JP5310707B2 - 耐圧防爆容器 - Google Patents

Description

本発明は、耐圧防爆容器に関し、特に、高周波無線装置用に用いて好適な耐圧防爆容器に関する。

各種工場やプラントにおいては、管理部所と現場との間の情報交換や非常連絡のために、例えば１．９ＧＨｚといった高周波帯域の無線通信システムが用いられている。
図５はこのような高周波無線通信システムの一例を示すもので、構内交換装置１に対して通信回線２ａ，２ｂで接続された複数台の固定無線装置（無線基地局）３a，３bを備えるもので、これらの固定無線装置３ａ，３b及びアンテナ４ａ，４ｂを介してエリア内の多数の移動端末機５ａ，５ｂ・・・と構内交換装置１との間で無線通信を行う。つまり、このような高周波無線通信システムを用いると、固定無線装置３ａ，３ｂを介して構内交換装置１に接続されている他の電話器６と現場にいる移動端末機５ａ，５ｂとの間の通話を行うことができ、各固定無線装置３ａ,３ｂを介して管理部所からの緊急通報を各移動端末機５ａ〜５ｆに一斉に通報できる。

ところで、前述したような高周波無線通信システムを揮発性ガスを取り扱う石油プラントやガス燃料発電所等に導入する場合、防爆地域に設置される各固定無線装置３ａ，３ｂは、爆発事故を未然に防止した防爆構造であることが求められる。

図６は耐圧防爆構造に作成された耐圧防爆容器の従来例を示すものである。図６において、アンテナ取り付け穴２１は、防爆型機器本体２２の周面に設けられている。
４５°エルボ型継手２３は、Ｏリング２３ａを介して、アンテナ取り付け穴２１に、接合面の耐圧防爆構造の条件を充足して一端が取り付けられている。
即ち、４５°エルボ型継手２３は、防爆型機器本体２２にねじこまれる構造であり、ねじ仕様も耐圧防爆性能を有する構造である。

４５°エルボ型継手２３には、アンテナ位置固定用ロックナット２３ｂが、アンテナ取り付け穴２１に取り付けられている。
アンテナ位置固定用ロックナット２３ｂを緩めて、４５°エルボ型継手２３を回転させることで、防爆型機器本体２２の設置位置、たとえば、防爆型機器本体２２が水平位置から垂直位置になった場合にも、アンテナ方向を偏波面に合わせて設置することができる。
１８０度回転させるとアンテナは水平⇔垂直と偏波面を合わせることができる。

アンテナカバー２４は、４５°エルボ型継ぎ手２３の他端に、Ｏリング２４ａを介して、接合面の耐圧防爆構造の条件を充足して一端が取り付けられ、アンテナ２５を内蔵し、且つ耐圧防爆構造の強度条件を充足している。

即ち、アンテナカバー２４と４５°エルボ型継ぎ手２３間は微小な隙間と充分なはめあい長さを持ち耐圧防爆規格を満足する構造を有している。
アンテナカバー２４と４５°エルボ型継ぎ手２３とは、アンテナカバー固定用ロックナット２４ｂにより固定されている。

上記図６の構成において、回路とアンテナ接続部である高周波コネクタには圧力に耐える構造が用意されており、金属容器とコネクタは全体として耐圧防爆構造とされている。
そして、送信高周波信号はコネクタ部を通じてアンテナから高周波信号として送信され、アンテナで受信された受信高周波信号はコネクタ部を通じて図示しない回路に伝達される。

図７（ａ，ｂ）は他の従来例を示す断面図である。図７（ａ）において、堅牢な金属で形成された耐圧容器４０内にはアンテナ４１が配置されている。耐圧容器４０の一部は高周波信号を通過させるガラス窓（又は樹脂等）４２で封止されている。
アンテナ４１はガラス窓４２の近傍に配置されており、高周波信号はガラス窓４２を通して送受信を行われる。

高周波信号は金属を通過しないため、アンテナを容器内側に設置するためには容器の一部をガラスや樹脂にする必要がある。また、高周波信号を効率的に送受信するためには、窓部の寸法を大きくする必要がある。即ち、波長から決定される特定の寸法以下の開口では高周波信号は著しく減衰する。
図７（ｂ）はアンテナの指向性を広く得るためにガラス窓（又は樹脂等)４２ａをドーム状とした例を示すものである。

