CN101291881B - 脉冲谐振设备 - Google Patents

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Abstract

一种流体处理设备，包括：具有第一终端和第二终端的电压源，与第一终端和第二终端连接并在第三终端和第四终端之间提供脉冲电压波信号的脉冲发生器；至少一个线圈，该线圈设置在靠近至少一个流体管道的位置，并且与第三终端和第四终端电连接；以及至少一个电容器，该电容器也与第三终端和第四终端电连接，从而形成具有电感L、电容C以及一定谐振频率的第一电路。脉冲发生器设置为产生频率约等于所述谐振频率的脉冲电压波。另外还有电路元件，该电路元件设置为使得到达线圈的电压脉冲重复地在处于所述频率的脉冲电压周期与零电压周期之间交替，每个周期延续的时间范围大约为2至33毫秒。

Description

脉冲谐振设备
技术领域
本发明涉及一种处理流体的设备，比如水，更特别地，涉及一种通过供电在流体中提供电磁场的流体处理设备。
背景技术
通过直流供电的电磁铁线圈进行流体处理的方式已经用了很多年。美国专利US 4,938,875示出了这样一种装置。通过直流电源(电池)或经过整流的交流电源可以提供直流电。例如，美国专利US5,702,600、US6,063,267以及US6,146,536改进了使用交流电的方法，仅使用一个经整流的半波来产生直流电(不需要滤波电容器)并且让线圈随着第二半波电流关闭时发射电磁波。在无电流期间，这些线圈在其共振频率上发射电磁波(通过将电容增加很小的量可以改变该共振频率)并向待处理的流体中发射高频电磁场。在‘600’专利中，使用二极管对波形进行整流，在‘267’专利中使用三极管进行整流。这些线圈通电行频为50或60Hz，并不处于线圈或电路的自然谐振频率。
美国专利US5,725,778公开了具有固定频率(500Hz)或扫描频率(1KHz到3KHz)的方波发生器，没有一个频率处于线圈或电路的自然谐振频率。
在线圈的谐振频率或者线圈构成的LC电路的谐振频率上激活或脉冲线圈的方式是已知的，尤其是在感应加热领域，美国专利US3,958,883就是使用这种装置的例子。
发明内容
本发明提供了一种流体处理设备，该设备向管道中的流体传递高频电磁信号。一个或多个形式上为低感应线圈的电磁场发生器设置在靠近管道的位置，比如缠绕在管道上。这些线圈具有联合的电感L，一个电容器配备有电容C，该电容器连接在这些线圈的终端之间而形成第一电路。第一电路具有可由线圈的电感、电容器的电容以及电路中的元件的互感和电容以及它们相互的位置关系决定谐振频率。这个谐振频率通常可由公式1/(2π√(LC))确定。在与此相同的谐振频率下，向第一电路施加脉冲电压，比如方波，由此使得线圈-电容器的组合共振而生成具有最小能量的强电磁场。
这种基本的装置的几种变化可以用于特定的流体。
1、可以使用两个或更多的线圈，各个线圈串联或并联连接。
2、当使用两个或多个线圈时，可以将各个线圈连接成或者缠绕成使得一个线圈产生的电磁场与剩余线圈中的一个或多个线圈相反。
3、每个线圈可以分成两个或多个部分，两个或多个线圈的各个部分可以以各种交替的方式排列。
4、脉冲电压发生器可以间歇地循环开关，例如在大约每隔2毫秒到33毫秒的范围内，或者在大约每隔8到11毫秒的范围内，以产生间歇式的脉冲。
5、脉冲电压发生器可以以不同的节拍循环地开关，可以如期望的那样以变化的节拍开关，而开和关的周期可以相同或不同。
6、该线圈-电容器电路的特定谐振频率可以使用微调电容器进行调节以产生介于1Hz和线圈的自然谐振频率之间的任何想要的频率。例如，可以选择大约10,000Hz到100,000Hz的频率范围。当使用低电感线圈时，相对较低的电压会导致较高的电流和较强的电磁场。同样地，通过较低电感的线圈，由于自然谐振频率使得线圈的寄生电容非常高，因此可以获得非常宽的谐振发射频率谱。
7、脉冲发生器可以通过直流电压供电，该直流电压可以通过各种不同的装置提供。例如，直流电压可以来源于直流电源，例如电池，或者来源于经过整流的交流电压源。变压器可以被用于交流电压源，比如商用电力线，以改变由该交流电压源提供的电压、电流或者同时改变电压和电流。
