通过脉冲信号反转的电化学除锈的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于加热液体特别是水的方法、用于应用这样的方法的(水)加热装置以及包括这样的(水)加热装置的电子设备。
【背景技术】
[0002]水加热设备应用在各种各样的应用中，诸如蒸汽熨斗、电热水壶、热饮贩卖机等。这些设备的问题在于，水锈可能形成在与水接触的加热元件上。
[0003]在例如蒸汽生成设备的操作期间，水被供给到水在其中被加热的水基础设施的一部分，诸如在铁系的(外部)锅炉中，结果可能形成水锈。如果水锈未被(周期性地)去除，可能发生堵塞，结果是蒸汽生成设备的性能可能下降，并且最终蒸汽生成设备可能不适于继续使用。
[0004]包含显著量的Ca2+和HC03-(重碳酸盐)的硬水在温度升高时可以经由以下化学反应而形成水锈(CaC03):
Ca(HC03)2 — CaC03 + H20 + C02
特别地，沸水将分离水锈，水锈将在其具有最高温度时形成在水中以及在加热元件上。水锈最终将生长在加热元件上并且当内部压力增加时，其将从元件挣脱。在文献中已经要求保护防止生水锈的水的若干处理方法。众所周知的方法是使用作为Ca2+的离子交换剂来交换Na+或H +。第二种众所周知的方法是使用膦酸盐，将少量的膦酸盐添加到水中并且抑制硬水中籽晶的形成，这有效地防止晶体的生长并且因此防止水锈的形成。
[0005]在前者中，需要使用在内部具有离子交换树脂的药筒。在耗尽之后，药筒需要再生成或者用一个新的药筒来替换。在后一种情况中，需要连续添加膦酸盐，因为膦酸盐在PH为pH 7-8.5的硬水处具有有限的稳定性。连续添加可以例如通过使用非常缓慢地将膦酸盐释放到水中的硬压药片来实现。这种工作方式已经使用在现有技术蒸汽熨斗中。然而，将化学品添加到水中可能是个缺陷，例如当水是(同样)可饮用的时候。
[0006]还已经要求保护防止水锈形成的物理方法，但是这些物理方法可能具有不太清晰的工作原理，并且在一些情况下效力可能有时甚至令人怀疑。例如，用于防止水锈而放置在水管上的(电)磁体的使用是对其知之甚少的实例，并且是不可重复的防止水锈的方法。
[0007]同样，W02012011026和W02012011051描述了防止生水锈的方法。
【发明内容】
[0008]因此，本发明的一方面是提供一种防止或减少在水加热器中生水锈的可替换方法和/或可替换的水加热器装置，其优选地防止或至少部分地消除以上所描述的现有技术的缺陷和/或相对更加复杂的构造或解决方案中的一个或多个。特别地，本发明的目的是防止或减少加热电器中的加热元件(诸如可加热壁或浸没式加热器)上的水锈形成和/或为这样加热元件的钙化表面脱钙。
[0009]在此，提出电化学水锈防止和/或从诸如水之类的(含水)液体去除水锈。原理可以是具有与DC电源连接的水中的两个电极。在阳极(+电极)处发生氧化。在阴极(_电极)发生还原；在实践中，这意味着在阴极，水被还原:
2H20 + O2 + 4e — 40H
OH的形成将增加局部pH并且将HCO 3变换成CO 3。CO3将与Ca 2+反应并且碳酸钙将沉淀在阴极上。
[0010]在阳极处发生氧化。当阳极材料是抗氧化的时候，则水氧化为氧气和酸。酸将分解已经沉积在电极上的碳酸钙，并且当使用在加热(硬)水中时，电极将保持清洁:
2H20 — O2 + 4H+ + 4e
当阳极可反应时，其可以被氧化。例如，金属阳极将分解，除非使用非常稳定的金属(Pt)、某些过渡金属氧化物或碳阳极。钙化钢可以通过施加正电压来脱钙，但是由于仅小电压/电流可行的金属抗腐蚀性，因而其效果是有限的。
[0011]总结来说，这样的简单设置可以通过将水锈沉积在阴极上并且保持(抗氧化的)阳极清洁来从水中去除水锈。除了需要用于抗腐蚀的阳极材料之外，缺陷还在于可能需要定期清洗阴极。
[0012]已经发现，水锈(即碳酸钙(“calc”)形成)可以通过将AC信号施加到其中一个是加热元件的两个电极上来防止。通过信号的连续反转，加热元件交替为阳极或阴极。这意味着在加热元件的表面处生成交替的酸和碱，这有效地减弱水锈到加热元件上的附着。
[0013]AC信号背后的基本想法是通过防止金属离子从电极移动到溶液中来抑制腐蚀。当信号为正时，金属离子往往离开电极而到水中(腐蚀)。当信号足够快速地反转时，金属离子被拉回到电极。当反转足够快时，离子不能从金属表面处的边界层逃逸并且防止了腐蚀。
[0014]尽管高频信号的添加可以抑制单个低频AC信号的腐蚀，但是仍存在缺陷。第二AC信号需要具有有效的某个幅度。这意味着当例如两个AC信号在低频信号峰值处的幅度相等时，幅度被第二频率调制，这将其向下带到OV的最小值，但是在最大值处加倍(参见下文)。幅度的加倍然后可以再次导致腐蚀，而不管本可以防止该腐蚀的第二 AC信号的存在，这是因为峰值幅度超过腐蚀阈值。
