(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属製円筒の軸方向の一方側の端縁に、半径方向を振動方向とする環状圧電素子を接合して円筒状振動子を構成し、この円筒状振動子を、軸方向を一致させて配管内に支持することを特徴とする配管内の非圧縮性流体を利用する音響通信用の音響送受波器
【請求項２】
軸方向に対向させた一対の金属製円筒の端縁間に半径方向を振動方向とする環状圧電素子を接合して円筒状振動子を構成し、この円筒状振動子を、軸方向を一致させて配管内に支持することを特徴とする配管内の非圧縮性流体を利用する音響通信用の音響送受波器
【請求項３】
円筒状振動子はスポーク状支持棒体により配管内に軸方向を一致させて支持することを特徴とする請求項１又は２記載の配管内の非圧縮性流体を利用する音響通信用の音響送受波器
【請求項４】
円筒状振動子の端縁は流線形としたことを特徴とする請求項１、２又は３記載の配管内の非圧縮性流体を利用する音響通信用の音響送受波器
【請求項５】
複数の円筒状振動子を、軸方向に距離を隔てて配管内に支持すると共に、夫々の円筒状振動子に対応する振動の位相が使用周波数において同相となるように、距離に対応して時間をずらして各円筒状振動子の入出力を行う構成とすることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の配管内の非圧縮性流体を利用する音響通信用の音響送受波器
【請求項６】
円筒状振動子を支持した配管部分を配管ユニットとして構成して、音響通信の送受信部を構成する配管個所に接合する構成としたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の配管内の非圧縮性流体を利用する音響通信用の音響送受波器
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、配管内の水や油等の非圧縮性流体を利用する音響通信用の音響送受波器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、大型ビル等に導入される比較的規模の大きな空気調和装置のシステムの一つとして、例えば図８に示すように、概ね、共通の熱源機１と、多数の空調ゾーン２（２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，…）の夫々に設置した空調ゾーン側機器３（３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ，…）と、熱源機１と各空調ゾーン側機器３間を接続する冷温水配管４と、管理室５等の適所に配置した集中制御部に設置した熱源用コントローラ６及び集中コントローラ７を要素としているものがある。
そして冷温水配管４は熱源機１から各空調ゾーン側機器３に向かう往き管４ａと、各空調ゾーン側機器３から熱源機１に向かう戻り管４ｂとから構成され、熱源機１内には循環ポンプ８を設けている。熱源機１は単数又は複数で構成しており、また空調ゾーン側機器３としてはファンコイルユニットやエアハンドリングユニットがあり、これらは各空調ゾーン２に対して単数又は複数を設置している。図において空調ゾーン側機器３ａ，３ｂ，３ｄがファンコイルユニット、空調ゾーン側機器３ｃがエアハンドリングユニットである。
【０００３】
各空調ゾーン側機器３には往き管４ａにバルブ９が設けられており、空調ゾーン側機器３とバルブ９は個別リモコン１０等により操作されるコントローラ１１により運転制御される。一方、管理室５に設置した熱源用コントローラ６と熱源機１のコントローラ１２との間には信号線１３を敷設しており、これによって熱源機１を管理室５において遠隔制御する構成としている。また各空調ゾーン２毎に空調料金を算出するために、管理室５の集中コントローラ７と空調ゾーン側機器３のコントローラ１１との間にも信号線１４を敷設して、各空調ゾーン側機器３と集中コントローラ７間で信号線１４を介して通信を行う構成としている。この信号線１４は各コントローラ１１に共通なバスラインとして構成しており、従って各コントローラ１１は、個別に設定されたアドレスにより識別されて集中コントローラ７と通信する構成となっている。
【０００４】
各空調ゾーン側機器３のコントローラ１１と集中コントローラ７との間では次のような通信が行われる。例えば、集中コントローラ７側から各コントローラ１１側には、制御を目的として発停、運転モード切替、温度設定、風速切替等の内容や、スケジュール・監視等を目的として週間設定、特定日設定、運転時間設定等の内容の通信が行われる。また、各コントローラ１１側から集中コントローラ７側には料金管理を目的として運転時間、バルブ開時間、熱量積算等の内容の通信が行われる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
以上のシステムにおいては、各空調ゾーン側機器と集中コントローラを結ぶ信号線の敷設工事に特殊の技術が必要であり、人件費や材料費により敷設のためのコストが嵩むと共に所要スペースが必要であるというような課題がある。
