JP2004308863A - 防振装置及びそれを用いたスターリング機関 - Google Patents

Abstract

【課題】例えばスターリング機関のような運転に振動を伴う装置に用いる防振装置の長寿命化を図る。
【解決手段】質量体と、質量体支持バネとを備え、振動低減対象となる振動体の振動を低減する防振装置において、前記質量体支持バネに防錆処理を施すことで、質量体支持バネに発生する錆びを防止し、防振装置の長寿命化を図る。
【選択図】 なし

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、振動を発する装置の振動を低減するための防振装置に関するものであり、例えばスターリング機関に応用されるものである。
【０００２】
【従来の技術】
図１は、フリーピストン型スターリング冷凍機の一例の断面図である。スターリング冷凍機は、作動ガスの充填された耐圧容器４内に配置されるシリンダ３Ａ，３Ｂに挿入され同軸上で往復動するピストン１及びディスプレーサ２と、ピストン１を駆動する駆動機構であるリニアモータ１６とを備えている。耐圧容器４の軸方向のコールドヘッド１３と反対側の端部には、装置の防振用の防振装置４２が配置されている。防振装置４２は、主に、質量体支持バネ２３と質量体３７とから構成されており、板バネ２３１のバネ定数と、系の質量から求まる共振周波数が、ピストン１の振動系及びディスプレーサ２の振動系が有する共振周波数と同一になるように設計されたものである。このような構成により、防振装置４２は、ピストン１の運動にともなって振動が発生した場合にその振動を受けて共振し、振動エネルギーを熱エネルギーに変換して、スターリング冷凍機及び防振装置４２の全体から外部に放出される振動エネルギーを低減するもことができる。
【０００３】
防振装置４２に用いる板バネ２３１は図２に示すように形成されるものである。図２（ａ）は、板バネ２３１の一例の平面図であり、図２（ｂ）はその側面断面図である。板バネ２３１は、所定の径及び厚みを有するステンレス鋼製の円板をベースとして、この円板に渦巻状のスリット２３２を４つ円周方向に繰り返すように等間隔に設け、さらにボルト３８を挿通するための貫通穴２３３を円板の中心に設け、またさらに、固定軸４０を挿通するための貫通穴２３４を、スリット２３２の外周側端部の延長上に固定軸の数に対応して設けたものである。このスリット２３２、貫通穴２３３、２３４を配置する加工は例えばレーザ加工により行なう。
【０００４】
上記の加工を行った結果、これらのスリット２３２の間には、円板の中心部から渦巻状に取り残される形で腕部２３５が形成され、その腕部２３５により円板の板面に対して垂直な方向、すなわち軸方向に所定の弾性係数を有するものとなる。
【０００５】
なお、図２に示す形状はあくまでも一例であり、この板バネ２３１のバネ定数の範囲は、円板の径や厚みによってある程度決まり、一つのスリット２３２の形状やその繰り返しの連続数に応じて、その範囲内にある所定値にバネ定数を設定することができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、ステンレス鋼はクロム層による不導体膜を形成しているため、錆びに強く、塩水滴下条件であっても錆びが発生しない材料である。従って、特に防錆処理をせずとも錆びなどは発生せず、経年的な劣化もそれほど考慮しなくてもよいものである。しかしながら、例えばレーザ加工や放電加工のように高温を使用して加工された場合は、その熱により加工断面のクロム層が壊れるため、錆びが発生しやすくなる。
【０００７】
特に、スターリング冷凍機の装置外部に設けられた防振装置４２の板バネ２３１表面は、常に外気に触れているため加工断面のエッジ部に赤錆が発生しやすく、錆びが発生したところが劣化してしまい強度が弱くなる。また、防振装置の板バネは、スターリング冷凍機の運転により装置の振動にともなって軸方向に激しく振動するものであるため、腕部２３５の付け根部２３６には繰り返し大きな応力が作用する。したがって、この付近の加工断面のエッジ部に発生した赤錆の発生にともなって強度低下した箇所が亀裂へと発展し、最終的には破断に至ることになる。このように、板バネ２３１が破断すると、防振効果がなくなるだけでなく、板バネ自信が異音を発生するようになるため、装置の振動及び騒音が増大する結果となる。
