JP6084773B2 - 消音換気装置 - Google Patents

Description

本発明は、消音換気装置に関するものである。

外部の騒音が大きい共同住宅の居間など、サッシの遮音性能にＴ−４等級が求められる場合に、このサッシに隣接して設置した２４時間換気用の自然給気口にも消音性能が必要となる。
そのような問題を改善するために従来次のような構造が開発されていた。
＜１＞ ２４時間換気給気口の外部ガラリに迷路状の吸音材を設置して消音する、後付型防音ガラリ構造。
＜２＞ 全熱交換型の吸気ダクト内に吸音材を巻いて消音する、グラスダクトフレキシブル消音構造。
＜３＞ ２４時間換気給気口のスリーブ内に吸音材付きの装置をはめ込んで消音する、スリーブ内蔵型サイレンサー構造。
＜４＞ 特許文献１に示すように、壁内に吸音材付きの換気装置を埋め込む構造。

特開平１０−２８１５１５号公報

前記した従来の消音換気装置にあっては、次のような問題点がある。
＜１＞ 図１７に示すように、換気口の経路管内で生じる４００〜７００Ｈｚ帯域音の共鳴現象とそれに伴う大幅な遮音欠損を防止する有効な手段がなくＴ−４等級を確保することが困難であった。
＜２＞ 経路内部を一様に吸音処理したとしても、換気経路内で生じる音の共鳴現象の問題を解決することはできず、特定周波数の遮音性能の低下を回避することが難しい。
＜３＞ 内径が１５０Φの給気口に付属するものではＴ−４等級を確保するものが存在しない。
＜４＞ 遮音性能の確保と、省スペース化を意図することによって、製品自体の寸法を小さくした製品が多い。そのために、吸音材を迷路状に貼り付けて距離減衰や吸音面積を確保し、あるいは空気流入経路の気積を縮小すること、などの処置がとられている。その結果、居室内と外気との差圧が大きくなって、玄関ドアやサッシの開閉を重くしてしまうという問題がある。
＜５＞ 以上のように従来技術では、圧力差の解消と遮音性能の確保、という矛盾する２つの課題を解決するものが存在しない。
＜６＞ フレキブルダクトを設置する構造では、ダクトの伸縮調整や吊り込み金具での支持、スリーブの接続など取り付けには専門の設備工事が必要となる。

上記のような課題を解決するために、本発明の消音換気装置は、消音容器と、減音装置とより構成し、消音容器は、内面に吸音材を貼り付けた中空の容器であり、その一面に開口してある屋外側換気口と、消音容器の他面に開口してある屋内側換気口を備え、屋外側換気口と、屋内側換気口は、消音容器の対応しない位置に配置してあり、一方、減音装置は給気筒と共鳴音吸音材とより構成し、給気筒は両端が貫通した筒体であり、給気筒の消音容器側の端には共鳴音吸音材が位置し、その共鳴音吸音材は給気筒の内径とほぼ同一内径の筒状空洞部を備え、給気筒の中心軸と、筒状空洞部の中心軸が一致する状態で配置してあり、境界要素法解析により、単なる筒体と消音容器を組み合わせただけでは音波の粒子速度が他の位置よりも高くなる取り合い部分である給気筒の消音容器側の先端に共鳴音吸音材が位置している消音換気装置を特徴とするものである。

さらに本発明の消音換気装置において、上記の給気筒の消音容器側の先端には有孔筒を設置し、この有孔筒の外周に共鳴音吸音材を配置した、消音換気装置を特徴としたものである。

さらに本発明の消音換気装置において、上記の給気筒の消音容器側の先端には棒状、金網状の支持材を設置し、その支持材の外周に共鳴音吸音材を配置した、消音換気装置を特徴としたものである。

さらに本発明の消音換気装置において、上記の給気筒の消音容器側の先端に位置する共鳴音吸音材は、給気筒と共鳴音吸音材の合計軸方向距離に対して、１８〜７０％の範囲、より好ましくは１８〜３４％の範囲に配置した、消音換気装置を特徴としたものである。

