JP3217982U

JP3217982U - 制振ダンパー

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Publication number: JP3217982U
Application number: JP2018002509U
Authority: JP
Inventors: 文懷曹; 維信 ▲黄▼
Original assignee: 國立臺灣大學
Priority date: 2018-03-20
Filing date: 2018-07-03
Publication date: 2018-09-13
Anticipated expiration: 2028-07-03
Also published as: TWM564058U

Abstract

【課題】減衰比及び自然周波数を簡単に設定調整可能な制振ダンパーを提供する。
【解決手段】構造物に取り付けられて振動を減衰する制振ダンパーであって、下壁１１及び下壁１１から上方へ延伸する周壁１２を有し、下壁１１と周壁１２で所定の内部空間１３を囲む収容槽１と、互いに連通する多数の孔３１を有することにより、等方性浸透性を持つように作成され、内部空間１３に配置されている減衰手段３と、充満しない状態で内部空間１３に収容され、収容槽１が移動すると減衰手段３が有する多数の孔３１の間に流動して減衰効果を提供する液体２と、を備え、多数の孔３１の体積と減衰手段３の多数の孔３１を含む総体積の比の値を孔隙率γとし、該γは０.２以上で１未満である。
【選択図】図３

Description

本考案は、制振ダンパーに関し、特に、同調液体ダンパーに関する。

構造物に使用される制振ダンパーとしては、例えば同調質量ダンパーや、同調液体ダンパーがある。

図１に従来の同調質量ダンパーの一例が示されており、このような同調質量ダンパーは、梁５１と柱５２を備えた構造物における梁５１の上に配置され、ローラー５６で梁５１の上を移動可能な重り５３と、バネ５４と、ダンパー５５とを備え、構造物が振動する際に重り５３がそれに応じて移動（振動）することにより、重り５３の移動（振動）による反力で構造物の振動幅を抑えると共に、ダンパー５５で振動エネルギーを吸収する。

特に、同調質量ダンパーは自身の自然周波数を該構造物の自然周波数との比率が同調周波数比（tuned-frequency ratio）に、そして同調質量ダンパーの減衰比が最適減衰比（optimal damping ratio）に調整されているため、最適な減衰制振効果を提供することができる。

また、図２に従来の同調液体ダンパーの一例が示されており、図示のように、この同調液体ダンパーは梁５１と柱５２を備えた構造物における梁５１の上に配置された水槽５８と、水槽５８内に収容される液体５７とを備え、構造物が振動する際に液体５７が水槽５８内で流れることによる反力で構造物の振動幅を抑えながら、液体５７が持つ粘度で振動エネルギーを吸収する。

中国特許出願公開第１０３５９０５０３Ａ号明細書

しかし、このような液体ダンパーは液体５７が持つ粘度のみで振動エネルギーを吸収するため、減衰比が低い欠点がある。この欠点を克服するため、水槽内に柵や区切り板などを設置することで減衰比を上げる試みがなされたが、最適減衰比は４％程度に留まり、業界において実用に足りる減衰比とされる５％〜１０％に到達することが出来なかった。

また、特許文献１に記載された同調液体ダンパーではスポンジを用いて減衰比を高める共に、液体の零れを防ぐことができる旨が記載されているが、実用に足りる減衰比に到達することが出来ない上、同調周波数比の設定方法に関しては記載されていない。

上記従来技術の問題点に鑑みて、本考案は、減衰比及び自然周波数を簡単に設定調整可能な制振ダンパーの提供を目的とする。

上記目的を達成すべく、本考案は、構造物に取り付けられて振動を減衰する制振ダンパーであって、下壁及び該下壁から上方へ延伸する周壁を有し、該下壁と該周壁で所定の内部空間を囲む収容槽と、互いに連通する多数の孔を有することにより、等方性浸透性を持つように作成され、前記内部空間に配置されている減衰手段と、充満しない状態で前記内部空間に収容され、前記収容槽が移動すると前記減衰手段が有する前記多数の孔の間に流動して減衰効果を提供する液体と、を備え、前記多数の孔の体積と前記減衰手段の前記多数の孔を含む総体積の比の値を孔隙率γとし、該γは０.２以上で１未満である。

