同的温度下尽可能层化。为达此目的，进入管和排出管布置得不通过搅动流体A而促使其混合。冷水管道5布置在水箱的底部而热水管道7布置的水箱的上部。为减少涡流，可认识到：进入管5的轴线与分层的轴线相垂直。此外，在冷水入口5处利用了一个面向下的扩散反射器6，且在热水出口7处利用了一个面向上的扩散反射器6a以进一步减少混合和涡流。

优选布置所述热交换器以实现逆流原理，从而进一步改善热交换。在所示的实施例中，可认识到：冷却剂B从卷绕管道8的顶部流向底部。

图3中示意性地显示了一个优选的太阳能加热泵水加热系统，从该图中可看到，该系统包括用以实现本发明的一个热交换系统，其中具有绝热泡沫11的壳体10包围一个水箱1和冷却剂输送管道8。为方便起见，泵加热系统的压缩机12和接收器/过滤器/干燥器13安装在位于水箱壳体10的顶部之上的一个冷却底盘14上。这种布置消除了将壳体10支撑在一个升高的位置而像通常那样将压缩机和接收器布置在水箱壳体之下的需要，从而降低了制造成本。

压缩机12最好是一个旋转压缩机，虽然在实质上没有降低系统效率的情况下也可利用其他形式的冷却压缩机。优选旋转压缩机是因为其运行比较平顺安静。此外，旋转压缩机可接收压缩机吸收侧上的液滴，而其他类型的液滴很难接收所述液滴。在太阳能加热泵中，由于温度的急剧变化而可产生所述液滴，而温度的变化可由天气状况的改变引起。

为将系统的热损失降至最小，优选对压缩机12进行外部绝热。为对该外部绝热所产生的热量积聚进行部分平衡，通过使冷却剂从冷凝器或接收器的出口直接流入入口吸收管线或通过一个旁路管线进入缸筒的“吸入侧”而对压缩机进行降温，所述旁路管线优选是通过一个控制阀、毛细管或固定孔(未显示)来控制。图4中示意性地显示了达到这种效果所用的一种结构，该结构包括包围在绝热壳体12B中的一个缸筒12A，缸筒12A包括一个滚动活塞12C和一个叶片12D。液体喷射管12E被连接入压缩机12中且处于冷却液管线和吸入管线12G之间。通过这种结构，通常被浪费到空气中的热量通过冷凝器而进入水箱中的水。现在已发现：与商业应用压缩机那样直接喷入缸筒中相比，图4中的结构更可靠。

该系统包括一个恒温器控制系统，该控制系统包括一个恒温器T。

更复杂的恒温器的变化情况包括：

(a)一个可变的或双恒温器设置，该装置依据阳光的强度来调整；或者

(b)当该单元在运行时，感测到蒸发温度而将其作为潜在性能的一种指示，这样，再顺次增大或降低恒温器的设置点。

上述系统的总体目标是通过在有日光的几小时内将水温升高至比在夜间高的温度，从而使该系统倾向在白天运行。通过使恒温器的设置点随太阳辐射和周围大气温度变化可作进一步的改进，虽然在这种情况下也需要控制的“智能化”，这样，在冬天可达到足够高的水温。同样，也可使系统在一个低费用(远离高费用)的时间内基本保持运行。

压缩机12和接收器13与一系列太阳蒸发器盘15相连，所述太阳蒸发器盘15布置在暴露于太阳中的位置中。每个蒸发器盘包括多个冷却剂通道16，冷却剂通道16最好按图5所示的结构布置。每个蒸发器盘15由两个金属片制成，除通道16的区域之外，所述的两个金属片通过所谓的Roll-Bond^TM工艺焊接在一起，该工艺在本领域中是公知的。由于蒸发器盘是由薄金属片制成的，因此，如图6中的剖面立视图所示，每个蒸发器盘被支撑在向外弯曲的轮廓中。通过将一个模制的绝热泡沫成型件17定位在每个盘15的后面而保持所述向外弯曲的轮廓，如图3和图6所示，该组件由两个支撑件来支撑。每个蒸发器盘15还通过沿着盘15的每个纵边缘的一个角部结构18来加强。目前已发现上述的蒸发器盘结构在风测试中可达到良好的效果，该风测试用于估测在将蒸发器盘安装在住所的屋顶上时蒸发器盘对所遇到的风力的承受能力。

如图5所示，每个蒸发器盘是由三个独立且平行的冷却通道16形成，三个独立且平行的冷却通道16的一端通过一个集流管(manifold)19连接在一起，冷却剂管线(未显示)与该集流管19相连。如图3所示，蒸发器盘15顺次相连，这样，第一个盘的出口集流管与第二个盘的入口集流管相连，依此类推。如在图5中所进一步看到的那样，与蒸发器盘的一端处的集流管相连的第一通道是与蒸发器盘的另一端处的集流管相连的最后一个通道而有助于使平行的通道16中的冷却剂的流量相等。在每次汇合之后，将集流管的截面面积减小而进一步有助于使流量相等。这种结构使集流管及其汇合点的截面面积最小而在集流管上产生了一个给定的设计压力降。与另外的“Roll Bond”蒸发器中使用的常用“华夫(waffle)”型分配器的性能相比，对于给定的冷却剂压力降来说，这种结构改善了爆发压力。

