技术领域

本发明涉及一种燃气热水器， 同时还涉及其进出水结构改进及进出水 控制方法， 属于热水器技术领域。

背景技术

据申请人了解， 目前市场上普遍应用的传统容积式燃气热水器 均采用 燃烧器置于水箱下部， 以及水箱下部进水、 上部出水的结构。

具体而言， 此类传统容积式燃气热水器的燃烧器置于水箱 底部， 水箱 中安置燃烧换热管路， 使燃烧产生的高温烟气利用本身的热压头， 自下而 上流动， 对水箱中的冷水进行加热。 这种燃烧系统对应的进出水结构包括 一置于水箱底部的进水口， 一置于水箱顶部的出水口。 在加热阶段， 冷水 被加热后， 由于热水密度小于冷水密度， 在重力作用下热水上升、 冷水下 降， 在水箱内部形成温度上高下低的水分层。 用户用水时， 热水从顶部排 出， 虽然此时冷水会从下部补充进入， 由于密度较大， 将下部热水逐渐推 到水箱上部， 因此不会直接影响顶部热水的温度。 由于充分利用了水的分 层特性， 用户用水时不会出现水温波动， 这种进出水结构数十年来未发生 大的变化， 如 1967年公布的专利号为 US3324925, 专利名为 Gas Burner的 美国专利， 2010年公布的专利号为 US7712677,专利名为 Water Heater and Control的美国专利，均采用了类似的、包含一� �从顶部插到水箱底部的称 之为 Dip Tube的进水管和一个置于水箱顶部的出水口的� �出水结构。

近年来， 根据市场需求， 出现了燃烧器置于水箱顶部的大功率容积式 燃气热水器， 当此类容积式燃气热水器沿袭上述进出水结构 时， 出现了如 下明显的缺点： 1 ) 由于冷热水的分层， 原先的热水处于水箱顶部， 当燃烧 装置启动时， 对热水层持续加热极易造成过热； 2) 由于燃烧器上置时， 烟 气被强制自上向下流经水箱内的烟气流道， 因此与上部的热水层大量换热， 而流至底层时温度下降， 与下部冷水层的换热量相对较小， 导致冷水层温 度上升缓慢或不能达到预期温度， 影响热水量的提供。 因此， 传统下进上 出式的进水方式不能适应这种新的大功率容积 式燃气热水器。

检索发现， 专利号为 CN9724764 专利名为《上进水式电热水器》 的 中国专利提出了一种可以从上部进水的热水器 。 然而， 这种热水器是一种 敞开式结构， 与目前热水器普遍采用的密闭式承压水箱有本 质区别， 其进 水和出水不在同一时间进行。 所谓的密闭式承压水箱是指该水箱除进出水 位置以外的其余部分都密闭， 不和外界相通， 因此进出水必须同时进行。 同时， 以上专利的结构是为了避免冷热水的混合， 若储水用完， 必须停机 等待， 是一种落后的设计。 发明内容

本发明的目的在于： 针对上述大功率燃气热水器遇到的问题， 通过对 水箱进出水结构的创新改进， 提出一种燃气热水器及其进出水控制方法， 以使热水器运行时可以有效避免水箱上部的水 温过热， 使水箱内的热交换 更合理充分。

为了达到以上目的， 本发明提出的燃气热水器包括水箱、 燃烧器以及 热交换组件， 水箱顶部安装燃烧器， 所述燃烧器与位于水箱中的热交换组 件相关联， 以对该热交换组件提供热能； 所述水箱的上部联结有热水输出 组件， 其特征在于： 所述水箱的上部联结有上部冷水供应组件， 且下部也 联结有下部冷水供应组件， 所述上部冷水供应组件和下部冷水供应组件与 冷水供应源联结。

