DE102012208708A1

DE102012208708A1 - Strömungskanalanordnung

Info

Publication number: DE102012208708A1
Application number: DE102012208708A
Authority: DE
Inventors: Florian Schwertfirm
Original assignee: Kreuzinger & Manhart Turbulenz GmbH; KREUZINGER and MANHART TURBULENZ GmbH
Current assignee: Kreuzinger & Manhart Turbulenz GmbH; KREUZINGER and MANHART TURBULENZ GmbH
Priority date: 2012-05-24
Filing date: 2012-05-24
Publication date: 2013-11-28
Also published as: WO2013175000A1

Abstract

Strömungskanalanordnung zum geräuscharmen Leiten und regulieren eines Stroms eines gasförmigen Mediums, insbesondere eines Luftstroms in einem Klimatisierungssystem, mit einem durchströmten Rohrkörper, der einen Einlass und einen Auslass aufweist, mit einem den Strom in dem Rohrkörper beeinflussenden Körper, welcher innerhalb des Rohrkörpers zwischen dem Einlass und dem Auslass angeordnet ist und welcher ein akustisch wirksames Material enthält, das für Schallwellen zumindest teilweise durchlässig ist.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Strömungskanalanordnung.
TECHNISCHER HINTERGRUND
Strömungskanalanordnungen weisen einen Strömungskanal zum Leiten eines Luft- oder Gasstroms auf und kommen in den verschiedensten technischen Gebieten vor. Eine Anwendung ist die Klimatisierungstechnik. Obwohl die der Erfindung zugrunde liegende Problematik im Folgenden in Hinblick auf Strömungskanalanordnungen in Klimatisierungsanlagen beschrieben wird, ist sie darauf nicht beschränkt.
Bei Klimatisierungsanlagen wird ein Luftstrom aus der Umgebung oder dem zu klimatisierenden Raum angesaugt und über einen Strömungskanal geführt. Die so angesaugte Luft kann dann im Hinblick auf die Lufttemperatur, Luftfeuchtigkeit, ggfs. in der Luft vorhandene Luftpartikel geeignet beeinflusst werden um dann in den zu klimatisierenden Raum geleitet zu werden. Innerhalb der Strömungskanäle können diverse Einbauten, wie etwa starre Stützelemente oder bewegliche Klappen und Drosseln, vorgesehen sein, die entweder für die Stabilität des Strömungskanals oder zum Leiten, Umlenken und Drosseln des Luftstroms benötigt werden. Dabei entstehen mehr oder weniger vorherrschende Schallemissionen. Zwar werden diese Schallemissionen oder Schallabstrahlungen oftmals Gebläsen zugeschrieben, jedoch entsteht auch beim Durchströmen des Strömungskanals selbst eine Schallabstrahlung. Diese ist u. a. abhängig von dem Querschnitt des Strömungskanals, von der Strömungsgeschwindigkeit des im Strömungskanal strömenden Mediums, der Art und Anzahl der innerhalb des Strömungskanals vorgesehenen, den Strom beeinflussenden Einbauten, Unebenheiten und Umlenkelementen.
Derartige Schallemissionen in Strömungskanälen machen sich als Geräusch bemerkbar und werden meist als störend empfunden, insbesondere in einem Umfeld mit ansonsten leisen Umgebungsgeräuschen. Daher ist es erstrebenswert, diese störenden Schallemissionen zu verhindern oder zumindest so weit wie möglich zu reduzieren.
Bei herkömmlichen Lösungen wird bislang die Schallemission entweder durch Reduzierung der Strömungsgeschwindigkeit, z. B. mittels Erhöhung des Querschnitts, durch eine Reduzierung von Strömungsbeeinflussungen, oder durch Einbau von eigens dafür vorgesehenen Schalldämpfern reduziert.
Die Deutsche Patentanmeldung DE 10 2009 033 897 A1 beschreibt einen bekannten Schalldämpfer, der in die Wand eines Strömungskanals integriert ist. Der dort beschriebene Schalldämpfer umfasst einen Schallabsorptionsbereich aus einem porösen, luftdurchlässigen Material.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die durch einen Strömungskanal erzeugten Schallemissionen weiter zu reduzieren.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Strömungskanalanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Demgemäß ist eine Strömungskanalanordnung zum geräuscharmen Leiten und Regulieren eines Stroms eines gasförmigen Mediums vorgesehen, insbesondere eines Luftstroms in einem Klimatisierungssystem, mit einem durchströmten Rohrkörper, der einen Einlass und einen Auslass aufweist, mit einem den Strom in dem Rohrkörper beeinflussenden Körper, welcher innerhalb des Rohrkörpers zwischen dem Einlass und dem Auslass angeordnet ist und welcher ein akustisch wirksames Material enthält, das für Schallwellen zumindest teilweise durchlässig ist.
