CN105051461A - 通过脉冲信号反转的电化学除垢 - Google Patents

通过脉冲信号反转的电化学除垢 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种用于加热加热器（100）中的液体（20）的方法，其中加热器（100）包括加热元件（110）和对电极（120），其中该方法包括（i）通过将加热元件（110）加热到120-250℃范围内的温度来加热加热器（100）中的液体（20）；以及（ii）在加热元件（110）和对电极（120）之间应用AC电势差，其中AC电势差随200-2500Hz范围内的AC频率（f）而变化并且幅度范围为1-5V，并且其中液体在加热元件（110）和对电极（120）之间的加热器（100）中流动。

Description

通过脉冲信号反转的电化学除垢
技术领域
本发明涉及用于加热液体（特别地水）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
水加热设备应用于各种各样的应用中，诸如蒸汽熨斗、电水壶、热饮料自动售货机等。使用这样的设备的问题在于水垢可能形成在与水接触的加热元件上。
在例如蒸气生成设备的操作期间，将水供应到其中对它进行加热的水利基础结构的一部分，诸如系统熨斗的（外部）锅炉中，其后果是可能形成水垢。如果水垢没有（定期地）去除，则可能出现堵塞，其结果是蒸气生成设备的性能可能降低，并且最终蒸气生成设备可能不适合再使用。
含有大量Ca2+和HCO3 -（碳酸氢盐）的硬水在温度升高时可能经由以下化学反应形成水垢（CaCO3）：
Ca(HCO3)2→CaCO3+H2O+CO2。
特别地，沸水将分离水垢，水垢将形成在水中，而且还形成在加热元件本身上，因为它具有最高温度。水垢将立即生长在加热元件上，并且当内部应力增加时，其将从元件脱落。在文献中已经请求保护防止结垢的若干水处理。一个众所周知的方法是使用离子交换剂，其中Ca2+被交换为Na+或H+。第二个众所周知的方法是使用膦酸盐，其以少量加入水中并且抑制晶种在硬水中的形成，从而有效地防止晶体的生长以及因此水垢的形成。
在前者中，需要使用内部具有离子交换树脂的筒匣。在耗尽之后，筒匣需要再生成或用一个新的更换。在后一种情况中，需要连续加入膦酸盐，因为膦酸盐在pH7-8.5（硬水的pH）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片剂(hard-pressedtablet)来实现。在现有技术的蒸汽熨斗中，已经使用这种工作方式。然而，将化学物质加入到水中，这可能是个缺点，例如当水（还）旨在可饮用时。
还已经请求保护防止水垢形成的物理方法，但这些的工作原理可能不太清楚并且功效有时在一些情况中甚至可能是不确定的。例如，放置在水管道上以用于防垢的（电）磁体的使用是知之甚少且不可重复的防垢方法的示例。
此外，WO2012011026和WO2012011051描述了一种防止结垢的方法。
发明内容
因此，本发明的一个方面是提供一种防止或减少在水加热器和/或可替换的水加热器装置中结垢的可替换方法，其优选地防止或至少部分地消除上文所描述的缺陷和/或现有技术的相对更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在加热器具中的加热元件（诸如可加热的壁或浸入式加热器）上形成水垢和/或使这样的加热元件的钙化表面脱钙。
在此，提出了电化学防垢和/或从（含水）液体（诸如水）中去除水垢。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）处，发生还原；在实践中，这意味着在阴极处水被还原：
2H2O+O2+4e-→4OH-。
OH-的形成将局部地增加pH并且将HCO3 -转换成CO3 -。CO3 -将与Ca2+反应，并且钙质将沉淀在阴极上。
在阳极处发生氧化。当阳极材料是抗氧化的时，则水被朝向氧气和酸氧化。酸将溶解已经沉积在电极上的钙质，并且电极在经加热的（硬）水中使用时将保持干净：
2H2O→O2+4H++4e-。
当阳极是反应性的时，其可能被氧化。例如，金属阳极将溶解，除非是使用非常稳定的金属（Pt）、某些过渡金属氧化物或碳阳极。钙化钢可以通过应用正电压而脱钙，但其效果受金属的耐腐蚀性的限制，从而使得只有小电压/电流是可行的。
总之，这样的简单设置可以通过使水垢沉积在阴极上并且保持（抗氧化的）阳极干净来从水中去除水垢。除了需要抗腐蚀的阳极材料之外，缺点还可能是需要定期清洁阴极。
