本发明涉及一种液体加热装置，其中在一个水箱内安装有一个诸如锅炉之类采用燃气上/下吸方法的热交换器。 上述液体加热装置包括本申请人已提出的，并在（A）日本实用新型公开公报第44093/1973号和（B）日本实用新型公开公报第15168/1976号中揭示的装置。（A）中揭示的如图9至12所示，其在水箱22中设置一个热交换器21，该热交换器21包括一个隔离的水套25，其配置在由热吸收壁23包围住的内部中空区中，其上部和下部的两侧分别由一连通管24和一个水通孔30与一水箱22连通，燃烧室26与在其一侧形成的具有窄的上部的气体上吸室29和在另一侧形成的具有窄的下部地气体下吸室27连通，两个室27、29的上部通过在连通管24两侧形成的燃气通孔28互相连通，在燃烧室26的下部配置燃烧器33，有一空气供应通路31连到燃烧室26，燃烧室的排气通路32连到气体下吸室27，两个通路都配置在燃烧室的下部。
下文对燃气在上述热交换器21中的上/下吸现象进行说明。在具有如图11所示的气体上吸室29和与气体上吸室高度同为H的气体下吸室27的气体燃烧通路中，都知道会产生由等式（1）和（2）表示的内部吸力Pch，假定热生成点为U，中点为M，排气点为D：
Pch＝（γd-γu）·H（1）
Pch＝（PH/R）（1/Td-1/Tu）（2）
其中：
γd-气体下吸室27中燃气的比重
γu-气体上吸室29中燃气的比重
H-热生成点U至中点M的高度
P-燃气的压力
R-燃气的常数
Td-燃气在燃气下吸室27中的温度，
Tu-燃气在燃气上吸室29中的温度。
由于当热交换器21工作时Tu总是高于Td（Tu＞Td），亦即，当燃烧器33工作时，（1/Td-1/Tu）＞0，燃气从热生成点U流向中点M，再流向排气点D。与此相反，当热交换器21停止工作时，Tu＝Td＝周围水的温度，因此，内部吸力Pch＝0，燃气通路中的燃气停止流动，留在其中，这有利于防止冷空气从外界侵入，并将内部温度保持在某一水平上。
前面的说明就是基于这一原理，在燃烧室26中生成的燃气在燃气上吸室29中上升，然后在燃气下吸室27中下降，同时散发出热量，燃气的温度降低，比重变大，通过排气通道34排至外界，在此过程中，燃气接触到热吸收壁23和隔离水套25的侧壁，以加热水箱22中的水，因而热交换量大，水温迅速增高，燃气的温度降低，同时流量大，下吸流动性提高，抽吸作用增强，另外，由于两个通路31和32彼此靠近，空气供应通路31中的供应空气流被排气通路32中的排气流加热，燃烧效率提高，这是上述系统的另一个优点。
但是，在（A）中揭示的装置中，隔离水套25是扁平的，因而传热面积小，传热效率低，另外，由于水箱22的底面与热交换器21的底面之间有一间隙，停留于这一区域的水中会发生对流障碍，这使得各部分的水不能得到均匀的加热，热交换在热吸收壁23处比位于在热吸收壁23之相对侧的燃气上吸室29处进行得更顺畅，在热吸收壁23处，水的对流也比靠近水箱22壁面的燃气下吸室27处更顺畅，而在燃气下吸室27处，水的对流不顺畅，因而，停留在燃气上吸室29中的燃气被冷却，很难获得满意的吸力。
此外，在上述装置中，排气点D（图12）处在比加热点U高h的位置上，从前述等式（1）和（2）中分别计算出U、M和D点的压力Pu、Pm和Pd如下：
Pu＝Pm+∫γU.dH（3）
Pd＝Pm+∫γd.dH＝Pm+γd.H-γd.h（4）
Pd与大气相通，所以Pd＝Po（大气压）。因此，得出下列等式：
Po＝Pm+γd.H-γd.h（5）
