JP4727608B2 - 吸気消音装置および消音方法 - Google Patents

Description

本発明は、自動車などの内燃機関や燃料電池に空気を供給する吸気系に使用される消音装置に関する。特に吸気ダクトを通じて発生する吸気騒音を低減する吸気消音装置に関する。

内燃機関や燃料電池に空気を供給する吸気ダクトには、吸気騒音を低減するための吸気消音装置が設けられており、かかる吸気消音装置には膨張型消音器、共鳴型消音器（ヘルムホルツ型消音器、サイドブランチ型消音器）などがある。ヘルムホルツ型の共鳴型消音器（以下レゾネータと記載することがある）を備えた吸気消音装置としては、特許文献１に、吸気経路をなすダクトに連通管を一体に成形したダクトをレゾネータチャンバー内に設けたタイプのものが開示されている。このようなヘルムホルツ型共鳴型消音器は、５０Ｈｚから５００Ｈｚといった比較的低い周波数領域において特に有効に消音効果を発揮できる。

通常、特許文献１に開示されたような共鳴型消音器は設定された共鳴周波数に近い周波数領域においてのみ消音効果を発揮するため、そのような共鳴型消音器を備える吸気消音装置においては、１個の消音器ですべての周波数領域の吸気騒音を低減することは難しく、例えば特許文献２に記載されたように、それぞれが特定の周波数領域の吸気騒音を低減する複数個の消音器を組み合わせることによって広い周波数領域の吸気騒音を低減するようになっていた。
特開平１０−２１３０３２号公報 特開平４−３１８２６９号公報

本発明の発明者は、鋭意検討の結果、ヘルムホルツ型共鳴消音器を備える吸気消音装置において、レゾネータチャンバー内に設けられるダクトや連通管の少なくとも一部を発泡樹脂中空成形体とすることにより、ヘルムホルツ型共鳴消音器の共鳴周波数付近の周波数領域だけでなく、広い周波数領域にわたって吸気騒音を低減できることを見出し、本発明を完成させた。

すなわち、本発明の目的は、少数の共鳴型消音器を備えるだけであっても、幅広い周波数領域で吸気騒音を低減できるヘルムホルツ型共鳴型消音器を備えた吸気消音装置を提供することにある。

さらに、本発明の他の目的は、少数の共鳴型消音器を備えるだけであっても、幅広い周波数領域で吸気騒音を低減できるような、吸気騒音の消音方法を提供することにある。

本発明は、内燃機関または燃料電池に空気を供給するための吸気経路を形成するダクトに連通管が一体に形成され、前記ダクトと連通管とがレゾネータチャンバー内に設けられてヘルムホルツ型共鳴型消音器を構成するように、前記ダクトとレゾネータチャンバーとが一体化された吸気消音装置であって、前記ダクト及び／または連通管の少なくとも一部分が、発泡樹脂中空成形体で構成されて、前記発泡樹脂中空成形体は、発泡層の両側に非発泡層が積層された多層構造を有するものであることを特徴とする吸気消音装置である。

本発明において、発泡樹脂中空成形体に平坦部を設けても良い。

また、本発明は、内燃機関または燃料電池に空気を供給するための吸気経路を伝播する吸気騒音の消音方法であって、ヘルムホルツ型共鳴型消音器を構成するようにレゾネータチャンバー内に設けられたダクト及び連通管の少なくとも一部分を発泡樹脂中空成形体によって構成すると共に、前記発泡樹脂中空成形体を、発泡層の両側に非通気性層が積層された多層構造を有するように構成して、広帯域の周波数領域において吸気騒音を消音することを特徴とする、吸気騒音の消音方法である。

本発明の構成によれば、吸気ダクト及び／または連通管の少なくとも一部分を発泡樹脂中空成形体として成形し、前記発泡樹脂中空成形体を、発泡層の両側に非発泡層が積層された多層構造を有するものしながら、その発泡樹脂中空成形体部分をレゾネータチャンバー内に設けることによって、ヘルムホルツ型レゾネータを備えた吸気消音装置としたので、ヘルムホルツ型レゾネータの共鳴周波数に近い周波数領域で非常に高い消音効果を発揮できるだけでなく、それ以外の周波数領域においても消音効果を高めることができる。

