(57)【要約】水加熱装置が、入口を通して水を受け入れ、出口を通して水を通過させることにより、対流プロセスを介して水を加熱するべく構成された水容器と、当該水容器の中に配列されて当該対流プロセスの間に浸漬されるべく構成された一つの正温度係数（ＰＴＣ）加熱素子又は複数のＰＴＣ加熱素子とを含む。複数のＰＴＣ加熱素子は各ＰＴＣ加熱素子間にギャップを有する。さらに、水加熱装置は、水容器に取り付けられた少なくとも一つの超音波トランスデューサをさらに含み、当該少なくとも一つの超音波トランスデューサは、当該水容器の中の当該ＰＴＣ加熱素子又は当該複数のＰＴＣ加熱素子へと及びこれらのまわりに超音波を投射して当該ＰＴＣ加熱素子又は当該複数のＰＴＣ加熱素子のスケール除去を行うべく構成される。
2021517539.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水加熱装置であって、
入口を通して水を受け入れ、出口を通して水を通過させることにより、対流プロセスを介して水を加熱するべく構成された水容器と、
前記水容器の中に配列されて前記対流プロセスの間に浸漬されるべく構成された一つの正温度係数（ＰＴＣ）加熱素子又は複数のＰＴＣ加熱素子と
を含み、
前記複数のＰＴＣ加熱素子は、隣接するＰＴＣ加熱素子の各ペア間にギャップを有する、水加熱装置。
【請求項２】
前記ＰＴＣ加熱素子及び前記複数のＰＴＣ加熱素子のそれぞれが、不変の厚さを有する細長い平坦又は湾曲の形状を含む、請求項１の水加熱装置。
【請求項３】
前記ＰＴＣ加熱素子及び前記複数のＰＴＣ加熱素子は電気絶縁材料によってコーティングされる、請求項２の水加熱装置。
【請求項４】
前記水容器はさらに、強制対流プロセスを介して水を加熱するべく構成され、
前記複数のＰＴＣ加熱素子は前記水容器にわたって、各ＰＴＣ加熱素子間に又はＰＣＴ加熱素子の列間に、ギャップを有して並んで配列される、請求項２の水加熱装置。
【請求項５】
各ＰＴＣ加熱素子間の又は素子列間のギャップはそれぞれ、前記ＰＣＴ素子又はＰＣＴ素子列の水流方向の長さの１５分の１以下である、請求項４の水加熱装置。
【請求項６】
一素子列の個々のＰＴＣ素子が、局所条件に合うように構成された異なるキュリー温度を有する、請求項５の水加熱装置。
【請求項７】
前記水容器に取り付けられた少なくとも一つの超音波トランスデューサをさらに含み、
前記少なくとも一つの超音波トランスデューサは、前記水容器の中の前記ＰＴＣ加熱素子又は前記複数のＰＴＣ加熱素子へと及びこれらのまわりに超音波を投射して前記ＰＴＣ加熱素子又は前記複数のＰＴＣ加熱素子のスケール除去を行うべく構成される、請求項１の水加熱装置。
【請求項８】
前記少なくとも一つの超音波トランスデューサはさらに、前記複数のＰＴＣ加熱素子への一定の入射角度で超音波を投射するべく構成され、
前記入射角度は、前記複数のＰＴＣ加熱素子の最大表面が形成する平面に対して鋭角である、請求項７の水加熱装置。
【請求項９】
前記水加熱装置は、飽和圧力が全体的な水圧の７５％以下となる水温において水の加熱と超音波の投射とを繰り返すべく構成される、請求項７の水加熱装置。
【請求項１０】
前記ＰＴＣ素子は、自己洗浄動作を行う超音波周波数で電力供給されるように構成される、請求項１の水加熱装置。
【請求項１１】
前記水加熱装置はさらに、前記ＰＴＣ素子の電気抵抗を監視して必要な超音波洗浄の量を制御するべく構成され、
前記電気抵抗は前記ＰＴＣ素子上のスケール堆積のレベルを示す、請求項１の水加熱装置。
【請求項１２】
前記水加熱装置はさらに、前記監視の対象の電気抵抗を使用して前記ＰＴＣ素子の過熱を決定して前記ＰＴＣ素子への電力を遮断するべく構成される、請求項１１の水加熱装置。
【請求項１３】
前記水加熱装置はさらに、前記ＰＴＣ素子上のスケール堆積のレベルを示して必要な超音波洗浄の量を制御するべくポンプと前記ＰＴＣ素子との間の水圧を監視するように構成される、請求項１の水加熱装置。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
本開示は一般に水加熱システムに関し、詳しくは、温度を調節して加熱素子へのスケールビルドアップを低減する電気水加熱システムに関する。
【０００２】
典型的に、電気加熱素子から水への熱伝達は、主に対流によって行われる。すなわち、暖かい水が冷たい水の中へと動いて冷たい水と混合する。この混合は、固体表面に近い流体のエリアである熱境界層において生じ得る。さらに、熱伝達率は、熱境界層を横切る温度差に正比例する。
【０００３】
