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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft ein Rohr, insbesondere ein Hydraulikrohr, mit
einem Rohrmantel, sowie ein Verfahren zum Herstellen eines einen
Rohrmantel aufweisenden Rohres.
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Hydraulikrohre
werden zum Zuführen
oder zum Abführen
von Flüssigkeiten
in den unterschiedlichsten hydraulischen Systemen eingesetzt, unter anderem
in Hydraulikpumpen, Kraftstoff-Hochdruck-Rails sowie in Bremsleitungen,
beispielsweise in ABS-Bremsanlagen. Durch Förderstromschwankungen von Pumpen
durch Druckstöße, die
aus dem Betätigen
von Ventilen und Reglern resultieren, werden Pulsationen erzeugt.
Diese Druckpulsationen führen
zum Entstehen von Energiewellen, die ungedämpft durch das Hydraulikrohr
weitergeleitet werden und zum Körper-
bzw. Luftschall führen.
Da die Pulsationen systembedingt verursacht sind, können diese
nur bedingt durch konstruktive Maßnahmen reduziert werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Technische Aufgabe
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Rohr, insbesondere ein
Hydraulikrohr, vorzuschlagen, bei dem die Schallemission reduziert
ist. Ferner besteht die Aufgabe darin, ein geeignetes Herstellungsverfahren
zum Herstellen eines derartigen Rohres vorzuschlagen.
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Technische Lösung
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Diese
Aufgabe wird mit einem Rohr, insbesondere mit einem Hydraulikrohr,
mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch eine Verwendung gemäß Anspruch
12 sowie durch ein Herstellungsverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs
13 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
In den Rahmen der Erfindung fallen auch sämtliche Kombinationen aus zumindest
zwei von in der Beschreibung, den Ansprüchen und/oder den Figuren offenbarten
Merkmalen. Zur Vermeidung von Wiederholungen sollen vorrichtungsgemäß offenbarte
Merkmale auch als verfahrensgemäß offenbart
gelten und beanspruchbar sein. Ebenso sollen verfahrensgemäß offenbarte
Merkmale auch als vorrichtungsgemäß offenbart gelten und beanspruchbar
sein.
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Der
Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, radial innerhalb eines Rohrmantels
ein poröses
Material vorzusehen, um hierdurch den Schalldruckpegel des in dem
Rohr geförderten
Fluids, insbesondere einer Flüssigkeit,
beispielsweise Hydrauliköl
oder Kraftstoff, zu reduzieren. Dabei tritt das zu fördernde Fluid
bevorzugt in unmittelbaren Kontakt zu dem porösen Material – das poröse Material
dient also bevorzugt zur unmittelbaren Flüssigkeitsleitung. Dabei liegt
es im Rahmen der Erfindung, das Fluid an dem porösen Material vorbei und/oder
durch dieses hindurch zu fördern.
Je nach Ausbildung und/oder Ausformung des porösen Materials können entweder Schalldämmungs-
oder Schalldämpfungseffekte
realisiert werden. Wie später
noch erläutert
werden wird, ist es sogar möglich,
gleichzeitig eine Schalldämmung
als auch ei ne Schalldämpfung
zu realisieren. Durch eine gezielte Wahl der Materialparameter,
wie der Porosität,
der Porengröße, der
Stegdicke und/oder der Geometrie des porösen Materials kann die Verringerung
des Schalldruckpegels optimiert und gleichzeitig der Strömungswiderstand
und damit der Druckabfall minimiert werden. Versuche der Anmelderin
haben ergeben, dass der Schalldruckpegel am Ausgang eines nach dem
Konzept der Erfindung ausgebildeten Rohres durch eine geeignete
Wahl der Parameter des porösen
Materials um 2 bis 9 dB reduziert werden kann. Eine noch weitergehende
Reduzierung ist denkbar. Besonders geeignet ist der Einsatz eines
nach dem Konzept der Erfindung ausgebildeten Rohres als Hydraulikrohr
in Hydraulikkreisläufen,
insbesondere in Kraftfahrzeugen, beispielsweise in einer Bremsanlage
oder einer Einspritzanlage, oder in Hydraulikanwendungen, beispielsweise
in stationären
oder mobilen Hydraulikpumpen. Bevorzugt handelt es sich bei einem
nach dem Konzept der Erfindung ausgebildeten Rohr um einen Verbundwerkstoff,
umfassend einen Rohrmantel und das mindestens eine, vorzugsweise
ausschließlich
eine, poröse
Material. Dabei liegt es im Rahmen der Erfindung den Rohrmantel
und das poröse
Material fest miteinander zu verbinden, oder nur lose ineinander zu
schachteln. Unter einem porösen
Material wird nicht nur ein poröser
Stoff, sondern gemäß einem weiteren
Verständnis
auch ein poröses
Element, wie beispielsweise ein Drahtgeflecht verstanden.
