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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Dämpfung von Schall mit einer bekannten Frequenz und einer Amplitude gemäß Anspruch 1, ein Kühlungssystem mit der Vorrichtung gemäß Anspruch 9 und sowie eine elektrische Anlage mit der Vorrichtung gemäß Anspruch 10.
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Transformatoren geben Schall mit der doppelten Frequenz der Nennfrequenz des verwendeten Wechselstromes, also i.d.R. Schall mit einer Frequenz von 100 Hz oder 120 Hz ab. Dies ergibt, weil der Wechselstrom pro Periode zwei Nulldurchgänge hat und durch elektromagnetische Wechselwirkung in der Anlage entsprechend zwei Schwingungen pro Periode auslöst. Aufgrund von rechtlichen Vorschriften zur zulässigen der Geräuschbelastung von Umwelt und Nachbarn ist es wichtig, dass Transformatoren so wenig Schall wie möglich an die Umwelt abstrahlen. Daher werden Transformatoren, insbesondere Hochspannungstransformatoren, häufig in schallisolierende Hüllkonstruktionen installiert und/oder es werden schalldämpfende Paneele, also im Wesentlichen quaderförmige Vorrichtungen, die mit weichen Materialen gefüllt sind.
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Ferner sind so genannte Helmholtz-Resonatoren als Absorber in der Raumakustik beispielsweise von Wikipedia bekannt. Dabei werden eine schwingende Masse und eine Feder bereit gestellt, wobei als schwingende Masse die in den Öffnungen einer gelochten Platte schwingende Luft eingesetzt werden kann (so genannter Lochplattenschwinger). Als Feder wirkt dann das hinter der Platte eingeschlossene Luftvolumen. Durch die Geometrie von Luftvolumen und Löchern bildet ein solcher Lochplattenschwinger eine definierte Eigenfrequenz aus, bei der besonders gut die kinetische Energie eintreffender Schallwellen aufgenommen und in kinetische Energie der im Inneren schwingenden Luft überführt werden kann (maximale Absorption des Schalls). Hierdurch ergibt sich außerhalb des Lochplattenschwingers eine erhebliche Schallverminderung im Bereich der Eigenfrequenz des Lochplattenschwingers. Dabei ist es lange bekannt, dass Helmholtz-Resonatoren besonders gut im Bereich tiefer Frequenzen Schall absorbieren können, während so genannte poröse Absorber, die durch Reibung der Luftmoleküle im Absorbermaterial Wärme erzeugen und so den Schall dämpfen, ihre maximale Dämpfungswirkung eher bei mittleren und hohen Schallfrequenzen erreichen.
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Die Doktorarbeit „Perforated Panel Absorbers with Viscous Energy Dissipation Enhanced by Orifice Design" von Rolf Tore Randeberg, Norwegian University of Science and Technology, Trondheim, June 2000, gibt in Kapitel 2 einen Überblick über die theoretischen Grundlagen des Designs von Helmholtz-Resonatoren und beschäftigt sich im Weiteren mit der Formgestaltung der Öffnungen zur Optimierung der Schallabsorption.
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Aus der Veröffentlichung „Effects of the Panel and Helmholtz resonances on a micro-perforated absorber" von Lee et al., Int. J. of Appl. Math. And Mech. Vol 4 (2005), 49–54, ist es bekannt, einen Lochplattenschwinger mit einer hohen Schallabsorption im Frequenzbereich um 100 Hz einzusetzen.
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Dabei werden Micro-Perforationen in dem Artikel „Sound absorption characteristics of a single microperforated panel absorber backed by a porous absorbent layer" von Sakagami et al., Acoustics Australia Vol. 39 December (2011) No 3. – 95, als typischerweise kleiner als 1 mm in Bezug auf Tiefe und Durchmesser angegeben. Es wird weiterhin die Möglichkeit untersucht, ein poröses absorbierendes Material einzusetzen, das das Luftvolumen der verwendeten Vorrichtung ausfüllt, um die Schallabsorption insbesondere in anderen Frequenzbereichen als dem Frequenzbereich der Helmholtz-Resonanz zu verstärken. Die Untersuchung wurde an einem Modell in Form einer elektrotechnischen Schaltung und nicht mit einem physischen Modell zur Schallabsorption vorgenommen.
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Aus dem
Artikel „Wave trapping barriers" von Pan et al., erschienen in „Proceedings of Acoustics" 2004, 3–5.11.2004, Gold Coast, Australia, ist es bekannt, Schall einer elektrischen Anlage zwischen zwei mehrere Meter hohen Wänden einzufangen, indem eine der Wände durch entsprechende schräge Flächen den Schall immer wieder in den Wandzwischenraum reflektiert. Um dieses System zu verbessern, werden die schrägen Flächen mit Öffnungen versehen, so dass eine Helmholtz-Resonanz mit dem dahinter liegenden Luftvolumen ausgebildet werden kann.
