JP6830795B2

JP6830795B2 - 消音器

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Publication number: JP6830795B2
Application number: JP2016219101A
Authority: JP
Inventors: 政寛菊池
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2016-11-09
Filing date: 2016-11-09
Publication date: 2021-02-17
Anticipated expiration: 2036-11-09
Also published as: CN109923310A; TW201821688A; WO2018088231A1; TWI659148B; CN109923310B; JP2018076822A

Description

本発明は、消音器に関する。

ポンプまたは圧縮機のように流体の移動を伴う装置では、流体の出口で騒音に繋がる大きな音波が生じていることが知られている。この音波を減衰できることは騒音防止の観点から有用である。

このような音波の減衰機能を備える消音器が、例えば特許文献１に開示されている。特許文献１の消音器は、真空ポンプの排気口から排出される気体の持つ騒音を低減させる消音機能を有している。さらに、この消音器は、逆止弁を備えており、上記消音機能とともに気体の逆流を抑制する逆流抑制機能も有している。

特開２００１−２８９１６７号公報

特許文献１の消音器が備える逆止弁は、逆流抑制機能を実現するために設けられており、消音要素としては機能していない。従って、この消音器は、逆止弁構造について未だ改善の余地がある。

本発明は、逆流抑制機能と消音機能を併せ持つ逆止弁構造を有する消音器を提供することを課題とする。

本発明の消音器は、吐出口を有して内部に膨張室を画定する膨張部と、内部に誘導室を画定する有限長の誘導管を有する音響エレメントと、前記膨張室と前記誘導室とを連通する連通孔が設けられた接続部と、前記誘導室から前記連通孔を通って前記膨張室へと流れる流体が逆流することを防止するための逆止弁とを備える消音器であって、前記逆止弁は、前記接続部に設けられた弁座と、前記弁座と当接して前記連通孔を塞ぐ弁体と、前記弁体を前記弁座に向かって付勢する付勢部材とを備え、前記弁体は、周縁部に設けられ、前記弁座と当接する部分であって、前記弁座に向かって先細る形状を有するテーパ部と、前記テーパ部の内側に設けられた平板部と、前記弁座と対向する面と反対面に設けられた凹部とを備える、消音器を提供する。

この構成によれば、逆流抑制機能と消音機能を併せ持つ逆止弁構造を有する消音器を提供でき、従来と比較して省スペースで高い消音効果を得ることができる。具体的には、弁体が弁座と当接するとき、テーパ部で連通孔を塞ぐため、連通孔を正確に塞ぐことができる。仮に、弁体がテーパ部を有しておらず平板部で連通孔を塞ぐ場合、平板部の組立公差または製造公差等によっては、弁座に正確に当接できず、即ち連通孔を正確に塞ぐことができず、逆止弁としての機能を果たさないおそれがある。上記構成では、テーパ部によってこの問題を抑制し、流体の逆流を安定して抑制できる。さらに、弁体の一部をテーパ状にすることで弁体の剛性を向上できるため、必要な曲げ剛性を得るための板厚を薄くすることができる。その結果、単なる平板状の場合と比べて弁体を軽量化でき、コストダウンとなる。また、弁体がテーパ部で弁座と当接することで、平板部で当接する場合と比べて流体の流路が徐々に広がるため、圧力損失の増大を抑制できる。また、逆止弁が付勢部材を備えることで、付勢部材の上流側（誘導室側）の圧力が下流側（膨張室側）よりも一定以上高い場合にのみ逆止弁が開く。即ち、付勢部材によって簡易に逆流抑制機能を実現できる。また、弁体が弁座と対向する面と反対面に凹部を有することで、連通孔を通過した流体に重畳した音波が凹部に回り込む回折現象が生じる。そのため、音波の回折減衰による減音効果を得ることができる。また、弁体を保持する面と吐出口を有する面とが異なっているため、吐出口以外から弁体にアクセスできる。そのため、例えば吐出口以降に配管を設けた場合でも配管を取り外すことなく、逆止弁のメンテナンスが可能である。このように逆止弁を効率的にメンテナンスするためには、吐出口以外から逆止弁に対して外部からアクセス可能なように膨張部に吐出口以外の開口部を設けることが好ましい。