上記構成により、本考案は多孔質材料からなる減衰手段の孔隙率を調整することにより、該制振ダンパーの減衰比及び自然周波数を簡単に設定調整が可能となる。更に、本考案は考案者が提供する公式を利用して、収容槽の寸法や液体の量、減衰手段の浸透係数を設定することにより、該制振ダンパーの減衰比及び自然周波数を、対応の構造物に最適な数値に調整することができる。即ち、本考案は、構成が簡単な上、減衰比及び自然周波数を簡単に設定調整が可能な制振ダンパーを提供するため、製造やメンテナンスのコストを節約することができると共に、構造物の設計を制振ダンパーにあわせて変更することが不要な利点もある。

従来の同調質量ダンパーの一例が示されている説明図である。従来の同調液体ダンパーの一例が示されている説明図である。本考案の制振ダンパーの第１の実施形態の構成が示された斜視図である。本考案の制振ダンパーの第１の実施形態の構成が示された分解斜視図である。本考案の制振ダンパーの第２の実施形態の構成が示された上面図である。本考案の制振ダンパーの第３の実施形態の構成が示された上面図である。本考案の制振ダンパーの第４の実施形態の構成が示された上面図である。本考案の制振ダンパーの第５の実施形態の構成が示された上面図である。本考案の制振ダンパーの第６の実施形態の構成が示された断面図である。本考案の制振ダンパーの第７の実施形態の構成が示された上面図である。

以下、各図面を参照して本考案の制振ダンパーの各好ましい実施形態について詳しく説明する。

図３〜図４に本考案の制振ダンパーの第１の実施形態の構成が示されており、図３はその斜視図であり、図４はその分解斜視図である。図示のように、本考案の制振ダンパーは、構造物に取り付けられて振動を減衰する制振ダンパーであって、下壁１１及び該下壁１１から上方へ延伸する周壁１２を有し、該下壁１１と該周壁１２で所定の内部空間１３を囲む収容槽１と、互いに連通する多数の孔３１を有することにより、等方性浸透性（isotropic permeability）を持つように作成され、内部空間１３に配置されている減衰手段３と、充満しない状態で内部空間１３に収容され、収容槽１が移動すると減衰手段３が有する多数の孔３１の間に流動して減衰効果を提供する液体２と、を備えている。なお、本考案において充満しない状態で液体２を入れるのは、揺れた際に、振動を減衰できる程度に隙間がないと、液体２が内部空間１３内を移動できず、十分な減衰効果が得られないからである。従って、本考案において充満しない状態とは、十分な減衰効果が得られる程度に収容槽１の上側に液体２が移動できる空間を確保しておくことを意味する。

そして本考案において、減衰手段３が有する多数の孔３１の体積と、該減衰手段３の、多数の孔３１をも含む総体積の比の値を孔隙率γとすると、該γは０.２以上で１未満の範囲内に設定されている。

この第１の実施形態において、収容槽１は長さＬと幅Ｂと所定の高さを有し、内部空間１３を囲む中空の長方体である。減衰手段３は、プラスチック材料により作成されることが好ましく、液体２に浸かるように収容槽１が囲む内部空間１３に配置されることにより、液体２は減衰手段３に形成された多数の孔３１の間に流動可能である。液体２に関しては、水を使用することも可能で、調達の利便性に関しては好ましい選択である。液体２を充満しない状態（即ち、液体２の液面から下壁１１までの高さｈが、収容槽１の高さより低くなる液体量）で内部空間１３に入れることで、収容槽１が構造物の振動により移動する際、減衰手段３が有する多数の孔３１の間に流動することが可能となって液体２が持つ粘度で減衰効果を提供することができる。

