JP4586513B2 - 消音器構造 - Google Patents

Description

本発明は、圧送されてきたガスを吸音材を使用して消音する消音器に係り、特に水分を含むガスを消音するのに有効な消音器構造に関する。

従来、内燃機関の排気系に設けてある吸音型消音器は、一般に、所定の軸方向に延びる消音器本体内の消音空間内に対し、側壁に多数の通気孔が形成されたインナパイプを貫通させると共に、消音空間におけるインナパイプ外周の空間に、グラスウール等からなる吸音材を充填した構造となっている。
ここで、上記構造の吸音型消音器を燃料電池車両の排気系に設けた場合を想定すると、燃料電池車両の排気ガスは、水素と酸素とから電気エネルギーを発生させる際に生じる水蒸気であることから、消音空間を通過する際に消音器内に溜まった水分が吸音材に含水する。この結果、吸音材の繊維間に形成されている空隙が無くなり消音性能を低下させるという問題がある。

この問題に対する従来技術として、例えば特許文献１に記載の技術がある。この技術は、消音器本体の内部空間を、連通孔を有する仕切り板によって、吸音材を充填した上側の吸音室と、下側の拡張室とに区画する構造とするものである。この構造によれば、吸音室内に導入されるガスの水分は、ガス圧で、吸音材を通過し仕切り板の連通孔から下側の拡張室に落下する。落下した水分は、ガスと共に拡張室から排出される。これによって吸音室の吸音材に水分が貯留した状態となることを抑制して、消音性能の低下を防止している。

または、特許文献２に記載のように、吸音材として水はけの良い材料（主に有機繊維を用いる）を使用することで上記消音性能の低下を防止しようとしている。
特開２００２−２０６４１３号公報 特系２００４−１５６５５５号公報

しかし、特許文献１に記載の技術では、吸音材内を水分が通過して下側の拡張室に落下する構造であるので、つまり吸音室の吸音材での吸水を抑制する構成ではないので、燃料電池車両の運転中は、排気ガス中の水分が吸音材中を連続的に通り抜ける状態となるために、常に、吸音材は水分で濡れた状態になっている結果、消音性が低下するという問題がある。

また、特許文献２に記載の技術であっても、吸音材中の含水量が低減はするものの、上記と同様に、燃料電池車両の運転中は排気ガス中の水分で常に吸音材は濡れた状態になっている結果、消音性能は低下する。
本発明は、上記のような点に着目したもので、水分を含有するガスの消音に使用されても、含有する水分による消音性能の低下を防止可能な消音器構造を提供することを課題としている。

上記課題を解決するために、本実施形態は、吸入口から消音器本体内にガスが圧入され、当該消音器本体内の消音空間に配置された吸音材で吸音した後に排出口からガスを排出する消音器構造において、
上記消音空間を構成する側壁全周と吸音材との間に空間を形成し、上記吸入口から圧入されたガスを旋回流に整流して上記側壁と吸音材との間を通過させる気流調整手段を備え、
上記側壁と吸音材との間の空間と当該吸音材とは通気可能となっており、
上記消音空間は、所定の軸方向に沿って延びると共に、軸直方向の断面形状が円形形状であり、上記軸の中心側に且つ当該軸に沿って延びるように吸音材を配置し、且つその吸音材を中空体とし、上記側壁と吸音材との間を旋回流状態で通過したガスを、吸音材の内側空間に導入し通過させてから排出し、
吸入口から消音器本体の消音空間へのガスの噴射方向が、上記側壁内面が形成する円筒面に対し接線方向でかつ軸方向に傾斜した方向に設定されていることを特徴とするものである。

本発明によれば、水分は遠心力で側壁側に飛ばされることで、吸音材と接触する内側に位置するガスは乾いたガスとなる。これにより、吸音材が水分を吸収することを防止できる。

次に、本発明の第１実施形態について図面を参照しつつ説明する。
図１は、本実施形態の消音器構造を示す斜視図、図２は軸直方向からみた断面模式図、図３は、軸方向からみた断面模式図である。
なお、本実施形態の消音器は、燃料電池車両の排ガスを処理する経路に設置される消音器を想定するが、それに適用は限定されない。

まず構成について説明すると、消音器本体１は所定の軸に沿って延びる円筒形状の筐体であって、その消音器本体１内に形成される消音空間Ｓは、軸直方向の断面が円形状である円柱形状となっている。なお、上記軸は直線である必要は無い。
上記消音器本体１内には、消音器本体１と同軸、若しくは略同軸に内筒２が配置され、その内筒２は消音器本体１に支持されている。内筒２の側壁には多数の通気孔２ａが開口していると共に、内部に吸音材３が充填されている。これによって、消音器本体１の側壁内面全周と吸音材３との間に空間が確保されている。

