(57)【要約】【課題】  ガス機器が発生する脈動のレベルを、一律的に、容易かつ安定的に測定することのできる新たな脈動レベル測定方法と測定装置を提供する。【解決手段】  ガス機器である脈動発生源からの脈動を音圧レベルとしてとらえ、それを音響エネルギーに変換し、該音響エネルギーを脈動レベル測定の指標とする。装置は、脈動発生源１に接続する螺旋状に巻かれた管路１１と、該管路に取り付けた音圧レベル測定手段１２と、脈動に起因する音響エネルギーを吸収できるバッファータンク１４と、音圧測定手段が測定した音圧を音響エネルギーに変換する手段３０とから構成される。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス機器である脈動発生源からの脈動を音圧レベルとして測定し、音圧レベルの定義式から音圧に換算、それをさらに音響エネルギーに変換し、該音響エネルギーを脈動レベル測定の指標とすることを特徴とするガス機器の脈動レベル測定方法。
【請求項２】
ガス機器である脈動発生源に接続する管路と、該管路に取り付けた音圧測定手段と、管路の他端側に接続する脈動に起因する音響エネルギーを吸収できるバッファータンクと、音圧測定手段が測定した音圧を音響エネルギーに変換する手段と、を少なくとも備えることを特徴とするガス機器の脈動レベル測定装置。
【請求項３】
バッファータンクは吸音材を備えることを特徴とする請求項２に記載のガス機器の脈動レベル測定装置。
【請求項４】
管路は螺旋構造とされた部分を有し、かつ該螺旋構造とされた部分はヘリカルコーンを介してバッファータンクに開放していることを特徴とする請求項２または３に記載のガス機器の脈動レベル測定装置。
【請求項５】
ガス導管網を構成するガス管とガス機器である脈動発生源との間に請求項２〜４のいずれかに記載のガス機器の脈動レベル測定装置が組み込まれており、かつ、脈動発生源の脈動レベル測定装置が計測する脈動レベルがあるしきい値を越えたときに当該脈動発生源へのガスの供給を遮断する遮断弁とを備えることを特徴とする脈動伝播防止システム。
【請求項６】
ガス導管網を構成するガス管にガス機器である複数個の脈動発生源が接続しており、ガス管と各複数個の脈動発生源との間に脈動レベル測定装置がそれぞれ組み込まれており、各脈動レベル測定装置が計測する脈動レベルに関する情報を集中管理するコントロール手段をさらに備えることを特徴とする請求項５に記載の脈動伝播防止システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス機器から発生する脈動のレベルを測定する方法と装置およびそれを用いたガス導管網への脈動伝播を防止するシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
都市ガスなどのガス導管網にはガス供給元から一定圧のガスが供給され、また、当該ガス導管網にガス燃焼器やガス圧縮機のような種々のガス機器が接続される。これらガス機器が動作する際に発生する脈動のレベルは非常に小さいことから、ガス導管網を通して異常に高いレベルの脈動が伝播して他の機器類に影響を与えることは、通常、発生しない。
【０００３】
しかし、異常に高い脈動レベルを持つガス機器が他のガス事業者により、従来のガス導管網に接続されることは起こり得ることであり、もしそのような事態が生じれば他の末端のガス機器類に悪影響を与える可能性もありうる。それを回避するために、基準値を超える脈動レベルを持つガス機器はガス導管網に接続させないようにするルールを確立することが望まれるが、現在、ガス機器の脈動レベルを一律的に、容易かつ安定的に測定する技術が確立されていないこともあり、実効性のあるルールを確立することは容易でない。
【０００４】
