(57)【要約】  スケールの沈殿を制限する電気による水加熱システム(101)は、水を受け取り、かつ加熱される水のための内部貯蔵空間を画定する容器(102)を有する。前記内部貯蔵空間に貯蔵された水は、前記内部貯蔵空間に存在する電気加熱素子(104)によって加熱することができる。さらにDC電源(107)と接続する陰極素子(105)と陽極素子(106)が供されることで、前記陰極素子(105)と陽極素子(106)との間に電位差が生成される。前記陽極素子(106)は、前記内部貯蔵空間内で、前記加熱素子(104)に隣接して設けられている。
2012520435.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水を受け取り、かつ加熱される水のための内部貯蔵空間を画定する容器を有する電気による水加熱システムであって、
前記容器は、
前記内部貯蔵空間に貯蔵された水を加熱する電気加熱素子、及び、
DC電源と接続する陰極素子と陽極素子、
を有し、
前記陰極素子と陽極素子との間には電位差が生成され、かつ
前記陽極素子は、前記内部貯蔵空間内で、前記加熱素子に隣接して設けられている、
ことを特徴とする、電気による水加熱システム。
【請求項２】
加熱された水を伝える中空体を有する電気による水加熱システムであって、
前記中空体は、
内壁、
前記水を加熱するため、前記内壁に取り付けられている電気加熱素子、及び、
陰極素子と陽極素子、を有し、
前記陰極素子と陽極素子との間には電位差が生成され、かつ
前記陽極素子は、前記加熱素子に隣接するように、前記内壁に取り付けられている、
ことを特徴とする、電気による水加熱システム。
【請求項３】
前記陽極素子が前記加熱素子上に供されることを特徴とする、請求項1又は2に記載の電気による水加熱システム。
【請求項４】
前記陽極素子と前記加熱素子が一の部品に一体化されていることを特徴とする、請求項1又は2に記載の電気による水加熱システム。
【請求項５】
前記陽極素子、前記加熱素子、及び前記内壁が、一の部品に一体化されていることを特徴とする、請求項2に記載の電気による水加熱システム。
【請求項６】
前記陰極素子が炭素で作られる、請求項1乃至5のうちのいずれか1項に記載の電気による水加熱システム。
【請求項７】
前記加熱素子と陽極素子を取り囲む水に乱流を加えるため、前記容器の下部に設けられた水に乱流を加える装置をさらに有する、請求項1又は請求項1に従属する請求項3、4、若しくは6に記載の電気による水加熱システム。
【請求項８】
前記DC電源及び前記加熱素子を、前記加熱素子が前記ウエハを加熱するように給電され、かつ前記DC電源は前記陰極素子と陽極素子との間に電圧差を印加する第1状態と、前記加熱素子とDC電源のスイッチはオフになる第2状態との間で実質的に同時に切り換える制御ユニットをさらに有する、請求項1乃至7のうちのいずれか1項に記載の電気による水加熱システム。
【請求項９】
前記陰極素子と陽極素子は、動作使用中、実質的に均一な電場を生成するように構成されることを特徴とする、請求項1乃至8のうちのいずれか1項に記載の電気による水加熱システム。
【請求項１０】
前記陰極素子は実質的に、前記中空体の軸と同一の配置の軸上に設けられていることを特徴とする、請求項2、請求項2に従属する請求項3若しくは4、又は請求項5に記載の電気による水加熱システム。
【請求項１１】
前記陰極素子は実質的に、前記中空体の中心軸上に設けられていることを特徴とする、請求項2、請求項2に従属する請求項3若しくは4、又は請求項5に記載の電気による水加熱システム。
【請求項１２】
請求項1又は請求項3乃至8のうちのいずれか1項に記載の電気による水加熱システムを有するウォーターケトル。
【請求項１３】
請求項1乃至11のうちのいずれか1項に記載の電気による水加熱システムを有するコーヒーメーカー。
【請求項１４】
請求項1乃至11のうちのいずれか1項に記載の電気による水加熱システムを有するアイロン。
【請求項１５】
請求項1乃至11のうちのいずれか1項に記載の電気による水加熱システムを有する洗濯機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水を受け取り、かつ加熱される水のための内部貯蔵空間を画定する容器を有する電気による水加熱システムに関する。当該電気による水加熱システムは、前記内部貯蔵空間内に貯蔵されている水を加熱する電気加熱素子、及び陰極素子と陽極素子を有する。前記陰極素子と陽極素子は、DC電源と接続する又は接続可能となることで、前記陰極素子と陽極素子との間に電位差を生成する。
【０００２】
本発明はさらに、加熱される水を伝える中空体を有する電気による水加熱システムに関する。当該電気による水加熱システムは、内壁、該内壁に接触する水を加熱する電気加熱素子、及び陰極素子と陽極素子を有する。前記陰極素子と陽極素子は、DC電源と接続する又は接続可能となることで、前記陰極素子と陽極素子との間に電位差を生成する。
【０００３】
本発明はさらに、電気による水加熱システムを有するウォーターケトルに関する。
【０００４】
本発明はさらに、電気による水加熱システムを有するコーヒーメーカーに関する。
【０００５】
本発明はさらに、電気による水加熱システムを有するアイロンに関する。
【０００６】
