用于防止水中有机体粘附到与水接触的基体的系统和方法 |
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| 申请号 | CN201280074320.0 | 申请日 | 2012-08-28 | 公开(公告)号 | CN104395190A | 公开(公告)日 | 2015-03-04 |
| 申请人 | 艺科环球科技私人有限公司; | 发明人 | 周辉煌; | ||||
| 摘要 | 本 发明 提供一种用于防止 水 中有 机体 粘附到与水 接触 的基体上的系统，其中，所述基体和绕所述基体流动的水一起形成处理区，所述系统包括：用于产生具有时变 频率 的 电磁波 的发生器，所述发生器具有至少两个输出 端子 ，其中一个与所述处理区的第一激励部位电连接； 雪 崩 电流 抑制器，该抑制器的一个端子与所述发生器的输出端子的另一个电连接，而该抑制器的另一个端子则与所述处理区的第二激励部位电连接；以及电源，该电源连接到所述发生器以用以将 选定 电压 施加到所述发生器，其中，所述电压被施加使得所述发生器被触发以产生时变频率电磁波，所述电磁波能够在所述水中和/或所述基体的表面上诱发雪崩电流以电击或杀伤有机体。本发明还提供一种用于防止水中有机体粘附到与水接触的基体上的方法。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于防止水中有机体粘附到与水接触的基体上的系统，其中，所述基体和绕所述基体流动的水一起形成处理区，所述系统包括： |
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| 说明书全文 | 用于防止水中有机体粘附到与水接触的基体的系统和方法技术领域[0001] 本发明总地涉及防止水中有机体将其自身附着到暴露于水的基体的领域，并且更具体地涉及用于通过使用雪崩电流防止有机体粘附到与水接触的基体的系统和方法，所述基体诸如是船体、船只、管线之类，所述雪崩电流由具有时变频率信号的电磁波诱发。 背景技术[0002] 生物淤积或生物积垢是微生物、植物、藻类和/或动物在水下船舰表面上的不利沉积、附着和生长。水下船舰表面上由海洋有机体造成的生物淤积是众所周知的问题。如果不控制海洋有机体在船只上的生长累积，那么该累积会大幅降低船只的速度、增加燃料的消耗并且堵塞海水冷却管线或任何海水进入和排出管线。除了船只应用以外，生物淤积控制也对海水冷却系统是必要的，该海水冷却系统诸如为发电站海水冷却水进入和冷凝器冷却系统等。 [0004] 已研发各种方法以解决上述问题，以移除海洋有机体的累积或防止海洋有机体的累积。这些方法中的一种是使用有毒化学品、涂料和金属离子化来控制生物淤积，但是该方法对环境有害。另一种方法是电气方法，该电气方法用以控制或防止有机体粘附。例如，可以从WO 2004/071863、US 6,209,472和JP2004183018了解这些电气方法。 [0005] WO 2004/071863公开了一种对水生有机体的抗淤积和消除系统，该系统包括安装在船舰结构一部分处的一个或多个阳极和阴极以及电连接到该阳极和阴极的至少一个脉冲发生器。生物淤积效果通过在阳极和阴极之间产生的高电场或低电场而获得，并且依赖于流过横跨两个电极的水的、携带电流的离子。该专利申请的系统具有较大的缺点，即生物淤积效果不能在阴极和阳极之间的空间外部实现。 [0006] 在WO 2004/071863A中，脉冲发生器产生DC脉冲电流，该电流从浸没在水中的阳极经由诸如海水等电解质而释放到阴极。同样地，氯气和次氯酸盐会在水中电极表面处或电极表面附近产生，并且杀伤生物有机体的效果实际上主要是由DC脉冲波电流产生的对环境有害的氯化作用实现的，而不是完全通过脉冲波电击或杀伤作用而实现的。 [0007] JP 2004183018涉及一种抗淤积装置，该抗淤积装置通过使用导电基体和反电极常数之间的控制电流而实现电化学抗淤积效果。该装置基本是DC外加电流系统，用以将结构表面移动到电解液位势，以控制有机体的生长和附着，并且阳极和阴极周期交替。与WO2004/071863A类似，当DC电流施加在水中时，会产生氯气或次氯酸盐，并且该过程会变成对环境不利的化学消毒过程。应注意的是，其它化学品或涂层也包含在该专利申请中。 [0008] US 6,209,472公开了一种用以抑制海洋有机体在水下表面上生长的系统，该系统包括电流发生器、电源和接地电位点，所述电流发生器使得电流在水下表面附近流动，所述电源诸如为电池，用于将电力提供到电流发生器，其中电流流动从该水下表面穿过环绕该表面的水或接触该表面的水。再者，该系统使用脉冲DC发生器来产生氯或次氯酸盐以控制有机物生长。 [0009] 以上抗淤积方法和系统使用直流(DC)或DC脉冲波或DC组件。当DC脉冲或DC电流从电解液(如海水)中的电极释放时，会产生诸如氯气、羟离子、次氯酸盐或其它消毒副作用物等活性物质。产生所有这些活性物质实际上与对环境有害的诸如电子－氯化作用等基于化学的方法没有不同。根据国际海事组织(IMO)规定，认为产生此类物质是不可取的，并且由这些方法和系统处理过的水必须经过附加的评估程序，包括环境影响评估，以确保将消极影响保持到最低。 [0010] 上述方法和系统的另一劣势是它们基于常规的DC电解概念以遵循欧姆定律，此不能应用于AC电路。也就是说，流过包括水中电流路径的电路回路的电流总是恒定的，并且由总电阻决定。如果电阻是恒定的，则电流会保持恒定，除非驱动电压改变。根据欧姆定律，在诸如水等电解液中的电流流动特征在于“电流流经最低电阻和最短路径”，并且呈现电流阱和电流源位势分布型式。在水中没有电子流动，并且在水中的所有电流流动都是经由离子传导。当该电流流动遵循常规的电流流动时，在电解液中有许多盲点或盲区，在这些盲点或盲区处，常规欧姆电流或离子电流不能到达。典型地，这些盲点是定位在电流阱－电流源势场外部的区域。 [0011] 图1示出了基于常规DC组件的抗淤积布置的示意图。如图所示，阳极1和阴极2以间隔开的关系浸没在水中，DC或DC脉冲源3的正极和负极分别电联接到阳极1和阴极2，以在阳极1和阴极2之间产生电场4。常规DC或DC脉冲电流在阳极1和阴极2之间的电场4中流动。在图1中，清楚的是，常规DC或DC脉冲电流不能够到达远离阳极和阴极之间电场的区域51、52、53和54。如果存在此类盲区，细菌和微生物会在这些盲区很好地生存和生长，并且生物淤积控制会不太有效。 [0012] 主要的挑战一直是研发用于电流抗淤积方法和系统的替代技术，以防止在诸如船体等水下基体上或者诸如平台结构、海水冷却水系统、浮标等与水接触的基体上的淤积。为此目的，需要用以防止水中有机体粘附到与水接触的基体上的装置和方法，该装置和方法结构上非常简单、相对便宜并且更加环保，无论基体是处于静止状态还是在移动，都不会浸出毒质，但允许高效地控制或防止不必要有机体的附着。 发明内容[0013] 本发明已经研发，以满足上述需求，并因此具有主要目的：提供一种用以防止水中有机体粘附到与水接触的基体上的系统，该系统是环境友好的，并且不会将毒质浸入水中。 [0014] 本发明的另一目的是提供一种防止水中有机体粘附到与水接触的基体上的系统，该系统是经济得多并且方便使用。 [0015] 本发明的又一目的是提供一种用于防止水中有机体粘附到与水接触的基体上的系统，该系统允许高效控制或防止不必要有机体的附着。 [0016] 通过提供一种用于防止水中有机体粘附到与水接触的基体上的系统而满足本发明的这些或其他目的和优势，其中基体和绕该基体流动的水一起形成处理区，该系统包括： [0017] 用于产生具有时变频率的电磁波的发生器，所述发生器具有至少两个输出端子，其中一个与该处理区的第一激励部位电连接； [0018] 雪崩电流抑制器，该抑制器的一个端子与该发生器的输出端子的另一个电连接，而该抑制器的另一个端子则与该处理区的第二激励部位电连接；以及 [0020] 其中，施加电压使得发生器被触发以产生时变频率电磁波，该电磁波能够在水中和/或基体的表面上诱发雪崩电流以电击或杀伤有机体。 [0021] 根据本发明，基体可以由导电材料或不导电材料制成。对于不导电材料，如果各激励部位定位在不导电基体上，那么一个或多个金属元件可以设置在该激励部位处以与发生器或抑制器电连接。可替换地，电磁波发射器可以用于与金属元件相同的目的。 [0022] 第一激励部位或第二激励部位的位置可以根据实际需要和要求进行变化。两个激励部位可以以间隔的关系布置在基体的相同表面上或者布置在基体的两个不同表面上。可能的是，第一激励部位或第二激励部位中的一个定位在基体的表面上，而另一个定位水中。 [0023] 优选地，发射器可以设置在第一激励部位和第二激励部位中的一个处或每个处，并且第一激励部位和第二激励部位藉由发射器而与发生器和抑制器电连接。 [0024] 在不导电材料的基体的情形下，处理区优选地被完全或部分地封闭，以加强雪崩波电流通量密度。 [0025] 有利地，时变频率电磁波的频率在大约100Hz至大约1MHz之间，优选地，在大约100Hz至大约200kHz之间。电磁波优选地具有在大约1Hz至大约1kHz之间的扫描频率。 [0026] 雪崩电流抑制器130设置以抑制或控制以指数增长的雪崩电流。抑制器可以从数字或模拟RLC电路、电感电路、电容电路、LC电路、RL电路或RC电路设计中选择，以适应不同应用的不同负载要求。抑制器的一个实例是包含电阻(R)、电感(L)和电容(C)的串联RLC电路，该串联RLC电路的特性是电流的幅值是频率的函数，并且电流在共振频率时达到最大值，由此实现限制处理区中电流量的效果，该处理区由基体和绕该基体流动的水限定。 [0027] 触发产生雪崩电流的电压可以非常小。在本发明的一个实施例中，电源为电磁波发生器供应大约24V至200V的峰间电压作为触发电压。 [0028] 本发明的另一方面是提供一种用于防止水中有机体粘附到与水接触的基体上的方法，其中基体和绕该基体流动的水一起形成处理区，该方法包括以下步骤： [0029] 提供用于产生具有时变频率的电磁波的发生器， [0030] 使处理区经受所产生的时变频率电磁波，其中所选定的电压施加到发生器，使得触发该发生器以产生时变频率电磁波，该电磁波能够在水中和/或基体的表面上诱发雪崩电流以电击或杀伤有机体， [0031] 抑制穿过该处理区的雪崩电流。 [0032] 不像用以防止有限水域中的有机体粘附的常规的基于DC组件的系统，本发明的本质是使用雪崩电流——一种自给快速增益的电流脉冲，雪崩电流由时变电磁波在基底的表面上或水中产生。雪崩电流不依赖于水中携带电流的离子，而是，雪崩电流是发生在水中的电子和带电粒子轰击的组合结果。已发现，在有机体的细胞膜上的受点在受热上或生理上是不喜电子雪崩和基体中的退出原子的，由此防止了微生物、海藻、生物薄膜和其它物质附着到基体的表面上。因此，在不对环境生态条件引起任何危害的情况下实现了抗有机体淤积的效果。 [0033] 常规的基于DC组件的系统特征在于阴极和阳极布置与电源的正极和负极端子相连接。相反，本发明中没有电极布置，并且所产生的电磁波是纯AC波，并且电磁波发生器可以直接连接到相同的金属片上，而不会引起短路的问题。 