专利名称：用于有限间距的气动装置场合的具有吸声插入件的消声器的制作方法
背景技术：
本发明涉及一种能衰减气动装置发出的噪声的消声器。尤其是，本发明涉及与具有用于消声器安装的有限区域的气动装置一起使用的带有一吸声插入件的一种尺寸缩小的消声器。
有多种不同的装置靠气动控制和/或驱动。这些装置包括采用一个或多个气动阀组的加工设备、气动机器人应用、气动测试设备、手握气动工具、泵等等。基本上，用加压流体、通常是空气的气流驱动或操纵一诸如连杆臂的机构，形成所需的输出。根据特定的应用，通常采用一个或多个驱动阀将加压空气引导到装置内的所需部位，并通过排放口释放该空气。由于空气被加压和排放口相当小，排出的空气通常高速释放。当高速空气流入相对平静的空气中时，气流会变得紊乱。由此刻的紊乱气流引起的漩涡产生压力波动，导致排放噪声。
根据特定的应用，排放噪声可能上升到不可接受的程度，从而导致噪声引起的听力丧失。作为参考，美国标准是对于暴露于85分贝(dB)以上的连续噪声级超过8小时的个人需要听力保护。国际标准是对于暴露于80分贝以上的噪声级超过8小时的个人需要听力保护。要注意的是，低于80分贝的排放噪声或大于80分贝的断断续续的噪声同样有刺激和损害。
目前已采用各种技术使气动装置产生的排放噪声的影响降到最低。例如，对于紧靠这种装置工作的人配备听力保护装置。遗憾的是，操作者可能忘记戴上听力保护装置，或者由于感到不方便而草草地选择不使用它。此外，其他的在附近的没有戴上听力保护装置的工人或参观者将受到同样的噪声影响。或者，可以在该装置的周围放置隔音屏障或罩壳。但是，在许多情况下，这种方法从费用的角度和由于外部屏障会影响装置正常工作而不可实施。第三种更为实际的方法是将一消声器连接到排放口。
总的来讲，涉及气动装置的消声器通过对气流施加屏障、吸收声波或通过该两者衰减噪声。对于大多数的商业应用，典型的气动消声器包括一构成可安装到排放口的圆筒形外壳。外壳构成了一个或多个内腔，来自排放口的空气经过这些内腔。此外，一气流屏障和/或吸声插入件通常设置在外壳内。最后，外壳通常形成一个或多个气流通道或小孔，空气通过这些通道或小孔从消声器释放(或排出)。有多种材料可用作插入件，这些材料从金属和布到合成材料。例如，可从明尼苏达州的圣保罗的3M公司获得种种气动消声器制品，这些制品替代了隔音插入件。
在评定气动消声器的性能时，必须考虑具体构造之外的两个重要参数。第一，消声器必须将排放噪声限制在一个可接受的程度。此外，必须考虑由消声器引起的任何背压(back pressure)。简言之，要求总系统压力的一部分推动某气流通过消声器。该压力被称为消声器的“背压”。根据特定的应用和背压的大小，气动装置的总的性能有可能大大下降。
众所周知，噪声的衰减和背压降到最小呈相互相反的关系。也就是说，通过采用附加的或更密集的插入材料来提高一特定气动消声器的降噪特性。但是，这种附加的材料或材料密度有可能增加背压，由此降低了消声器的有效性。考虑到这种关系，设计消声器外壳和有关的插入材料变得相当大，使噪声衰减和背压最佳化。例如，可从市场上获得的气动消声器的长度在4-8英寸(102-203毫米)的范围，外径在1.5-4英寸(38-102毫米)的范围。为了使来自消声器的气流最大(并因此使背压最小)，气动消声器外壳一般包括一组沿外壳侧壁的圆周槽。因此，外壳本身通常仅能起到对气流和声波的一局部屏障的作用。
拥有上述尺寸特性的气动消声器已经证实在衰减气动排放噪声和最小背压上是很有效的。但遗憾的是，某些气动装置应用不具有足够的间距来安装这些相当大的消声器。例如，某些类型的处理设备(例如邮件分拣器)包括一阀组，该阀组采用大量的彼此靠近的气动阀(及排放口)。阀排放口的中心至中心的间距时常小于1.5英寸(38毫米)。显然，由于不可能并排安装两个消声器，所以上述“标准”的消声器的尺寸限制它们应用于这些有限间距的应用场合。此外，由于消声器外壳相当长，从气动装置开始延伸一段显著的距离，操作者无意中碰到和可能折断或甚至损坏消声器的机会变得多起来。
人们已通过努力去克服有关气动阀排放口很靠近的间距问题。例如，将管道连接到每一排放口，然后延伸到一在离开排放口的一部位的一个消声器。这种工艺有可能抑制背压，但代价昂贵，费时。或者，尝试着制造一个尺寸缩小的含有诸如烧结黄铜或毡的隔音材料的圆筒形消声器外壳。尽管一列这些如此构造的消声器可并排安装到有限间距的阀组中，但与各个消声器相关的经选择的插入件材料的体积必须是小的，这样不能改变气流和/或吸收噪声，以提供足够的噪声下降。对于阀连续循环的应用场合尤其如此。这些装置对于每一排放口时常要求一相当小的噪声下降(例如对于90分贝的开放的排放噪声级在5分贝范围内)，但对于背压很敏感。可从市场上获得的尺寸减小的消声器可提供能接受的噪声下降，但产生相当大的背压，因此不能使用。