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Erkenntnis/Idee besteht darin, Schallabstrahlung zu verhindern, für welche Resonanzen zwischen den innerhalb des Rohrkörpers angeordneten Körpern und der Wand des Rohrkörpers und/oder anderen Körpern verantwortlich sind. Die Existenz solcher Resonanzen ist z. B. in R. Parker, Resonance Effects in Wake Shedding from Parallel Plates: Calculation of Resonant Frequencies, J. Sound Vib. 1967, 5(2), S. 330–343 beschrieben. Das Verhindern der Schallabstrahlung wird erreicht indem Schallwellen teilweise durch den/die Körper durchgelassen werden. Somit entstehen keine akustischen Eigenmoden zwischen den innerhalb des Rohrkörpers angeordneten Körpern und der Wand des Rohrkörpers und/oder anderen Körpern, weil die Schallwellen von dem jeweiligen Körper nicht reflektiert werden. Dazu enthält der Körper ein akustisch wirksames Material, welches ggf. zwar die gewünschte Strömungsbeeinflussung aufweist, jedoch für akustische Wellen möglichst durchlässig ist. Das heißt, das Material ist teildurchlässig. Der dadurch erzielte Effekt ist qualitativ in 3 illustriert. Darin ist mit der durchgezogenen Linie schematisch ein typischer Amplitudenverlauf über dem Frequenzband der Schallabstrahlung eines Strömungskanals gemäß dem Stand der Technik dargestellt.
Die gestrichelte Linie beschreibt die Schallabstrahlung einer erfindungsgemäßen Strömungskanalanordnung, bei der Schwingungen im Resonanzfrequenzbereich auf die erfindungsgemäße Weise mittels teildurchlässiger Körper vermieden werden.
Der Materialkennwert für die Durchlässigkeit eines Materials ist der längenbezogene Strömungswiderstand, auch längenbezogene Strömungsresistanz genannt. Diese sollte für das akustisch wirksame Material zur Vermeidung akustischer Reflexion an der Materialoberfläche möglichst niedrig sein. Dieser Zusammenhang ist z. B. in Fasold, Kraak, Schirmer „Taschenbuch der Akustik", VEB Verlag Technik, Berlin 1984 beschrieben. Jedoch sollte die längenbezogene Strömungsresistanz ggf. hoch genug sein, um einen gewünschten Strömungswiderstand, beispielsweise zum Umlenken des Stroms, zur Verfügung zu stellen. Das heißt, dass trotz der partiellen Schalldurchlässigkeit des Materials eine ggf. gewünschte strömungsmechanische Funktion des Körpers gewährleistet werden kann.
Die geeignete längenbezogene Strömungsresistanz Ξ eines Materials ist von einer Abmessung d des jeweiligen Bauteils abhängig. Beispielsweise ist die Abmessung d bei flachen Körpern die Dicke des Materials. Bei Hohlkörpern ist die Abmessung d die Wandstärke und bei kompakten Körpern die kleinste Abmessung (Länge, Breite, Höhe). Die längenbezogene Strömungsresistanz gibt den Druckunterschied Δp über die Abmessung d bei einer Durchströmung des Materials mit der Durchströmgeschwindigkeit u_d an. Die Einheit der längenbezogenen Strömungsresistanz Ξ ist [Pa·s/m²]. Es gilt der Zusammenhang Ξ = Δp/u_d/d.
Die Größen Δp, u_d und d sind in 2 anhand einer schematischen Zeichnung beschrieben. Darin ist ein teildurchlässiges Element mit einer Dicke d und einer Strömungsresistanz R_s des Elements illustriert. Die Strömungsresistanz R_s des Elements hat die Einheit [Pa·s/m] und errechnet sich als Produkt R_s = Ξ·d aus dem Materialkennwert der längenbezogenen Strömungsresistanz Ξ und der Abmessung der Dicke d des Elements.
Die Differenz Δp = p₁ – p₂ beschreibt den Druckunterschied zwischen dem Druck p₁ an einer ersten Stelle, an welcher ein Strom mit der Strömungsgeschwindigkeit u_d auf das teildurchlässige Element trifft, und dem Druck p₂ an einer zweiten Stelle, an der das Medium des Stroms aus dem teildurchlässigen Element austritt. Die Strömungsresistanz R_s wird oftmals auch in Relation zu dem Produkt aus der Dichte ρ des gasförmigen Mediums und der Strömungsgeschwindigkeit U oder der Schallgeschwindigkeit c angegeben, d. h. in der Relation zu ρ·U bzw. ρ·c als abhängige Einheit.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Körper derart ausgebildet, dass er den Strom innerhalb des Rohrkörpers lenkt. Dadurch kann der Körper an einer vorbestimmten Position innerhalb des Rohrkörpers eine gewünschte Umlenkung des Stroms erzeugen. Der Körper ist somit beispielsweise als Leitschaufel ausgebildet. In einer anderen Ausführungsform ist der Körper derart ausgebildet, dass er den Strom drosselt. Somit kann eine erwünschte Drosselung des Stroms hinsichtlich seiner Strömungsgeschwindigkeit und/oder des Volumenstroms realisiert werden. In einer weiteren Ausführungsform ist der Körper derart ausgebildet, dass er den Strom lenkt und drosselt.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Körper verstellbar bzw. verschwenkbar zum Regulieren bzw. Umlenken des Stroms vorgesehen. Somit sind die Strömungsgeschwindigkeit und/oder der Volumenstrom mittels der Stellung bzw. dem Schwenkwinkel des Körpers einstellbar. Der Körper kann auch derart ausgebildet sein, dass er für beide Funktionen des Regulierens und des Umlenkens ausgebildet ist. Es können sowohl die Stellung als auch der Schwenkwinkel einstellbar sein. Die Verstellbarkeit bzw. die Verschwenkbarkeit des Körpers kann beispielsweise mittels zumindest eines an dem Körper angelenkten Stellmittels realisiert sein. Dieses Stellmittel kann von außerhalb des Rohrkörpers bedienbar sein, sodass der Körper durch Bedienen des Stellmittels von außerhalb des Rohrkörpers verstellbar oder verschwenkbar oder beides ist. Des Weiteren kann der Körper innerhalb des Rohrkörpers verschwenkbar, verschiebbar oder andersartig verstellbar gelagert sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform enthält der Körper ein teildurchlässiges Faserverbundmaterial. Teildurchlässige Faserverbundmaterialien eignen sich besonders gut für schalldurchlässige Bauteile und sind somit besonders vorteilhaft für den Körper der erfindungsgemäßen Strömungskanalanordnung geeignet. In weiteren Ausführungsformen kann das teildurchlässige Material optional oder zusätzlich porös und/oder geschäumt und/oder faserbasiert und/oder Späne enthaltend und/oder gesintert sein. Des Weiteren kann das Material optional oder zusätzlich ein anderes Verbundmaterial enthalten. Schäume sind dabei bevorzugt offenzellig und/oder porös. Fasern können insbesondere Glas-, Kohle- oder Mineralfasern, aber auch jede andere Art von Fasern umfassen. Andere Verbundmaterialien sind beispielsweise Schäume in sandwichartigen Anordnungen, z. B. mit Gittern aus einem anderen Material an den Randflächen.