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In
Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass es
sich bei der Porosität
des Auskleidungsmaterials um eine offene Porosität handelt. Eine offene Porosität liegt
vor, wenn in dem Material Poren existieren, die einen Durchgang
zur inneren Oberfläche
des Materials und damit unmittelbaren Kontakt zu dem zu fördernden
Fluid haben.
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Von
besonderem Vorteil ist eine Ausführungsform,
bei der das poröse
Material festen, d. h. nicht fluiden, Schaum umfasst, insbesondere
aus festem Schaum ausgebildet ist. Unter einem festen Schaum wird
nicht notwendiger Weise ein starrer Schaum, sondern je nach Anwendung
auch ein elastischer Schaum verstanden. Im Hinblick auf das Einhalten
von Festigkeitsanforderungen ist jedoch eine Ausführungsform
des porösen
Materials als starrer Schaum bevorzugt. Vorteilhaft bei dem Einsatz
von Schaum als poröses
Material ist es, dass sich Schäume
bereits jetzt industriell fertigen lassen und auf einfache Weise
in verschiedensten Geometrien und Porositäten bearbeitet und bereitgestellt
werden können.
Damit ist es möglich,
die Schaumeigenschaften an die jeweils am häufigsten vorkommenden Betriebsbedingungen
(Fluideigenschaften, Druck, Temperatur) und an die Rohrgeometrie
(Länge
und Durchmesser) leicht und gezielt anzupassen. Durch eine gezielte
Wahl der Porosität,
der Porengröße, der Stegdicke
und/oder der Schaumgeometrie kann die Verringerung des Schalldruckpegels
optimiert und gleichzeitig der Strömungswiderstand bzw. der Druckabfall
minimiert werden. Bevorzugt wird das poröse Material, insbesondere der
Schaum, in einen, vorzugsweise aus Metall, insbesondere Stahl, bestehenden
Rohrmantel eingeführt
und mit dem Rohrmantel zu einem Verbundwerkstoff verbunden.
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Alternativ
zu Metall- und/oder Keramikschäumen
kann das Rohr mit einem Drahtgestrick als poröses Material ausgeführt werden.
Vorteilhaft ist dabei, dass Drahtgestricke verschiedener Dicke (insbesondere
0,05 mm bis 0,5 mm) und verschiedener Metalle und Metalllegierungen
(z. B. Edelstahl) industriell in verschiedenen Geometrien hergestellt werden
können.
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Das
Verbinden des porösen
Materials, insbesondere des Schaums oder des Drahtgestricks, mit dem
Rohrmantel kann in Abhängigkeit
der Materialwahl durch Sintern (Keramik und/oder Metall) oder Löten (Metall)
erfolgen. Alternativ ist es möglich
das poröse
Material, insbesondere Keramikschaum, ggf. mit Faserpapier umhüllt, in
das Rohr einzuschieben und/oder mit Kleber, insbesondere Keramikkleber, am
Rohrmantel zu befestigen.
