JP2014111916A - フリーピストンエンジン駆動リニア発電機 - Google Patents

Abstract

【課題】固定子を保護できるフリーピストンエンジン駆動リニア発電機を提供する。
【解決手段】フリーピストンエンジン駆動リニア発電機は、筒状の固定子と、可動子が組み込まれて前記固定子の内部で直線往復運動するピストン１４と、前記ピストン１４の一方の側に設けられた燃焼室１６と、前記ピストンの他方の側に設けられた空気バネ室１８と、を有し、さらに、非磁性材料からなり、前記固定子の内周面を覆って前記ピストン１４の摺動面を構成するライナ６０を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、筒状の固定子と、可動子が組み込まれ、前記固定子の内部で直線往復運動するピストンと、前記ピストンの両側に設けられた燃焼室および空気バネ室と、を有するフリーピストンエンジン駆動リニア発電機に関する。

従来から、ピストンの直線往復運動に伴い発電を行うフリーピストンエンジン駆動リニア発電機が知られている。例えば、特許文献１には、フリーピストンエンジンのピストンに連結されたシャフトに可動子磁石として機能する永久磁石を設けるとともに、当該シャフトに板ばねを接続した発電機が開示されている。この特許文献１では、ピストンに隣接する燃焼室での燃焼圧力、および、シャフトに接続された板ばねの弾性力を利用して、ピストンを往復運動させている。

しかし、この特許文献１の技術では、ピストンとは離れた位置に可動子および固定子を設けているため、発電機全体の体格が大きくなりがちであった。また、板ばねを用いる発電機では、ピストンが、当該板ばねの弾性変形範囲内でしかストロークできず、フリーピストンエンジンの熱効率が低下するという問題もあった。

そこで、一部では、ピストンに可動子磁石を、シリンダに固定子を組み込む構成が提案されている。また、板ばねに替えて、空気バネ室を用いることも一部で提案されている。空気バネ室は、ピストンに隣接して設けられ、ピストンの往復運動に伴い体積変化するチャンバである。フリーピストンエンジンを駆動した時、ピストンは、当該空気バネ室の圧縮時に生じる反発力で押し戻される。

特開２００５−１５５３４５号公報

ピストンに可動子磁石を、シリンダに固定子を組み込み、さらに、空気バネ室を利用するフリーピストンエンジン駆動リニア発電機の場合、小型化を可能にしつつも、十分なストロークを確保できる。

しかしながら、かかる発電機の場合、空気バネ室の気密性確保と固定子の保護の両立が困難であった。すなわち、空気バネ室を気密に保つためには、ピストンに取り付けられたピストンリングをシリンダの内周面（すなわち固定子の内周面）に密着させつつ摺動させることが必要であるが、この場合、固定子とピストンリングが互いに擦れ合うため、固定子の損傷が生じる恐れがあった。

そこで、本発明では、固定子を保護でき得るフリーピストンエンジン駆動リニア発電機を提供することを目的とする。

本発明のフリーピストンエンジン駆動リニア発電機は、筒状の固定子と、可動子が組み込まれ、前記固定子の内部で直線往復運動するピストンと、前記ピストンの一方の側に設けられた燃焼室と、前記ピストンの他方の側に設けられた空気バネ室と、を有するフリーピストンエンジン駆動リニア発電機であって、非磁性材料からなり、前記固定子の内周面を覆って前記ピストンの摺動面を構成するライナを備える、ことを特徴とする。

好適な態様では、前記ライナは、樹脂からなる。他の好適な態様では、前記ピストンは、燃焼室側に設けられた小径部と、空気バネ室側に設けられて前記小径部よりも大径の大径部と、を有し、前記ライナは、前記ピストンの大径部の摺動部分に設けられる。この場合、前記ピストンは、前記小径部および大径部の境界に形成される段差面において空気バネ室側に抉られた断面略Ｅ字形である、ことが望ましい。他の好適な態様では、前記ピストンの空気バネ室側受圧面積は、前記ライナの耐熱温度に基づいて、決定されている。