ガス機器の脈動のレベルを測定する装置として、図５に示すようなものが考えられる。図で、１は脈動測定対象としてのガス機器（脈動発生源）であり、２はガスメータである。そして、両者の間に管路３を配置し、管路３に多数の圧力センサ４を取り付ける。ガスを実際に導入してガス機器（脈動発生源）１を動作させ、そこで生じる脈動すなわち圧力の時間変動を多数の圧力センサ４で一定時間にわたって測定・記録する。その結果を元に各圧力センサの位置ごとの圧力変動Ｐｍａｘ−Ｐｍｉｎを算出（例えば、５００Ｐａ，５０ｍｍＨ２Ｏ、等）することで脈動レベルを調べることができる。なお、ガス機器が燃焼器の場合には、燃焼がその動作に相当し、ガス圧縮機のような機器の場合には、その運転がその動作に相当する。
【０００５】
しかしながら、図５に示す装置では、ガス機器（脈動発生源）１の種類によって脈動周波数が異なるため定在波の波長が異なること、ガスメータは開放端としての取り扱いが必要なこと、および条件によっては開放端や反射端などの明確な性質が現れにくいことなどから、配管長を脈動レベルが最も大きくなるように（共鳴条件に合うように）試行錯誤により調整しながら試験を行うことが必要となる。そのために、通常、直線的に１０ｍ〜２０ｍに近い管路を用意することが必要とされ、圧力センサも数十センチ等の間隔で多数配置する必要がある。また、この装置では、異なるガス機器、例えばガス流量（ガス消費量）が異なるガス機器に対しても、同じ圧力変動Ｐｍａｘ−Ｐｍｉｎによる脈動レベルの比較となるために、ガス導管網への影響を一律的に比較することができない不都合もある。そのために、供給ネットワーク（ガス導管網）への影響を全体として比較することもできない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記のように各種ガス機器（脈動発生源）の脈動レベルを測定し、かつ種類によらず等しい基準で比較することの必要性は高くなっている。しかし、前記のように、現在行われている脈動レベル測定方法あるいは装置は、それに有効に答え得るものではない。
【０００７】
本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、各種ガス燃焼器やガス圧縮機のようにその動作により脈動が発生するガス機器が発生する脈動のレベルを、一律的に、容易かつ安定的に測定することのできる新たな測定方法と、該測定方法を実施するための新たな測定装置を提供することを目的とする。さらに、本発明は、前記の測定装置を用いて構築される、ガス導管網への脈動伝播防止システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明によるガス機器の脈動レベル測定方法は、ガス機器である脈動発生源からの脈動を音圧レベルとして測定し、音圧レベルの定義式から音圧に換算、それをさらに音響エネルギーに変換し、該音響エネルギーを脈動レベル測定の指標とすることを特徴とする（請求項１）。
【０００９】
すなわち、本発明の脈動レベル測定方法は、例えば、種々のガス機器が動作するときに生じる脈動に起因して管路上流側等に生じる圧力変動（圧力差分）を、圧力センサなどにより直接測定するのではなく、オーバーオールの音圧レベル（ｄＢ）を音圧（Ｐａ）に変換し、音圧から音響エネルギー（Ｗ）に変換して、それを脈動レベル測定の指標とする。それにより、ガス機器ごとの流量に依存することなく、同一基準での脈動レベルの評価が可能となる。
【００１０】
音響エネルギー（Ｗ）は、Ｗ＝Ｐ×Ｓ×Ｖ（式１）で表すことができる。ここで、Ｐは音圧（Ｐａ）（Ｎ／ｍ２），Ｓは管路の断面積（ｍ２），Ｖは音速（ｍ／ｓ）であり、Ｗ＝（Ｎ／ｍ２）×ｍ２×（ｍ／ｓ）＝Ｎ×ｍ／ｓ＝Ｊ／ｓ、となる。すなわち、管路での音圧を測定することにより、脈動に起因する単位時間当たりの音響エネルギーを算出することができる。これは、管路を流れるガス流量（例えば、ガス機器が燃焼器の場合には、燃焼によるガス消費量）には無関係の値であり、各種のガス機器について、同一基準での脈動レベルの評価が可能となる。
【００１１】
