EP1715188A1

EP1715188A1 - Schalldämpfer ausgebildet und bestimmt für einen Kompressor

Info

Publication number: EP1715188A1
Application number: EP05008836A
Authority: EP
Inventors: Andreas Dr. Foerster
Original assignee: Kaeser Kompressoren GmbH
Current assignee: Kaeser Kompressoren GmbH
Priority date: 2005-04-22
Filing date: 2005-04-22
Publication date: 2006-10-25
Also published as: CN1851244B; CN1851244A

Abstract

Schalldämpfer ausgebildet und bestimmt für einen Kompressor oder eine Vakuumpumpe, insbesondere für einen nach dem Verdrängungsprinzip atbeiteaden Kompressor oder für eine nach dem Verdrängungsprinzip arbeitende Vakuumpumpe, der bzw. die einen Gasstrom, insbesondere einen Luftstrom verdichten, wobei der Schalldämpfer einen Eintritt (12) für den den Kompressor verlassenden Gasstrom und einen Austritt (13) aufweist, wobei innerhalb des Schalldämpfers eine Verzweigung (14) vorgesehen ist, die einen Zuströmkanal (15) und zwei hiervon abzweigende Kanalabschnitte (16, 17) umfasst, wobei ein erster Kanalabschnitt als weiterführende Hauptleitung (16) für den Gasstrom und ein zweiter Kanalabschnitt als endseitig verschlossener Abzweig (17) ausgebildet ist. Weiterhin ist vorgesehen, dass der Abzweig (17) eine axiale Vorzugsrichtung (A) aufweist, die parallel zur Strömungsrichtung des Gasstroms im Zuströmkanal (15) ausgerichtet ist, derart, dass der Gasstrom frontal auf den endseitig verschlossenen Abzweig (17) trifft.

Description

Die Erfindung betrifft einen Schalldämpfer ausgebildet und bestimmt für einen Kompressor oder eine Vakuumpumpe, insbesondere für einen nach dem Verdrängungsprinzip arbeitenden Kompressor, oder für eine nach dem Verdrängungsprinzip arbeitende Vakuumpumpe, der bzw. die einen Gasstrom, insbesondere einen Luftstrom verdichten, wobei der Schalldämpfer einen Eintritt für den den Kompressor verlassenden Gasstrom und einen Austritt aufweist, wobei innerhalb des Schalldämpfers eine Verzweigung vorgesehen ist, die einen Zuströmkanal und zwei hiervon abzweigende Kanalabschnitte umfasst, wobei ein erster Kanalabschnitt als weiterführende Hauptleitung für den Gasstrom und ein zweiter Kanalabschnitt als endseitig verschlossener Abzweig ausgebildet ist. Weiter betrifft die Erfindung einen mit einem derartigen Schalldämpfer ausgestatteten Kompressor sowie ein Verfahren zur Reduzierung von Pulsationen in einem von einem Kompressor erzeugten Gasstrom.
Ein Schalldämpfer mit den vorstehend beschriebenen Merkmalen ist bereits aus der EP 0 542 169 B1 bekannt. Generell stellt sich bei Kompressoren, insbesondere nach dem Verdrängungsprinzip arbeitenden Kompressoren (z.B. Schraubenverdichter, Wälzkolbengebläse), das Problem, dass aufgrund des diskontinuierlichen Ausschubvorgangs auf der Dtuck- bzw. Ausschubseite des Kompressors sich in den stromab gelegenen Komponenten, wie beispielsweise Rohrleitungen, Kühler, Behältex etc., Pulsationen ergeben, die im Wesentlichen zu zwei Hauptproblemen führen:

Zum einen werden die angeschlossenen Komponenten aufgrund der Druckwechsel erheblich belastet, was zu Materialschädigung durch Ermüdung (Dauerbrüche etc.) infolge zyklischer Beanspruchung durch die primären Druckwechsel und/oder der hierdurch angeregten Schwingungen führen kann.
Zum anderen erweist sich die ganz erhebliche Geräuschemission, die aus dem Druckwechsel auch als Folge von Körperschalleinleitung, -weiterleitung und -abstrahlung entsteht, als äußerst beeinträchtigend. Die vorgenannten Probleme sind besonders gravierend bei trocken verdichtenden Schraubenkompressoren, bei denen zum Teil erhebliche Pulsationen am Austritt der Verdichterstufen auftreten. Da die Ausschubvorgänge keine harmonischen, d.h. sinus- bzw. kosinusförmige, sondern impulsartige Vorgänge sind, sind auch die Harmonischen der Grundfrequenz in der Frequenzanalyse stark ausgeprägt, in einigen Fällen sogar stärker als die Grundfrequenz.

