JP2006300263A - 振動抑制装置およびこれを備えたスターリング機関 - Google Patents

Abstract

【課題】 部品点数を削減することが可能でかつ組付け作業が非常に容易に行なえる振動抑制装置を提供する。
【解決手段】 振動抑制装置１Ａは、バランスマス４０とフラットスプリング３０とを備える。フラットスプリング３０は、その中心部が反復運動装置の振動方向の一方端に接続されるとともにその周縁部がバランスマス４０に接続されている。バランスマス４０は、フラットスプリング３０の間の距離を維持するスペーサとしての機能をもあわせ備えている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、たとえばスターリング機関等に代表される、動作時において主に一方向に振動が生じる反復運動装置の振動抑制装置に関し、また、この振動抑制装置を備えたスターリング機関に関する。

反復運動部材であるピストンがシリンダ内を往復動するように構成されたガス圧縮機等に代表される反復運動装置においては、反復運動部材の反復運動により、反復運動装置自体に反復運動部材の往復動方向と同一の方向に大きな振動が生じる。この反復運動装置の振動は騒音の原因となるばかりでなく、製品自体の信頼性の低下にもつながるため可能な限り抑制することが望ましい。

以下においては、反復運動装置として、スターリング機関の応用例であるスターリング冷凍機を例示して説明を行なう。

図７は、一般的なスターリング冷凍機の模式断面図である。図７に示すスターリング冷凍機１００は、一般にフリーピストン型スターリング冷凍機と呼ばれ、筐体１１０の内部に作動ガスとしてのヘリウムガスや窒素ガスが充填されたシリンダ１０１を含み、その内部に２つのピストンを備えている。一方のピストンは、パワーピストン１０２と呼ばれ、駆動源であるリニアモータ１０９によって駆動される反復運動部材である。他方のピストンは、ディスプレーサ１０３と呼ばれ、パワーピストン１０２がシリンダ１０１内を往復動することによって生じる作動ガスの圧変動を受けてシリンダ１０１内を往復動する反復運動部材である。

シリンダ１０１内におけるディスプレーサ１０３の往復動方向の両端部外側には、圧縮空間１０４と膨張空間１０５とが設けられている。圧縮空間１０４は、パワーピストン１０２およびディスプレーサ１０３によって区画形成され、放熱器１０６によって取り囲まれている。この放熱器１０６は、圧縮空間１０４に生じる圧縮熱を除去するためのものである。膨張空間１０５は、ディスプレーサ１０３とシリンダ１０１の閉塞端とによって区画形成され、吸熱器１０７によって取り囲まれている。この吸熱器１０７は、膨張空間１０５に生じる冷熱を取り出すためのものである。これら圧縮空間１０４および膨張空間１０５は、シリンダ１０１の外側に設けられた作動ガスの流路上に配置された再生器１０８を通じて連通している。

リニアモータ１０９によってパワーピストン１０２を駆動すると、パワーピストン１０２が圧縮空間１０４側に移動して圧縮空間１０４内の作動ガスを圧縮する。圧縮された作動ガスは、再生器１０８を通って膨張空間１０５に移動する。膨張空間１０５に流入した作動ガスは、ディスプレーサ１０３が圧縮空間１０４側に移動することに伴って膨張し、この圧力低下にしたがって膨張空間１０５内の作動ガス温度も低下する。この動作を繰り返すことにより、吸熱器１０７に極低温が発生する。

このようなスターリング冷凍機においては、パワーピストンとディスプレーサとが所定の位相差をもって反復運動するため、スターリング冷凍機自体に大きな振動が発生する。この振動を低減させるためには、反復運動に伴って生じる慣性力や圧変動に伴って生じる力を打ち消すことが必要であり、重錘体や弾性体等を組合わせて構成した振動抑制装置を利用することが必要になる。このような振動抑制装置が開示された文献として、たとえば特開２００４−２９７８５８号公報（特許文献１）や特開２００４−３０８８６３号公報（特許文献２）、特開２００４−３０９０８０号公報（特許文献３）等がある。

