JP2004309080A

JP2004309080A - 共振周波数調整方法及びスターリング機関

Info

Publication number: JP2004309080A
Application number: JP2003106178A
Authority: JP
Inventors: Shozo Tanaka; 章三田中
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2003-04-10
Filing date: 2003-04-10
Publication date: 2004-11-04
Also published as: EP1617156A1; KR20050111635A; EP1617156A4; WO2004090441A1; CN1771416A; KR100689169B1; US20060254270A1; BRPI0409238A

Abstract

【課題】簡便な手法と安価な部品を用いて振動系の共振周波数を目標値に調整する。
【解決手段】２枚の板バネ６１，６１の中心部と円周部にスペーサ３０，３１を挟んで、板バネ６１の周囲の貫通穴６４とスペーサ３１に固定台７０上に垂直に立てられた固定軸６７に挿通して上下からナット６８，６８で締める（ステップ＃１）。これにより、ディスプレーサ支持バネ６を固定台７０へ固定する。そして、板バネ６１の中心の貫通穴６３とスペーサ３０に、上の板バネ６１の上面側からロッド２ａのネジ部２ｂを挿通し、下の板バネ６１の下面から突き出したネジ部２ｂにナット３２を取り付けて、上の板バネ６１の上面側にディスプレーサ２を固定する（ステップ＃２）。この状態で、ディスプレーサ支持バネ６に微小な振動を加える（ステップ＃３）。そして、共振周波数を検出し（ステップ＃４）、この結果に基づき、ディスプレーサ支持バネ６のバネ定数（２枚の板バネ６１，６１の合成バネ定数）を算出した上で、目標共振周波数に達する付加重量ΔＷｄを算定する（ステップ＃５）。
【選択図】図６