本発明はさらに、電気による水加熱システムを有する洗濯機に関する。
【背景技術】
【０００７】
一般的に知られているように、一般的には炭酸カルシウムであるスケールは、水加熱システム内で、その水加熱システムを使用している最中に生成される。関与する基本化学反応は、Ca(HCO3)2→CaCO3+CO2+H2Oである。特に硬度の高い水は、スケール堆積物を生成する傾向が強い。水中に溶解して、硬度に関与する最も重要な元素は、Ca2+イオン、Mg2+イオン、及びHCO-3イオンである。水(DH)の全硬度は、1リットルあたりのCa2+イオンとMg2+イオンの合計ミリモル数に5.6を乗じた値として定義される。暫定硬度は、1リットルあたりのHCO-3イオンミリモル数に2.8を乗じた値として定義される。
【０００８】
水中でのスケールの溶解度は温度の増大と共に減少する。従って、特に加熱素子のような厚い表面は、スケールによって覆われやすい。さらにスケールは、金属表面上に堆積しようとする。典型的な電気による水加熱システムでは、加熱素子は金属で作られる。そのような金属の水加熱素子には非常にスケールが沈殿しやすい。なぜなら係る加熱素子は、動作使用中、金属表面と厚い表面を利用しているためである。加熱素子上にスケールが堆積することで、その加熱素子の熱効率が減少して、ひいては当該電気による水加熱システムの全体的な効率も減少する。
【０００９】
従来技術においては、加熱素子上でのスケールの沈殿を防止するために電気化学的手法が提案されてきた。たとえば特許文献1は、所謂カソード防止法（cathodic  prevention）を備えた電気による水加熱器を開示している。カソード防止法は、金属表面を電気化学電池のカソードとして機能させることによって、その金属表面の腐食を制御するという基本構想にちなんで一般的に用いられた名称である。特許文献1では、カソード防止法は、水加熱器の内壁と加熱素子との間に電位差を生成することによって実装される。ここで、前記水加熱器の内壁はカソード素子として機能し、かつ前記加熱素子はアノード素子として機能する。特許文献1によると、この装置では、電気化学効果が前記水加熱器の内壁での腐食を防止することで、前記水加熱器の内壁での腐食は防止される。同時に、アノード素子として機能する加熱素子ではH+イオンが生成されることで、前記加熱素子付近でのスケール生成が防止される。しかしこの構成でも、加熱素子は酸化しやすいので、高い酸化耐性を有する金属で作られる必要がある。
【００１０】
水加熱器の内壁がカソード素子として機能するので、前記水加熱器の内壁付近にOH-イオンが生成され、HCO-3イオンがCO2-3イオンに変換されることで、前記水加熱器の内壁にスケールが沈殿する。この結果、スケールは、カソード素子として機能する前記水加熱器の内壁をある程度絶縁するので、電気的効率が減少する。この効果を防止するため、前記水加熱器には定期的に適切な洗浄を行う個予が必要となる。さらにスケールが沈殿する結果、前記水加熱器の内壁の外見は汚れてしまう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】米国特許第6871014号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明の目的は、加熱素子と容器内壁の両方でのスケール沈殿を防止する、「技術分野」で定義された種類の、水を受け取る容器を有する電気による水加熱システムを供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の目的は、請求項1に記載された電気による水加熱システムによって実現される。特に、本発明による電気による水加熱システムでは、前記陽極素子は、前記内部貯蔵空間内で、前記加熱素子に隣接して設けられている。
【００１４】
動作使用中、前記陽極にはOH-イオンが生成される。同時に、前記加熱素子は、水中−特に前記加熱素子近傍−で乱流パターンを生じさせる。前記陽極は前記加熱素子に隣接しているので、前記OH-イオンは、乱流が存在する内部貯蔵空間領域内に生成される。これにより、前記の生成されたOH-イオンは、前記の加熱された水と混合する。前記の生成されたOH-イオンは局所的にpHを増大させる。前記の生成されたOH-イオンのうちの少なくとも一部は、HCO-3イオンをCO2-3イオンに変換する。前記CO2-3イオンは、前記水中に存在するCa2+イオンと反応することで、スケールを生成する。前記乱流が生じる結果、前記水中でのOH-イオンの分布は良好となる。驚くべきことに、スケールは微結晶としてしか生成されない。これらの微結晶は、前記水中に残り、（ほとんど）沈殿しない。前記微結晶のサイズが小さいため、前記微結晶は前記水を汚さない。さらに、スケールが、前記加熱素子又は前記容器の壁を覆うのが防止される。
【００１５】
前記陰極素子は、前記水の容器内若しくは前記水の容器の壁上に設けられて良く、又は前記容器の壁と一体化しても良いことに留意して欲しい。しかし前記陰極素子は、前記陽極素子と前記加熱素子との間に存在せず、前記加熱素子上に供されず、又は前記加熱素子と一体化されない。
【００１６】
