フリーピストン式発電機
【課題】より効率を向上でき得るフリーピストン式発電機を提供する。
【解決手段】フリーピストン式発電機１０は、ピストン２０を挟んで両側に燃焼室２６および空気室２８が設けられ、前記燃焼室２６で燃料を燃焼させた際の燃焼圧力および前記ピストン２０により圧縮された空気室２８の反発力によりピストン２０が往復移動するエンジンユニット１６と、前記ピストン２０の往復運動に伴い発電を行う発電ユニット１４と、を備え、前記空気室２８に接触するピストン端面の面積である空気室受圧面積が、前記燃焼室２６に接触するピストン端面の面積である燃焼室受圧面積より大きい。
【解決手段】フリーピストン式発電機１０は、ピストン２０を挟んで両側に燃焼室２６および空気室２８が設けられ、前記燃焼室２６で燃料を燃焼させた際の燃焼圧力および前記ピストン２０により圧縮された空気室２８の反発力によりピストン２０が往復移動するエンジンユニット１６と、前記ピストン２０の往復運動に伴い発電を行う発電ユニット１４と、を備え、前記空気室２８に接触するピストン端面の面積である空気室受圧面積が、前記燃焼室２６に接触するピストン端面の面積である燃焼室受圧面積より大きい。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、機械的な拘束を受けることなくシリンダ内で直線往復運動するピストンの動きに伴い発電するフリーピストン式発電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、燃焼室で燃料を燃焼させた際に得られる燃焼圧力により、シリンダ内でピストンを往復運動させるフリーピストンエンジンに発電ユニットを組み込み、ピストンの往復運動に伴い発電を行うフリーピストン式発電機が広く知られている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、燃焼室内に進退するピストンに連結されたロッドに永久磁石を固定し、その周囲にコイルが配置されたフリーピストン式発電機が開示されている。この発電機では、ピストンの往復運動に伴い永久磁石とコイルとの相対位置関係が変化することで発電が行われる。この特許文献１において、燃焼圧力により燃焼室から離れる方向に移動したピストンは、ロッドに取り付けられた板バネの復元力で燃焼室側に押し戻される。
【０００４】
また、フリーピストン式発電機の中には、板バネに替えて、ピストンの燃焼室とは反対側に空気室を設け、ピストンの移動に伴い圧縮された空気室の反発力により、ピストンを燃焼室側に押し戻すものもある。かかる空気室を利用した構成によれば、板バネのように耐久性に乏しい機械部品を省略することができ、発電機の寿命を向上することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−１７００７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、こうした空気室を利用する構成の場合、空気室内の空気圧縮に伴い、温度上昇が発生し、熱損失が生じることがあった。そして、結果としてフリーピストン式リニア発電機のシステム効率（エンジンの熱効率×発電機の発電効率）が低下するという問題があった。
【０００７】
そこで、本発明では、フリーピストン式リニア発電機のシステム効率を上昇でき得るフリーピストン式発電機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のフリーピストン式発電機は、ピストンの直線往復運動に伴い発電するフリーピストン式発電機であって、ピストンを挟んで両側に燃焼室および空気室が設けられ、前記燃焼室で燃料を燃焼させた際の燃焼圧力および前記ピストンにより圧縮された空気室の反発力によりピストンが往復移動するエンジンユニットと、前記ピストンの往復運動に伴い発電を行う発電ユニットと、を備え、前記空気室に面するピストン端面の面積である空気室受圧面積が、前記燃焼室に面するピストン端面の面積である燃焼室受圧面積より大きい、ことを特徴とする。
【０００９】
好適な態様では、前記ピストンは、燃焼室内に進退する小径部と、前記小径部よりも大径で空気室に進退する大径部と、を備える。この場合、前記発電ユニットは、前記ピストンの大径部の外側面に設置される永久磁石と、前記ピストンを収容するシリンダの内側面のうち前記永久磁石との対向位置に設置された発電コイルと、を備えることが望ましい。
【００１０】
他の好適な態様では、前記ピストンを収容するシリンダは、シリンダ端部から突出し、ピストンの運動方向をガイドする１以上のガイド体を備え、前記ピストンは、前記ガイド体が挿入される凹部を１以上備える。
【００１１】
この場合、前記シリンダは、前記シリンダの中心軸上において空気室側端部から突出し、前記ガイド体として機能する支柱と、前記燃焼室側端部から突出する環状リブであって、燃焼室の周壁を構成し、前記ガイド体として機能する内側ライナと、を備え、前記ピストンは、前記支柱が挿入され、空気室側端部から燃焼室側に向かって延びるピストン内凹部と、内側ライナが挿入され、前記ピストン内凹部の周囲において燃焼室側端部から空気室側に向かって延びるピストン外凹部と、を備える、ことが望ましい。
【００１２】
また、前記ガイド体と、前記ガイド体が挿入される前記凹部との間には、前記ガイド体および前記凹部の相対移動を補助するリニアボールベアリングが配される、ことも望ましい。
【００１３】
他の好適な態様では、前記シリンダ内において区画される空間のうち前記燃焼室および空気室のいずれにも該当しない空間の少なくとも一つが、作動油または作動空気が充填され、前記ピストンの変位を制御する油圧室または空圧室として機能する。
【００１４】
他の好適な態様では、前記空気室におけるシリンダ内側面とピストン外側面との間は、ガスシール部材を設けることなく、微小間隙を介して対向しており、前記微小間隙量は、空気室内空気の燃焼室側への漏れ量が予め規定された許容漏れ量以下になる値に設定されている。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、空気室受圧面積が、燃焼室受圧面積より大きいため、空気室圧力が比較的小さくて、ピストンを押し戻すことができるため、熱損失が低減でき、結果としてフリーピストン式リニア発電機のシステム効率（エンジンの熱効率×発電機の発電効率）を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施形態であるフリーピストン式発電機の構成図である。
【図２】第二実施形態のフリーピストン式発電機の構成図である。
【図３】他のフリーピストン式発電機の構成図である。
【図４】フリーピストン式発電機の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
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式発電機１０の概略構成図である。
【００１８】
このフリーピストン式発電機１０は、燃焼圧力によるピストン２０の動きを電気的エネルギに変換して取り出す装置で、ピストン２０を往復運動させるエンジンユニット１６と、ピストンの動きに伴い発電を行なう発電ユニット１４と、に大別される。
【００１９】
発電ユニット１４は、固定子として機能するシリンダ１８と、可動子として機能するピストン２０と、から構成される。ピストン２０の外側面には永久磁石２４が埋め込まれており、シリンダ１８の内壁（永久磁石２４の外周囲）には発電コイル２２が固定設置されている。エンジンユニット１６の駆動によりピストン２０がシリンダ１８内で往復移動すると、この永久磁石２４と発電コイル２２との相対位置関係が変化し、これにより、永久磁石２４周囲の磁界が変化する。そして、この磁界の変化に応じて発電コイル２２に誘導起電力が発生する。この誘導起電力によって発電が行われ、発電により得られた電力は、図示しないバッテリなどに送電される。
【００２０】
エンジンユニット１６は、ピストン２０をシリンダ１８内で往復運動させるユニットである。このエンジンユニット１６には、発電ユニット１４の固定子としても機能するシリンダ１８と、発電ユニット１４の可動子としても機能するピストン２０と、シリンダ１８内においてピストン２０の両側に設けられた燃焼室２６および空気室２８と、を備えている。つまり、ピストン２０は、燃焼室２６および空気室２８に挟まれている。そして、燃焼室２６および空気室２８は、ピストン２０の往復運動に伴い体積が変化するようになっている。
【００２１】
シリンダ１８は、既述したとおり、固定子として機能するもので、その内部には発電コイル２２が埋め込まれている。このシリンダ１８の一端側には燃焼室２６が、他端側には空気室２８が形成され、両室２６，２８の間にはピストン２０が摺動自在に配置される。ここで、本実施形態では、シリンダ１８の内部には段差が形成されており、燃焼室２６が形成される小径空間と、小径部２０ｓよりも内径が大きくて空気室２８が形成される大径空間と、が形成されている。既述の発電コイル２２は、この大径空間の内側面に配置される。このようにシリンダ１８の内部に段差を形成し、小径空間と大径空間とを設ける理由については後に詳説する。
