(57)【要約】【課題】多量の水分が含まれる排気ガスの消音に用いる共鳴型消音器において、水分を確実に排出し、所期の消音性能を維持する。【解決手段】多数の独立小孔を有する独立発泡樹脂から成る吸音体内に、ガス流路とそれに開口する複数の共鳴長孔を設ける。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
多数の独立小孔から成る柔軟な独立発泡樹脂を吸音体とし、
該吸音体にガス流路を形成し、
該ガス流路へ一端が開口すると共に他端が閉塞する複数の共鳴長孔を前記吸音体内に穿設した、
ことを特徴とする共鳴型消音器。
【請求項２】
前記共鳴長孔は少なくとも２種類の径及び長さを有し、前記ガス流路へ分散して開口する、
ことを特徴とする請求項１に記載の共鳴型消音器。
【請求項３】
前記共鳴長孔は前記ガス流路に対し略放射状に延在する、
ことを特徴とする請求項２に記載の共鳴型消音器。
【請求項４】
前記吸音体は外殼に収納され、
該外殼には前記ガス流路と連通する接続部が一体形成されている、
ことを特徴とする請求項１乃至請求項３に記載の共鳴型消音器。
【請求項５】
前記外殼及び前記吸音体は略扇型の横断面を有し、
該横断面の要部分に前記ガス流路が延在する、
ことを特徴とする請求項４に記載の共鳴型消音器。
【請求項６】
前記ガス流路に、内外を連通する多孔が形成されたインナパイプが内装されている、
ことを特徴とする請求項５に記載の共鳴型消音器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、ガスの排出と共に生じる音を軽減するための消音器に関し、特に多量の水分を含有するガスの消音に用いられる共鳴型消音器に係る。
【背景技術】
【０００２】  各種排気ガスの脈動に起因する音を軽減するために、共鳴と吸音を組合せた消音器（所謂共鳴型消音器）が多用される。共鳴型消音器は、インナパイプの所定範囲に小穴を設けて内外を連通させると共にその外側をマフラ外筒で覆い、共鳴空間である外筒内に吸音部材として繊維体（グラスウール等）を充填する構造が一般的である。そして、排気ガスに多量の水分が含まれる場合、例えば多量の生成水を含む電解質膜型燃料電池の排気ガス（オフガス）の消音器においては、グラスウールに付着し滞留（含水）する水分をマフラ外へ確実に排出し、消音性能を維持する対策が不可欠である。【０００３】  例えば、特許文献１には、外筒の最下部に排水溝（バッファ）と排出弁を設け、繊維体に付着した水を多孔質セラミック製の柱体で排水溝へ誘導、排出して、繊維体の含水量を減少させ得る共鳴型消音器が提案されている。【０００４】  また、含水し易い繊維体の替わりに多孔質発泡体を吸音部材として用いる消音器が、特許文献２にて提案されている。この消音器は共鳴型ではなく拡張型消音器であって、連通路を複数穿設した連続発泡体（ウレタンフォーム）から成る部材を、音響抵抗体として拡張室内に嵌装した構造である。【０００５】
【特許文献１】特開２００５−１７１８７４号公報
【特許文献２】特開平８−２６３０７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】  しかしながら、前掲の特許文献１に記載の消音器においては、吸音部材である繊維体が含水することを前提に柱体周辺に滞留する含水量を軽減させるに過ぎないため、繊維体全体の含水を回避できるものではなく、本質的な解決には至らない。また、排水溝（バッファ）と柱体の容積分だけ共鳴空間と吸音部材が侵食されるので、所望の消音量を得るには容積拡張が不可避である。【０００７】  また、前掲の特許文献２に記載の消音器においては、多量の水分が含まれる排気ガスが穿設した複数の連通路を必ず通過するので、連通路内に水分が付着、滞留する。また、連続発泡体の無数の小穴同士が連通しているため水分も連通し、結果、グラスウールと同様に連続発泡体が含水する。このように、水分の連通路内での付着、滞留と、連続発泡体の含水が発生するので、消音性能の悪化を免れない。そもそも、中〜高周波数の消音を企図し共鳴型消音器を使用したい場合において、多孔室発泡体の適用構造が不明である。【０００８】  本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであり、多量の水分が含まれる排気ガスの消音において、水分を確実に排出するとともに消音性能を維持できる共鳴型消音器を提供することが目的である。
