TWI596305B - 燃氣熱水器的熱交換器裝置及其使用方法 - Google Patents

Description

燃氣熱水器的熱交換器裝置及其使用方法

本發明在於提供一種燃氣熱水器的熱交換器裝置及其使用方法，尤指一種可降低結露情形發生，且達到較佳熱效率的燃氣熱水器的熱交換器裝置及其使用方法。

習知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，該熱交換器連接有冷水管路及熱水管路，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，習知熱交換器在使用時容易有結露情形發生，以致腐蝕或損傷燃氣熱水器內部的元件。再者，如要改善結露情形，需要降低熱效率，且習知熱交換器吸熱效果不佳，並無法有效的提升燃氣熱水器的熱效率。

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的熱交換器裝置及其使用方法，可降低結露情形發生，同時使燃氣熱水器達到較佳的熱效率。

為了解決上述的技術問題，本發明提供一種燃氣熱水器的熱交換器裝置，該熱交換器裝置設置於燃氣熱水器，該熱交換器裝置具有數個間隔設置的鰭片及穿設於該些鰭片的一水管，每一鰭片上各設有數個穿孔，該些穿孔分佈於該些鰭片的上半部及下半部，該水管穿設於該些鰭片的穿孔；定義每一鰭片上的五個穿孔為一穿孔單元，該穿孔單元包括一第一穿孔、一第二穿孔、一第三穿孔、一第四穿孔及一第五穿孔，該第一穿孔及該第二穿孔相鄰設置於該鰭片的上半部，該第三穿孔、該第四穿孔及該第五穿孔相鄰設置於該鰭片下半部，該第一穿孔位於該第三穿孔及該第四穿孔中間的上方處，該第二穿孔位於該第四穿孔及該第五穿孔中間的上方處；其中，該第一穿孔、該第三穿孔及該第四穿孔的中心點連線之間具有一第一流體直徑，定義該第一流體直徑為De1，該第一穿孔、該第三穿孔及該第四穿孔的中心點連線圍繞成一第一區域，該第一區域的面積為第一面積，該第一區域的周長為第一周長，定義該第一面積為A1，該第一周長為P1；該第二穿孔、該第四穿孔及該第五穿孔的中心點連線之間具有一第二流體直徑，定義該第二流體直徑為De2，該第二穿孔、該第四穿孔及該第五穿孔的中心點連線圍繞成一第二區域，該第二區域的面積為第二面積，該第二區域的周長為第二周長，定義該第二面積為A2，該第二周長為P2；以及該第一穿孔、該第二穿孔及該第四穿 孔的中心點連線之間具有一第三流體直徑，定義該第三流體直徑為De3，該第一穿孔、該第二穿孔及該第四穿孔的中心點連線圍繞成一第三區域，該第三區域的面積為第三面積，該第三區域的周長為第三周長，定義該第三面積為A3，該第三周長為P3；滿足下列關係式條件：De1=4×(A1/P1)，De2=4×(A2/P2)，De3=4×(A3/P3)。

為了解決上述技術問題，本發明還提供一種燃氣熱水器的熱交換器裝置的使用方法，包括步驟：提供一具有所述之熱交換器裝置的燃氣熱水器，該燃氣熱水器另具有一風機及一燃燒器；以及啟動該燃氣熱水器，使該燃燒器被點燃，該燃燒器產生高溫的燃燒氣體，該燃燒氣體通過該第一區域、該第二區域及該第三區域，使該燃燒氣體接觸該熱交換器裝置的該些鰭片及水管，使得流經該熱交換器裝置的水管內的水被加熱。

本發明至少具有下列的優點：是以，根據上述熱交換器裝置的特殊設計，可以降低結露情形發生，同時使燃氣熱水器達到較佳的熱效率。本發明將熱交換器裝置分成上、下區域，上、下區域水管內溫昇比可達1：2~1：4，以提高上排水管管內水溫，達到降低結露情形發生。本發明可使燃氣熱水器達到較佳的熱效率，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‧‧‧熱交換器裝置