更に、この実施形態において、減衰手段３は、該減衰手段３に形成された多数の孔３１をも含めた全体が内部空間１３を充満するように収容槽１内に収容されている。

本考案者の研究により、該減衰手段３の、多数の孔３１をも含む総体積の比の値である孔隙率γが０.２未満の場合、液体２の液面から下壁１１までの高さｈに少しの変化があると、制振ダンパーの自然周波数は大きく変化するため、制振ダンパーの自然周波数の調整／設定が難しいことが判明したので、減衰手段３を、互いに連通する多数の孔３１を有することで等方性浸透性を持つように作成すると共に、減衰手段３が有する多数の孔３１の体積と、該減衰手段３の、多数の孔３１をも含む総体積の比の値を孔隙率γとすると、該孔隙率γを０.２以上で１未満の範囲内に設定することでこの問題点を解決する。更に、孔隙率γを０.４以上で０.８以下の範囲内に入るように減衰手段３を作製することにより、自然周波数や減衰比の調整／設定がしやすい制振ダンパーを提供することができる。

図５〜図８は、本考案の制振ダンパーの第２〜第５の実施形態の構成が示された上面図である。

図５に示されているように本考案の制振ダンパーの第２の実施形態における減衰手段３に関しては、収容槽１の内側に取り付けられた固定手段４を介して、内部空間１３の中間の一部のみを占めるように配置することが可能であることが示されている。

図６に示されているように本考案の制振ダンパーの第３の実施形態における減衰手段３に関しては、収容槽１の内側に取り付けられた固定手段４を介して、内部空間１３の両側のみを占めるように配置することも可能であることが示されている。

図７に示されているように本考案の制振ダンパーの第４の実施形態における減衰手段３に関しては、収容槽１の内側に取り付けられた固定手段４を介して、内部空間１３内に４つの列を作るように配置することも可能であることが示されている。

図８に示されているように本考案の制振ダンパーの第５の実施形態における減衰手段３に関しては、内部空間１３内において周壁１２を沿うように配置することも可能であることが示されている。

即ち、この第２〜第５の実施形態では、本考案の減衰手段３は第１の実施形態のように、該減衰手段３に形成された多数の孔３１をも含めた全体が内部空間１３を充満するように収容槽１内に収容されように構成する必要はなく、制振ダンパーの自然周波数や減衰比の調整／設定に応じて、様々な変更を加えることができることが示されている。

更に、図９は、本考案の制振ダンパーの第６の実施形態の構成が示された断面図である。

図９に示されているように本考案の制振ダンパーの第６の実施形態における減衰手段３に関しては、収容槽１の内側に取り付けられた固定手段４を介して内部空間１３の上部１３１に支持されるように配置することが可能であることが示されている。そしてこの第６の実施形態の変化例としては、減衰手段３が内部空間１３の下部のみを占める構成や、中間部のみを占める構成などを採用することも可能であり、更に、減衰手段３が内部空間１３の下部を除いて、上部１３１及び中間部のみを占める構成や、内部空間１３の中間部を除いて、上部１３１及び下部のみを占める構成なども採用することは可能である。即ち、この第６の実施形態及びその変化例では、本考案において減衰手段３の配置方法は制振ダンパーの自然周波数や減衰比の調整／設定に応じて、様々な変更を加えることができることが示されている。

図１０は本考案の制振ダンパーの第７の実施形態の構成が示された上面図である。

図示のように、この第７の実施形態において、収容槽１は半径Ｒを有し、内部空間１３を囲む中空の円柱体である。そして減衰手段３は、該減衰手段３に形成された多数の孔３１をも含めた全体が内部空間１３を充満するように収容槽１内に収容されている。

このように、本考案の制振ダンパーは、収容槽１が上記第１〜第６の実施形態の中空長方体に形成される必要はなく、中空の円柱体として構成されることも可能である。

ちなみに、上記各実施形態に示される収容槽１は、上方に向かって開口する構成で該開口を介して液体２や減衰手段３を内部空間１３に入れることができるが、該開口を覆う蓋（図示せず）を更に備えることも可能である。蓋を備えることにより、内部空間１３を清潔に保つことや、作業員が内部空間１３内に落下してしまうなどの事故を避けることができる。

