KR20130104852A - 모듈형 소음기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 소음기에 관한 것이며, 그 목적은 설치 대상물인 엔진과 에어 공급배관의 사양에 따라 소음기의 설치에 호환성이 높고 목표로 하는 소음 저감 성능을 자유롭게 세팅하여 장착 시공될 수 있는 모듈형 소음기를 제공함에 있다. 이를 위한 본 발명은 제1 배관과 제2 배관을 연결하도록 설치되는 소음기에 있어서; 상기 제1 배관과 일단이 결합되고 타단에는 사각의 제1 플랜지가 구비되는 제1 장착부재와; 상기 제2 배관과 일단이 결합되고 타단에는 사각의 제2 플랜지가 구비되는 제2 장착부재와; 일단이 상기 제1 플랜지와 결합되고 타단이 상기 제2 플랜지와 결합되는 사각형의 몸체; 및 상기 몸체의 마주하는 내면에 양단이 결합되는 복수개의 플레이트형 흡음판으로 구성된 모듈형 소음기에 관한 것을 그 기술적 요지로 한다.

Description

모듈형 소음기{Module type silencer}

본 발명은 배관이 많은 발전플랜트설비 등에서의 소음을 저감하기 위한 장치에 관한 것으로, 특히 발전플랜트의 엔진을 향해 공급되는 에어 공급배관에서 발생되는 소음을 저감시킬 수 있는 모듈형 소음기에 관한 것이다.

발전소, 메인기관 및 환기 시스템 등에는 유체를 이동시키는 통로로서 많은 배관이 설치되어 있고, 이러한 배관은 소음을 전달하는 경로에 해당한다.

이러한 유체 이송용 배관계의 소음을 저감시키기 위한 장치를 일반적으로 소음기(Silencer, Muffler)라 한다.

이러한 소음기는 구조 및 기능에 따라 크게 반사식, 간섭식, 흡음식, 공명식으로 크게 구분할 수 있는데, 반사식 소음기는 여러 칸의 공간을 연속 배열하고 각 공간을 형성하는 칸막이에 관통 파이프를 설치하여 유체의 진로를 수차례에 걸쳐 차단함으로써 충격반사 작용에 의해 소음을 저감시키는 구조이며, 간섭식 소음기는 배관의 분기와 집합을 반복하는 구조로부터 유체 에너지를 약화시킴으로서 소음을 저감시키는 구조이고, 흡음식 소음기는 여러 개의 칸막이 공간, 부분 천공된 소음관, 다공성 흡음제로 구성되어 소음관에 천공된 구멍을 통해 칸막이 공간에 장입된 흡음제로 유체를 유입시켜 소음을 저감시키는 구조이다. 그리고 공명식 소음기는 다분기된 공명기를 특정 주파수에 알맞은 치수와 형상으로 형성하여 헬름홀츠(helmholtz) 공명원리를 이용해 소음을 저감시키는 구조이다.

한편, 도 1은 종래 발전용 엔진의 에어 공급배관에 설치된 흡음식 소음기의 설치 모습을 보이기 위한 도면이고, 도 2는 종래 흡음식 소음기의 단면 구성을 보이기 위한 도면이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 발전용 엔진(1)과 에어 공급배관(2)의 사이에 흡음식 소음기(3)가 설치 구성되어 있다. 이러한 종래 흡음식 소음기(3)는 기본적으로 엔진(1)과 직접 연결되는 원형의 에어 공급배관(2)을 연결시킬 수 있도록 원형의 하우징 몸체(31)를 가지도록 구성되어 있으며, 그 내부에는 플레이트 형상의 흡음판(32)들이 유체 이동통로를 확보할 수 있도록 소정 간격을 유지하며 설치 구성되어 있다.

하지만, 이러한 구성의 발전엔진의 에어 공급배관에 설치되는 소음기는 다음과 같은 문제점이 있다.

우선, 원형의 하우징 몸체(31)를 구비하는 흡음식 소음기(3)를 구성할 경우, 흡음식 소음기(3)의 원형 하우징 본체(31)에 대응하여 그 내부에 구성되는 흡음판(32)의 위치별로 형상이 달리되어 다양한 형태로 제작이 개별적으로 이루어져야 하고, 이렇게 제작된 흡음판(32)을 원형의 하우징 몸체(31)에 장착하는 경우에도 하우징 몸체(31)의 내주면에 대한 설치 작업에 상당한 어려움이 발생된다.

