JP2013544641A - 高周波で導管内の流体を処理する方法および装置 - Google Patents

Abstract

高周波電磁信号を印加することによって導管内の流体を処理する装置は、導管まわりに延在する透磁性材料のコア要素、および１つまたは複数の一次コイルを備える。一次コイルは、コア要素が内部を通って延在し、少なくとも１つの信号発生器によって高周波電気信号で励磁される。一次コイルまたは一次コイルの少なくとも１つは、コア要素のあらゆる場所に有効磁界を確立するように、コア要素および導管の円周方向に延在かつ／または配置される。

Description

本発明は、高周波電磁信号を印加することによって導管に入っている流体を処理する方法および装置に関する。

導管内の流体に対するそうした信号の印加を実施することができる１つの方法が特許ＥＰ０７２０５８８Ｂに開示されている。この特許には、変圧器のコアに似た、適切なフェライトなど透磁性材料のコアと呼ばれる要素が、パイプなど導管の外面上に設けられそのまわりに円周方向に延在している構成が開示されている。電気導体の一次コイルすなわち巻線は、円周方向に延在するコア要素上の１つの位置に設けられる。コア要素は、一次コイルの内部を通って延在する。一次コイルは、高周波信号で電気的に励磁される。流体が入った導管は、変圧器の二次コイルとして働き、導管の軸と実質的に同軸の関係にある実質的に円形の磁束線を有する電磁界が流体中に作り出される。電磁界は軸方向に沿って伝搬し、一次コイルおよびコア要素の上流および下流において流体を処理する。

ＥＰ０７２０５８８Ｂに開示されているように、コアは、フェライト材料からなるまたはフェライト材料を担持するいくつかの個別の構成要素が、導管を完全に取り囲み一次コイルの内部を通る磁気誘導性アセンブリを形成するように共に固定されることによって構成され得る。

上述のような装置を、直径が大きくそれに応じて円周が長いパイプなど、導管に使用する場合に起こり得る１つの問題は、フェライト・コア内の磁界が、導管まわりで一次コイルから距離が増大するとともに減衰し、正しいレベルの磁界がパイプの全周まわりに確立されないことである。

一次コイルから遠ざかる方向における磁界の減衰は、一般的に、指数形態の減衰であり、パイプの寸法が増大するほど、磁界の減衰は、パイプおよびその中に入っている流体を処理するために正しい電界を作り出すのに不十分なほど急速に大きくなる。

この問題は、コア要素が、互いに固定されてパイプまわりに延在する透磁性材料のいくつかの物理的に別個の構成要素によって画成される場合、さらに深刻化する。例えば個々の要素の接面を全体としてコア要素の断面積の明らかな減少がないかたちで一緒にクランプ締めするように要素を互いに固定することによって、要素間において見かけ上良好な接触が達成されていても、依然としてコア要素の透磁率の局所的な減少がみられ、したがって、いくつかの個別の構成要素を有するコア要素において、一次コイル要素の位置から遠く離れたコア要素の領域内で磁束が大幅に減少することがある。

この問題は、有効透磁率を増大し低い抵抗の磁路を実現するように、磁気コアの断面積を増大させることによって部分的に改善することができる。しかし、コアの断面積を増大させることは、どのくらいの速さで磁界が減衰するかということに変化をもたらすことはできるが、磁場は一次コイルから遠ざかる方向に指数関数的に常に減衰しており、したがってその指数関数的減衰に増大された断面積の（非指数関数的な）利点がすぐにのみ込まれてしまう。これは、この手法には２つの主な問題、すなわち第１には、所与の寸法を超えるパイプは本質的に扱うことができないこと、第２には、扱うことができるパイプでも、太いパイプまわりにおける十分な磁束を確実にするのに必要なフェライトの体積および質量が、およそ実現不可能なほど急に大きくなる（必要な重量は、直径２メートルのパイプでメートルトンの単位に達し得る）、という問題があることを意味する。

太いパイプの問題に対処するために、またコアのあらゆる場所に十分なレベルの磁界が存在するようにするために、本発明は、電界がコアの円周まわりの１点または小さい領域にだけに印加されて一次コイルから遠ざかる方向に減衰してしまうのでなく、コアまわりの拡大された領域、例えば２つ以上の点に印加されることを実現する。