已经发现，可以通过将AC信号应用到两个电极上来防止水垢（即碳酸钙（“钙质”）形成），其中一个电极是加热元件。通过信号的连续反转，加热元件是交替的阳极或阴极。这意味着，在加热元件的表面处生成交替的酸和碱，从而有效地削弱水垢粘附到加热元件上。
AC信号背后的基本思想是，通过防止金属离子从电极运动到溶液中来抑制腐蚀。当信号为正时，金属离子趋于离开电极进入水中（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，离子不能逃逸金属表面处的边界层，并且腐蚀得以防止。
尽管加入高频信号能够抑制单个低频AC信号的腐蚀，但是存在缺点。第二AC信号需要具有一定幅度以使之有效。这意味着，当例如两个AC信号的幅度相等时，在低频信号的峰值处，幅度由第二频率进行调制，从而将它降低到最低0V，但使其在最大处加倍（见下文）。然后，幅度的加倍可能再次导致腐蚀，即便所存在的第二AC信号可能防止这种腐蚀，这是由于峰值幅度超过腐蚀阈值的缘故。
此外，应该注意，在该示例中，在因此最高腐蚀风险所处于的低频信号的峰值处，信号仅反转到0V。在现实中，这意味着，微调整用于水加热设备的正确信号以防止水垢形成和腐蚀是相当麻烦的，因为不仅频率必须选择正确，而且幅度（包括可选的DC）也必须选择正确。需要足够的幅度以防垢，但是在峰值处幅度不应跨越其中电极处的边界层被破坏并且腐蚀开始的某一阈值。
令人惊讶地发现，在非常特定的条件下，利用具有正确幅度、正确温度并且处于其中待加热的液体在两个电极之间流动的配置中的快速AC信号，可能克服现有技术的缺点，并且可以防止和/或减少水垢形成和腐蚀。然而，如上面所指示的，过低或过高的频率也是不希望的。
因此，在第一方面中，本发明提供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和对电极，其中该方法包括：（i）通过将加热元件加热到120-250℃范围内的温度来加热加热器中的液体；以及（ii）在加热元件和对电极之间应用AC电势差（V），其中AC电势差随200-2500Hz范围内的AC频率（f）而变化并且幅度范围特别地为1-5V，并且其中特别地，液体在加热元件和对电极之间的加热器中流动。因而，本发明提供一种方法，其中在加热液体期间或之后，加热元件经受波动电势差，其中该波动具有范围为200-2500Hz的相对高频率（并且同时与（热）含水液体（特别地水）接触）。特别地，AC频率的范围为400-2200Hz，诸如600-2000Hz。在所指示的AC频率外部（即过低或过高的频率，诸如低于大约200Hz或高于大约2500Hz）操作似乎提供关于水垢形成和/或氧化的更坏结果。因此，令人惊奇地看起来，利用该溶液，可以基本上防止和/或去除结垢，并且可以防止腐蚀。当向电极供应交变电流（AC）时，交替的酸和碱将形成在电极处。尽管在加热期间形成水垢，但是其将基本上不附着到电极壁，因为其不断地被溶解并且重新沉淀在电极表面处。该方法还可以用来使已经钙化的表面脱钙。
离子（在待加热或正加热的液体中）的迁移率取决于温度。在相对低功率下操作的水加热系统中，迁移率是相对低的。当加热器在压强下并且以高功率操作时，比如例如在例如浓缩咖啡机的（流过式）加热器中，迁移率是相对高的。看起来，操作温度越高，电气信号可能就越对称以防止腐蚀。当加热器在高温下操作时，附加的DC信号可能是低的或甚至为零。在（即，与液体接触的加热元件的）高温下，诸如等于或超过120℃，信号可能特别地是相对对称的。
一般而言，信号的占空比将接近100％。术语“占空比”在本领域中是已知的，并且特别地涉及作为所考虑的总时间的一部分的实体在活动状态下所花费的时间百分比。例如，当AC电势具有正弦形状，并且信号遵循该正弦时，占空比为100％。然而，假如在25％的时间期间信号是零，或例如具有相反信号（针对其中信号将遵循正弦的情形），则占空比将为75％。因此特别地，在脉冲的占空比为例如≥95％（诸如特别地100％）的情况下，应用AC电压。因此特别地，仅应用AC电压，而无需进一步添加或微调整。因此特别地，所应用的AC电压是基于单个分量（具有所指示的频率），其中占空比为100％，并且DC分量<0.2V，特别地0V。
还看起来，在实施例中，特别有益的是当AC频率（f）的范围为500-1500Hz时，其中AC电压具有正弦特点，并且其中电势差的范围为1-5V，诸如至少1.2V，比如1.5-5V，诸如特别地1.5-4V。注意，在本发明中，可选地，对电极也可以被配置为加热元件。因此，在实施例中，液体可以在两者均用作电极的两个加热元件之间流动。