本発明によれば、固定子の内周面を覆うライナを設けているため、固定子が確実に保護される。

本発明の実施形態であるフリーピストンエンジン駆動リニア発電機の構成を示す図である。 他のフリーピストンエンジン駆動リニア発電機の構成を示す図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の実施形態であるフリーピストンエンジン駆動リニア発電機１０（以下「リニア発電機１０」と略す）の構成を示す図である。このリニア発電機１０は、固定子一体型のシリンダ１２、可動子一体型のピストン１４、および、ピストン１４の両側に配置された燃焼室１６および空気バネ室１８を含んで構成される。

シリンダ１２は、筒形状の部材であり、内部にピストン１４、燃焼室１６、空気バネ室１８等を備えることができる。シリンダ１２は、燃焼室１６での燃焼に起因する高温環境に耐え得る部材から構成されていることが望ましく、例えばアルミ等の金属材料から構成される。シリンダ１２の内部形状は、ピストン１４の外形と同様に、空気バネ室側に位置する大径部と、燃焼室側に位置する小径部と、を有する段付形状となっている。このシリンダ１２の大径部の内周面には、発電機の固定子として機能する発電コイル２０や電磁鋼板（図示せず）が設けられている。換言すれば、本実施形態において、固定子は、筒状に構成されている。このシリンダ１２の内周面（筒状の固定子の内周面）には、空気バネ室側ライナ６０が設けられているが、これについては後に詳説する。発電コイル２０は図示しないバッテリー等の蓄電手段に接続されている。

ピストン１４の外周面、すなわち、微小ギャップを介して発電コイル２０と対向する位置には、可動子磁石として機能する永久磁石２２が埋め込まれている。ピストン１４も、高温環境に耐え得る部材から構成されていることが望ましく、例えばアルミ等の金属材料から構成される。このピストン１４の往復運動に伴い、発電コイル２０に対して永久磁石２２が移動し、これにより、永久磁石２２周囲の磁界が移動する。そして、この磁界の移動に応じて発電コイル２０に誘導起電力が発生し、発電する。

また、ピストン１４の空気バネ室側端部の近傍には、ピストンリング６２が嵌めこまれている。このピストンリング６２は、シリンダ１２の内周面（より正確には空気バネ室側ライナ６０）に密着して摺動することで、空気バネ室１８の気密性を保つ。なお、図１では、単一のピストンリング６２しか図示していないが、より多数のピストンリング６２を設けてもよい。例えば、二つのコンプレッションリングと一つのオイルリングを軸方向に並べて設けてもよい。また、図１では、空気バネ室側のピストンリング６２のみを図示しているが、燃焼室側端部の近傍にも、ピストンリング６２を設けることが望ましい。

シリンダ１２内には、ピストン１４を挟んで対向するように、燃焼室１６及び空気バネ室１８が設けられる。燃焼室１６は、燃焼圧力を生じさせてピストン１４を移動させる。燃焼室１６は、例えば、シリンダ１２内部の端部側に設けるようにしてもよい。

燃焼室１６には、掃気孔４０、排気口４４、排気バルブ４６、インジェクタ４８、及び点火プラグ５０が設けられている。掃気孔４０は、燃焼室１６内に新気を導入する。新気の導入に際して、図示しない掃気ポンプを駆動させることによって、外部から掃気孔４０に新気を導入するようにしてもよい。掃気孔４０は、例えば、シリンダ１２の内壁面に開口されていてよく、ピストン１４が上死点に位置しているときにはピストン１４によって塞がれるとともに、ピストン１４が下死点に位置しているときには開放されるような位置に形成されていてよい。なお、上死点とは、ピストン１４が最も燃焼室側に位置したときを指し、また、下死点とは、ピストン１４が最も空気バネ室側に位置したときを指す。なお、掃気孔４０に替えて図２に示すように、掃気バルブ５４により開閉される掃気口５２を設けてもよい。排気口４４は、排気バルブ４６により開閉される開口で、燃焼室１６で新気と燃料との混合気を燃焼させた後の排気を、外部に導く。なお、排気口４４が無く、掃気孔４０のみで掃気・排気を行うループフロー式であってもよい。インジェクタ４８は、燃料を噴射する噴射手段である。燃料は、掃気孔４０より前のポートにて供給してもよい。点火プラグ５０は、混合気に点火して燃焼圧力を生じさせる。例えば、排気バルブ４６の開放タイミング、インジェクタ４８の噴射タイミング、及び、点火プラグ５０の点火タイミングは、ピストン１４の位置に応じて決定するようにしてもよい。また、点火プラグ５０の無い、圧縮自着火方式によって燃焼圧力を生じさせてもよい。