在一种实施例中，流体处理设备设置为包括电压源、在第一终端和第二终端与电压源连接并在第三终端和第四终端之间输出脉冲电压信号的脉冲发生器。第一线圈设置在靠近第一流体管道的位置，并与第三终端和第四终端连接以形成具有电感L1的第一电路。具有电容C1的第一电容器连接在第一电路中的第一线圈的终端之间。脉冲发生器设置为产生脉冲电压波形，其频率约等于电感-电容电路的谐振频率，即，约等于1/(2π√(L1C1)。电路元件设置为使得到达线圈的电压脉冲重复地在处于该频率的脉冲电压周期与零电压周期之间交替，每个周期延伸的时间范围大约为2至33毫秒。
本发明的流体处理设备还可以包括第二套线圈，可以是上面列出的美国专利US4,938,875、US5,702,600、US6,063,267以及US6,146,526中所描述的类型，或者处于审查中的名称为“全波整流电力水处理设备”、2005年10月11日提交的美国专利申请中所描述的类型。这些已授权的专利以及审查中的专利中请所公开的内容通过引用合并于此。
通过阅读详细的说明并参照附图，本发明这些特征和优点以及其它会变得显而易见。这里描述了本发明的特定实施例。本发明并非仅仅局限于这些实施例。本发明可以对所描述的实施例进行变化和修改，这些修改和变化仍然落入本发明的范围之内。
附图说明
图1为本发明的一种实施方式的电路示意图。
图2为本发明的第二种实施方式的电路示意图。
图3为本发明的第三种实施方式的电路示意图。
图4为本发明的第四种实施方式的电路示意图。
具体实施方式
本发明涉及具有各种应用的流体处理设备。在一种实施方式中，该流体处理设备用在这样一种环境中，比如一个蒸发冷却器，水通过冷却器再循环并且会生出水垢并滋生微生物。还可以预期使用这种设备的其它类型的环境，比如加热系统。为了对本发明的实施例进行描述，会讨论使用一个或多个流体管道的流体处理设备，应该理解，这些管道可以用来输送热水或冷水或者所期望的其它流体。
图1示出了本发明的一个特定实施例。在该实施例中，流体处理设备20设置为与电压源22连接。在图1所示的实施例中，示出了特定类型的电压源，但是应该理解这种特定类型的电压源并不是必须用于该流体处理设备20的所描述的配置中。图1所示的特定类型的电压源包括电池23。下面描述了各种提供电压的装置。
流体处理设备20包括脉冲发生器24，其可以是方波发生器或者产生除方波之外的其它波形的设备。该脉冲发生器24具有与电压源22的第一电压线28连接的第一终端26以及与电压源的第二电压线32连接的第二终端30。脉冲发生器24具有输出脉冲电压信号的第三终端34和第四终端35。在某些装置中，第二终端30和第四终端35可以具有相同的电势或者就是同一个终端。
脉冲发生器24可以设置成本领域公知的多种不同样式，其中包括采用单独的电路元件，例如电阻器、电容器和比较器，或者也可以采用公知的可编程集成电路。
流体处理设备20也包括第一电磁力(EMF)发生器，该发生器形式上可以是缠绕在第一流体管道38周围或靠近第一流体管道38放置的线圈36。该第一线圈36具有与第三终端34电连接的第一末端40以及与第四终端35电连接的第二末端42，从而形成具有电感L1的第一电路44。具有电容C1的第一电容器46连接在第一电路44的第一线圈36的末端40与末端42之间，也就是说，终端34和35之间。电容器46可以是单个的电容器，或者是多个电容器，包括可以调节的微调电容器。可以调节电路44的电容从而提供10,000Hz到100,000Hz之间的谐振频率。脉冲发生器24配置和布置为在第三终端34和第四终端35之间产生脉冲电压波，该电压波的频率约等于电路的谐振频率，即，1/(2π√(LC)，其中L是电路的总电感而C是电路的总电容。电路的谐振频率可以通过经验测试来确定，比如使用示波器，而不必通过公式计算谐振频率。这就允许对谐振频率进行比较精确的测定，因为某些电路元件以及电线本身都可能影响电路的电感或电容。第二终端20和第四终端35可以处于相同的电势，比如在提供给脉冲发生器24的电压为直流电压时接地，或者这两个终端可以在不同的时间点处于不同的电势。
