JP5518196B2 - ピストンの磁気軸受を有するピストン機関 - Google Patents

Description

本発明は、少なくとも１つの第１ピストンおよび少なくとも１つの第１ハウジングを有するピストン機関に関する。少なくとも１つの第１ハウジングが少なくとも１つの第１ピストンを完全に又は少なくとも部分的に包囲している。少なくとも１つの第１ピストンの少なくとも１つの磁気軸受装置により少なくとも１つの第１ピストンが少なくとも１つの第１ハウジング内で移動可能に磁気的に支持されている。

熱機関は、化学エネルギから機械エネルギへのエネルギ変換、熱エネルギから機械エネルギへのエネルギ変換、そして機械エネルギから熱エネルギへのエネルギ変換に使用される。熱機関としての内燃機関は化学エネルギを機械エネルギに変換し、熱機関としてのスターリングエンジンは熱エネルギを機械エネルギに変換し、そして熱機関としてのヒートポンプは機械エネルギを熱エネルギに変換する。最も頻繁に使用される熱機関の１つが、ピストンの機械エネルギが連接棒の助けにより回転軸に伝達されるピストン機関である。

代わりの構成が自由ピストン機関によってもたらされる。自由ピストン機関は連接棒のないピストン機関である。自由ピストン機関は、例えば液圧システム用のポンプとして使用され、又は電気エネルギの直接発生のためにリニア発電機との組合せで使用される。

熱機関を古典的なピストン機関として構成するか、それとも自由ピストン機関として構成するかに関係なく、運転中にピストンとシリンダとの間において一般に摩擦が発生し、この摩擦が摩耗をもたらす。摩耗は、時間とともに熱機関の機能に制約をもたらし、又は熱機関の破壊を招く。摩擦もしくは摩耗の問題の古典的な解決は機械の潤滑によって行なわれる。潤滑はピストンとシリンダとの間の機械摩擦を軽減するが、摩耗の問題を完全に解消するわけではない。特に、例えば連接棒の位置に依存してピストンに作用し得る横向きの力はピストン・シリンダ系の摩耗の考えられ得る原因の１つであり、これは潤滑によって除去されない。更に、油ポンプによる潤滑作用は、その油ポンプがクランク軸を介して運転される場合には機械始動時において、そして僅かな油圧しか発生しない熱機関の低回転数時において、問題を含んでいる。

摩耗は機械の著しい寿命低下を招く。例えば、自動車において摩耗は１００００運転時間への寿命低下を、建設機械のディーゼル機関において摩耗は１５０００運転時間までへの寿命低下を招く。

潤滑剤の使用は同様に問題をもたらす。内燃機関では常に潤滑剤の一部が一緒に燃焼され、それにより、とりわけ環境負担増を招く。潤滑油は不純物によって、そしてそれらに及ぼされる力によって破壊され、そのために、潤滑される機械の場合、定期的に必要な潤滑剤の交換によって高いメンテナンス費用が発生する。

本発明によるピストン機関の課題は、潤滑剤の使用なしに摩耗の少ない機能を実現することにある。本発明によるピストン機関の他の課題は、摩耗の激しい可動部分を通常のピストン機関に比べて減らすことによって構造を簡単化することにある。本発明によるピストン機関の更に別の課題は、部品点数の削減により低減した製造コストで機械寿命を高めることにある。

上記課題は、ピストン機関に関しては請求項１の特徴事項によって解決され、そのピストン機関を用いる方法に関しては請求項１５の特徴事項によって解決される。

本発明によるピストン機関およびそのピストン機関を用いる方法の有利な実施形態は、それぞれに対応する従属請求項から読み取ることができる。これらの請求項の特徴事項は、対応する従属請求項の特徴事項と組み合わせることができる。