本発明の消音換気装置は以上説明したようになるから次のような効果を得ることができる。
＜１＞ 換気口からの管内で生じる４００〜７００Ｈｚ帯域音の共鳴現象を減音装置の共鳴音吸音材で吸収するので、Ｔ−４等級の消音性能を確保でき、圧力損失や空気流量の減少などの相反する性能を大きく低下させることなく設置可能である。
＜２＞ この消音換気装置により、これまでの技術では実現できなかった直径１５０ｍｍの自然給気口においても、Ｔ−４等級の遮音性能の確保が可能となった。
＜３＞ 高低差を設けて設置した外壁側換気口、屋内側換気口、および、両者間に設けられた消音容器によって、全周波数帯域に渡り高い遮音性能を有する。
＜４＞ 具体的には１００φ、１５０φ換気口について、空気の流動抵抗を高めることなく遮音性能のＴ−４等級を実現することができた。特に１５０φについてはＴ−４性能を有する市販品がみられないため、市場優位性がある。

本発明の消音換気装置の実施例の説明図。 減音装置の実施例の断面図。 減音装置の他の実施例の説明図。 減音装置の他の実施例の説明図。 減音装置の他の実施例の説明図。 減音装置の設置工程の説明図。 消音換気装置の設置状態の説明図。 共鳴音吸音材の長さの比率とレベル低減量の変化を示す図。 本発明の減音装置の音響透過損失を示す図。 本発明の消音換気装置の圧力損失性能を示す図。 本発明の消音換気装置の圧力損失性能を示す図。 本発明の消音換気装置と普及品の圧力差を比較した図。 ＢＭＥ解析による効果を示す図。 共鳴音吸音材の形状の比較図。 共鳴音吸音材の形状による吸音率の計算結果を示す図 単なる筒体を使用した場合の音響粒子速度の状態を示す図。 従来の装置の遮音性能を示す図。

以下図面を参照にしながら本発明の好適な実施の形態を詳細に説明する。

＜１＞基本的構成
本発明の消音換気装置は、吸音材を内貼りした消音容器１と、消音容器１の屋外側の開口に取り付けた減音装置２とによって構成する。

＜２＞消音容器１
消音容器１は縦長の中空容器であり、内面には吸音材を内貼りして消音室１１を形成する。
吸音材としては公知のグラスウール等の繊維吸音材、ポリエステル樹脂性のＰＥＴ素材吸音材等を利用できる。
繊維吸音材の場合、高風速の通気の場合は、吸音材繊維の飛散可能性があり、生活環境を損なう場合があるが、その表面をガラスクロスやポリエチレンフィルム等の被覆材で被覆する構成を採用すれば繊維の飛散を防ぐことができる。
消音容器１はこのように内部に内張りした吸音材により、消音効果を図る装置である
消音容器１の下方には、屋外側の面に屋外側換気口１２を開口する。
消音容器１の上方には、屋内側の面に、屋内側換気口１３を開口する。
すなわち屋外側の騒音の入りやすい屋外側換気口１２と、屋内側換気口１３とは同一軸線上にはなく、上下にその位置をずらして配置してある。
その間隔が大きいと、開口部の位置の差によって音の距離減衰をより図ることができる。
なお、図の実施例では下方に屋外側換気口１２を、上方に屋内側換気口１３を設けた場合を説明しているが、反対に上方に屋外側換気口１２を、下方に屋内側換気口１３を設けることも可能である。

＜３＞共鳴音吸音材
後述する給気筒２２の屋内側すなわち消音容器１側の端には、共鳴音吸音材２１を位置させる。
共鳴音吸音材２１とは例えばグラスウールなど公知の吸音機能を備えた材料であり、多種類のものが開発され市販されている。
ただし給気筒２２の先端を共鳴音吸音材２１で閉塞するのではなく、その共鳴音吸音材２１には給気筒２２の内径とほぼ同一内径の筒状空洞部２１ａを形成する。
そして給気筒２２の中心軸と、筒状空洞部２１ａの中心軸が一致する状態で、共鳴音吸音材２１を給気筒２２の屋内側、消音容器１側の先端に配置する。（図２）
このような共鳴音吸音材２１の配置は後述するように、音波の粒子速度の大きい場所で振動が弱まるよう、給気筒２２の屋内側すなわち消音容器１側の先端に共鳴音吸音材２１を位置させて、その部分で空気の一部を誘導する構造である。

