JP7513559B2 - 消音器 - Google Patents

Description

本開示は、消音器に関する。

特許文献１には、連通孔が穿設された内管と、内管が内部に挿嵌された外管と、内管と外管との間の空間により形成される共鳴室において連通孔を覆うように内管の外周面に溶着により固定されるカバーと、を備える消音器が開示されている。

実用新案登録第３０７５９９２号公報

ところで、上述したような消音器では、内管の内部を高温の排気ガスが通過するため、内管とカバーとの間に温度差が生じる。これにより、内管は、カバーよりも高温となり、カバーよりも膨張しやすくなる。更に、上述したような連通孔が設けられた内管の連通孔周辺も熱によって変形しやすい。このように、排気ガスの熱によって連通孔周辺が熱によって変形する場合、連通孔周辺における内管とカバーとの溶接部分に掛かる応力が大きくなってしまうという問題があった。

本開示の一局面は、内管に設けられた連通孔周辺の熱による変形に起因する応力の発生を抑制する技術を提供することを目的としている。

本開示の一態様は、消音器であって、内管と、外郭部材と、通路形成部と、を備える。内管は、内部を排気ガスが通過し、当該内管の内部と外部とを連通する連通孔を有する。外郭部材は、内管の外周を囲うように配置される。通路形成部は、内管と外郭部材との間に形成される空間に配置され、連通孔と、当該空間へ開口する開口部と、を繋ぐ通路を形成する。また、通路形成部は、通路形成部と内管とが溶接された部分である複数の溶接部によって、内管の外周面に固定される。内管の中心軸に沿う方向に関し連通孔が設けられる範囲における内管の周方向に広がる領域は、複数の溶接部が設けられていない非溶接領域である。

このような構成では、非溶接領域に複数の溶接部は設けられていない。そして、非溶接領域は、内管の中心軸に沿う方向に関し連通孔が設けられる範囲における内管の周方向へ広がる領域である。ここで、内管の連通孔周辺は、熱によって、内管の中心軸に沿う方向よりも内管の周方向へ大きく変形しやすい。このため、内管の中心軸に沿う方向に関し連通孔が設けられる範囲を、溶接部が設けられない非溶接領域とすることによって、内管に設けられた連通孔周辺の熱による変形に起因する応力の発生を抑制することができる。

本開示の一態様では、連通孔を基準として、中心軸に沿って開口部と反対側の位置に、複数の溶接部の少なくとも１つが配置されてもよい。このような構成では、連通孔を基準として、内管の中心軸に沿って通路形成部の開口部と反対側の位置が溶接部によって内管に固定されている。このため、振動によって内管と通路形成部とが接触して生じる接触音（いわゆる、ビビり音）の発生を抑制することができる。

本開示の一態様では、通路形成部は、内管の中心軸に沿う方向に長さを有し、開口部を有するように内管の一部を覆って外周面上に配置されることによって、連通孔と開口部とを繋ぐ通路を形成してもよい。複数の溶接部は、通路形成部の外周面と当接する端部のうち内管の中心軸に沿う方向に長さを有する当接端部に、当該当接端部に沿って互いに間隔を空けて並んで配置されてもよい。当接端部に設けられる複数の溶接部のうち最も開口部側に位置する第１溶接部の溶接面積は、複数の溶接部のうち第１溶接部を除く他の溶接部それぞれの溶接面積よりも大きくてもよい。このような構成によれば、通路形成部と内管とが内管の中心軸に沿う方向において、複数箇所溶接部により固定されるため、通路形成部の内管に対する固定強度を向上させることができる。また、他の溶接部よりも溶接面積が大きい第１溶接部によって、通路形成部の最も開口部側が内管に固定されている。このため、例えば通路形成部の最も開口部側が他の溶接部と同じ大きさの溶接面積で固定されている場合と比較して、内管の熱による膨張に伴って通路形成部の開口部側の端部が熱によって変形してしまうことを抑制することができる。