本発明によるピストン機関は、少なくとも１つの第１ピストンおよび少なくとも１つの第１ハウジングを有し、少なくとも１つの第１ハウジングが少なくとも１つの第１ピストンを完全に又は少なくとも部分的に包囲している。少なくとも１つの第１ピストンの少なくとも１つの磁気軸受装置により少なくとも１つの第１ピストンが少なくとも１つの第１ハウジング内で移動可能に磁気的に支持されている。少なくとも１つの第１ピストンの少なくとも１つの磁気軸受装置が少なくとも１つの第１ハウジングに対して相対的に位置固定されて配置されている。

少なくとも１つの第１ハウジング内で少なくとも１つの第１ピストンを磁気的に支持することによって、ピストンとハウジングとの間の摩擦を防止し、潤滑剤の使用を省略することができる。少なくとも１つの磁気軸受装置の位置固定された配置は、最小限の個数の可動部品を有する簡単な構造をもたらす。このようなピストン機関は簡単に低コストで製造することができる。

少なくとも１つの第１ピストンの少なくとも１つの磁気軸受装置が、少なくとも１つの第１ハウジングに対して相対的に位置固定されて配置された少なくとも１つの電磁コイルを有するとよい。電磁コイルは、簡単に電流によって制御することができ、ピストンの磁気軸受のために必要な磁界の大きさを簡単に調整することができる。この代わりに、磁気軸受を永久磁石で実現することもできる。

少なくとも１つの第１ピストンの少なくとも１つの磁気軸受装置が、それぞれ３つの軸受点を備えた２つの軸受個所を有するとよい。この構成によってピストンの４つの自由度が調整され、格別に安定な軸受が達成される。その４つの自由度は、ピストンの移動軸に対して垂直方向にある２つの軸におけるピストンの変位と、これらの２つの軸の周りにおける傾斜とによって与えられている。

代替又は追加として、少なくとも１つの第１ピストンが少なくとも１つの磁気コイルを有するとよい。これは、ピストンの１つ又は複数のコイルを介してピストンの軸受に使用される磁界の発生および制御を可能にする。

少なくとも１つの第１ピストンが少なくとも１つの継鉄、特に積層継鉄および／又は軟磁性複合材料からなる継鉄を有するとよい。継鉄内では、ピストンの移動時に磁界によって電流が誘導され、その電流が同様に磁界を発生する。少なくとも１つの第１ピストンの少なくとも１つの軸受装置の磁界との相互作用にて、ピストンは少なくとも１つの第１ハウジング内で浮上支持される。この少なくとも１つの第１ピストンの表面又は内部の１つのコイルを省略することができ、あるいは当該コイルを付加的に軸受の微調整のために使用することができる。

少なくとも１つの第１ピストンが少なくとも１つのばね、特にばね系に接続されているとよい。このばね又はばね系は、少なくとも１つの第１ピストンの摩擦のない磁気軸受を支援する。このばね又はばね系は、ピストンから他の部材への力伝達のためにも使用することができる。

少なくとも１つの第１ピストンが円形又は楕円形の基底面を有する円筒状の丸形ピストンであり、少なくとも１つの第１ハウジングが円形又は楕円形の基底面を有する円筒状のハウジングであるとよい。これは格別に簡単な構造をもたらす。ピストンおよびハウジングの楕円状の形成は、２つの軸受個所を介するそれぞれ２つのみの軸受点による安定な軸受を可能にし、あるいは３つの軸受点の場合には軸受安定性の向上をもたらす。

少なくとも１つの第１ピストンが中空円筒の形を有する少なくとも１つの延長部を有するとよい。少なくとも１つの第１ハウジングが少なくとも１つの延長部のために１つの凹部を有するとよい。その延長部およびそれに対応するハウジング内の対応する凹部により、ピストンの更なる安定化を達成し、機械の運転中におけるピストンの傾斜を防止することができる。

ピストン機関が電磁式リニア機械を有するとよい。ピストンの磁気軸受と電磁式リニア機械との組み合わせによって、リニア機械において直接的にエネルギ変換を行なうことができる。場合によっては潤滑されなければならなかった費用のかかる機械構造を削減することができる。電磁式リニア機械と、少なくとも１つの第１ピストンの少なくとも１つの磁気軸受装置とは、互いに分離された２つの装置であってよい。しかし、それらは共通な部品を有していてもよい。後者の場合には、磁気軸受のための部品が、エネルギ変換時にリニア機械によって使用される。これは、互いに分離されて構成された軸受とリニア機械とを有する構造に比べて部品点数の低減をもたらす。