[0015]另外，人们应当注意到的是，在该示例中，在低频信号的峰值处(因而其中腐蚀的风险最高)，信号仅反转到0V。实际上，这意味着微调用于水加热设备的正确信号以防止水锈形成和腐蚀相当繁琐，这是因为不仅需要选择正确的频率，而且需要选择幅度(包括可选的DC)。需要足够的幅度以用于防止水锈，但是在峰值处幅度不应当超过其中在电极处的边界层被破坏并且开始腐蚀的某个阈值。
[0016]已经令人惊喜地发现，通过利用脉冲而不是利用以某个频率反转信号的AC信号来调制AC信号从而克服现有技术的缺陷是可能的。第一益处在于现在可能完全反转信号，因而增强金属电极表面处的边界层的恢复而不添加附加的幅度。第二益处在于低频信号现在可以针对充足的酸形成而更容易地进行微调，同时脉冲频率防止腐蚀而不添加幅度:两个过程(防止水锈和防止腐蚀)现在可以比利用叠加的AC信号的情况更容易地彼此分离。显然，脉冲频率可以修改，而且脉冲的占空比可以变化。
[0017]因而，在第一方面中，本发明提供了一种用于加热加热器中的液体的方法，其中加热器包括加热元件，其中所述方法包括(i)加热加热器中的液体，其中加热元件与液体接触，以及(ii )在加热元件与对电极之间施加电位差(V)，特别地至少IV，其中电位差(V)具有AC分量，由此电位差随0.0l-1OOHz的范围中的AC频率(f )而变化，并且其中电位差被施加有循环时间(T)和占空比(D)，其中电位差具有与循环时间的第二部分期间的电位差的符号相反的循环时间的第一部分期间的电位差的符号，并且其中在循环时间的第一部分和循环时间的第二部分中的一个或多个期间，电位差临时改变符号。
[0018]因此，本发明提供了一种方法，其中在加热液体期间或之后，加热元件经受波动的电位差，其中该波动具有相对缓慢的分量，其在0.0l-1OOHz的量级，特别地为0.l-50Hz，但是在循环内，电位临时改变符号，并且可选地还临时改变绝对值。在此，临时地，加热元件处的电位的符号(并且在与(热的)含水液体、特别是水接触时)从+改变成负，或者反之亦然。
[0019]看起来令人惊喜的是，利用该解决方案，可以基本上防止生水锈和/或可以基本上去除水锈，并且可以防止腐蚀。当向电极供给交流电(AC)时，将在电极处形成交替的酸和碱。当水锈在沸腾期间形成时，其将基本上不附着到电极壁，因为其被恒定地分解，并且重新沉淀在电极表面处。该方法还可以用于为已经钙化的表面脱钙。
[0020]要指出的是，当电位差遵循AC方案时，每一个循环具有正和负部分。在循环时间的第一部分期间，电位差在符号上与第二部分相反。一般而言，循环分别包括具有正或负符号的第一部分和具有负或正符号的第二部分。例如，在循环时间的第一部分期间，加热元件为阳极，并且在循环时间的第二部分期间，加热元件是阴极。利用本发明，在第一或第二循环期间，临时地，电位差改变符号。例如，在循环时间的第一部分期间，加热元件是阳极，但是在循环时间的第一部分内的(短)时间段内，加热元件改变成阴极，并且再次改变回阳极。在第一部分之后，加热元件然后是阴极，尽管再次，临时地这(然后)可以改变成阳极。因而，在这样的第一部分内和/或在这样的第二部分内，电位差的符号临时改变(“反转”)(即在这些部分中的一个内临时地具有与另一部分相同的符号)。可选地，绝对值也可以改变。在电位差的这样临时改变之后，电位差遵循一般AC方案。因而，假定AC分量遵循周期性函数f(t)，临时改变导致值mf*f (t)，其中mf是调制因子，其一般小于零(同样参见下文)。术语循环可以特别地是指时间Ι/f，即频率的倒数。
[0021]本发明包括其中仅在循环时间的第一部分期间，或仅在循环时间的第二部分期间，或在循环时间的第一部分和循环时间的第二部分二者期间，或随机地分布在循环时间的第一部分和循环时间的第二部分之上，发生AC方案的临时改变，诸如以脉冲宽度调制形式的实施例。本发明还包括其中在如本文所限定的施加电位差期间电位差在循环的
10-100%中临时改变符号的实施例。因而，并非所有循环都必然包括这样的临时修改。特别地，在较高频率处，这可能对所有循环都不是必要的。然而，一般而言，在循环时间的第一部分和每一个循环时间的第二部分中的一个或多个期间，电位差临时改变符号。临时改变可以具有频率，其在本文中还指示为脉冲频率(fp)，该频率可以特别地在50-2500HZ的范围中。特别地，脉冲频率和AC电压(分量)的频率(f)具有关系fp/f>2。
[0022]符号的临时改变或反转可以伴随有绝对值中的改变。因而，在实施例中，在循