(57)【要約】【課題】ピストンとシリンダの周方向の均一性を確保することができるフリーピストンエンジン駆動リニア発電装置を提供すること。【解決手段】同一直線上に対向して配置し行程をずらして運転される左右一対のフリーピストンエンジンと、該エンジンのフリーピストン同士を連結して往復移動する磁石部を備えたシャフトと、前記磁石部が磁界内を往復移動して発電機として機能するリニア発電機とを備えたフリーピストンエンジン駆動リニア発電装置において、前記シャフトを該シャフトの中心軸まわりに回転運動させる回転手段を設けた。回転手段としては、シャフト２０に設けられた溝２１と、溝２１に挿入されたハウジング側のピン２２とすることができる。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
同一直線上に対向して配置し行程をずらして運転される左右一対のフリーピストンエンジンと、該エンジンのフリーピストン同士を連結して往復移動する磁石部を備えたシャフトと、前記磁石部が磁界内を往復移動して発電機として機能するリニア発電機とを備えたフリーピストンエンジン駆動リニア発電装置において、
前記シャフトを該シャフトの中心軸まわりに回転運動させる回転手段が設けら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装置。
【請求項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装置において、
前記回転手段として、前記シャフトと、該シャフトを収容するハウジングとの一方に溝が設けられ、同他方に前記溝に挿入されるピンが設けられ、前記溝は前記シャフトの中心軸を取り囲んだループ状であり、かつ、前記シャフトの中心軸方向に蛇行して設けら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装置。
【請求項３】
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装置において、
前記回転手段として、前記シャフトに対して少なくとも周方向に拘束されて設けられたモータのロータならびに同ロータを取り囲んで設けられたモータのステータを備え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装置。
【請求項４】
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装置において、
前記回転手段として、前記フリーピストンの燃焼室側端面が、該フリーピストンの中心軸周りに階段状に形成され、給気ノズルにより前記シリンダ内に給気された給気スワールが、前記フリーピストンの階段状端面に衝突することで前記フリーピストンが中心軸周りに回転す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装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フリーピストンエンジンとリニア発電機とを組み合わせて発電を行うフリーピストンエンジン駆動リニア発電装置に係る。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、クランク、コンロッド及び変動荷重軸受（ピストンピン軸受）などが不要で小型化に有利な内燃機関として、フリーピストンエンジンが知られている。また、フリーピストンエンジンを駆動源として用い、リニア発電機を駆動して発電するフリーピストンエンジン駆動リニア発電装置（以下、フリーピストンリニア発電装置と呼ぶ）が知られている。このフリーピストンリニア発電装置は、図６に示すように、対向して配置された左右一対のフリーピストンエンジン１Ｌ，１Ｒが互いのピストン２Ｌ、２Ｒをシャフト３で連結されており、該シャフト３の中央部に設けられた磁石部４がリニア発電機５の磁界内を往復移動することで発電するように構成されたものである。なお、図中の符号６Ｌ，６Ｒはシリンダ、７Ｌ，７Ｒは給気口、８Ｌ，８Ｒは排気弁である。
このようなフリーピストンエンジンリニア発電装置では、一方のピストンエンジン１Ｌは、膨張、ガス交換、圧縮、燃焼を繰り返し、他方のピストンエンジン１Ｒは、一方のピストンエンジン１Ｌとタイミングをずらして膨張、ガス交換、圧縮、燃焼を繰り返す。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ピストン２Ｌ、２Ｒとシリンダ６Ｌ、６Ｒとの間には、製作上のわずかな誤差のため、周方向に不均一となることが避けられない場合が多い。このため、長時間の運転により、ピストン２Ｌ、２Ｒとシリンダ６Ｌ、６Ｒとが周方向に偏った位置でのみ摺動を繰り返す。その結果、摺動による傷でさらに周方向の不均一性が増してしまうという問題があった。
【０００４】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、ピストンとシリンダの周方向の均一性を確保することができるフリーピストンエンジン駆動リニア発電装置を提供するものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、同一直線上に対向して配置し行程をずらして運転される左右一対のフリーピストンエンジンと、該エンジンのフリーピストン同士を連結して往復移動する磁石部を備えたシャフトと、前記磁石部が磁界内を往復移動して発電機として機能するリニア発電機とを備えたフリーピストンエンジン駆動リニア発電装置において、前記シャフトを該シャフトの中心軸まわりに回転運動させる回転手段が設けられていることを特徴とする。