用于衰减气动装置产生的噪声的消声器继续受到额外欢迎。但是，由于特定的气动装置能够容纳消声器的很有限的间隔空间，就不能使用“标准”尺寸的消声器。设计可行的、尺寸缩小的气动消声器的努力都没有成功。因此，就需要一种气动消声器，它具有可接受的噪声下降和背压特性，其大小做到能用于间距有限的应用场合。
发明概要本发明的一个方面是涉及一种衰减在气动装置的排放口产生的噪声的消声器。消声器包括一外壳、一基部和一吸声插入件。外壳构成一上游端部和一下游端部。下游端部是封闭的。此外，外壳的至少一部分的直径朝下游端渐小。基部固定于外壳的上游端部并包括一将排放口的空气引导到外壳的管子。最后，吸声插入件设置在外壳内。插入件包括构造成能吸收声波的纤维网。
在使用之前，将消声器安装到气动装置，使得管子与排放口流体连通。增压空气和声波从排放口经管子引导到外壳。更具体地说，气流和声波与吸声插入件相互作用。吸声插入件至少吸收一部分声波。在这方面，外壳的锥形构造提高了声波与插入材料的相互作用，促使声波相消失，由此进一步降到噪声。值得注意的是，吸声插入件与锥形形状的外壳相结合产生了最小的背压。
本发明的另一方面涉及一种用于衰减在气动装置的排放口处产生的噪声的消声器。消声器包括一外壳、一基部和一吸声插入件。外壳构成一上游端部和一下游端部，其中下游端部是封闭的。另外，外壳的最大宽度小于1.5英寸(38毫米)。例如，在一较佳实施例中，外壳的横截面是圆形的，从而它的最大直径小于约1.5英寸(38毫米)。基部固定于外壳上游端部并包括一将排放口的空气引导到外壳内的管子。最后，吸声插入件设置在外壳内。插入件材料包括构造成能吸收声波的纤维网。
在使用之前，将消声器安装到气动装置，使得管子与排放口流体连通。外壳的有限的最大直径方便了消声器安装到一狭窄区域中。此外，将一组构造类似的消声器并排安装在若干排放口靠得很近的气动阀组中。进入消声器的空气和声波导入并接触吸声插入件。吸声插入件吸收一部分声波，由此限制了本来产生在排放口的噪声，而背压最小。
本发明的又一方面涉及一种用于衰减在气动装置的排放口处产生的噪声的消声器。消声器包括一外壳、一基部和一吸声插入件。外壳构成一上游端部和一下游端部，其中下游端部是封闭的。此外，外壳从在上游端部的小于1.5英寸(38毫米)的最大宽度朝下游端部渐小。例如，在一较佳实施例中，外壳的横截面是圆形的，从而它的最大直径小于约1.5英寸(38毫米)。基部固定于外壳上游端部并包括一将排放口的空气引导到外壳内的管子。最后，吸声插入件设置在外壳内。插入件材料包括构造成能吸收声波的纤维网。由于外壳的直径相对较小，消声器可安装在消声器空间有限的气动装置中。组装到气动装置之后，管子将排放口的空气和声波导入并接触外壳内的吸声插入件。吸声插入件又吸收至少一部分声波。在这方面，外壳的锥形形状有利于声波消失同时提高了声波与吸声插入件的相互作用。
附图简要说明
图1是本发明消声器的立体图；图2是图1消声器的外壳部分的放大的剖视图；图3A是图1消声器的基部的放大的端视图；图3B是沿线B-B截取的图3A基部的放大的剖视图；图4是图1消声器的放大的剖视图；图5是采用本发明若干消声器的一气动装置的侧视图；以及图6是图5装置的一部分的放大的侧剖视图，它示出了流经消声器的气流。
较佳实施例的详细说明图1示出一消声器20的一较佳实施例。消声器20包括一外壳22、一基部24和一吸声插入件(未示出)。概括而言，基部24固定于外壳22。此外，吸声插入件设置在外壳22内。作为参考，根据最后组装，空气在形成于基部24的管子26进入消声器20，流入外壳22。考虑到该总的气流方向(在图1中用箭头表示)，消声器20的各个构件在本说明书中都称为彼此的“上游”或“下游”。要理解的是，该方向术语仅仅用于举例说明的目的，决不能用来限定本发明。要指出的是，如下文所述，在一较佳实施例中，气流通过管子26之后、气流事实上被外壳22偏转或引导成与图1中的箭头方向大体相反的方向。
图2详细地示出了外壳22。外壳22包括一侧壁30和一端壁32，它们组合在一起构成一上游端部34和一下游端部36。如图2所示，由侧壁30限定的上游端部34最好是敞开的。与之相反，由端壁32形成的下游端部36最好是封闭的。
侧壁30最好是连续的。也就是说，侧壁30上没有开口或其它的气流通道(上游端部34除外)。因此侧壁30用作一基本完整的对气流和声波的阻挡层。
在一较佳实施例中，侧壁30的至少一部分是截头圆锥性的。例如，如图2所示，侧壁30由基本是圆筒形的第一部分38和基本是截头圆锥形的第二部分40所构成。更具体地说，第二部分40从第一部分38朝下游方向延伸，其直径至端壁32渐小。至于图2所示的纵向剖视图，侧壁30的第二部分40的锥体的夹角范围在约20°-70°，较好的是在30°-50°，最好的是40°。尽管外壳22被描述成较佳地是圆筒形和/或截头圆锥性(因而其横截面是圆形的)，但其它形状也可采用。例如，外壳22的横截面可以是三角形、正方形、八角形的等等。
