JPH1163095A - 液体ダンパー - Google Patents

液体ダンパー

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JPH1163095A
JPH1163095A JP27500697A JP27500697A JPH1163095A JP H1163095 A JPH1163095 A JP H1163095A JP 27500697 A JP27500697 A JP 27500697A JP 27500697 A JP27500697 A JP 27500697A JP H1163095 A JPH1163095 A JP H1163095A
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JP
Japan
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cylinder
liquid
damper
piston
pistons
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JP27500697A
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English (en)
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Shigeya Kawamata
重也 川股
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ピストンとシリンダーの間の内圧シール機構
を単純化する。 【解決手段】 機台7の上に支持された円筒形のシリン
ダー1の両端に2個のピストン2をはめ込んで構成され
ている。ピストン2はシリンダー1の内周面に対して一
定の隙間を保持しており、その隙間には軟い粘弾性体を
リング状に密に充填してシール材3を形成する。シリン
ダー1の内部中央に仕切壁4を設け、この壁で二分され
た液体室8、9は、仕切壁4に設けた細孔であるオリフ
ィス5によって連通している。液体室8、9には液注入
口6から水、油等の作動液体10を満たす。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は建築等の大規模構
造物の振動抑制に用いる液体ダンパーに関する。
【0002】
【従来の技術】構造物の振動抑制を目的として様々なタ
イプのダンパーが用いられるが、この中でオイルダンパ
ーなどの液体ダンパーは、小型で抵抗力が大きく、速度
に比例、あるいは非線形的に増大する減衰力が得られる
などの利点がある。半面、液体を高い内圧によって狭い
オリフィスや細い管路に押し出すために、ピストンとシ
リンダーの隙間に厳重なシール機構が必要となり、パッ
キングや軸受けの設置のために、きわめて精度の高い機
械加工が要求され、高価な装置となる。建築等の大規模
な構造物ではダンパーの所要台数が多いため、液体ダン
パーは費用が嵩み、使用するのが実際上難しい。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】この発明は、液体ダン
パーにおけるピストンとシリンダーの間の内圧シール機
構を単純化して、精密な機械加工を不要とすることによ
り、液体ダンパーを低価格で供給できるようにすること
を課題とする。
【0004】
【課題を解決するための手段】この発明の液体ダンパー
は、1個のシリンダーとその両端に嵌め込まれた2個の
ピストンより成り、ピストンが構造物の振動によってシ
リンダー内で同一の往復運動をするように構造物に組み
込まれる。シリンダー中央部にシリンダー断面を横断す
る仕切壁(ダイアフラム)を設け、仕切壁によって二分
されたシリンダー内の両液体室に、水、オイル等の作動
液体を満たす。二つの液体室内の液体は、仕切壁に設け
た断面の小さな流路(オリフィス)によって連通させ
る。
【0005】ピストンとシリンダーの間の隙間を作動液
体の内圧に対してシールするために、高分子化合物であ
る軟らかい粘弾性物質を該隙間にリング状に充填する。
粘弾性物質は、粘性と弾性の両方の性質を持った固体物
質であり、流動性はない。この粘弾性シール材はシリン
ダーとピストンの双方に固着しており、それ自身が弾性
変形することで、ピストンが変位するのを許容する。
【0006】この発明のダンパーでは、シリンダー両端
に嵌め込まれた2個のピストンが、構造物の振動に際し
て、シリンダー軸に沿って同一の向きで同一量の変位を
するように構成されている。したがって、片方のピスト
ンが内部の作動液体を押すように変位すとき、他方のピ
ストンが同じ変位量で液体を引くことになる。このと