Die Pulsationen mit relevanter Amplitude liegen in der Regel in einem weiten Frequenzbereich von typischerweise 200 Hz bis 10 KHz. Infolge des tonalen Charakters der Pulsation (Hauptausschubftequenz und deren Harmonische) sind die abgestrahlten Geräusche subjektiv unangenehm.
Die Hauptausschubftequcnzen können innerhalb einer Kompressorbaureihe, die sich im Wesentlichen aus identischen Baugruppen zusammensetzt, infolge verschiedener Einflüsse erheblich variieren. Zum einen wird oftmals eine Drehzahlregelung zur Liefermengenanpassung, beispielsweise unter Zuhilfenahme eines Frequenzumrichters, vorgenommen. Weiterhin werden einzelne Kompressoren oft mit uncerschiedlich aufgebauten Getriebeübersetzungen im Antrieb der Verdichterstufen zur Leistungs-/Druck-Anpassung ausgeliefert. Schließlich werden in einer Kompressorbaureihe einzelne Kompressoren im Betrieb an 50 Hz-Stromversorgungsnetze, andere Kompressoren an 60 Hz-Stromversorgungsnetze angeschlossen.
Schmalbandig wirksame Dämpfungsverfahren mit geringer Dissipation sind unter den vorbeschriebenen Randbedingungen deshalb wenig geeignet, weil entweder für einen Verdichter eine Mehrzahl verschieden abgestimmter
Schalldätnpfer erforderlich ist, um eine gewisse breitbandige Wirkung zu erzielen oder mehrere Schalldämpfctvarianten vorzuhalten sind, die dann an die einzelnen Verdichtetvarianten bzw. deren späteres Einsatzumfeld angepasst sind. Auch dies ist allerdings nur möglich, falls es sich nicht um einen Verdichter mit variabler Frequenz (z.B. Drehzahlregelung) handelt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen besonders effektiven, insbesondere auch breitbandigen, Schalldämpfer für einen Kompressor oder eine Vakuumpumpe sowie ein Verfahren zur Reduzierung von Pulsationen in einem von einem Kompressor oder einer Vakuumpumpe erzeugten Gasstrom vorzuschlagen.
Diese Aufgabe wird in Vorrichtungstechnischer Hinsicht mit einem Schalldämpfer nach den Merkmalen des Anspruches 1 und in verfahrenstechnischet Hinsicht durcli die Merkmale des Anspruches 20 gelöst. Weiterhin wird ein Kompressor bzw. eine Vakuumpumpe beansprucht, der bzw. die mit einem Schalldämpfer nach der Erfindung ausgestattet ist. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Ein Kerngedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass der Abzweig eine axiale Vorzugsrichtung A aufweist, die parallel zur Strömungsrichtung des Gasstroms im Zuströmkanal ausgerichtet ist, derart, dass der Gasstrom zumindest im Wesentlichen frontal auf den endseitig verschlossenen Abzweig trifft. Die Erfindung beruht demgemäß auf der Überlegung, dass der schallbedingte Wechselfluss in der Gasströmung besonders gut gedämpft wird, wenn ein endseitig verschlossener Abzweig so in die Hauptströmung des Gasstroms gerichtet wird, dass der Gasstrom frontal auf den Abzweig gelenkt wird.
In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist die weiterführende Hauptleitung weiterhin so auszubilden bzw. auszurichten, dass der Gasstrom in einer Richtung quer zum Gasstrom im Zuströmkanal aus der Verzweigung austritt. Als weiterführende Hauptleitung ist hier jegliche Konfiguration einer Strömungsführung zu verstehen, wie insbesondere ein zwischen Zuströmkanal und Abzweig ausgebildeter 360°-Ringspalt bzw. Teilringspalt von weniger als 360°, insbesondere auch ein abzweigendes Rohr mit kreisförmigen oder mehreckigen Querschnitt, etc.
In einer weiter bevorzugten Ausgestaltung sind Abzweig und Zuströmkanal koaxial oder zumindest im Wesentlichen koaxial zueinander ausgerichtet, d.h. die Projektion ihrer Querschnitte ergibt keinen nennenswerten Versatz sondern liegen vielmehr im Wesentlichen konzentrisch.
Besonders gute Schalldämpfungseigenschaften haben sich ergeben, wenn ein mit Ausnehmungen versehenes Deckelement, insbesondere Lochblech, an oder im Abzweig dessen Innenquerschnitt überdeckend angeordnet ist. In dieser Anordnung kann ein Teil des schallbedingten Wechselflusses durch die Ausnehmungen in den durch das Deckelement verschlossenen Bereich des Abzweigs eintreten. Es muss angenommen werden, dass die guten Schalldämpfungseigenschaften auf einer Überlagerung von reflexionsbedingten, resonanzbedingten und dissipativen Effekten beruht.
In einer fakultativ möglichen Ausgestaltung kann der Abzweig durch Innenwände in Teilvolumina unterteilt sein, denen jeweils eine Teilmenge der Ausnehmungen und ein entsprechender Abschnitt des Deckelements zugeordnet sind und die als weitgehend unabhängige Dämpfungselemente, insbesondere als unabhängige Resonatoren, mit unterschiedlichen Resonanzfrequenzen wirken. Auch die Erstreckung der Teilvolumina in Richtung des Gasstroms im Zuströmkanal kann zur Erzielung unterschiedlicher Reflexionseigenschaften verschieden groß sein.
In einer weiter bevorzugten Ausgestaltung ist das Dämpfungsverhalten des Schalldämpfers über Anordnung und/oder Größe und/oder Form und/oder Anzahl der Ausnehmungen im Deckelement oder die Dicke des Deckelements, insbesondere unter Berücksichtigung des Resonatotvolumens bzw. der Resonator-Teilvolumina feineinstellbar. Insbesondere können hierdurch sowohl Resonanzfrequenzen als auch Breitbandigkeit des Dämpfers eingestellt werden.
Die Parameter der Ausnehmungen werden so gewählt, dass es im Betrieb des Schalldämpfers infolge der durch die Ausnehmungen hin- und hergepumpten Gasvolumina zu nennenswerten dissipativen Effekten kommt, die dem Schalldämpfer die erwünschte Breitbandigkeit verleihen. Die Anordnung der Ausnehmungen im Deckelelnent des Abzweigs, das mit geringem Abstand, vorzugsweise weniger als λ/10 (λ bezeichnet die Wellenlänge der vorrangig zu dämpfenden Frequenz, insbesondere einer Hauptausschubfrequenz der Kompressoranlage bzw. der Vakuumpumpe in einem bevorzugten Arbeitsbereich), und im Wesentlichen parallel zum Eintrittsquerschnitt angeordnet wird, bewirkt trotz der überlagerten Gasströmung eine für die Dämpfungswirkung des Abzweigs vorteilhafte hohe akustische Admittanz des Abzweigs.
Die Hauptabmessung eines den Abzweig beherbergenden Gehäuses in Richtung seiner Zylinderlängsachse beträgt vorzugsweise λ/4 der Hauptausschubfrequenz der Kompressoranlage.
Vorzugsweise befinden sich im gesamten Strömungsweg keine ebenen Wände, die einen Abstand von λ/2 oder ungeradzahligem Vielfachen davon parallel benachbart angeordnet oder durch Strömungskanäle mit einer Länge von λ/2 oder ungeradzahlichem Vielfachen davon verbunden sind und diese senkrecht abschließen, so dass die Ausbildung von stehenden Wellen mit der Hauptausschubfrequenz der Kompressoranlage vermieden wird.
Die Anordnung des Austrittskanals als Teil der weiterführenden Hauptleitung erfolgt vorzugsweise so, dass eine dem Austrittsquerschnitt benachbarte Kammerwandung des Abzweigs in einem flachen Winkel (jedoch keinesfalls senkrecht) zur Längsachse des Austrittskanals liegt, so dass keine reflektierenden Ebenen für stehende Wellen in sich anschließenden Rohrleitungen gebildet werden. Die Anordnung des Austrittskanals erfolgt also vorzugsweise tangential oder axial zur Kammerwandung des Abzweigs.
