CN111602010B - 具有有机聚合物涂层的热水器 - Google Patents

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Abstract

一种构造热水器的方法，该方法包括以下步骤：提供具有金属内罐壁的罐和定位在罐内的热交换器；利用包括玻璃搪瓷的第一层涂覆内罐壁和热交换器；并且利用包括有机聚合物的第二层涂覆第一层的一部分，以保护第一层的部分免于暴露于罐中的水。

Description

具有有机聚合物涂层的热水器
相关申请的交叉引用
本申请要求于2017年12月6日提交的美国临时专利申请No.62/595,385的优先权，其全部内容通过引用并入本文中。
背景技术
本发明涉及具有金属基板的热水器，并且更具体地涉及通过有机聚合物涂层保护金属基板。传统地，玻璃搪瓷涂层用于热水器中以保护金属基板，但会被热水溶解。一旦保护性玻璃搪瓷涂层被溶解穿透而达到基板，然后基板会迅速腐蚀并被穿孔。此时，必须更换热水器。
发明内容
在一个实施方式中，本发明提供了一种构造热水器的方法，该方法包括以下步骤：提供具有金属内罐壁的罐、定位在罐内的热交换器；利用包括玻璃搪瓷的第一层涂覆内罐壁和热交换器；并且利用包括有机聚合物的第二层涂覆所述第一层的一部分，以保护第一层的所述部分免于暴露于罐中的水。
在另一实施方式中，本发明提供了一种热水器，该热水器包括金属内罐壁和定位在该罐内的热交换器。第一层定位在内罐壁和热交换器上。第一层包括玻璃搪瓷。热水器进一步包括定位在第一层的一部分上的第二层。第二层包括有机聚合物。第二层被配置成保护第一层的所述部分免于暴露于罐中的水。
通过考虑具体实施方式和附图，本发明的其它方面将变得显而易见。
附图说明
图1是包括罐的热水器的立体图。
图2是图1的罐的横截面示意图。
图3是实施本发明的另一热水器的横截面侧视图。
图4是图3的热水器的热交换器盘管的放大截面图。
具体实施方式
在详细解释本发明的实施方式之前，应当理解的是，本发明的应用不限于在以下描述中阐述或在附图中例示的构造的细节和部件的布置。本发明能够具有其它实施方式并且能够以多个方式被实践或执行。
图1例示了热水器10，为了清楚起见，其部分未例示。更具体地，热水器10包括用于容纳要加热的水的罐14。热水器10进一步包括用于加热罐14中的水的热源(例如，电气元件、冷凝器盘管、喷燃器等)。在所示的实施方式中，热水器10是具有被定位在罐14内的电加热元件的电热水器。电加热元件经由配件18电连接，配件18延伸穿过罐14的侧壁。罐14中的水通常被加热并维持在110华氏度至140华氏度的范围内。进水管22和出水管26联接到罐14的内部并且与罐14的内部流体连通。进水管22用于向罐14供应冷水，并且出水管26用于从罐14抽取热水。热水器10可以进一步包括在罐14周围的隔热材料(例如，现场泡沫隔热材料或玻璃纤维絮隔热材料)以减少热损失。
参照图1和图2，罐14包括罐壁34，罐壁34具有外表面30和反向的内表面38，该内表面38限定罐14的内部空间。罐壁34可以由诸如钢的金属材料制成。另外，内表面38可以涂覆有多个层，以防止内部罐壁38暴露于容纳在罐14的内部空间中的水。在所示的实施方式中，罐14包括定位在内表面38上的第一层42和定位在第一层42上的第二层46。
参照图2，第一层42包括玻璃搪瓷，以保护罐壁34免于直接暴露于水，直接暴露于水可能导致金属罐壁34由于腐蚀或破裂而失效。这样，第一层42被配置成保护内表面38免受直接暴露于罐14中的水的腐蚀影响。当暴露于高温(例如，高于“水温极限”)、高酸性(例如，高于“水酸性极限”)或高碱性(例如，高于“水碱性极限”)时，玻璃搪瓷可能受损。水酸性极限和水碱性极限也可以被认为分别低于和高于玻璃搪瓷的pH范围(例如，在玻璃搪瓷的公差范围内的pH范围)。术语“受损”可以被限定成第一层42的熔化、溶解、破裂、侵蚀、腐蚀或任何其它种类的损坏。