在又一实施例中，方法可以包括将加热元件加热到120-250℃范围内的温度，比如140-200℃的范围内。在本文所描述的条件下，这可能暗示着，水可以被加热到大约80-110℃范围内的温度，特别地大约85-100℃。加热元件可以特别地用于将液体加热到接近（液体的）沸腾温度的温度。进一步地，液体可以在升高的压强下进行加热，即高于1巴的压强。因此，在实施例中，与加热元件接触的液体处于（被带到）1-12巴范围内的压强下，特别地1-10巴。在一些情况中，压强的范围可以为7-12巴，比如7-10巴。为此，加热器装置还可以包括被配置成对液体强加压强的设备，特别地大于1并且等于或低于12巴的压强，诸如>1巴且≤10巴的范围内，比如例如7-10巴。例如，这样的设备可以是泵，诸如本领域技术人员所已知的。在具体实施例中，（热）液体的温度在比沸腾温度小0.25-20℃的范围内，诸如比沸腾温度小1-15℃。因此，在操作时间的至少一部分期间，加热元件的至少一部分可以因此与具有这样的温度的液体接触。因此，在实施例中，本发明还涉及一种方法，其中利用加热元件将液体加热到比沸腾温度小0.25-20℃的范围内的温度，诸如比沸腾温度小1-15℃。
液体可以沿着加热元件流动。因此，在实施例中，方法还可以包括使液体沿着加热元件流动，特别地以范围为1.5-10ml/s，诸如范围为2-3.5ml/s或4.5-7ml/s的流动速度。在具体实施例中，方法因此可以包括使液体以范围为1.5-10ml/s，诸如范围为3-6ml/s，比如4-6ml/s的流动速度在加热元件和对电极之间流动。因此，在实施例中，加热器被配置成使液体在加热元件和对电极之间流动。在另一具体实施例中，加热器包括流过式加热器，其中加热元件包围对电极。在又一具体实施例中，加热元件和对电极的相互（最短）距离的范围为0.5-5mm。在可替换实施例中，加热器包括流过式加热器，其中对电极包围加热元件。在又一实施例中，加热元件和对电极二者被配置成加热液体（对电极因此包括第二加热元件）。
特别有益的是使用具有正弦或三角或块状形状的AC信号。特别地，正弦形状的AC信号可能是感兴趣的。因此，在具体实施例中，AC电压具有正弦波形状。
可以在加热（含水）液体之前、期间或之后应用AC电压。优选地，在加热（含水）液体期间应用AC电压。短语“在加热元件和对电极之间应用AC电压”和类似短语涉及加热元件和对电极二者与（含水）液体接触的（多个）实施例。因此，短语“在加热元件和对电极之间应用AC电压”是指“在加热元件和对电极之间应用AC电压，同时加热元件和对电极与（含水）液体接触”。短语“接触”包括其中项目的至少一部分接触的实施例。例如，加热元件的至少一部分或对电极的至少一部分可以分别与（含水）液体接触。特别地，加热元件可以通地（接地）。
在本文中，液体特别地是水（尽管其它含水液体也可以利用如本文所描述的方法和加热器装置进行加热）。该方法可以用于硬水和软水，特别地用于水电导率优选为至少100μS/cm的水。
加热元件可以直接浸入水中或被布置为加热器的壁（的一部分）。在两种情况中，加热器元件（壁）用作电极并且电气连接到对电极。因此，加热元件（的表面）与加热器中的（含水）液体接触。这在本文中也由短语“其中加热元件与（含水）液体接触”表示。注意，术语加热元件因此是指与（含水）液体接触的部分（元件），并且（在使用加热器加热（含水）液体时）向（含水）液体提供来自加热器的热量。水垢可以沉积在加热元件上（或更特别地，其与（含水）液体接触的表面（的一部分）上）。术语“加热元件”因此可能不一定是指生成热量的实际热量生成设备，而是指向（含水）液体传递热量的该部分/元件。在实施例中，术语“加热元件”也可以是指多个加热元件。
本文中用于加热（含水）液体的加热元件优选地包括用于加热液体的一个或多个金属部件或本质上由金属制成，诸如钢壁或钢浸没式加热器。因此，加热元件在本文中也被指示为金属加热元件。在与（含水）液体接触的加热元件的该金属上，可以沉积水垢。优选地，本文中用于加热（含水）液体的加热元件优选地包括用于加热液体的一个或多个钢部件或本质上由钢制成。因此，加热元件或与水接触的加热元件的部分优选地由钢制成（尽管其它材料也可以是可能的）。在具体实施例中，加热元件是钢加热元件。