定常状態の電気温水器では、水への熱伝達率が、電気により生成される熱とバランスされる。水位の低下により、又は流入する水における気泡が加熱素子に隣接してトラップされるようになることから、加熱素子の一部分が乾燥すると、熱伝達は低下する。これにより、当該素子の局所的な温度上昇が生じる。水が気泡と接触する場合に水蒸気が生成される。これはまた、断熱材として機能するので、加熱素子から水への熱伝達を阻害する。これにより、加熱素子に隣接してトラップされた水蒸気の温度の連続上昇が引き起こされる。次に、上昇した温度によって水蒸気の圧力増加が引き起こされる。例えば、１５０℃の温度において、水蒸気は近似的に５バール（０．５メガパスカル）の蒸気圧を有するが、これは１００℃のときの５倍である。水は主に非圧縮性なので、閉鎖、密閉又は遮断され得る水加熱システムの部分はすべて、たとえ当該加熱システムの残りの部分の温度がかなり低い場合でも、蒸気圧の上昇を受ける可能性がある。
【０００４】
従来の水加熱システムは典型的に、電気加熱素子としてニクロムのような導電体を利用する。抵抗加熱のもとでは、ニクロムの温度は融解せずに華氏２０００度（摂氏１０９３度）又は１０００℃を超える温度に達することもある。しかしながら、この温度は、飽和圧力が２２１バール（２２．１メガパスカル）の水の臨界点より上にある。このような極端な圧力に耐える圧力容器を作ることは実用的ではない。通常は、圧力逃がしバルブを取り付けて、水加熱器が受け得る最大圧力を制限するのが慣例である。この取り付けは、水加熱器の複雑さ、重量、及び保守必要性を増大させる。
【０００５】
さらに、スケールが加熱素子の表面に堆積すると、スケール表面温度はほとんど変化しないが、堆積されたスケールによって生じる表面粗さにより、スケール堆積速度が増加する悪循環になる。スケールがビルドアップすると、スケールにわたる温度差の結果、素子温度が上昇して熱平衡が維持される。金属中の電気抵抗は温度とともに直線的に増加する傾向があるので、温度上昇は、その電気抵抗を増加させる。例えば、２０℃から２５０℃への温度上昇は、その抵抗を２倍にする。不変の電圧が印加されていると仮定すれば、抵抗の増加は電力出力の減少につながる。すなわち、スケールの効果は、加熱器の熱出力を低減することになる。時間が経過すると、スケールのビルドアップ及びそれに伴う電力の低減により、加熱器が動作不能になり得る。素子温度の上昇はまた、素子の早期破損にもつながり得る。
【０００６】
スケール除去のための従来の手段は、水加熱システムを通すように化学スケール除去剤をフラッシングすること、又はシステムを開放して素子をブラッシングにより若しくは超音波洗浄を使用して物理的に洗浄することを含み得る。化学スケール除去剤は通常、スケールを溶解する酸である。こうした酸は腐食性であり、毒性のことも多い。そのため、加熱システムを供用に戻す前に、当該酸が十分に洗い流されていることを確実にするべく、注意を払う必要がある。ブラッシングは大きなスケール堆積物を除去するのに有効であるが、アクセスできない部分の堆積物は除去できないことがある。最後に、超音波洗浄は、遅い処理速度で動作する。加えて、上述したプロセスはすべてが、加熱器をオフラインにする必要があり、これによって有意な中断及びコストが生じ得る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１０／０１３２９２１（Ａ１）号明細書
【発明の概要】
【０００８】
典型的ないくつかの実施形態において、水加熱装置は、入口を通して水を受け入れ、出口を通して水を通過させることにより、対流プロセスを介して水を加熱するように構成された水容器と、当該水容器内に配置された複数の正温度係数（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ  Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ（ＰＴＣ））加熱素子であって、各ＰＴＣ発熱体間にギャップを有して当該対流プロセス中に浸漬されるように構成されたＰＴＣ加熱素子とを含む。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】典型的な一実施形態に係る正温度係数（ＰＴＣ）素子の等角図である。
【図２Ａ】典型的な一実施形態に係る水加熱装置の一構成の分解図である。
【図２Ｂ】典型的な一実施形態に係る当該構成の断面正面図である。
【図２Ｃ】典型的な一実施形態に係る当該構成の断面側面図である。
【図３】典型的な一実施形態に係る水加熱装置の構成を通る水の、定常状態のカップ混合（ｃｕｐ−ｍｉｘｉｎｇ）吐出温度（Ｔｃｍ）、及び流量（リットル／分）に対応する消費電力（Ｗ）を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
