WO2010103813A1 - 積層複合管 - Google Patents

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WO2010103813A1
WO2010103813A1 PCT/JP2010/001676 JP2010001676W WO2010103813A1 WO 2010103813 A1 WO2010103813 A1 WO 2010103813A1 JP 2010001676 W JP2010001676 W JP 2010001676W WO 2010103813 A1 WO2010103813 A1 WO 2010103813A1
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pipe
vibration
tube
laminated composite
inner tube
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PCT/JP2010/001676
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French (fr)
Inventor
豊武孝太郎
杉本明男
Original Assignee
神鋼メタルプロダクツ株式会社
株式会社神戸製鋼所
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    • F01N2470/00—Structure or shape of gas passages, pipes or tubes
    • F01N2470/14—Plurality of outlet tubes, e.g. in parallel or with different length

Definitions

  • the present invention relates to a laminated composite pipe used when exhausting from a vibration source such as a prime mover.
  • Patent Document 1 proposes an exhaust manifold (exhaust manifold, hereinafter simply referred to as a manifold) used for automobiles and an exhaust pipe applied thereto.
  • the exhaust pipe is connected to each cylinder of the engine and is installed to bundle the exhaust system into one, and a fiber material between an outer pipe having a concentric cross section and an inner pipe inside thereof. It is the structure which provided the support layer which consists of.
  • the outer tube is formed of a metal tube such as a steel tube, an aluminum tube, or a titanium tube
  • the inner tube is formed of an inorganic matrix composite material such as an inorganic polymer or an aluminum silicate-based geopolymer.
  • Patent Document 1 describes that the fiber material forming the support layer is ceramic fiber, ceramic fiber sheet, silica fiber, alumina fiber, zirconium fiber, and alumina borosilicate fiber.
  • the exhaust pipe is excellent in heat insulation, and the inner pipe is deteriorated so that it can cope with the exhaust system temperature and the exhaust gas flow rate and acceleration conditions to which the inner pipe is exposed. It is properly held by the support layer inside the outer tube without damage.
  • Patent Document 2 proposes a vibration-damping double metal tube in which an outer tube and an inner tube each made of metal are arranged with a gap of 10 to 150 ⁇ m for use in an automobile exhaust system. ing.
  • the vibration damping effect is improved by providing a minute gap that can contact each other by vibration.
  • this vibration-damping double metal tube does not use a filler that is altered by heating, there is no performance change and the like, and an excellent vibration damping effect is stably achieved over a long period of time.
  • the conventional exhaust pipes and the like have the following problems. Since the exhaust pipe of Patent Document 1 is connected to the engine as a manifold and is arranged only in a part of the exhaust system, it is configured to suppress vibration caused by pulsation to the exhaust pipe due to exhaust from the engine. It wasn't. Further, the vibration-damping double metal tube described in Patent Document 2 can obtain a certain amount of vibration-damping properties, but when the pulsation due to exhaust from the engine increases, the outer tube and the inner tube come into contact with each other. Since it is a metal tube, a loud sound is generated. Further, since there is a very small gap between the outer tube and the inner tube, it is difficult to suppress the release of heat.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and has an excellent heat insulating effect and an improved vibration damping effect, so that the overall configuration of an exhaust system used as an exhaust pipe is smaller than the conventional one.
  • An object of the present invention is to provide a laminated composite pipe that can be used.
  • a laminated composite pipe according to the present invention is a laminated composite pipe used by being connected to a vibration source, and is arranged so as to be coaxial with an inner pipe and outside the inner pipe.
  • An outer tube and a vibration-insulating heat insulating material provided between the inner tube and the outer tube, and the inner tube and the outer tube are different from each other in a metal tube having different natural frequencies or the same natural frequency. It was set as the structure which is a metal pipe used as a different vibration mode.
  • the laminated composite pipe according to the present invention includes any one of the manifold, the catalyst unit, and the silencer in the exhaust system that exhausts the exhaust gas from the prime mover through the manifold, the catalyst unit, and the silencer. It is good also as a laminated composite pipe
  • the vibration-insulating and heat insulating material and its vibration are transmitted before the vibration of one metal tube of the inner tube or the outer tube due to this vibration is transmitted to the other metal tube. Since it is transmitted to the air contained inside, it is attenuated and then transmitted to the other metal tube. Furthermore, since the natural frequency of the inner tube and the outer tube are different from each other, at least one metal tube is difficult to vibrate because the vibration frequency from the vibration source is different from the natural frequency, and one metal tube has its natural vibration. Even when a large number of vibrations (natural vibrations) occur, this vibration is hardly transmitted to the other metal tube, and the vibration of the laminated composite tube as a whole is suppressed.
  • the inner tube and the outer tube are metal tubes with different vibration modes for the same natural frequency, even if the vibration from the vibration source has the same frequency as this natural frequency, the respective vibrations cancel each other out. To be suppressed.
  • a laminated composite pipe is used in the exhaust system with the prime mover as a vibration source, when exhaust gas is exhausted from the prime mover, the pressure pulsation accompanying the exhaust is transmitted from the inside of the inner pipe, causing the inner pipe to vibrate.
  • the vibration of the inner pipe is transmitted to the outer pipe after being attenuated by the vibration-insulating heat insulating material, and further, the vibration of the outer pipe cancels each other, so that the vibration is hardly transmitted from the outer pipe to the outside.
  • the laminated composite pipe can withstand even a high-temperature exhaust gas of several hundred degrees Celsius exhausted from the prime mover by using a metal pipe as the inner pipe.
  • the laminated composite pipe since the laminated composite pipe has a laminated structure as a whole and further includes an anti-vibration heat insulating material in the intermediate layer of the laminated structure, the laminated composite pipe can be configured to have excellent heat insulation.
  • the natural frequencies of the inner tube and the outer tube are different or the same.
  • the metal tube vibrates with a large amplitude (natural vibration) if its frequency matches its own natural frequency (natural vibration). If they do not match, they will oscillate to some extent at their natural frequencies. That is, the natural frequency of the inner tube and the outer tube is the same, and the natural frequency of the inner tube and the outer tube is the same.
  • the natural frequencies of the inner tube and the outer tube are different from each other means that there is a difference between the natural frequencies so that one does not vibrate when the other vibrates.
  • the inner tube and the outer tube are different vibration modes for the same natural frequency
  • one specific frequency is, for example, the natural frequency in the primary vibration mode of the inner tube, and It means the natural frequency (including the approximate frequency) in the secondary vibration mode of the outer tube.
  • the number of fixed points called vibration nodes is different in the traveling direction of the vibration wave, and it is higher in the higher vibration mode than in the lower vibration mode (See FIG. 3 described later). Therefore, in such a laminated composite tube, when the inner tube and the outer tube vibrate at the same natural frequency, for example, the inner tube vibrates in the primary vibration mode and the outer tube vibrates in the secondary vibration mode.
  • the number of the vibration nodes is different, at least a part of the vibration nodes are not opposed to each other. For this reason, a portion of the inner tube and a portion of the outer tube that opposes the inner tube are deformed in directions opposite to each other, and the respective vibrations are suppressed to cancel each other.
  • the inner pipe and the outer pipe are formed of different metal materials or have different cross-sectional shapes.
  • the laminated composite tube can have different natural frequencies of the inner tube and the outer tube, or different vibration modes for the same natural frequency, and as described above, is generated by the vibration source. It can be set as the structure which suppresses and attenuates a vibration.
  • the outer tube is preferably a steel tube, a titanium tube, or an aluminum tube
  • the inner tube is preferably a steel tube or a titanium tube.
  • the outer tube is a titanium tube and the inner tube is a stainless steel tube.
  • the vibration-insulating heat insulating material is preferably filled with glass fiber or ceramic fiber, or inorganic powder or particles.
  • the laminated composite pipe according to the present invention, a ridge is formed along a pipe axis direction on one or both of the outer peripheral surface of the inner pipe and the inner peripheral face of the outer pipe, and the inner pipe and the inner pipe
  • the laminated composite tube can have different natural frequencies between the inner tube and the outer tube, or can have different vibration modes at the same natural frequency, as described above, suppressing the vibration caused by the vibration source. It can be configured to attenuate.
  • the vibration transmitted from the inside of the pipe is attenuated, and it is difficult to transmit to the outside.
  • the generation of sound to the outside can be suppressed.
  • the laminated composite pipe is excellent in heat insulation and does not let the heat in the pipe escape, the circulated exhaust gas is maintained at a high temperature, and the combustion can be promoted.
  • the laminated composite pipe 1 according to the first embodiment of the present invention is used for an exhaust system of exhaust gas discharged from, for example, an automobile engine (prime mover).
  • the exhaust path 10 is connected to each cylinder (cylinder) of the engine 100 (in the engine cylinder block of FIG. 1), and a manifold 11 bundled together, and a catalytic device 13.
  • the intermediate silencer (silencer) 14, the silencer 15, and the exhaust pipes 12 a, 12 b, and 12 c connecting them are configured to discharge exhaust gas discharged from the engine 100 to the outside of the vehicle.
  • the laminated composite pipe 1 is used between the catalyst 13 and the intermediate silencer 14 and between the silencers 14, 15 as exhaust pipes 12 b, 12 c connecting the catalyst stage 13 to the rear stage (the vehicle outside).
  • the exhaust pipe 12 a between the manifold 11 and the catalyst device 13 may be replaced with the laminated composite pipe 1.
  • the laminated composite pipe 1 includes a circular inner pipe 2 and an outer pipe 4 outside the circular pipe, each of which is made of metal and provided with a concentric cross section, and the inner pipe 2 and the outer pipe. 4 is provided with an anti-vibration heat insulating material 3 provided in a cylindrical shape.
  • the inner tube 2 and the outer tube 4 are composed of metal tubes that have different natural frequencies or different vibration modes for the same natural frequency.
  • the “cross section” is a plane perpendicular to the tube axis direction unless otherwise specified.
  • the inner pipe 2 includes pulsations generated due to exhaust gas exhaust from the engine 100 and mechanical vibrations propagated from the engine 100 when the laminated composite pipe 1 is used in an exhaust system (exhaust path 10) of an automobile. It is necessary to have a bending rigidity that can sufficiently withstand, and a corrosion resistance and heat resistance against exhaust gas that circulates inside.
  • the metal material which forms such an inner tube 2 is selected from, for example, a steel material such as a stainless material or a titanium material.
  • the inner tube 2 preferably has a wall thickness in the range of 0.1 to 2 mm.
  • the wall thickness of the inner tube 2 is more preferably in the range of 0.5 to 1 mm.
  • the inner diameter may be designed according to the flow rate of the exhaust gas in the exhaust passage 10.
  • the outer diameter is preferably in the range of about 30 mm or more and less than 60 mm.
  • the inner tube 2 preferably has a natural frequency higher than this frequency.
  • the natural frequency of the metal tube is determined by the density and Young's modulus of the material and the shape and size (wall thickness, diameter) of the cross section. The higher the rate, the higher the natural frequency.
  • the material of the inner tube 2 is desirably high in rigidity, that is, has a high Young's modulus as described above.
  • a metal having a higher Young's modulus in proportion to the density It is more desirable to select the material.
