(57)【要約】【課題】  部品の標準化を可能とするとともに、幅広い周波数範囲の脈動に起因する騒音源に対し、１個の標準化した消音器で消音または騒音低減を可能にする。【解決手段】  圧縮機出口に接続される消音装置は、ガスが流動する流路中に介在され、連続配置した共鳴型消音手段と膨張型消音手段とを備える。共鳴型消音手段は二重管構造であって、外周部に複数の貫通穴が形成された筒状の多孔内管と、この多孔内管との間で共鳴空間を形成する外管を有する。膨張型消音手段は、膨張空間を形成する大径配管と、縮小空間を形成する小径配管を有する。大径配管の下流側に小径配管を配置した。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスの流動における圧力変動により発生する騒音を消音する消音装置であって、前記ガスが流動する流路中に介在され、連続配置した共鳴型消音手段と膨張型消音手段とを備え、
前記共鳴型消音手段は二重管構造であって、外周部に複数の貫通穴が形成された筒状の多孔内管と、この多孔内管との間で共鳴空間を形成する外管を有し、
前記膨張型消音手段は、膨張空間を形成する大径配管と、縮小空間を形成する小径配管を有し、前記大径配管の下流側に前記小径配管を配置したことを特徴とする消音装置。
【請求項２】
前記多孔内管の一端側を接続する第１のフランジと、前記外管の一端側を接続する第２のフランジと、前記外管の他端及び前記大径配管の一端側を接続する第３のフランジと、前記大径配管の他端側及び前記小径配管の一端側を接続する第４のフランジとを有することを特徴とする請求項１に記載の消音装置。
【請求項３】
前記第３のフランジは、前記多孔内管が嵌合可能な孔が形成されていることを特徴とする請求項２に記載の消音装置。
【請求項４】
前記ガスの流動における圧力変動は、基準周波数とその整数倍の周波数成分をピーク周波数に含んでいることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の消音装置。
【請求項５】
前記多孔内管は、パンチングメタルまたは複数の孔を機械加工で形成した板の少なくともいずれかで筒部を形成したことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の消音装置。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれか１項に記載の消音装置を備えたことを特徴とするスクリュー圧縮機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スクリュー圧縮機等の容積形圧縮機で圧縮された圧縮ガスが発生する騒音を消音する消音装置およびそれを備えたスクリュー圧縮機に関する。
【背景技術】
【０００２】
騒音公害に対する規制とともに、作業労働環境の保全や機器の低騒音化の要求から、騒音低減用の消音装置が種々提案されている。たとえば、特許文献１では、内燃機関や送風機等の周期性の騒音を伴う配管中に、共鳴管を取り付け、この共鳴管と共鳴室とで消音することが記載されている。
【０００３】
また、特許文献２では、消音器が、リング状であって微細通孔を有する多孔質体の消音部材を備え、これにより、吸音面積を高め、騒音周波数に機敏に対応でき、交換を容易にすることが記載されている。多孔質体としては、具体的にはアルミ材等が用いられている。
【０００４】
さらに、特許文献３には、オイルフリー圧縮機のような高周波で且つ高次成分の脈動音を発生する騒音源に対して、十分消音効果が得られる消音装置が記載されている。この消音装置では、騒音源に接続された配管状の同一断面位置に複数の第１の共鳴器を、この共鳴器のさらに長手方向に複数の第２の共鳴器を配置している。さらに、共鳴器の下流側に、例えばパンチングメタル材または多孔質材からなる吸音材を配置している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１−２７３８１６号公報
