通過脈沖信號反轉的電化學除銹的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及用于加熱液體特別是水的方法、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。
【背景技術】
[0002]水加熱設備應用在各種各樣的應用中，諸如蒸汽熨斗、電熱水壺、熱飲販賣機等。這些設備的問題在于，水銹可能形成在與水接觸的加熱元件上。
[0003]在例如蒸汽生成設備的操作期間，水被供給到水在其中被加熱的水基礎設施的一部分，諸如在鐵系的(外部)鍋爐中，結果可能形成水銹。如果水銹未被(周期性地)去除，可能發(fā)生堵塞，結果是蒸汽生成設備的性能可能下降，并且最終蒸汽生成設備可能不適于繼續(xù)使用。
[0004]包含顯著量的Ca2+和HC03-(重碳酸鹽)的硬水在溫度升高時可以經(jīng)由以下化學反應而形成水銹(CaC03):
Ca(HC03)2 — CaC03 + H20 + C02
特別地，沸水將分離水銹，水銹將在其具有最高溫度時形成在水中以及在加熱元件上。水銹最終將生長在加熱元件上并且當內部壓力增加時，其將從元件掙脫。在文獻中已經(jīng)要求保護防止生水銹的水的若干處理方法。眾所周知的方法是使用作為Ca2+的離子交換劑來交換Na+或H +。第二種眾所周知的方法是使用膦酸鹽，將少量的膦酸鹽添加到水中并且抑制硬水中籽晶的形成，這有效地防止晶體的生長并且因此防止水銹的形成。
[0005]在前者中，需要使用在內部具有離子交換樹脂的藥筒。在耗盡之后，藥筒需要再生成或者用一個新的藥筒來替換。在后一種情況中，需要連續(xù)添加膦酸鹽，因為膦酸鹽在PH為pH 7-8.5的硬水處具有有限的穩(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藥片來實現(xiàn)。這種工作方式已經(jīng)使用在現(xiàn)有技術蒸汽熨斗中。然而，將化學品添加到水中可能是個缺陷，例如當水是(同樣)可飲用的時候。
[0006]還已經(jīng)要求保護防止水銹形成的物理方法，但是這些物理方法可能具有不太清晰的工作原理，并且在一些情況下效力可能有時甚至令人懷疑。例如，用于防止水銹而放置在水管上的(電)磁體的使用是對其知之甚少的實例，并且是不可重復的防止水銹的方法。
[0007]同樣，W02012011026和W02012011051描述了防止生水銹的方法。

【發(fā)明內容】

[0008]因此，本發(fā)明的一方面是提供一種防止或減少在水加熱器中生水銹的可替換方法和/或可替換的水加熱器裝置，其優(yōu)選地防止或至少部分地消除以上所描述的現(xiàn)有技術的缺陷和/或相對更加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加熱電器中的加熱元件(諸如可加熱壁或浸沒式加熱器)上的水銹形成和/或為這樣加熱元件的鈣化表面脫鈣。
[0009]在此，提出電化學水銹防止和/或從諸如水之類的(含水)液體去除水銹。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)發(fā)生還原；在實踐中，這意味著在陰極，水被還原:
2H20 + O2 + 4e — 40H
OH的形成將增加局部pH并且將HCO 3變換成CO 3。CO3將與Ca 2+反應并且碳酸鈣將沉淀在陰極上。
[0010]在陽極處發(fā)生氧化。當陽極材料是抗氧化的時候，則水氧化為氧氣和酸。酸將分解已經(jīng)沉積在電極上的碳酸鈣，并且當使用在加熱(硬)水中時，電極將保持清潔:
2H20 — O2 + 4H+ + 4e
當陽極可反應時，其可以被氧化。例如，金屬陽極將分解，除非使用非常穩(wěn)定的金屬(Pt)、某些過渡金屬氧化物或碳陽極。鈣化鋼可以通過施加正電壓來脫鈣，但是由于僅小電壓/電流可行的金屬抗腐蝕性，因而其效果是有限的。
[0011]總結來說，這樣的簡單設置可以通過將水銹沉積在陰極上并且保持(抗氧化的)陽極清潔來從水中去除水銹。除了需要用于抗腐蝕的陽極材料之外，缺陷還在于可能需要定期清洗陰極。
[0012]已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，水銹(即碳酸鈣(“calc”)形成)可以通過將AC信號施加到其中一個是加熱元件的兩個電極上來防止。通過信號的連續(xù)反轉，加熱元件交替為陽極或陰極。這意味著在加熱元件的表面處生成交替的酸和堿，這有效地減弱水銹到加熱元件上的附著。
[0013]AC信號背后的基本想法是通過防止金屬離子從電極移動到溶液中來抑制腐蝕。當信號為正時，金屬離子往往離開電極而到水中(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，離子不能從金屬表面處的邊界層逃逸并且防止了腐蝕。
[0014]盡管高頻信號的添加可以抑制單個低頻AC信號的腐蝕，但是仍存在缺陷。第二AC信號需要具有有效的某個幅度。這意味著當例如兩個AC信號在低頻信號峰值處的幅度相等時，幅度被第二頻率調制，這將其向下帶到OV的最小值，但是在最大值處加倍(參見下文)。幅度的加倍然后可以再次導致腐蝕，而不管本可以防止該腐蝕的第二 AC信號的存在，這是因為峰值幅度超過腐蝕閾值。