由于水箱的上部联结有上部冷水供应组件， 且下部也联结有下部冷水 供应组件， 因此可以有效防止前述过热问题。

所述燃气热水器进一步的特点是还包括分别与 热水输出组件和冷水供 应源相通的恒温管道， 以及控制分别来自热水输出组件和冷水供应源 的热 水与冷水在恒温管道混合比例的水量控制阀。 对于传统下进水方式的容积 式热水器而言， 经过一段时间的对流和导热换热过程， 水箱内必然存 在冷热水由于密度差而产生的物理分层现象， 下进水时， 水箱下部的 冷水不会与上部的热水混合， 这对提高水箱热水使用率十分有益。 而 对于燃烧器上置的容积式热水器而言， 为了解决上部热水容易过热的 问题， 引入一个位于水箱上部的上部冷水供应组件， 结果上部提供的 冷水将扰乱上部热水的稳定状态， 使冷热水分层结构变得混乱， 导致 出水温度出现波动， 引起用户的不舒适感。 因此， 在出水管路上设置 水量控制阀， 利用水量控制阀将热水输出组件的水量和冷水 供应源的 水量相关联起来， 使得恒温管道内的水温保持恒温。

以下是本发明燃气热水器进一步的特点， 这些特点相互之间或者是并 列关系， 或者是递进关系：

所述水量控制阀至少设置在热水输出组件或冷 水供应源至恒温管道的 管路， 以及热水输出组件至恒温管道的管路和冷水供 应源至恒温管道的管 路的交汇处之一。 尤其是， 所述水量控制阀为电动水阓。

所述燃气热水器还包含一控制电路； 所述热水出水管路中和冷水供应 源至恒温管道的管路中分别装有水温和水量检 测装置， 该水温和水量检测 装置和所述控制电路间构建有反馈温度信号和 水量信号的信号传输通道， 控制电路和所述水量控制阀间构建有传输控制 所述水量控制阀的开度的控 制信号的信号传输通道， 该控制信号由控制电路根据所述水温和水量检 测 装置检测的温度信号和水量信号产生。 这样， 控制电路可以根据各种温度 信号、 水量信号来控制水量控制阀的开口度， 从而可以得到恒温的热水， 并保证温度的精度。

所述水量控制阔设置在热水输出组件至恒温管 道的管路和冷水供应源 至恒温管道的管路的交汇处， 所述水量控制阀为机械混水阀， 所述机械混 水阀有一热水进口、 一冷水进口和一出口， 其热水进口与所述热水输出组 件接通， 冷水进口与冷水供应源接通。 尤其是， 所述机械混水阀为一含有 记忆合金弹簧的恒温混水阔。 机械混水阀不需额外的控制电路， 使系统结 构简洁， 且反应速度快， 恒温性能好。

所述上部冷水供应组件与下部冷水供应组件的 出水比例控制在

1/4040/1范围内。试验表明， 在该范围内的面积比， 既可以避免过热问题， 也不会使得热水产率不至于过低。

所述上部冷水供应组件包括位于水箱内的进水 管上部设有的上部进水 口， 所述下部冷水供应组件包括该进水管下部设有 的下部进水口， 该进水 管的上端和冷水供应源相通。 上部冷水供应组件、 下部冷水供应组件大部 分内置在水箱中， 在水箱内设置进水管， 利用进水管来分配上、 下进水量， 使得整体结构紧凑， 冷水由上而下在进水管中流动， 有预热过程。

所述水箱的上部设置有连接口， 所述连接口的一端与冷水供应源联结， 另一端与该进水管的上端联结。 通过连接口连接进水管和冷水供应源， 管 路不会相对水箱内胆滑动， 增强了结构的稳定性。

所述进水管的下端接近所述水箱的底部。 越接近水箱底部， 水箱的利 用率越高。

所述上部进水口和下部进水口为预定数目的孔 。 通过一定数目的孔来 进水， 水朝多个方向喷射， 可以使得进水更均匀。

所述进水管还开有附加进水口， 该附加进水口位于上部进水口和下部 进水口之间。 增加附加进水口， 可以让水箱内胆的冷水分布更均匀， 提高 热水产率。 所述上部冷水供应组件包括所述水箱的上部设 有的上部进水口， 所述 上部进水口的一端与冷水供应源联结； 所述下部冷水供应组件包括所述水 箱的下部设有的下部进水口， 所述下部进水口的一端与冷水供应源联结。 上部冷水供应组件和下部冷水供应组件主要外 置于水箱， 因此维修方便， 并且能方便地加入各种阀， 以便于对上、 下部冷水供应的量进行精确控制。

