專利名稱：一種改進(jìn)的熱水器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及熱水器的改進(jìn)，更確切地說涉及一種用于水箱熱交換裝置的改進(jìn)。
隨著技術(shù)的發(fā)展，太陽能連續(xù)水加熱系統(tǒng)的應(yīng)用日益切實(shí)可行。在澳大利亞專利第509901號(hào)中公開了一種靠太陽能升溫(solar boos ted)的熱泵系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過應(yīng)用致冷熱泵來特別有效地轉(zhuǎn)換和傳輸太陽能。
在歐洲專利第0336751號(hào)中公開了一種熱水器，該熱水器包括一個(gè)在靠近其一端帶有一個(gè)冷水入口并且在靠近其另一端帶有一個(gè)熱水出口的水箱、一個(gè)用于攜帶致冷流體并以熱傳導(dǎo)的連接形式纏繞著水箱的熱交換管、一個(gè)從周圍環(huán)境中吸收熱能的蒸發(fā)器和一個(gè)通過熱交換管將致冷流體循環(huán)至蒸發(fā)器的壓縮機(jī)。該熱交換管通過熱傳導(dǎo)連接材料固定在水箱外壁上，并且當(dāng)熱交換管被固定在箱體上時(shí)，這些管子是處在應(yīng)力作用下，以減小使用時(shí)由于管子和箱體的膨脹或收縮而產(chǎn)生的熱傳導(dǎo)連接材料斷裂的可能性。
歐洲專利第0336751號(hào)中的熱交換裝置可相當(dāng)有效地加熱水箱中的水。例如，它能夠在大約4小時(shí)內(nèi)將340升箱體內(nèi)的水加熱至大約60℃。然而，人們還希望改進(jìn)這種熱交換裝置，以便能夠比歐洲專利第0336751號(hào)中的結(jié)構(gòu)更有效地加熱水箱中的水。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種水箱，該水箱的壁是由具有傳熱性的材料制成的，還有熱泵系統(tǒng)，它包括一個(gè)用于向水箱傳送熱的熱交換器，一個(gè)蒸發(fā)器和一個(gè)經(jīng)熱交換器將致冷流體循環(huán)至蒸發(fā)器的壓縮機(jī)，其中熱交換器包括一個(gè)與壓縮機(jī)相連的入口集管、一個(gè)出口集管和在入口和出口集管之間平行相連的若干熱交換管，所述的這些熱交換管纏繞著水箱并以與水箱壁之間可進(jìn)行傳熱的形式固定在水箱壁上，以便通過這些管子內(nèi)的致冷液體的冷凝經(jīng)箱壁向箱體中的水傳送熱量。
最好將這些熱交換管用傳熱的連接材料固定在箱壁上，并當(dāng)管子被固定在箱壁上時(shí)使其處在應(yīng)力作用之下。這樣減小了使用時(shí)由于管子和箱體的膨脹和收縮而引起的傳熱連接材料斷裂的可能性。
成螺旋形地纏繞著水箱的熱交換管最好是一對(duì)管子。最好使這對(duì)管子從靠近箱體下端的位置延伸至不超過整個(gè)箱體高度大約80％的位置。
熱交換管的上端方便地與入口集管相連，而熱交換管的下端與出口集管相連，最好是通過一個(gè)或更多的提升管連接。
水箱和熱交換管最好是由鋼制成。這樣有助于減小由于箱體和管子不同的膨脹系數(shù)而導(dǎo)致傳熱接觸損失的可能性。
現(xiàn)在將通過一個(gè)例子參照附圖描述本發(fā)明的最佳實(shí)施例，其中

圖1是一個(gè)太陽能升溫的用于加熱水的熱泵系統(tǒng)的簡圖；圖1A是示出附有熱交換管的水箱的局部放大剖視圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明對(duì)熱交換器進(jìn)行了改進(jìn)的帶水箱的熱泵系統(tǒng)的簡圖。