在示例性构造中，玻璃搪瓷的水温限制在131华氏度至208华氏度(131°F至208°F)的范围中。在其它示例性构造中，水温极限可以是160华氏度(160°F)。在示例性构造中，水酸性极限可以是4的pH(即，当暴露于低于4的pH时，玻璃搪瓷可能受损)。在示例性构造中，碱性极限可以是10的pH(即，当暴露于高于10的pH时，玻璃搪瓷可能会受损)。换句话说，玻璃搪瓷的pH范围可以是4至10(即，在4至10之间(包括端值)的pH下，玻璃搪瓷几乎没有或没有受损的风险)。这样，第二层46在第一层42上形成保护性屏障(即，保护第一层42免于直接暴露于水和高温)，以防止第一层42由于水温、水酸性或水碱性而受损。
参照图2，第二层46包括如美国专利No.8,277,912中所规定的有机聚合物，该专利通过引用并入本文。第二层46直接暴露于罐14中的水，并保护第一层42免于直接暴露于水。这样，第二层46在第一层42上形成保护性屏障，以减慢、防止或阻止第一层42受损。第二层46可以延长使第一层42受损所花费的时间量。因此，第二层46可以阻止罐14的早期失效，使得可以延长罐14的预期寿命。
可以以多个步骤来构造如上所述的热水器10。第一步骤包括提供具有金属罐壁34的罐14。这可以包括通过完全组装罐14的所有部件并焊接来形成罐14。当形成罐14时，可以包括用于进水管22的开口、用于出水管26的开口、用于排水的开口以及用于安全阀的开口。内表面38可以使用磨料颗粒进行清洁和喷砂。这可以包括对内表面38的所有钢表面进行清洁和喷砂。
第二步骤包括利用包括玻璃搪瓷的第一层42涂覆内表面38。这可以包括利用第一层42对内表面38进行浆涂(slush coating)。第二步骤可以包括以粉末形式施加第一层42作为玻璃粉末。第二步骤可以包括润湿粉末以形成称为“泥浆(slip)”的湿混合物。第二步骤可以进一步包括将泥浆充填(即，填浆(slip-slushing))到内表面38上。这可以包括通过旋转罐14来在所有钢表面上充填泥浆。第二步骤可以进一步包括在将泥浆施加到内表面38之后加热并固化泥浆。这可以包括在至少400华氏度(400°F)的温度下干燥泥浆至少20分钟。然后可以通过在炉中烧制(即，炉烧)来加热第一层42，以将第一层42结合到内表面38。可以在1500华氏度至1600华氏度(1500°F至1600°F)的范围中的温度或至少1500华氏度(1500°F)的温度下将第一层炉烧5分钟至10分钟的时段。
第三步骤包括提供粉末形式的第二层46的有机聚合物，将有机聚合物粉末定位在第一层42上，并加热第二层46。更特别是，可以通过在粉末离开喷雾器之前使有机聚合物粉末带正电并且将罐14接地使得粉末被吸引到接地罐14的内表面38，来将有机聚合物粉末静电喷涂到第一层42上。随后，在烤炉中在400华氏度至420华氏度(400°F至420°F)的温度下加热有机聚合物粉末至少20分钟，以形成第二层46。在一种构造中，第二层46具有至少4密耳(即101.6微米)的厚度。
图3例示了实施本发明的另一热水器110，其具有类似于图1至图2所示的热水器10的实施方式的部件和特征，并利用相同的附图标记加上“100”来标记。热水器110包括罐114、进水管122和出水管126。热水器110进一步包括燃烧器154(在图3中示意性地示出)。燃烧器154包括气体喷燃器158和燃烧室162。烟道166被定位在罐114中，并与燃烧室162流体连通。通过气体喷燃器158在燃烧室162内燃烧燃料(例如，气体)和空气的可燃混合物来生成热烟道气。然后将热烟道气从燃烧室162引导通过烟道166到达烟道气出口174。在所示的实施方式中，喷燃器158向下点火到燃烧室162中，并且因此可以称为下燃式喷燃器。