Zudem weist das Material des Körpers bevorzugt eine teildurchlässige, offenporige Struktur auf. Somit können Schallwellen besonders günstig in das Material eintreten. Optional oder zusätzlich können auch teildurchlässige Materialien mit perforierter und/oder gewebter und/oder gitterförmiger und/oder ungeordneter Struktur verwendet werden. Gitter sind dabei bevorzugt engmaschig vorgesehen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Material des Körpers selbstragend und/oder hat eine für seine Funktion ausreichende Eigensteifigkeit. Die Funktion kann beispielsweise eine strömungsmechanische Funktion und/oder eine Stützfunktion und/oder eine Aussteifungsfunktion des Körpers und/oder des Rohrkörpers umfassen.
In einer vorteilhaften Ausführungsform weist der Körper eine Stützstruktur auf, wobei die Stützstruktur das akustisch wirksame Material mechanisch unterstützt. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn das akustisch wirksame Material selbst eine geringe Steifigkeit hat.
Die Stützstruktur kann ein steifes Gitter und/oder eine Drahtverstärkung und/oder ein Gerüst und/oder ein Skelett aufweisen. Beispielsweise kann ein Drahteinleger innerhalb des Körpers und an den Lagerstellen vorgesehen sein, der die Lagerstellen miteinander verbindet und Seitenarme aufweist, die den Körper in Richtungen quer zu einer Verbindungslinie der Lagerstellen versteift. Als weiteres Beispiels kann das akustisch wirksame Material auch in einer dreidimensionalen Gitterstruktur eingebettet und somit versteift sein. Denkbar ist auch, dass ein aushärtbares Material in das akustisch wirksame Material stellenweise eingebracht, z. B. eingespritzt wird, und so steife Stellen und/oder Stege innerhalb des akustisch wirksamen Materials ausgebildet werden. Des Weiteren kann die Stützstruktur eine Spritzgussstruktur enthalten.
In bevorzugten Ausführungsformen enthält der Körper zumindest ein flaches oder abgeflachtes Element. In einigen Ausführungsformen weist das flache oder abgeflachte Element eine Strömungsresistanz von 10 ρU bis 128 ρc auf. In vorteilhaften Ausführungsformen weist das flache oder abgeflachte Element eine Strömungsresistanz von 50 ρU bis 20 ρc auf. In besonders bevorzugten Ausführungsformen liegt die Strömungsresistanz des flachen oder abgeflachten Elements im Bereich von 2 ρc bis 4 ρc. Dabei ist ρ die Dichte des gasförmigen Mediums, U die mittlere Strömungsgeschwindigkeit des gasförmigen Mediums und c die Schallgeschwindigkeit. Mit einer Strömungsresistanz R_s des Körpers in den angegebenen Bereichen wird gewährleistet, dass einerseits Schall durch das flache oder abgeflachte Element hindurchtreten kann und folglich nicht oder nur zu einem vorbestimmten Anteil reflektiert wird. Andererseits wird der Strom des gasförmigen Mediums, sofern der Körper dazu vorgesehen ist, ausreichend stark durch den Körper beeinflusst, um einen gewünschten strömungsmechanischen Effekt zu erzielen. Ein flaches Element umfasst jegliche geometrisch im Wesentlichen zweidimensional ausgedehnte Form, wobei diese auch gebogen und/oder profiliert sein kann. Beispielsweise kann der Körper als schalldurchlässige Lenkklappe vorgesehen sein, welche stromlinienförmig ausgebildet ist und gekrümmt vorgesehen ist, um den Strom in ihrer Krümmungsrichtung umzulenken. Als weiteres Beispiel könnte der Körper als flache Drosselklappe vorgesehen sein. Derartige Bauteile können beispielsweise in einer Strömungskanalanordnung eines Klimatisierungssystems, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, eine Dicke von etwa 1 mm bis 3 mm aufweisen.