典型的な実施形態の本説明は、添付図面と併せて読まれることが意図され、この添付図面は、書かれた説明全体の一部とみなされる。本説明において、「下側」、「上側」、「水平」、「垂直」、「上方」、「下方」、「上」、「下」、「頂部」及び「底部」のような相対的用語、並びにこれらの派生語（例えば「水平方向」、「下向き」、「上向き」等）は、その時点で記載され又は説明中の図面に示される配向を言及すると解釈するべきである。これらの相対的用語は、説明の便宜を目的とするので、装置が特定の配向で構成又は操作されることを必要としない。「接続され」及び「相互接続され」のような取り付け、結合等に関する用語は、特に明示的に記載されない限り、複数の構造物が、介在構造物を介して直接又は間接的に互いに固定又は取り付けられる関係、及び可動又は剛性双方の取り付け又は関係を言及する。
【００１１】
本開示の典型的な実施形態は一般に、水加熱システムに関する。温度を調節して加熱要素上のスケールビルドアップを低減する典型的な実施形態が、図１〜３を参照して以下に説明される。
【００１２】
図１は、正温度係数（ＰＴＣ）素子１００の等角図である。
【００１３】
背景技術に説明されたように、周囲液体への熱の伝達が妨げられると、標準的な加熱素子に一定の危険が生じ、加熱素子の温度が急上昇する。しかしながら、スイッチングＰＴＣサーミスタのような一定のセラミックコンポーネントを使用して、臨界温度を超えたときに当該サーミスタの電気抵抗を劇的に増加させることによって、加熱素子の最高温度を制限することができる。その最高温度を制限することにより、ＰＴＣ加熱素子の隣にトラップされた水又は水蒸気の飽和圧力を、加熱システムの通常動作供給圧力内に制限することができる。
【００１４】
ＰＴＣ加熱素子１００は、ＰＴＣサーミスタ１０４、及びＰＴＣサーミスタ１０４の両対向側面に固定された電極１０２を含み得る。
【００１５】
ＰＴＣ加熱素子１００は、ほぼ細長い平坦な形状及び不変厚さを有し得る。電極１０２は、ＰＴＣサーミスタ１０４に接着可能な任意の導電性材料、例えばアルミニウム又は銀、から作られる。電極１０２は、スパッタリングのような物理蒸着プロセスを使用してＰＴＣサーミスタ１０４に接着される。
【００１６】
ＰＴＣサーミスタ１０４は、ドープされたバリウム、チタン酸鉛若しくはチタン酸ストロンチウムの多結晶セラミック、又は温度により抵抗が変化する特性を有する他のセラミックを含み得る。スイッチングＰＴＣサーミスタの電気抵抗は、温度とともに最小抵抗（ＴＲｍｉｎ）点までわずかに低下する。この温度を超えると、臨界温度すなわちキュリー温度（ＴＣ）に達する時点までの電気抵抗のわずかな上昇を受ける。これは通常、抵抗が最小値の２倍になる温度として定義される。キュリー温度を超えると、抵抗は、温度が数度上昇うちに数桁の程度で増加する。キュリー温度は、セラミックスにドープするべく使用される材料のタイプ及び濃度を変えることによって、所与の温度に調整することができる。さらに、チタン酸バリウム又は他のＰＴＣ材料は、圧電特性を有し得る。その利点が以下に詳述される。
【００１７】
電圧源により電極１０２を充電すると、電気がＰＴＣサーミスタ１０４の厚さを通過してＰＴＣサーミスタ１０４を加熱する。水がＰＴＣ加熱素子１００の上を流れると、ＰＴＣサーミスタ１０４により生じる抵抗性の熱が、対流を介して周囲の水に伝達されて水が加熱される。発電される電力は素子温度に依存する。平衡熱伝達は、素子と水との温度差、水の速度、素子の幾何学的形状、及び素子間のギャップに依存する。水の温度は、素子に熱が伝達されるにつれて素子の長さに沿って変化する。すなわち、ＰＴＣ加熱素子１００に不変の電圧が印加されているにもかかわらず、素子温度はＰＴＣ加熱素子に沿って変化する。
【００１８】
電気抵抗はセラミック１０４の方が電極１０２よりもはるかに高いので、ほとんどすべての熱パワーが、一方の面から他方の面に向かって素子の厚さを通過する電流によってセラミック１０４に発生する。その結果、素子は、すべてが互いに並列された無限量の無限に小さい抵抗器として作用する。熱は、一方又は双方の面からの対流によって水に伝達される。水が単一面と接触すると、境界層にわたる温度差は、熱流のバランスをとるべく有意に大きくなる。要素を水中に浸漬することにより両面での対流を許容することで、境界層における温度差が最小になるので、素子における温度、及び所与の加熱パワー全体に対する最大局所水温も最小になる。それゆえ、素子の浸漬が好ましい。
【００１９】