  • the anti-vibration heat insulating material 3 is provided in a state in contact with at least one of the outer peripheral surface of the inner tube 2 and the inner peripheral surface of the outer tube 4, and is formed so as to have anti-vibration properties, sound absorption properties, and heat insulation properties.
  • the vibration-insulating and heat insulating material 3 is sufficiently high because the inner pipe 2 has a high surface temperature of 500 to 800 ° C. due to the exhaust gas flowing inside it.
  • Formed of a material having excellent heat resistance. Such a material has a melting point of 1000 ° C.
  • the glass include potash glass, lead crystal glass, semi-crystal glass, and borosilicate glass.
  • a material selected from these is used as a glass fiber or ceramic fiber, for example, a sheet having a gap between the fibers so that the surface density is 250 to 3500 g / m 2 , and a cross-section with the inner tube 2 and the outer tube 4. Is formed in a cylindrical shape having a concentric shape, and the vibration-insulating heat insulating material 3 is obtained.
  • the vibration-insulating heat insulating material 3 may be obtained by filling a material obtained by processing the material into a granular form with a gap between the inner tube 2 and the outer tube 4 so as to be freely movable.
  • grain, hollow glass, shirasu, a hollow shirasu (shirasu balloon), etc. are applicable, and if it is a hollow granule body, heat insulation will improve further.
  • the anti-vibration heat insulating material 3 formed as described above is easily deformed and absorbs vibrations more easily than the metal material forming the inner tube 2 and the outer tube 4. It is difficult to convey to the outer tube 4.
  • the vibration-insulating heat insulating material 3 makes it difficult to transfer heat to the outside, and the temperature of the exhaust gas flowing inside the laminated composite pipe 1 (inside the pipe) is reduced. Prevents extreme decline. By preventing the temperature in the pipe from being lowered by the vibration insulating heat insulating material 3, it is possible to assist the promotion of combustion of the exhaust gas while the exhaust gas is circulating. Further, when the laminated composite pipe 1 is used particularly for the exhaust pipe 12 a connected to the manifold 11, the temperature of the exhaust gas flowing into the catalyst device 13 is increased to improve the catalytic performance of the catalyst device 13.
  • the anti-vibration heat insulating material 3 preferably has a thickness in the range of 0.1 to 12 mm. If the wall thickness is less than 0.1 mm, the above-mentioned vibration-proofing and heat-insulating effects cannot be exhibited, and if it exceeds 12 mm, the diameter of the outer tube 4 increases, that is, the outer diameter of the laminated composite tube 1 increases.
  • the outer tube 4 needs to have sufficient strength to withstand mechanical vibration propagating from the engine 100 and corrosion resistance to the installation environment when the laminated composite tube 1 is used in an automobile exhaust system.
  • the metal material forming such an outer tube 4 is selected from, for example, a steel material such as a stainless steel material, a titanium material, and an aluminum material (including an aluminum alloy material).
  • the outer tube 4 preferably has a thickness in the range of 0.3 to 2 mm. Although it depends on the metal material forming the outer tube 4 and the required strength, the strength is insufficient when the thickness is less than 0.3 mm, and the weight increases when the thickness exceeds 2 mm.
  • the diameter of the outer tube 4 may be designed in accordance with the diameter of the inner tube 2 and the thickness of the vibration isolating and heat insulating material 3. However, if the diameter is excessive with respect to the inner tube 2, the weight increases and the laminated composite This is not preferable because the outer diameter of the tube 1 is increased and the exhaust system including the laminated composite tube 1 is increased in size.
  • the outer tube 4 preferably has an outer diameter of about 60 mm or less.
  • the outer tube 4 is selected from a metal material and designed in size (thickness, diameter) so as to have a natural frequency different from that of the inner tube 2.
  • vibration is transmitted from the inside by exhaust gas flowing inside, and further mechanical vibration of the engine itself due to operation of the engine is excited. Then, vibration propagates also in the pipe axis direction from one end on the engine side (upstream) to the other end on the discharge side (downstream).
  • a vibration When a vibration is transmitted from the inside of a metal tube (hereinafter referred to as a tube), the inner surface is pressurized / depressurized and has a pressure distribution in the cross-sectional direction. Will occur. Specifically, if the tube is formed in a cylindrical shape (circular tube), a part of its peripheral surface is deformed so that it moves outward, while another part moves inward, and each part is transmitted to the tube. It reciprocates between the outside and inside according to the vibrations. Since the outwardly deforming part and the inwardly deforming part are staggered in the circumferential direction, the deformation form of the cross section of the metal tube 2 is a shape like a petal as shown by a solid line and a two-dot chain line in FIG.
  • FIG. 3 the stationary state of the metal tube 2 is indicated by a one-dot chain line.
  • a vibration node hereinafter, appropriately referred to as a node
  • a vibration antinode a point at which the displacement (amplitude) is maximum.
  • the vibration of the vibrating body attenuates as the propagation distance (distance from the vibration source) increases.
  • a frequency is called a natural frequency
  • the metal tube vibrates at the natural frequency
  • the amplitude is significantly larger than the amplitude of the vibration source.
  • FIG. 3A shows a modified form of the cross section when the metal tube 2 vibrates at the lowest, that is, the natural frequency fc 1 of the primary vibration mode.
  • the cross section of the metal tube 2 is deformed into an ellipse whose major axis is a certain direction (longitudinal direction in FIG. 3) in the radial direction indicated by the solid line, it is orthogonal to the direction indicated by the two-dot chain line at the next moment.
  • the shape is deformed into an ellipse having a major axis in the direction (horizontal direction in FIG. 3), and vibrates so as to repeat this alternately.
  • the natural frequency is mainly based on the shape and size of the vibrating body, and the Young's modulus E and density ⁇ of the material. Based on the shape and size of the vibrating body, for example, the longer the traveling direction length of the vibration wave of the vibrating body (here, the circumferential length of the cross section), the lower the natural frequency.
  • R is the radius of a circle passing through the center line of the cross-sectional thickness (thickness) of the circular tube.
  • Ic is the moment of inertia of the cross section perpendicular to the traveling direction of the vibration wave (circumferential direction in the cross section)
  • ⁇ is the weight per unit area
  • b is the length in the depth direction (length in the tube axis direction)
  • the plate thickness (thickness) Is represented by the following formulas (2) and (3), respectively.
  • the natural frequency fc of the metal tube 2 is proportional to the square root of Young's modulus (E) and the inverse of the square root of density ( ⁇ ) as a metal material, and the size (dimension) of the circular tube is as follows: It is proportional to the reciprocal of the square of the diameter (2R) and the wall thickness (h).
  • the inner tube 2 and the outer tube 4 having the same (or similar) cross-sectional shape constitute a concentric double tube, so that at least the diameter 2R is the inner tube.
  • the outer tube 4 is larger than 2.
  • the wall thickness h and the metal material which are other elements, are the same in the inner tube 2 and the outer tube 4, the natural frequency fco of the outer tube 4 in the same vibration mode. Can be made lower (fci> fco), i.e. different natural frequencies.
  • the inner tube 2 and the outer tube 4 are combined depending on these elements.
  • the wall thickness and the like may be set within an allowable range so that the natural frequencies of the two do not become the same (fci ⁇ fco).
  • the inner tube 2 is made of stainless steel, which is particularly excellent in heat resistance and strength.
  • the tube 4 it is possible to apply titanium to reduce the weight of the laminated composite tube 1.
  • the laminated composite pipe 1 configured as described above is used, for example, as an exhaust pipe in an automobile exhaust system, the following effects are exhibited.
  • the two types of vibration are propagated through the laminated composite pipe 1, and this vibration further propagates to the intermediate silencer 14, the exhaust pipe 12 c (laminated composite pipe 1), and the silencer 15.
  • the amplitude generally decreases (decays) as the distance from the vibration source increases, but the pressure pulsation associated with the exhaust is in contrast to the mechanical vibration where only the engine is the vibration source. Since the exhaust gas that circulates inside is a direct vibration source, vibration attenuation due to the distance from the engine is small. Therefore, here, the vibration of the laminated composite pipe 1 due to the pressure pulsation accompanying the exhaust will be described. At this time, first, vibration is transmitted to the inner tube 2 from the inside to the outside.
  • vibration is transmitted from the inner tube 2 to generate bending vibration that deforms its cross section as shown in FIG.
  • the frequency of vibration transmitted to the inner tube 2 does not match or approximate any of the natural frequencies fci (fci 1 , fci 2 , fci 3 ,...) Of the inner tube 2.
  • the amplitude of the bending vibration of the inner tube 2 is small, and therefore the vibration transmitted to the outer tube 4 is also small, and the vibration of the laminated composite tube 1 as a whole is small.
  • the inner tube 2 vibrates greatly, and the vibration is transmitted to the outside.
  • the frequency of pressure pulsation approximates a certain natural frequency fci of the inner tube 2 but does not coincide, the inner tube 2 vibrates at the natural frequency fci. The same applies to the outer tube 4.
  • FIG. 4 the cross sections of the inner tube 2 and the outer tube 4 are shown with the plate thickness omitted, and each stationary state (circular shape) is shown by a one-dot chain line.
  • the inner tube 2 is a metal tube whose pressure pulsation frequency is the natural frequency fci 1 of the primary vibration mode, the cross-sectional shape of the inner tube 2 alternates between the solid line in FIG. Vibrates repeatedly.
  • this vibration is transmitted from the inner tube 2 that vibrates as described above to the anti-vibration heat insulating material 3 disposed in contact with the outer surface of the inner tube 2 (referred to as natural vibration propagation).
  • the vibration-insulating heat insulating material 3 is formed of a fibrous or granular material with a gap, it behaves like a kind of cushioning material and transmits vibration to the outer tube 4 outside thereof. It is suppressed and reduced, and the portion deformed to the outside of the inner tube 2 is prevented from coming into contact with the inner surface of the outer tube 4.
  • the vibration from the inner tube 2 is also transmitted to the air between the inner tube 2 and the outer tube 4 (gap in the vibration isolating heat insulating material 3) (referred to as air vibration propagation), but the narrow gap in the vibration isolating heat insulating material 3
  • the air vibration is also reduced by the resistance when air passes through (referred to as orifice effect). Therefore, the vibration generated from the inner tube 2 due to these effects is attenuated and transmitted to the outer tube 4 arranged so as to be in contact with the outside of the vibration isolating heat insulating material 3.
  • the natural frequency of the outer tube 4 is different from that of the inner tube 2, and the frequency of vibration transmitted to the outer tube 4 (the frequency of vibration of the inner tube 2) is the natural frequency fco (fco of the outer tube 4). 1 , fco 2 , fco 3 ,...)),
  • the amplitude of the vibration of the outer tube 4 is small, so that the vibration transmitted to the outside of the laminated composite tube 1 is also small.
  • the outer tube 4 does not vibrate so much, the vibration of the inner tube 2 that is in close proximity via the vibration isolating heat insulating material 3 is suppressed to some extent.
  • the outer tube 4 vibrates greatly. Since the frequency of pressure pulsation does not coincide with or approximate the natural frequency fci of the inner tube 2, even if the vibration of the inner tube 2 is small, this frequency coincides with one of the natural frequencies fco of the outer tube 4 or If approximate, the outer tube 4 vibrates with a certain amplitude. However, in this case, the inner tube 2 does not vibrate so much that the vibration of the outer tube 4 is suppressed.