本発明によるガス機器の脈動レベル測定装置は、上記の方法を好適に実施するためのものであり、基本的に、ガス機器である脈動発生源に接続する管路と、該管路に取り付けた音圧測定手段と、管路の他端側に接続する脈動に起因するエネルギーを吸収できるバッファータンクと、音圧測定手段が測定した音圧を音響エネルギーに変換する手段と、を少なくとも備えることを特徴とする（請求項２）。
【００１２】
管路の他端側に取り付けるバッファータンクは、音響エネルギーを吸収して０とするために配置されるものであり、容積の大きなバッファータンクを設けることにより、脈動の周波数に対して低周波から高周波まで充分に吸収することが可能となる。
【００１３】
音圧測定手段は管路の任意の位置に配置することができる。１個でもよく複数個を配置してもよい。減衰が非常に小さいものとしての取り扱いであり、いずれの場合も、理論上は変化はない。しかし、現実問題として実測するとある程度の減衰が計測されるため、複数個を配置することによって、当該管路での減数特性等をより正確に計測し、それをフィードバックすることにより、実機においてより正確な音響エネルギーの測定が可能となる。
【００１４】
音圧測定手段としては音圧を検知できる手段であればよいが、使用する流体や脈動の周波数特性をカバーでき、かつ静圧や動圧の変化に対しても周波数特性に変化がおきないものであることが好ましい。音圧測定手段が測定した音圧を音響エネルギーに変換する手段は、上記式１を演算できるものであればよく、演算回路を備えた通常のマイクロチップ等であってよい。
【００１５】
バッファータンクは、反射波などによる外乱を生じることなく脈動の全周波数領域について完全に吸音できるものであることが好ましく、そのために、好ましくは、バッファータンク内には適宜の吸音材が収容される（請求項３）。吸音材を収容することにより、より小型のもので所期の目的を達成することが可能となる。吸音材は１種のものでもよいが、主に密度に起因する吸音特性の異なる複数種の吸音材を層状に組み合わせて収容することが、より好ましい。また、極低周波数領域を効果的に吸収できるように、バッファータンクの箱体（壁面）自体を振動しやすい薄手の材料で構成することも有効である。ただし、外乱音の影響が無いよう、振動の減衰があることが好ましい。
【００１６】
管路は周波数応答性が既知のものであれば任意のものを用いることができる。また、バッファータンクにより吸音しきれなかった場合のことを考慮し、このときの脈動レベル測定にも対応できるようにするために共鳴配管長以上を担保できる長さとしてもよい。しかし、吸音性能に富んだバッファータンクを用いるとしても、相当の長さが必要となり、直管である場合には実使用に供し得るだけのコンパクト化が得られない場合がある。そのために、好ましくは、反射や減衰が生じない範囲の曲率でもって管路を螺旋構造としたものが用いられる。さらに、螺旋構造とされた管路の端部を音響的に滑らかに広がるヘリカルコーンを介してバッファータンクに開放するようにする（請求項４）。
【００１７】
これにより曲管とバッファータンクの接続部において反射波の発生を回避できる。そして、管路をこのような螺旋構造とすることにより、装置のコンパクト化は一層確実となる。なお、どの程度の曲率とするかは、当該脈動レベル測定装置が実機として使用される環境、バッファータンクの吸音性能、管路の音響的特性等を考慮して、計算によりあるいは実験的に求めればよい。また、ヘリカルコーンを用いることにより、管路とバッファータンクとの接続部において、より効果的に反射波が生じるのを抑制することができる。
【００１８】
本発明は、さらに、ガス導管網を構成するガス管とガス機器である脈動発生源との間に前記した脈動レベル測定装置が組み込まれており、かつ、脈動レベル測定装置が計測する脈動レベルがあるしきい値を越えたときに当該ガス機器へのガスの供給を遮断する遮断弁とを備えることを特徴とする脈動伝播防止システム、をも開示する（請求項５）。
【００１９】
