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Die Erfindung betrifft einen Schalldämpfer, insbesondere für eine Leitung, die von einem Gas, beispielsweise Luft, durchströmt wird.
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Derartige Schalldämpfer sind bereits bekannt, beispielsweise zum Anschluss an Ventilatoren. Zum Beispiel werden zur Belüftung von Bergwerken oder Tunnelbauten leistungsstarke Axiallüfter eingesetzt. Der beförderte Luftstrom durchströmt einen Schalldämpfer, um den durch den Betrieb des Lüfters erzeugten Schall zu dämpfen.
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Die
DE 2360044 zeigt einen Schalldämpfer für die Schalldämpfung an gasverdrängenden umlaufenden Maschinen. In einer Ummantelung ist ein mittiger Kern aus einem absorbierenden Material angeordnet. In einer Ausführungsform ist zwischen einer Eintritts- und Austrittsöffnung ein Kern mit einem veränderlichen Querschnitt angeordnet, um eine schalldämpfende Verteilung des Schallstroms zu bewirken.
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Es kann als Aufgabe angesehen werden, einen Schalldämpfer vorzuschlagen, der bei möglichst geringen Abmessungen eine gute Schallabsorption hat und dabei insbesondere zum Fördern von großen Gasvolumina geeignet ist.
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Die Aufgabe wird gelöst durch einen Schalldämpfer gemäß Anspruch 1. Abhängige Ansprüche beziehen sich auf vorteilhafte Ausführungsformen.
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Der erfindungsgemäße Schalldämpfer umfasst einen Innenraum mit einem Ein- und einem Auslass, die entlang einer Längsachse beabstandet sind. Eine Wandung umgibt den Innenraum, in dem ein Kern in einem Abstand von der Wandung angeordnet ist, so dass ein äußerer Strömungsbereich zwischen dem Kern und der Wandung gebildet ist, der Ein- und Auslass verbindet.
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Dabei weist der Kern zumindest in einem Längsabschnitt, der hier zur besseren Unterscheidbarkeit als erster Längsabschnitt bezeichnet wird, einen über die Längsrichtung veränderlichen Querschnitt auf. Insbesondere ist es bevorzugt, dass der Kern im ersten Längsabschnitt einen über die Längsrichtung stetig größer werdenden Querschnitt aufweist, bspw. so, dass dort die äußere Oberfläche in Querrichtung einen über die Länge des Schalldämpfers ansteigenden Verlauf hat. Besonders bevorzugt kann in dem ersten Längsabschnitt eine äußere Oberfläche des Kerns im Längsschnitt des Schalldämpfers eine gerade Linie bilden, die eine positive Steigung zu einer Längsachse des Schalldämpfers aufweist. Insbesondere kann der Kern im ersten Längsabschnitt kegelstumpfförmig ausgebildet sein.
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Erfindungsgemäß ist der äußere Strömungsbereich so geformt, dass die Querschnittsfläche über die Längsrichtung zumindest im ersten Längsabschnitt, bevorzugt auch in weiteren Längsabschnitten und besonders bevorzugt über die gesamte Länge des Schalldämpfers mindestens im Wesentlichen gleich groß ist.
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Die Form des Schalldämpfers ist somit dadurch charakterisiert, dass zumindest im ersten Längsabschnitt der Querschnitt des Kerns veränderlich ist, während allerdings die Größe der Querschnittsfläche des Strömungsbereichs gleich bleibt. Dementsprechend ist bevorzugt die den Strömungsbereich nach außen begrenzende Innenseite der Wandung so geformt, dass die von ihr umschlossene Querschnittsfläche ebenfalls über die Längsrichtung veränderlich ist, bevorzugt ansteigt. Der Strömungsbereich kann bevorzugt eine über die Längsrichtung veränderliche Breite zwischen dem Kern und der Wandung aufweisen.