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Im
Hinblick auf die Materialwahl des porösen Materials, insbesondere
des Schaums, gibt es unterschiedliche Möglichkeiten. Es ist möglich, das
poröse Material,
insbesondere den Schaum, aus Polymermaterial, Metall (z. B. Al,
Ni, Fe) und/oder Metalllegierungen, beispielsweise Fe-, Al- und
Ni-Legierungen, vorzugsweise
Fe-Legierungen, auszubilden. Besonders bevorzugt ist es aufgrund
der guten chemischen Beständigkeit
das poröse
Material, insbesondere den Schaum, und das Drahtgestrick, aus der
Klasse AISI 316 L auszubilden. Das poröse Material kann zusätzlich oder
alternativ aus Keramikschaum bestehen, beispielsweise aus SiC, SiSiC,
Al2O3, Sr2O3, SiO2 oder
ZrO2. Im Falle der Ausbildung des porösen Materials
als Metall- und/oder Keramikschaum erfolgt dessen Herstellung vorzugsweise
durch Negativabformung von Polymerschaum durch Metall- bzw. Keramikschlicker.
Andere Verfahren sind alternativ realisierbar.
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Im
Hinblick auf eine konkrete Ausbildung der Geometrie des porösen Materials
gibt es unterschiedliche Möglichkeiten.
So ist es beispielsweise möglich,
den Rohrmantel in zumindest einem Abschnitt oder über seine
gesamte Längserstreckung vollständig mit
porösem
Material auszufüllen.
Bei einer Vollauskleidung ist zu beachten, dass es zu einem starken
Ansteigen des Strömungswiderstandes kommen
kann. Es sollte daher nur hoch poröses Material, insbesondere
nur sehr hoch poröser
Schaum, eingesetzt werden. Zu beachten ist, dass der Druckabfall
stark von der Viskosität
des zu fördernden
Fluids, insbesondere der hydraulischen Flüssigkeit, abhängig ist.
Alternativ zu einem vollständigen
Ausfüllen
des freien Strömungsquerschnittes
mit porösem Material
ist eine Ausführungsform
realisierbar, bei der das poröse
Material beispielsweise hohlzylindrisch ausgeformt ist.
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Für Anwendungen,
bei denen der Strömungswiderstand
möglichst
gering sein soll, ist eine Ausführungsform
bevorzugt, bei der von dem porösen
Material mindestens zwei in radialer Richtung miteinander verbundene,
Strömungskanäle vorgesehen
sind, deren Längsmittelachsen
in radialer Richtung versetzt sind. Bevorzugt befinden sich die Längsmittelachsen
der Strömungskanäle dabei
in zwei Parallelebenen.
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Besonders
bevorzugt ist eine Ausführungsform,
bei der die mindestens zwei Strömungskanäle in axialer
Richtung aneinander anschließen,
wobei sie sich lediglich im Bereich ihrer radialen Verbindung in
radialer Richtung überlappen.
Bevorzugt ist also eine Art Stufenanordnung der Strömungskanäle. Zur Herstellung
derartiger Strömungskanäle ist es
möglich,
ein zunächst
vollständig
mit porösem
Material ausgefülltes
Rohr von zwei Seiten her radial versetzt zu bearbeiten, insbesondere
anzubohren, anzufräsen,
anzuschneiden, zu erodieren, etc.
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Eine
besonders gute Schalldämpfung
kann erreicht werden, wenn die Schallausbreitung durch Erzeugen
einer destruktiven Interferenz des sich ausbreitenden Schalls an
maßgeschneidert
eingestellten Unstetigkeiten des porösen Materi als erzielt wird.
Dies kann durch eine gezielte Einstellung der Porosität, der Porengröße und der
Porenverteilung des porösen
Materials realisiert werden. Im Idealfall soll ein Gangunterschied
von λ/2
bei einer einfallenden Wellenlänge λ durch das
poröse
Material verursacht werden. Zusätzlich
kann bei einer entsprechenden Ausbildung und/oder Ausformung des
porösen
Materials ein Teil der Schallenergie durch Reibung an der Grenzfläche Fluid/poröses Material
in Wärme
umgewandelt werden.
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Eine
besonders effektive Möglichkeit
zur Realisierung destruktiver Interferenz besteht darin, dass sich
der freie Durchflussquerschnitt für das zu fördernde Fluid mit der Längserstreckung
des Rohres ändert.