【００２２】
ピストン２０は、可動子として機能するもので、シリンダ１８の内部に摺動自在に配置される。このピストン２０も、シリンダ１８と同様に段差が形成されており、燃焼室２６側に位置する小径部２０ｓと、小径部２０ｓよりも大径で空気室２８側に位置する大径部２０ｂと、を備えている。そして、このピストン２０のうち、大径部２０ｂの外表面に永久磁石２４が配置される。
【００２３】
燃焼室２６は、燃料と新気（空気）との混合気の燃焼を行うチャンバである。この燃焼室２６には、燃料噴射弁３０や、点火プラグ３２、排気弁３４、掃気孔３６などが設けられている。燃料噴射弁３０は、燃焼室２６の端面（シリンダ１８の閉端面）に取り付けられた弁体で、燃焼室２６内に燃料を供給する。点火プラグ３２は、燃料と新気とが混合された混合気に点火し、燃焼（爆発）を生じさせる。排気弁３４は、燃焼室２６の端面（シリンダ１８の閉端面）に取り付けられており、燃焼後に生じる既燃ガスを外部に排出する。掃気孔３６は、燃焼室２６内に新気を取り込むために燃焼室２６の空気室２８寄りの位置に設けられ、掃気ポート３７に接続された孔である。この掃気孔３６は、ピストン２０の変位に応じて開口量が変化する。すなわち、ピストン２０が燃焼室２６側の端部付近に位置し、燃焼室２６が圧縮された状態では、掃気孔３６は、ピストン２０により遮蔽された状態となる。この場合、燃焼室２６への新気導入は阻害される。一方で、燃焼圧力によりピストン２０が空気室２８側（図面右側）へと移動すると、掃気孔３６が徐々に開口されていき、新気の導入が促されるようになっている。なお、ピストン２０により開放・閉鎖される掃気孔３６に代えて、電気や油圧で開閉駆動される掃気弁を設けてもよい。
【００２４】
空気室２８は、燃焼室２６とは反対側に設けられ、シリンダ１８とピストン２０の端面により囲まれたチャンバである。この空気室２８の内部に存在する空気室２８内ガス（空気など）は、混合気の燃焼により空気室２８側に移動してきたピストン２０を、燃焼室２６側に押し戻す空気バネとして機能する。すなわち、燃焼室２６内の燃焼圧力によりピストン２０が空気室２８側に移動すると、空気室２８が圧縮されることになる。圧縮された空気室２８は、圧縮された反動で、再度、膨張するべく、ピストン２０を燃焼室２６側へと押し戻す。
【００２５】
この空気室２８には、空気室２８の圧力を調整する調圧弁３８が設けられている。この調圧弁３８は、空気室２８の圧力が過大な場合には、空気室２８の内気を外部に流出させ、空気室２８の圧力が過小な場合には外気を空気室２８に流入させる。この調圧弁３８としては、例えば、圧力センサと、当該圧力センサの検出値に応じて開閉する電磁弁と、を組み合わせたものでもよいし、一定圧力で機械的に開閉する機械式バルブ、例えば、ダックビルバルブなどであってもよい。
【００２６】
シリンダ１８の特定箇所に設けられた位置センサ４０は、当該センサ設置位置へのピストン２０の到達を検出するセンサである。図示しない制御部は、この位置センサ４０で検知された到達タイミングとセンサ設置位置を、予め用意した運動特性のマップと照合したり、運動方程式を解いたり、簡単なモデルに当てはめたりして、ピストン２０の位置や速度を取得する。制御部は、ここで得られたピストン２０の位置や速度に基づいて、各種バルブの開閉タイミングや、燃料の噴射量、発電負荷量などを制御する。なお、かかる位置センサ４０に替えて、ピストン２０の位置をストローク全域に亘って検知する、光学的なリニアエンコーダや、磁気歪式直線変位センサ、あるいは、渦電流式ギャップセンサなどを用いてもよい。
【００２７】
ここで、本実施形態では、空気室側のシリンダ内径およびピストン２０外径を、燃焼室側のシリンダ内径およびピストン外径よりも大きくしている。別の言い方をすると、空気室２８からの反発圧力を受けるピストン２０端面の面積である空気室側受圧面積（すなわちピストン２０の空気室側端面の面積）を、燃焼室２６からの燃焼圧力を受けるピストン２０端面の面積である燃焼室側受圧面積（すなわちピストン２０の燃焼室側端面の面積）よりも大きくしている。かかる構成とするのは、次の理由による。
【００２８】
既述の説明で明らかなとおり、フリーピストン式発電機１０では、燃焼圧力により空気室側に移動したピストン２０は、当該ピストン２０により圧縮された空気室２８の反発力により、燃焼室側に押し戻される。ここで、この空気室２８の圧縮の際には、空気室２８の内圧の上昇に伴い、温度も上昇することが知られている。かかる温度上昇は、熱損失を増大させ、ひいてはフリーピストン式リニア発電機のシステム効率低下の要因となる。また、過度に温度が上昇した状態で、ピストン２０の摺動を補助する潤滑油が空気室２８内に浸入すると、当該潤滑油が自着火する恐れもあった。したがって、空気室２８の温度上昇、ひいては、空気室２８の圧力上昇は極力抑えられることが望ましいといえる。
【００２９】
ここで、ピストン２０が空気室２８から受ける反発力は、空気室２８がピストン２０を押す単位面積あたりの力（すなわち空気室２８の圧力）に、空気室側受圧面積を乗じた値となる。したがって、空気室側受圧面積が大きければ、空気室２８の圧力が低めでも、十分な反発力を得ることが出来るといえる。
【００３０】
しかし、従来のフリーピストン式発電機では、径一定のピストン２０を使用しており、空気室側受圧面積を大きくすることは困難であった。もちろん、ピストン全体の外径を大きくすれば、空気室側受圧面積も大きくできるが、この場合、ピストン２０の質量も大きくなる。そのため、ピストン２０を押し戻すために必要な反発力も大きくなり、結果として、空気室２８の圧力も高くせざるを得ず、空気室２８の温度上昇を効果的に抑制することはできない。また、ピストン２０全体の外径増大は、発電機の体格増大も招き、望ましくない。
【００３１】
一方、本実施形態では、シリンダ１８・ピストン２０の途中に段差を形成し、空気室寄りの部分だけ大径にしている。これにより、ピストン２０の質量の大幅な増加を防止しつつ、空気室側受圧面積を増大させることができる。その結果、空気室２８の内圧を過度に高めなくても、ピストン２０を押し戻すのに十分な反発力を得ることができる。そして、これにより、空気室２８の温度上昇を抑制でき、ひいては、熱損失の低減や、潤滑油の自着火のリスクを低減できる。
【００３２】
また、本実施形態では、燃焼室２６容積当たりの磁石表面積を大きくできるという利点もある。すなわち、発電ユニット１４を構成する永久磁石２４は、ピストン２０の外表面に設置される。したがって、この永久磁石２４の表面積は、どうしても、ピストン２０の径に依存することになる。そのため、径一定のピストン２０を用いていた従来のフリーピストン式発電機では、この永久磁石２４の表面積を大幅に増加させることが難しく、結果として、発電出力の増加が困難であった。一方、本実施形態では、既述したように、空気室寄りの部分だけ大径にしているため、永久磁石２４の設置面積を広くとることができ、燃焼室容積当たりの磁石表面積を大きくすることができる。その結果、発電量を増加させることができる。
【００３３】
次に、このフリーピストン式発電機１０の動作について説明する。まず、燃焼室２６の内部に燃料−空気の混合気がある状態で、ピストン２０が燃焼室２６側に移動し、燃焼室２６が十分に圧縮されると、点火プラグ３２により混合気への点火がなされる。この点火により混合気が燃焼（爆発）し、その燃焼圧力（ガス膨張力）により、ピストン２０が空気室２８側へと移動し、燃焼室２６の膨張、空気室２８の圧縮が行われる。このとき、燃焼室２６では、排気弁３４が開放され、燃焼室２６内における既燃ガスの排気が行われる。また、ピストン２０が、空気室２８側へと移動することで、ピストン２０により閉鎖されていた掃気孔３６が徐々に開放されていき、燃焼室２６への新気の取り込みが行われる。
【００３４】
一方、空気室２８は、燃焼圧力により移動するピストン２０により圧縮されていく。そして、ピストン２０が、空気室２８を十分に圧縮すると、今度は、当該空気室２８の圧縮空気の膨張力（反発力）により、ピストン２０が燃焼室２６側へと押し戻される。これにより、空気室２８の膨張・燃焼室２６の圧縮が開始される。なお、本実施形態では、空気室側受圧面積を、燃焼室側受圧面積に比して大きくしている。そのため、空気室２８の内圧が比較的小さくても、ピストン２０全体が受ける反発力（空気室２８の圧力×受圧面積）を大きくすることができる。そして、その結果、圧縮に伴う空気室２８の温度上昇を低減でき、熱損失が低減され、ひいては、フリーピストン式リニア発電機のシステム効率が向上される。
【００３５】
ピストン２０が燃焼室２６側へと移動することで掃気孔３６が閉鎖される。また、排気弁３４の閉鎖も行われ、燃焼室２６が密閉された状態となる。その状態で燃料の噴射が行われ、燃焼室２６内に新気と燃料の混合気が充填される。ピストン２０が燃焼室２６を十分に圧縮すると、点火プラグ３２により混合気に点火がなされる。そして、再び、ピストン２０が空気室２８側へ移動し、空気室２８の圧縮が行われる。以降は、同様のサイクル、すなわち、燃焼室２６の圧縮・空気室２８の膨張（圧縮行程）、混合気燃焼、燃焼室２６の膨張・空気室２８の圧縮（膨張行程）のサイクルを繰り返す。そして、このサイクルの過程で、ピストン２０に埋め込まれた永久磁石２４周囲の磁界が変化し、当該磁界の変化に応じて発電コイル２２に、誘導起電力が発生することで、発電が行われる。