  • the inner tube 2 and the outer tube 4 vibrate at a common natural frequency, both vibrate greatly.
  • the inner tube 2 and the outer tube 4 vibrate in different vibration modes.
  • the outer tube 4 is, for example, a metal tube that vibrates at the natural frequency fco 2 of the secondary vibration mode having six vibration nodes.
  • the outer tube 4 vibrates by alternately repeating the solid line of FIG. 4 and FIG. 3B and the phantom line shown by the two-dot chain line in the same manner as the inner tube 2, but the number of nodes is the same as that of the inner tube 2.
  • the positions of the nodes of the inner tube 2 and the outer tube 4 are at least partially different (not opposed). Therefore, as shown in FIG. 4, even if a portion (antinode) on the peripheral surface of the inner tube 2 tends to be deformed outward, the portion of the peripheral surface of the outer tube 4 facing this portion or in the vicinity thereof is inward. In this case, the vibrations are suppressed so as to cancel each other.
  • the vibration transmitted to the outer tube 4 is reduced by the anti-vibration heat insulating material 3, the vibration of the outer tube 4 is further suppressed. Therefore, the vibration transmitted to the inner tube 2 by the exhaust gas flowing through the tube becomes 1/5 or less of the vibration or 1/10 or less of the vibration when transmitted from the outer tube 4 to the outside.
  • the natural frequency of the inner tube 2 and the outer tube 4 is different (the number of vibration nodes is the same). Therefore, if the inner tube 2 and the outer tube 4 are configured so that the natural frequency fc 1 (see equation (5)) in the same vibration mode, for example, the primary vibration mode is different (fci 1 ⁇ fco 1 ), it is common.
  • There is no natural frequency in the range of the frequency generated in the exhaust system), or even in the same natural frequency, it is in a different vibration mode.
  • the outer tube 4 has a larger diameter (2R) than the inner tube 2, so that the thickness (h) and the characteristics of the metal material are increased.
  • the natural frequency fc in the same vibration mode is usually smaller in the outer tube 4 (for example, fci 1 > fco 1 ).
  • the outer tube 4 vibrates in a higher-order vibration mode than the inner tube 2.
  • fci 1 fco 2 (or fci 1 ⁇ fco 2 )
  • the inner tube 2 vibrates in the primary vibration mode and the outer tube 4 vibrates in the secondary vibration mode, respectively.
  • the vibration is suppressed.
  • the vibration modes of the inner tube 2 and the outer tube 4 are different so that the respective vibrations are suppressed so as to cancel each other. become. Therefore, even if the frequency of vibration acting from the outside changes, the effect of suppressing vibration propagation from the inner tube 2 to the outer tube 4 is maintained.
  • the vibration propagation of the laminated composite tube 1 has been described with respect to the suppression of the vibration propagating from the inside to the outside, that is, from the inner tube 2 to the outer tube 4, but the vibration propagation from the outer tube 4 to the inner tube 2 has been described.
  • one metal tube suppresses the vibration of the other metal tube, or cancels the vibrations with each other, and the vibration is suppressed by the vibration isolating heat insulating material 3, the vibration propagating in this way. Of course, it can be effectively suppressed.
  • the inner pipe 2 is heated by the heat of the exhaust gas flowing inside, but the heat released from the inner pipe 2 to the outside is the air filled in the fibers of the vibration isolating heat insulating material 3. Is not easily transmitted to the outer tube 4. That is, the vibration isolating heat insulating material 3 suppresses propagation from the inner tube 2 to the outer tube 4 not only for vibration but also for heat. As a result, it is difficult for heat to escape from the outer tube 4 and further to the outside of the exhaust gas, that is, it is difficult to cool the exhaust gas, and the temperature does not extremely decrease while flowing through the laminated composite tube 1.
  • the inner pipe and the outer pipe are formed as circular pipes having the same cross-sectional shape (concentric circular shape) and different sizes (diameters), or further different in thickness and type of metal material.
  • the natural frequency is set to be different
  • the method of suppressing and reducing the vibration by the combination of the inner tube and the outer tube is not limited to this.
  • the design range of metal material type, diameter, and wall thickness is restricted by strength, heat resistance, exhaust flow rate, etc., and there is a sufficient difference in natural frequency between the inner tube and outer tube under these constraints.
  • it can be constituted by an inner tube and an outer tube formed in different cross-sectional shapes as follows.
  • the inner tube, the outer tube, and the anti-vibration heat insulating material constituting the laminated composite pipe according to each of the following embodiments are the same as the laminated composite pipe according to the first embodiment unless otherwise stated (type of material, meat Thickness range, etc.), and the same elements are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
  • the laminated composite pipe 1C according to the second embodiment has a double pipe structure in which the inner pipe 2C and the outer pipe 4C, which are circular pipes, are arranged concentrically in cross section as in the first embodiment.
  • Projections 22 and 42 are formed along the tube axis direction (longitudinal direction) on the outer peripheral surface 2C and on the inner peripheral surface of the outer tube 4C, respectively.
  • the protrusions 22 and 42 of the inner tube 2C and the outer tube 4C are provided at positions that do not face each other.
  • two ridges 22 of the inner tube 2C are formed vertically (vertical) and two ridges 42 of the outer tube 4C are formed right and left (horizontal).
  • the laminated composite pipe 1C has different cross-sectional shapes between the inner pipe 2C and the outer pipe 4C.
  • the size and shape of the protrusions 22 and 42 are not particularly limited, but the height (radial length) of the inner pipe 2C and the outer pipe 4C is the protrusions 22 and 42 in the vibration of the laminated composite pipe 1C.
  • the inner tube 2C and the outer tube 4C are configured to vibrate independently as in the first embodiment.
  • the anti-vibration heat insulating material 3 is provided between the inner tube 2C and the outer tube 4C so as to come into contact with the surfaces of the protrusions 22 and 42.
  • the inner tube 2C and the outer tube 4C having such a shape have a circumferential surface whose thickness is locally thick due to the protrusions 22 and 42 in the cross section, and in vibration that the cross section is deformed (see FIGS. 3 and 4). Since this thick portion is difficult to deform, it is easily fixed as a fixed point (vibration node or fulcrum). Therefore, regardless of the vibration mode, the inner tube 2C and the outer tube 4C have different vibration node positions (not opposed to each other), so that the inner tube 2C and the outer tube 4C may vibrate at the same frequency. Each vibration is suppressed so as to cancel each other.
  • the inner pipe 2C and the outer pipe 4C may have a sufficient difference in natural frequency depending on the type, diameter, and thickness (excluding the protrusions 22 and 42) of the metal material. Even if it is not possible, the protrusions 22 and 42 can make the deformation forms in the natural vibration different from each other. Therefore, similarly to the first embodiment, the laminated composite pipe 1C according to the second embodiment cancels each vibration even if the vibration is transmitted from the vibration source and the inner pipe 2C and the outer pipe 4C vibrate. As a result, when the vibration transmitted from the vibration source to the inner tube 2C is transmitted from the outer tube 4C to the outside, the vibration is 1/5 or less, or 1/10 or less of the vibration.
  • tube 1E which concerns on the modification of 2nd Embodiment is the outer pipe which formed the protrusion 42 in the inner pipe 2 which is a circular pipe without a protrusion, and an internal peripheral surface. 4E is combined.
  • a thick portion where the protrusion 42 is formed is a fixed point in vibration with a deformed cross section. As easy to be fixed.
  • the outer tube 4E Since the outer tube 4E has three protrusions 42 formed uniformly in the circumferential direction, the positions of three fixed points (vibration nodes or fulcrums) in the cross section are determined. Therefore, the outer tube 4E vibrates so that there are vibration nodes of multiples of 3 and even numbers, that is, multiples of 6, second-order (see FIG. 3B), fifth-order, eighth-order,. It is easy to be limited to the mode, and the frequency of natural vibration is reduced. That is, the inner tube 2 and the outer tube 4E are unlikely to vibrate at the same time, and for example, even if the inner tube 2 tries to vibrate, it is suppressed by the outer tube 4E.
  • tube 2 which is a circular pipe (smooth pipe
  • the protrusions 22 and 42 of the inner pipe 2C and the outer pipes 4C and 4E are formed along (in parallel with) the pipe axis direction.
  • it may be formed in a spiral shape (helical) by being inclined with respect to the tube axis (not shown).
  • the inner pipe and the outer pipe are formed as circular pipes having protrusions formed on the peripheral surface thereof, so that the inner pipe and the outer pipe are configured in different cross-sectional shapes.
  • the vibration deformation mode and the natural frequency are different from each other, the inner tube and the outer tube of the laminated composite pipe according to the present invention are not limited to the circular pipe. That is, you may comprise by the inner tube
  • the cross-sectional shapes of the inner tube and the outer tube are different includes the direction in which the inner tube and the outer tube are arranged in the laminated composite tube, for example, an elliptical shape so that the aspect ratio of the cross-sectional shape is different.
  • a metal tube formed in a round shape may be disposed.
  • the inner pipe 2A and the outer pipe 4A each having an elliptical cross-sectional shape are aligned at the center (tube axis). That is, they are arranged concentrically and elliptically, but their major axis directions are arranged orthogonal to each other.
  • the anti-vibration heat insulating material 3 is provided in a cylindrical shape between the inner tube 2A and the outer tube 4A as in the first embodiment, and the thickness is not uniform so as to contact both, but the first embodiment It is preferable to be in the same range as the form.
  • the inner tube 2A and the outer tube 4A having such shapes are not uniform in the circumferential direction in their cross-sectional curvatures. Therefore, in the deformation mode in cross-sectional vibration (see FIG. 3), The size (wavelength) is not uniform.
  • the curvatures at the opposed portions of the peripheral surfaces of the inner pipe 2A and the outer pipe 4A are different, so that the vibration deformation form and natural frequency are different, or the same natural frequency is obtained.
  • the vibration mode is different.
  • the laminated composite tube 1B according to the modified example of the third embodiment includes a circular inner tube 2, And the outer tube
  • the laminated composite pipe 1B having such a configuration has different or same vibration deformation forms and natural frequencies at the opposing portions of the peripheral surfaces of the inner pipe 2 and the outer pipe 4A.
  • the vibration mode varies with the natural frequency. Accordingly, in the laminated composite pipes 1A and 1B according to the third embodiment and the modified example, the vibration is transmitted from the vibration source and the inner pipes 2A and 2 and the outer pipe 4A vibrate, as in the first embodiment. However, when vibrations transmitted from the vibration source to the inner pipes 2A and 2 are transmitted from the outer pipe 4A to the outside, the vibrations are reduced to 1/5 or less of the vibrations, or 1/10 or less.
  • a laminated composite pipe 1D according to the fourth embodiment includes an inner pipe 2D and an outer pipe 4D each having a square cross-sectional shape, and an anti-vibration heat insulating material 3 therebetween. It has.
  • the inner tube 2D and the outer tube 4D are configured to have different natural frequencies or different vibration modes for the same natural frequency, like the inner tube and the outer tube of the laminated composite pipe according to each of the above embodiments. .
