向物体或介质中提供电流的方法及装置.pdf

本发明涉及在物体或介质中提供和/或感应电流的领域。具体地，该电流用于干扰、杀死、抑制活动或击昏物体或介质中的一个或多个生物。本发明公开了一种新型装置，其具有作为变压器的次级(3)的导电介质(在管道中)，并且公开了在分布式磁芯(2)上具有分布式初级绕组(1)的装置。本发明具有相对的电对称和可测量性。

1.  一种变压器结构，包括：
初级绕组；
次级绕组；
磁芯，
其中，所述次级绕组是绝缘管道中的导电介质。

2.  根据权利要求1所述的结构，其中，所述导电介质是流体或多相浆体。

3.  根据权利要求1或2所述的结构，其中，具有多个初级绕组。

4.  根据权利要求1、2或3所述的结构，其中，只有一个次级绕组。

5.  根据权利要求1、2或3所述的结构，其中，平行设置至少两个次级绕组。

6.  根据权利要求4或5所述的结构，其中，所述次级绕组中的匝数只有一匝。

7.  根据权利要求4或5所述的结构，其中，所述次级绕组中具有多匝。

8.  根据权利要求1至7中任一项所述的结构，其中，所述绕组被设置成显著地减少辐射的外部电场或提供极少的辐射的外部电场。

9.  根据权利要求1至7中任一项所述的结构，其中，所述绕组被设置成实质上提供较高辐射的外部电场。

10.  一种变压器，包括权利要求1至9中任一项所述的结构。

11.  一种装置，适于向导电介质中的生物施加电流，所述装置包括：
如权利要求1至9中任一项所述的结构；
管道，用于提供作为次级绕组的介质；以及
电源装置，用于向所述初级绕组传送电能。

12.  根据权利要求11所述的装置，其中，所述介质是导电介质。

13.  根据权利要求11或12所述的装置，其中，所述电能在所述导电介质电隔离的情况下传送。

14.  根据权利要求11、12或13所述的装置，其中，所述装置向所述介质提供电压梯度。

15.  根据权利要求11至14中任一项所述的装置，其中，所述装置向所述介质提供电流。

16.  一种流体处理装置，包括权利要求11至15中任一项所述的装置。

17.  一种小船或船舶，包括权利要求16所述的装置。
18根据权利要求16所述的装置，用于所述水产养殖业中的流体处理。

19.  一种构造变压器的方法，用于向导电介质中的生物施加电流，所述方法包括以下步骤：
设置初级绕组；
设置所述导电介质作为次级绕组。

20.  一种向导电介质中的生物施加电能的方法，所述方法包括以下步骤：
设置如本文中所公开的变压器结构；
通过向所述变压器的所述初级绕组施加电能，将至少一个电能脉冲感应到所述导电介质中。