また、請求項２の構成によれば、発泡樹脂により形成された中空成形体に平坦部が設けられているので、更に消音効果を高めることができる。

請求項３の方法によれば、ヘルムホルツ型レゾネータの共鳴周波数に近い周波数領域で非常に高い消音効果を発揮できるだけでなく、それ以外の周波数領域においても高い消音効果が発揮される広帯域の吸気騒音の消音方法が提供できる。

以下、本発明の実施の形態を図面に示した本発明の実施例に基づいて説明する。
本発明の吸気消音装置の構成を、図１および図２に示す。
内燃機関や燃料電池などに空気を導く吸気経路１３を形成する吸気ダクト部分１２と、連通管部分１１とが一体成形され、ダクト１を構成している。内燃機関などに空気を導く吸気システムにおいて、ダクト１はシステム全体の吸気経路の一部をなすように吸気システムに取り付けられ、ダクト１は空気導入口１４の上流側から流入する空気を空気排出口１５を通じて内燃機関側の吸気経路に導く。

ダクト１の連通管部分１１の周囲を取り囲むように、レゾネータチャンバー２がダクト１と一体化するように設けられ、本発明の吸気消音装置を構成している。ダクト１の連通管部分１１の周辺部分がレゾネータチャンバー２内に設けられることによって、レゾネータチャンバー２の内部空間２３と吸気経路１３とは、連通管部分１１の内部を通じて互いに連絡しており、いわゆるヘルムホルツ型の共鳴型消音器を構成している。また、連通管部分１１は必ずしも管状である必要はなく、ダクト１の壁面に開口部を設けた連通穴である場合を含む。
ヘルムホルツ型共鳴型消音器は、レゾネータチャンバーの内部空間２３の容積や連通管部分１１の径や長さを適宜調節することによって、消音効果を発揮する共鳴周波数を適用対象に応じて適宜設定することができる。共鳴周波数は５０Ｈｚ〜６００Ｈｚ、良い望ましくは７０Ｈｚ〜３００Ｈｚに設定される。

好ましい実施の形態としては、レゾネータチャンバー２を半割状にした分割体２ａ、２ｂを熱可塑性樹脂の射出成形などによってあらかじめ成形しておき、図２に示したように、ダクト１を挟み込むようにして分割体２ａ、２ｂを互いに接着・熱盤溶着・振動溶着等の方法でダクトと共に一体化しつつ、レゾネータチャンバー２を構成し、吸気消音装置とすることができる。

ダクト１は、発泡樹脂中空成形体により構成されている。図１及び図２に示した実施例においては、ダクト１の全体を発泡樹脂中空成形体としているが、必ずしもダクト１の全体を発泡樹脂中空成形体とする必要はなく、レゾネータチャンバー２内に設けられるダクトや連通管の少なくとも一部分が発泡樹脂中空成形体で形成されていれば良い。

本発明における発泡樹脂中空成形体とは、熱可塑性樹脂に発泡剤を混合した熱可塑性樹脂組成物を、成形体の成形工程において発泡させながら成形体とした、発泡層を有する中空成形体である。発泡層は、成形された樹脂の内部に多数の気泡を有する。気泡の構造は気泡が連続した連続気泡構造であってもよいし、気泡が互いに独立した独立気泡構造であってもよく、連続気泡構造と独立気泡構造が混在した気泡構造であってもよい。

本発明の吸気消音装置は、いわゆるヘルムホルツ型共鳴型消音器を構成しているので、その共鳴周波数に近い周波数領域においては、共鳴型消音器として非常に高い消音効果を発揮する。
また、共鳴型消音器の共鳴周波数から離れた周波数領域においても、以下の作用により高い消音効果を発揮する。すなわち、吸気騒音が吸気ダクトを伝播してくるのに伴い、ダクト１の壁面には吸気騒音の圧力変動に伴う壁面振動が発生するが、本発明においては、ダクト１が発泡樹脂中空成形体であるので、その発泡層が有する微細構造がもたらす構造減衰作用により、壁面振動が適度に減衰されると共に、吸気騒音の音響エネルギーが吸収されて、広帯域の周波数領域に対し消音効果を発揮する。この消音効果は、２００Ｈｚ〜４０００Ｈｚの周波数領域で顕著であり、特に３００Ｈｚ〜２０００Ｈｚの周波数領域で顕著である。

