【手続補正書】
【提出日】平成17年7月29日(2005.7.29)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】発明の詳細な説明
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガス供給システムのノズルを通過した後のガス等の騒音源からの可聴騒音を低減する装置および技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
地下、水中、高所、或いは、大気圏外空間であっても、ある閉じた環境において、ガス供給装置はしばしば加圧されたガスタンクを備えており、そしてガスが小さな出口ノズルから周囲環境に放出される。前記ノズルは１．３ｍｍ（１／２０inch）より小さな直径とすることができる。ガス、例えば窒素ガスや酸素ガスの流れはタンク内の０．６９ＭＰａ（１００psi ）以上の圧力にて押し出され、０から０．１ＭＰａ（１４．７psi ）の圧力の間の大気圧近傍の外部圧力へ出て行く。この圧力差が超音波流れを生成し、ガスがノズルから放出されるとき衝撃波崩壊を生じて気笛音を発生する。人間の最もよく聞こえる領域である６５〜８０００Ｈｚにおいて、上記汽笛音は８０ｄＢ以上の音圧に達する。
【０００３】
こうした騒音レベルはノズル近傍の者をいらだたせる。更に、騒音源において低減されなければ、騒音は、より遠くまで伝達され上記の閉じた環境内の他の者を悩ませる。従って、ガス分配システム内の騒音源の近傍でのガス分配システムに関連する騒音を低減する努力がなされてきた。しかし、こうした努力は成功していない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術のシステムでは、音波の経路内にバッフルを設けるマフラーなどの技術を採用しているものもある。音波はバッフルに接するとエネルギ損失を生じ、バッフルの振動を通じて散逸する。しかしバッフルを用いたエネルギ変換は効果的でなく、全方向の音響エネルギを吸収できるようにバッフルを配置することは困難である。また、広い可聴範囲で音響エネルギと相互作用できるようにバッフルの大きさを変化させることも難しい。従って、騒音を低減する上でマフラーは効果的ではなく、特に、可聴範囲の最も高い領域、すなわち、人が最もうるさく感じる約１２５０〜８０００Ｈｚの周波数範囲で効果的ではない。
【０００５】
従って、典型的にガス供給システムに形成される騒音源において、より効果的かつ直接的に騒音エネルギを低減する必要がある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
ある源、例えばガス供給ノズルから発生する音波は長手方向成分、半径方向（横断方向）成分および接線方向成分を有している。本発明は、衝撃波により発生する音波エネルギの大部分を半径方向成分に変換し、半径方向成分をエンクロージャの壁と接触させて熱として散逸させることにより、こうした音波に関連する騒音を低減する。
【０００７】
音波が、該音波の波長の少なくとも１／４（λ／４）より小さな有効直径を有するエンクロージャ内を伝播するとき、この音波はひずむ。本発明は、ガスノズル等の源の下流に発生する音波を、λ／４より小さな有効直径、好ましくはλ／４よりも相当小さな有効直径を有するエンクロージャ内に導き、音波の形態を変形させる。更に、エンクロージャは音源からλ／４よりも短い距離に配置されなければならない。更に、これにより音波は長手方向成分が減少して半径方向成分が増加し、増加した半径成分の音波は、エンクロージャの出口端に到達する前に内面に繰り返し衝突してエンクロージャの内面を加熱し、音波がエンクロージャから出る前にエネルギの大部分が散逸される。
【０００８】
従って、本発明は、ある源から発する可聴音波エネルギを許容できるレベルに低減する装置を提供する。この装置は、音波エネルギを受け、音波エネルギの長手方向成分の一部を音波エネルギの半径方向成分に変換するように配置された長尺のエンクロージャと、音波エネルギの半径方向成分の一部を吸収する長尺のエンクロージャのための壁とを具備する。
【０００９】
本発明の特定の好ましい適用例では、前記ディフューザは、ガスノズルの下流側直近（低減すべき音波の波長の１／４以内）に配置することができる。これにより流出するガスにより発生する騒音エネルギが可及的に低減される。ディフューザの直径は低減すべき音波の波長の１／４よりも小さくする。ディフューザに屈曲部やベンド部を設けることにより騒音の低減性能が改善される。また、ディフューザは同じディフューザに複数のノズルが接続できるようにしてもよい。
【００１０】
本発明は、また、ある源から発する音波エネルギの一部を吸収する方法を提供する。この方法は、音波エネルギの長手方向成分の一部を音波エネルギの増加する半径方向成分に変換することと、音波エネルギの半径方向成分と相互作用させて、以て音波エネルギの半径方向成分の少なくとも一部を散逸可能であるように表面を配置することを含む。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明は、たくさんの音波エネルギ源に関連する騒音や他の破裂音を低減する。然しながら、本実施形態では、ノズルからのガス供給に関連する騒音を低減する特定の適用例について説明する。