21.  根据权利要求13所述的方法，其中，所述方法用于干扰或击昏生物。

15.  根据权利要求13所述的方法，其中，所述方法用于杀死生物。

16.  一种如本文所公开的方法。

17.  一种如本文所公开的设备和/或装置。

向物体或介质中提供电流的方法及装置
技术领域
本发明涉及向物体或介质中提供和/或感应电流的领域。具体地，该电流用于干扰、杀死、抑制物体或介质中的一个或多个生物的活动或将其击昏。
本发明有许多应用，本文中详细说明了这些应用中的一些(无限制)，包括航海或船舶应用、水产养殖业应用、废物处理应用以及需要对流体进行处理的任何其他应用。
一方面，本发明涉及将电压场(electric voltage field)或电流感应到诸如流体(例如，水、体液或食品)以及相关产品的介质中。
另一方面，本发明涉及一种装置和/或方法，通过该装置和/或方法可以将电压场或电流传送至远程物体。
在具体应用方面，本发明涉及术语上所称的“生物污垢”，其中，导管或其他的流体管道由于流过管道的介质中存在的生物而变得狭窄或者甚至堵塞。例如，船只、船舶或潜艇内部的导管或蓄水装置(例如压舱物)可由于存在于海水中的生物而变得狭窄。本发明涉及减轻或阻止生物污垢和入侵物种的运输。
在另一具体方面，本发明涉及将电流感应到介质中是以相对“非接触”传送形式将电压场或电流感应到介质中。例如，将电流传送至介质中，而不需要电极与介质直接接触。
这将会有助于在下文中描述本发明，本发明涉及将电压场或电流感应到管道中以减轻生物污垢，然而，应理解本发明并不仅限于上述应用。术语“生物抑制(BioBlock)”是作为本说明书的主题的方法和/或装置的名称。
背景技术
发明人已经意识到，由诸如藤壶和贻贝的海洋生物引起的船只管道的结垢以及随后的阻塞，造成了海水冷却和消防系统的失效。此外，更多由航运引起的全球环境问题在于，在船舶压舱水中的各种生物可以从一个国家运输到另一个国家。当装载或卸载船舶时，该船舶分别排掉或吸入海水，以保持经得起海上风浪的平稳性。这样做的结果是发现海洋生物和物种从一个港口到另一个港口、以及从一个国家到另一个国家的运输对环境和水产养殖业具有潜在的破坏作用。
发明人已经意识到，过去已提出各种方法来处理生物污垢。使用脉冲电场或电流来杀死生物细胞(特别是潜在的海洋生物污垢物(biofoulant))的想法并不是全新的。例如，有两篇论文，即
1.Amr，A.G.and K.H.Schoenbach(2000).“Biofouling preventionwith pulsed electric fields”IEEE Transactions on Plasma Science 28(1)：115-21，和
2.Block，R.，F.Leipold，et al.(2001).“Pulsed electric field basedantifouling method for salinometers.”PPPS-2001 Pulsed Power PlasmaScience 2001.28th IEEE International Conference on Plasma Scienceand 13th IEEE International Pulsed Power Conference.Digest of Paper(Cat No.01 CH37251)，IEEE.Part vol.2，2001：1146-9 vol.
然而，虽然该公开已经被实验证明是成功的，但是发明人已发现，在例如船舶的大规模应用中或对于其他常用应用来说，这些公开都是不实用的。例如，将电极设置在导管(水通过导管流动)上，用于与水进行电接触，并向水中提供电流。电极被分隔开约1.5mm到1cm，因此，仅适用于类似的小直径的导管。通过电极分给的电压接近8KV/cm。因此，为了能够适用于更大的导管，将需要几十万伏的电压。这就产生了安全问题，特别是当将这样的大电压与诸如海水的导电介质一起使用的时候。在产生和切换这种大电压时也存在困难，以及在电极处还存在电极老化和离子游离。