また、減衰手段３が収容槽１の内部空間１３に設置される位置に関しては、内部空間１３の中央寄り、そして上方寄りの箇所に配置されると、その箇所における液体２の流速が比較的高いため、より高い減衰比を提供することが出来る。一方、減衰手段３を、周壁１２寄り、そして下板１１寄りの箇所に配置されると、減衰比を下げることが出来る。このように、対応する構造物の自然周波数に応じて、減衰手段３が収容槽１の内部空間１３に設置される位置を調整して、本考案の制振ダンパーの減衰比及び自然周波数を、対応する構造物に最適な数値に調整することができる。

更に、減衰手段３の浸透係数も制振ダンパーの減衰比及び自然周波数に関係するため、本考案者は、制振ダンパーを以下の公式を満たすことで該制振ダンパーを対応する構造物に適用できる該制振ダンパーの最適減衰比に対応する収容槽１の寸法と液体２の液量と減衰手段３の浸透係数を導き出した。

即ち、第１の実施形態を例とすると、収容槽１が中空の長方体であり、そして減衰手段３は、内部空間１３を充満するものである場合、該長方体の長さをＬとし、幅をＢとし、内部空間１３に収容される液体２の液面から下壁１１までの高さをｈとし、液体２の粘度をμとし、密度をρとし、減衰手段３の浸透係数をκとし、該制振ダンパーの第１振動モードの等価質量をｍ_０と該構造物の質量ｍ_ｓの比の値をＲ_ｍとし、対応の構造物の自然周波数をω_ｓとし、該制振ダンパーの自然周波数をω_ｎ、減衰比をξ_nとし、該制振ダンパーの第ｎ振動モードの質量をｍ_ｎとし、同調周波数比率をｆ_ｔとし、該制振ダンパーの最適減衰比をξ_ｏｐｔとし、重力加速度をｇとし、該制振ダンパーの自然周波数をω_ｎを該構造物の自然周波数をω_ｓで割って得た周波数の比ｆ_０をｆｔとし、そして該制振ダンパーの減衰比ξ_nイコール該制振ダンパーの最適減衰比ξ_ｏｐｔとすると、以下の式（Ａ１）〜（Ａ６）で最適減衰比ξ_ｏｐｔに対応するＬ、Ｂ、ｈ、κの関係を算出することができる。

実際に上記各パラメータを決める設計段階では、まず、
該制振ダンパーの第１振動モードの等価質量をｍ_０と該構造物の質量ｍ_ｓを用いて、それら質量比の値Ｒ_ｍを算出し、それから式（Ａ５）、（Ａ６）を用いて、同調周波数比率ｆ_ｔと、該制振ダンパーの最適減衰比ξ_ｏｐｔとを算出する。

続いて、算出した同調周波数比率ｆ_ｔを、式（Ａ２）において該制振ダンパーの自然周波数をω_ｎを該構造物の自然周波数ω_ｓで割って得た周波数の比ｆ_０として代入して、減衰手段３の孔隙率γと、収容槽１の長さをＬと、幅Ｂと、液体２の液面から下壁１１までの高さｈとの関係を算出する。

更に、算出した最適減衰比ξ_ｏｐｔを式（Ａ３）におけるξ_nに代入することにより、減衰手段３の浸透係数をκを算出する。

このように計算すると、収容槽１の孔隙率γ×液体２の液面から下壁１１までの高さｈが0.1×収容槽１の長さｈの場合、浸透係数κを１０^−７ｍ^２〜１０^−５ｍ^２の範囲内に設定することで、好ましい制振効果を得ることができる。