【特許文献２】特開平７−１３４５８８号公報
【特許文献３】特開平１１−９３６３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
スクリュー圧縮機においては、吐出配管内の圧力脈動に起因して発生する流体騒音は、低次から高次にかけて複数の脈動周波数成分を含んでいる。そのため、特許文献１に記載のような共鳴型消音装置を用いると、一部の周波数成分だけしか消音されず、高次の脈動周波数成分までのすべての成分について、騒音を十分に低減することは困難であった。
【０００７】
一方、特許文献２に記載の多孔質材を用いた吸音型消音装置をスクリュー圧縮機の吐出配管に設けると、幅広い周波数成分の全般にわたって騒音を低減する効果が得られるが、グラスウール等の吸音材を用いると、長期の使用により吸音材が劣化するのは避けられず、定期的に吸音材を交換する必要がある。最近はスクリュー圧縮機でもメンテナンスフリー化が求められており、メンテナンス周期を長くすることについては吸音材方式では対応が困難である。これに対してセラミックス等の吸音材を用いれば長期間交換は不要となるが、吸音材が高価であり、汎用品であるスクリュー圧縮機には不向きとなっている。
【０００８】
なお、スクリュー圧縮機の運転では、増速ギヤ比を変えてロータの回転速度を変化させ、様々な圧縮機仕様に対応させることが多くなっている。また近年、増速ギヤの代わりに、インバータを用いてロータの回転速度を変化させることも多くなっている。後者の場合には、回転速度に依存して脈動周波数が変動する。その結果、圧縮機ごとに異なる脈動周波数が発生し、１種類の共鳴型消音装置では多様な圧力脈動周波数に対応できない。そこで、このような課題を解決するために、特許文献３に記載の消音装置では、複数の共鳴器を設けている。しかしながら、各圧縮機に最適な消音装置を設計・製作し、適用するには、圧縮機ごとに異なる部品が必要となり、部品の標準化を図れない。
【０００９】
本発明は、上記従来技術の不具合に鑑みなされたものであり、その目的は、部品の標準化を可能とするとともに、幅広い周波数範囲の脈動に起因する騒音源に対し、１個の標準化した消音器で消音または騒音低減を可能にすることにある。本発明の他の目的は、上記目的に加え、吸音材を使用せずに騒音低減を可能にすることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明は、ガスの流動における圧力変動により発生する騒音を消音する消音装置であって、前記ガスが流動する流路中に介在され、連続配置した共鳴型消音手段と膨張型消音手段とを備え、前記共鳴型消音手段は二重管構造であって、外周部に複数の貫通穴が形成された筒状の多孔内管と、この多孔内管との間で共鳴空間を形成する外管を有し、前記膨張型消音手段は、膨張空間を形成する大径配管と、縮小空間を形成する小径配管を有し、前記大径配管の下流側に前記小径配管を配置したことを特徴とする。
【００１１】
そしてこの特徴において、前記多孔内管の一端側を接続する第１のフランジと、前記外管の一端側を接続する第２のフランジと、前記外管の他端及び前記大径配管の一端側を接続する第３のフランジと、前記大径配管の他端側及び前記小径配管の一端側を接続する第４のフランジとを有するのがよく、前記第３のフランジは、前記多孔内管が嵌合可能な孔が形成されていることが望ましい。また、前記ガスの流動における圧力変動は、基準周波数とその整数倍の周波数成分をピーク周波数に含んでいるものでもよく、前記多孔内管は、パンチングメタルまたは複数の孔を機械加工で形成した板の少なくともいずれかで筒部を形成してもよい。さらに、上記いずれかの消音装置をスクリュー圧縮機が備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、スクリュー圧縮機等の周期的で高次成分を含む騒音源からの吐出流体を、多孔配管と単純膨張管とを直列に接続した消音装置に導くようにしたので、幅広い周波数範囲の脈動に起因する騒音源に対し、１個の標準化した消音器で消音または騒音低減が可能になる。また、吸音材を使用せずに騒音低減が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係るスクリュー圧縮機の一実施例のブロック図である。