In weiteren vorteilhaften Ausführungsformen enthält der Körper zumindest ein Volumenelement, wobei das Volumenelement in zumindest einer Ausdehnungsrichtung eine Strömungsresistanz von 10 ρU bis 128 ρc aufweist. In vorteilhaften Ausführungsformen weist das das Volumenelement in zumindest einer Ausdehnungsrichtung eine Strömungsresistanz von 50 ρU bis 20 ρc auf. Besonders bevorzugt liegt die Strömungsresistanz des Volumenelements in der zumindest einen Ausdehnungsrichtung im Bereich von 2 ρc bis 4 ρc. Unter einem Volumenelement ist jegliche dreidimensionale geometrische Ausbildung zu verstehen. Insbesondere kann der Körper als längliches Volumenelement, beispielsweise als Zylinder oder Riegel ausgebildet sein. Beispielsweise kann der Körper als Stützsäule innerhalb des Rohrkörpers vorgesehen sein, um den Rohrkörper mechanisch zu versteifen. Weitere Beispiele liegen in zur Verstellung anderer Körper notwendigen Stellelementen oder dergleichen, welche ganz oder teilweise in dem Rohrkörper vorgesehen sind. Als Alternative zu einem Volumenelement kann der Körper auch ein Hohlkörperelement umfassen. Insbesondere bei Stützsäulen kann ein Hohlkörperelement vorteilhaft sein. Die in Bezug auf das Volumenelement angegebenen Strömungsresistanz-Bereiche gelten auch für ein Hohlkörperelement, wobei die zur Bestimmung der Strömungsresistanz R_s heranzuziehende Dicke d die Wandstärke des Hohlkörperelements ist.
In bevorzugten Ausführungsformen umfasst der Körper zumindest eine Klappe. Eine Klappe kann beispielsweise zum verstellbaren Aufteilen eines Stroms auf zwei sich auseinander verzweigende Strömungskanäle dienen. Des Weiteren kann der Körper eine Drossel umfassen. Eine Drossel ist im einfachsten Fall als Klappe mit einer Form, die der Querschnittsfläche des Rohrkörpers entspricht, ausgebildet. Die Drossel bzw. Drosselklappe ist derart verstellbar, dass sie den zum Durchfluss zur Verfügung stehenden, offenen Querschnitt auf eine Fläche zwischen Null und der gesamten mit der Drosselklappe möglichen Querschnittsfläche des Rohrkörpers verstellen kann. In weiteren Ausführungsformen ist der Körper als Schaufel, insbesondere als Umlenkschaufel, oder als Stütze, z. B. für einen anderen Körper oder für den Rohrkörper vorgesehen. Der Körper kann auch jede andere Art von Einbaute oder eine Kombination der genannten Ausbildungen umfassen.
In einer Ausführungsform ist der Körper zumindest teilweise im Bereich des Auslasses angeordnet. Bevorzugt ist er in einer Ausführungsform in eine Stellung verstellbar und/oder verschwenkbar ausgebildet, in der er den Rohrkörper zumindest teilweise und vorzugsweise vollständig verschließt. Das heißt, der Körper dient einerseits als ggf. von außen direkt verstellbare Umlenkschaufel bzw. als sogenannter Ausströmer. Zum anderen dient der Körper als Drossel bzw. Verschlussmechanismus. Diese Ausführungsformen sind dann besonders vorteilhaft, wenn mehrere Luftauslässe zu mehreren Stellen in einem Raum geführt sind. Beispielsweise kann damit im Innenraum eines Kraftfahrzeugs die Richtung und die Menge der von einem Klimatisierungssystem zur Verfügung gestellten Luftmenge individuell für jede Klimazone innerhalb des Innenraums angepasst werden. Dies ist selbstverständlich auf jede Art von Raum, der über Strömungskanäle mit einem gasförmigen Medium versorgt wird, übertragbar. Beispielsweise kann ein solcher Raum ein Büroraum oder eine Halle mit einem Belüftungs- oder Klimatisierungssystem sein.
In einer weiteren Ausführungsform ist der Körper in einem Kniestück des Rohrkörpers angeordnet ist. Der Körper ist dann vorteilhaft derart ausgebildet, dass er zum Umlenken des Stroms um einen Kniewinkel des Kniestücks beiträgt. Er kann optional oder zusätzlich auch in einer der oben genannten Ausführungsformen in dem Kniestück vorgesehen sein. Insbesondere können mehrere flache, ggf. zumindest teilweise parallel angeordnete Elemente des Körpers vorgesehen sein.
In einer Ausführungsform sind der Rohrkörper (10) und/oder der Körper derart vorgesehen und ausgelegt, dass die mittlere Strömungsgeschwindigkeit des Stroms im Rohrkörper (10) zwischen 1 m/s und 50 m/s beträgt. In vorteilhaften Ausführungsformen liegen diese Werte im Bereich zwischen 1 m/s und 25 m/s. Bei weiteren Ausführungsformen können diese Werte beispielsweise zwischen 1 m/s und 12,5 m/s liegen. Lokale Spitzen in der Strömungsgeschwindigkeit des Stroms im Rohrkörper betragen in einer Ausführungsform zwischen 1 m/s und 150 m/s, bzw. in vorteilhaften Ausführungsformen zwischen 1 m/s und 75 m/s. Bei weiteren Ausführungsformen können diese Werte beispielsweise zwischen 1 m/s und 37,5 m/s liegen. Die Strömungsgeschwindigkeiten liegen also stets im Unterschallbereich. In vorteilhaften Ausführungsformen ist der Körper bzw., das Material des Körpers auf die vorliegenden Strömungsgeschwindigkeitsbereiche ausgelegt, um innerhalb dieser Bereiche eine gewünschte bzw. notwendige Strömungsresistanz R_s zur Verfügung zu stellen. Diese liegt dann in den bereits bezüglich des Körpers oben dargelegten Bereichen.
