一种换热件及加热器具的制作方法

1.本发明涉及加热技术领域，特别是涉及一种换热件及加热器具。


背景技术：

2.目前燃气热水器的换热器大部分采用传统翅片管结构换热器，翅片管式换热器的基本传热元件为翅片管，即由穿孔翅片与管组成的用于换热的单元，其工艺包括将管穿过翅片上的孔，再通过胀管工艺及焊接步骤，而穿孔翅片由铜片或不锈钢片冲裁加工而成(一般为在金属片上冲裁出多个供金属管穿过的孔)。也有部分燃气热水器的换热器采用螺旋翅片管形式，其翅片螺旋盘绕着换热管，靠管一边缘与管壁之间的进行焊接固定，翅片为铜带或不锈钢带制成。
3.由于传统翅片管式换热器和螺旋翅片管形式换热器的每个翅片是由片状金属加工制成，在工作中，部分高温烟气的热量由翅片传递到管，再由管传递给管内水，实现对水的加热。请参阅图1，图1为传统翅片管组件的局部剖面图，翅片管3’包括焊接在一起的翅片31’和管体32’，在翅片距离管壁过远的位置(如图1大于或等于l3’的距离)，由于传热不及时，易受高温烟气的长期加热而出现被损坏的情况，在设计应用中，会将距离管壁过远的翅片部分冲裁掉，以防止引起整体的损坏变形，而对于螺旋翅片而言则翅片末端边缘不能离管壁太远。在实际经验中，不锈钢材质的翅片跟管壁的最大距离一般不能超过2mm-3mm，如果过大，容易造成烧坏。因此不利于通过增加换热翅片换热面积来提高强化换热效果。也不利于二级换热冷凝效果，换热效率难有很大的提升。


技术实现要素：

4.本发明目的在于提供一种换热器，以解决现有技术中所存在的一个或多个技术问题，至少提供一种有益的选择或创造条件。
5.上述技术问题通过以下技术方案进行解决：
6.一种换热件，换热件之内形成有供第一换热介质通过的第一换热通道，换热件之外形成有供第二换热介质通过的第二换热通道，换热件还包括沿第一换热通道轴向分布的凸起换热部，凸起换热部围绕第一换热通道布置，相邻两个凸起换热部之间在背向第一换热通道的一侧形成第二换热通道，第一换热通道包括相互连通的换热腔和降温腔，凸起换热部相对于换热腔突起且凸起换热部内部形成降温腔。
7.本发明的换热件，与背景技术相比所产生的有益效果：由于凸起换热部内部形成有与换热腔相互连通的降温腔，降温腔将凸起换热部自第二换热介质(其中第二换热介质除了第二换热通道也可在第一换热通道以外的其他地方流动)吸收而来的热量及时传导至第一换热介质，并且降温腔的第一换热介质与换热腔的第一换热介质相互流动融合，因此降温腔的热量也被迅速传导到换热腔，使得凸起换热部降温更快且传热效果更好，避免了局部高温损坏现象，保证了换热件乃至产品的可靠性，同时提升了换热件乃至产品的换热性能。
8.在其中一个实施例中，凸起换热部包括相互连接的第一弯折区和第二弯折区，第一弯折区平行于第二弯折区。由于凸起换热部的第一弯折区和第二弯折区相互平行，可以用于在单位距离内增加凸起换热部的数量，进而增大管壁和第二换热介质的接触面积。
9.在其中一个实施例中，第一弯折区和第二弯折区垂直于第一换热通道的轴向。将第一弯折区和第二弯折区设置为垂直于第一换热通道的轴向，一方面可以用于进一步增大管壁和第二换热介质的接触面积，另一方面还可用于减小多个换热件组装时的距离，增加组装稳定性和结构紧凑性。
10.在其中一个实施例中，同一凸起换热部的第一弯折区和第二弯折区之间形成尺寸为l1的间隙，l1的取值范围为0.5mm-3mm；凸起换热部相对于第一换热通道凸起的高度为l3，l3的取值范围为不小于2mm。为实现更好的换热效果，限定降温腔的尺寸，即限定凸起换热部中两个弯折区之间形成间隙的尺寸为0.5-3mm，此时凸起换热部的高度范围取值不小于2mm，可用于提升换热效果。
11.在其中一个实施例中，相邻两个凸起换热部之间间距的尺寸为l2，l2的取值范围为1.5mm至3mm。将两个凸起换热部之间间距的尺寸限制在1.5-3mm的范围内，可以使经过第二换热通道的第二换热介质顺利流通且将流速控制在保证换热的合理范围内。