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

417‧‧‧渦流產生器

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

H‧‧‧穿孔單元

h1‧‧‧第一穿孔

h2‧‧‧第二穿孔

h3‧‧‧第三穿孔

h4‧‧‧第四穿孔

h5‧‧‧第五穿孔

B1‧‧‧第一區域

B2‧‧‧第二區域

B3‧‧‧第三區域

De1‧‧‧第一流體直徑

De2‧‧‧第二流體直徑

De3‧‧‧第三流體直徑

Pt1、Pt2、Pt3‧‧‧間距

do‧‧‧直徑

Fp‧‧‧間距

TL‧‧‧間距

RL‧‧‧間距

TW‧‧‧長度

RW‧‧‧長度

TH‧‧‧高度

RH‧‧‧高度

ψ‧‧‧夾角

ψ‧‧‧夾角

圖1為本發明燃氣熱水器的平面示意圖。

圖2為本發明熱交換器裝置之鰭片的立體圖。

圖3為本發明熱交換器裝置之鰭片的前視圖。

圖4為本發明熱交換器裝置之穿孔單元的示意圖。

圖5為本發明渦流產生器的示意圖。

圖6為本發明另一渦流產生器的示意圖。

圖7為本發明熱交換器裝置的使用方法的流程圖。

[第一實施例]

請參閱圖1，本發明提供一種燃氣熱水器的熱交換器裝置，該燃氣熱水器包括一機體1、一風機2、一燃燒器(火排)3及一熱交換器裝置4。該機體1為一中空殼體，風機2、燃燒器3及熱交換器裝置4設置於機體1內部，風機2、燃燒器3及熱交換器裝置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及熱交換器裝置4由下而上依序的設置於機體1內部，且燃燒器3位於風機2與熱交換器裝置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裝置4，藉以進行熱交換的操作，使得流經熱交換器裝置4內的水可從常溫被加熱至高溫，再行排出熱水使用。

該熱交換器裝置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，熱交換器裝置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及燃燒器3等裝置電性於控制單元8，以便利用該控制單元8控制燃燒狀況以產生熱水。

請同時參閱圖1至圖3，該熱交換器裝置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裝置4，冷水進入熱交換器裝置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2及圖3，該熱交換器裝置4可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的上半部及下半部兩區域，穿孔411設置數量並不限制，例如是五個或七個等。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可將燃燒氣體的熱能吸收，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。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，將該些凸部412設置於鰭片41的上半部及中間處，但並不限制，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。

該些凸部412可呈矩形、梯形等，在本實施例中，該些凸部412大多呈梯形，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的構造與習知技術相同，且本發明不限制凸部412的構造，故不再加以贅述。

該些鰭片41上分別設有數個渦流產生器415、416及417，其 可分別突出於鰭片41的一面或另一面。該些渦流產生器415、416及417的構造並不限制，例如可呈矩形、梯形或水滴狀等。在本實施例中，該些渦流產生器415呈矩形，且該些渦流產生器415位於鰭片41的上半部的該些穿孔411之間的上方處，亦即該些渦流產生器415可沿著水平方向延伸呈長條狀，且該些渦流產生器415位於該些鰭片41的上半部的該些穿孔411中間的上方處。該些渦流產生器416呈梯形，且兩兩相對設置於該些穿孔411的上方處，亦即該些渦流產生器416可呈傾斜狀兩兩相對設置該些穿孔411的上方兩側處。該些渦流產生器417呈水滴狀，且該些渦流產生器417位於鰭片41的中間處。該些渦流產生器415、416及417可將氣體集中，使無效區減少，且該些渦流產生器415、416及417也可以產生渦流，使燃氣熱水器的熱效率有效的提升。

