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JP2009197590A - 消音器及び消音器の製造方法 - Google Patents

消音器及び消音器の製造方法 Download PDF

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JP2009197590A
JP2009197590A JP2008037016A JP2008037016A JP2009197590A JP 2009197590 A JP2009197590 A JP 2009197590A JP 2008037016 A JP2008037016 A JP 2008037016A JP 2008037016 A JP2008037016 A JP 2008037016A JP 2009197590 A JP2009197590 A JP 2009197590A
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JP2008037016A
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Yohei Toyoshima
洋平 豊島
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Marelli Corp
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Calsonic Kansei Corp
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Abstract

【課題】基本構造を標準化して製造コストを低減できる消音器を提供する。
【解決手段】筒体(21a)と、前記筒体(21a)の開口部を閉塞するエンドプレート(21b、21c)とからなるケース(21)と、前記ケース(21)に内装される、縦板(30a)及び横板(30b)からなる仕切り板(30)と、前記ケース(21)にガスを導入する入口孔(22a)と、前記ケース(21)からガスを排出する出口孔(23a)と、を備え、前記仕切り板(30)は、前記ケースを二以上の室(31)に分割すると共に、前記仕切り板(30)に設けられる連通孔(32)によって、前記室(31)の少なくとも二つを互いに連通する。
【選択図】図1

Description

本発明は、排気ガスの発生音を低減するための消音器に関し、より詳細には、製造コストを低減できる消音器及びその製造方法に関するものである。
従来、消音器は、その外形となるシェルとエンドプレートとで囲まれた部屋の内部に、隔壁、パイプ等を配置し、排気ガスの流路及び室を構成する。排気ガスの消音は、これらパイプの本数、長さ、パイプ径、隔壁の枚数、隔壁に設ける孔の形状等によりチューニングされる。なお。材料は一般的にステンレスが用いられる。
このような構造をもつ消音器として、筒状のシェル内に隔壁を設け複数の室を形成し、この室間をパイプで連通すると共に、一部の室に吸音部材を充填する消音器が知られている(特許文献1、参照。)。
特開2006−233862号公報
前述のような消音器は、対象の車両や内燃機関等の特性に合わせた消音性能のチューニングが必要となる。チューニングは、消音器内のパイプ、隔壁、吸音部材等の消音構造を変更する必要がある。
そのため、消音器は、一つの対象車両(例えば搭載されるエンジンの排気量や車両構造)毎に、一つの構造が必要となる。これにより、異なる車両で同一の構成をもつ消音器を利用可能にする標準化を行うことが難しいという問題があった。そのため、コストが増加してしまうという問題がある。
また、消音器の構造的な問題として、内部のパイプを隔壁により固定しているので、脈動による加振の影響を受けやすい。また、シェルは板材から構成されるため、剛性が高くないので、隔壁の振動がシェルへ伝達されることにより放射音が発生しやすくなるという問題もある。
本願発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、消音器の基本構造を標準化することにより、消音器の製造コストを低減できる消音器を提供することを目的とする。