【課題を解決するための手段】
【０００９】  請求項１記載の本発明に係る共鳴型消音器は、多数の独立小孔から成る柔軟な独立発泡樹脂を吸音体とし、吸音体にガス流路を形成し、ガス流路へ一端が開口すると共に他端が閉塞した複数の共鳴長孔を吸音体内に穿設したことを特徴とするものである。【００１０】  請求項１に記載の本発明に係る共鳴型消音器では、複数の共鳴長孔を吸音体内に穿設しそれらの開口をガス流路に連通させたので、それぞれが独立した音響的共鳴管（ヘルムホルツ・レゾネータ）として重畳的に作用し、総体で所望の消音効果を得られる。更に、共鳴長孔は弾性体である独立発泡樹脂で周壁を画定されているので、周壁のダンピングで消音作用が一層高められる。そして、吸音体を構成する独立発泡樹脂の小穴同士には連通がないため、吸音体への含水及び滞留を避けられ、所期の消音性能を維持できる。【００１１】  請求項２記載の本発明に係る共鳴型消音器は、共鳴長孔を少なくとも２種類の径及び長さを有し、ガス流路へ分散して開口することを特徴としている。【００１２】  請求項２に記載の本発明に係る共鳴型消音器では、複数の共鳴長孔が２種類以上の径と２種類以上の長さを有し、これらがガス流路へ分散して開口するので、複数の共鳴周波数の消音に寄与する。従って、ガス流路のほぼ全域に亘って、各種径と各種長さを有する共鳴長孔が数多く配設されれば、消音器総体として、消音したい周波数領域及び消音量のチューニング自由度が高くなる。【００１３】  請求項３記載の本発明に係る共鳴型消音器は、共鳴長孔をガス流路に対し略放射状に延在することを特徴としている。【００１５】  請求項３に記載の本発明に係る共鳴型消音器では、複数の共鳴長孔がガス流路の軸芯に対し略放射状に延在するので、共鳴長孔内に侵入した水分がガス流路内を流下する排気ガスに吸い寄せられて排出され易くなる。特に、消音器の使用姿勢においてガス流路より上方に共鳴長孔が延在する場合には、開口部分に向かって重力により水分が滴下され、一層排出が促進される。また、扇型の横断面においては、複数の略放射状の共鳴長孔の長さを、様々に異ならせて配置し易くなる。【００１６】  請求項４に記載の本発明に係る共鳴型消音器は、吸音体は外殻に収納され、外殼にはガス流路と連通する接続部が一体形成されていることを特徴としている。【００１７】  請求項４に記載の本発明に係る共鳴型消音器では、外殻（シェル）内に吸音体と流路が設けられているので、全体強度を外殻が担うことにより吸音体を柔軟な独立発泡樹脂に設定でき、消音性能を高められる。また、外殻の両側に相手部品との接続のための接続部である首部を一体的に形成し、接続部には内部から流路を連通させるとよい。【００１８】  請求項５記載の本発明に係る共鳴型消音器は、外殻及び吸音体は略扇型の横断面を有し、この横断面の要部分に前記ガス流路が延在することを特徴としている。【００１９】  請求項５に記載の本発明に係る共鳴型消音器では、その実使用時の姿勢において、下方に流路が延在しそこから上方へ吸音体と共鳴長孔が略放射状に拡大するレイアウトを得られる。従って、開口部分に向かい重力で水分が滴下する構成の消音器を、実現し易くなる。【００２０】  請求項６記載の本発明に係る共鳴型��音器は、ガス流路に、内外を連通する多孔が形成されたインナパイプが内装されていることを特徴としている。【００２１】  請求項６に記載の本発明に係る共鳴型消音器では、インナパイプによってガス流路及び共鳴長孔の開口が補強され、形状精度を保ち易くなる。また、穿設された多孔によっても流通摩擦による音響エネルギーの減衰が発生し、消音に寄与する。