請再參閱圖1至圖5，進一步定義該些穿孔411的直徑為do，每相鄰的兩鰭片41間距為Fp，位於穿孔411的上方處呈梯形的渦流產生器416為直角梯形，該渦流產生器416的下底的長度為TW，高度為TH，下底與腰(斜邊的腰)的夾角為ψ，該渦流產生器416的下底與穿孔411的圓心的間距為TL，通過穿孔411的圓心且與渦流產生器416的下底垂直的虛擬線與水平線的夾角為Ψ，滿足下列關係式條件：TL=do+2.2~do+4

TH=0.7FP~0.82FP

Ψ=25°~47°

ψ=24°~48°

TW=0.45do~0.66do

其中，TL、TH、FP、TW及do的單位為mm。

請再參閱圖1至圖6，進一步定義該些穿孔411的直徑為do，每相鄰的兩鰭片41間距為Fp，位於鰭片41的上半部的該些穿孔411之間的上方處呈矩形的渦流產生器415，其長度為RW，高度 為RH，該渦流產生器416的底部與通過鰭片41的上半部的該些穿孔411的圓心的虛擬線的間距為RL，滿足下列關係式條件：RL=0.68do~0.8do

RW=0.63do~0.75do

RH=0.7FP~0.84FP

其中，RL、RW、RH、FP及do的單位為mm。

請再參閱圖4，定義每一鰭片41上每五個穿孔411為一穿孔單元H，該穿孔單元H包括一第一穿孔h1、一第二穿孔h2、一第三穿孔h3、一第四穿孔h4及一第五穿孔45，第一穿孔h1及第二穿孔h2相鄰設置於鰭片41的上半部，第三穿孔h3、第四穿孔h4及第五穿孔h5相鄰設置於鰭片41的下半部，第一穿孔h1位於第三穿孔h3及第四穿孔h4中間的上方處，第二穿孔h2位於第四穿孔h4及第五穿孔h5中間的上方處。第一穿孔h1及第二穿孔h2可位於同一水平高度，第三穿孔h3、第四穿孔h4及第五穿孔45可位於同一水平高度。

其中，第一穿孔h1、第三穿孔h3及第四穿孔h4的中心點連線之間具有一第一流體直徑，定義該第一流體直徑為De1。第一穿孔h1、第三穿孔h3及第四穿孔h4的中心點連線圍繞成的一第一區域B1，該第一區域B1的面積為第一面積，周長為第一周長，定義該第一面積為A1，該第一周長為P1。

第二穿孔h2、第四穿孔h4及第五穿孔45的中心點連線之間具有一第二流體直徑，定義該第二流體直徑為De2，第二穿孔h2、第四穿孔h4及第五穿孔45的中心點連線圍繞成的一第二區域B2，該第二區域B2的面積為第二面積，周長為第二周長，定義該第二面積為A2，該第二周長為P2。第一區域B1及第二區域B2可為相同或對稱。

第一穿孔h1、第二穿孔h2及第四穿孔h4的中心點連線之間具有一第三流體直徑，定義該第三流體直徑為De3，第一穿孔h1、 第二穿孔h2及第四穿孔h4的中心點連線圍繞成的一第三區域B3，該第三區域B3的面積為第三面積，周長為第三周長，定義該第三面積為A3，該第三周長為P3。

根據柯恩法(Kern Method)

Nu=h‧De/k

De=4．流道面積/潤濕周界

本發明滿足下列關係式條件：De(流體直徑)=4×(A/P)，其中A為各區域的面積，P為各區域的周長。

具體而言，本發明滿足下列關係式條件：De1=4×(A1/P1)

De2=4×(A2/P2)

De3=4×(A3/P3)

另，較佳設計範圍，滿足下列關係式條件：De3/(De1+De2)=0.48~0.43

De2/(De1+De2)=0.52~0.44

另，可以定義第三穿孔h3的中心點與第四穿孔h4的中心點的間距為Pt1，第四穿孔h4的中心點與第五穿孔h5的中心點的間距為Pt2，第一穿孔h1的中心點與第二穿孔h2的中心點的間距為Pt3，滿足下列關係式條件：Pt1>Pt2>Pt3