請求項1の発明は、筒体と、前記筒体の開口部を閉塞するエンドプレートとからなるケースと、前記ケースに内装される、縦板及び横板からなる仕切り板と、前記ケースにガスを導入する入口孔と、前記ケースからガスを排出する出口孔と、を備え、前記仕切り板は、前記ケースを二以上の室に分割すると共に、前記仕切り板に設けられる連通孔によって、前記室の少なくとも二つを互いに連通することを特徴とする。
請求項2の発明は、請求項1に記載の消音器において、前記仕切り板は、前記縦板及び横板が格子状に構成されることを特徴とする。
請求項3の発明は、請求項1又は2に記載の消音器において、前記ケースは、向かい合う辺が略平行に形成された直方体形状を有し、その高さが、奥行き及び幅よりも小さいことを特徴とする。
請求項4の発明は、縦板及び横板からなる仕切り板に連通孔を設け、筒体に、前記仕切り板を挿入し、前記筒体の開口部にエンドプレートを取り付けることによりケースを構成し、前記ケースに、ガスを導入する入口孔と、ガスを排出する出口孔と、を取り付けることを特徴とする。
請求項5の発明は、請求項4に記載の消音器の製造方法において、前記仕切り板は、前記縦板及び横板が格子状に構成されることを特徴とする。
請求項6の発明は、請求項4又は5に記載の消音器の製造方法において、前記ケースは、向かい合う辺が略平行に形成された直方体形状を有し、その高さが、奥行き及び幅よりも小さいことを特徴とする。
請求項1の発明によると、ケースに内装される仕切り板に設けられる連通孔によって、ガスの流路及びガスの消音構造を構成することができるので、消音器の基本構造を標準化することができ、また、消音構造のチューニングを容易にすることができるので、消音器の製造コストを低減することができる。また、仕切り板によってケースの放射音を低減することができる。
請求項2の発明によると、仕切り板は、前記縦板及び横板が格子状に構成されるので、消音器の基本構造を標準化することができ、また、消音構造のチューニングを容易にすることができるので、消音器の製造コストを低減することができる。仕切り板によってケースの放射音を低減することができる。
請求項3の発明によると、ケースは、向かい合う辺が略平行に形成された直方体形状を有し、その高さが、奥行き及び幅よりも小さいので、消音器を搭載する場合のスペース効率が高まる。
請求項4の発明によると、縦板及び横板からなる仕切り板に連通孔を設け、筒状の筒体に、前記仕切り板を挿入し、前記筒体の開口部にエンドプレートを取り付けることによりケースを構成し、前記ケースに、ガスを導入する入口パイプと、ガスを排出する出口パイプと、を取り付けるので、消音器の基本構造を標準化することができ、また、消音構造のチューニングを容易にすることができるので、消音器の製造コストを低減することができる。また、仕切り板によってケースの放射音を低減することができる。
請求項5の発明によると、仕切り板は、前記縦板及び横板が格子状に構成されるので、消音器の基本構造を標準化することができ、また、消音構造のチューニングを容易にすることができるので、消音器の製造コストを低減することができる。仕切り板によってケースの放射音を低減することができる。
請求項6の発明によると、ケースは、向かい合う辺が略平行に形成された直方体形状を有し、その高さが、奥行き及び幅よりも小さいので、消音器を搭載する場合のスペース効率が高まる。
以下に、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。
図1は、本願発明の実施の形態の消音器(マフラ)10の構成を示す説明図であり、消音器10の透視斜視図である。
消音器(マフラ)10は、ケース21と、入口パイプ22と、出口パイプ23と、仕切り板30とによって構成される。
ケース21は、消音器10の外形を決定する箱であり、向かい合う辺が略平行に形成された直方体形状を有する。ケース21は、図1に示すように、高さ方向の大きさが、奥行き及び幅よりも小さく構成される。
ケース21は、両端が開口した筒状の筒体21aと、筒体21aの両端の開口部を覆うエンドプレート21b及びエンドプレート21cにより構成される。ケース21には、一の辺に、排気ガスを導入する入口孔22aが、入口孔22aと斜向かいの他の辺に、排気ガスを大気へと排出する出口孔23aが、それぞれ設けられる。これら入口孔22a及び孔23aには、それぞれ入口パイプ22及び出口パイプ23が取り付けられる。
なお、筒体21aは、図1に示すように角部をR加工としている。なお、必ずしもR加工を行う必要はない。