热水器110包括高热通量区域。尤其是，术语“高热通量区域”用于指示热水器110的具有本文公开的特定特征的部分，该部分经历高热量，这会导致加速的腐蚀。
参照图3，高热通量区域的示例是满足以下标准中的一个或更多个标准的区域：由于高火焰温度或来自喷燃器的辐射热传递，与喷燃器视线接触的位置(利用“A”指示的“视线区域”)；由于边界层厚度的减小和由气体速度的增加引起的湍流的一些轻微增加，从较大的腔室或管到较小的腔室或管的过渡位置(利用“B”指示的“过渡区域”)；由于增加的气体湍流和减小弯头的相邻部分的边界层厚度而导致高热通量的弯头或弯曲(利用“C”指示的“弯头区域”)；以及在距离喷燃器158大约三个喷燃器长度或宽度的范围内由于高气体温度而导致高热通量的位置(利用“D”指示的“近侧区域”)。
“视线”表示在热源与区域之间存在无障碍路径，使得该区域暴露于来自热源的辐射热。在图3中，视线区域A的示例是燃烧室162的与喷燃器158的下端并排的侧壁。在图3中，过渡区域B的示例是从燃烧室162的变窄部分178到弯头182的过渡。另外，弯头区域C的示例是弯头182。
出于找到近侧区域的目的，术语“喷燃器长度”可以表示喷燃器的主要尺寸，而“喷燃器宽度”可以表示喷燃器的次要尺寸。在所示的构造中，喷燃器具有喷燃器长度158L和喷燃器宽度158W。因为燃烧产物的温度在靠近喷燃器处最高，所以近侧区域经历高热通量。近侧区域D的示例是燃烧室162的在喷燃器158的部分附近的部分。高热通量区域A-D不相互排斥。一个区域可以在多个类别下被视为高热通量区域。例如，视线区域A通常也将成为近侧区域D。
燃烧室162和烟道166被气体喷燃器158产生的热烟道气加热，并且热量被传递到罐114内的水。因此，燃烧室162和烟道166可以被限定成热水器110的热交换器150。
类似于图1至图2的热水器10，罐114的内表面138暴露于罐114内的水。此外，热交换器150的外表面170(即，燃烧室162的外表面和烟道166的外表面)也暴露于罐114内的水，使得罐114的内表面138和热交换器150的外表面170可以被称为“面向水的表面”。罐114中的水与面向水的表面接触(或更确切地，与在面向水的表面上的涂层142、146接触，如下文进一步讨论的)。
罐114的内表面138和/或热交换器150的外表面170可以涂覆有多个层，以防止面向水的表面暴露于容纳在罐114的内部空间中的水。如例示的实施方式的图3和图4所示，热交换器150包括定位在外表面170上的第一层142和定位在第一层142上的第二层146。在其它实施方式中，内部罐114(或其部分)还可以包括定位在内表面138上的第一层142和定位在第一层142上的第二层146(类似于图1和2的第一实施方式)。第一层142和第二层146可基于预定(即，预期的)水温范围、试图实现的性能、热水器110的应用以及热水器110的使用寿命中的一个或更多个而定位在热交换器150和/或罐114上。
如以上相对于第一实施方式所述，第一层142包括玻璃搪瓷，并且第二层146包括有机聚合物。尤其是，第一层142被配置成保护热交换器150免于直接暴露于水，直接暴露于水可能导致金属热交换器150由于腐蚀或破裂而失效。玻璃搪瓷可能会受损(即，当暴露于诸如高水温的高温、高酸性和高碱性时)。第二层146在第一层142上形成保护性屏障(即，保护第一层142免于直接暴露于水和高温)，以防止第一层142诸如由于暴露于水、水温、水酸性或水碱性而受损。
尤其是，第一层142和第二层146被定位在热交换器150的高热通量区域上(然而第一层142和第二层146也可以被定位在热交换器150和/或罐114的内表面138的其它部分或全部上)。热交换器150的具有高热通量区域的部分可能最快地受损。第二层142被定位在尤其是在这些高热通量区域中的第一层146上，以减慢、防止或阻止第一层146受损。