有利な実施例では、前記陽極素子及び前記加熱素子は、前記容器内の実質的に中心に設けられる。それにより水は、前記陽極素子及び前記加熱素子の周辺を自由に流れることが可能となり、前記水の対流を妨害する障害物は存在しなくなる。このことは、前記の生成されたOH-イオンの適切な混合、ひいては生成されるスケールのさらなる防止に寄与する。
【００１７】
DC電源は、前記陽極素子と前記陰極素子との間に一定の電圧差を供給するように構成されて良い。しかし本願全体を通じて、DC電源とは、前記陽極素子と前記陰極素子との間の電圧差の向きを一定に保持する装置と定義される。前記電圧差の値は時間依存して良い。
【００１８】
本発明の種類の電気により水を加熱するシステムは、家庭用途でも大規模産業用途でも使用できる。
【００１９】
本発明による電気による水加熱システムの好適実施例では、前記陽極素子は前記加熱素子上に供される。これにより、前記加熱素子によって加熱される水だけはなく、前記水の加熱により乱流が存在する位置にOH-イオンが生成されることも保証される。このことは、スケールの微結晶の生成効率をさらに改善することで、大きなサイズのスケールの生成量を減少させる。それにより水汚れとスケールの沈殿をさらに良好に防止する。またこれにより、前記加熱素子に対する前記陽極素子の正しい位置設定を行うための設計及び製造労力が緩和され、かつ当該電気による水加熱システムの設計及び製造コストが減少する。
【００２０】
本発明による電気による水加熱システムの好適実施例では、前記陽極素子と加熱素子は、たとえば集積ユニットを構成する一の部品に一体化されている。このように集積するため、前記加熱素子に対して前記陽極素子を適切に位置設定するための設計労力は必要なくなる。このため設計コストが減少する。さらにOH-イオンは前記加熱素子にて生成されるので、スケールの微結晶の生成効率がさらに改善される。
【００２１】
本発明による電気による水加熱システムの好適実施例では、陰極素子は炭素で作られる。たとえば特許文献1のような従来技術から知られているように、プラチナ層を有するチタン又はニオブ基板が、陰極素子を形成するのに推奨される。驚くべきことに、炭素陰極を用いたときの方が、他の陰極材料を用いたときよりも、スケール防止がより有効であることを実験は示した。
【００２２】
本発明による電気による水加熱システムの好適実施例では、当該電気による水加熱システムは、前記加熱素子と陽極素子を取り囲む水に乱流を加えるため、前記容器の下部に設けられた水に乱流を加える装置を有する。前記の水に乱流を加える装置はたとえば、攪拌機又は当該電気による水加熱システムへ注入される空気流発生装置であって良い。前記の容器の下部に設けられた水に乱流を加える装置とは、前記水に乱流を加える装置は、動作使用中、一般的には水で満たされた容器の領域内に存在することを意味する。このような構成では、前記水に乱流を加える装置は、動作使用中、加熱された水の対流から生じる乱流に加えて、前記水中に別な乱流を導入する。前記水に乱流を加える装置によって導入されたこの別な乱流は、前記OH-イオン及び水の混合に寄与することで、スケール微結晶の生成効率を改善し、かつ生成される大きなサイズのスケール粒子の量を減少させて、水の汚染及びスケールの沈殿をはるかに良好に防止する。前記水に乱流を加えることによって、OH-イオンの混合はさらに改善されるので、たとえば前記水へ乱流を加えなかった場合よりも高い電圧差を前記陰極素子と陽極素子との間に印加することによって、より多くのOH-イオンを生成することが可能となる。溶液中でより多くのOH-イオンが利用可能となることで、前記スケール微結晶の生成効率は改善する。
【００２３】
本発明による電気による水加熱システムの好適実施例では、当該電気による水加熱システムは、前記DC電源及び前記加熱素子を、第1状態と第2状態との間で実質的に同時に切り換える制御ユニットを有する。前記第1状態では、前記加熱素子は前記ウエハを加熱するように給電され、かつ前記DC電源は前記陰極素子と陽極素子との間に電圧差を印加する。前記第2状態では、前記加熱素子とDC電源のスイッチはオフになる。この実施例では、前記加熱素子が使用されていないときには、前記陰極素子と陽極素子との間には電圧差が存在しない。前記加熱素子が使用されていないときには、前記水中に乱流は（ほとんど）存在しない。このような状況下で、前記陰極素子と陽極素子との間に電圧差が印加されるとき、生成されたOH-イオンは前記水全体に拡散しない。このため、OH-イオン濃度が増大する。その結果、スケールが生成され、前記加熱素子のうち近くのものに沈殿しようとする。さらに前記陰極素子と陽極素子との間に電圧差が印加される結果、前記陽極素子の腐食も減少する。
【００２４】
本発明による電気による水加熱システムの好適実施例では、前記陰極素子と陽極素子は、動作使用中、実質的に均一な電場を生成するように構成される。そのように電場が均一となる結果、前記陽極の様々な部分にて実質的に均等な量のOH-イオンが生成される。従って前記OH-イオンが前記水の乱流によって最適に混合される結果、スケール微結晶を効率的に生成することができる。このように微結晶が効率的に生成されることで、スケールの沈殿をさらに減少させる。さらにこのようにスケール微結晶が効率的に生成される結果、微結晶は前記水を汚さない。
【００２５】
本発明の他の目的は、「技術分野」の段落で明らかにされた型の水を伝える中空体を有する、電気による水加熱システムを供することである。当該電気による水加熱システムでは、前記加熱素子と容器内壁の両方でのスケール沈殿が防止される。