[第二實施例]

請參閱圖7，本發明另提供一種燃氣熱水器的熱交換器裝置4的使用方法，包括步驟如下：首先，提供一燃氣熱水器(請一併參閱圖1至圖6)，該燃氣熱水器具有所述的熱交換器裝置4；由於該燃氣熱水器及該熱交換器裝置4與上述實施例相同，不再予以贅述；接著，啟動該燃氣熱水器，使該燃燒器3被點燃，該燃燒器3 產生高溫的燃燒氣體，該燃燒氣體被向上推送，該燃燒氣體通過第一區域B1、第二區域B2及第三區域B3，使該燃燒氣體接觸該熱交換器裝置4的該些鰭片41及水管42，藉以進行熱交換的操作，且該燃燒氣體接觸該些渦流產生器415、416及417，將燃燒氣體集中及產生渦流，使得流經該熱交換器裝置4的水管42內的水被加熱，例如從常溫被加熱至高溫，以便排出熱水使用。

是以，根據上述熱交換器裝置的特殊設計，可以降低結露情形發生，同時使燃氣熱水器達到較佳的熱效率。本發明將熱交換器裝置分成上、下區域，上、下區域水管內溫昇比可達1：2~1：4，使加熱可以集中在下區域。本發明可以提高上排水管管內水溫，達到降低結露情形發生。本發明可使燃氣熱水器達到較佳的熱效率，進而可減少加熱的時間，避免造成瓦斯能源的浪費。本發明經測試，上下排溫升比1：2.1，熱效率可達83.02%；上下排溫升比1：3，熱效率可達83.6%，且結露並產生積碳情形較不易發生。

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。

H‧‧‧穿孔單元

h1‧‧‧第一穿孔

h2‧‧‧第二穿孔

h3‧‧‧第三穿孔

h4‧‧‧第四穿孔

h5‧‧‧第五穿孔

B1‧‧‧第一區域

B2‧‧‧第二區域

B3‧‧‧第三區域

De1‧‧‧第一流體直徑

De2‧‧‧第二流體直徑

De3‧‧‧第三流體直徑

Pt1、Pt2、Pt3‧‧‧間距

do‧‧‧直徑

411‧‧‧穿孔

Claims (9)

