Exemple de demande de brevet — Chauffe eau domestique spécialement conçu pour réduire les risques de contamination bactérienne

De : Office de la propriété intellectuelle du Canada

N.B. Ces renseignements sur le brevet CA 2030976 vous sont fournis à titre d'information seulement et non en tant qu'avis juridique. Toute question ayant trait aux dates de priorité devrait être communiquée à un agent de brevets inscrit. Le Collège des agents de brevets et des agents de marques de commerce peut vous fournir une liste des agents de brevets inscrits.

Abrégé descriptive :

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 au-dessus 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 celui-ci 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°c.

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, particulièrement l'élimination de la Légionella pneumophila, tout en conservant une bonne efficacité énergétique.

Description de l'art antérieur

Depuis qu'il fut découvert à l'hôtel Bellevue Stratford de Philadelphie (1976) que la Légionella pneumophila, communément appelée la légionelle, pouvait causer des infections sérieuses aux humains, de nombreuses études ont été entreprises de manière à mieux comprendre les facteurs influençant la prolifération de cette bactérie 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 46°C.

La Demanderesse a effectué de nombreuses études afin d'établir les paramètres de la croissance de la bactérie légionelle à l'intérieur des chauffe-eau électriques domestiques. La suite des résultats obtenus, les inventeurs ont effectué des travaux afin de mettre au point et de tester quelques modifications mineures et économiques à apporter aux chauffe-eau actuels qui serait susceptibles de réduire la contamination bactérienne de façon à l'éliminer, en pratique. Ces travaux de recherche ont démontré, entre autres :

la distribution de température dans le chauffe-eau domestique conventionnel peut expliquer la prolifération bactérienne;
le fond du chauffe-eau actuel n'excède jamais 40°C même lorsqu'il n'y a pas de consommation d'eau chaude. Cette température correspond à une zone de prolifération 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 tout dans la zone de prolifération bactérienne;
la stratification de la température au fond du réservoir est imposant;
il est difficile d'augmenter en température le fond du réservoir lorsqu'il y a consommation d'eau;
en augmentant la température au fond du réservoir 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 observé, la température au fond du réservoir n'augmente pas de façon proportionnelle même si on augmente la température des points de consigne des thermostats des éléments chauffants de sorte que l'utilisation d'une vanne de mélange à 70° n'apparaît pas prometteuse, basée sur les 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;
en augmentant à 70°C la température de l'eau à l'intérieur du réservoir (maintenus à 60°C dans le chauffe-eau conventionnel) on ne réussit pas à détruire la bactérie, la température au fond du réservoir demeurant inférieure à 60°C; en l'augmentant à 80°C, on ne retrouve pratiquement plus de légionelle au fond du réservoir.

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, le nappe d'eau entre l'élément chauffant immergé inférieur et le fond du réservoir est plutôt chaude, entre 30°C et 50°C et en conséquence fort propice à la prolifération de bactéries pathologiques, en particulier la légionelle. Il devient donc évident que la solution du problème est d'enlever le degré de température dans cette région. 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 inférieur.

Sommaire de l'invention

Un premier objet de l'invention est donc de suggérer un chauffe-eau électrique capable d'éliminer le danger d'une prolifération bactérienne et plus particulièrement de la bactérie légionelle. Une étude bibliographique, à ce sujet, n'a pas permis de trouver des chauffe-eau pour éviter la prolifération bactérienne, c'est-à-dire des chauffe-eau qui uniformisent la température à 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'appareil.

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'infection. Le chauffe-eau est caractérisé en ce que le réservoir 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, a 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 a une température supérieure à 46°C et de préférence supérieure à 55°C.

Selon une réalisation particulière de l'invention, 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.

Selon une autre réalisation, l'élément chauffant externe est constitué d'au moins une bande chauffante comportant une résistance électrique allongée enfouie entre deux feuilles minces de caoutchouc renforcé de fibres de verre.

L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de quelques réalisations préférentielles.

Brève description 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 partiellement éclatée et arrachée 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 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 la ligne A-A de la Figure 6.