最后，侧壁30最好构造成能安装到基部24(见图1)。例如，在一较佳实施例中，侧壁30、尤其是第一部分38形成一邻近上游端部34的容纳区域42。容纳区域42包括一引导表面44、一接合表面46和一径向止动部48。引导表面44的直径比基部24的对应部分略小，这将在下文中详细描述，最好是渐小，便于安装到基部24。接合表面46的尺寸做得能摩擦容纳在基部24的一部分。最后，径向止动部48的尺寸做得能够确实地使基部24定位。或者，也可采用其它的接合工艺，使容纳区域42构造成基本上是直的。更有甚者，在采用其它安装结构、诸如粘结剂的情况下，可完全省略容纳区域42。
端壁32最好是相当平的(如图2所示)，便于制造。或者，端壁32也可采用其它的结构。例如，端壁32可以是半球形的或其它拱形结构。不管端壁32的具体形状如何，端壁32最好是封闭的，使得它不能形成任何气流通道或小孔。因此，端壁32对气流和声波呈现基本完整的屏障。
外壳22的各个部分最好是由一刚度相当高的材料一体形成。例如，在一较佳实施例中，外壳22是一模制的聚合体，较好的是聚酰胺(33％重量的玻璃纤维增强的尼龙6，6)。或者，也可使用诸如聚丙烯的其它聚合体。基本上，外壳22可以是诸如陶瓷、钢或铝和其组合物或合成物的可模制或可机加工的材料。
总而言之，外壳22尺寸较佳地做成能用于有限的消声器的放置空间或间距的气动装置。更具体地说，外壳22有一小于1.5英寸(38毫米)、较好的是小于1英寸(25毫米)的最大宽度(由侧壁30的外部宽度限定)。参阅一个较佳实施例，外壳的横截面是圆形的，其最大宽度是一小于1.5英寸(38毫米)、较好的是小于1英寸(25毫米)的直径(由在第一段38的侧壁30的外径确定)。例如，在一较佳实施例中，外壳22的在径向止动部48下游的第一部分38的外径是0.96英寸(24.4毫米)。此外，端壁30的第一部分38和第二部分40的内表面最好是相当一致的(如图2的剖视图所示)。考虑这一点，在第一部分38的侧壁30的内宽度(最好是直径)的范围约在0.5-1.0英寸(12.7-25毫米)、较好的是约0.65-0.85英寸(16.5-21.6毫米)。例如，在一较佳实施例中，侧壁30的第一部分38的内径是0.78英寸(19.8毫米)。
外壳22的另一特征是壁厚。为便于安装到基部24(图1)，侧壁30的第一部分38的厚度最好是变化的。但是，侧壁30的第二部分40的厚度相当均匀的，其范围约在0.03-0.09英寸(0.76-2.29毫米)、较好是约0.05-0.07英寸(1.27-1.78毫米、最好是0.06英寸(1.52毫米)。端壁32的厚度最好构造在相同的范围。对于选定的外壳22的合适材料，上述厚度参数导致外壳22对气流和声波是一基本屏障。因此，在一较佳实施例中，用壁厚为0.06英寸(1.52毫米)的聚酰胺构造的外壳具有一基本完整的气流/声波屏障。
图3A和3B详细地示出了基部24。基部24包括管子26、入口壁60和环形凸缘62。管子26位于入口壁60的中心，入口壁60沿大致径向延伸。环形凸缘62从与管子26相对的入口壁60延伸。
管子26最好基本上是圆筒形的，并限定一从输入端66延伸到输出端68的通道64。此外，管子26最好做成能安装到一气动装置排放口(未示出)。因此，在一较佳实施例中，管子26的输入端66附近形成外螺纹70。或者，也可采用其它安装工艺或有关的设计。但是，对于较佳的外螺纹70，输入端66的尺寸根据“标准”的排放口尺寸制定。因此，例如，输入端66有与1/8英寸的国家标准管子锥度(National Pipe Taper)(NPT)排放口一致的外径。或者输入端66的尺寸可以做成与1/4英寸NPT、3/8英寸NPT、1/2英寸NPT、3/4英寸NPT或1英寸NPT一致。更有甚者，当排放口采用一安装结构而不是国家标准管子锥度(例如非渐锥的)时，输入端66最好具有对应的结构。
下面将详细地描述最终组装时管子26相对入口壁60和外壳22的关系。但是，在一较佳实施例中，管子长度(被定义为从输入端66到输出端68的距离)的范围约在0.6-1.0英寸(15.2-25.4毫米)、较好的是约0.7-0.9英寸(117.8-22.9毫米)。例如，在一较佳实施例中，管子26的长度约0.81英寸(20.6毫米)。
管子26、尤其是通道64做成能将排放口(未示出)的气流和声波引导到入口壁60下游的一位置。因此，管子26相对入口壁60被定义为具有一上游部分72和一下游部分74。上游部分72位于入口壁60的上游；而下游部分74位于入口壁60的下游。如图3B所示，在下游部分74的通道64最好是圆筒形的。或者，也可采用其它的构造以完成所需的气流分配。例如，下游部分74的通道64可以是截头圆锥性的，直径是渐大或渐小的。