所述下部进水口和冷水供应源之间的管路中设 置有水量控制阀。 或者 所述上部进水口、 下部进水口和冷水供应源之间的管路中均设置 有水量控 制阀。 这样可更精确地控制下部进水。

所述热水输出组件包括所述水箱的上部还设有 的出水口以及出水口连 接的热水出水管路， 所述热水出水管路为所述热水输出组件至恒温 管道的 管路。

所述水箱为密闭式承压水箱。 密闭式承压水箱寿命长， 控制简单， 可 以提供一个大的出水压力， 以提高用户舒适度。

本发明燃气热水器的进出水控制方法：

将燃烧器设置在水箱的上部， 提供从水箱的上部向下通过水箱内的热 能， 对水箱内的水进行加热；

在水箱的上部排出热水， 同时在水箱的上部和下部分别供应冷水； 引入冷水至该排出热水， 将冷水和热水混合， 并控制该引入冷水和 /或 该排出热水的量， 以得到恒温的水源。

进一步， 根据该排出热水的水量和水温以及该引入冷水 的水量和水温 来控制该引入冷水和 /或该排出热水的量， 以得到恒温的水源。

本发明的有益之处在于： 本发明的热水器工作时， 燃烧器提供的高温 烟气或热能自上向下流经热交换器或热交换部 件， 与水箱中的储水进行热 交换。 热水输出组件输出热水时， 补充的冷水分为两部分， 一部分由在上 的上部冷水供应组件进入水箱， 与燃烧器的燃烧室部位接触， 同时与水箱 上部的高温热水混合， 因此抑制了水箱上部的温度， 有效防止了过热。 另 一部分冷水由下部冷水供应组件进入水箱底部 ， 防止上部冷水供应组件补 水量过大时， 上层热水温度因降低过快而影响用户使用。 由于借助本发明 的水箱进出水结构， 可以合理分配上、 下冷水量， 因此在避免上层水温过 热的同时， 还可以使水箱内的热交换更合理充分， 从而达到尽可能多供应 热水的目的。

此外， 采用本发明的结构和方法后， 由上部冷水供应组件进入水箱的 冷水与水箱上部的高温热水混合后， 使其温度低于水箱中层的水温， 密度 相对增大， 因此产生下沉的运动趋势； 而由下部冷水供应组件进入水箱的 冷水被加热后， 密度变小， 产生上升的运动趋势； 两者的结合使得水箱内 出现紊流， 有助于加快热交换速率， 提高换热效率。

总之， 本发明突破了进水位置普遍置于水箱底部的传 统思维， 通过在 水箱上部增设进水供应组件， 巧妙解决了大功率容积式热水器水箱容易过 热的问题， 能以较小容量的水箱提供尽可能多的热水， 并且还具有提高换 热速度和热交换效率的作用， 与以往技术相比， 具有突出的实质性特点和 显著的进步。

附图说明 图 1为本发明实施例一的示意图。

图 2为本发明实施例二的示意图。

图 3为实施例二中综合进水量与水压关系图。

图 4为本发明实施例二和传统容积式热水器的性� �对比图。

具体实施方式 尽管后面所使用的术语是从公知公用的术语中 选择的， 但是有些术语 则是申请人按其判断来选择的， 其详细含义应根据本申请欲揭示的精神来 理解， 例如， 本说明书中前述或后述的 "联结"， 并非限定为如附图所示的 直接相连， 可以是间接相连； 前述或后述的 "相通"并非限定为如附图所 示的直接相通， 可以是间接相通。 实施例一

