KR101081500B1 - 대형 엔진용 소음기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 소음제어 기술에 관한 것으로서, 좀 더 자세하게는 발전용 등과 같이 높은 레벨의 폭발적인 소음이 발생하는 대형 엔진에 사용되는 소음기에 관한 것이다.
본 발명의 대형 엔진용 소음기는 소음기를 팽창부와 흡음부 그리고 배출부로 구분하였다. 팽창부는 각각 팽창공이 형성된 이중팽창관으로 구성하되, 내부팽창관의 팽창공은 크게 하고, 외부팽창관의 팽창공은 작게 하여 2단에 걸쳐 팽창에 의한 감음이 일어나게 하였다. 흡음부는 배기가스를 배출부로 원만하게 유도하여 압력손실이 적게 일어나고 흡음면적이 넓어 흡음에 의한 감음 효과가 크게 나타나도록 하기 위하여, 단면이 마름모 형태인 흡음봉 다수 개를 지그재그로 설치하였다. 그리고 배출부는 청장의 면을 곡면으로 하여 배기가스가 원만하게 배출될 수 있게 하여 압력손실이 적게 일어나도록 하였다..
본 발명의 소음기는 팽창부와 흡음부에서 각각 감음이 되는데, 이중팽창관에서 2단계에 걸쳐 팽창이 일어나고 또한 음파가 흡음재와 접하는 경로가 길어서 흡음에 의한 감음량이 크고, 팽창부와 흡음부에서 압력손실이 최소로 되는 구조를 취하고 있으므로, 전체적으로 큰 감음성능을 가지고 또한 압력손실이 낮은 효과가 있다.

Description

대형 엔진용 소음기{Silencer for Large Engine}

본 발명은 소음제어 기술에 관한 것으로서, 좀 더 자세하게는 발전용 등과 같이 높은 레벨의 폭발적인 소음이 발생하는 대형 엔진에 사용되는 소음기에 관한 것이다.

발전용 또는 선박용 등으로 사용되는 대형 내연기관 엔진은 아주 높은 레벨의 폭발성 소음이 발생한다. 이러한 대형 엔진에서 발생한 소음이 그대로 주변으로 배출될 경우 심각한 소음공해를 유발한다. 따라서 상기와 같이 높은 레벨의 소음이 방출되는 관로의 말단에는 아주 높은 감음(減音) 효과를 가진 소음기를 부착하여 외부로 유출되는 소음을 저감시키고 있다.

통상의 엔진용 소음기는 높은 감음효과를 실현하기 위하여 소음기의 내부 구조를 복잡하게 하여 다수회의 팽창과 공명이 일어나도록 설계되는데, 이와 같이 소음기의 내부구조를 복잡하게 할 경우 압력손실이 커지게 되어 배기가스의 배출이 원활하지 못하여 배압(Back Pressure)이 높게 걸리고, 이에 따라 엔진의 출력이 저하되는 문제점이 있다. 엔진용 소음기의 경우, 소음기로 인하여 엔진의 출력이 10%이상 저하되는 경우도 있다.

소음기에서 내부로 흐르는 기체의 유속이 빠른 소음기에서 압력손실이 크게 발생하는데, 이는 큰 감음 효과를 달성하기 위하여 소음기 내부의 유로를 복잡하게 구성하고, 이에 따라 기체가 소음기 내부로 원활하게 흐르지 못하여 외부로 잘 배출되지 못하기 때문이다.

자동차에 사용되는 엔진 소음기는 대략적으로 도 1에 도시한 바와 같은 구조를 가지는데, 소음기의 내부공간의 전방부와 후방부에 팽창실을 두고, 가운데 부분의 공간은 공명실이 구비되어 있다. 공명실에는 측벽에 작은 구멍인 팽창공이 다수 개가 형성된 팽창관을 다수개 구비하고 있다. 일부의 팽창관은 배기가스가 유입되는 팽창실로 열려 있어 엔진에서 배출된 배기가스가 유입되고, 나머지 팽창관은 배기가스가 유출되는 팽창실로 열려 있어 배기가스가 외부로 유출된다.