【０００６】
そこで本発明者等は先に、各空調ゾーン側機器と集中コントローラとの通信を、音波送受波器を介して冷温水配管内の水を伝播する音波により行う空気調和システムを提案した。特願平７−１１２９３８号の願書に添付した明細書及び図面を参照のこと。
【０００７】
そして、本発明の目的は、上記空気調和システムに適用する場合の配管内の水や、配管内の油等の、配管内の非圧縮性流体を利用して音波又は超音波（以降では単に音波と記載する。）による音響通信を行うための好適な音響送受波器を提供することを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上述した目的を達成するために、本発明の音響送受波器では、まず、金属製円筒の軸方向の一方側の端縁に、半径方向を振動方向とする環状圧電素子を接合して円筒状振動子を構成し、この円筒状振動子を、軸方向を一致させて配管内に支持する構成とした。
【０００９】
また本発明の音響送受波器では、軸方向に対向させた一対の金属製円筒の端縁間に半径方向を振動方向とする環状圧電素子を接合して円筒状振動子を構成し、この円筒状振動子を、軸方向を一致させて配管内に支持する構成とした。
【００１０】
そして本発明では、以上の構成において、円筒状振動子はスポーク状支持棒体により配管内に軸方向を一致させて支持することを提案する。
【００１１】
また本発明では、円筒状振動子の端縁は流線形とすることを提案する。
【００１２】
また本発明では、複数の円筒状振動子を、軸方向に距離を隔てて配管内に支持すると共に、夫々の円筒状振動子に対応する振動の位相が使用周波数において同相となるように、距離に対応して時間をずらして各円筒状振動子の入出力を行う構成とすることを提案する。
【００１３】
また本発明では、円筒状振動子を支持した配管部分を配管ユニットとして構成して、音響通信の送受信部を構成する配管個所に接合する構成とすることを提案する。
【００１４】
以上の構成によれば、信号電圧により駆動された圧電素子の半径方向の振動、即ち、径が拡大、縮小する振動、いわゆる呼吸振動は金属製円筒に伝わり、この金属製円筒が共振子として動作して、圧電素子と同様に呼吸振動をする。この振動により配管内の水や油等の非圧縮性流体に音波の音響振動を印加することができ、即ち、円筒状振動子を非圧縮性流体を利用した音響通信における送波器として利用することができる。
【００１５】
一方、配管内の非圧縮性流体を経て伝播してきた音波により、金属製円筒が共振子として上述と同様に呼吸振動をして、この振動が圧電素子に伝わり、振動に応じた信号電圧を発生することができる。即ち、円筒状振動子を非圧縮性流体を利用した音響通信における受波器として利用することができる。
【００１６】
以上の円筒状振動子では、金属製円筒の表面積を大きくすることにより、水との間で授受する振動エネルギを大きくすることができる。表面積の拡大は、円筒状振動子自体において径を大きくすることによって行うこともできるし、複数の円筒状振動子を並設することにより行うこともできる。
【００１７】
このように音波の送受信を行う振動子は円筒状で、配管内に軸方向を一致させて支持しているので、円柱状の送受波器を用いる場合と比較して配管内の水の流通抵抗を大きくすることがない。そして、これは端縁の形状を流線形とすると更に効果的である。
【００１８】
円筒状振動子を支持した配管部分をユニットとして配管作業を行えるようにすれば、配管系における音響送受信部の設置が容易となる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の音響送受波器の実施の形態を、空気調和システムに適用した例につき図を参照して説明する。
図１は本発明を適用した空気調和システムの構成例を概念的に示すもので、主要な構成要素は、上述した図８に示す従来のシステム構成と同じである。このため図１において、従来のものと同じ構成要素には図８と同様な符号を付し、重複する説明は省略する。
図１に示すように管理室５を除く各空調ゾーン２では、空調ゾーン側機器３の上流側に設けたバルブ９の上流側の往き管４ａに音響送受信部１５ａを設置しており、これらを夫々コントローラ１１に構成した送受信回路（図示省略）と接続している。また管理室５内の往き管４ａで、バルブ９の上流側に音響送受信部１５ｂを設置している。音響送受信部１５ｂはコントローラ１１に構成した送受信回路（図示省略）に加え、熱源用コントローラ６及び集中コントローラ７に構成した送受信回路（図示省略）に接続している。一方、熱源機１内の往き管４ａにも音響送受信部１５ｃを設置し、これを熱源機１のコントローラ１２に構成した送受信回路（図示省略）に接続している。以上の例では、音響送受信部１５は冷温水配管４の往き管４ａに設置しているが、戻り管４ｂに設置することもできる。
【００２０】