この脈動伝播防止システムでは、ガス機器が予期しない事情により規定値を超える脈動を生じたときに、直ちに当該ガス機器へのガス供給を遮断して動作を停止させることができるので、周辺機器等へ脈動が伝播するのを確実に防止することが可能となる。
【００２０】
本発明は、さらに、上記の脈動伝播防止システムにおいて、ガス導管網を構成するガス管にガス機器である複数個の脈動発生源が接続しており、ガス管と各ガス機器との間に脈動レベル測定装置がそれぞれ組み込まれており、各脈動レベル測定装置が計測する脈動レベルに関する情報を集中管理するコントロール手段をさらに備えることを特徴とする脈動伝播防止システム、をも開示する（請求項６）。
【００２１】
この脈動伝播防止システムでは、複数の脈動レベル測定装置が脈動を検知した場合、それらの脈動レベル測定装置の位置、各脈動レベル、導管網の特性等をコントロール手段により推定して、最も脈動源であるガス機器に近い部分を迅速にガス導管網から遮断する（ガス供給を停止する）ことが可能となり、複雑なネットワークを構築しているガス導管網であっても、より効果的に脈動の発生を監視し、かつ脈動が伝播するのを阻止することができる。
【００２２】
なお、本発明においてガス機器の語は、前記したように、ガス燃焼器、ガス圧縮機、のような種々のガス器具や装置を含むものとして使用しており、また、その動作とは、当該ガス機器が機器本来の目的を達するための行為、例えばガス燃焼器は燃焼行為、ガス圧縮機の場合はガスを圧縮する行為、を総称するものとして使用している。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によるガス機器の脈動レベル測定方法および装置によれば、ガス機器である脈動発生源の動作によって生じる脈動のレベルを、一律的に、容易かつ安定的に測定することが可能となる。そのために、脈動レベルの基準を設定するような場合に、その運用が容易になると共に、脈動を発生しないガス機器の開発や改良にも寄与することができる。
【００２４】
また、上記の脈動レベル測定装置をガス導管網へ組み込むことにより、特定のガス機器から生じる脈動がガス導管網を伝って他のガス機器に伝播するのを、迅速かつ効果的に阻止することのできる脈動伝播防止システムをも容易に構築することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、図面を参照しながら本発明を説明する。図１は本発明によるガス機器の脈動レベル測定方法を説明する概念図であり、図２および図３は上記の測定方法を実施できる脈動レベル測定装置の一例を示している。
【００２６】
図１において、１は脈動レベルを測定しようとするガス機器（脈動発生源）であり、ガス燃焼器を例として、以下を説明する。ガス燃焼器１の燃料ガス供給口２に、本発明による脈動レベル測定装置１０が接続している。該脈動レベル測定装置１０は、燃料ガス供給口２に接続する音響的特性が既知の管路１１を有する。管路１１の長さはバッファータンクにより完全吸音がなされなかったときの汎用性を考慮して、低周波の脈動共鳴配管長以上を担保できる長さであり、その任意の位置に管路１１内の音圧を測定するマイクロフォンのような音圧レベルセンサ（音圧測定手段の例）１２が接続している。なお、図では１個のマイクロフォン１２が示されるが、複数個を管路１１に配置してもよい。管路１１の他端にはヘリカルコーン１３が接続しており、その拡開した開放端がバッファータンク１４に開放している。バッファータンク１４の広さは管路１１の断面積に比較してきわめて大きく、実質的に無限大ととらえることができる。
【００２７】
バッファータンク１４には図示しないガス導管網から分岐するガス供給管１５が接続しており、そこからの燃料ガスは脈動レベル測定装置１０内を通過してガス機器１に至り、そこで燃焼する。ガス燃焼器１での燃料ガスの燃焼中に脈動が生じた場合、その圧力変動は管路内に伝播し、管路１１に備えたマイクロフォン１２により音圧レベルとしてとらえられる。また、脈動により生じた音響エネルギーは実質的に無限大の容量であるバッファータンク１４内に入り込むが、ヘリカルコーン１３を介在していることにより、音響的な反射や減衰が生じるのを極力回避することができ、音圧レベルセンサ１２による測定に反射波のような外乱を与えることは実質的にない。