상기와 같은 자동차용 엔진 소음기서 엔진에서 발생한 소음의 음파가 팽창실에서 팽창하면서 소음이 저감되고, 팽창관의 팽창공에서 유출되는 음파가 공명실의 공명효과와 팽창공에서의 팽창효과에 의하여 감음된다. 이와 같은 형태의 소음기에서 큰 감음성능을 얻기 위해서는 팽창비를 크게 해야하는데, 소음기의 몸체를 크게 하고 팽창관의 구멍을 작게 하면 된다.

그러나 상기와 같이 감음성능을 높이려면 필연적으로 압력손실도 크게 되는 문제점이 있다. 따라서 엔진용 소음기는 압력손실과 감음성능은 적절한 선에서 타협하여 설계된다. 자동차 엔진용 소음기의 경우, 엔진에서 발생하는 소음이 대형엔진에 비하여 높지 않고 또한 소음기가 자동차에 장착되어 충격과 진동을 받으므로 상기와 같은 구조로 제작된다.

그러나 발전기용 엔진과 같은 대형 엔진은 소형엔진에 비하여 발생하는 소음이 아주 높고 또한 육상에 고정적으로 설치되어 운용되므로, 이에 사용되는 소음기는 자동차 엔진용 소음기와는 달리 무게와 크기에 대한 제약이 적고 또한 운용중에 진동과 충격을 받지 않는다.

상기와 같이, 발전용 엔진과 같은 대형 엔진의 소음기는 자동차 엔진용 소음기와는 달리 육상에 설치되어 사용되므로, 무게와 크기에 대한 제약이 적고 또한 운용중에 진동과 충격을 받지 않는다.

따라서 대형 엔진용 소음기는 부피와 무게가 좀 크더라도 압력손실이 작아 엔진 출력을 저하시키지 않고, 또한 높은 감음 효과가 있는 소음기가 요구된다.

본 발명의 대형 엔진용 소음기는 상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위하여, 소음기를 팽창부와 흡음부 그리고 배출부로 구분하였다.

팽창부는 각각 팽창공이 형성된 이중팽창관으로 구성하되, 내부팽창관의 팽창공은 크게 하고, 외부팽창관의 팽창공은 작게 하여 2단에 걸쳐 팽창에 의한 감음이 일어나게 하였다.

흡음부는 배기가스를 배출부로 원만하게 유도하여 압력손실이 적게 일어나고 흡음면적이 넓어 흡음에 의한 감음 효과가 크게 나타나도록 하기 위하여, 단면이 마름모 형태인 흡음봉 다수 개를 지그재그로 설치하였다.

배출부는 청장의 면을 곡면으로 하여 배기가스가 원만하게 배출될 수 있게 하여 압력손실이 적게 일어나도록 하였다.

본원 발명의 소음기는 팽창부에서 직경이 서로 다른 팽창공을 가진 이중팽창관에서 2단계에 걸쳐 팽창이 일어나게 하여, 팽창에 의한 감음량이 크고, 모든 주파수의 음에 대하여 팽창에 의한 흡음이 일어나게 하였다. 이와 같은 이중팽창관의 경우 팽창공을 단일팽창관에 비하여 크게 할 수 있으므로, 배기가스가 팽창공을 통과할 때 압력손실이 적다.

흡음부는 단면이 마름모 형태인 흡음봉 다수 개를 지그재그로 설치되어 있어서 음파가 흡음재와 접하는 경로가 길어서 흡음에 의한 감음량이 크고, 배기가스가 흐르는 유로가 경사지게 형성되어 배출부로 자연스럽게 연결되므로 배기가스의 급격한 유로 변화에 따른 압력손실이 적다.

상기와 같이 본원발명의 소음기는 팽창부와 흡음부에서 각각 감음이 되고 또한 팽창부와 흡음부 모드 압력손실이 최소로 되는 구조를 취하고 있으므로, 전체적으로 큰 감음성능을 가지고 또한 압력손실이 낮은 효과가 있다.