この消音効果は、発泡樹脂中空成形体からなるダクト壁面の振動特性と密接に関連しており、発泡樹脂中空成形体の材質や発泡の程度や密度・剛性などにより、消音効果の程度や効果の周波数帯域を調整することができる。特に発泡樹脂中空成形体の発泡層の発泡の程度を調整することにより、発泡層の構造減衰作用を調整し、消音効果を高めることができる。
本発明においては、発泡層の構造減衰作用を高める観点から、独立気泡構造を主とする気泡構造を持つ発泡層とすることが吸気消音装置の消音効果を高める上で特に有効である。

図３に、発泡樹脂中空成形体によって形成されたダクト１の壁面の部分断面図を示す。発泡樹脂中空成形体からなるダクト壁部は、図３ａに示すように発泡層１２ａ単層からなるものでもよく、発泡層１２ａは、いわゆるスキン層を持つものであってもよいし、スキン層を持たないものであっても良い。また、図３ｂ、図３ｃに示すように、発泡層１２ａの片側あるいは両側に非発泡層１２ｂ、１２ｃを備える多層構造からなるものであっても良い。すなわち、本発明における発泡樹脂中空成形体としては、多層構造を有するものや、非発泡層を有するものも含む。

発泡樹脂中空成形体に非発泡層を設けると、発泡層単層のみの場合と比べ、発泡樹脂中空成形体の壁面の密度や剛性をより自由に調整でき、ダクト壁面の共振周波数といった振動特性をより自由に調整し、所望する周波数帯での消音効果を高めることができる。
６００Ｈｚ以下の周波数領域、特に３００Ｈｚ〜５００Ｈｚでの吸気消音装置の消音効果を高める上で、発泡樹脂中空成形体に非発泡層を設けることは特に有効である。

一方、発泡樹脂中空成形体によって形成されるダクト壁を、連続気泡構造を有する発泡層単層からなり、スキン層を有しないものとすることによって、ダクト壁に通気性を持たせることもできる。ダクト壁に通気性を持たせると、ヘルムホルツ型共鳴型消音器の共鳴の周波数領域におけるピークがなだらかなものとなり、吸気騒音の周波数特性の変化に対するロバスト性を消音効果に持たせることができる。また、特に１０００Ｈｚ以上の比較的周波数が高い領域において、ダクトを伝播する吸気騒音が発泡層の連続気泡構造に吸収される作用によって消音効果を高めることもできる。

ダクト１を発泡樹脂中空成形体により形成する方法としては、射出成形法やブロー成形法などさまざまな成形方法を取ることができる。射出成形法による場合には、ダクト１を適宜分割して射出成形した後に接着や熱溶着などによって一体化することによって中空成形体のダクト１を得ればよい。また、ダクト１の一部分のみが発泡樹脂中空成形体である場合には、同様に、ダクト１を適宜分割して成形した後に組み立てることによってダクト１を得ればよい。

本発明におけるダクト１を得る特に好ましい方法としては、いわゆる発泡ブロー成形法がある。発泡ブロー成形法とは、図４に示すように、発泡性溶融樹脂をダイ４２から押し出した発泡樹脂パリソンＰを、開閉可能な分割型金型４６ａ、４６ｂ内に配置し、該発泡樹脂パリソンＰを金型で挟み込んでパリソンＰ内に空気導入パイプ４５から圧縮空気を吹き込んで発泡樹脂中空成形体を得る公知の方法である。発泡ブロー成形法によって発泡樹脂中空成形体を成形する場合には、射出成形によって成形する場合よりも、その製造が効率的かつ低コストであると共に、非発泡層を含むような多層構造の発泡樹脂中空体を容易に得ることができ、その消音効果を自在に調節することができる。

