Method and apparatus for supplying a current to the inside of the object or medium

本発明は、電流を物体もしくは媒質の内部に供給、および／または誘起する技術に関する。 特に、電流は、媒質内の物体または１以上の生物に影響を与え、殺し、動きを阻害し、または衝撃を与える。

本発明は、多くのアプリケーションを有する。 そのいくつかはここに詳細に説明され、海洋または船舶のアプリケーション、養殖業のアプリケーション、廃棄物処理のアプリケーションおよび流体処理を必要とするその他のアプリケーションを含む（これらに限定されるものではない）。

ある形態において、本発明は、流体などの媒質内に電界もしくは電流を誘起する技術に関する。 流体は、たとえば水、体液、食物および関連製品などである。

他の形態において、本発明は、離れた物体に、電界もしくは電流を供給することのできる手段および／または方法に関する。

アプリケーションの特定の形態において、本発明は、所謂「バイオファウリング」に関する。 パイプおよびその他の流体導管は、導管を流れる媒質内に存在する生物によって妨害され、さらには塞がれる。 たとえば、船、船舶、潜水艦の内部のパイプや貯水槽は、海水に存在する生物によって導管が狭くなる可能性がある。 本発明は、バイオファウリングおよび侵入生物種が移送されるのを軽減または防止する技術に関する。

他の特定の形態において、本発明は、媒質内に電流を誘起する技術に関する。 これは、相対的に「非接触」な形態で、電界もしくは電流を媒質内に供給する。 たとえば、電流は、媒質と直接接触する電極を必要とすることなく、媒質内へと供給される。

以下、本発明を、バイオファウリングを軽減するために電界もしくは電流を導管内に誘起する技術に関して説明するが、本発明は、そうした使用のみに限定されるものではないことは理解されるところである。 「バイオブロック」という語は、本明細書の主題である方法および／または装置に対して与えられた名前である。

本発明者は、フジツボやイガイなどの海洋生物により船舶の配管が汚れ、その結果配管が閉塞するために、海水冷却システムや海水消火システムに障害が生じていることを認識した。 さらに、船舶輸送により引き起こされる全世界的な環境問題として、さまざまな生物が、船舶のバラスト水に入って、ある国から他の国に移送されうることがある。 船舶は、荷物を積み込んだり、降ろしたりする際に、海中における安定性を保つために、海水を排出したり吸い込んだりする。 この結果、海洋生物および海洋生物種が港から港へ、国から国へと移送され、これは、場合によっては環境や養殖業に壊滅的な影響を及ぼすことが分かっている。

本発明者は、従来提案されているバイオファウリングを扱う様々な手法について認識している。 生体細胞、特に海洋で付着する可能性のある生物を殺すために電界もしくは電流のパルスを用いるアイデアは、新しいものではない。 たとえば、以下の２つの文献が存在する。
Amr, AG and KH Schoenbach (2000). " Biofouling prevention with pulsed electric fields. " IEEE Transactions on Plasma Science 28(1): 115-21. Block, R., F. Leipold, et al. (2001). " Pulsed electric field based antifouling method for salinometers. " PPPS-2001 Pulsed Power Plasma Science 2001. 28th IEEE International Conference on Plasma Science and 13th IEEE International Pulsed Power Conference. Digest of Papers (Cat.No.01CH37251). IEEE.Part vol.2, 2001: 1146-9 Vol.

しかしながら、これらの開示は、実験的には動作することが示されているものの、本発明者により、船舶のアプリケーションや、その他の一般的に用いられるアプリケーションなどの大きなスケールに対しては、実用的ではないことが分かった。 たとえば、水が流れるパイプに電極が設けられおり、この電極は、水に接触し、水に電流を供給するために用いられる。 電極は、１．５ｍｍから１ｃｍの間隔で配置され、従って、同じような小さい直径のパイプにのみ適用可能である。 電極を介して付与される電圧は、８ｋＶ／ｃｍのオーダである。 従って、より大きなパイプに適用するためには、数十万もの電圧が必要となるであろう。 特に、このような大きな電圧が、たとえば海水のような導電媒質と接触して用いられる場合には、安全性に対する心配が生じる。 また、電極故障や電極におけるイオン放出だけでなく、このような大きな電圧を生成し、スイッチングすることは困難である。