【００２６】
前記本発明の他の目的は、請求項2に記載された電気による水加熱システムによって実現される。特に本発明による電気による水加熱システムでは、前記陰極素子は、前記加熱素子に隣接する内壁に取り付けられる。
【００２７】
動作使用中、前記陰極にてOH-イオンが生成される。同時に、前記加熱素子は、前記水中−具体的には前記加熱素子の近く−で乱流パターンを発生させる。前記陽極は前記加熱素子に隣接しているので、前記OH-イオンは、乱流が存在する前記内部空間領域内に生成される。このため、生成される前記OH-イオンはpHを局所的に増大させ、かつ前記OH-イオンのうちの少なくとも一部は、HCO-3イオンをCO2-3イオンに変換する。前記CO2-3イオンはCa2+イオンと反応することで、スケールを生成する。前記乱流の結果、前記水中でのOH-イオンの分布は良好になる。驚くべきことに、スケールは微結晶としてしか生成されない。これらの微結晶は前記水中に残り、かつ（ほとんど）沈殿しない。前記微結晶のサイズは小さいため、前記微結晶は前記水を汚さない。
【００２８】
前記陰極素子は、前記中空体内若しくは前記中空体の内壁に設けられて良く、又は前記中空体の内壁と一体化しても良いことに留意して欲しい。
【００２９】
前記DC電源は、前記陽極と陰極素子との間の電圧差が一定となるように供給するように構成されて良い。しかし本明細書全体を通じて、DC電源は、前記の陽極と陰極素子との間の電圧差の配向を一定に維持する装置と定義される。前記電圧差の値は時間依存して良い。
【００３０】
本発明の種類の電気により水を加熱するシステムは、家庭用途でも大規模産業用途でも使用できる。
【００３１】
本発明による電気による水加熱システムの好適実施例では、前記陽極素子は前記加熱素子上に供される。これにより、前記加熱素子によって加熱される水だけはなく、前記水の加熱により乱流が存在する位置にOH-イオンが生成されることも保証される。このことは、スケールの微結晶の生成効率をさらに改善することで、大きなサイズのスケールの生成量を減少させる。それにより水汚れとスケールの沈殿をさらに良好に防止する。またこれにより、前記加熱素子に対する前記陽極素子の正しい位置設定を行うための設計及び製造労力が緩和され、かつ当該電気による水加熱システムの設計及び製造コストが減少する。
【００３２】
本発明による電気による水加熱システムの好適実施例では、前記陽極素子と加熱素子は、たとえば集積ユニットを構成する一の部品に一体化されている。このように集積するため、前記加熱素子に対して前記陽極素子を適切に位置設定するための設計労力は必要なくなる。このため設計コストが減少する。
【００３３】
本発明による電気による水加熱システムの好適実施例では、前記陽極素子と加熱素子は、たとえば集積ユニットを構成する一の部品に一体化されている。このように集積するため、前記加熱素子に対して前記陽極素子を適切に位置設定するための設計労力は必要なくなる。このため設計コストが減少する。さらにOH-イオンは前記加熱素子にて生成されるので、スケールの微結晶の生成効率がさらに改善される。
【００３４】
本発明による電気による水加熱システムの好適実施例では、前記陽極素子と加熱素子は、たとえば集積ユニットを構成する一の部品に一体化されている。このように集積するため、前記加熱素子に対して前記陽極素子を適切に位置設定するための設計労力は必要なくなる。このため設計コストが減少する。さらにOH-イオンは前記加熱素子にて生成されるので、スケールの微結晶の生成効率がさらに改善される。
【００３５】
本発明による電気による水加熱システムの代替実施例では、前記加熱素子は、前記内壁上であって前記水とは接しない状態−たとえば前記内壁の外側−に供される。そのような実施例では、前記内壁は全体として加熱され、かつ当該電気による水加熱システムを流れる水に対して加熱素子の役割を果たす。この型の実施例では、前記内壁は全体として陽極素子としての役割を果たす。
【００３６】
本発明による電気による水加熱システムの好適実施例では、陰極素子は炭素で作られる。たとえば特許文献1のような従来技術から知られているように、プラチナ層を有するチタン又はニオブ基板が、陰極素子を形成するのに推奨される。驚くべきことに、炭素陰極を用いたときの方が、他の陰極材料を用いたときよりも、スケール防止がより有効であることを実験は示した。
【００３７】
本発明による電気による水加熱システムの好適実施例では、当該電気による水加熱システムは、前記DC電源及び前記加熱素子を、第1状態と第2状態との間で実質的に同時に切り換える制御ユニットを有する。前記第1状態では、前記加熱素子は前記ウエハを加熱するように給電され、かつ前記DC電源は前記陰極素子と陽極素子との間に電圧差を印加する。前記第2状態では、前記加熱素子とDC電源のスイッチはオフになる。この実施例では、前記加熱素子が使用されていないときには、前記陰極素子と陽極素子との間には電圧差が存在しない。前記加熱素子が使用されていないときには、前記水中に乱流は（ほとんど）存在しない。このような状況下で、前記陰極素子と陽極素子との間に電圧差が印加されるとき、生成されたOH-イオンは前記水全体に拡散しない。このため、OH-イオン濃度が増大する。その結果、スケールが生成され、前記加熱素子のうち近くのものに沈殿しようとする。さらに前記陰極素子と陽極素子との間に電圧差が印加される結果、前記陽極素子の腐食も減少する。