電磁式リニア機械が、少なくとも１つの第１ピストンの移動方向に沿って配置された複数の環状コイルを有するとよい。これは、格別に簡単な構造と、高い効率を有するリニア機械によるエネルギ変換をもたらす。

この電磁式リニア機械は、リラクタンス機又は永久磁石同期機又は非同期機として実施することができる。

更に、電磁式リニア機械がｎ相（ｎは正の整数）に構成されていることおよび／又は電磁式リニア機械の基本巻線が直線に沿ってｍ重（ｍは正の整数）に繰り返されて、相前後して配置されているとよい。

少なくとも１つの第１ピストンと少なくとも１つの第１ハウジングとの間に少なくとも１つの第１の空間が形成されており、該空間が少なくとも１つの流入通路および少なくとも１つの流出通路を有し、および／又は少なくとも１つの弁を有するとよい。それによりこのピストン機関によって圧縮機又は内燃機関が構成される。

上述のピストン機関を用いる方法では、少なくとも１つの第１ピストンと少なくとも１つの第１ハウジングとの間に存在する間隙の大きさの調整が少なくとも１つの第１ピストンの変形によっておよび／又は少なくとも１つの第１ハウジングの変形によって行なわれとよい。特に当該変形が磁界作用によって引き起こされるとよい。磁界は、ここでも、同時に軸受のためにおよび／又はリニア機械のために使用される装置によって発生させられるとよい。

この方法において、少なくとも１つの第１ハウジングの１つのスリットが、前記間隙の大きさの調整に使用される力の低減を生じさせるとよい。

前記間隙に１つのパッキンが挿入され、少なくとも１つの第１ピストンの磁気軸受が、このパッキンに対して正確に規定された圧縮力を生じさせるとよい。このパッキンが、ＰＣＴＦＥ又はテフロン（登録商標）からなるとよい。

少なくとも１つの第１ハウジングが冷却および／又は加熱されてもよい。冷却および加熱は、まさにピストン機関がスターリングエンジンとして実施される場合に有利である。

以下において従属請求項の特徴事項による有利な発展形態を有する本発明の好ましい実施形態を次の図面に基づいて更に詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

磁気軸受と電磁式リニア機械とを備えたピストン機関の縦断面図である。 図１に示されたピストン機関の縦軸に対する直角方向の横断面図である。 ピストンの中空円筒形の延長部分とこれに対応するハウジング内の対応する凹部とを有する図１のピストン機関の縦断面図である。

図１は本発明によるピストン機関１の断面を示す。ピストン機関１は円筒形のハウジング２を有し、このハウジング内に円筒形のピストン３が移動可能に配置されている。円筒形のピストン３の外周面には継鉄４が配設されている。ハウジング２の外側の円筒状の外周には、２つの個所５ａおよび５ｂにおいてその外周に沿ってそれぞれ４つの軸受点６ａ〜６ｄ又は６ｅ〜６ｈに、それぞれ２つの磁気回路７ａ〜７ｐが配置されており、これらの磁気回路はピストン３の磁気軸受のための磁気回路である。図示されていない代替の実施形態は、それぞれ１つの磁気回路７ａ〜７ｆを有する３つの軸受点６ａ〜６ｃを有し、これはピストンの安定な軸受のためには十分である。前述の個数の組み合わせ、又は用途および力作用に合わせての磁気回路、軸受点および軸受個所の個数の変更が、所望の用途に応じて可能である。図１の断面図では、個所５ａおよび５ｂのそれぞれについて、便宜上２つ軸受点６ａおよび６ｃもしくは６ｅおよび６ｇのみが示されている。磁気軸受個所５ａおよび５ｂは、ハウジング２の中心軸線８に沿って、それぞれ円筒形のハウジング２の底面および上面から等しい間隔で配置されている。各磁気軸受個所５ａ又は５ｂにおける中心軸線８に対して垂直なハウジング２の円形断面沿いには、その円形断面の外周に沿って互いに等しい間隔で軸受点６ａ〜６ｄ又は６ｅ〜６ｈが配置されている。