その他の問題として、養殖業に関するものがある。 本発明者は、養殖業の将来は、スペース、水および動物飼料用のフィッシュミールなどの天然資源に大きく依存していることを認識した。 その他の問題は、ヨーロッパの養殖業において広まった懸念を引き起こしている異なるウィルス性の病気の数と関係がある。 たとえば、伝染性サケ貧血（ＩＳＡ）である。 これは、大西洋サケが直面した壊滅的な病気であり、スコットランド、ノルウェーおよびカナダにおいて症例が報告されている。

ＥＵ法では、この病気は、ＥＵの水に対して外来のものと考えられている。 病気が確認された場合、緊急の魚の排除が必要となり、病気が疑われた場合には、多くの規制が導入される。 それらは、魚、設備、材料、人などの移動規制、ネットの消毒、および下記の事項を含む。 疑わしく、確認された場所の周囲には、ゾーンが設けられ、危険因子の評価に基づいて、類似の広い規制が、そのゾーンに位置する感染していない飼育場に適用される。

ＥＵ法では、感染したストックからの血液および内臓の水は、排出する前に、処理がなされなければならない。 他の悪性の病気は、ウイルス性出血性敗血症および伝染性膵臓壊死症である。 これらの病気は、マスやサケの自然の群れに多く見られる傾向があり、一般的に、高い死亡率である。 それゆえ、自然の生物資源が飼育場に入らないようにするだけでなく、非常に高い基準の給水を維持することは、重要な目的である。

磁気誘導により電流を導電性流体に誘起するという概念は、１９７０年代中頃に、本発明者により最初に考え出された。

本明細書における資料、装置、言動または知見の考察は、本発明の内容を説明するために含まれている。 構成要素のいずれかが、ここでの開示および請求項の優先日もしくはそれ以前の従来技術の一部、または、オーストラリアまたはその他の国における関連技術の一般知識の一部を構成すると認めるべきではない。

本発明の目的は、導電媒質内に電流を供給するために用いられる改良された方法および装置を提供することにある。

また、本発明のさらなる目的は、従来技術に付きものであった少なくとも１つの不都合な点を、多少なりとも解決することにある。

本発明は、ある態様において、電極を用いることなく、またいかなる外部電場を生じることなく、導電媒質（たとえば海水など）に電界もしくは電流を磁気的に誘起する。

また、本発明は、他の態様において、電気的に接触することなく（すなわち、完全に電気的に絶縁された状態で）、かつ（望ましくは）外部電場を生じることなく、流体もしくはその他の媒質内に電流を誘起する方法および／または装置を提供する。

さらに、本発明は、さらなる態様において、電気的に接触することなく（すなわち、電気的に絶縁された状態で）、かつ望ましくは外部電場を生じることなく、流体もしくは他の媒質内に電圧勾配を誘起する方法および装置を提供する。

本質的に、本発明は、媒質内の生物学的存在に影響を与え、殺し、または衝撃を与えるために、導電媒質内に電圧勾配を生じさせるのに用いられる方法および／または装置を提供する。

研究により、いくつかの生物は、存在する流体内の電流密度により影響を受けることがが示されている。 また、他の生物は、媒質内の電圧勾配により影響を受ける。 生物の物理的な大きさは、本発明を実行するために必要とされる大きさ（マグニチュード）の影響因子である。

たとえば淡水などの相対的に非導電性の媒質を処理するために、本発明は、ある態様において、印加電圧、および複数の変圧器鉄心の数と配置を操作することにより、好適な電圧勾配を印加する方法および／または装置を提供する。 この処理は、媒質内におけるパワーロスが最小となるので、比較的安価になると考えられる。

たとえば海水や血液などの相対的に導電性の媒質を処理するために、本発明は、ある態様において、印加電圧および複数の変圧器鉄心の数と配置を操作することにより、好適な電流密度を印加する方法および／または装置を提供する。 また、電力消費は、印加される電圧と電流の積に比例するので、本発明のジオメトリーは、パワーエレクトロニクスの電気容量を供給するために調整されてもよい。

他の態様および好ましい態様は、本明細書において開示され、および／または、本発明の記載の一部を構成する添付の特許請求の範囲に規定される。

さらなる発明の態様は、以下に関する。
・特に、変圧器の２次側として導電媒質（導管内の）を有する、磁気および電気回路の物理的構成・電場または磁場が生じるのを防ぐための、分散磁心上の分散１次巻線・媒質２次巻線に誘起された実効電圧の増大・海水および導電流体のアプリケーションに関連した、必要な電圧および電流密度を得るための単一の海水２次巻線・本発明の電気的な対称性と拡張性・実質的に外部電場を放射することなく、生物が流体導管を通過する際に、それらに影響を与え、殺し、衝撃をあたえること。