脉冲发生器24，或者其输出端，可以通过一个电路元件间歇地循环开关，比如在大约每隔2毫秒到33毫秒的范围内，或者在大约每隔8毫秒到11毫秒的范围内，从而向第一线圈36提供间歇式的脉冲(开)和无脉冲(关)周期。图1示出的电路元件47被放置在电压源22和脉冲发生器24之间，而在图2中则示出被放置在脉冲发生器24和第一线圈36之间。当该电路元件设置在如图1所示的电路中时，并且当电压源22为交流电源时，该电路元件可以是整流设备，比如二极管，其每隔半个电流周期就有效地关闭给脉冲发生器24的电力。由电路元件47提供的开关周期可以彼此相同，或者可以长度上不同，每个周期可以在第一线圈36操作期间保持恒定的时间长度，或者可以随时间变化。可以将方波发生器设置为脉冲发生器24，其包括可编程的集成电路(PIC)，而该PIC可以用于根据选定的时间开启和关闭脉冲发生器的输出，而且如图3所示，此时该电路元件47位于脉冲发生器24之内。
图2示出了本发明的另一个实施例，其中除了形式上为具有电感L2的第二线圈48的第二EMF发生器与第一线圈36串联连接之外，所有的元件与图1中示出的相同。第一线圈36可以制作成两部分，第二部分包括第二线圈48，或者将一个单独的线圈用作第二线圈。在这种设置中，两个线圈均通过自己串联合并的电感以及当两个线圈彼此相对接近放置时的互感而对第一电路44的总电感有贡献。依赖于期望产生的电磁场，第一线圈36和第二线圈48可以完全重叠，或者重叠到有限的程度，两个线圈可以是邻接的(只有线圈的绝缘层的厚度分隔相邻的线圈的线)，或者它们可以是间隔开的，例如间隔等于0.75英寸，从而仍然提供每个线圈所产生的电磁场之间的交互作用。脉冲发生器24配置和布置为在第三终端34和第四终端35之间产生脉冲电压波，该电压波的频率约等于这个具有总电感L和总电容C的电路的谐振频率。在该电路中，电容器46连接在串联连接的两个线圈36和48的末端之间，也就是终端34和35之间。
可以将第一线圈36和第二线圈48都缠绕在第一流体管道38上，或者可以将第二线圈缠绕在第二流体管道50上。当第一线圈36和第二线圈48都缠绕在第一流体管道38上时，可以依赖于要在流经管道38的流体上产生的作用，将这些线圈缠绕为或者连接成产生同向或反向的电磁场。也就是说，线圈36、48在管道38上的缠绕(卷绕)方向可以在相同或相反的方向上实现，或者线圈的布线方式(第一和第二末端的位置，以及由此确定的电流方向)可以在相同或相反的方向上实现。
图3示出了本发明的另一个实施例，其中除了形式上为具有电感L2的第二线圈52的第二EMF发生器与第一线圈36并联连接之外，所有的元件与图1中示出的相同，并示出了一种特定类型的电压源。在这种设置中，两个线圈均通过自己并联连接的电感以及当两个线圈彼此相对接近放置时的互感而对第一电路44的总电感有贡献。依赖于期望产生的电磁场，第一线圈36和第二线圈52可以完全重叠，或者重叠到有限的程度，两个线圈可以是邻接的(只有线圈的绝缘层的厚度分隔相邻的线圈的线)，或者它们可以是间隔开的，例如间隔等于0.75英寸，从而仍然提供每个线圈所产生的电磁场之间的交互作用。脉冲发生器24配置和布置为在第三终端34和第四终端35之间产生脉冲电压波，该电压波的频率约等于这个具有总电感L和总电容C的电路的谐振频率。在该电路中，电容器46连接在并联连接的两个线圈36、52的末端之间，也就是终端34和35之间。
可以将第一线圈36和第二线圈52都设置在靠近第一流体管道38的位置(如管道38和50的虚线连接所示，使它们成为单个的管道)，或者可以将第二线圈设置在靠近第二流体管道50(作为分开并且独立的管道)的位置。正如上面提及的，当第一线圈36和第二线圈52都设置在靠近第一流体管道38的位置时，可以依赖于要在流经管道38的流体上产生的作用，将这些线圈布置为产生同向或反向的电磁场。也就是说，例如，线圈36、52在管道38上的缠绕(卷绕)方向可以在相同或相反的方向上实现，或者线圈的布线方式(第一和第二末端的位置，以及由此确定的电流方向)可以在相同或相反的方向上实现。