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Ferner ist der Artikel „Development of a silencer for acoustic enclosures" von Lee et al., 14th International Congress on Sound Vibration, Cairns, Australia, 9–12 Juli 2007, bekannt. Es wird beschrieben, dass Helmholtz-Resonatoren und Absorptionsmaterialen zur Dämpfung des Schalls eines Transformators eingesetzt werden können.
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Ausgehend von einer bisherigen Vorrichtung zur Dämpfung von Schall mit einer bekannten Frequenz (f) und einer Amplitude, wobei die Vorrichtung ein inneres Luftvolumen und mindestens eine Abdeckung mit Öffnungen aufweist, stellt sich an die Erfindung die Aufgabe, eine Vorrichtung anzugeben, die den Schall vergleichsweise stark dämpft und einfach zu installieren ist.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1.
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Mittels der Vorrichtung wird ein verstärkter passiver Dämpfungseffekt erreicht, der über das Dämpfungsvermögen einer passiven Dämpfung mit weichen, geräuschmindernden Schichten hinausgeht. Dies ist ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Ein weiterer Vorteil ist es, dass die Vorrichtung als eine separate Baugruppe ausgebildet ist, so dass unter Beibehaltung des Dämpfungseffekts eine Mehrzahl der Vorrichtungen am Einsatzort je nach Bedarf und räumlichen Gegebenheiten kombiniert werden können.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist die Vorrichtung Haltemittel zur vereinfachten Montage einer Mehrzahl von Vorrichtungen auf. Hierdurch wird es z.B. möglich, besonders einfach aus einer Mehrzahl von Vorrichtungen eine schallmindernde Wandverkleidung nach Art von Paneelen zu errichten. Hierbei können die Vorrichtungen beispielsweise auf eine äußere Struktur (z.B. Wand, innere Kesselseite eines Transformators, Kühlanlage) verschraubt werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Vorrichtung im Wesentlichen quaderförmig ausgebildet, wobei die Öffnungen einen prozentualen Anteil (p) der Oberfläche der mindestens einen Abdeckung ausmachen, und die Öffnungen einen Durchmesser (d) und eine Tiefe (e) aufweisen, und das Luftvolumen weist eine Tiefe (g) auf, so dass die Bedingung
erfüllt ist, wobei alle Längen in Zoll angegeben sind. Dies ist ein Vorteil, weil diese Bedingung eine besonders effiziente Schallminderung sicher stellt. Die Bedingung kann dem Fachbuch
„Master Handbook of Acoustics, 5th Edition", auf Seite 213, ISBN 978-0-07-160332-4 entnommen werden.
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Die Quaderform ist von Vorteil, weil die Quaderform leicht stapelbar ist und so eine Mehrzahl der Vorrichtung besonders einfach kombiniert werden können, um z.B. eine Wand zu bestücken. In Experimenten hat sich gezeigt, dass z.B. eine Bauform der Vorrichtung mit einer Breite und Höhe von je ca. 60 cm sowie einer Tiefe von ca. 40 cm praktisch ist. Die Abdeckung erhält dann Öffnungen von ca. 1 cm Durchmesser, damit sich der gewünschte Dämpfungseffekt einstellt.
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Bevorzugt ist es dabei, bei einer quaderförmigen Ausbildung der Vorrichtung fünf Seiten geschlossen und eine Seite als Abdeckung mit Öffnungen auszuführen. Im Gebrauch wird die Abdeckung mit den Öffnungen zur Schallquelle hin orientiert angeordnet, so dass der zu dämpfende Schall ungehindert auf die Öffnungen treffen kann.
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Je nach Anforderung ist es jedoch auch möglich, andere geometrische Formen für die Vorrichtung zu wählen. Es können z.B. eine Wabenform oder eine Dreiecksform vorgesehen werden. Wenn die Vorrichtung oder eine Mehrzahl von Vorrichtungen für eine bekannte elektrische Anlage konstruiert werden, so kann der Fachmann auch andere, ggf. runde oder unsymmetrische Bauformen vorsehen. Eine allgemeine Formulierung einer Bedingung für andere Geometrien ist dem „Master Handbook auf Acoustics" auf Seite 210 entnehmbar.
