專利名稱：換熱器元件以及利用該換熱器元件的水加熱器和熱泵的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種換熱器元件以及利用該換熱器元件的水加熱器和 熱泵。本發(fā)明主要用于家用熱水加熱器，并且在下文中將參照該應(yīng)用來 對本發(fā)明進行描述。然而，本發(fā)明不限于該特定用途，并且換熱器還 適用于在各種換熱器應(yīng)用中加熱除水以外的流體。
背景技術(shù)：
在包括澳大利亞、歐洲和美國的許多管轄區(qū)域中的監(jiān)管機構(gòu)要求 在家用熱水加熱器中所用的換熱器元件具有將循環(huán)流經(jīng)換熱器的加熱 流體與在熱水罐中被加熱的水分隔開的兩層金屬。這是為了確保即使 金屬層中的一層損壞也不會^吏換熱器流體與供IH吏用者的水混合。一種已知的"雙壁式"熱水加熱器利用纏繞在圓筒形鋼制7jC罐的 外側(cè)的銅管。經(jīng)過銅管泵送換熱器流體。然而，該裝置難于制造并且制造成;M目對較高，尤其是繞大約600 mm直徑的罐滾軋管的步驟。 該裝置還具有相對較差的熱交換效率，因為作為導(dǎo)體，鋼比銅的效果 小幾乎三十倍。另一種已知的"雙壁式"熱水加熱器利用定位于水罐內(nèi)的管的內(nèi) 側(cè)的一巻銅管。該裝置也是制造困難并且制造成4^目對較高。確保銅 管與管內(nèi)部進行良好的面-面接觸是困難的，而良好的面-面接觸對 于良好的熱交換效率來說是必需的。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是克服或基本改進至少一個或多個上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷。因此，第一方面，本發(fā)明提供一種由內(nèi)銅管和外銅管所形成的換 熱器元件，其中內(nèi)管的整個外表面大致與外管的整個內(nèi)表面接觸。在一種形式中，外管的內(nèi)徑大致等于內(nèi)管的外徑，使得外管的大約100 %的內(nèi)表面與內(nèi)管的外表面接觸。在另一種形式中，外管的內(nèi)表面包括凹紋或溝槽并且外管的最小直徑大致等于內(nèi)管的外徑，使得外管的大約80%的內(nèi)表面與內(nèi)管的外 表面接觸。在實施方式中，該元件優(yōu)選地大致為圓筒形形狀，并且極優(yōu)選地 具有由螺旋形的內(nèi)管及外管所形成的圓筒形壁。在再一實施方式中，該元件優(yōu)選地為大致圓筒形形狀，并具有由 螺旋形的內(nèi)管和外管所形成的圓筒形壁，并且該元件包括附連到螺旋 形的外管的外部的外圓筒形壁。在另一實施方式中，該元件優(yōu)選地為大致圓筒形形狀，并具有由 螺旋形的內(nèi)管及外管所形成的圓筒形壁，并且該元件包括附連到螺旋 形外管的內(nèi)部的內(nèi)圓筒形壁。在又一實施方式中，該元件優(yōu)選地為大致圓筒形狀，并具有由螺 旋形的內(nèi)管及外管所形成的圓筒形壁，并且該元件包括分別附連到螺 旋形外管的內(nèi)圓筒形壁的內(nèi)部和螺旋形外管的外部的外圓筒形壁。該元件優(yōu)選地具有兩個大致縱向的入口部和出口部， 一個從圓筒 的第一端部延伸，并且另一個穿過圓筒內(nèi)部從圓筒的第二端部延伸至 圓筒的第一端部。第二方面，本發(fā)明提供一種包括罐和根據(jù)本發(fā)明的第一方面的換 熱器元件的水加熱器。第三方面，本發(fā)明提供一種形成換熱器元件的方法，該方法包括 以下步驟a. 拉伸第一銅管和第二銅管，第一管的外徑小于第二管的內(nèi)徑；b. 將第一管插入到第二管內(nèi)；c. 使管穿過適于將第二管擠壓到第一管上的輥軋成形機，使得第一管的整個外表面大致與第二管的整個內(nèi)表面接觸；d. 將經(jīng)過擠壓的管退火；e. 將所述管彎曲成所需的構(gòu)造；以及f. 將經(jīng)過彎曲的管退火。步驟e.優(yōu)選地包括將管彎曲成大致圓筒形形狀，極優(yōu)選地具有由 螺旋形的管形成圓筒形壁的步驟。步驟a.優(yōu)選地包括拉伸具有內(nèi)凹紋或溝槽的第二管。第四方面，本發(fā)明提供一種熱水熱泵，其包括熱泵回路，該熱泵回路包括蒸發(fā)器盤管、壓縮機、與7jc體成熱交 換關(guān)系的冷凝器盤管以及恒溫膨脹閥(TX閥)，該回路適合容納制冷劑 糾，其中，冷凝器盤管^l:根據(jù)本發(fā)明第一方面的換熱器元件的形式。