【０００８】
本発明は、上記従来の問題に鑑みてなされたものであり、長寿命の防振装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、質量体と、前記質量体を支持する質量体支持バネとを備え、振動低減対象となる振動体の振動を低減する防振装置において、前記質量体支持バネに防錆処理を施したことを特徴とする防振装置をその構成とする。
【００１０】
その防錆処理には防錆塗装が好適である。他の防錆処理としては、加工後に酸によって加工により変質した箇所を除去しクロム層を再生させる方法、加工後に表面を研磨することによって加工により変質した箇所を除去しクロム層を再生させる方法があるが、防錆塗装を施す方が最も確実に錆びを防止できる。なお、防錆塗装としては、アクリル樹脂の電着塗装が好適に用いられる。アクリル樹脂は、耐候性が良いためであり、これにより非常に長時間、板バネに錆びが発生することを防止することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下に、防振装置を用いて防振を行う対象の例として、フリーピストン型スターリング冷凍機の防振を行う場合について説明する。
【００１２】
図１は、フリーピストン型スターリング冷凍機の一例を示す断面図である。このスターリング冷凍機は、耐圧容器４内に配置された諸構成により、スターリングサイクルを動作させコールドヘッド１３を冷却するものである。
【００１３】
各構成について説明すると、耐圧容器４は、主に、背面空間８側に配置されるベッセル４Ｂと、作動空間７側に配置される外筒３Ｃとから形成される。ベッセル４Ｂは、さらに二つの構造体に分割されており、コールドヘッド１３側がベッセル本体４Ｄであり、コールドヘッド１３側とは相対する側（以下、本明細書においては防振装置側と称する。なお、組み立て構造を説明する際において、まだ防振装置４２が組まれていない場合にも、説明の便宜上、完成品の状態を基準として防振装置側の語を使用する。）がベッセルキャップ４Ｃである。
【００１４】
耐圧容器４内には、連通穴１２Ａを備えて接合されたシリンダ３Ａ及びシリンダ３Ｂが配置される。シリンダ３Ａ，３Ｂには、シリンダ３Ａ及び３Ｂの軸と同軸上で往復動可能なピストン１及びディスプレーサ２とが挿入されており、更には、ピストン１を駆動するリニアモータ１６がシリンダ３Ａの外側に備えられている。
【００１５】
耐圧容器４内は大別して２つの空間に仕切られており、その一つは主にベッセル４Ｂとピストン１により囲まれる背面空間８であり、他の一つは主にピストン１、外筒３Ｃ、及びコールドヘッド１３によって囲まれる作動空間７である。そして、作動空間７はディスプレーサ２によってさらに二つの空間に仕切られており、ディスプレーサ２とピストン１の間に存在する空間が圧縮空間９、ディスプレーサ２とコールドヘッド１３の間に存在する空間が膨張空間１０である。
【００１６】
この圧縮空間９と膨張空間１０はシリンダ３Ｂと外筒３Ｃとの間に形成された連通路１２を介して連通しており、連通路１２内には、高温側内部熱交換器２１、再生器１１、低温側内部熱交換器２２が圧縮空間９から膨張空間１０に向かって順に配置されている。
【００１７】
コールドヘッド１３は、銅やアルミニウムなどの高熱伝導性材料を略有底円筒状に形成されたものであり、底部１３Ａがシリンダ３Ｂの開口と対向し、淵部１３Ｂが低温側内部熱交換器２２と対向するよう配置される。また、ウォームヘッド４１は、銅やアルミニウムなどの高熱伝導性材料をリング状に形成したものであり、その内周が高温側内部熱交換器２１の外周と対向して配置される。
【００１８】
ピストン１は、円柱状の構造体であり、その中心軸にロッド２ａを挿通可能な貫通穴１ａが加工され、さらには、圧縮空間９によって圧縮された冷媒をピストン１の外周面とシリンダ３Ａの間の隙間に放出しベアリング効果を持たせるガスベアリング（不図示）が備えられる。