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Durch diese spezielle Form kann einerseits eine gute Schalldämpfung durch den Kern erreicht werden, da mit dem veränderlichen Querschnitt sowohl Schallwellen, die sich in Längsrichtung als auch solche, die sich in Querrichtung ausbreiten, gedämpft werden können. Es hat sich insbesondere gezeigt, dass eine gute Schalldämpfung relativ zur Länge erreicht wird, also im Vergleich zu Schalldämpfern ohne Kern mit veränderlichem Querschnitt auf kürzerer Länge vergleichbare Dämpfung erreicht wird. Andererseits ergibt sich ein sehr günstiges Strömungsverhalten durch die konstante Größe der Querschnittsfläche des Strömungsbereiches, was insbesondere für hochvolumige Luftströmungen entscheidend ist. Wie sich gezeigt hat, lässt sich durch die spezielle Form bei relativ geringem Druckverlust eine gute Dämpfung besonders im tieffrequenten Bereich erzielen.
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Dabei wird unter „im Wesentlichen gleich groß“ verstanden, dass sich die Querschnittsfläche in der Länge des ersten Längsabschnitts, und bevorzugt über die gesamte Längsrichtung zwischen Ein- und Auslass, nur um einen so geringen Betrag ändert, dass es nicht zu Staueffekten kommt, die ihrerseits beispielsweise zu Vibrationen oder Geräuschbildung führen können. Bevorzugt sollte die Querschnittsfläche über die Länge des ersten Längsabschnitts bzw. über die Gesamtlänge des Schalldämpfers nicht um mehr als +/- 10 % abweichen, bevorzugt um nicht mehr als +/-5 %, besonders bevorzugt um nicht mehr als +/- 3%.
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Der Schalldämpfer und / oder der Kern können im Grunde beliebige Querschnittsformen aufweisen. Bevorzugt wird eine symmetrische Anordnung des Kerns zur Wandung so, dass im Querschnitt der Abstand zwischen Kern und Innenfläche der Wandung auf gegenüberliegenden Seiten im Wesentlichen (das heißt beispielswiese +/-10 %, bevorzugt +/- 5 %) gleich ist.
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Der Kern und/oder die Wandung können beispielswiese bevorzugt als Rotationskörper, d.h. mit kreisrunder Querschnittsform ausgebildet sein. Ebenso sind auch andere Querschnittsformen möglich, beispielsweise polygonale Formen. Soweit im Folgenden zur Beschreibung der Formen der Wandung, des Kerns und / oder des Strömungsbereiches von einem Durchmesser oder Radius die Rede ist, so ist dies bezogen auf eine rotationssymmetrische Anordnung zu verstehen, wodurch aber entsprechende Anordnungen insbesondere mit regelmäßigem polygonalen Querschnitt, bspw. mit sechs oder mehr Seiten, als ebenfalls umfasst anzusehen sind.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist der Kern im ersten Längsabschnitt einen über die Längsrichtung größer werdenden Querschnitt auf. Bevorzugt ist der erste Längsabschnitt dabei am Einlass angeordnet, bevorzugt direkt an der durch die umgebende Wandung festgelegten Einlassfläche. Die Einlassfläche kann bspw. durch einen Anschluss an der Wandung definiert sein, bspw. einen Anschlussflansch. Der Kern kann sich bevorzugt sogar über die Einlassfläche hinaus erstrecken.
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Dabei ist es besonders bevorzugt, dass der Kern zum Einlass hin ein stumpfes Ende aufweist. Bevorzugt kann die Querschnittsfläche des Kerns am stumpfen Ende bereits einem wesentlichen Teil der Querschnittsfläche des Innenraums entsprechen, zum Beispiel mindestens 10 %, bevorzugt mindestens 20 %.