本発明に係る装置は、あるアプリケーションにおいて、船舶の冷却、消火、バラストに用いられる海水を消毒するために、船舶および港のインフラに取り付けられてもよい。

本発明のさらなる適用の範囲は、以下の詳細な説明によって明らかになる。 しかしながら、詳細な説明および具体例は、本発明の好適な実施の形態を示すものではあるが、例示として与えられただけであり、本発明の精神および範囲内の様々な変更および改良が明らかであることは、当業者であればこの詳細な説明から理解されるところである。

本発明のさらなる開示、目的、利点および態様は、添付の図面と併せて以下の好適な実施の形態の説明を参照することにより、関連する技術分野の当業者であればより理解されるであろう。 図面は、説明図として与えられるが、これらは、本発明を限定するものではない。

本発明は、従来技術を経由して、従来技術の問題に対する代替的な解法を考察する発明者によって創作された。 代替的な解法は、いくつかの比較的よく知られた電気理論に対してなされたいくつかのさらなる発展から生じている。

これに関して、本発明者は、図１に示すように、ワイヤーを流れる電流を取り囲む磁場が存在することが公知であることを理解している。 鉄くずは、磁場により磁気的に分極され、「先頭から最後尾へ」と、より適切には「一方の極から反対の極へ」と並べられる。 このように並ぶとき、鉄くずは、環状のパターンを形成し、このようにして、電流を取り囲む磁場の存在を示す。

本発明者は、さらに、図２に示すように、ワイヤーが図１の状態から円筒形のコイルに形成され、厚紙に通した場合、鉄くずは図２に示すような破線のようなパターンを形成し、それは、電気コイルに伴う磁場の存在と形状を表すことを理解している。

本発明者は、さらに、図３に示すように、コイルに磁心を追加することにより、磁束が大幅に増加されることを理解している。 たとえば、磁心が高透磁率の鉄で形成される場合、磁束密度は、磁心がない場合の１００，０００倍程度に増大される。 磁心の透磁率は、磁心ない場合に生成される磁場における増加率を表す。

本発明者は、さらに、図４に示すように、２次コイルＮ _２を磁心に追加することにより、変圧器が形成されることを理解している。 基本的に、変圧器は、図４に示されるような、磁気的に結合されたＮ _１およびＮ _２の電気コイルのセットである。 一方のコイルＮ _１に「交流」電圧が印加された場合、磁心内における交番磁界が電圧、望ましくは交流電圧を、２次コイルＮ _２に誘起する。 ２つのコイルＮ _１およびＮ _２間には、電気的な接続がないことを留意する。 ２次コイルＮ _２における電圧は、第１もしくは１次コイルＮ _１において交番電流により生じた磁界を拡大および崩壊させることにより、全体におよび排他的に生成される。 たとえば、それぞれのコイルが５回のワイヤーの巻き数を有しており、たとえば１０Ｖが１次コイルＮ _１に印加された場合、２次コイルＮ _２で１０Ｖが誘起され、測定される。 １次巻線Ｎ _１の巻き数が５回のままで、２次巻線Ｎ _２の巻き数が１０回に増えた場合、コイルＮ _１とＮ _２の比は１：２となり、その結果、２次巻線Ｎ _２には２０ボルトが誘起され、測定される。 この関係は、

本発明者は、さらに、図５に示すように、２次コイルＮ _２に負荷Ｒ _Ｌを追加することにより、負荷Ｒ _Ｌと２次コイルＮ _２を流れる電流Ｉ _２が生じ、これは、１次電流（１次磁束）とは反対方向の磁束（２次磁束）を発生させることを理解している。

本発明者は、１次コイルはワイヤーで形成するが、２次コイルを、たとえば海水（本発明のアプリケーションの例として船舶がある）などのような電気的に導電性の媒質の回路（ｃｉｒｃｕｉｔ）で形成することにより、さらなる発展を行った。 この媒質は、負荷としてだけでなく２次コイルとしても機能し、導電媒質に直接電気的な接触をする必要なく、導電媒質内に電流を誘起させることができる。