【００３８】
本発明による電気による水加熱システムの好適実施例では、前記陰極素子と陽極素子は、動作使用中、実質的に均一な電場を生成するように構成される。そのように電場が均一となる結果、前記陽極の様々な部分にて実質的に均等な量のOH-イオンが生成される。従って前記OH-イオンが前記水の乱流によって最適に混合される結果、スケール微結晶を効率的に生成することができる。このように微結晶が効率的に生成されることで、スケールの沈殿をさらに減少させる。さらにこのようにスケール微結晶が効率的に生成される結果、微結晶は前記水を汚さない。
【００３９】
本発明による電気による水加熱システムの好適実施例では、前記陰極素子は実質的に、前記中空体の軸と同一の配置の軸上に設けられている。この設計は、当該本発明による電気による水加熱システムの設計コスト及び製造コストを減少させる実装を容易にする。
【００４０】
本発明による電気による水加熱システムの好適実施例では、係る構成では、大きな設計上の労力を要することなく、動作使用中、前記陰極素子と陽極素子との間の実質的に均一な電場が実現される。これにより、当該電気による水加熱システムの全体的な設計コストが減少する。
【００４１】
前述したように、同様の効果はいずれの変化型−つまり本発明による電気による水加熱システムの請求項1に記載の変化型及び請求項2に記載の変化型−でも得られる。いずれの変化型も本発明の考え方−具体的には前記加熱素子に隣接する陽極素子−及び同一の動作原理−具体的には、当該電気による水加熱システムの部品上には沈殿せず、前記水を汚さない微結晶のスケールしか生成されないこと−に依拠している。
【００４２】
本発明は他の目的は、電気による水加熱システムの変化型を有するウォーターケトルを供することである。
【００４３】
本発明は他の目的は、電気による水加熱システムの変化型を有するコーヒーメーカーを供することである。
【００４４】
本発明は他の目的は、電気による水加熱システムの変化型を有するアイロンを供することである。
【００４５】
請求項を参照すると、本発明はまた、様々な請求項に記載された特徴及び/又は手段の可能なすべての組み合わせにも関することに留意して欲しい。
【００４６】
本発明の効果を供する典型的な実験では、水を受け取り、かつ内部貯蔵空間を画定する容器として機能するビーカーは、240mlの加熱されるべき水で満たされた。前記水は、ＩＥＣ60734基準に従って調製され、合計の硬度は16.8で、一時硬度は11.2であった。pHは8.25だった。前記ビーカー内では、サーモスタットによって制御されたコイル形状の電気による加熱素子が挿入された。前記加熱素子は陽極素子として機能した。陰極素子として機能するL字形状の電極が、その下部が前記コイルの中心に差し込まれるように載置された。前記実験中、制御ユニットは、前記電気による加熱素子及びDC電源を、前記水の温度及び経過時間に基づいて電力を供給した。前記水は10分間沸騰した。この期間中、前記加熱素子のスイッチは間断的にオン/オフされた。前記加熱素子のスイッチがオンになったときのみ、前記制御ユニットは前記DC電源に電力を供給した。前記実験後、前記水は周辺おんどにまで冷却された。前記水の透明度の評価は、視覚的に行われた。さらに、前記水は濾過され、残りの水は硬度用に検査された。沸騰前後での硬度の差異は、沈殿しなかった、すなわちフィルタを通過しなかったスケールの量を知る良好な指標である。
【００４７】
前記実験の結果は表1に示されている。
【００４８】
【表１】
2012520435.tif 000003
第1行は、沸騰前の水の硬度を示している。第2行は、参考値として、電圧を印加しない場合での沸騰した水を示している。水の硬度が急激に減少していることから、相当なスケールが生成されたことは明らかである。このことは、沸騰水が濁って見えることでも視認できる。
【００４９】
前記陰極素子と陽極素子に2.5V以上の電圧差が印加されるとき、前記沸騰水の硬度は、未処理水の硬度に近づく。このことは、スケールの生成が実効的に防止されていることを示唆する。同時に、水は透明なままであり、前記加熱素子もきれいなままである。
【００５０】
この実験で用いられた電圧は、この具体的な実験系の設定で有効である。異なる実験系の設定では異なる電圧が必要となるだろう。他の実験中、相対的に低いpHの硬水については、沸騰後に透明な水を得るのにより高い電圧が必要になる。より多くのOH-イオンを生成することで溶液のpHを補償するため、より高い電圧が必要となる。高い初期pHを有する水では、スケール微結晶を生成するOH-イオン濃度が速く実現されるので、低いOH-イオン濃度が必要となる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】水を受ける容器を有する本発明による電気による水加熱システムの第1実施例の横から見た概略的断面を図示している。
【図２】水を伝える中空体を含む本発明による電気による水加熱システムの第2実施例の前から見た概略的断面を図示している。
【図３】図2に図示された電気による水加熱システムの第2実施例の横から見た概略的断面を図示している。