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、板バネに弾性支持された可動体の振動系の共振周波数調整方法に関し、また、その方法によって共振周波数を調整したスターリング機関に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、逆スターリングサイクルを利用するスターリング機関では、リニアモータ等の駆動機構を使用してピストンに振動を与えることにより、板バネに支持されたディスプレーサを共振させている。（例えば、特許文献１及び特許文献２参照。）。板バネがあるバネ定数を持つとき、リニアモータの振動周期とほぼ一致する共振周波数で振動する一つの振動系が築かれ、板バネが関与しながらディスプレーサが往復動を行うことになる。
【０００３】
【特許文献１】
特開平５−２８８４１９号公報（第３−５頁、第１−２図）
【特許文献２】
特開平１０−３２５６２９号公報（第５−６頁、第１−２図）
【０００４】
一般に、バネ定数ｋのバネに弾性支持された質量ｍの可動体が共振するとき、その振動系の共振周波数ｆは、
ｆ＝（１／２π）√（ｋ／ｍ）・・・（１）
となる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ディスプレーサ製造の加工精度は厳密には一定ではないため、製造されたディスプレーサ重量には個体差が生じ、たとえ０．１ｇ程度のわずかな誤差でも、共振周波数の狂いを生じてしまう。
【０００６】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、簡便な手法と安価な部品を用いてディスプレーサの重量の個体差を補正して、共振周波数を目標値に調整できる方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【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の共振周波数調整方法は、板バネに可動体を固定してなる振動系の共振周波数調整方法であって、あらかじめ目標共振周波数に達する付加重量を算定し、この算定付加重量に相当する重量を前記振動系に付加することを特徴とする。
【０００８】
これによると、振動系全体で見ると、可動体自体の重量に算定付加重量が加算された重量で可動体が往復動することになる。
【０００９】
そして、前記付加重量の算定作業が、板バネに前記可動体または前記可動体の重さに相当する重りを固定する工程と、その板バネに微小な振動を加える工程と、その振動の共振周波数を検出する工程と、その検出結果に基づき目標共振周波数に達する付加重量を算定する工程とからなっている。
【００１０】
このような共振周波数調整方法は、シリンダと、このシリンダの軸方向に往復動するピストン及びディスプレーサと、該ディスプレーサを弾性支持するディスプレーサ支持バネと、このディスプレーサ支持バネの中心部に前記ディスプレーサを固定するボルトと、を有するスターリング機関に応用が可能であり、目標共振周波数に達する算定付加重量に相当する重量のワッシャとともに前記ディスプレーサを前記ディスプレーサ支持バネに固定することにより、ディスプレーサ振動系の共振周波数を目標値に調整することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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、後述するピストン支持バネ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たものを用いている。
【００２２】
ピストン支持バネ５は図２に示すように形成されるものである。図２（ａ）は、ピストン支持バネ５を構成する板バネ５１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５１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５２を４つ円周方向に繰り返すように等間隔に設け、さらにロッド２ａ及び穴あきボルト２８を挿通するための貫通穴５３を円板の中心に設け、またさらに、固定軸２４を挿通するための貫通穴５４を、スリット５２の外周側端部の延長上に固定軸２４の数に対応して設けたものである。この円板を平板から切り取る加工、スリット５２、貫通穴５３、５４を配置する加工は、例えばレーザ加工により行なう。
【００２３】
上記の加工を行った結果、これらのスリット５２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５５が形成され、その腕部５５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。
【００２４】
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５１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５２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。
【００２５】