또한, 종래 흡음식 소음기(3)는 기본적으로 장착 대상인 엔진(1)과 에어 공급배관(2)의 사양에 대응하여 발전설비 현장에 일회성으로 제작 및 설치 조립이 이루어지게 되는 바, 만약 에어 공급배관(2)의 사양(직경)이 달리되는 경우에는 소음기 전체를 완전히 새롭게 제작하여야 하는 등 호환성이 낮아 모듈화의 구현이 어려운 문제가 있다.

국내특허공보 등록번호 제0718305호(2007.05.08) 국내특허공보 공개번호 제2010-0020833호(2010.02.23)

따라서 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 설치 대상물인 엔진과 에어 공급배관의 사양에 따라 소음기의 설치에 호환성이 높고 목표로 하는 소음 저감 성능을 자유롭게 세팅하여 장착 시공할 수 있는 모듈형 소음기를 제공하는 것이다.

상기한 과제를 달성하기 위한 본 발명은 제1 배관과 제2 배관을 연결하도록 설치되는 소음기에 있어서;

상기 제1 배관과 일단이 결합되고 타단에는 사각의 제1 플랜지가 구비되는 제1 장착부재;

상기 제2 배관과 일단이 결합되고 타단에는 사각의 제2 플랜지가 구비되는 제2 장착부재;

일단이 상기 제1 플랜지와 결합되고 타단이 상기 제2 플랜지와 결합되는 사각형의 몸체; 및

상기 몸체의 마주하는 내면에 양단이 결합되는 복수개의 플레이트형 흡음판으로 이루어진 것을 특징으로 한다.

한편, 상기 몸체는 복수개로 연장 조립될 수 있으며,

이러한 경우, 서로 이웃하는 몸체에 장착되는 흡음판은 유체 이동방향에 대해 서로 엇갈리게 배치된 것일 수 있다.

또한, 상기 몸체의 일단에는 상기 제1 플랜지와 결합되는 제3 플랜지가 구비되고, 타단에는 상기 제2 플랜지와 결합되는 제4 플랜지가 구비된 것일 수 있다.

본 발명은 엔진 혹은 에어 공급배관의 사양에 따라 필요로 하는 소음기의 소음 저감 특성을 자유롭게 세팅할 수 있고, 사각형 구조의 소음기 몸체를 구성함으로 인하여 소음기 몸체에 장착되는 흡음판의 제작 및 장착을 용이하게 수행할 수 있으며, 낱개 단위의 제작된 부품을 현장에서 조립하면서 설치 시공하는 형태를 만족할 수 있어 전체 소음기의 현장시공의 편의를 제공할 수 있게 된다.

도 1은 종래 발전용 엔진의 에어 공급배관에 설치된 흡음식 소음기의 설치 모습을 보이기 위한 도면
도 2는 종래 흡음식 소음기의 단면 구성을 보이기 위한 도면
도 3은 본 발명의 일실시 예에 의한 소음기의 사시도
도 4는 본 발명의 일실시 예에 의한 소음기의 측면 예시도
도 5는 도 4의 A-A선을 따라 취한 단면 예시도
도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 의한 소음기의 사시도
도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 의한 소음기의 측면 예시도
도 8은 도 7의 B-B선을 따라 취한 단면 예시도
도 9는 흡음형 소음기의 개념도
도 10은 양면이 흡음재로 이루어진 소음 덕트의 방정식과 경계조건을 보인 개념도
도 11은 유동저항에 대해 계산된 감음 특성을 보인 그래프
도 12는 소음기 모델의 삽입 손실 계측을 통한 성능 시험 결과를 보이는 그래프
도 13은 성능 시험 결과에서 얻어진 튜닝된 Lh 값을 보이는 그래프

위에 기재된 또는 기재되지 않은 본 발명의 특징과 효과들은 이하 첨부도면을 참조한 본 발명의 실시 예들을 통하여 더욱 명백히 한다.

도 3은 본 발명의 일실시 예에 의한 소음기의 사시도이고, 도 4는 본 발명의 일실시 예에 의한 소음기의 측면 예시도이며, 도 5는 도 4의 A-A선을 따라 취한 단면 예시도이다.

본 발명의 일실시 예에 의한 소음기(10)는 제1 장착부재(11), 제2 장착부재(12), 몸체(13), 및 흡음판(135)을 포함하여서 구성된다.