前記消音器は、前記逆止弁の最大開度を規制する規制部材をさらに備えてもよい。

この構成によれば、規制部材により逆止弁の最大開度を規制できるため、消音効果が著しく弱まることを防止できる。具体的には、逆止弁の開度が大きくなると、弁体と干渉せずに吐出口まで通過する音波が増えるため、弁体による音波の減衰量が小さくなる。即ち、弁体が弁座に近い位置にあるほど、大きな消音効果を期待できる。上記構成では、逆止弁の最大開度が規制されるため、最大開度においても所定の減衰量を確保できる。所定の減衰量は規制部材によって規制される逆止弁の最大開度に応じて変化するが、これは許容される騒音の音量に応じて決定されればよい。

前記規制部材は、前記弁体を挟んで前記弁座と反対側に設けられており、前記弁体は、前記吐出口に向かって前記規制部材よりも突出していてもよい。

この構成によれば、弁体が規制部材よりも吐出口に向かって突出しているため、弁体を挟んで規制部材側から弁座側へと向かう音波の伝搬を阻害する。従って、この阻害により音波が減衰されるため、消音器としての減音効果を高めることができる。

前記連通孔と前記吐出口とを直線的に結ぶ空間内に前記弁体の少なくとも一部が配置されていてもよい。

この構成によれば、膨張室入口（連通孔）から膨張室出口（吐出口）に向かう音波に弁体が干渉するため、より確実に回折減衰による減音効果を得ることができる。

前記連通孔の連通方向から見て、前記弁体の面積は、前記膨張室の断面積の７０％未満であってもよい。

この構成によれば、弁体を音響的に剛の境界としないことで音響エレメント内における弁体へ向かう音波と弁体で反射した音波の共鳴を抑制できる。一般に、弁体は大きいほど音波の進行を阻害するため、弁体は大きいほど減音効果は大きい。しかし、弁体を一定以上大きくすると、音響エレメント内で弁体へ向かう音波と弁体で反射した音波の共鳴が発生する。本願発明者は、膨張室の断面積に対して弁体の面積が７０％以上であるときに、上記共鳴が発生することを見出した。従って、弁体の面積を膨張室の断面積の７０％未満とすることで、弁体が剛壁として機能することを防止し、弁体での音波の反射量を低減させ、この共鳴を抑制できる。これにより、特定周波数における減音効果の落ち込みを抑制できる。

前記音響エレメントは、前記誘導室内に共鳴防止構造を備えてもよい。

この構成によれば、共鳴防止構造により、音響エレメント内における共鳴を抑制し、特定周波数における消音効果の落ち込みを抑制できる。特に、音響エレメントが共鳴防止構造を備えると、弁体の形状によらず、音響エレメント内における共鳴を抑制できる。従って、音響エレメントが共鳴防止構造を備えることで、弁体を共鳴の有無によらず大きく好適に設計できる。

本発明によれば、逆止弁の弁体がテーパ部を有しているため、逆流抑制機能と消音機能を併せ持つ逆止弁構造を有する消音器を提供できる。

本発明の第１実施形態に係る消音器を適用した装置の概略構成図。本発明の第１実施形態に係る消音器の模式的な側面断面図。第１実施形態に係る消音器の消音量を示すグラフ。第１実施形態に係る消音器の第１変形例を示す模式的な側面断面図。第１実施形態に係る消音器の第２変形例を示す模式的な側面断面図。第２実施形態に係る消音器の模式的な側面断面図。第２実施形態に係る消音器の比較例を示す模式的な側面断面図。第３実施形態に係る消音器の模式的な側面断面図。第３実施形態に係る消音器の変形例を示す模式的な側面断面図。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。

（第１実施形態）
図１に示すように、本実施形態の消音器１は、圧縮機２が吐出する圧縮空気の流れに重畳して伝搬される音波を減衰させるために使用される。そのため、本実施形態の消音器１は、圧縮機２の吐出流路４に配置されている。