在实施例中，术语“对电极”还可以是指多个对电极。例如，当应用一个以上的信号时，原则上可以应用不同对电极。在实施例中，所应用的信号被应用在单独的对电极上，其中因此对电极包括多个对电极，并且其中在加热元件和第一对电极之间应用AC电压，并且其中在加热元件和另一对电极之间应用第二AC电压。特别地，当应用两个或多个AC信号时，对于每个AC信号，选项可以是使用不同的对电极。
对电极可以例如是不锈钢或混合金属氧化物（MMO）、基于碳的电极或铂电极。在加热器的壁用作对电极的情况下，优选地，对电极由金属制成，更优选地由钢制成。
术语“钢”在本文中特别地是指不锈钢。可以应用任何等级的不锈钢。优选地，钢包含Cr和Ni二者（例如，等级304），而少量Mo的附加存在是特别有益的（例如，等级316或更高）。
术语“加热器”用于指示被布置成加热诸如水的液体的设备。加热器特别地涉及水加热器。术语“水加热器”用来指示被布置成加热诸如水的（含水）液体的设备。术语“水加热器”（在本文中简短地用“加热器”指示）可以例如是指蒸汽生成室（基于加热（含水）液体）。加热器可以是流过式加热器类型。在实施例中，加热器可以例如经由连接到加热器壁的热量生成设备来加热（含水）液体，其中壁（其与（含水）液体接触）是加热元件（用于加热（含水）液体），或在实施例中，壁可以例如经由诸如水的（含水）液体中的元件进行加热，诸如在浸入式加热器（其中加热元件与（含水）液体接触）的情况下等。可以（同时）应用不同类型的加热元件。术语“（水）加热器”还可以是指被布置成产生蒸汽的（封闭）锅炉、被布置成产生经加热的水的（封闭）锅炉、流过式加热器或蒸锅。在具体实施例中，被布置用于加热（含水）液体的加热器选自包括以下各项的组：流过式加热器（还参见下文）、流过式蒸锅、用于加热水的加热器和用于产生蒸汽的加热器。进一步地，加热器还可以被配置成提供经加热的水和蒸汽。还包括加热器块，其中加热元件和例如承载水的管嵌入在铝块中。
加热可以是高于室温的温度下的任何加热，但是特别地是指高于50℃的（（含水）液体的）加热，诸如特别地将加热器中的（含水）液体加热到至少85℃的温度。因此，术语加热可以包括带入提升的温度下、沸腾和/或产生蒸汽。
加热器可以是任何加热器，诸如用于提供蒸汽的蒸汽生成设备的加热器（例如，如用于加压式蒸汽生成器（有时也被指示为系统熨斗））、用于提供比如热液体自动售货机中的热饮用水的水加热器（例如，用于制作咖啡、茶、热牛奶咖啡或热巧克力等）、电水壶、咖啡机（滴漏式过滤器）、浓缩咖啡机、垫式咖啡机、锅炉（用于房屋（家用锅炉）或公寓、办公楼的内部加热，工业锅炉等）、布置在洗衣机或洗碗机中的热水器、或基于热水的灭草设备（或喷雾器）（被布置成提供热水以杀死杂草）。
本发明还提供一种利用其可以应用本发明的方法的装置。因此，在实施例中，本发明提供一种（水）加热器装置，其包括：被布置用于加热（含水）液体的（水）加热器，该（水）加热器包括加热（水）加热器中的（含水）液体的加热元件，该加热元件被布置成与（含水）液体接触；以及电源，其被布置成在加热元件和对电极之间应用AC电压。因此，加热器装置可以执行本文中所描述的方法。
因此，本发明还提供一种（水）加热器装置，其包括：被布置用于加热液体的加热器，其包括加热加热器中的液体的加热元件和对电极；流动单元，其被配置成使液体在加热元件和对电极之间流动；以及电源，其被配置成在加热元件和对电极之间应用AC电势差，其中AC电势差随200-2500Hz范围内的AC频率（f）而变化并且幅度范围为1-5V。
在又一实施例中，加热器被配置成使液体在加热元件和对电极之间流动，并且其中加热器包括流过式加热器，其中加热元件包围对电极（然而也参见上文）。除其它之外，在通过引入并入本文的WO2006/067695和WO2010/055472中描述流过式加热器。
因此，在另一方面中，本发明提供一种包括这样的加热装置的电子设备，其中该电子设备被布置成产生经加热的水和/或蒸汽。特别地，在实施例中，电子设备可以选自包括以下各项的组：熨斗、加压式蒸汽生成器、非加压式蒸汽生成器（有时也被指示为蒸汽挂烫机）、热液体自动售货机、电水壶、咖啡机（滴漏式过滤器）、浓缩咖啡机、垫式咖啡机、洗衣机、洗碗机以及基于热水的灭草设备（喷雾器）。热液体自动售货机可以例如涉及咖啡机、浓缩咖啡机、垫式咖啡机、热巧克力机、垫式热巧克力机、汤机、热茶机、以及可以具有这样的功能性中的两个或多个的自动售货机。因此，本发明特别地还提供一种用于在提升的温度下提供包括液体的饮料的电子设备，该电子设备包括如本文所限定的（水）加热器装置，其中该电子设备被布置成产生用于饮料的经加热的水和/或蒸汽。这样的饮料可以是咖啡、红茶、浓缩咖啡和热巧克力。在实施例中，电子设备或自动售货机还可以可选地能够产生以下各项中的一个或多个：浓缩咖啡玛奇朵、浓缩咖啡康保蓝、拿铁咖啡、白咖啡、布雷维咖啡、卡布奇诺、摩卡咖啡、美式咖啡、拿铁玛奇朵、红眼咖啡、牛奶咖啡、力士烈特、双倍浓缩咖啡、奶油咖啡、pepresso等。