【図２】図１に示したスクリュー圧縮機が備える消音装置の縦断面図である。
【図３】図２に示した消音装置の正面図である。
【図４】本発明に係る消音装置の消音効果を説明するグラフである。
【図５】本発明に係る消音装置の消音効果を説明するグラフである。
【図６】本発明に係る消音装置の消音効果を説明するグラフである。
【図７】本発明に係る消音装置の消音効果を説明するグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明に係る消音装置をスクリュー圧縮機に用いた場合について、図面を用いて説明する。図１は、スクリュー圧縮機３０の一実施例のブロック図である。スクリュー圧縮機３０はエアブロックとしてスクリュー圧縮機本体１６を、１段または２段有している。図１では、１段の場合を示している。圧縮機本体１６では、歯数４枚の雄ロータ３１と歯数６枚の雌ロータ３２がタイミングギヤ３３を用いて、非接触で同期回転している。これら、雄ロータ３１と雌ロータ３２とタイミングギヤ３３とは、ケーシングに内蔵されている。
【００１５】
このスクリュー圧縮機本体１６を回転駆動するために、スクリュー圧縮機本体１６の雄ロータ３１の軸には、電動機３５がカップリング接続されている。さらに電動機は、インバータ３６により駆動されており、スクリュー圧縮機本体１６を回転数制御する。
【００１６】
スクリュー圧縮機本体１６の吸込み側には、吸込配管２０が接続されており、この吸込配管２０には上流側から順に、吸入フィルタ２２、および吸入弁(オンオフ式制御弁)２３が設けられている。スクリュー圧縮機３０を運転すると、吸入口２１から吸入した空気は吸入フィルタ２２で除塵され、吸入弁（オンオフ式制御弁）２３を通って圧縮機本体１６へ流入する。
【００１７】
一方、スクリュー圧縮機本体１６の下流側には、吐出配管３４が接続されており、この吐出配管３４には、順に、逆止弁２７、消音装置４０、放風弁２４、アフタークーラ２８、ガス貯槽２５が設けられている。圧縮機本体１６で圧縮された高温高圧のガスは、逆止弁２７を経た後、消音装置４０で消音され、次いでアフタークーラ２８で冷却された後ガス貯槽２５へ送り込まれる。ガス貯槽２５内に流入し溜められたガスは、ガス消費ライン２９へ送られ消費される。
【００１８】
なお、吸入弁２３と放風弁２４は連動しており、スクリュー圧縮機本体１６が全負荷運転時には、放風弁２４が閉じられている。放風弁２４には、放風サイレンサ３７が接続されており、無負荷運転時には、吸入弁２３から圧縮機本体１６へ漏れこんだガスを圧縮機本体１６から流出させたのち、放風弁２４および放風サイレンサ３７を通って放風口３８から大気へ放風する。このように構成した本実施例のスクリュー圧縮機３０は、一般産業用の工場空気源に用いられることが多い。
【００１９】
スクリュー圧縮機本体１６内では、上述したように雄ロータ３１と雌ロータ３２が互いに非接触で回転しており、作動ガスはこれら雌雄両ロータ３１、３２が噛合うことにより圧縮され、高温の吐出ガスとなってスクリュー圧縮機本体１６から流出する。この吐出ガスでは、次式に示すように、両ロータ３１、３２の回転速度とロータ３１、３２の歯数の積から定まる周波数成分およびその整数倍の周波数成分を有する圧力脈動が発生する。これらの周波数成分の圧力脈動は、スクリュー圧縮機３０の騒音の一因となっている。
【００２０】
【数１】
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【００２１】