したがって、本発明は、コア要素全体のあらゆる場所に有効磁界を確立するように、少なくとも１つの一次コイルが導管まわりのコア要素の円周方向に延在するおよび／またはコア要素に関してそれぞれ配置されることを実現する。

コア要素が内部を通って延在し、導管の円周方向に互いに間隔を置いて配置され、互いに同期される高周波電気信号で励磁される、２つ以上の一次コイルがあってもよい。

したがって、コアのあらゆる場所に十分なレベルの磁界が存在するようにするために、電界は、コアの円周まわりの１点だけに印加されて一次コイルから離れる方向に減衰してしまうのではなく、コアまわりの２つ以上の点に印加される。

あるいは、またはそれに加えて、一次コイルまたは少なくとも１つの一次コイルは、導管の円周方向におけるコア要素の大部分の長さまわりに延在することができ、それによって一次コイルまたは各一次コイルから離れたコア要素部分が比較的減少する。このように、少ないがより大きい一次コイルは、数がより多いがより小さいものと同じ効果がある磁界をコア要素内に維持することができる。おそらくは、単一の一次コイルが、導管の円周方向に、コア要素全体または実質的にその全長にわたって延在することもできる。

本発明に従って設けられる一次コイルの数は、概して、導管の円周方向におけるコア要素の長さに従って選択され得る。一次コイルは、コア要素の円周長さまわりに互いに実質的に等間隔に配置されるのが好ましい。

本発明による装置は、直径が１〜２ｍのパイプの形の導管に使用される場合、コア要素まわりに円周方向に間隔を置いて配置される３つ、４つまたはことによるとそれ以上の一次コイルを備えることができることが想定される。より細いパイプには、例えばパイプに対して互いに正反対に配置される２つの一次コイルしか必要ないこともある。より大きい２つのコイルをより小さい３つのコイルの代わりに使用することもできる。

一次コイルを励磁する高周波信号は、例えば連続する高周波信号の間にランダムな長さの（信号がない）待機状態がある、５０〜５００ｋｈｚの範囲の周波数を有することができる。各高周波信号は、正弦波または可能性のある他の波形であり振幅が変動する「リンギング」信号であってよい。振幅は、待機時間後別の信号が印加される前に最大値からゼロまで減少する。

それぞれの一次コイルにおける高周波信号に必要不可欠な同期は、一次コイルに共通する信号発生器によりそれを励磁することによって実現され得る。あるいは、一次コイルは、それぞれが一次コイルの１つまたは複数を励磁するそれぞれの信号発生器によって励磁されてもよく、信号発生器は、共通のトリガ・デバイス（ｔｒｉｇｇｅｒｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅ）がきっかけを作ることによって互いに同じ信号を生成するように構成される。この場合、ランダムな信号間隔は、トリガ・デバイスによってもたらされ得る。

本発明は、さらに、上述の装置を使用して導管内の流体を処理する方法を提供する。

次に、一例として、添付の図面を参照して本発明を説明する。

パイプの形の導管に使用されている、本発明による装置の斜視図である。 図１で見えない構成要素が破線で示されている図１と同様の図である。 異なる角度からの装置の斜視図である。 異なる角度からの装置の斜視図である。 異なる角度からの装置の斜視図である。 異なる角度からの装置の斜視図である。 一次コイルに印加される信号を同期させる構成の図である。 一次コイルに印加される信号を同期させる構成の図である。

図面を参照すると、パイプの形の導管の全体が１０で示されている。導管１０は、以下に説明するように、透磁性材料のコア要素で取り囲まれており、このコア要素は、透磁性材料の互いに固定される複数の個別の構成要素から作られる。