【００１２】
図１は、加圧された窒素ガスや酸素ガス等のガスを貯留可能なタンク１０内のガスを示している。加圧されたガスはノズル１２を通してタンク１０から流出することができる。本発明の好ましい実施形態を示すディフューザ２０が、ノズル１２の出口から直近の下流側（低減すべき音波の波長の１／４以内）に取り付けられている。本実施形態では、ディフューザ２０は長尺の円筒管の部材であり、ノズル１２から流出するガスのバルク流れの方向に概ね平行にノズル１２の出口から外方に延びている。ディフューザ２０の両端は開いており、ガスがディフューザ２０を通過できるようになっている。
【００１３】
図２に示すように、ディフューザ２０の一端２２またはマウスがノズル１２の出口の直近に隣接配置されており、ノズル１２の細い側の直径よりも僅かに太くなっている。ディフューザの有効直径は、ノズルによりガスの流量が制御できるように、通常、ノズル直径よりも大きくなっており、そしてノズルが衝撃波崩壊による騒音源となっている。ディフューザ２０のマウス２２の配置は、流出するガスにより発生する音波の全体がディフューザ２０に向かうようになっている。そのように音波が向かうことを確実にするために、ディフューザ２０のマウス２２は、音波が発生するノズル１２から波長の１／４すなわちλ／４よりも離してはならない。ディフューザ２０をノズル１２の直近に配置することが現状好ましい。
【００１４】
本実施形態では、図３に示すようにディフューザ２０は、ノズル１２に取り付けられている。ディフューザ２０は包囲部材３０によりろう付けされている。包囲部材３０はディフューザ２０を正しい位置に保持する。図３に示すように、ろうづけ部３２はエンクロージャ２０の外側である。このようにディフューザ２０を取り付けることは、ロウ付けにより流出するガスの質量流量を阻害することがない。ロウ付けは現状好ましいが、確実に取り付け、かつ、ガスの流れを阻害しない他の方法を用いることができる。他の実施形態では、ディフューザは、連結された装置単位としてノズルに一体的に形成された一部として構成することもできる。衝撃波崩壊は、高圧のタンクから低圧の周囲に流動するときに生じ、単一のノズルとディフューザから成る装置単位の直径または横断方向の寸法と長さを適切に選択することにより、騒音レベルを低減することができる。
【００１５】
ディフューザ２０の直径または横断方向の寸法は、種々の考察が必要である。ディフューザ２０は、ノズルにおいて発生する音波の全体を捉え、かつ、ガスの質量流量を低減することがないように充分に太くしなければならない。更に、充分な音響的損失を得ることができるように、ディフューザは小さな有効直径を有してなければならない。音波の再構成を生じさせるために、有効直径はλ／４よりも小さくなければならず、好ましくは、充分に再構成を生じさせて規準に適合した騒音の低減を得るために、有効直径はλ／４よりも非常に小さくなければならない。
【００１６】
音波は、長手方向の成分と、半径方向の成分と、接線方向の成分とを有している。長手方向の成分は流れと同じ方向に伝播する波の部分である。長手方向の伝播方向は管の長手方向に下方へである。半径方向の成分は流れの方向に対して垂直な方向に伝播する。横断方向の伝播は、ディフューザ２０の中心から外方へディフューザ２０の側壁へ向かう。
【００１７】
音波の波長の１／４よりも小さな有効直径を有するディフューザ２０を音波が通過すると、その長手方向のエネルギの一部が細い直径により遮断され、半径方向の音波エネルギに変換される。ディフューザ２０を通じて半径方向に伝播する音波は、その内壁に衝突して熱に変換され、音波全体のエネルギ（と量感）が低減される。
【００１８】
ノズルの直径が０．８１ｍｍ（０．０３２inch）である実施形態では、ディフューザ２０の直径が１３．２ｍｍ（０．０５２inch）の場合に、音の減少と流量の低下との間で許容できる釣り合いがとれる。多くの適用例において、ディフューザ２０の有効直径が、ノズルの直径の１２５〜１７５％の場合に良好な結果が得られる。また、ディフューザ２０の有効直径がノズルの有効直径の約１５０％の場合に最も好ましい結果が得られる。低減すべき音響エネルギの周波数範囲により、そしてディフューザを必要とする適用例により、ディフューザ２０の有効直径を変えることができる。
【００１９】
ディフューザ２０の長もまた種々の考察が必要である。周囲の機器や設備と干渉しない限り、充分な音の低下が得られるようにディフューザ２０の長さを長くする必要がある。ノズル直径が０．８１ｍｍ（０．０３２inch）の実施形態では、ディフューザ２０の長さは約２５．４ｍｍ（１inch）の長さがあれば有効に騒音レベルを低減することができるが、好ましい長さは約５０．８〜１５２ｍｍ（２〜６inch）、現状で最も好ましくは７６．２ｍｍ（３inch）である。ディフューザ２０の最大長さは、空間やコスト等の外的理由により制限される。