ケース21には、格子状の構造をもつ仕切り板30が内装される。仕切り板30は、その端部がケース21の内面と当接しており、ケース21と仕切り板30とに囲まれた空間を構成する。この空間が、ケース21の内部を分割する室31を構成する。仕切り板30の要所には、隣り合う室31を互いに連通する連通孔32(図2参照)が設けられる。
後述するように、室31及び連通孔32によって、消音器10内部に排気ガスの音波を消音する消音構造を構成する。
なお、本願発明の実施の形態では、図1のように、仕切り板30によって4×4=16個の室31を備えた消音器10の例を示すが、室31の数はこれに限定されるものではない。例えば、2×2=4個の室31を備える消音器10としてもよいし、5×4=20個の室31を備える消音器10としてもよい。消音構造を構成するためには、入口パイプ22と出口パイプ23との間に少なくとも2つの室31が備えられていればよい。
なお、これらケース21、入口パイプ22、出口パイプ23及び仕切り板30は、ステンレスにより構成される。自動車用エンジン等、比較的高温の排気ガスの消音に用いる場合はステンレスを用いることが好ましい。一方、燃料電池等、比較的低温の排気ガスの消音に用いる場合は、アルミ合金やマグネシウム合金等を用いることができる。この場合は、押し出し成型により、筒体21aや仕切り板30を、それぞれ一体成型としてもよい。
アルミ合金又はマグネシウム合金を用いた場合は、板厚をステンレスと同等にした場合は、ステンレスと比較すると重量が約1/4から1/3に低減できる。また、強度をステンレスと同等にする場合は、板厚を若干増やす必要がある、この場合でもステンレスと比較すると重量を約1/3から1/2に低減できる。
図2は、仕切り板30の説明図である。
図2に示すように、仕切り板30は、縦板30aと横板30bとからなる格子状の構造を持ち、その横方向断面はケース21の内面に当接するように構成される。
仕切り板30は、縦板30aと横板30bとが互いに組み合わされることにより構成される。本発明の実施形態の例では、三枚の縦板30aと三枚の横板30bとで、消音器10の内部を16個の室31に分割する例を示している。なお、この縦板30aと横板30bとは、それぞれステンレス等の板材を同一形状に加工することにより構成される。
縦板30aと横板30bとの双方には、これらが交差する部分に切れ込み部35a、35bがそれぞれ設けられる。この切れ込み部35a、35bを互いに嵌合することによって、縦板30aと横板30bとが格子状に組み合わされ、仕切り板30が構成される。
仕切り板30の要所には、一又は複数の丸孔から構成される連通孔32が設けられる。連通孔32は、隣り合う室31を互いに連通する。これにより、隣り合う室31との間で排気ガスが流通可能となる。
連通孔32の径や数を変更することにより、排気ガスの流れ量を調整することができる。連通孔32は、排気ガス中のカーボンによる目詰まりを考慮すると例えばφ1からφ4の径の丸孔とする。また、排気ガス流量を大きくする場合は、連通孔32を、複数の丸穴ではなく、当該部分の仕切り板30を矩形に開口させた形状としてもよいし、当該部分の仕切り板30を除去してもよい。
このように、仕切り板30に連通孔32を設けることによって、排気ガスの流路を構成し、消音のための拡張室、共鳴室、吸音部材収納室、ガス流路の絞り、拡散等の消音構造を構成する。またさらに、仕切り板30の連通孔32の位置や形状を任意に設定することによって、車種に合わせて消音のチューニングを行うことが可能となる。
なお、仕切り板30は、縦板30aと横板30bとの組み合わせではなく、押し出し成型等によって一体に成型してもよい。
次に、本願発明の実施形態の消音器10の組み立て方法を説明する。
まず、平板状の金属板を折り曲げて、両端が開口した筒体21aを形成する。
次に、この筒体21aに仕切り板30を挿入する。
仕切り板30は、筒体21aへの挿入に先立って、予め要所に連通孔32を設けた縦板30aと横板30bとを格子状に組み合わせておく。なお、縦板30aと横板30bとを組み合わせた後に、レーザ加工等により連通孔32を設けてもよい。
また、室31のいずれかに吸音材を収納する場合は、室31の形状に合わせて予め加工された吸音材を、仕切り板30の当該室31に対応する個所に収納しておく。
次に、筒体21aの開口部に、それぞれエンドプレート21b及び21cを接合する。
エンドプレート21b及び21cは、筒体21aの開口部に組み付けた後、溶接される。これにより、筒体21a、エンドプレート21b及び21cが一体に接合され、ケース21が構成される。
