(57)【要約】【課題】フリーピストン式発電機では、燃焼室の異常燃焼が生じると燃焼圧が過大となり、ピストンがシリンダの壁面に衝突して破損に繋がるおそれがある。そこで、ピストンとシリンダが衝突しても破損を防ぐことが可能なフリーピストン式発電機を提供する。【解決手段】空気室１８に面するピストン１４の端面１４ａ及び当該端面１４ａと対向する空気室１８の壁面１８ａの少なくとも一方に、緩衝部材４４を設ける。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一端に燃焼室を有し、前記燃焼室に対向する他端に空気室を有する中空部を備える、シリンダと、
前記中空部内に収容され、前記シリンダとは非連結の状態で前記燃焼室と空気室との間を往復移動する、ピストンと、
を備え、
前記空気室に面する前記ピストンの端面及び当該端面と対向する前記空気室の壁面の少なくとも一方には、緩衝部材が設けら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、
前記緩衝部材は、金属材料からなるばね部材であ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記載のフリーピストン式発電機であって、
前記ばね部材は、皿ばねからな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に記載のフリーピストン式発電機であって、
前記緩衝部材は、断熱材で覆わ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５】
請求項１に記載のフリーピストン式発電機であって、
前記緩衝部材は、当該緩衝部材よりも熱伝導性の高い放熱部材で覆わ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６】
請求項１から５のいずれかに記載の、フリーピストン式発電機であって、
前記ピストンは、前記空気室側が相対的に径の大きい大径部、前記燃焼室側が相対的に径の小さい小径部となるように形成されるとともに、前記大径部と小径部との境界となる段差面が形成され、
前記段差面及び当該段差面と対向する前記シリンダ内壁の対向面の少なくとも一方に、前記緩衝部材が設けら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７】
請求項１から６のいずれかに記載の、フリーピストン式発電機であって、
前記燃焼室に面する前記ピストンの端面及び当該端面と対向する前記燃焼室の壁面の少なくとも一方に、前記緩衝部材が設けられていることを特徴とする、フリーピストン式発電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シリンダとは非連結の状態で、シリンダ内を往復移動するピストンを備えた、フリーピストン式発電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、シリンダに収容されたピストンを往復移動させることで発電を行う、フリーピストン式発電機が知られている。例えばシリンダの内周面に、固定子であるコイルを巻き付ける。またピストンの外周面に、可動子である永久磁石を装着する。
【０００３】
シリンダ内の中空部の一端を燃焼室とし、燃焼室で混合気を燃焼させると、燃焼圧によりピストンが燃焼室から押し出される。シリンダ内には、燃焼室の他にも、燃焼室からの押し出しに反発する反発手段が設けられおり、この反発手段の作用により、ピストンは再び燃焼室に押し戻される。このようにして、ピストンを往復移動させることで、永久磁石とコイルとが相対移動する。この相対移動により生じる誘導起電力により、発電が行われる。
【０００４】
ピストンを燃焼室に押し戻す反発手段として、例えば特許文献１では、ピストンとシリンダとを板ばねで連結している。また、板ばねの復元力等が、ピストンの移動の際のエネルギーロスに繋がることから、特許文献２では、ピストンをシリンダとは非連結の状態にするとともに、シリンダ中空部の、燃焼室に対向する他端に、空気ばねの機能を備えた空気室を設けている。
【０００５】
ここで、燃焼室で異常燃焼が発生すると、燃焼圧が過大となる場合がある。このとき、ピストンが機械的に拘束されていない後者の例では特に、ピストンが空気室の壁面に衝突し、ピストンまたはシリンダの破損に繋がるおそれがある。そこで特許文献３では、ピストンとシリンダ内壁との初期衝突を検知すると、それ以降のピストンの振幅を減じるように制御を行っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−１５５３４５号公報
【特許文献２】国際公開第２０１２／１３３２４２号公報
【特許文献３】特開２００３−６７００１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、初期衝突を検知してそれ以降の衝突を回避するような制御システムを採用する場合、初期衝突による破損を防ぐことが困難となる。そこで、本発明は、衝突が生じても、ピストン及びシリンダの破損を防ぐことの可能な、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】