參照?qǐng)D1，它示出了歐洲專利第EP0336751號(hào)中公開的太陽能升溫的熱泵系統(tǒng)，這里將參照其中的內(nèi)容。該熱泵系統(tǒng)包括一個(gè)水箱1，一個(gè)攜帶致冷劑并纏繞在水箱1上的熱交換管8、一個(gè)壓縮機(jī)12、一個(gè)接收器/過濾器/干燥器13和一組太陽蒸發(fā)器板15。每個(gè)蒸發(fā)器板15都含有若干蜿蜒設(shè)置的致冷劑通道16。水箱1和熱交換管8封閉在含有絕緣泡沫11的殼體10中，并且壓縮機(jī)12和接收器/過濾器/干燥器13安裝在位于箱殼10上部的致冷盤架14的項(xiàng)部。該系統(tǒng)具有包括一個(gè)恒溫器T的恒溫控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)在接收器/過濾器/干燥器13與蒸發(fā)器板15之間的液體管線上還有一個(gè)膨脹閥Tx。
水箱1具有圓柱形的壁2、底部壁3、凸形頂部壁4、與底部壁3相鄰的帶擴(kuò)散器或分流器6的冷水入口5以及與頂部壁4相鄰的熱水出口7。盡管所顯示底部壁3是凹狀的，但如果需要，它也可是凸?fàn)畹?。攜帶致冷劑B，如R12的熱交換管8纏繞在箱體壁2的外表面上。該管8最好如圖1A所示出的那樣被弄扁，使管子的橫截面為D型，并且該扁平部分借助在箱體1的壁2外表面與管子8的平面之間的一層焊料9的薄膜或類似物與壁2的外表面形成具有熱傳導(dǎo)的連接。為了確保在焊接時(shí)以及在使用過程中箱體壁2和管子8膨脹和收縮時(shí)最好的接觸，管子8以1，286N(牛頓)的張力纏繞在箱體1上，并以此張力固定在箱體1上。這可通過歐洲專利第EP0336751號(hào)中所描述的方法來實(shí)現(xiàn)。
可以理解，將管子8攜帶的致冷劑附著在箱體1的外表面上時(shí)，會(huì)自動(dòng)地得到一種雙壁效應(yīng)，并且可滿足相關(guān)的水管理單位所要求的保證措施，這些水管理單位規(guī)定在水和致冷劑攜帶管同時(shí)使用時(shí)應(yīng)使用雙壁管。管子8和箱體1最好用相似的材料制做，或者至少用具有相似熱膨脹系數(shù)的材料制做。
在本發(fā)明中，管子8和箱體1是由鋼或不銹鋼制做的。例如，管子可以是銅釬接雙層鋼管，而箱體1可由低碳鋼制成。如上所述，管子8和箱體1之間的熱連接是通過以一定張力將蛇形管8纏繞箱體1來維持的。這里所使用的材料具有稍微不同的熱膨脹系數(shù)，這種材料膨脹和收縮率的差異可通過增加管子8的纏繞應(yīng)力來補(bǔ)償，雖然在使用中由于膨脹和收縮引起材料彎曲，但由于管子是在一定應(yīng)力下纏繞的，所以在任何情況下都可保證維持熱連接。
在使用中，壓縮機(jī)12向熱交換管8提供帶有壓力的致冷氣體，并且當(dāng)致冷劑B在管子8中冷凝時(shí)，熱量通過箱體壁2傳遞給箱體1中的水。然后，冷凝的致冷劑通過接收器/過濾器/干燥器13和Tx膨脹閥到達(dá)蒸發(fā)板15，蒸發(fā)板15最好安裝在易于接受陽光的位置，以使板15的通道16中的致冷劑能夠在其經(jīng)供給線12G返回到壓縮機(jī)12之前從周圍環(huán)境中吸收熱量。
蒸發(fā)板如上所示安裝在暴露在陽光下的位置上，這些板同時(shí)還可安置在殼體10之外，以一定形狀卷繞，放置在環(huán)境溫度高或箱體能夠被安裝在屋頂上或至少部分處在陽光下的區(qū)域中。在這種情況下，熱泵至少是部分地作為空氣源熱泵來運(yùn)行。
參照?qǐng)D2，該圖示出了用于水箱21的熱泵系統(tǒng)20，水箱21類似于圖1所示的，但安裝有一改進(jìn)了的熱交換裝置。該熱泵系統(tǒng)20包括一個(gè)壓縮機(jī)22，一個(gè)接收器/過濾器/干燥器23，一個(gè)Tx膨脹閥24，一個(gè)蒸發(fā)器25和一個(gè)連接在壓縮機(jī)22與接收器/過濾器/干燥器23之間的熱交換器26。蒸發(fā)器25最好包括至少一個(gè)參照?qǐng)D1描述的太陽能收集板15。太陽能板15的數(shù)量可根據(jù)所設(shè)計(jì)的熱泵系統(tǒng)中壓縮機(jī)的大小及系統(tǒng)所處的氣候區(qū)而變化。