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Die Auslegung konkreter Abmessungen sowie der relativen Anordnung der verschiedenen Teile des Schalldämpfers kann variieren. In bevorzugten Ausführungen kann der erste Längsabschnitt eine Länge von beispielsweise 10 bis 50 % der Gesamtlänge des Schalldämpfers zwischen Ein- und Auslass aufweisen, bevorzugt 20 bis 40 %, besonders bevorzugt 28 bis 38 %. Die Querabmessung des Kerns, also bei rotationssymmetrischer Anordnung der Durchmesser, kann sich in bevorzugten Ausführungen im ersten Längsabschnitt beispielsweise um mindestens 25 % vergrößern, bevorzugt um mindestens 50 %, besonders bevorzugt um mindestens 85 %. Dabei ist allerdings bevorzugt, dass sich die Querabmessung im ersten Längsabschnitt um weniger als das 5-fache vergrößert, bevorzugt weniger als das 3-fache.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist der Kern im ersten Längsabschnitt einen über die Längsrichtung größer werdenden Querschnitt auf. In einem zweiten Längsabschnitt, der direkt an den ersten Längsabschnitt anschließen kann oder von diesen durch einen dritten Längsabschnitt, beispielsweise mit gleichbleibendem Querschnitt, beabstandet sein kann, weist der Kern bevorzugt einen über die Längsrichtung kleiner werdenden Querschnitt auf. Besonders bevorzugt können der erste und zweite Längsabschnitt symmetrisch zueinander ausgebildet sein. Der erste, zweite und dritte Längsabschnitt können zumindest im Wesentlichen gleiche Länge aufweisen.
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Besonders bevorzugt ist eine Ausführung, bei der der äußere Strömungsbereich so geformt ist, dass keine gerade Verbindungslinie zwischen Ein- und Auslass frei gelassen oder zumindest eine freie Höhe in gerader Richtung gering ist. So können insbesondere sich in Längsrichtung ausbreitende Schallwellen zuverlässig gedämpft werden. Erreicht werden kann dies beispielsweise, wenn die Querabmessung (im rotationssymmetrischen Fall: der Durchmesser) der Wandung an Einlass und Auslass kleiner als die Querabmessung des Kerns an zumindest einer Stelle der Länge ist. Dann blockiert der Kern eine gerade Verbindungslinie vollständig. Doch auch wenn bspw. die Querabmessung an Ein- und Auslass nur um einen geringen Betrag größer ist als die Querabmessung des Kerns an seiner breitesten Stelle, wird durch die damit gegebene Reduktion der freien Höhe eine gute Dämpfung in Längsrichtung erzielt. Die freie Höhe ist zu messen im Längsschnitt als maximaler Abstand zweier gerader Verbindungslinien zwischen Ein- und Auslass. Bevorzugt sollte die freie Höhe weniger als 20 % der mittleren Höhe des äußeren Strömungsbereichs betragen, bevorzugt weniger als 10 %. Besonders bevorzugt ist die freie Höhe gleich Null, d.h. es gibt entweder keine oder nur eine einzige gerade Verbindungslinie zwischen Ein- und Auslass.
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Der Kern und / oder die Wandung können bevorzugt so aufgebaut sein, dass zumindest eine den äußeren Strömungsbereich begrenzende Fläche eine Mehrzahl von Öffnungen aufweist. Besonders bevorzugt ist ein Lochblech. Eine dahinter angeordneter, durch die Fläche begrenzter Raum im Inneren des Kerns und / oder der Wandung enthält bevorzugt ein Dämpfungsmaterial, d.h. ein poröses Material wie beispielsweise Mineralwolle. Dabei hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Raum so mit Mineralwolle gefüllt ist, dass eine Fülldichte von weniger als 40 kg/m3 erreicht wird.
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Der Kern kann im Inneren geschlossen sein, so dass bevorzugt eine Luftverbindung zwischen Ein- und Auslass nur über den äußeren Strömungsbereich besteht. Prinzipiell ist es aber ebenso möglich, im Inneren des Kerns einen weiteren Strömungsbereich vorzusehen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform laufen die den äußeren Strömungsbereich begrenzenden Flächen der Wandung und des Kerns im Längsschnitt nicht parallel zueinander, sondern weisen einen Winkel von beispielsweise 1 - 15° zueinander auf, bevorzugt 3 - 10°, besonders bevorzugt 4 - 8°. Dabei kann beispielsweise bei konischer Form des Kerns im ersten Längsabschnitt dessen äußere Oberfläche zur Längsachse einen Winkel von 10 - 35°, bevorzugt 15 - 25° aufweisen.