  • transformation form of the cross section in the vibration of the inner tube 2D and the outer tube 4D since one side of the cross section is constituted by a straight line (at rest), the rod-like vibration body vibrates in a vibration deformation form of a beam, It deforms so that it undulates outside and inside around the stationary side (straight line).
  • the natural frequency of the Nth-order vibration mode of a beam having a length l between both supports supported at both ends is expressed by the following equation (6).
  • l in Expression (6) is the length W of one side of the cross section.
  • the cross-sectional secondary moment I is the same as the formula (2). From these, the Nth-order natural frequency fs of each side in the cross section of the inner tube 2D and the outer tube 4D can be expressed by the following equation (7).
  • the laminated composite pipe 1D is provided with a sufficient difference in the length (W) of one side of the cross section between the inner pipe 2D and the outer pipe 4D (the vibration-proof heat insulating material 3 is sufficiently provided). Or a different metal material or different thickness (h). Or similarly to 2nd Embodiment and its modification (refer FIG. 5 (a), (b)), a protrusion is provided in the position which is one side of the inner tube
  • the inner pipe and the outer pipe have different natural frequencies or different vibration modes for the same natural frequency.
  • the metal material, the plate thickness, or the cross-sectional shape are different, and the vibration-insulating heat insulating material is inserted between the inner pipe and the outer pipe, resulting in pressure pulsation caused by exhaust gas flowing inside and the vibration of the prime mover.
  • the vibration of the tube is suppressed and reduced, and the heat insulation is excellent.
  • the laminated composite pipe which concerns on each embodiment of this invention demonstrated the place to be used as piping (exhaust pipe) in the exhaust system from the engine (motor
  • sample preparation As the inner tube, a smooth tube made of stainless steel (hereinafter referred to as SUS) having a tube diameter (outer diameter) of 40.8 mm and a wall thickness of 0.8 mm was cut into a length of 1000 mm and applied. As shown in Table 1, glass wool was wound around the outer side of the inner tube in a single or double manner as an anti-vibration heat insulating material. This was used as a specimen by passing a 1000 mm-long smooth tube made of SUS or titanium (see Ti in Table 1) having a wall thickness and a tube diameter shown in Table 1 as an outer tube.
  • SUS stainless steel
  • a smooth tube made of SUS having a tube diameter of 50.8 mm and a wall thickness of 1.2 mm was used as a comparative example (test material No. 5).
  • the theoretical values fci 1 and fco 1 of the primary natural frequency in the cross section vibration and the ratio of the natural frequencies of the inner and outer tubes (fco 1 / fci 1 ) Is calculated based on Equation (5) and shown in Table 1.
  • SUS has a density of 8.03 g / cm 3
  • titanium has a density of 4.51 g / cm 3
  • Young's modulus 106 GPa.
  • the surface density of the test material is also shown in Table 1.
  • a detector 105 (pickup) of the vibrometer 106 was connected to the outer peripheral surface at distances L 1 and L 2 in the tube axis direction (distance from the excitation point).
  • the frequency of sound pressure excitation and the frequency of mechanical excitation are 500 Hz, 1 kHz, and 2 kHz (1/1 octave band), respectively, and the amplitude is 3 steps (Low (Low), Mid (Medium), High (high)).
  • the volume velocity sensor 104 sensor
  • a waveguide 103 made of a flexible tube are provided in the opening of the speaker.
  • a sound source 102 was connected, and vibration was performed by changing the frequency and amplitude. Note that the frequency and amplitude are based on changes in volume velocity in the tube of the specimen 101 in the vicinity of the excitation point measured by the volume velocity sensor 104.
  • an excitation force sensor is formed by making a hole near one end (outer tube, anti-vibration heat insulating material, inner tube) of one end of the specimen 101 as an excitation point.
  • a vibration exciter 107 was connected through this hole via 108 (sensor), and the vibration and the amplitude were measured by the vibration force sensor 108, and the outer tube and the inner tube were vibrated simultaneously.
  • FIG. 9 and FIG. 10 show the change from 700 mm to 700 mm in graphs according to frequency or frequency.
  • test material No. 5 As shown in FIGS. 9 and 10, all the test materials including the comparative example (test material No. 5) tend to attenuate the vibration when the distance from the excitation point is increased from 10 mm to 700 mm. However, the sound pressure excitation was less attenuated than the mechanical excitation. This is because mechanical vibration is attenuated mainly by propagating along the tube wall of the specimen (inner pipe, outer pipe) in the direction of the pipe axis, whereas sound pressure excitation is mainly inside the pipe of the specimen. It can be inferred that it propagates directly from the air to the specimen (inner pipe). Moreover, when each test material is compared, the test material No. No. 5 is specimen No. Compared with 1 to 4, the sound pressure excitation and mechanical excitation as a whole were less attenuated by distance.
  • the wall thickness of the outer tube was 1.5 times larger than the inner tube, so the theoretical value of the primary natural frequency could be increased by 20% or more for the outer tube than for the inner tube.