入口壁60从管子26沿大致径向延伸，构成一外表面76和一内表面78。如图3A所示，入口壁60形成多个槽或气流通道80，每一个从内表面78延伸到外表面76。在一较佳实施例中，每一槽80是弧形的，有一范围在约0.02-0.06英寸(0.5-1.5毫米)、最好约0.04英寸(1毫米)的径向宽度和范围在约40°-60°、最好约50°的弧长。较佳的是，多个槽80中第一组82设置在入口壁60的第一直径，第二组84设置在第二直径。或者，对于多个槽80可采用任何其它数量、尺寸、形状和位置。但要理解的是，较好的是设置至少一个槽(或气流通道)，最终的构造有利于最大量的气流通过入口壁60，同时保持基部24足够的结构整体性。
环形凸缘62从入口壁60的内表面78朝下游延伸，并构造成能安装如前所述的外壳22(图2)。因此，在一实施例中，环形凸缘62的内表面86形成一能容纳外壳22的上游端部34(图2)的肩部88。此外，内表面86有一近似外壳22的接合表面46(图2)直径的直径，便于摩擦配合。最后，环形凸缘62的外表面90最好是滚花的，如图3A所示，以提高使用者握持基部24。或者，外表面90也可以是平的。
基部24的各个部分最好是由相当刚度的材料一体制成。例如，在一实施例中，基部24由一与外壳22的材料相同的材料所形成，从而是一种诸如聚酰胺(33％重量的玻璃纤维增强的尼龙6，6)的模制聚合体。或者，可采用诸如聚丙烯的其它聚合体。基部24基本上是任何可模制的或可机加工的诸如陶瓷、钢或铝及其组合物或合成物的材料。
如下文描述，在最后组装时，管子26相对入口壁60的下游延伸部分直接与外壳22(图2)内的输出端68的所需位置有关。但是，管子26相对入口壁60的某些尺寸特性结合图3B加以描述。更具体地说，管子26的下游部分74
(例如管子26从内表面86到输出端68的延伸部分)的范围较佳地约在0.3-0.7英寸(7.6-17.8毫米)，更好地在约0.35-0.55英寸(8.9-14毫米)。例如，在一实施例中，下游部分74的长度约为0.46英寸(11.7毫米)。
图4详细地示出了消声器20、尤其是吸声插入件100。吸声插入件100设置在外壳22内，并位于管子26的周围。吸声插入件100最好大致上与外壳22渐锥形状一致，延伸经过管子26的输出端68。也就是说，吸声插入件100环绕外壳22的在管子26下游的有效容积的一部分、最好是有效容积的全部。因此，如下文所详细描述的那样，来自管子26的气流和声波直接从输出端68导入吸声插入件100。
吸声插入件100最好是一种由纤维和粘结树脂构成的非织造纤维网，通常称为吹制微纤维(blown microfiber)。有了这种构造，吸声插入件100可以吸收声波。
用于本发明的纤维可以是合成和/或天然聚合纤维。可使用的合成聚合纤维的例子包括那些可从诸如聚酯、聚乙烯(对苯二酸盐)和聚丁烯(对苯二酸盐)的聚酯树脂、诸如尼龙的聚酰胺树脂和诸如聚丙烯和聚乙烯的聚烯烃树脂以及其混合物组成的材料组中选择的材料，但不局限于此。可使用的天然聚合纤维的例子包括那些可从羊毛、真丝、棉和纤维素组成的材料组中选择的材料，但不局限于此。纤维应具有范围在约30到150微米、较好的在约35-100微米的直径。如果纤维能够加捻或形成在一起以形成一直径较大的纤维，那么这些纤维的直径可以小于30微米。尽管纤维长度不是特别关键的，适用的纤维长度的范围一般在约30至100毫米，较好的在约35-50毫米，这样便于纤维网的形成。不同长度和直径的纤维的混合物可用于非织造纤维网。最后，纤维最好有范围在约5-50旦尼尔的细度特性。
可使用的纤维还包括包芯类型的可熔化粘结的纤维，纤维的芯子是聚合物，其熔化温度比其周围的包覆聚合物要高，使得在形成纤维网时，包覆熔化，使它流到和粘结到周围的网纤维上，但可用材料不局限于此。通常，包覆和芯子之间的熔化点的差异约在10℃-40℃，更一般的差异在20℃-40℃。可使用的可熔化粘结的纤维包括那些可从聚酯/聚酯共聚物混合物、聚酯/聚丙烯纤维以及类似的材料组成的材料组中选择的材料，但不局限于此。包芯纤维可来源于诸如Hoescht-Celanese、DuPont Company(杜邦公司)和Eastman Kodak。
可用于本发明的非织造纤维网可涂覆或浸透有粘合树脂，在固化时，使纤维网具有显著的附加的抗油和潮湿的作用。粘合树脂也可使非织造纤维网变结实，从而使它耐压和耐用。这些树脂通常是热固性聚合物成份，可选择成能防油和水。在一较佳实施例中，粘合剂是胶乳(苯乙烯-丁二烯)。或者，合适的粘合树脂包括从酚醛树脂、丁基化脲醛树脂、环氧树脂、聚酯树脂(诸如马来酐和邻苯二甲酸酐的浓缩制品和丙二醇)、丙烯酸树脂、苯乙烯-丁二烯树脂、增塑乙烯基(plasticized vinyl)、聚氨酯及其混合物组成的材料组中选择的材料，但不局限于此。粘合树脂可进一步包括诸如滑石、硅石、碳酸钙和类似材料的填充物，以强化纤维网的硬度。粘合树脂可提供在水乳液或胶乳或一种有机溶剂中。