現(xiàn)僅以舉例方式并參照附圖來描述本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，其中圖1A是根據(jù)本發(fā)明的水加熱器的第一實施方式的示意性橫截面 側(cè)視圖，該水加熱器具有根據(jù)本發(fā)明的換熱器元件的第一實施方式；圖1B是圖1A示出的換熱器元件的橫截面端視圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明的水加熱器的第二實施方式的示意性橫截面?zhèn)纫晥D；圖3是根據(jù)本發(fā)明的水加熱器的第三實施方式的示意性橫截面?zhèn)纫晥D；圖4是根據(jù)本發(fā)明的水加熱器的第四實施方式的示意性橫截面?zhèn)纫晥D；圖5是根據(jù)本發(fā)明的換熱器元件的第二實施方式的橫截面端視圖； 圖6是4艮據(jù)本發(fā)明的熱水熱泵的實施方式的示意圖。
具體實施方式
圖1A示出根據(jù)本發(fā)明的家用熱水加熱器10的第一實施方式。該 水加熱器10包括分別帶有常形上端部14和,形下端部16的250升容 積的絕熱鋼制圓筒形罐12。罐12以其縱向軸線成大致豎直的方式安 裝。常形上端部14具有帶有外凸緣20的中央頸縮開口 18。使用時， 罐12幾乎完全充滿水。罐12還具有位于,形上端部14內(nèi)的第一熱水出口 22以及位于官 形下端部16中的第一冷水入口 24。操作時，出口22連接到家用管道 設(shè)備。操作時，入口 24連接到自來7jC供源。罐12還具有第二熱水出 口 26和第二冷水入口 20,第二熱水出口 26和第二冷水入口 20例如 能夠用來，12并聯(lián)連接到太陽能熱水加熱器。換熱器元件30的第一實施方式穿過開口 18插入到罐內(nèi)部。如圖 1B最佳示出的，元件30分別形成有內(nèi)銅管32和外銅管34。內(nèi)管32 的外徑大致等于外管34的內(nèi)徑，4吏得內(nèi)管32的整個外表面大致與外 管34的整個內(nèi)表面接觸。大致接觸的該內(nèi)表面和該外表面使通過內(nèi)管 32內(nèi)部所泵送的高溫制冷劑流體(例如，水或乙二醇或它們的混合物) 到罐12內(nèi)的水的熱傳遞最大化。換熱器元件30還具有入口部38和出 口部40。由被供能的加熱元件30所引起的罐12內(nèi)的7jMt環(huán)由箭頭標(biāo) 示出。水加熱器10的一個優(yōu)點在于，由于經(jīng)由開口 18將元件30引入 到罐12內(nèi)，所以其成4^目對較低并且制造簡單。另一優(yōu)點在于，由于 制冷流體經(jīng)由具有相對較高導(dǎo)熱性的銅管32和34對水直接進行熱傳 遞，所以本發(fā)明具有較高的效率。構(gòu)建加熱元件30包括以下步驟。首先，將兩個銅管拉伸至大約19 米的長度。小直徑管32具有5.0 mm的內(nèi)徑以及5.5 mm的外徑。大 直徑外管34具有5.7 mm的內(nèi)徑以及6.3 mm的外徑。內(nèi)管32的外徑 與外管34的內(nèi)徑之間的差異容許內(nèi)管32插入到外管34內(nèi)。在此階段， 內(nèi)管32的外表面與外管34的內(nèi)表面之間存在小間隙。然后，將兩個 管32和34饋送通過輥軋成形機，輥軋成形機擠壓外管34使其接觸內(nèi) 管32以消除間隙。