【００３６】
なお、本実施形態では、火花点火について例示したが、圧縮着火燃焼（ディーゼル燃焼）を用いてもよいし、予混合圧縮自着火燃焼を用いてもよい。また、上述の説明では、永久磁石２４を用いた発電ユニット１４を示したが、永久磁石２４を用いないリラクタンス同期モータを応用して、発電ユニット１４を永久磁石２４を使わない構成としてもよい。
【００３７】
いずれにしても、本実施形態のように、燃焼室側受圧面積に比して、空気室側受圧面積を大きくすることで、空気室２８の温度上昇を抑えることができる。そして、これにより、熱損失を低減でき、潤滑油の自着火の恐れも低減できる。
【００３８】
次に、第二実施形態について図２を参照して説明する。図２は、第二実施形態であるフリーピストン式発電機の構成図である。このフリーピストン式発電機１０の基本的構成は、第一実施形態とほぼ同じである。
【００３９】
すなわち、このフリーピストン式発電機１０は、発電ユニット１４とエンジンユニット１６を備え、エンジンユニット１６は、シリンダ１８内に収容されたピストン２０と、当該ピストン２０の両側に設けられた燃焼室２６および空気室２８を備えている。そして、燃焼室２６で燃料を燃焼させた際の燃焼圧力およびピストン２０により圧縮された空気室２８の反発力によりピストン２０が往復移動するようになっている。
【００４０】
ただし、第一実施形態と異なり、本実施形態では、ピストン２０およびシリンダ１８の形状が若干異なっている。すなわち、本実施形態においては、シリンダ１８には、ピストン２０の運動方向をガイドする１以上のガイド体が形成されており、ピストン２０には、このガイド体が挿入される凹部が設けられている点で第一実施形態と異なっている。
【００４１】
より具体的に説明すると、本実施形態のシリンダ１８は、ガイド体として機能する支柱部４２と、内側ライナ４４と、が形成されている。支柱部４２は、シリンダ１８の空気室側端面の中央から燃焼室側に向かって伸びる柱状部位で、後述するピストン２０のピストン内凹部４６に挿入される部位である。
【００４２】
内側ライナ４４は、燃焼室側端部から空気室側に向かって延びる環状のリブである。この内側ライナ４４で囲まれた内部が燃焼室２６となり、内側ライナ４４は、燃焼室２６の周壁として機能することになる。また、この内側ライナ４４は、ピストン２０のピストン外凹部４８に挿入され、ピストン２０の運動方向を副次的にガイドするガイド体としても機能する。
【００４３】
ピストン２０には、ピストン内凹部４６とピストン外凹部４８とが形成されている。ピストン内凹部４６は、ピストン２０の空気室側端面の中央から燃焼室側に向かって延び、支柱部４２が挿入される穴である。このピストン内凹部４６の内径は、支柱部４２の外径とほぼ等しく、このピストン内凹部４６に支柱部４２が挿入されることで、実質的に、ピストン２０の径方向への動きが規制され、軸方向への動きのみが許容されることになる。その結果、往復運動の過程で、永久磁石２４と発電コイル２２との接触が効果的に防止でき、より安定した駆動が可能となる。また、ピストン内凹部４６を設けることにより、ピストン２０内部の一部が空洞化し、ピストン２０の質量が低下することになる。この場合、ピストン２０を燃焼室側に押し戻すのに必要な反発力は、比較的小さくてもよいことになる。そして、その結果、空気室２８を過度に圧縮しなくても、押し戻しに必要な反発力が得られることになり、空気室２８の圧力上昇、ひいては、温度上昇を低減できる。
【００４４】
ピストン外凹部４８は、ピストン２０の燃焼室側端部から空気室側に向かって延び、内側ライナ４４が挿入される環状の穴である。このピストン外凹部４８の断面形状は、内側ライナ４４の断面形状とほぼ等しく、このピストン外凹部４８に内側ライナ４４が挿入されることで、ピストン２０の径方向への動きの規制がより強化される。また、かかるピストン外凹部４８を設けることにより、ピストン２０の質量を低減しつつも、ピストン２０の最大外径は大きく保つことができる。その結果、押し戻しに必要な反発力をより低減でき、ひいては、空気室２８の圧力上昇、ひいては、温度上昇をより低減できる。また、ピストン２０の最大外径は大きく保てるため、磁石表面積を広く取ることができ、結果として発電出力の増加を図ることができる。
【００４５】
このピストン２０は、別の見方をすれば、空気室側端部に位置するベース部５０と、当該空気室側端面から燃焼室側に延びる円筒状の本体部５２と、ベース部５０の周縁から燃焼室側に延びる外側ライナ５４と、を備えているともいえる。ベース部５０および本体部５２の中央には、支柱部４２が挿入されるピストン内凹部４６が形成されており、本体部５２と外側ライナ５４との間には、ピストン外凹部４８として機能する環状の穴が形成されている。そして、本体部５２の燃焼室寄りの部分が燃焼室２６に進退する小径部２０ｓとして機能する。また、空気室側端部に位置するベース部５０および外側ライナ５４の部分が、空気室２８に進退する大径部２０ｂとして機能することになる。そして、この大径部２０ｂとして機能する外側ライナ５４の外側面に永久磁石２４が設置されている。つまり、本実施形態でも、第二実施形態と同様に、ピストン２０が、燃焼室２６内に進退する小径部２０ｓと、小径部２０ｓよりも大径で空気室２８に進退する大径部２０ｂと、を備えており、大径部２０ｂの外表面に永久磁石２４が設置されている。
【００４６】
なお、本実施形態では、空気室２８の中央に支柱部４２が形成されているため、空気室２８の断面形状は、円環形状となる。本実施形態では、空気室２８が、このように円環形状になったとしても、空気室側受圧面積が、燃焼室側受圧面積よりも大きくなるような寸法設定としている。すなわち、燃焼室２６の内径（ボア径）をＤａ、空気室２８の外径をＤｂ、空気室２８の内径（支柱部４２の外径）をＤｃとした場合、燃焼室側受圧面積Ｓ１＝（Ｄａ２／４）＊πが、空気室側受圧面積Ｓ２＝（Ｄｂ２／４）＊π−（Ｄｃ２／４）＊πより大きくなるように（つまりＤａ２＜（Ｄｂ２−Ｄｃ２）となるように）寸法設定している。かかる構成とすることで、第一実施形態と同様に、空気室２８の内圧上昇を低減でき、ひいては、空気室２８の温度上昇を低減できる。そして、その結果、熱損失を低減でき、また、潤滑油の自着火を効果的に抑制できる。
【００４７】
また、図２から明らかなとおり、本実施形態のピストン２０によれば、燃焼室２６から永久磁石２４までの熱伝導経路を長くすることができる。すなわち、一般に、発電ユニット１４を構成する永久磁石２４は、その減磁を避けるために、極力、一定温度に保たれることが望ましい。しかし、燃焼室２６で生じた燃焼熱が、ピストン２０を介して永久磁石２４に伝達され、永久磁石２４の温度が上昇するという問題がある。特に、中実のピストン２０の場合、燃焼室側端面に伝達された熱は、永久磁石２４まで、ほぼ、直線の経路を伝わって伝達され、永久磁石２４が温度上昇、ひいては、減磁しやすいという問題があった。一方、本実施形態のように、ピストン２０の一部を空洞化しておくことで、燃焼室側端面に伝達された熱は、本体部５２の側面からベース部５０、ベース部５０から外側ライナ５４を通って永久磁石２４に伝わることになり、熱伝導経路が長くなる。この熱伝導の過程で、空気中に放熱されたりすることで、最終的に、永久磁石２４に伝達される熱量を低減でき、結果として、永久磁石２４の温度上昇を抑制することができる。そして、その結果、永久磁石２４の減磁を抑制でき、発電効率を向上することができる。
【００４８】
なお、本実施形態では、ピストン内凹部４６に、ガイド体として機能する支柱部４２を、直接、挿入しているが、図３に示すように、両者の間に両者の相対移動を補助するリニアボールベアリング５６を配してもよい。かかる構成とすることで、ピストン２０の径方向への動きがより確実に規制され、永久磁石２４と発電コイル２２との接触がより効果的に防止できる。また、ピストン内凹部４６の側面と支柱部４２の側面との接触を防ぐことができ、その間の摩擦抵抗も低減できる。その結果、無駄な損失を低減でき、より効率的な発電が可能となる。
【００４９】
また、本実施形態では、ガイド体・凹部として、支柱部４２・ピストン内凹部４６と内側ライナ４４・ピストン外凹部４８の二種類を設けているが、当然ながら、これらは一種類でもよいし、より多種類設けられてもよい。例えば、支柱部４２およびピストン内凹部４６を省略し、内側ライナ４４・ピストン外凹部４８のみで、ピストン２０の移動方向をガイドするようにしてもよい。その場合であっても、ピストン２０の本体部５２の内部を空洞にし、ピストン２０全体の軽量化や伝熱経路の長距離化を図ることが望ましい。
【００５０】
いずれにしても、第一実施形態および第二実施形態のように、空気室側受圧面積を、燃焼室側受圧面積よりも大きくすることにより、空気室２８を過度に圧縮しなくても十分な反発力を得ることができ、結果として、空気室２８の温度上昇に伴う熱損失の増大を抑制することができ、発電効率を向上できる。