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Die Aufgabe wird weiter gelöst durch eine Belüftungsanordnung gemäß Anspruch 14 mit einem Ventilator und einem daran angeschlossenen Schalldämpfer. Insbesondere können Ventilator und Schalldämpfer in Strömungsrichtung unmittelbar hintereinander angeordnet sein, wobei der Schalldämpfer auf der Saugseite oder auf der Druckseite des Ventilators platziert sein kann. Es ist auch möglich, sowohl auf der Saug- als auch auf der Druckseite einen Schalldämpfer des beschriebenen Typs anzuordnen. In besonders bevorzugten Ausführungen allerdings ist der beschriebene Typ von Schalldämpfer auf der Druckseite angeordnet, während auf der Saugseite ein anderer Typ mit geringerem Druckverlust verwendet werden kann.
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In einer bevorzugten Ausführung kann der Ventilator ein Axiallüfter sein, der einen im Querschnitt mittig angeordneten Nabenbereich und einen äußeren Förderbereich aufweist. Dabei kann der Querschnitt des äußeren Förderbereichs des Ventilators zumindest im Wesentlichen dem Querschnitt des äußeren Strömungsbereichs des vor- oder nachgeschalteten Schalldämpfers entsprechen. Bei nachgeschaltetem Schalldämpfer ist hier der Querschnitt am Einlass, bei vorgeschaltetem Schalldämpfer der Querschnitt am Auslass maßgeblich.
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Im Falle eines Axiallüfters mit Nabenbereich ist der äußere Förderbereich ringförmig ausgebildet. Bevorzugt entspricht dies der Form des äußeren Strömungsbereichs des Schalldämpfers am Ein- bzw. Auslass. Weiter bevorzugt ist der Außendurchmesser des Ventilators und des Schalldämpfers zumindest im Wesentlichen angeglichen (beispielsweise mit einer Abweichung von maximal +/- 20 %, bevorzugt +/- 10%). Ebenso ist es bevorzugt, dass der Außendurchmesser des Kerns dem Außendurchmesser des Nabenbereichs zumindest im Wesentlichen (bspw. Abweichung maximal +/- 20 %, bevorzugt maximal +/- 10 %) angeglichen. So wird ein besonders gutes Strömungsverhalten erzielt.
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Nachfolgend wird eine Ausführungsform der Erfindung anhand von Zeichnungen näher beschrieben. Dabei zeigen:
- 1 in Seitenansicht eine Belüftungsleitung mit einer ersten Ausführungsform einer Belüftungsanordnung aus einem Axiallüfter und einem ersten Schalldämpfer;
- 2a - c Querschnitte durch die Belüftungsleitung aus 1 entlang der Linien A..A, B..B und C..C;
- 3 einen Längsschnitt durch den Schalldämpfer aus Figur
- 4 in Seitenansicht eine Belüftungsleitung mit einer zweiten Ausführungsform einer Belüftungsanordnung aus einem Axiallüfter, einem ersten und einem zweiten Schalldämpfer.
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1 zeigt eine Belüftungsleitung 10 mit einer Belüftungsanordnung 12 mit einem ersten Schalldämpfer 14, der auf der Druckseite eines Ventilators 16 angeordnet ist. In Richtung der in 1 gezeigten Pfeile wird Luft durch die Belüftungsleitung 10 in Längsrichtung entlang einer Längsachse L gefördert.
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Der Ventilator 16 umfasst wie in 1 gestrichelt gezeichnet in einem Rohrabschnitt 18 einen Motor 20, der ein Laufrad 22 antreibt.
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Wie in 2a dargestellt umfasst das Laufrad 22 einen mittleren Nabenbereich 24 und einen ringförmig darum angeordneten Förderbereich 26, in dem Laufschaufeln 28 eine Förderung des Luftstroms bewirken.
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In Längsrichtung L schließt unmittelbar an den Ventilator 16 der Schalldämpfer 14 an. Der Schalldämpfer 14 dient zur Durchleitung des Luftstroms sowie zur Dämpfung der vom Ventilator 16 im Betrieb erzeugten Geräusche.
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3 zeigt den Schalldämpfer 14 im Längsschnitt. Dieser umfasst eine äußere Wandung 30, die einen Innenraum 32 umschließt. Ein Einlass 34 und Auslass 36 sind entlang der Längsachse L voneinander beabstandet.