在图3的实施例中，示出了一种特定类型的电源，但是应该理解，这种特定类型的电源并非必须与该流体处理设备20的并联线圈构造一起使用。图3所示的特定类型的电源包括变压器54，该变压器在主变压器线圈58处与交流电源56连接以提供期望的最大电压以及在副变压器线圈60处提供期望的交变电流。第一导电体62与副线圈60上的第一点64电连接。第二导电体66与副线圈60上与第一点64间隔的第二点68电连接。如果需要可以将交流波形变化为直流波形，例如通过设置在脉冲发生器24内的整流装置，或者通过在副变压器线圈60和脉冲发生器之间增加其它公知的电路元件。
如图4中简要示出的，本发明的流体处理设备20可以还包括第二套EMF发生器，其可以是线圈110和112的形式，可以是上面列出的美国专利US4,938,875、US5,702,600、US6,063,267以及US6,146,526中所描述的类型，或者2005年10月11日提交的名称为“全波整流电力水处理设备”的处于审查中的美国专利申请中所描述的类型。这些授权的专利以及审查中的专利申请所公开的内容通过引用合并于此。
在图4的布置中，该流体处理设备已经被扩展为不仅包括第一套线圈36、52，而且包括第二套线圈110、112。这里示出第一套线圈36、52为缠绕管道38的一对线圈，他们产生相反的电磁场(如箭头所示)。示出第二套线圈110、112为有两部分组成的一对线圈，第一线圈的第一部分110a和第二部分110b间隔开，而第二线圈的第一部分112a和第二部分112b插在其中。两个线圈110、112的两个部分被连接成或缠绕为每个线圈的第一部分产生的电磁场与每个线圈的第二部分产生的电磁场方向相反，如箭头所示。交流电源114被设置用于激励线圈110、112，其可以与为第一套线圈36、52设置的交流电源相同或不同，通过反向设置的二极管180、182在交流周期的一半为第一线圈110供电而在交流周期的另一半为另一个线圈112供电，给线圈的电流的突然切断导致线圈在其谐振频率处发射电磁波。
尽管图4示出了一种两套线圈组合的特定布置，应该理解任何线圈以及参照图1-3所描述的布置可以根据上面列出的任何参考专利和专利申请进行设置和操作的第二套线圈一起使用。
通过前述说明可明显看出，本发明允许通过各种变化和修改来实现，这些修改和变化可以与前述的说明和描述记载的方式显著不同。应该理解，我们希望本专利范围涵盖所有合理且适当地来自我们对现有技术做出贡献的范围的修改。

Claims (22)

1.一种流体处理设备，包括：
脉冲发生器，所述脉冲发生器具有设置为与电压源连接的第一终端和第二终端，并且在第三终端和第四终端之间提供脉冲电压波信号，和
至少一个线圈，所述线圈设置在靠近至少一个流体管道的位置，并且与所述第三终端和第四终端电连接，而且至少一个电容器也与所述第三终端和第四终端电连接，从而形成具有总电感L、总电容C以及谐振频率的第一电路，所述脉冲发生器设置为产生频率等于所述第一电路的所述谐振频率的脉冲电压波形，以及
电路元件，所述电路元件设置为使得到达所述线圈的所述电压脉冲重复地在处于所述频率的脉冲电压周期与零电压周期之间交替，每个周期延续的时间范围为2至33毫秒。
2.根据权利要求1所述的流体处理设备，其中所述电压源包括经整流的交流电压。
3.根据权利要求1所述的流体处理设备，其中所述电路元件位于所述电压源与所述脉冲发生器之间。
4.根据权利要求1所述的流体处理设备，其中所述电路元件位于所述脉冲发生器与所述线圈之间。
5.根据权利要求1所述的流体处理设备，其中所述范围为8至11毫秒。
6.根据权利要求1所述的流体处理设备，其中每个脉冲电压周期延续的时间与每个零电压周期不同。
7.根据权利要求1所述的流体处理设备，其中所述第一电路的所述总电感和所述总电容被调节为使所述谐振频率在10,000Hz和100,000Hz的范围内。
8.根据权利要求1所述的流体处理设备，包括靠近所述流体管道的第二线圈，所述第二线圈具有电感L2，并且具有与所述第一电路中的所述第三终端电连接的第一末端以及与所述第四终端电连接的第二末端，从而形成所述第一电路的总电感L、总电容C以及谐振频率，而且其中所述脉冲发生器设置为产生频率与所述第一电路的所述谐振频率相等的脉冲电压波。
