通過脈沖信號反轉的電化學除垢的制作方法【
技術領域：
】[0001]本發(fā)明涉及用于加熱液體(特別地水)的方法、用于應用這樣的方法的(水)加熱裝置、以及包括這樣的(水)加熱裝置的電子設備?！?br>背景技術：
】[0002]水加熱設備應用于各種各樣的應用中，諸如蒸汽熨斗、電水壺、熱飲料自動售貨機等。使用這樣的設備的問題在于水垢可能形成在與水接觸的加熱元件上。[0003]在例如蒸氣生成設備的操作期間，將水供應到其中對它進行加熱的水利基礎結構的一部分，諸如系統(tǒng)熨斗的(外部)鍋爐中，其后果是可能形成水垢。如果水垢沒有(定期地)去除，則可能出現(xiàn)堵塞，其結果是蒸氣生成設備的性能可能降低，并且最終蒸氣生成設備可能不適合再使用。[0004]含有大量Ca2+和HCO3(碳酸氫鹽)的硬水在溫度升高時可能經(jīng)由以下化學反應形成水垢(CaCO3):Ca(HCO3)2—CaCO3+H20+C02。[0005]特別地，沸水將分離水垢，水垢將形成在水中，而且還形成在加熱元件本身上，因為它具有最高溫度。水垢將立即生長在加熱元件上，并且當內部應力增加時，其將從元件脫落。在文獻中已經(jīng)請求保護防止結垢的若干水處理。一個眾所周知的方法是使用離子交換劑，其中Ca2+被交換為Na+或H+。第二個眾所周知的方法是使用膦酸鹽，其以少量加入水中并且抑制晶種在硬水中的形成，從而有效地防止晶體的生長以及因此水垢的形成。[0006]在前者中，需要使用內部具有離子交換樹脂的筒匣。在耗盡之后，筒匣需要再生成或用一個新的更換。在后一種情況中，需要連續(xù)加入膦酸鹽，因為膦酸鹽在pH7-8.5(硬水的pH)處具有有限的穩(wěn)定性。連續(xù)添加可以例如通過使用非常緩慢地將膦酸鹽釋放到水中的硬壓片劑(hard-pressedtablet)來實現(xiàn)。在現(xiàn)有技術的蒸汽質斗中，已經(jīng)使用這種工作方式。然而，將化學物質加入到水中，這可能是個缺點，例如當水(還)旨在可飲用時。[0007]還已經(jīng)請求保護防止水垢形成的物理方法，但這些的工作原理可能不太清楚并且功效有時在一些情況中甚至可能是不確定的。例如，放置在水管道上以用于防垢的(電)磁體的使用是知之甚少且不可重復的防垢方法的示例。[0008]此外，W02012011026和W02012011051描述了一種防止結垢的方法?！?br/>發(fā)明內容】[0009]因此，本發(fā)明的一個方面是提供一種防止或減少在水加熱器和/或可替換的水加熱器裝置中結垢的可替換方法，其優(yōu)選地防止或至少部分地消除上文所描述的缺陷和/或現(xiàn)有技術的相對更復雜的構造或解決方案中的一個或多個。特別地，本發(fā)明的目的是防止或減少在加熱器具中的加熱元件(諸如可加熱的壁或浸入式加熱器)上形成水垢和/或使這樣的加熱元件的鈣化表面脫鈣。[0010]在此，提出了電化學防垢和/或從(含水)液體(諸如水)中去除水垢。原理可以是具有與DC電源連接的水中的兩個電極。在陽極(+電極)處，發(fā)生氧化。在陰極(_電極)處，發(fā)生還原；在實踐中，這意味著在陰極處水被還原:2H20+02+4e—40H。[0011]OH的形成將局部地增加pH并且將HCO3轉換成CO3。CO3將與Ca2+反應，并且鈣質將沉淀在陰極上。[0012]在陽極處發(fā)生氧化。當陽極材料是抗氧化的時，則水被朝向氧氣和酸氧化。酸將溶解已經(jīng)沉積在電極上的鈣質，并且電極在經(jīng)加熱的(硬)水中使用時將保持干凈:2H20—02+4H++4e。[0013]當陽極是反應性的時，其可能被氧化。例如，金屬陽極將溶解，除非是使用非常穩(wěn)定的金屬(Pt)、某些過渡金屬氧化物或碳陽極。鈣化鋼可以通過應用正電壓而脫鈣，但其效果受金屬的耐腐蝕性的限制，從而使得只有小電壓/電流是可行的。[0014]總之，這樣的簡單設置可以通過使水垢沉積在陰極上并且保持(抗氧化的)陽極干凈來從水中去除水垢。除了需要抗腐蝕的陽極材料之外，缺點還可能是需要定期清潔陰極。[0015]已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，可以通過將AC信號應用到兩個電極上來防止水垢(即碳酸鈣(“鈣質”)形成)，其中一個電極是加熱元件。通過信號的連續(xù)反轉，加熱元件是交替的陽極或陰極。這意味著，在加熱元件的表面處生成交替的酸和堿，從而有效地削弱水垢粘附到加熱元件上。[0016]AC信號背后的基本思想是，通過防止金屬離子從電極運動到溶液中來抑制腐蝕。當信號為正時，金屬離子趨于離開電極進入水中(腐蝕)。當信號足夠快速地反轉時，金屬離子被拉回到電極。當反轉足夠快時，離子不能逃逸金屬表面處的邊界層，并且腐蝕得以防止。[0017]盡管加入高頻信號能夠抑制單個低頻AC信號的腐蝕，但是存在缺點。