消音器の模式的な断面図である。 図１のＩＩ－ＩＩ断面図である。 図１のＩＩＩ－ＩＩＩ端面図である。 熱による内管の膨張に伴う内管の連通孔周辺の変形を模式的に示す図である。 熱による内管の膨張に伴う内管の連通孔周辺の変形及びカバーの変形を模式的に示す断面図である。 熱による内管の膨張に伴うカバーの変形を模式的に示す側面図である。 シェルを備える消音器の模式的な断面図である。 連通孔と開口部とを繋ぐ通路をパイプによって形成する構成を模式的に示す上面図である。 連通孔と開口部とを繋ぐ通路をパイプによって形成する構成を模式的に示す側面図である。

以下、本開示の例示的な実施形態について図面を参照しながら説明する。
［１．構成］
図１に示す消音器１００は、内燃機関の排気ガス流路を構成する排気システムに用いられる排気騒音を低減する装置である。消音器１００は、内管１と、外管２と、第１エンドプレート２１と、第２エンドプレート２２と、カバー３と、を備える。本実施形態では、消音器１００は二重管構造を有する。消音器１００は、内管１と外管２との間の空間により形成される共鳴室２３によって消音効果を発揮する。なお、内管１と外管２との間の空間には、吸音材等が入っていてもよい。

排気システムが適用される内燃機関としては、特に限定されないが、自動車、鉄道、船舶、建機等の輸送機器、発電施設などで駆動用又は発電用として用いられるものが挙げられる。

内管１は、内部を排気ガスが通過する金属製のパイプである。具体的には、排気ガスが第１端部１１側の開口及び第２端部１２側の開口の一方から内管１の内部に導入され、反対側の開口から排出される。本実施形態では、内管１は径が一定の直管である。

内管１は、当該内管１の内部と外部とを連通する連通孔１３を有する。本実施形態では、連通孔１３は、内管１の第２端部１２側寄りに１つ設けられている。図２に示すように、本実施形態では、連通孔１３は、真円状に形成されている。

外管２は、内管１の外周面を囲うように内管１の外側に配置された金属製のパイプである。図３に示すように、外管２は、内管１の中心軸Ａに垂直な断面の形状が略楕円形の円筒状に形成されている。外管２の内径は、内管１の外径よりも大きい。外管２の中心軸は、中心軸Ａと一致するように配置されている。なお、これらの中心軸は必ずしも一致しなくてもよい。

図１に示すように、第１エンドプレート２１は、外管２における内管１の第１端部１１側の端部を閉塞するように設けられる蓋部材であり、第２エンドプレート２２は、外管２における第２端部１２側の端部を閉塞するように設けられる蓋部材である。内管１の第１端部１１は、第１エンドプレート２１に設けられる貫通孔を貫通して、第１エンドプレート２１に固定される。また、内管１の第２端部１２は、第２エンドプレート２２に設けられる貫通孔を貫通して、第２エンドプレート２２に固定される。なお、外管２の開口する両側端部は、内管１の第１端部１１及び内管１の第２端部１２の外周面にそれぞれ溶接等によって直接固定されていてもよい。

カバー３は、中心軸Ａに沿う方向に長さを有し、湾曲した板状部材である。図３に示すように、カバー３は、中心軸Ａに垂直な断面の形状が略半円形状となるように湾曲する。図１に戻り、カバー３は、連通孔１３を覆うように共鳴室２３内に配置される。具体的には、カバー３は、開口部３１１を有するように内管１の一部を覆って、内管１の外周面上に配置される。開口部３１１は、カバー３における共鳴室２３へ開口する部分である。このように、連通孔１３を覆うように内管１の一部を覆って、内管１の外周面上にカバー３を配置させることで、連通孔１３と開口部３１１とを繋ぐ通路が形成される。この通路が、共鳴管として機能する。