＜４＞給気筒
消音容器１の屋外側換気口には給気筒２２を取り付ける。
給気筒２２は、両端を開放した中空の鋼製、塩ビ製などの管体である。
実際には建築物の外壁を貫通した外壁貫通孔の内面にスリーブ２２ａを取り付け、そのスリーブ２２ａ内に給気筒２２を挿入して建築物との一体化を図る。
給気筒２２はスリーブ２２ａの全長になくとも、一部に嵌合していればよい。
この給気筒２２の屋内側すなわち消音容器１側に、前記した共鳴音吸音材２１が位置していることになる。

＜５＞長さの比率
共鳴音吸音材２１の筒状空洞部２１ａの軸方向の長さは、給気筒２２と筒状空洞部２１ａの合計軸方向長さに対して、１８％〜７０％の範囲、より好ましくは１８％〜３４％の範囲に配置する。
その根拠は次の通りである。
すなわち、本装置の消音効果（レベル低減量）を解析によって推定した結果は図８に示すとおりであり、共鳴音吸音材２１の全長に占める割合に応じて消音効果が変化することが分かった。
この図８のように、[共鳴音吸音材２１]の範囲の、[給気筒２２＋共鳴音吸音材２１]の範囲に対する長さの比とレベルの低減量の関係は一定範囲までは線形回帰式（改善効果予測式）で近似が可能であり、これによれば、Ｔ−４〜Ｔ−５を実現するには長さ比０．１８〜０．３４の範囲に共鳴音吸音材２１を位置させる必要があることがわかる。
また、このような給気筒２２と共鳴音吸音材２１による性能改善限界は長さ比約０．７までであると読み取ることができる。

＜６＞共鳴音吸音材を配置する位置
どの位置であろうが共鳴音吸音材２１を配置すれば、配置しないよりも吸音効果が向上することは当然といえる。
しかし本発明の構造では特に共鳴音吸音材２１を給気筒２２の消音容器１側の端に配置する点に特徴がある。
その配置位置を決定した理由は、波動解析に基づくものである。
すなわち、本発明の装置では波動解析（境界要素法解析）により、図１６に示すように、単なる筒体である給気筒と消音容器１を組み合わせた場合には、その取り合い周辺の音波の粒子速度が高くなることに着目した結果なされたものである。
この粒子速度が高くなる部分に共鳴音吸音材２１を配置することによって高速で振動する音波粒子の吸収効果を高め、初めて音波粒子の振動エネルギーを高い効率で減衰させる効果を実現することができた。
このように本発明の装置の共鳴音吸音材２１は、任意の位置に配置すればよいのではなく、特に解析の結果選択した特定の位置に設けた構成を特徴の一つとするものである。

＜７＞共鳴音吸音材の支持
共鳴音吸音材２１は柔軟で強度の小さい材料であるから、その材料によっては、筒状空洞部２１ａの内面の形状を長期間、維持できるか問題がある。
その場合には図３に示すように、給気筒２２の屋内側、消音容器１側の先端に給気筒２２と同一径の有孔筒２３を設置して共鳴音吸音材２１を内面から支持する。
この有孔筒２３は、中空の筒体であるが、その面には多数の吸音孔２３ａを開口してある。
この有孔筒２３の外周に共鳴音吸音材２１を配置すれば、共鳴音吸音材２１の内面の形状を長期間維持することができる。
吸音孔２３ａの開口率は大きければ大きいほど吸音効果があるが、その筒状空洞部２１ａの形状の維持のために、共鳴音吸音材２１の材質によって開口面積を調整する。
有孔筒２３を設けた場合には共鳴音吸音材２１に筒状空洞部２１ａを形成せず、シート状の共鳴音吸音材２１を有孔筒２３の外周に巻き付けても同様の機能を期待することができる。
また有孔筒２３は、給気筒２２の一部に開口するなどして、給気筒２２と一体に形成することもできる。