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Im einfachsten Fall sind die Öffnungen der Abdeckung als Bohrlöcher ausgeführt. Es können jedoch auch andere, komplexere Geometrien zum Einsatz kommen, wenn die o.g. Bedingung erfüllt wird.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist die Vorrichtung eine innere schallabsorbierende Schicht auf. Die schallisolierende Schicht kann dabei z.B. aus ansonsten im Bereich der Akustik bekannten Dämmmaterialien bestehen. Dies ist ein Vorteil, weil auf diese Weise der schallmindernde Effekt der Vorrichtung weiter verstärkt wird.
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Als schallabsorbierende Schicht können z.B. Dämmmaterialien wie ein Gussasphalt (z.B. D305, bekannt von der Website http://www.industrialnoisecontrol.com/materials/dampingmaterials.htm und der Broschüre „INC Vibration Damping Materials") oder PVC Kunststoffmaterial wie beispielsweise D306 (bekannt von der gleichen Website) eingesetzt werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die schallabsorbierende Schicht an einer den Öffnungen gegenüberliegenden Innenwand der Vorrichtung angeordnet. Dies ist ein Vorteil, weil auf diese Weise sicher gestellt ist, dass sich im Luftraum hinter den Öffnungen innerhalb der Vorrichtung eine stehende Welle ausbilden kann, mittels derer der Schall gemindert wird.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Vorrichtung zur Dämpfung eines von einer elektrischen Anlage ausgehenden Schalls ausgebildet. Dies ist ein Vorteil, weil insbesondere elektrische Anlagen häufig monotone Geräusche abgeben, die Umwelt und Nachbarn belasten.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Vorrichtung zur Dämpfung eines von einer elektrischen Anlage ausgehenden Schalls mit der doppelten Frequenz der Nennfrequenz (fN) des in der elektrischen Anlagen verwendeten Wechselstroms ausgebildet. Dies ist ein Vorteil, weil Helmholtz-Resonatoren insbesondere bei diesen vergleichsweise tiefen Schallfrequenzen eine gute Schallminderung erreichen.
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In einer bevorzugten Weiterbildung der vorgenannten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung beträgt die Nennfrequenz (fN) 50 Hz oder 60 Hz. Dies ist ein Vorteil, weil dies die weltweit am Gebräuchlichsten Wechselstromfrequenzen sind.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Vorrichtung dazu ausgebildet, als Teil eines Kühlungssystems der elektrischen Anlage Wärme abzugeben. Dies ist vorteilhaft, weil auf diese Weise die Oberfläche der Vorrichtung, insbesondere die Seite der Abdeckung, zur Abstrahlung von Wärme genutzt werden kann.
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Beispielsweise kann die Vorrichtung so vor einer Kühlanordnung mit Radiatoren angeordnet sein, dass die den Öffnungen abgewandte Rückseite der Vorrichtung direkt mit dem Kühlfluid in Verbindung steht.
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Es kann auch vorgesehen sein, die Vorrichtung vollständig in einen Kühlkörper eines Kühlsystems zu integrieren, so dass die Wände der Vorrichtung direkt Wärme aus einem Kühlfluid aufnehmen, also z.B. von dem Kühlfluid überströmt werden, und über das Luftvolumen in der Vorrichtung zur Abkühlung des Kühlfluids beitragen. Diese Ausführungsform ist vorteilhaft, weil sie platzsparend ist und gleichzeitig eine verbesserte Kühlleistung aufweist.
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Hierdurch wird erreicht, dass über die Vorrichtung zusätzlich Wärme abgegeben werden kann. Die Vorrichtung, die bei Anordnung an einer Wand z.B. eine Seite eines Kühlsystems verdecken und dadurch die Kühlleistung mindern könnte, kann zur Abstrahlung von Wärme beitragen und das Kühlsystem dadurch kleiner ausgelegt werden, als dies bei einer nicht mit dem Kühlsystem verbundenen Vorrichtung der Fall wäre, was Kosten einspart.
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Ferner stellt sich an die Erfindung die Aufgabe, ausgehend von bisherigen Kühlsystemen für elektrische Anlagen, ein Kühlsystem anzugeben, mit dem einerseits die elektrische Anlage gekühlt werden kann und andererseits ein von der elektrischen Anlage ausgehender Schall vergleichsweise stark gedämpft werden kann.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Kühlungssystem gemäß Anspruch 9. Es ergeben sich dabei sinngemäß die gleichen Vorteile wie eingangs für die Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die einen Teil eines Kühlungssystems bildet, beschrieben.