発泡ブロー成形には、好適な熱可塑性樹脂材料として、ポリオレフィン系樹脂、特にポリエチレン系樹脂やポリプロピレン系樹脂が使用できる。これらの樹脂に熱可塑性エラストマー、エチレンプロピレンゴム、ポリスチレン系樹脂などを適宜混合して使用しても良い。

発泡ブロー成形に適した発泡剤としては、脂肪族炭化水素類、ハロゲン化炭化水素、アルコール類、エーテル類、二酸化炭素、窒素などの物理発泡剤や、アゾジカルボンアミドなどの化学発泡剤が使用できる。特に二酸化炭素の使用が好ましい。

発泡ブロー成形においては、通常のブロー成形と同じく溶融樹脂パリソンを多層構造のパリソンとして押し出すことにより、多層構造を持つブロー成形品を得ることもでき、発泡層や非発泡層を適宜選択的に積層した多層構造の成形品を作ることができる。また、パリソンから成形品が成形される際にパリソンが伸ばされる拡大比率を調整することによって、独立気泡構造と連続気泡構造の割合を調整することもできる。すなわち、パリソンの拡大比率を小さめにすれば、発泡層の気泡構造は独立気泡構造を主としたものとなり、パリソンの拡大比率を大きめにすれば、発泡層の気泡構造は連続気泡構造を主としたものとなる。さらに発泡層がダクト表面に露出している場合には、パリソンの拡大比率を大きくすることによって、連続気泡構造がダクト表面に露出したような、実質的にスキン層も持たないような構造とすることもできる。

さらに、本発明においては、発泡樹脂中空成形体からなるダクト１の吸気ダクト部分１２の部分に、ダクトの周方向の一部分が所定のダクト長さ方向にわたって略平面をなすような平坦部１６を設けても良い。すなわち、図２に示すように、ダクト１の吸気ダクト部分１２を略長方形断面を有するように形成し、吸気ダクト部分１２の上面と側面及び下面に平坦部１６、１６を形成することができる。吸気ダクト部分１２の部分に平坦部１６を設けることによって、ダクト壁面の振動を励起しやすくできるので、発泡層の構造減衰作用による消音効果を高めることができる。また、吸気ダクト部分１２の部分に設けた平坦部１６の幅や大きさを変更することによって、ダクト壁面の共振周波数といった振動特性をより自由に調整し、所望する周波数帯での消音効果を高めることもできる。
従って、吸気消音装置の消音効果を高める上で、発泡樹脂中空成形体からなるダクトに平坦部を設けることは特に有効である。

なお、吸気ダクト部分１２の断面形状は略長方形断面に限定されるものではなく、Ｄ型断面や小判型断面など、円筒状の吸気ダクト部分の一部を平坦につぶしたような断面形状であっても良い。

図１及び図２に示した吸気消音装置を製作してその消音性能を測定した。

（実施例）
二酸化炭素を発泡剤としたポリエチレン樹脂ベースの発泡樹脂材料によって発泡ブロー成形を行い、板厚１．０ｍｍ、ダクト断面積２０００平方ｍｍ、ダクト長５５０ｍｍ、重量６５ｇの、全体が発泡樹脂中空成形体からなるダクト１を得た。ダクト１には連通管部分１１が一体に設けられており、連通管の断面積は８５５平方ｍｍ（幅３０ｍｍ高さ２８．５ｍｍ）である。ダクト１は略長方形断面を有しており（ダクト幅５０ｍｍ高さ４０ｍｍ）、その上面、側面及び下面が平坦面をなすように形成されている。ダクトに一体化されるレゾネータチャンバーは、ポリプロピレン樹脂を射出成形することにより得た。レゾネータチャンバーの容量は４．５リットルであり、板厚は２．０ｍｍである。連通管の長さを調整してレゾネータの共鳴周波数が約８５Ｈｚとなるようにして、レゾネータチャンバーとダクト１とを一体化に組み立てて吸気消音装置を得た。

