DE1476493A1

DE1476493A1 - Akustische Vorrichtung

Info

Publication number: DE1476493A1
Application number: DE1965C0035282
Authority: DE
Inventors: Mattoon Deo Roy
Original assignee: Corning Glass Works
Current assignee: Corning Glass Works
Priority date: 1964-03-16
Filing date: 1965-03-11
Publication date: 1969-05-29
Also published as: US3227241A; NL6503259A; GB1093179A; FR1429588A

Description

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Anlag·

Aktenzeichen

zur Eingab, vom t> . ΜΪΓΖ 1905 HN_{+ Name d Anm} CORIIIUG QLhIM W'OliKü,

COiiNING, IUY., U.b.A

Dr. Expl.

AkuBtis ehe Vprrichtun _o

Die vorliegende Erfindung' bezieht sich auf das Dämpfen oder Unterdrücken von Schall mit Hilfe eines akustischen Filters oder einer Schalldämpfungsvorrichtung. Insbesondere bezieht sie sich auf eine neuartige keramische Schalldämpfungsvorrichtung von Widerstandsbauart, die für Auspuff-Anlagen von Verbrennungskraftmaschinen und dergleichen bestimmt ist.

Die Schallschwächung oder Schalldämpfung des Auspuffgasstromes von Verbrennungskraftmaschinen ist eine bekannte Technik. Im allgemeinen sind die für diesen Zweck gedachten Konstruktionen nicht von der Widerstandsbauart, d. h., daß sie relativ große Strömungskanäle aufweisen. Sie bestehen aus Metallteilen und enthalten _m Prallbleche, die eine schalldämpfende Funktion erfüllen. In einigen Fällen sind diese nicht nach der Widerstandsbauart ausgebildeten Konstruktionen mit. Üblichen, gut bekannten schalladsorbierenden Stoffen überzogen oder ausgekleidet, um damit das schalldämpfende Verhalten weiter zu verbessern. Diese Vorrichtungen sind im allgemeinen einer relativ schnellen Zerstörung ausgesetzt. Dies ist die Folge der beim Betrieb auftretenden ernsten korrodierenden chemischen und thermischen Bedingungen und der schädlichen Ablagerung von Bestandteilen der Auspuffgase auf ihren Oberflächen, .

Vorrichtungen gemäß dor Widerstandsbauart, bei denen die Schalldämpfung durch eine Vielzahl von unregelmäßigen Flächen bewirkt C 4 5/14 QQ9&22/ QS 2 4 ^eAI> ORiGINAU- 1 -

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wird, die größtenteils parallel zu der Qa.soMTi.hstro/nuny Liejtn sind auch schon für diesen Zweck vorgeschlagen worden. Bei diesen letzteren Vorrichtungen treten die Abgase durch eine poröse Materialraasse durch, wie z. B. eine lose Packung aus hitzebeständigem Granulat, hitzebeständigen Kugeln oder aus Fasern, und aus geschäumtem Glas mit aufgebrochenen Zellen« Soweit dem Erfinder jedoch bekannt ist, sind mit diesen Dämpfungsvorrichtungen nach Widerstandsbauart keine merkbaren Erfolge erzielt worden.· Die eingetretenen Schwierigkeiten liefen im allgemeinen darin, daß die tragenden Metallteile wie auch das Widerstandsmaterial durch chemische Korrosion verhältnismäßig schnell zerstört werden, was die Folge der beim Betrieb auftretenden Vibration und der thermischen Bedingungen ist. Sehr wichtig ist auch der niedrige Motorwirkungsgrad, der durch die bei diesen vorgeschlagenen Vorrichtungen auftretenden sehr großen RUckdrucke verursacht wird. Dieses Problem kann durch die Ablagerung von Abgasproduktion noch verstärkt werden.

Hohe RUckdrucke schrauben den volumetrisehen Wirkungsgrad des Motors ganz ernsthaft herab» So kann infolge der Gegenkraft des Rückdruckes z· B_a der Kolben nicht die ganzen Auspuffgase aus den Zylindern austreiben, so daß ein Teil der Auspuffgase zurück bleibt und sich in der Kammer mit dem eintretenden Brennstoff mischt» Dies führt zu einer unhaltbaren Verdünnung des Brennstoffgemisches bei den derzeitigen Maschinenkonstruktionen.

Kürzlich wurde gefunden, daß man die obigen Schwierigkeiten vermeiden kann, wenn man als Element oder Glied von der rfiderstandsbauart mindestens ein relativ billiges, dünnwandiges keramisches Teil mit zellenförmiger oder bienenwabenföriniger Konstruktion

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verwendet, das in einen starren, einheitlichen Zustand gesintert worden ist und eine Vielzahl· von im wesentlichen regelmäßigen, ungestörten Gaskanäleii kleinen Querschnitts aufweist, die sich zvjisehen zwei einander im wesentlichen gegenüberliegenden Einlaßund Auslauflachen erstrecken und in diesen Flüchen enden. Dieses Element von der Widerstandsbauart ist zur wirksamen Schalldämpfung und zur Erreichung eines ziemlich niedrigen oder vernachlässigbaren Kückdruekes im wesentlichen gekennzeichnet durch: 1. regelmäßige Gaskanäle oder Zellen werden von dünnen keramischen Wänden umschlossen und voneinander getrennt, wobei die --iuerschaittsflache jedes einzelnen Kanals oder jeder Zelle nicht größer als etwa 0,0o5 &a~ (0,01 square inch), vorzugsweise im Bereich von etwa 0,0015 cm² Ws 0,019 cm² (0,0002 bis 0,003 square inch) beträgt und 2« die Zellenvjände werden so dünn gewählt, daß die gesamte Offnungsflache mindestens etwa 50/j, vorzugsweise etwa 60,,? bis Z¹J₁O betragt, wobei diese ü'ffnungsfläche sich aus der Summe der Zellenquerschnittsflachen in einer rechtwinklig zu den Achsen der Gaskanüle verlaufenden Ebene durch die Bienenwabe zusammensetzt· Die Dicke der dünnen wände lie^/t im allgeuieiuen im Bereich von etwa 0,01 bis 0,02Jj cm (0,0()4 bis 0,01 inch), sie Kann jedoch bis zu 0,(13»; c:.i (0,01^ inch) dick oder auch etwas dünner als v,01 cn. (ü,00^Jl iiic'i) sein. .