空気バネ室１８は、ピストン１４を燃焼室側に押し戻す、いわゆる「空気バネ」として機能する。ピストン１４が燃焼室側から空気バネ室側に移動する際に、空気バネ室１８が圧縮される。この圧縮に対する反発力により、ピストン１４が燃焼室側に押し戻される。

以上のような構成のリニア発電機１０において、ピストン１４は、燃料と空気との混合気を燃焼（爆発）した際に生じる燃焼圧力により空気バネ室１８側に移動し、ピストン１４により圧縮された空気バネ室１８内の圧縮空気の膨張力（反発力）により燃焼室側に移動する。そして、この移動に伴い生じる磁界の移動により、発電コイル２０に誘導起電力が発生し、発電する。

ここで、これまでの説明で明らかな通り、本実施形態では、ピストン１４に可動子を、シリンダ１２に固定子を組み込んでいる。そのため、本実施形態によれば、可動子や固定子を、ピストン１４とは離れた箇所に設けた従来のリニア発電機（例えば特許文献１など）と比べて、小型化できる。一方で、かかる構成の場合、空気バネ室１８の気密性を確保するためには、ピストンリング６２を、固定子であるシリンダ１２の内周面に密着させつつ摺動させる必要がある。そのため、シリンダ１２の内周面に何らかの保護部材を設けない場合、固定子の発電コイル２０や電磁鋼板が、ピストンリング６２と擦れ合い、損傷する恐れがある。

そこで、本実施形態では、上述した通り、シリンダ１２の内周面に空気バネ室側ライナ６０を設け、固定子の保護を図っている。この空気バネ室側ライナ６０は、シリンダ１２の内周面のうち、少なくとも固定子部分を覆う位置・範囲に設けられている。かかる空気バネ室側ライナ６０は、非磁性材料から構成される。これは、発電機の機能を適切に保つためである。また、空気バネ室側ライナ６０は、非磁性材料の中でも、摺動性、耐摩耗性、耐熱性が高い材料からなることが望ましい。具体的には、例えば、セラミックや、耐熱温度・耐摩耗性・摺動性が高い樹脂などが挙げられる。特に、樹脂は、成形性に富んでいることから望ましい。ただし、樹脂の中でもある程度、耐熱性・耐摩耗性の高いものであることが望ましく、例えば、テフロン（登録商標）の商品名などで知られているポリ四フッ化エチレンや、ＰＯＭの略号で知られているポリアセタール、ナイロン、ポリエチレン、エポキシ樹脂などが望ましい。

かかる空気バネ室側ライナ６０は、例えば、樹脂などの非磁性材料を、固定子の内周面に塗布した後、固化して形成されてもよい。また、別の形態として、予め、シリンダ１２内径に対応した径、かつ、非磁性材料からなる円筒部材を形成しておき、当該円筒部材を、シリンダ１２内に圧入し、固定することで空気バネ室側ライナ６０を構成してもよい。