由于以上这些特征，该蒸发器盘可利用高蒸发压力的冷却剂如R22而没有在蒸发器上发生较高的压力降。此外，可按照通常的需要而将该蒸发器以向下倾斜的角度安装，而通道16之间的等量的流量不受重力的影响，所述重力通常会使流量最低。将冷却流体输送至每个蒸发器盘15的顶部而不像通常情况下那样输送至底部，在具有底部入口的情况下，由于所述蒸发器盘不必充满冷却剂，这样所利用的冷却剂的量就较少。该装置的一个额外的优点在于：由于油料不会象在底部入口那样在蒸发器盘的底部集聚，可实现压力油的返回。冷却剂的从顶部进入与高速的冷却剂循环的结合可使潮湿的流体在通道16内进行环形流动，这样就改善了从蒸发器盘至流体的热量传输。在这种运行模式下，冷却气体在潮湿的流体环面中流动。

在冷却剂回流至压缩机之前布置有一个液体阻滞件(trap)以在系统关闭时消除液体在盘15中的集聚在重力的作用下流入压缩机入口。阻滞件的尺寸必须这样确定：即在运行过程中使燃油载运冷却气。

从图3中可看到，液体管线中的TX阀布置在冷却底盘14内，而不是像通常那样布置在蒸发器盘15处。虽然必须允许在该位置处对TX阀的定位进行补偿，但应认识到：在该位置中，该TX阀可以一种优良的方式运行，且通过将TX阀布置在该位置中而简化了系统的制造。通过将TX阀进行适当的过热设置而可产生适度的过热。

将上述实施例中的蒸发器盘安装在暴露于太阳中的一个位置中，如图3中的点划线所示，蒸发器盘可安装在壳体10之外，且处于围绕该结构的一个包装件中，在该包装件的区域中，周围温度较高，或者，将水箱安装在房顶上或至少部分暴露在阳光下的另一个位置中。在这种状态下，所述加热泵至少部分作为一个空气源加热泵而运行。

上面虽参考特殊实施例而对本发明进行了描述，但本领域的技术人员应认识到：本发明也可通过其他多种形式来实现。

Claims (13)

1.一种水加热器，包括：

一个水箱，该水箱具有由热传导性能材料制成的壁；与水箱的一端相邻的冷水入口；

围绕所述水箱壁进行外部固定安装且用以输送冷却流体的一个管道；所述管道具有沿着其长度布置的热传导材料，热传导材料与所述水箱壁的外表面进行热传导性接触以将从所述管道中冷却流体的冷凝产生的热量通过所述壁而输送至水箱中的水；

定位暴露在周围环境中的一个蒸发器，该蒸发器用于吸收周围条件中的热能，蒸发器还具有一个通道以输送冷却流体，从而所述冷却流体可由所述周围条件加热；

与所述通道相连的一个压缩机，该压缩机与所述管道相连以使冷却流体在所述管道中循环并流至所述蒸发器。

2.根据权利要求1所述的水加热器，其特征在于：传热材料包括布置在管道和水箱壁之间的一种粘合剂。

3.根据权利要求1或2所述的水加热器，其特征在于：所述管道围绕所述水箱螺旋卷绕。

4.根据权利要求1至3之一所述的水加热器，其特征在于：所述管道的截面基本为D形。

5.根据权利要求1至4之一所述的水加热器，其特征在于：热传导性材料与管道的长度共同延伸。

6.根据权利要求1至5之一所述的水加热器，其特征在于：所述管道是由铜或基于铜的合金制成。

7.根据权利要求1至6之一所述的水加热器，其特征在于：所述管道在一个或多个位置处机械地紧固在水箱壁上。

8.根据权利要求1至7之一所述的水加热器，其特征在于：在水箱上卷绕两根或多根管道以输送所述冷却流体。

9.一种用于制作水加热器的方法，该方法包括如下步骤：将管道的一端连接到金属水箱的外表面上，围绕水箱的外表面卷绕所述管道，在管道和水箱壁之间喷涂传热性密封材料。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：所述管道围绕水箱的外表面卷绕。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于：将管道在预定的张力下卷绕到水箱的外表面上。

12.根据权利要求9至11之一所述的方法，其特征在于：围绕水箱卷绕的管道的绕匝之间的距离是可变化的。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于：在水箱底部，管道的绕匝距离非常靠近；而朝向水箱的顶部，相邻绕匝之间的间距逐渐增大。

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