도 1은 자동차 등에 사용하는 엔진 소음기의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 소음기의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 소음기의 다른 실시예의 구성도이다.
도 4는 흡음봉의 구성도이다.
도 5는 흡음판의 구성도이다.
도 6은 이중팽창관에서 감음 그래프이다.

본 발명의 소음기는 도 2에 도시한 바와 같이, 아래로부터 팽창부(A), 흡음부(B), 그리고 배출부(C)로 구성되는 원통형의 소음기몸체(1)와, 상기 소음기몸체(1)의 팽창부에 장착되는 것으로서 2단에 걸쳐 팽창에 의한 감음이 일어나는 이중팽창관(2), 그리고 상기 상기 소음기몸체(1)의 흡음부에 장착되는 다수개의 흡음봉(3)과 흡음판(3-1)으로 구성된다.

소음기몸체(1)는 하단은 막혀있고, 상단이 개방된 케이싱(11), 케이싱의 상단에 일정 간격을 두고 설치되는 빗물받이(12)로 구성된다. 케이싱(11)의 하단에는 이중팽창관(2)이 결합되는 결합공(13)이 형성되고, 케이싱(11)의 내부에는 흡음봉들을 설치하기 위한 설치구조물(14)이 구비될 수 있다. 그리고 소음기 몸체의 내벽에는 흡음재(15)를 부착하여 음을 흡수할 수 있게 하고, 케이싱(11)과 빗물받이(12)의 가장자리 사이의 공간에는 금속망(16)을 구비하여 새나 이물질이 소음기 내부로 침투하는 것을 방지하는 것이 좋다.

빗물받이(12)는 상면은 일정각도로 경사지게 하여 빗물이 잘 흘러내리게 하고, 하면은 중심부가 아래로 돌출되는 곡면으로 하여 배기가스가 케이싱(11)과 빗물받이(12)의 가장자리 사이의 간격으로 잘 배출되도록 하는 것이 좋다. 이 빗물받이(12)는 중심부 또는 가장자리에 구비된 고정구(17)을 이용하여 케이싱(11)에 고정한다.

소음기의 팽창부에는 이중팽창관(2)이 소음기몸체(1)의 결합공(13)에 용접으로 부착되어 설치된다. 이중팽창관(2)은 한쪽 끝은 막히고 다른 쪽 끝은 개방되어 있으며 측벽에는 팽창공(211)이 연속적으로 형성된 내부관(21), 상기 내부관(21)의 외부에 동심원상으로 구비되는 것으로서 측벽에 팽창공(221)이 연속적으로 형성된 외부관(22), 그리고 내부관(21)의 개방된 끝단에 부착되어 엔진의 배기가스관과 연결되는 플랜지(23)으로 구성된다. 상기 내부관(21)의 팽창공(211)과 외부관(22)의 팽창공(221)은 그 크기를 서로 다르게 한다.

소음기의 흡음부(B)에는 다수개의 흡음봉(3)이 연속적으로 설치된다. 흡음봉은 도2에 도시한 바와 같이 흡음부 전체에 설치하거나, 도 3에 도시한 바와 같이 흡음부의 상단 일부에만 설치하고 흡음부의 하단에는 흡음판(3-1)을 설치할 수 있다.

흡음봉(3)은 도 4에 도시한 바와 같이, 단면이 마름모 형상인 봉으로서, 금속판에 다수개의 구멍이 연속적으로 형성된 타공판을 마름모 형상으로 절곡하여 제작한 외피(31)의 내부에 흡음재(32)를 충진하여 제작한다. 흡음재(32)가 타공판의 구멍으로 비산되어 나오는 것을 방지하기 위하여 흡음재(32)를 글래스클로스(Glass Cloth) 등과 같이 열에 강한 직물을 사용한 보호천(33)으로 감싸는 것이 좋다.