Anders ausgedrückt ändert sich
die Wandstärke
des porösen
Materials, beispielsweise linear, logarithmisch oder exponentiell
mit zunehmender Längserstreckung
des Rohres. Dabei sollte der minimale freie Strömungsdurchmesser groß genug
gewählt
werden, um den Strömungswiderstand
für das zu
fördernde
Fluid so gering wie möglich
zu halten. Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der sich der
freie Strömungsquerschnitt
keilförmig
in Förderrichtung
verringert. Die negative Keilform des porösen Materials, insbesondere
des Schaums, kann beispielsweise durch Elektroerosion aus einem
zuvor zylindrischen porösen
Material gewonnen werden. Es ist denkbar, zumindest zwei der zuvor
beschriebenen Materialgeometrien gleichzeitig in einem Rohr, vorzugsweise
axial benachbart zueinander zu realisieren. Es ist auch denkbar,
lediglich eine der beschriebenen Geometrien, vorzugsweise in axialer Richtung
mehrfach hintereinander, zu realisieren. Die jeweils am besten geeignete
Geometrievariante kann je nach Bauraumbedingungen, Fluideigenschaften und
am häufigsten
vorkommenden Betriebspunkt gewählt
werden.
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Die
Erfindung führt
auch auf eine Verwendung eines zuvor beschriebenen Rohres als Hydraulikrohr,
insbesondere in einem Kraftfahrzeug, beispielsweise als Teil eines
Brems-Hydraulikkreislaufes
oder als Bestandteil eines Kraftstofffördersystems, insbesondere eines
Common-Rail-Einspritzsystems,
oder in einer Hydraulikpumpe.
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Weiterhin
führt die
Erfindung auf ein Verfahren zum Herstellen eines einen Rohrmantel
aufweisenden Rohres. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das
Rohr als Verbundbauteil durch zumindest abschnittsweises Auskleiden
des Rohrmantels mit porösem
Material, vorzugsweise mit Schaum hergestellt wird. Im Falle des
Einsatzes von Metall- oder Keramikschaum ist es bevorzugt, diesen
Schaum durch Negativabformung von Polymerschaum durch Metall- bzw.
Keramikschlicker herzustellen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand
der Zeichnungen. Diese zeigen in:
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1:
ein als Verbundwerkstoff ausgebildetes Rohr mit in einem Rohrmantel
angeordnetem, porösen
Material, das derart ausgeformt ist, dass sich der freie Strömungsquerschnitt
der Hydraulikflüssigkeit
mit zunehmender Längserstreckung
des Rohres verringert,
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2:
in einer schematischen Darstellung eine mögliche Wirkungsweise des porösen Materials,
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3:
ein Rohr mit einem Rohrmantel aus Stahl, dessen innerer Querschnitt
vollständig
mit porösem
Material ausgefüllt
ist,
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4:
eine mögliche
Ausbildung eines Rohres mit alternierender Anordnung von sich abschnittsweise überlappenden
Strömungskanälen und
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5:
ein Rohr mit Drahtgestrick als poröses Material, wobei mehrere
in axialer Richtung nebeneinander angeordnete hohlzylindrische Drahtgestrickringe
mit unterschiedlichen Innendurchmessern vorgesehen sind.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In
den Figuren sind gleiche Elemente und Elemente mit der gleichen
Funktion mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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In 1 ist
ein Rohr 1, umfassend einen hohlzylindrischen Rohrmantel 2,
in dem gezeigten Ausführungsbeispiel
aus Metall, gezeigt. Bei dem Rohr 1 handelt es sich um
ein Hydraulikrohr zum Fördern
von Hydraulikflüssigkeit.
Die Förderrichtung
verläuft
in der Zeichnungsebene von links nach rechts.
