CN203501456U - 一种自由活塞电热泵开水器系统 - Google Patents

Abstract

一种自由活塞电热泵开水器，其包括自由活塞斯特林热泵系统和开水控制处理系统。自由活塞斯特林热泵系统包括自由活塞斯特林热泵、低温端换热回路和高温端换热回路。开水控制处理系统包括依次连通的净水器、加热水箱、储水箱。自由活塞斯特林热泵系统高温端换热回路的加热换热器与开水处理系统的加热水箱相连接。该自由活塞电热泵开水器装置采用了新型的自由活塞斯特林热泵，泵热温度可达100℃以上。该装置具有结构紧凑、能效比高、采用的工质无污染等优点。而且直线振荡电机工作在室温，具有较高的寿命。此外，采用加热水箱和开水储水箱分隔开的方法避免了“阴阳水”和“千沸水”的出现。

Description

一种自由活塞电热泵开水器系统

技术领域

本实用新型涉及开水器技术领域，尤其涉及一种利用自由活塞电热泵加热饮用水的自由活塞电热泵开水器系统。

背景技术

在办公大楼、学校教学楼、车站、机场、食堂、医院等地方电开水器的应用十分普遍。目前所采用的开水器大多是利用电加热元件将电能转化为热能来加热饮用水，这些电热开水器最主要的问题在于电热转换率较低（一般低于90%），不利于节约能源。

随着空气源热泵的发展，中国发明授权专利CN2926915Y提出了热泵式开水器以提高能源利用率。但是传统热泵受高温特性的限制，随着水箱中水温的升高，热泵系数会大大降低。受工质和冷凝器的限制，较难将水加热至92℃以上。中国实用新型专利CN200961946Y、CN201532002U和CN201532003U提出的热泵开水器将热泵加热与电加热相结合，先用热泵将水加热至60-85℃，再用电加热方式将水烧开。这种方法在一定程度上提高了电能的利用，但其效率仍有待进一步提高。中国实用新型专利CN201954743U提出的热泵开水器采用多级温差释放热量和递增取热技术，利用冷凝器总成装置可将出水温度提高到100℃以上。该装置能效比较高，但是所采用的冷凝器总成装置由多个冷凝器单元串联组成，其结构较为复杂。

近期，余国瑶等人提出了一种自由活塞斯特林热机（申请号：201310020114.8），其结构示意图如图1所示；具体包括：缸体、直线振荡电机7、动力活塞8和设在该缸体内的排出器4，动力活塞8包括塞体和隼部，塞体设在该缸体内，隼部插入在直线振荡电机7的线圈内，动力活塞8与第一平面支撑弹簧9固定连接，排出器顶部的排出器固定支座12通过第二平面支撑弹簧11与排出器4固定连接，缸体内具有压缩腔6和膨胀腔1，排出器4在压缩腔6和膨胀腔1之间振动，热机缸体内壁上还设有吸热端换热器2和放热端换热器5，排出器4与缸体一端之间的空腔为电机背腔10，排出器4与动力活塞8之间的空腔形成膨胀腔1，动力活塞8在缸体另一端的空腔与膨胀腔1之间振动，排出器4的相位落后于动力活塞8的相位；吸热端换热器2靠近动力活塞8，放热端换热器5远离动力活塞8；该自由活塞斯特林热机可采用电驱动而制成自由活塞斯特林热泵（或热泵/制冷机两用系统）、亦可利用低温冷源（如液态天然气）而制成自由活塞斯特林发电机；作为自由活塞斯特林热泵其工作原理为：动力活塞8与排出器4同时下行，使气体工质在膨胀腔1内膨胀，温度降低，吸热端换热器2中气体从室温吸热；动力活塞8下行，排出器4上行，气体从膨胀腔1流经回热器3进入压缩腔6，途中从回热器3吸收热量，温度升高；动力活塞8与排出器4同时上行，使气体在压缩腔6内被压缩，通过放热端换热器5向外界放热；动力活塞8下行，排出器4上行，使气体从压缩腔6流经回热器3进入膨胀腔1，途中将热量释放给回热器3，气体温度降低。该自由活塞热泵采用气体（如氦气等）为工质，泵热温度可达100℃以上，且效率较高。

