CA2030976C - Chauffe eau domestique specialement concu pour reduire les risques de contamination bacterienne - Google Patents
Chauffe eau domestique specialement concu pour reduire les risques de contamination bacterienneInfo
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Abstract
Chauffe-eau électrique domestique comprenant un réservoir cylindrique à paroi verticale et à fond bombé verticalement, ce fond délimitant une zone susceptible d'infection bactérienne. Le réservoir est muni d'un élément chauffant interne supérieur et d'un élément chauffant interne inférieur, ce dernier étant situé audessus et à proximité de la zone d'infection. Le réservoir comporte en outre un élément chauffant monté sur la paroi verticale du réservoir, à l'extérieur de celuici et au niveau de la zone d'infection, sous l'élément inférieur interne. Cet élément externe est capable d'amener l'eau, dans la zone d'infection, à une température suffisante pour éliminer le danger d'une infection microbienne, cette température étant de l'ordre de 46.degree.C.
Description
INTRODUCTION
Domaine de l'invention La présente invention concerne un chauffe-eau électrique domestique modifié de façon à permettre le contrôle de la contamination bactérienne, particuliè-rement l'élimination de la Légionella pneumophila, tout en conservant une bonne efficacité énergétique.
Description de l'art antérieur .
Depuis qu'il fut découvert ~ l'hôtel Bellevue Stratford de Philadelphie (1976) que la Légionella pneumo-phila, communément appelée la légionelle, pouvait causer des infections sérieuses aux humains, de nombreuses étu-des ont été entreprises de manière à mieux comprendre les facteurs influençant la prolifération de cette bac-, 15 térie que l'on retrouve, comme on l'a découvert depuis, ~ particulièrement au fond des chauffe-eau électriques : domestiques. Il est par ailleurs connu que la légionelle, ainsi que beaucoup d'autres bactéries, ne croît pas et ne survit pas à des températures supérieures à 46C.
~, 20 ~, La Demanderesse a effectue de nombreuses études afin d'établir les paramètres de la croissance de la ! bactérie légionelle à l'intérieur des chauffe-eau élec~
i~ triques domestiques. A la suite des résultats obtenus, ~'! 25 les inventeurs ont effectué des travaux afin de mettre au po,int et de tester quelques modifications mineures et économiques à apporter aux chauffe-eau actuels qui - seraient susceptibles de réduire la contamination bacté-, rienne de façon à l'éliminer, en pratique. Ces travaux ~, 30 de recherche ont démontré, entre autres:
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- la distribution de température dans le chauffe-eau domestique conventionnel peut expliquer la prolifération bactérienne;
- le fond du chauffe-eau actuel n'excède jamais 540C même lorsqu'il n'y a pas de consommation d'eau chaude. Cette température correspond à une zone de pro-lifération bactérienne. Une plus grande consommation d'eau a comme effet de maintenir le bas du chauffe-eau à une température moyenne plus basse qui se situe malgré
` 10tout dans la zone de prolifération bactérienne;
- la stratification de la température au fond du réservoir est imposante;
- il est difficile d'augmenter en température le fond du réservoir lorsqu'il y a consommation d'eau;
15- en augmentant la température au fond du ré-; servoir par l'entremise d'une pompe de recirculation, les conditions propices à la légionelle n'existent pas.
Cette solution est toutefois onéreuse et peu fiable;
- compte tenu de l'effet de stratification 20observé, la température au fond du réservoir n'augmente pas de façon proportionnelle même si on augmente la tem-pérature des points de consigne des thermostats des élé-~ ments chauffants de sorte que l'utilisation d'une vanne .:! de mélange à 70 n'apparatt pas prometteuse, basée sur i 25les résultats des champs thermiques. Ceci a d'ailleurs été confirmé par l'étude bactérienne;
~` - l'isolation du fond et la modification de !'`, la position du thermostat~n'apparaissent pas comme les ~ techniques les plus prometteuses;
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^` 2~3~976 - en augmentant à 70C la température de l'eau à l'intérieur du réservoir (maintenue à ~0C dans le chauffe-eau conventionnel) on ne réussit pas à détruire la bacterie, la température au fond du réservoir demeu-rant inférieure à 60C; en l'augmentant à 80C, on neretrouve pratiquement plus de légionelle au fond du ré-servoir.
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Ces travaux ont permis de constater que la légionelle se développe dans la zone stagnante à la base d'un chauffe-eau domestique conventionnel en raison de la stratification de l'eau; l'eau à la température la plus basse se retrouvant au fond du réservoir. Plus précisément, la nappe d'eau entre l'élément chauffant immergé inférieur et le fond du réservoir est plutôt ` chaude, entre 30C et 50C et en conséquence fort propice à la prolifération de bactéries pathologiques, en parti-culier la légionelle. Il devient donc évident que la solution du problème est d'élever le degré de température dans cette région. A cet effet, on a tenté de résoudre les problèmes en abaissant tout simplement l'élément `, chauffant inférieur. Cette solution n'est toutefois pas recommandable parce qu'elle cause l'entartrage qui peut, à la longue, endommager l'élément chauffant infé-rieur.
SOMMAIRE DE L'INVENTION
; Un premier objet de l'invention est donc de suggérer un chauffe-eau électrique capable d'éliminer ' 30 le danger d'une proliferation bactérienne et plus parti-culièrement de la bactérie légionelle. Une étude biblio-graphique, à ce sujet, n'a pas permis de trouver des chauffe-eau pour éviter la prolifération bactérienne, ~
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c'est-à-dire des chauffe-eau qui uniformisent la tempé-rature ~ l'intérieur de celui-ci.
Un autre objet important de l'invention réside en un chauffe-eau électrique qui a une bonne efficacité
énergétique tout en ajoutant peu au coût global de l'ap-pareil.