【００５１】
なお、第一実施形態および第二実施形態のいずれにおいても、シリンダ１８やピストン２０に段差や突起を設けることにより、シリンダ１８内に、空気室２８および燃焼室２６以外にも区画された区画空間６０ａ〜６０ｄ（図１〜図３参照）が幾つか形成されることになる。こうした区画空間６０ａ〜６０ｄは、燃焼室２６や空気室２８と同様、ピストン２０の往復運動に伴い体積変化する。したがって、かかる区画空間６０ａ〜６０ｄを密閉状態とすると、空気室２８同様、空気バネとして機能し、ピストン２０の挙動に悪影響を与え、無駄な圧縮仕事が発生する。したがって、かかる区画空間６０ａ〜６０ｄは、外部空間と連通させ、内圧一定に保たれるようにすることが望ましい。
【００５２】
また、別の形態として、こうした区画区間６０ａ〜６０ｄの少なくとも一つを油圧室もしくは制御された空圧室として利用してもよい。例えば、図２において、内側ライナ４４と、シリンダ１８の内側面と、ピストン２０の外側ライナ５４の端面とで区画された環状空間６０ｂを、作動油もしくは作動空気が充填された油圧室もしくは空圧室として用いてもよい。そして、この環状空間６０ｂに充填する作動油もしくは作動空気の量・圧力を、適宜、制御することにより、ピストン２０の燃焼室側への最大変位量や速度を制御するようにしてもよい。かかる構成とすることで、ピストン２０の上死点位置、ひいては、圧縮比を制御できる。その結果、燃焼圧力が過大になることを防止でき、また、燃焼騒音なども抑制できる。
【００５３】
また、第一実施形態および第二実施形態のようにピストン２０の空気室側部分の外径を大きくする場合には、ピストンリング等のガスシール部材を省略することが望ましい。すなわち、従来のフリーピストン式発電機１０では、空気室２８からのガス（空気）の漏れを防止するために、ピストンリングのようなガスシール部材を、ピストン２０の外表面と、シリンダ１８の内表面との間の間隙に配置していた。かかるピストンリングを設けることにより、空気室２８の圧力が高くなっても、空気室２８からのガス漏れが効果的に防止される。
【００５４】
しかしながら、かかるピストンリングは、シリンダ１８の内表面に接触した状態で、ピストン２０とともに往復運動することになり、摩擦損失を生み出していた。特に、第一実施形態および第二実施形態のようにピストン２０の空気室側部分の外径が大きい場合には、ピストン２０の周長、ひいては、ピストンリングの周長が長くならざるを得ず、結果として、ピストンリングとシリンダ１８内側面との接触面積が大きくなる。その結果、摩擦損失が大きくなりがちという問題がある。
【００５５】
かかる問題を避けるために、ピストン２０の空気室側部分の外径を大きくする場合には、ピストンリング等のガスシール部材を省略することが望ましい。なお、この場合、前記空気室２８におけるシリンダ１８内側面とピストン２０外側面との間隙量は、空気室２８内ガスの燃焼室側への漏れ量が予め規定された許容漏れ量以下になる値に設計する。これについて、図４を参照して説明する。図４は、フリーピストン式発電機１０の概略図である。図４に示す構成において、空気室２８におけるシリンダ１８内側面とピストン２０外側面との間隙を通過するガス流量Ｑは、空気室２８の内外での圧力差をΔＰ、ピストン２０径をｄ、間隙量をｈ、ガス密度をρ、作動ガスの動粘度をν、間隙量ｈとなる部分の長さをＬとした場合、当該間隙を通過するガス流量Ｑは次の式１で表される。
Ｑ＝（１．５７・ΔＰ・ｈ３・ｄ）／（ρ・ν・Ｌ）・・・（１）
そして、ピストン２０の偏心も考慮すると最大ガス漏れ量ＱｍａｘはＱｍａｘ＝２．５Ｑとなる。この最大ガス漏れ量Ｑｍａｘが、規定の許容漏れ率で定まるガス漏れ量以下となるべく、間隙量ｈを決定しておくことが望ましい。
【００５６】
ここで、最大ガス漏れ量Ｑｍａｘは、圧力差ΔＰ、ピストン２０径ｄ、および、間隙量ｈの３乗に比例し、ガス密度ρ、作動ガスの動粘度ν、間隙部分の長さＬに反比例する。このうち、空気室２８内ガスとして、空気を利用する限り、ガス密度ρおよび作動ガスの動粘度νは一定値となる。したがって、実質的に間隙量ｈは、許容漏れ率α、圧力差ΔＰ、ピストン２０径ｄ、および、間隙部分の長さＬに基づいて決定されることになる。より具体的に言えば、間隙量ｈは、許容漏れ率αが大きいほど大きく、圧力差ΔＰが大きいほど小さく、ピストン径ｄが大きいほど小さく、間隙部分の長さが大きいほど大きくなるように決定されることが望ましい。なお、ここで記載したシリンダ１８の内側面とピストン２０の外側面以外の間隙、すなわち、本体部５２と内側ライナ４４の間隙、支柱部４２とピストン内凹部４６の間隙には、ピストンリングのようなガスシール部材を用いることもできるし、ガスシール部材を省略して、ここに記載したように間隙量が予め規定した許容漏れ量となるように設計することもできる。
【００５７】
また、永久磁石２４と発電コイル２２との接触を防止するために、永久磁石２４表面と発電コイル２２設置面との間隙量ｂは、空気室２８におけるシリンダ１８内側面とピストン２０外側面との間隙量ｃよりも大きくしておくことが望ましい。
【符号の説明】
【００５８】
１０ フリーピストン式発電機、１４ 発電ユニット、１６ エンジンユニット、１８ シリンダ、２０ ピストン、２２ 発電コイル、２４ 永久磁石、２６ 燃焼室、２８ 空気室、３０ 燃料噴射弁、３２ 点火プラグ、３４ 排気弁、３６ 掃気孔、３７ 掃気ポート、３８ 調圧弁、４０ 位置センサ、４２ 支柱部、４４ 内側ライナ、４６ ピストン内凹部、４８ ピストン外凹部、５０ ベース部、５２ 本体部、５４ 外側ライナ、５６ リニアボールベアリング。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、機械的な拘束を受けることなくシリンダ内で直線往復運動するピストンの動きに伴い発電するフリーピストン式発電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、燃焼室で燃料を燃焼させた際に得られる燃焼圧力により、シリンダ内でピストンを往復運動させるフリーピストンエンジンに発電ユニットを組み込み、ピストンの往復運動に伴い発電を行うフリーピストン式発電機が広く知られている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、燃焼室内に進退するピストンに連結されたロッドに永久磁石を固定し、その周囲にコイルが配置されたフリーピストン式発電機が開示されている。この発電機では、ピストンの往復運動に伴い永久磁石とコイルとの相対位置関係が変化することで発電が行われる。この特許文献１において、燃焼圧力により燃焼室から離れる方向に移動したピストンは、ロッドに取り付けられた板バネの復元力で燃焼室側に押し戻される。
【０００４】
また、フリーピストン式発電機の中には、板バネに替えて、ピストンの燃焼室とは反対側に空気室を設け、ピストンの移動に伴い圧縮された空気室の反発力により、ピストンを燃焼室側に押し戻すものもある。かかる空気室を利用した構成によれば、板バネのように耐久性に乏しい機械部品を省略することができ、発電機の寿命を向上することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−１７００７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、こうした空気室を利用する構成の場合、空気室内の空気圧縮に伴い、温度上昇が発生し、熱損失が生じることがあった。そして、結果としてフリーピストン式リニア発電機のシステム効率（エンジンの熱効率×発電機の発電効率）が低下するという問題があった。
【０００７】
そこで、本発明では、フリーピストン式リニア発電機のシステム効率を上昇でき得るフリーピストン式発電機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のフリーピストン式発電機は、ピストンの直線往復運動に伴い発電するフリーピストン式発電機であって、ピストンを挟んで両側に燃焼室および空気室が設けられ、前記燃焼室で燃料を燃焼させた際の燃焼圧力および前記ピストンにより圧縮された空気室の反発力によりピストンが往復移動するエンジンユニットと、前記ピストンの往復運動に伴い発電を行う発電ユニットと、を備え、前記空気室に面するピストン端面の面積である空気室受圧面積が、前記燃焼室に面するピストン端面の面積である燃焼室受圧面積より大きい、ことを特徴とする。
【０００９】
好適な態様では、前記ピストンは、燃焼室内に進退する小径部と、前記小径部よりも大径で空気室に進退する大径部と、を備える。この場合、前記発電ユニットは、前記ピストンの大径部の外側面に設置される永久磁石と、前記ピストンを収容するシリンダの内側面のうち前記永久磁石との対向位置に設置された発電コイルと、を備えることが望ましい。
【００１０】
他の好適な態様では、前記ピストンを収容するシリンダは、シリンダ端部から突出し、ピストンの運動方向をガイドする１以上のガイド体を備え、前記ピストンは、前記ガイド体が挿入される凹部を１以上備える。