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Der
Rohrmantel 2 ist radial innen ausgekleidet mit einem porösen Material 3 mit
einer nach radial innen offenen Porosität. Das poröse Material 3 besteht
in dem gezeigten Ausführungsbeispiel
aus einem festen (d. h. nicht fluiden) Schaum. Zu erkennen ist,
dass der freie Strömungsquerschnitt
des freien Strömungskanals 5 in
Strömungsrichtung
von einem Durchmesser D1 (Innendurchmesser
des Rohrmantels 2) bis auf einen Durchmesser D2 (Keilform)
abnimmt. Der Durchmesser D2 (kleinster Durchmesser) muss
groß genug
gewählt
werden, um den Strömungswiderstand
der hydraulischen Flüssigkeit
bei ausreichender Minimierung der Schallemission so gering wie möglich zu
halten. Die negative Keilform (inverse Kegelform) des porösen Materials 3 kann beispielsweise
durch Elektroerosion aus einem zuvor zylindrisch ausgeformten porösen Material 3 erzeugt werden.
Bei der gezeigten geometrischen Ausformung des porösen Materials 3 mit
in diesem Ausführungsbeispiel
linear zunehmender Wandstärke
können
die Porosität,
die Porengröße und die
Porenverteilung an die gewünschte
akustische Performance ange passt werden. Die akustische Absorption
des porösen
Materials 3 (innere Auskleidung, Absorber) kann als Funktion
der Rohrlänge
L des Rohrmanteldurchmessers D1 und als
Funktion der Zellweite des Schaums in ppi (pores per inch) berechnet
werden. Versuche zur Reduzierung des Schalldruckpegels in dem gezeigten
Rohr 1 haben eine Geräuschreduzierung
bis 8 dB bei einer Zellweite von 30 ppi und einer Rohrlänge von
300 mm ergeben. Dabei wurden Versuchsreihen mit unterschiedlichen
Rohrlängen
von 100 mm bis 300 mm und mit unterschiedlichen Zellweiten des porösen Materials
von 16 bis 60 ppi bei einer Pulsationsfrequenz von 250 Hz durchgeführt.
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In 2 ist
schematisch der Wirkmechanismus des porösen Materials 3 durch
Erzeugen einer destruktiven Interferenz gezeigt. Zu erkennen ist
ein Ausschnitt des porösen
Materials 3, welches rotationssymmetrisch in einem nicht
gezeigten Rohrmantel 2 festgelegt ist. Schallwellen 4 im
zu fördernden Fluid
treffen auf das poröse
Material 3 mit linear ansteigender Wandstärke auf.
Ein Teil der Schallwellen 4' (strichliert
dargestellt) wird an der inneren Oberfläche des porösen Materials 3 reflektiert,
wohingegen ein anderer Teil der Schallwellen 4'' in das poröse Material 3 eindringt
und an der Grenzfläche
zum nicht gezeigten Rohrmantel 2 reflektiert wird. Dabei
sind die Materialeigenschaften und die Geometrie des porösen Materials 3 so
gewählt,
dass die an der Grenzfläche
zum Rohrmantel 2 reflektierten Schallwellen 4' wieder auf
eintreffende Schallwellen 4 auftreffen und destruktiv mit
diesen interferieren.
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In 3 ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel eines
Rohres 1 mit einer Länge
L und einem Rohrmantelinnendurchmesser D1 gezeigt.
Der Rohrmantel 2 ist vollständig (über den gesam ten Querschnitt) mit
porösem
Material (hier Keramikschaum) ausgefüllt, so dass kein freier Strömungsquerschnitt
erhalten wird. Das zu fördernde
Fluid wird durch das poröse
Material 3 hindurchgeführt.
Durch die Durchströmung
des porösen
Materials 3 im zu fördernden
Fluid wird die transmittierte Schallenergie durch die Poren in Wärmeenergie
umgewandet (Schalldämpfung durch
Adsorption). Die Umwandlung in Wärme
resultiert aus einer äußeren Reibung
zwischen den schwingenden Partikeln des zu fördernden Fluids und den Feststoffelementen
des porösen
Materials 3. Zur Minimierung des Strömungswiderstandes ist es vorteilhaft,
bei einer gezeigten Vollauskleidung des Rohrmantels 2 lediglich
hoch poröses
Material 3 einzusetzen. Bei der gezeigten Vollauskleidung
hat das poröse
Material 3 eine vollzylindrische Form.