実開平１０−１７２６４８号公報 特開２００８−７８８３５号公報 特開２０１０−１３６０６２号公報

ところで、図６に示す従来例においては、高周波コネクタを圧力に耐えるようにするためには構造が複雑となりコストが上昇する。
また、機械的に丈夫な材料と高周波特性が良い材料は必ずしも一致しないため、圧力に耐える構造を実現したコネクタは高周波特性が劣化する可能性がある。
また、近隣に落雷があった場合、その大きな電磁エネルギーがアンテナを通じて回路に達する可能性がある。

また、アンテナの指向性や送受信性能を劣化させないため、アンテナを容器外部に設置するためには容器の一部に高周波信号を通過させる機構を設ける必要がある。
高周波を通過させるには中心導体と周囲導体との間に絶縁体を設けた同軸構造とするのが一般的（同軸構造ではない場合でも、導体間に絶縁体は必要である）である。

絶縁体としては高周波特性が良好な樹脂が多く使われるが、その樹脂が耐圧容器に求められる堅牢性を有しているとは限らない。
特別にコネクタを設けず、容器に穴を設け同軸ケーブルを通過させケーブルと容器との隙間を樹脂等で封止する方法もあるが同軸ケーブルを構成する樹脂が耐圧容器に求められる堅牢性を有しているとは限らない。

また、図７（ａ，ｂ）に示す構成においては耐圧容器４０の一部に高周波信号を通過させる窓材としてガラス（樹脂）４２などを用いている。高周波信号を効率的に送受信するためには、窓部の寸法を大きくする必要があるが、波長から決定される特定の寸法以下の開口では高周波信号は著しく減衰する。

ガラスや樹脂などは金属と比較して強度が低いため破損の危険性が高い。特に樹脂などは温度変化や紫外線などフィールドにおける環境条件によって劣化し易く、防爆容器としては強度的に問題がある。

また、アンテナの指向性を広く得るためには、ドーム状のガラスや樹脂の内側にアンテナを設置する必要があるが、ガラスや樹脂と金属とを接続するためには機構が複雑になりコストが上昇し、接着剤などを使用する場合には接着剤が環境条件によって劣化する懸念がある。

従って本発明は、金属からなる容器にスリットを設け、外部にアンテナを設置することなく、耐圧爆容器内に収められた無線回路が高周波信号を送受信可能な耐圧防爆容器を提供することを目的としている。

本発明は上記課題を解決するためになされたもので、請求項１においては、
金属からなる容器と、
該容器の壁面を貫通して形成された防爆スキとして機能するスリットと、
前記容器内に設けられ前記スリットを導波路として高周波信号を送受信するアンテナが内蔵されたキャビティ共振器と、
を備えたことを特徴とする耐圧防爆容器。

請求項２においては、請求項１に記載の耐圧防爆容器において、
前記容器は直方体又は立方体であって、前記スリットは少なくとも前記容器の一面に水平又は垂直又は十字状に形成されたことを特徴とする。

請求項３においては、請求項１又は２に記載の耐圧防爆容器において、前記容器に内蔵されたキャビティ共振器を第１キャビティ共振器とし、この第１キャビティ共振器に内蔵されたアンテナを第１アンテナとしたときに、前記容器の外壁面に前記第１キャビティ共振器に対向して第２アンテナが内蔵された第２キャビティ共振器を設けると共に、該第２キャビティ共振器の外側の空間に第３アンテナを設け、前記第２アンテナと第３アンテナを高周波ケーブルで接続したことを特徴とする。

以上説明したことから明らかなように本発明の請求項１によれば、
金属からなる容器と、該容器の壁面を貫通して形成された防爆スキとして機能するスリットと、前記容器内に設けられ前記スリットを導波路として高周波信号を送受信するアンテナが内蔵されたキャビティ共振器と、を備えているので、容器内に配置された無線回路が高周波信号を送受信可能な耐圧防爆容器を実現でき、高周波信号の経路に高周波特性が劣った材料を使用しないことで回路の性能劣化を防ぐことができる。

また、容器を金属だけで構成することで、破損の危険を減少でき、フィールドにおける環境条件による容器材料の劣化を避けることができる。
さらに、アンテナを容器の外部に設置しないことで、落雷による電磁エネルギーが回路に達することを防ぐことができる。