き、液体は押し側の液体室から仕切壁に設けられたオリ
フィスを通って引き側の液体室に移動するが、細径のオ
リフィスには強い液流抵抗が生じ、押し側の液体室の内
圧が上昇する。両ピストンとシリンダーとの隙間にリン
グ状に成形された弾性シール材は、剪断変形することに
よってピストンの変位を許容すると共に、内圧に抵抗し
て液体をシールすることができる。
【0007】一方、引き側の液体は吸引されて、液体室
には大気圧以下の負圧が生じ、また、粘弾性シール材に
は、ピストンの変位に伴う剪断変形によって粘性抵抗が
生じる。このようにして、変位するピストンには、液体
の内圧力と、粘弾性シール材の剪断変形に伴う粘性抵抗
力の2つの力が働くが、これらはいずれもピストンの変
位方向と逆向きに作用する。構造物の変位の向きが上記
と逆転した場合には、ピストンの押し、引きが上記の逆
になるので、ピストンの受ける力の向きが逆転する。
【0008】このように、構造物に組み込まれたダンパ
ーの両ピストンには、内部の液体抵抗による内圧力と、
シール材の剪断変形に伴う粘性力がピストンの移動を阻
止する方向に生じ、これらが構造物に伝えられるから、
ダンパーの抵抗力は構造物の振動減衰力として作用す
る。オリフィス内の液流は、オリフィス断面が極めて小
さいので、高速であり強い乱流となる。そのため内圧は
流速の1.75乗〜1.90乗に比例して増大し、液圧による減
衰力は、高周波で大振幅の振動に対しては強力となる
が、低周波で微少振幅の振動に対しては弱いという欠点
がある。これに対して、シール材の粘性抵抗は、低周
波、微少振幅の振動に対して大きく、大振幅の振動に対
して頭打ちとなる傾向があるから、粘弾性物質をシール
材として用いることは、乱流域での液体ダンパーの欠点
を補うという副次的利益を生じる。
【0009】液体ダンパーのピストンとシリンダー間を
粘性物質でシールする方法は、本出願人が先の特許出願
(平成8年特許願第60217号)で提案した。しか
し、そこで用いた粘性物質は流動性のある液体であり、
したがって、流出を防止するために容器内に密閉して用
いる必要があった。そのため、構成がやや複雑となり、
シリンダー軸を上下にする使い方が主となる。これに対
して、本発明ダンパーではシール材が固体であるから極
めて単純、コンパクトであり、ダンパーは縦位置、横位
置の区別なく使用することができる。
【0010】この発明のダンパーでは、ピストン外周と
シリンダー内面に一定の隙間を設け、ここに粘弾性体を
リング状に密に充填することによって作動液体をシール
する。この粘弾性体と作動液体の材質の組み合わせによ
っては、粘弾性体と作動液体の長期的にわたる接触によ
って粘弾性体が劣化して内圧のシール能力の低下が懸念
されることがあり得る。請求項2のダンパーでは、粘弾
性体のシール材の液体室側の表面に接して薄いゴムシー
トを配置してシール材と作動液体の直接接触を避けるよ
うにする。こうすることによって、シール材の剪断変形
能力を保ちながらその劣化を避けることができる。
【0011】この発明のダンパーは、シリンダー両端の
2つのピストンがそれぞれが同一方向に変位を強制され
なければ減衰力を生じない。このためには、2つのピス
トンが一体に結合されるように構造物に組込むのもする
のも一つの方法である。しかしこの方法は、構造物のダ
ンパー組み込み部分の構造が複雑になる。そこで、請求
項3のダンパーは、シリンダー中央のダイアフラムの中
心部に貫通孔を設け、その中をシリンダー軸方向に連結
棒を通し、この連結棒で2つのピストンを結合する。こ
うすれば、両ピストンは必ず同一の変位をすることにな
り、構造物への組み込みがきわめて簡単になる。なお、
作動液が自由に通過できないよう、貫通孔は連結棒がや
っと通れるだけの径とする。作動液体は、連結棒と貫通
孔の隙間で潤滑液として作用するので、貫通部に特殊な
軸受けは不要である。
【0012】
【発明の実施の形態】図1、図2に示すように、ダンパ
ーAは、機台7の上に支持された円筒形のシリンダー1
の両端に2個のピストン2をはめ込んで構成されてい
る。ピストン2はシリンダー1の内周面に対して一定の
隙間を保持しており、その隙間には軟い粘弾性体をリン
グ状に密に充填してシール材3を形成する。シリンダー
1の内部中央に仕切壁4を設け、この壁で二分された液
体室8、9は、仕切壁4に設けた細孔であるオリフィス
5によって連通している。液体室8、9には液注入口6
から水、油等の作動液体10を満たす。
【0013】このダンパーAを建築骨組に組み込んだ例
を図3に示す。骨組20は、基礎の上に2本の柱22を
立て、柱の上端同士をはり21で結んだものである。骨
組の肩の部分から内側下方に2本の斜材23が延び、そ
れらの先端同士が結合しており、その結合部には2本の