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Im Innenraum 32 ist ein Kern 38 so angeordnet, dass zwischen einer äußeren Wandung 40 des Kerns und einer inneren Fläche 42 der Wandung 30 ein äußerer Strömungsbereich 44 in Form eines Ringspalts freigelassen ist.
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Die Wandung 30 ist als Doppelwandung ausgelegt, wobei die innere Fläche 42 aus Lochblech gebildet ist und der zwischen äußerer und innerer Fläche 42 verbleibende Raum mit einem Dämmmaterial, bevorzugt Mineralwolle, gefüllt ist. Die Füllung weist eine Dichte von weniger als 40 kg/m3 auf.
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Auch die äußere Fläche 40 des Kerns 38 ist aus Lochblech gebildet. Das Innere des Kerns 38 ist mit Dämmmaterial gefüllt. Der Kern 38 ist im Innenraum 32 durch Abstandhalter 46 im Abstand zur Wandung 40 fixiert.
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In der gezeigten Ausführungsform sind der Kern 38 und die Wandung 30 rotationssymmetrisch um die Längsachse L ausgebildet, so dass sie kreisförmige Querschnitte aufweisen.
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Wie in 3 dargestellt ist der Schalldämpfer 14 in Längsrichtung L in einen ersten Längsabschnitt 48, einen zweiten Längsabschnitt 50 und einen den ersten und zweiten Längsabschnitt 48, 50 verbindenden dritten Längsabschnitt 52 unterteilt. In der gezeigten Ausführungsform weisen die drei Längsabschnitte 48, 50, 52 jeweils gleiche Länge L1 auf.
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Im ersten Längsabschnitt 48 weist der Kern 38 über die Längsrichtung L veränderlichen Querschnitt auf. Sein Außendurchmesser vergrößert sich vom Einlass 34 von einem Wert D1 bis zum Ende des ersten Längsabschnittes 48 stetig und gleichförmig bis auf einen Wert D2, so dass die äußere Oberfläche 40 im gezeigten Längsschnitt eine positive Steigung gegenüber der Längsachse L aufweist.
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Im dargestellten Beispiel vergrößert sich der Abstand der Außenfläche 40 von der Längsachse L über die Länge des ersten Längsabschnitts 48 um über 90 %, also auf fast den doppelten Wert. Der Kern ist im ersten Längsabschnitt 48 konisch geformt mit einem zum Einlass 34 ausgerichteten stumpfen Ende. Das Ende ragt dabei um einen geringen Betrag über durch die Wandung 30 definierte Ein- und Auslassflächen hinaus, so dass der Kern 38 um diesen Betrag in Richtung des Ventilators 16 sowie in Richtung der nachfolgenden Luftleitung hervorragt.
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Auch der Verlauf der Innenwandung 42 über die Längsrichtung L ist nicht gerade, sondern ebenfalls stetig und gleichförmig ansteigend vom Einlass 34 bis zum Übergang des ersten Längsabschnitts 48 in den dritten Längsabschnitt 52. Die Innenwandung 42 ist somit ebenfalls konisch ausgebildet.
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Allerdings verlaufen, wie in 3 dargestellt, die äußere Wandung 40 des Kerns 38 und die innere Fläche 42 der Wandung 30 nicht parallel zueinander. Während die Außenfläche 40 des Kerns 38 zur Längsachse L einen Winkel von ca. 20° aufweist, verläuft die Innenseite 42 der Wandung 30 unter einem Winkel von ca. 14°, so dass die beiden Flächen 40, 42 in Strömungsrichtung um einen Winkel von ca. 6° aufeinander zulaufen.
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Der äußere Strömungskanal 44 wird somit vom Einlass 34 über die Länge des ersten Längsabschnitts 48 schmaler. Da aber gleichzeitig sein Durchmesser ansteigt, bleibt die Querschnittsfläche konstant.
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2b und 2c zeigen schematisch Querschnitte durch einen mittleren Bereich und Endbereich des ersten Längsabschnitts 48. Wie dort sichtbar ist, ändern sich die Abmessungen des äußeren Strömungsbereiches 44. Die freie Querschnittsfläche bleibt aber stets konstant, so dass sich ein gutes Durchströmungsverhalten ergibt.