なお、エンドプレート21b及び21cの接合は溶接でなくてもよい。例えば、かしめ等により機械的に取り付けてもよいし、材質が可能であれば、拡散摩擦接合(FSW)によってこれらを接合してもよい。
次に、ケース21に、入口パイプ22及び出口パイプ23を接合する。
まず、ケース21の一の辺に入口孔22aを、入口孔22aと斜向かいの位置に出口孔23aを、それぞれ設ける。そして、これら入口孔22a及び出口孔23aに、それぞれ入口パイプ22及び出口パイプ23を、溶接等により接合する。なお、入口孔22a及び出口孔23aは、筒体21aに仕切り板30を挿入する前に加工してもよい。
以上の手順により、消音器10が組み立てられる。
なお、入口パイプ22及び出口パイプ23は、ケース21の対向する辺に設けたが、この構成に限られるものではない。消音器10のレイアウト及び消音構造のチューニングにより、入口パイプ22及び出口パイプ23は、どの方向から排気ガスを導入し、どの方向に排出するかは、任意に設計することができる。例えば同一の辺に入口パイプ22と出口パイプ23とを配置してもよい。
また、仕切り板30がケース21内で固定されるように、ケース21の内面に仕切り板30を固定するための溝を設けてもよい。また、ケース21と仕切り板30とをさらに強固に固定する場合は、組み立て後に、レーザ溶接等によって接合してもよい。また、仕切り板30は、縦板30aと横板30bとの交差部分を予め溶接しておいてもよい。
次に、消音構造の具体的な例を説明する。
図3及び図4は、本願発明の消音器10の上面図であり、消音構造の一例を示す。
図3に示す例では、消音器10内部に、拡張室、共鳴室、吸音部材収納室を構成した。また、排気ガス流路中に絞り構造を設けた。
具体的には、室31a、31b、31c、31d、31h、31l及び31pを連通孔32により連通させ、これを排気ガス流路とする。なお、室31bと室31cとの間、及び、室31hと室31lとの間の連通孔32は小径として、開口面積を小さくした絞り構造とする。
また、室31a、31e、31i及び31mを音響的に壁の無い状態と同一な比較的広い面積の連通孔32により連通させ、これを一つの拡張室とする。
また、室31f、31j及び31nを連通孔32により連通させ、これを共鳴室とする。共鳴室と排気ガス流路とは、室31bと室31fとの間に設けた絞り作用としての小径の連通孔32により連通させる。
また、室31g、31k及び31oを連通孔32により連通させ、これら室31に吸音部材を充填して、これを吸音部材収納室とする。吸音部材収納室と排気ガス流路とは、室31cと室31gとの間に設けた連通孔32により連通させる。
このように構成した消音器10では、次のように作用する。
入口パイプ22からケース21内に流入した排気ガスは、室31aにおいて、室31e、31i及び31mからなる拡張室に連通する。拡張室では排気ガス流路の断面積が拡大する。これにより、排気ガスの音波が拡張することによって、音波が減衰する。
続いて、排気ガスは、共鳴室に連通する室31bを通過する。室31bでは、小径の連通孔32を介して排気ガスが共鳴室に流入する。共鳴室では、ホルムヘルツの原理により排気ガスの特定の周波数の音波が共鳴することで、音波が減衰する。この特定の周波数は、共鳴室の体積や形状により決定される。
続いて、排気ガスは、室31bから小径の連通孔32を介して室31cへと流入する。この絞り構造によって、排気ガス流路の断面積が一時的に変化するため、排気ガスの音波が減衰する。なお、絞り構造を多く設けることにより音波は減衰するが、排気ガスの圧力損失も上昇するため、小径の連通孔32の配置は適切に行う必要がある。
室31cでは、連通孔32を介して吸音部材収納室に連通する。吸音材収納室では、吸音部材によって、排気ガスの音波のうち、主に高周波音が減衰する。なお、吸音部材は一般的にグラスファイバ等の繊維状物質が用いられる。この繊維状物質が飛散しないように、吸音部材収納室には排気ガスの出口となるような構造を設けない。
この後、排気ガスは、室31d、31h、31l及び31pを経由して、出口パイプ23から大気へと排出される。室31hから室31lに流入するとき、排気ガス流路の断面積が変化するため、排気ガスの音波が減衰する。
このような消音構造により、排気ガスを消音して大気に排出することができる。
次に、図4に示す例を説明する。この例では、消音器10内部に、拡張室、分岐室、共鳴室、吸音部材収納室を構成した。また、排気ガス流路中に絞り構造を設けた。