在又一方面中，本发明还提供均与热液体接触的加热元件和对电极之间的AC电势差的用途，其中AC电势差随200-2500Hz范围内的AC频率（f）而变化并且幅度范围为1-5V，以防止或减少加热元件的结垢。如上文所提及的，本文中所限定的AC电压优选地在利用加热元件加热加热器中的（含水）液体期间进行应用。这可以在防止和/或减少加热元件上的结垢方面具有最大影响。
在实施例中，该方法还包括测量（含水）液体的电导率和可选地其它参数，以及可选地取决于该测量和电导率（和可选的其它参数）与AC电压之间的预先限定的关系和可选地一个或多个其它参数来控制AC电压和可选地一个或多个其它参数。可以测量的一个或多个可选的其它参数可以选自包括以下各项的组：（含水）液体的温度、（含水）液体的pH、（加热元件和对电极之间）运行的电流、连接两个电极（即，加热元件和对电极）时的电压降等。特别地，该方法可以涉及根据以下各项中的一个或多个来控制电势差、和AC频率（f）、和可选的占空比中的一个或多个：（i）加热元件和对电极之间的电流和（ii）液体的电导率。特别地，测量加热元件和对电极之间的电流。电流和/或（多个）电导率测量可以提供关于发生的化学过程的信息。
典型地，当使用锅炉系统中的扁平加热元件或螺旋形加热元件时，电流密度（即，加热元件和对电极之间）的范围为0.1-10mA/cm2，特别地0.1-5mA/cm2，诸如特别地0.2-0.6mA/cm2，或者对于流过式加热器，特别地为0.2-5mA/cm2。
电源可以是能够生成AC电压的任何系统。可选地，AC的频率、AC的峰间电压等中的一个或多个是可变的和可控制的，例如一个或多个可以相对于比如液体的电导率和/或液体的温度、或正运行的电流那样的参数进行控制。在实施例中，术语电源还可以是指多个电源。原则上，每个电压可以由不同的电源来生成。
电压（即电势差）的应用可以在（含水）液体处于提升的温度下的时间期间优选地永久地应用，但是在实施例中也可以周期性地应用。可选地，在加热（含水）液体之前或之后应用电压。然而，当至少在加热（含水）液体期间应用电压时，获得最好的结果。
特别地，水电导率的范围为100-50,000μS/cm，并且水温度的范围为50℃-沸腾温度；特别地≥85℃。
诸如在“基本上由…构成”中的术语“基本上”在本文中将被本领域技术人员所理解。术语“基本上”还可以包括具有“完全”、“完整”、“所有”等的实施例。因此，在实施例中，修饰词基本上也可以去除。在适用的情况下，术语“基本上”也可以涉及90％或更高，诸如95％或更高，特别地99％或更高，甚至更特别地99.5％或更高，包括100％。术语“包括”还包括其中术语“包括”是指“由…构成”的实施例。
而且，说明书和权利要求中的术语第一、第二、第三等用于在类似元件之间进行区分并且不一定用于描述顺序或时间次序。应当理解，在适当的情况下，这样使用的术语是可互换的，并且本文所描述的本发明的实施例能够以除本文所描述或说明的之外的其它顺序来操作。
除其它方面之外，在操作期间描述本文中的设备或装备。如本领域技术人员将清楚的，本发明不限于操作方法或操作中的设备。
应当指出，上文所提及的实施例说明而非限制本发明，并且本领域技术人员将能够在不脱离随附权利要求的范围的情况下设计许多可替换的实施例。在权利要求中，放置在圆括号之间的任何参考标记不应解释为限制权利要求。动词“包括”及其词形变化的使用不排除除权利要求中所陈述的那些之外的元件或步骤的存在。在元件前面的冠词“一”或“一个”不排除多个这样的元件的存在。术语“和/或”特别地是指“其中的一个或多个”。可以借助于包括若干不同元件的硬件和借助于适合编程的计算机来实现本发明。在枚举若干器件的设备权利要求中，可以通过同一个硬件项目体现这些器件中的若干。在互不相同的从属权利要求中记载特定措施的仅有事实并不指示不能有利地使用这些措施的组合。
本发明还适于包括说明书中所描述和/或附图中所示出的表征特征中的一个或多个的装备或设备。本发明还涉及包括说明书中所描述和/或附图中所示出的表征特征中的一个或多个的方法或过程。
可以组合本专利中所讨论的各个方面以便提供附加优点。而且，特征中的一些可以形成一个或多个分案申请的基础。