【図４】水を伝える中空体を含む本発明による電気による水加熱システムの第3実施例の前から見た概略的断面を図示している。
【図５】図4に図示された電気による水加熱システムの第3実施例の横から見た概略的断面を図示している。
【発明を実施するための形態】
【００５２】
本発明の詳細な説明が以降に供される。当該説明は、添付図面を参照しながら読みとられる非限定的な例示によって供される。
【００５３】
同一の実施例又は同一の部材を示す図中、同一部材には同一番号が用いられる。
【００５４】
図1は、電気による水加熱システム101を図示している。電気による水加熱システム101は、内壁103を有する容器102を有する。容器102は、円筒形容器であって良く、又は他の適切な形状−たとえば箱状−であっても良い。容器の内壁103は、該容器103の内部貯蔵空間110を画定する。内壁103は、内部貯蔵空間110内に貯蔵される水の量に依存して、加熱される水と全体的又は部分的に接して良い。内部貯蔵空間110内では、制御ユニット111によってスイッチのオン/オフができる加熱素子104が供される。図1には図示されていないが、制御ユニット111は、ユーザーによって操作されるスイッチと接続し、かつ/又は、他の任意の信号源−たとえば、処理制御装置、サーモスタット、又は水が沸騰していることを示す蒸気スイッチ−からの、スイッチング操作が実行されなければならないことを示す信号を受信して良い。図1には図示されていないが、制御ユニット111は、バッテリーのような電源−たとえば電気幹線又はある形態の蓄積されたエネルギー−と接続して良い。制御ユニット111が加熱素子104のスイッチをオンにするとき、その電源は、接続112を介して加熱素子104と接続する。加熱素子104は、たとえば電気抵抗又はインダクタンスに基づく任意の種類の電気ヒーター素子であって良い。この例では、加熱素子104は細長い素子である。陽極素子106は、加熱素子104に隣接して設けられている。図1に図示された実施例では、陽極素子106は、加熱素子104に対して実質的に平行となるような配置をとって、加熱素子104の全長にまで延在する。他の実施例では、陽極素子106は、加熱素子104の一部にしか沿って延在しなくて良いし、かつ/又は異なる配置を有しても良い。陰極素子105は、陽極素子106からある程度離れた場所に設けられる。この例では、陰極素子105は炭素で作られる。他の実施例では、陰極素子105は、水中で陰極素子105として用いられるときの腐食率が低く、かつ水中での溶解度が低いものとして一般に知られている他の材料で作られて良い。そのような材料とはたとえば、プラチナ層を有するチタン又はニオブ基板、プラチナ、又は所謂混合金属酸化物である。陽極素子106は、良好な電気伝導度及び水中での低い溶解度を有する任意の材料で作られて良い。そのような材料とはたとえば、チタン、金属酸化物でコーティングされたチタン、又は耐水性として知られる標準グレードのステンレス鋼である。
【００５５】
図1に図示された実施例では、陰極素子105は、陽極素子106と実質的に平行に配置され、かつ容器102の付近に設けられる。他の実施例では、陰極素子105は、容器の内壁103と一体化して良いし、又は、内部貯蔵空間110内部の異なる位置に設けられ、かつ/又は陽極素子106とは実質的に非平行な配置であっても良い。陰極素子105と陽極素子106のいずれもDC電源107と接続する。DC電源107は、動作使用中、電圧差を、陰極素子105及び陽極素子106へ印加する。DC電源107は、制御ユニット111によってスイッチのオン/オフがなされる。DC電源107のスイッチがオンになるとき、DC電源107には、制御ユニット111によって接続113を介して電源が供される。典型的には、上述した標準水を用いるとき、陽極素子106と陰極素子105との間の電圧差は3.0Vである。他の実施例では、電気による水加熱システムの具体的構成及び加熱される水の特性に依存して、電圧差は1.5V程度の低さであって良いし、又は4.0Vを超えても良い。
【００５６】
容器102の内部貯蔵空間110内部には、駆動手段109によって駆動可能な攪拌機108が存在する。駆動する攪拌機108は、水を攪拌することで、加熱した水中に新たな乱流を生成する。他の実施例では、新たな乱流を水に加える他の方法−たとえば空気流の水への注入−が用いられても良い。この新たな乱流により、陽極素子106にて生成されたOH-イオンは非常によく混合することで、OH-イオンの局所的濃度は低くなる。その結果、大量のスケール微結晶が生成される。駆動手段109は、任意の知られた駆動装置−たとえば電気モータ−であって良い。図1には図示されていないが、駆動手段109は電源と接続している。スケールが電気による水加熱システム101の一部に堆積することなく、又は水を汚すことなく、その水を沸騰させるため、ユーザーは、容器102を必要量の水で充填し、かつオン/オフスイッチを作動させることによって電気による水加熱システム101のスイッチをオンにする。このオン/オフスイッチは図1には図示されていない。オン/オフスイッチは、信号を制御ユニット111へ送る。制御ユニット111は、この信号を、制御ユニット111への入力として機能する他の信号−たとえば温度センサ又は蒸気センサからの制御信号（図1には図示されていない）−と共に評価する。