いずれにしても、非磁性材料からなる空気バネ室側ライナ６０を設けることで、固定子が、ピストンリング６２で直接擦られることがなく、空気バネ室１８の気密性を保ちつつも、固定子の損傷を防止できる。また、空気バネ室側ライナ６０は、固定子の表面に比べて、高い摺動性を有するため、ピストン１４摺動時に生じる摩擦抵抗を小さく抑えることができ、リニア発電機１０のシステム効率をより向上できる。

ところで、本実施形態のように、固定子として機能するシリンダ１２内に設ける空気バネ室側ライナ６０は、非磁性材料であることが絶対条件となる。一方で、非磁性材料は、セラミックなどの一部素材を除けば、耐熱温度が低いことが多い。そのため、リニア発電機の効率を下げることなく、空気バネ室側ライナ６０の周辺温度を少しでも低く抑える構成にすることが望まれる。そこで、本実施形態では、ピストン１４およびシリンダ１２を、小径部と大径部を有する段付形状としている。

すなわち、ピストンリング６２の周辺温度を上昇させる原因としては、空気バネ室１８の熱や燃焼室１６の熱等が挙げられる。ピストン１４およびシリンダ１２を段付形状とした場合、最も高温に達する燃焼室１６と、空気バネ室側ライナ６０が配置される空間は、シリンダ１２の段差面やピストン１４により、分離された別空間となる。その結果、燃焼室１６で生じた熱風が、直接、空気バネ室側ライナ６０に当たることが防止される。結果として、燃焼室１６の熱が、空気バネ室側ライナ６０の周辺まで伝わりにくくなり、空気バネ室側ライナ６０の周辺温度を小さく抑えることができる。

また、空気バネ室１８は、圧縮されて内圧が高まるほど、温度が高くなる。一方で、空気バネ室１８内の空気が、ピストン１４を押し戻す力は、ピストン１４の空気バネ室側に対向する面の大きさ（空気バネ室側受圧面積）と圧力との積で表すことができる。換言すれば、空気バネ室側受圧面積が大きければ、空気バネ室１８の内圧が低くても、高い押し戻し力を得ることができる。そこで、本実施形態では、ピストン１４を段付形状として、燃焼室１６のボア径に対する空気バネ室側受圧面積の比率を大きくしている。これにより、ピストン１４を押し戻すために必要な空気バネ室１８の内圧を低く抑えることができ、ひいては、空気バネ室１８の温度を低く抑えることができる。

空気バネ室側受圧面積は、空気バネ室側ライナ６０の耐熱温度に基づいて決定されている。すなわち、上述した通り、空気バネ室側受圧面積を大きくするほど、ピストン１４を押す戻すために必要な空気バネ室１８の内圧を低く抑えることができ、ひいては、発生熱量を低く抑えることができる。そこで、本実施形態では、ピストン１４の大径部の径（ひいては受圧面積）を、空気バネ室側ライナ６０の周辺耐熱温度が、空気バネ室側ライナ６０の耐熱温度以下に抑えられるような大きさに設計している。

なお、ピストン１４を小径部と大径部を有する段付形状とした場合には、燃焼室容積当たりの永久磁石２２の表面積を大きくできるという利点もある。すなわち、ピストン１４の大径部の外周面は、可動子の永久磁石２２の設置スペースでもある。ピストン１４を段付形状とした場合には、この大径部の外周面積を、燃焼室１６のボア径（ひいては燃焼室容積）に対して大きくすることができる。そして、結果として、リニア発電機１０の発電出力を向上できる。

なお、これまで説明した構成は、一例であり、固定子の内周面に非磁性材料からなる空気バネ室側ライナ６０が設けられているのであれば、その他の構成は適宜変更されてもよい。例えば、本実施形態では、ピストン１４を中実構成としたが、その内部が一部抉られた中空構造としてもよい。ピストン１４を中空構造にして軽量化することで、ピストン１４の押し戻しに要する力を低減でき、ひいては、空気バネ室１８の内圧をより低く抑えることができる。そして、結果として、空気バネ室側受圧面積の大型化を抑えつつ、空気バネ室側ライナ６０の周辺温度を低く保つことができる。