  • Specimen No. 1 is the other test material No.
  • the difference in natural frequency (theoretical value) between the inner tube and outer tube was small and the effect was slightly small, but the vibration-proof insulation material provided between the inner tube and the outer tube vibrated. Because of the absorption of the test material No. The attenuation by the distance was larger than 5, and the vibration damping effect by the laminated composite pipe of the present invention was confirmed.

Abstract

　断熱効果および制振効果の両方を得ることができ、使用される排気系全体としての構成を従来のものよりも小さくすることが可能な積層複合管を提供する。振動源に接続して使用される積層複合管１であって、内管２と、この内管の外側に同軸となるように配置した外管４と、内管２と外管４の間に設けた防振断熱材３とを備え、内管２と外管４が、互いに異なる固有振動数となる金属管、または同じ固有振動数に対して異なる振動モードとなる金属管である構成とした。

Description

積層複合管
　本発明は、原動機等の振動源からの排気を行うときに使用される積層複合管に関する。
　一般に、原動機（エンジン）を動力源として駆動する自動車等の多くは、エンジンからの排出ガスを排気管を介して車外に排出している。このような排気管には、排出ガスの熱を外に逃がさないための断熱性や、エンジンの振動の伝搬および排気に伴う振動に対する制振性を得るために、積層構造としているものがある（例えば、特許文献１，２参照）。
　特許文献１には、自動車に使用される排気マニホールド（エキゾーストマニホールド、以下、単にマニホールドという）およびこれに適用される排気管が提案されている。前記排気管は、エンジンの各シリンダに接続されて排気系を一本に束ねるために設置されるもので、断面を同心円状に配置された外管とその内側の内管との間に繊維材料からなる支持層を設けた構成である。そして、外管は、例えば鋼管、アルミニウム管、あるいはチタン管のような金属管で形成され、内管は、無機ポリマーやアルミケイ酸塩主体のジオポリマー等の無機マトリックス複合材で形成されている。また、支持層を形成する繊維材料は、セラミックス繊維およびセラミック繊維シート、ならびにシリカ繊維、アルミナ繊維、ジルコニウム繊維、アルミナホウケイ酸繊維であることが、特許文献１に記載されている。
　このように構成された排気管では、排気管が断熱性に優れ、また排気系の温度、ならびに内管が晒される排出ガスの流量および加速の各条件に対応できるように、内管が、劣化や損傷することなく、外管の内側で支持層により適切に保持されている。
　また、特許文献２には、自動車の排気系に使用するための、それぞれが金属からなる外管と内管とを、１０～１５０μｍの間隙を設けて配置した制振性二重金属管が提案されている。このように構成された二重金属管では、振動で互いに接触可能な微小な間隙を設けることにより制振効果が向上する。さらにこの制振性二重金属管では、加熱により変質するような充填材を用いていないため、性能変化等もなく、優れた制振効果を長期にわたって安定して奏する。
特表２００９－５０４９６８号公報 特開平２－１８０４００号公報
　しかしながら、前記従来の排気管等は、以下に示すような問題点が存在していた。特許文献１の排気管は、マニホールドとしてエンジンに接続されるもので、排気系の一部分に限定して配置されるものであるため、エンジンからの排気による排気管に対する脈動により生じる振動を抑制する構成ではなかった。また、特許文献２に記載の制振性二重金属管は、ある程度の制振性を得ることはできるが、エンジンからの排気による脈動が大きくなると、外管と内管とが接触し、それぞれが金属管であるために大きな音が発生してしまう。また、外管と内管の間が極めて小さな隙間であるため、熱の放出を抑制することが困難であった。
　本発明は前記問題点に鑑みてなされたものであって、断熱効果に優れ、かつ制振効果を向上させて、排気管として使用される排気系の全体としての構成を従来のものよりも小さくすることが可能な積層複合管を提供することを目的とする。
　前記課題を解決するために、本発明に係る積層複合管は、振動源に接続して使用される積層複合管であって、内管と、この内管の外側に同軸となるように配置した外管と、前記内管と外管の間に設けた防振断熱材とを備えており、前記内管と外管が、互いに異なる固有振動数となる金属管または同じ固有振動数に対して異なる振動モードとなる金属管である構成とした。
　なお、本発明に係る積層複合管は、原動機から、マニホールド、触媒器、および消音器を介して外部に排出ガスを排出する排気系において、マニホールド、触媒器、および消音器のそれぞれの間のいずれかを互いに接続するために使用される積層複合管としてもよい。
　かかる構成により積層複合管は、振動源から振動を伝えられたときに、この振動による内管または外管の一方の金属管の振動が、他方の金属管に伝わる前に防振断熱材およびその内部に含まれる空気に伝わるので、減衰されてから前記他方の金属管に伝わる。さらに内管と外管は、固有振動数が互いに異なるので、少なくとも一方の金属管は振動源からの振動の振動数と固有振動数が異なるので振動し難く、また一方の金属管がその固有振動数で大きく振動（固有振動）した場合もこの振動は他方の金属管には伝わり難く、積層複合管全体としての振動は抑制される。または内管と外管は、同じ固有振動数に対して異なる振動モードの金属管なので、振動源からの振動がこの固有振動数と同じ振動数であっても、それぞれの振動が互いに打ち消し合うように抑制される。特に、原動機を振動源として積層複合管が排気系に使用された場合は、原動機から排出ガスが排気される際に、内管の内側から排気に伴う圧力脈動が伝わって内管が振動しても、内管の振動は外管には防振断熱材で減衰されて伝わり、さらに外管の振動と互いに打ち消し合うため、外管から外側へは振動が伝わり難い。また、積層複合管は、特に内管を金属管とすることにより、原動機から排出される数百℃の高温の排出ガスが流通しても耐えることができる。また、積層複合管は、全体として積層構造であり、さらにこの積層構造の中間層に防振断熱材を備えるため、断熱性にも優れた構成とすることができる。
　ここで、本発明において、「内管と外管の固有振動数が互いに異なる、または同じである」とは、以下の状態を指す。金属管は、外部から作用する振動の振幅が微小であっても、その振動数が自身の固有振動数と一致していればその振動数で大きな振幅で振動する（固有振動）が、振動数が一致しなくとも近似していれば自身の固有振動数である程度大きく振動する。すなわち内管と外管の固有振動数が一致または近似し、同じ振動が作用することで内管と外管が共に固有振動するような場合を、内管と外管の固有振動数が同じであるとする。したがって、反対に、内管と外管の固有振動数が互いに異なるとは、一方が固有振動しても他方は固有振動しない程度に互いの固有振動数に差があるということを指す。
　また、本発明において、「内管と外管が同じ固有振動数に対して異なる振動モードである」とは、ある１つの振動数が、例えば内管の１次振動モードにおける固有振動数、かつ外管の２次振動モードにおける固有振動数であること（近似する振動数を含む）を指す。そして、同一の管において異なる振動モードでの振動では、振動の波の進行方向において振動の節と呼ばれる不動点の数が異なり、低次の振動モードに比べて高次の振動モードでは多くなる（後述する図３参照）。したがって、このような積層複合管において、前記の内管と外管が同じ固有振動数で振動する場合、例えば内管は１次振動モード、外管は２次振動モードで振動するとなると、それぞれの振動の節は数が異なるので、その少なくとも一部は対向しない位置となる。そのため、内管のある部分とこれに対向する外管の部分は互いに反対方向に変形しようとして、それぞれの振動が互いに打ち消し合うように抑制される。
　また、本発明に係る積層複合管は、前記内管と外管が、異種の金属材料で形成されている、または異なる断面形状である構成をしている。かかる構成により、積層複合管は、内管と外管の固有振動数を異なるものとする、または同じ固有振動数に対して異なる振動モードとすることができ、前記したように、振動源によって生じる振動を抑制、減衰させる構成とすることができる。
　また、外管は鋼管、チタン管、またはアルミニウム管であることが好ましく、内管は鋼管またはチタン管であることが好ましい。さらに、外管がチタン管であり、内管がステンレス管であることが好ましい。また、防振断熱材は、ガラス繊維またはセラミック繊維、あるいは無機系の粉体または粒体を充填したものであることが好ましい。
　また、本発明に係る積層複合管は、前記内管の外周面および前記外管の内周面の一方または両方に、管軸方向に沿って突条が形成され、かつ、前記内管および前記外管の両方に前記突条が形成された場合には、前記両方のそれぞれの突条が互いに対向しない位置に設けられる構成としてもよい。かかる構成により積層複合管は、内管と外管とで固有振動数が異なるものとする、または同じ固有振動数で異なる振動モードとすることができ、前記したように振動源によって生じる振動を抑制、減衰させる構成とすることができる。
　本発明に係る積層複合管は、特に管内から伝えられる振動が減衰されて、外部へ伝わり難いので、自動車等の排気系における排気管に使用すると、原動機からの排出ガスの脈流による振動が減衰されて外部への音の発生を抑制できる。さらに、積層複合管は、断熱性に優れて管内の熱を外に逃がさないため、流通する排出ガスが高温で維持され、その燃焼の促進を補助することができる。
本発明に係る積層複合管を備える排気経路におけるエンジンからの振動の伝搬を説明する模式図である。 本発明の第１実施形態に係る積層複合管の構成を示す模式図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は一部を切り欠いて示す斜視図である。 本発明に係る積層複合管の振動時における内管および外管の断面の変形形態を説明する模式図であり、（ａ）は１次振動モード、（ｂ）は２次振動モード、（ｃ）は３次振動モードである。 本発明に係る積層複合管の振動時における内管と外管の断面の変形形態の違いを説明する模式図である。 （ａ）、（ｂ）は、本発明の第２実施形態およびその変形例に係る積層複合管の構成を模式的に示す断面図である。 （ａ）、（ｂ）は、本発明の第３実施形態およびその変形例に係る積層複合管の構成を模式的に示す断面図である。 本発明の第４実施形態に係る積層複合管の構成を示す模式図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は斜視図である。 積層複合管の実施例における制振性評価の方法を説明する模式図であり、（ａ）は音圧加振、（ｂ）は機械加振である。 積層複合管の実施例における供試材の、加振点からの距離が１０ｍｍおよび７００ｍｍにおける音圧加振による単位加振力あたりの振動速度を示すグラフであり、音圧加振の周波数が、（ａ）は５００Ｈｚ、（ｂ）は１ｋＨｚ、（ｃ）は２ｋＨｚである。 積層複合管の実施例における供試材の、加振点からの距離が１０ｍｍおよび７００ｍｍにおける機械加振による単位加振力あたりの振動速度を示すグラフであり、機械加振の振動数が、（ａ）は５００Ｈｚ、（ｂ）は１ｋＨｚ、（ｃ）は２ｋＨｚである。 積層複合管の実施例における供試材の、音圧加振による単位加振力あたりの振動速度の距離依存性を示すグラフであり、音圧加振（振幅：Ｌｏｗレベル）の周波数が、（ａ）は５００Ｈｚ、（ｂ）は１ｋＨｚ、（ｃ）は２ｋＨｚである。 積層複合管の実施例における供試材の、機械加振による単位加振力あたりの振動速度の距離依存性を示すグラフであり、機械加振（振幅：Ｌｏｗレベル）の振動数が、（ａ）は５００Ｈｚ、（ｂ）は１ｋＨｚ、（ｃ）は２ｋＨｚである。
〔第１実施形態〕
　以下、本発明の実施形態に係る積層複合管について図面を参照して説明する。