【００１１】
この場合、前記シリンダは、前記シリンダの中心軸上において空気室側端部から突出し、前記ガイド体として機能する支柱と、前記燃焼室側端部から突出する環状リブであって、燃焼室の周壁を構成し、前記ガイド体として機能する内側ライナと、を備え、前記ピストンは、前記支柱が挿入され、空気室側端部から燃焼室側に向かって延びるピストン内凹部と、内側ライナが挿入され、前記ピストン内凹部の周囲において燃焼室側端部から空気室側に向かって延びるピストン外凹部と、を備える、ことが望ましい。
【００１２】
また、前記ガイド体と、前記ガイド体が挿入される前記凹部との間には、前記ガイド体および前記凹部の相対移動を補助するリニアボールベアリングが配される、ことも望ましい。
【００１３】
他の好適な態様では、前記シリンダ内において区画される空間のうち前記燃焼室および空気室のいずれにも該当しない空間の少なくとも一つが、作動油または作動空気が充填され、前記ピストンの変位を制御する油圧室または空圧室として機能する。
【００１４】
他の好適な態様では、前記空気室におけるシリンダ内側面とピストン外側面との間は、ガスシール部材を設けることなく、微小間隙を介して対向しており、前記微小間隙量は、空気室内空気の燃焼室側への漏れ量が予め規定された許容漏れ量以下になる値に設定されている。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、空気室受圧面積が、燃焼室受圧面積より大きいため、空気室圧力が比較的小さくて、ピストンを押し戻すことができるため、熱損失が低減でき、結果としてフリーピストン式リニア発電機のシステム効率（エンジンの熱効率×発電機の発電効率）を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施形態であるフリーピストン式発電機の構成図である。
【図２】第二実施形態のフリーピストン式発電機の構成図である。
【図３】他のフリーピストン式発電機の構成図である。
【図４】フリーピストン式発電機の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
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式発電機１０の概略構成図である。
【００１８】
このフリーピストン式発電機１０は、燃焼圧力によるピストン２０の動きを電気的エネルギに変換して取り出す装置で、ピストン２０を往復運動させるエンジンユニット１６と、ピストンの動きに伴い発電を行なう発電ユニット１４と、に大別される。
【００１９】
発電ユニット１４は、固定子として機能するシリンダ１８と、可動子として機能するピストン２０と、から構成される。ピストン２０の外側面には永久磁石２４が埋め込まれており、シリンダ１８の内壁（永久磁石２４の外周囲）には発電コイル２２が固定設置されている。エンジンユニット１６の駆動によりピストン２０がシリンダ１８内で往復移動すると、この永久磁石２４と発電コイル２２との相対位置関係が変化し、これにより、永久磁石２４周囲の磁界が変化する。そして、この磁界の変化に応じて発電コイル２２に誘導起電力が発生する。この誘導起電力によって発電が行われ、発電により得られた電力は、図示しないバッテリなどに送電される。
【００２０】
エンジンユニット１６は、ピストン２０をシリンダ１８内で往復運動させるユニットである。このエンジンユニット１６には、発電ユニット１４の固定子としても機能するシリンダ１８と、発電ユニット１４の可動子としても機能するピストン２０と、シリンダ１８内においてピストン２０の両側に設けられた燃焼室２６および空気室２８と、を備えている。つまり、ピストン２０は、燃焼室２６および空気室２８に挟まれている。そして、燃焼室２６および空気室２８は、ピストン２０の往復運動に伴い体積が変化するようになっている。
【００２１】
シリンダ１８は、既述したとおり、固定子として機能するもので、その内部には発電コイル２２が埋め込まれている。このシリンダ１８の一端側には燃焼室２６が、他端側には空気室２８が形成され、両室２６，２８の間にはピストン２０が摺動自在に配置される。ここで、本実施形態では、シリンダ１８の内部には段差が形成されており、燃焼室２６が形成される小径空間と、小径部２０ｓよりも内径が大きくて空気室２８が形成される大径空間と、が形成されている。既述の発電コイル２２は、この大径空間の内側面に配置される。このようにシリンダ１８の内部に段差を形成し、小径空間と大径空間とを設ける理由については後に詳説する。
【００２２】
ピストン２０は、可動子として機能するもので、シリンダ１８の内部に摺動自在に配置される。このピストン２０も、シリンダ１８と同様に段差が形成されており、燃焼室２６側に位置する小径部２０ｓと、小径部２０ｓよりも大径で空気室２８側に位置する大径部２０ｂと、を備えている。そして、このピストン２０のうち、大径部２０ｂの外表面に永久磁石２４が配置される。
【００２３】
燃焼室２６は、燃料と新気（空気）との混合気の燃焼を行うチャンバである。この燃焼室２６には、燃料噴射弁３０や、点火プラグ３２、排気弁３４、掃気孔３６などが設けられている。燃料噴射弁３０は、燃焼室２６の端面（シリンダ１８の閉端面）に取り付けられた弁体で、燃焼室２６内に燃料を供給する。点火プラグ３２は、燃料と新気とが混合された混合気に点火し、燃焼（爆発）を生じさせる。排気弁３４は、燃焼室２６の端面（シリンダ１８の閉端面）に取り付けられており、燃焼後に生じる既燃ガスを外部に排出する。掃気孔３６は、燃焼室２６内に新気を取り込むために燃焼室２６の空気室２８寄りの位置に設けられ、掃気ポート３７に接続された孔である。この掃気孔３６は、ピストン２０の変位に応じて開口量が変化する。すなわち、ピストン２０が燃焼室２６側の端部付近に位置し、燃焼室２６が圧縮された状態では、掃気孔３６は、ピストン２０により遮蔽された状態となる。この場合、燃焼室２６への新気導入は阻害される。一方で、燃焼圧力によりピストン２０が空気室２８側（図面右側）へと移動すると、掃気孔３６が徐々に開口されていき、新気の導入が促されるようになっている。なお、ピストン２０により開放・閉鎖される掃気孔３６に代えて、電気や油圧で開閉駆動される掃気弁を設けてもよい。
【００２４】
空気室２８は、燃焼室２６とは反対側に設けられ、シリンダ１８とピストン２０の端面により囲まれたチャンバである。この空気室２８の内部に存在する空気室２８内ガス（空気など）は、混合気の燃焼により空気室２８側に移動してきたピストン２０を、燃焼室２６側に押し戻す空気バネとして機能する。すなわち、燃焼室２６内の燃焼圧力によりピストン２０が空気室２８側に移動すると、空気室２８が圧縮されることになる。圧縮された空気室２８は、圧縮された反動で、再度、膨張するべく、ピストン２０を燃焼室２６側へと押し戻す。
【００２５】
この空気室２８には、空気室２８の圧力を調整する調圧弁３８が設けられている。この調圧弁３８は、空気室２８の圧力が過大な場合には、空気室２８の内気を外部に流出させ、空気室２８の圧力が過小な場合には外気を空気室２８に流入させる。この調圧弁３８としては、例えば、圧力センサと、当該圧力センサの検出値に応じて開閉する電磁弁と、を組み合わせたものでもよいし、一定圧力で機械的に開閉する機械式バルブ、例えば、ダックビルバルブなどであってもよい。
【００２６】
シリンダ１８の特定箇所に設けられた位置センサ４０は、当該センサ設置位置へのピストン２０の到達を検出するセンサである。図示しない制御部は、この位置センサ４０で検知された到達タイミングとセンサ設置位置を、予め用意した運動特性のマップと照合したり、運動方程式を解いたり、簡単なモデルに当てはめたりして、ピストン２０の位置や速度を取得する。制御部は、ここで得られたピストン２０の位置や速度に基づいて、各種バルブの開閉タイミングや、燃料の噴射量、発電負荷量などを制御する。なお、かかる位置センサ４０に替えて、ピストン２０の位置をストローク全域に亘って検知する、光学的なリニアエンコーダや、磁気歪式直線変位センサ、あるいは、渦電流式ギャップセンサなどを用いてもよい。
【００２７】
ここで、本実施形態では、空気室側のシリンダ内径およびピストン２０外径を、燃焼室側のシリンダ内径およびピストン外径よりも大きくしている。別の言い方をすると、空気室２８からの反発圧力を受けるピストン２０端面の面積である空気室側受圧面積（すなわちピストン２０の空気室側端面の面積）を、燃焼室２６からの燃焼圧力を受けるピストン２０端面の面積である燃焼室側受圧面積（すなわちピストン２０の燃焼室側端面の面積）よりも大きくしている。かかる構成とするのは、次の理由による。
【００２８】
既述の説明で明らかなとおり、フリーピストン式発電機１０では、燃焼圧力により空気室側に移動したピストン２０は、当該ピストン２０により圧縮された空気室２８の反発力により、燃焼室側に押し戻される。ここで、この空気室２８の圧縮の際には、空気室２８の内圧の上昇に伴い、温度も上昇することが知られている。かかる温度上昇は、熱損失を増大させ、ひいてはフリーピストン式リニア発電機のシステム効率低下の要因となる。また、過度に温度が上昇した状態で、ピストン２０の摺動を補助する潤滑油が空気室２８内に浸入すると、当該潤滑油が自着火する恐れもあった。したがって、空気室２８の温度上昇、ひいては、空気室２８の圧力上昇は極力抑えられることが望ましいといえる。