Plus précisément, le chauffe-eau électrique selon l'invention comprend un réservoir cylindrique à
paroi verticale et à fond bombé verticalement, ce fond délimitant une zone susceptible d'infection bactérienne;
le réservoir étant muni d'un élément chauffant interne supérieur et d'un élément chauffant interne inférieur, ce dernier étant situé au-dessus de ladite zone d'infec-tion. Le chauffe-eau est caractérisé en ce que le réser-voir comporte, en outre, un élément chauffant monté sur la paroi verticale du réservoir, à l'extérieur de celui-ci et au niveau de ladite zone, sous l'élément inférieur interne. Cet élément externe a une puissance déterminée qui lui permet d'amener l'eau, dans la zone d'infection, à une température suffisante pour éliminer le danger , d'une telle infection. Dans le cas de la légionelle, cet élément chauffant externe sera choisi pour amener rapidement et maintenir l'eau de la zone d'infection à une température supérieure à 46C et de préférence ~/ 25 supérieure à 55C.
,; Selon une réalisation particulière de l'inven-- tion, l'élément chauffant externe est constitué d'au moins une bande chauffante~ comportant une résistance électrique allongée isolée au mica, la résistance pouvant être un ruban résistif en nickel-chrome.
~elon une autre réalisation, l'élément chauf-fant externe est constitué d'au moins une bande chauf-fante comportant une résistance électrique allongée en-` fouie entre deux feuilles minces de caoutchouc renforcé de fibres de verre.
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"` 203~976 L'invention sera mieux comprise 3 la lecture de la description qui suit de quelques réalisations pre-férentielles.
BREVE DESCRIP~ION DES DESSINS
La Figure 1 est une courbe illustrant l'effet de la température sur la légionelle et la Figure 2 une courbe indiquant le temps nécessaire à la destruction de 90% de la légionelle;
~- la Figure 3 est une vue en perspective partiel-lement éclatée et arrachee d'un chauffe-eau électrique conventionnel;
~- la Figure 4 est une coupe verticale schématique d'un chauffe-eau conventionnel comportant la modification selon l'invention et la Figure 5 est une vue en coupe - 15 transversale de celui-ci;
la Figure 6 est un schéma de montage d'une bande chauffante et la Figure 7, une vue en coupe selon 1 la ligne A-A de la Figure 6.
DESCRIPTION DE REALISATIONS PKEFERENTIELLES
Des études antérieures ont etabli que les deux températures critiques pour la multiplicatior. des lé-gionelles sont, comme l'indique la courbe de la Fig.
1, de 37C et de 46C. La température optimum de multi-plication est de 37C. L'autre température, à savoir 46C, est celle où la concentration des légionelles dans c l'eau demeure constante. A des températures supérieures à 46C, les cellules meurent et le taux de destruction augmente rapidement avec l'augmentation de température.
La courbe de la Fig. 2 indique que 380 minutes d'exposi-tion à 50C; 13.9 minutes à 55C; 0.7 minutes à 60C
ou 0.5 minutes à 66C permettent d'éliminer 90% de la population de légionelles de sérogroupe 1 qui est la plus fréquente. Ces mesures ont été effectuées par des microbiologistes dans des éprouvettes, ce qui représente , I
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les conditions les plus optimistes pour l'élimination de la bactérie. S'il y a, en effet, des traces d'oxyde de fer et de substances nutritives, le temps de survie pourrait être quelque peu supérieur à celui obtenu en laboratoire dans des conditions idéales~
En utilisant les informations contenues dans ces deux graphiques, les inventeurs ont conçu un chauffe-eau dans lequel les champs de température se situent au-delà de la zone de température de multiplication.
De manière à éviter la prolifération bactérienne, l'in-vention permet de maintenir le fond du chauffe-eau à
une température de destruction. Le chauffe-eau amélioré, selon l'invention, permet également d'éviter que l'eau contenue au fond du chauffe-eau soit mise en suspension avec le contenu du reste du chauffe-eau. Toujours selon l'invention, le mélange de l'eau froide d'alimentation avec l'eau chaude déjà existante se limite essentielle-ment à la partie inférieure du réservoir.
Il s'ensuit de ce qui précède que le chauffe-eau, selon l'invention, est consu pour éliminer la lé-gionelle en augmentant la température dans la zone d'in-, fection à la base du réservoir.
Se référant maintenant à la Fig. 3, celle-ci illustre un chauffe-eau domestique conventionnel 1 com-portant un réservoir 3 isolé en 5 et ayant une capacité
nominale de 40 gallons (175 litres) ou de 60 gallons ~270 litres). L'eau froide est introduite par un conduit 7 ouvrant directement dans la zone d'infection par le biais d'un diffuseur (non illustré). L'eau froide peut ; 30 aussi etre admise, par le deasus du réservoir 1, su moyen ~ 6 ,; ~
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d'un conduit d'amenée, non illustré, qui achemine l'eau vers le fond du réservoir, comme c'est le cas pour le chauffe-eau selon l'invention, afin d'éviter le phénomène de diffusion mentionné ci-dessus. Une soupape 9 de drai-S nage permet la vidange du réservoir. Ce dernier estaussi équipé d'un thermostat 11 contrôlant la température d'un élément chauffant immergé supérieur 13 et d'un ther-mosta~ 15 pour le contrôle de la température d'un élé-ment chauffant immergé inférieur 17. Un dispositif 19, : 10 près de l'élément chauffant 13, limite la température maximale de l'eau dans le réservoir. Des couvercles 21 masquent les thermostats 11 et 15. L'eau chaude est - soutirée du réservoir au moyen du conduit 23 et une sou-;~ pape de décompression 25 est prévue au sommet. Dans la plupart des cas, la puissance des éléments chauffants 13 et 17 se situe entre 3 et 4.5 kW, étant branchés sur une alimentation à 240 V. Les thermostats 11 et 15 per-,!, mettent un ajustement entre 50C et 75C. Cependant, ; les normes de l'Association Canadienne de Normalisation , 20 (ACNOR) exigent que l'ajustement n'excède pas 60C, les thermostats étant fixés à cette température à l'usine : même.