ディスプレーサ支持バネ６は図３のように形成されるものである。ディスプレーサ支持バネ６は、その形状は略ピストン支持バネ５と同様であるため重複して説明しないが、中心に設ける貫通穴の大きさが異なる。すなわち、ディスプレーサ支持バネ６の中心部の貫通穴６３は、ロッド２ａのネジ部２ｂのみを挿通し穴あきボルト２８を挿通しなくて良いため、ピストン支持バネ５の貫通穴５３よりも小さく形成される。
【００２６】
ディスプレーサ２とディスプレーサ支持バネ６は振動系を構成しており、その共振周波数は、上記式（１）から定まる。しかし、ディスプレーサ２の製造工程の加工精度上、その重量に個体差が生じるのは避けられず、定格重量のものが得られないことはしばしばである。また、板バネの加工精度にもばらつきはあり、量産で厳密に一定のバネ定数を実現することは不可能である。しかも、これらの個体差は自然発生的であり、式（１）中の分数として一定値を与えるディスプレーサ２と板バネ６１の組み合わせを探し出すため、余剰な在庫を抱えなければならない問題があった。
【００２７】
そこで、このようなディスプレーサ２の重量と板バネ６１のバネ定数に生じる個体差を吸収するべく、スターリング冷凍機に組み込む前に以下のようにして振動系の共振周波数の調整を行う。
【００２８】
図５は、ディスプレーサの振動系の共振周波数の調整作業を説明するための模式的な側断面図であり、図６はその作業工程のフローチャートである。まず、２枚の板バネ６１，６１の中心部と円周部にスペーサ３０，３１を挟んで、板バネ６１の周囲の貫通穴６４とスペーサ３１に固定台７０上に垂直に立てられた固定軸６７に挿通して上下からナット６８，６８で締める（ステップ＃１）。これにより、ディスプレーサ支持バネ６を固定台７０へ固定する。
【００２９】
そして、板バネ６１の中心の貫通穴６３とスペーサ３０に、上の板バネ６１の上面側からロッド２ａのネジ部２ｂを挿通し、下の板バネ６１の下面から突き出したネジ部２ｂにナット３２を取り付けて、上の板バネ６１の上面側にディスプレーサ２を固定する（ステップ＃２）。この状態で、ディスプレーサ支持バネ６に微小な振動を加える（ステップ＃３）。
【００３０】
そして、共振周波数を検出し（ステップ＃４）、この結果に基づき、ディスプレーサ支持バネ６のバネ定数（２枚の板バネ６１，６１の合成バネ定数）を算出した上で、目標共振周波数に達する付加重量ΔＷｄを算定する（ステップ＃５）。
【００３１】
同じくピストン１の振動系についても、同様に共振周波数の調整作業を行い、目標共振周波数に達する付加重量ΔＷｐを算定する。
【００３２】
ピストン支持バネ５及びディスプレーサ支持バネ６を装着するときの様子について、図４を使用して説明する。図４は、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る。
【００３３】
まず、固定軸２４に、ピストン支持バネ５がアウターヨーク１７Ａの防振装置側端面に接触しないようにするスペーサとしての役割を果たすナット２５を取付ける。そして、ピストン支持バネ５となる２枚の板バネ５１のうちの一枚が備える貫通穴５４を固定軸２４に挿通するとともに、貫通穴５３をロッド２ａの防振装置側端から通しボス部１４ａの防振装置側端面に配置する。その後、穴あきボルト２８の外周より大きい貫通穴を有する約１ｍｍ程度の厚みのスペーサ２６（例えばワッシャ）を、ロッド２ａの防振装置側端から通してロッド２ａと同軸に配置する。さらには、固定軸２４の外周よりも大きい貫通穴を有し、かつスペーサ２６と同一の厚みのスペーサ２７（例えばワッシャ）を固定軸２４に挿通する。
【００３４】
その後、２枚目の板バネ５１を、スペーサ２７の防振装置側に、１枚目の板バネ５１と同軸かつ同様に配置する。そして、上記振動系の共振周波数の調整作業によって算定した付加重量ΔＷｐに相当するワッシャ６５をロッド２ａの防振装置側端から通し、ロッド２ａと同軸に配置する。その後、穴あきボルト２８をロッド２ａの防振装置側端から通し、この穴あきボルト２８と板バネ５１の間にワッシャ６５が配置されるようにして、ネジきりされた部分をスリーブ１４の中心のボス部１４ａにねじ込むことにより、ピストン支持バネ５を固定する。
【００３５】
このように、ワッシャ６５をはさんで組み込んだピストン１の振動系では、可動体（ピストン１、スリーブ１４、穴あきボルト２８、スペーサ２６，２７など）の固定部にワッシャ６５の重量が付加され、可動体全体としてピストン１の重量に算定付加重量ΔＷｐが加算された重量を持つことになる。したがって、簡便な手法と安価な部品を用いて共振周波数が目標共振周波数に調整されたピストン１の振動系を容易に得ることができる。また、上記の例によれば、穴あきボルト２８によって、可動体であるピストン１と付加重量が同軸上に固定されるため、周方向のバランスが悪くならない。さらには、ロッド２ａを貫通した状態で付加重量が固定されているため、ピストン１が激しく振動しても付加重量が外れるようなこともない。
【００３６】
なお、ワッシャ６５をはさまないで、算定付加重量ΔＷｐを加算した重量を持つ穴あきボルト２８を使用してピストン支持バネ５を固定しても同じである。
【００３７】