其他问题存在于水产养殖业中。发明人已意识到，水产养殖业的未来很大程度上取决于是否能够很容易地获取自然资源，诸如用于动物饲养的空间、水和鱼粉。其他问题与正引起欧洲水产养殖业广泛关注的不同病毒病的数量有关。例如，传染性鲑鱼贫血(ISA)，这是一种由大西洋鲑鱼遭遇的破坏性疾病，并且在苏格兰、挪威和加拿大都已有病例报告。
在欧盟法规内，这种病被认为是外来到欧盟水体的。当确认了这种病时就需要立即将鱼清除，并在怀疑是这种病的时候就要就地采取多种控制措施。措施包括限制鱼、设备、材料和人员的活动，对网消毒以及休渔(fallowing)。根据风险评估，在怀疑和确认的地点周围建立区域，并将大部分相似的控制措施应用于位于那些区域中的未被感染的养殖水产地。
在欧盟的指导原则中，来自被感染的放养鱼类的血和废水在排放前必须进行处理。其他易传染的疾病包括病毒性出血性败血症和传染性胰脏坏死。在鲑鱼和鲑科鱼的野生种群中经常大量发现这些疾病，并且这些疾病通常会导致高死亡率。因此，维护高标准的给水供应以及确保不会有野生鱼类进入到养殖水产地是一个重要目标。
通过磁感应在导电流体中感应电流的概念是由本发明的发明人在二十世纪七十年代中期首先构思出来的。
文档、装置、动作或知识的任何讨论都包括在本说明书中来解释本发明的上下文。在本公开和本文中的权利要求的优先权目的当天或之前，不应该认为允许任何所述材料形成现有技术基础的一部分、或澳大利亚或其他任何处的相关技术中的普通知识。
本发明的一个目的在于提供一种改进的适于将电流传送到导电介质中的方法和装置。
本发明的另一个目的在于缓解与现有技术相关的至少一个缺陷。
发明内容
本发明的一个发明方面在诸如海水的导电介质中磁感应电压场或电流，而不使用电极也不产生任何外部电场。
本发明的另一个发明方面还提供了一种用于在导电流体中感应电流的方法和/或装置，其中，没有电接触(即，完全的电隔离)，并且优选地，不产生外部电场。
此外，本发明的再一个发明方面提供了一种用于在流体或其他介质中感应电压梯度的方法和装置，其中，没有电接触(即，电隔离)并且(优选地)不产生外部电场。
实质上，本发明提供了一种适于在导电介质中产生电压梯度来干扰、杀死、或击昏介质中的生物实体的方法和/或装置。
研究表明，一些生物可能会受到其所存在的流体中的电流密度的影响。可选地，其他生物可能会受到其介质内的电压梯度的影响。生物的物理尺寸可能是为实施本发明所需要的强度的影响因素。
为了处理相对绝缘的介质(例如淡水)，本发明的一个方面提供了一种方法和/或装置，用于通过操控所施加的电压以及多个变压器芯的数目和分布来施加任何期望的电压梯度。由于这种处理的介质中的功率消耗最小，所以认为这种处理是相对廉价的。
为处理相对导电的介质(例如海水或血液)，一方面，本发明提供了一种方法和/或装置，用于通过操控所施加的电压以及多个变压器芯的数量和分布，来施加任何期望的电流密度。由于功率的使用与所施加的电压和电流的乘积成比例，所以也可以调整本发明的几何结构来调节电力电子的电容。
说明书中公开了和/或权利要求书中限定了构成本发明的说明书的一部分的其他方面和优选方面。
其他发明性方面涉及：
●磁路和电路的物理结构，具体地具有作为变压器的次级的导电介质(在管道中)，
●分布式磁芯上的分布式初级绕组，用于阻止发射电场或磁场以及
●增加在介质次级绕组中所感应的有效电压，
●相对于海水和导电流体应用，用于达到所需的电压和电流密度的单个海水次级绕组，
●本发明的电对称和可测量性，以及
●当生物通过流体管道时，干扰、杀死或击昏这些生物，但是基本上不辐射外部电场。
本发明装置的一种应用可以适于船舶和港口的基础设施，以对用于船只冷却、消防系统的海水和压舱物进行杀菌。
本发明的其他可应用性范围将从随后给出的详细描述变得显而易见。然而，应理解，由于本发明的精神和范围内的各种改变和修改对本领域技术人员将从这个详细描述中变得显而易见，所以当表明本发明的优选实施例时，仅作为说明给出详细描述和具体实例。
附图说明
结合附图，参照随后对本发明的优选实施例的描述，本领域技术人员将会更好地理解本发明的其他目的、优点、和本申请的各个方面，其中，附图只用于说明，并不构成对本发明的限制，附图中：
图1示出了现有技术，其中，有电流流过的导线周围存在磁场；