상기와 같이 제작된 흡음봉(3)을 흡음부(B) 전체에 다단으로 설치하되, 각 단을 그 끝이 서로 어긋나게 지그재그로 설치하면 음파와 배기가스가 흐르는 유로가 대각으로 형성되고, 배기가스는 배출부(C)에 경사지게 입사하여 외부로 자연스럽게 배출된다. 그리고 음파는 흡음봉의 표면에서 흡수되어 소실되어 감음이 일어난다.

상기와 같이 흡음부(B) 전체에 흡음봉(3)을 설치할 수 있으나, 흡음봉(3)은 제작과 설치가 다소 난해하므로, 흡음부의 하단 일부에는 통상의 흡음형 소음기에 사용되는 평판 형태의 흡음판(3-1)을 사용할 수 있다.

흡음판(3-1)은 도 5에 도시한 바와 같이 통상의 공조용 덕트 소음기의 흡음판과 동일하게 제작하는데, 흡음재를 판상으로 성형하여 제작한 흡음판(3-12)의 양면에 금속판에 다수개의 구멍이 연속적으로 형성된 타공판(3-11)을 부착하고, 배기가스가 입사하는 전면과 후면은 단면이 원형 또는 삼각형인 막음판(3-13)을 구비하여 배기가스가 흐를 때 압력손실을 적게 한다. 흡음판(3-12)은 타공판의 구멍으로 흡음재가 비산되어 나오는 것을 방지하기 위하여 글래스클로스(Glass Cloth) 등과 같이 열에 강한 직물을 사용한 보호천(3-14)으로 감싸는 것이 좋다.

상기와 같이 흡음부의 하단에 흡음판(3-1)을 설치할 경우, 흡음부 전체에 흡음봉(3)을 설치하는 경우에 비하여 흡음에 의한 감음효과가 다소 저하되고 압력손실이 다소 커지는 문제점이 있으나, 소음기 제작비용을 절감할 수 있다.

상기 흡음부(B)의 상단에는 일정한 공간을 두고 빗물받이(12)를 부착하여, 배출부(C)가 형성되도록 한다. 이 배출부는 측면이 열려 있어 배기가스가 외부로 방출된다.

상기와 같이 구성된 소음기는 다음과 같이 작동한다.

엔진의 폭발에 의하여 발생하는 높은 레벨의 소음을 수반한 배기가스가 이중팽창관(2)에 유입되면 음파는 배기가스와 함께 연속적으로 2회에 걸쳐 팽창을 한다. 음파가 좁은 구멍에서 팽창하면 도 6의 (a)에 도시한 양상으로 감음이 일어나는데, 주파수에 따라 감음이 일어나지 않은 주파수와 감음이 크게 일어나는 주파수가 반복적으로 나타난다. 통상의 단일 팽창형 소음기의 경우, 이 그래프와 같이 감음이 일어나지 않는 주파수의 음은 외부로 그대로 배출되므로 전체적인 감음량이 제한적이다.

본 발명의 소음기는 이중팽창관(2)에서 음파가 연속적으로 2회에 걸쳐 팽창을 하는데, 팽창공(211, 221)의 크기를 서로 다르게 하면, 도 6의 (b)에 도시한 바와 같이 감음이 일어나지 않는 주파수가 서로 어긋나게 되어 결국 모든 주파수의 음에서 감음이 일어나고, 팽창에 의한 전체 감음량은 두 팽창공에서의 감음값을 더한 값이 되어 전체적으로 큰 감음 효과를 나타낸다.

이중팽창관(2)은 상기와 같이 큰 감음 효과가 있고, 또한 잔여 소음은 흡음부에서 흡음에 의하여 추가로 감음이 일어나므로, 각 팽창공의 크기를 단일 팽창관의 경우에 비하여 상당히 크게 할 수 있다. 이와 같이 팽창공을 크게 하면, 배기가스가 작은 팽창공을 통과할 때에 비하여 압력손실이 현저히 작아지게 된다.

상기와 같이 이중팽창관(2)에서 음파의 팽창에 의하여 일정한 정도로 저감된 소음이 흡음부(B)로 입사하게 된다. 흡음부로 입사한 음파는 흡음봉(3) 또는 흡음판(3-1)에서 흡수되어 감음이 일어나는데, 흡음에 의한 감음량은 다음 식으로 계산된다.

