JP4415133B2 - リニア発電装置 - Google Patents

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Description

本発明は流体圧シリンダーを構成するピストンとシリンダー間において発電を誘起するようにしたリニア発電装置に関する。
特許文献１はフリーピストンエンジン（流体圧シリンダー）と、リニア発電機とが協働して発電する発電装置を開示している。
上記発電装置を構成するフリーピストンエンジン（流体圧シリンダー）は、自動車エンジンのシリンダー構造と同様、シリンダーの一端にのみ燃焼室（流体圧室）を備えた単燃焼室形シリンダーであり、該単燃焼室における燃料の燃焼爆発によって発生する流体圧でピストンを一方向にのみ移動し、上記リニア発電機を電動機として駆動することによりピストンを他方向へ移動させてフリーピストンエンジンの吸気行程と圧縮行程と排気行程を行わせ、該フリーピストンエンジンの燃焼爆発時に上記リニア発電機から発電出力を取り出す構造を有している。
特開２００５−３１８７０８号公報
上記特許文献１に係るリニア発電装置は単燃焼室形シリンダーから成るフリーピストンエンジン（流体圧シリンダー）の燃焼爆発と、リニア発電機の電動機としての機能とが協働してフリーピストンエンジンのピストンを軸線方向へ往復動せしめ、リニア発電機のコイルを電動機と発電機の要素として兼用する構造であり、これを制御する制御装置と併せ、構造が複雑且つコスト高になる問題点を有している。
又ピストンの一方向への移動を燃焼爆発によって行い、他方向への移動を電動機によって行うため、発電効率に劣る問題点を有している。
又フリーピストンエンジンとリニア発電機とを直列に接続する構造であるため長大となり、過大な占有スペースを要する。
本発明は流体圧シリンダーを構成するピストンとシリンダー間において発電を誘起するようにした、上記問題点を一掃するリニア発電装置を提供するものである。
要述すると本発明に係るリニア発電装置は、シリンダーの左端壁と接する左流体圧室内の流体圧と同右端壁と接する右流体圧室内の流体圧とをシリンダー内のピストンに交互に印加して同ピストンを軸線方向へ往復移動する流体圧シリンダー構造を有し、上記ピストンの上記左流体圧室と接する左受圧面と上記右流体圧室と接する右受圧面間に永久磁石帯域を形成すると共に、上記シリンダーの左右端壁間の筒壁に上記左、右流体圧室に亘る起電コイル帯域を形成し、上記永久磁石帯域を有するピストンの軸線方向への往復移動により上記起電コイル帯域における発電を誘起する構成を有する。
そして上記起電コイル帯域の外周面を環状に包囲する固定永久磁石筒体を設け、且つ上記固定永久磁石筒体の外周面を環状に包囲する固定筒形ヨークを設けた構成にし、発電効率を高めたものである。
上記左、右流体圧室は燃焼室を構成し、該燃焼室における燃料の燃焼爆発による流体圧で上記ピストンを軸線方向へ移動する構成とする。
又は上記左、右流体圧室内へ外部より交互に高圧流体を供給し、該高圧流体の流体圧で上記ピストンを軸線方向へ移動する構成とする。
上記ピストンは筒形の永久磁石で形成し、該筒形ピストンの筒孔の両端開口面を受圧端板で閉鎖し、該受圧端板で流体圧を受圧するように構成する。
上記筒形ピストンは永久磁石から成る単一筒体で形成するか、又は複数の永久磁石から成るリング又は同短筒体を夫々積層して同筒形ピストンを形成する。
本発明によれば、シリンダー両端の左、右流体圧室の流体圧を交互に印加してピストンを往復動せしめる流体圧シリンダーの構造を基本構造として採用しながら、該流体圧シリンダーを構成するピストンとシリンダー間において発電を誘起することができ、発電装置の構造の簡素化と小形軽量化を達成することができ、効率の良い発電が安定に得られる。
又ピストンを筒形とし、受圧端板によって流体圧を受圧しピストンの移動を得る構造により、同ピストンの軽量化を達成し、円滑なる往復移動と効率の良い発電を誘起することができる。
更には上記受圧端板によって上記ピストンの永久磁石を衝撃や熱から有効に保護できる。
以下本発明を実施するための最良の形態を図１乃至図７に基づき説明する。