熱交換器26包括一個(gè)與壓縮機(jī)22相連的入口集管27、一個(gè)與接收器/過濾器/干燥器23相連的出口集管28以及纏繞在水箱21上并在入口和出口集管27和28之間平行連接的一對(duì)熱交換管29和30。
水箱21與圖1中的箱體相似，具有一圓柱形的壁32、一底部壁33、一凸起的頂部壁31，一個(gè)靠近底部壁33并帶有一個(gè)擴(kuò)散器或分流器36的冷水入口35和一個(gè)靠近頂部壁31的熱水出口37。熱交換管29和30最好被壓扁，使其橫截面成與圖1A中管子8類似的D形。熱交換管29和30被壓扁的部分通過熱傳導(dǎo)連接材料，例如通過一層焊料薄膜，固定在水箱21圓柱形壁32的外表面上。
為了在焊接期間及使用過程中管子和箱體壁2在膨脹和收縮時(shí)仍確保最好的接觸，管子8是在一定的張力下纏繞在箱體1上的，最好張力為1,286N(牛頓)，并在這種應(yīng)力下管子被固定在箱體1上。這可以按歐洲專利第EP0336571號(hào)中所描述的方法來實(shí)現(xiàn)。
在一個(gè)最佳實(shí)施例中，熱交換管29和30是由內(nèi)徑約12mm的銅釬接雙層鋼管制成的，并且管子29和30從靠近箱體底部的位置開始螺旋形地纏繞在箱體21上直至不超過該箱體高度的80％的位置上。箱體21最好由與管子29和30具有相似的熱膨脹系數(shù)的材料制成，如低碳鋼。
在這里，所述使用材料的熱膨脹系數(shù)稍有不同，材料的不同的膨脹和收縮率可以通過增加管子8的纏繞應(yīng)力來補(bǔ)償。雖然由于使用中的膨脹和收縮引起材料彎曲，但由于管子是在一定應(yīng)力下纏繞的，所以在任何情況下都能保證維持熱連接。
熱交換管29和30的上端直接與入口集管27相連，而熱交換管29和30的下端分別通過上升管39和40與出口集管28相連。上升管39和40可方便地由直徑3/8英寸(9.5mm)的銅管制成。入口和出口集管27和28最好也由銅制成，入口集管27具有一連接壓縮機(jī)22的直徑大約1/2英寸(12.5mm)的上部管41，出口集管28具有一連接接收器/過濾器/干燥器23的直徑大約3/8英寸(9.5mm)的上部管42。然而，可以理解，熱交換管29和30、上升管39和40、集管27和28的上部管41和42的尺寸以及制造它們所用的材料是根據(jù)不同的用途而變化的。
在一個(gè)具體的最佳實(shí)施例中，如一個(gè)340升的水箱，熱交換管29和30中的每一根的總長度約為32米，并且熱交換管29和30中的每一根都螺旋地纏繞在水箱21上約18圈，每圈間距約54毫米。
我們已經(jīng)知道，與圖1中單根管的裝置相比，至少具有兩根平行地連接在入口和出口集管之間的熱交換管的熱交換裝置可更迅速、有效地加熱水箱中的水。兩平行的彼此非常靠近的熱交換管有效地增加了箱體表面的溫度，并且在最近的管子間維持一均勻恒定的溫度。這樣增加了箱體與水之間的傳熱。例如，對(duì)340升的水箱來說，上述圖2中所示的具有一對(duì)管子29和30的裝置可以在近2小時(shí)內(nèi)使水從環(huán)境溫度加熱到60℃，而圖1中的單根管裝置則需要近4小時(shí)。
對(duì)與圖1中的傳熱裝置可同時(shí)安裝的壓縮機(jī)的規(guī)模有一定限制，因而才可達(dá)到一定的利用率(recovery rate)。較大的民用或商業(yè)應(yīng)用經(jīng)常需要具有較大利用能力的設(shè)計(jì)。如對(duì)R22致冷劑來說，使用前述的圖1中的裝置適用于單根12mm管纏繞箱體的所限制的壓縮機(jī)為大約1300W額定功率。在箱體上纏許多圈可允許較大的氣體流率，以便能夠安裝較大的壓縮機(jī)來獲得大的民用或商用設(shè)備所需的高利用率。
可以認(rèn)為，在不背離本發(fā)明的精神和超出本發(fā)明的范圍的情況下，可對(duì)本發(fā)明上述實(shí)施例進(jìn)行各種改進(jìn)和/或替代。例如，可設(shè)想用更多的多于兩根管的熱交換管平行地連接在入口與出口集管之間，并將它們纏繞在水箱上。
