JP2004190868A - 高音圧発生装置とその運用方法 - Google Patents

Abstract

【課題】現在取付け可能な音波発振口の開口径１００ｍｍ程度で直径約５００ｍｍの開口から発振した音波と同等な効果を持つ、高音圧（１７０ｄＢ）の音波を発振する高音圧発生装置を提供すること。
【解決手段】圧縮空気の噴流を発生させる音波発生用ノズル１０とノズル１０の軸線上にノズル１０に対向して取り付けられ、一端が開き、他端が閉じた管体１２と、管体１２内を摺動するノズル１０からの音波に対して共振音波を発生させるための移動式ピストン１３を備えた１次音波発振装置１１０と、１次音波発振装置１１０のノズル１０と管体１２をそれぞれ対向する壁面に配置し、かつ一端が火炉１００の壁面に開き、他端が閉じた管体２０と、管体２０内を摺動する１次音波発振装置１１０で発振された音波を更に強化させた共振音波を発生させるための移動式ピストン２１とから成る２次音波発振装置１２０とを備えた高音圧発生装置である。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は高音圧発生装置とその運用方法に係わり、特に取付開口大きさに制約のある部位への取付に好適な音波発生装置とその運用方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
石炭焚ボイラにおいては燃焼ガス中に多量の石炭灰が含まれており、これらの灰が火炉壁や伝熱管に堆積し、火炉壁や伝熱管の内部の流体への伝熱を阻害する。このため、蒸気式スートブロワを多数設置して局部的に高速の蒸気噴流を吹き付けて火炉壁や伝熱管に灰が堆積するのを抑制していた。
【０００３】
しかしこの方法は、蒸気の噴射速度が高いため、吹き付けられた火炉壁や伝熱管の表面にエロージョンを発生することがある。
【０００４】
これに対して、ＷＯ０１／５３７５４Ａ１、特開平１１−１７９３１０号公報、特開平９−６１０９０号公報、特開平９−６１０８９号公報などに記載されているように、石炭焚ボイラの火炉内に高音圧の音波を発振して火炉壁や伝熱管上に堆積した灰の除去又は火炉壁や伝熱管上への灰の付着を抑制する音波式スートブロアを運用する方法も実施され始めているが、装置の構成上、火炉壁に設けられる音波発振口は直径４５０ｍｍ〜５００ｍｍとなり、火炉壁の音波発振口の取付面についても直径５００ｍｍ程度の音響的開口を必要としていた。このため、ボイラ炉壁においては比較的熱負荷の低い部位である燃焼ガス温度が低い部位に音波式スートブロアの音波発振口を取り付けることはできるが、熱負荷の高い部位では直径５００ｍｍの開口がとれず、音波式スートブロアの取付が難しい状況であった。
【０００５】
上記従来技術は、熱負荷の高い火炉内の部位で音波発振口の開口サイズを大きくすることができず、取付可能な音波発振口の開口サイズである直径１００ｍｍ程度の開口を備えた音波式スートブロアを使用して音波発振を行うには発振音圧（１４５ｄＢ程度）が低すぎるという問題があった。
【０００６】
また川橋正昭、「ハルトマン振動子を用いた気流を伴う音響管用大振幅音源」、日本音響学会誌、第３９巻、第１１号、Ｐ７７４〜７７７、（１９８３年）などに記載されている図５に示す高音圧を発生させる装置としてハルトマン振動子が知られているが、この装置は一端が開き、他端が閉じた管体を備えた１次音波発振装置２０１と、両端を閉じた管体を備えた２次音波発振装置２０２からなり、２次音波発振装置２０２内で１７０ｄＢの高音圧を発生できるが、高音圧発生装置外に音波を発振させることは難しかった。
【０００７】
すなわち、図５に示す高音圧発生装置の構造は、２次音波発振装置２０２の管体４１の壁面に音波発生用のノズル４２を設け、該ノズル４２内から、２次音波発振装置２０２の管体４１内に圧縮空気の噴流を発生させ、該ノズル４２の軸線上であって、２次音波発振装置２０２の管体４１に取り付けられた一端が開き、他端が閉じた１次共振を構成する内径１０ｍｍ程度の管体４３と該管体４３内に移動式ピストン４４を備えた１次音波発振装置２０１と、該１次音波発振装置２０１から発振された音波を更に強化させるため、両端が閉じた内径１００ｍｍ程度の管体４１と該管体４１内に設けた移動式ピストン４６及び管体４１内のノズル４２に対してピストン４６の反対側に音波測定用の弁体４７とその中央部に直径２６ｍｍ程度の音圧検出座４８を設けた２次音波発振装置から構成されている。