发明内容

本实用新型目的在于提供一种结构紧凑的高效自由活塞电热泵开水器系统，以克服现有开水器技术中的结构复杂或热转换效率不高等不足。

本实用新型的技术方案如下：

本实用新型提供的自由活塞电热泵开水器系统，其由自由活塞斯特林热泵系统和开水控制处理系统32组成；其特征在于，所述开水控制处理系统32包括依次连通的净水器22、加热水箱23和内设保温加热丝31的开水储水箱29；所述加热水箱23和开水储水箱29中分别设置有温度传感器及水位计；

所述自由活塞斯特林热泵系统包括自由活塞斯特林热泵13、回路上装有加热换热器20的高温端换热回路18和回路上装有空气源换热器15的室温端换热回路14；所述高温端换热回路18连接于所述自由活塞斯特林热泵13的放热端换热器5，所述高温端换热回路18通过加热换热器20与开水控制处理系统32的加热水箱23相连；所述室温端换热回路14连接于所述自由活塞斯特林热泵13的吸热端换热器2；及

装于净水器22进水口管路上的净水器进水阀21、装于加热水箱出水口与储水箱进水口之间连接管路上的储水箱进水控制阀26；和装于开水储水箱29底部出水口的储水箱出水阀30；

所述加热水箱23容积小于开水储水箱29容积。

所述自由活塞斯特林热泵13为自由活塞斯特林热机，其工质为氦气或氮气。

所述自由活塞斯特林热机包括缸体、直线振荡电机7、动力活塞8和设在所述缸体内的排出器4，动力活塞8包括塞体和隼部，塞体设在该缸体内，隼部插入直线振荡电机7的线圈内，动力活塞8与第一平面支撑弹簧9固定连接，排出器4顶部的排出器固定支座12通过第二平面支撑弹簧11与排出器4固定连接，排出器4与缸体一端之间的空腔形成压缩腔6，缸体内动力活塞8与缸体另一端的空腔形成电机背腔10，缸体内排出器与动力活塞之间的空腔形成膨胀腔1；动力活塞8在电机背腔10与膨胀腔1之间振动，排出器4的相位落后于动力活塞8的相位，缸体内壁上还设有吸热端换热器2和放热端换热器5，吸热端换热器2靠近动力活塞8，放热端换热器5远离动力活塞8，吸热端换热器2和放热端换热器5之间设置有回热器3。

在所述空气源换热器15输出口与吸热端换热器2相连的连接管路上装有室温泵16；在所述加热换热器20的输入端与放热端换热器5的连接管路上装有高温泵19。

所述高温端换热回路18中的工质为导热油或沸点为100-200℃的液体；

所述加热换热器20设置在加热水箱23底部或螺旋环绕在加热水箱23中。

所述空气源换热器15外侧装有风机17。

所述开水储水箱29的容积根据需要为20-200升，加热水箱23容积为2-5升。

本实用新型提供的自由活塞电热泵开水器系统采用了新型的自由活塞斯特林热泵，其结构紧凑、能效比高、采用的工质无污染；而且直线振荡电机工作在室温，具有较高的寿命；此外，采用加热水箱和开水储水箱分隔开的方法避免“阴阳水”和“千沸水”现象的出现；加热水箱容积比储水箱容积小得多，可以缩短开水用完后的等待时间，且连续出水量大于开水储水箱容积。

附图说明

图1为自由活塞斯特林热机结构示意图；

图2为本实用新型自由活塞电热泵开水器系统（实施例）的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例进一步描述本实用新型；但所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

图2为本实用新型的自由活塞斯特林电热泵开水器系统（一实施例）的结构示意图。如图2所示，本实用新型提供的自由活塞电热泵开水器系统，其由自由活塞斯特林热泵系统和开水控制处理系统32组成；所述开水控制处理系统32包括依次连通的净水器22、加热水箱23和内设保温加热丝31的开水储水箱29；所述加热水箱23中设置有加热水箱温度传感器24及加热水箱水位计25，所述开水储水箱29中设置有储水箱温度传感器27及储水箱水位计28；