12.在其中一个实施例中，凸起换热部包括相互连接的第一弯折区和第二弯折区，第一弯折区与第二弯折区对称设置，在朝向远离换热腔的方向上同一凸起换热部的第一弯折区和第二弯折区之间的距离逐渐缩小。可以理解为在沿第一换热通道的轴向方向上，凸起换热部的横截面呈现近似于锥面，使得第二换热通道在朝向远离换热腔的方向上逐渐增大，便于第二换热介质沿着凸起换热部流通并贴近换热腔，利于换热件各部分的均匀换热。
13.在其中一个实施例中，换热件包括管壁，管壁包括凸起换热部，管壁为一体加工制成。由于凸起换热部由管壁弯曲形成，即实现了翅片与管体的一体化，避免了翅片与管接触不良等问题，其传热效果更好，且不需要胀管、焊接等，工艺简单、成本低，且因不需翅片与管焊接，大大改善漏水问题，提高产品合格率，同时避免了螺旋翅片管的焊接工艺复杂、对焊接要求更高、易产生晶格变化、热阻较大等问题。此外，凸起换热部由管壁弯折形成，工艺上更容易实现批量化和标准化，也由于标准化生产可以实现翅片与第一换热通道(即内管通道)距离较为均匀，进一步避免了局部高温损坏现象，保证了换热件乃至产品的可靠性。其中，换热件可以是有缝管(管壁具有沿轴向延伸的接缝)，也可以是无缝管。
14.在其中一个实施例中，管壁还包括围合部，围合部与凸起换热部相间设置，围合部朝向第一换热通道凸起，围合部的内表面呈圆滑状。设置向第一换热通道凸起的围合部，可在第一换热通道中实现扰流的效果，用于提升换热效果。
15.在其中一个实施例中，管壁采用不锈钢材料制成。不锈钢的防腐蚀更强，且延展性和换热性能俱佳，采用其加工制成凸起换热部和管体一体化的管壁，在保证了换热性能的基础上，易于实现工艺的标准化，既可用于避免局部过热的情况，也易于批量化生产，降低加工成本。
16.本发明还提供了一种加热器具，包括上述的换热件。其中，加热器具可以是一种换热器，也可以是一种热水器产品，具体可以包括燃气热水器。由于加热器具的换热件凸起换热部内部形成有与换热腔相互连通的降温腔，降温腔将凸起换热部自第二换热介质(其中第二换热介质除了第二换热通道也可在第一换热通道以外的其他地方流动)吸收而来的热
量及时传导至第一换热介质，并且降温腔的第一换热介质与换热腔的第一换热介质相互流动融合，因此降温腔的热量也被迅速传导到换热腔，使得凸起换热部降温更快且传热效果更好，避免了局部高温损坏现象，保证了换热器具的可靠性，同时提升了换热器具的换热性能。
附图说明
17.构成本技术的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
18.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
19.图1为传统翅片管组件的局部剖面图；
20.图2为一个实施例中的换热件结构示意图；
21.图3为图2所示出的换热件的轴向剖视图；
22.图4为图3的i部放大图；
23.图5为换热件另一实施方式的轴向剖视图；
24.图6为图5的k部放大图；
25.图7为另一个实施例中的换热件的结构示意图；
26.图8为图5所示出的换热件的组装图；
27.图9为又一个实施例中的加热器具的结构示意图；
28.图10为传统翅片的热场分析图；
29.图11为对照组换热件的热场分析图；
30.图12为优选参数一换热件的热场分析图；
31.图13为优选参数另一换热件的热场分析图。
32.附图标记：
33.1、第一换热通道；11、换热腔；12、降温腔；2、第二换热通道；3、换热件；31、凸起换热部；311、第一弯折区；312、第二弯折区；32、围合部；33、连接部；4、连接弯头；5、水管接头；6、壳体；
[0034]3’
、翅片管；31’、翅片；32’、管体。
具体实施方式
[0035]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
[0036]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或
位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0037]
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
[0038]
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0039]