また、図５に示す高音圧発生装置は、その運用方法を制御して適切な高音圧を発生させる方法が確立されていなかった。
【０００８】
【特許文献１】
国際公開第０１／５３７５４号パンフレット
【０００９】
【特許文献２】
特開平１１−１７９３１０号公報
【００１０】
【特許文献３】
特開平９−６１０９０号公報
【００１１】
【特許文献４】
特開平９−６１０８９号公報
【００１２】
【非特許文献１】
川橋正昭、「ハルトマン振動子を用いた気流を伴う音響管用大振幅音源」、日本音響学会誌、第３９巻、第１１号、Ｐ７７４〜７７７、（１９８３年）
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術の高音圧発生装置は開口径５００ｍｍ程度の音波発振口を有するものを用いないと、石炭焚ボイラの火炉などの音波発振対象装置内に高音圧の音波を発振して火炉壁や伝熱管上に堆積した灰の除去又は火炉壁や伝熱管上への灰の付着を抑制することができなかった。しかし、熱負荷の高い部位では高音圧発生装置の音波発振口の開口サイズを大きくすることができず、取付可能な音波発振口の開口サイズである直径１００ｍｍ程度の開口を有する高音圧発生装置を使用すると発振音圧が低すぎるという問題があった。
【００１４】
そこで、本発明の課題は、音波発振口の開口径１００ｍｍ程度で直径約５００ｍｍの開口から発振した音波と同等な効果を持つ高音圧の音波を発振する高音圧発生装置を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記本発明の課題は、次の構成で解決される。
請求項１記載の発明は、圧縮空気の噴流を発生させる音波発生用ノズルと、該ノズルの軸線上に該ノズルに対向して取り付けられ、一端が開き、他端が閉じた第１の管体（例えば、内径１０ｍｍ程度の管体）と、該第１の管体内を摺動する前記音波発生用ノズルからの音波に対して共振音波を発生させるための第１の移動式ピストンとから成る１次音波発振装置と、該１次音波発振装置の音波発生用ノズルと第１の管体をそれぞれ対向する壁面に配置し、かつ一端が音波発振対象装置の壁面に開き、他端が閉じた第２の管体（例えば、内径１００ｍｍ程度の管体）と、該第２の管体内を摺動する前記１次音波発振装置で発振された音波を更に強化させた共振音波を発生させるための第２の移動式ピストンとから成る２次音波発振装置とを備えた高音圧発生装置である。
【００１６】
請求項２記載の発明は、１次音波発振装置の音波発生用ノズルは、その中心部に円柱を配置し、該円柱の周囲に圧縮空気の環状噴流を発生させるノズル体、又は、その中心部に円柱を持たない圧縮空気の噴流を発生させるノズル体と該ノズル体からの圧縮空気の噴流の半分の流路を妨げる前記第２の管体内の位置であって前記圧縮空気の噴流の軸方向に直交する方向に配置される円柱からなる請求項１記載の高音圧発生装置である。
【００１７】
請求項３記載の発明は、１次音波発振装置の音波発生用ノズルに圧縮空気を供給する配管を接続し、該配管に減圧弁を設け、圧縮空気の噴流速度により第２の管体へ投入する音波の音圧を調整する制御を行う請求項１ないし２のいずれかに記載の高音圧発生装置である。
【００１８】
請求項４記載の発明は、１次音波発振装置のピストン面、２次音波発振装置のピストン面および音波発振対象装置の壁面に発振された音波の周波数と音圧を検出するため検出座をそれぞれ取り付けて、１次音波発振装置の検出座で検出する音波発生周波数と音圧に基づき２次共振発生装置で最も音圧が上昇する位置に２次共振発生装置のピストンを移動調整するための制御装置を設けた請求項１ないし３のいずれかに記載の高音圧発生装置である。
【００１９】
請求項５記載の発明は、請求項１記載の高音圧発生装置において、音波発生用ノズルから圧縮空気噴流を１次音波発振装置の第１の管体に向けて流し、１次音波発振装置の第１のピストンを駆動し、１次音波発振装置で１次気柱共振をする一定波長の音波を発振させて、得られる発生周波数と音圧を検出すると共に、該１次気柱共振をする一定波長の音波が２次音波発振装置において最も音圧が得られる位置に２次音波発振装置の第２のピストンを移動調整して、該音圧を持った音波を音波発振対象装置内に発振させる高音圧発生装置の運用法である。