ＰＴＣ素子が到達し得る最大温度は、当該素子から熱を輸送する材料に依存する。断熱性が高ければ高いほど、熱損失率が低くなるので、熱損失が（低い）電力とバランスする温度が高くなる。素子が自然対流によって空気又は水蒸気中へ熱を失う場合、最大表面温度はキュリー温度よりも２０℃高くなり得る。これにより、素子温度及び得られる蒸気圧に自然な制限が与えられる。例えば、ＰＴＣサーミスタ１００の最高表面温度が１２０℃である場合、最高蒸気圧は２バール（０．２メガパスカル）に制限され得る。すなわち、ＰＴＣ加熱素子１００が生成し得る最大蒸気圧力は、標準加熱素子が生成し得る最大蒸気圧力よりも有意に低く、かつ、標準給水圧力よりも低くなる。発生し得る最大蒸気圧を低減することにより、水容器は、圧力逃がしバルブを必要とすることなく、標準的な水容器におけるコンポーネントよりも軽量のコンポーネントを使用することができる。
【００２０】
ＰＴＣ材料の組成を変えることによって、又は互いに隣接して配置された異なる組成の小さな素子を使用して大きな素子を形成することによって、キュリー温度を、素子の長さに沿って変化させることができる。これにより、素子に沿った水温の変化からもたらされる素子温度のばらつきに対して素子の抵抗ひいては電力を最適化することができるので、ＰＴＣ素子を局所的な条件に適合するように調整することができる。
【００２１】
なお、このアプリケーションは、細長い平坦形状を有するＰＴＣ加熱素子１００に限られるわけではない。むしろ、このアプリケーションは、水がＰＴＣ素子の上を流れるときの様々な水の流れ及び所望の水温を補償するべく異なる形状を有するＰＴＣ加熱素子も意図している。例えば、ＰＴＣ素子は、不変厚さを有する湾曲形状、円錐形状、又はＰＴＣ素子が水流の入口側で大きいが水流の出口側で狭くなる形状であってよい。
【００２２】
ＰＴＣ加熱素子１００の伝熱密度、すなわち面積当たりのパワーを増加させるべく、ＰＴＣ加熱素子１００を利用して境界層の発達を最大にするいくつかの配列が、ここに記載される。
【００２３】
なお、これらの配列において記載されるＰＴＣ加熱素子は、単相電源システム、又はデルタ若しくはＹ型構成の三相電源システムによって給電されてよい。ここで、異なる素子は異なる位相で給電される。特に、Ｙ型構成の三相電力システムを使用すると、各ＰＴＣ加熱素子１００間のライン電圧を増加させることができるので、素子当たりの発生電力が増加し、必要な素子数が最小になる。
【００２４】
図２Ａは、インライン加熱器として機能する水加熱装置２００の構成の分解図である。
【００２５】
この構成において、複数のＰＴＣ素子２０２が水容器２０８内に、水温を変化させる強制対流プロセスを支持するように配列される。各ＰＴＣ素子２０２の一端が、ガスケット２１８の凹部内に配置され、ＰＴＣ素子２０２の当該一端が当該凹部内に封止される。ＰＴＣ素子２０２とガスケット２１８の一部分とが、水容器２０８の中に挿入される。バッキングプレート２２２及びキャップ２１６が一緒になって、ガスケット２１８及び水容器２０８の周囲に固定されることにより、ガスケット２１８及び水容器２０８が一緒にクランプされて防水シールが形成される。バッキングプレート２２２及びキャップは、様々な態様で互いに固定し合うことができる。例えば、バッキングプレート２２２が、バッキングプレート２２２の外周の全体又は一部のまわりに雄ねじを有し、キャップ２１６が、バッキングプレート２２２の当該雄ねじを受容する雌ねじを有してよい。さらに、他の実施形態において、上述の構成と同様に、水温を変化させる強制対流プロセスをサポートするべく、単一のＰＴＣ加熱素子を水容器２０８内に配列してよい。
【００２６】
図２Ｂは、水加熱装置２００の断面正面図である。
【００２７】
ＰＴＣ加熱素子２０２は、各ＰＴＣ加熱素子２０２を、ギャップ２１２を介して分離するべく水容器２０８を横切るように配列される。この配列により、ＰＴＣ加熱素子２０２の出力密度が、水中への熱伝達密度とバランスすることができる。この構成において、同じ列２２４の隣接素子間にもギャップ２１４が存在してよい。これにより、各素子２０２の４つの面すべてがガスケット２１８によって封止可能となる。ギャップ２１４は、素子２２４の列が単一素子として作用できる程度に十分に小さい一方で、同じ素子列２２４内の個々の素子を異なるキュリー温度で使用することが許容される。ＰＴＣ加熱素子２０２の各列間のギャップ２１２は、実用可能な限り小さくしてよい。これにより、熱境界層が相互作用して水温がギャップ２１２にわたって同様となるのに必要とされる素子列２２４の長さが低減される。これにより、熱境界層におけるピーク温度も低減される。ギャップ２１２は、素子２２４の列の全長の１％としてよい。