【０００６】
この発明においては、フリーピストンと固定されたシャフトが中心軸周りに回転されることにより、ピストンとシリンダとは周方向に万遍なく接し、周方向に均一な摺動が実現する。
【０００７】
請求項２に記載の発明は、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装置において、前記回転手段として、前記シャフトと、該シャフトを収容するハウジングとの一方に溝が設けられ、同他方に前記溝に挿入されるピンが設けられ、前記溝は前記シャフトの中心軸を取り囲んだループ状であり、かつ、前記シャフトの中心軸方向に蛇行して設けられていることを特徴とする。
【０００８】
この発明においては、溝にピンが挿入された状態で、シャフトがピストン運動を行う。ピンが溝によってガイドされることで、ピンは溝に対して相対的に蛇行する。すなわちシャフトはハウジングに対してピストン運動を行いつつシャフトの中心軸周りに回転されることとなる。
【０００９】
請求項３に記載の発明は、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装置において、前記回転手段として、前記シャフトに対して少なくとも周方向に拘束されて設けられたモータのロータならびに同ロータを取り囲んで設けられたモータのステータを備えていることを特徴とする。
【００１０】
この発明においては、モータのロータが回転すると、これによりシャフトも回転される。なお、ロータはシャフトに対して全方向に拘束（固定）されていてもよい。また、このロータとステータを、シャフトの磁石部とリニア発電機とに統合しても良い。
【００１１】
請求項４に記載の発明は、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装置において、前記回転手段として、前記フリーピストンの燃焼室側端面が、該フリーピストンの中心軸周りに階段状に形成され、給気ノズルにより前記シリンダ内に給気された給気スワールが、前記フリーピストンの階段状端面に衝突することで前記フリーピストンが中心軸周りに回転することを特徴とする。
【００１２】
この発明においては、エンジンが給気過程にあるときに、シリンダに吸引された給気スワールがピストンに衝突する。ピストンの端面は階段状となっているため、給気スワールによってピストンがスワール方向に押され、その結果ピストンが中心軸周りに回転する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
以下、本発明に係るフリーピストンエンジン駆動リニア発電装置（以下、フリーピストンリニア発電装置と呼ぶ）の一実施形態を図面に基づいて説明する。なお、上記従来技術と同一の構成については同一の符号を用い、その説明を省略する。
図１は本発明の第１実施形態として示したフリーピストンリニア発電装置のシャフト２０である。
シャフト２０を該シャフト２０の中心軸まわりに回転運動させる回転手段として、シャフト２０に溝２１が設けられている。また、シャフト２０を収容するハウジング（不図示）には先端が溝２１に挿入された状態でピン２２が設けられている。ピン２２は、所定の付勢手段によって溝２１の底面に付勢されている。なお、溝２１がハウジングに設けられ、ピン２２がシャフト２０に設けられていてもよい。
溝２１はシャフト２０の中心軸を取り囲んで閉じたループ状となっており、また、中心軸に沿った方向に蛇行している。溝２１の蛇行幅は、シャフト２０の軸方向移動幅となっている。このため、ピン２２が溝２１に挿入された状態でもシャフト２０がピストン運動可能となっている。
また、溝２１のシャフト２０の中心軸方向に沿って両端部（湾曲部）には、溝２１に沿って一方向から他方向に溝深さが深くなる段差部２３が設けられている。
【００１４】
このように構成されたフリーピストンリニア発電装置では、シャフト２０は次のように動作する。
図１において、シャフト２０の溝２１に対するピン２２の相対的な動きを矢印で示した。ピン２２は、シャフト２０の運動に伴って溝２１を軸方向に往復運動する。その際に、溝２１にガイドされることによって周方向に移動する。溝２１の湾曲部には段差部２３が設けられており、ピン２２が溝２１の底面に付勢されながら段差部２３を浅い底面側から深い底面側に落ちることで、ピン２２は溝２１を逆行することなく、一方向にのみ移動する。
このようにピン２２は溝２１を一方向に向かって移動することにより、シャフト２０はピストン運動に伴って中心軸周りに回転することとなる。したがって、ピストン２Ｌ、２Ｒとシリンダ６Ｌ、６Ｒとは周方向に万遍なく接し、周方向に均一な摺動が実現し、ピストン２Ｌ、２Ｒとシリンダ６Ｌ、６Ｒの周方向の均一性を確保することができる。
【００１５】
次に、本発明の第２実施形態について説明する。
図２に示すように、シャフト３０にはモータ（回転手段）３１が設けられている。モータ３１は、シャフト３０に設けられたロータ３２および同ロータ３２を取り囲んで設けられたステータ３３とを備えている。
ロータ３２とステータ３３とは回転自在に固定されており、また、ロータ３２とシャフト３０とは軸方向には所定距離以上移動可能であると共に回転方向には拘束されている。具体的には、図のようにロータ３２にピン３４が設けられ、シャフト３０に軸方向の溝３５が設けられている。溝３５は、シャフト３０がピストン運動できるだけの軸方向長さを有している。
【００１６】
このように構成されていることにより、ステータ３３によって前記ロータ３２をシャフト３０の中心軸周りに回転させると、ピン３４により拘束されたシャフト３０が回転する。またシャフト３０は軸方向には拘束されていないため、往復運動は確保される。