なお、スクリュー圧縮機１６をインバータ駆動電動機で回転駆動すれば、回転速度を変化させて種々の容量条件等に対応できる。例えば小容量運転のために、スクリュー圧縮機１６の運転回転速度を定格回転速度より低下させて運転すれば、後述するように、１次の圧力脈動を生じる周波数(歯数×回転速度)が低下する。この場合、運転回転速度が低下しているので、圧力脈動により生じるエネルギーは定格回転速度での運転時よりも少ない。したがって、最も大きな圧力脈動が生じることが想定される１次の周波数のエネルギーも定格回転時よりは小さいことが予想される。そこで、定格回転時のピーク騒音(圧力脈動)を主として共鳴型消音手段が消音し、その他の周波数成分については、膨張型消音手段が消音できようにする。
【００２２】
図２に、図１に示したスクリュー圧縮機３０が備える消音装置４０の縦断面図を、図３にその正面図を、それぞれ示す。上述したように本発明に係る消音装置４０は、スクリュー圧縮機３０の吐出配管３４に介在させて、用いられる。そのため、入口側にはガス流入管１が設けられている。ガス流入管１は、周囲部にボルト穴が形成されたフランジ６に溶接接続されて、流入側接続部４３を形成する。
【００２３】
消音装置４０は、上述したように機能的には共鳴型消音手段４１と膨張型消音手段４２の２つの部分に分かれている。一方、構造的には、この消音装置４０の外形部を構成する収容部材４５とこの収容部材４５の内部に保持される入れ子部材４４との２つから構成されている。
【００２４】
具体的には、共鳴型消音手段４１の一部を構成する入れ子部材４４は、流入側接続部４３のフランジ６とガスケットを介してフランジ結合するフランジ７と、このフランジ７に一端側が接続され、ガス流入管１とほぼ同径の多孔配管(内管)３とから構成されている。多孔配管３は、例えば、パンチングメタルで構成された平板を曲げ加工して円筒を形成し、この円筒の両端部を軸方向に溶接して形成する。または、ガス流入管１と同様の鋼管に、複数の孔をドリル加工して形成する。
【００２５】
収容部材４５は、共鳴型消音手段４１の外側部材と膨張型消音手段４２とから構成されている。すなわち、共鳴型消音手段４１を構成するために、流入側接続部４３及び入れ子部材４３の各フランジ６、７とガスケットを介してフランジ結合するフランジ８に、多孔配管３よりも大径の外管２の軸方向一端部を溶接接続している。多孔配管３と外管２とは、同心円筒を構成する。
【００２６】
一方、膨張型消音手段４２は、平行に配置された２枚のフランジ４、１０間を多孔配管３よりも大径の大径配管４で接続して構成されている。そして、一方のフランジ４の中央部には、多孔配管３を嵌合できる孔が形成されている。多孔配管３の外形とフランジ４の中央部の孔との間は、多孔配管３が抵抗なく通過できるが、ほとんど隙間がない状態である。また、多孔配管３のフランジ４側端部は、固定されていない。さらにフランジ４には、共鳴型消音手段４１の外管２の軸方向一端部が溶接接続される。
【００２７】
膨張型消音手段４２の他方のフランジ１０の中央部にも孔が形成されており、この孔部に小径配管１１の軸方向一端側が溶接接続されている。小径配管１１の軸方向他端側には、フランジ１２が溶接接続されており、スクリュー圧縮機３０の吐出配管３４への接続に用いられる。なお、膨張型消音手段のフランジ９、１０と、大径配管４とは溶接接続されている。
【００２８】
このように構成した本実施例に示す消音装置４０では、一体型の収容部材４５内に、入れ子部材４４の多孔配管３を、フランジ９に形成した孔をガイドに挿入する。その後、３枚のフランジ６〜８をボルト１３及びナット１４で締結する。このように、フランジ締結だけで、１個の消音装置４０が容易に構成される。
【００２９】
ここで、上記構成の消音装置４０の消音性能とその動作原理について、以下に説明する。なお、消音性能は、各部の大きさにより決定されるので、各部の大きさの決定方法についても説明する。
【００３０】
