ケトルや給湯器のカートリッジ ヒーターには大量のスケールが蓄積するのに、内壁にははるかに少ないスケールが蓄積するのはなぜですか?

ほとんどの家庭では、日常生活のある時点で建物の水垢（水垢）に対処する必要があります。電気ケトルでお湯を沸かすと、底に大量の水垢が溜まります。時間が経つにつれて、給湯器の加熱部分に多くのスケールが付着します。注意深い人は、スケールが主にカートリッジ ヒーターの表面、特に底部または発熱体自体に蓄積することに気づきます。一方、やかんやタンクの内壁にはスケールはほとんどありません。なぜこのようなことが起こるのでしょうか?

従来の浸漬ロッドの代わりに、最新の電気ケトルには底部にフラットカートリッジヒーターが組み込まれています。古いインスタント給湯器（沸騰フラスコ）では、直接水に浸すカートリッジヒーターが一般的でした。これらのカートリッジヒーターは便利ではありましたが、火災の原因となることが多く非常に危険でもあったため、大学では寮について厳しい規則を定めています。


カートリッジヒーターではスケールが大きな問題となります。ケトルや給湯器が古いので、水が沸騰するまでに時間がかかります。サイズに関する大きな問題の 1 つは、より多くのエネルギーを消費することです。スケールがカートリッジヒーターの表面を覆い、カートリッジヒーターと水が直接接触するのを防ぎます。これにより、熱伝導効率が大幅に低下します。

スケールの大部分は炭酸カルシウム、硫酸マグネシウム、硫酸カルシウム、水酸化マグネシウムで構成されています。カートリッジヒーターのシースに使用されている金属と比較すると、これらの化合物の熱伝導率は非常に弱い（約0.5～3W/m・K）。銅の熱伝導率は385 W/m・K、ステンレス鋼/鉄の熱伝導率は約79.5 W/m・Kです。数十倍から数百倍も異なる可能性があるため、カートリッジ ヒーターの厚いスケールにより、同じ量のエネルギーを移動させるために要素が 1 か所で過熱します。これにより電力コストが増加し、カートリッジ ヒーターに損傷を与える可能性があります。

カートリッジヒーターにスケールがかかると内部に熱がこもり、場所によっては温度が急激に上昇します。これにより、カートリッジ ヒーター内の酸化マグネシウム絶縁体が破壊され、寿命が短くなったり、安全上の問題が発生したりする可能性があります。硬水の地域 (北部など) では、スケールがすぐに蓄積するため、カートリッジ ヒーターを頻繁に掃除する必要があります。

気泡の活動は規模の確立と密接に関係しています。スケールの主な成分は、水道水から沈殿した炭酸カルシウム、ケイ酸カルシウム、硫酸カルシウム、水酸化マグネシウムです。カートリッジヒーターは熱を発生させるため、加熱すると表面に泡が発生し続けます。

最初の気泡は、温度が上昇して溶解度が低下するにつれて、溶解していた空気が逃げるときに形成されます。水の温度が上がると沸騰し始め、水蒸気の泡が発生します。これらの気泡は、液体の水、気体の気泡、固体のカートリッジ ヒーター表面という三相界面を形成します。-気泡が壊れて蒸発すると、核生成部位近くのカルシウム塩とマグネシウム塩が飽和しすぎます。これにより、カートリッジ ヒーターの表面に沈殿物が付着します。

研究によると、スケール付きカートリッジヒーターは、新品のものと比べてより多くの量の気泡を生成します。スケール付きカートリッジ ヒーターの表面は粗くて多孔質で、核生成サイトが多く水分を多く含むため、スケールが形成されやすくなります。-そのため、すでにスケールが付着した状態でカートリッジ ヒーターを長く稼働させると、新たなスケールがより早く蓄積され、問題がさらに悪化します。

カートリッジヒーターにはケトルの壁よりもはるかに大きなスケールが付くのはなぜですか?塩を形成するカルシウムとマグネシウムのイオンはスケールの構成要素です。ほとんどはホットカートリッジヒーターの表面に付着しますが、中には水中に浮いている白い粒子のように見えるもの（主に炭酸カルシウムと水酸化マグネシウム）もあり、水の透明度が低くなります。

カートリッジヒーターは加熱の最初から局所的に高温になり、泡が発生しやすい場所になります。カートリッジ ヒーター上ですぐに気泡が発生し、常にスケールが蓄積します。対照的に、バルク水は後で十分に熱くなるだけであり、そこでの沈殿には均一な結晶化が必要であり、これにはより多くのエネルギーが必要です。

結晶化理論によれば、固体-界面が表面エネルギーを下げるため、（カートリッジ ヒーター表面での）不均一な結晶化はエネルギー的に良好です。均一な結晶化（バルク水中で）は、結晶核を生成するためにより多くのエネルギーを必要とします。急速加熱によってエネルギーが放出される一方で、カートリッジ ヒーター上での不均一な結晶化が主なプロセスであるため、そこでさらに多くの蓄積が発生します。

内壁は不均一核生成が起こる場所でもあるため、ある程度のスケールが蓄積しますが、局所的な高熱や激しい気泡の生成がないため、その量はカートリッジ ヒーターよりもかなり少なくなります。

カートリッジ ヒーターを定期的に掃除するには、酢、クエン酸、または工業用スケール除去剤を使用してください。硬水地域にお住まいの場合は、軟水器の購入を検討してみてはいかがでしょうか。核生成サイトを減らすには、滑らかで高品質のステンレス鋼シース (304 または 316) を備えたカートリッジ ヒーターを選択してください。-常にすべてが完全に浸されていることを確認し、スケールの蓄積の兆候として沸騰時間に注意してください。