TW201610377A - 燃氣熱水器及其複合式熱交換器 - Google Patents

Abstract

一種燃氣熱水器及其複合式熱交換器，該複合式熱交換器為一裂口式鰭片熱交換器設計，該複合式熱交換器具有數個間隔設置的鰭片，該些鰭片上分別設有凸部及渦流產生器，該渦流產生器可為波浪型或角錐型，其中渦流產生器為波浪型時，定義：每相鄰的兩鰭片間距為Fp，該渦流產生器寬度為w1，該渦流產生器圓弧部的圓弧半徑為wr，該渦流產生器圓弧部的圓弧角度為wa。若滿足下列關係式條件，則可達到較佳的熱效率：w1=(1.32~2.86)Fp，wr=(0.4~0.9)Fp，wa=100~150度。

Description

燃氣熱水器及其複合式熱交換器

本發明在於提供一種熱交換器，尤指一種可以達到較佳熱效率的燃氣熱水器及其複合式熱交換器。

按，熱水器是目前一般居家生活不可或缺的裝置，就使用的能源而言，大致可分為燃氣熱水器、電熱水器及太陽能熱水器等，其中燃氣熱水器廣泛的為一般大眾所使用。

習知的燃氣熱水器於機體內部設置有風機、燃燒器及熱交換器，該熱交換器連接有一冷水管路及一熱水管路，冷水管路及熱水管路可構成一水通路，該冷水管路的一端具有一冷水入口，可連接於適當的水源，用於輸入欲加熱的冷水。該熱水管路的一端具有一熱水出口，可由冷水入口及冷水管路輸入欲加熱的冷水，使冷水輸送至熱交換器，冷水進入熱交換器進行熱交換，而後由熱水管路及熱水出口輸出熱水以供使用。

惟，習知熱交換器的鰭片為平板直面結構，鰭片與鰭片之間為縱直間隙，故下方的燃燒熱氣容易直衝上升而向外流失，導致鰭片的吸熱效果不佳，使熱水器熱效率降低，因此需要增加加熱的時間，造成瓦斯能源的浪費。上述熱水器的熱效率最高只能到達80%。

雖然目前已有鰭片利用成型凸部的設計，藉以延長瓦斯燃燒 熱能與鰭片間之滯留時間與距離，藉以提高鰭片的吸熱效果，惟其效果仍相當有限，並無法有效的提升熱水器熱效率。上述熱水器的熱效率也只能到達80.9%，其效果仍然有限。

綜上所述，本發明人有感上述缺失可改善，乃特潛心研究並配合學理之應用，終於提出一種設計合理且有效改善上述缺失之本發明。

本發明所要解決的技術問題，在於提供一種燃氣熱水器及其複合式熱交換器，使熱水器可達到較佳的熱效率。

為了解決上述的技術問題，本發明提供一種燃氣熱水器，包括：一機體；一風機，該風機設置於該機體內部；一燃燒器，該燃燒器設置於該機體內部；一熱交換器，該熱交換器設置於該機體內部且位於該風機與該熱交換器之間，該熱交換器具有數個間隔設置的鰭片及一水管，該水管的一端連接於一冷水管路，該水管的另一端連接於一熱水管路，該些鰭片上各設有數個穿孔，該水管穿設於該些鰭片的穿孔中，該些鰭片上分別形成有數個凸部及數個渦流產生器，該些渦流產生器為波浪型，每一渦流產生器包含一圓弧部及一斜面部，該斜面部位於該圓弧部的上方，且該斜面部連接於該圓弧部；以及定義每相鄰的兩鰭片間距為Fp，該渦流產生器寬度為w1，該渦流產生器圓弧部的圓弧半徑為wr，該渦流產生器圓弧部的圓弧角度為wa，滿足下列關係式：w1=(1.32~2.86)Fp，wr=(0.4~0.9)Fp，wa=100~150度。

為了解決上述技術問題，本發明還提供一種燃氣熱水器，包括：一機體；一風機，該風機設置於該機體內部；一燃燒器，該燃燒器設置於該機體內部；一熱交換器，該熱交換器設置於該機體內部且位於該風機與該熱交換器之間，該熱交換器具有數個間隔設置的鰭片及一水管，該水管的一端連接於一冷水管路，該水 管的另一端連接於一熱水管路，該些鰭片上各設有數個穿孔，該水管穿設於該些鰭片的穿孔中，該些鰭片上分別形成有數個凸部及數個渦流產生器，該些渦流產生器為角錐型，每一渦流產生器具有一底部及數個斜面；以及定義每相鄰的兩鰭片間距為Fp，該渦流產生器寬度為g1，該渦流產生器長度為gt，該渦流產生器高度為gh，滿足下列關係式：g1=(1.3~3.3)Fp，gt=(1.6~3.8)Fp，gh=(0.3~1.2)Fp。