Description de réalisations préférentielles

Des études antérieures ont établi que les deux températures critiques pour la multiplication des légionelles sont, comme l'indique la courbe de la Fig. 1, de 37°C et de 46°C. La température optimum de multiplication est de 37°C. L'autre température, à savoir 46°C, est celle où la concentration des légionelles dans l'eau demeure constante. Des températures supérieures à 46°C, 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'exposition à 50°C; 13.9 minutes à 55 °C; 0.7 minutes à 60°C ou 0.5 minutes à 66°C 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 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 survis 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'invention 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 essentiellement à la partie inférieure du réservoir.

Il s'ensuit de ce qui précède que le chauffe-eau, selon l'invention, est conçu pour éliminer la légionelle en augmentant la température dans la zone d'infection à la base du réservoir.

Se référant maintenant à la Fig. 3, celle-ci illustre un chauffe-eau domestique conventionnel 1 comportant 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 aussi être admise, par le dessus du réservoir 1, au moyen 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 drainage permet la vidange du réservoir. Ce dernier est aussi équipé d'un thermostat 11 contrôlant la température d'un élément chauffant immergé supérieur 13 et d'un thermostat 15 pour le contrôle de la température d'un élément chauffant immergé inférieur 17. Un diapositif 19, 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 soupape 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 permettent un ajustement entre 50°C et 75°C. Cependant, les normes de l'Association Canadienne de Normalisation (ACNOR) exigent que l'ajustement n'excède pas 60°C, 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 conventionnel 26 pour permettre l'élimination, à toutes fins pratiques, de le 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 thermostats 31, 33, comme dans les chauffe-eau connus. Tel que 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 légèrement au-dessus de l'élément chauffant interne inférieur 29 de façon à éviter de mélanger l'eau froide entrant 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 ou l'eau, dans les chauffe-eau domestiques actuels, se maintient à une température d'environ 40°C même lorsqu'il n'y a pas de consommation d'eau. Comme l'indique la courbe de la Fig. 1, c'est à cette température que le taux de multiplication des bactéries est le plus élevé. Selon l'invention, cette situation peut être corrigée en utilisant un élément chauffant 47 monté sur la paroi verticale du réservoir 26, à l'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'éviter le danger que représente une infection microbienne; cette température étant supérieure à 46°C.

Cet élément chauffant 47 peut être sous la 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 immergée 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. La disposition des bandes est choisie de façon à ce que l'on puisse y avoir accès facilement, pour la pose, l'entretien et le remplacement, par le panneau d'accès habituel au bas du chauffe-eau, considérant que ce dernier est habituellement installé dans un coin de la résidence formé par deux murs adjacents. Il s'ensuit que le panneau d'accès devra être élargi pour rendre la manipulation aisée.

Comme mentionné ci-dessus, on 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 lorsque l'eau de l'aqueduc occasionne des dépôts calcaires à l'intérieure du chauffe-eau qui peuvent endommager les éléments plongeants conventionnels. Son avantage est donc qu'il permet de chauffer indirectement l'eau a travers la paroi métallique du chauffe-eau. D'aucune façon a-t-il été utilisé pour chauffer l'eau dans la zone 45 non plus qu'une suggestion à cet effet ait été faite.

La combinaison des deux éléments internes 27, 29, et de l'élément externe 47 génère des champs thermiques 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 puissance de l'ordre de 700 à 800 watts répond parfaitement aux exigences. 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 combinaison d'éléments 27, 29, 47, permet de conserver la conception actuelle des chauffe-eau électriques conventionnels tout en améliorant les champs thermiques et cela à un prix abordable. Les trois éléments devraient fonctionner selon les priorités suivantes : l'élément 27 de haut ayant la plus haute priorité et l'élément 47 de bas, la plus faible.

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.

Ces bandes peuvent être fixées à la paroi latérale 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 bands avec goujons filetés soudés au réservoir.

Cette bande chauffante sera, de préférence, 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'ensemble ainsi obtenu est disposé entre deux autres lanières 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 fonctionnement 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 l'assemblage interne des différentes couches est simplement effectué 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 métallique entaillé, du type "etched-foil". Le type "etched-foil" présente l'avantage d'une meilleurs distribution de la chaleur et est mieux adapté à une production en grande série puisque son procédé de fabrication ressemble à celui des circuits imprimés utilisés on électronique (usinage chimique).