Andere wichtige Merkmale dieses Elementes von der Widerstandsfür einen bei einer 'Verbrennungskraftmaschine benutzten u..jtjf"er bestehei; darin, ilali es aus einem hoch feuerfest .-..cx'uu'l Lcheu Wex'kntol'l" ((Ws heißt einem 'Woi'iLStoff, dessen üchmolzodc-r jirv.-eichungstemperutur weüeiitli'cfi über der nia;iimalcn Be- ' tj'ieL;:tGi:iperatui- lio_tJt) hergestellt int-und unbestimmt laiige so bleibt, cJ&*ä en gute wari.ientoPviiderGtandsfahigkeit hat und daß ea den cbark korrodlerencien Jocingungen ¹^eL lietriebstöiui)era:turen ^'

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gegenüber chmisch widerstandsfähig oder träge ist. Die gesinterte, einheitliche Konstruktion zeigt einen hohen Grad von Festigkeit, so daß sie unbegrenzt lange der Zerstörung infolge Schwingungen oder anderen unter normalen Betriebsbedingungen auftretenden mechanischen Beanspruchungen widerstehen kann. Obwohl der Beitrag zur Schalldämpfung des oben beschriebenen keramischen, bienenwabenförmigeri Elementes von der Widerstandsbauart nicht mit Sicherheit nachgewiesen ist, nimmt man doch an, daß die vorhandene Porosität der Zellwände zur·Schalldämpfung beiträgt» Beim Messen fand man, daß die übliche, sich aus dem unten beschriebenen, bevorzugten Konstruktionsverfahren ergebende Porosität bei 25<£ bis K% liegt.

Schalldämpfer mit einem oder mehreren keramischen, bienenwabenförmigen Elementen von der Widerstandsbauart, wie sie Oben beschrieben wurden, ergaben bei einer großen Vielfalt von Maschinen fast (wenn auch nicht ganz) so.gute, lange Zeit anhaltende Schalldämpfung, wie die herkömmlichen, handelsüblichen Schalldämpfer. Dieses Ergebnis war wohlgemerkt nicht etwa begleitet von irgendwelchen feststellbaren mechanischen oder chemischen Zerstörungen der keramischen, bienenwabenförmigen Elemente· Abgesehen von einer sehr kleinen Zone nahe dem Umfang dieser Elemente zeigte sich außerdem auch keine Ablagerung von Verbrennungsprodukten·

Der Erfinder hat nun - und dies ist ein primärer Gegenstand der· vorliegenden Erfindung .- einen neuen Schalldämpfer gefunden, bei dem eine Vielzahl keramischer, bienenwabenförmiger, dem Gasstrom einen Widerstand entgegensetzender Elemente, wie sie oben beschrieben wurden, in einer einteiligen Anordnung oder Konstruktion benutzt werden, die eine bessere Schallschwächung oder

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Schalldämpfung im Betrieb bei Verbrennungskraftmaschinen ebenso wi'e bei Geräusche enthaltenden Gasströmen anderer Herkunft liefert. ,Ein anderer Gegenstand der Erfindung ist darüberhinaus die Schaffung einer relativ billigen und einzigartigen, ganz aus keramischere Werkstoff bestehenden Schalldämpfvorrichtung, die bei hervorragen-'der SchallSchwächung oder Schalldämpfung von größerer Lebensdauer ist.

Die ganz aus Keramik bestehende Sehalldämpfvorrichtung gemäß der Erfindung weist grundsätzlich eine Mehrzahl von dem Gasstrom einen Widerstand entgegensetzenden Elementen auf, die in Reihe Untereinander angeordnet sind und einen unregelmäßigen Gasstromweg in einem Gehäuse bilden und die im Gehäuse mittels ; einer Bindung starr angeordnet sind· Die Elemente von der Widerstandsbaurt,.das Gehäuse und die Bindung bestehen sämtlich aus gesinterter Keramik. Wenn die Vorrichtung bei heißen Gasströmen verwendet wird (z· B» am Auspuff von Verbrennungsmasohinen) muß sämtliches gesinterte keramische Material im wesentlichen gleiche Wärmedehnungskoeffizienten haben, um eine physische Zerstörung im Betrieb zu vermeiden.

Mit dem in dieser Anmeldung benutzten Begriff "üngegelmäßiger Gasstromweg" ist eine Wegführung gemeint, die nicht eine gerade oder glatte Linie parallel zur Aohse der Elementenreihe ist. Die "Achse der Reihe" von Elementen im Gehäuse kann, muß aber nicht notwendigerweise' eine gerade Linie sein· Diese "Aohse der Reihe" kann nach Wunsch auch andere Gestalt haben, z· B» sinusförmige oder sogar S-fÖrmi-ge Gestalt.» . ■■

Das Gehäuse weist einander gegenüberliegende Einlaß- und Aus.laß«· ; wände auf. Diese Wände sind mit Ein·» baw. Ausite^OFttÖttgän ver~

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sehen. _ .