本発明に係るリニア発電装置は、シリンダー１の左端壁２と接する左流体圧室４内の流体圧と、同右端壁３と接する右流体圧室５内の流体圧とをシリンダー１内のピストン（フリーピストン）６に交互に印加して同ピストン６を軸線方向へ往復移動する流体圧シリンダー構造を有する。
上記シリンダー１は左端と右端が端壁２，３にて閉鎖された真円筒形の両端閉鎖形筒体から成り、内部に軸線方向に移動可能なピストン（フリーピストン）６を有し、該シリンダー１の左端筒壁とピストン６と左端壁２間に上記左流体圧室４を画成し、該シリンダー１の右端筒壁とピストン６と右端壁３間に上記右流体圧室５を画成している。
本発明に係るリニア発電装置は上記流体圧シリンダー構造を採りながら、上記ピストン６の上記左流体圧室４と接する左受圧面７と上記右流体圧室５と接する右受圧面８間に永久磁石帯域９を形成すると共に、上記シリンダー１の左右端壁２，３間の筒壁に上記左、右流体圧室４，５に亘る起電コイル帯域１１を形成し、上記永久磁石帯域９を有するピストン６の軸線方向への往復移動により上記起電コイル帯域１１における発電を誘起する構成を有する。
上記左、右流体圧室４，５は燃焼室を構成し、該燃焼室における燃料の燃焼爆発による流体圧で上記ピストン６を軸線方向へ移動する構成とする。
又は上記左、右流体圧室４，５内へ外部より交互に高圧流体２０，２０′を供給し、該高圧流体２０，２０′の流体圧で上記ピストン６を軸線方向へ移動する構成とする。
図１，図２，図３に示すように、上記ピストン６は永久磁石筒体６′で形成し、該永久磁石筒体６′の筒孔１３の両端開口面を受圧端板１４で閉鎖し、該受圧端板１４で流体圧を受圧するように構成する。
具体例として図１は単一の筒体６ａから成る永久磁石筒体６′で上記筒形ピストン６を形成した例を示し、該永久磁石筒体６′を筒形ヨーク１０に外挿し、両端開口面を受圧端板１４で閉鎖したピストン構造にする。
又図２は永久磁石から成る複数の短筒体６ｃを一体に且つ同軸芯に積層した構造の永久磁石筒体６′で上記筒形ピストン６を形成した例を示し、該永久磁石筒体６′を筒形ヨーク１０に外挿し、両端開口面を受圧端板１４で閉鎖したピストン構造にする。
又図３は永久磁石から成る複数のリング６ｂを一体且つ同軸芯に積層した構造の永久磁石筒体６′で上記筒形ピストン６を形成した例を示し、該永久磁石筒体６′を筒形ヨーク１０に外挿し、両端開口面を受圧端板１４で閉鎖したピストン構造にする。
又図４は永久磁石から成る複数の中実構造の短柱体６ｄを一体に且つ同軸芯に積層した構造の永久磁石柱体６″でピストン６を形成した例を示し、両端面に受圧端板１４を設けたピストン構造にする。
上記リング６ｂ，短筒体６ｃを積層構造にした場合はリング６ｂ又は短筒体６ｃの積層数の増減によりピストン６（永久磁石帯域９）の長さを増減できる。
好ましくは、図１乃至図４で説明した受圧端板１４をセラミック板、繊維板、石材板、コンクリート板、カーボン板、金属板等から成る耐熱板で形成する。
又上記永久磁石筒体６′及び永久磁石柱体６″の両端外周面にシリンダー１の内周面との気密封鎖を図る環状シール１５を設ける。又は永久磁石筒体６′から成る筒形ピストン６の両端開口面を閉鎖する受圧端板１４の外周面に環状シール１５を設ける。
上記永久磁石筒体６′及び永久磁石柱体６″の極性は既知の電磁誘導原理に従い、永久磁石の磁力線が起電コイル帯域１１の起電コイルに対し効果的に作用する配置とする。
例えば図１に示す永久磁石筒体６′の内周部をＮ極（又はＳ極）とし、外周部をＳ極（又はＮ極）とする。
同様に図２，図３に示すように、短筒体６ｃ又はリング６ｂを積層して永久磁石筒体６′を形成する場合にも、短筒体６ｃとリング６ｂの内周部をＮ極（又はＳ極）とし、外周部をＳ極（又はＮ極）とすることができる。
図３は具体例として外周部をＮ極、内周部をＳ極としたリング６ｂと、外周部をＳ極、内周部をＮ極としたリング６ｂとを軸線方向に交互に積層し、永久磁石筒体６′を構成した場合を示している。図２の複数の短筒体６ｃを積層して永久磁石筒体６′を形成した場合も極性を交互にして短筒体６ｃを積層することができる。
又図４は芯部にＳ極を有し外周部にＮ極を有する短柱体６ｄと、芯部にＮ極を有し外周部にＳ極を有する短柱体６ｄとを軸線方向に積層した場合を示している。