加入足够的粘合树脂，以将纤维保持在合适的位置，并不会变得过硬。用在本发明中的粘合树脂的数量以重量计一般在每100份的非织造纤维网中干树脂有约100-400份。较佳的是，对于较佳的压力和声音性能，以重量计每100份的非织造纤维网使用130-230份的粘合树脂。
非织造纤维可选择包括粘弹性组份的浸透的涂层，以强化声音衰减性能。可使用的粘弹性材料包括防油和防水的诸如聚丙烯酸酯、苯乙烯-丁二烯橡胶、硅橡胶、聚氨酯橡胶、丁腈橡胶、丁基橡胶、丙烯酸橡胶、和天然橡胶的粘弹性阻尼聚合物，以及诸如3M的粘弹性阻尼聚合物ISD110，ISD112和ISD113(可从明尼苏达州圣保罗的3M公司购买)的丙烯酸基粘弹性材料。聚合物可分散到合适的溶剂中，并涂覆在非织造结构上。聚合物溶液一般具有1％-7％重量的聚合物固体，较好的是2％-5％固体溶液。聚合物在气动装置中的使用温度应该是稳定的，其温度范围一般在约-40℃至约50℃，更一般的约5℃-40℃。聚合物在使用温度(例如21℃)的损失系数大于约0.2，较好的是大于0.5，最好的是大于0.8。
美国专利5,418,339描述了用于吸声插入件100的可接受的纤维网的例子，其内容在此援引以作参考。
为便于将吸声插入件100放置在管子26周围，该插入件100较佳的形成一核心通道102。核心通道102的尺寸做成接近管子26下游部分74的外径。为此，在一较佳实施例中，吸声插入件100可略微变形。对于这样的构造，核心通道102最初的直径略微小于管子26的直径，但在插到管子26上时经变形直径略微变大。
参阅图4，消声器20的组装基本如下。吸声插入件100的形成总的对应于外壳22的尺寸和形状。例如，吸声插入件100可由一块适当的纤维网材料切割而成。然后形成核心通道102。在这方面，吸声插入件100可形成一单一体，由此核心通道102延伸部分地通过该单一体。或者，吸声插入件100形成两件单独的部分。第一或上游部分(图4中用104表示)的高度对应于管子26的下游部分74。这样，核心通道102完全通过上游部分104。此外，设置一第二或下游部分106。该下游部分106基本上是截头圆锥形盘，没有中心通道。因此，下游部分106延伸经过管子26的输出端68。对于该方法，下游部分106初始放置在上游部分104的顶部、管子26的上面。或者，将下游部分106插入外壳22内，邻接端壁32。
用插入方法，可使外壳22内的吸声插入件100的数量最佳化。更具体地说，由于吸声插入件100较好的是可变形的/可压缩的，放置在外壳内的材料的数量(例如质量)可增加或减少，所导致的吸声插入件100仍然能填充外壳22内的有效容积(被管子26占据的容积除外)。在这方面，包括吸声插入件100的实际材料数量决定了消声器的性能，这在别处有详细的描述。但总的来讲，减少包括吸声插入件100的材料的数量(或质量)可能会降低消声器20的声音衰减能力。相反，加入更多的材料可能产生过高的背压。要特别是，包括吸声插入件100的材料的“最佳”数量是纤维网组份和外壳内的有效内容积的函数。例如，对于有效内部容积(即外壳22的内容积减去外壳22内管子26的容积)约为0.5-2.0立方英寸(8×103-33×103立方毫米)的外壳22，吸声插入件100的质量范围较好的为0.25-1.0克，其中使用涂覆有苯乙烯-丁二烯的5-50旦尼尔聚酯纤维作为纤维网材料。
然后将外壳22安装到基本24，如图4所示。具体地说，引导环形凸缘62与由外壳22形成的容纳区域42接触。引导表面44便于将外壳22置于环形凸缘62内。在一实施例中，环形凸缘62的内表面86与外壳22的接合表面46摩擦接合。径向止动部48接触环形凸缘62，而肩部88邻接外壳22的上游端部34。一旦恰当地定位，外壳22和基部24密封起来更好。例如采用声波焊接。或者，也可使用其它的密封工艺，诸如粘结。
在最终的组装形式中，较好的是，管子26在外壳22的中心延伸。在一较佳实施例中，管子26、尤其是下游部分74构造成使输出端68在外壳22的上游端部34与下游端部36之间与它们近似等距离。例如，在一实施例中，外壳22有一0.8英寸(20.3毫米)的内部高度(定义为从上游端部34到端壁32内表面的距离)，输出端68在外壳22内延伸到一0.39英寸(9.9毫米)的高度。要指出的是，输出端68不需要与上游端部34和下游端部36精确地等距离。但较好的是，基部24相对外壳22的关系使得在最终组装时，管子26的输出端68延伸到一高度，该高度约是外壳22高度的25％-75％，较好的是外壳22高度的40％-60％。
在最终组装时，外壳22和基部24组合构成消声器20的总长(或根据图4的方位称为总高度)。在这方面，基部24的一部分、尤其是管子26的一部分最好构造成能放置在排放口(未示出)内，而消声器20的其余部分离开排放口延伸。这样外壳22和基部24组合构成消声器20的延伸长度，换言之，消声器20的长度从排放口朝外延伸。考虑到这种限定，消声器20具有的延伸长度较好的是小于约1.5英寸(38毫米)、更好的是小于约1英寸(25毫米)。