In weiteren Ausführungsformen der Erfindung weist die Querschnittsfläche des Rohrkörpers eine zumindest abschnittsweise kreisrunde oder ovale Form auf. Es können auch dreieckige, rechteckige, oder vieleckige Konturen vorgesehen sein, wobei die unterschiedlichen Konturen und Formen miteinander kombinierbar sind bzw. in einander übergehen können. Etwaige Ecken der Kontur der Querschnittsfläche sind zumindest teilweise rund oder eckig ausgebildet. Es können auch eckige und runde Ecken an einer Kontur vorgesehen sein. Im Ergebnis kann der Rohrkörper jede beliebige hohle Form mit Einlass und Auslass aufweisen und diese auch in seinem Verlauf ändern. Der Körper ist somit an jede Art von gewünschter Strömungscharakteristik, von Package-Anforderungen, von optischen bzw. Design-Anforderungen, mechanischen Anforderungen, akustischen Anforderungen oder an jede andere Art von Anforderung anpassbar bzw. dahingehend auslegbar. Dies gilt auch für die Wandstärken des Rohrkörpers und des Körpers.
Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale der Erfindung. Insbesondere wird dabei der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der vorliegenden Erfindung hinzufügen.
INHALTSANGABE DER ZEICHNUNG
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen dabei:
1 Eine schematische Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Strömungskanalanordnung;
2 Eine schematische Darstellung der Einflussgrößen auf die Strömungsresistanz anhand eines teildurchlässigen Elements;
3 Eine schematische Diagrammdarstellung eines qualitativen Vergleichs des Amplitudenverlaufs über das Frequenzbands von Schallabstrahlungen;
4 Eine schematische Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Strömungskanalanordnung mit einer Drosselklappe und mit Lenkschaufeln eines Ausströmers;
5 Eine schematische Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Strömungskanalanordnung mit einem zylindrischen Steg im Rohrkörper;
6 Eine schematische Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Strömungskanalanordnung mit einer verstellbaren Drosseldüse im Bereich des Auslass in einer geöffneten Stellung;
7 Die Strömungskanalanordnung aus 6 in einer teilgeöffneten Stellung;
8 Die Strömungskanalanordnung aus 6 und 7 in einer geschlossenen Stellung;
9 Eine schematische Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Körpers mit einer Stützstruktur;
10a–10d Schematische Darstellungen der Konturen von Querschnittsflächen eines Rohrkörpers;
11 Eine schematische Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Strömungskanalanordnung mit einem knieförmigen Rohrkörper.
Die beiliegenden Figuren der Zeichnung sollen ein weiteres Verständnis der Ausführungsformen der Erfindung vermitteln. Sie veranschaulichen Ausführungsformen und dienen im Zusammenhang mit der Beschreibung der Erklärung von Prinzipien und Konzepten der Erfindung. Andere Ausführungsformen und viele der genannten Vorteile ergeben sich im Hinblick auf die Zeichnungen. Die Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander gezeigt.
In den Figuren der Zeichnung sind gleiche, funktionsgleiche und gleich wirkende Elemente, Merkmale und Komponenten – sofern nichts Anderes ausgeführt ist – jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
In 1 ist eine schematische Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Strömungskanalanordnung 1 dargestellt. Die Strömungskanalanordnung 1 weist einen Rohrkörper 10 und einen Körper 4 auf. Der Rohrkörper weist einen Einlass 2 und einen Auslass 3 auf. Innerhalb des Rohrkörpers 10 liegt ein Strom eines gasförmigen Mediums vor, welcher mit einer über den Querschnitt des Rohrkörpers gleichmäßig verteilten Strömungsgeschwindigkeit U am Einlass einströmt. Der Strom wird von dem Körper 4, wie mit den Strömungspfeilen dargestellt, beeinflusst. Im dargestellten Fall wird durch den Körper 4 der offene Querschnitt des Rohrkörpers 10 verringert und der Strom so gedrosselt, bevor er den Auslass 3 erreicht. Wenn der Körper aus undurchlässigem Material wäre, läge zwischen dem Körper 4 und der Wand der Rohrkörpers 10 zumindest eine Resonanz vor, welche zumindest eine Resonanzfrequenz aufweisen würde. Wenn der Strom in dem Rohrkörper den Körper 4 erfasst, entsteht aufgrund breitbandiger Anregung durch turbulente Schwankungsbewegungen des Stroms ein breitbandiges Strömungsrauschen. Ein solches breitbandiges Strömungsrauschen enthält auch Anteile in der zumindest einen Resonanzfrequenz. Bei einem Körper aus einem undurchlässigen Material würde die breitbandige Anregung akustische Eigenmoden zwischen dem Körper und der Wand des Rohrkörpers 10 anregen. Damit würden wiederum weitere Schallwellen in Resonanzfrequenz entstehen und es würde zu einer verstärken Schallabstrahlung in dieser Frequenz kommen. D. h. es entstehen bei einem Strömungskanal gemäß dem Stand der Technik bei jeder Resonanzfrequenz Maxima 13, sogenannte Peaks 13, im Schallemissionsspektrum 11, wie in 3 mit der durchgezogenen Linie dargestellt. Dies wird in dem vorliegenden erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel verhindert, indem Schallwellen 5 von dem Körper 4 nicht reflektiert werden. Das teildurchlässige Material wird von dem gasförmigen Medium mit einer Durchströmgeschwindigkeit u_d durchströmt. Die Schallwellen 5 gehen, wie schematisch mit dem welligen Pfeil dargestellt, teilweise durch den Körper 4 hindurch. Dies ist möglich, weil der Körper 4 ein akustisch wirksames Material enthält, welches für Schallwellen 5 teildurchlässig ist. Somit wird das in 3 schematisch mit einer Strich-Punkt-Linie dargestellte Spektrum 12 einer Schallabstrahlung einer erfindungsgemäßen Strömungskanalanordnung erreicht. Das Schallemissionsspektrum wird dadurch geglättet und der absolute Betrag der Schallabstrahlung wird durch das Verhindern der Peaks 13 deutlich verringert.