図２に示すように、カバー３は、第１端部３１と、第２端部３２と、第３端部３３と、第４端部３４と、を有する。第１端部３１及び第２端部３２は、カバー３における中心軸Ａに沿う方向の両側の端部であり、第１端部３１が内管１の第１端部１１側に位置し、第２端部３２が内管１の第２端部１２側に位置する。第３端部３３及び第４端部３４は、カバー３における中心軸Ａに垂直な方向の両側の端部であり、カバー３における中心軸Ａに沿う方向に長さを有する端部である。カバー３は、第２端部３２、第３端部３３及び第４端部３４が内管１の外周面と当接する。これにより、図１に示すように、第１端部３１が開口部３１１を有するように開口し、第２端部３２が閉塞する。なお、カバー３の第２端部３２は、内管１の外周面上において、湾曲を有しながら中心軸Ａに向かって縮径するように閉塞する形状を有する。第２端部３２、第３端部３３及び第４端部３４は、図３に示すように、内管１の外周面上に面接触するように、フランジ状である。

図２に示すように、カバー３は、カバー３と内管１とが溶接された部分である複数の溶接部４１～４５によって、内管１の外周面に固定される。具体的には、複数の溶接部４１～４４は、カバー３の第３端部３３及び第４端部３４に、第３端部３３及び第４端部３４に沿って互いに間隔を開けて並んで配置される。また、複数の溶接部４１～４５の１つである溶接部４５は、カバー３の第２端部３２において、連通孔１３を基準として、中心軸Ａに沿って開口部３１１と反対側の位置に配置される。

本実施形態では、複数の溶接部４１～４５として、第１溶接部４１が２つ、第２溶接部４２が２つ、第３溶接部４３が２つ、第４溶接部４４が２つ、そして第５溶接部４５が１つ設けられる。カバー３の第１端部３１側から順に、第１溶接部４１、第２溶接部４２、第３溶接部４３及び第４溶接部４４は、それぞれカバー３の第３端部３３及び第４端部３４に、中心軸Ａに沿って互いに間隔を開けて並んで設けられる。また、第５溶接部４５は、カバー３の第２端部３２の中央付近に設けられる。

具体的には、第１溶接部４１、第２溶接部４２、第３溶接部４３及び第４溶接部４４は、中心軸Ａに沿う方向における連通孔１３よりも第１端部３１側の領域に設けられ、第５溶接部４５は、中心軸Ａに沿う方向における連通孔１３よりも第２端部３２側の領域に設けられる。つまり、本実施形態では、中心軸Ａに沿う方向に関し連通孔１３が設けられる範囲における内管１の周方向に広がる領域である非溶接領域Ｒには、複数の溶接部４１～４５が設けられていない。非溶接領域Ｒの中心軸Ａに沿う方向の長さは、少なくとも連通孔１３の中心軸Ａに沿う方向における最も長い部分の長さと同じ長さである。本実施形態では、非溶接領域Ｒの中心軸Ａに沿う方向の長さは、少なくとも連通孔１３の直径の長さと同じ長さである。なお、中心軸Ａに沿う方向に、溶接部を有しない領域を他に有してもよい。また、非溶接領域Ｒに加え、非溶接領域Ｒの中心軸Ａに沿う方向の両側に、内管１の周方向へ広がり溶接部が設けられない補助領域を有してもよい。例えば、補助領域の中心軸Ａに沿う方向の長さは、連通孔１３の直径の１／３の長さであってもよい。このように、連通孔１３の外まで溶接部が設けられない領域の幅を広げることで、内管１に設けられた連通孔１３周辺の熱による変形に起因する応力の発生を顕著に抑制できる。

第３端部３３及び第４端部３４にそれぞれ設けられる、最も開口部３１１側に位置する第１溶接部４１の溶接面積は、第２溶接部４２、第３溶接部４３、第４溶接部４４及び第５溶接部４５それぞれの溶接面積よりも大きい。具体的には、各溶接部４１～４５における中心軸Ａに垂直な方向の長さが一定である場合に、第１溶接部４１の中心軸Ａに沿う方向の長さは、第２溶接部４２、第３溶接部４３、第４溶接部４４の中心軸Ａに沿う方向及び第５溶接部４５の第２端部３２に沿う方向のそれぞれの長さよりも長く形成されている。第４溶接部４４を非溶接領域Ｒに極力接する位置に設け、第４溶接部４４と第５溶接部４５との距離を極力短くすることが好ましい。