図２に示すように、消音器１は、円管状であって軸線Ｌ方向に延びる有限長の誘導管（音響エレメント）１０と、軸線Ｌ方向から見て誘導管１０よりも径が大きい概ね円管状の膨張部２０と、これらを流体的に接続する接続部３０とを備える。誘導管１０と膨張部２０と接続部３０とは、一体の筐体３で形成されている。なお、本実施形態では筐体３は概ね円管状に形成されているが、例えば多角管状に形成されていてもよい。また、誘導管１０と膨張部２０と接続部３０とは、それぞれ別の部材で構成されてもよい。

誘導管１０は、内部に誘導室１１を画定しており、圧縮機２（図１参照）が吐出した圧縮空気を後述する膨張室２１まで誘導するための円管である。

接続部３０は、誘導室１１と後述する膨張室２１とを仕切る仕切壁３１を備える。本実施形態の仕切壁３１は筐体３の一部であり、筐体３の内面の一部が軸線Ｌに向かって突出して形成されている。仕切壁３１には、誘導室１１と膨張室２１とを連通する円形の連通孔３２が設けられている。即ち、本実施形態の仕切壁３１は、軸線Ｌ方向から見て環状に形成されている。

膨張部２０は、内部に膨張室２１を画定しており、軸線Ｌ方向とは異なる方向に圧縮空気を吐出するように設けられた吐出口２２を有する。本実施形態では吐出口２２の吐出方向は、軸線Ｌに直交する方向であるが、吐出方向はこれに限らず、例えば軸線Ｌに対して傾斜した方向であってもよい。

また、膨張部２０において、接続部３０と対向する端部には円形の開口部２３が設けられている。開口部２３は、円板状の蓋体２４によって閉塞されている。軸線Ｌ方向から見て、蓋体２４の外形は、筐体３の外形と概ね同形状である。蓋体２４は、着脱可能に筐体３に取り付けられており、例えばねじ止めによって筐体３に取り付けられている。

蓋体２４には、連通孔３２を閉塞可能な弁体２５がばね（付勢部材）２６を介して保持されている。接続部３０には、仕切壁３１の一部によって弁座３３が構成されている。即ち、弁座３３と、弁体２５と、ばね２６とから逆止弁５が構成されている。弁体２５は、ばね２６によって弁座３３に向かって付勢されており、弁座３３と当接して連通孔３２を塞ぐ。

弁体２５は、周縁部に設けられ、弁座３３と当接する部分であって、弁座３３に向かって先細る形状を有する環状のテーパ部２５ａと、テーパ部２５ａの内側に設けられた円形の平板部２５ｂと、弁座３３と対向する面と反対面（蓋体２４側の面）に設けられた凹部２５ｃとを備える。以降、弁体２５の２つの主面のうち弁座３３側の面を表面といい、弁座３３と対向する面と反対面（蓋体２４側の面）を裏面という。即ち、凹部２５ｃは、弁体２５の裏面に設けられている。本実施形態では、平板部２５ｂとテーパ部２５ａの厚みは同一であり、弁体２５は一枚の板状である。従って、弁体２５の表面の裏側形状は、裏面の形状と相似形である。

また、軸線Ｌ方向から見ると、それぞれ円形の連通孔３２と平板部２５ｂとは同心に設けられており、連通孔３２の径が平板部２５ｂの径よりも大きく形成されている。そのため、逆止弁５が閉じられた状態でも、弁体２５の平板部２５ｂは弁座３３と当接せず、弁体２５のテーパ部２５ａが弁座３３と当接する。

また、軸線Ｌ方向から見て、本実施形態の弁体２５の面積は、膨張室２１の断面積の２５％程度である。特に、弁体２５の面積は、膨張室２１の断面積の７０％未満であることが好ましい。弁体２５の面積が膨張室２１の断面積の７０％未満である場合、弁体２５が音響的に剛の境界とならず、誘導室１１において、弁体２５へ向かう音波と弁体２５で反射した音波の共鳴を抑制できる。