軸受点６ａ〜６ｈにおける磁気回路７ａ〜７ｐは、永久磁石又は電磁コイルで構成することができる。電磁コイルの場合に、これらはそれぞれ継鉄を有するとよい。磁気回路７ａ〜７ｐは磁界を発生し、中心軸線に対して垂直に向けられた磁力線によりハウジング２内に入り込む磁界を発生する。これらの磁界とピストン３の継鉄４によって発生させられる磁界との相互作用が、ハウジング２内でのピストン３の非接触の磁気軸受をもたらす。ピストン３はハウジング２内において中心軸線８に沿って自由に移動可能である。継鉄４および磁気回路７ａ〜７ｐの磁界の相互作用は、ハウジング２内において、ピストン３がハウジング２に接触することなく、ピストン３を浮上状態に保持する。

図１に示されているように、コイルからなる磁気回路７ａ〜７ｐの磁界の大きさは、それぞれ、それらのコイル内の電流により電気的に決定される。磁気回路の電子制御装置９が、コイル内の電流の大きさ、従って磁気回路７ａ〜７ｐの磁界の大きさを制御もしくは調節する。調節を行なう場合には、ハウジング２内に配置された距離センサ１１がハウジング２内でのピストン３の位置に関する情報をもたらし、距離センサの電子装置１２および電子制御装置１０の中央調節器を介して磁気回路７ａ〜７ｐの電子制御装置に信号を与える。これらの信号により磁界が調節され、ピストンの中心軸線がハウジングの中心軸線８からはずれた際に距離センサ１１が電子装置１２，１０，９に信号を与え、このことが磁気回路７ａ〜７ｐにおける電流の調整をもたらし、それによって磁界が変化し、ピストン３の継鉄４の磁界との相互作用にてピストンへの付加的な力が影響を及ぼされ、その付加的な力がピストンの位置を変化させる。その位置は、ピストンの中心軸線がハウジングの中心軸線８と一致するように変化させられる。

図１に示されているように、ハウジング２の外周面には、コイル１６ａ〜１６ｆと、これらのコイル１６ａ〜１６ｆを包囲する継鉄１７とが配置されている。コイル１６ａ〜１６ｆは、その継鉄１７ならびにピストン３の継鉄４と結合してリニア機械１５を形成している。それゆえ、ピストン３の継鉄４は、ピストン３の磁気軸受に役立っていると共に、リニア機械１５の一部としても利用されている。リニア機械１５の助けにより、ピストン３の機械エネルギを直接的に電気エネルギに変換すること、および／又はその逆の変換をすることができる。摩耗の影響下にあって潤滑剤の注入を必要とする費用のかかる機械装置が削減される。リニア機械１５は、電子装置１８および中間回路１９ならびに系統接続用電子装置２０を介して、接続端子２１により電力系統に接続可能である。従って、リニア機械１５によって発生させられる電流を外部の電力系統に供給することができる。

図２は個所５ａ又は５ｂにおけるピストン機関１の縦軸に対して垂直な横断面を示す。この断面図において２つの距離センサ１１が見え、これらの２つの距離センサ１１はハウジング２に取り付けられているか、もしくはハウジング２内に組み込まれており、個所５ａ又は５ｂから空間的に僅かにずらされて配置されている。図１に示されているように、第２個所５ｂ又は５ａに別の２つの距離センサ１１が僅かに空間的にずらされて配置されている。これらの４つの距離センサ１１により、ハウジング２に対するピストン３の相対位置を明確に決定することができる。