具体的には、室31a、31e、31i、31j、31k、31l及び31pを連通孔32により連通させ、これを排気ガス流路とする。なお、室31jと室31kとの間の連通孔32は小径として、開口面積を小さくした絞り構造とする。
また、室31a、31e及び31iを連通孔32により連通させ、これを一つの拡張室とする。
また、室31b、31c及び31dを連通孔32により連通させて行き止まりの部屋とし、これを分岐室とする。排気ガス流路と分岐室とは、室31aと室31bとの間に設けた連通孔32により連通させる。
また、室31o、31n及び31mを連通孔32により連通させ行き止まりの部屋として、これを共鳴室とする。共鳴室と排気ガス流路とは、室31pと室31oとの間に設けた小径の連通孔32により連通させる。
また、室31f、31g及び31hを連通孔32により連通させると共にこれら室31に吸音部材を充填し、これを吸音部材収納室とする。吸音部材収納室と排気ガス流路とは、室31j、31k及び31lに設けた連通孔32により連通させる。
このように構成した消音器10では、次のように作用する。
入口パイプ22からケース21内に流入した排気ガスは、室31aにおいて、室31e及び31iからなる拡張室に流入し、音波が減衰する。
また、排気ガスの一部は、室31aの連通孔32から室31b、31c及び31dからなる分岐室に流入する。分岐室では、その奥行き長に対応する周波数の音波を反射させることによって、排気ガスの干渉により音波が減少する。
続いて、排気ガスは、室31iから室31j、31k、31lを経て室31pへと流れ、室31pでは、出口パイプ23から排気ガスが大気へと排出する。室31jと室31kとは絞り構造となっている。
また、室31j、31k、31lでは、それぞれ、吸音材収納となる室31f、31h、31hと連通しているため、排気ガスの音波の高周波成分が減衰する。
また、室31pでは、小径の連通孔32を介して排気ガスが共鳴室に流入し、ホルムヘルツの原理により排気ガスの特定の周波数の音波が減衰する。
このような消音構造により、排気ガスを消音して大気に排出することができる。
以上のように、本願発明の実施の形態の消音器10は、仕切り板30に設ける連通孔32の位置、面積、及び形状を適宜設定することにより、吸音室、拡張室、分岐室、共鳴室、吸音部材収納室等の消音構造を構成し、消音させたい周波数帯に応じてこれら消音構造を任意に設計することができる。
特に、本願発明の実施の形態の消音器10は、連通孔32を設けてない仕切り板30と、ケース21とを予め用意しておき、連通孔32を後から加工することにより、消音構造を構成することができる。すなわち、連通孔32を設けてない仕切り板30と、ケース21とで、標準化された消音器10とすることができる。
より具体的には、エンジン排気量に応じて標準化した消音器10を予め用意しておき、個々の車両に対応して、連通孔32の数及び形状や入口パイプ22及び出口パイプ23の位置を適宜設計することにより、消音性能を細かくチューニングすることができる。
これにより、従来のように、車両ごとに個別に消音器10を設計し、車両ごとに消音器10を製造するという方法と比較すると、設計工数や製造工数を削減できるので、コストを低減することができる。また、同様の理由により、消音器10の試作経費も低減できる。また、消音器10の基本構成を標準化することによって量産効果が発揮され、コストをさらに低減することができる。
また、標準化された消音器10の消音構造を、連通孔32や位置口パイプ22及び出口パイプ23の構成等により、車両の特性に応じて細かくチューニングすることが可能となるため、排気ガスの誘導を最適に設計することができる。これにより、気流音及び圧力損失を低減することができるので、容量が同等の従来の消音器と比較すると、消音効率が向上する。
また、仕切り板30の形状や連通孔32の位置及び形状を適宜設定することにより、ダブルブランチ構造、二段拡張構造、レゾネータ構造、吸音材充填型のブランチ構造等、さまざまな消音構造を構成することが可能となる。
また、消音器10の内部は、板状の仕切り板30のみであり、パイプ等を組み合わせた従来の消音器と比較すると、重量を軽減することができる。
また、ケース21は、直方体形状であり、ガス流れ方向に対して垂直方向の厚さが小さく構成されている。近年、車室空間の拡大や補機の増加により消音器10を設置するスペースは限られたものとなっている。消音器10を薄型とすることにより、最低地上高にとらわれず、車両の床下等への設置の自由度が増し、スペース効率を高めることができる。なお、本発明の実施の形態では、ケース21は直方体形状としたが、これに限られるものではなく、円形、楕円、異形、超扁平としてもよい。この場合、仕切り板30は、ケース21の筒状形状の柱方向の形状に合わせた形状とすることは言うまでもない。