Jedes Element von der Widerstandsbauart weist grundsätzlich zwei verschiedene Teile auf. Ein Teil (oder Teile) besteht aus einem offenem Durchgang mit dünnen Wänden in Gestalt einer Bienenwabe aus gesintertem keramischem Werkstoff mit beispielsweise folgenden oben erläuterten Merkmalen: Einlaß- und Auslaßflächen mit ungestörten Gaskanälen zwischen diesen Flächen, maximaler Dicke der die Kanäle umschließenden dünnen Wände, maximaler QuerschnittsfMche der Gaskanäle und minimale Gesamtöffnungsf lache oder minimaler Öffnungsquerschnitt in einer rechtwinklig zur Achse der Gaskanäle verlaufenden Ebene» Die Gesamtöffnungsfläche jedes dieser Teile mit offenen Kanälen darf nicht kleiner sein und ist vorzugsweise größer als die Fläche der Einlaßöffnung, um den hervorragend niedrigen Rückdruck beim Durchströmen des Gasstromes zu erzielen. Vorzugsweise hat jeder Teil mit offenen Kanälen eine Gesamtöffnungsfläche, die etwa dem zwei bis dreifachen der Fläche der Einlaßöffnung entspricht. Aus dem gleichen Grunde soll auch die Auslaßöffnung mindestens die gleiche Fläche haben wie die Einlaßöffnung»

Die Elementenreihe ist derart angeordnet^ daß die Einlaßfläche des Teiles mit offenen Kanälen jedes Elementes entlang dem Gasstromweg im Abstand von der Auslaßfläche des Teiles mit offenen Kanälen beim vorangehenden Element liegt, Diese im Abstand voneinander befindlichen Flächen sind so konstruiert und angeordnet, um den unregelmäßigen Gasstromweg zu schaffen·

Der andere Teil (oder Teile) der Elemente von Widerstandsbauart ". bildet eine unperforierte Sperre für den Gasstrom» Zur wirksamen' Schalldämpfung *insbesondere in hohem Grade der Töne niedriger

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Frequenz (ζ. Β· 150 bis 215 Schv/ingungen /Sekunde) im Auspuff größerer Maschinen (das heißt Maschinen mit j528Ocnr Hubraum und sechs oder mehr Zylindern) auf die geringe Höhe derzeit herkömmlicher Schalldämpfer und sogar noch niedriger - sollen die unperforierten Sperrteile einen geschlossenen Durchgang mifc dünnen Wänden in Gestalt einer Bienenwabe aus gesintertem keramischem Material aufweisen, der den gleichen einschränkenden physikalischen Merkmalen unterworfen ist, wie sie oben im Zusammenhang mit den offenen, bienenwabenförmigen Teilen erläutert wurden. Zusätzlich sollen sie aber noch einen Ver-

aus
Schluß gesintertem keramischem Werkstoff aufweisen, der jeden der Kanäle an einer Stelle verschließt, die in Richtung auf die Auslaßfläche im Abstand von der Einlaßfläche der geschlossenen Kanäle der Bienenwabe liegt. Der Verschluß schafft die unperforierte Sperre und bildet zugleich mit der Bienenwabenstruktur eine Vielzahl von einseitig geschlossenen Kanälen oder "Sackgassen", deren Öffnung an der Einlaßfläche der Bienenwabe mit geschlossenen Kanälen liegt. In manchen Fällen kann nach Wunsch auf der Auslaßfläche des Teiles mit ge- ' schlossenen Kanälen zusätzlich eine Vielzahl derartiger "Sackgassen" oder "Sacklöcher" vorgesehen sein, um die Schalldämpfung weiter zu unterstützen. Wenn die Schallwellen in dem Gasstrom, der durch die Schalldämpfvorrichtung gemäß der Erfindung mit "Sackgassen" hindurehtritt,die Einlaßfläche der Bienenwabenteile mit geschlossenen Kanälen erreichen, breiten sie sich, in die einseitig geschlossenen Kanäle aus» Die Schall«' energie wird dann infolge der Well'reflektion von der geschlpssenen Endfläche oder dem Verschluß der Gaskanäle schluckt» Es wird selbstverständlich erwartet, daß ein Teil ""^>s der Schallenergie durch die porösen Wände absorbiert wird»

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Wenn in einigen Anwendungsfällen die Töne niedriger Frequenz nicht übermäßig stören, kann der unperforierte Sperrenteil : aus einer glatten, festen Keramikwand oder dergleichen ohne Sacklöcher bestehen.

Zum besseren Verständnis der Erfindung werden nun einige bevorzugte Formen mit erläuternden speziellen Ausführungsbeispielen derselben in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen ■ beschrieben.

Fig· 1 zeigt einen Längsschnitt durch eine spezielle Ausführungsform der vorliegenden Erfindung·

Fig« 2 ist ein Schnitt nach der Linie II-II in Fig. 1

Fig, > ist ein Schnitt nach der Linie III-III in. Fig. 1.· - ' '

Fig. 4 zeigt einen Querschnitt einer anderen speziellen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Fig. 5 zeigt einen Längsschnitt einer weiteren, zusammengesetzten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, der verschiedene zusätzliche Varianten erläutert.

Fig. 6 zeigt einen Längsschnitt durch eine weitere spezieile Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,

Fig., 7 zeigt einen Querschnitt nach der Linie VII-VII in Fig. 6 und

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Pig, 8 zeigt einen Schni-tt nach der Linie VIII-VIII in Fig. δ.

In den Figusn 1 bis 5 weist der Ganz-Keramikschalldämpfer eine Hülse oder ein Gehäuse 10 aus geeignetem gesintertem Keramikwerkstoff und bierienwabenförmige Elemente 12-17 von der Widerstandsbauart aus geeignetem gesintertem Keramikwerkstoff auf, die starr mit dem Gehäuse 10 durch einen geeigneten gesinterten Keramikbinder 20 verbunden sind.