- Les Figs. 4 et 5 illustrent, schématiquement, les modifications apportées à un chauffe-eau domestique ~i 25 conventionnel 26 pour permettre l'élimination, à toutes ~ fins pratiques, de la légionelle. -~
-;~ Il s'agit d'un chauffe-eau d'une capacité de 40 gallons (175 litres) possédant deux éléments chauffants immergés 27, 29, de 3 kW chacun contrôlés par des ther-mostats 31, 33, comme dans les chauffe-eau connus. Tel ~I gue mentionné précédemment, l'eau froide entre en 35 par le haut du réservoir et est acheminée vers le fond au moyen d'un conduit 37, appelé "dip tube", qui débouche .~ .
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légèrement au~dessus de l'élément chauffant interne infé-rieur 29 de façon à éviter de mélanger l'eau froide en-trant dans le réservoir avec l'eau chaude qui en sort par le conduit 39. La vidange se fait par une soupape 41.
Le fond 43 du réservoir est bombé verticalement et délimite une zone interne 45 où l'eau, dans les chauffe-eau domestiques actuels, se maintient à une tem-pérature d'environ 40C même lorsqu'il n'y a pas de con-- 10 sommation d'eau. Comme l'indique la courbe de la Fig.
1, c'est à cette température que le taux de multiplica-tion des bactéries est le plus élevé. Selon l'invention, cette situation peut être corrigée en utilisant un élé-ment chauffant 47 monté sur la paroi verticale du réser-voir 26, à i'extérieur de celui-ci et en face de la zone 45; cet élément 47 ayant une puissance suffisante pour amener l'eau dans la zone à une température capable d'é-viter le danger que représente une infection microbienne;
cette température étant supérieureà 46C.
Cet élément chauffant 47 peut être sous la `l forme d'une bande allongée unique ceinturant complètement ~ ou partiellement le réservoir, comme celle décrite dans : ' . , le brevet américain No. 2,545,653 qui n'est toutefois utilisée~qu'en alternative aux éléments chauffants immer-gés 27, 29. L'élément 47 peut aussi prendre la forme , de deux bandes espacées 49, 51, disposées le long du périmètre externe du réservoir comme l'illustre la Fig.
5. Il n'y a pas de limitation dans le nombre de bandes si ce n'est qu'un nombre plus élevé en augmente le coût.
~ 30 La disposition des bandes est choisie de façon à ce que '~ l'on puisse y avoir accès facilement, pour la pose, l'en~
tretien et le remplacement, par le panneau d'accès habi-~; tuel au-bas du chauffe-eau, considérant que ce dernier ~ est habituellement installé dans un coin de la résidence `~,' ; 8 .
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formé par deux murs adjacents. Il s'ensuit que le pan-neau d'accès devra être elargi pour rendre la manipula-tion aisee.
Comme mentionné ci-dessus, un élément externe chauffant, comme l'élément 47, est parfois utilisé sur les chauffe-eau en remplacement des éléments plongeants 29, 31, mais son utilisation est peu fréquente. Il est en effet surtout utilisé lorsgue l'eau de l'aqueduc occa-, sionne des dépôts calcaires à l'intérieur du chauffe-eau qui peuvent endommager les éléments plongeants con-ventionnels. Son avantage est donc qu'il permet de chauffer indirectement l'eau à travers la paroi métalli-que du chauffe-eau. D'aucune façon a-t-il été utilisé
pour chauffer l'eau dans la zone 45 non plus qu'une sug-gestion à cet effet ait été faite.
La combinaison des deux éléments internes 27, , 29, et de l'élément externe 47 génère des champs thermi-t ques impropres à la prolifération bactérienne. On peut utiliser des éléments externes 47 ayant une puissance de 500 à 4,500 watts mais il a été montré qu'une puis-sance de l'ordre de 700 à 800 watts répond parfaitement aux exigences. A cette puissance globale et sous des densités de puissance pouvant varier de 10 watts/po2 ' à 40 watts/po2, il est possible de limiter la formation de tartre ou de dépôts. Dans l'ensemble, cette combi~
naison d'éléments 27, 29, 47, permet de conserver la conception actuelle des chauffe-eau électriques conven-tionnels tout en améliorant les champs thermiques et cela à un prix abordable. Les trois éléments devraient fonctionner selon les priorités suivantes: l'élément 27 du haut ayant la plus haute priorité et l'élément 47 du bas, la plus faible.
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~3~976 Deux types d'éléments chauffants peuvent être utilisés, en alternative, pour l'élément 47: des bandes chauffantes isolées au mica et des bandes chauffantes en caoutchouc.
i 5 Ces bandes peuvent être fixées à la paroi laté-rale externe du réservoir sous la bride de fixation de l'élément immergé 29. Les Figs. 6 et 7 illustrent un ' mode de fixation de la bande 47. Cette dernière est préformée avec une courbure plus grande que celle du réservoir de façon à ce que l'effet de ressort qui s'y développe lorsqu'elle est mise en place puisse offrir une bonne force de contact avec le réservoir. Elle sera glissée à l'intérieur de trois consoles en Z, fixées - au réservoir, en resserrant la courbure. En alternative, la bande pourra être fixée directement au moyen de vis de serrage; au moyen de crochets métalliques fixés au réservoir avec ressort de tension ou au moyen de trous , de fixation au travers de la bande avec goujons filetés soudés au réservoir.
`1 20 Cette bande chauffante sera, de préférence, ,I constituée d'une résistance électrique allongée qui peut être un ruban résistif en nickel-chrome enroulé
autour d'une mince lanière rectangulaire en mica. L'en-. semble ainsi obtenu est disposé entre deux autres lanie-res de mica et est protégé par une feuille métallique ~ pliée qui forme le revêtement extérieur. L'élément ;~ chauffant qui en résulte a une épaisseur totale de 3/16"
à 1/4" (5 à 6 mm?. Les limites de température de fonc-3 tionnement pour les bandes chauffantes isolées au mica sont plus élevées que celles des bandes chauffantes en caoutchouc. La température de fonctionnement de ces bandes isolées au mica est habituellement plus élevée ,, que la température de la surface à chauffer puisque le mica n'est pas très bon conducteur de chaleur et que , ~ .