附图说明
现在，将仅以示例的方式参考随附示意图来描述本发明的实施例，其中对应参考符号指示对应部分，并且其中：
图1a-1c示意性地描绘了其中加热元件浸入水中或其中加热元件是（水）加热器的壁的加热器装置的一些可能配置，并且指示本发明的一些方面；并且
图2a-2c示意性地描绘了电化学和AC电压的一些示例。
具体实施方式
图1a示意性地描绘了包括被布置用于加热（含水）液体20的（水）加热器（“加热器”）100的（水）加热器装置（“加热器装置”）1。（含水）液体20（特别地水）容纳在加热器100中。加热器100包括加热加热器100中的（含水）液体20的金属加热元件110。加热器装置1还包括被布置成在加热元件110和对电极120之间应用AC电压的电源200。通过应用电压，保护金属加热元件110以免结垢和/或可以去除所形成的结垢。图1a示意性地描绘了流过式加热器（FTH）的实施例，其中加热器100是（含水）液体20在被加热时所流过的加热器。在图1a的示意性实施例中，热量生成设备115连接到加热器100的壁，并且加热器内的杆用作对电极120。壁连接到生成设备115以加热壁并且优选地由（不锈）钢制成；壁与（含水）液体（未示出）接触，并且因此用作加热元件110。对电极120可以包括如上文针对图1b的描述中所指示的材料。加热元件（110）和对电极（120）具有（相互）距离（d2），其范围可以例如为0.5-5mm。
可选地，周向加热元件和对电极可以以其它方式布置在周围，其中对电极包围加热元件（未描绘该实施例）。
图1b示意性地描绘了与图1a中示意性描绘的基本上相同的实施例，但是现在是以剖视图描绘。元件115加热加热器100的壁。因此，壁被指示为加热元件110。在该壁（即加热元件110）和对电极120之上，利用电源200应用电压。这里，壁用作加热元件110，并且优选地由（不锈）钢制成。对电极120可以包括如上文针对图1b的描述中所指示的材料。
图1c示意性地描绘了作为电子设备2的示例的自动售货机的示例。标记300指示饮料。
AC信号背后的基本思想是，通过防止金属离子从电极运动到溶液中来抑制腐蚀。当信号为正时，金属离子趋于离开电极进入水中（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，离子不能逃逸金属表面处的边界层并且腐蚀得以防止。图2a示意性地描绘了两个电极，比如加热元件和对电极。电极用EL指示。当应用AC电压时，将存在所形成的表面电荷SC，其由于AC特点而连续地改变符号。在电极附近，将存在电气双层，用DL指示。虚线指示将移动流体与保持附着到表面的流体分离的滑移平面SP。图2b通过引用的方式示出了溶液，其中利用快AC调制慢AC。尽管加入高频信号能够抑制单个低频AC信号的腐蚀，但是还存在缺点。第二AC信号需要具有一定幅度以使之有效。这意味着，当例如两个AC信号的幅度相等时，在低频信号的峰值处，幅度由第二频率进行调制，从而将它降低到最低0V，但是使其在最大处加倍（图2b）。然后，幅度的加倍（在该示例中）能够再次导致腐蚀，即便所存在的第二AC信号可能防止该腐蚀，这是由于峰值幅度超过腐蚀阈值的缘故。
图2c示意性地描绘了不同的AC信号，其中a）指示三角波信号，b）指示正弦信号并且c）指示块波信号。利用正弦信号获得最好的结果。
加热器装置1还可以包括感测比如（含水）液体的电导率、（含水）液体的温度等的参数的传感器（未示出）。进一步地，加热器装置1还可以包括控制电势差的暂时符号改变和AC的一个或多个特征的控制器。控制器可以取决于一个或多个参数以及一个或多个参数与一个或多个特征之间的一个或多个预先定义的关系来控制那些一个或多个特征。
示例
水制备
制得CaCl2.2H2O（65.6gr/ltr）、MgSO4.7H2O（38gr/ltr）和NaHCO3（76.2gr/ltr）的母液。通过将50克的每个母液混入到9升的去离子水中并且加入高达10升而制得标准硬水。所得水的总硬度为16.80DH并且暂时硬度为11.20DH。
总硬度被定义为2.8x2x[mmol/ltrCa+mmolMg/ltr]。暂时硬度被定义为2.8x[mmolHCO3 -/ltr]。
第一系列示例是对比示例。这些示例示出了不是每个AC信号都导致希望的结果并且AC电势差的微调整也并不总是导致希望的结果。
腐蚀实验（低温）