本発明の請求項２によれば、容器を直方体又は立方体とし、前記スリットを少なくとも前記容器の一面に水平又は垂直又は十字状に形成したので容器が単純な構造となり、コストを低下させることができる。
本発明の請求項３によれば、容器に内蔵されたキャビティ共振器を第１キャビティ共振器とし、この第１キャビティ共振器に内蔵されたアンテナを第１アンテナとしたときに、前記容器の外壁面に前記第１キャビティ共振器に対向して第２アンテナが内蔵された第２キャビティ共振器を設けると共に、該第２キャビティ共振器の外側の空間に第３アンテナを設け、前記第２アンテナと第３アンテナを高周波ケーブルで接続したので、高周波の放射源はケーブル先端のアンテナとなるため、容器の設置場所に対する制限がない。

また、空間に設置されたアンテナから回路へ接続される導体は存在しない。従って落雷による電磁エネルギーがアンテナに達してもこのエネルギーが容器内部の回路に達する確率を低くすることができる。

本発明の耐圧防爆容器の断面図（ａ），（ａ）図のＺ視図（ｂ），（ａ）図の平面図（ｃ）である。 本発明の他の実施例を示す断面図（ａ），（ａ）図のＺ視図（ｂ），（ａ）図の容器の壁面の対向する面のそれぞれにスリットを設けた場合の高周波信号の送受信状態を示す平面図（ｃ）及び容器の一部をキャビティとした状態を示す図（ｄ〜ｆ）である。 本発明の他の実施例を示す断面図である。 図３の実施例に落雷が生じた場合の電磁エネルギーの流れを示す図である。 本発明が適用される高周波無線通信システムの一例を示すブロック図である。 従来の耐圧防爆容器の一例を示す断面図である。 従来の耐圧防爆容器の他の実施例を示す図である。

図１は本発明の耐圧防爆容器の断面図（ａ），（ａ）図のＺ視図（ｂ），（ａ）図の平面図（ｃ）である。
これらの図において、１は直方体又は立方体金属からなる耐圧防爆容器であり、側壁の一面に容器の内面に貫通するスリット４４が形成されている。このスリットは図１（ｂ）に示すように例えば送受信する高周波信号ｋが２．４ＧＨｚである場合は幅０．１５ｍｍ、長さ６０ｍｍ程度とされる。なお、耐圧容器の厚さは耐圧容器として十分に機能する１２．５ｍｍ程度とされているが、容器の大きさにより耐圧防爆容器として設計される。

また、このスリット４４は防爆スキ及び導波路として機能するものであり、スリットの外壁側は図１（ｃ）に示すようにスロットアンテナとしても機能する。
耐圧容器４０の内壁の一面には送受信される高周波信号ｋを共振させるための直方体の一面が少なくともスリットからの高周波信号を受信可能に開放されたキャビティ４３がスリットを覆うように溶接や接着などにより固定されている。キャビティ４３の大きさは送受信される高周波信号が共振する大きさに形成されている。材質は例えばＦｅ，Ｃｕ，Ａｌなどの金属で形成されるが、高周波信号を反射するものであれば金属でなくてもよい。

４１はキャビティ４３内に配置されたアンテナであり、キャビティ内で共振した高周波信号ｋを耐圧容器４０内に配置された無線送受信回路（図示省略）に例えば同軸ケーブル（図示省略）を介して送受信する。

上述の構成において、送信動作時には送信回路は高周波信号を発生する。発生した高周波信号はアンテナ４１を通じキャビティ４３の内部に放出される。キャビティ内部で共振した高周波信号ｋは導波路および防爆スキとして機能するスリットを通じてスロットアンテナ４４ａに導かれ、高周波信号はスロットアンテナ４４ａから外部の空間に高周波信号ｋとして放出される。

また、受信動作時には外部から到来した高周波信号ｋはスロットアンテナ４４ａで受信され、スリットからなる導波路を通じてキャビティ４３内に導かれ、キャビティ内に放出される。キャビティ内で共振した高周波信号ｋはアンテナ４１を通じて図示しない受信回路に取り込まれる。なお、図１においては耐圧容器４０が水平に固定され、水平方向にスリットが形成されているので水平偏波の高周波信号を送受信することができる。