本発明者は、ごく限られた２次巻線の巻き数で２次側を形成することにより、さらなる発展を行った。 ２次側は、導電媒質を運ぶ非導電パイプ（導管）の１巻き（ｓｉｎｇｌｅ ｗｉｎｄｉｎｇ）を含むことが好ましい。 絶縁パイプ内の媒質そのものは、「負荷」を構成し、その内部に、電界／電流が誘起される。 従って、海洋環境のアプリケーションにおいて、水は、導電性である海水とすることが可能である。 他のアプリケーションにおいては、媒質は、その他の流体とすることも可能である。

図６は、この発展の一構成要素の実施の形態を示す。 １次巻線１は、磁心２の周囲に設けられる。 ２次巻線３は、磁心を通る断面図に示される。 ２次側の「巻線」の例は、パイプ構成４に示される。

図７は、本発明の実施の形態をさらに示す。 導電媒質６の流路５を備えるパイプは、２次巻線３として、磁心２を通過する。 第１の１次巻線７および第２の１次巻線８は、反対向きの構成となるように設けられる。 これにより、巻線によって生じる外部電場は、巻線が反対向きに配置されるので、互いに打ち消し合う。

電圧は、第１および第２の１次巻線７，８に印加され、導電媒質が２次巻線３を通過する際に、導電媒質６内に電流が誘起される。 電圧、およびその結果生じる電流は、それぞれの「セクション」すなわち２次巻線を通過する導電媒質のボリュームが、生成される電流を伴って誘起されるように、パルス状にされ、時間が調整されることが好ましい。 本発明では、電圧およびタイミングが印加され、誘導電流は、導電媒質内の生物に影響を与え、衝撃を与え、または殺すのに十分な程度に発生される。

また、本発明を用いる際には、たとえば、それ自体をパイプの内部に取り付けることはできず、生物がパイプを通って力尽きるのには時間が掛かるので、単に生物に影響を与え、衝撃を与えるだけで十分であることが分かっている。 しかしながら、たとえば食品滅菌などのアプリケーションの場合には、生物を殺すのに効果的なレベルに達することは必要である。

当然であるが、求める結果に応じて、さまざまな電流、電圧およびタイミングが用いられる。 たとえば、海洋のアプリケーションでは、フジツボなどを殺すか、衝撃を与えることが望まれる。 このために、特定の電圧が１次巻線に印加され、その結果、特定の電圧勾配を生じ、特定の電流密度が海水内部に誘起される。

これに伴って、本発明者は、単一の２次巻線とあわせて、複数の１次巻線を設けるというさらなる発展を行った。 海水内の電流は、これは十分に大きい場合には海洋付着生物（バイオファウラント）を殺すが、海水ループの抵抗によって制限される。 複数の１次巻線および単一の２次巻線により、２次電圧は、効果的に増大され、ステップアップ構成の形態を提供する。

図８は、複数の１次巻線を含む本発明の好適な実施の形態を示す。 この実施の形態は、たとえば、船舶のエンジンに冷却液を供給するために用いられる冷却管に用いられる。 海水６すなわち導電媒質が本発明に入るとき、その流路は、分割される。 海水の一部は第１の１次巻線７を通り、他の海水は、第２の１次巻線８を通る。 領域３および全体の水ループは、本発明の２次的な負荷であり、これに電流が誘起される。

２次側のパイプは、たとえばＰＶＣチューブなどのように、電気的に非導電性であることが好ましい。

図９は、本発明の一実施形態に係る駆動回路を示す。 ＡＣ電源９は、高圧電源１０に電源を供給する。 供給電圧は、海洋アプリケーション用としては、１０００Ｖから２０００Ｖのオーダであってよい。 タイマー１２およびドライバ回路１３とともに、適当な回路のパルス発生器１１が、１次巻線７および８にエネルギーのパルスを供給するために用いられる。 パイプ内の導電媒質３および６は、２次巻線を形成する。

図１０は、本実施の形態の好適なタイミングパルスを示す。 発明のアプリケーションにもよるが、海洋のアプリケーションでは、だいたい７００ナノ秒の時間幅の多数のパルス１４を用いることが好ましい。 １つもしくは複数のパルスを、導電性流体に誘起させるべき電流の程度に応じて用いることができる。 たとえば、パイプ内の流体の流速および発明のアプリケーションに応じて、８から１０ミリ秒のディレイが、パルス間もしくはパルス列に設けられてもよい。 多くの研究者が、水生およびその他の生物学的種のさまざまな種類に対し、電気パルスの効果を調査している。 適確な大きさの電気パルスは、海洋生物のいくつかの種類を殺すことがよく知られており、また文献により裏付けられている。 これらの生物は、代表的なバイオファウリングの生物である。 本発明が適用されるアプリケーションに応じて、適当なパルスが導電媒質内に誘起されてもよい。