図８は、従来の振動抑制装置の一構成例を示す模式断面図であり、図９は、図８に示す従来の振動抑制装置の組付構造を示す分解斜視図である。なお、これら図８および図９に示す振動抑制装置は、上記特許文献２および３に開示されたものと実質的に同一のものである。

図８および図９に示すように、従来の振動抑制装置１Ｃは、重錘体としてのバランスマス６０と、弾性体としての複数のフラットスプリング３０とを備えている。互いに離間するように積層配置された複数のフラットスプリング３０は、スターリング冷凍機１００の筐体１１０の後方端に取付けられた取付枠１２０に、ボルト１３によってその周縁部が固定されている。バランスマス６０は、フラットスプリング３０の中心部に取付けられたボルト１１によってフラットスプリング３０に固定されている。

フラットスプリング３０と取付枠１２０との間および積層されたフラットスプリング３０同士の間には、スペーサ２１，２２が介挿されている。より具体的には、取付枠１２０の周縁部には、ボルト１３に螺合する取付穴１２２が設けられており、フラットスプリング３０の各々の周縁部には、ボルト１３が挿通配置される取付穴３６が設けられている。一方、バランスマス６０の下面には、ボルト１１に螺合する取付穴が設けられており、フラットスプリング３０の各々の中心部には、ボルト１１が挿通配置される取付穴３７が設けられている。そして、これら取付穴に取付けられるボルト１１，１３には、円筒状のスペーサ２１，２２が、フラットスプリング３０と取付枠１２０との間または積層されたフラットスプリング３０同士の間において外挿されている。

以上により、フラットスプリング３０と取付枠１２０との間の距離および積層配置されるフラットスプリング３０同士の間の距離がスペーサ２１，２２によって確保されることになり、スターリング冷凍機１００の動作時においてフラットスプリング３０の弾性力発現部である腕部３３（図２参照）が自由に弾性変形することとなる。したがって、積層配置されたフラットスプリング３０同士が互いに接触することがなく、バランスマス６０がスターリング冷凍機１００に生じる振動を打ち消すように自由に振動するようになり、その結果、効果的にスターリング冷凍機１００の振動が抑制されるようになる。
特開２００４−２９７８５８号公報 特開２００４−３０８８６３号公報 特開２００４−３０９０８０号公報

しかしながら、上述の如くの構成の振動抑制装置１Ｃにおいては、非常に多くのスペーサ２１，２２が必要となり、部品コストが高くつくばかりでなく、これら部品の組付け作業が煩雑化し、組付けコストが増大するという問題を有している。積層配置されるフラットスプリング３０同士の間の距離を安定的に確保するためには、フラットスプリング３０の周方向の少なくとも３箇所以上においてスペーサ２２が取付けられることが必要であり、そのため図示する従来の振動抑制装置１Ｃにあっては、円板状のフラットスプリング３０の周方向の４箇所においてスペーサ２２を取付ける構成としている。したがって、図示する如く３枚のフラットスプリングを積層配置する構成とした場合には、スペーサ２１，２２が合計１４個必要になり、非常に多くのスペーサが必要になることとなる。

したがって、本発明は、上述の問題点を解決すべくなされたものであり、部品点数を削減することが可能でかつ組付け作業が非常に容易に行なえる振動抑制装置およびそれを備えたスターリング機関を提供することを目的とする。

本発明に基づく振動抑制装置は、重錘体と弾性体とを備え、反復運動部材を含む反復運動装置に接続されることにより、上記反復運動部材が反復運動を行なうことによって生じる上記反復運動装置の振動を抑制するものである。上記弾性体は、互いに離間して積層配置された複数のフラットスプリングからなり、上記複数のフラットスプリングは、その中心部が上記反復運動装置の上記振動方向の一方端に接続されるとともにその周縁部が上記重錘体に接続されている。上記重錘体は、上記複数のフラットスプリングの間の距離を維持するスペーサとしての機能を有している。

このように、反復運動装置に対する弾性体の接続箇所をフラットスプリングの中心部に、また弾性体に対する重錘体の接続箇所をフラットスプリングの周縁部に配置することにより、積層配置されるフラットスプリングを互いに離間するスペーサと重錘体とを一体化することが可能になるため、部品点数の大幅な削減が可能になる。したがって、部品点数の減少に伴う部品コストの削減と組付け作業の容易化とが図られるようになり、振動抑制装置の機能を維持しつつ製造コストを大幅に削減することが可能になる。