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-- 20309~6 l'assemblage interne des differentes couches est simple-ment effectue par contact. Les bandes isolées au mica sont par contre très polyvalentes puisqu'elles peuvent être fabriquées dans une très large gamme de dimensions (largeur et longueur), de tensions (jusqu'à 480 V) et d'agencement des terminaux électriques.
En alternative, l'élément chauffant 47 peut comprendre une ou deux bandes chauffantes. Celles-ci sont constituées d'un élément résistif enfoui entre deux minces feuilles de caoutchouc (néoprène ou silicone) renforcées de fibres de verre. L'élément chauffant est soit un fil résistif sinueux ou soit un feuillard métal-; lique entaillé, du type "etched-foil". Le type "etched-foil" présente l'avantage d'une meilleure distribution ~ 15 de la chaleur et est mieux adapté à une production en i ~rande série puisque son procédé de fabrication ressemble ! à celui des circuits imprimés utilisés en électronique ¦ (usinage chimique).
L'épaisseur totale des éléments "etched-foil"
peut être de 0.018" (0.46 mm) et leur densité de puis-sance maximale peut atteindre 80 W/po2 (12 W/cm2). Les ~: températures maximales d'utilisation peuvent ~tre de 260 C (500 F) pour le silicone et 120C (250F) pour ~1 le néoprène. Les bandes chauffantes en caoutchouc sont ;~`25 souvent pré-encollées avec un adhésif semi-permanent . ce qui assure un très bon contact thermique avec la sur-face à chauffer. Cette dernière caractéristique et leur très faible épaisseur assure des températures de fonc-tionnement qui sont très proches de la température de la surface à chauffer.
La société IRC Canada dispose d'une bande chauf-fante caoutchouc-silicone de type "etched-foil" pré-encollée avec un adhésif semi-permanent ce qui assure un très bon contact thenmique avec la surface à chauffer tout . :
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en permettant un remplacement relativement facile. Selon le fabricant, il est relativement facile d'arracher un élément défectueux afin de le remplacer. La colle utili-sée est inerte chimiquement et ne devrait pas provoquer de corrosion au niveau du réservoir. Toutefois le prix de ces bandes est normalement plus élevé que celui de celles au mica.
Un certain nombre d'essais expérimentaux ont pu être réalisés avec une bande chauffante auto-collante en caoutchouc-silicone ayant une densité
de 10 w/po2 (1.55 w/cm2). Cette dernière densité de - puissance respecte les limites permises par la norme Cl91 d'ACNOR. Dans cette condition, la surface de l'élé-ment doit être de 80 po2 (516 cm2) pour une puissance de 800 W et la densité surfacique ci-dessus. La surface disponible sur la paroi latérale du réservoir du chauffe-eau est limitée en hauteur par la distance entre la sou-dure inférieure du réservoir et la bride de l'actuel élément du bas (approximativement 5" ou 13 cm) et en ~ largeur par la distance entre la soudure longitudinale ;20 du réservoir et la position du drain du chauffe-eau (ap-,proximativement 17" ou 43 cm). Les dimensions à retenir pour un élément chauffant qui serait installé sur la `paroi latérale du chauffe-eau sont donc de 5" de hauteur par 16" de longueur (13 cm x 40 cm).
~ 25 Dans sa configuration actuelle, le chauffe-`~- eau conventionnel constitue un appareil qui a atteint un haut degré de maturité au niveau de sa conception mécanique. Ainsi, les dimensions de l'enveloppe exté-rieure des chauffe-eau ont été optimisées afin de tenir compte, entre autres, des contraintes de transport.
Il est donc important que l'installation d'un troisième élément chauffant ne modifie pas les dimensions hors-tout du chauffe-eau. Pour ce faire, l'élément chauffant doit être relativement mince (1 cm et moins).
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Comme il est impossible de concevoir un élément chauffant qui a une durée de vie de 15 ans et une fiabi-lité à toute epreuve, il est essentiel de prévoir des moyens pour permettre le remplacement facile de l'élément chauffant. Dans le cas de l'installation sur la paroi latérale externe du réservoir, il est particulièrement intéressant que la maintenance puisse être effectuée ` à partir de la porte d'accès actuelle de l'élément immer-gé inférieur. Celle-ci pourrait par exemple être élar-gie de façon à couvrir jusqu'à un tiers de la circonfé-rence du chauffe-eau. Il est absolument nécessaire que l'ensemble des opérations de maintenant puissent être effectuées uniquement par le devant des chauffe-eau puis-que ceux-ci sont souvent installés dans un coin entre deux murs perpendiculaires, comme il a déjà été dit.
` Enfin, l'addition de l'élément 47 à la base ~; du chauffe-eau a évidemment causé une perte additionnelle A,' de chaleur qui peut ~tre réduite de diverses façons.
On peut, par exemple, installer le chauffe-eau sur une base isolante, le munir d'une trappe à chaleur à la sor-tie de la conduite d'eau chaude, augmenter en usine l'i-solation du chauffe-eau et utiliser une couverture iso-lante. Cette question n'est toutefois pas du ressort de la présente invention.
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Domaine de l'invention La présente invention concerne un chauffe-eau électrique domestique modifié de façon à permettre le contrôle de la contamination bactérienne, particuliè-rement l'élimination de la Légionella pneumophila, tout en conservant une bonne efficacité énergétique.
Description de l'art antérieur .
Depuis qu'il fut découvert ~ l'hôtel Bellevue Stratford de Philadelphie (1976) que la Légionella pneumo-phila, communément appelée la légionelle, pouvait causer des infections sérieuses aux humains, de nombreuses étu-des ont été entreprises de manière à mieux comprendre les facteurs influençant la prolifération de cette bac-, 15 térie que l'on retrouve, comme on l'a découvert depuis, ~ particulièrement au fond des chauffe-eau électriques : domestiques. Il est par ailleurs connu que la légionelle, ainsi que beaucoup d'autres bactéries, ne croît pas et ne survit pas à des températures supérieures à 46C.