図２は、中空のピストン１４の一例を示す図である。このピストン１４は、小径部と大径部の境界に位置する段差面が、空気室バネ室側に大きく抉られており、断面略Ｅ字状となっている。また、ピストン１４の中心には、空気バネ室側端面から燃焼室１６側に延びる穴６４が形成されている。このように、ピストン１４の一部を抉った形状とすることで、ピストン１４を軽量化しつつも、空気バネ室側受圧面積を大きく取ることができる。そして、結果として、空気バネ室１８の内圧を低く抑えることができ、ひいては、空気バネ室側ライナ６０の周辺温度を低く抑えることができる。

また、ピストン１４の一部を抉って軽量化する場合には、図２に示すように、この抉って形成される穴６４に挿入される柱状部材６６を設けて、ピストン１４の往復運動をガイドするガイド機構としてもよい。かかるガイド機構を設けることにより、ピストン１４の径方向への変位が防止され、可動子と固定子の間のギャップ量が常に一定に保たれる。そして、結果として、発電効率を高く維持することができる。なお、当然ながら、空気バネ室側端面から延びる穴６４に、柱状部材６６を挿入してガイド機構を構成する場合には、当該穴６４の内周面と柱状部材６６の外周面との間にもピストンリング６２などの摺動部材を配置し、ガスシール性を保ちつつ摺動摩擦の低減を図ることが望ましい。

また、これまでの説明では、大径部および小径部を有する段付形状のピストン１４を例示したが、空気バネ室側ライナ６０の周辺温度を、空気バネ室側ライナ６０の耐熱温度以下に保てるのであれば、段のないストレート形状のピストン１４を用いてもよい。また、空気バネ室１８に、調圧弁等の圧力調整手段を設け、空気バネ室１８の圧力が過大、ひいては、過度に高温になるのを防止するようにしてもよい。

１０ リニア発電機、１２ シリンダ、１４ ピストン、１６ 燃焼室、１８ 空気バネ室、２０ 発電コイル、２２ 永久磁石、４０ 掃気孔、４４ 排気口、４６ 排気バルブ、４８ インジェクタ、５０ 点火プラグ、５２ 掃気口、５４ 掃気バルブ、６０ 空気バネ室側ライナ、６２ ピストンリング。

Claims (5)

1. 筒状の固定子と、可動子が組み込まれ、前記固定子の内部で直線往復運動するピストンと、前記ピストンの一方の側に設けられた燃焼室と、前記ピストンの他方の側に設けられた空気バネ室と、を有するフリーピストンエンジン駆動リニア発電機であって、
   非磁性材料からなり、前記固定子の内周面を覆って前記ピストンの摺動面を構成するライナを備える、ことを特徴とするフリーピストンエンジン駆動リニア発電機。
2. 請求項１に記載のフリーピストンエンジン駆動リニア発電機であって、
   前記ライナは、樹脂からなる、ことを特徴とするフリーピストンエンジン駆動リニア発電機。
3. 請求項１または２に記載のフリーピストンエンジン駆動リニア発電機であって、
   前記ピストンは、燃焼室側に設けられた小径部と、空気バネ室側に設けられて前記小径部よりも大径の大径部と、を有し、
   前記ライナは、前記ピストンの大径部の摺動部分に設けられる、
   ことを特徴とするフリーピストンエンジン駆動リニア発電機。
4. 請求項３に記載のフリーピストンエンジン駆動リニア発電機であって、
   前記ピストンは、前記小径部および大径部の境界に形成される段差面において空気バネ室側に抉られた断面略Ｅ字形である、ことを特徴とするフリーピストンエンジン駆動リニア発電機。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載のフリーピストンエンジン駆動リニア発電機であって、
   前記ピストンの空気バネ室側受圧面積は、前記ライナの耐熱温度に基づいて、決定されている、ことを特徴とするフリーピストンエンジン駆動リニア発電機。

Images