9.根据权利要求8所述的流体处理设备，其中所述第二线圈与所述第一线圈串联连接。
10.根据权利要求8所述的流体处理设备，其中所述第二线圈与所述第一线圈并联连接。
11.根据权利要求8所述的流体处理设备，其中所述第一线圈在所述管道内产生第一方向上的第一电磁场，而所述第二线圈在所述管道内产生方向与所述第一方向相反的第二电磁场。
12.根据权利要求8所述的流体处理设备，其中所述第一线圈在所述管道内产生第一方向上的第一电磁场，而所述第二线圈在所述管道内产生同样在所述第一方向上的第二电磁场。
13.根据权利要求1所述的流体处理设备，进一步包括第二线圈，所述第二线圈设置为与靠近所述流体管道的第一电路中具有交流波形的电压源连接，还包括位于第一电路中的电路元件，用于在交流波形的每个周期的至少一部分中在所述第一线圈中激励高频电磁场。
14.根据权利要求1所述的流体处理设备，进一步包括
第二线圈，所述第二线圈设置为与靠近所述流体管道的第一电路中具有交流波形的电压源连接，
第三线圈，所述第三线圈设置为与靠近所述流体管道设置的第二电路中具有交流波形的电压源连接，
位于所述第一电路中的电路元件，用于在所述交流波形的第一半周期中在所述第一线圈中激励高频电磁场，以及
位于所述第二电路中的电路元件，用于在所述交流波形的第二半周期中在所述第二线圈中激励高频电磁场。
15.一种流体处理设备，包括：
电压源，
脉冲发生器，所述脉冲发生器在第一终端和第二终端与所述电压源连接，并在第三终端和第四终端之间输出脉冲电压波信号，
第一线圈，所述第一线圈缠绕在第一流体管道周围，并具有与所述第三终端电连接的第一末端以及与所述第四终端电连接的第二末端，从而形成具有电感L的第一电路，
第一电容器，所述第一电容器连接在所述第一电路中的所述第三终端和所述第四终端之间，从而形成所述第一电路的电容C并为所述第一电路提供谐振频率，所述脉冲发生器设置为产生频率等于所述谐振频率的脉冲电压波信号，以及
电路元件，所述电路元件设置为使得到达所述线圈的所述电压脉冲重复地在处于所述频率的脉冲电压周期与零电压周期之间交替，每个周期延续的时间范围为2至33毫秒。
16.根据权利要求15所述的流体处理设备，包括围绕所述流体管道的第二线圈，所述第二线圈具有电感L2，并且具有与所述第一电路中的所述第三终端电连接的第一末端以及与所述第四终端电连接的第二末端，从而形成所述第一电路的总电感L、总电容C以及谐振频率，而且其中所述脉冲发生器设置为产生频率与所述第一电路的所述谐振频率相等的脉冲电压波。
17.根据权利要求16所述的流体处理设备，其中在所述第一流体管道上所述第一线圈与所述第二线圈间隔0.75英寸的距离。
18.根据权利要求16所述的流体处理设备，其中在所述第一流体管道上所述第一线圈与所述第二线圈邻接。
19.根据权利要求16所述的流体处理设备，其中在所述第一流体管道上所述第二线圈与所述第一线圈至少部分地重叠。
20.根据权利要求16所述的流体处理设备，其中所述第一线圈在所述管道内产生第一方向上的第一电磁场，而所述第二线圈在所述管道内产生方向与所述第一方向相反的沿第二方向的第二电磁场。
21.根据权利要求16所述的流体处理设备，其中所述第一线圈在所述管道内产生第一方向上的第一电磁场，而所述第二线圈在所述管道内产生同样在所述第一方向上的第二电磁场。
22.一种流体处理设备，包括：
电压源，所述电压源具有第一终端和第二终端，
方波发生器，所述方波发生器与所述第一终端和所述第二终端连接，并在第三终端和第四终端之间输出方波信号，
至少一个线圈，所述线圈设置在靠近至少一个流体管道的位置，并且与所述第三终端和第四终端电连接，而且至少一个电容器也与所述第三终端和第四终端电连接，从而形成具有总电感L、总电容C以及谐振频率的第一电路，所述方波发生器设置为产生频率等于所述谐振频率的方波，以及
电路元件，所述电路元件设置为使得到达所述线圈的电压重复地在处于所述频率的方波周期与零电压周期之间交替，每个周期延续的时间范围为2至33毫秒。
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