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JP6111626B2 - Free piston engine driven linear generator - Google Patents

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JP6111626B2
JP6111626B2 JP2012266601A JP2012266601A JP6111626B2 JP 6111626 B2 JP6111626 B2 JP 6111626B2 JP 2012266601 A JP2012266601 A JP 2012266601A JP 2012266601 A JP2012266601 A JP 2012266601A JP 6111626 B2 JP6111626 B2 JP 6111626B2
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Description

本発明は、可動子が組み込まれたピストンが、固定子が組み込まれたシリンダ内で直線往復運動することで発電するフリーピストンエンジン駆動リニア発電機に関する。   The present invention relates to a free-piston engine-driven linear generator that generates electricity by causing a piston incorporating a mover to linearly reciprocate within a cylinder incorporating a stator.

従来から、シリンダ内で往復運動するピストン(フリーピストン)を用いた発電機が知られている(例えば特許文献1など)。かかるフリーピストンエンジン駆動リニア発電機では、ピストンに隣接して配置された燃焼室での燃焼圧力でピストンを駆動している。このピストンの駆動に伴い、ピストンに隣接して設けられる燃焼室や空気バネ室が圧縮される。この燃焼室で混合気を燃焼させる際や、燃焼室または空気バネ室を圧縮する際に生じる熱を受けて、ピストンが、非常に高温になることが知られている。   Conventionally, a generator using a piston (free piston) that reciprocates in a cylinder is known (for example, Patent Document 1). In such a free piston engine drive linear generator, the piston is driven by the combustion pressure in the combustion chamber disposed adjacent to the piston. As the piston is driven, the combustion chamber and the air spring chamber provided adjacent to the piston are compressed. It is known that the piston becomes very hot due to heat generated when the air-fuel mixture is burned in the combustion chamber or when the combustion chamber or the air spring chamber is compressed.

特開2005−155345号公報JP 2005-155345 A

ピストンが過度に高温になると、ピストンそのものが溶解したり、焼き付いたりする恐れがあった。また、ピストンに可動子を組み込んだフリーピストンエンジン駆動リニア発電機では、ピストンが高温になると、当該ピストンに組み込まれた可動子の磁石が減磁してしまい、発電効率の低下を招くという問題もあった。   If the piston became too hot, the piston itself could be melted or burned out. Moreover, in a free piston engine drive linear generator in which a mover is incorporated in the piston, when the piston becomes hot, the magnet of the mover incorporated in the piston is demagnetized, leading to a decrease in power generation efficiency. there were.

しかし、従来、こうしたピストンの高温化に対する対策は講じられていなかった。そこで、本発明では、ピストンが過度に高温になることを防止でき得るフリーピストンエンジン駆動リニア発電機を提供することを目的とする。   Conventionally, however, no measures have been taken against such high temperature pistons. Therefore, an object of the present invention is to provide a free piston engine-driven linear generator that can prevent the piston from becoming too hot.

本発明のフリーピストンエンジン駆動リニア発電機は、可動子が組み込まれたピストンが、固定子が組み込まれたシリンダ内で直線往復運動することで発電するフリーピストンエンジン駆動リニア発電機であって、前記ピストンの内部には、中空空間が形成され、前記中空空間内に接続され、冷媒供給源から供給された冷媒を前記中空空間に導く冷媒管と、前記中空空間内に接続され、前記中空空間内に供給された冷媒を外部に導く排出管と、を備え、前記中空空間は、前記ピストンにおいて、前記運動方向に延びるガイド穴であり、前記排出管は、前記運動方向に貫通する排出孔が形成された管状の軸であって、前記ガイド穴に挿通され、当該ガイド穴に対して前記運動方向に移動可能なガイド軸であり、前記ガイド軸は、鉛直方向下側部分の肉厚が、他の部分の肉厚に比して薄い、ことを特徴とする。 A free piston engine-driven linear generator according to the present invention is a free piston engine-driven linear generator that generates power by causing a piston in which a mover is incorporated to reciprocate linearly in a cylinder in which a stator is incorporated, A hollow space is formed inside the piston and connected to the hollow space. The refrigerant pipe that guides the refrigerant supplied from the refrigerant supply source to the hollow space; and the hollow space is connected to the hollow space. The hollow space is a guide hole extending in the movement direction in the piston, and the discharge pipe is formed with a discharge hole penetrating in the movement direction. A tubular shaft that is inserted into the guide hole and is movable in the movement direction with respect to the guide hole. Thickness of thin compared to the thickness of the other portion, characterized in that.