本發明至少具有下列的優點：根據上述熱交換器的特殊設計，該些渦流產生器可以產生縱向渦流，不同於横向渦流。横向渦流會使其轉動軸與流體流動方向垂直，不僅無法提升熱傳性能更會增加摩擦阻抗。縱向渦流會使其轉動軸與流體流動方向平行，摩擦阻抗比較少，可以適度提升熱傳性能，而使本發明熱水器的熱效率可以有效的提升，使熱水器可達到較佳的熱效率，進而可減少加熱的時間，避免造成瓦斯能源的浪費。

為使能更進一步瞭解本發明的特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明的詳細說明與附圖，然而所附圖式僅提供參考與說明用，並非用來對本發明加以限制者。

1‧‧‧機體

2‧‧‧風機

3‧‧‧燃燒器

4‧‧‧熱交換器

41‧‧‧鰭片

411‧‧‧穿孔

412‧‧‧凸部

413‧‧‧入氣口

414‧‧‧出氣口

415‧‧‧渦流產生器

A‧‧‧圓弧部

A1‧‧‧圓弧面

B‧‧‧斜面部

B1‧‧‧斜面

416‧‧‧渦流產生器

C‧‧‧底部

D‧‧‧斜面

42‧‧‧水管

5‧‧‧冷水管路

51‧‧‧冷水入口

6‧‧‧熱水管路

61‧‧‧熱水出口

7‧‧‧水量檢知器

8‧‧‧控制單元

Fp‧‧‧每相鄰的兩鰭片間距

d_H‧‧‧水管管徑

SL‧‧‧最下排的凸部距下方處水管上緣垂直距離

Sw‧‧‧凸部寬度

Sh‧‧‧凸部高度

w1‧‧‧渦流產生器寬度

wr‧‧‧渦流產生器圓弧部的圓弧半徑

wa‧‧‧渦流產生器圓弧部的圓弧角度

Wh‧‧‧渦流產生器下緣距下方處水管中心點垂直高度距離

Pt‧‧‧水管橫向節距

P1‧‧‧水管縱向節距

g1‧‧‧渦流產生器寬度

gt‧‧‧渦流產生器長度

gh‧‧‧渦流產生器高度

Ph‧‧‧渦流產生器下緣距上方處水管中心點垂直高度距離

圖1為本發明燃氣熱水器的平面示意圖。

圖2為本發明複合式熱交換器的立體示意圖(未繪出凸部及渦流產生器)。

圖3為本發明鰭片的立體示意圖。

圖4為本發明鰭片的平面示意圖。

圖5為本發明凸部的平面示意圖。

圖6為本發明渦流產生器的前視示意圖。

圖7為本發明渦流產生器的側視示意圖。

圖8為本發明渦流產生器另一實施例的前視示意圖。

圖9為本發明渦流產生器另一實施例的側視示意圖。

圖10為本發明渦流產生器另一實施例的底視示意圖。

[第一實施例]

請參閱圖1，本發明提供一種燃氣熱水器，該燃氣熱水器包括一機體1、一風機2、一燃燒器(火排)3及一熱交換器4。該機體1為一中空殼體，風機2、燃燒器3及熱交換器4設置於機體1內部，風機2、燃燒器3及熱交換器4設置的位置並不限制，可因應需要而加以變化。在本實施例中風機2、燃燒器3及熱交換器4由下而上依序的設置於機體1內部，燃燒器3位於風機2與熱交換器4之間。當燃燒器3被點燃後，燃燒器3可產生高溫的燃燒氣體，燃燒氣體被向上推送，燃燒氣體接觸熱交換器4，藉以進行熱交換的操作，使得流經熱交換器4內的水可從常溫被加熱至高溫，再行排出熱水使用。

該熱交換器4連接有一冷水管路5及一熱水管路6，冷水管路5及熱水管路6構成一水通路，熱交換器4連接於冷水管路5及熱水管路6之間。該冷水管路5的一端具有一冷水入口51，可連接於適當的水源，用於輸入欲加熱的冷水，該冷水管路5上也可設置有一水量檢知器7，用以偵測進水水量。該熱水管路6的一端具有一熱水出口61。該燃氣熱水器可進一步包括一控制單元8，風機2等裝置電性於控制單元8，以便利用該控制單元8控制燃燒狀況產生熱水。