各ＰＴＣ加熱素子２０２又はＰＴＣ加熱素子２０２の列の間のギャップ２１２はそれぞれ、当該ＰＴＣ素子２０２又はＰＴＣ素子２０２の列の水流方向長さの１５分の１以下としてよい。ギャップ２１２が素子２２４の列の全長の１５分の１よりも大きいシナリオでは、素子温度が、素子内で生成される出力を有意に低減する程度に十分に上昇し得る。例えば、キュリー温度が１１０℃のＰＴＣ素子を使用すれば、入力温度が２０℃で流量が０．５リットル／分の水加熱器は、素子列間ギャップが列長さの３％であるとき、水を９３℃まで加熱することができる。ギャップを列長さの１３％まで純粋に増加させると、加熱器の出力は５０％だけ減少し、その結果、出口温度は５９℃にしかならない。これは、素子温度が１０７℃から１１７℃まで増加した結果である。水加熱装置２０２に使用されるＰＴＣ素子２００は、例えば、長さ３５ミリメートル（ｍｍ）、幅６ｍｍ、厚さ２ｍｍとすることができる。一列２２４に４つの素子がある場合、素子２１２列間のギャップ２０２は、０．５〜１．６ｍｍの範囲としてよい。水加熱装置は、例えば、４０〜１００個のＰＴＣ素子２０２を含有し得る。
【００２８】
図２Ｃは、水加熱装置２００の断面側面図である。
【００２９】
水容器２０８は、水を受け入れる入口２０４と、水が通過して水容器２０８から出る出口２０６とを含み得る。水は、ＰＴＣ素子２０２の一部分又は全体のそばを、当該水が入口２０４から出口２０６へと移動するときに通過してよい。水温を制御するべく、ポンプによって、水源から水容器２０８を通ってＰＴＣ素子２０２にわたる水の流量を変化させることができる。ポンプは、水源からの水を受容して当該水を、入口を通るように送り込むことができる。ポンプは、ルーツポンプ（ｒｏｏｔｓ  ｐｕｍｐ）又は蠕動ポンプのような容積式としてよい。ポンプは、貯水タンク又は給水本管のような水源から下流の圧力を隔離することができる。温度変化の増加は、ＰＴＣ素子２０２の数を増加させること、高いキュリー温度を有する素子を使用すること、又は水の流量を低減させることによって達成することができる対流プロセスの間、水が水容器２０８を通るように強制されると、ＰＴＣ要素２０２は完全に又は部分的に水に浸漬され得る。
【００３０】
ガスケット２１８は、ＰＴＣ素子２０２を受容するべく複数のリベート２１８ａを含み得る。これらのリベートは、ガスケットと素子との間に封止をもたらす締まり嵌めが存在するように、素子と比べて小さい寸法に形成することができる。その形成中に、むき出しの電線２１８ｂが、素子２０２の各列間に延びるようにガスケットに埋め込まれる。ガスケットは、当該電線の電気的絶縁をもたらす。当該線は、素子１０６上の未絶縁パッチに整列して電気的な接続を許容する各側に導電パッド２１８ｃを有してよい。単一の線が各素子列間に配置されると、電極１０２は、隣接素子の隣接電極に電気的に接続される。これらの線は、単一の位相及び極性の電極すべてが一緒に接合されるように拡張部２１８ｄにおいて一緒に接続され得る。これは、一列２２４の素子すべてが同じ位相に接続される結果となることから、好ましい実施形態となる。温度が複数の素子間でばらつくので、それらの抵抗もばらつく。しかしながら、一列の各段における温度は同様となることから、それらの抵抗も列間で同様となる。したがって、同じ列２２４にある素子すべてを接続することにより、各列に対して同様の合計抵抗が得られるので、出力を位相間でバランスさせることができる。
【００３１】
ＰＴＣ素子２０２は、水容器２０８の中心に配置されてよい。ＰＴＣ素子２０２の上流領域は、ＰＴＣ素子２０２すべてを通る水の均一な流れを促進する。水容器２０８は、水の流れを均一にするべく上流領域にメッシュ又は多孔プレートを含み、水の運動量を水の主流に直交するように制限し得る。ＰＴＣ素子２０２の下流領域は、水の混合を促進する。必要な混合量は、ＰＴＣ素子２０２間のギャップ２１２が増加するほど増加する。ギャップ２１２にわたる水温には、当該ギャップが増加するほど大きなばらつきが存在し得るからである。
【００３２】
一つの典型的な実施形態において、超音波トランスデューサ２１０を、以下にさらに説明するように、水容器２０８の壁の外側に対して配置することができる。他の典型的な実施形態において、水容器２０８は、超音波トランスデューサ２１０を含まなくてよい。
【００３３】
ＰＴＣ加熱素子２０２は電気的に絶縁されてよい。電気的な絶縁を与えるべく、熱伝導を許容する電気絶縁材料をＰＴＣ加熱素子２０２上に堆積してよい。電気絶縁材料は、ＰＴＣ加熱素子２０２を水から絶縁する高い電気抵抗率と、コーティング全体の温度降下を制限する高い熱伝導率とを有し得る。この材料はまた、超音波洗浄プロセスからのエロージョンに抵抗することが相対的に難しい。