在以下示例中，示出了各种参数的影响，特别地幅度增加时对电极的腐蚀上的影响。在典型的实验中，将直径为2.5mm和6mm的两个不锈钢电极（316等级）浸入填充有标准硬水的烧杯中。水被加热到75℃，并且跨电极应用电气信号。电流运行30分钟并且在视觉上检查电极。
对比实验1
跨两个电极应用3V和0.5Hz的正弦AC信号。在两个电极处发生严重的腐蚀。
对比实验2
利用在占空比为80％的情况下以100Hz反转信号的脉冲来调制3V和0.5Hz的AC信号，并且如在先前实验中那样将其应用在两个电极上。30分钟之后，在视觉上检查电极。小（2.5mm）电极示出淡黄外观，而6mm电极是无色的。
对比实验3
在占空比为85％的情况下利用100Hz调制3V和0.5Hz的AC信号，并且如在先前实验中那样将其应用在两个电极上。30分钟之后，在视觉上检查电极。小（2.5mm）电极示出淡黄外观，而6mm电极示出少量变色。占空比为85％的着色与实验2的占空比80％相当。
对比实验4
在占空比为90％的情况下利用100Hz调制3V和0.5Hz的AC信号，并且如在先前实验中那样将其应用在两个电极上。30分钟之后，在视觉上检查电极。小（2.5mm）电极已经腐蚀并且示出深黄外观。此外，较大的6mm电极清晰地变黄。
以上实验清楚地示出以某个频率反转基础信号以便防止腐蚀的影响以及脉冲的占空比的影响。
对比实验5
在占空比为80％的情况下利用50Hz而不是100Hz调制3V和0.5Hz的AC信号，并且如在先前实验中那样将其应用在两个电极上。30分钟之后，在视觉上检查电极。小（2.5mm）电极如6mm电极那样为弱黄色。变色比使用100Hz脉冲的情况更强。
对比实验6
在占空比为80％的情况下利用100Hz调制3V和0.5Hz的AC信号，并且如在先前实验中那样将其应用在两个电极上。信号并未100%反转而是仅到0V。30分钟之后，在视觉上检查电极。小（2.5mm）电极已经严重腐蚀，而6mm电极为黄色。
对比实验7
当处于正幅度时，在占空比为80％的情况下利用100Hz调制3V和0.1Hz的AC信号，并且当处于负幅度时，在占空比为20％的情况下利用100Hz调制3V和0.1Hz的AC信号。（2.5mm电极连接到正端子）。2.5mm电极示出泛黄，而6mm电极是干净的。在其顶部上，6mm电极示出水垢形成。后者清楚地指示由于占空比而导致水被分解，6mm电极连续面临高pH，从而引起水垢形成。
针对流过式加热器的测试设置
在图1c和图1d中示意性示出加热器。外管，即第一加热元件110，是两侧具有两个热量生成设备115的不锈钢管。外管长度为15cm并且内径为13mm。实际上，它们一起形成由铝包围的一个加热元件，当液体流过该管时，液体与该加热元件接触。内管也可以由不锈钢制成，并且直径比图1c/1d中示意性描绘的更大；作为对电极120，直径为8mm的不锈钢管被插入管中。水以2.25ml/sec的速度穿过两个不锈钢管之间的区域；加热器系统中的压强为6-10巴。水加热系统的外管和内管两者电气连接。典型的测试循环包括加热水70秒和冷却50秒。该循环重复500次。
对比实验8
所述（水）加热器用于通过两种水类型来测试钙化，而无需跨两个电极应用任何电气信号。在这两种情况下，特别地，壁完全钙化并且形成牢牢附着到墙上的致密水垢层。
腐蚀实验
在以下示例中，示出了各种参数的影响，特别地频率和幅度改变时对电极的腐蚀上的影响。利用流过式加热器进行实验。该加热器包括用作电极的内径为13mm的不锈钢管（316等级）。两个加热元件连接到管的外侧。在钢管内部，安装第二管（304等级）。第二管的外径为8mm并且用作第二电极。水在两管之间流动。典型的实验包括500个循环，其中每个循环包括将150ml的标准硬水加热到100摄氏度并且跨电极应用电气信号。水被加热并且在介于6巴和10巴之间的高压下以2.25ml/s分配，这类似于浓缩咖啡条件。一个实验对应于1500杯浓缩咖啡。
实验1
跨两个电极应用幅度为2.8V并且频率为200Hz的正弦AC信号。在外管处发生点腐蚀并且发生两个电极的着色。
实验2
跨两个电极应用幅度为2.8V并且频率为1000Hz的正弦AC信号。未发生腐蚀。几乎不存在钙质积聚。
实验3
跨两个电极应用幅度为2.8V并且频率为2000Hz的正弦AC信号。未发生腐蚀，并且未观察到脱钙效果。
如果频率过低，则金属离子将仍然从电极逃逸到水中并且发生腐蚀。如果频率过高，则没有足够的时间使酸形成并且作用于钙质。重要的是注意，仅在离子的迁移率高的情况下，单独应用AC信号以防止钙化才将工作；在实验中，流过式加热器壁的温度介于140摄氏度与180摄氏度之间。