【００２０】
請求項６記載の発明は、請求項３記載の高音圧発生装置において、音波発生用ノズルに接続した圧縮空気配管に設けた減圧弁の開閉度を調整することで、音波発生用ノズルから第２の管体内に噴出する噴流速度を調整して音波発振対象装置に適した音圧が最大となる気柱共振周波数が得られる制御を行う請求項５記載の音波発振装置の運用方法である。
【００２１】
請求項７記載の発明は、請求項４記載の高音圧発生装置において、音波発振対象装置に発振可能な最低周波数から最高周波数まで音波を発振して、音波発振対象装置の検出座から検出された周波数と音圧を求め、その中で音圧が最大となる気柱共振周波数を求め、音波発振対象装置内に最も音圧を高めた周波数の音波を投入する高音圧発生装置の運用方法である。
【００２２】
【作用】
本発明の高音圧発生装置による音波発振は図２に示すように１次音波発振装置を構成する音波発振用ノズル１０内に高速の圧縮空気を流す該ノズル１０内の軸方向に設置された円柱１１の端面でノズル１０内を音速に近い高速で流れる空気流れが剥離して渦が発生し、該渦により発生した不規則な振動が広帯域の振動数を有する振動源となり、音波発振用ノズル１０の軸線上に対向して取り付けられた１次音波発振装置を構成する一端が開き、他端が閉じた第１の管体１２（例えば直径１０ｍｍ）に入る。前記第１の管体１２の管軸方向の長さが前記ノズル１０からの音波に共振する周波数に対応する長さであれば、前記第１の管体１２では気柱共振（１次共振）により周波数が一定の音波が励起される。ここで発生した共振周波数が一定の音波は１次音波発振装置の第１の管体径の約１０倍の管径（例えば直径１００ｍｍ）を有する図示しない２次音波発振装置の第２の管体内で再度気柱共振を励起して、一段と音圧を高めると共に波形を整えて、他端開の開口より外部へ音波を発振することになる。
【００２３】
また、図４に示すように１次音波発振装置を構成する前記音波発生用ノズル１０が、その中心部に円柱を持たない圧縮空気の噴流を発生させるノズル１０と側壁面半分が前記ノズル１０からの前記噴流に晒される（第２管体の内壁）位置に配置された円柱１９からなる場合には、円柱１９の後流で空気流れが剥離して渦が発生し、該渦により発生した不規則な振動が振動源となり、音波発振用ノズル１０の軸線上に対向して取り付けられた１次音波発振装置の第１の管体１２内で共振する周波数のみが強調されて、共振周波数の音波を発生する。
【００２４】
高音圧発生装置を有効に作用させるためには、音波発振対象装置に発振可能な音波発振用ノズルから最低周波数から最高周波数まで音波を発振して、音波発振対象装置の検出座から検出された周波数と音圧を求め、その中で音圧が最大となる気柱共振周波数を求める。この気柱共振周波数を１次音波発振装置と２次音波発振装置で発振させることで音波発振対象装置の全てにわたり共振現象となり、最も効果的な音響結合を達成させ、音波発振対象装置内の音波の音圧を高めることができる。こうして音波発振対象装置内には気柱共振周波数の音波を励起した現象が生じる。
【００２５】
音波発振対象装置がボイラ火炉である場合には、前記火炉壁や伝熱管上に灰が付着することを効果的に抑制する音波を発振することができる。
しかも熱負荷の高い部位に取付可能な直径１００ｍｍ程度の開口サイズの音波発振口とすることができるので火炉壁や伝熱管上に灰が付着することを効果的に抑制することができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面と共に説明する。
図１に示す高音圧発生装置の実施例では、開口径約１００ｍｍを持つ２次音波発振装置１２０を音波発振対象装置１００の壁面に取り付け、２次音波発振装置１２０内に１次音波発振装置１１０が実装され、個々の１次音波発振装置１１０と２次音波発振装置１２０のシリンダ１２、２０の各管軸長さを遠隔操作により可変するためのピストン１３、２１と該ピストン１３、２１を動かすためのモータ１４、２２がそれぞれ設けられている。個々のピストン１３、２１はそれぞれの発振音（音圧・周波数）を検出するための発振装置１１０、１２０の各ピストン１３、２１に小さな開口からなる検出座１５、２４があり、この検出座１５、２４で検出された発振音はそれぞれ圧力計１６、２３により、それぞれの音圧と周波数として測定され、測定された音圧・周波数は信号変換装置３１により電気信号に変換されて制御装置４へ伝送される。