この評価が、水加熱素子104に電力を供給するのは安全だという結論を導いたとき、制御ユニット111は加熱素子104に電力を供給する。（少なくとも実質的に）同時に、制御ユニット111はDC電源107にも電力を供給する。電力が供給された加熱素子104は加熱して、水への熱の輸送を開始する。最終的には、加熱された水は沸騰する。電力が供給されたDC電源107は、陰極素子105と陽極素子106との間に電圧差を生成する。この電位差により、水の電気分解が起こる。陽極素子106では、OH-イオンが生成されることで、pH値が局所的に高くなる。陰極素子105では、H+イオンが生成されることで、pH値が局所的に低くなる。pHの高い領域では、スケールが生成される。電力が供給されるときの動作中、加熱素子104は、通常は乱流を生じさせることで、その加熱素子104から遠ざかるように水を流す。陽極素子106が加熱素子104に隣接しているので、それは乱流の領域内である。この乱流によって、生成されるOH-イオンは、非常によく水と混合する。スケールは最初に分子レベル（たとえばCaCO3及び/又はMgCO3）で生成される。様々なスケール分子が凝集して、微結晶を生成する。十分なOH-イオンが存在するときには、その微結晶はさらに成長して、肉眼で見える程度の大きさに到達する。また大きなスケールの結晶は沈殿しやすい。しかしこの実施例で図示されている本発明の電気による水加熱システムでは、OH-イオンが良好に分布することで、微結晶サイズを超えたスケール結晶の成長が防止される。従ってスケールは水中では不可視のままであり、かつ沈殿しない。水中でのOH-イオンの分布をさらに改善するため、攪拌機駆動手段109によって動力が供給された攪拌機108が水を攪拌する。好適実施例では、駆動手段109はまた、制御ユニット111とも接続し、かつ加熱素子104及びDC電源107と実質的に同時にスイッチのオン/オフがなされる。水が所定の温度−たとえば沸点−に到達したとき、適切なセンサは、信号を制御ユニット111に送る。その後制御ユニット111は、加熱素子104及びDC電源107を不稼働にす��。ユーザーは、容器の外に水を注いで、加熱された水をたとえば紅茶又はスープを作るのに用いることができる。
【００５７】
図2及び図3は電気による水加熱システム201を図示している。電気による水加熱システム201は管状の形態を有する。図2には、その管の軸に対して実質的に垂直な断面が図示されている。図3には、その管の軸を含む面で取られた断面が図示されている。電気による水加熱システム201は、内壁203を有する中空体202を有する。円筒形断面の代わりに、中空体202は、たとえば正方形又は長方形といった任意の適切な断面を有しても良い。一般的には、この原理によるヒーターは貫流ヒーターとして知られている。加熱素子204は内壁203に取り付けられている。陽極素子206（図2では分離して視認できない）は、加熱素子204と一体化している。陰極素子205は、管状の電気による水加熱システム201の軸付近に設けられている。陰極素子205は、たとえば陰極素子205を固定することのできる開口部を有する端部ストッパを利用することによって正しい位置に保持される。陰極素子205及び陽極素子206は、図3に図示されているようにDC電源207と接続している。加熱素子204とDC電源207のいずれも制御ユニット211と接続する。制御ユニット211が、ユーザーによって操作されるスイッチと接続し、かつ/又は他の信号源−たとえば水が電気による水加熱システムを流れていることを示す処理制御装置又はフローセンサ−からの、切り換え行為が実行されなければならないことを示す信号を受信できることは図3には図示されていない。また図3には、制御ユニット211が、バッテリーのような動力源−たとえば動力は主としては電気で、あるいはある種の蓄積されたエネルギー−と接続できることも図示されていない。制御ユニット211が加熱素子204のスイッチをオンにするとき、電力は、接続212を介して加熱素子204と接続する。加熱素子204はたとえば、電気抵抗又はインダクタンスに基づく任意の種類の加熱素子であって良い。この例では、加熱素子は細長い素子である。陽極素子206は加熱素子204と一体化している。他の実施例では、陽極素子206は、加熱素子204に取り付けられても良いし、又は加熱素子204から分離しても良い。陰極素子205は、陽極素子206からある程度離れた位置に設けられている。この例では、陰極素子105は炭素で作られる。他の実施例では、陰極素子105は、水中で陰極素子105として用いられるときの腐食率が低く、かつ水中での溶解度が低いものとして一般に知られている他の材料で作られて良い。そのような材料とはたとえば、プラチナ層を有するチタン又はニオブ基板、プラチナ、又は所謂混合金属酸化物である。陽極素子106は、良好な電気伝導度及び水中での低い溶解度を有する任意の材料で作られて良い。そのような材料とはたとえば、チタン、金属酸化物でコーティングされたチタン、又は耐水性として知られる標準グレードのステンレス鋼である。
【００５８】