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
[0040]
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
[0041]
在一个实施例中，请参考图2至图4，一种换热件3，换热件3之内形成有供第一换热介质通过的第一换热通道1，换热件3之外形成有供第二换热介质通过的第二换热通道2，换热件3还包括沿第一换热通道1轴向分布的凸起换热部31，凸起换热部31围绕第一换热通道1布置，相邻两个凸起换热部31之间在背向第一换热通道1的一侧形成第二换热通道2，第一换热通道1包括相互连通的换热腔11和降温腔12，凸起换热部31相对于换热腔11突起且凸起换热部31内部形成降温腔12。需要说明的是，第二换热介质可以在第二换热通道2以外的地方通过，例如在凸起换热部31的顶部位置等；第一换热介质可以是水，第二换热介质可以是高温烟气。当然，第一换热通道1也可以用于供烟气通过，即第一换热介质为高温烟气，而第二换热通道2相应地设为水路，即第二换热介质为水。
[0042]
进一步地，换热件3包括管壁，管壁包括凸起换热部31、围合部32和连接部，管壁为一体加工制成，管壁可采用不锈钢材料制成。当然，换热件3所采用的管材可以是无缝管或有缝管，管材经加工后形成凸起换热部31和围合部32；另外，换热件3也可以由轴向上的若干段首尾相接焊接形成，或由周向上的若干段焊接形成(例如换热件3由2个半圆焊接而成)。在一体加工制成的实施例中，凸起换热部31和围合部32由管壁弯曲形成，连接部位于换热件3两端，实现了翅片与管体的一体化，其中，换热件3可以是有缝管(管壁具有沿轴向延伸的接缝)，也可以是无缝管。围合部32与凸起换热部31相间设置，围合部32朝向第一换热通道1凸起，围合部32的内表面呈圆滑状。当第一换热介质通过时，呈凸状的围合部32可以改变第一换热介质的流态，具有扰流作用，破坏其边界层，使第一换热介质径向温度更均
匀，有效强化换热效果。类似于在管壁内表面形成有扰流凸环，扰流凸环为环形内凸起，与凸起换热部31相连部位的波谷相对应。相比于普通换热器的换热管采用光管(管内未采用加工变形以实现扰流)和翅片的管翅片式，本实施例的扰流凸环可以实现当水流过时，可对水流状态进行改变、进行扰流，破坏边界层，提高换热效率。连接部则可用于换热件3与其他部件的连接，如连接部可设为光管形状，用于在换热件3的两端与弯管或连通凸包等形式的连通器进行连接。
[0043]
其中，第一换热通道1的径向截面呈圆形、椭圆形或其他形状，即换热件3可以是圆形或椭圆形的管件经加工形成一圈一圈朝外凸起的多个凸起换热部31，该凸起换热部31为管壁的一部分，可以简单理解为换热件3为一根或数根换热管，换热管的管壁沿换热管的轴线旋转形成内管通道是为第一换热通道1，凸起换热部31在沿换热管的轴向上的横截面呈“n”型，为波峰，其相邻部位呈“u”型，为波谷，多个凸起换热部31与其相邻部位相连其横截面如“n”型与“u”型相连，具有凸凹波纹状相错排列。图中示出的换热件3呈直管状仅为示例，另外换热件3也可以根据使用情况设置为弯曲形状，如螺旋型盘管等。进一步地，管壁采用不锈钢材料一体加工制成。不锈钢的防腐蚀更强，且延展性和换热性能俱佳，采用其加工制成凸起换热部31和管体一体化的管壁，在保证了换热性能的基础上，易于实现工艺的标准化，既可用于避免局部过热的情况，也易于批量化生产，降低加工成本。由于凸起换热部31由管壁弯曲形成，即实现了翅片与管体的一体化，避免了翅片与管接触不良等问题，其传热效果更好，且不需要胀管、焊接等，工艺简单、成本低，且因不需将翅片与管进行焊接，大大改善漏水问题，提高产品合格率。
[0044]