スクリュー圧縮機本体１６の吐出ガスが共鳴型消音手段４１を通過するときは、ガス流入管１を経てパンチングメタルまたは孔加工された板から構成される多孔配管３に流入する。その際、流入ガスの一部は多孔配管３の管軸に沿って通り過ぎようとするが、他の一部は多孔配管３に形成された多数の直径２ａの孔１５から多孔配管３と外管２との間に形成される共鳴室２ｂに流入する。この共鳴室２ｂに流入したガスは、共鳴室２ｂ内で共鳴し、後続の流れに押し出されて、孔１５から多孔配管内３に戻る。これにより、下流側に押し出された流れと多孔配管内の流れが干渉し、脈動が減少する。その結果、ピーク周波数成分が減衰する。
【００３１】
次いで膨張室４ａ内に流入したガスは、多孔配管３から大径配管４へと断面積の急拡大を経験し、ガスの速度と圧力を急激に減少させる。その後、この流路の急拡大でガスはエネルギー密度を低下させ、大径配管４から小径配管１１へと急激に断面積が減少した部分に流入する。この一連の流れにおいて、音波は断面積の急拡大部または急縮小部で反射する。そして、反射の際に進行波と反射波の流れが干渉し、エネルギーが消費されて減衰する。この膨張室４ａでは、比較的低い周波数帯域の圧力変動が特に減衰される。
【００３２】
以下に、スクリュー圧縮機に適用したシミュレーション結果の一例を、図４〜図６に示す。雄ロータの歯数Ｚを４枚、雌ロータの歯数を６枚とし、定格回転数ＮをＮ＝２２５００ｒｐｍとした場合である。上記数１から、１次圧力脈動周波数Ｆｎは、Ｆｎ＝１５００（Ｈｚ）である。
【００３３】
図４は、以下に詳細を示す本実施例の消音装置４０を通過する前の吐出ガスの圧力脈動を示す図である。図５は、本実施例に係る各消音手段４１、４２における透過損失ＴＬ及び消音装置４０全体の透過損失ＴＬを示す図である。図６は、本実施例に係る消音装置４０を通過後における、吐出ガスの圧力脈動を示す図である。いずれの図でも、周波数成分ごとに成分表示している。
【００３４】
共鳴型消音手段４１が、この１次脈動周波数Ｆｎで最も消音効果が得られるように、すなわち共振するように設定する。孔１５の部分のガスを質量、多孔配管３と大径配管４で形成される二重管部のガスをばねとした共振系とみなす。多孔配管３に形成した多数の孔１５の直径を２ａ（ｍ）、孔１５の数をｎ、孔１５の面積をｓ(ｍ)、空洞部の容積をＶ（ｍ３）、音速をｃ(ｍ／ｓ)として、ヘルムホルツ型共鳴器の共鳴周波数ｆｒは、数２で表わされる。
【００３５】
【数２】
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【００３６】
数２から分かるように、共振周波数Ｆｎは、孔１５の総面積ｓを二重管部の体積Ｖで除した値の平方根に比例する。ここで、図４〜図６に示すシミュレーションにおいては、多孔配管３の孔１５の半径ａ及び孔数ｎを、それぞれａ≒０．００３ｍ、ｎ＝８００とした。これにより、共振周波数Ｆｎを、スクリュー圧縮機本体１６から吐出されるガスの圧力脈動における１次圧力脈動周波数とほぼ同じにしている。
【００３７】
次に、膨張型消音手段４２では、脈動しているガスの進行波と反射波の干渉を利用して消音させるので、大径配管４の長さが脈動の波長より短いか同程度の場合に消音効果が期待できる。圧力脈動のピークと同じ周波数の変動は共鳴型消音手段４１で対処可能であるから、このピーク周波数よりも少し低い周波数の圧力変動の波長に、大径配管４の軸長を設定する。なお、膨張型消音手段４２では、消音効果が期待できる周波数範囲は低周波数側に広い範囲となるので、ピーク周波数の波長よりも短い長さの大径配管４を用いれば、広い範囲にわたって低周波数側の騒音を消音可能となる。
【００３８】
膨張型消音手段４２の透過損失ＴＬは、数３で表わされる。
【００３９】
【数３】
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【００４０】