1. 一種燃氣熱水器的熱交換器裝置，該熱交換器裝置設置於燃氣熱水器，該熱交換器裝置具有數個間隔設置的鰭片及穿設於該些鰭片的一水管，每一鰭片上各設有數個穿孔，該些穿孔分佈於該些鰭片的上半部及下半部，該水管穿設於該些鰭片的穿孔；定義每一鰭片上的五個穿孔為一穿孔單元，該穿孔單元包括一第一穿孔、一第二穿孔、一第三穿孔、一第四穿孔及一第五穿孔，該第一穿孔及該第二穿孔相鄰設置於該鰭片的上半部，該第三穿孔、該第四穿孔及該第五穿孔相鄰設置於該鰭片的下半部，該第一穿孔位於該第三穿孔及該第四穿孔中間的上方處，該第二穿孔位於該第四穿孔及該第五穿孔中間的上方處，該第一穿孔及該第二穿孔位於同一水平高度，該第三穿孔、該第四穿孔及該第五穿孔位於同一水平高度；其中，該第一穿孔、該第三穿孔及該第四穿孔的中心點連線之間具有一第一流體直徑，定義該第一流體直徑為De1，該第一穿孔、該第三穿孔及該第四穿孔的中心點連線圍繞成一第一區域，該第一區域的面積為第一面積，該第一區域的周長為第一周長，定義該第一面積為A1，該第一周長為P1；該第二穿孔、該第四穿孔及該第五穿孔的中心點連線之間具有一第二流體直徑，定義該第二流體直徑為De2，該第二穿孔、該第四穿孔及該第五穿孔的中心點連線圍繞成一第二區域，該第二區域的面積為第二面積，該第二區域的周長為第二周長，定義該第二面積為A2，該第二周長為P2；以及該第一穿孔、該第二穿孔及該第四穿孔的中心點連線之間具有一第三流體直徑，定義該第三流體直徑為De3，該第一穿孔、該第二穿孔及第四穿孔的中心點連線圍繞成一第三區域，該第三區域的面積為第三面積，該第三區域的周長為第三周長，定義該 第三面積為A3，該第三周長為P3；滿足下列關係式條件：De1=4×(A1/P1)，De2=4×(A2/P2)，De3=4×(A3/P3)。
2. 如請求項1所述之燃氣熱水器的熱交換器裝置，其中該些鰭片上分別設有數個渦流產生器，該些渦流產生器呈矩形，該些渦流產生器位於該些鰭片的上半部的該些穿孔之間的上方處。
3. 如請求項2所述之燃氣熱水器的熱交換器裝置，其中該些渦流產生器沿著水平方向延伸呈長條狀，且該些渦流產生器位於該些鰭片的上半部的該些穿孔中間的上方處，定義該些穿孔的直徑為do，每相鄰的兩鰭片間距為Fp，該渦流產生器的長度為RW，該渦流產生器的高度為RH，該渦流產生器的底部與通過該鰭片的上半部的該些穿孔的圓心的虛擬線的間距為RL，滿足下列關係式條件：RL=0.68do~0.8do，RW=0.63do~0.75do，RH=0.7 FP~0.84FP。
4. 如請求項1所述之燃氣熱水器的熱交換器裝置，其中該些鰭片上分別設有數個渦流產生器，該些渦流產生器呈梯形，且兩兩相對設置於該些穿孔的上方處，定義該些穿孔的直徑為do，每相鄰的兩鰭片間距為Fp，該渦流產生器的下底的長度為TW，該渦流產生器的高度為TH，該渦流產生器的下底與腰的夾角為ψ，該渦流產生器的下底與該穿孔的圓心的間距為TL，通過該穿孔的圓心且與該渦流產生器的下底垂直的虛擬線與水平線的夾角為Ψ，滿足下列關係式條件：TL=do+2.2~do+4，TH=0.7FP~0.82FP，Ψ=25°~47°，ψ=24°~48°，TW=0.45do~0.66do，所述TL、TH、FP、TW及do的單位為mm。
5. 如請求項4所述之燃氣熱水器的熱交換器裝置，其中該些渦流產生器呈傾斜狀兩兩相對設置該些穿孔的上方處兩側。
6. 如請求項1所述之燃氣熱水器的熱交換器裝置，其中更滿足下列關係式條件：De3/(De1+De2)=0.48~0.43。
7. 如請求項1所述之燃氣熱水器的熱交換器裝置，其中更滿足下列關係式條件：De2/(De1+De2)=0.52~0.44。
8. 如請求項1所述之燃氣熱水器的熱交換器裝置，其中定義該第三穿孔的中心點與第四穿孔的中心點的間距為Pt1，該第四穿孔的中心點與該第五穿孔的中心點的間距為Pt2，該第一穿孔的中心點與該第二穿孔的中心點的間距為Pt3，滿足下列關係式條件：Pt1>Pt2>Pt3。
9. 一種燃氣熱水器的熱交換器裝置的使用方法，包括步驟：提供一具有如請求項1至8所述之熱交換器裝置的燃氣熱水器，該燃氣熱水器另具有一風機及一燃燒器；以及啟動該燃氣熱水器，使該燃燒器被點燃，該燃燒器產生高溫的燃燒氣體，該燃燒氣體通過該第一區域、該第二區域及該第三區域，使該燃燒氣體接觸該熱交換器裝置的該些鰭片及水管，使得流經該熱交換器裝置的水管內的水被加熱。