［２．効果］
以上詳述した実施形態によれば、以下の効果が得られる。
（２ａ）本実施形態では、カバー３は、中心軸Ａに沿う方向に関し非溶接領域Ｒ以外の領域に設けられる複数の溶接部４１～４５によって、内管１の外周面に固定されている。つまり、非溶接領域Ｒには、複数の溶接部４１～４５が設けられていない。このように、内管１の中心軸Ａに沿う方向に関し連通孔１３が設けられる範囲を溶接部が設けられない非溶接領域Ｒとすることによって、内管１に設けられた連通孔１３周辺の熱による変形に起因する応力の発生を抑制することができる。

上述したような消音器１００の構成では、内管１が熱によって膨張する場合、内管１の連通孔１３周辺も熱によって変形しやすい。具体的には、図４及び図５に示すように、内管１の連通孔１３周辺は、熱によって、内管１の中心軸Ａに沿う方向よりも内管１の周方向へ大きく変形しやすい。本実施形態のような真円状の連通孔１３の場合、内管１の周方向の直径の長さが内管１の中心軸Ａに沿う方向の直径よりも長くなるような略楕円状となるように変形する。なお、図４では、説明の便宜上、連通孔１３の熱による変形を実際の変形よりも大きく表示する。このように、連通孔１３の熱による変形によって、内管１の連通孔１３周辺には、内管１の周方向へ引っ張られるような応力が大きく掛かる。

例えば、仮に内管１の中心軸Ａに沿う方向に関し連通孔１３が設けられる範囲に溶接部を有する場合、当該溶接部には高い応力が掛かり、当該溶接部に亀裂が発生し、内管１に対するカバー３の固定強度が低下し得る。一方、本実施形態では、内管１の中心軸Ａに沿う方向に関し連通孔１３が設けられる範囲に、内管１の周方向へ広がる非溶接領域Ｒが設けられるため、内管１に設けられた連通孔１３周辺の熱による変形に起因する応力の発生を抑制することができる。その結果、内管１に対するカバー３の固定強度の低下を抑制することができる。

また、内管１に対するカバー３の固定強度を満足させるために、例えば、溶接部の長さを延長させる構成と比較して、コストを抑制しつつ、内管１に対するカバー３の固定強度を向上させることができる。

（２ｂ）本実施形態では、連通孔１３を基準として、内管１の中心軸Ａに沿ってカバー３の開口部３１１と反対側の位置、具体的にはカバー３の第２端部３２が、第５溶接部４５によって内管１に固定されている。カバー３の第２端部３２に設けられる第５溶接部４５は、連通孔１３に近いが、連通孔１３に対して内管１における熱変形が少ない内管１の中心軸Ａに沿う方向側に設けられているため、連通孔１３周辺の熱による変形に起因する応力の影響を受けにくい。このため、連通孔１３周辺の熱による変形に起因する応力の発生を抑制しつつ、振動によって内管１とカバー３とが接触して生じる接触音（いわゆる、ビビり音）の発生を抑制することができる。また、第４溶接部４４を非溶接領域Ｒに極力接する位置に設け、第４溶接部４４と第５溶接部４５との距離を極力短くすることにより、カバー３が内管１に強固に固定されやすくなり、上述した接触音の発生をより一層抑制することができる。