本発明に係るフリーピストン式発電機は、一端に燃焼室を有し、前記燃焼室に対向する他端に空気室を有する中空部を備えるシリンダと、前記中空部内に収容され、前記シリンダとは非連結の状態で前記燃焼室と空気室との間を往復移動するピストンと、を備える。さらに、前記空気室に面する前記ピストンの端面及び当該端面と対向する前記空気室の壁面の少なくとも一方には、緩衝部材が設けられている。
【０００９】
また、上記発明において、前記緩衝部材は、金属材料からなるばね部材であることが好適である。
【００１０】
また、上記発明において、前記ばね部材は、皿ばねからなることが好適である。
【００１１】
また、上記発明において、前記緩衝部材は、断熱材で覆われていることが好適である。  
【００１２】
また、上記発明において、前記緩衝部材は、当該緩衝部材よりも熱伝導性の高い放熱部材で覆われていることが好適である。
【００１３】
また、上記発明において、前記ピストンは、前記空気室側が相対的に径の大きい大径部、前記燃焼室側が相対的に径の小さい小径部となるように形成されるとともに、前記大径部と小径部との境界となる段差面が形成され、前記段差面及び当該段差面と対向する前記中空部の対向面の少なくとも一方に、前記緩衝部材が設けられていることが好適である。
【００１４】
また、上記発明において、前記燃焼室に面する前記ピストンの端面及び当該端面と対向する前記燃焼室の壁面の少なくとも一方に、前記緩衝部材が設けられていることが好適である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、ピストンとシリンダとの衝突が生じても、両者の破損を防ぐことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本実施形態に係るフリーピストン式発電機を例示する側面断面図である。
【図２】本実施形態に係るフリーピストン式発電機の別例を示す側面断面図である。
【図３】本実施形態に係るフリーピストン式発電機の別例を示す側面断面図である。
【図４】本実施形態に係るフリーピストン式発電機の別例を示す側面断面図である。
【図５】本実施形態に係るフリーピストン式発電機の別例を示す側面断面図である。
【図６】本実施形態に係るフリーピストン式発電機の別例を示す側面断面図である。
【図７】本実施形態に係るフリーピストン式発電機の別例を示す側面断面図である。
【図８】本実施形態に係るフリーピストン式発電機の別例を示す側面断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図１に、本実施形態に係るフリーピストン式発電機１０の、側面断面図を例示する。フリーピストン式発電機１０は、シリンダ１２及びピストン１４を備える。
【００１８】
シリンダ１２は、中空部１５を備えた筒形状の部材である。中空部１５の一端には、燃焼室１６が形成され、燃焼室１６に対向する他端には、空気室１８が形成されている。シリンダ１２は、燃焼室１６での燃焼や空気室１８での圧縮に伴う温度上昇などにより生じ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。
【００１９】
燃焼室１６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。燃焼室１６は、燃料噴射弁２０、点火プラグ２２、排気弁２４、及び掃気孔２６を備える。
【００２０】
燃料噴射弁２０は、ピストン１４の端面１４ｂに対向する燃焼室１６の壁面１６ａ（シリンダ１２の閉端面）に取り付けられた弁体であり、燃焼室１６内に燃料を噴射する。点火プラグ２２は、混合気を燃焼（爆発）させるための点火手段である。排気弁２４は、燃焼室１６の壁面１６ａに取り付けられた弁体であり、燃焼後の排ガスを燃焼室１６から排出する。
【００２１】
掃気孔２６は、シリンダ１２の内周面２８に設けられており、ピストン１４の変位に応じて開口量が変化するように構成されている。例えば、ピストン１４が燃焼室１６に対する下死点にあるとき、掃気孔２６の開口量は最大となり、ピストン１４が燃焼室１６に対する上死点にあるとき、掃気孔２６は閉じた状態となる。なお、燃焼室１６に対する下死点とは、燃焼室１６側のシリンダ内空間の容積が最大となるピストン１４の位置を指し、燃焼室１６に対する上死点とは、燃焼室１６側のシリンダ内空間の容積が最小となるピストン１４の位置を指すものとする。
【００２２】
空気室１８は、空気等のガスが存在するチャンバである。このガスは、混合気の燃焼により燃焼室１６から押し出されたピストン１４を、燃焼室１６側に押し戻す空気ばねとして機能する。空気室１８には、室内の圧力を調整する調圧弁３０が設けられていてもよい。
【００２３】
シリンダ１２の内周面２８のうち、後述するピストン１４の外周面３２に設けられた永久磁石３４に面する位置には、コイル３６が全周に亘って設けられている。ピストン１４の移動に伴い、永久磁石３４とコイル３６とが相対移動する。この相対移動の過程でコイル３６に誘導起電力が発生し、発電が行われる。
【００２４】
また、シリンダ１２の内周面２８には、ピストンリング３８と摺接する箇所に、シリンダライナ４０が設けられていてもよい。シリンダライナ４０は、ピストンリング３８を円滑に摺動させるための円筒部材であって、耐摩耗性の部材から構成される。
【００２５】
また、シリンダ１２の中空部１５は、ピストン１４の形状に沿った形状となるように形成されていてよい。例えば、後述するように、ピストン１４が大径部４１ａ及び小径部４１ｂを有する断面凸型形状である場合に、中空部１５の形状を、大径部と小径部を備えた断面凸型とするようにしてもよい。この場合、大径部と小径部との境界として、シリンダ１２の内壁には段差面４２が形成される。