權(quán)利要求
1.一種水加熱器，它包括一個(gè)水箱，其箱壁是由具有傳熱性能的材料制成的；及一個(gè)熱泵系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括用于將熱傳送給水箱的熱交換器和經(jīng)熱交換器將致冷劑流體循環(huán)到蒸發(fā)器的一個(gè)壓縮機(jī)，其中熱交換器包括一個(gè)與壓機(jī)相連的入口集管、一個(gè)出口集管和若干平行地連接在入口和出口集管之間的熱交換管，所述的這些熱交換管是纏繞在水箱上的，并且以與箱體壁成導(dǎo)熱關(guān)系固定在箱體壁上，以便于將管子中致冷劑流體冷凝釋放出的熱經(jīng)箱體壁傳給箱體內(nèi)的水。
2.如權(quán)利要求1的水加熱器，其特征在于，熱交換管通過熱傳導(dǎo)連接材料固定在箱體壁上，并且當(dāng)它被固定在箱體壁上時(shí)被施加以一定的應(yīng)力。
3.如權(quán)利要求2的水加熱器，其特征在于，所述的若干熱交換管具有一個(gè)通過所述的熱傳導(dǎo)連接材料固定在箱體壁上的平壁部分。
4.如權(quán)利要求3的水加熱器，其特征在于，熱交換管的橫截面基本為D形。
5.如前述任一權(quán)利要求中的水加熱器，其特征在于，熱交換管螺旋地纏繞在水箱上。
6.如權(quán)利要求5的水加熱器，其特征在于，熱交換管從靠近箱體下部的位置延伸至不超過箱體長度80％的位置。
7.如權(quán)利要求5或6的水加熱器，其特征在于，一對(duì)熱交換管螺旋地纏繞在水箱上。
8.如權(quán)利要求7的水加熱器，其特征在于，熱交換管中的每根管的纏繞間距大約為55mm。
9.如權(quán)利要求8的水加熱器，其特征在于，熱交換管的直徑約為12mm。
10.如權(quán)利要求5至9中任一權(quán)利要求的水加熱器，其特征在于，熱交換管的上端與入口集管相連，熱交換管的下端通過一個(gè)或多個(gè)上升管與出口集管相連。
11.如前述任一權(quán)利要求中的水加熱器，其特征在于，水箱和熱交換管是由具有相同或相似熱膨脹系數(shù)的材料制成的。
12.如權(quán)利要求10的水加熱器，其特征在于，水箱和熱交換管是由鋼制成的。
13.如前述任一權(quán)利要求中的水加熱器，其特征在于，一個(gè)膨脹閥連接在出口集管與蒸發(fā)器之間。
14.如前述任一權(quán)利要求的水加熱器，其特征在于，熱泵系統(tǒng)包括一個(gè)接收器/過濾器/干燥器。
15.如前述任一權(quán)利要求的水加熱器，其特征在于，蒸發(fā)器包括至少一個(gè)帶若干通道的太陽能收集板，致冷劑流體通過這些通道與板以熱傳導(dǎo)關(guān)系進(jìn)行循環(huán)。
全文摘要
用于加熱水箱(21)中水的太陽能升溫的熱泵系統(tǒng)包括一個(gè)向水箱(21)傳送熱量的改進(jìn)了的熱交換器(26)、一個(gè)蒸發(fā)器(25)和一個(gè)用于在系統(tǒng)中循環(huán)致冷劑流體的壓縮機(jī)(22)。熱交換器(26)包括一個(gè)與壓縮機(jī)(22)相連的入口集管(27)、一個(gè)與蒸發(fā)器(25)相連的出口集管(28)和若干平行地連接在入口和出口集管(27,28)之間的熱交換管(29,30)。熱交換管(29,30)螺旋地纏繞在水箱(21)上,并且當(dāng)這些管通過熱傳導(dǎo)連接材料被固定在箱體壁(32)上時(shí)是處在一定的應(yīng)力之下的。
文檔編號(hào)F25B30/00GK1186206SQ98100258
公開日1998年7月1日 申請(qǐng)日期1998年1月21日 優(yōu)先權(quán)日1997年11月5日
發(fā)明者伊斯萊姆·拉菲夸 申請(qǐng)人:量子能源系統(tǒng)有限公司