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Wie in 3 dargestellt ist der Schalldämpfer 14 symmetrisch aufgebaut. Spiegelbildlich zu dem sich konisch aufweitendem ersten Längsabschnitt 48 verjüngt sich der Kern 38 im zweiten Längsabschnitt 50. Zwischen erstem und zweitem Längsabschnitt 48, 50 ist ein dritter Längsabschnitt 52 mit konstanten Querschnittsabmessungen angeordnet. Die Querschnittsfläche des äußeren Strömungsbereiches 44 ist über die gesamte Länge konstant.
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Insgesamt sind der Kern 38 und die Innenseite der Außenwandung 30 des Schalldämpfers 14 somit tonnenförmig ausgebildet. Der Durchströmungskanal 44 verläuft im ersten Längsabschnitt 48 und zweiten Längsabschnitt 50 jeweils schräg zur Längsrichtung L, so dass durchströmende Luft zweifach seitlich abgelenkt wird. Diese Form erweist sich als besonders günstig zur Schalldämpfung. Wie in 3 dargestellt ist der Innendurchmesser D2 am Auslass 36 (und wegen der symmetrischen Ausbildung ebenso am Einlass 34) gleich dem Außendurchmesser des Kerns 38 im mittleren Bereich. Es gibt somit keine freie Höhe eines geraden Verbindungskanals zwischen Ein- und Auslass 34, 36.
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Insgesamt wird durch die spezielle Ausbildung des Schalldämpfers 14 eine sehr gute Schalldämmung bei relativ kurzer Baulänge erreicht. Gleichzeitig ergibt sich durch die konstante Größe der Querschnittsfläche des Strömungsbereichs 44 ein gutes Durchströmungsverhalten und ein entsprechend geringer Druckverlust. Die Anpassung des stumpfen Endes des Kerns 38 an den Durchmesser des Nabenbereichs 24 des Ventilators 16 sorgt zudem für eine Anpassung des Förderbereiches 26 an den Strömungsbereich 44 des Schalldämpfers 14.
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Die gezeigte Bauform des Schalldämpfers 14 ist insbesondere für große Schalldämpfer 14 für hochvolumige Luftströmungen gut geeignet. In einer beispielhaften Ausführungsform kann die Gesamtlänge bspw. bei ca. 260 cm liegen. Der Außendurchmesser D3 des Schalldämpfers 14 kann bspw. ca. 220 cm betragen, der Außendurchmesser D2 (und gleichzeitig auch der Innendurchmesser von Ein- und Auslass 34, 36) bspw. ca. 160 cm. Die stumpfen Enden des symmetrischen Kerns 38 können bspw. auf beiden Seiten einen Durchmesser D1 von ca. 80 cm aufweisen.
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4 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Belüftungsanordnung 112. Die Belüftungsanordnung 112 entspricht weitgehend der Belüftungsanordnung 12 gemäß der ersten Ausführungsform. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Elemente. Im Folgenden wird nur auf Unterschiede Bezug genommen.
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In der zweiten Ausführungsform ist zusätzlich zu dem druckseitig zum Ventilator 16 angeordneten ersten Schalldämpfer 14 ein saugseitig angeordneter zweiter Schalldämpfer 60 vorgesehen. Der Schalldämpfer 60 entspricht in seiner Form dem ersten Schalldämpfer 14 bis auf die Form des Kerns.
Der zweite Schalldämpfer 60 umfasst wie der erste Schalldämpfer 14 einen Kern 62, so dass sich zwischen der Innenfläche der äußeren Wandung und dem Kern 62 ein Ringspalt als äußerer Strömungsbereich 64 ergibt. Zusätzlich umfasst der Kern 62 einen inneren Strömungsbereich 66. Durch die Strömungsbereiche 64, 66 ergibt sich am zweiten Schalldämpfer 60 ein geringerer Druckverlust.
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Die Belüftungsanordnung 112 mit dem druckseitig angeordneten Schalldämpfer 14 des oben beschriebenen Typs und saugseitig angeordnetem Schalldämpfer mit innerem Strömungsbereich 66 und geringerem Druckverlust hat sich als besonders gut geeignet erwiesen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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