輥軋成形還9WU^伸了外管34的長度，如果需要， 可在初始時將外管34制造成稍短于內(nèi)管32以4吏外管34延長到共同長度?？商娲兀刹脺p外管34的超出量。輥軋成形還硬化了管32和 34。然后，將(輥軋成形/擠壓的)管32和34退火以使它們軟化，從 而接下來能夠?qū)⑺鼈儚澢⒙菪p繞成如圖1所示的形狀。然后，再 次將(彎曲/螺旋的)管32和34退火。最后，將合適的連接配件(例 如，黃銅配件)附連到入口部38和出口部40。圖2示出7jC加熱器210的第二實施方式。利用相似的附圖標(biāo)號標(biāo) 示與用來描述第一實施方式的特^目似的特征。水加熱器210在結(jié)構(gòu) 和操作方面與圖1中示出的水加熱器10非常相似，除了該加熱元件 30由外圓筒或管42包繞，外圓筒或管42起到增加換熱器元件30的 導(dǎo)熱面積的作用并且因此增加了從加熱流體36到罐12內(nèi)的水的傳熱。圖3示出水加熱器310的第三實施方式。利用相似的附圖標(biāo)號標(biāo) 示與用來描述前述實施方式的特糾目似的特征。水加熱器310在結(jié)構(gòu) 和操作方面也與圖1中示出的水加熱器IO非常相似，除了該換熱器元 件30具有用來增加其導(dǎo)熱面積的內(nèi)圓筒或管44。圖4示出水加熱器410的第四實施方式。利用相似的附圖標(biāo)號標(biāo) 示與用來描述前述實施方式的特;M目似的特征。水加熱器410在結(jié)構(gòu) 和^作方面也與圖1中示出的水加熱器10非常相似，除了該換熱器元 件30分別具有用來增加其導(dǎo)熱面積的外管42和內(nèi)管44。圖5示出分別由內(nèi)銅管132和外銅管134形成的換熱器元件130 的第二實施方式。元件130以與關(guān)于元件30的前述方式相似的方式構(gòu) 建，只是外管134的內(nèi)表面初始設(shè)置有內(nèi)凹紋或溝槽136。在輥壓成 形之后，由于凹R/溝槽136所留下的間隙，外管134的僅大約80%的 內(nèi)表面與內(nèi)管132的外表面接觸。這稍稍降低元件130的導(dǎo)熱能力/熱 交換效率。然而，在某些管轄區(qū)域中需要空氣間隙來滿足安，定。圖6示出才艮據(jù)本發(fā)明的熱水熱泵140的實施方式。熱泵140具有 包括蒸發(fā)器盤管142、壓縮機144、冷凝器盤管146以及恒溫膨脹閥(TX 閥)148的熱泵回路。該回路構(gòu)造成壓縮機144的出口連接到冷凝 器盤管146的入口 ，冷凝器盤管146的出口連接到TX閥148的入口 ， TX閥148的出口連接到蒸發(fā)器盤管142的入口 ，以及蒸發(fā)器盤管142 的出口連接到壓縮機144的入口。該回路適于容納制冷劑填料。如本 領(lǐng)域技術(shù)人員已知，操作熱泵140的組件以產(chǎn)生制冷循環(huán)。冷凝器盤管146定位成與由罐150所容納的7jC體成熱交換關(guān)系。冷凝器盤管146 是如前文參照圖1至圖5所述的雙壁式換熱器元件的形式。在熱泵應(yīng)用中作為冷凝器盤管146的雙壁式換熱器元件的優(yōu)點在 于，其通過導(dǎo)熱提供了至水中的最直接并因此最有效的能量傳輸路徑。 更特別地，當(dāng)冷凝器盤管146懸置在水中時，冷凝器盤管146周圍不 存在空氣間隙。這樣導(dǎo)致從制冷劑到水的傳熱系數(shù)最小。這與現(xiàn)有的使用銅管道系統(tǒng)來容納制冷劑的制冷系統(tǒng)相反，例如 銅管纏繞在7K罐外表面上的現(xiàn)有熱泵構(gòu)造。此外，冷凝器盤管146的雙壁式構(gòu)造提供了只在內(nèi)管失效時才起 作用的安全特征(內(nèi)管與外管之間的內(nèi)部制冷劑溢漏i^)。由于制造 過程的特性以及冷凝器盤管懸置在壓力比冷凝器盤管內(nèi)的制冷劑的壓 力低的罐內(nèi)所容納的水中，該安全特征才是可能的。通常的"管中管"設(shè)計所具有的該安全特征總是設(shè)置成管之間的 空氣間隙的形式，這樣導(dǎo)致熱傳遞不良。盡管已經(jīng)參照優(yōu)選實施方式描述了本發(fā)明，但本領(lǐng)域技術(shù)人員可 以理解，本發(fā)明可以以^f艮多其它的形式實施。