【００３４】
堆積プロセスは、化学気相堆積（ＣＶＤ）又は物理気相堆積（ＰＶＤ）のような気相堆積プロセスを含んでよい。電気絶縁材料は、例えば、酸化アルミニウム、窒化チタン、ダイヤモンド、及びダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）のコーティングを含み得る。堆積プロセスの前に、ＰＴＣ素子の表面を研磨して表面粗さを低減してよい。研磨表面仕上げにより、スケールのビルドアップ速度が低減され得る。第１例において、ＰＶＤプロセスが利用され、厚さ４〜６ミクロンのアルミナコーティングが、ＰＴＣ素子の表面全体に堆積される。第２例において、ＰＶＤプロセスが利用されて酸化アルミニウムのようなコーティングがＰＴＣ素子の露出面に堆積され、ＣＶＤプロセスが利用されてＤＬＣのようなコーティングがＰＴＣ素子の金属電極面に堆積される。  
【００３５】
ＰＴＣ加熱素子２０２に堆積される材料の厚さは、コーティング材料の抵抗率に基づいて変化し得る。アルミナのような高抵抗率を有する材料に対し、材料の厚さを４ミクロンとし、有効な絶縁体となるのに十分な抵抗及び誘電強度を与えてよい。材料は、抵抗率が低いほど、大きな厚さが必要となり得る。厚さを最小実用範囲まで低減することにより、コーティング厚さにわたる温度降下を、その熱伝導率に応じて低減することができる。
【００３６】
図３は、定常状態におけるカップ混合吐出温度（Ｔｃｍ）、及び水加熱装置２００を通る水の流量（リットル／分）に対応する消費電力（Ｗ）を示すグラフである。図３のデータ点は以下のとおりである。
【表１】
2021517539.tif 000003
【００３７】
上記構成において記載されたように、ＰＴＣ素子を使用して直接水を加熱すると、スケールのビルドアップ速度を低減する負のフィードバックプロセスがもたらされる。すなわち、ＰＴＣ素子にスケールが形成し始める状況において、ＰＴＣ素子の熱抵抗が増加することにより、ＰＴＣ素子の温度上昇と、ＰＴＣ素子における局所発熱の有意な減少とがもたらされる。したがって、局所熱伝達が低下したエリアのスケールの外表面が水温とともに冷たくなり、暖かいエリアにスケールが堆積し始める。
【００３８】
スケールのビルドアップ速度をさらに抑制するべく、超音波トランスデューサ２１０を、複数のＰＴＣ素子又は単一のＰＴＣ加熱素子を超音波に浴させるべく、上記構成の水容器に取り付けることができる。超音波トランスデューサが水加熱システム内に存在することにより、洗浄が水加熱システムの標準動作の一部となる。超音波キャビテーション及び洗浄プロセスの説明がここで記載される。
【００３９】
超音波とは、人間の聴覚範囲を上回る周波数、例えば２５ｋＨｚから８０ｋＨｚの音波を称する。超音波トランスデューサは、高周波電気入力により作動させて表面を振動させることができる。この振動が、液体を通るように圧力パルスを送る。各パルスにより、表面が媒体を押し縮めたり伸ばしたりするときに、圧力増加の後に圧力低下となる。十分に高い周波数及び振幅では、パルスの低圧領域における圧力が、当該液体の蒸気圧未満に低下し得る。この時点で蒸気のキャビティが液体の中に形成される。このキャビテーション気泡は、不安定になる傾向があるので、高い圧力を受けると崩壊して局所的な衝撃波を生じる。この崩壊が固定表面に隣接して生じると、衝撃波によって、表面を汚染する物質を除去することができる。気泡が崩壊するときに解放されるエネルギーは、気泡をもたらすべく吸収されるエネルギーに比例する。液体の沸点に近い温度において、蒸気泡を形成するのに必要なエネルギーはほとんどない。よって、液体の沸点近くでのキャビテーション崩壊により、解放されるエネルギーがほとんどなく又は洗浄が行われる。例えば、超音波洗浄は、大気圧における温度９０℃以上のときの水を使用すると、利益が限られる。この圧力は、温度１００℃での蒸気圧（飽和圧力）の７０％に等しい。
【００４０】
図２に関連して先に上述したように、超音波トランスデューサ２１０を水容器２０８に取り付けることができる。超音波トランスデューサ２１０は、ＰＴＣ素子２０２間のギャップ２１２に直交するように水容器２０２の底に配置することができる。これにより、超音波はＰＴＣ素子２０８の長さに沿って進行し得る。超音波はまた、単一のＰＴＣ素子又は複数のＰＴＣ素子２０２へと及びこれらのまわりに進行し得る。超音波トランスデューサ２１０はまた、ＰＴＣ素子２０２の一側に直交する水容器２０８の側壁に配置してよい。これにより、超音波はＰＴＣ素子２０２の幅に沿って進行する。
【００４１】