参照图3，可以以多个步骤来构造热水器110。第一步骤包括提供具有金属罐壁134的罐114。这可以包括通过完全组装罐114的所有部件并焊接来形成罐114。特别是，在该实施方式中，金属热交换器150被定位在罐114内。当形成罐114时，可以包括用于进水管122的开口、用于出水管126的开口、用于烟道气出口174的开口、用于排水的开口以及用于安全阀的开口。内表面138可以使用磨料颗粒进行清洁和喷砂。这可以包括对内表面138的所有钢表面进行清洁和喷砂。
第二步骤包括利用包括玻璃搪瓷的第一层142涂覆罐114的内表面138和热交换器150的外表面170。这可以包括如以上相对于第一实施方式的热水器10所述的那样对内表面138进行浆涂，但是也可以利用第一层142对热交换器150进行浆涂。第二步骤可以包括以粉末形式施加第一层142作为玻璃粉末。第二步骤可以包括润湿粉末以形成称为“泥浆”的湿混合物。第二步骤可以进一步包括将泥浆充填(即，填浆)到内表面138和热交换器150上。这可以包括通过旋转罐114来在所有钢表面或金属表面(包括热交换器150)上充填泥浆。第二步骤可以进一步包括在将泥浆施加到内表面138和热交换器150之后加热并固化泥浆。这可以包括在至少400华氏度(400°F)的温度下干燥泥浆至少20分钟。然后可以通过在炉中烧制(即，炉烧)来加热第一层142，以将第一层142结合到内表面138和热交换器150。可以在1500华氏度至1600华氏度(1500°F至1600°F)的范围中的温度或至少1500华氏度(1500°F)的温度下将第一层142炉烧5分钟至10分钟的时段。
尤其是，热水器110的面向水的表面衬有或涂覆有第一层142的玻璃搪瓷，以减小在第二步骤中对腐蚀的敏感性。此外，由于在加热第一层142时将泥浆中的二氧化碳排出，所以在炉烧期间可能在第一层142内形成气泡。特别是，这些气泡可以在第一层142的与热交换器150的外表面170相反的表面或与罐114的内表面138相反的表面附近形成。气泡可以在第一层142内形成互连的气泡结构。
第三步骤包括以粉末形式提供第二层146的有机聚合物，将有机聚合物粉末放置在第一层142上，并加热第二层146。更特别是，可以通过在粉末离开喷雾器之前使有机聚合物粉末带正电并且将罐114接地使得粉末被吸引到接地罐114的内表面138并附接到定位在罐114内的热交换器150，来将有机聚合物粉末静电喷涂到第一层142上。
在一个示例中，可使用Tribo粉末涂覆枪来静电喷涂有机聚合物粉末。在该示例中，将Tribo粉末涂覆枪***到设置在罐114中的开口中的一个开口中，该开口流体地连接到入口管122、出口管126、烟道气出口开口或排水开口(未示出)。例如，将Tribo粉末涂覆枪***进水管的开口中，并且Tribo粉末涂覆枪的一端接近热交换器的底部定位。随后，Tribo粉末涂覆枪开始从热交换器150的底部向热交换器150的顶部喷涂。Tribo粉末涂覆枪可以静电喷涂约两分钟。将有机聚合物粉末施加到定位在罐114的内表面138和热交换器150上的第一层142。罐114形成外壳，使得不需要控制有机聚合物粉末的喷涂方向。在所示的实施方式中，外壳具有圆柱形状。
尤其是，通过Tribo粉末涂覆枪将有机聚合物粉末朝向热交换器150的盘管引导。因此，当有机聚合物粉末朝向热交换器150静电喷涂时，有机聚合物粉末可以仅施加到定位在罐114的内表面138上的第一层142的某些部分。换句话说，罐114的内表面138的部分可以不利用第二层146的有机聚合物粉末静电喷涂。
第三步骤进一步包括加热有机聚合物粉末。在一个构造中，在烤炉中在400华氏度至420华氏度(400°F至420°F)的温度下加热有机聚合物粉末至少20分钟，以形成第二层146。第三步骤可以进一步包括在施加第二层146之前，允许罐114和/或第一层142冷却至120华氏度(120°F)。在一种构造中，第二层146具有至少4密耳(即101.6微米)的厚度。