【００２９】
ここで、ピストン２０が空気室２８から受ける反発力は、空気室２８がピストン２０を押す単位面積あたりの力（すなわち空気室２８の圧力）に、空気室側受圧面積を乗じた値となる。したがって、空気室側受圧面積が大きければ、空気室２８の圧力が低めでも、十分な反発力を得ることが出来るといえる。
【００３０】
しかし、従来のフリーピストン式発電機では、径一定のピストン２０を使用しており、空気室側受圧面積を大きくすることは困難であった。もちろん、ピストン全体の外径を大きくすれば、空気室側受圧面積も大きくできるが、この場合、ピストン２０の質量も大きくなる。そのため、ピストン２０を押し戻すために必要な反発力も大きくなり、結果として、空気室２８の圧力も高くせざるを得ず、空気室２８の温度上昇を効果的に抑制することはできない。また、ピストン２０全体の外径増大は、発電機の体格増大も招き、望ましくない。
【００３１】
一方、本実施形態では、シリンダ１８・ピストン２０の途中に段差を形成し、空気室寄りの部分だけ大径にしている。これにより、ピストン２０の質量の大幅な増加を防止しつつ、空気室側受圧面積を増大させることができる。その結果、空気室２８の内圧を過度に高めなくても、ピストン２０を押し戻すのに十分な反発力を得ることができる。そして、これにより、空気室２８の温度上昇を抑制でき、ひいては、熱損失の低減や、潤滑油の自着火のリスクを低減できる。
【００３２】
また、本実施形態では、燃焼室２６容積当たりの磁石表面積を大きくできるという利点もある。すなわち、発電ユニット１４を構成する永久磁石２４は、ピストン２０の外表面に設置される。したがって、この永久磁石２４の表面積は、どうしても、ピストン２０の径に依存することになる。そのため、径一定のピストン２０を用いていた従来のフリーピストン式発電機では、この永久磁石２４の表面積を大幅に増加させることが難しく、結果として、発電出力の増加が困難であった。一方、本実施形態では、既述したように、空気室寄りの部分だけ大径にしているため、永久磁石２４の設置面積を広くとることができ、燃焼室容積当たりの磁石表面積を大きくすることができる。その結果、発電量を増加させることができる。
【００３３】
次に、このフリーピストン式発電機１０の動作について説明する。まず、燃焼室２６の内部に燃料−空気の混合気がある状態で、ピストン２０が燃焼室２６側に移動し、燃焼室２６が十分に圧縮されると、点火プラグ３２により混合気への点火がなされる。この点火により混合気が燃焼（爆発）し、その燃焼圧力（ガス膨張力）により、ピストン２０が空気室２８側へと移動し、燃焼室２６の膨張、空気室２８の圧縮が行われる。このとき、燃焼室２６では、排気弁３４が開放され、燃焼室２６内における既燃ガスの排気が行われる。また、ピストン２０が、空気室２８側へと移動することで、ピストン２０により閉鎖されていた掃気孔３６が徐々に開放されていき、燃焼室２６への新気の取り込みが行われる。
【００３４】
一方、空気室２８は、燃焼圧力により移動するピストン２０により圧縮されていく。そして、ピストン２０が、空気室２８を十分に圧縮すると、今度は、当該空気室２８の圧縮空気の膨張力（反発力）により、ピストン２０が燃焼室２６側へと押し戻される。これにより、空気室２８の膨張・燃焼室２６の圧縮が開始される。なお、本実施形態では、空気室側受圧面積を、燃焼室側受圧面積に比して大きくしている。そのため、空気室２８の内圧が比較的小さくても、ピストン２０全体が受ける反発力（空気室２８の圧力×受圧面積）を大きくすることができる。そして、その結果、圧縮に伴う空気室２８の温度上昇を低減でき、熱損失が低減され、ひいては、フリーピストン式リニア発電機のシステム効率が向上される。
【００３５】
ピストン２０が燃焼室２６側へと移動することで掃気孔３６が閉鎖される。また、排気弁３４の閉鎖も行われ、燃焼室２６が密閉された状態となる。その状態で燃料の噴射が行われ、燃焼室２６内に新気と燃料の混合気が充填される。ピストン２０が燃焼室２６を十分に圧縮すると、点火プラグ３２により混合気に点火がなされる。そして、再び、ピストン２０が空気室２８側へ移動し、空気室２８の圧縮が行われる。以降は、同様のサイクル、すなわち、燃焼室２６の圧縮・空気室２８の膨張（圧縮行程）、混合気燃焼、燃焼室２６の膨張・空気室２８の圧縮（膨張行程）のサイクルを繰り返す。そして、このサイクルの過程で、ピストン２０に埋め込まれた永久磁石２４周囲の磁界が変化し、当該磁界の変化に応じて発電コイル２２に、誘導起電力が発生することで、発電が行われる。
【００３６】
なお、本実施形態では、火花点火について例示したが、圧縮着火燃焼（ディーゼル燃焼）を用いてもよいし、予混合圧縮自着火燃焼を用いてもよい。また、上述の説明では、永久磁石２４を用いた発電ユニット１４を示したが、永久磁石２４を用いないリラクタンス同期モータを応用して、発電ユニット１４を永久磁石２４を使わない構成としてもよい。
【００３７】
いずれにしても、本実施形態のように、燃焼室側受圧面積に比して、空気室側受圧面積を大きくすることで、空気室２８の温度上昇を抑えることができる。そして、これにより、熱損失を低減でき、潤滑油の自着火の恐れも低減できる。
【００３８】
次に、第二実施形態について図２を参照して説明する。図２は、第二実施形態であるフリーピストン式発電機の構成図である。このフリーピストン式発電機１０の基本的構成は、第一実施形態とほぼ同じである。
【００３９】
すなわち、このフリーピストン式発電機１０は、発電ユニット１４とエンジンユニット１６を備え、エンジンユニット１６は、シリンダ１８内に収容されたピストン２０と、当該ピストン２０の両側に設けられた燃焼室２６および空気室２８を備えている。そして、燃焼室２６で燃料を燃焼させた際の燃焼圧力およびピストン２０により圧縮された空気室２８の反発力によりピストン２０が往復移動するようになっている。
【００４０】
ただし、第一実施形態と異なり、本実施形態では、ピストン２０およびシリンダ１８の形状が若干異なっている。すなわち、本実施形態においては、シリンダ１８には、ピストン２０の運動方向をガイドする１以上のガイド体が形成されており、ピストン２０には、このガイド体が挿入される凹部が設けられている点で第一実施形態と異なっている。
【００４１】
より具体的に説明すると、本実施形態のシリンダ１８は、ガイド体として機能する支柱部４２と、内側ライナ４４と、が形成されている。支柱部４２は、シリンダ１８の空気室側端面の中央から燃焼室側に向かって伸びる柱状部位で、後述するピストン２０のピストン内凹部４６に挿入される部位である。
【００４２】
内側ライナ４４は、燃焼室側端部から空気室側に向かって延びる環状のリブである。この内側ライナ４４で囲まれた内部が燃焼室２６となり、内側ライナ４４は、燃焼室２６の周壁として機能することになる。また、この内側ライナ４４は、ピストン２０のピストン外凹部４８に挿入され、ピストン２０の運動方向を副次的にガイドするガイド体としても機能する。
【００４３】
ピストン２０には、ピストン内凹部４６とピストン外凹部４８とが形成されている。ピストン内凹部４６は、ピストン２０の空気室側端面の中央から燃焼室側に向かって延び、支柱部４２が挿入される穴である。このピストン内凹部４６の内径は、支柱部４２の外径とほぼ等しく、このピストン内凹部４６に支柱部４２が挿入されることで、実質的に、ピストン２０の径方向への動きが規制され、軸方向への動きのみが許容されることになる。その結果、往復運動の過程で、永久磁石２４と発電コイル２２との接触が効果的に防止でき、より安定した駆動が可能となる。また、ピストン内凹部４６を設けることにより、ピストン２０内部の一部が空洞化し、ピストン２０の質量が低下することになる。この場合、ピストン２０を燃焼室側に押し戻すのに必要な反発力は、比較的小さくてもよいことになる。そして、その結果、空気室２８を過度に圧縮しなくても、押し戻しに必要な反発力が得られることになり、空気室２８の圧力上昇、ひいては、温度上昇を低減できる。
【００４４】
ピストン外凹部４８は、ピストン２０の燃焼室側端部から空気室側に向かって延び、内側ライナ４４が挿入される環状の穴である。このピストン外凹部４８の断面形状は、内側ライナ４４の断面形状とほぼ等しく、このピストン外凹部４８に内側ライナ４４が挿入されることで、ピストン２０の径方向への動きの規制がより強化される。また、かかるピストン外凹部４８を設けることにより、ピストン２０の質量を低減しつつも、ピストン２０の最大外径は大きく保つことができる。その結果、押し戻しに必要な反発力をより低減でき、ひいては、空気室２８の圧力上昇、ひいては、温度上昇をより低減できる。また、ピストン２０の最大外径は大きく保てるため、磁石表面積を広く取ることができ、結果として発電出力の増加を図ることができる。
【００４５】