图 1是本发明实施例一的结构示意图。 该密闭式承压热水器（可以但 不限于是容积式热水器）包括一水箱 1， 水箱 1上端设置向下的燃烧器 3， 燃烧器上端与风机 4联结，下端与内置于水箱 1内的燃烧换热装置 2 (含燃 烧换热管路）联结， 燃烧换热装置 2通过出口 11将烟气排出。 水箱 1上部 设置一热水出水口 7， 出水口 7与热水出水管路 71构成热水输出组件， 该 热水输出组件提供热水流道。水箱 1上部还设有连接口 8，该连接口 8内装 有进水管 9， 进水管 9的末端（即下端）与水箱 2的底部接近， 位于水箱 1 内的进水管 9的上部设有上部进水口 91， 下部设有下部进水口 92。 连接口 8还和水箱 1外部的联结冷水源的进水管路 81相连，联结管路 81的另一端 接三通阀 82的第一端， 三通阀 82的第二端与冷水供应源相连， 三通阀 82 的第三端联结电动水量控制阀 5的一端， 电动水量控制阀 5的另一端与热 水出水管路 71联结， 热水出水管路 71最终通过恒温管路 6与用户端联结。 上部进水口 91、进水管 9的一部分（自上部进水口 91以上的一部分）和连 接口 8、联结管路 81构成上部冷水供应组件，下部进水口 92和进水管 9的 另一部分（进水口 91、 92之间的部分）构成下部冷水供应组件。 同时， 在 联结热水出水管路 71、冷水进水管路 81上分别设有水温和水量检测装置 A、 Bo 这些检测装置所得信号传输到控制电路 10中， 控制电路 10通过后述的 算法控制水量控制阔 5的开度，并将控制信号反馈给水量控制阀 5，从而使 得热水出水管路 71的初次热水和冷水进水管路 81的部分冷水混合， 以在 恒温管路 6提供热水或者说用户需要的热水， 可达到出水温度恒定的目的。 设进入水箱 2的总流量为 Q。， 上部、 下部进水口的流量分别为 、 Q ₂ , 则：

Q ₀ = Q _l +Q ₂ - (i)

由于 >0， 一部分水从水箱的上部进入， 压力足够时， 会正对燃烧室喷射， 有效地降低了燃烧室外壁温度， 并与周围的高温热水混合， 降低了水箱顶 部温度， 减少了过热的可能性。 同时， 由于该部分冷水密度大于周围热水， 会自上而下运动， 与周围的热水不断混合， 在水箱上部造成紊流， 破坏了 原有的冷热水分层， 进一步降低了过热的可能性， 同时借助水流自上而下 运动的惯性， 搅动水箱下部的冷水， 使该部分冷水得到迅速加热， 提高了 水箱的利用率， 缩短了加热时间。

为保证在不同进水量的情况下均能达到较好的 防过热和混水效果， 需 使上部进水口和下部进水口的流量匹配， 或者说使二者的进水口面积比在 一定的范围内， 大量实验证明 （此处是否需要加数据？ ）， 该面积比在 1/40-40/1之间最佳。

同时， 设检测装置 A处的热水温度为 T ₃ ， 热水流量为 Q3， 检测装置 B 处冷水温度为 T ₄ ， 冷水流量为 Q ₄ ， 恒温管路 6处温度为 T。 _ut , 出口水流量为 Qout, 则： a =a =a+e ₂ - (2)

为使出水温度恒定， 需使：

则出口热水温度稳定在设置温度范围内。

实施例二

本实施例提供了实施例一的一种替代装置， 如图 2所示： 该密闭式承 压热水器（可以但不限于是容积式热水器）包 括一水箱 1， 水箱 1上端设置 向下的燃烧器 3， 燃烧器上端与风机 4联结， 下端与燃烧换热管路 2联结， 换热装置 2通过出口 11将烟气排出。水箱 1上部设有上部进水口 91，上部 进水口 91通过管路 94与四通阀 82的第一端联结，构成上部冷水供应组件。 水箱 1下部设有下部进水口 92， 下部进水口 92通过管路与四通阀 82的第 二端联结， 该管路设有水量控制阀 93， 构成下部冷水供应组件。 水箱 1上 部还设有一出水口 7， 其通过热水出水管路 71与一个水量控制阀 5的进水 端联结， 形成热水供应组件。 水量控制阀 5的另外一个进水端通过管路与 四通阀 82的第三端联结。 水量控制阀 5的出口联结用户端， 四通阀 82的 入口联结冷水供应源。 此处的水量控制阀 93为一个止回阀。 水量控制阀 5 为一个机械恒温混水阀。

通过水量控制阀 93和管路 94的配合， 可对进入上部进水口 91的水流 量 (^进行精确控制， 使之不受总水量 Q。的变化影响， 从而达到对燃烧室持 续稳定的降温， 以实现最佳的防过热功能。 即，