Vorzugsweise ist die Längsachse des Abzweigs exzentrisch zur Längsachse des Gehäuses angeordnet, wobei der Versatz so gewählt ist, dass der Querschnitt eines Ringraumes, der sich zwischen Abzweig und Gehäuse ausbildet, in Richtung auf den Austritt zunimmt.
Prinzipiell gibt es zwei denkbare Alternativen, um das Deckelement, vorzugsweise im Wesentlichen orthogonal zur Vorzugsrichtung des Abzweigs anzuordnen, nämlich gemäß einer ersten alternativen Ausgestaltung so, dass das Deckelement an dem dem Zuströmkanal zugewandten Ende des Abzweigs angeordnet ist sowie in einer zweiten alternativen und prinzipiell bevorzugten Ausgestaltung so, dass das Deckelement gegenüber dem dem Zuströmkanal zugewandten Ende des Abzweigs in den Abzweig hineinversetzt angeordnet ist.
Bevorzugtermaßen ist der Abzweig als Resonatorkammer ausgebildet, d.h. das Schalldämpfungsverhalten des Abzweigs beruht zumindest teilweise darauf, dass der Abzweig im Sinne eines Helmholtz-Resonators vorzugsweise auf die Hauptausschubfrequenz abgestimmt ist. Im Falle einer in mehrere Teilvolumina unterteilten Resonatorkammer können die Teilvolumina und die ihnen zugeordneten Abschnitte des Deckelements und der Ausnehmungen auf mehrere unterschiedliche Resonanzfrequenzen, vorzugsweise die Hauptausschubfrequenz und/oder deren Harmonische, abgestimmt werden.
Nach einem weiteren bevorzugten Aspekt der vorliegenden Erfindung wirkt der Abzweig zumindest teilweise (auch) als λ/Viertel-Rohr.
Nach einem weiteren bevorzugten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist innerhalb der Verzweigung, insbesondere stromab des Abzweigs, weiterhin mindestens eine vom Gasstrom zu passierende Engstelle ausgebildet. Die Engstelle wirkt dabei als Impedanzsprung und kann damit die Schalldämpfungseigenschaften des erfindungsgemäßen Schalldämpfers noch entscheidend verbessern.
Bevorzugtermaßen ist die Engstelle in der quer zum Zuströmkanal abgehenden Hauptleitung ausgebildet. Der Schalldämpfer mit der erfindungsgemäßen Verzweigung kann in einem im Wesentlichen flachzylindrischcn Gehäuse mit zwei Endflächen und einer dazwischen angeordneten Mantelfläche ausgebildet sein, wobei an einer ersten Endfläche der Eintritt und an der Mantelfläche der Austritt vorgesehen ist. Hierdurch wird ein besonders kompakter und gleichzeitig robuster Schalldämpfer geschaffen, bei dem sich die erfindungsgemäß aufgebaute Verzweigung besonders gut implementieren lässt.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung umfasst der Abzweig einen topfförmigen Grundkörper bzw. ist aus einem topfförmigen Grundkörper gebildet. Besonders bevorzugt wird hierbei eine Ausgestaltung, bei der die zweite Endfläche des bevorzugtermaßen flachzylindrisch ausgebildeten Gehäuses durch eine Endplatte des topfförmigen Grundkörpers gebildet wird.
Versuche mit dem erfindungsgemäß aufgebauten Schalldämpfer haben ergeben, dass der schallbedingte Wechselfluss des Gasstroms nicht nur im Schalldämpfer bzw. abstromseitig des Schalldämpfers entscheidend reduziert wird, sondern diese Reduzierung des schallbedingten Wechselflusses auch stromaufwärts des Schalldämpfers bis zum Kompressor zurückwirkt. Zur Erzielung einer möglichst effektiven Rückwirkung sollte der Schalldämpfer direkt am Auslass oder vermittels eines ausreichend kurzen Rohrabschnitts am Auslass des Kompressors bzw. am Auslass der Vakuumpumpe angeschlossen werden. Demgemäß wird auch ein Kompressor bzw. eine Vakuumpumpe, insbesondere ein nach dem Verdrängungsprinzip arbeitender Kompressor bzw. ein nach dem Verdrängungsprinzip arbeitende Vakuumpumpe, wie beispielsweise ein Schtaubenkomptessor oder eine Schraubenvakuumpumpe, als erfindungswesentlich beansprucht, der bzw. die eine Kompressionskamtmer sowie einen Auslass und einen an den Auslass angeschlossenen Schalldämpfer gemäß der Erfindung umfasst.
Die scheinbare Merkwürdigkeit, dass der Schalldämpfer auch eine starke Rückwirkung auf den schallbedingten Wechselfluss im Auslass des Kompressors bzw. der Vakuumpumpe selbst ausübt ist, folgendermaßen erklärbar. Der Kompressor bzw. die Verdichterstufe des Kompressors oder der Vakuumpumpe wird fälschlicherweise intuitiv als unveränderliche Pulsationsquelle betrachtet, weshalb der "Rückwirkungseffekt" zunächst verwundert. Die Pulsationsquelle "Verdichterstufe" prägt dem Eintritt des Schalldämpfers jedoch kein unveränderliches Druckverlaufsignal auf, sondern die Verdichterstufe stellt aufgrund ihrer Ausschubkinematik eine "Schallschnelle-Quelle" dar (Analogie: bewegliche Wand, bzw. zyklisch bewegter Kolben im Rohr, etc.). Der Druckverlauf am Auslass der Verdichrerstufe bzw. des Kompressors oder der Vakuumpumpe kann somit durchaus durch einen geeigneten Schalldämpfer positiv beeinflusst, d.h. in seiner Amplitude vetringert werden.
Nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird auch ein Verfahren zur Reduzierung von Pulsationen in einem von einem Kompressor oder einer Vakuumpumpe, insbesondere nach dem Verdrängungsprinzip arbeitend, wie beispielsweise ein Schraubenkompressor oder eine Vakuumpumpe, erzeugten Gasstrom, beansprucht, wobei der Gasstrom durch einen Eintritt in einen Schalldämpfer hinein und durch einen Austritt aus diesem herausgeführt wird, wobei innerhalb des Schalldämpfers eine Verzweigung vorgesehen ist, die einen Zuströmkanal und zwei hiervon abzweigende Kanalabschnitte umfasst, wobei ein erster Kanalabschnitt als weiterführende Hauptleitung für den Gasstrom und ein zweiter Kanalabschnitt als endseitig verschlossener Abzweig ausgebildet ist und sich das Verfahren durch die folgenden Maßnahmen auszeichnet: Erzeugen und Ausnützen einer Gegenbeaufschlagung des schallbedingten Wechselflusses durch ein Reflexions- und/oder Resonanzverhalten im Abzweig, der mit einer axialen Vorzugsrichtung parallel zur Strömungsrichtung des Gasstromes im Zuströmkanal ausgerichtet ist, um die Pulsationen im Gasstrom zu reduzieren. Diese Gegenbeaufschlagung durch ein Reflexions- und/oder Resonanzverhalten kann zusätzlich durch dissipative Maßnahmen, wie Erzeugen und Ausnutzen von dissipativen Dämpfungsvorgängen im "Halsbereich" des Helmholtz-Resonators (entspricht beispielsweise dem o.g. Deckelement, vorzugsweise in Form eines Lochblechs) unterstürzt werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung wird der Gasstrom weiterhin in unmittelbarer Nähe zur im Abzweig erzeugten Gegenbeaufschlagung, insbesondere stromab davon durch eine Engstelle geführt, um einen Impedanzsprung zu erzeugen.
Weiterhin wird der die Verzweigung verlassende Gasstrom vorzugsweise an einer solchen Stelle aus der Verzweigung herausgeführt, in der reflexions- und resonanzbedingte Auslöschung oder Reduzierung der Pulsation vorliegt, beispielsweise nahe der Ebene des Zuströmquerschnitts.
Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die nachstehenden Zeichnungen näher erläutert.
Hierbei zeigen:

Fig. 1: eine schematische Darstellung eines Schraubenkompressors, an dessen Auslass ein Schalldämpfer nach der Erfindung angeschlossen ist;
Fig. 2: eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schalldämpfers in einer Schnittansicht entlang der Linie II-II in Fig. 3;
Fig. 3: der Schalldämpfer nach Fig. 2 in Draufsicht;
Fig. 4: eine perspektivische Ansicht des Schalldämpfers nach den Figuren 2 bzw. 3;
Fig. 5: eine Schnittäasicht des Schalldämpfers entlang der Linie V-V in Fig. 2;
Fig. 6: eine Explosionsansicht des Schalldämpfers nach den Figuren 2 bis 5;
Fig. 7: eine perspektivische Ansicht eines topfförmigea Grundkörpers als Bestandteil des Schalldämpfers nach den Figuren 2 bis 6;
Fig. 8: eine Seitenansicht des Schalldämpfers nach den Figuren 2 bis 7.

In Fig. 1 ist schematisch ein Schraubenkompressor 30 mit einem Einlasskanal 32, der in eine Kompressionskammer 29 mündet, einer Kompressionskammer 29, einer darin gelagerten Verdichterschraube 33 sowie einem Auslass 31 veranschaulicht. Unmittelbar an den Auslass 31 bzw. an ein Rohrstück 34 ist ein eifindungsgemäßer Schalldämpfer 11 angeschlossen. Der Schalldämpfer 11 ist so ausgebildet, dass er nicht nur eine Schalldämpfung des den Schalldämpfer 11 verlassenden Gasstroms, sondern auch eine Rückwirkung im zuströmenden Gasstrom bewirkt, derart, dass die Pulsationen des Gasstroms auch im Auslass 31 der Kompressionskammer 29 deutlich reduziert werden. Hierzu sollte der Schalldämpfer 11 entweder direkt an den Auslass 31 oder vermittels eines relativ kurzen Rohres bzw. Rohrstücks 34 relativ nahe am Auslass 31 angeschlossen werden.
Eine konkret bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schalldämpfers 11 wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Figuren 2 bis 8 näher erläutert. In Fig. 2 ist zunächst eine Schnittansicht des Schalldämpfers 11 entlang der Linie II-II in Fig. 3 sowie in Fig. 3 eine Draufsicht auf den Schalldämpfer 11 dargestellt. Der Schalldämpfer 11 umfasst ein im Wesentlichen flachzylindrisches Gehäuse 20, das aus zwei voneinander trennbaren Elementen, nämlich einem Gehäusegrundkörper 35 sowie einen hierin eingesetzten topfförmigen Grundkörper 24 besteht. Das flachzylindrische Gehäuse 20 bildet zwei Endflächen 21, 22 und eine dazwischen angeordnete Mantelfläche 23 aus. An einer ersten, im Wesentlichen kreisförmigen Endfläche 21 ist zentral ein Eintritt 12 in Form einer Öffnung für den zuströmenden Gasstrom ausgebildet; orthogonal zur Erstreckung der Öffnung des Eintritts 12 in der ersten Endfläche 21 ist eine einen Austritt 13 definierende Öffnung in der Mantelfläche 23 des Gehäuses 20 ausgebildet. Der Austritt 13 kann in der Mantelfläche grundsätzlich beliebig orientiert sein, vorzugsweise auch tangential bzw. "schräg axial"
Zwischen Eintritt 12 und Austritt 13 ist im Gehäuse 20 des Schalldämpfers 11 für die Gasströmung eine Verzweigung 14 ausgebildet, wobei die Verzweigung 14 durch einen Zuströmkanal15, einen Abzweig 17 sowie einer weiterführenden Hauptleitung 16 definiert ist. Zuströmkanal 15 und weiterführende Hauptleitung 16 sind bei der hier vorliegenden Ausführungsform des Schalldämpfers 11 innerhalb des flachzylindrischen Gehäuses 20 nur sehr kurz ausgebildet und werden in den jeweils angeschlossenen Leitungen fortgesetzt. Der Abzweig 17 ist hingegen komplett innerhalb des Gehäuses 20 des Schalldämpfers 11 untergebracht und wird hier durch den bereits erwähnten topfförmigen Grundkörper 24 gebilder. Der topfförmige Grundkörper 24 wird (vgl. auch Fig. 6) bei der vorliegenden Ausführungsform von einer der ersten Endfläche 21 gegenüberliegenden Seite in den Gehäusegrundkörper 35 eingesetzt.
Das zweiteilig ausgebildete flachzylindrische Gehäuse 20 umfasst damit den Gehäusegrundkörper 35, der hier die Mantelfläche 23 sowie die erste Endfläche 21 ausbildet, sowie den topfförmigen Grundkörper 24, der den im Inneren des Gehäuses 20 untergebrachten Abzweig 17 und bei der vorliegenden Ausführungsform gleichzeitig die das flachxylindrische Gehäuse 20 abschließende zweite Endfläche 22 in Form einer mit Rippungen 49 versehenen Endplatte 48 ausbildet,
Zwischen dem Gehäusegtundkörper 35 und dem topfförmigen Grundkörper 24 kann noch ein umlaufendes Dichtelement 36 wirksam sein, um eine Abdichtung zwischen den beiden Teilelementen des im Wesentlichen flachzylindrischen Gehäuses 20 zu bewirken. Der den Abzweig 17 ausbildende topfförmige Grundkörper 24 kann mit dem Gehäusegrundkörper 35 dauerhaft verbunden, wie beispielsweise verschweißt oder verlötet sein; bevorzugt wird eine lösbare Verbindung, wie insbesondere eine Verbindung über eine Mehrzahl von Schrauben 37, die in Innengewindebohrungen 38 eingreifen, welche über eine Flanschfläche 39 verteilt am Gehäusegrundkörper 35 ausgebildet sind.