超音波トランスデューサ２１０は、超音波を集中させてＰＴＣ加熱素子２０２へと向け、ＰＴＣ加熱素子２０２まわりの局所液体圧力を変化させることができる。さらに、ＰＴＣ加熱素子２０２の表面からの反射に起因して、超音波トランスデューサ２１０は、超音波トランスデューサ２１０によって励起される流体容積のエリアにわたって同様の強度を生成することができる。
【００４２】
超音波トランスデューサ２１０は、ＰＴＣ加熱素子２０２に向けて、例えば９０°以下の入射角で超音波を投射することができる。これにより、超音波は、ＰＴＣ加熱素子２０２の表面に接触する。超音波トランスデューサ２１０は、超音波トランスデューサ２１０の表面に平行な不変圧力の平坦な波面を放射することができる。平坦な波は、超音波トランスデューサ２１０の表面に垂直な方向に変化してよい。超音波トランスデューサ２１０はまた、平坦な波面を有する波を複数の方向に送ることができる点源のフェーズドアレイを含み得る。
【００４３】
超音波の入射角は、入射面の法線と波面の方向とがなす角度となり得る。波がＰＴＣ加熱素子２０２の平坦表面に垂直である場合、当該表面全体が同時に同じ圧力を受け得る。波がＰＴＣ加熱素子２０２の表面に対して傾斜している場合、圧力は、いかなる時点においても表面にわたって変化し得る。
【００４４】
超音波トランスデューサ２１０は、２５ｋＨｚ〜８０ｋＨｚの範囲の超音波を投射することができる。この周波数はキャビテーション気泡の大きさに影響する。例えば、超音波の周波数が低いほど、大きくかつ高エネルギーの気泡を少量生成することができ、超音波の周波数が高いほど、小さくかつ低エネルギーの気泡を大量に生成することができる。トランスデューサのパワーを増加させると、個々の気泡のサイズが変化するのではなく、キャビテーション気泡の数が増加する。
【００４５】
超音波トランスデューサ２１０は、ＰＴＣ加熱素子２０２が水中に浸漬されるときに、様々な洗浄サイクルで洗浄動作を行い得る。例えば、超音波トランスデューサ２１０は、水が流れておりかつＰＴＣ加熱素子２０２が加熱されていない間に、又は水が流れておらずかつＰＴＣ加熱素子２０２が加熱されていない間に洗浄を行うことができる。さらに、水加熱装置２００は、複数のＰＴＣ加熱素子２０２を取り囲む水の温度が当該水の沸騰温度よりも冷たいときに、水の加熱と超音波の投射とを繰り返すように構成してよい。
【００４６】
各加熱サイクル間に又はいくつかの加熱サイクルごとに生じる軽い洗浄サイクルを定期的に行ってよい。軽い洗浄サイクルは、水が流れていない間に、かつ、飽和圧力が全体的な水圧の約７５％以下となる水温において、行うことができる。軽い洗浄サイクルは、低パワー（例えば２５Ｗ）かつ高周波（例えば４０ｋＨｚ）の超音波に関与してよい。これは、少なくかつ低エネルギーの気泡を生成することによりＰＴＣ素子２０２のエロージョンを最小限にしながら小さな粒子を除去するように最適化される。少数の気泡は、スケールのある領域のような高い局所粗さを有する表面上の「シード」部位を形成するのが好ましい。
【００４７】
軽い洗浄サイクルは、加熱器の冷却中に開始して、少なくともＰＴＣ素子２０２が入口水温まで冷却されるまで続く。水が冷えるとＣａＣＯ３の溶解度は有意に増加する。この軽い洗浄サイクルにより、スケールの堆積時の破壊と、水温低下時のキャビテーション強度の緩やかなビルドアップとが得られる。除去された粒子は、水容器２０８を通って流れる水を使用して作られる任意の飲料に由来する溶解固形物と比べて、微視的かつ小さいので、消費者に知覚されない。
【００４８】
スケールのビルドアップによりＰＴＣ素子２０２の性能が低下するにつれ、大きなスケール堆積物を除去するべく積極的な洗浄サイクルが必要とされる。積極的な洗浄サイクルは、必要に応じて行うことができる。この洗浄サイクルは、大きなスケール粒子を除去するべく最適化された高パワー（例えば１００Ｗ）かつ低周波数（例えば２５ｋＨｚ）の超音波を使用する。この洗浄サイクルは、洗浄の有効性を最大にするべく非加熱水に対して行うことができ、大きな粒子を水容器２０８の外部に運ぶべく水容器２０８を通って流れる水が利用される。この洗浄サイクル中に使用される水は、出口２０６を介して排出されてよい。この洗浄サイクル中に使用される水はまた、飲料の製造に使用されなくてもよい。この水は、水加熱装置２００の使用に基づく水のためのドレインシステム、貯水槽又は受容器へと送り込まれる。
【００４９】