また、第７の実施形態を例とすると、収容槽１が中空の円柱体であり、そして減衰手段３は、内部空間１３を充満するものである場合、該円柱体の半径をＲとし、内部空間１３に収容される液体２の液面から下壁１１までの高さをｈとし、液体２の粘度をμとし、密度をρとし、減衰手段３の浸透係数をκとし、該制振ダンパーの第１振動モードの等価質量ｍ_０と該構造物の質量ｍ_ｓの比の値をＲ_ｍとし、対応する構造物の自然周波数をω_ｓとし、該制振ダンパーの自然周波数をω_ｎ、減衰比をξ_nとし、該制振ダンパーの第ｎ振動モードの質量をｍ_ｎとし、同調周波数比率をｆ_ｔとし、該制振ダンパーの最適減衰比をξ_ｏｐｔとし、重力加速度をｇとし、λ_ｎを第1種ベッセル関数の一次導関数のｎ番目の根とし、該制振ダンパーの自然周波数ω_ｎを該構造物の自然周波数ω_ｓで割って得た周波数の比ｆ_０をｆｔとし、そして該制振ダンパーの減衰比ξ_nイコール該制振ダンパーの最適減衰比ξ_ｏｐｔとすると、以下の式（Ｂ１）〜（Ｂ６）で最適減衰比ξ_ｏｐｔに対応するＲ、ｈ、κの関係を算出することができる。

上記のように、収容槽１の容積（長さＬ、幅Ｂ、または半径Ｒ）と、液体２の量（即ち内部空間１３に収容される液体２の液面から下壁１１までの高さｈ）と、減衰手段３の孔隙率γ及び浸透係数κを調整することにより、構造物に適する同調周波数比率ｆ_ｔ及び最適減衰比ξ_ｏｐｔを得ることが出来、即ち、構造物に適する制振ダンパーを設計することができる。

以下は第１の実施形態を例として、制振ダンパーのパラメータセットを例示する。ここで、収容槽１の幅Ｂは１０ｃｍに固定し、液体２として水が使用されているので、水の粘度μは１０^−３ｐａ・ｓであり、密度は１０００ｋｇ／ｍ^３である。

このように、本考案の制振ダンパーの３つの設計例は、いずれも７.６％の最適減衰比を得ることができ、これは業界において実用に足りる最適減衰比とされる５％〜１０％の最適減衰比をクリアしている。

以上をまとめると、本考案は収容槽１と液体２と減衰手段３とを備えた簡単な構造で、減衰手段を互いに連通する多数の孔を有することにより等方性浸透性を持つものを使用し、且つ、減衰手段３の孔隙率を０.２以上で１未満の範囲内に設定することにより、業界において実用に足りる最適減衰比を持つ制振ダンパーを提供することができる上、上記公式（Ａ１）〜（Ａ５）または（Ｂ１）〜（Ｂ５）を用いて収容槽１と液体２と減衰手段３との設計パラメータＬ、Ｂ、Ｒ、ｈ、γ、κの関係を算出することができるので、適用する構造物応じて適切に設計することも可能である。

以上の説明は、本考案の実施例に過ぎず、これを以って実用新案登録請求の範囲を限定するものではない。また、本考案の実用新案登録請求の範囲及び明細書の内容に簡単な付加や変化を加えたに過ぎないものについても、実用新案登録請求の範囲に記載された考案の技術的範囲に属するものとする。

上記構成により、本考案の制振ダンパーは、超高層ビルやタワー、橋、船舶、海洋プラットフォームなどの構造物に適用することが可能であり、その中においても超高層ビルやタワー、船舶など、振動周期が比較的長い構造物に適用することが好ましい。