~, 20 ~, La Demanderesse a effectue de nombreuses études afin d'établir les paramètres de la croissance de la ! bactérie légionelle à l'intérieur des chauffe-eau élec~
i~ triques domestiques. A la suite des résultats obtenus, ~'! 25 les inventeurs ont effectué des travaux afin de mettre au po,int et de tester quelques modifications mineures et économiques à apporter aux chauffe-eau actuels qui - seraient susceptibles de réduire la contamination bacté-, rienne de façon à l'éliminer, en pratique. Ces travaux ~, 30 de recherche ont démontré, entre autres:
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- la distribution de température dans le chauffe-eau domestique conventionnel peut expliquer la prolifération bactérienne;
- le fond du chauffe-eau actuel n'excède jamais 540C même lorsqu'il n'y a pas de consommation d'eau chaude. Cette température correspond à une zone de pro-lifération bactérienne. Une plus grande consommation d'eau a comme effet de maintenir le bas du chauffe-eau à une température moyenne plus basse qui se situe malgré
` 10tout dans la zone de prolifération bactérienne;
- la stratification de la température au fond du réservoir est imposante;
- il est difficile d'augmenter en température le fond du réservoir lorsqu'il y a consommation d'eau;
15- en augmentant la température au fond du ré-; servoir par l'entremise d'une pompe de recirculation, les conditions propices à la légionelle n'existent pas.
Cette solution est toutefois onéreuse et peu fiable;
- compte tenu de l'effet de stratification 20observé, la température au fond du réservoir n'augmente pas de façon proportionnelle même si on augmente la tem-pérature des points de consigne des thermostats des élé-~ ments chauffants de sorte que l'utilisation d'une vanne .:! de mélange à 70 n'apparatt pas prometteuse, basée sur i 25les résultats des champs thermiques. Ceci a d'ailleurs été confirmé par l'étude bactérienne;
~` - l'isolation du fond et la modification de !'`, la position du thermostat~n'apparaissent pas comme les ~ techniques les plus prometteuses;
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^` 2~3~976 - en augmentant à 70C la température de l'eau à l'intérieur du réservoir (maintenue à ~0C dans le chauffe-eau conventionnel) on ne réussit pas à détruire la bacterie, la température au fond du réservoir demeu-rant inférieure à 60C; en l'augmentant à 80C, on neretrouve pratiquement plus de légionelle au fond du ré-servoir.
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Ces travaux ont permis de constater que la légionelle se développe dans la zone stagnante à la base d'un chauffe-eau domestique conventionnel en raison de la stratification de l'eau; l'eau à la température la plus basse se retrouvant au fond du réservoir. Plus précisément, la nappe d'eau entre l'élément chauffant immergé inférieur et le fond du réservoir est plutôt ` chaude, entre 30C et 50C et en conséquence fort propice à la prolifération de bactéries pathologiques, en parti-culier la légionelle. Il devient donc évident que la solution du problème est d'élever le degré de température dans cette région. A cet effet, on a tenté de résoudre les problèmes en abaissant tout simplement l'élément `, chauffant inférieur. Cette solution n'est toutefois pas recommandable parce qu'elle cause l'entartrage qui peut, à la longue, endommager l'élément chauffant infé-rieur.
SOMMAIRE DE L'INVENTION
; Un premier objet de l'invention est donc de suggérer un chauffe-eau électrique capable d'éliminer ' 30 le danger d'une proliferation bactérienne et plus parti-culièrement de la bactérie légionelle. Une étude biblio-graphique, à ce sujet, n'a pas permis de trouver des chauffe-eau pour éviter la prolifération bactérienne, ~
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c'est-à-dire des chauffe-eau qui uniformisent la tempé-rature ~ l'intérieur de celui-ci.
Un autre objet important de l'invention réside en un chauffe-eau électrique qui a une bonne efficacité
énergétique tout en ajoutant peu au coût global de l'ap-pareil.
Plus précisément, le chauffe-eau électrique selon l'invention comprend un réservoir cylindrique à
paroi verticale et à fond bombé verticalement, ce fond délimitant une zone susceptible d'infection bactérienne;
le réservoir étant muni d'un élément chauffant interne supérieur et d'un élément chauffant interne inférieur, ce dernier étant situé au-dessus de ladite zone d'infec-tion. Le chauffe-eau est caractérisé en ce que le réser-voir comporte, en outre, un élément chauffant monté sur la paroi verticale du réservoir, à l'extérieur de celui-ci et au niveau de ladite zone, sous l'élément inférieur interne. Cet élément externe a une puissance déterminée qui lui permet d'amener l'eau, dans la zone d'infection, à une température suffisante pour éliminer le danger , d'une telle infection. Dans le cas de la légionelle, cet élément chauffant externe sera choisi pour amener rapidement et maintenir l'eau de la zone d'infection à une température supérieure à 46C et de préférence ~/ 25 supérieure à 55C.
,; Selon une réalisation particulière de l'inven-- tion, l'élément chauffant externe est constitué d'au moins une bande chauffante~ comportant une résistance électrique allongée isolée au mica, la résistance pouvant être un ruban résistif en nickel-chrome.
~elon une autre réalisation, l'élément chauf-fant externe est constitué d'au moins une bande chauf-fante comportant une résistance électrique allongée en-` fouie entre deux feuilles minces de caoutchouc renforcé de fibres de verre.
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"` 203~976 L'invention sera mieux comprise 3 la lecture de la description qui suit de quelques réalisations pre-férentielles.
BREVE DESCRIP~ION DES DESSINS
La Figure 1 est une courbe illustrant l'effet de la température sur la légionelle et la Figure 2 une courbe indiquant le temps nécessaire à la destruction de 90% de la légionelle;
~- la Figure 3 est une vue en perspective partiel-lement éclatée et arrachee d'un chauffe-eau électrique conventionnel;
~- la Figure 4 est une coupe verticale schématique d'un chauffe-eau conventionnel comportant la modification selon l'invention et la Figure 5 est une vue en coupe - 15 transversale de celui-ci;
la Figure 6 est un schéma de montage d'une bande chauffante et la Figure 7, une vue en coupe selon 1 la ligne A-A de la Figure 6.