【００２８】
バッファータンク１４内で音響エネルギーはすべて吸収されて０になる。そのために、音圧センサ１２で測定した音圧（Ｐａ）Ｐ（Ｎ／ｍ２）に管路１１の断面積Ｓ（ｍ２）と音速Ｖ（ｍ／ｓ）を乗じることにより、単位時間当たりの音響エネルギーＷ（Ｊ／ｓ）を演算することができる。この値はこのガス燃焼器１に固有のものであり、かつ、ガス燃焼器１の燃焼時の脈動に相関するものなので、従来の圧力変動から求めた脈動レベルと実質的に等価な指標として採用することができる。また、Ｗの値は管路１１のガス流量（ガス燃焼器１のガス消費量）に影響を受けることはないので、画一的に機器の発生する脈動レベルを比較することができる。複数の異なったガス機器（ガス燃焼器）を接続したガス導管網においても、各ガス機器の脈動レベルを画一的に比較することができる。
【００２９】
なお、バッファータンク１４の内部が空洞であり、そのままではその中で音響エネルギーをすべて吸収できない場合には、高周波領域に対しては適宜の吸音材を挿入して音響エネルギーを吸収させ、また、低周波領域に対してはバッファータンク１４の側壁のたわみのような構造減衰などを利用して吸収できるようにする。
【００３０】
図２は本発明による脈動レベル測定装置の一例を示しており、図３はその一部を破断して示している。この脈動レベル測定装置１０Ａは、バッファータンク１４として直径１４００ｍｍ程度の大きさのステンレス製の円筒体１４ａを有し、内部に密度の異なるグラスウールのような吸音材２１ａ，２１ｂ，２１ｃを積層している。上位の吸音材２１ａは低密度材であって比較的高い周波数領域の音を吸音でき、中段の吸音材２１ｂは比較して高密度のものであってより低い周波数領域の音を吸音する。最下位の吸音材２１ｃは最も高密度であり、低い周波数領域の音に対して高い吸音率を示す。このように、均一の高密度吸音材を大量に充填しないことにより、圧力損失を低く抑えることが可能となる。吸音材２１ａ，２１ｂ，２１ｃで吸音されないさらに低周波数領域の音は、ステンレス製の円筒体１４ａの側壁が振動することにより吸収される。
【００３１】
ステンレス製の円筒体１４ａの上端にはヘリカルコーン１３がその拡開した開放端を円筒体１４ａ内に開放するようにして取り付けてあり、ヘリカルコーン１３の上端には内径１５ｍｍ程度の銅管１１が音響的に滑らかに接続している。全高さは２３００ｍｍ程度である。該銅管１１は半径９５０ｍｍ程度の曲率で螺旋状に巻き込まれながら下方に降下していき、円筒体１４ａの上端近傍で、その端部１１ａを側方に延出している。そして、端部１１ａの近傍には、図３に示すように、音圧を測定するための音圧センサ１２が取り付けてある。この銅管１１が本発明でいう管路を構成する。
【００３２】
図３に示すように、銅管１１の端部１１ａにはガス機器（この例ではガス燃焼器１）が接続される。また、バッファータンク１４にはガス供給管１５が接続しており、ガス供給管１５からのガスは、円筒体１４ａ内を通って、ヘリカルコーン１３から銅管１１を通過し、ガス燃焼器１において使用される。ガス燃焼器１の燃焼時に脈動が生じた場合、その圧力変動（音圧レベル）がマイクロフォン１２により測定され、それが演算装置３０に送られて、音響エネルギーＷに変換される。演算された音響エネルギーＷは脈動により生じた単位時間当たりの音響エネルギーであり、脈動レベル測定の指標となり得ることは、前記したとおりである。
【００３３】