进一步地，请参阅图4，凸起换热部31包括相互连接的第一弯折区311和第二弯折区312，降温腔12形成于同一凸起换热部31的第一弯折区311和第二弯折区312之间，第一弯折区311平行于第二弯折区312，同一凸起换热部31的第一弯折区311和第二弯折区312之间形成尺寸为l1的间隙，相邻两个凸起换热部31之间间距的尺寸为l2，凸起换热部31相对于第一换热通道1凸起的高度为l3。可以理解的是，同一凸起换热部31的第一弯折区311和第二弯折区312之间还可以通过一段弧面连接，该弧面位于凸起换热部31的顶端。优选地，第一弯折区311和第二弯折区312可以设置为垂直于第一换热通道1的轴向。由于凸起换热部31的第一弯折区311和第二弯折区312相互平行，可以用于在单位距离内增加凸起换热部31的数量，进而增大管壁和第二换热介质的接触面积。优选地，第一弯折区311和第二弯折区312垂直于第一换热通道1的轴向。将第一弯折区311和第二弯折区312设置为垂直于第一换热通道1的轴向，一方面可以用于进一步增大管壁和第二换热介质的接触面积，另一方面还可用于减小多个换热件3组装时的距离，增加组装稳定性和结构紧凑性，如将凸起换热部31的厚度设置为与凸起换热部31之间的间隙适配，则一换热件3的凸起换热部31可以根据需要嵌入相邻换热件3的两凸起换热部31之间的间隙中。当然，凸起换热部31的两个弯折区也可以是不垂直于第一换热通道1的轴向，如凸起换热部31相对于第一换热通道1朝向同一方向倾斜，如此，相同的翅片高度可以具有接触第二换热介质更大的换热面积，使得在相同的换热水平上结构更为紧凑。
[0045]
优选地，当l1的取值范围为0.5mm-3mm时，l3的取值范围为不小于2mm，可用于提升换热效果。更优地，第一换热介质为水，第二换热介质为高温烟气时，将l1的取值设为约1.2mm，l3的取值设为约4mm-7mm，凸起换热部31末端温度适宜且换热效果佳。而l2的取值范
围可设为1.5mm至3mm。具体地，第二换热介质可以是高温烟气，高温烟气与凸起换热部31换热，热量由凸起换热部31所在的管壁传至第一换热通道1的降温腔12，使降温腔12里的水温度升高并与换热腔11流通，达到换热效果，同时降温腔12也可以及时为凸起换热部31，尤其是凸起换热部31末端降温。请参阅图10至图13，图10示出的是传统翅片(单片的一片式翅片)的热场分析图，图中可见翅片远离换热管的部分温度高达500-600℃，其左右两侧高温区达595℃，以及第二层换热管下侧高温区达到595℃，需对高温区进行较为精确的裁剪，以避免局部高温损坏现象，尤其是不锈钢材质换热系数较小，需要把翅片远离换热管壁的大量不锈钢材料冲裁掉，造成大量材料浪费，以及增加了工艺复杂性；图11示出的是对照组换热件的热场分析图，选取的换热件3尺寸参数为l1＝0.4mm、l2＝2.0mm、l3＝5mm，仿真结果显示凸起换热部31末端受高温烟气加热温度高达500℃，由于l1槽过小，l1内部槽水不易流动，受热不易于往换热通道传递，造成凸起换热部31末端温度过高；图12示出的是优选参数一换热件的热场分析图，选取的换热件3尺寸参数为l1＝1.2mm、l2＝2mm、l3＝5mm，取l1＝0-3.5mm进行仿真，随着l1的增大，其单位换热面积的换热功率渐增大，接近3mm时其单位换热面积的换热功率开始变小，对照组二的换热效果和局部高温情况俱由于对照组一；图13示出的是优选参数另一换热件的热场分析图，选取的换热件3尺寸参数为l1＝1.2mm、l2＝2mm、l3＝7mm，翅片末端边缘部温度为214℃，相比于图l1＝0.4，l3＝5mm的温度500℃低很多，也说明在凸起换热部31内的降温腔12较大的情况下，凸起换热部31的高度l3值适当增加不会造成翅片末端边缘部温度过高现象。即降温腔12可以有效降低凸起换热部31末端的温度，可以适当增加翅片高度(l3)来增值加翅片的换热面积，从而达到强化换热效果。其中，图10至图13中的模拟热源均位于换热件3下方。此外，第二换热通道2的l2值过大，合围部距离过宽，其凸起趋于平缓，不利于对第一换热通道1内的水进行扰流，不利于提升换热效果，且l2值过大使得第二换热通道2内的烟气与凸起换热部31的接触面积变小，不利于强化换热；同样l2过小，合围部距离过窄，其凸起过小过密，也不利于提升换热效果。取l2＝0.5-4.0mm进行仿真研究，随着l2的增大，其单位换热面积的换热功率渐增大，接近4mm时其单位换热面积的换热功率变小，因此优选地l2＝1.5-3.0mm。