图2示出了现有技术，其中，有电流流过的线圈周围存在磁场；
图3示出了现有技术的磁芯中的磁通量；
图4示出了现有技术的变压器；
图5示出了现有技术的在带载情况下的变压器的磁通量；
图6示出了本发明的一个实施例的组件的实例；
图7示出了本发明的实施例；
图8示出了本发明的另一个实施例；
图9示出了本发明的生物抑制启用的框图；以及
图10示出了施加到导电介质以获得理想效率和效能的电压/电流波形的类型。
具体实施方式
通过背景技术，发明人着眼于针对现有技术问题的替代解决方案提出了本发明。该替代解决方案来源于对一些相对已知的电学原理所做的一些其他开发。
在这点上，参照图1，发明人已意识到，已知的在有电流流过的导线周围有磁场存在。铁屑通过磁场被磁性极化，并“从头到尾”，或更适当地“从磁极到相反磁极”排列。在进行这种排列的过程中，铁屑形成圆形图案，从而说明在电流周围存在磁场。
参照图2，发明人还意识到，如果将图1的导线如图2所示形成为圆柱形线圈并通过一张纸板，则铁屑将形成类似于图2中所示的虚线图案，该图案表示伴随带电线圈的磁场的存在和形状。
参照图3，发明人还意识到，通过如图3所示为线圈添加磁芯，磁通量大量增加。例如，如果磁芯是由高磁导率钢制成的，则磁通密度可能比没有芯的情况增加100,000倍。磁芯的磁导率表示在没有芯的情况下所产生的磁场上磁场的增加。
参照图4，发明人又进一步意识到，通过向磁芯增加第二线圈N₂，就形成了变压器。实质上，变压器就是磁耦合的通电线圈组(如图4所示的N₁和N₂)。如果向一个线圈N₁施加“交流(ac)”电压，则芯中的交变磁场将在第二线圈N₂中感应出电压，优选地是交流电压。注意到在两个线圈N₁和N₂之间不存在任何的电连接；通过由第一或初级线圈N₁中的交变电流引起的扩张和衰减的磁场，在第二线圈N₂中完全并唯一地产生电压。例如，如果每个线圈都各自具有5匝导线，且假定向初级线圈N₁施加10V的电压，则在次级线圈N₂中就会感应并测量出10V的电压。如果次级绕组N₂增加到10匝，而第一线圈N₁保持5匝，则线圈N₁和N₂之间的比例为1∶2，结果将是将在次级线圈N₂中感应并测量出20V的电压。  因此， V 1 V 2 = N 1 N 2 ]]>或 V 2 = N 2 N 1 V 1 ]]>
参照图5，发明人又进一步意识到，通过向次级线圈N₂添加负载R_L使得电流I₂流过负载R_L以及产生磁通量(次级磁通量)的次级线圈N₂，其中，所述磁通量与由初级电流引起的磁通量(初级磁通量)相反。
发明人已经做出的进一步改进在于，利用电线制成初级线圈，而利用诸如海水(例如，在本发明应用于船舶时)的导电介质的电路形成次级线圈，于是该介质作为次级线圈和负载，可以将电流感应到导电介质，而不需要与导电介质进行直接的电接触。
发明人还利用次级绕组的有限匝数形成次级来做出进一步的改进。优选地，次级包括用于运送导电介质的绝缘导管(管道)的单个绕组。绝缘导管内的介质本身形成了“负载”，在负载中感应出电压场/电流。因此，在应用于航海环境时，水可以是导电的海水。在其他应用中，介质可以是另一种流体。
图6示出了这种改进的一个组件实施例。围绕着芯2设置初级绕组或多个绕组1。示出了通过芯的次级绕组3的横截面。导管结构4中示出了次级“绕组”的实例。
图7进一步示出了本发明的这个实施例。设置用于导电介质6通过的流径5的导管紧挨着芯2作为次级绕组3。以相反的构造来设置第一初级7和第二初级8。由于它们是以相反的方式排列的，所以以此方式，由绕组产生的外部电场就会相互抵消。
将电压施加给第一和第二初级7、8，并且当电流通过次级绕组3时，在导电介质6中感应出电流。优选地，以通过所生成的电流感应通过次级绕组的导电介质的每个“截面”或体积的方式来使电压和所产生的电流形成脉冲、并定时。本发明应用了电压和定时，并且产生了足以干扰、击昏或杀死导电介质中的生物的感应电流。
还有利地发现，在使用本发明的过程中，感应电流只是足以干扰和/或击昏生物以便，在例如生物通过管道然后被排除的时候，生物不能将其附着在导管的内部。然而，对于诸如食品消毒的应用来说，必须要达到能够有效杀死生物的水平。