【発明の効果】
【００２２】  各請求項に記載の発明は、共鳴型消音器において、水分を多く含む排気ガスの消音であっても、吸音体が含水することなく確実に水分を排出し所期の消音性能を維持し続けることができるという、共通の効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】  以下、本発明の望ましい実施形態について図面を参照して説明する。【００２４】  図１は、本発明による共鳴型消音器の第１の実施形態を示す側面図である。消音器１は別体の外殼（シェル）を持たず、吸音体２自身が外殼を兼ねる。吸音体２は多くの独立気泡が重なり合う独立発泡樹脂（単独発泡樹脂）であって、連続発泡樹脂のような多孔同士の空気及び液体の連通はない。そして、吸音体２を貫通してガス流路４が設けられている。ガス流路４の両端には、他部品との接続都合により適宜インレットパイプ５やアウトレットパイプ６を嵌装固定しても良いし、直接、他部品を嵌装しても構わない。【００２５】  なお、本発明の連続発泡樹脂としては、例えば、スチレン−ブタジエンゴム、エチレン−プロピレンゴム、クロロプレンゴム、ニトリルゴム、ブチルゴム、シリコンゴム、アクリルゴム、ウレタンゴム、フッ素ゴム等の合成ゴムや、塩化ビニル系、オレフィン系、スチレン系、ＡＢＳ、アクリル系、これらの架橋体等の熱可塑性樹脂や、塩化ビニル系樹脂、オレフィン系樹脂、ウレタン系樹脂、エステル系樹脂、スチレン系樹脂等の熱可塑性エラストマーや、軟質ウレタン樹脂の発泡体を使用することができる。これらの材料には必要に応じて、熱安定剤、酸化防止剤、充填剤等が適宜添加されても良い。また、発泡倍率としては、３乃至１５倍程度が好ましい。特に燃料電池用の消音器においては、外筒、吸音体ともにポリエチレン（ＰＥ）を用いると好適である。【００２６】  図２は、図１におけるＡ−Ａ断面を示す。略円断面の吸音体２と同軸に略円断面のガス流路４が通っており、ガス流路４から略放射状に、音響的共鳴器を成す共鳴長孔３等が８本延出している。この断面における８本の共鳴長孔は長さも径も異なるが、外側が閉塞し内側の連通部７等がガス流路４に開口する構成は共通である。そして、各共鳴長孔３等は弾性を有する連続発泡樹脂で周壁を形成された共鳴空間８等を有する。従って、共鳴空間８内の共鳴による音響エネルギー減衰に弾性周壁によるダンピングが加わるので、実質的に共鳴空間８内に吸音剤を充填したのと同等となり、高い消音効果が奏される。更に、そのような複数の共鳴長孔３等をガス流路全域に亘って分散開口したので、共鳴周波数が異なる複数の共鳴長孔３等が全て独立した共鳴器として作用し、総じて大きな消音効果を奏する。【００２７】  そして、吸音体２を構成する独立発泡樹脂の独立気泡同士には連通がないため、共鳴長孔３等に水分が浸入しても、吸音体に含水、滞留することなく排出され、所期の消音性能が維持される。【００２８】  各共鳴長孔３等は、吸音体２全体にどれだけ存在しても構わないし、その長さや太さも、チューニングに叶うよう任意設定すればよいのであるが、各共鳴長孔３等は独立してガス流路４に開口（分散開口）することが望ましい。また、共鳴長孔３等の形成方法は、発泡時にセットした芯金を発泡後に除去したり、発泡後の吸音体２にドリルやパンチ等で穿孔したり、熱や薬品によって溶融穿孔したり、周知工法から適宜援用すれば良い。【００２９】  図３〜図５は本発明による消音器の第２の実施形態を示し、図３は縦断面図、図４は図３におけるＢ視図（正面図）、図５は図３におけるＣ−���断面図である。