　本発明の第１実施形態に係る積層複合管１は、例えば自動車のエンジン（原動機）から排出される排出ガスの排気系に使用される。排気系の一例として、排気経路１０は、図１に示すように、エンジン１００（図１のエンジンシリンダブロック内）の各シリンダ（気筒）に接続されて一本に束ねるマニホールド１１、および触媒器１３、中間消音器（消音器）１４、消音器１５、ならびにこれらを接続する排気管１２ａ，１２ｂ，１２ｃから構成され、エンジン１００から排出される排出ガスを車外に排出するように構成されている。排気経路１０において、積層複合管１は、触媒器１３から後段（車外側）を接続する排気管１２ｂ，１２ｃとして、触媒器１３と中間消音器１４の間および消音器１４，１５の間に使用されている。さらに、マニホールド１１と触媒器１３の間の排気管１２ａを積層複合管１に置き換えてもよい。
　図２に示すように、積層複合管１は、それぞれが金属で形成されて断面形状が同心円状に設けられた円管の内管２およびその外側の外管４と、内管２と外管４との間に筒状に設けられた防振断熱材３とを備える。内管２と外管４とは、互いに異なる固有振動数、あるいは同じ固有振動数に対して異なる振動モードとなるような金属管で構成される。なお、本明細書において「断面」とは、記載のない場合は管軸方向に垂直な面とする。
　（内管）
内管２は、積層複合管１が自動車の排気系（排気経路１０）に使用された場合に、エンジン１００からの排出ガスの排出に伴って発生する脈動、およびエンジン１００から伝搬する機械的振動に対して十分耐えることができる曲げ剛性と、内側を流通する排出ガスに対する耐食性および耐熱性を有している必要がある。このような内管２を形成する金属材料は、例えば、ステンレス材等の鋼材、あるいはチタン材から選択される。また、内管２は、その肉厚を０．１～２ｍｍの範囲とすることが好ましい。内管２を形成する金属材料や必要な強度等にもよるが、肉厚が０．１ｍｍ未満であると強度が不十分であり、２ｍｍを超えると重量が増大するため積層複合管１の軽量化の観点から好ましくない。内管２の肉厚は、さらに好ましくは０．５～１ｍｍの範囲である。また、内管２の径（断面の直径）については、内径を排気経路１０の排気の流量等に応じて設計すればよい。例えば、自動車の排気系（排気経路１０）においては、外径で約３０ｍｍ以上６０ｍｍ未満の範囲とすることが好ましい。
　さらに内管２は、前記脈動に伴う断面内の曲げ振動を抑制するため、この振動数に対して高い固有振動数とすることが好ましい。ここで、金属管の固有振動数は、後述するように、材料の密度およびヤング率、ならびに断面の形状および大きさ（肉厚、径）によって決定され、材料については密度が小さいほど、またヤング率が高いほど固有振動数が高くなる。例えば内管２の材料は、前記した通り、剛性が高いすなわち高ヤング率であることが望ましいが、内管２の固有振動数を高くする場合、さらに密度との割合いにおいてヤング率が高い金属材料を選択することがより望ましい。
　（防振断熱材）
防振断熱材３は、内管２の外周面および外管４の内周面の少なくとも一方に接触した状態で設けられ、防振性、吸音性、および断熱性を備えるように形成される。また、防振断熱材３は、積層複合管１が自動車の排気系に使用された場合に、内管２がその内側を流通する排出ガスにより表面温度５００～８００℃の高温となるため、十分な耐熱性を有する材料で形成される。このような材料としては、融点１０００℃以上の、例えば、アルミナ、ジルコニア、ハイドロキシアパタイト、炭化ケイ素、窒化ケイ素、蛍石、チタン酸バリウム、窒化ホウ素、フェライト、ステアタイト等のセラミックス、あるいはソーダガラス、カリガラス、鉛クリスタルガラス、セミクリスタルガラス、ホウケイ酸ガラス等のガラスが挙げられる。これらから選択した材料を、ガラス繊維やセラミック繊維として、例えば面密度が２５０～３５００ｇ／ｍ2となるように繊維間に隙間を有するシート状にしたものを、内管２および外管４と断面が同心円状になる筒状に形成して、防振断熱材３とする。あるいは、前記材料を粉粒体状に加工したものを、内管２と外管４の間に、自由に移動できる程度に隙間を有して充填して防振断熱材３としてもよい。なお、粉粒体の材料としては、中空ガラス、シラス、中空シラス（シラスバルーン）等も適用でき、特に中空粒状体であれば、断熱性がいっそう向上する。これらのように形成された防振断熱材３は、内管２および外管４を形成する金属材料と比較して容易に変形してより大きく振動を吸収するので、内管２からの振動を外管４に伝え難くする。
　また、積層複合管１が自動車の排気系に使用された場合に、防振断熱材３が熱を外部に伝え難くして、積層複合管１の内側（管内）を流通する排出ガスの温度が極端に低下することを防止している。この防振断熱材３により管内の温度の低下を防止することで、排出ガスが流通する間にその排出ガスの燃焼の促進を補助することができる。さらに、積層複合管１が特にマニホールド１１に接続された排気管１２ａに使用された場合には、触媒器１３に流入する排出ガスの温度を高くして触媒器１３の触媒能を向上させる。なお、防振断熱材３は、その肉厚を０．１～１２ｍｍの範囲とすることが好ましい。肉厚が０．１ｍｍ未満であると前記の防振および断熱効果が発揮できず、１２ｍｍを超えると外管４の径が大きくなり、すなわち積層複合管１の外径が大きくなるので好ましくない。
　（外管）
外管４は、積層複合管１が自動車の排気系に使用された場合に、エンジン１００から伝搬する機械的振動に対して十分耐えることができる強度と、設置環境に対する耐食性を有している必要がある。このような外管４を形成する金属材料は、例えば、ステンレス材等の鋼材、チタン材、アルミニウム材（アルミニウム合金材を含む）から選択される。また、外管４は、その肉厚を０．３～２ｍｍの範囲とすることが好ましい。外管４を形成する金属材料や必要な強度等にもよるが、肉厚が０．３ｍｍ未満であると強度が不十分となり、２ｍｍを超えると重量が増大するため積層複合管１の軽量化の観点から好ましくない。なお、外管４の径は、内管２の径および防振断熱材３の肉厚に応じて設計すればよいが、内管２に対して過大にすると、重量が増大する上、積層複合管１の外径が大きくなって当該積層複合管１を備える排気系等が大型化するので好ましくない。例えば、自動車の排気系（排気経路１０）においては、外管４の径は、外径で約６０ｍｍ以下とすることが好ましい。さらに外管４は、内管２と異なる固有振動数となるように、次に説明するように、金属材料を選択、および大きさ（肉厚、径）を設計する。
　（円管の振動における変形形態および固有振動数）
ここで、本発明の実施形態に係る積層複合管の内管、外管の固有振動数を説明するため、１つの金属管（円管）の振動における変形形態について図３を参照して説明する。なお、内管２、外管４をまとめて金属管２として説明する。金属管は、外部（金属管以外）の振動源により振動が伝えられたとき、弾性変形によりその形状が変形するような曲げ振動（適宜、振動という）が発生する。本発明の実施形態に係る積層複合管は、自動車の排気系に使用されたとき、内側を流通する排出ガスによって内側から振動が伝えられ、さらにエンジンの稼動によるエンジン自身の機械的振動が加振され、エンジン側（上流）の一端から排出側（下流）の他端へと管軸方向にも振動が伝搬する。
　金属管（以下、適宜、管という）は、内側から振動が伝えられたとき、その内面が加圧・減圧され、また断面方向に圧力分布を伴うため、その断面形状が変形するような曲げ振動が発生する。詳しくは、管が円筒形（円管）に形成されていれば、その周面のある部分は外側へ、同時に別のある部分は内側へ移動するように変形し、それぞれの部分は管に伝えられる振動に応じて外側と内側とに往復移動する。この外側へ変形する部分と内側へ変形する部分とは周方向に互い違いになるため、金属管２の断面の変形形態は、図３に実線と二点鎖線とで示すように花びらのような形状になって、外側と内側とに交互に波打つように振動（曲げ振動）する。なお、図３において、金属管２の静止状態は一点鎖線で示す。このとき、管の断面において振動（移動）しない点が存在し、この点を振動の節といい（以下、適宜、節という）、また、変位（振幅）の最大となる点を振動の腹という（以下、適宜、腹という）。
　通常、振動体（金属管）の振動は、伝搬する距離（振動源からの距離）が長くなるにしたがい減衰する。しかし、外部から作用する振動の振幅が微小であっても振動体に大きな振幅の曲げ振動が発生するような振動数が、同一の振動体について複数存在する。このような振動数を固有振動数といい、金属管が固有振動数で振動するとき、その振幅は振動源の振幅よりも著しく大きくなる。同一の振動体における複数の固有振動数について、振動数の低い順から、１次振動モード、２次振動モード、３次振動モード、・・・といい、高次の振動モードほど振動の節の数が増加する。
　図３（ａ）は、金属管２が、最も低い、すなわち１次振動モードの固有振動数ｆc1で振動するときの断面の変形形態である。詳しくは、金属管２の断面が、実線で示す径方向におけるある方向（図３の縦方向）を長軸とする楕円形に変形した後、次の瞬間に二点鎖線で示す前記方向と直交する方向（図３の横方向）を長軸とする楕円形に変形し、これを交互に繰り返すように振動する。このとき、断面において見かけ上全く振動しない点すなわち節は４個であり、これが円管として最小の振動の節の数であり、最も低次の１次振動モードである。そして、次に低い固有振動数ｆc2で、すなわち２次振動モードでは、図３（ｂ）に示すように、６個の節が存在するように３枚の花びらのような形状の断面に変形して振動する。さらに次の３次振動モードとなる固有振動数ｆc3では、図３（ｃ）に示すように、８個の節が存在する。このように、同じ管でも、高次の振動モードほど節の数が多くなり、異なる振動モードでは断面の変形形態が異なって振動する。このような円管の、径方向の振動における(ｎ－１)次振動モードの固有振動数ｆcは、下式（１）で表される（ｎ＝２，３，４，・・・）。固有振動数は、主に振動体の形状と大きさ、ならびに材料のヤング率Ｅと密度ρに基づく。振動体の形状と大きさに基づくとは、例えば振動体の、振動の波の進行方向長（ここでは断面の周の長さ）が長いほど固有振動数が低くなる。
 
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000001
Ｒは円管の断面の厚さ（肉厚）中心線を通る円の半径である。Ｉcは振動の波の進行方向（断面における周方向）に垂直な断面２次モーメント、γは単位面積あたりの重量であり、奥行方向長（管軸方向長）をｂ、板厚（肉厚）をｈとすると、それぞれ下式（２）、（３）で表すことができる。これらから式（１）を変形すると、下式（４）となる。さらに１次振動モードの固有振動数ｆc1は下式（５）となる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000003
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000004
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000005
　このように、金属管２の固有振動数ｆcは、金属材料としては、ヤング率（Ｅ）の平方根、密度（ρ）の平方根の逆数に比例し、円管の大きさ（寸法）としては、径（２Ｒ）の２乗の逆数、肉厚（ｈ）に比例する。本実施形態に係る積層複合管１においては、同じ（または相似する）断面形状の内管２と外管４が同心円状の二重管を構成しているので、少なくとも径２Ｒについては、内管２より外管４の方が大きい。したがって、他の要素である肉厚ｈならびに金属材料（ヤング率Ｅおよび密度ρ）を内管２と外管４とで同じとすれば、同じ振動モードにおいて、外管４の固有振動数ｆcoの方を低く（ｆci＞ｆco）、すなわち互いに異なる固有振動数とすることができる。一方、必要とする径、強度等の点から、内管２と外管４で異なる金属材料を適用し、あるいは異なる肉厚とする場合は、これらの要素の組合せによって内管２と外管４の固有振動数が同じとならない（ｆci≠ｆco）ように、許容範囲内で肉厚等を設定すればよい。なお、内管２と外管４で異なる金属材料を適用する例としては、積層複合管１が自動車の排気系に使用される場合、内管２は耐熱性および強度の特に優れたステンレス、外管４は積層複合管１の軽量化のためにチタンを適用することが挙げられる。
　以上のように構成された積層複合管１は、例えば自動車の排気系における排気管に使用されると、以下の作用を奏する。
　（振動の伝搬）
エンジン１００が稼動することにより振動すると、図１に示すように、その振動（機械的振動）がマニホールド１１、排気管１２ａ、および触媒器１３を経由して、積層複合管１（排気管１２ｂ）の管壁（外管４および内管２）に伝搬する。また、エンジン１００から排出ガスが排出されて、マニホールド１１、排気管１２ａ、および触媒器１３のそれぞれの内部（管内）を経由して、積層複合管１（排気管１２ｂ）内に流入すると、排出ガスが流通するときに積層複合管１にその内側から圧力脈動が伝搬する。積層複合管１はこれら２種類の振動が伝搬されて振動し、さらにこの振動は中間消音器１４、排気管１２ｃ（積層複合管１）、消音器１５へと伝搬する。振動の伝搬においては、一般的に振動源からの距離が長くなるにしたがい振幅が小さくなる（減衰する）が、エンジンのみが振動源である機械的振動に対して、排気に伴う圧力脈動は、内側を流通する排出ガスが直接の振動源であるため、エンジンからの距離による振動の減衰が小さい。したがって、ここでは、排気に伴う圧力脈動による積層複合管１の振動について説明する。このとき、まず内管２にその内側から外側に向けて振動が伝わる。