Der durch den topfförmigen Grundkörper 24 gebildete Abzweig 17 besitzt in der hier bevorzugten Ausgestaltung wie das Gehäuse 20 ebenfalls eine zylindrische Grundform und weist eine Öffnung 40 auf, die derart auf den Eintritt 12 gerichtet ist, dass der Gasstrom aus dem Zuströmkanal 15 frontal auf die Öffnung 40 bzw. auf den Abzweig 17 trifft. Der Abzweig 17 bzw. der topfförmige Grundkörper 24 ist in der vorliegenden Ausführungsform durch eine zylinderförmige Kammerwandung 41 begrenzt. An dem der Öffnung 40 gegenüberliegenden Ende ist eine Abschlussfläche 28 ausgebildet. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird die Abschlussfläche 28 durch eine Innenseite der Endplatte 48 gebildet, so dass die Endplatte 48 gleichzeitig einen Teil der äußeren Wand des Gehäuses 20 sowie auch die Abschlussfläche 28 als Teil des Abzweigs 17 ausbildet.
Schließlich ist innerhalb der Kammerwandung 41, den Querschnitt des Abzweigs 17 überdeckend gegenüber der Öffnung 40 des Abzweigs 17 zur Abschlussfläche 23 hin zurückversetzt ein Deckelement 19 angeordnet, das mit einer Mehrzahl von Ausnehmungen 18 (vgl. Fig. 3, 5 und 6) versehen ist. Das Deckelement 19 kann insbesondere als Lochblech ausgebildet werden.
Das Deckelement 19 ist auf säulenförmigen Vorsprüngen 42 bis 45 über Schrauben 46 befestigt, die in den Innengewindebohrungen 47 in den säulenförmigen Vorsprüngen 42 bis 45 eingreifen. Dabei ist eine erste Art von säulenförmigen Vorsprüngen 42 bis 44 an der Innenseite der Kammerwandung 41 ausgebildet. Weiter ist ein zentraler säulenförmiger Vorsprung 45 von der Kammerwandung 41 beabstandet im mittleren Bereich über der Abschlussfläche 28 vorstehend ausgebildet. Eine axiale Anpassung der Position des Deckelements 19 lässt sich durch unterschiedliche Bearbeitung der Vorsprünge 42 bis 45, insbesondere durch matetialabtragende Verfahren leicht einstellen.
Im Abzweig 17, vorzugsweise auf der der Abschlussfläche 17 zugeordneten Seite des Deckelements 19 kann in einer fakultativen Ausgestaltung auch eine Packung mit absorbierendem Material (z.B. eine Mineralwollpackung, ein Sinterkörper aus Metall oder Keramik, ein offenporiger Metallschaum, ein Keramikschaum, o.ä.) angebracht sein.
In Fig. 7 ist der topfförmige Grundkörper in einer perspektivischen Ansicht dargestellt. Der topfförmige Grundkörper umfasst die gleichzeitig die Endfläche 22 des Gehäuses 20 definierende Endplatte 48, die zur Erhöhung der Verwindungssteifigkeit mit Rippungen 49 versehen ist. An der Endplatte 48 einstückig angeformt ist die Kammerwandung 41, welche die den eine Resonatorkammer 26 ausbildenden Abzweig 17 seitlich begrenzt.
Die Endplatte 48 umfasst an ihrem Außenumfang an der der Kammerwandung 41 zugewandten Seite weiterhin noch eine Flanschfläche 50 mit Bohrungen 51, jeweils abgestimmt auf die Flanschfläche 39 sowie die Innengewindebohrungen 38 am Gehäusegrundkörper 35. In Fig, 8 ist noch eine Seitenansicht des Schalldämpfers 11 im zusammengesetzten Zustand dargestellt.
Der topfförmige Grundkörper 24 ist bevorzugtermaßen so im Gehäuse positioniert, dass seine Kammerwandung 41 den Austritt des Gasstroms durch die weiterführende Hauptleitung 16, insbesondere durch den Austritt 13, möglichst wenig behindert. Hierzu soll der Gasstrom möglichst tangential oder axial an der Kammerwandung 41 vozbeigeführt werden, um keine reflektierenden Ebenen für stehende Wellen in sich anschließenden Rohrleitungen auszubilden.
Wie sich insbesondere aus Fig. 5 entnehmen lässt, ist der Abzweig 17 mit der ihn begrenzenden Kammerwandung 41 hierzu koaxial, aber gleichzeitig leicht exzentrisch innerhalb des Gehäuses 20 angeordnet, wobei ein verbleibender Ringraum 52 zwischen Innenwand des Gehäusegrundkörpers 35 und der Kammerwandung 41 einen sich zum Austritt 13 hin erweiternden Querschnitt aufweist.
Die durch den Eintritt 12 in den Schalldämpfer 11 eintretende Gasströmung trifft frontal auf den Abzweig 17, der eine effektive Dämpfung des schallbedingten Wechselflusses bewirkt. Die Hauptströmung wird dabei abgelenkt und tritt durch eine Engstelle 27, die hier als Ringspalt 53 zwischen der Stirnseite der Kammerwandung 41 und der dem Eintritt 12 zugeordneten Innenseite des Gehäusegrundkörpers 35 ausgebildet wird, hindurch und strömt über den Ringraum 52 in Richtung auf den Austritt 13 und anschließend aus dem Schalldämpfer 11 aus. Der Ringspalt 53 liegt im Wesentlichen in der Ebene des Zuströmkanals 15, in der reflexions- und resondanzbedingte Auslöschung bzw. Reduzierung der Pulsation herrscht. Insofern wird durch das stirnseitige Ende der Kammerwandung 41, das Deckelement 19 des Abzweigs 17, den Ringspalt 53, den Eintritt 12 sowie zugeordneten Abschnitten der Innenwandung des Gehäusegrundkörpers 35 ein Teilvolumen 54 gebildet. Die Strömungsrichtung durch den Ringspalt 53 ist auf dem ganzen Umfang des Ringspalts 53 im Wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung im Eintritt 12. Somit erfolgt gemäß der vorliegenden Ausführungsform im Ringspalt 53 eine Strömungsumlenkung um 90°. Die durch den Ringspalt 53 definierte Engstelle 27 bewirkt einen Impedanzsprung für die mit schallbedingtem Wechselfluss beaufschlagte Gasströmung.
Der eine Resonatorkammer 26 ausbildende Abzweig 17 ist im Sinne eines Helmholtz-Resonators vorzugsweise auf die Hauptausschubfrequenz oder eine niedrige Harmonische der Hauptausschubfrequenz det Kompressoranlage abgestimmt.