他の典型的な実施形態において、水加熱装置２００は、専用の超音波トランスデューサを含まなくてよい。むしろ、ＰＴＣ素子２０２は、チタン酸バリウム又は他のそのような材料の圧電特性を利用して、自己洗浄動作を行ってよい。交流がＰＴＣ素子２０２を超音波周波数で通過してＰＴＣ素子２０２を振動させる。振動とＰＴＣ素子２０２間の小さなギャップ２１２とに基づいて、ＰＴＣ素子２０２における相対的に小さなたわみにより、水の有意な膨張及び収縮がもたらされてキャビテーションが生成されるので、ＰＴＣ素子２０２が自己洗浄動作を行うことが許容される。こうした自己洗浄ＰＴＣ素子２０２は、容器２１８の一側のガスケット２０８と、水容器２０８の反対側の可撓性ガスケットとに固定されてＰＴＣ素子２０２の振動の自由が許容されるが、ＰＴＣ素子２０２の正味の動きは抑制される。
【００５０】
他の典型的な実施形態において、上述した深い洗浄サイクルの洗浄量を検出することができる。スケーリングが進行すると、ＰＴＣ素子の温度は局所的又は全体的に上昇する。その結果、ＰＴＣ素子の電気抵抗が増加する。その抵抗を測定することによって、存在する汚染物の量、ひいては必要な洗浄量を示す手段が得られる。これはまた、抵抗が一定値を超えるように増加する場合に、電力遮断を誘発する手段も表す。例えば、ＰＴＣ素子の出力密度が１００ｋＷ／ｍ２となり、スケールの熱伝導率が１．２Ｗ／ｍ／℃となり得る。スケール厚さが０．２ｍｍとすれば、スケールにわたる温度低下は、（１００ｋＷ／ｍ２）×（０．０００２ｍ）／（１．２Ｗ／ｍ／℃）＝１６．６℃となる。基準温度が１１０℃の素子の場合、素子抵抗は１０００オームである。基準温度から１０℃の温度増加により、抵抗は１０から１０４オームの倍率で増加し得る。上記構成及びタイプのＰＴＣ素子は、当該ＰＴＣ素子をキュリー温度近くに維持するべく最適化することができる。スケールの存在に起因するＰＴＣ素子のいずれの温度上昇も、完全な水加熱器における合計電気抵抗及び消費電力に有意かつ検出容易な影響を有し得る。
【００５１】
他の典型的な実施形態において、スケールの存在は、ＰＴＣ素子２１２のギャップ２０２の間の水流の抑制によって発生する圧力を測定することによっても検出し得る。例えば、ＰＴＣ素子２０２上の０．２ｍｍのスケールは、ギャップ２１２を１ｍｍから０．６ｍｍまで狭める結果となり得る。容積式ポンプを使用して水を移動させることによって、ギャップ２１２の狭まりによって発生する抑制は、同じ流量を維持するために必要とされる抑制前圧力の有意かつ測定可能な増加をもたらし得る。水加熱装置は、容積式ポンプとＰＴＣ素子２０２との間の水圧を監視するべく構成されてよい。この水圧は、ＰＴＣ素子上のスケール堆積のレベルを示して必要な超音波洗浄の量を制御するべく使用することができる。
【００５２】
一定量のスケールが検出されると、積極的な洗浄サイクルを開始することができる。このサイクルは、スケールのレベルが一定レベルを下回るまで、各加熱動作間で繰り返すことができる。スケールのレベルは、加熱動作の性能低下を検出する精度のレベルに基づいて定義することができる。例えば、電圧源の各相に対して電流計を使用してもよく、圧力センサをポンプとＰＴＣ素子２０２との間に配置してもよい。ＰＴＣ素子２０２の抵抗を、電流計が検出した電流と電源電圧とから決定することができる。この抵抗を、圧力センサが検出した圧力読み値と比較することができる。抵抗及び圧力読み値がシステムの公称測定値からの比較可能な偏差を有する場合に、積極的な洗浄が必要であるとコントローラが決定し得る。
【００５３】
水位低下及び素子露出、又はＰＴＣ素子２０２上の過剰な気泡トラップのいずれかによりＰＴＣ素子２０２が乾燥した場合、水加熱装置２００はＰＴＣ素子２０２の電源を遮断してよい。水加熱装置２００は、電流計を介して、ＰＴＣ素子２０２の一部分が過熱していることを、電流が一定値を下回ったときに検出することができる。システムがシャットダウンに失敗する事象において、ＰＴＣ素子２０２の最大可能温度及び任意の適用可能安全因子を考慮した設計が想定される。このとき、加熱器ハウジング及び関連配管は、ＰＴＣ素子が生成し得る可能な最大蒸気圧に耐えるように設計される。
【００５４】
主題は、典型的な実施形態に関して記載されてきたにもかかわらず、これに限定されるわけではない。むしろ、添付の特許請求の範囲を、当業者が主題の均等物の範囲及び広がりから逸脱することなくなし得る他の変形例及び実施形態を含むように、広く解釈するべきである。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３】
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【国際調査報告】
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