請同時參閱圖1及圖2，該熱交換器4具有數個間隔設置的鰭片41及穿設於該些鰭片41的一水管42，鰭片41及水管42以高熱傳導材料(如銅等)製成，水管42一端連接於冷水管路5，另一端連接於熱水管路6，使水管42連接於冷水管路5及熱水管路 6之間。可由冷水入口51及冷水管路5輸入欲加熱的冷水，使冷水輸送至熱交換器4，冷水進入熱交換器4進行熱交換，而後再由熱水管路6及熱水出口61輸出熱水，以供使用者使用。

請再參閱圖3至圖5，該熱交換器4為一裂口式鰭片設計，該些鰭片41大致呈矩形片體，鰭片41上各設有數個穿孔411，該些穿孔411可以分佈於鰭片41上半部、下半部及中間處等。該水管42穿設於該些鰭片41的穿孔411中，水管42與穿孔411之間也可焊接連接。該些鰭片41主要將下方燃燒熱氣的熱能吸收，使鰭片41產生高溫及高熱，以便與水管42內的水進行熱交換的作用，使水管42可排出熱水使用。

該些鰭片41上分別沖製形成有數個凸部(或稱凸點)412，該些凸部412可突出於鰭片41的一面，使凸部412具有適當的高度，使其形成單向裂口式凸部。當然該些凸部412也可突出於鰭片41的兩面，使其形成雙向裂口式凸部。在本實施例中將凸部412設置於鰭片41的上半部及中間處，但並不限定，凸部412也可設置於鰭片41的下半部，或整個鰭片41上適當的位置。每一鰭片41上可設有二至六排的凸部412，每排的凸部412數量為三至八個等。

該些凸部412可呈矩形、梯形等，在本實施例中該些凸部412皆呈梯形，呈梯形的凸部412鄰近穿孔411，配合穿孔411設計呈梯形，以增加其面積。凸部412的下緣及上緣與鰭片41間可進一步分別形成有一入氣口413及一出氣口414，凸部412是以兩側與鰭片41連接，凸部412的一側或兩側呈斜向設置。由於凸部412的構造大致與習知技術相同，且本發明並不限制凸部412的構造，故不再加以贅述。

本發明可進一步定義如下：每相鄰的兩鰭片間距為Fp，水管管徑(或穿孔內徑)為d_H，最下排的凸部距下方處水管上緣垂直距離為SL，凸部寬度為Sw， 凸部高度為Sh。

若滿足下列關係式條件，則可達到較佳的熱效率：Sh/Sw=0.05~0.3，Sh/Fp=0.3~0.8，Sw/Fp=2~8。

若滿足下列關係式條件，則可達到更佳的熱效率：SL=(0.5~2.5)d_H。

若滿足下列關係式條件，則可達到最佳的熱效率：Sh/Sw=0.13，SL=1.4d_H，Sh/Fp=0.5，Sw/Fp=3.9。

請再參閱圖6及圖7，本發明主要係於該些鰭片41上分別設有數個渦流產生器415，該些渦流產生器415的構造並不限制，例如可為波浪型或角錐型，本實施例揭示波浪型的渦流產生器415。該些渦流產生器415由該些鰭片41上分別沖製形成，該些渦流產生器415可分別突出於鰭片41的一面或另一面。每一渦流產生器415包含一圓弧部A及一斜面部B，圓弧部A為一圓弧狀凸出體，其斷面呈扇形，圓弧部A的外緣形成一圓弧面A1。斜面部B位於圓弧部A的上方，且斜面部B連接於圓弧部A，斜面部B的外緣形成一斜面B1，該斜面B1的下端連接於圓弧面A1的上端，且該斜面B1由下而上朝向鰭片41傾斜，並定義如下：每相鄰的兩鰭片間距為Fp，渦流產生器寬度為w1，渦流產生器圓弧部的圓弧半徑為wr，渦流產生器圓弧部的圓弧角度為wa，渦流產生器下緣距下方處水管中心點垂直高度距離為Wh，水管橫向節距為Pt，水管縱向節距為P1。

若滿足下列關係式條件，則可達到較佳的熱效率：w1=(1.32~2.86)Fp，wr=(0.4~0.9)Fp，wa=100~150度。

若滿足下列關係式條件，則可達到最佳的熱效率：w1=2.3Fp，wr=0.7Fp，wa=132度。

若滿足下列關係式條件，則可達到較佳的熱效率：Wh=(0.2~0.62)P1。

若滿足下列關係式條件，則可達到最佳的熱效率： Wh=0.3P1。

[第二實施例]