上記起電コイル帯域１１を形成する起電コイルは上記各例示の極配置に従い複数の単位起電コイル群で形成する場合を含む。
勿論永久磁石筒体６′と永久磁石柱体６″を形成する全ての短筒体６ｃ又はリング６ｂ又は短柱体６ｄを外周部において同極にし、内周部において同極になるように積層構造にすることができる。
図５は上記永久磁石筒体６′（又は永久磁石柱体６″）でピストン６を構成する手段を採用しつつ、シリンダー１に起電コイル帯域１１の外周面を環状に包囲する固定永久磁石筒体１′を設け、起電コイルによる発電をより効率的に行わせるようにした実施例を示している。
図５は更に上記固定永久磁石筒体１′の外周面を環状に包囲する固定筒形ヨーク１６を設けた実施例を示している。
上記固定永久磁石筒体１′と、該固定永久磁石筒体１′を包囲する固定筒形ヨーク１６と、ピストン６を構成する永久磁石筒体６′又は永久磁石柱体６″と、該永久磁石筒体６′を外挿せる筒形ヨーク１０とは協働して発電効率を高める。
例示として図５に示すように、多数の永久磁石リング１ａを積層して固定永久磁石筒体１′を形成し、該筒体１′で起電コイル帯域１１の起電コイルを環状に包囲し、且つ該起電コイル帯域１１を介してピストン６を構成する永久磁石筒体６′を環状に包囲する。
換言すると、起電コイル帯域１１の起電コイルの内周面と外周面に永久磁石筒体６′，１′を配置し、両永久磁石筒体６′，１′間に起電コイルが狭在された構造にする。
上記固定永久磁石筒体１′を構成する永久磁石リング１ａと、前記ピストン６を構成する永久磁石リング６ｂとは、例えば図３，図５に示すように、隣接するリング１ａ，６ｂが互いに逆極性となるように夫々積層する。
図２に示す短筒体６ｃで永久磁石筒体６′（ピストン６）を形成した場合も、複数の永久磁石短筒体を積層して固定永久磁石筒体１′を形成し、該筒体１′でピストン６を構成する永久磁石筒体６′を環状に包囲し、例えば筒体１′と６′における隣接する短筒体が互いに逆極性となるように配置した構成を採ることができる。
図１乃至図４の各例示において上記起電コイル帯域１１を包囲する固定永久磁石筒体１′を設けることができ、該固定永久磁石筒体１′を設けた場合には、ピストン６を構成する永久磁石筒体６′を薄肉にし、同様にピストン永久磁石柱体６″を小径にし、更なるピストン６の軽量化を図ることができる。
前記の通り、上記左、右流体圧室４，５が燃焼室を構成する場合、例えば左右端壁２，３に点火プラグ１９を設け、該左右端壁２，３又はシリンダー１の左右端筒壁に燃料噴射弁１７を設け、例えば左右端壁２，３又は左右端筒壁又はシリンダー筒壁の中間部に排気弁１８を設ける。
以下、図６Ａ乃至図６Ｄに基づき、左右流体圧室４，５が左右燃焼室を構成する場合の動作を説明する。
図６Ａ，図６Ｂに示すように、左側の点火プラグ１９により同燃料噴射弁１７を通じ供給された左燃焼室４内の圧縮燃料の燃焼爆発により、受圧端板１４の左受圧面７に流体圧を与え、ピストン６（永久磁石筒体６′又は永久磁石柱体６″）を軸線上を右方へ移動する。
上記図６Ｃ，図６Ｄに示すように、ピストン６が上記右方移動により、右燃焼室５内に右側の燃料噴射弁１７を通じて噴射された燃料（気体との混合気）を圧縮し、右点火プラグ１９で点火し、右燃焼室５内において圧縮燃料を燃焼爆発せしめ、受圧端板１４の右受圧面８に流体圧を与え、ピストン６（永久磁石筒体６′又は永久磁石柱体６″）を軸線上を左方へ移動する。
上記左右燃焼室４，５内の燃焼爆発によって発生した流体（燃焼気体）２０はピストン６の往復移動に伴い排気弁１８を通じ排気する。
以上の動作を繰り返すことにより、上記ピストン６を形成する永久磁石筒体６′又は永久磁石柱体６″（永久磁石帯域９）が繰り返し往復移動し、起電コイル帯域１１における発電を誘起する。
次に図７Ａ，図７Ｂに基づき上記左、右流体圧室４，５に外部より高圧流体を供給してピストン６を往復動せしめる実施例について説明する。ここに高圧流体２０′とはエアー、スチームの他、各種ガス気体を用いることができる。