组装后，消声器20用于衰减气动装置产生的噪声。例如，图5示出了一气动阀组110。阀组110可形成为诸如制造和/或处理装置或气动机器人应用的辅助装置(未示出)的一部分。或者，消声器20可用于与一泵或其它气动装置有关的单个阀。对于图5所示的应用，所示的阀组110包括三个气动阀112(如图5所示)，每一个形成一排放口114。总的来讲，气动阀112的运行产生经各自的排放口114排出的增压空气。如果让排放口开着，排出排放口114的增压空气会变得相当紊乱，导致噪声。分别借助在每一排放口114的本发明的消声器20来衰减该噪声。
使用前，将各消声器20安装到各自的排放口114。例如，对于大多数气动阀应用，每一排放口114都有螺纹。参阅图3B，每一消声器20的管子26包括与排放口114上的螺纹对应的外螺纹70。或者，采用各种其它的安装工艺。重要的是，阀组110中的气动阀112显示出彼此靠的很近。这种布置在商业应用中出现的频度相当高，从而诸气动阀112及由此的诸排放口114中心对中心的间距小于1.5英寸(38毫米)。在这种有限的间距情况下，“标准”消声器由于其超尺寸的外壳而不可能被使用。但是，本发明的消声器20可用于有限间距的气动阀112，因为消声器20的最大宽度(较好的是最大直径)小于约1.5英寸(38毫米)。此外，由于如前所述，消声器20较好地从阀组110延伸至小于约1.5英寸(38毫米)的延伸长度，这样大大减少了消声器被无意中碰到和损坏的机会。
消声器20一旦固定到阀组110上，则分别衰减在排放口114产生的噪声。图6详细地示出了一个消声器20和一个对应的气动阀112。管子26的输入端66流体连通地连接于排放口114。这样，气流和有关的声波通过管子26进入消声器20。管子26用作声音屏障，由此将气流和声波(在图6中用箭头表示)通过通道64引导到外壳22内。气流和声波在输出端68排出管子26，流入吸声插入件100。如前所述，吸声插入件100被构造成能至少吸收一部分声波。但是，有可能不能立即吸收全部的声波。如图6的箭头所示，可改为气流和剩余的声波沿下游方向流过吸收插入件100并与外壳22接触，尤其与侧壁30和端壁32接触。如前所述，侧壁30和端壁32构造成用作声音屏障。因此，剩余的声波偏转离开侧壁30和/或端壁32，再与吸收插入件100接触，声波与吸收插入件100的再一次的作用导致声波的减少或被吸收。此外，偏转声波中的至少一部分与其它声波相互作用，导致相消失，因此进一步使声音衰减。随着时间的推移，余下的声波最终偏转到基部24，通过入口壁60中的多个槽80排出消声器20。但是，在排出消声器20之前，声波的大部分被吸声插入件100所吸收，或通过相消失而消失。因此，通过呈现为气流屏障、能改变气流至几乎无紊流(即更多层流)的吸声插入件100达到进一步使声音衰减(纵使最小程度)。
除了获得显著的噪声衰减之外，本发明的消声器20产生最小的背压。首先，吸声插入件100是多孔的，因此，对气流表现为临界屏障(marginalbarrier)。此外，侧壁30的较佳锥形形状将气流引向基部24，并引向多个槽80。换言之，外壳22较佳地构成大致上将气流直接引导到多个槽80，并因此排出消声器20。
本发明的消声器20提供了显著的噪声衰减。例如，对于敞开的排放口的噪声级在约50-100分贝范围中的气动阀，消声器20将降低气动阀排放口噪声至少5分贝；较佳的是至少10分贝；最好的是至少15分贝。重要的是，消声器20提供了这种噪声衰减，同时使背压最小。为此，表示背压的一适当参数是气动阀的气缸恢复时间。气缸恢复时间是与气动阀相关的气缸完成单个行程所需的时间的量度。应予以理解的是，即使没有背压(即敞开的排放口)，气缸恢复时间也存在(例如大于0)。但是，气缸恢复时间的变化(或增加)是系统背压变化(或增加)的函数。因此，例如，当一消声器连接到一气动阀装置时，由消声器导致的任何背压将增加气缸恢复时间。考虑到这一点，在0-40呎3/分(0-1，130升/分钟)范围中的气流和约0.33秒气缸恢复时间的情况下，消声器20使气缸恢复时间的增加小于约0.01秒。换言之，消声器20较佳地使恢复时间的延缓小于约5％。因此，消声器20尤其适用于那些气缸恢复时间很重要的相对连续流动的气动装置。
本发明的气动消声器具有优于已有技术设计的显著改进。消声器具有独特的尺寸，可与带有有限的消声器间隔空间的气动阀一起使用。与直径超过3英寸(75毫米)和长度超过5英寸(127毫米)的市售气动消声器不同，本发明的消声器被特别地设计成其最大宽度和延伸长度都小于约1.5英寸(38毫米)。对于这种大大缩小的尺寸，消声器可用于诸个中心至中心空隙极有限的阀排放口。此外，本发明的消声器较佳地使操作者无意中碰到它并随后损坏的机会降到最低。最后，与目前市售的少数其它尺寸缩小的消声器不同，本发明的消声器提供了实际上没有背压的噪声衰减。