上記本発明に基づく振動抑制装置にあっては、上記重錘体が上記複数のフラットスプリングの周方向において分割された複数の円弧状の錘部材にて構成されていることが好ましい。その場合には、上記複数の円弧状の錘部材の各々がその内周面側に上記フラットスプリングの上記周縁部を受入れ可能に設けられた複数の凹部を有していることが好ましく、上記複数の円弧状の錘部材に設けられた上記複数の凹部に上記複数のフラットスプリングの上記周縁部がそれぞれ差し込まれた状態で、上記複数のフラットスプリングが上記複数の円弧状の錘部材によって挟持されるように組付けられていることが好ましい。

このように構成することにより、円弧状に分割された複数の錘部材によって積層配置されたフラットスプリングを径方向外側から挟み込むことが可能になるため、フラットスプリング同士の間の距離が安定して維持できるとともに、組付け作業が飛躍的に簡素化される。

上記本発明に基づく振動抑制装置にあっては、上記重錘体が上記複数のフラットスプリングの積層方向において分割された複数の円環状の錘部材にて構成されていることが好ましい。その場合には、上記複数の円環状の錘部材と上記複数のフラットスプリングとが交互に積層配置されていることが好ましい。

このように構成することにより、積層方向に分割された円環状の錘部材とフラットスプリングとを交互に配置する簡素な構成にて、積層配置されるフラットスプリング同士の間の距離を安定して維持できるようになるため、組付け作業が飛躍的に簡素化される。

本発明に基づくスターリング機関は、上述のいずれかの振動抑制装置を備えたものである。

このように構成することにより、振動の発生が大幅に抑制されたスターリング機関とすることが可能になるため、騒音の発生が著しく低減されるとともに、劣化・故障等の生じ難い高信頼性のスターリング機関とすることができる。

本発明によれば、振動抑制装置を構成する部品の点数を大幅に削減することができ、またその組付け作業が非常に容易化するため、振動抑制装置およびそれを備えたスターリング機関を安価に提供することが可能になる。

以下、本発明の実施の形態について、図を参照して詳細に説明する。なお、以下に示す実施の形態においては、反復振動装置として、スターリング機関の応用例であるスターリング冷凍機を例示して説明を行なう。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における振動抑制装置を備えたスターリング冷凍機の模式部分断面図である。また、図２は、図１に示す振動抑制装置の組付構造を示す分解斜視図であり、図２（Ａ）は、フラットスプリングに対するバランスマスの組付構造を、図２（Ｂ）は、バランスマスが取付けられたフラットスプリングのスターリング冷凍機に対する組付構造をそれぞれ示している。また、図３は、図１および図２に示すフラットスプリングの平面図である。また、図４は、図１および図２に示すバランスマスの周方向端部の拡大斜視図である。なお、スターリング冷凍機の構成は、上述の従来例におけるスターリング冷凍機と同様の構成であるため、同一の部分については図中同一の符号を付し、その説明はここでは繰り返さない。

図１および図２に示すように、本実施の形態における振動抑制装置１Ａは、反復運動部材としてのパワーピストン１０２およびディスプレーサ１０３がシリンダ１０１内に同軸上に嵌挿されたスターリング冷凍機１００（内部構造については図７参照）の筐体１１０の後方端に取付けられた取付枠１２０に接続されている。この筐体１１０の後方端は、吸熱器１０７（図７参照）と反対側に位置しており、パワーピストン１０２およびディスプレーサ１０３の往復動方向と同一方向におけるスターリング冷凍機１００の一方端に相当する。

図１および図２に示すように、振動抑制装置１Ａは、重錘体を構成する錘部材としてのバランスマス４０と、弾性体としての複数のフラットスプリング３０とを備えている。互いに離間するように積層配置された複数のフラットスプリング３０は、スターリング冷凍機１００の筐体１１０の後方端に取付けられた取付枠１２０に、ボルト１１およびナット１２によってその中心部が固定されている。バランスマス４０は、フラットスプリング３０の周縁部に取付けられたボルト１３およびナット１４によってフラットスプリング３０に固定されている。