Pm＝Po-γd.H+γd.h（6）
将这些代入等式（3），可得到下列等式：
Pu＝Po-γd.H+γd.h+∫γu.dH＝Po-γd.H+γd.h+γu.H（7）
在这里，当热交换器21停止工作时，γd等于γu（γd＝γu），因此，Pu＝Po+γd.h，即，Pu-Po＝γd.h＞0，因而Pu＞Po的关系总是成立的，燃气通路中的燃气总是从加热点U流向中点M，再向排气点D，而不会停留在燃气通路中，为此，不能阻止外界空气进入内部，并且，水箱22中的热水的热量向外界散发。
（B）中揭示的装置类似于图13和14所示的装置，在具有双层壁的外筒66之内且与之隔开一定空间设置具有双层壁的内筒67，两者之间的空间作为燃气下吸室68，在燃气下吸室68外侧设置一个外水套71，其上、下部分别有热水出口69和给水口70，内筒67中设置有燃烧室74，其上部与燃气下吸室68相通，燃气下吸室68的下部设置有排气口75，排气管78连到该排气口75，燃烧器77可拆卸地穿过内外水套71、72。热水出口69通过适当的管路连至水箱之类的热水存留区（图中未示出），数字79表示一用于清洗的开口。在上述液体加热装置中，燃气由燃烧器77渐渐地产生以达到额定量并依靠上/下吸方法在燃烧室74中上升，燃气散发的热量被吸收，然后，燃气在上部区域改变流向，在燃气下吸室68中以速度g（m/s）向下流动，在排气口75处加速到速度G（m/s），而后排出。另一方面，水从下部的冷水口70进到外水套71中，在该外水套71以及通过上、下部的连通管73与外水套71相通的内水套72中上升，由于燃气通过辐射和热传导向内、外水套71、72中的液体提供足够的热量，燃气和液体之间的热交换速率提高，藉此，燃气使液体温度迅速上升，燃气下吸室68中的燃气的下吸流动性得到提高，这可有效地改善燃烧效率，并且防止不完全燃烧。
上述装置有上述优点，但同时它有下列问题。在这种液体加热装置中，随着水从位于下部的给水口70供应至外水套71，并在该外水套71和通过上、下部的连通管73与外水套71连通的内水套72中上升，外水套71中上升的冷水与内水套72上部排出并在外水套71中下落的热水发生冲突，这种情况妨碍了水在内外水套中的顺畅对流，因此，在燃气和水之间不能实现有效的热交换，并且由于整个装置组装成一整块，以形成一个热交换/水保存区，因而安装工作困难，另外，外水套71内部的清洗也极其困难。
本发明的目的（a）在于提供一种液体加热装置，其热交换面积大，热效率高，水箱底部与热交换器底部之间的空间小，因而这一区域内不会发生水的对流障碍，在水箱内，热交换器的整个表面上水对流顺利地进行，使热交换顺畅，结果，燃气在燃气下吸室中有效地冷却，得到足够的吸力以均匀地加热水箱中所有各部分的水，此外，即使热交换器停止工作，燃气仍将停留在热交换器内，从而阻止外界冷空气的侵入，并有隔热效果，水箱内的热水不会向外散热，这样，（A）中所述的传统类型液体加热装置的问题都得到解决。
本发明的目的（b）在于提供一种液体加热装置，其中，水从上部的存水区在外水套内下降并通过下部的连通管进入内水套，然后在内水套中上升，但并不在外水套中上升，因而，内、外水套中冷、热水的冲突得到抑制，内、外水套间产生顺畅的水对流，燃气与液体之间实现极好的热交换，所以，热效率高，并且，在存水区中能够可拆卸地设置一个热交换区，因而安装工作及清洗工作都很方便，这样，（B）中所述的传统类型的液体加热装置的问题也得到解决。