權(quán)利要求
1.一種由內(nèi)銅管和外銅管形成的換熱器元件，其中，所述內(nèi)管的整個外表面大致與所述外管的整個內(nèi)表面接觸。
2.如權(quán)利要求l所述的元件，其中，所述外管的內(nèi)徑大致等于所 述內(nèi)管的外徑，使得所述外管的大約100%的內(nèi)表面與所述內(nèi)管的外表 面接觸。
3.如權(quán)利要求l所述的元件，其中，所述外管的內(nèi)表面包括凹紋 或溝槽并且所述外管所具有的最小直徑大致等于所述內(nèi)管的外徑，^吏得 所述外管的大約80 %的內(nèi)表面與所述內(nèi)管的外表面接觸。
4.如權(quán)利要求l、 2或3所述的元件，其中，所述元件是大致圓筒 形形狀。
5.如權(quán)利要求4所述的元件，其中，所述大致圓筒形形狀的元件 具有由螺旋形的所述內(nèi)管和所述外管所形成的圓筒形壁。
6.如權(quán)利要求5所述的元件，還包括附連到所述螺旋形外管的外 部的外圓筒形壁。
7.如權(quán)利要求5所述的元件，還包括附連到所述螺旋形外管的內(nèi) 部的內(nèi)圓筒形壁。
8.如權(quán)利要求4所述的元件，還包括分別附連到所述螺旋形外管 的內(nèi)部的內(nèi)圓筒形壁和所述螺旋形外管的外部的外圓筒形壁。
9.如權(quán)利要求1-8中任一項所述的元件，其中，所述元件具有兩個大致縱向的入口部和出口部， 一個從所述圓筒的第一端部延伸，并且 另一個穿過所述圓筒內(nèi)部從所述圓筒的第二端部延伸至所述圓筒的第 一端部。
10. —種7jC加熱器，其包括罐和如權(quán)利要求1-9中任一項所述的 換熱器元件。
11. 一種形成換熱器元件的方法，所述方法包括以下步驟g. 拉伸第一銅管和第二銅管，所述第一管的外徑小于所述第二 管的內(nèi)徑；h. 將所述第一管插入到所述第二管內(nèi)；i. 使所述管穿過適于將所述第二管擠壓到所述第一管上的輥 軋成形機，使得所述第一管的整個外表面大致與所述第二管 的整個內(nèi)表面接觸；j.將經(jīng)過擠壓的管退火；k.將所述管彎曲成所需的構(gòu)造；以及1.將經(jīng)過彎曲的管退火。
12. 如權(quán)利要求10所述的方法，其中，步驟e.包括將所述管彎曲 成大致圓筒形形狀。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，包括由螺旋形的管形成圓筒形壁 的步驟。
14.如權(quán)利要求10或11所述的方法，其中，步驟a.包括拉伸帶有 內(nèi)凹紋或溝槽的所述第二管。
15. —種熱水熱泵，其包括熱泵回路，所述熱泵回路包括蒸發(fā)器盤管、壓縮機、與水體成熱 交換關(guān)系的冷凝器盤管以及恒溫膨脹閥(TX閥)，所述回路適于容納制 冷劑填料，其中，所述冷凝器盤管是根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項所述的換熱 器元件的形式。
全文摘要
一種換熱器元件(30)由內(nèi)銅管(32)和外銅管(34)形成。內(nèi)管(32)的整個外表面大致與外管(34)的整個內(nèi)表面接觸。
文檔編號F28D7/10GK101263361SQ200680033780
公開日2008年9月10日 申請日期2006年8月1日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月16日
發(fā)明者帕特里克·普塞爾 申請人:達克斯制造有限公司