【００１９】
ディスプレーサ２は、円柱状の構造体であり、圧縮空間９によって圧縮された冷媒をディスプレーサ２の外周面とシリンダ３Ｂの間の隙間に放出しベアリング効果を持たせるガスベアリング（不図示）が備えられる。そして、このディスプレーサ２のピストン１配置側の面にはロッド２ａが取付けられ、ロッド２ａはピストン１の貫通穴１ａに挿通される。ロッド２ａのディスプレーサ２側とは相対する側の端部には、ネジ部２ｂが加工されている。
【００２０】
リニアモータ１６は、主に、環状に配置された永久磁石１５と、永久磁石１５を保持するスリーブ１４と、アウターヨーク１７Ａと、インナーヨーク１７Ｂとから構成される。アウターヨーク１７Ａは、略コ字状の平板鉄心を環状に積層固定したものの内部にボビンに巻回したコイル２０を配置したものを、非磁性体で軸方向両側から挟みこんで形成され、インナーヨーク１７Ｂは、平板鉄心を環状に積層固定し形成される。アウターヨーク１７Ａの内周とインナーヨーク１７Ｂの外周との間には隙間１９が形成されており、その隙間１９にはスリーブ１４に保持された永久磁石１５が配置される。
【００２１】
スリーブ１４は有底円筒状をしており、その周縁部１４ｃの先端側の内周に環状の掘り込みが設けられている。そして、その掘り込みに複数辺の円弧状の永久磁石１５が全体として環状になるように配置される。スリーブ１４の底部１４ｂの中心にはロッド２ａが挿通可能な貫通穴が設けられ、その貫通穴の周縁から周縁部１４ｃ形成側とは相対する側に突出し内周面に螺子穴を備えたボス部１４ａが形成される。そして、底部１４ｂの周縁部１４ｃ配置側の面には、ピストン１が、そのピストン１の軸と底部１４ｂの中心が同軸に配置されるように調整され、ボルト等の固定手段を用いて固定される。
【００２２】
アウターヨーク１７Ａの防振装置側の端面には、その端面から防振装置側に向かって、ピストン支持バネ５、及びディスプレーサ支持バネ６を固定するための固定軸２４が３本以上の複数本（例えば４本）立設される。なお、この固定軸２４には、その外周に螺子が形成されていて、ナット２５とボス部１４ａの上面同士が略面一となる高さに、ナット２５が差し込まれている。
【００２３】
ピストン支持バネ５は、図２と同様な形状を有する円板型の２枚の板バネ５１，５１から成り、両板バネ５１，５１の間にスペーサ２６を挟んで重ね、板バネ５１の中心の貫通穴とスペーサ２６の貫通穴に挿通した穴あきボルト２８とスリーブ１４のボス部１４ａとを嵌合することにより、ピストン支持バネ５にピストン１が固定される。板バネ５１の周囲の数箇所にも貫通穴が設けられており、両板バネ５１，５１の間にはスペーサ２７が挟まれ、板バネ５１の周囲の貫通穴とスペーサ２７の貫通穴に固定軸２４が挿通されている。
【００２４】
ディスプレーサ支持バネ６は、図２と同様な形状を有する円板型の２枚の板バネ６１，６１から成り、両板バネ６１，６１の間にスペーサ３０を挟んで重ね、板バネ６１の中心の貫通穴とスペーサ３０の貫通穴に挿通したロッド２ａのネジ部２ｂとナット３２とを嵌合することにより、ディスプレーサ支持バネ６にディスプレーサ２が固定される。板バネ６１の周囲の数箇所にも貫通穴が設けられており、両板バネ６１，６１の間にはスペーサ３１が挟まれ、上記ピストン支持バネ５上に所定の高さを有するスペーサ２９を介して、板バネ６１の周囲の貫通穴とスペーサ２９，３１の貫通穴に固定軸２４が挿通されている。
【００２５】
最終的に、ピストン支持バネ５及びディスプレーサ支持バネ６は、両者の上下から固定軸２４に差し込まれたナット３３，２５を締めることにより、スターリング冷凍機に組み込まれている。このようにしてピストン支持バネ５及びディスプレーサ支持バネ６をスターリング冷凍機に組み込んだ後、リニアモータ１６への電源供給用配線などの必要な結線を済ませ、ベッセル本体４Ｄにベッセルキャップ４Ｃを溶接し固定する。
【００２６】