Mit dem Begriff "geeignet" soll zum Ausdruck kommen, daß die gesinterten Keramikwerkstoffe im wesentlichen gleiche Warmedehnungskoeffizieriten haben, um Brüche und eine physische Zerstörung der Vorrichtung zu verhüten, wenn diese wiederholt erheblichen Temperaturänderungen unterworfen wird. Die gesinterten Kerarnikwerkstoffe sollen außerdem vorzugsweise geringe Wärmedehnungskoeffizienten (das heißt minus 10 bis plus 10 X 10 '/°C über einen ausgedehnten Temperaturbereich) haben, um die Wäruiespannungen in der Vorrichtung minimal·zu halten. Selbstverständlich ist die beschriebene "Geeignetheit"' der Wärmedehnungskoeffizienten nicht von Bedeutung, wenn die Vorrichtung in Gasströmen benutzt werden soll, die keine hohen Temperaturen aufweisen.

Das Gehäuse 10 weist eine Einlaßendwand 18 und eine Auslaßendwand 19 auf. Die Einlaßendwand 18 hat eine Einlaßöffnung 21 und die ^uslaßendwand 19 hat eine Auslaßöffnung 22. Beide Öffnungen haben die Durchmesser D₁* Das Gehäuse 10 besteht - wie dargestellt - vorzugsweise aus zwei Abschnitten, die mit einer Über- ■ iappurig 2J versehen sind, so daß die Abschnitte voneinander getrennt werden können. Andererseits kann das.,Gehäuse 10 nach

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Wunsch, auch einstückig ausgebildet werden, z» B, durch Ausbildung einer Verbindung aus gesintertem Keramikbindemittel an der Überlappungsstelle- 23·

Bei der in den Figuren 1 bis J5 dargestellten Ausführungsform bestehen die Elemente von der Widerstandsbauart aus zwei Typen, die entlang der den unregelmäßigen Gasstromweg bildenden Reihe miteinander abwechseln· Beide Elemententypen weisen einen Mittelteil auf, der von einen äußeren Teil umgeben wird,, wobei beide Teile im wesentlichen drehsymmetrisch zur Achse der Reihe sind. Der äußere Umfang dieser mittleren und äußeren Teile kann nach Wunsch verschiedene Gestalt haben, z. B» kreisförmig, oval, quadratisch, rechteckig, dreieckig, polygonal uaw.

Die mittleren Teile mit den Außendurchmessern D₂, D^, D^ der ersten Elementenart 12, 14, 16 und die äußeren ringförmigen Teile mit den Innendurchmessern D^, D_P, D₇ der zweiten Elementenart 13, 13, 17 bestehen aus den dünnwandigen "Bienenwaben" mit offenen Kanälen gemäß der obigen Beschreibung»

Die äußeren ringförmigen Teile mit den Innendurchmessern Dp, D₁,, D/- der ersten Elementenart 12, 14, Io und die mittleren Teile mit den Außendurchmessern D^, D_c-, D₇. der zweiten Elementenart 13» 15* 17 bestehfn aus den unperforierten Sperren mit Sacklöchern gemäß der obigen Beschreibung» Bei dieser Ausführungsform soll. die Gesamtfläche des mittleren Teiles der zweiten Elementenart mindestens etwa gleich der Gesamtfläche des mittleren Teiles der benachbarten ersten Elementenart sein. Auf diese Weise liegen die offenen Zellen oder Gaskanäle einer Elementenart entlang der · Achse der Reihe axial gegenüber dem Sperrenteil der anderen

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Elementenart· Dadurch wird bewirkt, daß der Gasstrom bei seinem Durchgang durch die Schalldämpfvorrichtung einem sinusförmigen j Weg folgt und infolgedessen wird die Tonstärke am Ausgang wesentlich unter den Wert herabgesetzt, der bei einer derartigen Vorrichtung erzielt wird, bei der die offenen Zellen einander geradlinig gegenüberliegen (das heißt bei einem regelmäßig geradlinigen Gasstromweg).

Die Sacklöcher bei den Elementen 12-17 werden durch Anordnung von Überzügen 32-37 ^aus gesintertem keramischem Werkstoff auf den Auslaßflächen oder- Seiten der Elemente hergestellt» Diese Überzüge 32-J57 verschließen die Zellen oder Gaskanäle, die in denjenigen Bereichen der Auslaßfläche enden, welche von den Überzügen bedeckt sind. Die Überzüge 32* j>4 und 36 hilden äußere ringförmige Sperrzonen oder Teile der Elemente 12, 14, 16, welche die mittleren Teile mit offenen Durchgangszellen umgeben. Im Gegensatz dazu bilden die Überzüge 33* 35» 37 mittlere -kreisförmige Sperrzonen oder Teile der Elemente 13* 15* 17*die von den äußeren ringförmigen Teilen mit offenen Durchgangszellen umgeben werden.

Die Anzahl und der Abstand der zweiteiligen Elemente kann je nach dem besonderen Anwendungsfall· verändert werden. Eine Reihe von mindestens vier Elementen ist nötig zur ausreichenden Schalldämpfung des Auspuffes einer großen Verbrennungskraftmaschine, während nur .zwei oder drei Elemente in befriedigender Weise zur Schalldämpfung des Auspuffes kleinerer Maschinen, wie etwa den normalerweise bei landwirtschaftlichen Traktoren und dergleichen !vorhandenen Maschinen, benutzt werden. Beim letztgenannten Anwendungsfall können die Keramik-Bienenwabeneleinente vorteilhaft aus einem Keramikwerkstoff hergestellt sein, der eine ziemlich hohe spezifische Wärme hat (z.B. etwa 0,2 oder mehr Kalorien /g-

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bei 25°C), so daß sie zusätzlich als Flararasperre im heißen Auspuffstrom wirken,

Wenn der Schalldämpfer in herkömmlicher Weise entrang einem Auspuffrohr angeordnet ist, wird eine höhere Leistung (das heißt Schalldämpfung, niedriger Rückdruck usw«) bei großen Maschinen dadurch erreicht, daß man die Elemente in einem Abstand voneinander anordnet, der im wesentlichen gleich der Summe der mittleren Zellen - oder Gaskanallänge der zwei den Abstand bildenden Elemente ist, wobei die mittlere Gaskanallänge jedes Elementes im Bereich von etwa 1,27 bis 6,55 cm (1/2 bis 2 1/2 inch) liegt» Besonders gute Ergebnisse wurden erzielt, wenn der Abstand innerhalb von * 25$ der oben genannten Summe der mittleren Gaskanallängen gehalten wird.