可以认为，由于形成第一层142时玻璃搪瓷的硬化，有机聚合物难以粘附到由玻璃搪瓷组成的层。不能确定为什么在上述热水器10、110的构造中，实现了第二层46、146对第一层42、142的增加的粘附力。考虑的一种可能性是在第三步骤中加热有机聚合物粉末期间，第一层42、142的表面附近的气泡可能破裂、损坏或以其它方式被气泡上熔化的有机聚合物粉末破坏。有机聚合物粉末可以熔化到气泡所在的空隙或凹陷区域中，这可以为第二层46、146提供更好的保持力，从而增加第二层46、146对第一层42、142的粘附力。换句话说，认为第三步骤中的加热使第一层42、142的最小量(仅在第二层46、146被施加的地方，并且仅在第一层42、142的形成有气泡的表面处)受损，使得第二层46、146可以更好地粘附到第一层42、142。因此，尽管第一层42、142最小程度地受损，但该处理实际上似乎通过允许第二层46、146对第一层42、142的粘附或增加粘附力而实现了更好地保护了第一层42、142免受腐蚀。针对增加的粘附力、尤其是相对于热水器110考虑的另一可能性是，尽管热交换器150的盘管包括多个弯曲和屈曲，使得以粉末形式施加第二层146可能难以覆盖盘管的总表面面积，但是在加热期间，有机聚合物粉末可能与定位在弯曲和屈曲的其它部分上的附近有机聚合物粉末汇合或结合以形成套管186(图4)。这允许第二层146的一些部分粘附到第二层146的其它部分，这也可以或进一步增加第二层146对热交换器150上的第一层142的粘附力。因此，实现了第二层146的有机聚合物粘合到第一层142的玻璃搪瓷的粘合力增加的令人惊讶和出乎意料的结果。
此外，该处理允许将第二层146特别地施加到热交换器150的高热通量区域。尤其是，当热水器110如上所述操作时，高热通量区域相对于热水器110的其它部分而处于最高温度。另外，高热通量区域也暴露于罐114内的水。这样，热交换器150在这些高热通量区域处失效的可能性会增加。设置在热交换器150上、尤其是在高热通量区域处的第二层146可以减慢、防止或阻止热交换器150上的第一层142受损。更特别地，第二层146可以延长使第一层142受损所花费的时间量。因此，第二层146可以阻止热交换器150的早期失效，使得可以延长热水器110的预期寿命。
在所附权利要求中阐述了本发明的各种特征和优点。

Claims (22)

1.一种构造热水器的方法，所述方法包括以下步骤：
(a)提供具有金属内罐壁的罐和定位在所述罐内的热交换器；
(b)在步骤(a)之后，利用包括玻璃搪瓷的第一层涂覆所述内罐壁和所述热交换器并且在利用所述第一层涂覆所述内罐壁的同时在所述第一层的表面附近形成气泡；
(c)在步骤(b)之后，利用包括有机聚合物的第二层涂覆所述第一层的一部分，以保护所述第一层的所述部分不暴露于所述罐中的水，加热所述第二层使得所述气泡受损，由此在所述第一层内形成凹陷区域，并且将所述第二层熔化到所述凹陷区域中。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤(b)包括将所述第一层填浆到所述内罐壁和所述热交换器上。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤(b)包括在至少400华氏度的温度下干燥所述第一层达至少20分钟。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤(b)包括通过在炉中进行烧制来加热所述第一层。