また、耐圧容器４の軸方向のコールドヘッド１３と反対側の端部には、スターリング冷凍機の防振用の防振装置４２が配置される。防振装置４２は、主に、質量体支持バネ２３と質量体３７とから構成されており、板バネ２３１のバネ定数と、系の質量から求まる共振周波数が、ピストン１の振動系及びディスプレーサ２の振動系が有する共振周波数と同一になるように設計されたものである。このように設計することにより、ピストン１及びディスプレーサ２の運転に基づく振動エネルギーを受けて、防振装置４２が激しく振動することになり、それによって、振動エネルギーを熱エネルギーに変換し、結果的にスターリング冷凍機全体の振動を低減することができる。
【００２７】
質量体支持バネ２３は、従来と同様に図２のような形状の板バネ２３１から成り、ステンレス鋼製の円盤をレーザ加工して図２のような形状とした後、円盤の全体に防錆塗装を施したものである。この防錆塗装は、アクリル樹脂の電着塗装により行なう。アクリル樹脂は優れた耐候性を有することから、防錆には極めて有用な塗装である。
【００２８】
このような防錆塗装を施すことにより、ステンレス鋼の表面は耐候性の高いアクリル樹脂の塗膜によってガードされ、外気と直接触れることがないため、酸化皮膜が生じず、錆びに強くなる。しかもこの塗膜は電着塗装のため、ステンレス鋼表面との親和性が極めて高く、繰り返し応力が作用してもひび割れたり剥がれたりしにくいので、激しい塑性変形を伴う過酷な条件でも防錆効果が持続する。
【００２９】
したがって、ステンレス鋼製の円盤をレーザ加工して、図２のような形状の板バネ２３１とした後、この板バネ２３１全体に上記の防錆塗装を施すことにより、ステンレス鋼の持つ強度特性が改善され、スターリング冷凍機の通常の運転条件で、防振装置４２の寿命が１０倍以上も延びることが確かめられた。
【００３０】
あるいは、防錆塗装に替えて、ステンレス鋼製の円盤をレーザ加工して図２のような形状とした後、円盤全体に酸による後処理を行なってもよいと考えられる。
【００３１】
このように酸で後処理することにより、レーザ加工による熱で変質した部分が洗い流され、クロム層による不導体膜が自己再生機能により再生されるため、再び錆びの生じにくい板バネ２３１を得ることができる。
【００３２】
それ以外にも、ステンレス鋼製の円盤をレーザ加工して図２のような形状とした後、円盤全体に表面研磨を行なってもよいと考えられる。
【００３３】
このように表面研磨することにより、レーザ加工による熱で変質した部分が除去され、クロム層による不導体膜が自己再生機能により再生されるため、再び錆びの生じにくい板バネ２３１を得ることができる。
【００３４】
次に、このような板バネ２３１を組み合わせて成る質量体支持バネ２３をスターリング冷凍機へ組み込む手順を説明する。質量体支持バネ２３の組み込みは、ベッセルキャップ４Ｃに取付枠３４を配置し、その取付枠３４に設けられた複数本（好ましくは３本以上、図２に示した板バネ２３１を用いる場合は４本）の固定軸４０に、防振装置４２を取付けることによって行う。なお、この固定軸４０には外周に螺子が配置されたものを用いる。
【００３５】
図３は、防振装置４２をスターリング冷凍機への取り付けするときの工程を示す一部分解断面図であり、組み立ての一例について図３を使用して説明すると、固定軸４０にナット３６をスペーサとして装着し、その後、予め中心部に設けられた穴にボルト３８が挿通された板バネ２３１を固定軸４０に装着する。このとき、ボルト３８の螺子側端部は取付枠３４とは反対側を向くようにしておく。そして、さらにナット或いはワッシャなどのスペーサ３９，４１を固定軸４０、及びボルト３８の螺子部に装着する。このとき、固定軸４０に装着するスペーサ３９とボルト３８に装着するスペーサ４１は同じ厚さのものを用いる。
【００３６】
その後、２枚目の板バネ２３１を取付枠３４とは反対側から、その中心部に設けられた穴にボルト３８が挿入されるように、また、その周縁部に配置された穴に固定軸４０に挿入されるようにして装着する。その後、ナット３５を固定軸４０にねじ込み、板バネ２３１を固定し、さらに、質量体３７をボルト３８の螺子側端部にねじ込んで固定する。これにより、防振装置４２の取り付けが完了する。
【００３７】