このピストン２０は、別の見方をすれば、空気室側端部に位置するベース部５０と、当該空気室側端面から燃焼室側に延びる円筒状の本体部５２と、ベース部５０の周縁から燃焼室側に延びる外側ライナ５４と、を備えているともいえる。ベース部５０および本体部５２の中央には、支柱部４２が挿入されるピストン内凹部４６が形成されており、本体部５２と外側ライナ５４との間には、ピストン外凹部４８として機能する環状の穴が形成されている。そして、本体部５２の燃焼室寄りの部分が燃焼室２６に進退する小径部２０ｓとして機能する。また、空気室側端部に位置するベース部５０および外側ライナ５４の部分が、空気室２８に進退する大径部２０ｂとして機能することになる。そして、この大径部２０ｂとして機能する外側ライナ５４の外側面に永久磁石２４が設置されている。つまり、本実施形態でも、第二実施形態と同様に、ピストン２０が、燃焼室２６内に進退する小径部２０ｓと、小径部２０ｓよりも大径で空気室２８に進退する大径部２０ｂと、を備えており、大径部２０ｂの外表面に永久磁石２４が設置されている。
【００４６】
なお、本実施形態では、空気室２８の中央に支柱部４２が形成されているため、空気室２８の断面形状は、円環形状となる。本実施形態では、空気室２８が、このように円環形状になったとしても、空気室側受圧面積が、燃焼室側受圧面積よりも大きくなるような寸法設定としている。すなわち、燃焼室２６の内径（ボア径）をＤａ、空気室２８の外径をＤｂ、空気室２８の内径（支柱部４２の外径）をＤｃとした場合、燃焼室側受圧面積Ｓ１＝（Ｄａ２／４）＊πが、空気室側受圧面積Ｓ２＝（Ｄｂ２／４）＊π−（Ｄｃ２／４）＊πより大きくなるように（つまりＤａ２＜（Ｄｂ２−Ｄｃ２）となるように）寸法設定している。かかる構成とすることで、第一実施形態と同様に、空気室２８の内圧上昇を低減でき、ひいては、空気室２８の温度上昇を低減できる。そして、その結果、熱損失を低減でき、また、潤滑油の自着火を効果的に抑制できる。
【００４７】
また、図２から明らかなとおり、本実施形態のピストン２０によれば、燃焼室２６から永久磁石２４までの熱伝導経路を長くすることができる。すなわち、一般に、発電ユニット１４を構成する永久磁石２４は、その減磁を避けるために、極力、一定温度に保たれることが望ましい。しかし、燃焼室２６で生じた燃焼熱が、ピストン２０を介して永久磁石２４に伝達され、永久磁石２４の温度が上昇するという問題がある。特に、中実のピストン２０の場合、燃焼室側端面に伝達された熱は、永久磁石２４まで、ほぼ、直線の経路を伝わって伝達され、永久磁石２４が温度上昇、ひいては、減磁しやすいという問題があった。一方、本実施形態のように、ピストン２０の一部を空洞化しておくことで、燃焼室側端面に伝達された熱は、本体部５２の側面からベース部５０、ベース部５０から外側ライナ５４を通って永久磁石２４に伝わることになり、熱伝導経路が長くなる。この熱伝導の過程で、空気中に放熱されたりすることで、最終的に、永久磁石２４に伝達される熱量を低減でき、結果として、永久磁石２４の温度上昇を抑制することができる。そして、その結果、永久磁石２４の減磁を抑制でき、発電効率を向上することができる。
【００４８】
なお、本実施形態では、ピストン内凹部４６に、ガイド体として機能する支柱部４２を、直接、挿入しているが、図３に示すように、両者の間に両者の相対移動を補助するリニアボールベアリング５６を配してもよい。かかる構成とすることで、ピストン２０の径方向への動きがより確実に規制され、永久磁石２４と発電コイル２２との接触がより効果的に防止できる。また、ピストン内凹部４６の側面と支柱部４２の側面との接触を防ぐことができ、その間の摩擦抵抗も低減できる。その結果、無駄な損失を低減でき、より効率的な発電が可能となる。
【００４９】
また、本実施形態では、ガイド体・凹部として、支柱部４２・ピストン内凹部４６と内側ライナ４４・ピストン外凹部４８の二種類を設けているが、当然ながら、これらは一種類でもよいし、より多種類設けられてもよい。例えば、支柱部４２およびピストン内凹部４６を省略し、内側ライナ４４・ピストン外凹部４８のみで、ピストン２０の移動方向をガイドするようにしてもよい。その場合であっても、ピストン２０の本体部５２の内部を空洞にし、ピストン２０全体の軽量化や伝熱経路の長距離化を図ることが望ましい。
【００５０】
いずれにしても、第一実施形態および第二実施形態のように、空気室側受圧面積を、燃焼室側受圧面積よりも大きくすることにより、空気室２８を過度に圧縮しなくても十分な反発力を得ることができ、結果として、空気室２８の温度上昇に伴う熱損失の増大を抑制することができ、発電効率を向上できる。
【００５１】
なお、第一実施形態および第二実施形態のいずれにおいても、シリンダ１８やピストン２０に段差や突起を設けることにより、シリンダ１８内に、空気室２８および燃焼室２６以外にも区画された区画空間６０ａ〜６０ｄ（図１〜図３参照）が幾つか形成されることになる。こうした区画空間６０ａ〜６０ｄは、燃焼室２６や空気室２８と同様、ピストン２０の往復運動に伴い体積変化する。したがって、かかる区画空間６０ａ〜６０ｄを密閉状態とすると、空気室２８同様、空気バネとして機能し、ピストン２０の挙動に悪影響を与え、無駄な圧縮仕事が発生する。したがって、かかる区画空間６０ａ〜６０ｄは、外部空間と連通させ、内圧一定に保たれるようにすることが望ましい。
【００５２】
また、別の形態として、こうした区画区間６０ａ〜６０ｄの少なくとも一つを油圧室もしくは制御された空圧室として利用してもよい。例えば、図２において、内側ライナ４４と、シリンダ１８の内側面と、ピストン２０の外側ライナ５４の端面とで区画された環状空間６０ｂを、作動油もしくは作動空気が充填された油圧室もしくは空圧室として用いてもよい。そして、この環状空間６０ｂに充填する作動油もしくは作動空気の量・圧力を、適宜、制御することにより、ピストン２０の燃焼室側への最大変位量や速度を制御するようにしてもよい。かかる構成とすることで、ピストン２０の上死点位置、ひいては、圧縮比を制御できる。その結果、燃焼圧力が過大になることを防止でき、また、燃焼騒音なども抑制できる。
【００５３】
また、第一実施形態および第二実施形態のようにピストン２０の空気室側部分の外径を大きくする場合には、ピストンリング等のガスシール部材を省略することが望ましい。すなわち、従来のフリーピストン式発電機１０では、空気室２８からのガス（空気）の漏れを防止するために、ピストンリングのようなガスシール部材を、ピストン２０の外表面と、シリンダ１８の内表面との間の間隙に配置していた。かかるピストンリングを設けることにより、空気室２８の圧力が高くなっても、空気室２８からのガス漏れが効果的に防止される。
【００５４】
しかしながら、かかるピストンリングは、シリンダ１８の内表面に接触した状態で、ピストン２０とともに往復運動することになり、摩擦損失を生み出していた。特に、第一実施形態および第二実施形態のようにピストン２０の空気室側部分の外径が大きい場合には、ピストン２０の周長、ひいては、ピストンリングの周長が長くならざるを得ず、結果として、ピストンリングとシリンダ１８内側面との接触面積が大きくなる。その結果、摩擦損失が大きくなりがちという問題がある。
【００５５】
かかる問題を避けるために、ピストン２０の空気室側部分の外径を大きくする場合には、ピストンリング等のガスシール部材を省略することが望ましい。なお、この場合、前記空気室２８におけるシリンダ１８内側面とピストン２０外側面との間隙量は、空気室２８内ガスの燃焼室側への漏れ量が予め規定された許容漏れ量以下になる値に設計する。これについて、図４を参照して説明する。図４は、フリーピストン式発電機１０の概略図である。図４に示す構成において、空気室２８におけるシリンダ１８内側面とピストン２０外側面との間隙を通過するガス流量Ｑは、空気室２８の内外での圧力差をΔＰ、ピストン２０径をｄ、間隙量をｈ、ガス密度をρ、作動ガスの動粘度をν、間隙量ｈとなる部分の長さをＬとした場合、当該間隙を通過するガス流量Ｑは次の式１で表される。
Ｑ＝（１．５７・ΔＰ・ｈ３・ｄ）／（ρ・ν・Ｌ）・・・（１）
そして、ピストン２０の偏心も考慮すると最大ガス漏れ量ＱｍａｘはＱｍａｘ＝２．５Ｑとなる。この最大ガス漏れ量Ｑｍａｘが、規定の許容漏れ率で定まるガス漏れ量以下となるべく、間隙量ｈを決定しておくことが望ましい。
【００５６】
ここで、最大ガス漏れ量Ｑｍａｘは、圧力差ΔＰ、ピストン２０径ｄ、および、間隙量ｈの３乗に比例し、ガス密度ρ、作動ガスの動粘度ν、間隙部分の長さＬに反比例する。このうち、空気室２８内ガスとして、空気を利用する限り、ガス密度ρおよび作動ガスの動粘度νは一定値となる。したがって、実質的に間隙量ｈは、許容漏れ率α、圧力差ΔＰ、ピストン２０径ｄ、および、間隙部分の長さＬに基づいて決定されることになる。より具体的に言えば、間隙量ｈは、許容漏れ率αが大きいほど大きく、圧力差ΔＰが大きいほど小さく、ピストン径ｄが大きいほど小さく、間隙部分の長さが大きいほど大きくなるように決定されることが望ましい。なお、ここで記載したシリンダ１８の内側面とピストン２０の外側面以外の間隙、すなわち、本体部５２と内側ライナ４４の間隙、支柱部４２とピストン内凹部４６の間隙には、ピストンリングのようなガスシール部材を用いることもできるし、ガスシール部材を省略して、ここに記載したように間隙量が予め規定した許容漏れ量となるように設計することもできる。