これらの音響送受信部１５（１５ａ、１５ｂ、１５ｃ）には、本発明に係る音響送受波器を設置している。例えば、図２は空調ゾーン側機器３の音響送受信部１５ａの部分の一例を示すもので、本発明の音響送受波器を構成する円筒状振動子２１を、その軸方向を冷温水配管４の軸方向と一致させ、支持棒体２２により冷温水配管４内に支持している。円筒状振動子２１は後述するように金属製円筒２３と圧電素子２４とを接合した円筒状の構成であり、この圧電素子２４の電極（図示省略）に至る信号線２５は支持棒体２２を介して冷温水配管４外に取り出すように構成している。冷温水配管４内に超音波送受信のための円筒状振動子２１を設置してはあっても、この円筒状振動子２１は文字通り円筒状であるため、余り水の流通抵抗を大きくしない。
【００２１】
図３は円筒状振動子２１の主たる構成要素を示すもので、符号２３はジュラルミン等の金属製円筒、２４は圧電セラミックス等の圧電素子である。圧電素子２４は、金属製円筒２３の端縁の肉厚と同幅の環状に形成しており、その分極方向は図３に示すように軸方向としている。尚、圧電素子２４に歪みを発生させたり、歪みから信号電圧を発生させるための電極は、図２と同様に図示を省略している。
【００２２】
このような構成要素において金属製円筒２３の一方側の端縁に圧電素子２４を接合して図２に示す円筒状振動子２１を構成する。これらの接合は、接着剤による方法、ロー付け等による方法、ねじによる方法等の適宜の方法を適用することができる。
【００２３】
以上の構成において、コントローラ１１の送受信回路から信号線２５により圧電素子２４の電極に交流信号電圧を印加すると、図３中の矢印方向が分極方向である圧電素子２４は、径が拡大、縮小する半径方向の振動、いわゆる呼吸振動をし、この振動が金属製円筒２３の一方側に伝わる。一方側の端縁に軸方向から呼吸振動を与えられた金属製円筒２３は共振子として動作して、圧電素子２４と同様に径が拡大、縮小する呼吸振動をする。円筒状振動子２１は、この呼吸振動により冷温水配管４内の水に超音波振動を印加することができ、従って円筒状振動子２１を音響通信用の送波器として利用することができる。
【００２４】
一方、冷温水配管４内の水を超音波が伝播してくると、この超音波により金属製円筒２３が共振子として動作して上述と同様に呼吸振動を行い、この振動は、上述と逆の動作により、圧電素子２４に伝わるため、圧電素子２４の電極間には呼吸振動に応じて交流信号電圧が発生する。従って円筒状振動子２１を音響通信用の受波器として利用することができる。
【００２５】
以上のように、上記送受信回路を介して音響送受信部１５ａ，１５ｂ，１５ｃに設置した円筒状振動子２１を動作させ、冷温水配管４、上述した構成の場合には往き管４ａ内の冷温水に音波を伝播させることにより、熱源用コントローラ６と熱源機１のコントローラ１２、集中コントローラ７と各空調ゾーン側機器１０のコントローラ１１間に上述したような各種の信号の送受信を行うことができ、信号線の敷設が不要となる。上述した送受信動作において、冷温水配管４内の冷温水は、各音響送受信部１５ａ，１５ｂ，１５ｃに共通なバスラインとして動作するため、各コントローラ１１，１２は個別に設定されたアドレスにより識別して通信する構成とする。また各音響送受信部１５ａ，１５ｂ，１５ｃの音響送受波器間における夫々の通信は、従来のデータ通信における半二重通信回線を用いたシリアル伝送技術を適用して行うことができる。
【００２６】
図４は本発明に係る円筒状振動子２１の他の実施の形態を示すもので、図２、図３の構成要素と対応する要素には同一の符号を付している。この実施の形態では、振動方向を半径方向とする環状の圧電素子２４は、軸方向に対向させた一対の金属製円筒２３ａ，２３ｂの端縁間に接合して円筒状振動子２１を構成している。そして、この円筒状振動子２１は、両端縁の形状を流線形ｓに形成して、流体抵抗を低く構成している。尚、このような端縁の形状は必ずしも必須ではないし、逆にこのような端縁の形状を図２、図３の円筒状振動子２１にも適用できる。
【００２７】
図５は本発明に係る円筒状振動子２１を冷温水配管４に支持する構成の一例を示すもので、この構成では、円筒状振動子２１は、１２０度毎に配置したスポーク状支持棒体２５により冷温水配管４内に同軸状に支持している。このような構成では、水の流体抵抗を余り大きくしないで円筒状振動子２１を安定に支持することができる。
【００２８】
本発明の円筒状振動子２１においては、金属製円筒２３の表面積を大きくすることにより、水との間で授受する振動エネルギを大きくすることができ、このことにより、通信の安定化を計ることができる。このような金属製円筒２３の表面積の拡大は、円筒状振動子２１の径を大きくすることにおいて行うことができ、このようにしても水の流体抵抗は余り大きくならない。
【００２９】
図６は水との間で授受する振動エネルギを大きくするための他の構成例を示すもので、この例では、複数の円筒状振動子２１ａ，２１ｂを、軸方向に距離を隔てて冷温水配管４の軸方向に支持すると共に、夫々の円筒状振動子２１ａ，２１ｂに対応する振動の位相が、使用周波数において同相となるように、距離に対応して時間をずらして各円筒状振動子２１ａ，２１ｂの入出力を行う構成としている。
【００３０】