この数３においては、膨張室４ａの長さｌを、ｌ≒０．１（ｍ）とし、多孔配管３の内径である膨張室入口内径ｄ１をｄ１≒０．１(ｍ)、膨張室４ａの内径ｄ２をｄ２≒０．３５（ｍ）とした。また、膨張室４ａの出口内径である小径配管１１の内径ｄ３をｄ３≒０．１（ｍ）とした。数３から明らかなように、透過損失ＴＬは周期解を有しており、図５に示すように、膨張型消音手段４２には、透過損失が０、すなわち消音効果が得られない周波数帯域が存在する。しかしながら、この周波数帯域については、共鳴型消音手段４１がカバーしていることが分かる。
【００４１】
次に上記シミュレーション結果を参考にして、実際のスクリュー圧縮機において、サイレンサを用いた場合の騒音測定結果の一例を、図７に示す。上記と同様のサイレンサを製作し、サイレンサを用いた場合とサイレンサを使用しない場合を比較して示す。図で実線がサイレンサを使用した場合であり、破線がサイレンサを使用しない場合である。１０００Ｈｚ付近のピーク周波数で減音量が大きく、サイレンサとして有効であることが分かる。
【００４２】
以上説明したように、スクリュー圧縮機等で発生した騒音が吐出配管に導かれるときに、この吐出配管内に上記実施例に記載の消音装置を用いると、確実に騒音を低減できる。すなわち、スクリュー圧縮機の運転周波数に相関する圧力脈動の中で、共鳴型消音手段が主として１次脈動周波数成分およびその近傍の騒音成分を低減し、膨張型消音手段が、共鳴型消音手段で消音しきれなかった脈動成分を低減するので、騒音が低減される。さらに、共鳴型消音手段と膨張型消音手段を直結したので、消音装置の流れ方向の長さが短くなるとともに、圧力損失も低減できる。すなわち、共鳴型消音手段と膨張型消音手段間に接続配管を付加した場合には、この接続配管で流体の壁面摩擦により損失が発生するが、その壁面摩擦の発生を防止できる。また、接続配管と前後の消音手段間で配管径が異なっていると、拡大損失や縮小損失が発生するが、これらの損失の発生も防止できる。
【００４３】
また上記実施例によれば、１次の脈動周波数成分に限らず、２次、３次、…の高次の脈動周波数性部に対しても消音効果を有するので、広範な脈動周波数成分に対して消音効果がある。特に、１次脈動周波数成分が１０００Ｈｚを超え、２次、３次、…等の幅広い周波数範囲の脈動成分を有するオイルフリースクリュー圧縮機において、高周波まで消音可能であるから、本実施例の消音装置は好適である。
【００４４】
上記実施例によれば、広範な周波数の騒音を消音できるので、オイルフリースクリュー圧縮機の種々のカスタム化やシリーズ化にも、同一の消音装置で容易に対応できる。したがって、消音器の標準化によるコスト低減が可能になる。さらに、制御回転速度に比例して脈動周波数が変化するインバータ駆動のオイルフリー圧縮機にも、同一の消音装置で対応できる。
【００４５】
上記実施例では、騒音源としてスクリュー圧縮機を例にとり説明したが、本発明はスクリュー圧縮機の騒音に限るものではなく、圧力脈動の周波数成分が基準波とその基準波の整数倍の周波数成分をピークとして有する場合に有効であり、基準波が１０００Ｈｚ程度以上である場合に特に有効である。
【符号の説明】
【００４６】
１…ガス流入管、２…外管、２ｂ…共鳴室、３…多孔配管(内管)、４…大径配管、４ａ…膨張室、６〜１０…フランジ、１１…小径配管、１２…フランジ、１３…ボルト、１４…ナット、１５…孔、１６…圧縮機本体、２０…吸込配管、２１…吸入口、２２…吸入フィルタ、２３…吸入弁、２４…放風弁、２５…ガス貯槽、２７…逆止弁、２８…アフタークーラ、２９…ガス消費元、３０…スクリュー圧縮機、３１…雄ロータ、３２…雌ロータ、３３…タイミングギヤ、３４…吐出配管、３５…電動機、３６…インバータ、３７…放風サイレンサ、３８…放風口、４０…消音装置(サイレンサ)、４１…共鳴型消音手段、４２…膨張型消音手段、４３…流入側接続部、４４…入れ子部材、４５…収容部材。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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