図３に示すように、本実施の形態における振動抑制装置１Ａに組み込まれるフラットスプリング３０は、平面視円形の金属板の所定位置を切り抜くことによって形成されたフラットスプリングであり、取付枠１２０に固定される中心部３１と、バランスマス４０が取付けられる周縁部３２と、これら中心部３１と周縁部３２とを連結する腕部３３を有している。フラットスプリング３０の中心部３１には、ボルト１１が挿通配置される取付穴３７が設けられており、フラットスプリング３０の周縁部３２には、ボルト１３が挿通配置される取付穴３６が設けられている。なお、腕部３３は、中心部３１から周縁部３２に向かって放射状に複数本にわたって延びており、紙面と交差する方向において弾性力を発揮する部位である。

図２に示すように、バランスマス４０は、フラットスプリング３０の周方向において２分割されており、個々のバランスマス４０は、半円環状の形状を有している。図４に示すように、個々のバランスマス４０の内周面には、組付け後においてフラットスプリング３０の周縁部３２を受入れ可能な段状に設けられた複数の凹部４４が位置している。この凹部４４は、積層配置されるフラットスプリング３０の数に対応した数だけ設けられている。また、バランスマス４０の内周面には、段状に凹部４４が形成されることによって設けられた、隣り合う凹部４４間に位置するスペーサ部４３と、軸心方向両端に位置する凹部４４の外側に位置する一対の突出部４２とを有している。ここで、スペーサ部４３は、組付け後において積層配置されるフラットスプリング３０同士の間の距離を維持するための部位であり、突出部４２は、組付け後においてボルト１３のヘッド部分およびナット１４によって挟持される部分である。スペーサ部４３および突出部４２には、ボルト１３が挿通配置される取付穴４６が設けられている。なお、バランスマス４０の外周部には、重錘体としての機能を発揮する錘部４１が設けられている。

図２（Ａ）に示すように、フラットスプリング３０は、その周縁部３２が上述のバランスマス４０に設けられた凹部４４に差し込まれることにより、互いに離間して積層配置されるとともに、円弧状に２分割された複数のバランスマス４０によって径方向外側から挟持される。そして、図２（Ｂ）に示すように、バランスマス４０のスペーサ部４３および突出部４２に設けられた取付穴４６およびフラットスプリング３０の周縁部３２に設けられた取付穴３６にボルト１３が挿通配置され、このボルト１３にナット１４が螺合されることにより、バランスマス４０とフラットスプリング３０との固定が行なわれる。

また、図２（Ｂ）に示すように、フラットスプリング３０の中心部３１に設けられた取付穴３７および取付枠１２０に設けられた取付穴１２１には、ボルト１１が挿通配置され、このボルト１１にナット１２が螺合されることにより、フラットスプリング３０と取付枠１２０との固定が行なわれる。なお、この際、フラットスプリング３０と取付枠１２０との間および積層されたフラットスプリング３０同士の間には、スペーサ２１が介挿される。より詳細には、ボルト１１に円筒状のスペーサ２１が外挿されることにより、中心部３１において、フラットスプリング３０と取付枠１２０との間の距離および積層されたフラットスプリング３０同士の間の距離が維持される。

以上の構成を採用することにより、従来に比してスペーサの数を大幅に削減することが可能になる。具体的には、図８および図９に示す構成の振動抑制装置１Ｃとした場合に必要であったスペーサの数（１４個）に比べ、本実施の形態における振動抑制装置１Ａでは、スペーサの数は３個にまで削減されている。これは、反復運動装置であるスターリング冷凍機に対するフラットスプリングの接続箇所をフラットスプリングの中心部に、またフラットスプリングに対するバランスマスの接続箇所をフラットスプリングの周縁部に配置し、かつ積層配置されるフラットスプリング同士を互いに離間するスペーサをバランスマスに一体化させたためである。したがって、スペーサの数の減少に伴う部品コストの削減と組付け作業の容易化とが図られるようになり、従来の振動抑制装置と同等の性能を維持しつつ、製造コストを大幅に削減することが可能になる。