第二AC信號需要具有一定幅度以使之有效。這意味著，當例如兩個AC信號的幅度相等時，在低頻信號的峰值處，幅度由第二頻率進行調制，從而將它降低到最低OV，但使其在最大處加倍(見下文)。然后，幅度的加倍可能再次導致腐蝕，即便所存在的第二AC信號可能防止這種腐蝕，這是由于峰值幅度超過腐蝕閾值的緣故。[0018]此外，應該注意，在該示例中，在因此最高腐蝕風險所處于的低頻信號的峰值處，信號僅反轉到OV。在現(xiàn)實中，這意味著，微調整用于水加熱設備的正確信號以防止水垢形成和腐蝕是相當麻煩的，因為不僅頻率必須選擇正確，而且幅度(包括可選的DC)也必須選擇正確。需要足夠的幅度以防垢，但是在峰值處幅度不應跨越其中電極處的邊界層被破壞并且腐蝕開始的某一閾值。[0019]令人驚訝地發(fā)現(xiàn)，在非常特定的條件下，利用具有正確幅度、正確溫度并且處于其中待加熱的液體在兩個電極之間流動的配置中的快速AC信號，可能克服現(xiàn)有技術的缺點，并且可以防止和/或減少水垢形成和腐蝕。然而，如上面所指示的，過低或過高的頻率也是不希望的。[0020]因此，在第一方面中，本發(fā)明提供一種用于加熱加熱器中的液體的方法，其中加熱器包括加熱元件和對電極，其中該方法包括:(i)通過將加熱元件加熱到120-250°C范圍內的溫度來加熱加熱器中的液體；以及(ii)在加熱元件和對電極之間應用AC電勢差(V)，其中AC電勢差隨200-2500Hz范圍內的AC頻率(f)而變化并且幅度范圍特別地為1_5V，并且其中特別地，液體在加熱元件和對電極之間的加熱器中流動。因而，本發(fā)明提供一種方法，其中在加熱液體期間或之后，加熱元件經(jīng)受波動電勢差，其中該波動具有范圍為200-2500Hz的相對高頻率(并且同時與(熱)含水液體(特別地水)接觸)。特別地，AC頻率的范圍為400-2200Hz，諸如600-2000Hz。在所指示的AC頻率外部(即過低或過高的頻率，諸如低于大約200Hz或高于大約2500Hz)操作似乎提供關于水垢形成和/或氧化的更壞結果。因此，令人驚奇地看起來，利用該溶液，可以基本上防止和/或去除結垢，并且可以防止腐蝕。當向電極供應交變電流(AC)時，交替的酸和堿將形成在電極處。盡管在加熱期間形成水垢，但是其將基本上不附著到電極壁，因為其不斷地被溶解并且重新沉淀在電極表面處。該方法還可以用來使已經(jīng)鈣化的表面脫鈣。[0021]離子(在待加熱或正加熱的液體中)的迀移率取決于溫度。在相對低功率下操作的水加熱系統(tǒng)中，迀移率是相對低的。當加熱器在壓強下并且以高功率操作時，比如例如在例如濃縮咖啡機的(流過式)加熱器中，迀移率是相對高的?？雌饋?，操作溫度越高，電氣信號可能就越對稱以防止腐蝕。當加熱器在高溫下操作時，附加的DC信號可能是低的或甚至為零。在(即，與液體接觸的加熱元件的)高溫下，諸如等于或超過120°C，信號可能特別地是相對對稱的。[0022]—般而言，信號的占空比將接近100%。術語“占空比”在本領域中是已知的，并且特別地涉及作為所考慮的總時間的一部分的實體在活動狀態(tài)下所花費的時間百分比。例如，當AC電勢具有正弦形狀，并且信號遵循該正弦時，占空比為100%。然而，假如在25%的時間期間信號是零，或例如具有相反信號(針對其中信號將遵循正弦的情形)，則占空比將為75%。因此特別地，在脈沖的占空比為例如彡95%(諸如特別地100%)的情況下，應用AC電壓。因此特別地，僅應用AC電壓，而無需進一步添加或微調整。因此特別地，所應用的AC電壓是基于單個分量(具有所指示的頻率)，其中占空比為100%，并且DC分量〈0.2V，特別地OV。[0023]還看起來，在實施例中，特別有益的是當AC頻率(f)的范圍為500-1500Hz時，其中AC電壓具有正弦特點，并且其中電勢差的范圍為1-5V，諸如至少1.2V，比如1.5-5V，諸如特別地1.5-4V0注意，在本發(fā)明中，可選地，對電極也可以被配置為加熱元件。因此，在實施例中，液體可以在兩者均用作電極的兩個加熱元件之間流動。[0024]在又一實施例中，方法可以包括將加熱元件加熱到120-250°C范圍內的溫度，比如140-200°C的范圍內。在本文所描述的條件下，這可能暗示著，水可以被加熱到大約80-110°C范圍內的溫度，特別地大約85-100°C。加熱元件可以特別地用于將液體加熱到接近(液體的)沸騰溫度的溫度。進一步地，液體可以在升高的壓強下進行加熱，即高于I巴的壓強。因此，在實施例中，與加熱元件接觸的液體處于(被帶到)1-12巴范圍內的壓強下，特別地1-10巴。在一些情況中，壓強的范圍可以為7-12巴，比如7-10巴。為此，加熱器裝置還可以包括被配置成對液體強加壓強的設備，特別地大于I并且等于或低于12巴的壓強，諸如>1巴且<10巴的范圍內，比如例當前第1頁1 2 3 4