Als Auslegungsbeispiel liegt in einem runden Rohrkörper 10 mit einem beispielhaften Durchmesser von 70 mm eine mittlere Strömungsgeschwindigkeit eines Luftstroms von U = 7 m/s vor. Der Körper ist ein flacher Körper mit einer Dicke von d = 2 mm. Bei solchen Verhältnissen liegt eine geeignete Strömungsresistanz R_s eines Körpers 4, beispielsweise für eine Umlenkklappe, bei etwa 820 bis 1640 Pa·s/m. Bezogen auf die Dichte ρ von Luft und die Geschwindigkeit U beträgt die Strömungsresistanz R_s hier etwa 98 bis 196 ρU. Bezogen auf die Schallgeschwindigkeit liegt R_s dann bei 2,0 bis 4,0 ρc. Als Materialkennwert für das akustisch wirksame Material ergibt sich daraus eine geeignete dickenbezogene Strömungsresistanz Ξ von 4,10·10⁵ bis 8,20·10⁵ Pa·s/m².
In 2 ist eine schematische Darstellung der Einflussgrößen auf die Strömungsresistanz R_s anhand eines teildurchlässigen Einheitselements gezeigt. Diese Darstellung wurde bereits in der Beschreibungseinleitung beschrieben.
3 zeigt eine schematische Diagrammdarstellung eines qualitativen Vergleichs des Amplitudenverlaufs über das Frequenzband von Schallabstrahlungen. Die durchgezogene Linie 11 beschreibt das Schallemissionsspektrum eines Strömungskanals gemäß dem Stand der Technik und die gestrichelte Linie das Schallemissionsspektrum 12 eines erfindungsgemäßen Strömungskanals. Dies wurde in der Beschreibungseinleitung und in Bezug auf 1 bereits näher erläutert.
In 4 ist eine schematische Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Strömungskanalanordnung mit einer Drosselklappe und mit Lenkschaufeln eines Ausströmers dargestellt. Diese Ausführungsform könnte beispielsweise bei einem Klimatisierungssystem in einem Kraftfahrzeug verwendet werden. Die Strömungskanalanordnung stellt eine Weiterbildung der Strömungskanalanordnung mit einer Drosselklappe 4 aus 1 dar und weist drei zusätzliche, parallel angeordnete Elemente in Form von Lenkschaufeln 4 im Bereich des Auslasses 3 auf. Der Auslass 3 des Rohrkörpers 10 bildet gemeinsam mit den Lenkschaufeln 4 einen verstellbaren Ausströmer aus. Die Lenkschaufeln 4 weisen einen geringeren Abstand zueinander bzw. zu den Wänden des Rohrkörpers 10 auf, als die große Drosselklappe zu den Wänden des Rohrkörpers. Ein solches System würde bei undurchlässigen Körpern 4 verschiedene Resonanzen mit aufgrund der unterschiedlichen Abmessungen unterschiedlichen Frequenzen aufweisen. Die als Drosselklappe und Lenkschaufeln 4 ausgebildeten Elemente enthalten ein akustisch wirksames Material, welches für Schallwellen 5 teildurchlässig ist. Somit wird das Auftreten von Resonanzen verhindert. Dieses akustisch wirksame Material kann beispielsweise ein Faserverbundmaterial sein. Ein derartiges Material wird beispielsweise von der Firma Röchling Automotive AG & Co. KG unter der Bezeichnung SEEBERLITE SL2 vertrieben. Alternativ können auch andere Materialien, ggf. gemeinsam mit einer Stützstruktur eingesetzt werden. Als Materialien mit den dazu notwendigen Eigenschaften einer geeigneten längenbezogenen Strömungsresistanz von beispielsweise 4,1·10⁵ Pa·s/m² bis 8,2·10⁵ Pa·s/m² sind beispielsweise geschäumte, gesinterte oder andere faserbasierte Materialien, bzw. Verbundmaterialien denkbar.
In 5 ist eine schematische Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Strömungskanalanordnung mit einem Körper 4 in Form eines zylindrischen Stegs im Rohrkörper 10 dargestellt. Dieser Körper 4 in Form eines zylindrischen Steges beeinflusst den Strom. Dabei kann der Steg auch eine ungewollte Beeinflussung hervorrufen, z. B. wenn er nicht aus strömungsmechanischen Gründen, sondern aus mechanischen oder Package bedingten Gründen in dem Rohrkörper 10 angeordnet ist. Ein solcher Körper 4 kann bevorzugt in mehreren Richtungen eine günstige Strömungsresistanz R_s aufweisen, mit welcher Schallwellen 5, wie mit den welligen Pfeilen dargestellt, in mehreren Richtungen durch den Körper 4 hindurch gehen können.