제1 장착부재(11)는 제1 배관(21)과 몸체(13)를 연결하기 위한 부재로서, 원형의 제1 배관(21)과 대응하도록 일단이 원형의 개방구조를 갖고, 후술될 사각의 몸체(13)와 대응하도록 타단이 사각형의 개방구조를 이룬다. 그리고 원형을 이루는 일단에는 제1 배관(21)과 고정 결합하기 위한 배관플랜지(112)가 구비되고 사각형을 이루는 타단에는 몸체(13)와 고정 결합하기 위한 제1 플랜지(110)가 구비된다.

제2 장착부재(12)는 제2 배관(22)과 몸체(13)를 연결하기 위한 부재로서, 원형의 제2 배관(22)과 대응하도록 일단이 원형의 개방구조를 갖고, 사각의 몸체(13)와 대응하도록 타단이 사각형의 개방구조를 이룬다. 그리고 원형을 이루는 일단에는 제2 배관(22)과 고정 결합하기 위한 배관플랜지(122)가 구비되고 사각형을 이루는 타단에는 몸체(13)와 고정 결합하기 위한 제2 플랜지(120)가 구비된다.

결국, 상기 제1 장착부재(11)와 제2 장착부재(12)는 소음기(10)와 연결되는 제1 배관(21)과 제2 배관(22)의 크기(직경)에 대응하는 원형 구조의 입구 혹은 출구를 형성하게 되고, 후술될 사각형 구조의 몸체(13)와 대응하는 동일한 구조의 사각형 구조의 타단을 구비하게 된다.

계속해서 몸체(13)는 상기 제1 장착부재(11)와 제2 장착부재(12)를 연결하는 부재로서, 기본적으로 사각형 구조를 이루고 있다.

이러한 몸체(13)의 일단에는 상기 제1 장착부재(11)의 제1 플랜지(110)와 결합되는 제3 플랜지(130)가 구비되고, 타단에는 상기 제2 장착부재(12)의 제2 플랜지(120)와 결합되는 제4 플랜지(132)가 구비된다.

도 5를 참조하면 흡음판(135)은 상기 몸체(13)의 내부에 설치 구성되는 것이며, 몸체(13)의 마주하는 내면에 양단이 결합되어 유체의 이동통로를 확보할 수 있도록 소정의 간격을 두고 복수개가 서로 나란하게 설치 구성되어 있다. 이러한 흡음판(135)은 기본적으로 플레이트 형상을 유지하며 몸체(13)의 길이방향(유체 이동방향)으로 길이를 가지며 설치 구성되어 있다.

도 5에 도시된 바로는 흡음판(135)이 상하 수직구조를 이루도록 설치 구성되고 있으나, 이와 달리 좌우 수평구조를 이루도록 설치 구성될 수도 있다. 즉, 실제 몸체(13)의 설치 시 상하 좌우 방향성에 대해서는 제한되지 않는다.

이렇게 본 발명에 의한 배플형 흡음판(135)은 사각형의 몸체(13)의 마주하는 내면에 양단이 결합되는 구조를 이루기 때문에, 복수개의 흡음판(135)이 모두 동일한 구조를 이루게 되며 이로 인하여 제작이 용이하고 대량생산에 효율적이다. 그리고 만약 흡음판(135)의 부분적인 교체를 필요로 할 경우에도 종래 개별적으로 서로 다르게 구성되는 흡음판(32: 도 2참조)과 달리 분리 및 장착이 용이하고 부품 교체 시에도 보다 효율성이 높다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 의한 소음기(10)는 제1,2 장착부재(11,12)와 몸체(13) 및 흡음판(135)에 대한 개별적인 모듈 생산이 가능하게 됨으로 인하여, 부분별 유지보수의 이점이 발생되는 작용효과가 있으며, 더불어 낱개 단위의 부품을 현장으로 이동하여 현장에서 실제 조립 설치 과정을 거치게 됨으로서, 유통이 편리하고 현장에서 이루어지는 실제 설치 작업 시에도 편의를 가진다.

상기 제1,2 배관(21,22)과 연결되는 제1,2 장착부재(11,12), 상기 제1,2 장착부재(11,12)와 연결되는 몸체(13)의 체결수단을 볼트 등 다양한 체결수단으로 이루어질 수 있다.

한편 도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 의한 소음기의 사시도이고, 도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 의한 소음기의 측면 예시도이며, 도 8은 도 7의 B-B선을 따라 취한 단면 예시도이다.