（２ｃ）上述したような消音器１００の構成では、内部を高温の排気ガスが通過する内管１は、カバー３よりも高温となり、カバー３よりも膨張しやすい。このため、図６に示すように、内管１及びカバー３の熱による中心軸Ａに沿う方向への膨張差によって、カバー３の第１端部３１及び第２端部３２は、上方に反り上がるように変形しやすい。特に、開口部３１１を有する第１端部３１には、上方に反り上がるような力がより大きく掛かりやすい。本実施形態では、カバー３の第２端部３２、第３端部３３及び第４端部３４のそれぞれに設けられる第２溶接部４２、第３溶接部４３、第４溶接部４４及び第５溶接部４５よりも溶接面積が大きい第１溶接部４１によって、カバー３の最も開口部３１１側が内管１に固定されている。このため、例えばカバー３の第１溶接部４１が第２溶接部４２、第３溶接部４３、第４溶接部４４及び第５溶接部４５と同じ大きさの溶接面積で固定されている場合と比較して、内管１の熱による膨張に伴ってカバー３の第１端部３１側が熱によって変形してしまうことを抑制することができる。また、カバー３の第１端部３１側の第１溶接部４１と、カバー３の第２端部３２の第５溶接部４５とによって、内管１の熱による膨張に伴う、中心軸Ａに沿う方向におけるカバー３の変形を抑制することができる。

なお、実施形態では、外管２が外郭部材の一例に相当し、カバー３が通路形成部の一例に相当し、第３端部３３及び第４端部３４が当接端部の一例に相当する。
［３．他の実施形態］
以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は、上記実施形態に限定されることなく、種々の形態を採り得ることは言うまでもない。

（３ａ）カバー３における中心軸Ａに垂直な断面の形状は、略半円形状に限らず、多角形状等であってもよい。
（３ｂ）連通孔１３の形状は、真円状に限らず、楕円状、多角形状等であってもよい。

（３ｃ）上記実施形態では、複数の溶接部４１～４５として、第１溶接部４１が２つ、第２溶接部４２が２つ、第３溶接部４３が２つ、第４溶接部４４が２つ、そして第５溶接部４５が１つ設けられる構成を例示したが、溶接部の設けられる数はこれに限定されるものではない。

（３ｄ）上記実施形態では、内管１と外管２とにより構成される二重管構造の消音器１００を例示したが、消音器の構成はこれに限定されるものではない。例えば、図７に示す消音器１００ａのように、内管１ａ、及び、内管１ａに設けられる連通孔１３ａを覆うように配置されるカバー３ａが、シェル２ａが形成する内部空間に設けられる構成であってもよい。このような構成では、第１エンドプレート２１ａと、第２エンドプレート２２ａと、シェル２ａと、セパレータ５と、から共鳴室が形成され、カバー３ａと内管１ａとで共鳴管が形成される。図７に示す例では、インレットパイプ及びアウトレットパイプである２つの内管１ａを有する構成を例示したが、インレットパイプ及びアウトレットパイプのいずれか一方を形成する１つの内管１ａを備える構成であってもよい。このような消音器１００ａの構成でも、非溶接領域Ｒが設けられるように、内管１ａとカバー３ａとが溶接されることによって、上述した実施形態の（２ａ）と同様な効果を得ることができる。

（３ｅ）上記実施形態では、連通孔１３と開口部３１１とを繋ぐ通路がカバー３によって形成される構成を例示したが、連通孔と開口部とを繋ぐ通路が形成される構成はこれに限定されるものではない。例えば、図８及び図９に示すように、連通孔１３と開口部３１１ｂとを繋ぐ通路が金属製のパイプ３ｂによって形成されてもよい。パイプ３ｂは、Ｌ字状に屈曲する形状を有する。パイプ３ｂは、開口部３１１ｂを有する第１端部３１ｂとは反対側の第２端部３２ｂが、内管１に設けられた連通孔１３を覆い隠すように内管１に当接する。第２端部３２ｂは、第１端部３１ｂよりも直径が大きい。内管１の中心軸Ａに沿う方向に関し、非溶接領域Ｒ以外の領域に溶接部５１が２つ設けられることによって、第２端部３２ｂは内管１の外周面に固定される。２つの溶接部５１は、内管１の中心軸Ａに沿って、連通孔１３を挟むように並んで設けられる。このようなパイプ３ｂを備える構成でも、非溶接領域Ｒが設けられるように、内管１とパイプ３ｂとが溶接されることによって、上述した実施形態の（２ａ）と同様な効果を得ることができる。