【００２０】
ディフューザ２０は充分な音響吸収性能を備えた材料により形成することができる。現在好ましい実施形態では、ディフューザ２０は３４７オーステナイトステンレス鋼から形成される。然しながら、ディフューザの材料は、音響吸収性能や使用環境により変えることができる。例えば、それ程、音を吸収する必要がないとき、ディフューザ２０はアルミニウムから作ることができ、更に吸収する必要があるときにはチタンから形成することができる。排出するガスが腐食性のガスである場合には、ディフューザ２０をインコネル等の耐腐食性材料から形成することができる。
【００２１】
エネルギの吸収は、ディフューザ２０の表面の内側での発熱は小さく、かつ、表面の現象に限定されている。従って、ディフューザ２０の材料は多くの適用例において耐熱性を備える必要はなく、かつ、ディフューザ２０の肉圧は外的な構造上の条件を除けば問題にはならない。また、ディフューザ２０は、ガスによる外部の温度への影響が問題とならない限り、多くの適用例において断熱する必要はない。
【００２２】
ディフューザ２０は、図１に示すように一般的な方法で継ぎ目無しの直管として製造可能である。然しながら、ベンド部や屈曲部もしくは湾曲部５０を加えることにより音響エネルギの損失を大きくすることができる。図４〜図７に可能なディフューザの種々の形状を示す。更に、円筒形の管とする必要はない。内部の有効直径が、必要な音響処理を実施可能な程度に小さければ、外部形状及び内部形状はどのような形状であっても良い。
【００２３】
図９に、ガス供給システムで用いる本発明の２つのディフューザを示す。ディフューザ２０の各々が、ノズル（図示せず）に接続されている。ノズル各々は、継ぎ手６４を介して異なるガスタンクに接続されている。ディフューザはハウジング６２により、損傷から保護されている。２つのディフューザは同一の出口継ぎ手６０に接続されている。代案として、ディフューザは、複数のノズルに接続されるように形成して複数のガスを受容し、かつ、各ノズルで発生する騒音を除去して、混合ガスを１つの開口部２２（図８参照）から流出させるようにしてもよい。
【００２４】
図１０は、騒音を低減する手段または機器を備えないノズルから流出するガスにより発生する外部の騒音レベル（参照番号１００にて指示する）と、マフラーを備えた同型のノズルから流出するガスにより発生する外部の騒音レベル（参照番号１０２にて指示する）と、空間における、最大騒音レベルの（参照番号１０４で指示する）政府推奨曲線とを比較するグラフである（単位はデシベル、ｄＢ）。政府の推奨規準はＮＣ−４０であり、これは、多くの人にとって４０ｄＢより低い騒音レベルは気にならないとの事実に基づいている。図１０に示す２つの例では、約０．６９ＭＰａ（１００psi ）の圧力から直径０．８１ｍｍ（０．０３２inch）のノズルを通して大気にガスを放出した。２つの例において、騒音レベルは、可聴範囲における最もうるさく感じる範囲において、許容レベルよりもかなり高く測定されている。従来のマフラーは、上記の範囲において、許容レベルに対して殆ど騒音レベルを低減しない。
【００２５】
図１１は、図１０と同じノズルに本発明によるディフューザを取付けた例において、そこから流出するガスにより発生する外部騒音レベル（参照番号１０６にて指示する）のグラフである（単位はデシベル、ｄＢ）。図１１に示す例においても、約０．６９ＭＰａ（１００psi ）の圧力から直径０．８１ｍｍ（０．０３２inch）のノズルを通して大気にガスを放出した。ディフューザは、直径１．３２ｍｍ（０．０５２inch）、長さ７６．２ｍｍ（３inch）の円筒管で２つのベンド部を有している。本発明のディフューザを備えたノズルからの外部騒音は、騒音を低減する機器を備えないノズルまたはマフラーを備えたノズルから発生する外部騒音よりも非常に低くなっている。図１０において参照番号１１０で示すように、２０００Ｈｚでは、何も備えないノズルから発生する騒音は約７６ｄＢであるのに対して、図１１において、参照番号１１６で示すように本発明のディフューザを取り付けることにより、２０００Ｈｚにおける騒音は約４０ｄＢである。デシベルは対数で示されるので、ある騒音レベルから３６ｄＢ低い騒音レベルは、実際の音の強さで約１／６４となる。
【００２６】
【発明の効果】
本発明の適用例は特定の工業に限定されない。ガスの流出または放出を制御すべき適用例では本発明のディフューザを用いる利益がある。病院や製造設備では、加圧されたガスのためのノズルからの騒音を低減するために単体で、或いは、より大型のガス供給プロセスと組み合わせて用いることができる。航空宇宙産業、自動車産業または航空機産業でも、室内空気供給システムからの騒音を低減するために本発明のディフューザを用いることができる。エンジンの排気ガスから発生する騒音も、本発明のディフューザを用いることにより低減可能である。
本発明の実施形態を説明したが、本発明の精神と範囲内でその修正、変更が可能であることは言うまでもない。