JP2016521440A - パルス信号反転による電気化学的スケール除去 - Google Patents
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Abstract
Description
Ca(HCO3)2→CaCO3+H2O+CO2
特に、沸騰水では分かれてスケールする。スケールは水中で発生し、加熱エレメント自体の上にも、温度が最高なので、発生する。時間的に、加熱エレメント上のスケールは大きくなり、内部ストレスが大きくなると、エレメントから離れる(break loose)。スケール発生(scaling)を防止する水処理が文献に記載されている。周知の方法は、Ca2+をNa+又はH+と交換するイオン交換器の利用である。第2の周知の方法は、ホスホン酸塩の利用であり、少量のホスホン酸塩を水に加え、硬水におけるシード結晶の形成を阻止し、効果的に結晶の成長を防止し、それによりスケールの形成を防止する。
2H2O+O2+4e−→4OH−
OH−の形成により局所的にpHが上昇し、HCO3−をCO3−に変換する。CO3−はCa2+と反応して、炭酸カルシウムがカソード上に沈殿する。
2H2O→O2+4H++4e−
アノードは、反応性であれば、酸化されることがある。例えば、金属アノードは、非常に安定な金属(Pt)、一定の遷移金属酸化物、又はカーボンアノードが使われない限り、分解する。石灰化した鉄は正電圧を印加することにより脱灰(decalcified)することができるが、その効果は、金属の腐食抵抗によりごく少量の電圧/電流が実現するだけなので、限定的である
要するに、このような単純なセットアップにより、水からスケール(scale)を取り除くことができ、それはスケールをカソード上に積層し、(耐酸化性の)アノードをきれいに保つことによる。欠点として、耐腐食性のアノード材料が必要であること以外に、カソードを定期的に掃除する必要がある。
<水の準備>
CaCl2.2H2O(65.6gr/ltr),MgSO4.7H2O(38gr/ltr)、及びNaHCO3(76.2gr/ltr)のストック溶液を作成した。50グラムの各ストック溶液を9リットルの脱イオン化した水に混ぜて、10リットルとして標準硬水を作成した。その結果得られた水は、総硬度が16.80DHであり、一時硬度が11.20DHであった。
以下の実施例では、様々なパラメータの効果が示され、特に振幅が大きくされたときの電極の腐食について示している。典型的な実験では、半径2.5mm及び6mmの2つのステンレススチール電極(316グレード)を、標準硬水で満たしたビーカーに浸した。水を75°Cに加熱し、電極に電気信号を印加した。30分間電流を流し、電極を目視検査した。
3V、0.5Hzの正弦AC信号を2つの電極に印加した。両電極において激しい腐食が発生した。
3V、0.5HzのAC信号が、80%デューティサイクル100Hzで信号を反転するパルスで変調され、前述の実験のように2つの電極に印加された。30分後、電極を目視検査した。小型(2.5mm)電極は薄く黄色みがかった色がついたが、6mm電極は色が付かなかった。
前述の実験のように、3V、0.5HzのAC信号が、100Hz、85%デューティサイクルで変調され、2つの電極に印加された。30分後、電極を目視検査した。小型(2.5mm)電極は薄く黄色みがかった色がついたが、6mm電極は少し変色した。85%デューティサイクルの着色は、実験2の80%デューティサイクルの着色と同等であった。
前述の実験のように、3V、0.5HzのAC信号が、100Hz、90%デューティサイクルで変調され、2つの電極に印加された。30分後、電極を目視検査した。小型(2.5mm)電極は腐食し、濃い黄色を示した。また、大きい方の6mm電極はきれいな黄色であった。
前述の実験のように、3V、0.5HzのAC信号が、(100Hzではなく)50Hz、80%デューティサイクルで変調され、2つの電極に印加された。30分後、電極を目視検査した。小型(2.5mm)電極は、6mm電極と同様に、少し黄色くなった。変色は100Hzパルスのときより強かった。
3V、0.5HzのAC信号が、100Hz、80%デューティサイクルで変調され、2つの電極に印加された。信号は100%反転されず、0Vまでであった。30分後、電極を目視検査した。小型(2.5mm)電極は激しく腐食したが、6mm電極は色が黄色くなっただけであった。
3V、0.1HzのAC信号が、振幅が正のときは100Hz、80%デューティサイクルで変調され、振幅が負のときは100Hz20%で変調された。(2.5mm電極は正端子に接続されていた)。2.5mm電極は黄色い変色を示したが、6mm電極はきれいであった。その上、6mm電極はスケール形成を示した。後者は、明らかに水が分解されたことを示す。デューティサイクルにより、6mm電極がスケール形成を増加する高pHに継続的にさらされたからである。
ヒータは図1cと図1dに模式的に示されている。外側チューブの第1の加熱エレメント110は、ステンレススチールチューブであり、両側に発熱デバイス115がある。外側チューブは長さが15cmであり、内径が13mmである。これらは一緒になって1つの加熱エレメントを形成する。アルミニウムにより囲まれ、それと液体は、液体がチューブ内を流れるときに接触する。内側チューブもステンレススチールであってもよく、直径は図1cと図1dに模式的に示したより大きい:カウンタ電極120として、直径8mmのステンレススチールチューブが挿入されている。水は2つのステンレススチールチューブの間のエリアを、2.25ml/secの速さで通る;ヒータシステム中の圧力は6−10barであった。水加熱システムの外側チューブと内側チューブは両方とも電気的に接続されている。典型的なテストサイクルは、70秒間の加熱と50秒間の冷却を含む。このサイクルを500回繰り返した。