次に、防振装置４２の配置側に装着された２枚目の板バネ５１の防振装置側の面に接するようにして、固定軸２４に所定の高さを備えたスペーサ２９をそれぞれ取り付ける。このスペーサ２９はピストン１の振幅を考慮してその高さが決定されており、そのためピストン支持バネ５とディスプレーサ支持バネ６とが接触しないよう設計される。
【００３８】
そして、スペーサ２９に続いて、ディスプレーサ支持バネ６を装着する。すなわち、ディスプレーサ支持バネ６となる２枚の板バネ６１のうちの一枚が備える貫通穴６４に固定軸２４を挿通するとともに、ロッド２ａのネジ部２ｂを貫通穴６３に挿通する。このとき、ディスプレーサ支持バネ６のコールドヘッド１３側の端部がロッド２ａとネジ部２ｂとの間の段部に当接する。そして、ネジ部２ｂの外周より大きい貫通穴を有する約１ｍｍ程度の厚みのスペーサ３０（例えばワッシャ）を、ネジ部２ｂに挿通し、さらには、固定軸２４の外周よりも大きい貫通穴を有し、かつスペーサ３０と同一の厚みのスペーサ３１（例えばワッシャ）を固定軸２４に挿通する。
【００３９】
その後、２枚目の板バネ６１を、１枚目の板バネ６１と同様に、ネジ部２ｂ及び固定軸２４に装着する。そして、ナット３２と上記振動系の共振周波数の調整作業によって算定した付加重量ΔＷｄに相当するワッシャ６６をネジ部２ｂに取付け、更には、固定軸２４にナット３３を取付けることにより、ディスプレーサ支持バネ６を固定する。このとき、ピストン支持バネ５のバネ定数は、２枚の板バネ５１，５１の合成バネ定数となる。同様に、ディスプレーサ支持バネ６のバネ定数は、２枚の板バネ６１，６１の合成バネ定数となる。
【００４０】
このように、ワッシャ６６をはさんで組み込んだディスプレーサ２の振動系では、可動体（ディスプレーサ２、ロッド２ａ、ナット３２、スペーサ３０，３１など）の固定部にワッシャ６６の重量が付加され、可動体全体としてディスプレーサ２の重量に算定付加重量ΔＷｄが加算された重量となる。したがって、簡便な手法と安価な部品を用いて共振周波数が目標共振周波数に調整されたディスプレーサ２の振動系を容易に得ることができる。また、上記の例によれば、ネジ部２ｂによって、可動体であるディスプレーサ２と付加重量が同軸上に固定されるため、周方向のバランスが悪くならない。さらには、ネジ部２ｂを貫通した状態で付加重量が固定されているため、ディスプレーサ２が激しく振動しても付加重量が外れるようなこともない。
【００４１】
なお、ワッシャ６６をはさまないで、算定付加重量ΔＷｄを加算した重量を持つナット３２を使用してディスプレーサ支持バネ６を固定しても同じである。
【００４２】
また、図１に示すように、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。そのため、この防振装置４２の板バネ２３１にも本発明の共振周波数の調整方法が適用可能である。
【００４３】
【発明の効果】
本発明によると、可動体の振動系の共振周波数の調整作業にてあらかじめ目標共振周波数を得るための付加重量を算定し、その算定付加重量の相当する重量のワッシャとともに可動体を板バネに固定するようにした。したがって、振動系全体で見ると、可動体自体の重量に算定付加重量が加算された重量で可動体が往復動することになり、簡便な手法と安価な部品を用いて共振周波数が目標共振周波数に調整された振動系を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る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、ピストン支持バネを構成す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】（ａ）は、ディスプレーサ支持バネを構成す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４】ディスプレーサ支持バネ及びディスプレーサ支持バネのスターリング冷凍機への組み込み工程を示す一部分解断面図である。
【図５】ディスプレーサ振動系の共振周波数の調整作業を説明するための模式的な側断面図である。
【図６】その作業工程のフローチャートである。
【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
６５，６６ワッシャ

Claims

板バネに可動体を固定してなる振動系の共振周波数調整方法であって、あらかじめ目標共振周波数に達する付加重量を算定し、この算定付加重量に相当する重量を前記振動系に付加することを特徴とする共振周波数調整方法。
前記付加重量の算定作業が、板バネに前記可動体または前記可動体の重さに相当する重りを固定する工程と、その板バネに微小な振動を加える工程と、その振動の共振周波数を検出する工程と、その検出結果に基づき目標共振周波数に達する付加重量を算定する工程とからなることを特徴とする請求項１に記載の共振周波数調整方法。
シリンダと、このシリンダの軸方向に往復動するピストン及びディスプレーサと、該ディスプレーサを弾性支持するディスプレーサ支持バネと、このディスプレーサ支持バネの中心部に前記ディスプレーサを固定するボルトと、を有するスターリング機関であって、目標共振周波数に達する算定付加重量に相当する重量のワッシャとともに前記ディスプレーサを前記ディスプレーサ支持バネに固定してなることを特徴とするスターリング機関。