図３に示すように、一般に、弁体２５は大きいほど音波の進行を阻害するため、弁体２５が大きいほど減音量は大きい。しかし、弁体２５を一定以上大きくすると、誘導室１１内で弁体２５へ向かう音波と弁体２５で反射した音波の共鳴が発生し、特定周波数における減音効果の落ち込みが発生する（図３中の矢印参照）。本願発明者は、膨張室２１の断面積に対して弁体２５の面積が７０％以上であるときに、上記共鳴が発生することを見出した。従って、弁体２５の面積を膨張室２１の断面積の７０％未満とすることで、弁体２５が剛壁として機能することを防止し、弁体２５での音波の反射量を低減させ、この共鳴を抑制できる。これにより、特定周波数における減音効果の落ち込み（図３中の矢印参照）を抑制できる。

以上の構成から導かれる第１実施形態の消音器１の作用を説明する。

図１および図２を参照して、圧縮機２が作動すると、圧縮機２の吐出口２ａから吐出流路４に圧縮空気が吐出され、消音器１に流入する。消音器１内に流入した圧縮空気は、誘導管１０内の誘導室１１を軸線Ｌ方向に接続部３０に向かって流れる。次いで、圧縮空気は、接続部３０の連通孔３２を介して誘導室１１から膨張室２１に流入する。圧縮空気が膨張室２１に流入するとき、逆止弁５は開かれている必要がある。誘導室１１と膨張室２１の圧力を比較して、誘導室１１の圧力が一定以上高い場合、逆止弁５は開かれた状態となり、その逆の場合、逆止弁５は閉じられた状態となる。ここで、逆止弁５が開かれるための両室１１，２１の圧力差は、ばね２６に応じて所望の圧力差に設定される。逆止弁５が開かれた状態で膨張室２１に流入した圧縮空気は、軸線Ｌに直交する方向へ進行方向が曲げられ、吐出口２２から吐出流路４に吐出される。

膨張部２０では、誘導管１０および吐出口２２に対して、大きな流路断面が形成されている。即ち、圧縮空気が連通孔３２を介して誘導室１１から膨張室２１に流入するとき、圧縮空気の流路断面積は大きくなっている。また、圧縮空気が膨張室２１から吐出口２２を通じて吐出されるとき、圧縮空気の流路断面積は小さくなっている。そのため、この２箇所でインピーダンスが急激に変化し、音波は内部で反射を生じて減衰する。具体的には、誘導室１１と膨張室２１との境界部および膨張室２１と吐出口２２との境界部で反射を生じて音波が減衰する。このように、膨張室２１を設けることにより流路断面積を変化させ、圧縮空気の流れに重畳して伝搬される音波を減衰させることができる。

本実施形態によれば、逆流抑制機能と消音機能を併せ持つ逆止弁５を有する消音器１を提供でき、従来と比較して省スペースで高い消音効果を得ることができる。具体的には、弁体２５が弁座３３と当接するとき、テーパ部２５ａで連通孔３２を塞ぐため、連通孔３２を正確に塞ぐことができる。仮に、弁体２５がテーパ部２５ａを有しておらず平板部２５ｂで連通孔３２を塞ぐ場合、平板部２５ｂの組立公差または製造公差等によっては、弁座３３に正確に当接できず、即ち連通孔３２を正確に塞ぐことができず、逆止弁５としての機能を果たさないおそれがある。本実施形態の構成では、テーパ部２５ａによってこの問題を抑制し、圧縮空気の逆流を安定して抑制できる。ここで、逆流とは、膨張室２１から連通孔３２を通じて誘導室１１に圧縮空気がながれることをいう。さらに、弁体２５の一部をテーパ状にすることで弁体２５の剛性を向上できるため、必要な曲げ剛性を得るための板厚を薄くすることができる。その結果、単なる平板状の場合と比べて弁体２５を軽量化でき、コストダウンとなる。また、弁体２５がテーパ部２５ａで弁座３３と当接することで、平板部２５ｂで当接する場合と比べて圧縮空気の流路が徐々に広がるため、圧力損失の増大を抑制できる。また、逆止弁５がばねを備えることで、ばね２６の上流側（誘導室１１側）の圧力が下流側（膨張室２１側）よりも一定以上高い場合にのみ逆止弁５が開く。即ち、ばね２６によって簡易に逆流抑制機能を実現できる。また、弁体２５が裏面に凹部２５ｃを有することで、連通孔３２を通過した圧縮空気に重畳した音波が凹部２５ｃに回り込む回折現象が生じる。そのため、音波の回折減衰による減音効果を得ることができる。また、弁体２５を保持する面と吐出口２２を有する面とが異なっているため、吐出口２２以外から弁体２５にアクセスできる。そのため、例えば吐出口２２以降に配管を設けた場合でも配管を取り外すことなく、逆止弁５のメンテナンスが可能である。このように逆止弁５を効率的にメンテナンスするためには、吐出口２２以外から逆止弁５に対して外部からアクセス可能なように膨張部２０に吐出口２２以外の開口部２３を本実施形態のようにして設けることが好ましい。