図示のように、コア要素は、全体的に１２で示され、互いに固定される複数の構成要素１４を備える。図示の実施形態では、各構成要素１４は、端部に開口を有する短い棒の形をとる。構成要素１４は、互いに並んで位置する３つの構成要素ごとにそれぞれの第１の端部において（１６で示される）締め付けボルトによって別の３つの差し込まれた構成要素に固定されて、鎖状構造になるように互いに固定される。締め付けボルトは、最初に述べた３つの構成要素および二番目に述べた３つの構成要素の端部開口を通って延在する。最初に述べた構成要素は、反対にある第２の端部において別のボルトによってさらに別の３つの構成要素に固定され、パイプ１０の全外周まわりにおいて他も同様になされる。したがって、透磁性アセンブリによってパイプ１０が取り囲まれる。

図２〜６において、コア要素１２は、パイプまわりに円周方向に互いに実質的に等間隔に配置される、１８で示される４つの一次コイルを備える。各一次コイルは、ケーシング２０から延在し、コア要素は、一次コイルの内部を隣接して通る。したがって、各コイル１８における電気信号によって、コア要素に磁束が確立される。一次コイル１８を励磁する電気信号は、好ましくは、上述のように、間に信号がないランダムな長さの待機時間がある、「リンギング」波形の高周波信号である。各一次コイルのケーシング２０は、そうした信号を生成する信号発生器を構成するのに必要な電子構成要素を含むことができる。そうした信号の生成については、電気電子デバイスの分野の当業者には周知であるので、本明細書では詳細に説明しない。

コアに使用されるべき一次コイルの数は、以下のように決定することができる。パイプに適切な電界を印加するために、コアを通る磁界はパイプの全周まわりで十分なレベルのものでなくてはならない。磁界は、一次コイルに隣接して最大でスタートし、一次コイルからの距離に応じて指数関数的に減衰する。厳密に言えば、所与の点における磁界は、それぞれがコアまわりの各方向における一次コイルからの距離の増加とともに減衰する２つの指数関数の和であり、したがって、磁界の関数形態はより双曲線余弦に近いが、これは「指数関数的」減衰を近似する。２つの一次コイルの間の全ての点においてコアに適切な磁界が存在するように、第２の一次コイルを適切な距離に配置しなければならない。そしてこれを追加の一次コイルについて繰り返す。必要な間隔こそが、所与のコアについての一次コイルの正しい数を決定する。事実上、最も効果的な配置は、コアの円周まわりに等間隔になるように複数の一次コイルを配置することである。

一次コイル１８に印加される信号は互いに同期される必要がある。上述のように、一次コイルに印加される高周波信号は、周波数が５０〜５００ｋｈｚであり、正弦波または可能性のある他の波形で振幅が変動してよい。信号は、包絡線内でその振幅が変わる「リンギング」信号であってよい。振幅は、待機時間後別の信号が印加される前に最大値からゼロまで減少する。一次コイルに印加されるそのような信号は、その包絡線だけでなく基となる高周波の形状についても同期される必要がある。包絡線の関数が同期していないと、コアは完全に励磁されることはなく、パイプに適切な電界が印加されなくなる。しかし、それ以上に重要なことは、確実に基となる高周波の形が同期されるすなわち同相にされることである。位相外れの場合、１つの一次コイルが正電界を印加し、それと同時に他の一次コイルが負電界を印加する可能性がある。そして２つの電界が打ち消し合い、２つの一次コイルによって印加される全電界が実際には１つの一次コイルによって印加されるよりも小さくなることがある。実際、完全な位相外れの場合、２つの電界は完全に打ち消し合うことができる。

同期を達成するために、全ての一次コイルに共通する信号発生器が全ての一次コイルに出力信号を印加することができる。あるいは、各一次コイルに信号を発生する構成要素が結合されてもよいが、それらは、全ての信号発生器が同じ信号を互いに同相で同時に生成するようにするトリガ・デバイスを使用して互いに同期されなければならない。

単一の「１回限りの」トリガ・パルス（ｔｒｉｇｇｅｒｉｎｇ ｐｕｌｓｅ）は適切でないことに留意されたい。全ての一次コイルは、名目上は同一であり得るが、固有の変異により構成要素内にわずかな違いがある。この変異は、一次ユニットの周波数が常にいくらか変動しており、したがって時間とともに位相のドリフトに陥る傾向があることを意味する。トリガ・パルスは、ユニットが著しい位相外れに陥らないことを確実にするように、周期的に繰り返される必要がある。