以上のような構成のスターリング冷凍機は、その圧力容器内に冷媒が封入される。この冷媒は水素、ヘリウム、窒素などが使用でき数十気圧といった高圧に封入する。
【００３８】
そして、リニアモータ１６に交番電圧を加えると、リニアモータ１６は往復動し、それに伴ってピストン１も往復動を行う。そして、ディスプレーサ２は、ピストン１の動作に対して４分の１周期程度位相が遅れた状態で往復動を行い、作動空間７内でスターリングサイクルを形成する。その結果、高温側内部熱交換器２１は高温に加熱され、低温側熱交換器２２は低温に冷却されることになる。
【００３９】
高温側内部熱交換器２１の熱はウォームヘッド４１に伝達されて外部に放出され、低温側内部熱交換器２２にはコールドヘッド１３を介して外部から熱が供給されるようになる。つまり、コールドヘッド１３は外部から見れば非常に低温な状態となり、この低温を利用することによりさまざまな対象物を冷却することが可能となる。
【００４０】
以上、本実施形態ではスターリング冷凍機についての適用例を記載したが、これに限られず、質量体と、前記質量体を支持する質量体支持バネとを備え、振動低減対象となる振動体の振動周波数と同一の共振周波数を備えるように調整された防振装置すべてに適用可能である。
【００４１】
また、フリーピストン型のスターリング冷凍機を例として説明したが、この型のものに限られるものではなく、他の型のスターリング冷凍機にも適用可能である。さらに、一般に、スターリング冷凍機はサイクルを逆転させて運転でき、その場合は発電機や動力発生機として動作可能であるが、これらの機器にも適用することができる。
【００４２】
なお、本明細書にいうスターリング機関とは、スターリング冷凍機、発電機、動力発生機などスターリングサイクルを使用する装置全般を意味する語として用いている。
【００４３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明では、質量体と、前記質量体を支持する質量体支持バネとを備え、振動低減対象となる振動体の振動を低減する防振装置において、前記質量体支持バネに防錆処理を施すことにより、防振装置を長寿命化することが可能である。
【００４４】
また、これを用いたスターリング機関は、長時間にわたって防振装置が壊れることなく運転することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る防振装置を装着したフリーピストン型スターリング冷凍機の一例の断面図である。
【図２】（ａ）は、防振装置に用いられる板バネの一例の平面図であり、（ｂ）はその側面断面図である。
【図３】防振装置のスターリング冷凍機への取付工程を示す一部分解断面図である。
【符号の説明】
１ ピストン
２ ディスプレーサ
３Ａ，３Ｂ シリンダ
４ 耐圧容器
５ ピストン支持バネ
６ ディスプレーサ支持バネ
８ 背面空間
９ 圧縮空間
１０ 膨張空間
１１ 再生器
１３ コールドヘッド
１４ スリーブ
１６ リニアモータ
２０ 電磁コイル
２３ 質量体支持バネ
２４，４０ 固定軸
２５，３２，３３，３６ ナット
２６，２７，２９，３０，３１，３９，４１ スペーサ
２８ 穴あきボルト
３７ 質量体
３８ ボルト
４２ 防振装置
５１，６１，２３１ 板バネ

Claims (4)

1. 質量体と、前記質量体を支持する質量体支持バネとを備え、振動低減対象となる振動体の振動を低減する防振装置において、前記質量体支持バネに防錆処理を施したことを特徴とする防振装置。
2. 前記防錆処理は、防錆塗装により行うことを特徴とする請求項１に記載の防振装置。
3. 前記防錆塗装は、アクリル樹脂の電着塗装によって行なうことを特徴とする請求項２に記載の防振装置。
4. シリンダに挿入され同軸上で往復動するピストン及びディスプレーサと、前記ピストンを駆動する駆動機構とを備え、前記ピストンの往復動によりスターリングサイクルを形成するスターリング機関に、前記請求項１〜３のいずれかに記載の防振装置を装着したことを特徴とするスターリング機関。

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