＜８＞他の支持構造
給気筒２２の先端に、給気筒２２の中心軸に平行に複数本の棒を支持材２４として突設し、その支持２４の周囲に共鳴音吸音材２１を配置することもできる。（図４）
あるいは共鳴音吸音材２１の形状を維持するために、有孔筒２３に代えて、有孔筒２３の孔の開口面積を拡大した状態ともいえる金網２５、エキスパンドメタル、打ち抜き鋼板などの筒を利用することができる。（図５）

＜９＞給気筒の設置（図６）
上記で分割して説明した消音容器１と給気筒２２、および共鳴音吸音材２１を、建築物に設置する場合を説明する。なおこの設置の順序は説明を分かりやすくするためであり、実際の設置順序とは必ずしも一致しない。
事前に外周壁には内外を貫通した貫通孔の内部に、筒体であるスリーブ２２ａを取り付けてある。
そのスリーブ２２ａ内へ、本発明の給気筒２２を挿入する。
給気筒２２の屋内側に共鳴音吸音材２１を一体で取り付けた場合にはそのまま給気筒２２と共鳴音吸音材２１を外周壁に取り付けることができる。
あるいは、まず給気筒２２をスリーブ２２ａ内に挿入後に、給気筒２２の室内側に共鳴音吸音材２１を位置させる。

＜１０＞消音容器の取り付け（図７）
消音容器１は前記したように内部に共鳴音吸音材２１を貼り付けた中空の容器である。
その消音容器１を共鳴音吸音材２１の屋内側に位置させ、消音容器１に開口した屋外側換気口１２の中心と、給気筒２２の中心軸、および共鳴音吸音材２１の筒状空洞部２１ａの中心軸を一致させて取り付ける。
共鳴音吸音材２１の屋内側に有孔筒２３や、支持材２４を位置させた構造の場合にはその外周に共鳴音吸音材２１を配置する。
消音容器１の重量は、外壁から突設したブラケットを介して負担させることもでき、あるいは有孔筒２３や支持材２４で負担させることもできる。

＜１１＞屋内側換気口
消音容器１には、図７に示すように屋外側換気口１２とは異なった位置に、屋内側換気口１３が開口してある。
両換気口１２、１３の位置の差が大きければ大きいほど、消音効果は向上するが、換気効果は低下するので、消音容器１の内空容積、換気口の直径などを考慮して両者の位置を決定する。
この屋内側換気口１３には通常の換気口と同様に市販の内部レジスタを取り付けることもできる。

＜１２＞消音効果（図９）
図９は、本発明の装置における消音効果の試験例である。
この試験は、消音容器１の屋外側換気口と給気筒２２を含む、屋外側から室内側全体の音響透過損失の実測結果であるが、この試験によって共鳴音による音響透過損失が低下することが分かる。
この図で明らかなように本発明の構造によれば、１００φ、１５０φの換気口においても、遮音性能のＴ−４等級が実現できることが分かった。
特に１５０φにおいては、Ｔ−４性能を有する市販品がみられないため、大きな市場優位性を期待することができる。

＜１３＞内外差圧の低減
従来の装置では一般に遮音のために音波の屈曲現象を起こさせる必要があり、そのために遮音機器内に迷路、凹凸状の機構を備えている。
しかし、これらの複雑な機構は、遮音性能は向上しても、住戸内外差圧を発生させる原因となる。
本発明はこれらの機構を単純化し、屋外側と屋内側の換気口の距離を延長せず、したがって内外差圧を高くすることなく、同等の消音効果を達成することができる。
図１０および図１１に本発明の装置による圧力損失性能を示す。

＜１４＞内外差圧の比較（図１２）
上記した本発明の構造による内外差圧を一般の普及品（新日軽(株)製,クレール）と比較する。
すると、実測値の結果、１００φでは消音換気装置とＴ−４性能を有する一般普及品に比べ、４０ｍ3/hの場合、約１/８程度の圧力損失の低減効果があることが分かった。