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤(b)包括在处于1500华氏度至1600华氏度的范围中的温度下加热所述第一层达5分钟至10分钟的时段。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第二层包括呈粉末形式的有机聚合物，并且其中，步骤(c)包括将所述第二层静电喷涂到所述第一层的所述部分上。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，使用Tribo粉末涂覆枪来静电喷涂所述第二层。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤(c)包括在处于400华氏度至420华氏度的范围中的温度下加热所述第二层达至少20分钟。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤(c)包括利用所述第二层形成保护性屏障，以防止所述第一层的所述部分受损。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤(c)包括使用所述第二层来防止所述第一层的所述部分由于预定水温极限、预定酸性水极限和预定碱性水极限中的至少一者而导致的溶解。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一层的所述部分包括被定位在所述热交换器上的所述第一层。
12.根据权利要求1所述的方法，其中，所述热交换器包括具有高热通量的区域，并且其中，所述第一层的所述部分包括被定位在高热通量区域上的所述第一层。
13.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一层的被所述第二层涂覆的所述部分包括被定位在所述金属内罐壁的一部分上的所述第一层。
14.一种热水器，所述热水器包括：
罐，所述罐包括金属内罐壁；
热交换器，所述热交换器被定位在所述罐内；
第一层，所述第一层被定位在所述内罐壁和所述热交换器上，所述第一层包括玻璃搪瓷并且在所述第一层的表面附近具有气泡；以及
第二层，所述第二层被定位在所述第一层的一部分上，所述第二层包括有机聚合物，
其中，所述第二层被配置成保护所述第一层的所述部分免于暴露于所述罐中的水，并且被配置成被加热使得所述气泡受损，以在所述第一层内形成凹陷区域，并且其中所述第二层被配置成被接收在所述凹陷区域中。
15.根据权利要求14所述的热水器，其中，所述第一层被填浆到所述内罐壁和所述热交换器上，并且其中，在所述第二层被定位在所述第一层的所述部分上之前，对所述第一层进行炉烧。
16.根据权利要求14所述的热水器，其中，所述第二层包括呈粉末形式的有机聚合物，并且其中，所述第二层被静电喷涂到所述第一层的所述部分上。
17.根据权利要求16所述的热水器，其中，所述第二层被使用Tribo粉末涂覆枪来静电喷涂。
18.根据权利要求14所述的热水器，其中，所述第二层被配置成保护所述第一层的所述部分以防由于预定水温极限、预定酸性水极限和预定碱性水极限中的至少一者而溶解。
19.根据权利要求14所述的热水器，其中，所述第二层形成保护性屏障，以防止所述第一层的所述部分受损。
20.根据权利要求14所述的热水器，其中，所述第一层的所述部分包括被定位在所述热交换器上的所述第一层。
21.根据权利要求14所述的热水器，其中，所述热交换器包括具有高热通量的区域，并且其中，所述第一层的所述部分包括被定位在高热通量区域上的所述第一层。
22.根据权利要求14所述的热水器，其中，所述第一层的被所述第二层涂覆的所述部分包括被定位在所述金属内罐壁的一部分上的所述第一层。
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