また、本実施の形態の如くの構成とすることにより、周方向に円弧状に分割された複数のバランスマスによって積層配置されるフラットスプリングを径方向外側から挟み込むことが可能になるため、フラットスプリング同士の間の距離が安定して維持できるとともに、組付け作業が飛躍的に簡素化されるようになる。

（実施の形態２）
図５は、本発明の実施の形態２における振動抑制装置を備えたスターリング冷凍機の模式部分断面図である。また、図６は、図５に示す振動抑制装置の組付構造を示す分解斜視図である。なお、スターリング冷凍機の構成は、上述の従来例におけるスターリング冷凍機と同様の構成であるため、同一の部分については図中同一の符号を付し、その説明はここでは繰り返さない。また、上述の実施の形態１における振動抑制装置と同様の部分については図中同一の符号を付し、その説明は省略する。

図５および図６に示すように、本実施の形態における振動抑制装置１Ｂは、重錘体を構成する錘部材としてのバランスマス５０と、弾性体としての複数のフラットスプリング３０とを備えている。互いに離間するように積層配置された複数のフラットスプリング３０は、スターリング冷凍機１００の筐体１１０の後方端に取付けられた取付枠１２０に、ボルト１１およびナット１２によってその中心部が固定されている。バランスマス５０は、フラットスプリング３０の周縁部に取付けられたボルト１３およびナット１４によってフラットスプリング３０に固定されている。

図５および図６に示すように、バランスマス５０は、フラットスプリング３０の積層方向において３分割されており、個々のバランスマス５０は、円環状の形状を有している。個々のバランスマス５０の内側周縁部には、ボルト１３が挿通配置される取付穴５６が設けられている。なお、バランスマス５０の外側周縁部には、重錘体としての機能を発揮する錘部が設けられている。

図６に示すように、フラットスプリング３０とバランスマス５０とは、交互に積層された状態に配置され、バランスマス５０の内側周縁部に設けられた取付穴５６およびフラットスプリング３０の周縁部３２に設けられた取付穴３６にボルト１３が挿通配置され、このボルト１３にナット１４が螺合されることにより、バランスマス５０とフラットスプリング３０との固定が行なわれる。

また、フラットスプリング３０の中心部３１に設けられた取付穴３７および取付枠１２０に設けられた取付穴１２１には、ボルト１１が挿通配置され、このボルト１１にナット１２が螺合されることにより、フラットスプリング３０と取付枠１２０との固定が行なわれる。なお、この際、フラットスプリング３０と取付枠１２０との間および積層されたフラットスプリング３０同士の間には、スペーサ２１が介挿される。より詳細には、ボルト１１に円筒状のスペーサ２１が外挿されることにより、中心部３１において、フラットスプリング３０と取付枠１２０との間の距離および積層されたフラットスプリング３０同士の間の距離が維持される。

以上の構成を採用することにより、従来に比してスペーサの数を大幅に削減することが可能になる。具体的には、図８および図９に示す構成の振動抑制装置１Ｃとした場合に必要であったスペーサの数（１４個）に比べ、本実施の形態における振動抑制装置１Ｂでは、スペーサの数は３個にまで削減されている。これは、反復運動装置であるスターリング冷凍機に対するフラットスプリングの接続箇所をフラットスプリングの中心部に、またフラットスプリングに対するバランスマスの接続箇所をフラットスプリングの周縁部に配置し、かつ積層配置されるフラットスプリング同士を互いに離間するスペーサをバランスマスに一体化させたためである。したがって、スペーサの数の減少に伴う部品コストの削減と組付け作業の容易化とが図られるようになり、従来の振動抑制装置と同等の性能を維持しつつ、製造コストを大幅に削減することが可能になる。

また、本実施の形態の如くの構成とすることにより、積層方向に分割された円環状のバランスマスとフラットスプリングとを交互に配置する簡素な構成にて、積層配置されるフラットスプリング同士の間の距離を安定して維持できるようになるため、組付け作業が飛躍的に簡素化するようになる。