为了实现目的（a），本发明的的液体加热装置包括一个设置在水箱中的热交换器，该热交换器具有一个有双层壁的外筒，该外筒具有分别形成于双层壁的上、下部的上、下燃气分配室和形成于其间的一个燃气下吸室，在外筒内并与之隔开一定空间设置一个内部有燃烧室的内筒，其间形成一隔离水套，贯穿外筒并且连通外筒内部的上连通管连接到隔离水套的上部，在其下部设置将隔离水套下部与水箱底部连通的下连通管，在隔离水套上部设置贯穿所述隔离水套并且将燃烧室连通燃气分配室的吸管，在外筒的下部设置向水箱外开口的排气管，在贯穿外筒和隔离水套并且突出于水箱之外的燃烧器支持管中设置燃烧器，它处在内筒的侧壁上。在具有上述结构的液体加热装置中，当交换器被启动，并且，设置在燃烧器支持管中的燃烧器开始工作时，燃烧室内产生的燃气在内筒中上升，通过上吸管进入由外筒双层壁形成的上燃气分配室，然后在该燃气分配室的上缘改变方向，在燃气下吸室中下降，进入下燃气分配室，经由排气管向外排出。在燃气在热交换器内如上述那样上升和下降的过程中，燃气与存留在隔离水套（其形成于内、外水套之间）内的以及外筒外表面上的水之间进行热交换，由于这一热交换，尤其是燃气下吸室中的燃气向其内、外侧的液体放热，下吸流动性提高，燃烧效率也得以改善，能防止不完全燃烧，在此过程中，隔离水套和外筒外表面上的液体产生对流，隔离水套内及外侧的水上升并下降，因此，燃气与液体间的热交换速率提高，水温升高，热交换器停止工作，即使存留其中的燃气试图从排气点流向中点和加热点，亦即，与热交换器起动时的流向相反，由于燃烧器支持管中设置的燃烧器能抑制这种运动，所以，燃气将留在热交换器中，阻止外界冷空气进入，并且提供一种隔热作用，因而水箱中热水的热量不再会辐射至外界。
为了实现本发明的另一目的（b），本发明的液体加热装置具有一个存水区和一可拆卸地连接于其下部的热交换器，所述热交换器有一个双层壁的中间筒，中间筒与外筒之间形成一外水套，该中间筒具有形成于双层壁上、下部的上、下燃气分配室和一处在这两个燃气分配室之间的燃气下吸室，在中间筒内且与之隔开一定空间设置一内部有燃烧室的内筒，其间设置内水套，在内水套的上部设置一贯穿中间筒并与存水区通连的上连通管，在其下部设置将内水套的下部与外水套的下部通连的下连通管，在内水套的上部设置一贯穿所述内水套并将燃烧室与燃气分配室连通的吸管，液体加热装置还有一贯穿外筒的下部、与下燃气分配室连通、并开口于外界的排气管。在具有上述结构的这种液体加热装置中，在热交换器起动，燃烧器开始工作后，燃烧室内产生的燃气在其内上升，在通过吸管进入上燃气分配室后改变方向，在燃气下吸室中下降，并从排气管向外排出。另一方面，存水区中的水在隔离板和外筒间的外水套内下降，经由下连通管而在内水套中上升，又通过上连通管排放至存水区。在这一过程中，燃气向内、外水套中的液体传递足够的热量，这样，燃气下吸室中下吸流动性提高，燃烧效率得以改善，从而防止不完全燃烧。水从上存水区流向外水套、下连通管、内水套、上连通管和贮水室，在此过程中，外水套中冷、热水的冲突受到抑制，内、外水套间的水顺畅地对流，燃气与液体之间实现有效的热交换，热效率改善，燃气和液体之间的热交换速率提高，因而，液体的温度迅速增高。如果需要对热交换器进行检查、修理和更换作业，可在把热交换器从存水区中卸下后进行。在内筒的侧壁上设置一燃烧器支持管，它贯穿隔离水套、中间筒和外筒并突出至水箱之外，在该燃烧器支持管中可拆卸地安装一燃烧器，因而，热交换器停止工作时，即使燃烧器中存留的燃气试图从排气点（排气管）流向中点、加热点（燃烧器），亦即与热交换器起动时的流向相反，燃烧器支持管中设置的燃烧器也能抑制这种流动，使燃气停留在热交换器中，因而，可阻止外界冷空气进入。产生隔热作用，所以，装置内热水的热量不会辐射至外界。