腕25が下に向って延びている。骨組の真下に設置され
たダンパーAの2つのピストン2はこれら2本の腕25
にそれぞれ固定されている。
【0014】骨組20が振動して、はり21が右方に移
動した場合のダンパーの断面を示したのが図4である。
2つのピストン2は、図3からわかるように、斜材23
の結合部で互いに結合されているので同じ方向に同じ量
の変位を受ける。したがって、左の液体室8内の液体は
ピストン2によって押され、右の液体室9の液体はピス
トン2によって吸引されるから、液体は左室8から右室
9へとオリフィス5を通って移動する。オリフィス5に
おける液流抵抗によって、液体室8には高い正の内圧
が、液体室9には大気圧以下の負圧が生じる。リング状
に充填した粘弾性シール材3はピストンの変位に追随し
て図のように剪断変形するから、これに伴う粘性抵抗は
移動方向と反対向きの抵抗力となってピストンに作用す
る。液体室に生じた内圧は当然粘弾性シール材の内表面
を押すが、シール材は弾性抵抗とピストンおよびシリン
ダーとの間の接着力によってこの内圧に耐え、液体をシ
ールすることができる。
【0015】骨組の変位の向きが逆転してはりが左向き
に変位した場合は、液体の流れとシール材の剪断変形の
向きが逆となり、やはりピストンの変位を阻止する方向
に抵抗力が作用する。以上のように骨組が左右に振動す
るとき、組み込まれたダンパーははりの移動を阻止する
方向の抵抗力を骨組に伝え、骨組の振動を抑制する。ダ
ンパーの抵抗力は液流抵抗による内圧力と、シール材の
剪断変形に伴う粘性抵抗力の和である。
【0016】図5に示すダンパーBは、基本的な構成と
作動は図1のダンパーAと同様であるが、シリンダー1
が三つの部分に分けられ、シリンダーの中央部1aと端
部1b、1cの間に薄いゴム製の弾性膜11が挟み込ま
れ、膜周辺部が水密に固定されている。このゴム膜11
が液体室8、9とシール材3を隔て、シール用の粘弾性
物質と作動液体の直接の接触を防ぐから、液体との反応
による粘性物質の劣化のおそれがなくなる。ゴム膜は十
分な伸縮性をもつので、ピストンの移動に追随するシー
ル材の剪断変形を拘束することがない。
【0017】図6に示したダンパーCは2つのピストン
をシリンダー内部で連結したものである。シリンダー1
は左右2つの部分1e、1fからなり、仕切壁4を間に
挟んで互いにボルト締めされている。符号13はシール
用のOリングである。図1の場合と同様に、シリンダー
1には2つのピストン2e、2fが組み込まれており、
各ピストンとシリンダーの隙間には粘弾性シール材3が
充填されている。仕切壁4の中央に貫通孔14をあけ、
この孔に連結棒15を通し、棒の各端を対応するピスト
ン2に固定する。符号17は止めナット、符号16はO
リングである。その他の構造は図1のものと同様であ
る。
【0018】このダンパーでは、2つのピストンは連結
棒によって結合され、移動の方向と距離は必ず同一に保
たれるから、構造物の相対変位する2点の一方にピスト
ン2eを、他方にシリンダー1fをそれぞれ固定するこ
とにより作動させることができる。内部に充填した作動
液体10は、連結棒と貫通孔間を潤滑して連結棒の滑ら
かな移動を可能にする。
【0019】このように構成されたダンパーCを骨組に
組み込んだ状態を図7に示す。骨組20は柱22とはり
21、斜材23からなっており、斜材を途中で二分し、
斜材の一端にダンパーCのピストン2eを、対向する一
端にシリンダー1fを固定する。骨組の横振動に伴って
斜材23には引張力と圧縮力が交互に作用するから、シ
リンダー内でピストンに押し引きの変位が交互に生じて
抵抗力が発生する。
【0020】次に、ダンパー試験体を正弦波で加振した
試験例と試験結果を述べる。試験体は、図8、図9に示
すように、内径70mmのシリンダー1の上下両端に、直径
54mmの2つのピストン2が、幅8mm、高さ20mmの粘弾性
シール材3を介して嵌め込まれており、両ピストンは直
径22mmの連結棒15によって相互に結合されている。シ
ール材3は軟いゴム状のアクリル系高分子粘弾性体(住
友スリーエム、VEMタイプ1140)を用いた。シリ
ンダー内の上下液体室8、9には、20℃で動粘性係数が
約0.2cm2/sec(20センチストークス)のダンパーオイル
10が充填されており、上下液体室は孔直径1.5mm、孔
長さ24mmのオリフィス5で連通している。 ダンパーの
連結棒15の上端を加振試験機の固定部に、シリンダー
1の上下板18をつなぐ4本のネジ棒19を加振試験機
の加力ヘッドに連結し、シリンダーとピストンに上下方
向の正弦波形の相対変位を与えた。加振周波数は1Hzで
ある。
【0021】図10は、ダンパーにオリフィス5を装着
せず、ダンパーオイル10を封入しない状態で加振して
得られた種々の変位振幅に対する粘弾性シール材の抵抗