所述自由活塞斯特林热泵系统包括自由活塞斯特林热泵13、回路上装有加热换热器20的高温端换热回路18和回路上装有空气源换热器15的室温端换热回路14；所述高温端换热回路18连接于所述自由活塞斯特林热泵13的放热端换热器5，所述高温端换热回路18通过加热换热器20与开水控制处理系统32的加热水箱23相连；所述室温端换热回路14连接于所述自由活塞斯特林热泵13的吸热端换热器2；及

装于净水器22进水口管路上的净水器进水口阀22、装于加热水箱出水口与储水箱进水口之间连接管路上的储水箱进水控制阀26；和装于开水储水箱29底部出水口的储水箱出水阀30。

所述自由活塞斯特林热泵13为余国瑶等人提出的用作热泵的自由活塞斯特林热机（申请号：201310020114.8），其工质为氦气或氮气。

所述自由活塞斯特林热机包括缸体、直线振荡电机7、动力活塞8和设在所述缸体内的排出器4，动力活塞8包括塞体和隼部，塞体设在该缸体内，隼部插入直线振荡电机7的线圈内，动力活塞8与第一平面支撑弹簧9固定连接，排出器4顶部的排出器固定支座12通过第二平面支撑弹簧11与排出器4固定连接，排出器4与缸体一端之间的空腔形成压缩腔6，缸体内动力活塞8与缸体另一端的空腔形成电机背腔10，缸体内排出器与动力活塞之间的空腔形成膨胀腔1；动力活塞8在电机背腔10与膨胀腔1之间振动，排出器4的相位落后于动力活塞8的相位，缸体内壁上还设有吸热端换热器2和放热端换热器5，吸热端换热器2靠近动力活塞8，放热端换热器5远离动力活塞8，吸热端换热器2和放热端换热器5之间设置有回热器3。

在所述空气源换热器15输出口与吸热端换热器2相连的连接管路上装有室温泵16；在所述加热换热器20的输入端与放热端换热器5的连接管路上装有高温泵19。

所述高温端换热回路18中的工质为导热油或沸点为100-200℃的液体；所述加热换热器20设置在加热水箱23底部或螺旋环绕在加热水箱23中。所述空气源换热器15外侧装有风机17，以加强换热。

室温端回路管14中的工质（如水或酒精等）在空气源换热器15处从空气中吸热，将热量传递给自由活塞热泵13的吸热端换热器2中的气体工质。自由活塞热泵13利用电能做功将热量从室温端泵送至高温端放热换热器3处。所述高温端换热回路由高温端回路管18、高温泵9和加热换热器20组成，高温端回路管18中的工质（如导热油等）将新型自由活塞热泵13的放热端换热器5中的气体工质的热量传递给加热水箱23中的水，以达到使水加热的目的，加热后的开水进入开水储水箱29供饮用。储水箱中设置的保温加热丝31对未使用完的开水保温。

本实施例中，开水器工作时，加热器水箱水位计25检测到加热水箱23中缺水且储水箱进水控制阀26关闭时，净水器进水阀21开启，进水口处的水经净水器22处理后进入加热水箱23中；加热器水箱水位计25检测到水满时净水器进水阀21关闭，自由活塞热泵系统开始通电工作，自由活塞斯特林热泵13的放热端换热器5处的温度在100℃以上；当加热器水箱温度传感器24检测到加热水箱23中的水温达到100℃时，自由活塞热泵系统停止工作；储水箱水位计28检测到开水储水箱29中水未满，且加热水箱23中有水且沸腾过，储水箱进水控制阀26开启，热水从加热水箱23中流入开水储水箱29；储水箱水位计28检测到开水储水箱29中水满时或者加热水箱23中缺水时，储水箱进水控制阀26关闭；然后，加热水箱23中缺水净水器进水阀21再次开启进水，进入下一个加热循环，直至开水储水箱29中水满。储水箱水位计28检测到开水储水箱29中未缺水且储水箱温度计27检测到水温低于95℃（可根据需要的出水温度调整）时，保温加热丝31开始通电工作以确保开水储水箱中的水温；当储水箱水位计28检测到开水储水箱29中缺水或者储水箱温度计27检测到水温达到99℃（可根据需要的出水温度调整，为避免产生“千沸水”此温度设定在100℃以下）时保温加热丝31停止工作；打开储水箱出水阀30出水口流出的水即为可饮用的开水。