2つの電極に電気信号を印加することなく、2種類の水による石灰化をテストするため、前記(水)ヒータを用いた。両方の場合で、特に影が完全に石灰化し、密なスケールレイヤが形成され、壁に強く貼り付いた。
以下の実施例では、様々なパラメータの効果が示され、特に周波数と振幅が変更されたときの電極の腐食について示している。実験はフロースルーヒータで行った。ヒータはステンレススチールチューブ(316グレード)よりなり、内径は13mmであり、電極として機能した。2つの加熱エレメントはチューブの外側に接続されている。スチールチューブの内側に、第2のチューブ(304グレード)が取り付けられている。第2のチューブは外径が8mmであり、第2の電極として機能する。水は2つのチューブの間を流れる。典型的な実験は500サイクルよりなり、各サイクルは、150mlの標準硬水を摂氏100°に加熱し、電極に電気信号を印加することを含む。水は、加熱され、エスプレッソ条件に似た6乃至10barsの間の高圧で2.25ml/sで吐出(dispense)される。一回の実験はエスプレッソ1500杯に相当する。
振幅2.8V、周波数200Hzの正弦AC信号を2つの電極に印加した。外側チューブに孔食が発生し、両電極に変色が発生した。
振幅2.8V、周波数1000Hzの正弦AC信号を2つの電極に印加した。腐食は発生しなかった。炭酸カルシウムの積層もほぼ無かった。
振幅2.8V、周波数2000Hzの正弦AC信号を2つの電極に印加した。腐食は発生せず、石灰化効果も観察されなかった。
振幅1.6V、周波数1000Hzの正弦AC信号を2つの電極に印加した。腐食は起こらず、石灰化効果も限定的である。
振幅3.2V、周波数1000Hzの正弦AC信号を2つの電極に印加した。孔食は発生しなかった。
<実験6>
振幅1.6V、周波数1000Hzの方形AC信号(block shaped AC signal)を2つの電極に印加した。腐食は発生せず、石灰化効果も限定的であった。
振幅2.0V、周波数1000Hzの方形AC信号を2つの電極に印加した。電極は両方とも着色を示した。
振幅2.8V、周波数1000Hzの方形AC信号を2つの電極に印加した。結果はそれほど良くなかった。
Claims (15)
- 加熱エレメントとカウンタ電極とを有するヒータにおいて液体を加熱する方法であって、
(i)前記加熱エレメントを摂氏120乃至250°Cの範囲の温度に加熱することにより前記ヒータの中の液体を加熱するステップと、
(ii)前記加熱エレメントと前記カウンタ電極との間にAC電位差を印加するステップとを有し、
前記AC電位差は200乃至2500Hzの範囲内のAC周波数で変化し、1乃至5Vの振幅を有し、前記液体は前記ヒータの中の前記加熱エレメントと前記カウンタ電極との間を流れる、方法。 - 前記AC周波数は500乃至1500Hzの範囲にあり、前記AC電圧は正弦波特性を有し、前記電位差は1.5乃至4Vの範囲にある、請求項1に記載の方法。
- 前記加熱エレメントを120乃至250°Cの範囲の温度に加熱するステップを有する、請求項1又は2に記載の方法。
- 前記液体を、1.5乃至10ml/sの範囲の流速で前記加熱エレメントと前記カウンタ電極との間を流すステップを有する、請求項1乃至3いずれか一項に記載の方法。
- 前記ヒータはフロースルーヒータを有し、前記加熱エレメントは前記カウンタ電極を囲んでいる、請求項1乃至4いずれか一項に記載の方法。
- 前記加熱エレメントと前記カウンタ電極とは、0.5−5mmの範囲の相互距離を有する、請求項1乃至5いずれか一項に記載の方法。
- 前記加熱エレメントと接触する液体は7乃至12barの範囲の圧力である、
請求項1乃至6いずれか一項に記載の方法。 - 前記電位差とAC周波数とのうち一以上を、(i)前記加熱エレメントと前記カウンタ電極との間の電流と、(ii)前記液体の導電率とのうち一以上の関数として制御するステップを有する、請求項1乃至7いずれか一項に記載の方法。
- 液体を加熱するように構成され、ヒータ内の液体を加熱する加熱エレメントと、カウンタ電極とを有するヒータと、
前記加熱エレメントと前記カウンタ電極との間に前記液体を流すように構成された流れユニットと、
前記加熱エレメントと前記カウンタ電極との間にAC電位差を印加するように構成された電源とを有し、
前記AC電位差は200乃至2500Hzの範囲内のAC周波数で変化し、1V乃至5Vの振幅を有する、ヒータ装置。 - 前記ヒータはフロースルーヒータを有し、前記加熱エレメントは前記カウンタ電極を囲んでいる、請求項9に記載のヒータ装置。
- 前記加熱エレメントと前記カウンタ電極とは、0.5−5mmの範囲の相互距離を有する、請求項9ないし10いずれか一項に記載のヒータ装置。
- 昇温された液体を含む飲料を供給する電子デバイスであって、
請求項9ないし11いずれか一項に記載のヒータ装置を有し、
前記電子デバイスは前記飲料用の加熱された水及び/又は水蒸気を作るように構成されている、
電子デバイス。 - 前記電子デバイスはベンディングマシンである、請求項12に記載の電子デバイス。
- 熱い液体と接触している加熱エレメント及びカウンタ電極の間のAC電位差の使用であって、
前記AC電位差は200乃至2500Hzの範囲内のAC周波数で変化し、1V乃至5Vの振幅を有し、前記加熱エレメントのスケール付着を防止又は低減する、
使用。 - 前記熱い液体は沸点より0.25乃至20°C低い範囲の温度である、
請求項14に記載の使用。
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