例子已结合各个特定的和较佳的实施例描述了本发明，下文将参考如下的详细例子进一步描述本发明。但要理解的是，在所示例子及详细的说明之外但在本发明的基本主题之内的基础上可以有许多的延伸、改变和变异，这些都在本发明的基本精神和范围之内。
根据本发明准备一消声器，然后固定到一气动阀的排放口上。消声器用聚酰胺(用33％重量玻璃纤维增强的尼龙6，6)制成，具有高为1.33英寸(3.38厘米)、基本直径为1.00英寸(2.54厘米)的外部尺寸。消声器的输入端是1/4英寸NPT。基部和外壳通过声波焊接在一起。所用的吸声插入件材料是15旦尼尔(名义上)的涂覆胶乳的树脂吹制微纤维，它们具有不同的重量。
然后气动阀运行，测量各个数据。尤其是，将一Brüel & Kjaer型2144实时双通道频率分析仪拾音器置于离消音器24英寸(61厘米)及45度角处。声音作为一第二窗口中的脉冲被测量。另外，还测量了气动阀的气缸恢复时间。
考虑上述参数，在带有(例子1-15)和不带有(对比例子1，即敞开的排放口)本发明消声器的气动阀运行过程中进行测量。数据代表3个读数的平均值，但对比例子1例外，它是12个读书的平均值。获得了如下的结果
尽管已参照较佳实施例描述了本发明，但本技术领域的熟练人员应认识到，在不脱离本发明的精神与范围的情况下还可改变形式和细节。例如，尽管此处把消音器描述为采用截头圆锥体的外壳，也可以使用其它的结构。例如，外壳可以为圆筒形的。或者，外壳具有多个不同的直径。
权利要求
1.一种衰减在气动装置的排放口产生的噪声的消声器，该消声器包括一外壳，该外壳构成一上游端部和一下游端部，下游端部是封闭的，其中，外壳的至少一部分的宽度朝下游端部渐小；一固定于外壳的上游端部的基部，该基部包括一将排放口的气流和声波引导到外壳内的输入管子；以及一设置在外壳内的吸声插入件，该插入件包括构造成能吸收声波的纤维网。
2.如权利要求1所述的消声器，其特征在于，该外壳的最大外部宽度小于38毫米。
3.如权利要求1所述的消声器，其特征在于，外壳和基部在组装到排放口时组合构成一延伸长度，该延伸长度小于约38毫米。
4.如权利要求1所述的消声器，其特征在于，外壳包括一在上游端部与下游端部之间延伸的侧壁，该侧壁为外壳内部的声波形成一连续的屏障。
5.如权利要求4所述的消声器，其特征在于，侧壁的一部分有一在约0.76-2.3毫米范围中的厚度。
6.如权利要求4所述的消声器，其特征在于，侧壁限定了外壳的直径，侧壁的至少一部分的直径从上游端部朝下游端部渐小，其中侧壁的锥形形成在约30°-50°范围的夹角。
7.如权利要求4所述的消声器，其特征在于，侧壁构成一从上游端部延伸的第一部分和一从第一部分延伸到下游端部的第二部分，其中第一部分构造成能容纳基部。
8.如权利要求7所述的消声器，其特征在于，第一部分基本上是圆筒形的，第二部分基本上是截头圆锥性的，其直径朝下游端部渐小。
9.如权利要求1所述的消声器，其特征在于，基部还包括一从管子沿大致径向延伸的入口壁和一从入口壁与管子相对地延伸的环形凸缘。
10.如权利要求9所述的消声器，其特征在于，环形凸缘密封于外壳。
11.如权利要求1所述的消声器，其特征在于，基部形成至少一个与管子分离的通道，使气流流到外壳的外面。
12.如权利要求1所述的消声器，其特征在于，管子构成一输入端和一输出端，最后的组装中，输出端位于外壳的内部。
13.如权利要求12所述的消声器，其特征在于，管子构造成在最后的组装中，输出端在外壳内延伸的高度是外壳高度的约40％-60％。
14.如权利要求12所述的消声器，其特征在于，吸声插入件在管子的输出端与外壳的下游端部之间是连续的。
15.如权利要求1所述的消声器，其特征在于，纤维具有在约5-50旦尼尔范围中的纤度。
16.如权利要求1所述的消声器，其特征在于，纤维包括聚酯。
17.如权利要求16所述的消声器，其特征在于，吸声插入件具有在约8×103-33×103立方毫米范围中的体积和在约0.25-1.0克范围中的质量。
18.一种用于衰减在气动装置的排放口产生的噪声的消声器，该消声器包括一外壳，该外壳构成一上游端部和一下游端部，下游端部是封闭的，其中，外壳的最大外部宽度小于约38毫米；一固定于外壳上游端部的基部，该基部包括一将排放口的气流和声波引导到外壳内的管子；以及一设置在外壳内吸声插入件，该插入件包括构造成能吸收声波的纤维网。
19.如权利要求18所述的消声器，其特征在于，外壳的至少一部分的宽度朝下游端部渐小。
20.如权利要求18所述的消声器，其特征在于，外壳和基部在组装到一排放口时组合构成一延伸长度，该延伸长度小于约38毫米。
21.如权利要求18所述的消声器，其特征在于，外壳包括一侧壁，该侧壁的至少一部分有一在约0.76-2.3毫米范围中的厚度。