請參閱圖2至圖4、圖8至圖10，本實施例揭示角錐型的渦流產生器416。該些渦流產生器416由該些鰭片41上分別沖製形成，該些渦流產生器416可分別突出於鰭片41的一面或另一面。每一渦流產生器416呈角錐體，該渦流產生器416具有一呈三角形的底部C及數個斜面D，該渦流產生器416以底部C連接於鰭片41，並定義如下：每相鄰的兩鰭片間距為Fp，渦流產生器寬度為g1，渦流產生器長度為gt，渦流產生器高度為gh，渦流產生器下緣距上方處水管中心點垂直高度距離為Ph，水管橫向節距為Pt，水管縱向節距為P1。

若滿足下列關係式條件，則可達到較佳的熱效率： g1=(1.3~3.3)Fp，gt=(1.6~3.8)Fp，gh=(0.3~1.2)Fp。

若滿足下列關係式條件，則可達到最佳的熱效率：g1=2.3Fp，gt=2.8Fp，gh=0.8Fp。

若滿足下列關係式條件，則可達到較佳的熱效率：Ph=(0.25~0.72)Pt。

若滿足下列關係式條件，則可達到最佳的熱效率：Ph=0.4Pt。

是以，根據上述熱交換器的特殊設計，該些渦流產生器可以產生渦流，使本發明熱水器的熱效率可以有效的提升，經實驗結果，本發明熱水器例如輸入(Input)功率33.1kw時，以相同大小及片數的吸熱鰭片之熱交換器設計為比較基準：V0為一般平板的熱交換器，V1為增加凸部的市售熱交換器，V2為本發明增加凸部及渦流產生器的熱交換器，經驗證：V0版本的熱交換器熱效率僅達80%，V1版本的熱交換器熱效率也僅達80.9%，而應用本發明版本的熱交換器熱效率達84.8%，故本發明可使熱水器可達到 較佳的熱效率，進而可減少加熱的時間，避免造成瓦斯能源的浪費。

惟以上所述僅為本發明之較佳實施例，非意欲侷限本發明的專利保護範圍，故舉凡運用本發明說明書及圖式內容所為的等效變化，均同理皆包含於本發明的權利保護範圍內，合予陳明。

41‧‧‧鰭片

411‧‧‧穿孔

412‧‧‧凸部

413‧‧‧入氣口

414‧‧‧出氣口

415‧‧‧渦流產生器

416‧‧‧渦流產生器

d_H‧‧‧水管管徑

SL‧‧‧最下排的凸部距下方處水管上緣垂直距離

Wh‧‧‧渦流產生器下緣距下方處水管中心點垂直高度距離

Ph‧‧‧渦流產生器下緣距上方處水管中心點垂直高度距離

Claims (18)