图1是本发明之第一实施例的剖视图;
图2是沿图1中直线2-2的局部剖视图;
图3是本发明之第二实施例的剖视图;
图4是沿图3中直线4-4的局部剖视图;
图5示出了加热点、中点和排气点之间的位置关系;
图6是本发明之第三实施例的剖视图;
图7是本发明之第四实施例的剖视图;
图8是本发明之第五实施例的正视图;
图9是与本发明之装置类似的传统类型的液体加热装置的剖视图;
图10是传统装置中的热交换器的侧视图;
图11是显示其中的燃气的上/下吸现象的局部图;
图12是显示图9和图10中所示的热交换的上/下吸现象的局部图;
图13是与本发明之装置类似的基于已有技术的另一种液体加热装置的剖视图;
图14是沿图13中直线14-14的剖视图。
在图1所示的第一实施例中，数字1表示一水箱，数字2表示设置在该水箱1中的热交换器，该热交换器2具有一带双层壁的外筒3，该外筒3在双层壁的上、下部具有上、下燃气分配室5、11，其间形成一燃气下吸室16，在外筒内并与之有一定间隔形成带有燃烧室9和燃气上吸室14的内筒4，在外筒3和内筒4之间形成隔离水套6，贯穿外筒3并连通水箱1之内部的上连通管7连接到隔离水套6的上部，在外筒3的下部设置有下连通管8，它连通隔离水套6的下部与水箱1的底部，在隔离水套6的上部设置有上吸管10，它贯穿所述隔离水套6并连通燃烧室9和水箱分配室5，在外筒3的下部设置有向水箱外开口的排气口12，在内筒4的侧壁上设置有燃烧器支持管13，它贯穿隔离水套6并突出于水箱1之外，燃烧器15可拆卸地设置在该燃烧器支持管13中。
在具有上述结构的液体加热装置中，当热交换器2起动，并且配置在燃烧器支持管13中的燃烧器15开始工作后，燃烧室9中产生的水箱在内筒4和燃气上吸室14中上升，通过上吸管10进入由外筒的双层壁形成的上燃气分配室5，并沿其上缘改变方向，在燃气下吸室16中下降，进入下燃气分配室11，从排气管12向外排出。如上所述，当燃气在热交换器2中象上述那样上升和下降时，燃气与水箱1中靠在外筒3外表面上的液体进行热交换，燃气下吸室16中的燃气通过热交换向其内外的液体传递热量，因而下降流动性提高，燃烧效率改善。在此过程中，处在隔离水套中及外筒3外表面上的液体产生对流，因此隔离水套6内、外的液体通过上、下连通管7、8分别上升和下降，因而与燃气的热交换速率提高，液体温度迅速增高。如图5所示，中点M至热生成点U的高度H’比前述高度H短h，相反，排气点D处在比热生成点U低h的位置上，因而，当热交换器2停止工作时，从理论上看，即便存留其中的燃气同在已有技术的液体加热装置中那样，试图从排气点D流向中点M、加热点U，亦即朝着热交换器2工作时相反的方向流动，以流出该装置，设置在燃烧器支持管13中的燃烧器15也能抑制这种分布，因此，燃气继续停留在热交换器2内，这会阻止冷空气从外界进入，并产生隔热效果，结果，水箱1中的热水的热量不会辐射至外界。
在图3和图4所示的本发明的第二实施例中，在外筒3下部的排气管12中设置有下连通管8，因此，水箱1底部的液体能更顺畅地扩散，并有效地进入热交换器2中，不会再产生所谓的死水，除此之外，本实施例与第一实施例没有不同。