实验4
跨两个电极应用幅度为1.6V并且频率为1000Hz的正弦AC信号。未发生腐蚀并且脱钙效果有限。
实验5
跨两个电极应用幅度为3.2V并且频率为1000Hz的正弦AC信号。发生点腐蚀。
对比实验4和5与实验1，展现出幅度的重要性。低幅度防止腐蚀，但不足以形成酸以有效地防止钙化。过高的幅度将引起腐蚀。
利用块信号执行附加的实验：
实验6
跨两个电极应用幅度为1.6V并且频率为1000Hz的块状AC信号。无腐蚀；有限的脱钙效果。
实验7
跨两个电极应用幅度为2.0V并且频率为1000Hz的块状AC信号。两个电极示出着色。
实验8
跨两个电极应用幅度为2.8V并且频率为1000Hz的块状AC信号。结果不那么有利。

Claims (15)

1.一种用于加热加热器（100）中的液体（20）的方法，其中加热器（100）包括加热元件（110）和对电极（120），其中所述方法包括（i）通过将加热元件（110）加热到120-250℃范围内的温度来加热加热器（100）中的液体（20），以及（ii）在加热元件（110）和对电极（120）之间应用AC电势差，其中AC电势差随200-2500Hz范围内的AC频率（f）而变化并且幅度范围为1-5V，并且其中液体在加热元件（110）和对电极（120）之间的加热器（100）中流动。
2.根据权利要求1所述的方法，其中AC频率（f）的范围为500-1500Hz，其中AC电压具有正弦特点，并且其中电势差的范围为1.5-4V。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，包括将加热元件（110）加热到120-250℃范围内的温度。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，包括使液体（20）以1.5-10ml/s范围内的流动速度在加热元件（110）和对电极之间流动。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中加热器包括流过式加热器，其中加热元件（110）包围对电极（120）。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中加热元件（110）和对电极（120）的相互距离（d2）的范围为0.5-5mm。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中与加热元件（110）接触的液体（20）处于7-12巴范围内的压强下。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述方法涉及根据以下中的一个或多个来控制电势差和AC频率（f）中的一个或多个：（i）加热元件和对电极之间的电流和（ii）液体的电导率。
9.一种加热器装置（1），包括：被布置用于加热液体（20）的加热器（100），其包括加热加热器（100）中的液体（20）的加热元件（110）和对电极（120）；流动单元（250），其被配置成使液体（20）在加热元件（110）和对电极（120）之间流动；以及电源（200），其被配置成在加热元件（110）和对电极（120）之间应用AC电势差，其中AC电势差随200-2500Hz范围内的AC频率（f）而变化并且幅度范围为1-5V。
10.根据权利要求9所述的加热器装置（1），其中加热器包括流过式加热器，其中加热元件（110）包围对电极（120）。
11.根据权利要求9-10中任一项所述的加热器装置，其中加热元件（110）和对电极（120）的相互距离（d2）的范围为0.5-5mm。
12.一种用于在提升的温度下提供包括液体的饮料的电子设备（2），所述电子设备（2）包括根据权利要求9-11中任一项所述的加热器装置，其中所述电子设备（2）被布置成产生用于饮料的经加热的水和/或蒸汽。
13.根据权利要求111所述的电子设备（2），其中所述电子设备是自动售货机。
14.均与热液体（20）接触的加热元件（110）和对电极（120）之间的AC电势差的用途，其中AC电势差随200-2500Hz范围内的AC频率（f）而变化并且幅度范围为1-5V，以防止或减少加热元件（110）的结垢。
15.根据权利要求14所述的用途，其中热液体（20）的温度在比沸腾温度小0.25-20℃的范围内。
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