【００２６】
ピストン１４は、シリンダ１２の中空部１５内に収容される。ピストン１４は、シリンダ１２との間を連結する拘束手段の無い状態で、言い換えると、シリンダ１２とは非連結に、燃焼室１６と空気室１８との間を往復移動する。
【００２７】
ピストン１４は、大径部４１ａ及び小径部４１ｂを備える。大径部４１ａは、シリンダ１２の空気室１８側に設けられ、相対的に径が大きくなるように形成されている。小径部４１ｂは、シリンダ１２の燃焼室１６側に設けられ、相対的に径が小さくなるように形成されている。大径部４１ａと小径部４１ｂとの境界には、段差面１４ｃが形成される。
【００２８】
ピストン１４の形状を、空気室１８側を大径にすることで、空気室１８側の受圧面積が、燃焼室１６側の受圧面積より大きくなる。したがって、空気室１８の圧力が比較的小さくてもピストン１４を押し戻すことができる。その結果、熱損失を低減でき、フリーピストン式発電機１０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。
【００２９】
ピストン１４は、その外周面３２に、永久磁石３４を備えている。永久磁石３４は、例えば、ピストン１４の大径部４１ａの全周に亘って配置される。
【００３０】
また、ピストン１４の外周面３２には、永久磁石３４と重複しない位置に、ピストンリング３８が取り付けられている。ピストンリング３８は、シリンダ１２の内周面２８とピストン１４の外周面３２とのクリアランスをシールする役割を備える。ピストン１４の往復移動の際に、ピストンリング３８は、シリンダ１２の内周面２８に設けられたシリンダライナ４０上を摺動する。
【００３１】
図１または図２に示すように、空気室１８に面するピストン１４の端面１４ａ、及び、端面１４ａと対向する空気室１８の壁面１８ａの少なくとも一方には、緩衝部材４４が設けられている。緩衝部材４４は、燃焼室１６の異常燃焼等により燃焼圧が過大となり、ピストン１４が空気室１８の壁面１８ａに衝突したときに、その衝撃を緩和して、ピストン１４及びシリンダ１２の破損を防止する。
【００３２】
なお、ピストン１４の軽量化を図る観点から、緩衝部材４４は、ピストン１４の端面１４ａには設けずに、空気室１８の壁面１８ａに設けることが好適である。
【００３３】
緩衝部材４４は、例えば、硬質ウレタンなどの樹脂からなる、弾性部材から構成される。ここで、空気室１８は、その運転状態によっては５００℃程度の高温状態になることがある。緩衝部材４４を樹脂から構成する場合、高温環境に長時間晒されることで変質し、その弾性が劣化するおそれがある。そこで、図３に例示するように、緩衝部材４４を断熱材４６で覆うことが好適である。断熱材４６は、耐熱性のものであることが好適であり、例えばグラスウールやロックウール等の、繊維系断熱材から構成される。
【００３４】
また、断熱材４６に代えて、またはこれに加えて、図４に示すように、緩衝部材４４を放熱部材４８で覆うようにしてもよい。放熱部材４８は、緩衝部材４４よりも熱伝導性の高い材料から構成されており、例えばアルミ等の金属材料から構成される。放熱部材４８はシリンダ１２のケーシングと繋がっており、放熱部材４８の熱は当該ケーシングに伝わるようになっている。
【００３５】
また、放熱部材４８に緩衝機能を持たせてもよい。例えば図４に示すように、放熱部材４８の側壁４８ａを屈曲形状にして、図５に示すように、ピストン１４との衝突時に潰れる（ひしゃげる）ようにしてもよい。
【００３６】
また、緩衝部材４４を樹脂から構成する代わりに、図６に示すように、金属材料からなるばね部材５０から構成するようにしてもよい。金属材料を用いることで、断熱材４６や放熱部材４８を追加的に設ける必要がなくなる。
【００３７】
ばね部材５０は、例えば、皿ばねであることが好適である。皿ばねは、ばね部材の中でもばね定数が高く、少ない変形量で多くのエネルギーを吸収する。皿ばねを使用することで、ピストン１４の移動方向に沿ったばね部材５０の高さを低くすることが可能となり、フリーピストン式発電機１０を小型化させることができる。
【００３８】
なお、上述の実施形態では、空気室１８にのみ緩衝部材４４を設けていたが、この形態に限らない。ピストン１４が緩衝部材４４に衝突した後、反対側に跳ね返る場合を考慮して、図７に示すように、ピストン１４の段差面１４ｃ及び段差面１４ｃに対向するシリンダ１２内壁の段差面４２の少なくとも一方に、緩衝部材４４を設けるようにしてもよい。または、図８に示すように、燃焼室１６に面するピストン１４の端面１４ｂ、及び、端面１４ｂと対向する燃焼室１６の壁面１６ａの少なくとも一方に、緩衝部材４４を設けるようにしてもよい。
【符号の説明】
【００３９】
１０  フリーピストン式発電機、１２  シリンダ、１４  ピストン、１４ａ  ピストン空気室側端面、１４ｂ  ピストン燃焼室側端面、１４ｃ  ピストンの段差面、１５  中空部、１６  燃焼室、１６ａ  燃焼室の壁面、１８  空気室、１８ａ  空気室の壁面、４１ａ  ピストン大径部、４１ｂ  ピストン小径部、４２  シリンダ内壁の段差面、４４  緩衝部材、４６  断熱材、４８  放熱部材、５０  ばね部材。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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