力とダンパー変位の履歴ループである。粘弾性体に特有
の傾いた楕円のループになることがわかる。
【0022】図11は、オリフィスを装着し、ダンパー
オイルを封入した試験で計測された上下液体室の内圧と
ダンパー変位の関係を表わす履歴曲線である。内圧は液
体の流速が最大になるX軸のほぼ中央付近で最大とな
り、その値が変位振幅の増大とともに非線形的に増大す
ることがわかる。
【0023】図12は、シール材の粘性抵抗と液体の内
圧抵抗を合わせたダンパーの全抵抗力の測定値とダンパ
ー変位の関係を示す。ループが囲む面積が広く、ダンパ
ーの消費エネルギーが大きいこと、ダンパーの抵抗力が
ダンパーの変位に対して非線形的に増大することがわか
る。
【0024】
【発明の効果】以上に見るように、請求項1のダンパー
は、ピストンとシリンダーの隙間に粘弾性物質を充填し
て内圧をシールした液体ダンパーであり、従来の液体ダ
ンパーのようにパッキングの装着や軸受け設置のための
高精度の機械加工が不必要で、製作が容易であり、安価
に提供できる効果があり、形状も単純で構造物への組み
込みが容易である。また、ピストンとシリンダーの間に
充填された粘弾性体は、ピストンの移動にともなって剪
断変形し、粘性抵抗を発生するが、この粘性抵抗は、オ
リフィスを通過する液流の抵抗が少ない低周波、微少振
幅の構造物振動に対して強力であるから、液体ダンパー
の抵抗力を補って広い範囲の振動に対して強力な減衰力
を発揮することができる。また、本発明のダンパーは一
つのシリンダーの中に2つのピストンが収まっていて装
置全体がたいへんコンパクトであり、構造物へ組み込み
易いという特徴がある。
【0025】請求項2のダンパーは、シリンダー内に弾
性膜を配置してシール材と作動液体の直接接触を避ける
ようにしたものであり、シール材が作動液体に晒されて
劣化するのを防止できる。
【0026】請求項3のダンパーは、シリンダー中央の
ダイアフラムの中心部に貫通孔を設け、その中をシリン
ダー軸方向に連結棒を通し、この連結棒で2つのピスト
ンを結合したものであり、両ピストンは同じ方向に同じ
距離だけ変位するので、構造物への組み込み構造がきわ
めて簡単になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 ダンパーAの断面図である。
【図2】 ダンパーAの側面図である。
【図3】 ダンパーAを骨組に組込んだ状態を示す。
【図4】 ピストンが右に変位した状態のダンパーAの
断面図である。
【図5】 ダンパーBの断面図である。
【図6】 ダンパーCの断面図である。
【図7】 ダンパーCを骨組に組込んだ状態を示す。
【図8】 試験用ダンパーの断面図である。
【図9】 試験用ダンパーの平面図である。
【図10】 粘弾性物質シール材の抵抗力とダンパー変
位の関係を示す。
【図11】 シリンダー上下液体室の内圧とダンパー変
位の関係を示す。
【図12】 ダンパーの全抵抗力とダンパー変位の関係
を示す。
【符号の説明】
1 シリンダー 2 ピストン 3 粘弾性シール材 4 仕切壁 5 オリフィス 10 作動液体 11 弾性膜 14 貫通孔 15 連結棒 20 骨組

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 シリンダーと、該シリンダーの中に嵌装
    され、当該ダンパーが組み込まれた構造物の振動に伴っ
    て該シリンダー内を同じ方向に往復動する2つのピスト
    ンと、これらピストンで挟まれた液体室を満たす作動液
    体と、該液体室を二分するように該シリンダーの内部に
    設けられ、該作動液体が通過するオリフィスを有する仕
    切壁と、各ピストンと該シリンダーの隙間に充填された
    粘弾性体からなる固体シール材からなり、該粘弾性シー
    ル材は該ピストンおよび該シリンダーに固着しており、
    それ自身が弾性変形することで該ピストンが変位するの
    を許容することを特徴とする液体ダンパー。
  2. 【請求項2】 請求項1の液体ダンパーにおいて、該シ
    ール材を該作動液体から隔てるために、該シリンダー内
    の該ピストンと該液体室の間に弾性膜を横断展張したこ
    とを特徴とする液体ダンパー。
  3. 【請求項3】 請求項1または2の液体ダンパーにおい
    て、該仕切壁に貫通孔をあけ、その中を通過する連結棒
    で両ピストンを連結したことを特徴とする液体ダンパ
    ー。
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Cited By (5)

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