また、図４に示す第１変形例のように、弁体２５は板状でなく、ブロック状であってもよい。即ち、弁体２５の厚みは限定されない。本変形例では、第１実施形態と同様に、弁体２５の表面の裏側形状は、裏面の形状と相似形である。

また、図５に示す第２変形例のように、弁体２５の裏面の凹部２５ｃは、球面の一部であってもよい。さらに言えば、凹部２５ｃの態様は特に限定されず、上記の回折減衰が生じる態様であればよい。

（第２実施形態）
図６は、第２実施形態に係る消音器１の模式的な側面断面図である。本実施形態の消音器１では、規制部材２７以外の構成は図２の第１実施形態と同様である。従って、図２に示した構成と同様の部分については同様の符号を付して説明を省略する。

本実施形態の消音器１は、逆止弁５の開度を規制する規制部材２７をさらに備える。規制部材２７は、軸線Ｌ方向から見て、ばね２６を囲繞して設けられている。規制部材２７は、蓋体２４の一部が円筒状に軸線Ｌを中心に突出して形成されている。即ち、規制部材２７は連通孔３２と同心に設けられている。さらに詳細には、規制部材２７は、弁体２５を挟んで弁座３３と反対側（蓋体２４側）に設けられている。また、弁体２５は、吐出口２２に向かって規制部材２７よりも突出している。弁体２５がばね２６の付勢に抗して弁座３３から離れる方向に移動すると、弁体２５の裏面が規制部材２７に当接し、弁体２５の移動が規制される。軸線Ｌ方向から見て、規制部材２７の径は、弁体２５のテーパ部２５ａの径よりも小さい。また、規制部材２７の長さは、逆止弁５が最大に開いたときでも、連通孔３２と吐出口２２とを直線的に結ぶ空間Ｓ内に弁体２５の少なくとも一部が配置されるような長さである。なお、図６は、逆止弁５が最大まで開いたときの状態を示している。

本実施形態によれば、規制部材２７により逆止弁５の最大開度を規制できるため、消音効果が著しく弱まることを防止できる。具体的には、逆止弁５の開度が大きくなると、弁体２５と干渉せずに吐出口２２まで通過する音波が増えるため、弁体２５による音波の減衰量が小さくなる。即ち、弁体２５が弁座３３に近い位置にあるほど、大きな消音効果を期待できる。本実施形態では、逆止弁５の最大開度が規制されているため、最大開度においても所定の減衰量を確保できる。所定の減衰量は規制部材２７によって規制される逆止弁５の最大開度に応じて変化するが、これは許容される騒音の音量に応じて決定されればよい。

また、弁体２５が規制部材２７よりも吐出口２２に向かって突出しているため、弁体２５を挟んで規制部材２７側から弁座３３側へと向かう音波の伝搬を阻害する（図６の破線矢印参照）。従って、この阻害により音波が減衰されるため、消音器１としての減音効果を高めることができる。これに対し、図７に示す比較例のように、弁体２５が規制部材２７よりも吐出口２２に向かって突出していない場合、図６に示す場合のように弁体２５を挟んで規制部材２７側から弁座３３側へと向かう音波の伝搬を阻害できない。従って、消音器１としての減音効果を高めることができない。

また、逆止弁５が最大に開いたときでも、連通孔３２と吐出口２２とを直線的に結ぶ空間Ｓ内に弁体２５の少なくとも一部が配置されているため、膨張室２１の入口（連通孔３２）から膨張室２１の出口（吐出口２２）に向かう音波に弁体２５が干渉し、より確実に回折減衰による減音効果を得ることができる。