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Des Weiteren stellt sich an die Erfindung die Aufgabe, ausgehend von bisherigen elektrischen Anlagen eine elektrische Anlage anzugeben, bei der von der elektrischen Anlage ausgehender Schall vergleichsweise stark gedämpft werden kann.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe durch eine elektrische Anlage gemäß Anspruch 10. Es ergeben sich dabei sinngemäß die gleichen Vorteile wie eingangs für die erfindungsgemäße Vorrichtung beschrieben.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Anlage umfasst die elektrische Anlage einen Transformator. Dies ist vorteilhaft, weil Transformatoren häufig starke Brummgeräusche niedriger Schallfrequenz abgeben und daher gut zur Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung geeignet sind.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Anlage ist der Transformator ein Hochspannungstransformator. Dies ist von Vorteil, weil besonders Hochspannungstransformatoren starke Geräusche abgeben, die der Dämpfung bedürfen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Anlage ist mindestens eine Vorrichtung auf der Innenseite eines Gehäuses des Transformtors angeordnet. Ein solches Gehäuse kann beispielsweise ein so genannter Transformatortank sein, also eine Hülle bzw. kompakte Bauform, in der alle wesentlichen Komponenten des Transformators untergebracht sind. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass der Schall bereits nah an der elektrischen Anlage verringert werden kann, so dass außerhalb keine oder nur eine geringe Lärmbelästigung entsteht.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Anlage ist mindestens eine Vorrichtung auf der Außenseite eines Gehäuses des Transformtors angeordnet. Dies ist ein Vorteil, weil so eine lange bewährte Bauform des Transformtors kaum verändert werden muss, dass die Vorrichtung zur Schallverminderung außen am Gehäuse angebracht und/oder sogar bei bestehenden Transformatoren nachgerüstet werden kann.
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Zur weiteren Erläuterung der Erfindung zeigen in schematischer Darstellung die
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1 ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung, und
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2 einen Querschnitt durch die Vorrichtung gemäß 1, und
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3 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Mehrzahl erfindungsgemäßer Vorrichtungen, die mit einem Kühlsystem kombiniert sind, und
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4 einen Querschnitt durch das zweite Ausführungsbeispiel gemäß 1, und
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5 eine Draufsicht auf das zweite Ausführungsbeispiel gemäß 1, und
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6 ein drittes Ausführungsbeispiel einer Mehrzahl erfindungsgemäßen Vorrichtungen, die innerhalb einer Wanne für einen Transformator angeordnet sind, und
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7 ein viertes Ausführungsbeispiel einer Mehrzahl erfindungsgemäßen Vorrichtungen, die innerhalb eines Gebäudes für einen Transformator angeordnet sind, und
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8 ein Querschnitt durch das vierte Ausführungsbeispiel, wobei der Transformator nicht dargestellt ist, und
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9 ein fünftes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei der eine Kombination aus Kühlsystem und erfindungsgemäßen Vorrichtungen gemäß 3 zur Kühlung eines Transformators angeordnet sind, und
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10 einen Querschnitt durch das fünfte Ausführungsbeispiel gemäß 9, und
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11 einen Querschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kühlungssystems, und
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12 einen Querschnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kühlungssystems.
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In den Figuren werden jeweils gleiche Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die 1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1, die im Wesentlichen quaderförmig ausgebildet ist und die Abmessungen Breite x, Höhe y und Tiefe z aufweist. Beispielsweise ist die Vorrichtung 60 cm breit und hoch; die Tiefe beträgt dann 40 cm. An der Vorderseite der Vorrichtung 1 ist eine Abdeckung 3 der Tiefe bzw. Dicke e vorgesehen. In der Abdeckung 3 sind Öffnungen 4 mit Durchmesser d vorgesehen, die ca. 70 % der Oberfläche der Abdeckung ausmachen, d.h. dass die kumulierte Fläche aller Öffnungen etwa zwei Drittel der Fläche der Abdeckung „entfernt“.
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In der 2 ist im Querschnitt der Vorrichtung zu erkennen, dass die Vorrichtung ein inneres Luftvolumen 2 mit der Tiefe g sowie eine innere schallabsorbierende Schicht 5 mit der Tiefe z minus g an einer den Öffnungen 4 gegenüberliegenden Innenwand 6 aufweist.
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Die 3, 4 und 5 zeigen ein zweites Ausführungsbeispiel einer Mehrzahl erfindungsgemäßer Vorrichtungen 1, die mit einem Kühlsystem 12, 13 kombiniert sind. Leitungen 13 führen ein Kühlmittel aus einer zu kühlenden elektrischen Anlage (nicht dargestellt) zu kühlmitteldurchströmten Radiatoren 12, deren eine Seite durch erdfindungsgemäße Vorrichtungen 1 zur Schallminderung gebildet sind. Bei dieser Bauform bilden die Vorrichtungen und das Kühlsystem jeweils Verkleidungswände 10 für eine elektrische Anlage aus.