22.如权利要求18所述的消声器，其特征在于，外壳包括一从上游端部延伸到下游端部的侧壁，侧壁的至少一部分的直径从朝下游端部渐小，形成一在约30°-50°范围中的夹角。
23.如权利要求18所述的消声器，其特征在于，基部还包括一从管子沿大致径向延伸的入口壁，入口壁形成至少一个允许气流流到外壳外的通道。
24.如权利要求18所述的消声器，其特征在于，管子构成一输入端和一输出端，在最后的组装中，输出端位于外壳的内部。
25.如权利要求24所述的消声器，其特征在于，管子构造成在最后的组装中，输出端在外壳内延伸的高度是外壳高度的约40％-60％。
26.如权利要求24所述的消声器，其特征在于，吸声插入件在管子的输出端与外壳的下游端部之间是连续的。
27.如权利要求18所述的消声器，其特征在于，吸声插入件具有在约8.0×103-33×103立方毫米范围中的体积和在约0.25-1.0克范围中的质量。
28.一种用于衰减在气动装置的排放口产生的噪声的消声器，该消声器包括一外壳，该外壳构成一上游端部和一下游端部，下游端部是封闭的，其中，外壳从在上游端部的小于38毫米的最大外部宽度朝下游端部渐小；一固定于外壳上游端部的基部，该基部包括一将排放口的气流和声波引导到外壳内的管子；以及一设置在外壳内的吸声插入件，该插入件包括构造成能吸收声波的纤维网。
29.如权利要求28所述的消声器，其特征在于，外壳和基部在组装到排放口时组合构成一延伸长度，该延伸长度小于约38毫米。
30.如权利要求28所述的消声器，其特征在于，外壳包括一在上游端部与下游端部之间延伸的侧壁，该侧壁对声波形成一连续的屏障。
31.如权利要求28所述的消声器，其特征在于，基部还包括一从管子沿大致径向延伸的入口壁，其中入口壁还形成至少一个允许气流流到外壳外的通道。
32.如权利要求28所述的消声器，其特征在于，管子包括一输入端和一输出端，该管子构造成在最后的组装中，输出端大约在外壳的上游端部与下游端部之间等距离处。
33.如权利要求28所述的消声器，其特征在于，吸声插入件具有在约8.0×103-33×103立方毫米范围中的体积和在约0.25-1.0克范围中的质量。
34.一种气动阀装置，它包括一形成一排放口的气动阀；以及一流体连通地连接于该排放口的根据权利要求1的消声器。
35.如权利要求34所述的气动阀装置，其特征在于，外壳的最大外部宽度小于38毫米。
36.如权利要求34所述的气动阀装置，其特征在于，外壳和基部在组装到排放口时组合构成一延伸长度，该延伸长度小于约38毫米。
37.如权利要求34所述的气动阀装置，其特征在于，外壳包括一侧壁，该侧壁的至少一部分有一在约0.76-2.3毫米范围中的厚度。
38.如权利要求34所述的气动阀装置，其特征在于，管子构成一输入端和一输出端，在最后的组装中，输出端位于外壳的内部。
39.如权利要求38所述的气动阀装置，其特征在于，管子构造成在最后的组装中，输出端在外壳内延伸的高度是外壳高度的约40％-60％。
40.如权利要求34所述的气动阀装置，其特征在于，纤维是聚酯。
41.一种气动阀装置，它包括一形成一排放口的气动阀；以及一流体连通地连接于该排放口的根据权利要求18的消声器。
42.如权利要求41所述的气动阀装置，其特征在于，外壳的至少一部分的宽度朝下游端部渐小。
43.如权利要求41所述的气动阀装置，其特征在于，外壳和基部在组装到排放口时组合构成一延伸长度，该延伸长度小于约38毫米。
44.如权利要求41所述的气动阀装置，其特征在于，外壳包括一侧壁，该侧壁的至少一部分有一在约0.76-2.3毫米范围中的厚度。
45.如权利要求41所述的气动阀装置，其特征在于，管子构造成在最后的组装中，输出端在外壳内延伸的高度是外壳高度的约40％-60％。
46.如权利要求41所述的气动阀装置，其特征在于，吸声插入件具有在约8.0×103-33×103立方毫米范围中的体积和在约0.25-1.0克范围中的质量。
全文摘要
一种衰减具有有限间距的气动装置产生的噪声的消声器20。消声器20包括一外壳22、一基部24和一吸声插入件100。外壳22构成一上游端部34和一下游端部36,下游端部36是封闭的。此外,外壳从一小于约1.5英寸(38毫米)的最大宽度朝下游端部渐小。基部24固定于外壳的上游端部并包括一将气流和声波引导到外壳内的管子26。最后,吸声插入件100设置在外壳内并包括构造成能吸收声波的纤维网。可将该消声器与具有容纳消声器的有限有效空间的气动阀一起使用,从而使噪声衰减,使背压最小。
文档编号F16K51/00GK1371450SQ99816691
公开日2002年9月25日 申请日期1999年9月20日 优先权日1999年6月2日
发明者G·D·希林, R·E·布莱特, K·F·特雷丁尼克 申请人:3M创新有限公司