Wenn die Schalldämpfvorrichtung (siehe Fig» k) in oder nahe der Abgassammelleitung angeordnet ist,· kann der Abstand vorteilhaft geringer als oben mit Bezug auf die Summe der mittleren Gaskanallängen beschrieben sein, um geeignete Ergebnisse zu erzielen (möglicherweise wegen der geringeren Viskosität der Auspuffgase in oder nahe der Abgassammelleitung)·

Die Ganz-Keramikschalldämpfvorrichtung kann durch irgendwelche geeigneten Mittel an einer Auspuffleitung oder einem Auspuffrohr befestigt oder montiert sein. Gemäß der Darstellung in Fig. 1 ist die Schalldämpfvorrichtung mit einem federnden Isolierschirm 26 und Druckdichtungen 28 in einer äußeren Hülse 2k angeordnet.

Die äußere Hülse 24 wird vorteilhaft aus korrosionsbeständigein Metall und in zwei voneinander trennbaren Teilen mit einer

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Teleskopverbindung 30 hergestellt. Die Hülse 24 weist außerdem Anschlußverlängerangen Jl am Einlaß- und Auslaßende auf.

Beispiel 1

Eine gemäß der Darstellung in den Figuren 1 bis 3 konstruierte Schalldämpfereinheit, wurde in der Auspuffleitung einer 6570 cm (401 cubic inch) Acht-Zylindermaschine geprüft und es zeigte sich, daß sie im Vergleich zu einem handelsüblichen, bisher mit der Maschine gelieferten Schalldampfer bei einem vergleichbaren Rückdruck von 45*72 cm (18 inch) Quecksilbersäule bessere Leistungen ergibt. Das Keramikgehäuse wurde aus einer gesinterten Gleit-GuS-Mischung aus 72 Gew»$ Petalit und 20 Gew.^ Beta Spodumen gernäß der USA Patentschrift 3 096 159 hergestellt» Der gesinterte Keramikwerkstoff zeigte einen sehr niedrigen Wärmedehnungskoeffizienten von etwa 0 - 2 X 10"V°C bis hinauf zu 900°C, Das Gehäuse wurde mit einer Wanddicke von etwa 6,35 mm (1/4 inch), mit einem Innendurchmesser von etwa 15*24 cm (6 inch), einer Gesamtlänge von etwa 64,8 cm (25 1/2 inch) und Öffnungsdurchraessern D, von 5*08 cm (2 inch) hergestellt.

Die bienenwabenförmigen Elemente wurden gemäß der USA Patentschrift 3 112 184 hergestellt. Der verwendete Keramikwerkstoff bestand aus 75 Gew»,o Petalit und 25 Gew.70 einer Glas-Keramik, die etvva die folgende Zusammensetzung in Gew./j (ermitiä-t durch Oxydationsanalyse)hatte: 70$ SiO₂, l3# Al₃O , % TiO₂, 3$ MgO, 3,0 Li^O und Vf₀ ZnO. Aus diesem feinzerinehlerien Keramikwerkstoff wurde ein Brei hergestellt,indem er in einer Kugelmühle mit gleichen Teilen einer Lösung von etwa folgender Zusammensetzung · in Volumen % gemahlen'würde; 29,6$ Isopropanol, 39,3$ Äthylazetat, o,4$ Versarriid 115 und 22',2^ Ilysol ÄilJlc^j^^^ainid II5 ist

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der Handelsname- eines thermoplastischen Polymers, das von der Firma General Hills Inc. geliefert wird und durch Kondensation polymsrisierter ungesättigter Fettsäuren, wie etwa Dillnolsäure, mit aliphatischen nminen, wie etwa Äthylendiamiri, hergestellt wird« Hysol 6111 ist der Handelsname einer Epoxyharzlösung, die von den Houghton Laboratories, Ine· geliefert wird und die 57 Gew.^o Epoxyharz mit einer Viskosität von etwa 2,5 bis 4,0 Poise (Zähigkeitseinheit) bei 25°C enthält, ein Epoxydequivalent (Gramm Harz mit einem Gramm clenischem Epoxydequivalent) von 595 -· 50 und mit einem Schmelzbereich von 73 bis 85 C. Der Brei wurde auf ein herkömmliches 1,59 kg Teebeutelpapier (3*5 pound tea bag paper) als Überzug aufgebracht und in der in dem erwähnten USA Patent 3 112 Io4 beschriebenen Weise zu einer Bienenwabenstruktur aus gesintertem Keramikwerkstoff geformt. Die Feuerführung war folgendermaßen:

Temperatur Bereich .. Brennzeit bzw»- geschwindigkeit

Von .Raumtemperatur 350 C/Std«

bis 700⁰C

gehalten auf 700 C 1 Stunde

700⁰C bis 1220°C 30 Minuten

Abkühlen auf Raumtemperatur AbkUhlungsgeschw· des Ofens

Wieder Erhitzen auf 1240°C 300°C/Std.