上述の構成によれば、耐圧防爆容器を金属で構成し、外部にアンテナを設置することなく、容器内に収められた無線回路が高周波信号を送受信するので、破損の危険を低下させることができ、フィールドにおける環境条件による容器材料の劣化を避けることができ、容器を単純な構造とすることが可能なのでコストを低下させることができる。
また、高周波信号の経路に高周波特性が劣った材料を使用することがないので、回路の性能劣化を防ぐことができる。さらに、アンテナが容器の外部に露出していないので落雷による電磁エネルギーが回路に達することを防ぐことができる。

図２は本発明の他の実施例を示す断面図（ａ），（ａ）図のＺ視図（ｂ），（ａ）図の容器の壁面の対向する面のそれぞれにスリットを設けた場合の高周波信号の送受信状態を示す平面図（ｃ）及び容器の一部をキャビティとした状態を示す図（ｄ〜ｆ）である。なお、図１と同一要素には同一記号を付している。

図２（ａ，ｂ）の実施例によれば、スリットが図１の実施例に比較して垂直方向に形成されているので、垂直偏波の高周波信号を送受信することができる。また、図２（ｃ）に示すように対向するそれぞれの壁面の４箇所にスリットを形成すれば高周波信号の指向性を改善することができる。この場合、図２（ｄ〜ｅ）に示すように耐圧容器４０の中を仕切り板４６で仕切ってキャビティ４３を形成し、キャビティの少なくともひとつの壁面にスリットを形成してもよい。
図２（ｅ）はスリットを十字状に形成したもので水平、垂直両方に偏波した高周波信号に対して対応可能である。

但し、この場合は高周波信号を共振させる関係上耐圧容器の大きさや形状に制限がある。先に説明したように、キャビティ内で共振した高周波信号はアンテナを通じて図示しない受信回路に取り込まれる。

図３は他の実施例を示すもので、この例では耐圧容器４０内の第１キャビティ４３ａに対向しスリット４４を挟んで第１キャビティと同等の第２キャビティ４３ｂを取り付け、この中に配置された第２アンテナ４１ｂとキャビティ外の空中に配置され例えば同軸ケーブルで接続された第３アンテナ４１ｃを設けたものである。
図３の実施例によれば高周波信号の送受信源はケーブル先端のアンテナ４１ｃとなるため、容器の設置場所に対する制限はないことになる。

図４は図３に示すアンテナ４１ｃに落雷が生じた場合の電磁エネルギー（Ｒ）の経路を示すもので、空間に設置されたアンテナ４１ｃから容器内に配置された受信回路（図示省略）へ接続される導体は存在しない。従って落雷による電磁エネルギーがアンテナに達してもこのエネルギーが容器内部の回路に達する確率は非常に低くなる。

なお、以上の説明は、本発明の説明および例示を目的として特定の好適な実施例を示したに過ぎない。従って本発明は、上記実施例に限定されることなく、その本質から逸脱しない範囲で更に多くの変更、変形を含むものである。

１ 構内交換装置
２ 通信回線
３ 固定無線装置
４，２５，４１ アンテナ
５ 移動端末機
２１ アンテナ取り付け孔
２２ 防爆型機器本体
２３ エルボ型継手
２４ アンテナカバー
４０ 耐圧容器
４２ ガラス窓
４３ キャビティ
４４ スリット
４５ 同軸ケーブル

Claims (3)

1. 金属からなる容器と、
   該容器の壁面を貫通して形成された防爆スキとして機能するスリットと、
   前記容器内に設けられ前記スリットを導波路として高周波信号を送受信するアンテナが内蔵されたキャビティ共振器と、
   を備えたことを特徴とする耐圧防爆容器。
2. 前記容器は直方体又は立方体であって、前記スリットは少なくとも前記容器の一面に水平又は垂直又は十字状に形成されたことを特徴とする請求項１に記載の耐圧防爆容器。
3. 前記容器に内蔵されたキャビティ共振器を第１キャビティ共振器とし、この第１キャビティ共振器に内蔵されたアンテナを第１アンテナとしたときに、前記容器の外壁面に前記第１キャビティ共振器に対向して第２アンテナが内蔵された第２キャビティ共振器を設けると共に、該第２キャビティ共振器の外側の空間に第３アンテナを設け、前記第２アンテナと第３アンテナを高周波ケーブルで接続したことを特徴とする請求項１又は２に記載の耐圧防爆容器。