【００２７】
音波の発振は、まず２次音波発振装置１２０のシリンダ２０に設けられた音波発振用ノズル１０（１次音波発振装置１１０の一構成部分）に圧縮空気を流し、該ノズル１０内に内蔵されている円柱１１の端面で空気流れの不規則な乱れや渦を発生させる。このような不規則な空気流れの振動をノズル１０に対向する２次音波発振装置のシリンダ２０の壁面に設けられた１次音波発振装置１１０の一端が開き、他端が閉じたシリンダ１２内でシリンダ１２の軸長に相当する気柱共振を励起して１次共振の一定の周波数の音を発振する。
【００２８】
音波発振用ノズル１０で使用される圧縮空気の流量は流量計１７で測定され、信号変換装置３１を介して制御装置４で制御され、さらに流量と圧力は減圧弁１８で調整され駆動制御装置３２を介してフィードバック制御される。
【００２９】
一度発振した音は１次共振のため、１次音波発振装置１１０のピストン１３の位置（シリンダ１２の閉じた他端になる）では音圧の高低変化となり、空気粒子は一定の位置に止まっているが、シリンダ１２の開いた一端の部分（２次音波発振装置のシリンダ２０に設けられた開口部）は空気粒子は激しい往復運動を生じる。この開口部での空気粒子の往復運動を振動源として、２次音波発振装置１２０内で、再び一端が開き、他端が閉じたシリンダ２０の軸長に相当する気柱共振を励起する。このとき、１次音波発振装置１１０の共振周波数と２次音波発振装置１２０の共振周波数が同一周波数であれば互いに共振して高音圧の音波が形成される。
【００３０】
また、１次音波発振装置１１０と２次音波発振装置１２０の周波数はそれぞれのピストン１３、２１に設けられた音波測定用の前記検出座１５、２４から圧力計１６、２３を介して計測され、数多くの組合せ（１次音波発振装置１１０のシリンダ１２と２次音波発振装置１２０のシリンダ２０の軸長の組合せ）の中で最も高音圧となる組合せを検出し、プログラム化することで、本実施例の高音圧発生装置で発振できる周波数範囲内で常に最大音圧の音波の発振が可能となった。
【００３１】
前記ピストン１３、２１はそれぞれモータ１４、２２によりその移動量が調整され前記減圧弁１８の開度と共に駆動制御装置３２を介してフィードバック制御される。
【００３２】
ボイラ火炉などの音波発振対象装置１００の内部に効果的な音波を発振させるためには、音波発振対象装置１００が持つ気柱共振周波数を音波発振対象装置検出座１０１と圧力計１０２により検出し、１次音波発振装置１１０のシリンダ１２と２次音波発振装置１２０のシリンダ２０の軸長を音波発振対象装置１００の気柱共振周波数に一致させることで効果的な音波発振対象装置１００の内部の音圧強化が達成できる。
音波発振対象装置１００内の音圧の調整については圧縮空気減圧弁１８を使用し、ノズル１０からの噴出空気流量を調整することで達成される。
【００３３】
図１に示すノズル１０内に円柱１１を配置する代わりに、図３に示す実施例では、ノズル１０と該ノズル１０に対向する１次音波発振装置１１０のシリンダ１２の開口部との間でノズル１０からの圧縮空気の噴流に対して軸方向が直交するように円柱１９を２次音波発振装置１２０のシリンダ２０内に設ける。前記ノズル１０からの噴流の半分程度が円柱１９の側面で妨げられるように円柱１９を実装することにより音波の発生が可能となる。
【００３４】
この方法では、図４に示すようにノズル１０から噴き出した噴流が円柱１９の下半分を回り込んで流れることにより円柱１９の後流に渦が発生し、この渦による空気振動で１次音波発振装置１１０のシリンダ１２内で気柱共振を発生させ、一定の周波数を持つ音波となる。
これが２次音波発振装置１２０と音響結合し、高音圧を発振する。
【００３５】
【発明の効果】
本発明によれば、音波発振対象装置への高音圧発生装置の２次音波発振装置のシリンダの開口部を取り付ける開口が約１００ｍｍ程度の直径を有するもので良いため、ボイラなどの高熱負荷部に設けられている既設の開口部に取り付けることが可能となると共に設置のための開口加工等の工事が不要となり、取付費用の低減となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例の高音圧発生装置の構成を示す概略図である。
【図２】図１の高音圧発生装置の１次音波発生装置の音波発生用ノズル部分を示す概略図である。