図2及び図3に図示された実施例では、陰極素子205は、管状の電気による水加熱システム201の回転軸に対して実質的に平行となるような配置をとる。他の実施例では、陰極素子は、陰極素子は、異なる配置を有して良く、かつ/又は、中空体の実質的に中心に位置する軸から離れた位置に設けられて良い。陰極素子205と陽極素子206のいずれもDC電源207と接続する。DC電源207は、動作使用中、電圧差を陽極素子206と陰極素子205に印加する。DC電源207は、制御ユニット211によってスイッチのオンとオフが切り換えられる。DC電源207のスイッチがオンになるとき、DC電源には、制御ユニット213によって接続213を介して電力が供される。典型的には、上述の標準水を用いたときには、陽極素子206と陰極素子205との間の電圧差は3.0Vである。他の実施例では、電気による水加熱システムの具体的構成及び加熱される水の特性に依存して、電圧差は1.5V程度の低さであって良いし、又は4.0Vを超えても良い。
【００５９】
動作使用中、電気による水加熱システム201が、その使用時に、その電気による水加熱システム201の一部へのスケールの沈殿又はスケールによる水の汚染を起こすことなく、中空体202を流れる水を加熱すなわち沸騰するとき、制御ユニット211は加熱素子204に電力を供給する。（少なくとも実質的に）同時に、制御ユニット211はDC電源207にも電力を供給する。電力が供給された加熱素子204は加熱して、水への熱の輸送を開始する。最終的には、加熱された水は沸騰する。電力が供給されたDC電源207は、陰極素子205と陽極素子206との間に電圧差を生成する。この電位差により、水の電気分解が起こる。陽極素子206では、OH-イオンが生成されることで、pH値が局所的に高くなる。陰極素子205では、H+イオンが生成されることで、pH値が局所的に低くなる。pHの高い領域では、スケールが生成される。スケールは最初に分子レベル（たとえばCaCO3及び/又はMgCO3）で生成される。様々なスケール分子が凝集して、微結晶を生成する。十分なOH-イオンが存在するときには、その微結晶はさらに成長して、肉眼で見える程度の大きさに到達する。また大きなスケールの結晶は沈殿しやすい。しかしこの実施例で図示されている本発明の電気による水加熱システムでは、OH-イオンが良好に分布することで、微結晶サイズを超えたスケール結晶の成長が防止される。従ってスケールは水中では不可視のままであり、かつ沈殿しない。加熱水又は沸騰水についてさらなる要件が存在しないとき、処理制御装置等は、信号を制御ユニット211に送る。その後制御ユニット211は、加熱素子204及びDC電源207を不稼働にする。
【００６０】
図4及び図5に図示された実施例は、加熱素子、内壁、及び陽極素子が一の部品に一体化されている点で図4及び図5に図示された実施例とは異なる。図4及び図5は電気による水加熱システム401を図示している。電気による水加熱システム401は環状の形態を有する。図4には、管の軸に垂直な断面が図示されている。図5には、管の軸を含む面でとられた断面が図示されている。電気による水加熱システム401は、内壁403を有する中空体402を有する。加熱素子404は内壁403と一体化している。この特別な実施例では、加熱素子404は基本的には、内壁403の外側に設けられている。図4及び図5では、加熱素子404が存在する領域は、破線414によって定められている。陽極素子406は内壁203と一体化する（図4では分離して視認できない）。陰極素子405は、管状の電気による水加熱システム401付近に設けられている。陰極素子405及び陽極素子406は、図5に図示されているようにDC電源407と接続している。加熱素子404とDC電源407のいずれも制御ユニット411と接続する。DC電源407及び制御ユニット411は、図2及び図3に図示されたものと同様に動作する。動作使用中、電気による水加熱システム201と401は同様に動作する。
【符号の説明】
【００６１】
101  電気による水加熱システム
102  容器
103  容器内壁
104  加熱素子
105  陰極素子
106  陽極素子
107  DC電源
108  攪拌機
109  駆動手段
110  容器の内部貯蔵空間
111  制御ユニット
112  制御ユニットと加熱素子との間の接続
113  制御ユニットとDC電源との間の接続
201  電気による水加熱システム
202  中空体
203  内壁
204  陽極素子と一体化した加熱素子
205  陰極素子
206  陽極素子
207  DC電源
211  制御ユニット
212  制御ユニットと加熱素子との間の接続
213  制御ユニットとDC電源との間の接続
401  電気による水加熱システム
402  中空体
403  内壁
404  内壁と一体化した加熱素子
405  陰極素子
406  内壁と一体化した陽極素子
407  DC電源
411  制御ユニット
412  制御ユニットと加熱素子との間の接続
413  制御ユニットとDC電源との間の接続
414  加熱素子と、内壁の他の部分との間の境界
【図１】
2012520435.tif 000004
【図２】
2012520435.tif 000005
【図３】
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【図４】
2012520435.tif 000007
【図５】
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