１収容槽
１１下壁
１２周壁
１３内部空間
１３１上部
２液体
３減衰手段
３１孔
４固定手段
Ｌ長さ（収容槽）
Ｂ幅（収容槽）
ｈ高さ（液体）

Claims

構造物に取り付けられて振動を減衰する制振ダンパーであって、
下壁及び該下壁から上方へ延伸する周壁を有し、該下壁と該周壁で所定の内部空間を囲む収容槽と、
互いに連通する多数の孔を有することにより、等方性浸透性を持つように作成され、前記内部空間に配置されている減衰手段と、
充満しない状態で前記内部空間に収容され、前記収容槽が移動すると前記減衰手段が有する前記多数の孔の間に流動して減衰効果を提供する液体と、を備え、
前記多数の孔の体積と前記減衰手段の前記多数の孔を含む総体積の比の値を孔隙率γとし、該γは０.２以上で１未満であることを特徴とする制振ダンパー。
前記γは０.４以上で０.８以下の範囲内にあることを特徴とする請求項１に記載の制振ダンパー
前記内部空間に配置されている前記減衰手段は、該内部空間の全体にわたり設けられていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の制振ダンパー。
前記内部空間に配置されている前記減衰手段は、該内部空間の中間の一部のみを占めることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の制振ダンパー。
前記内部空間に配置されている前記減衰手段は、該内部空間の両側のみを占めることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の制振ダンパー。
前記内部空間に配置されている前記減衰手段は、該内部空間内に複数の列を作るように配置されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の制振ダンパー。
前記内部空間に配置されている前記減衰手段は、該内部空間内において前記周壁を沿うように配置されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の制振ダンパー。
前記内部空間に配置されている前記減衰手段は、前記収容槽に固定されている固定手段により支持されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の制振ダンパー。
前記内部空間に配置されている前記減衰手段は、前記収容槽の上部に支持されるように配置されていることを特徴とする請求項８に記載の制振ダンパー。
前記内部空間に配置されている前記減衰手段は、前記収容槽の中間部に支持されるように配置されていることを特徴とする請求項８に記載の制振ダンパー。
前記内部空間に配置されている前記減衰手段は、前記下板に固定されるように配置されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の制振ダンパー。
前記収容槽は、前記内部空間を囲む中空の長方体または円柱体状に形成されていることを特徴とする請求項１〜請求項１１のいずれか一項に記載の制振ダンパー。
前記収容槽は、前記内部空間を囲む中空の長方体であり、
前記減衰手段は、前記内部空間の全体にわたり設けられるものであり、
前記長方体の長さをＬとし、幅をＢとし、
前記内部空間に収容される前記液体の液面から前記下壁までの高さをｈとし、
前記液体の粘度をμとし、密度をρとし、前記減衰手段の浸透係数をκとし、
該制振ダンパーの第１振動モードの等価質量をｍ_０と該構造物の質量ｍ_ｓの比の値をＲ_ｍとし、該構造物の自然周波数をω_ｓとし、該制振ダンパーの自然周波数をω_ｎ、減衰比をξ_nとし、該制振ダンパーの第ｎ振動モードの質量をｍ_ｎとし、同調周波数比率をｆ_ｔとし、該制振ダンパーの最適減衰比をξ_ｏｐｔとし、重力加速度をｇとし、該制振ダンパーの自然周波数ω_ｎを該構造物の自然周波数ω_ｓで割って得た周波数の比ｆ_０をｆ_ｔとし、そして該制振ダンパーの減衰比ξ_nイコール該制振ダンパーの最適減衰比ξ_ｏｐｔとすると、前記Ｌ、Ｂ、ｈ、κの関係は以下の式（Ａ１）〜（Ａ６）を満足することを特徴とする請求項１に記載の制振ダンパー。
前記収容槽は、前記内部空間を囲む中空の円柱体であり、
前記減衰手段は、前記内部空間の全体にわたり設けられるものであり、
前記円柱体の半径をＲとし、前記内部空間に収容される前記液体の液面から前記下壁までの高さをｈとし、
前記液体の粘度をμとし、密度をρとし、前記減衰手段の浸透係数をκとし、
該制振ダンパーの第１振動モードの等価質量をｍ_０と該構造物の質量ｍ_ｓの比の値をＲ_ｍとし、該構造物の自然周波数をω_ｓとし、該制振ダンパーの自然周波数をω_ｎとし、減衰比をξ_nとし、該制振ダンパーの第ｎ振動モードの質量をｍ_ｎとし、同調周波数比率をｆ_ｔとし、該制振ダンパーの最適減衰比をξ_ｏｐｔとし、重力加速度をｇとし、λ_ｎを第1種ベッセル関数の一次導関数のｎ番目の根とし、該制振ダンパーの自然周波数をω_ｎを該構造物の自然周波数をω_ｓで割って得た周波数の比ｆ_０をｆ_ｔとし、そして該制振ダンパーの減衰比ξ_nイコール該制振ダンパーの最適減衰比ξ_ｏｐｔとすると、前記Ｒ、ｈ、κの関係は以下の式（Ｂ１）〜（Ｂ６）を満足することを特徴とする請求項１に記載の制振ダンパー。