＜１５＞実施例の測定
以上の解析結果に基づいた装置を製作してその効果を実測した。
製造したのは図１３に示すような、給気筒２２と有孔筒２３を一体化し、有孔筒２３の外周に共鳴音吸音材２１を配置した構造のものである。
給気筒２２と有孔筒２３の合計全長２２６ｍｍ、共鳴音吸音材２１の長さ５０ｍｍ（長さ比0.22）の装置を使用した。
この構造の消音効果の解析事例を図１３に示す。
この実験はＢＥＭ（境界要素法）解析による共鳴音域での減音効果を確認するためのものである。
この図１３でわかる通り、５８０Ｈｚ付近において、共鳴音吸音材２１のない場合と比較して本発明の装置では音圧レベル相対値ｄＢが大幅に低減しており、本発明の構成がＴ−４を十分に満足することが実験的に確認された。

＜１６＞入射角の検討
共鳴音吸音材２１料の吸音率は音波の入射角に依存し、一般に入射角が９０°になると吸音率は低くなることが知られている。
ここに入射角とは、材料表面の法線方向と音波入射方向間の角度のことであり、入射角が９０°とは音波が共鳴音吸音材２１の表面と平行方向から入射する状態である。
解析により、共鳴時における音響粒子の振動方向は、共鳴音減音装置２の吸音面とほぼ平行であることが確認されており、この場合の入射角は９０°に近くなる。
その結果、本装置の基本型は吸音効率上不利な条件にあるといえる。

＜１７＞入射角の改善
図１５は多孔質共鳴音吸音材２１料の代表例としてグラスウール（密度３２KG.／m3、厚さ２５ｍｍ）の音響インピーダンス値を基に入射角と吸音率との関係を示したものである。
これより、共鳴周波数に相当する400Hzと700Hzの音は、入射角が90°に近づくほど急激に吸音率が低下し、そのピークは45°〜60°近辺に現れる傾向が読み取れる。
よって、本装置についても、この角度付近にまで共鳴音吸音材２１の吸音面の角度を設けることにより、減音効果の高めることが可能となる。
具体的には効率を考慮し、入射角45°を限度する。（図１４）
その理由は、角度をつけるには物理的に限界があること、その角度付近に吸音率のピークが表れることからである。
この場合の装置の型を「高吸収型」と呼ぶとすると、空気流動経路を狭めないことを考慮した場合の形態は図に示す２パタンが考えられる。
これらは、Ｔ−５の性能が要求される場合や十分な吸音部長さをとれない場合より有効である。

１：消音容器
２：減音装置
２１：共鳴音吸音材
２１ａ：筒状空洞部
２２：給気筒
２３：有孔筒

Claims (4)

1. 消音容器と、減音装置とより構成し、
   消音容器は、内面に吸音材を貼り付けた中空の容器であり、
   その一面に開口してある屋外側換気口と、
   消音容器の他面に開口してある屋内側換気口を備え、
   屋外側換気口と、屋内側換気口は、消音容器の対応しない位置に配置してあり、
   一方、減音装置は給気筒と共鳴音吸音材とより構成し、
   給気筒は両端が貫通した筒体であり、
   給気筒の消音容器側の端には共鳴音吸音材が位置し、
   その共鳴音吸音材は給気筒の内径とほぼ同一内径の筒状空洞部を備え、
   給気筒の中心軸と、筒状空洞部の中心軸が一致する状態で配置してあり、
   境界要素法解析により、単なる筒体と消音容器を組み合わせただけでは音波の粒子速度が他の位置よりも高くなる取り合い部分である給気筒の消音容器側の先端に共鳴音吸音材が位置している、
   消音換気装置。
2. 請求項１記載の消音換気装置において、
   給気筒の消音容器側の先端には有孔筒を設置し、
   この有孔筒の外周に共鳴音吸音材を配置した、
   消音換気装置。
3. 請求項１記載の消音換気装置において、
   給気筒の消音容器側の先端には棒状、金網状の支持材を設置し、
   その支持材の外周に共鳴音吸音材を配置した、
   消音換気装置。
4. 請求項１記載の消音換気装置において、
   給気筒の消音容器側に位置する共鳴音吸音材は、
   給気筒と共鳴音吸音材の合計軸方向距離に対して１８〜７０％の範囲、より好ましくは１８〜３４％の範囲に配置した、
   消音換気装置。

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