도 6 및 도 7을 참조하면, 본 발명의 다른 실시 예에 의한 소음기(10")는 제1 장착부재(11)와 제2 장착부재(12)는 전술한 일실시 예와 동일한 구성을 이루되, 그 사이를 연결하는 몸체(13)(13")가 복수개로 구성되어 전체적으로 소음기의 길이가 확장된 구조를 이루고 있다.

흔히 소음기는 막연하게 소음을 저감시키는 목적에 집중되지 않고 비용절감을 감안하여 발전엔진 혹은 에어 공급배관의 사양에 대응하여 최적의 소음 저감을 구현할 수 있는 정도의 사양으로 설치 구성되는 것이 일반적이다.

이러한 상황에서 본 발명에 의한 소음기(10")는 다양한 발전엔진이나 에어 공급배관에 따라 그 설치가 자유로워 설치 호환성이 매우 우수한 이점이 발생된다.

여기서 도 8에 도시된 바와 같이, 유체의 이동방향으로 서로 이웃하는 몸체(13)(13")에 장착된 흡음판(135)(135")이 서로 엇갈게 구성되도록 함이 좋다.

이렇게 유체 이동방향을 따라 흡음판(135)(135")의 위치를 서로 엇갈리게 배치함으로서, 몸체(13)(13")를 따라 이동하는 유체의 이동경로를 회유시키게 되고 몸체(13)(13")를 지나는 유체와 흡음판(135)(135")의 접촉시간을 늘려 소음 저감의 특성을 향상시킬 수 있는 작용효과가 발생된다.

물론 도 6 내지 도 8에 도시된 바와 달리 필요에 따라 3개 이상의 몸체를 더 연장하여 설치 시공할 수 있으며, 이러한 경우에도 서로 이웃하는 몸체에 장착되는 흡음판의 위치를 서로 엇갈리게 구성하여 소음 저감의 특성을 향상시킬 수 있게 한다.

한편, 발전용 디젤엔진 흡기소음을 위한 흡음형 소음기의 실제 설계 과정을 살펴보면 다음과 같다.

도 9는 흡음형(배플형) 소음기의 개략도를 보이는 것이다. 본 발명의 실시 예에서와 같이 이러한 배플(Baffle)형 흡읍판(135)은 발전용 디젤엔진의 흡기소음에서와 같이 고주파수 대역이 지배적인 환경에서 효과적이며, 유체의 유동을 최대한 방해하지 않으면서 즉, 낮은 배압 특성과 넓은 주파수 대역에서 높은 감음 특성을 가져야하고, 그 설치가 간편해야 하는 조건을 최고로 만족할 수 있는 소음기의 형태이다. 이러한 흡음판(135)을 구성함에 있어, 가장 중요한 것은 흡음판(135)의 두께(2d)와 이웃하는 흡음판(135)의 사이의 간극(2h)으로써, 상기 흡음판(135)의 두께는 파동과 전파 상수와 관련되어 있고, 상기 흡음판(135)의 간극은 최대 감음 성능을 얻을 수 주파수를 결정하게 된다. 한편 흡음재는 전파 상수와 관련되어 있고, 비음향임피던스(specific acoustic impedance) 혹은 유동비저항(flow resistivity)으로 정량화된다.

흡음형 소음기의 감음량(Sound attenuation), △Ll은 소음기의 총 길이(l)와 유로 단면의 둘레(P)에 비례하고, 유로의 단면적(A)에 반비례 한다. 이를 식으로 나타내면 다음과 같다.

식 (1)

여기서 Lh는 하나의 흡음판의 형상과 흡음재 특성, 주파수, 온도 등에 의해서 결정되는 정규화된 소음감음치(normalized sound attenuation)이다. 흡음판의 높이가 흡음판의 간극보다 훨씬 큰 경우 P/A는 l/h로 근사화된다. 또한 흡음형(배플형) 소음기는 흡음판에 의한 흡음 외에도 입구와 출구에서의 면적 변화 등에 의한 임피던스 부정합으로 인한 추가적인 감음이 일어난다. 따라서 흡음형 소음기의 최종 감음 성능은 입구 감음과 흡음판 감음을 합한 것으로 다음과 같은 식으로 표현될 수 있다.