（第３実施形態）
図８は、第３実施形態に係る消音器１の模式的な側面断面図である。本実施形態の消音器１では、誘導室１１内に共鳴防止構造が設けられている以外の構成は図６の第２実施形態と同様である。従って、図６に示した構成と同様の部分については同様の符号を付して説明を省略する。

本実施形態では、共鳴防止構造として、誘導室１１内に吸音材１２が配置されている。吸音材１２は、例えばグラスウールやロックウールなどの多孔質材料からなり、誘導管１０の内側面に貼り付けられている。これに加えて、使用環境が高温の場合には、鉄やステンレス等の金属繊維材料を吸音材１２として使用してもよい。

本実施形態によれば、共鳴防止構造として吸音材１２を設けたことにより、誘導管１０内における共鳴を抑制し、特定周波数における消音効果の落ち込みを抑制できる。これにより、弁体２５の形状によらず、共鳴を抑制できる。従って、弁体２５を共鳴の有無によらず大きく好適に設計できる。なお、本実施形態では、誘導管１０と吸音材１２によって音響エレメントが構成されている。

また、図９に示す変形例のように、共鳴防止構造として、上記吸音材１２に代えて複数のヒダ状の突出部１３が設けられてもよい。突出部１３は、誘導管１０の内面から軸線Ｌに向かって突出している。突出部１３は、軸線Ｌ方向から見ると、円形状の平板の中央に貫通孔が設けられた形状となっている。なお、本変形例では、突出部１３を含む誘導管１０によって音響エレメントが構成されている。

以上より、本発明の具体的な実施形態やその変形例について説明したが、本発明は上記形態に限定されるものではなく、この発明の範囲内で種々変更して実施することができる。例えば、個々の実施形態の内容を適宜組み合わせたものを、この発明の一実施形態としてもよい。

１消音器
２圧縮機
２ａ吐出口
３筐体
４吐出流路
５逆止弁
１０誘導管（音響エレメント）
１１誘導室
１２吸音材（音響エレメント）
１３突出部（音響エレメント）
２０膨張部
２１膨張室
２２吐出口
２３開口部
２４蓋体
２５弁体
２５ａテーパ部
２５ｂ平板部
２５ｃ凹部
２６ばね（付勢部材）
２７規制部材
３０接続部
３１仕切壁
３２連通孔
３３弁座

Claims

吐出口を有して内部に膨張室を画定する膨張部と、
内部に誘導室を画定する有限長の誘導管を有する音響エレメントと、
前記膨張室と前記誘導室とを連通する連通孔が設けられた接続部と、
前記誘導室から前記連通孔を通って前記膨張室へと流れる流体が逆流することを防止するための逆止弁と
を備える消音器であって、
前記逆止弁は、前記接続部に設けられた弁座と、前記弁座と当接して前記連通孔を塞ぐ弁体と、前記弁体を前記弁座に向かって付勢する付勢部材とを備え、
前記弁体は、当該弁体の周縁部であり、前記弁座と辺接触の態様で当接する部分であって、前記弁座に向かって先細る形状を有するテーパ部と、前記テーパ部の内側に設けられた平板部と、前記弁座と対向する面と反対面において前記テーパ部と前記平板部とによって画定されるとともに前記弁座に向かって先細る形状を有する凹部とを備える、消音器。
前記逆止弁の最大開度を規制する規制部材をさらに備える、請求項１に記載の消音器。
前記規制部材は、前記弁体を挟んで前記弁座と反対側に設けられており、
前記弁体は、前記吐出口に向かって前記規制部材よりも突出している、請求項２に記載の消音器。
前記連通孔と前記吐出口とを直線的に結ぶ空間内に前記弁体の少なくとも一部が配置されている、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の消音器。
前記連通孔の連通方向から見て、前記弁体の面積は、前記膨張室の断面積の７０％未満である、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の消音器。
前記音響エレメントは、前記誘導室内に共鳴防止構造を備える、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の消音器。
前記弁体は、均一な厚みの板状である、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の消音器。
前記凹部の面は、球面の一部である、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の消音器。