ピストン３とハウジング２との間には、それぞれ縦軸８に沿ってハウジング２の始端および終端とピストン３との間に、第１空間１３および第２空間１４が形成されている。縦軸８に沿ったピストン３の移動時に、空間１３および１４の容積が変化する。空間１３の容積が減少すると空間１４の容積が増加し、そしてその逆の場合にはその逆になる。空間１３および１４は、内燃機関においては燃焼室として利用可能である。あるいはスターリングエンジンにおいては交互に一方の空間を加熱し一方の空間を冷却し、そしてその逆にすることができる。それによってピストン３に力が作用し、その力が軸線８に沿った移動を発生させる。ピストン３の移動の運動エネルギは、リニア機械１５によって直接的に電気エネルギに変換することができる。

図２には、ハウジング２の外周面に、もしくはハウジング２の内部に組み込まれて、個所５ａもしくは５ｂにそれぞれ４つの軸受点６ａ〜６ｄもしくは６ｅ〜６ｈが示されている。各軸受点６ａ〜６ｈにそれぞれ２つの磁気回路７が配置されていて、これらの磁気回路は、それぞれ１つの継鉄又は１つの共通な継鉄を有するが、便宜上、後者のみが図２に示されている。

図３には、本発明によるピストン機関１の代替的な実施形態が示されている。この実施形態は、図１および図２における実施形態に比べて、ハウジング２に対するピストン３の高い位置安定性をもたらし、もしくはハウジング２内でのピストン３の傾斜を防止する。ハウジング２内には、図３に示されているように、ピストン始端およびピストン終端にそれぞれ中空円筒部が配置されている。すなわち、ピストン３は、それの両端が中空円筒形の延長部２２により延長されている。これらの中空円筒形の延長部２２と反対の形状を有する相応の凹部２３がハウジング始端およびハウジング終端にそれぞれ形成されている。

１ ピストン機関
２ ハウジング
３ ピストン
４ 継鉄
５ａ，５ｂ 磁気軸受個所
６ａ〜６ｄ 軸受点
６ｅ〜６ｈ 軸受点
７ａ〜７ｐ 磁気回路
８ 中心軸線
９ 電子制御装置
１０ 電子制御装置
１１ 距離センサ
１２ 電子装置
１３ 空間
１４ 空間
１５ リニア機械
１６ａ〜１６ｅ コイル
１７ 継鉄
１８ 電子装置
１９ 中間装置
２０ 系統接続用電子装置
２１ 接続端子
２２ 延長部
２３ 凹部

Claims (16)