Gehalten auf 1240°C 7 Stunden

Danach wurden die Honigwaben im Ofen auf Handhabungstemperatur abgekühlt. Die Gaskanäle dieser Bienenwaben hatten im Querschnitt die Gestalt gleichschenkliger Dreiecke mit einer Höhe von etwa-0,1016 cm (0,04 inch) und einer Grundlinie von etwa 0,19 cm (0,075 inch) und die gesamte Öffnungsfläche der Gaskanäle der Bienenwabe betrug etwa 70$ der Gesamtquerschnittsfläche der Bienenwabe In einer Ebene rechtwinklig zur Achse der Gaskanäle· Die mittlere z'ellenwanddicke betrug etwa 0,0152 cm (0,006 inch) und die

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Porosität der Wand betrug etwa 35-40$· Die Bienenwaben aus gesinterter Keramik zeigten Wärmedehnungskoeffizienten von etwa 0 t 2 X 10"V°C bis hinauf zu-JOO⁰C oder-höher.

Die Bienenwabenelemente wurden auf Durchmesser von etwas weniger als 15,24 cm (6 inch) geschnitten« Die Elemente 12, 13, 16 und wurden in Richtung parallel zu den Achsen der Gaskanäle mit einer Dicke von 2,54 cm (1 inch) und die Elemente 14 und I5 mit einer Dicke von 3,39 cm (1 3/4 inch) hergestellt. Die beiden letzteren .Elemente wurden mit einem Abstand von 11,1 cm (4 3/8 inch) angeordnet, wobei beide Elemente von der Mitte des Gehäuses gleichen Abstand hatten· Der Abstand zwischen den Elementen I3 und 14 und den Elementen 15 und 16 betrug 6,35 cm (2 1/2 inch). Der Abstand zwischen den Elementen 12 und I3 und zwischen den Elementen 16 und 17 betrug 5>O8 cm (2 inch).

Der keramische Binder zur starren Verbindung der Elemente 12-17 mit dem Gehäuse 10 hatte bezogen auf das Gewicht analytisch die folgende Zusammensetzung: 0,72$ ZnO, 1,3$ CaF₂, 3,46$ SiC, 1,93$ 30 (von abgerauchtem (fumed) Bleiweiß), 6,31$ PbO und der Rest war Glaspetalit. Ein Satz dieser Bindemittelmischung wurde in einer Lösung von 75 Gew.$ Butylalkohol und 25 Gew.$ Toluol disper^iert und die Dispersion als Überzug auf die Umfangsflache der Bienenwabexielemente aufgebracht. Die gleiche Bindemitteldispersion wurde zur Herstellung der Überzüge 32-37 auf den Auslaöflachen der Elemente benutzt. Nach der Anordnung der Elemente in den oben beschriebenen, Stellungen wurde die gesamte Einrichtung auf 1150⁰C mit etwa 5°C/Minute erhitzt und auf 1150⁰C etwa eine Stunde lang gehalten, so daß der Binder vollkommen aufschäumen, sintern und feste chemische Bindungen mit den Bienenwaben und-dem Gehäuse eingehen konnte. Bana^ßii^gj^e gesamte

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Einrichtung im Ofen auf Handhabungstemperatur mit einer Ge- ·· schwindigkeit von etwa 5°C/Minute abgekühlt· Der sich ergebende . gesinterte Keramikbinder zeigte Wärmedehnungskoeffizienten von etwa 0-4 X 10~V°C bis hinauf zu 3OC)⁰C und mehr. ·

Die Überzüge 32-37 wurden mit den folgenden Durchmessern hergestellt: D₂ betrug 8,89 cm (3 1/2 inch)!; D, D₅ und D„-betrugen . 10,3 cm (4 .1/4 inch); D₂^ und Dg betrugen 10,16 cm (4 inch).

Beispiel 2

Eine dar in den Figuren 1 bis 3 dargestellten Konstruktion ähnliche andere Einheit wurde in der Auspuffleitung einer 5690 cnr (225 cubic inch) Sechs-Zylindermaschine unte/^rsucht und zeigte befriedigende Ergebnisse. Die Konstruktion dieser Einheit war abgesehen von den folgenden speziellen Merkmalen die gleiche wie beim Beispiel 1 ,· Die Gesamtgehäuselänge betrug etwa 43*18 cm (17 inch). Die Elemente I2-I7 waren etwa 2,54 cm (1 inch) dick_v und hatten einen Abstand von 3,8l cm (1 1/2 inch) voneinander. Die Elemente Ij5* 15 und I7 waren mit Gaskanälen hergestellt, die im Querschnitt die Gestalt gleichschenkliger Dreiecke mit einer Höhe von etwa 0,0508 cm (0,02 inch) und einer Grundlinie von etwa 0,0965 cm (0,038 inch) hatten una die gesamte Ö'ffnungs- · fläche betrug etwa 60$.

Fig. 4 .zeigt eine andere Aus führungs form der Schalldämpf vorrichtung gemäß der Erfindung, die zur Anordnung in der Auspuffsammileitung oder nahe bei dieser in kleinerer, kompakter Gestalt ausgeführt werden kann. Diese Ausführungsform der Vorrichtung weist - ähnlich wie die bereits beschriebenen Ausführungsformen - ein Gehäuse 40 aus gesintertem Keramikwerkstoff

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mit rechteckigem Querschnitt auf· Ein gesinterter Keramikbinder 41 hält die Elemente von der Widerstandsbauart im Gehäuse 40 starr"an Ort und Stelle. Das allein dargestellte Element 42 aus gesintertem Keramikwerkstoff (das dem Element 12 in Fig» I entspricht) weist einen mittleren Teil 44 mit offenen Zellen oder Gaskänälen und äußere Teile 46 mit einseitig geschlossenen Gaskanälen' oder Sacklöchern auf, die durch Herstellung eines Über-. zugs aus gesintertem Keramikwerkstoff auf der Auslaßseite des Elementes gebildet sind. Die zweite Elementenart bei dieser Einheit hat die offenen Zellen in den äußeren Teilen und die Sacklöcher in einem entsprechenden mittleren Teil· Diese Einheit wird selbstverständlich so hergestellt, daß sie die anderen notwendigen physikalischen Bedingungen erfüllt, die oben beschrieben wurden.