L'épaisseur total des éléments "etched-foil" peut être de 0.018" (0.46 mm) et leur densité de puissance maximale peut atteindre 80 W/po² (12 W/cm² ). Les températures maximales d'utilisation peuvent être de 260°C (500°F) pour le silicone et 120°C (250°F) pour le néoprène. Les bandes chauffantes en caoutchouc sont souvent pré-encollées avec un adhésif semi-permanent ce qui assure un très bon contact thermique avec la surface à chauffer. Cette dernière caractéristique et leur très faible épaisseur assure des températures de fonctionnement qui sont très proches de la température de la surface à chauffer.

La société IRC Canada dispose d'une bande chauffante caoutchouc-silicone de type "etched-foil" pré-encollée avec un adhésif semi-permanent ce qui assure un très bon contact avec la surface à chauffer tout en permettant un remplacement relativement facile. Selon le fabricant, il est relativement facile d'arracher un élément défectueux afin de la remplacer. La colle utilisée est inerte chimiquement et ne devrait pas provoquer de corrosion au niveau de 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 (1.5 W/cm²). Cette dernière densité de puissance respecte les limites permises par la norme C191 d'ACNOR. Dans cette condition, la surface de l'élément 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 de chauffe-eau est limitée en hauteur par la distance entre la soudure inférieur du réservoir et la bride de l'actuel élément de bas (approximativement 5" ou 13 cm) et en largeur par la distance entre la soudure longitudinale du réservoir et la position du drain du chauffe-eau (approximativement 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 per 16" de longueur (13 cm x 40 cm).

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 extérieure 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 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).

Comme il est impossible de concevoir un élément chauffant qui a une durée de vie de 15 ans et une fiabilité à toute épreuve, 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 immerge inférieur. Celle-ci pourrait par exemple être élargie de façon à couvrir jusqu'à un tiers de la circonférence du chauffe-eau. Il est absolument nécessaire que l'ensemble des opérations de maintenant puissent être effectuées uniquement par le devant des chauffe-eau puisque 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 de chauffe-eau a évidemment causé une perte additionnelle de chaleur qui peut être 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 sortie de la conduite d'eau chaude, augmenter en usine l'isolation de chauffe-eau et utiliser une couverture isolante. Cette question n'est toutefois pas du ressort de la présente invention.

Les réalisations de l'invention, au sujet desquelles un droit exclusif de propriété ou de privilège est revendiqué, sont définies comme il suit :

Chauffe-eau électrique comprenant 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 supérieure et d'un élément chauffant interne inférieur, ce denier étant situé au-dessus de ladite zone d'infection;

caractérisé en ce que ladite 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 éliminer le danger d'une telle infection microbienne.
Un chauffe-eau électrique selon la revendication 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.
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.
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.
Un chauffe-eau selon la revendication 4, caractérisé en ce que cette résistance est un ruban résistif en nickel-chrome.
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.
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.
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.
Un chauffe-eau selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que l'élément chauffant externe est constitué au moins d'une bande chauffante comportant une résistance électrique allongée enfouie dans une mince feuille de caoutchouc renforcé de fibres de verre.
Un chauffe-eau selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'élément chauffant a une puissance globale comprise entre 500 et 4,500 watts.
Un chauffe-eau selon la revendication 9,caractérisé en ce que l'élément chauffant a une puissance globale de l'ordre de 700 à 800 watts.
Un chauffe-eau selon la revendication 9, caractérisé en ce que la résistance électrique allongée est un feuillard métallique allongé de type "etched0-foil" ayant une épaisseur de l'ordre de 0.018" et une densité de puissance maximale de l'ordre de 80 watts/po²
Un chauffe-eau selon la revendication 12, caractérisé en ce que le caoutchouc est du néoprène.
Un chauffe-eau selon la revendication 12 caractérisé en ce que le caoutchouc est du silicone.