上述の実施の形態１および２においては、フラットスプリングを３枚積層配置した構成の振動抑制装置を例示して説明を行なったが、積層するフラットスプリングの数は特に限定されるものではなく、少なくとも２枚以上の複数枚であればよい。また、フラットスプリングに対するバランスマスの固定箇所を、フラットスプリングの周方向において４箇所設けた場合を例示して説明を行なったが、この数も特に限定されるものではない。

また、上述の実施の形態１および２においては、振動を抑制する対象である反復運動装置としてスターリング冷凍機を例示して説明を行なったが、本発明の適用対象はこれに限定されるものではなく、主に一方向に振動が生じる装置であればどのような装置に対しても適用が可能である。

このように、今回開示した上記各実施の形態はすべての点で例示であって、制限的なものではない。本発明の技術的範囲は特許請求の範囲によって画定され、また特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。

本発明の実施の形態１における振動抑制装置を備えたスターリング冷凍機の模式部分断面図である。 図１に示す振動抑制装置の組付構造を示す分解斜視図であり、（Ａ）はフラットスプリングに対するバランスマスの組付構造を、（Ｂ）はバランスマスが取付けられたフラットスプリングのスターリング冷凍機に対する組付構造を示す図である。 図１および図２に示すフラットスプリングの平面図である。 図１および図２に示すバランスマスの周方向端部の拡大斜視図である。 本発明の実施の形態２における振動抑制装置を備えたスターリング冷凍機の模式部分断面図である。 本発明の実施の形態２における振動抑制装置の組付構造を示す分解斜視図である。 一般的なスターリング冷凍機の模式断面図である。 従来の振動抑制装置を備えたスターリング冷凍機の模式部分断面図である。 従来の振動抑制装置の組付構造を示す分解斜視図である。

符号の説明

１Ａ，１Ｂ，１Ｃ 振動抑制装置、１１，１３ ボルト、１２，１４ ナット、２１，２２ スペーサ、３０ フラットスプリング、３１ 中心部、３２ 周縁部、３３ 腕部、３６，３７，４６，５６，１２１，１２２ 取付穴、４０，５０，６０ バランスマス、４１ 錘部、４２ 突出部、４３ スペーサ部、４４ 凹部、１００ スターリング冷凍機、１０１ シリンダ、１０２ パワーピストン、１０３ ディスプレーサ、１０４ 圧縮空間、１０５ 膨張空間、１０６ 放熱器、１０７ 吸熱器、１０８ 再生器、１０９ リニアモータ、１１０ 筐体、１２０ 取付枠。

Claims (4)

1. 重錘体と弾性体とを備え、反復運動部材を含む反復運動装置に接続されることにより、前記反復運動部材が反復運動を行なうことによって生じる前記反復運動装置の振動を抑制する振動抑制装置であって、
   前記弾性体は、互いに離間して積層配置された複数のフラットスプリングからなり、
   前記複数のフラットスプリングは、その中心部が前記反復運動装置の前記振動方向の一方端に接続されるとともにその周縁部が前記重錘体に接続され、
   前記重錘体は、前記複数のフラットスプリングの間の距離を維持するスペーサとしての機能を有している、振動抑制装置。
2. 前記重錘体は、前記複数のフラットスプリングの周方向において分割された複数の円弧状の錘部材からなり、
   前記複数の円弧状の錘部材の各々は、その内周面側に前記フラットスプリングの前記周縁部を受入れ可能に設けられた複数の凹部を有し、
   前記複数の円弧状の錘部材に設けられた前記複数の凹部に前記複数のフラットスプリングの前記周縁部がそれぞれ差し込まれた状態で、前記複数のフラットスプリングが前記複数の円弧状の錘部材によって挟持されている、請求項１に記載の振動抑制装置。
3. 前記重錘体は、前記複数のフラットスプリングの積層方向において分割された複数の円環状の錘部材からなり、
   前記複数の円環状の錘部材と前記複数のフラットスプリングとが交互に積層配置されている、請求項１に記載の振動抑制装置。
4. 請求項１から３のいずれかに記載の振動抑制装置を備えた、スターリング機関。

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