Fig. 5 zeigt verschiedene andere Abwandlungen, die im Rahmen der vorliegenden Erfindung möglich sind. Zunächst kann das Gehäuse aus mehreren, voneinander trennbaren Abschnitten 48, 49 und 50 hergestellt sein· So können die für eine Vielzahl von Maschinen geeigneten Schalldämpfereinheiten leicht dadurch hergestellt wer- , den, daß man die Abschnitte 48 und 50 nur mit, einem oder mehreren Abschnitten 49 vereinigt. Zur Raumersparnis können die Einlaßendwand 52 und die Auslaßendwand 53 mit einer gestauchten Einlaßöffnung 54 bzw. Auslaßöffnung 55 versehen sein.

Zur besseren Verteilung eines geräuschhaltigen Gasstromes über die Einlaßfläche eines Elementes von der Widerstandsbauart kanndas Element mit einem nach vorne,ragenden mittleren Teil 56 versehen sein, dessen Einlaßfläche winklig auf einen weiter vorne liegenden mittleren Punkt zuläuft.

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In manchen Anwendungsfällen kann die Wirksamkeit der Schall«« Schwächung oder Sehalldänrafurii!: dur-Qh. die Saeklöcher noch dadurch

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verbessert werden, daß Höhlungen oder Vertiefungen 58 in diejenigen Teile der Einlaßfläche des Elementes eingeschnitten werden, die . den Auslaßflächenteilen gegenüberliegen» auf denen die Überzüge 60 und 61 aus gesintertem Keramikwerkstoff zum Verschluß der zwischen den beiden Flächen verlaufenden Gaskanäle angeordnet sind. Gemäß der Darstellung in Fig. 5 sind die Höhlungen 58 kreisförmige Resonanzkammern, sie können jedoch nach Wunsch auch andere geometrische Formen haben. Je nach Wunsch können für den einzelnen besonderen Anwendungsfall auch alle Elemente 62-67 oder nur bestimmte ausgewählte Elemente mit Höhlungen 58 versehen Ψ sein«

Beispiel 3

Die Figuren 6 bis 8 zeigen noch eine weitere spezielle Ausführujigsform meiner Erfindung, die in der Auspuffleitung einer 4920 our (300 cubic inch) Acht-Zylindermaschine mit ausgezeichneten Ergebnis

sen geprüft wurde. Das zweiteilige Gehäuse JO wurde in gleicher Weise wie das Gehäuse in Beispiel 1 hergestellt, mit der Ausnahme, daß die Gesamtlänge nur 53*3 cm (21 inch) betrug. Die Elemente 71-77 waren aus den in Beispiel 2 benutzten-Bienenwabenkonstruktionen aus gesintertem Keramikwerkstoff hergestellt. Die runden Elemente 71* 73* 75* 77 hatten einen Durchmesser von etwas weniger als 15*2 cm (6 inch) und eine Dicke von 2,54 cm'(I inch). Die Elemente 72, 74, 76 wurden rechteckig (siehe Figo 8) mit Abmessungen von' 15,2 X 12,9 X 2,54 cm (6 X 4 3/4 X 1 inch) hergestellt und mit den anderen Elementen gemäß der Barstellung in Fig. 6 vereinigt. Die Elemente 7I, 73, 75, 77 wurden dann mit dem Gehäuse 70'durch ein Bindemittel 78 in gleicher Weise wie im Beispiel 1 starr verbunden» . - . ■ ■-:.-■■ ..-;..γ ·

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Vor der Zusamrnenfügung wurde eine Hälfte der Auslaßflächen der Elemente 71, 73, 75, 77 mit Überzügen 8l, 85, 85, 87 (ebenso wie im Beispiel 1) versehen, wodurch die Sperren mit zur Einlaßseite hin offenen Sacklöchern hergestellt wurden, die in Längsrichtung der Schalldämpfereinheit versetzt angeordnet sind« Die anderen Hälften dieser Elemente waren die Teile mit offenen Kanälen·

Ebenso wurden vor dem Zusammenbau auf den Elementen 72, 74, 76 Überzüge 32, 84, 86 vorgesehen, die äußere Teile mit geschlossenen Kanälen und mittlere Teile -mit offenen Kanälen in diesen Elementen schufen· Die Teile mit offenen Kanälen können nach Wunsch auch durch einen mittleren Teil mit geschlossenen Kanälen in zwei Teile unterteilt sein« Während die Überzüge 84 auf der Aufilaßseite des Elementes fk angeordnet sind, um Sacklöcher zu bilden, die zur Einlaßseite hin offen sind, werden die Überzüge 32 und 86 auf der Einlaßseite der Elemente 72 und 76 angeordnet, so daß Sacklöcher entstehen, die sich ar Auslaßseite der Elemente öffnen. Durch diese Gestaltung wird es möglich, die Schalldämpfereinheit derart anzuordnen, daß sich die Sacklöcher nicht nach oben öffnen. Wenn diese Sacklöcher nämlich nach oben offen waren, könnten vom Gasstrom mitgeschleppte Feststoffpartikel diese Sacklöcher füllen und dadurch ihre Schallschluckfähigkeit verringern.