例えば図６では２つの円筒状振動子２１ａ，２１ｂは、使用する音波の半波長に対応する距離λ／２だけずらしており、そしてこれらの２つの円筒状振動子２１ａ，２１ｂにおいて入出力する超音波の位相は、図７に示すように半波長だけずらしている。例えば、これらの円筒状振動子２１ａ，２１ｂによる通信方向が図中左側の場合には、送信においては円筒状振動子２１ａに印加する交流信号電圧の位相を、円筒状振動子２１ｂの位相よりも半波長だけ遅らせることにより、夫々の円筒状振動子２１ａ，２１ｂにより水に与えた超音波振動の位相が図中左側において一致するため、水に与えるエネルギを加算することができる。また受信においては円筒状振動子２１ａにより検出した交流信号電圧を半波長遅らせて、円筒状振動子２１ｂにより検出した交流信号電圧に加えることにより同相とすることができ、受信した交流信号電圧が加算されることにより、感度を向上させることができる。尚、以上のようにして設置する円筒状振動子２１の数は３つ以上とすることもできる。
【００３１】
以上の構成において、円筒状振動子２１を支持した配管部分をユニットとして構成して、他の配管部分とフランジ接続したり又は端部溶接により接続するように構成すれば、音響送受信部の設置を伴う配管作業が容易になる。
【００３２】
以上に説明した実施の態様は、本発明の音響送受波器を、空調システムの冷温水配管に設置したものであるが、本発明の音響送受波器は、この他、水や油等の非圧縮性流体を配管内に通す適宜の配管系に利用できるものである。
【００３３】
【発明の効果】
本発明の音響送受波器は以上のとおり、配管内に設置し、水と授受する超音波のエネルギを大きくしても水の流通抵抗を余り大きくせず、配管内の非圧縮性流体を利用して確実な超音波通信を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の音響送受波器を適用して通信を行う空気調和システムの構成例を概念的に示す系統図である。
【図２】  図１の構成における音響送受信部の部分の構成例を示す説明図である。
【図３】  本発明の音響送受波器を構成する円筒状振動子の主たる構成要素を示す説明図である。
【図４】  円筒状振動子の他の構成例を示す説明図である。
【図５】  円筒状振動子の配管内の設置方法の例を示す説明図である。
【図６】  円筒状振動子の配管内の設置方法の他例を示す説明図である。
【図７】  図６の設置例における信号の授受の位相の説明図である。
【図８】  信号線により通信を行う従来の空気調和システムの構成例を示す説明図である。
【符号の説明】
１                                熱源機
２（２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，…）  空調ゾーン
３（３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ，…）  空調ゾーン側機器
４（４ａ．４ｂ）                  冷温水配管
５                                管理室
６                                熱源用コントローラ
７                                集中コントローラ
８                                循環ポンプ
９                                バルブ
１０                              個別リモコン
１１                              （空調ゾーン側機器の）コントローラ
１２                              （熱源機の）コントローラ
１３，１４                        信号線
１５ａ，１５ｂ，１５ｃ            音響送受信部
２１                              円筒状振動子
２２                              支持棒体
２３                              金属製円筒
２４                              圧電素子
２５                              信号線
ｓ                                流線形
【図１】
0003702975.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
0003702975.tif 000006
【図６】
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【図７】
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【図８】
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