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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:
.:~
.~
:
~Q97~
- 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.
' .
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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~3~97~
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.
- 4 -
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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
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---` 2~3097B
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
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- 2030976
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
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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
,
- 10 -
~ .
.:
-- 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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- 11 -
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` ~ ~03097~
.
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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~3~76
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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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