附图说明[0035] 图1是现有技术中已知的示例性布置的示意图。 [0036] 图2是用于防止海洋有机体粘附到与海水接触的基体上的系统的示意图，该系统是根据本发明第一实施例构建的。 [0037] 图3是用于防止海洋有机体粘附到与海水接触的基体上的系统的示意图，该系统是根据本发明第二实施例构建的。 [0038] 图4是用于防止海洋有机体粘附到与海水接触的基体上的系统的示意图，该系统是根据本发明第三实施例构建的。 [0039] 图5是用于防止海洋有机体粘附到与海水接触的基体上的系统的示意图，该系统是根据本发明第四实施例构建的。 [0040] 图6是用于防止海洋有机体粘附到与海水接触的基体上的系统的示意图，该系统是根据本发明第五实施例构建的。 具体实施方式[0041] 虽然以优选实施例示出并描述本发明，但是用以防止水中有机体粘附到与水接触的基体上的该系统可以以多种不同的构造、尺寸、形式和材料制成。 [0042] 常规地，应当理解的是，雪崩电流仅发生在容易产生电子穴对的气体等离子放电中或真空中，并且雪崩电流不会发生在水中或金属表面上。本发明基于这样的发现：通过使用时变脉冲低频电磁波激励水或金属能够在水中以及金属中产生雪崩电流。通过在水中产生雪崩电流，以“雪崩”方式轰击电子和带电粒子，而不遵循“常规的电流阱和电流源”位势分布和电流流动特征。电子和带电粒子的特性类似于荧光灯管中的电子轰击。为了控制和限制穿过水和基体的雪崩电流，雪崩电流抑制器因此需要合并到本发明中。 [0043] 由于电子和带电粒子的随机轰击，雪崩电流会到达水团中的细小间隙和角落，或者会到达基体的表面。由于雪崩电流在整个水体中行进，所以雪崩电流会在水中有效地杀伤或电击有机体，包括到达常规的基于DC组件的系统所不能到达的水中的盲点或盲区。 [0044] 当雪崩电流发生在本发明的表面上时，表面被“激励”或“变热”并且阻止有机体的附着或粘附。雪崩电流效果可以在基体的表面上和整个处理区的水中看到，其结果是环境不利于与水接触的基体的各部分中的有机体。化学品或活性物质不会被引入水中。 [0045] 也发现，雪崩电流会在完全封闭的不导电腔室(如塑料罐中)或部分封闭的不导电腔室(如带有开口端的非金属罐)中来回跳跃。由此，所测量的波电压和频率会以与微波炉中磁控管产生的高频率电磁波类似的特性被放大。频率和电压的放大有益于杀伤或控制水中的有机体的生长。 [0046] 本发明的显著特征是通过时变脉冲低频交替电磁波在水中和在基体表面上诱发雪崩电流。该时变脉冲低频波没有包含直流元件，使得不会发生包括生成氯气或产生活性物质等不必要的DC脉冲波或DC电解作用。实际上，DC脉冲波或DC电解作用具有其它劣势：形成在阴极表面处的生物薄膜和硬的化学鳞片，以减小活性阴极表面面积并增加用于氧气的扩散阻力，此对生物淤积和有机体控制具有许多消极效果。在本发明中，鳞片和生物薄膜的形成不会发生，因为使用了时变脉冲低频电磁波，并且也已发现在由本发明处理后水中的总体剩余氧气(TRO)含量以及消毒副作用物(DBP)的形成没有增加，并且对环境没有有害影响。此允许消除接受IMO型认可的活性物质评估的必要性。 [0047] 为了清楚和方便，海水中的“海洋有机体”在此被认为是附着到与海水接触的基体上的有机体的一个实例。应当理解的是，在任何其它电解液中的有机体都是适用的。 [0048] 现在参照这些图，图2提供了构建成与本发明的第一实施例一致的系统100。在该实施例中，系统100包括供电单元110、用以产生具有时变频率的电磁波的发生器120、雪崩电流抑制器130和诸如钢管的金属管140，海水流入该金属管140中。该金属管140、流入该管中的海水和流出该管但是围绕该管的水构成了处理区，该处理区经受具有时变频率的电磁场的处理。 [0049] 供电单元110电连接到发生器120。AC供电用在该供电单元110中。该供电单元110供应AC电压，以触发产生用以抗淤积的、在水中和/或管140的表面上的雪崩电流。供电单元110优选地为发生器120供应一峰间电压，该峰间电压根据实际应用在大约24V至大约200V之间。触发电压可以非常小。对于海水中的浸没钢结构，需要大约24V的最低峰间电压来触发产生雪崩电流。应当理解的是，触发电压越高，由发生器输出的、用以触发雪崩电流的电磁强度越强。 [0050] 该发生器120可以具有本领域已知的任何类型的装置，该装置能够产生时变频率电磁波。例如，该发生器是电路板、操纵台卡或铁氧体磁心天线，其中，线圈卷绕该天线。发生器120具有两个输出端子122、124，并且该端子122与雪崩电流抑制器130电连接。 [0051] 为了控制水中的不同有机体，需要大范围的频率，因为不同类型的有机体响应不同频率范围和电流强度。优选地，在本发明中使用的电磁波的时变频率在100Hz至1MHz的范围内，优选地，在100Hz至200kHz的范围内，同时扫描频率在大约1Hz至1kHz之间。时变频率电磁波的波形可以是矩形、三角形、正弦曲线或其它形式。 [0052] 雪崩电流抑制器130设置以抑制以指数增长的雪崩电流。抑制器130的第一端子与发生器的输出端子122电连接，并且抑制器130的第二端子与管140连接。本发明中的抑制器130如同用在荧光灯管中的镇流器，以限制穿过灯管的电流，在灯管处，电子在真空中从一端行进到另一端，以产生雪崩效果，通过灯管中电流的指数增长示出了该雪崩效果。抑制器130可以是数字或模拟RLC电路、L电路、C电路、LC电路、RL电路或RC电路，以适应不同应用的不同负载要求。在该实施例中，抑制器是串联RLC电路，该串联RLC电路的特征是电流的幅值是频率的函数，并且电流在共振频率时达到最大值，由此实现限制该处理区中电流量的效果。 [0053] 如图2所示，抑制器130的第二端子和发生器120的输出端子分别与位于管140的相同壁表面上处于间隔关系的第一激励部位160和第二激励部位150连接，从而不会引起短路的问题。当将触发电压施加到发生器时，时变脉冲低频电磁波产生并且在管140的壁表面上行进并且也在水中行进，以诱发雪崩电流。应当理解的是，此时在金属物质和水中没有发生气体放电等离子体现象，并且雪崩效果反映在波电流的增加中。因此，需要雪崩电流抑制器130来稳定和限制电流。 [0054] 在诱发雪崩电流后，在该管中和水中的电子和带电粒子会被以雪崩方式轰击，使得电流会在处理区中沿所有方向传送。电磁波可能由于高频而藉由趋肤效应在金属管的表面上行进，此会方便雪崩效果。如果电磁波在该表面上行进，那么该表面对于有机体会变成“热板”，有机体会选择留在水中而不是附着到该表面上。由此，整个管140完全经受雪崩电流处理，并且有效地防止了海洋有机体附着到该管上。此不像基于DC组件的系统，基于DC组件的系统中，电流仅在阳极和阴极之间流动，不会有电流流到阳极和阴极的电解液空间外部。 [0055] 为了激励雪崩电流，发生器的输出端子可以以各种方式连接到管或者连接到水。图3和4示出了图2中的布置的第二和第三示例性变型。 [0056] 在图3中，第一激励部位160和第二激励部位150定位在两个相对的表面上。在该实施例中，发生器120的两个输出端子124、122经由电磁波发射器170连接到第一激励部位160和第二激励部位150，电磁波发射器170接收在延伸穿过第一激励部位和第二激励部位上的管壁的通孔中。电磁波发射器170能够加强电磁波沿管的表面和在水中的传播。当从发射器对170中发出雪崩电流时，将会产生更加强烈的雪崩效果，并且水到该管的电压会增加几伏。