また、図１中、消音器本体１の左側に吸入口が配置され、右側に排出口が配置されている。
吸入口を構成する吸入管４は、消音器本体１の左端側で消音空間Ｓに入ると共に、図３に示すように、消音器本体１の側壁内面に沿って円弧状に延びるように配置され、その開口端の軸線（噴出方向）が、側壁内面が形成する円筒面に対し接線方向でかつ軸方向に傾斜した方向に設定されている。この設定が気流調整手段を構成する。この構成によって、消音空間Ｓに圧送されたガスの気流は、旋回流となって、消音器本体１の側壁内面に沿って螺旋状に旋回しながら排出口側（図２中右側）に移動する。

なお、本実施形態では、吸入管４を側壁内面に沿って円弧状に配置しているが、側壁内面が形成する円筒面に対し接線方向でかつ軸方向に傾斜した方向に噴出方向を設定しておけば、必ずしも、この円弧状の部分は必要はない。ただ、円弧状の管路が有った方が、気流を整流させてより確実に旋回流とすることができる。
また、消音器本体１の右端面には、ガス排出口を構成する排出管５が、軸中心位置に配設されて、消音空間Ｓと外部とを連通している。

次に、上記構成の消音器の作用・効果などについて説明する。
図示しない燃料電池内で水素と酸素とが反応し発電を行うと共に、その反応により生じる水蒸気が排気ガスとして排出される。この多量の水分を含む排気ガスが、不図示の管路を通じて上記消音器に圧送され、吸入管４から消音空間Ｓ内に送られる。このとき、吸入管４の開口端から消音空間Ｓ内に噴射される排気ガスは、消音器本体１の円筒形状の側壁内面に沿って、つまり消音器本体１の側壁と内筒２との間に形成される筒状の空間を螺旋状に旋回し、吸音材３で消音されながら排出管５側に移動して、連続的に当該排出管５から外部（例えば車外）に排出される。

ここで、上記消音空間Ｓ内の排気ガスの気流は、旋回流となっていることから、排気ガス中における相対的に比重の重い水分は、旋回運動の遠心力によって外周側に移動し、気流の内周側に位置するガスは乾いた状態となる。すなわち、消音空間Ｓの中心側に位置する吸音材３と接触するガスは乾いていることから、吸音材３が水分を吸収することが防止されて、含水することによる消音性能低下を防止できる。

また、たとえ一時的に吸音材３中に水分が入っても、吸音材３は消音空間Ｓの中央部に位置することから、吸音材３と消音器本体１の下部側壁との空間に落下して排除される。
さらに、ガス中に粉塵などがあっても、当該粉塵も旋回運動の遠心力によって外周側に移動することで吸音材３との接触が抑えられて、粉塵による吸音材３の目詰まりが抑えられる効果もある。

また、上記説明では、消音空間Ｓの形状を、軸直方向での断面形状が円形形状の空間と説明しているが、当該断面形状が楕円形状や円形状に近い多角形形状であっても良い。円形形状が一番、旋回流のエネルギー損失が小さく、排気ガスの流速低下を抑止出来て強い遠心力を保てることで排気ガス中の水分を効率良く排除出来るので好ましいが、排気ガスの旋回流を維持できるような円形形状に近い輪郭の断面形状となっていればよい。

次に、第２実施形態について図面を参照しつつ説明する。なお、上記実施形態と同様な部品などについて同一の符号を付して説明する。
本実施形態の基本構成は、上記第１実施形態と同様であるが、図４に示すように、水吸引管６を備える点だけが異なる。
すなわち、図４に示すように、消音空間Ｓの排出口側に水吸引管６を配置している。その水吸引管６は、上記排出管５の側壁で排出管５内に連通すると共に下方に延び、その下端部を、消音器本体１の下部の側壁内面に接近して配置する。なお、水吸引管６の下端部に対向する側壁を窪ませて水溜まり部を形成しても良い。

上記構成を採用すると、消音器本体１内を旋回気流として移動する排気ガス流中の水分は消音器本体１の側壁内面に飛ばされ、当該側壁内面に沿って落下して側壁内面の下部に移動する。このとき、排出管５側に向かう旋回流があることから、上記水分は、側壁内面下部のうち排出管５の下側位置に集まる。なお、消音器本体１の軸を排出管５側が低くなるように設定しておいても良い。

また、排出管５内をガスが通過することで、上記水吸引管６内は排気ガスに対し負圧となる結果、集まった水分が水吸引管６により吸い上げられ、排出管５を通過する排気ガスと共に外部に排出される。この結果、消音器本体１内に水が溜まることが防止され、つまり吸音材３が含水状態となることをさらに抑えることが可能となる。
その他の構成や作用効果は上記実施形態と同様である。
ここで、上記実施形態では、消音空間Ｓを円柱状としているが、図５のように、消音空間Ｓを円錐台形状として、消音器本体１の側壁と吸音材３との間の環状の空間の軸直方向の断面が、吸入口から排出口に向けて小さくなるように設定しても良い。