本実施例におけるダクトを構成する発泡樹脂中空成形体は、多層構造を有しており、図３ｃに示すような発泡層の両側に非発泡層を備えるものであり、その壁面に通気性はない。また発泡層の気泡構造は独立気泡構造を主とするものである。

（比較例）
実施例と比較して、ダクトを構成する樹脂材料を発泡させないことを主な相違点とするダクトを通常のブロー成形により得て、実施例と同様にレゾネータチャンバーを一体化させて吸気消音装置の比較例を得た。比較例におけるダクトの重量は１０３ｇであった。比較例においてもレゾネータの共鳴周波数が約８５Ｈｚとなるように、連通管の長さを調整した。

（消音性能の測定・評価方法）
無響室内に設置された音源に、実施例または比較例の吸気消音装置の空気排出口１５を接続して、音源から騒音を出して消音性能の測定を行った。測定は、音源から正弦波騒音を２０Ｈｚから２０００Ｈｚまでスウィープして出力し、マイクにより測定した騒音をＦＦＴによりデータ処理して騒音レベルを求めることにより行った。音源側騒音レベルを測定する空気排出口１５位置と、吸気口側騒音レベルを測定する空気導入口１４位置とで騒音レベルの測定を行い、消音性能の計算は、測定された音源側騒音レベルと吸気口側騒音レベルの騒音レベルの差（比）を計算して、音響減衰量として消音性能の周波数特性を求めた。

音響減衰量の測定結果を図５に示す。横軸が騒音の周波数（Ｈｚ）、縦軸が音響減衰量（ｄＢ）であり、音響減衰量の数値が大きいほど、音源側騒音と吸気口側騒音のレベル差が大きく、吸気騒音の消音効果が大きいことを示している。

本発明の実施例は、８５Ｈｚ付近のヘルムホルツ型共鳴型消音器の共鳴周波数付近の領域において、比較例と同等に高い消音効果を示しており、共鳴型消音器としてはほぼ同等の効果が得られている。それと共に、本発明の実施例は、３００Ｈｚから２０００Ｈｚの広帯域の周波数領域にわたって、比較例に対して高い消音効果を示している。

本発明の吸気消音装置の構造を示す断面図 本発明の吸気消音装置の組み立て構造を示す斜視図 発泡樹脂で形成されたダクト壁の断面図 発泡ブロー成形法の概略図 本発明の吸気消音装置の消音効果を示す図

符号の説明

１ ダクト
１１ 連通管部分
１２ 吸気ダクト部分
１２ａ 発泡層
１２ｂ、１２ｃ 非発泡層
１３ 吸気経路
１４ 空気導入口
１５ 空気排出口
１６ 平坦部
２ レゾネータチャンバー
２ａ、２ｂ 分割体
２３ 内部空間
Ｐ パリソン
４２ ダイ
４５ 空気導入パイプ
４６ａ、４６ｂ 金型

Claims (3)

1. 内燃機関または燃料電池に空気を供給するための吸気経路を形成するダクトに連通管が一体に形成され、前記ダクトと連通管とがレゾネータチャンバー内に設けられてヘルムホルツ型共鳴型消音器を構成するように、前記ダクトとレゾネータチャンバーとが一体化された吸気消音装置であって、
   前記ダクト及び／または連通管の少なくとも一部分が、発泡樹脂中空成形体で構成されて、
   前記発泡樹脂中空成形体は、発泡層の両側に非発泡層が積層された多層構造を有するものであることを特徴とする吸気消音装置。
2. 発泡樹脂中空成形体に平坦部が設けられたことを特徴とする請求項１に記載の吸気消音装置。
3. 内燃機関または燃料電池に空気を供給するための吸気経路を伝播する吸気騒音の消音方法であって、
   ヘルムホルツ型共鳴型消音器を構成するようにレゾネータチャンバー内に設けられたダクト及び連通管の少なくとも一部分を発泡樹脂中空成形体によって構成すると共に、前記発泡樹脂中空成形体を、発泡層の両側に非通気性層が積層された多層構造を有するように構成して、広帯域の周波数領域において吸気騒音を消音することを特徴とする、吸気騒音の消音方法。

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