DESCRIPTION DE REALISATIONS PKEFERENTIELLES
Des études antérieures ont etabli que les deux températures critiques pour la multiplicatior. des lé-gionelles sont, comme l'indique la courbe de la Fig.
1, de 37C et de 46C. La température optimum de multi-plication est de 37C. L'autre température, à savoir 46C, est celle où la concentration des légionelles dans c l'eau demeure constante. A des températures supérieures à 46C, les cellules meurent et le taux de destruction augmente rapidement avec l'augmentation de température.
La courbe de la Fig. 2 indique que 380 minutes d'exposi-tion à 50C; 13.9 minutes à 55C; 0.7 minutes à 60C
ou 0.5 minutes à 66C permettent d'éliminer 90% de la population de légionelles de sérogroupe 1 qui est la plus fréquente. Ces mesures ont été effectuées par des microbiologistes dans des éprouvettes, ce qui représente , I
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les conditions les plus optimistes pour l'élimination de la bactérie. S'il y a, en effet, des traces d'oxyde de fer et de substances nutritives, le temps de survie pourrait être quelque peu supérieur à celui obtenu en laboratoire dans des conditions idéales~
En utilisant les informations contenues dans ces deux graphiques, les inventeurs ont conçu un chauffe-eau dans lequel les champs de température se situent au-delà de la zone de température de multiplication.
De manière à éviter la prolifération bactérienne, l'in-vention permet de maintenir le fond du chauffe-eau à
une température de destruction. Le chauffe-eau amélioré, selon l'invention, permet également d'éviter que l'eau contenue au fond du chauffe-eau soit mise en suspension avec le contenu du reste du chauffe-eau. Toujours selon l'invention, le mélange de l'eau froide d'alimentation avec l'eau chaude déjà existante se limite essentielle-ment à la partie inférieure du réservoir.
Il s'ensuit de ce qui précède que le chauffe-eau, selon l'invention, est consu pour éliminer la lé-gionelle en augmentant la température dans la zone d'in-, fection à la base du réservoir.
Se référant maintenant à la Fig. 3, celle-ci illustre un chauffe-eau domestique conventionnel 1 com-portant un réservoir 3 isolé en 5 et ayant une capacité
nominale de 40 gallons (175 litres) ou de 60 gallons ~270 litres). L'eau froide est introduite par un conduit 7 ouvrant directement dans la zone d'infection par le biais d'un diffuseur (non illustré). L'eau froide peut ; 30 aussi etre admise, par le deasus du réservoir 1, su moyen ~ 6 ,; ~
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d'un conduit d'amenée, non illustré, qui achemine l'eau vers le fond du réservoir, comme c'est le cas pour le chauffe-eau selon l'invention, afin d'éviter le phénomène de diffusion mentionné ci-dessus. Une soupape 9 de drai-S nage permet la vidange du réservoir. Ce dernier estaussi équipé d'un thermostat 11 contrôlant la température d'un élément chauffant immergé supérieur 13 et d'un ther-mosta~ 15 pour le contrôle de la température d'un élé-ment chauffant immergé inférieur 17. Un dispositif 19, : 10 près de l'élément chauffant 13, limite la température maximale de l'eau dans le réservoir. Des couvercles 21 masquent les thermostats 11 et 15. L'eau chaude est - soutirée du réservoir au moyen du conduit 23 et une sou-;~ pape de décompression 25 est prévue au sommet. Dans la plupart des cas, la puissance des éléments chauffants 13 et 17 se situe entre 3 et 4.5 kW, étant branchés sur une alimentation à 240 V. Les thermostats 11 et 15 per-,!, mettent un ajustement entre 50C et 75C. Cependant, ; les normes de l'Association Canadienne de Normalisation , 20 (ACNOR) exigent que l'ajustement n'excède pas 60C, les thermostats étant fixés à cette température à l'usine : même.
- Les Figs. 4 et 5 illustrent, schématiquement, les modifications apportées à un chauffe-eau domestique ~i 25 conventionnel 26 pour permettre l'élimination, à toutes ~ fins pratiques, de la légionelle. -~
-;~ Il s'agit d'un chauffe-eau d'une capacité de 40 gallons (175 litres) possédant deux éléments chauffants immergés 27, 29, de 3 kW chacun contrôlés par des ther-mostats 31, 33, comme dans les chauffe-eau connus. Tel ~I gue mentionné précédemment, l'eau froide entre en 35 par le haut du réservoir et est acheminée vers le fond au moyen d'un conduit 37, appelé "dip tube", qui débouche .~ .
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légèrement au~dessus de l'élément chauffant interne infé-rieur 29 de façon à éviter de mélanger l'eau froide en-trant dans le réservoir avec l'eau chaude qui en sort par le conduit 39. La vidange se fait par une soupape 41.
Le fond 43 du réservoir est bombé verticalement et délimite une zone interne 45 où l'eau, dans les chauffe-eau domestiques actuels, se maintient à une tem-pérature d'environ 40C même lorsqu'il n'y a pas de con-- 10 sommation d'eau. Comme l'indique la courbe de la Fig.
1, c'est à cette température que le taux de multiplica-tion des bactéries est le plus élevé. Selon l'invention, cette situation peut être corrigée en utilisant un élé-ment chauffant 47 monté sur la paroi verticale du réser-voir 26, à i'extérieur de celui-ci et en face de la zone 45; cet élément 47 ayant une puissance suffisante pour amener l'eau dans la zone à une température capable d'é-viter le danger que représente une infection microbienne;
cette température étant supérieureà 46C.
Cet élément chauffant 47 peut être sous la `l forme d'une bande allongée unique ceinturant complètement ~ ou partiellement le réservoir, comme celle décrite dans : ' . , le brevet américain No. 2,545,653 qui n'est toutefois utilisée~qu'en alternative aux éléments chauffants immer-gés 27, 29. L'élément 47 peut aussi prendre la forme , de deux bandes espacées 49, 51, disposées le long du périmètre externe du réservoir comme l'illustre la Fig.