このようにすると、排気ガス流が旋回しながら排出管５側に移動するにつれて、気流が通過する断面積が小さくなることで、当該気流の流速が増加して、排気ガスの旋回流の遠心力が大きくなり、より効率よく排気ガス中の水分が排出できるようになることで、更に消音性能低下を防止できる。なお、消音空間Ｓを円錐台形状とする代わりに、吸音材３を充填した内筒２を吸入口から排出口（図５中、左側から右側）に向けて径が大きくなる円錐台形状として、軸方向に沿った吸音材３外周の空間の軸直方向の断面積を、排出口に向けて小さくなるように設定しても良い。

また、図６に示すように、消音器本体１の側壁内面に、ゴルフボールのディンプルのような、凹部７を多数形成しても良い。
多数の凹部７を形成することで、排気ガス自身の粘性によって排気ガスが消音器本体１の内壁にへばりつくようにして移動することで、排気ガスの旋回流によるガス中の水分の排除がより効率的になり、その分さらに消音性能の低下が防止できる。

次に、第３実施形態について図面を参照しつつ説明する。なお、上記各実施形態と同様な部材には同一の符号を付して説明する。
本実施形態の基本構成は、上記各実施形態と同様であるが、排出管５の配置が異なる。
すなわち、図７〜図９に示すように、排出管５を上記内筒２内の吸音材３を貫通するように配置し、該排出管５の一端部を、右端側で消音空間Ｓ内に臨ませ、他端部を外部に配置している。また、排出管５の側壁のうち、吸音材３を貫通する部分には通気孔５ａが多数開口している。すなわち、上記吸音材３の中心に中空部を構成する貫通孔Ｓ１が形成され該貫通孔Ｓ１を排出管５が通過している。

上記構成では、消音空間Ｓの左側から流入した排気ガスは、旋回流となって消音器本体１の内壁に沿って案内されながら当該消音空間Ｓの右端まで移動する。この間に、気流の内周側の乾いたガスが吸音材３と接触して吸音がなされると共に排気ガス中の水分が遠心力で消音器本体１の内壁に飛ばされて、気流中から水分が除去される。

このように、水分が除去されながら消音空間Ｓの右側まで移動した排気ガス流は、排出管５内に右端部から導入され、該排出管５内を通過して外部に排気される。このとき、吸音材３の内部を通過することでさらに吸音が行われて、消音器を大型化することなく、排気ガスが接する吸音材３の表面積を大きくとることが出来る結果、さらに消音効果を向上することができる。
また、排出管５内に導入される排気ガス流は、上記旋回流の際に水分が大幅に除去されているので、吸音材３に取り込まれる水分はほとんど無いため、吸音材３の消音性能低下を起こすことが無い。

本発明に基づく第１実施形態に係る消音器を説明する斜視図である。 図１のＡ−Ａ断面模式図である。 図２のＢ−Ｂ断面模式図である。 本発明に基づく第２実施形態に係る消音器を説明する断面模式図である。 本発明に基づく実施形態に係る消音器の変形例を説明する断面模式図である。 本発明に基づく実施形態に係る消音器の変形例を説明する断面模式図である。 本発明に基づく第３実施形態に係る消音器を説明する斜視図である。 図７のＡ−Ａ断面模式図である。 図８のＢ−Ｂ断面模式図である。

符号の説明

Ｓ 消音空間
１ 消音器本体
２ 内筒
２ａ 通気孔
３ 吸音材
４ 吸入管（吸入口）
５ 排出管（排出口）
５ａ 通気孔
６ 水吸引管
７ 凹部

Claims (4)

1. 吸入口から消音器本体内にガスが圧入され、当該消音器本体内の消音空間に配置された吸音材で吸音した後に排出口からガスを排出する消音器構造において、
   上記消音空間を構成する側壁全周と吸音材との間に空間を形成し、上記吸入口から圧入されたガスを旋回流に整流して上記側壁と吸音材との間を通過させる気流調整手段を備え、
   上記側壁と吸音材との間の空間と当該吸音材とは通気可能となっており、
   上記消音空間は、所定の軸方向に沿って延びると共に、軸直方向の断面形状が円形形状であり、上記軸の中心側に且つ当該軸に沿って延びるように吸音材を配置し、且つその吸音材を中空体とし、上記側壁と吸音材との間を旋回流状態で通過したガスを、吸音材の内側空間に導入し通過させてから排出し、
   吸入口から消音器本体の消音空間へのガスの噴射方向が、上記側壁内面が形成する円筒面に対し接線方向でかつ軸方向に傾斜した方向に設定されていることを特徴とする消音器構造。
2. 上記消音空間は、所定の軸方向に沿って延びると共に、上記側壁と吸音材との間に形成される空間は、上記吸入口から離れるにつれて軸直方向の断面積が小さくなっていることを特徴とする請求項１に記載した消音器構造。
3. 上記消音空間を構成する側壁面に複数の凹凸を設けたことを特徴とする請求項１〜請求項２のいずれか１項に記載した消音器構造。
4. 上記排出口は、上記消音空間と外部とを連通する管路であり、消音空間の下部と上記管路の側面とを連通する水吸引管を設けたことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載した消音器構造。

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