　前記した通り、内管２は、内側から振動が伝えられて、図３に示すようにその断面が変形するような曲げ振動が発生する。内管２に伝えられた振動（以下、圧力脈動として示す）の振動数が、内管２の固有振動数ｆci（ｆci1，ｆci2，ｆci3，・・・）のいずれとも一致・近似しない場合は、内管２の曲げ振動の振幅は小さく、したがって外管４に伝えられる振動も小さく、積層複合管１全体としての振動が小さくなる。一方、圧力脈動の振動数が、内管２の固有振動数ｆciのいずれかと一致または近似している場合は、内管２は大きく振動して、その振動は外側へ伝わることになる。なお、圧力脈動の振動数が、内管２のある固有振動数ｆciに一致ではなく近似する場合は、内管２は当該固有振動数ｆciで振動する。これは、外管４についても同様である。
　以下、図４を参照して、積層複合管１における内管２から防振断熱材３、外管４への、断面の振動の伝搬を説明する。なお、図４において、内管２および外管４の断面は板厚を省略して示し、またそれぞれの静止状態（円形）は一点鎖線で示す。内管２が、圧力脈動の振動数が１次振動モードの固有振動数ｆci1となる金属管である場合、その断面形状は、図４の実線と二点鎖線で示す仮想線とを交互に繰り返して振動する。
　次に、前記のように振動する内管２から、この振動が内管２の外側表面に接触して配置される防振断熱材３に伝わる（固有振動伝搬という）。しかし、防振断熱材３は、繊維状または粉粒体状の材料を隙間を有して形成されているため、一種のクッション材のように振る舞い、その外側の外管４への振動伝搬を抑制、低減させ、また内管２の外側に変形した部分が外管４の内面に接触することを防止する。また、内管２からの振動は内管２と外管４との間（防振断熱材３における隙間）にある空気にも伝わる（空気振動伝搬という）が、防振断熱材３における狭い隙間を空気が通過するときの抵抗により、空気振動も低減する（オリフィス効果という）。したがって、これらの効果により内管２から生じた振動は減衰されて、防振断熱材３の外側に接するように配置された外管４に伝わる。
　ここで、外管４が内管２とは固有振動数が異なり、外管４に伝えられた振動の振動数（内管２の振動の振動数）が外管４の固有振動数ｆco（ｆco1，ｆco2，ｆco3，・・・）のいずれとも一致・近似しない場合は、外管４の振動の振幅は小さく、したがって積層複合管１の外側へ伝わる振動も小さくなる。また、この外管４があまり振動しないことにより、防振断熱材３を介して近接する内管２の振動がある程度抑制される。一方、内管２の振動の振動数が、外管４の固有振動数ｆcoのいずれかと一致または近似している場合は、外管４は大きく振動することになる。なお、圧力脈動の振動数が内管２の固有振動数ｆciと一致・近似しないために内管２の振動が小さくとも、この振動数が、外管４の固有振動数ｆcoのいずれかと一致または近似している場合は、外管４はある程度の振幅で振動する。ただし、この場合は、内管２があまり振動しないことにより、外管４の振動が抑制される。
　これに対して、内管２と外管４が共通する固有振動数で振動する場合は、共に大きく振動することになる。ただし、この振動数（内管２と外管４の共通する固有振動数）において、内管２と外管４とでは異なる振動モードで振動する。具体的には、図４に示すように、外管４は、例えば振動の節が６個となる２次振動モードの固有振動数ｆco2で振動する金属管とする。このとき、外管４は、内管２と同様に図４および図３（ｂ）の実線と二点鎖線で示す仮想線とを交互に繰り返して振動するが、節の数が内管２と異なるため、内管２と外管４のそれぞれの節の位置が少なくとも一部で異なる（対向しない）ことになる。したがって、図４に示すように、内管２の周面のある部分（腹）が外側へ変形しようとしても、この部分と対面する外管４の周面の部分またはその近傍にある腹が内側へ変形しようとして、それぞれの振動が互いに打ち消し合うように抑制されることになる。
　さらに、外管４に伝えられた振動は防振断熱材３により低減されているので、外管４の振動はいっそう抑制されたものになる。そのために、管内を流通する排出ガスにより内管２に伝えられた振動は、外管４から外へ伝わるときには、前記振動の１／５以下、あるいは１／１０以下となる。
　このように内管２と外管４が同じ（近似を含む）固有振動数に対して異なる振動モードとなる（例えばｆci1＝ｆco2、またはｆci1≒ｆco2）ということは、同じ振動モードでの（振動の節が同数となる）固有振動数が内管２と外管４で異なることを意味する。したがって、内管２と外管４とが、同じ振動モード、例えば１次振動モードにおける固有振動数ｆc1（式（５）参照）が異なる（ｆci1≠ｆco1）ように構成すれば、共通する固有振動数が（排気系にて発生する振動数の範囲には）存在せず、あるいは同じ固有振動数であっても異なる振動モードにおけるものとなる。金属管の固有振動数ｆcの算出方法（式（４）参照）にて説明した通り、外管４が内管２よりも径（２Ｒ）が大きいため、肉厚（ｈ）や金属材料の特性（√(Ｅ／ρ)）の差にもよるが、同じ振動モードにおける固有振動数ｆcは、通常、外管４の方が小さくなる（例えば、ｆci1＞ｆco1）。この場合、内管２と外管４が共通の固有振動数で振動するとき、外管４は内管２より高次の振動モードで振動する。具体的には、ｆci1＝ｆco2（またはｆci1≒ｆco2）のとき、図４に示すように、内管２は１次振動モードで、外管４は２次振動モードで、それぞれ振動する。
　このように構成されることで、本発明の実施形態に係る積層複合管１においては、圧力脈動やエンジン１００の機械的振動のような外部から作用する振動の振動数によっては、内管２と外管４の少なくとも一方の金属管について、その周面の振動における固有振動数ｆci，ｆcoのいずれとも一致・近似しないために、振動が抑制される。また、図４に示したように、内管２と外管４が同じ固有振動数で振動する場合は、互いの振動モードが異なるために、それぞれの振動が互いに打ち消し合うように抑制されることになる。したがって、外部から作用する振動の振動数が変化しても、内管２から外管４への振動伝搬抑制効果は維持される。また、ここでは、積層複合管１の振動の伝搬について、内側から外側へすなわち内管２から外管４へ伝搬する振動の抑制について説明したが、外管４から内管２への振動の伝搬においても、同様に、一方の金属管が他方の金属管の振動を抑制し、あるいは互いに振動を打ち消し合い、さらに防振断熱材３により振動の伝搬が抑制されるので、このように伝搬する振動に対しても有効に抑制できることは勿論である。
　（熱の伝搬）
また、積層複合管１において、内側を流通する排出ガスの熱により内管２は加熱されるが、内管２から外側へ放出する熱は、防振断熱材３の繊維内に満たされた空気により遮断されて外管４には伝わり難い。つまり、防振断熱材３は、振動だけでなく熱についても、内管２から外管４への伝搬を抑制している。その結果、排出ガスは、外管４、さらにその外に熱が逃げ難く、すなわち冷え難くなっており、積層複合管１内を流通する間に、温度が極端に低下することがない。そのため、積層複合管１内を流通する排出ガスの温度が維持されることで、排出ガスの燃焼の促進を補助して、不完全燃焼により発生する排出ガスの大気汚染原因物質を減らすことができ、さらに高温により触媒器１３の触媒能を向上させることでも大気汚染原因物質を減らすことができる。
　第１実施形態に係る積層複合管は、内管と外管を同じ断面形状（同心円状）で大きさ（径）の異なる円管として、あるいはさらに肉厚や金属材料の種類を異なるものとすることで、固有振動数を異なるものとする構成としたが、内管と外管の組合せにより振動を抑制、低減する方法はこれに限らない。例えば強度や耐熱性、排気の流量等により、金属材料の種類や径、肉厚の設計範囲が制約を受けて、これらの制約下では内管と外管を固有振動数に十分な差のある円管とすることが困難な場合は、以下のように、互いに異なる断面形状に形成した内管と外管とで構成することもできる。なお、以下の各実施形態に係る積層複合管を構成する内管、外管、および防振断熱材は、記載ない限りそれぞれ第１実施形態に係る積層複合管と同じ構成（材料の種類、肉厚の範囲等）とし、さらに同じ要素については同じ符号を付し、説明を省略する。
　〔第２実施形態〕
第２実施形態に係る積層複合管１Ｃは、第１実施形態と同様に円管である内管２Ｃおよび外管４Ｃが断面を同心円状に配置された二重管の構成であるが、内管２Ｃは外周面に、外管４Ｃは内周面に、それぞれ管軸方向（長手方向）に沿って突条２２，４２が形成されている。ここで、内管２Ｃ、外管４Ｃのそれぞれの突条２２，４２は、互いに対向しない位置に設けられる。本実施形態では、図５（ａ）に示すように、内管２Ｃの突条２２は上下（鉛直）に２本、外管４Ｃの突条４２は左右（水平）に２本形成される。すなわち積層複合管１Ｃは、内管２Ｃと外管４Ｃとで断面形状が異なる。なお、突条２２，４２の大きさおよび形状については特に限定しないが、その高さ（径方向長）は、積層複合管１Ｃの振動において、内管２Ｃと外管４Ｃが突条２２，４２で互いに接触しない程度とし、内管２Ｃ、外管４Ｃが第１実施形態と同様にそれぞれ独立して振動する構成とする。また、防振断熱材３は、突条２２，４２の表面も含めて接触するように内管２Ｃと外管４Ｃの間に設けられている。
　このような形状の内管２Ｃ、外管４Ｃは、その断面において突条２２，４２により局所的に肉厚が厚い周面を有し、断面が変形する振動（図３、図４参照）において、この肉厚の厚い箇所が変形し難いために不動点（振動の節または支点）として固定化され易い。したがって、振動モードの同異にかかわらず、内管２Ｃと外管４Ｃとで振動の節の位置が異なる（対向しない）ため、内管２Ｃと外管４Ｃが同じ振動数で固有振動する場合もそれぞれの振動が互いに打ち消し合うように抑制されることになる。
　このように構成した積層複合管１Ｃは、内管２Ｃと外管４Ｃがその金属材料の種類や径、肉厚（突条２２，４２を除く）により固有振動数に十分な差を設けることができなくても、突条２２，４２により固有振動における変形形態を互いに異なる円管とすることができる。したがって、第２実施形態に係る積層複合管１Ｃは、第１実施形態と同様に、振動源から振動が伝えられて内管２Ｃと外管４Ｃとが振動しても、それぞれの振動が互いに打ち消し合うように抑制され、その結果、振動源から内管２Ｃに伝えられた振動は、外管４Ｃから外へ伝わるときには、前記振動の１／５以下、あるいは１／１０以下となる。
　また、内管と外管とで異なる本数の突条を形成したり、一方のみに突条を形成した構成としてもよい。図５（ｂ）に示すように、第２実施形態の変形例に係る積層複合管１Ｅは、突条のない円管である内管２と、内周面に突条４２を形成した外管４Ｅとを組み合わせて構成される。このような形状の外管４Ｅは、第２実施形態に係る積層複合管１Ｃの外管４Ｃと同様に、断面が変形する振動において、突条４２が形成された肉厚の厚い箇所が不動点として固定化され易い。外管４Ｅは、周方向に３本の突条４２が均等に形成されているため、断面において３個の不動点（振動の節または支点）の位置が決定されている。したがって、外管４Ｅは、３の倍数かつ偶数すなわち６の倍数の振動の節が存在するように振動する、２次（図３（ｂ）参照）、５次、８次、・・・の振動モードに限定され易く、固有振動する振動数が少なくなる。すなわち、内管２と外管４Ｅとが同時に固有振動し難く、例えば内管２が振動しようとしても外管４Ｅによって抑制される。
　このように、外管４Ｅのみを固有振動し難くする（１次振動モードの固有振動数ｆco1を高くする）ことで、例えば排気に伴う圧力脈動により内管２が固有振動しても、外管４Ｅを振動し難くすることで内管２の振動も抑制される。また、外管４Ｅのみについて突条４２を形成すればよいので、例えば円管（平滑管）である内管２は剛性の高い鋼管で構成することができる。
　第２実施形態およびその変形例に係る積層複合管１Ｃ，１Ｅにおいては、その内管２Ｃおよび外管４Ｃ，４Ｅの突条２２，４２を管軸方向に沿って（平行に）形成するとしたが、例えば管軸に対して傾斜させて螺旋状に（ヘリカルに）形成してもよい（図示せず）。
　〔第３実施形態〕
第２実施形態とその変形例に係る積層複合管は、内管や外管をその周面に突条を形成した円管とすることで、内管と外管を異なる断面形状に構成して、振動の変形形態や固有振動数を互いに異なるものとしたが、本発明に係る積層複合管の内管および外管は円管に限らない。すなわち、以下の実施形態に係る積層複合管のように、円形以外の断面形状を有する内管および外管で構成してもよい。