Der hier konkret beschriebene, bevorzugte Schalldämpfer zeichnet sich durch eine Reihe von für die Verwendung in einem Kompressor günstigen Eigenschaften aus. Zunächst wirkt der Schalldämpfer sehr breitbandig und erzielt eine gute Dämpfung der Pulsationen im hier typischen Frequenzbereich von 200 Hz bis 10 KHz. Herkömmliche Schalldämpfungsmechanismen mit breitbandiger Wirkung, wie beispielsweise Interferenzdätnpfung durch Reflexion an aufeinanderfolgenden Querschnittsprüngen (Impedanzsprünge) oder Dämpfung durch dissipative Schalldämpfer (z.B. Absorptions- oder Drosseldämpfer) sind zum Teil mit erheblichen Nachteilen für die Anwendung in einer Kompressoranlage behaftet. Interferenzdämpfer, die auf Impedanzsprüngen beruhen, müssen für eine gute Wirksamkeit erhebliche Querschnittsverhältnisse aufweisen. Dies macht die Realisierung in Rohrleitung aufgrund der erforderlichen Abmessungen schwierig. Drosseldämpfer verbieten sich aufgrund der Druckverluste.
Absorptionsdämpfer etfordern in der Regel Mindestschichtdicken der absorbierenden Medien in der Größenordnung von λ/4, was im unteren Bereich des o.g. Frequenzbereichs zu inakzeptablen Schichtdicken bzw. Bauvolumina führt. Zudem besteht die Gefahr, dass die absorbierenden Materialien (z.B. Mineralwolle, poröse Strukturen) durch die Pulsationen zerrüttet und ausgetragen werden. Ein weiteres Problem ist die fehlende Temperaturbeständigkeit mancher absorbierender Materialien.
Der anhand der Figuren 2 bis 8 beschriebene Schalldämpfer überwindet die vorgenannten Nachteile und zeichnet sich durch ein gutes Dämpfungsverhalten im fraglichen Frequenzbereich aus. Darüber hinaus ergibt sich ein nur geringer Differenzdruck, so dass die sich aufgrund des Differenzdrucks einstellende Verschlechterung des Verdichterwirkungsgrades bei Einbau in eine Kompressoranlage bei der konkret vorgeschlagenen Ausführungsform äu-ßerst gering ist. Die konkret beschriebene Ausführungsform des Schalldämpfers zeichnet sich weiter durch eine kompakte Bauform aus, so dass sich der Schalldämpfer platzsparend innerhalb einer Kompressoranlage unterbringen lässt und insbesondere lange Rohre vermieden werden.
Ein weiterer Aspekt ist, dass der erfindungsgemäße Schalldämpfer in der bevorzugten Ausführungsform drucktragend, d.h, eigenstabil ausgebildet ist. Die konkret vorgeschlagene Bauform ist infolge der äußeren und inneren Konturen leicht als drucktragendes Gehäuse (typischerweise mit wenigstens 11 bar belastbar) herstellbar. Weiterhin hat sich die konkret vorgeschlagene Bauform auch als sehr temperaturbeständig erwiesen, so dass Gastemperaturen bis wenigstens 250°C problemlos durchgeleitet werden können.
Der erfindungsgemäße Schalldämpfer zeichnet sich in einer bevorzugten, fakultativen Ausgestaltung dadurch aus, dass auf absorbierende Materialien wie beispielsweise Mineralwolle komplett verzichtet werden kann.
In der konkreten Ausführungsform ist beim zweiteiligen Gehäuse eine vergleichsweise steife Bauweise erreicht, so dass die Eigenfrequenzen so hoch liegen, dass es im Wesentlichen nicht zu einer Resonanzanregung infolge der Pulsationen des Gasstroms kommt.
Die kompakte Bauform des konkret bevorzugten Schalldämpfers erlaubt eine "steife" Bauweise, welche zu hohen fiigenfrequetlzen und solchen Eigenformen führt, bei denen die Biegewellenlängen der betreffenden Wandabschnitte der Außenkontur kleiner als die Wellenlängen des Luftschalls bei besagten Eigenfrequenzen sind, wodurch sich ein geringer Abstrahlgrad ergibt.
Bei der konkret beschriebenen Ausführungsform wird eine Schalldämpfung durch eine Kombination mehrerer Schalldämpfungsprinzipien erzielt, nämlich konkret durch einen Helmholtz-Resonator mit zusätzlicher Dissipation (Strömungsverluste im Lochblech), ein λ/4-Rohr, einen Impedanzschalldämpfer und einen Abgriff der Hauptströmung aus einem Bereich geringer Pulsationen infolge reflexions- und resonanzbedingter Auslöschung,
Es kann nicht mit letzter Sicherheit festgestellt werden, ob die sich in praktischen Versuchen gezeigte gute Wirksamkeit des beschriebenen Schalldämpfers allein auf die vorgenannten Effekte zurückgeführt werden kann. In weiten Bereichen gilt innerhalb des beschriebenen Schalldämpfers sicherlich vorwiegend die lineare Akustik. Auch im Auslass des Kompressors liegt die mittlere Austrittsgeschwindigkeit bei wenigen Prozent der jeweiligen Schallgeschwindigkeit. In Anbetracht der starken Ungleichförmigkeit des Ausschubvorgangs können jedoch auch nichtlineare Effekte nicht ausgeschlossen werden.
Somit ist ein Teil der Wirksatnkeit des beschriebenen Schalldämpfers möglicherweise nicht nur auf die beschriebenen Wirkmechanismen zurückzuführen, sondern auch darauf, dass der schallbedingte Wechselfluss, d.h. der überlagerte Druck-Pulsationsanteil durch ein dissipativ sehr wirksames Lochblech abgebaut wird, während die Hauptströmung vor dem Lochblech von der Ausbreitungsrichtung der Pulsation abzweigt und dennoch nur einen geringen Druckverlust erfährt, weil das Lochblech nicht von der Hauptströmung durchströmt wird.