Obwohl die vorliegende Erfindung mit Bezug auf spezielle Einzelheiten bestimmter Ausführungsformen derselben beschrieben wurde, sollen diese Einzelheiten - sofern sie nicht in den Ansprüchen enthalten sind - den Rahmen der Erfindung njdat einengen· Es sei also bemerkt, daß eine Vielfalt von keramischen Werkstoffen und Verfahren zur Herstellung der keramischen Konstruktionen benutzt werden können, ohne daß damit die Erfindung verlassen wird. Die

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BAD ORIGINAL

Claims

Dr. Ing. E. BERKENFELD, Patentanwalt, KÖLN, Universitätsstraße 31

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^AnIage 5t März 1965 HN+ Aktenzeichen _CORNING GLASS WORKB

zur Eingabe vom Name d. Anm. CORNING. N.Y.. UmQt

Patentansprüche

1. Ganz aus keramischem Werkstoff bestehende Schalldämpfvorrichtung, die aus einem Gehäuse mit einer Vielzahl dem Gasstrom einen Widerstand entgegensetzenden keramischen Elementen besteht, wobei die Elemente in einer Reihe angeordnet sind, welche einen unregelmäßigen Gassbromweg im Gehäuse erzeugt, und wobei die Elemente durch eine keramische Bindung mit dem Gehäuse verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Element einen ersten Teil aufweist, der eine undurchbrochene Sperre für den Gasstrom teildet, und einen zweiten Teil, der einen offenen Durchgang bildet, daß die Elemente dünnwandige, bienenwabenartige Konstruktionen mit einer Vielzahl von ungestörten Gaskanälen sind, die sich zwischen der Einlaß- und der Auslaßfläohe erstrecken, daß die Gaskanäle von dünnen Wänden bis zu etwa 0,038 cm (0,015 inch) Dicke umschlossen werden, daß die Querschnittsfläche jedes Gaskanalesnicht größer als etwa 0,065 cm (0,01 square inch) ist und die Summe der offenen Querschnittsflachen der Bienenwabe in einer Ebene rechtwinklig zu den Achsen der Gaskanäle mindestens 50g der Gesamtquersohnittsflache der Bienenwabe beträgt, daß die Einlaßfläche der zweiten Teile Jedes der im Gasstromweg aufeinanderfolgenden Elemente im Abstand von der Auslaßfläch· der zweiten Teile des vorangehenden Elementes liegt, wobei die im Abstand voneinander befindlichen Fläohen so konstruiert und mit den ersten Teilen angeordnet sind, daß ein sogenannter unreglmäöi ger Gasstroaweg entsteht, und daß die Summe der₍ öffnungefläohe

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jedes Elementes nicht geringer als die Fläche der Einlaßöffnung der Vorrichtung ist,

2» Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die unperforierten Sperren aus dünnwandigen bienenwabenartigen Teilen mit geschlossenem Durchgang bestehen, die die gleichen einschränkenden physikalischen Merkmale haben, wie sie oben für die offenen bienenwabenförmigen Kanäle definiert wurden, daß sie jedoch zusätzlich keramische Verschlüsse aufweisen, die so konstruiert und angeordnet sind, daß sie jeden der Gaskanäle mindestens an der Einlaß- oder Auslaßfläche der bienenwabenförmigen Konstruktion mit geschlossenem Durchgang verschließen·

j5· Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Gasstrom einen Widerstand entgegensetzenden keramischen Elemente aus Elementen einer ersten und einer zweiten Art bestehen, die in der Vorrichtung miteinander abwechseln und aus einem mittleren Teil bestehen, der von einem äußeren Teil umschlossen ist, wo-bei beide Teile im wesentliche-n drehsymmetrisch zur Achse der Elementenreihe sind, daß der äußere Teil der ersten Elementenart und der mittlere Teil der zweiten Elementenart unperforierte Sperren für den Gasstrom aufweist und daß der mittlere Teil der zweiten Eleipentenart und der äußere Teil der ersten Elementenart die dünnwandigen Bienenwabenkonstruktionen mit offenem Durchgang aufweist♦

hm Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Gasstrom einen Widerstand entgegensetzenden keramischen Elemente aus einer ersten Elementenart bestehen, die das der Einlaßendwand am nächsten liegende und in der Folge

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jedes zweite Element bildet und mit ihrer größten Fläche im wesentlichen rechtwinklig zur Achse der Elementenfolge angeordnet ist, daß eine zweite Elementenart zwischen jewlls hwei aufeinanderfolgenden Elementen der ersten Art angeordnet ist, wobei eine im Inneren der zweiten Elementenart liegende und parallel zu den größten Flächen dieser zweiten Elementenart verlaufende Ebene die Achse der Elementenfolge schneidet und wobei die Elemente der zweiten Art gegen jeweils zwei aufeinanderfolgende Elemente der ersten Art entlang im wesentlichen diametral verlaufenden Linien der ersten Elementenart anliegt, und daß sowohl die erste als auch die zweite Elementenart zwei verschiedene Teile aufweist, wobei im wesentlichen eine im Wechsel auf der einen und der anderen Seite der erwähnten diametralen Linie liegende Hälfte jedes der aufeinanderfolgenden Elemente der ersten Art und die Teile der Elemente der zweiten Art, die den erwähnten diametralen Linien nahe liegen, erste unperforierte Sperren für den Gasstrom bildende Teile sind und wobei im wesentlichen die andere Hälfte jedes Elementes der ersten Art und der mittlere Teil jedes Elementes der zweiten Art zweite Teile bilden, die die dünnwandigen Bienenwabenkonstruktionen mit offenem Durchgang darstellen·

5· Vorrichtung naoh 4inem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die dünnen Wände der bienenwabenförmigen Konstruktionen porös sind«

6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaßflachen der dünnwandigen Bienenwabenkonstruktionen mit offenem Durchgang Höhlungen bildende Oberflächen aufweisen·

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7· Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramikwerkstoffe des Gehäuses, der Elemente und des Bindemittels im wesentlichen gleiche Wärmedehnungskoeffizienten haben«

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