上記の要件は、タイミング・パルスについての２つの主要な基準を示唆している。第１には、パルスが一次コイルの位相ドリフト時間に比べて短い時間スケールで繰り返されることである。第２には、タイミングが各一次コイルに付与される際の精度の時間的な変化が、基となる高周波信号の周期に比べて小さいことである。したがって、同期の要求精度は、包絡線の関数ではなく高周波信号によって決まる。

トリガ機構は、任意の好都合な方法で構成されてよい。一例には、図７ａに示されるマスター・スレーブ構成があり、そこでは１つのユニット２２が、一次コイルに印加されるべき信号だけでなく、第２のユニット２４へと送られるトリガ信号すなわち「クロック・パルス」も生成する。クロック・パルスは、第２のユニットによって使用され、それによって確実に第２のユニットが生成する信号が第１のユニットと同期されるようになる。上述のように、このパルスは、高周波の振動周期よりも正確であり、高周波信号が位相のドリフトに陥る前に繰り返されなければならない。第２のユニット２４は、次いで、パルスを第３のユニット２６に送ることができ、その他も同様である。代替方法は、クロック・パルスをそれ自体が生成する別個のデバイス３０を有するようにすることである。クロック・パルスは、それぞれの一次コイルに結合されている多数のユニット３２内の信号発生器に送られる。パルスについて上記で述べた基準はこの場合も適用されなければならない。

本明細書および特許請求の範囲で使用される場合の「備える」および「備えている」という用語ならびにその変形は、特定の特徴、ステップまたは完全体が含まれることを意味する。この用語は、他の特徴、ステップまたは構成要素の存在を排除すると解釈されるべきではない。

前述の説明、または添付の特許請求の範囲、または添付の図面で開示され、それらの特定の形態で表現されるか、あるいは開示された機能、または開示された結果を達成するための方法または工程を実行するための手段の観点から表現された特徴は、必要に応じて、別々にまたは任意に組み合わせて、本発明をその様々な形態で実現させるために使用することができる。

Claims (9)

1. 高周波電磁信号を印加することによって導管内の流体を処理する装置であって、
   前記導管まわりに延在する透磁性材料のコア要素と、１つまたは複数の一次コイルであり、前記コア要素が内部を通って延在し少なくとも１つの信号発生器によって高周波電気信号で励磁される一次コイルとを備え、前記一次コイルまたは前記一次コイルの少なくとも１つが、前記コア要素のあらゆる場所に有効磁界を確立するように前記コア要素および前記導管の円周方向に延在かつ／または配置される、装置。
2. 高周波電磁信号を印加することによって導管に入っている流体を処理する装置であって、
   前記導管まわりに延在する透磁性材料のコア要素と、前記コアが内部を通って延在し前記導管から円周方向に互いに間隔を置いて配置される少なくとも２つの一次コイルと、互いに同期される高周波電気信号で前記一次コイルを励磁する信号をもたらす少なくとも１つの信号発生器とを備える、装置。
3. 前記一次コイルが、前記コア要素の円周長さまわりに互いに実質的に等間隔に配置される、請求項２に記載の装置。
4. ３つ、４つまたはそれより多い一次コイルを備える、請求項２または３に記載の装置。
5. 前記高周波信号が、５０〜５００ｋｈｚの範囲内の周波数を有する、前記請求項のいずれか一項に記載の装置。
6. 各高周波信号が、ランダムな待機時間後別の信号が印加される前に最大値からゼロまで減少するように振幅が変動する、前記請求項のいずれか一項に記載の装置。
7. 前記少なくとも２つの一次コイルが、それぞれの信号発生器によって励磁され、前記信号発生器のそれぞれが、１つまたは複数の一次コイルを励磁し、共通のトリガ・デバイスによって動作が同期される、前記請求項のいずれか一項に記載の装置。
8. 実質的に、添付の図面に関して前述しそれに示される装置。
9. 本明細書および／または添付の図面に説明されるあらゆる新規の特徴またはその新規の組み合わせ。

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