여기서, NR : 감음량(Noise Reduction)

α : 흡음재의 흡음율

P : 흡음재의 주장(Perimeter)

L : 소음기 길이

S : 덕트의 공기통로 단면적

상기 식에서 보인 바와 같이 소음기의 성능은 사용한 흡음재의 흡음률이 높을수록, 흡음재의 주장이 길수록, 소음기의 길이가 길수록, 그리고 공기통로 단면적이 작을수록 좋아진다. 본 발명의 소음기의 경우, 흡음재의 주장(P)이 아주 길어, 큰 감음이 일어난다.

본 발명의 소음기는 발전용 또는 선박용 등과 같은 대형 엔진의 소음을 저감시키는 소음기로 사용된다. 또한 본발명의 소음기는 발전소의 증기방출구와 같이 순간적으로 아주 큰 소음이 방출되는 곳에도 사용될 수 있다.

1 : 소음기몸체, 2 : 이중팽창관, 3 : 흡음봉, 3-1 : 흡음판,
11 : 케이싱, 12 : 빗물받이, 13 : 결합공, 14 : 설치구조물,
15 : 흡음재, 16 : 금속망, 17 : 고정구,
21 : 내부관, 22 : 외부관, 23 : 플랜지,
31 : 외피, 32 : 흡음재, 33 : 보호천.

Claims (4)

1. 하단에 결합공(13)이 형성되어 있고 상단이 개방된 케이싱(11), 그리고 상기 케이싱(11)의 상단에 일정 간격을 두고 설치되는 빗물받이(12)로 구성되고, 아래로부터 팽창부(A)와 흡음부(B) 그리고 배출부(C)로 구분되는 원통형의 소음기몸체(1);
   상기 소음기몸체(1)의 하단에 결합공(13)에 용접으로 결합되어 팽창부(A)에 설치되는 것으로서, 한쪽 끝은 막혀 있고 한쪽 끝에는 엔진의 배기가스관과 연결되는 플랜지(23)가 부착되어 있고 측벽에는 팽창공(211)이 연속적으로 형성된 내부관(21), 그리고 상기 내부관(21)의 외부에 동심원상으로 구비되는 것으로서 측벽에 상기 내부관(21)의 팽창공(211)과 다른 크기의 팽창공(221)이 연속적으로 형성된 외부관(22)으로 구성되는 이중팽창관(2);
   그리고, 상기 소음기몸체(1)의 흡음부(B)에 다수 개가 다단으로 설치되되 각 단을 그 끝이 서로 어긋나게 지그재그로 설치되는 것으로서, 단면이 마름모 형상의 봉이고, 금속판에 다수개의 구멍이 연속적으로 형성된 타공판을 마름모 형상으로 절곡하여 제작한 외피(31)의 내부에 흡음재(32)를 충진된 흡음봉(3);
   으로 구성되는, 대형 엔진용 소음기.
2. 제1항에 있어서,
   상기 소음기몸체(1)의 흡음부(B)의 하단에,
   흡음재를 판상으로 성형하여 제작한 흡음판(3-12), 상기 흡음판(3-12)의 양면에 부착되는 것으로서 금속판에 다수개의 구멍이 연속적으로 형성된 타공판(3-11), 그리고 배기가스가 입사하는 전면과 후면에 구비되는 것으로서 단면이 원형 또는 삼각형인 막음판(3-13)을 포함하여 구성되는 흡음판(3-1)을 추가로 구비한 것을 특징으로 하는, 대형 엔진용 소음기.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 소음기몸체(1)의 케이싱(11)은, 내벽에 흡음재(15)가 추가로 부착되는 것을 특징으로 하는, 대형 엔진용 소음기.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 소음기몸체(1)의 배출부(C)가 되는 케이싱(11)과 빗물받이(12) 사이의 공간 외부에 금속망(16)을 추가로 구비하여, 새 또는 이물질이 소음기 내부로 침투하는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는, 대형 엔진용 소음기.

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