[0015]另外，人們應當注意到的是，在該示例中，在低頻信號的峰值處(因而其中腐蝕的風險最高)，信號僅反轉到0V。實際上，這意味著微調用于水加熱設備的正確信號以防止水銹形成和腐蝕相當繁瑣，這是因為不僅需要選擇正確的頻率，而且需要選擇幅度(包括可選的DC)。需要足夠的幅度以用于防止水銹，但是在峰值處幅度不應當超過其中在電極處的邊界層被破壞并且開始腐蝕的某個閾值。
[0016]已經(jīng)令人驚喜地發(fā)現(xiàn)，通過利用脈沖而不是利用以某個頻率反轉信號的AC信號來調制AC信號從而克服現(xiàn)有技術的缺陷是可能的。第一益處在于現(xiàn)在可能完全反轉信號，因而增強金屬電極表面處的邊界層的恢復而不添加附加的幅度。第二益處在于低頻信號現(xiàn)在可以針對充足的酸形成而更容易地進行微調，同時脈沖頻率防止腐蝕而不添加幅度:兩個過程(防止水銹和防止腐蝕)現(xiàn)在可以比利用疊加的AC信號的情況更容易地彼此分離。顯然，脈沖頻率可以修改，而且脈沖的占空比可以變化。
[0017]因而，在第一方面中，本發(fā)明提供了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，其中所述方法包括(i)加熱加熱器中的液體，其中加熱元件與液體接觸，以及(ii )在加熱元件與對電極之間施加電位差(V)，特別地至少IV，其中電位差(V)具有AC分量，由此電位差隨0.0l-1OOHz的范圍中的AC頻率(f )而變化，并且其中電位差被施加有循環(huán)時間(T)和占空比(D)，其中電位差具有與循環(huán)時間的第二部分期間的電位差的符號相反的循環(huán)時間的第一部分期間的電位差的符號，并且其中在循環(huán)時間的第一部分和循環(huán)時間的第二部分中的一個或多個期間，電位差臨時改變符號。
[0018]因此，本發(fā)明提供了一種方法，其中在加熱液體期間或之后，加熱元件經(jīng)受波動的電位差，其中該波動具有相對緩慢的分量，其在0.0l-1OOHz的量級，特別地為0.l-50Hz，但是在循環(huán)內，電位臨時改變符號，并且可選地還臨時改變絕對值。在此，臨時地，加熱元件處的電位的符號(并且在與(熱的)含水液體、特別是水接觸時)從+改變成負，或者反之亦然。
[0019]看起來令人驚喜的是，利用該解決方案，可以基本上防止生水銹和/或可以基本上去除水銹，并且可以防止腐蝕。當向電極供給交流電(AC)時，將在電極處形成交替的酸和堿。當水銹在沸騰期間形成時，其將基本上不附著到電極壁，因為其被恒定地分解，并且重新沉淀在電極表面處。該方法還可以用于為已經(jīng)鈣化的表面脫鈣。
[0020]要指出的是，當電位差遵循AC方案時，每一個循環(huán)具有正和負部分。在循環(huán)時間的第一部分期間，電位差在符號上與第二部分相反。一般而言，循環(huán)分別包括具有正或負符號的第一部分和具有負或正符號的第二部分。例如，在循環(huán)時間的第一部分期間，加熱元件為陽極，并且在循環(huán)時間的第二部分期間，加熱元件是陰極。利用本發(fā)明，在第一或第二循環(huán)期間，臨時地，電位差改變符號。例如，在循環(huán)時間的第一部分期間，加熱元件是陽極，但是在循環(huán)時間的第一部分內的(短)時間段內，加熱元件改變成陰極，并且再次改變回陽極。在第一部分之后，加熱元件然后是陰極，盡管再次，臨時地這(然后)可以改變成陽極。因而，在這樣的第一部分內和/或在這樣的第二部分內，電位差的符號臨時改變(“反轉”)(即在這些部分中的一個內臨時地具有與另一部分相同的符號)?？蛇x地，絕對值也可以改變。在電位差的這樣臨時改變之后，電位差遵循一般AC方案。因而，假定AC分量遵循周期性函數(shù)f(t)，臨時改變導致值mf*f (t)，其中mf是調制因子，其一般小于零(同樣參見下文)。術語循環(huán)可以特別地是指時間Ι/f，即頻率的倒數(shù)。
[0021]本發(fā)明包括其中僅在循環(huán)時間的第一部分期間，或僅在循環(huán)時間的第二部分期間，或在循環(huán)時間的第一部分和循環(huán)時間的第二部分二者期間，或隨機地分布在循環(huán)時間的第一部分和循環(huán)時間的第二部分之上，發(fā)生AC方案的臨時改變，諸如以脈沖寬度調制形式的實施例。本發(fā)明還包括其中在如本文所限定的施加電位差期間電位差在循環(huán)的
10-100%中臨時改變符號的實施例。因而，并非所有循環(huán)都必然包括這樣的臨時修改。特別地，在較高頻率處，這可能對所有循環(huán)都不是必要的。然而，一般而言，在循環(huán)時間的第一部分和每一個循環(huán)時間的第二部分中的一個或多個期間，電位差臨時改變符號。臨時改變可以具有頻率，其在本文中還指示為脈沖頻率(fp)，該頻率可以特別地在50-2500HZ的范圍中。特別地，脈沖頻率和AC電壓(分量)的頻率(f)具有關系fp/f>2。
[0022]符號的臨時改變或反轉可以伴隨有絕對值中的改變。因而，在實施例中，在循