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In 4 ist
ein alternativ ausgebildetes Rohr 1, umfassend einen hohlzylindrischen
Rohrmantel 2 sowie poröses
Material 3, gezeigt. Das poröse Material 3 ist
in dem gezeigten Ausführungsbeispiel
als Metallschaum ausgebildet. Zur Herstellung der gezeigten Geometrie,
wurde jeweils ein Strömungskanal 5, 6 nach
Aushärten
des Schaums von beiden offenen Stirnseiten herausgefräst, und
der Schaum anschließend
ins Rohr eingeführt
und befestigt. Neben dem gezeigten Aufbau sind anders kaskadierte
Ausführungen
realisierbar.
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Wie
aus 4 zu erkennen ist, sind die Durchmesser D3 der Strömungskanäle 5, 6 identisch. Die
Längsmittelachsen
LA1, LA2 der Strömungskanäle 5, 6 sind
in radial beabstandeten Parallelebenen angeordnet. Die Strömungskanäle 5, 6 sind
in radialer Richtung in einem Verbindungsbereich 7 miteinander verbunden,
wobei die Axialerstreckung des Verbindungsbereiches 7 dem
Durchmesser D3 der Verbindungskanäle entspricht.
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Der
Abstand der Längsmittelachsen
LA1 und LA2 der
Strömungskanäle 5, 6 beträgt in radialer
Richtung den Durchmesser der Strömungskanäle 5, 6 abzüglich einer
Strecke A (radialer Überlappungsbereich).
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Grundsätzlich ist
festzustellen, dass die Durchmesser D3 der
Strömungskanäle 5, 6 auch
unterschiedlich groß ausgebildet
werden können.
Die Durchmesser D3 sollten in jedem Fall
so groß genug gewählt werden,
um den Strömungswiderstand
so gering wie möglich
zu halten. Die axial alternierende Anordnung von radial versetzten
Strömungskanälen 5, 6 besitzt
gegenüber
der vollen Auskleidung gemäß 3 den
Vorteil, dass der Druckabfall sehr gering gehalten, aber dennoch
der Dämpfungsmechanismus
ausgenutzt werden kann. Dabei soll durch den Versatz A eine ausreichende
Durchlässigkeit
des Rohres 1 weiterhin gewährleistet werden.
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Versuche
mit unterschiedlichen Rohrlängen L
zwischen 100 mm und 300 mm sowie Zellweiten zwischen 10 und 60 ppi
bei einer Pulsationsfrequenz von 250 Hz haben eine optimale Schalldruckreduzierung
um 9 db bei einer Zellenweite der Poren von 80 ppi (etwa 30 μm Porenweite)
und einer Rohrlänge von
300 mm ergeben.
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In 5 ist
eine Ausführungsform
eines Rohres 1 mit einem zylindrischen Rohrmantel 2 gezeigt,
der mit einem als Drahtgestrick ausgebildeten, offen porig porösen Material 3 gefüllt ist.
Dabei sind in den Rohrmantel 2, drei axial hintereinander
angeordnete Abschnitte von porösem
Material 3 mit identischer Axialerstreckung vorgesehen.
In jedem Abschnitt ist das poröse
Material 3 als, zur Längsmittelachse
des Rohres 2 konzentrischer, Hohlzylinder ausgebildet.
Der innere Durchmesser des porösen Materials 3,
also der Durch innere Durchmesser des porösen Materials 3, also
der Durchmesser des Strömungskanals 5,
nimmt stufenweise in Strömungsrichtung,
ausgehend von dem größten Durchmesser D1 im in der Zeichnungsebene linken Abschnitt über einen
mittleren Durchmesser D2 im mittleren Abschnitt 2 hin
zu einem kleinsten Durchmesser D3 im in
der Zeichnungsebene rechten Abschnitt ab.
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Es
ist möglich,
lediglich eine der gezeigten Geometrien gemäß der 1 bis 5 zu
realisieren. Es ist auch eine Ausführungsform eines Rohres 1 realisierbar,
bei der mindestens zwei oder sämtliche
Geometrien, insbesondere in axialer Richtung benachbart zueinander,
realisiert sind.