【図３】本発明の実施例の高音圧発生装置の構成を示す概略図である。
【図４】図３の高音圧発生装置の１次音波発生装置の音波発生用ノズル部分を示す概略図である。
【図５】高音圧を発生させる装置としてハルトマン振動子の概略図である。
【符号の説明】
４ 制御装置 １０ ノズル
１１ 円柱 １２ シリンダ
１３ ピストン １４ モータ
１５ 検出座 １６ 圧力計
１７ 流量計 １８ 減圧弁
１９ 円柱 ２０ シリンダ
２１ ピストン ２２ モータ
２３ 圧力計 ２４ 検出座
３１ 信号変換装置 ３２ 駆動制御装置
４１ 管体 ４２ ノズル
４３ 管体 ４４ ピストン
４６ ピストン ４７ 弁体
４８ 検出座 １００ 音波発振対象装置
１０１ 検出座 １０２ 圧力計
１１０ １次音波発振装置
１２０ ２次音波発振装置
２０１ １次音波発振装置
２０２ ２次音波発振装置

Claims (7)

1. 圧縮空気の噴流を発生させる音波発生用ノズルと、該ノズルの軸線上に該ノズルに対向して取り付けられ、一端が開き、他端が閉じた第１の管体と、該第１の管体内を摺動する前記音波発生用ノズルからの音波に対して共振音波を発生させるための第１の移動式ピストンとから成る１次音波発振装置と、
   該１次音波発振装置の音波発生用ノズルと第１の管体をそれぞれ対向する壁面に配置し、かつ一端が音波発振対象装置の壁面に開き、他端が閉じた第２の管体と、該第２の管体内を摺動する前記１次音波発振装置で発振された音波を更に強化させた共振音波を発生させるための第２の移動式ピストンとから成る２次音波発振装置と、
   を備えたことを特徴とする高音圧発生装置。
2. １次音波発振装置の音波発生用ノズルは、その中心部に円柱を配置し、該円柱の周囲に圧縮空気の環状噴流を発生させるノズル体、又は、その中心部に円柱を持たない圧縮空気の噴流を発生させるノズル体と該ノズル体からの圧縮空気の噴流の半分の流路を妨げる前記第２の管体内の位置であって前記圧縮空気の噴流の軸方向に直交する方向に配置される円柱からなることを特徴とする請求項１記載の高音圧発生装置。
3. １次音波発振装置の音波発生用ノズルに圧縮空気を供給する配管を接続し、該配管に減圧弁を設け、圧縮空気の噴流速度により第２の管体へ投入する音波の音圧を調整する制御を行うことを特徴とする請求項１ないし２のいずれかに記載の高音圧発生装置。
4. １次音波発振装置のピストン面、２次音波発振装置のピストン面および音波発振対象装置の壁面に発振された音波の周波数と音圧を検出するため検出座をそれぞれ取り付けて、１次音波発振装置の検出座で検出する音波発生周波数と音圧に基づき２次共振発生装置で最も音圧が上昇する位置に２次共振発生装置のピストンを移動調整するための制御装置を設けたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の高音圧発生装置。
5. 請求項１記載の高音圧発生装置において、音波発生用ノズルから圧縮空気噴流を１次音波発振装置の第１の管体に向けて流し、１次音波発振装置の第１のピストンを駆動し、１次音波発振装置で１次気柱共振をする一定波長の音波を発振させて、得られる発生周波数と音圧を検出すると共に、該１次気柱共振をする一定波長の音波が２次音波発振装置において最も音圧が得られる位置に２次音波発振装置の第２のピストンを移動調整して、該音圧を持った音波を音波発振対象装置内に発振させることを特徴とする高音圧発生装置の運用法。
6. 請求項３記載の高音圧発生装置において、音波発生用ノズルに接続した圧縮空気配管に設けた減圧弁の開閉度を調整することで、音波発生用ノズルから第２の管体内に噴出する噴流速度を調整して音波発振対象装置に適した音圧が最大となる気柱共振周波数が得られる制御を行うことを特徴とする請求項５記載の音波発振装置の運用方法。
7. 請求項４記載の高音圧発生装置において、音波発振対象装置に発振可能な最低周波数から最高周波数まで音波を発振して、音波発振対象装置の検出座から検出された周波数と音圧を求め、その中で音圧が最大となる気柱共振周波数を求め、音波発振対象装置内に最も音圧を高めた周波数の音波を投入することを特徴とする高音圧発生装置の運用方法。

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