显然，可以视想要达到的效果来使用不同的电流、电压和定时。例如，在航海应用中，要杀死或击昏藤壶等。鉴于此，可以将特定的电压施加给初级来形成特定的电压梯度，因此，在海水中感应出特定的电流密度。
连同此，发明人已经在设置与单个次级绕组相关的多个初级绕组方面做了进一步的改进。当海水中的电流足够高时，杀死生物污垢物受到海水回路电阻的限制。通过具有升压结构形式的多个初级和单个次级绕组来有效增加次级电压。
图8示出了本发明的包括多个初级的优选形式。例如，本实施例可以用在用于对船舶引擎提供冷却流体的冷却管道上。当海水6或导电介质进入本发明时，使其路径被分离，其中，一些海水通过第一初级7，而另一些海水通过第二初级8。区域3和整个水回路次级形成本发明的感应了电流的次级负载。
次级导管优选地为电学上绝缘的，例如PVC管。
图9示出了根据本发明的一个实施例的驱动器电路。交流(AC)电源9向高电压源(High Voltage supply)10提供电源。对于航海应用来说，该电压源可以是约1000V到2000V。连同定时器12以及驱动器电路13，合适的电路的脉冲形成器11用于向初级7和8传送能量脉冲。导管中的导电介质3和6形成次级。
图10示出了本实施例的优选定时脉冲。根据本发明的应用，优选地将多个约为700纳秒周期的脉冲14用于航海应用中。可以根据将要在导电流体中感应的电流的等级来使用一个或多个脉冲。例如，根据导管中的流体的流速和本发明的应用，可以在脉冲、或脉冲串之间设置8到10微秒的延迟。许多研究人员已经检验了电脉冲对各种类型的水生动物和其他生物物种所起的作用。恰当幅度的脉冲将杀死多种类型的代表生物污垢生物的海洋生物是通过文献已知并有所支持的。根据本发明所适用的应用，可以将合适的脉冲感应到导电介质中。
本发明的磁芯可以由例如，钢、金属合金、铁氧体或非晶合金(金属玻璃)的各种材料制成。
本发明的应用有很多，包括但不限于：
●在诸如，流体(例如水或血液)以及相关产品的介质中感应出电流，
●对食品的有利处理或杀菌，其中，通过由本发明传送的电流来干扰、杀死或击昏生物，
●诸如饮用水和/或用于工业处理的水(诸如，用于冷却塔等，其中(另外)，可以生长军团菌和其他类似生物)的水处理，
●可以将电流传送至远程物体的装置和/或方法，例如，关于用于向生物(诸如动物和人)传送电流的高压电击枪(taser)，
●各种医疗应用，其中，电流的传送用于外科手术和其他内科治疗，
●在船只、船舶或潜水艇内部的导管或蓄水装置(诸如压舱物)可能由于海水中存在的生物而变得狭窄。本发明涉及减轻或防止生物污垢和物种的运输，
●在蓄液容器和场所(诸如容器、水箱、水坝、灌溉系统等)的处理中。本发明可以与流体传输系统一起使用，在流体传输系统中，在将水传送至另一个水坝或容器，或者将水返回到原来的容器或水坝之前，对来自具有藻类或其他不想要的生物的水坝或蓄水容器中的水进行处理。
●对饮用水杀菌，防止诸如霍乱的疾病。
尽管已结合具体实施例对本发明进行了描述，但是应理解可以对本发明作出其他的改变。只要在本发明所属技术领域中的已知或习惯做法，或者只要可以应用于本文中之前所提出的基本特征的范围内，本申请意欲涵盖通常遵照本发明的原理并且包括与本公开相背离的本发明的任何变化使用或改变。
由于可以以多种形式来实现本发明，而不脱离本发明的实质性特征的精神，所以应理解，除非另有说明，上述的实施例并非用于限制本发明，而是应该广义理解为包括在如附加权利要求所限定的本发明的精神和范围内。意欲将各种改变和等同替换包括在本发明和附加权利要求的精神和范围内。因此，将会理解具体实施例用于说明可以实施本发明原理的多种方法。在后面的权利要求中，装置加功能权项意欲涵盖在执行所限定的功能时的结构，而不仅是结构上的等同物，而是等同的结构。例如，当钉子采用圆柱表面来将木制部件固定在一起，而螺丝钉采用螺旋表面来将木制部件固定在一起时，钉子或螺丝钉可能并不是结构上的等同物，但是在紧固木制部件的环境中，钉子和螺丝钉是等同的结构。
当“包括(comprises)/包括(comprising)”用于本说明书中时，它们用来说明规定特征、整数、步骤或组件的出现，但是并不排除存在或附加有一个或多个其他特征、整数、步骤、组件及其组合。