在这些实施例中，一个水箱设置一个热交换器2，但一个水箱也可设置多个热交换器2，因而本发明可以有效地应用于浴室、温水游泳池、基于贮水系统的锅炉、移动式浴室、恒温浴室、蒸汽发生器、吸收式制冷机、化学热浴槽、热培养柜、混凝土溶液加热装置等等。
在显示本发明之第三实施例的图6中，数字41表示热交换器，数字42表示可拆卸地设置在其上部的贮水区，热交换器41有一带双层壁的中间筒51，它有设置在热交换器41和外筒43之间的外水套60，中间筒51具有形成于双层壁上、下部的上、下燃气分配室45和其间形成的燃气下吸室56，在中间筒51内并与其隔开一定空间设置有其中有一燃烧室49的内筒，其间形成一内水套46，在内水套46的上部设置一上连通管47，它贯穿中间筒51并与贮水区42连通，在其下部设置下连通管48，它连通内水套46的下部与外水套60的底部，在内水套46的上部设置吸管50，它贯穿所述内水套46，并且连通燃烧室49和上燃气分配室45，排气管52贯穿外筒的下部，与下燃气分配室54连通，并开向外界，燃烧器支持管53贯穿中间筒51和外筒43，并突出于热交换器41之外，在燃烧器支持管53上可拆卸地设置燃烧室55，在外筒43的上部设置一圆筒形隔离板59，其延伸至贮水区42内。在贮水区42中，下部设置给水管51，上部设置热水出口58。通过分别设在热交换器41上部和贮水区42下部的凸缘63、64，热交换器41可拆卸地连接于贮水区42。
在具有上述结构的液体加热装置中，当热交换器41起动、设在燃烧器支持管53中的燃烧器55开始工作后，燃烧室49中产生的燃气在燃烧室49中上升，在通过吸管50进入上燃气分配室45时改变方向，在燃气下吸室56中下降，经由下燃气分配室54，从排气管52排至外界。另一方面，水从给水管57供入贮水区42，并在隔离板59和外筒43之间的外水套60中下降，又通过下连通管48在内水套46中上升，再从上连通管47排入贮水区42中，在此过程中，外水套中冷水的温度不升高，从而抑制了冷、热水之间的冲突，内、外水套46、60之间发生平衡的水对流，燃气向内、外水套46、60中的液体传递足够的热量，因而，下吸流动性提高，燃烧效率改善，不完全燃烧得到防止，这样，在气体与液体之间实现适当的热交换，热效率提高，液体温度迅速增高。在必须对热交换器41内部进行检查、修理和更换时，可在将热交换器41从贮水区42上拆下后进行。在内筒一侧壁上设置一燃烧器支持管，它贯穿隔离水套、中间水套和外筒，突出于水箱之外，燃烧器可拆卸地装在该燃烧器支持管中，因而，当热交换器停止工作时，即使存留在其内部的燃气试图从排气点（排气管）流向中点、加热点（燃烧器），亦即沿与热交换器工作时相反的方向流动，设在燃烧器支持管中的燃烧器也能防止这种扩散，使燃气停留在热交换器内，因而，能阻止冷空气从外面侵入，产生隔热效果，所以，装置内的热水的热量不会辐射至外界。
图7所示的本发明的第四实施例与第三实施例有大致相同的结构，其区别在于，上连通管47还起到隔离板的作用，包括其作用在内的其它各方面都无不同，因而这里省略这一实施例的说明。
在图8所示的本发明之第五实施例中，贮水区42有一大的贮水槽62，比如一个浴池或温水游泳池，在这种情况下，贮水槽62底部设置多个凸缘64，每一热交换器41的凸缘63通过螺栓61与其连接。当各个热交换器41需要检查、修理或更换时，可以从贮水槽42上只拆下相应的热交换器41，然后进行作业。因此，当本发明应用于浴池、温水游泳池、基于贮水系统的锅炉、移动式浴池、恒温浴池、蒸汽发生器、化学热浴池、热培养池、混凝土溶液加热装置和用于烹饪的锅炉时非常有用。