1. 少なくとも１つの第１ピストン（３）および少なくとも１つの第１ハウジング（２）を有し、この少なくとも１つの第１ハウジング（２）が少なくとも１つの第１ピストン（３）を完全に又は少なくとも部分的に包囲し、少なくとも１つの第１ピストン（３）の少なくとも１つの磁気軸受装置（７）により少なくとも１つの第１ピストン（３）が少なくとも１つの第１ハウジング（２）内で移動可能に磁気的に支承されているピストン機関（１）において、少なくとも１つの第１ピストン（３）の少なくとも１つの磁気軸受装置（７）が少なくとも１つの第１ハウジング（２）に対して相対的に位置固定されて配置されているピストン機関（１）を用いる方法であって、
   前記少なくとも１つの第１ピストン（３）と前記少なくとも１つの第１ハウジング（２）との間に存在する前記間隙の大きさの調整が、少なくとも１つの第１ピストン（３）の変形および少なくとも１つの第１ハウジング（２）の変形の少なくとも一方によって行なわれ、
   少なくとも１つの第１ハウジング（２）のスリットが前記間隙の大きさの調整に使用される力の低減を生じさせることを特徴とする方法。
2. 少なくとも１つの第１ピストン（３）および少なくとも１つの第１ハウジング（２）を有し、この少なくとも１つの第１ハウジング（２）が少なくとも１つの第１ピストン（３）を完全に又は少なくとも部分的に包囲し、少なくとも１つの第１ピストン（３）の少なくとも１つの磁気軸受装置（７）により少なくとも１つの第１ピストン（３）が少なくとも１つの第１ハウジング（２）内で移動可能に磁気的に支承されているピストン機関（１）において、少なくとも１つの第１ピストン（３）の少なくとも１つの磁気軸受装置（７）が少なくとも１つの第１ハウジング（２）に対して相対的に位置固定されて配置されているピストン機関（１）を用いる方法であって、
   前記少なくとも１つの第１ピストン（３）と前記少なくとも１つの第１ハウジング（２）との間に存在する前記間隙の大きさの調整が、少なくとも１つの第１ピストン（３）の変形および少なくとも１つの第１ハウジング（２）の変形の少なくとも一方によって行なわれ、
   パッキンが前記間隙に挿入され、少なくとも１つの第１ピストン（３）の磁気軸受がこのパッキンに対して正確に規定された圧縮力を生じさせることを特徴とする方法。
3. 前記少なくとも１つの第１ハウジング（２）が、冷却又は加熱されることを特徴とする請求項１又は２記載の方法。
4. 少なくとも１つの第１ピストン（３）の少なくとも１つの磁気軸受装置（７）が、少なくとも１つの第１ハウジング（２）に対して相対的に位置固定されて配置された少なくとも１つの電磁コイルを有することを特徴とする請求項１乃至３の１つに記載の方法。
5. 少なくとも１つの第１ピストン（３）の少なくとも１つの磁気軸受装置（７）が、それぞれ３つの軸受点（６ａ〜６ｆ）を備えた２つの軸受個所（５ａ，５ｂ）を有することを特徴とする請求項１乃至４の１つに記載の方法。
6. 少なくとも１つの第１ピストン（３）が少なくとも１つの磁気コイルを有することを特徴とする請求項１乃至５の１つに記載の方法。
7. 少なくとも１つの第１ピストン（３）が少なくとも１つの継鉄（４）を有することを特徴とする請求項１乃至６の１つに記載の方法。
8. 少なくとも１つの第１ピストン（３）が少なくとも１つのばねに接続されていることを特徴とする請求項１乃至７の１つに記載の方法。
9. 少なくとも１つの第１ピストン（３）が円形又は楕円形の基底面を有する円筒状の丸形ピストンであり、かつ、少なくとも１つの第１ハウジング（２）が円形又は楕円形の基底面を有する円筒状のハウジングであることを特徴とする請求項１乃至８の１つに記載の方法。
10. 少なくとも１つの第１ピストン（３）が中空円筒の形を有する少なくとも１つの延長部（２２）を有し、少なくとも１つの第１ハウジング（２）が少なくとも１つの該延長部（２２）のために凹部（２３）を有することを特徴とする請求項１乃至９の１つに記載の方法。
11. ピストン機関（１）が電磁式リニア機械（１５）を有することを特徴とする請求項１乃至１０の１つに記載の方法。
12. 前記電磁式リニア機械（１５）が、少なくとも１つの第１ピストン（３）の移動方向に沿って配置された環状コイル（１６ａ〜１６ｆ）を有することを特徴とする請求項１１記載の方法。
13. 前記電磁式リニア機械（１５）が、リラクタンス機又は永久磁石同期機又は非同期機として実施されていることを特徴とする請求項１１又は１２記載の方法。
14. 前記電磁式リニア機械（１５）が、ｎ相（ｎは正の整数）に構成されていること、又は電磁式リニア機械の基本巻線が直線に沿ってｍ重（ｍは正の整数）に繰り返されて直列配置されていることを特徴とする請求項１１乃至１３の１つに記載の方法。
15. 前記電磁式リニア機械（１５）と、前記少なくとも１つの第１ピストン（３）の少なくとも１つの磁気軸受装置（７）とが、２つの互いに分離された装置であることを特徴とする請求項１１乃至１４の１つに記載の方法。
16. 前記少なくとも１つの第１ピストン（３）と前記少なくとも１つの第１ハウジング（２）との間に少なくとも１つの第１空間（１３）が形成されており、該空間が少なくとも１つの流入通路および少なくとも１つの流出通路、および少なくとも１つの弁を有することを特徴とする請求項１乃至１５の１つに記載の方法。
    
    

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