　ここで、「内管と外管の断面形状が異なる」とは、積層複合管に配置された状態での向きも含めたものであり、例えば、断面形状の縦横比が異なるように、楕円形（円形含む）あるいは小判型に形成された金属管を配置すればよい。図６（ａ）に示すように、第３実施形態に係る積層複合管１Ａは、それぞれ断面形状が楕円形に形成された内管２Ａおよび外管４Ａが、中心（管軸）を一致させてすなわち同心楕円状に配置されて備えられるが、それぞれの長軸方向が互いに直交して配置されている。なお、防振断熱材３は、第１実施形態と同様に内管２Ａと外管４Ａとの間に筒状に設けられ、両方に接触するように肉厚は均一ではないが、第１実施形態と同様の範囲であることが好ましい。
　このような形状の、すなわち楕円管である内管２Ａとおよび外管４Ａは、その断面の曲率が周方向に一様ではないため、断面の振動における変形形態（図３参照）において、波の大きさ（波長）が一様ではない。このような構成の積層複合管１Ａでは、内管２Ａと外管４Ａの周面の対向する部位での曲率が異なることで、振動の変形形態や固有振動数が異なり、あるいは同じ固有振動数に対する振動モードが異なる。
　また、断面形状の縦横比が異なる内管と外管の組合せとして、図６（ｂ）に示すように、第３実施形態の変形例に係る積層複合管１Ｂは、円管の内管２、および楕円管の外管４Ａが、断面の中心（管軸）を一致させて配置されて備えられている。また、防振断熱材３は、第３実施形態と同様に内管２と外管４Ａとの間に両方に接触するように設けられている。このような構成の積層複合管１Ｂも、第３実施形態と同様に、内管２と外管４Ａのそれぞれの周面の対向する部位での振動の変形形態や固有振動数が異なり、あるいは同じ固有振動数に対して振動モードが異なる。したがって、第３実施形態およびその変形例に係る積層複合管１Ａ，１Ｂは、第１実施形態と同様に、振動源から振動が伝えられて内管２Ａ，２と外管４Ａとが振動しても、それぞれの振動が互いに打ち消し合うように抑制され、その結果、振動源から内管２Ａ，２に伝えられた振動は、外管４Ａから外へ伝わるときには、前記振動の１／５以下、あるいは１／１０以下となる。
　〔第４実施形態〕
本発明に係る積層複合管は、内管および外管が、例えば断面形状が矩形の管で構成されても振動の変形形態や固有振動数が互いに異なる二重管とすることができる。図７（ａ）、（ｂ）に示すように、第４実施形態に係る積層複合管１Ｄは、それぞれ断面形状が正方形の内管２Ｄおよび外管４Ｄ、ならびにこれらの間の防振断熱材３を備えている。
　内管２Ｄおよび外管４Ｄは、前記の各実施形態に係る積層複合管の内管および外管と同じく、異なる固有振動数、あるいは同じ固有振動数に対して異なる振動モードとなるように構成する。なお、内管２Ｄおよび外管４Ｄの振動における断面の変形形態について、断面の一辺は、直線（静止時）で構成されているので、棒状の振動体いわゆる梁の振動の変形形態で振動し、静止時の辺（直線）を中心として外側と内側とに波打つように変形する。両端を支持された、両支持間の長さｌの梁の、Ｎ次振動モードの固有振動数は下式（６）で表される。内管２Ｄおよび外管４Ｄの断面において、式（６）のｌは断面の一辺の長さＷとなる。また、断面２次モーメントＩは式（２）と同じである。これらから、内管２Ｄおよび外管４Ｄの断面における各辺のＮ次の固有振動数ｆsは下式（７）で表すことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000006
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000007
　したがって、第１実施形態と同様に、積層複合管１Ｄは、内管２Ｄと外管４Ｄとで、断面の一辺の長さ（Ｗ）に十分な差を設けた（防振断熱材３を十分に厚くした）り、それぞれ異なる金属材料で、または異なる肉厚（ｈ）として形成する構成にすることができる。あるいは第２実施形態やその変形例（図５（ａ）、（ｂ）参照）と同様に、内管２Ｄおよび外管４Ｄの一方に、または両方であって互いに対向しない位置に突条を設ける構成にすることができる。このように構成することで、第４実施形態に係る積層複合管１Ｄは、前記各実施形態に係る積層複合管と同様に、振動源からの振動に対して制振効果が得られる。
　以上のように、本発明の各実施形態に係る積層複合管は、内管と外管が、それぞれの固有振動数を異なるものとする、あるいは同じ固有振動数に対する振動モードを異なるものとするように、金属材料、板厚、あるいは断面形状の異なる構成とし、また内管と外管の間に防振断熱材を挿入することで、内側を流通する排出ガスによる圧力脈動および原動機の振動によって生じる管の振動を抑制、低減すると共に断熱性にも優れたものとなる。また、本発明の各実施形態に係る積層複合管は、使用する場所を自動車のエンジン（原動機）からの排気系における配管（排気管）として説明したが、振動源に接続されて使用する配管であれば特に限定されるものではない。
以上、本発明を実施するための形態について述べてきたが、以下に、本発明の効果を確認した実施例を、本発明の要件を満たさない比較例と対比して具体的に説明する。なお、本発明はこの実施例によって制限を受けるものではなく、請求項に示した範囲で適当に変更を加えて実施することも可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。
　（供試材作製）
内管として、管径（外径）４０．８ｍｍ、肉厚０．８ｍｍのステンレス（以下、ＳＵＳという）製の平滑管を長さ１０００ｍｍに切り出して適用した。この内管の外側に、防振断熱材としてグラスウールを表１に示すように一重または二重に巻き付けた。これを、長さ１０００ｍｍの、表１に示す肉厚のおよび管径のＳＵＳ製またはチタン（表１のＴｉ参照）製の平滑管を外管として、その内側に通して供試材とした。また、管径５０．８ｍｍ、肉厚１．２ｍｍのＳＵＳ製の平滑管を比較例（供試材Ｎｏ．５）とした。それぞれの供試材の内管と外管について、断面の振動における１次固有振動数の理論値ｆci1，ｆco1、ならびに内管と外管の固有振動数の比（ｆco1／ｆci1）を式（５）に基づいて算出し、表１に示す。なお、ＳＵＳは密度：８．０３ｇ／ｃｍ3、ヤング率：１９９ＧＰａ、チタンは密度：４．５１ｇ／ｃｍ3、ヤング率：１０６ＧＰａとした。また、供試材の面密度を表１に併記する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　制振性評価として、排気による圧力脈動による振動を模擬した音圧加振、および原動機（振動源）の機械的振動による振動を模擬した機械加振をそれぞれ供試材の一端側から施し、供試材からの放射音（供試材（外管）の外周面から径方向の外側へ放射される音）の変化に代えて、供試材の外周面の表面振動の振幅を測定してその変化を評価した。測定は、図８に示すように、供試材１０１を、管軸方向を水平にして両端それぞれの近傍をロープ１１０で支持して吊るした状態で加振し、供試材１０１の加振点から管軸方向の距離（加振点からの距離）Ｌ1，Ｌ2における外周面に、振動計１０６の検出器１０５（ピックアップ）を接続して測定した。音圧加振の周波数、および機械加振の振動数は、それぞれ５００Ｈｚ、１ｋＨｚ、２ｋＨｚ（１／１オクターブバンド）とし、振幅は１０デシベル間隔で３段階（Ｌｏｗ（低），Ｍｉｄ（中），Ｈｉｇｈ（高））とした。
　（音圧加振による制振性評価）
図８（ａ）に示すように、供試材１１０の一端を加振点として、その開口部に体積速度センサ１０４（センサ）、および可撓性のチューブからなる導波管１０３を介してスピーカ音源１０２を接続し、周波数および振幅を変化させて加振した。なお、周波数および振幅は、体積速度センサ１０４により計測した加振点の近傍における供試材１０１の管内の体積速度の変化に基づく。
　（機械加振による制振性評価）
図８（ｂ）に示すように、供試材１０１の一端近傍を加振点として、その周面の一点（外管、防振断熱材、内管）に孔を空けて、加振力センサ１０８（センサ）を介して加振器１０７をこの孔に通して接続し、振動数および振幅を加振力センサ１０８で計測しながら外管と内管に同時に加振した。
　図８に示される方法による音圧加振、機械加振それぞれについて、測定した表面振動の振幅を単位加振力あたりの振動速度に換算し、加振点からの距離Ｌ1，Ｌ2：１０ｍｍから７００ｍｍによる変化をグラフにして、周波数または振動数別に、図９、図１０に示す。
　（評価結果）
図９および図１０に示すように、比較例（供試材Ｎｏ．５）も含めていずれの供試材も、加振点からの距離が１０ｍｍから７００ｍｍに遠くなると振動が減衰する傾向が見られたが、機械加振に比べて音圧加振は減衰が小さかった。これは、機械加振が主に供試材（内管、外管）の管壁を管軸方向に伝搬することで減衰するのに対して、音圧加振は主に供試材の管内の空気から直接に供試材（内管）に伝搬することによると推察できる。また、それぞれの供試材を比較すると、単層の管である供試材Ｎｏ．５は、供試材Ｎｏ．１～４よりも、音圧加振および機械加振の全体として、距離による減衰が少なかった。
　さらに、音圧加振、機械加振それぞれの振動の減衰が比較的小さかった振幅Ｌｏｗについて、加振点からの距離Ｌ1，Ｌ2を１００ｍｍ、３００ｍｍとする測定位置を追加した距離依存性のグラフを図１１、図１２に示す。図１１および図１２に示すように、供試材Ｎｏ．１～４は、機械加振、音圧加振共に距離による減衰が大きく、特に供試材Ｎｏ．２～４は加振点から短い距離（１００ｍｍ）で振動が減衰した。本発明の実施例である供試材Ｎｏ．１～４は内管と外管の外径の差が小さいが、供試材Ｎｏ．２～４については、内管より外管の肉厚を１．５倍と大幅に厚くしたため、１次固有振動数の理論値を内管よりも外管を２０％以上大きくすることができた。供試材Ｎｏ．１は、他の供試材Ｎｏ．２～４と比較して、内管と外管の固有振動数（理論値）の差が小さく、効果がやや小さかったが、内管と外管との間に設けた防振断熱材が振動を吸収したため、単層の管である供試材Ｎｏ．５よりは距離による減衰が大きく、本発明の積層複合管による制振効果が確認された。
　１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ　積層複合管
　２，２Ａ，２Ｃ，２Ｄ　内管
　３　　　防振断熱材
　４，４Ａ，４Ｃ，４Ｄ，４Ｅ　外管
　１０　　排気経路
　１１　　マニホールド
　１２ａ，１２ｂ，１２ｃ　　排気管
　１３　　触媒器
　１４　　中間消音器（消音器）
　１５　　消音器

Claims (10)

  1. 振動源に接続して使用される積層複合管であって、
    内管と、この内管の外側に同軸となるように配置した外管と、前記内管と前記外管の間に設けた防振断熱材とを備えており、前記内管と前記外管が、互いに異なる固有振動数となる金属管または同じ固有振動数に対して異なる振動モードとなる金属管であることを特徴とする積層複合管。
  2. 原動機から、マニホールド、触媒器、および消音器を介して外部に排出ガスを排出する排気系において、前記マニホールド、触媒器、および消音器のそれぞれの間のいずれかを互いに接続するために使用される積層複合管であって、
    内管と、この内管の外側に同軸となるように配置した外管と、前記内管と前記外管の間に設けた防振断熱材とを備えて、前記内管と前記外管が、互いに異なる固有振動数となる金属管または同じ固有振動数に対して異なる振動モードとなる金属管であることを特徴とする積層複合管。
  3. 前記内管と前記外管が、互いに異なる種類の金属からなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の積層複合管。
  4. 前記内管と前記外管が、互いに異なる断面形状の金属管であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の積層複合管。
  5. 前記外管は、鋼、チタン、またはアルミニウムからなることを特徴とする請求項１または２に記載の積層複合管。
  6. 前記内管は、鋼またはチタンからなることを特徴とする請求項１または２に記載の積層複合管。
  7. 前記外管がチタンからなり、前記内管がステンレスからなることを特徴とする請求項３に記載の積層複合管。
  8. 前記防振断熱材が、ガラス繊維またはセラミック繊維であることを特徴とする請求項１または２に記載の積層複合管。
  9. 前記防振断熱材が、無機系の粉体または粒体を充填したものであることを特徴とする請求項１または２に記載の積層複合管。
  10. 前記内管の外周面および前記外管の内周面の一方または両方に、管軸方向に沿って突条が形成され、かつ、前記内管および前記外管の両方に前記突条が形成された場合には、前記両方のそれぞれの突条が互いに対向しない位置に設けられることを特徴とする請求項１または２に記載の積層複合管。
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