1. 一種燃氣熱水器，包括：一機體；一風機，該風機設置於該機體內部；一燃燒器，該燃燒器設置於該機體內部；一熱交換器，該熱交換器設置於該機體內部且位於該風機與該熱交換器之間，該熱交換器具有數個間隔設置的鰭片及一水管，該水管的一端連接於一冷水管路，該水管的另一端連接於一熱水管路，該些鰭片上各設有數個穿孔，該水管穿設於該些鰭片的穿孔中，該些鰭片上分別形成有數個凸部及數個渦流產生器，該些渦流產生器為波浪型，每一渦流產生器包含一圓弧部及一斜面部，該斜面部位於該圓弧部的上方，且該斜面部連接於該圓弧部；以及定義每相鄰的兩鰭片間距為Fp，該渦流產生器寬度為w1，該渦流產生器圓弧部的圓弧半徑為wr，該渦流產生器圓弧部的圓弧角度為wa，滿足下列關係式：w1=(1.32~2.86)Fp，wr=(0.4~0.9)Fp，wa=100~150度。
2. 如請求項1所述之燃氣熱水器，其中該圓弧部的外緣形成一圓弧面，該斜面部的外緣形成一斜面，該斜面的下端連接於該圓弧面的上端，該斜面由下而上朝向該鰭片傾斜。
3. 如請求項1所述之燃氣熱水器，其中更滿足下列關係式：w1=2.3Fp，wr=0.7Fp，wa=132度。
4. 如請求項1所述之燃氣熱水器，其中定義該渦流產生器下緣距下方處該水管中心點垂直高度距離為Wh，該水管縱向節距為P1，滿足下列關係式：Wh=(0.2~0.62)P1。
5. 如請求項4所述之燃氣熱水器，其中更滿足下列關係式：Wh=0.3P1。
6. 一種燃氣熱水器，包括： 一機體；一風機，該風機設置於該機體內部；一燃燒器，該燃燒器設置於該機體內部；一熱交換器，該熱交換器設置於該機體內部且位於該風機與該熱交換器之間，該熱交換器具有數個間隔設置的鰭片及一水管，該水管的一端連接於一冷水管路，該水管的另一端連接於一熱水管路，該些鰭片上各設有數個穿孔，該水管穿設於該些鰭片的穿孔中，該些鰭片上分別形成有數個凸部及數個渦流產生器，該些渦流產生器為角錐型，每一渦流產生器具有一底部及數個斜面；以及定義每相鄰的兩鰭片間距為Fp，該渦流產生器寬度為g1，該渦流產生器長度為gt，該渦流產生器高度為gh，滿足下列關係式：g1=(1.3~3.3)Fp，gt=(1.6~3.8)Fp，gh=(0.3~1.2)Fp。
7. 如請求項6所述之燃氣熱水器，其中更滿足下列關係式：g1=2.3Fp，gt=2.8Fp，gh=0.8Fp。
8. 如請求項6所述之燃氣熱水器，其中定義該渦流產生器下緣距上方處該水管中心點垂直高度距離為Ph，該水管橫向節距為Pt，滿足下列關係式：Ph=(0.25~0.72)Pt。
9. 如請求項8所述之燃氣熱水器，其中更滿足下列關係式：Ph=0.4Pt。
10. 一種燃氣熱水器的複合式熱交換器，該複合式熱交換器具有數個間隔設置的鰭片及一水管，該些鰭片上各設有數個穿孔，該水管穿設於該些鰭片的穿孔中，該些鰭片上分別形成有數個凸部及數個渦流產生器，該些渦流產生器為波浪型，每一渦流產生器包含一圓弧部及一斜面部，該斜面部位於該圓弧部的上方，且該斜面部連接於該圓弧部；定義每相鄰的兩鰭片間距為Fp，該渦流產生器寬度為w1，該渦流產生器圓弧部的圓弧半徑為wr，該渦流產生器圓弧部的圓弧角度為wa，滿足下列關係式： w1=(1.32~2.86)Fp，wr=(0.4~0.9)Fp，wa=100~150度。
11. 如請求項10所述之燃氣熱水器的複合式熱交換器，其中該圓弧部的外緣形成一圓弧面，該斜面部的外緣形成一斜面，該斜面的下端連接於該圓弧面的上端，該斜面由下而上朝向該鰭片傾斜。
12. 如請求項10所述之燃氣熱水器的複合式熱交換器，其中更滿足下列關係式：w1=2.3Fp，wr=0.7Fp，wa=132度。
13. 如請求項10所述之燃氣熱水器的複合式熱交換器，其中定義該渦流產生器下緣距下方處該水管中心點垂直高度距離為Wh，該水管縱向節距為P1，滿足下列關係式：Wh=(0.2~0.62)P1。
14. 如請求項13所述之燃氣熱水器的複合式熱交換器，其中更滿足下列關係式：Wh=0.3P1。
15. 一種燃氣熱水器的複合式熱交換器，該複合式熱交換器具有數個間隔設置的鰭片及一水管，該些鰭片上各設有數個穿孔，該水管穿設於該些鰭片的穿孔中，該些鰭片上分別形成有數個凸部及數個渦流產生器，該些渦流產生器為角錐型，每一渦流產生器具有一底部及數個斜面；定義每相鄰的兩鰭片間距為Fp，該渦流產生器寬度為g1，該渦流產生器長度為gt，該渦流產生器高度為gh，滿足下列關係式：g1=(1.3~3.3)Fp，gt=(1.6~3.8)Fp，gh=(0.3~1.2)Fp。
16. 如請求項15所述之燃氣熱水器的複合式熱交換器，其中更滿足下列關係式：g1=2.3Fp，gt=2.8Fp，gh=0.8Fp。
17. 如請求項15所述之燃氣熱水器的複合式熱交換器，其中定義該渦流產生器下緣距上方處該水管中心點垂直高度距離為Ph，該水管橫向節距為Pt，滿足下列關係式：Ph=(0.25~0.72)Pt。
18. 如請求項17所述之燃氣熱水器的複合式熱交換器，其中更滿足下列關係式：Ph=0.4Pt。