また、直方体のケース21内部に、格子状の仕切り板30が内装され、これが内面からケース21に当接するので、消音器10の剛性が向上すると共に、放射音の発生レベルを低減することができる。
本願発明の実施の形態の消音器10は、ケース21は、向かい合う辺が略平行とした略直方体形状としたので、その外面は平面(フラット構造)である。一般的に平面部分が多い場合は、その面から音波が放射するが、ケース21内部に格子状の仕切り板30が当接するため、ケース21が振動しにくく、放射音の発生は抑制される。なお、さらに音性能を向上するため、エンドプレート21b及び21cを取り付ける開口部周辺にビード加工して、放射音を抑制してもよい。また、ケース21の外面を波板形状に加工してもよい。同様に、仕切り板30をフラット構造でなく、波板としてもよい。
また、消音器10内に排気ガスを原因とする凝縮水が滞留する可能性がある。これに対して、仕切り板30の下方となる部分とケース21の内面に隙間、小孔を設けると共に消音器全体を傾斜させることにより、出口近傍の部屋に凝縮水を集め、その部分のケース21内にピトー管を設置して、出口パイプ23を通過する排気ガス流れにより発生する低圧により吸引し出口パイプ23から排出するようにしてもよい。また、ケース21の下端部に任意に小孔を開口して、排気ガスの圧力により凝縮水を排水させてもよい。これにより、凝縮水による消音器10の腐食を防止することができる。
なお、本願発明の実施の形態では、車両に搭載される内燃機関エンジンや燃料電池からの排気ガスの消音について説明したが、これに限られるものではなく、工場プラントや家庭における排気ガスや圧縮機からの脈動の消音に用いることもできる。
本発明の実施の形態の消音器の構成を示す説明図である。 本発明の実施の形態の仕切り板の説明図である。 本発明の実施の形態の消音構造の一例である。 本発明の実施の形態の消音構造の他の例である。
符号の説明
10 消音器
21 ケース
21a 筒体
21b、21c エンドプレート
22a 入口孔
22 入口パイプ
23a 出口孔
23 出口パイプ
30 仕切り板
30a 縦板
30b 横板
31 室
32 連通孔

Claims (6)

  1. 筒体(21a)と、前記筒体(21a)の開口部を閉塞するエンドプレート(21b、21c)とからなるケース(21)と、
    前記ケース(21)に内装される、縦板(30a)及び横板(30b)からなる仕切り板(30)と、
    前記ケース(21)にガスを導入する入口孔(22a)と、
    前記ケース(21)からガスを排出する出口孔(23a)と、を備え、
    前記仕切り板(30)は、前記ケースを二以上の室(31)に分割すると共に、前記仕切り板(30)に設けられる連通孔(32)によって、前記室(31)の少なくとも二つを互いに連通することを特徴とする消音器。
  2. 請求項1に記載の消音器において、
    前記仕切り板(30)は、前記縦板(30a)及び横板(30b)が格子状に構成されることを特徴とする消音器。
  3. 請求項1又は2に記載の消音器において、
    前記ケース(21)は、向かい合う辺が略平行に形成された直方体形状を有し、その高さが、奥行き及び幅よりも小さいことを特徴とする消音器。
  4. 縦板(30a)及び横板(30b)からなる仕切り板(30)に連通孔(32)を設け、
    筒体(21a)に、前記仕切り板(30)を挿入し、
    前記筒体(21a)の開口部にエンドプレート(21b、21c)を取り付けることによりケース(21)を構成し、
    前記ケース(21)に、ガスを導入する入口孔(22a)と、ガスを排出する出口孔(23a)と、を設けることを特徴とする消音器の製造方法。
  5. 請求項4に記載の消音器の製造方法において、
    前記仕切り板(30)は、前記縦板(30a)及び横板(30b)が格子状に構成されることを特徴とする消音器。
  6. 請求項4又は5に記載の消音器の製造方法において、
    前記ケース(21)は、向かい合う辺が略平行に形成された直方体形状を有し、その高さが、奥行き及び幅よりも小さいことを特徴とする消音器の製造方法。
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