消音器２１は、外殼たる外筒２２とその内部に収納された独立発泡樹脂から成る吸音体２５で構成され、その横断面は図５に示されるように（実使用姿勢において）上拡がりの略扇型であり、扇の要部分にガス流路２８が通っている。具体的には、外筒２２の軸芯（断面中心）ａとガス流路２８の軸芯（断面中心）ｂとが距離Ｄだけオフセットしている。そして、略扇型断面である吸音体２５及び外筒２２の最下部にガス流路２８が貫設され、ガス流路２８の両端は、外筒２２の両端に一体形成された接続部２３及び２４と連通している。なお、外筒２２は吸音体２５と同材でも異材でも構わず、材質も、樹脂でも金属でもセラミックでも任意である。そして、形成方法についても、吸音体２５と一体形成しても良いし、別体を被覆して溶着や接着で組立てても構わない。【００３０】  吸音体２５は第１の実施形態と同様に独立発泡樹脂にて形成され、複数の共鳴長孔２６等が穿設されている。複数の共鳴長孔２６等は（実使用姿勢において）全てガス流路２８から上方へ略放射状に延出した状態で、ガス流路全域に亘り分散開口している。共鳴長孔の形状は第１の実施形態のような細直管形状に限らず、共鳴長孔２６のようにキノコ型でも、共鳴長孔２７のように吸音体２５を貫通し外筒２２によって閉塞されていても構わない。【００３１】  複数の共鳴長孔２６等がガス流路に対し略放射状に上方へ延出するので、共鳴長孔内に水分が侵入したとしても周壁に浸透できず、水滴となって周壁に付着するも重力により滴下し、最下部のガス流路２８に集積して、排気ガスによって消音器外へ強制排出される。従って、第１の実施形態の消音器よりも、確実に水分を排出できる。【００３２】  図６は本発明による共鳴型消音器の第３の実施形態を示す横断面図である。第２の実施形態と同じ外筒２２内に吸音体３０が収納されており、その内部には３次元的に曲折した共鳴長孔３２、３３、３５等が形成されており、（実使用姿勢における）最下部のガス流路３１から夫々上向き放射状に延出している。共鳴長孔３２と３３は曲折途中で連通孔３４によって連通されているので、複合共鳴器として機能する。あるいは、共鳴長孔３５のように曲面構成の大共鳴空間を形成すると、首管と共鳴室で構成されるヘルムホルツ・レゾネータとして好適である。いずれにせよ、個別に共鳴長孔の形状、径、長さをチューニングすることによって、消音器総体としての共鳴周波数と消音量がチューニング自在である。【００３３】  図７は本発明による消音器の第４の実施形態を示す横断面図である。第２の実施形態と同じ外筒２２内に吸音体５０が収納されており、実使用状態における最下部にはガス流路５１が貫設され、そこから放射状に共鳴長孔５４等が延出している。そして、ガス流路５１には、内外を連通する多孔５３が穿設されたインナパイプ５２が内装されている。インナパイプ５２によってガス流路５１及び各共鳴長孔の連通部（開口部）が内側から補強され形状精度を保ち易くなるので、チューニング精度を維持できる。また、穿設された多孔５３おいても流通摩擦による音響エネルギーの減衰が生じ、消音に寄与する。【００３４】  なお、インナパイプ５２は、吸音体５０や外筒２２と同材でも異材でも構わず、樹脂でも金属でもセラミックでも任意である。形成方法についても、吸音体５０や外筒２２と例えばポリエチレン（ＰＥ）にて一体形成しても良いし、吸音体５０を外筒２２内で発泡させても良いし、別体の外筒２２で被覆し溶着や接着で組立てても構わない。また、多孔５３と各共鳴長穴の連通口が一致するのが理想ではあるが、製造上は困難であるので、孔ズレを想定した設計及びチューニングをすれば、実際上は問題はない。【００３５】  ここで、図８を用いて本発明の共鳴型消音器における消音効果について説明する。これは、第１の実施形態の消音器１に各々３種類の長さの共鳴長孔を穿設した供試品１〜４を用意し、消音量の差を計測したものである。一般的な試験であるので試験状態は図示しないが、市販の音波発生器から発した音波の周波数をスイープし、その音波をインレットパイプ５を介してガス流路４内へ伝播させ、アウトレットパイプ６から排出された音波を、市販の周波数測定装置にて解析した。