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In der 6 sind eine Mehrzahl erfindungsgemäßer Vorrichtungen 1, die an der Innenseite 15 einer Wanne 14 für einen Transformator (nicht dargestellt) angeordnet sind, dargestellt.
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Die 7 und 8 zeigen eine Mehrzahl erfindungsgemäßer Vorrichtungen 1, die innerhalb eines Gebäudes 24 für einen Transformator 11 angeordnet sind. Die Innenseite 15 des Gebäudes ist an allen Wänden mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ausgekleidet, um Schallemissionen des Transformators 11 zu mindern. Der Transformator 11 (in 8 nicht gezeigt), weist ein Kühlsystem 12, 13 auf.
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In den 9 und 10 ist ein Transformator 11 mit einer Kombination 10 aus Kühlsystem 12, 13 und erfindungsgemäßen Vorrichtungen 1 gezeigt.
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Die 11 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kühlungssystems 12 für eine elektrische Anlage 11 im Querschnitt. Mehrere Vorrichtungen 11, die jeweils eine Abdeckung 3 mit Öffnungen 4 sowie ein inneres Luftvolumen 2 und eine schallabsorbierende Schicht 5 aufweisen, sind in einer Anordnung 25 eingelassen. Die Anordnung 25 ist z.B. aus Holz oder Metall gefertigt und über Schraubverbindungen 24 mit dem Kühlkörper verbunden. Der Kühlkörper wird in Pfeilrichtung 21 von einem Fluid wie z.B. Öl durchströmt, das i.d.R. zuvor zu Kühlzwecken durch die elektrische Anlage 11 geleitet wurde. Hierfür weist der Kühlkörper nach dem Wirkprinzip eines Radiators fluidleitende Kanäle 22 auf, durch die das Kühlfluid strömen und Wärme an die umgebende Luft 23 abgeben kann. Es ist ein wesentlicher Vorteil dieses Ausführungsbeispiels, dass dieses kombinierte Kühlsystem kompakt und einfach zu installieren ist und eine elektrische Anlage 11 im Betrieb sowohl kühlen als auch gleichzeitig den von der Anlage 11 ausgehenden Schall stark vermindern kann.
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Die 12 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kühlungssystems 12, dass sich von dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß 11 dadurch unterscheidet, dass die mehreren Vorrichtungen 1 jeweils vollständig in den Kühlkörper integriert sind. Das zur Kühlung eingesetzte Fluid wie etwa Öl kann so auch über die Wände der Vorrichtungen 1 strömen und somit das Luftvolumen 2 innerhalb der Vorrichtungen 1 zur Kühlung verwenden. Auf diese Weise lassen sich Schallminderung und Kühlung der elektrischen Anlage 1 besonders einfach und platzsparend kombinieren.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Doktorarbeit „Perforated Panel Absorbers with Viscous Energy Dissipation Enhanced by Orifice Design” von Rolf Tore Randeberg, Norwegian University of Science and Technology, Trondheim, June 2000, gibt in Kapitel 2 [0004]
- „Effects of the Panel and Helmholtz resonances on a micro-perforated absorber“ von Lee et al., Int. J. of Appl. Math. And Mech. Vol 4 (2005), 49–54 [0005]
- Artikel „Sound absorption characteristics of a single microperforated panel absorber backed by a porous absorbent layer“ von Sakagami et al., Acoustics Australia Vol. 39 December (2011) No 3. – 95 [0006]
- Artikel „Wave trapping barriers“ von Pan et al., erschienen in „Proceedings of Acoustics“ 2004, 3–5.11.2004 [0007]
- Artikel „Development of a silencer for acoustic enclosures“ von Lee et al., 14th International Congress on Sound Vibration, Cairns, Australia, 9–12 Juli 2007 [0008]
- „Master Handbook of Acoustics, 5th Edition“, auf Seite 213, ISBN 978-0-07-160332-4 [0014]
- „Master Handbook auf Acoustics“ auf Seite 210 [0017]
- http://www.industrialnoisecontrol.com/materials/dampingmaterials.htm [0020]
- Broschüre „INC Vibration Damping Materials“ [0020]
- Doktorarbeit “Passive Viscoelastic Constrained Layer Damping Application for a Small Aircraft Landing Gear System “ von Craig Allen Gallimore, Virginia Polytechnic Institute and State University, 2008 [0021]