5. Il n'y a pas de limitation dans le nombre de bandes si ce n'est qu'un nombre plus élevé en augmente le coût.
~ 30 La disposition des bandes est choisie de façon à ce que '~ l'on puisse y avoir accès facilement, pour la pose, l'en~
tretien et le remplacement, par le panneau d'accès habi-~; tuel au-bas du chauffe-eau, considérant que ce dernier ~ est habituellement installé dans un coin de la résidence `~,' ; 8 .
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formé par deux murs adjacents. Il s'ensuit que le pan-neau d'accès devra être elargi pour rendre la manipula-tion aisee.
Comme mentionné ci-dessus, un élément externe chauffant, comme l'élément 47, est parfois utilisé sur les chauffe-eau en remplacement des éléments plongeants 29, 31, mais son utilisation est peu fréquente. Il est en effet surtout utilisé lorsgue l'eau de l'aqueduc occa-, sionne des dépôts calcaires à l'intérieur du chauffe-eau qui peuvent endommager les éléments plongeants con-ventionnels. Son avantage est donc qu'il permet de chauffer indirectement l'eau à travers la paroi métalli-que du chauffe-eau. D'aucune façon a-t-il été utilisé
pour chauffer l'eau dans la zone 45 non plus qu'une sug-gestion à cet effet ait été faite.
La combinaison des deux éléments internes 27, , 29, et de l'élément externe 47 génère des champs thermi-t ques impropres à la prolifération bactérienne. On peut utiliser des éléments externes 47 ayant une puissance de 500 à 4,500 watts mais il a été montré qu'une puis-sance de l'ordre de 700 à 800 watts répond parfaitement aux exigences. A cette puissance globale et sous des densités de puissance pouvant varier de 10 watts/po2 ' à 40 watts/po2, il est possible de limiter la formation de tartre ou de dépôts. Dans l'ensemble, cette combi~
naison d'éléments 27, 29, 47, permet de conserver la conception actuelle des chauffe-eau électriques conven-tionnels tout en améliorant les champs thermiques et cela à un prix abordable. Les trois éléments devraient fonctionner selon les priorités suivantes: l'élément 27 du haut ayant la plus haute priorité et l'élément 47 du bas, la plus faible.
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~3~976 Deux types d'éléments chauffants peuvent être utilisés, en alternative, pour l'élément 47: des bandes chauffantes isolées au mica et des bandes chauffantes en caoutchouc.
i 5 Ces bandes peuvent être fixées à la paroi laté-rale externe du réservoir sous la bride de fixation de l'élément immergé 29. Les Figs. 6 et 7 illustrent un ' mode de fixation de la bande 47. Cette dernière est préformée avec une courbure plus grande que celle du réservoir de façon à ce que l'effet de ressort qui s'y développe lorsqu'elle est mise en place puisse offrir une bonne force de contact avec le réservoir. Elle sera glissée à l'intérieur de trois consoles en Z, fixées - au réservoir, en resserrant la courbure. En alternative, la bande pourra être fixée directement au moyen de vis de serrage; au moyen de crochets métalliques fixés au réservoir avec ressort de tension ou au moyen de trous , de fixation au travers de la bande avec goujons filetés soudés au réservoir.
`1 20 Cette bande chauffante sera, de préférence, ,I constituée d'une résistance électrique allongée qui peut être un ruban résistif en nickel-chrome enroulé
autour d'une mince lanière rectangulaire en mica. L'en-. semble ainsi obtenu est disposé entre deux autres lanie-res de mica et est protégé par une feuille métallique ~ pliée qui forme le revêtement extérieur. L'élément ;~ chauffant qui en résulte a une épaisseur totale de 3/16"
à 1/4" (5 à 6 mm?. Les limites de température de fonc-3 tionnement pour les bandes chauffantes isolées au mica sont plus élevées que celles des bandes chauffantes en caoutchouc. La température de fonctionnement de ces bandes isolées au mica est habituellement plus élevée ,, que la température de la surface à chauffer puisque le mica n'est pas très bon conducteur de chaleur et que , ~ .
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-- 20309~6 l'assemblage interne des differentes couches est simple-ment effectue par contact. Les bandes isolées au mica sont par contre très polyvalentes puisqu'elles peuvent être fabriquées dans une très large gamme de dimensions (largeur et longueur), de tensions (jusqu'à 480 V) et d'agencement des terminaux électriques.
En alternative, l'élément chauffant 47 peut comprendre une ou deux bandes chauffantes. Celles-ci sont constituées d'un élément résistif enfoui entre deux minces feuilles de caoutchouc (néoprène ou silicone) renforcées de fibres de verre. L'élément chauffant est soit un fil résistif sinueux ou soit un feuillard métal-; lique entaillé, du type "etched-foil". Le type "etched-foil" présente l'avantage d'une meilleure distribution ~ 15 de la chaleur et est mieux adapté à une production en i ~rande série puisque son procédé de fabrication ressemble ! à celui des circuits imprimés utilisés en électronique ¦ (usinage chimique).
L'épaisseur totale des éléments "etched-foil"
peut être de 0.018" (0.46 mm) et leur densité de puis-sance maximale peut atteindre 80 W/po2 (12 W/cm2). Les ~: températures maximales d'utilisation peuvent ~tre de 260 C (500 F) pour le silicone et 120C (250F) pour ~1 le néoprène. Les bandes chauffantes en caoutchouc sont ;~`25 souvent pré-encollées avec un adhésif semi-permanent . ce qui assure un très bon contact thermique avec la sur-face à chauffer. Cette dernière caractéristique et leur très faible épaisseur assure des températures de fonc-tionnement qui sont très proches de la température de la surface à chauffer.
La société IRC Canada dispose d'une bande chauf-fante caoutchouc-silicone de type "etched-foil" pré-encollée avec un adhésif semi-permanent ce qui assure un très bon contact thenmique avec la surface à chauffer tout . :
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en permettant un remplacement relativement facile. Selon le fabricant, il est relativement facile d'arracher un élément défectueux afin de le remplacer. La colle utili-sée est inerte chimiquement et ne devrait pas provoquer de corrosion au niveau du réservoir. Toutefois le prix de ces bandes est normalement plus élevé que celui de celles au mica.