図３において、３１は、銅管１１の端部１１ａ領域とガス燃焼器１との間に取り付けた常開のガス遮断弁であり、演算装置３０からの信号を受けて、ガス燃焼器１へのガス流入を遮断する。すなわち、マイクロフォン１２からの信号により演算装置３０があるしきい値を越える数値を算出した場合（すなわち、脈動（音響エネルギー）が所定値を越えた場合）には、その信号は直ちにガス遮断弁３１に送られて、ガス機器１へのガス供給を遮断する。それによりガス燃焼器１の動作（燃焼）は停止すると共に、脈動が脈動レベル測定装置１０Ａ側に伝播するのは阻止される。その結果、ガス供給管１５にバッファータンクを通過するような強力な脈動が伝播することを防止できるので、この脈動伝播防止システムでは、ガス供給管１５に接続した他のガス機器に脈動の影響が及ぶのを効果的に阻止することができる。またこの方法は、異なるガス事業者間の導管接続部に設置すれば、それぞれ異なる脈動基準レベルが設定されていたとしても、脈動を入れない、出さない、のいずれも可能となることは明らかである。
【００３４】
上記したしきい値をどのような数値とするかは、本発明によるガス機器の脈動レベル測定方法と装置を採用する脈動伝播防止システムの置かれている環境や保安基準等を考慮して設定される。本発明者らは、現在の環境ではいずれの条件でも運転時に発生する脈動レベルの変動が大きすぎて実使用には不都合があるガスエンジンを本発明でいうガス機器とし、音圧レベルの測定を行ったところ、２０００ｒｐｍ運転時における測定音圧レベルが１２９．５２ｄＢ（音響エネルギーで５．１７９Ｗ）であり、１４００ｒｐｍ運転時における測定音圧レベルが１３７．１９ｄＢ（音響エネルギーで１２．５２Ｗ）であったこととから、通常のガス導管網において本発明による脈動伝播防止システムを採用する場合の前記音響エネルギーのしきい値として、一例として５．５Ｗ程度以下程度となるものと推測される。
【００３５】
図４は、本発明による脈動伝播防止システムの他の例を示している。ここでは、ガス導管網５１を構成するガス管に複数個のガス機器（この例では、ガス燃焼器）１・・が接続しており、ガス管と各ガス燃焼器１・・との間に、上記した脈動レベル測定装置１０Ａとガス遮断弁３１とがそれぞれ組み込まれている。各脈動レベル測定装置１０Ａに取り付けた各マイクロフォン１２からの信号は、図示しない集中コントロール手段に送られて、処理される。
【００３６】
集中コントロール手段では、複数の脈動レベル測定装置（例えば、図４でＳで囲んだ３つの脈動レベル測定装置）が脈動を検知した場合、それらの脈動レベル測定装置の位置、各脈動レベル、導管網の特性等を推定して、最も脈動源に近い１個または複数個のガス遮断弁を遮断する信号を出し、ガス導管網からその部分を遮断する（ガス供給を停止する）。このような集中コントロールシステムを取ることにより、複雑なネットワークを構築しているガス導管網であっても、より効果的に脈動の発生を監視し、かつ脈動が伝播するのを阻止することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明によるガス機器の脈動レベル測定方法を説明するための概念図。
【図２】本発明による測定方法を実施するための脈動レベル測定装置の一例を示す図。
【図３】本発明による脈動伝播防止システムの一例を説明する図であり、脈動レベル測定装置は一部断面で示している。
【図４】本発明による脈動伝播防止システムの他の例を説明するための概念図。
【図５】ガス機器の脈動レベルを実際の圧力変動から入手する場合の装置の一例を示す図。
【符号の説明】
【００３８】
１…脈動発生源（脈動レベルを測定しようとするガス機器）、２…燃料ガス供給口、１０、１０Ａ…脈動レベル測定装置、１１…管路（ステンレス管）、１１ａ…ステンレス管の端部、１２…マイクロフォン（音圧レベル測定手段）、１３…ヘリカルコーン、１４…バッファータンク、１５…ガス導管網から分岐するガス供給管、２１ａ，２１ｂ，２１ｃ…吸音材、３０…演算装置、３１…ガス遮断弁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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