例えば左右端壁２，３に流体供給弁２１と排気弁２２を設け、図７Ａに示すように、左流体圧室４内に左流体供給弁２１を通じ高圧流体２０′を供給し、該高圧流体２０′の流体圧を受圧端板１４の左受圧面７に与え、ピストン６（永久磁石筒体６′又は永久磁石柱体６″）を軸線上を右方へ移動する。
次に上記図７Ｂに示すように、ピストン６が上記右方移動の終端に達した時に、右流体圧室５内に右流体供給弁２１通じ高圧流体２０′を供給し、該高圧流体２０′の流体圧を受圧端板１４の右受圧面８に与え、ピストン６（永久磁石筒体６′又は永久磁石柱体６″）を軸線上を左方へ移動する。
以上の動作を繰り返すことにより、上記ピストン６を形成する永久磁石筒体６′又は永久磁石柱体６″（永久磁石帯域９）が繰り返し往復移動し、起電コイル帯域１１における発電を誘起する。
本発明に係るリニア発電装置のピストン（永久磁石筒体）を永久磁石から成る単一筒体にて形成した例を示す断面図。 上記リニア発電装置のピストン（永久磁石筒体）を永久磁石から成る短筒体の積層にて形成した例を示す断面図。 上記リニア発電装置のピストン（永久磁石筒体）を永久磁石から成るリングの積層にて形成した例を示す断面図。 上記リニア発電装置のピストン（永久磁石柱体）を永久磁石から成る短柱体にて形成した例を示す断面図。 上記各例示のリニア発電装置において固定永久磁石筒体と固定筒形ヨークを設けた例を示す断面図。 燃料の燃焼爆発によりピストンを駆動せしめるリニア発電装置の第一動作を示す断面図。 燃料の燃焼爆発によりピストンを駆動せしめるリニア発電装置の第二動作を示す断面図。 燃料の燃焼爆発によりピストンを駆動せしめるリニア発電装置の第三動作を示す断面図。 燃料の燃焼爆発によりピストンを駆動せしめるリニア発電装置の第四動作を示す断面図。 外部より供給する高圧流体によりピストンを駆動せしめるリニア発電装置の第一動作を示す断面図。 外部より供給する高圧流体によりピストンを駆動せしめるリニア発電装置の第二動作を示す断面図。
符号の説明
１…シリンダー、１′…固定永久磁石筒体、１ａ…永久磁石リング、２…左端壁、３…右端壁、４…左流体圧室、５…右流体圧室、６…ピストン、６′…永久磁石筒体、６″…永久磁石柱体、６ａ…単一筒体、６ｂ…リング、６ｃ…短筒体、６ｄ…短柱体、７…左受圧面、８…右受圧面、９…永久磁石帯域、１０…筒形ヨーク、１１…起電コイル帯域、１３…筒孔、１４…受圧端板、１５…環状シール、１６…固定筒形ヨーク、１７…燃料噴射弁、１８…排気弁、１９…点火プラグ、２０…流体（燃焼気体）、２０′…高圧流体、２１…流体供給弁、２２…排気弁。

Claims (5)

  1. シリンダーの左端壁と接する左流体圧室内の流体圧と同右端壁と接する右流体圧室内の流体圧とをシリンダー内のピストンに交互に印加して同ピストンを軸線方向へ往復移動する流体圧シリンダー構造を有し、上記ピストンの上記左流体圧室と接する左受圧面と上記右流体圧室と接する右受圧面間に永久磁石帯域を形成すると共に、上記シリンダーの左右端壁間の筒壁に上記左、右流体圧室に亘る起電コイル帯域を形成し、上記永久磁石帯域を有するピストンの軸線方向への往復移動により上記起電コイル帯域における発電を誘起する構成としたリニア発電装置において、上記起電コイル帯域の外周面を環状に包囲する固定永久磁石筒体を設け、且つ上記固定永久磁石筒体の外周面を環状に包囲する固定筒形ヨークを設けたことを特徴とするリニア発電装置。
  2. 上記左、右流体圧室は燃焼室を構成し、該燃焼室における燃料の燃焼爆発による流体圧で上記ピストンを軸線方向へ移動する構成であることを特徴とする請求項１記載のリニア発電装置。
  3. 上記左、右流体圧室内へ外部より交互に高圧流体を供給し、該高圧流体の流体圧で上記ピストンを軸線方向へ移動する構成であることを特徴とする請求項１記載のリニア発電装置。
  4. 上記ピストンを筒形にし、該筒形ピストンの筒孔の両端開口面を流体圧を受圧する受圧端板で閉鎖したことを特徴とする請求項１又は２又は３記載のリニア発電装置。
  5. 永久磁石から成る複数のリング又は同複数の短筒体を積層して上記筒形ピストンを形成したことを特徴とする請求項４記載のリニア発電装置。
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