Bezugszeichenliste

11: Schalldämpfer
12: Eintritt
13: Austritt
14: Verzweigung
1 5: Zuströmkanal
16: Hauptleitung
17: Abzweig
18: Ausnchmung
19: Deckelement
20: Gehäuse
21: Endfläche (erste)
22: Endfläche (zweite)
23: Mantelfläche
24: topfförmiger Grundkörper
26: Resonatorkammer
27: Engstelle
28: Abschlussfläche (Abzweig)
29: Kompressionskammer
30: Schraubenkompressor
31: Auslass (Kompressor)
32: Einlasskanal (Kompressor)
33: Verdichterschraube
34: Rohrstück
35: Gehäusegrundkörper
36: (umlaufendes) Dichtelement
37: Schrauben (topfförmiger Grundkörper)
38: Innengewindebohrung (Gehäusegrundkörpex)
39: Flanschfläche
40: Öffnung (Abzweig)
41: Kammerwandung
42 bis 45: säulenförmige Vorsprünge
46: Schrauben (Deckelement)
47: Innengewindebohrung (säulenförmige Vorsprünge)
48: Endplatte (topfförmiger Grundkörper)
49: Rippungen
50: Flanschfläche
51: Bohrungen
52: Ringtaum
53: Ringspalt
54: Teilvolumen