Un certain nombre d'essais expérimentaux ont pu être réalisés avec une bande chauffante auto-collante en caoutchouc-silicone ayant une densité
de 10 w/po2 (1.55 w/cm2). Cette dernière densité de - puissance respecte les limites permises par la norme Cl91 d'ACNOR. Dans cette condition, la surface de l'élé-ment doit être de 80 po2 (516 cm2) pour une puissance de 800 W et la densité surfacique ci-dessus. La surface disponible sur la paroi latérale du réservoir du chauffe-eau est limitée en hauteur par la distance entre la sou-dure inférieure du réservoir et la bride de l'actuel élément du bas (approximativement 5" ou 13 cm) et en ~ largeur par la distance entre la soudure longitudinale ;20 du réservoir et la position du drain du chauffe-eau (ap-,proximativement 17" ou 43 cm). Les dimensions à retenir pour un élément chauffant qui serait installé sur la `paroi latérale du chauffe-eau sont donc de 5" de hauteur par 16" de longueur (13 cm x 40 cm).
~ 25 Dans sa configuration actuelle, le chauffe-`~- eau conventionnel constitue un appareil qui a atteint un haut degré de maturité au niveau de sa conception mécanique. Ainsi, les dimensions de l'enveloppe exté-rieure des chauffe-eau ont été optimisées afin de tenir compte, entre autres, des contraintes de transport.
Il est donc important que l'installation d'un troisième élément chauffant ne modifie pas les dimensions hors-tout du chauffe-eau. Pour ce faire, l'élément chauffant doit être relativement mince (1 cm et moins).
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Comme il est impossible de concevoir un élément chauffant qui a une durée de vie de 15 ans et une fiabi-lité à toute epreuve, il est essentiel de prévoir des moyens pour permettre le remplacement facile de l'élément chauffant. Dans le cas de l'installation sur la paroi latérale externe du réservoir, il est particulièrement intéressant que la maintenance puisse être effectuée ` à partir de la porte d'accès actuelle de l'élément immer-gé inférieur. Celle-ci pourrait par exemple être élar-gie de façon à couvrir jusqu'à un tiers de la circonfé-rence du chauffe-eau. Il est absolument nécessaire que l'ensemble des opérations de maintenant puissent être effectuées uniquement par le devant des chauffe-eau puis-que ceux-ci sont souvent installés dans un coin entre deux murs perpendiculaires, comme il a déjà été dit.
` Enfin, l'addition de l'élément 47 à la base ~; du chauffe-eau a évidemment causé une perte additionnelle A,' de chaleur qui peut ~tre réduite de diverses façons.
On peut, par exemple, installer le chauffe-eau sur une base isolante, le munir d'une trappe à chaleur à la sor-tie de la conduite d'eau chaude, augmenter en usine l'i-solation du chauffe-eau et utiliser une couverture iso-lante. Cette question n'est toutefois pas du ressort de la présente invention.
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Claims (14)
1. Chauffe-eau électrique comprenant un réser-voir cylindrique à paroi verticale et à fond bombé verti-calement, ce fond délimitant une zone susceptible d'in-fection bactérienne; le réservoir étant muni d'un élé-ment chauffant interne supérieur et d'un élément chauf-fant interne inférieur, ce dernier étant situé au-dessus de ladite zone d'infection;
caractérisé en ce que ledit réservoir comporte, en outre, au moins un élément chauffant monté sur la paroi verticale du réservoir, à l'extérieur de celui-ci et au niveau de ladite zone sous l'élément inférieur interne; cet élément externe étant capable d'amener l'eau dans ladite zone à une température suffisante pour éli-miner le danger d'une telle infection microbienne.
caractérisé en ce que ledit réservoir comporte, en outre, au moins un élément chauffant monté sur la paroi verticale du réservoir, à l'extérieur de celui-ci et au niveau de ladite zone sous l'élément inférieur interne; cet élément externe étant capable d'amener l'eau dans ladite zone à une température suffisante pour éli-miner le danger d'une telle infection microbienne.
2. Un chauffe-eau électrique selon la reven-dication 1, caractérisé en ce que ledit élément chauffant externe est apte à amener rapidement et maintenir l'eau dans ladite zone à une température d'au moins 46°C.
3. Un chauffe-eau selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit élément chauffant externe est apte à amener rapidement et maintenir l'eau dans ladite zone à une température de l'ordre de 55°C.
4. Un chauffe-eau selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que l'élément chauffant externe est constitué d'au moins une bande chauffante comportant une résistance électrique allongée isolée au mica.
5. Un chauffe-eau selon la revendication 4, caractérisé en ce que cette résistance est un ruban ré-sistif en nickel-chrome.
6. Un chauffe-eau selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'élément chauffant a une puissance globale comprise entre 500 et 4,500 watts.
7. Un chauffe-eau selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'élément chauffant a une puissance globale de l'ordre de 700 à 800 watts.
8. Un chauffe-eau selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'élément chauffant a une densité
de puissance comprise entre 10 watts/po2 et 40 watts/po2.
de puissance comprise entre 10 watts/po2 et 40 watts/po2.
9. Un chauffe-eau selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que l'élément chauffant externe est constitué d'au moins une bande chauffante comportant une résistance électrique allongée enfouie dans une mince feuille de caoutchouc renforcé de fibres de verre.
10. Un chauffe-eau selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'élément chauffant a une puis-sance globale comprise entre 500 et 4,500 watts.
11. Un chauffe-eau selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'élément chauffant a une puis-sance globale de l'ordre de 700 à 800 watts.
12. Un chauffe-eau selon la revendication 9, caractérisé en ce que la résistance électrique allon-gée est un feuillard métallique allongé de type "etched-foil" ayant une épaisseur de l'ordre de 0.018" et une densité de puissance maximale de l'ordre de 80 watts/po2.
13. Un chauffe-eau selon la revendication 12, caractérisé en ce que le caoutchouc est du néoprène.
14. Un chauffe-eau selon la revendication 12, caractérisé en ce que le caoutchouc est du silicone.
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