식 (2)

흡음형 소음기는 도 10과 같이 양면이 흡음재로 이루어진 소음 덕트로 모델링 할 수 있으며, x 방향으로는 음파가 오른쪽으로 전파되는 것으로 정식화할 수 있고 y 방향으로는 채널 간극에 해당되는 정재파로 정식화된다. 이는 아래와 같이 파동 방정식의 일반해로 기술할 수 있다.

식 (3)

정규화된 소음감음치 Lh는 상기 파동방정식과 그에 해당하는 경계조건을 대입하여 수치해석 방법으로 구할 수 있으며 최종적으로 다음과 같은 식으로 나타내어진다.

식 (4)

여기서 ki 는 소음기 길이 방향의 파수이며, 매질의 특성 임피던스와 흡음재료의 특성 등에 의해 결정된다.

이를 바탕으로 하여 육상발전용 디젤 발전기에 일반적으로 사용되는 흡음형 소음기에 대해서 Lh 값을 계산하게 된다. 흡음재로 사용되는 유리섬유(Glass wool)의 유동 비저항은 약 7,000 Ns/m4 정도이고, 매질(공기)의 특성 임피던스는 30℃ 기준으로 406 kg/㎡/sec 이다.

도 11은 해당 유동저항에 대해 계산된 감음 특성 곡선, Lh 값을 보인 그래프이다. 보통은 제일 큰 감음량이 채널 폭과 파장이 일치하는 영역에서 발생하나, 이 경우 채널폭이 파장의 35%에 해당하는 대역에서 최대 감음량을 보이고 있다. 계산된 Lh 값을 사용하여 전체 감음 성능을 평가하였으나 1kHz 이상의 고주파 대역에서 과도하게 계산되었으며 이는 유동소음 및 흡음재 마감처리 등에 의한 효과 때문에 실제로는 나올 수 없는 수준이었다. 따라서 계산값과 실제의 차이를 줄이기 위해 실물 테스트를 통해서 보정해 나가는 과정이 필요하다.

즉, 소음기 모델에 대한 성능 계측은 소음기 삽입 전/후의 음압의 차, 즉 삽입 손실(insertion loss) 계측을 통하여 수행하고 성능 시험 결과를 도 12에 나타내었다. 이 결과를 바탕으로 하여 삽입손실 예측에서 사용되었던 Lh 값을 튜닝 하였으며, 이는 실측 결과에서 얻은 Lh를 통해서 소음기의 효과적인 설계에 유용하게 사용할 수 있기 때문이다. 계측 결과에서 기존 흡기 소음기의 Lh를 다음의 식 (5)을 이용하여 도출하였다.

식(5)

결과적으로, 도 13에 나타난 튜닝된 Lh 값을 기반으로 흡음형 소음기의 최적 형상을 설계하게 된다.

(10),(10") : 소음기
(11) : 제1 장착부재
(110) : 제1 플랜지
(12) : 제2 장착부재
(120) : 제2 플랜지
(13),(13") : 몸체
(130) : 제3 플랜지
(132) : 제4 플랜지
(135),(135") : 흡음판
(21) : 제1 배관
(22) : 제2 배관

Claims (3)

1. 제1 배관(21)과 제2 배관(22)을 연결하도록 설치되는 소음기에 있어서,
   상기 제1 배관(21)과 일단이 결합되고 타단에는 사각의 제1 플랜지(110)가 구비되는 제1 장착부재(11);
   상기 제2 배관(22)과 일단이 결합되고 타단에는 사각의 제2 플랜지(120)가 구비되는 제2 장착부재(12);
   일단이 상기 제1 플랜지(110)와 결합되고 타단이 상기 제2 플랜지(120)와 결합되는 사각형의 몸체(13); 및
   상기 몸체(13)의 마주하는 내면에 양단이 결합되는 복수개의 플레이트형 흡음판(135);으로 이루어진 것을 특징으로 하는 모듈형 소음기.
2. 제1항에 있어서,
   상기 몸체(13)는 복수개로 이루어지며,
   서로 이웃하는 몸체(13)에 장착되는 흡음판(135)은 유체 이동방향에 대해 서로 엇갈리게 배치된 것을 특징으로 하는 모듈형 소음기.
3. 제1항에 있어서,
   상기 몸체(13)의 일단에는 상기 제1 플랜지(110)와 결합되는 제3 플랜지(130)가 구비되고, 타단에는 상기 제2 플랜지(120)와 결합되는 제4 플랜지(132)가 구비된 것을 특징으로 하는 모듈형 소음기.

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