Claims

Schalldämpfer ausgebildet und bestimmt für einen Kompressor oder eine Vakuumpumpe, insbesondere für einen nach dem Verdrängungsprinzip arbeitenden Kompressor oder für eine nach dem Verdrängungsprinzip arbeitende Vakuumpumpe, der bzw. die einen Gasstrom, insbesondere einen Luftstrom verdichten,
wobei der Schalldämpfer einen Eintritt (12) für den den Kompressor verlassenden Gasstrom und einen Austritt (13) aufweist,
wobei innerhalb des Schalldämpfers eine Verzweigung (14) vorgesehen ist, die einen Zuströmkanal (15) und zwei hiervon abzweigende Kanalabschnitte (16, 17) umfasst,
wobei ein erster Kanalabschnitt als weiterführende Hauptleitung (16) für den Gasstrom und ein zweiter Kanalabschnitt als endseitig verschlossener Abzweig (17) ausgebildet ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Abzweig (17) eine axiale Vorzugsrichtung (A) aufweist, die parallel zur Strömungsrichtung des Gasstroms im Zuströmkanal (15) ausgerichtet ist, derart, dass der Gasstrom zumindest im Wesentlichen frontal auf den endseitig verschlossenen Abzweig (17) trifft.
Schalldämpfer nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Hauptleitung (16) so ausgebildet und ausgerichtet ist, dass der Gasstrom in einer Richtung quer zum Gasstrom im Zuströmkanal (15) aus der Verzweigung (14) austritt.
Schalldämpfer nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass Abzweig (17) und Zuströmkanal (15) koaxial oder zumindest im Wesentlichen koaxial zueinander ausgerichtet angeordnet sind.
Schalldämpfer nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein mit Ausnehmungen (18) versehenes Deckelement (19) an oder im Abzweig (17) dessen Innenquerschnitt überdeckend angeordnet ist.
Schalldämpfer nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Abzweig (17) durch Innenwände in Teilvolumina unterteilt ist, denen jeweils eine Teilmenge der Ausnehmungen (18) und ein entsprechender Abschnitt des Deckelements (19) zugeordnet sind und die als weitgehend unabhängige Dämpfungselemente mit unterschiedlichen Resonanzfrequenzen wirken.
Schalldämpfer nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Teilvolumina des Abzweigs (17) Abschlussflächen (28) mit unterschiedlichem Abstand zum Zuströmkanal (15) aufureisen und insbesondere zumindest teilweise als λ/4-Rohre für unterschiedliche Frequenzen wirken.
Schalldämpfer nach einem der Ansprüche 4 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Dämpfungsverhalten des Schalldämpfers über Anordnung und/oder Größe und/oder Form und/oder Anzahl der Ausnehmungen (18) im Deckelement (19) oder die Dicke des Deckelements (19) feineinstellbar ist.
Schalldämpfer nach einem der Ansprüche 4 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Deckeletnent (19) an dem dem Zuströmkanal (15) zugewandten Ende des Abzweigs (12) angeordnet ist.
Schalldämpfer nach einem der Ansprüche 4 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Deckelement (19) gegenüber dem dem Zuströmkanal (15) zugewandten Ende des Abzweigs (17) in den Abzweig (17) hineinversetzt angeordnet ist.
Schalldämpfer nach Anspruch 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Abzweig (17) eine Resonatorkammer (26) ausbildet.
Schalldämpfer nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Abzweig (17) zumindest teilweise als Helmholtz-Resonator wirkt.
Schalldämpfer nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Abzweig (17) zumindest teilweise als '>-/4-Rohr wirkt.
Schalldämpfer nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
dadurch gekennzeichnet,
dass innerhalb der Verzweigung (14), insbesondere sttomaab des Abzweigs (17), weiterhin mindestens eine vom Gasstrom zu passierende Erlgstelle (27) ausgebildet ist.
Schalldämpfer nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine Engstelle (27) in der quer zum Zuströmkanal (15) abgehenden Hauptleitung (16) ausgebildet ist.
Schalldämpfer nach einem der Ansprüche 1 bis 14,
dadurch gekennzeichnet,
dass der quer zum Gasstrom im Zuströmkanal (15) aus der Verzweigung (14) austretende Gasstrom die Verzweigung (14) an einem Ort verlässt, an dem reflexions- oder resonanzbedingre Auslöschung oder Reduzierung der Pulsation im Gasstrom hertscht.
Schalldämpfer nach einem der Ansprüche 1 bis 15,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Schalldämpfer (11) mit der Verzweigung (14) in einem im Wesentlichen flachzylindrischen Gehäuse (20) mit zwei Endflächen (21, 22) und einer dazwischen angeordneten Mantelfläche (23) ausgebildet ist,
wobei an einer ersten Endfläche (21) der Eintritt (12) und an der Mantelfläche (23) der Austritt (13) angeordnet sind.
Schalldämpfer nach einem der Ansprüche 1 bis 16,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Abzweig (17) einen topfförmigen Grundkörper (24) umfasst oder aus diesem besteht.
Schalldämpfer nach Anspruch 16 und 17,
dadurch gekennzeichnet,
dass die zweite Endfläche (22) des Gehäuses (20) durch eine Endplatte (48) des topfförmigen Grundkörpers (24) gebildet ist.
Kompressor oder Vakuumpumpe, insbesondere nach dem Verdrängungsprinzip arbeitend, wie beispielsweise ein Schraubenkompressor oder eine Schraubenvakuumpumpe, unafassend eine Kompressionskammer sowie einen Auslass, gekennzeichnet durch
einen an den Auslass angeschlossenen Schalldämpfer nach einem der Ansprüche 1 bis 18.
Verfahren zur Reduzierung von Pulsationen in einem von einem Kompressor oder Vakuumpumpe, insbesondere nach dem Verdrängungsprinzip arbeitend, wie beispielsweise ein Schraubenkompressor oder eine Schraubenvakuumpumpe, erzeugten Gasstrom,
wobei der Gasstrom durch einen Eintritt (12) in einen Schalldämpfer (11) hinein und durch einen Austritt (13) aus diesen herausgeführt wird,
wobei innerhalb des Schalldämpfers (11) eine Verzweigung (14) vorgesehen ist, die einen Zuströmkanal (15) und zwei hiervon abzweigende Kanalabschnitte (16, 17) umfasst,
wobei ein erster Kanalabschnitt als weiterführende Hauptleitung (16) für den Gasstrom und ein zweiter Kanalabschnitt als endseitig verschlossener Abzweig (17) ausgebildet ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine Gegenbeaufschlagung durch ein Reflexions- und/oder Resonanzschallverhalten im Abzweig (17), der mit einer axialen Vorzugsrichtung (A) parallel zut Strömungsrichtung des Gasstroms im Zuströmkanal (15) ausgerichtet ist, erzeugt und ausgenützt wird, um die Pulsation im Gasstrom zu reduzieren.
Verfahren nach Anspruch 20,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Gasstrom in unmittelbarer Nähe zur im Abzweig erzeugten Gegenbeaufschlagung, insbesondere stromab davon, durch eine Engstelle (27) geführt ist zur Erzielung eines Impedanzsprunges.