其中 C,为通过实验确定的最佳水流量值。

为满足以上水量要求， 水量控制阀 93的流量曲线为:

以上 C、 Q ₂ 以及综合进水量的曲线见图 3。图中 0"A- 8为 与总压头的 关系， 0-C-D-E为 Q ₂ 与总压头的关系， 0~A- F- G为 Q。与总压头的关系。

通过实验测试， 这种装置可以达到这样的效果， 即： 小水量时， 供水 全部从上部进水口 91进入， 此时即使燃烧系统处于工作状态， 也能避免过 热， 同时使水箱内热水均匀； 大水量时， 水量控制阀 93打开， 上部进水口 91仍保持小水量状况时的流量，其余供水从下� ��进水口 92进入水箱，避免 大量冷水从上部进入导致的热水供应不足。 实验证明， 上部进水口 91与四 通阀 82之间的联结管 94内径为 4皿、 下部进水口与四通阀 82之间的水量 控制阀 93为开阀压力 0. 2kg的止回阀时，进水流量 Q。=5- 16L/min的工况下， 可将上进水压力控制于 3L/min左右， 符合预期。

机械恒温混水阔 5则为一种装有记忆合金弹簧的混水阀， 其工作原理 在于， 利用记忆合金对温度的敏感性， 自动调节冷热水的混合量， 达到出 水温度恒定的效果。 这种温度调节结构无需控制系统， 简单易行。

图 4显示了本实施例和对应产品的产热水能力对� �。 以本实施例输入 负荷 26kw， 水温升 40°C， 容积 80L为基准， 对比一台输入负荷 26kw的快 速燃气热水器（25度温升条件下供水量 13L/min)和一个 80L容量， 输入 功率 20kw的容积式热水器。 图中 A' B' C D' 线为传统 80L容积热水器的 放水曲线，该热水器以 10L/min的流量可以放水 8分钟，然后降至 6. 25L/min 持续放水； ABCD线为容量 80L 的本实施例的放水曲线， 该热水器先以 12L/min的流量放水 10分钟， 然后可以 10. 5L/min的流量持续放水； A， ' E线为一 13升快速机的放水曲线，它只能以 lOL/min持续放水，线 CD与线 B' E的高度差是由本实施例与所述 13升快速机的效率差异导致的。本实施 例在一定时间内的供水能力为 I 、 II、 m三个区域的面积之和， 传统 80L 容积热水器的供水能力为 I区域的面积， 13L快速机的供水能力为 I 、 II两 个区域的面积之和。 由图可见， 本实施例对比相当容量的传统容积式燃气 热水器和对比相当输入功率的快速热水器均有 优势， 结合了容积式热水器 水箱和快速式热水器大功率的优点， 具有明显的技术进步。

下表是不同上下进水比例情况下， 热水产率试验相关数据， 可以看出： 上部冷水供应组件与下部冷水供应组件的出水 比例控制在 1/40-40/1范围 内， 均可以得到较为理想的效果。 上下进水上进水占出热水时间 热水产率

比 比 /min /gal

40. 00 0. 98 2 8. 4

14.60 0. 94 7 29. 4

2. 00 0. 67 10 42

1. 00 0. 50 13 54. 6

0. 50 0. 33 11 46. 2

0.07 0. 06 8 33. 6

0. 03 0. 02 3 12. 6

本发明并不局限于上述实施例， 具有许多的变形， 例如， 为了保持恒 温的水量控制阀的位置可以灵活的选择， 水量控制阀可以设置在热水输出 组件至恒温管道的管路中， 也可以设置在冷水供应源至恒温管道的管路中 ， 也可以在热水输出组件至恒温管道的管路以及 冷水供应源至恒温管道的管 路中同时设置， 也可以设置在热水输出组件和冷水供应源至恒 温管道的交 汇处， 对于本领域技术人员而言， 可以理解到具有上下两个进水口， 且通 过控制上下进水口水流量比例， 例如通过管径和水量控制阀控制上、 下进 水口水流量比例的方法及其装置均落在本发明 的保护范围。