该开水器系统中设置有加热水箱和开水储水箱两个水箱使冷水与热水分隔开，可以有效避免“阴阳水”产生；通过对保温加热温度的精确控制可以有效避免“千沸水”的产生；另外，加热水箱容积比储水箱容积小得多，可以缩短开水用完后的等待时间，且连续出水量大于开水储水箱容积。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种自由活塞电热泵开水器系统，其由自由活塞斯特林热泵系统和开水控制处理系统（32）组成；其特征在于，所述开水控制处理系统（32）包括依次连通的净水器（22）、加热水箱（23）和内设保温加热丝（31）的开水储水箱（29）；所述加热水箱（23）和开水储水箱（29）中分别设置有温度传感器及水位计； 

所述自由活塞斯特林热泵系统包括自由活塞斯特林热泵（13）、回路上装有加热换热器（20）的高温端换热回路（18）和回路上装有空气源换热器（15）的室温端换热回路（14）； 

所述高温端换热回路（18）连接于所述自由活塞斯特林热泵（13）的放热端换热器（5），所述高温端换热回路（18）通过加热换热器（20）与开水控制处理系统（32）的加热水箱（23）相连；所述室温端换热回路（14）连接于所述自由活塞斯特林热泵（13）的吸热端换热器（2）；及 

装于净水器（22）进水口管路上的净水器进水阀（21）、装于加热水箱出水口与储水箱进水口之间连接管路上的储水箱进水控制阀（26）；和装于开水储水箱（29）底部出水口的储水箱出水阀（30）； 

所述加热水箱（23）容积小于开水储水箱（29）容积。 

2.根据权利要求1所述的自由活塞电热泵开水器系统，其特征在于，所述自由活塞斯特林热泵（13）为自由活塞斯特林热机，其工质为氦气或氮气。 

3.根据权利要求2所述的自由活塞电热泵开水器系统，其特征在于，所述自由活塞斯特林热机包括缸体、直线振荡电机（7）、动力活塞（8）和设在所述缸体内的排出器（4），动力活塞（8）包括塞体和隼部，塞体设在该缸体内，隼部插入直线振荡电机（7）的线圈内，动力活塞（8）与第一平面支撑弹簧（9）固定连接，排出器（4）顶部的排出器固定支座（12）通过第二平面支撑弹簧（11）与排出器（4）固定连接，排出器（4）与缸体一端之间的空腔形成压缩腔（6），缸体内动力活塞（8）与缸体另一端的空腔形成电机背腔（10），缸体内排出器与动力活塞之间的空腔形成膨胀腔（1）；动力活塞（8）在电机背腔（10）与膨胀腔（1）之间振动，排出器（4）的相位落后于动力活塞（8）的相位，缸体内壁上还设有吸热端换热器（2）和放热端换热器（5），吸热端换热器（2）靠近动力活塞（8），放热端换热器（5）远离动 力活塞（8），吸热端换热器（2）和放热端换热器（5）之间设置有回热器（3）。 

4.根据权利要求3所述的自由活塞电热泵开水器系统，其特征在于，在所述空气源换热器（15）输出口与吸热端换热器（2）相连的连接管路上装有室温泵（16）；在所述加热换热器（20）的输入端与放热端换热器（5）的连接管路上装有高温泵（19）。 

5.根据权利要求1所述的自由活塞电热泵开水器系统，其特征在于，所述高温端换热回路（18）中的工质为导热油或沸点100-200℃的液体。 

6.根据权利要求1或4所述的自由活塞电热泵开水器系统，其特征在于，所述加热换热器（20）设置在加热水箱（23）底部或螺旋环绕在加热水箱（23）中。 

7.根据权利要求1或4所述的自由活塞电热泵开水器系统，其特征在于，所述空气源换热器（15）外侧装有风机（17）。 

8.根据权利要求1所述的自由活塞电热泵开水器系统，其特征在于，所述开水储水箱（29）的容积为20-200升，加热水箱（23）容积为2-5升。 

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