図８はその測定結果を現し、縦軸の消音率は上方ほど消音率が高く、横軸の消音周波数は右方ほど高い周波数を示す。４本の線グラフは、供試品１〜４の各周波数における消音率の推移を現す。【００３６】  供試品１は、消音器１内の吸音体２に、長さ１７ｍｍ、径５ｍｍの単純円筒状の共鳴長孔３を１００本、略全長に渡って分散配置すると共に流路４に放射状に分散開口したものである。周波数が高くなるに連れて消音率が高まり、４キロヘルツ付近の高周波に顕著な消音効果を示している。【００３７】  供試品２は、供試品１の共鳴長孔３の長さだけを３４ｍｍに変更したものである。これは、共鳴長孔３の容量拡大によって、若干低めの周波数である２キロヘルツ付近に消音率のピークを示す。同様に供試品３は、供試品１の共鳴長孔３の長さだけを５０ｍｍに変更したものであり、供試品２よりも更に低い周波数である１キロヘルツ付近に消音率のピークを示す。すなわち、共鳴長孔３の長さ（容量）変更により、消音率のピークが異なることを示すものである。【００３８】  供試品４は、１キロヘルツから上の略全域での高消音率を企図して供試品１〜３の共鳴長孔３を混合配置したものであって、１００本の共鳴長孔に供試品１〜３の共鳴長孔を略均等に割り付けた。これにより、１キロヘルツと４キロヘルツに消音率のピークを持ち、ほぼ全域に亘って消音率に優れる消音器を得ることができた。なお、２キロヘルツ付近の消音率が相対的に落ち込んではいるが、この部分の消音率に寄与するディメンションの共鳴長孔を増設すれば、この部分の消音率を持ち上げられる。このように、異なるディメンション（長さ、径、形状）の共鳴長孔の本数を適宜選択し組合せれば、消音器全体として消音周波数及び消音率のチューニングが容易であることが判明した。もちろん、本実験のような単純円筒状の共鳴長孔３に限定することはなく、共鳴長孔３の形状や配置や組合せは任意である。【００３９】  以上、本発明の実施形態を説明してきたが、本発明は上述の実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲の設計変更があっても、本発明に包含される。適用対象は燃料電池用に限定するものではなく、各種エンジンの吸気系・排気系、汎用空調装置、その��、あらゆるガス流動における消音器に適用可能である。もちろん、ガスとして空気も包含されるし、水分を含有するものに限定しない。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】第１の実施形態に係る消音器の側面図である。
【図２】第１の実施形態に係る消音器の横断面図である。
【図３】第２の実施形態に係る消音器の縦断面図である。
【図４】第２の実施形態に係る消音器の正面図である。
【図５】第２の実施形態に係る消音器の横断面図である。
【図６】第３の実施形態に係る消音器の横断面図である。
【図７】第４の実施形態に係る消音器の横断面図である。
【図８】供試品における周波数と消音率を現すグラフである。
【符号の説明】
【００４１】１，２１  消音器
２，２５，３０，５０  吸音体
３，２６，２７，３２，３３，３５，４２，５４  共鳴長孔
４，２８，３１，４１，５１  ガス流路
５  インレットパイプ
６  アウトレットパイプ
７  連通部
８  共鳴空間
２２  外筒
２３，２４  接続部
３４  連通孔
５２  インナパイプ
５３  多孔
【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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【図８】
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