In den 6 bis 8 ist eine schematische Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Strömungskanalanordnung 1 mit einer verstellbaren Drosseldüse 14, 15 im Bereich des Auslass 3 dargestellt. 6 zeigt die Düse in einer geöffneten Stellung. 7 zeigt die Düse in einer teilgeöffneten Stellung. In 8 ist die Düse in einer geschlossenen Stellung dargestellt. Die Düse weist einen Außenkonus 15 und einen verstellbaren Innenkonus 14 auf. Der Innenkonus 14 ist mittels eines an dem Innenkonus 14 vorgesehenen Gewindes und einer, an einer festen Position vorgesehenen, Stellschraube in Stromrichtung längsverschiebbar. Durch die Längsverschiebung bewegt sich der Innenkonus 14 relativ zu dem festen Außenkonus 15, sodass ein Ringspalt zwischen den beiden Konen je nach Stellung des Innenkonus 14 verschieden groß ist. In 6 ist der Innenkonus 14 in der geöffneten Stellung mit dem größten Ringspalt dargestellt. Der Außenkonus 15 enthält in diesem Ausführungsbeispiel ein akustisch wirksames Material, welches für Schallwellen 5 durchlässig ist. Wird der Innenkonus 14, wie in 8 dargestellt, so weit in den Außenkonus 15 geschoben, dass der Ringspalt geschlossen ist, kann mit der dargestellten Anordnung der Rohrkörper 10 verschlossen werden. Die dargestellte Düse dient somit als Drossel. Bevorzugt kann die Düse auch mit den Konen verschwenkbar vorgesehen sein, was hier jedoch zur besseren Übersichtlichkeit nicht dargestellt ist. In diesem Fall lenkt die Düse den Strom zusätzlich zu ihrer Drosselfunktion.
In 9 ist eine schematische Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Körpers 4 mit einer Stützstruktur 9 dargestellt. In den 10a–10d sind schematische Darstellungen der Konturen 7 von exemplarischen Querschnittsflächen des Rohrkörpers 10 in mehreren Ausführungsformen dargestellt. Die dargestellte quaderartige Form des Körpers 4 ist lediglich als exemplarische Darstellung zu verstehen. Der Körper 4 kann jede zweckgemäße, d. h. insbesondere an die verschiedenen möglichen Formen der Querschnittskontur des Rohrkörpers 10 angepasste Form aufweisen. Die Stützstruktur 9 ist als Gerüst mit zwei vertikalen und vier horizontalen Stäben dargestellt. Die dargestellte Form der Stützstruktur 9 ist ebenfalls nur exemplarisch zu verstehen. Sie kann jede, an die Eigensteifigkeit des akustisch wirksamen Materials, die mechanischen Anforderungen sowie die strömungsmechanischen Anforderungen an den Körper 4 angepasste Form aufweisen. Beispielsweise kann sie auch als Gitter oder als Rahmen ausgebildet sein. Als Materialien für die Stützstruktur kommen insbesondere feste und gut formbare Werkstoffe in Frage, wie zum Beispiel ein Metalldraht oder ein Spritzgusswerkstoff.
In 11 ist eine schematische Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Strömungskanalanordnung 1 mit einem knieförmigen Rohrkörper 10 dargestellt. Der knieförmige Rohrkörper weist einen Kniewinkel α auf. In dem Knieabschnitt sind drei flache Elemente in Form von Umlenkblechen 4 angeordnet die dazu ausgebildet sind, den vom Einlass 2 her ankommenden Strom günstig um den Kniewinkel α zum Auslass 3 zu lenken. Zwischen den Umlenkblechen 4 untereinander und der Umlenkblechen 4 mit den Wänden des knieförmigen Rohrkörpers 10 würden im Fall undurchlässiger Umlenkbleche Resonanzen existieren. Die Umlenkbleche 4 enthalten in der dargestellten Ausführungsform ein akustisch wirksames Material, welches hinsichtlich seiner längenbezogenen Strömungsresistanz Ξ und der Dicke d der Umlenkbleche 4 derart ausgebildet und ausgelegt ist, dass es Schallwellen 5 teilweise durchlässt. Resonanzen werden somit vermieden. Zusätzlich kann das akustisch wirksame Material bzw. die Dicke d der Umlenkbleche auch derart ausgebildet und ausgelegt sein, dass es Schallwellen 5 dämpft. Somit fungieren die Umlenkbleche 4 in zweifacher Hinsicht schallemissionsmindernd, indem sie das Aufschwingen der akustischen Eigenmoden aufgrund der Schalldurchlässigkeit verhindern und gleichzeitig Schwingungen dämpfen.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend vollständig beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.
Eine erfindungsgemäße Strömungskanalanordnung kann in jeglichem technischen Gebiet angewendet werden, in welchem gasförmige Medien reguliert und geleitet werden und eine geringe Schallemission erstrebenswert ist. Bevorzugt wird sie bei Klimatisierungsanlagen, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, verwendet, bei welcher Schallemissionen der Luftschächte zur Erhöhung des Komforts vermindert werden. Ebenso ist eine Anwendung in jedem anderen Verkehrsmittel, wie Flugzeugen, Bahnen, Schiffen und dergleichen denkbar. Es ist aber auch denkbar damit beispielsweise den Geräuschpegel an Arbeitsplätzen zu mindern, insbesondere wenn direkt neben einer Strömungskanalanordnung, wie beispielsweise bei einer Absauganlage, gearbeitet wird. Des Weiteren kann damit der Geräuschpegel eine Gebäudeklimatisierung vermindert werden, welcher insbesondere wenn die Umgebung ruhig ist, z. B. bei Nacht, als störend empfunden werden kann. Es sind des Weiteren Anwendungen in anderen Strömungsgeschwindigkeitsbereichen denkbar, beispielsweise am Zuluft- und/oder Abluft bzw. Ansaug- und/oder Abgaskanal von Maschinen jeglicher Art.