（３ｆ）上記実施形態における１つの構成要素が有する機能を複数の構成要素として分散させたり、複数の構成要素が有する機能を１つの構成要素に統合したりしてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加、置換等してもよい。なお、特許請求の範囲に記載の文言から特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本開示の実施形態である。

１，１ａ…内管、２…外管、２ａ…シェル、３，３ａ…カバー、３ｂ…パイプ、５…セパレータ、１１，３１，３１ｂ…第１端部、１２，３２，３２ｂ…第２端部、１３，１３ａ…連通孔、２１，２１ａ…第１エンドプレート、２２，２２ａ…第２エンドプレート、２３…共鳴室、３３…第３端部、３４…第４端部、４１…第１溶接部、４２…第２溶接部、４３…第３溶接部、４４…第４溶接部、４５…第５溶接部、５１…溶接部、１００，１００ａ…消音器、３１１，３１１ｂ…開口部、Ａ…中心軸、Ｒ…非溶接領域。

Claims (3)

1. 消音器であって、
   内部を排気ガスが通過する内管であって、当該内管の内部と外部とを連通する連通孔を有する内管と、
   前記内管の外周を囲うように配置される外郭部材と、
   前記内管と前記外郭部材との間に形成される空間に配置され、前記連通孔と、前記空間へ開口する開口部と、を繋ぐ通路を形成する通路形成部と、
   を備え、
   前記通路形成部は、前記通路形成部と前記内管とが溶接された部分である複数の溶接部によって、前記内管の外周面に固定され、
   前記内管の中心軸に沿う方向に関し前記連通孔が設けられる範囲における前記内管の周方向に広がる領域は、前記複数の溶接部が設けられていない非溶接領域であり、
   前記通路形成部は、前記中心軸に沿う方向に長さを有し、前記開口部を有するように前記周方向において前記内管の一部を覆って前記外周面上に配置されることによって、前記通路を形成し、
   前記複数の溶接部は、前記通路形成部の前記外周面と当接する端部のうち前記中心軸に沿う方向に長さを有する当接端部に、当該当接端部に沿って互いに間隔を空けて並んで配置され、前記非溶接領域に設けられていない、消音器。
2. 消音器であって、
   内部を排気ガスが通過する内管であって、当該内管の内部と外部とを連通する連通孔を有する内管と、
   前記内管の外周を囲うように配置される外郭部材と、
   前記内管と前記外郭部材との間に形成される空間に配置され、前記連通孔と、前記空間へ開口する開口部と、を繋ぐ通路を形成する通路形成部と、
   を備え、
   前記通路形成部は、前記通路形成部と前記内管とが溶接された部分である複数の溶接部によって、前記内管の外周面に固定され、
   前記内管の中心軸に沿う方向に関し前記連通孔が設けられる範囲における前記内管の周方向に広がる領域は、前記複数の溶接部が設けられていない非溶接領域であり、
   前記通路形成部は、前記中心軸に沿う方向に長さを有し、前記開口部を有するように前記内管の一部を覆って前記外周面上に配置されることによって、前記通路を形成し、
   前記複数の溶接部は、前記通路形成部の前記外周面と当接する端部のうち前記中心軸に沿う方向に長さを有する当接端部に、当該当接端部に沿って互いに間隔を空けて並んで配置され、
   前記当接端部に設けられる前記複数の溶接部のうち最も前記開口部側に位置する第１溶接部の溶接面積は、前記複数の溶接部のうち前記第１溶接部を除く他の溶接部それぞれの溶接面積よりも大きい、消音器。
3. 請求項１又は請求項２に記載の消音器であって、
   前記連通孔を基準として、前記中心軸に沿って前記開口部と反対側の位置に、前記複数の溶接部の少なくとも１つが配置される、消音器。

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