本発明の磁心は、さまざまな材質、たとえば、鉄、金属合金、フェライト、アモルファス合金（ガラス金属）などで形成することができる。

本発明のアプリケーションは、多くあり、以下のものを含むが、これらに限定されるものではない。
・流体などの媒質内への電流の誘起。 流体としては、たとえば、水や食品およびその関連製品などがある。
・食品の好ましい処理もしくは殺菌。 食品の内部において、生物は、本発明で供給される電流により影響を受け、殺され、衝撃を受ける。
・飲料水および／または産業処理に用いられる水などの水処理。 たとえば、クーリングタワーなどに用いられる。 このような場所では（さもなければ）、レジオネラ菌および他の類似の生物が増大する可能性がある。
・電流を、離れた物体に供給可能な手段および／または方法。 たとえば、動物や人間などの生物に電流を供給するのに用いられるテーザー銃などがある。
・さまざまな医療用アプリケーション。 医療用アプリケーションでは、電流の供給が、手術や治療に用いられる。
・海水内の生物の存在により妨害される可能性のある船、船舶もしくは潜水艦内部のパイプや貯水槽（バラストタンク等）内。 本発明は、バイオファウリングおよび生物種の移送を軽減もしくは防ぐ。
・コンテナ、タンク、ダム、灌漑システムなどの流体貯蔵容器やサイトの処理。 本発明は、流体移送システムとともに用いてもよい。 そこでは、藻やその他の不要な生物を有するダムまたは貯水コンテナからの水が、他のダムまたはコンテナに輸送される前に、またはもとのコンテナもしくはダムに戻る前に、処理される。
・コレラなどの病気からの飲料水の殺菌。

本発明を具体的な実施の形態に基づいて説明したが、さらなる変形が可能であることは理解されるところである。 本出願は、一般に本発明の原理に従い、本発明の属する技術分野における既知のまたは慣習的な実践法の中に入るようなしかも上述の基本的特長に適用されうるような本開示からの逸脱を内含する、本発明のあらゆる変形形態、用途又は適合を網羅するように意図されている。

本発明は、発明の本質的特徴の精神から逸脱することなくいくつかの態様において具現化することが可能であるので、上記の実施の形態は、他に特段の断りがなければ、本発明を限定するものではなく、むしろ添付の特許請求の範囲に記載された発明の精神と範囲内であると広く解釈されるべきであることは、理解されるところである。 いろいろな変形例および等価なアレンジメントが、本発明および添付の特許請求の範囲の精神および範囲に含まれることは意図されている。 それゆえ、特定の実施の形態は、本発明の原理が実行されうる多くの手段の具体例であることは理解されるところである。 特許請求の範囲で、ミーンズプラスファンクション条項は、規定された機能を実現する構造物と、構造的均等物だけでなく均等な構造物とをカバーすることを意図している。 たとえば、釘とねじは、釘は、木製部材をともに固定するために円柱面を有し、一方でねじは、木製部材をともに固定するためにらせん状の面を有しているという点において、構造的均等物ではないかもしれないが、木製部材を固定するという環境においては、釘とねじは均等な構造物である。

本明細書において、特徴、整数、ステップまたは構成要素の存在を特定するために、「〜を含む」が用いたが、１つまたは複数の他の特徴、整数、ステップ、構成要素もしくはそのグループの存在もしくは追加を排除するものではない。

ワイヤーを流れる電流を取り囲む電場の存在を示す従来技術の図である。

コイルに流れる電流を取り囲む電場の存在を示す従来技術の図である。

磁心における磁束を示す従来技術の図である。

従来技術の変圧器を示す図である。

負荷が存在する場合の変圧器の磁束を示す従来技術の図である。

本発明の一実施形態に係る構成要素の例を示す図である。

本発明の実施の形態を示す図である。

本発明の他の実施の形態を示す図である。

本発明のバイオブロック起動のブロック図である。

所望の効率および効果を達成するために導電媒質に印加された電圧／電流波形の種類を示す図である。