このように、ピストン２Ｌ、２Ｒとシリンダ６Ｌ、６Ｒとは周方向に万遍なく接し、周方向に均一な摺動が実現し、ピストン２Ｌ、２Ｒとシリンダ６Ｌ、６Ｒの周方向の均一性を確保することができる。
なお、シャフト３０は常に回転している必要はなく、時々回転させればよい。
【００１７】
また、上記の例においてはロータ３２をシャフト３０と別個に設けたが、シャフト３０に直接ロータを設け、該ロータを取り囲んでステータを設けるようにしてもよい。例えば、以下のように構成することができる。
図３（ａ）において、シャフト３０’には磁石３６ａが並んだ磁石部３６が設けられており、シャフト３０’を取り囲んで図３（ｂ）のリニア発電機５（図６参照）の電磁コイル３７（回転手段）が配置されている。リニア発電機５の電磁コイル３７は、図のように軸に垂直な方向に対して斜めに配置されている。なお、コイル３７とシャフト３０’の磁石部３６を構成する磁石３６ａとのいずれか一方を斜めにすればよい。
これにより、電磁コイル３７がステータ、磁石部３６がロータとして機能するから、リニア発電機５の電磁コイル３７によって磁石部３６を往復運動させる際に、シャフト３０’が回転するようになる。
また、　図４の構成としても良い。図４（ａ）において、シャフト３０”には、リニア発電・駆動用の磁石部３６に加え、回転用の磁石部３８（回転手段）が設けられている。回転用の磁石部３８は、磁石３８ａが軸方向に向いて配置されている。一方、図４（ｂ）のように、リニア発電機５側には、発電・駆動用の電磁コイル３７とは別に、回転用の電磁コイル３９（回転手段）が設けられている。このコイル３９は、軸方向に向いて配置されている。
本構成においては、電磁コイル３９がステータ、磁石部３８がロータとして機能する。すなわち、電磁コイル３９を制御し、電磁コイル３９によって磁石部３８に軸周りの回転力を与える。これによってシャフト３０”が回転するようになる。
したがって、上記と同様に、ピストン２Ｌ、２Ｒとシリンダ６Ｌ、６Ｒとは周方向に万遍なく接し、周方向に均一な摺動が実現し、ピストン２Ｌ、２Ｒとシリンダ６Ｌ、６Ｒの周方向の均一性を確保することができる。
【００１８】
次に、本発明の第３実施形態について説明する。
図５に示したように、フリーピストン４０Ｌ、４０Ｒを回転させる回転手段として、フリーピストン４０Ｌ、４０Ｒの燃焼室側端面４１Ｌ、４１Ｒが、該フリーピストン４０Ｌ、４０Ｒの中心軸周りに階段状に形成されている。給気ノズル４２は図のように軸方向に対して斜めに設けられていることから、給気の際に図の矢印のように給気スワールが発生する。この給気スワールがフリーピストン４０Ｌ、４０Ｒの階段状端面４５に衝突するようになっている。
【００１９】
このように構成されていることにより、エンジンが給気過程にあるときに、シリンダ６Ｌ、６Ｒに吸引された給気スワールによってピストン４０Ｌ、４０Ｒがスワール方向に押され、その結果ピストン４０Ｌ、４０Ｒが中心軸周りに回転する。
したがって、ピストン４０Ｌ、４０Ｒとシリンダ６Ｌ、６Ｒとは周方向に万遍なく接し、周方向に均一な摺動が実現し、ピストン４０Ｌ、４０Ｒとシリンダ６Ｌ、６の周方向の均一性を確保することができる。
【００２０】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば以下の効果を得ることができる。
請求項１に記載の発明によれば、フリーピストンと固定されたシャフトが中心軸周りに回転される。したがって、ピストンとシリンダとは周方向に万遍なく接し、周方向に均一な摺動が実現し、ピストンとシリンダの周方向の均一性を確保することができる。
請求項２に記載の発明によれば、ピンが溝によってガイドされることにより、シャフトはハウジングに対してピストン運動を行いつつシャフトの中心軸周りに回転される。したがって、ピストンとシリンダの周方向の均一性を確保することができる。
請求項３に記載の発明によれば、モータによってシャフトが回転される。したがって、ピストンとシリンダの周方向の均一性を確保することができる。
請求項４に記載の発明によれば、給気スワールによってピストンがスワール方向に押され、その結果ピストンが中心軸周りに回転する。したがって、ピストンとシリンダの周方向の均一性を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態として示したフリーピストンリニア発電装置のシャフトを示した図である。
【図２】本発明の第２実施形態として示したフリーピストンリニア発電装置のシャフトを示した図である。
【図３】変形例として示したフリーピストンリニア発電装置のシャフトとリニア発電機とを示した図である。
た図である。
【図４】変形例として示したフリーピストンリニア発電装置のシャフトとリニア発電機とを示した図である。
【図５】本発明の第３実施形態として示したフリーピストンリニア発電装置のシャフトを示した図である。
【図６】フリーピストンリニア発電装置の構成を示した概略図である。
【符号の説明】
１Ｌ，１Ｒ　フリーピストンエンジン
２Ｌ、２Ｒ　ピストン
６Ｌ，６Ｒ　シリンダ
２０　シャフト
２１　溝
２２　ピン
２３　段差部
３０　シャフト
３１　モータ
３２　ロータ
３３　ステータ
３４　ピン
３５　溝
４０Ｌ、４０Ｒ　フリーピストン
４１Ｌ、４１Ｒ　シリンダ側端面
４２　給気ノズル
４５　階段状端面
【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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