为了导引雪崩电流，可以在发射器170和该孔之间填充电隔离材料172。隔离材料172允许时变频率电磁波和雪崩电流藉由趋肤效应从发射器传播到金属表面并沿金属表面传播。 [0057] 在图4中，发生器120的输出端子122藉由电磁波发射器170连接到水。如图所示，发射器170定位在管140中的水中。该布置也可以产生如图1和图2所示的雪崩效果。 [0058] 现在参照图5，其示出了构建成与本发明的第四实施例一致的系统200。在该实施例中，待处理的基体是由金属材料制成的水力旋流器壳体241。与以上所讨论的第一实施例类似，系统200包括供电单元210、用以产生具有时变频率的电磁波的发生器220、雪崩电流抑制器230以及含有海水的水力旋流器240。水力旋流器壳体241和海水构成处理区，该处理区经受具有时变频率的电磁场的处理。 [0059] 对供电单元210、发生器220和抑制器230的描述可以参考第一实施例中上述对应的单元，并且在此省略其描述。如图所示，发生器220的两个输出端子在壳体241的顶部和底部连接到壳体241，以诱发在水中和沿壳体241的表面流动的雪崩电流。雪崩电流有效地防止包含在水力旋流器内的水中的海洋有机体附着到壳体241上。 [0060] 图6示出了构建成与本发明的第五实施例一致的系统300。在该实施例中，系统300包括电源供应单元310、用以产生具有时变频率的电磁波的发生器320、雪崩电流抑制器330和诸如塑料管的非金属管340。在该实施例中的布置与上述第一实施例中示出的布置基本相同，但是与第一实施例不同之处在于该管由不导电的非金属材料制成，并且金属过滤器380设置成横跨管的横截面。为了激励塑料管340，可以如图6所示将发生器320的输出端子连接到金属过滤器380。多个金属过滤器可以用以提高效率。 [0061] 取代金属过滤器，电磁发射器可以定位在塑料管340中，以诱发管的表面上和水中的雪崩电流，这是在本领域的普通技术人员的能力范围内的。 [0062] 在该实施例中，由于塑料管340不能提供电流流动所循沿的导电通路，所以雪崩电流会在水中行进。为了对有机体产生显著的电击或杀伤效果，有利的是，完全或部分封闭整个结构以将水的体积减少到一定程度。在该封闭结构中，雪崩电流会来回跳跃使得电流加强。在该封闭结构中的所有有机体经受雪崩电流处理并且被防止附着到塑料管的表面上。 [0063] 如所能看到的，本发明以两种方式处理导电和不导电的基体。在导电基体的情形下，时变频率电磁波会同时在水中并沿由导电基体提供的导电通路行进。所诱发的雪崩电流足够强以电击并杀伤水中的任何活的有机体(还由于趋肤效应)。根据基体厚度和频率范围，可以设置或不设置发射器，并且可以改变激励部位。 [0064] 在非导电基体的情形下，时变频率电磁波会在水中行进，因为没有可用的导电通路。如果激励部位定位在无尽的开阔海域中，那么当电磁波远离激励部位时，雪崩波电流通量密度可能会变弱，以有效地控制有机体的附着在此情形下，优选的是，完全或部分地封闭该不导电的基体。 [0066] 因此，本发明提供用于防止有机体粘附到与水接触的基体上的装置和方法，该装置和方法非常简单、相对便宜并且更加环保，不会浸出毒质，并且提供高效的抗淤积效果。在该发明中，雪崩电流效果预期能够传播以遍布整个水体以及该基体的表面。 [0067] 虽然本文中示出的实施例意为用以防止水中有机体粘附到与水接触的基体上的示例性布置，但是本领域普通技术人员应当理解的是，本发明不限于所示实施例。本领域普通技术人员会在不偏离本发明的范围的情况下通过技术人员的普通知识设想到其它可能的变型和修改，但是此类变型和修改应落入本发明的范围内。 |
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