【００５７】
また、永久磁石２４と発電コイル２２との接触を防止するために、永久磁石２４表面と発電コイル２２設置面との間隙量ｂは、空気室２８におけるシリンダ１８内側面とピストン２０外側面との間隙量ｃよりも大きくしておくことが望ましい。
【符号の説明】
【００５８】
１０ フリーピストン式発電機、１４ 発電ユニット、１６ エンジンユニット、１８ シリンダ、２０ ピストン、２２ 発電コイル、２４ 永久磁石、２６ 燃焼室、２８ 空気室、３０ 燃料噴射弁、３２ 点火プラグ、３４ 排気弁、３６ 掃気孔、３７ 掃気ポート、３８ 調圧弁、４０ 位置センサ、４２ 支柱部、４４ 内側ライナ、４６ ピストン内凹部、４８ ピストン外凹部、５０ ベース部、５２ 本体部、５４ 外側ライナ、５６ リニアボールベアリング。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストンの直線往復運動に伴い発電するフリーピストン式発電機であって、
ピストンを挟んで両側に燃焼室および空気室が設けられ、前記燃焼室で燃料を燃焼させた際の燃焼圧力および前記ピストンにより圧縮された空気室の反発力によりピストンが往復移動するエンジンユニットと、
前記ピストンの往復運動に伴い発電を行う発電ユニットと、
を備え、
前記空気室に面するピストン端面の面積である空気室受圧面積が、前記燃焼室に面するピストン端面の面積である燃焼室受圧面積より大きい、
ことを特徴とするフリーピストン式発電機。
【請求項２】
請求項１に記載のフリーピストン式発電機であって、
前記ピストンは、燃焼室内に進退する小径部と、前記小径部よりも大径で空気室に進退する大径部と、を備えることを特徴とするフリーピストン式発電機。
【請求項３】
請求項２に記載のフリーピストン式発電機であって、
前記発電ユニットは、前記ピストンの大径部の外側面に設置される永久磁石と、前記ピストンを収容するシリンダの内側面のうち前記永久磁石との対向位置に設置された発電コイルと、を備えることを特徴とするフリーピストン式発電機。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載のフリーピストン式発電機であって、
前記ピストンを収容するシリンダは、シリンダ端部から突出し、ピストンの運動方向をガイドする１以上のガイド体を備え、
前記ピストンは、前記ガイド体が挿入される凹部を１以上備える、
ことを特徴とするフリーピストン式発電機。
【請求項５】
請求項４に記載のフリーピストン式発電機であって、
前記シリンダは、
前記シリンダの中心軸上において空気室側端部から突出し、前記ガイド体として機能する支柱と、
前記燃焼室側端部から突出する環状リブであって、燃焼室の周壁を構成し、前記ガイド体として機能する内側ライナと、
を備え、前記ピストンは、
前記支柱が挿入され、空気室側端部から燃焼室側に向かって延びるピストン内凹部と、
内側ライナが挿入され、前記ピストン内凹部の周囲において燃焼室側端部から空気室側に向かって延びるピストン外凹部と、
を備える、
ことを特徴とするフリーピストン式発電機。
【請求項６】
請求項４または５に記載のフリーピストン式発電機であって、
前記ガイド体と、前記ガイド体が挿入される前記凹部との間には、前記ガイド体および前記凹部の相対移動を補助するリニアボールベアリングが配される、ことを特徴とするフリーピストン式発電機。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか１項に記載のフリーピストン式発電機であって、
前記シリンダ内において区画される空間のうち前記燃焼室および空気室のいずれにも該当しない空間の少なくとも一つが、作動油または作動空気が充填され、前記ピストンの変位を制御する油圧室または空圧室として機能する、ことを特徴とするフリーピストン式発電機。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか１項に記載のフリーピストン式発電機であって、
前記空気室におけるシリンダ内側面とピストン外側面との間は、ガスシール部材を設けることなく、微小間隙を介して対向しており、
前記微小間隙量は、空気室内空気の燃焼室側への漏れ量が予め規定された許容漏れ量以下になる値に設定されている、
ことを特徴とするフリーピストン式発電機。
【請求項１】
ピストンの直線往復運動に伴い発電するフリーピストン式発電機であって、
ピストンを挟んで両側に燃焼室および空気室が設けられ、前記燃焼室で燃料を燃焼させた際の燃焼圧力および前記ピストンにより圧縮された空気室の反発力によりピストンが往復移動するエンジンユニットと、
前記ピストンの往復運動に伴い発電を行う発電ユニットと、
を備え、
前記空気室に面するピストン端面の面積である空気室受圧面積が、前記燃焼室に面するピストン端面の面積である燃焼室受圧面積より大きい、
ことを特徴とするフリーピストン式発電機。
【請求項２】
請求項１に記載のフリーピストン式発電機であって、
前記ピストンは、燃焼室内に進退する小径部と、前記小径部よりも大径で空気室に進退する大径部と、を備えることを特徴とするフリーピストン式発電機。
【請求項３】
請求項２に記載のフリーピストン式発電機であって、
前記発電ユニットは、前記ピストンの大径部の外側面に設置される永久磁石と、前記ピストンを収容するシリンダの内側面のうち前記永久磁石との対向位置に設置された発電コイルと、を備えることを特徴とするフリーピストン式発電機。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載のフリーピストン式発電機であって、
前記ピストンを収容するシリンダは、シリンダ端部から突出し、ピストンの運動方向をガイドする１以上のガイド体を備え、
前記ピストンは、前記ガイド体が挿入される凹部を１以上備える、
ことを特徴とするフリーピストン式発電機。
【請求項５】
請求項４に記載のフリーピストン式発電機であって、
前記シリンダは、
前記シリンダの中心軸上において空気室側端部から突出し、前記ガイド体として機能する支柱と、
前記燃焼室側端部から突出する環状リブであって、燃焼室の周壁を構成し、前記ガイド体として機能する内側ライナと、
を備え、前記ピストンは、
前記支柱が挿入され、空気室側端部から燃焼室側に向かって延びるピストン内凹部と、
内側ライナが挿入され、前記ピストン内凹部の周囲において燃焼室側端部から空気室側に向かって延びるピストン外凹部と、
を備える、
ことを特徴とするフリーピストン式発電機。
【請求項６】
請求項４または５に記載のフリーピストン式発電機であって、
前記ガイド体と、前記ガイド体が挿入される前記凹部との間には、前記ガイド体および前記凹部の相対移動を補助するリニアボールベアリングが配される、ことを特徴とするフリーピストン式発電機。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか１項に記載のフリーピストン式発電機であって、
前記シリンダ内において区画される空間のうち前記燃焼室および空気室のいずれにも該当しない空間の少なくとも一つが、作動油または作動空気が充填され、前記ピストンの変位を制御する油圧室または空圧室として機能する、ことを特徴とするフリーピストン式発電機。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか１項に記載のフリーピストン式発電機であって、
前記空気室におけるシリンダ内側面とピストン外側面との間は、ガスシール部材を設けることなく、微小間隙を介して対向しており、
前記微小間隙量は、空気室内空気の燃焼室側への漏れ量が予め規定された許容漏れ量以下になる値に設定されている、
ことを特徴とするフリーピストン式発電機。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１２−２０２３８５（Ｐ２０１２−２０２３８５Ａ）
【公開日】平成２４年１０月２２日（２０１２．１０．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−７０５９９（Ｐ２０１１−７０５９９）
【出願日】平成２３年３月２８日（２０１１．３．２８）
【出願人】（０００００３６０９）株式会社豊田中央研究所 (4,200)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月２２日（２０１２．１０．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月２８日（２０１１．３．２８）
【出願人】（０００００３６０９）株式会社豊田中央研究所 (4,200)
【Ｆターム（参考）】
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