Bezugszeichenliste

1: rohrförmiger Strömungskanal
2: Einlass
3: Auslass
4: die Strömung beeinflussender Körper
5: Schallwellen
6: Kniestück
7: Kontur der Querschnittsfläche eines Rohrkörpers
8: Ecken einer Kontur
9: Stützstruktur
10: Rohrkörper
11: Spektrum der Schallemission
12: Spektrum der Schallemission
13: Peaks, Maxima
14: Innenkonus
15: Außenkonus
c: Schallgeschwindigkeit
d: Dicke
p1, p2: Drücke
Δp: Druckgefälle
U: Strömungsgeschwindigkeit
α: Kniewinkel
ρ: Dichte des gasförmigen Mediums
u_d: Durchströmgeschwindigkeit durch das Material

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009033897 A1 [0006]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

R. Parker, Resonance Effects in Wake Shedding from Parallel Plates: Calculation of Resonant Frequencies, J. Sound Vib. 1967, 5(2), S. 330–343 [0010]
Fasold, Kraak, Schirmer „Taschenbuch der Akustik”, VEB Verlag Technik, Berlin 1984 [0012]

Claims

Strömungskanalanordnung (1) zum geräuscharmen Leiten und Regulieren eines Stroms eines gasförmigen Mediums, insbesondere eines Luftstroms in einem Klimatisierungssystem eines Kraftfahrzeugs, mit einem von dem Strom durchströmbaren Rohrkörper (10), der einen Einlass (2) und einen Auslass (3) aufweist, mit einem den Strom in dem Rohrkörper (10) beeinflussenden Körper (4), welcher innerhalb des Rohrkörpers (10) zwischen dem Einlass (2) und dem Auslass (3) angeordnet ist und welcher ein akustisch wirksames Material enthält, das für Schallwellen (5) zumindest teilweise durchlässig ist.
Strömungskanalanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (4) derart ausgebildet ist, dass er den Strom innerhalb des Rohrkörpers (10) lenkt und/oder drosselt.
Strömungskanalanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (4) verstellbar und/oder verschwenkbar zum Regulieren und/oder Umlenken des Stroms vorgesehen ist.
Strömungskanalanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (4) ein teildurchlässiges, poröses und/oder geschäumtes und/oder faserbasiertes und/oder Späne enthaltendes und/oder gesintertes Material und/oder ein Verbundmaterial enthält.
Strömungskanalanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Körpers (4) eine teildurchlässige, offenporige und/oder perforierte und/oder gewebte und/oder gitterförmige und/oder ungeordnete Struktur aufweist.
Strömungskanalanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Körpers selbstragend ist und/oder eine für seine Funktion ausreichende Eigensteifigkeit aufweist.
Strömungskanalanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (4) eine Stützstruktur (9) aufweist, wobei die Stützstruktur (9) das akustisch wirksame Material mechanisch unterstützt.
Strömungskanalanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützstruktur (9) ein steifes Gitter und/oder eine Drahtverstärkung und/oder ein Gerüst und/oder ein Skelett aufweist.
Strömungskanalanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (4) zumindest ein flaches oder abgeflachtes Element (4) enthält, wobei das flache oder abgeflachte Element (4) eine Strömungsresistanz von 10 ρU bis 128 ρc, insbesondere von 50 ρU bis 20 ρc und bevorzugt von 2 ρc bis 4 ρc aufweist.
Strömungskanalanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (4) zumindest ein Volumenelement (4) enthält, wobei das Volumenelement (4) in zumindest einer Ausdehnungsrichtung eine Strömungsresistanz von 10 ρU bis 128 ρc, insbesondere von 50 ρU bis 20 ρc und bevorzugt von 2 ρc bis 4 ρc aufweist.
Strömungskanalanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (4) zumindest eine Klappe und/oder Drossel und/oder Schaufel und/oder Stütze und/oder Einbaute umfasst.
Strömungskanalanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (4) im Bereich des Auslasses (3) angeordnet ist und/oder in eine Stellung verstellbar und/oder verschwenkbar ausgebildet ist, in der er den Rohrkörper (10) zumindest teilweise und vorzugsweise vollständig verschließt.
Strömungskanalanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (4) in einem Kniestück (6) des Rohrkörpers (10) angeordnet ist, wobei der Körper (4) derart ausgebildet ist, dass er zum Umlenken des Stroms um einen Kniewinkel (α) beiträgt.
Strömungskanalanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohrkörper (10) und/oder der Körper (4) derart vorgesehen und ausgelegt sind, dass die mittlere Strömungsgeschwindigkeit (U) des Stroms im Rohrkörper (10) zwischen 1 m/s und 50 m/s, insbesondere zwischen 1 m/s und 25 m/s, beträgt, wobei lokale Spitzen in der Strömungsgeschwindigkeit (U) des Stroms im Rohrkörper (10) zwischen 1 m/s und 150 m/s, insbesondere zwischen 1 m/s und 75 m/s, betragen.
Strömungskanalanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsfläche des Rohrkörpers (10) eine zumindest abschnittsweise kreisrunde und/oder ovale und/oder dreieckige und/oder rechteckige und/oder vieleckige Kontur (7) aufweist, wobei etwaige Ecken (8) der Kontur (7) der Querschnittsfläche zumindest teilweise rund und/oder eckig ausgebildet sind.