[0046]
作为凸起换热部的另一实施例，第一弯折区和第二弯折区也可以为不平行的关系，请参阅图5和图6，凸起换热部31包括相互连接的第一弯折区311和第二弯折区312，第一弯折区311与第二弯折区312对称设置，在朝向远离换热腔11的方向上同一凸起换热部31的第一弯折区311和第二弯折区312之间的距离逐渐缩小。可以理解为在沿第一换热通道的轴向方向上凸起换热部31的横截面呈现近似于锥面，使得第二换热通道2在朝向远离换热腔11的方向上逐渐增大，即在凸起换热部31的末端至根部的方向上降温腔12逐渐增大而第二换热通道2逐渐减小，便于第二换热介质沿着凸起换热部31流通并贴近换热腔11，利于换热件3各部分的均匀换热。
[0047]
在另一个实施例中，请参阅图7、图8，换热件3可以由多根管体组合形成，可以包括单排或双排管体，即可由不少于一层的多根换热管排列组成，也可两层或多层交叉错位排列，具有进水端、出水端，换热管首尾相连形成完整水路，烟气从翅片之间流过与水换热。其中管壁合围形成的管体内部形成第一换热通道1以供水通过，而管体外部的凸起换热部31之间则形成第二换热通道2以供烟气通过，其中第二换热通道2的流通示例如图7。其中在换热件3可以与水管接头5连接以连通其他管路。本发明的管体在水结冰膨胀以后，具有一定
的膨胀系数，可轴向膨胀，能够在冰溶化后回弹，降低了冻裂风险。在实际应用中可以根据不同需要将换热件3做成不同造型，由于其表面由波纹状组成，具有一定的弯曲能力，因此管体可以做成直的，也可以做成盘旋状或其它形状。
[0048]
在又一个实施例中，请参阅图9，一种加热器具可以是换热器，其包括上述实施例中的换热件3。加热器具包括壳体6、连接弯头4和水管接头5等，换热件3设置在壳体6中，换热件3内部的水路通过连通弯头连接并流通(此处也可以通过凸起来形式的连通器，如在壳体6设置连通凸包等结构，进行连通)，换热件3与其他管路的水路通过水管接头5进行连通。
[0049]
另外，加热器具也可以是一种热水器产品，具体可以包括燃气热水器，其中第一换热介质为水，第二换热介质为烟气，烟气为换热件3的管壁3内腔流过的水加热。
[0050]
传统管翅片式结构换热器，每个一体式翅片上冲裁多个孔，换热管穿过翅片上的孔再通过胀管工艺使管与孔壁相贴，最后放焊料进炉焊接，会存在管壁与孔接触不良等现象。而在热水器使用中，是通过其翅片与高温烟气接触换热，把热量传递给换热管再传给管内的水。当高温烟气达1200℃时，如果部分翅片与换热管壁距离过大，会造成局部高温甚至损坏的问题。特别是使用不锈钢制造的传统管翅片式结构的换热器，其往往存在制造工艺复杂、焊接成本高、不合格率高等问题。而新型的螺旋翅片管，其焊接工艺更为复杂，对焊接要求更高，易产生晶格变化，并存在热阻较大等问题。由于不锈钢换热系数的局限，螺旋翅片管的翅片离管壁高度不能太高，太高容易被高温烟气烧坏，所以其与烟气接触面积增加有一定难度，换热效率难以提升。
[0051]
在本实施例中，加热器具的换热件3的凸起换热部31与管材一体成型，凸起换热部31内形成有与换热腔11相互连通的降温腔12，降温腔12将凸起换热部31自第二换热介质(其中第二换热介质除了第二换热通道2也可在第一换热通道1以外的其他地方流动)吸收而来的热量及时传导至第一换热介质，并且降温腔12的第一换热介质与换热腔11的第一换热介质相互流动融合，因此降温腔12的热量也被迅速传导到换热腔11，使得凸起换热部31降温更快且传热效果更好，避免了局部高温损坏现象，保证了换热器具的可靠性，同时提升了换热器具的换热性能。另外，由于翅片完全避免了翅片与管体间焊接的间隙问题，杜绝了翅片与管接触不良等问题，其传热效果更好，且不需要胀管、焊接等，工艺简单、成本低，且因不需翅片与管焊接，大大改善漏水问题，提高产品合格率。此外，由于换热部与第一换热通道11距离较为均匀，避免了局部高温损坏现象。
[0052]
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0053]
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。