好適な態様では、前記冷媒管および排出管は、前記中空空間内に配置され、前記ピストンの往復運動に伴い、先端位置が前記ピストンに対して相対的に変動する管体である。他の好適な態様では、前記冷媒は、液体であり、前記冷媒管を介して、前記中空空間に前記液体の冷媒とともに高圧空気を供給するエア供給手段を有する。   In a preferred aspect, the refrigerant pipe and the discharge pipe are pipes that are arranged in the hollow space, and the tip position of the refrigerant pipe and the discharge pipe fluctuate relative to the piston as the piston reciprocates. In another preferred aspect, the refrigerant is a liquid, and has air supply means for supplying high-pressure air together with the liquid refrigerant to the hollow space via the refrigerant pipe.

他の好適な態様では、前記排出孔の横断面形状は、一つの頂点が、鉛直方向下側部分に位置する多角形である、ことが望ましい。 In another preferred embodiment, the cross-sectional shape of the prior Symbol discharge hole, one vertex is a polygon located in the vertically lower side portion, it is desirable.

他の好適な態様は、前記ガイド軸には、前記ガイド軸の前記ピストンに対する相対移動を補助する軸受が、周方向に間隔を開けて複数埋め込まれており、前記排出孔の横断面形状は、前記軸受の辺と平行な辺を有する多角形である。   In another preferred embodiment, a plurality of bearings that assist relative movement of the guide shaft with respect to the piston are embedded in the guide shaft at intervals in the circumferential direction. It is a polygon having a side parallel to the side of the bearing.

本発明によれば、冷媒によりピストンを内部から冷却できるため、ピストンが過度に高温になることを防止できる。   According to the present invention, since the piston can be cooled from the inside by the refrigerant, it is possible to prevent the piston from becoming excessively hot.

本発明の実施形態であるフリーピストンエンジン駆動リニア発電機の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the free piston engine drive linear generator which is embodiment of this invention. フリーピストンエンジン駆動リニア発電機の他の構成を示す図である。It is a figure which shows the other structure of a free piston engine drive linear generator. 第二の実施形態であるフリーピストンエンジン駆動リニア発電機の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the free piston engine drive linear generator which is 2nd embodiment. 図3におけるA−A断面図である。It is AA sectional drawing in FIG. ガイド管の肉厚と冷媒の排出性能の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the thickness of a guide pipe | tube, and the discharge performance of a refrigerant | coolant. ガイド管の肉厚と冷媒の排出性能の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the thickness of a guide pipe | tube, and the discharge performance of a refrigerant | coolant. 冷媒管および排出管の他の構成を示す図である。It is a figure which shows the other structure of a refrigerant pipe and a discharge pipe. 冷媒管および排出管の他の構成を示す図である。It is a figure which shows the other structure of a refrigerant pipe and a discharge pipe. 冷媒管および排出管の他の構成を示す図である。It is a figure which shows the other structure of a refrigerant pipe and a discharge pipe.

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エンジン駆動リニア発電機10(以下「リニア発電機10」と略す)の構成を示す図である。このリニア発電機10は、固定子一体型のシリンダ12、可動子一体型のピストン14、および、ピストン14の両側に配置された燃焼室16および空気バネ室18を含んで構成される。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a free piston engine-driven linear generator 10 (hereinafter abbreviated as “linear generator 10”) according to an embodiment of the present invention. The linear generator 10 includes a stator-integrated cylinder 12, a mover-integrated piston 14, and a combustion chamber 16 and an air spring chamber 18 disposed on both sides of the piston 14.

シリンダ12は、筒形状の部材であり、内部にピストン14、燃焼室16、空気バネ室18等を備えることができる。シリンダ12は、燃焼室16での燃焼に起因す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。また、シリンダ12の内周面には、発電機の固定子として機能する発電コイル20が設けられている。発電コイル20は図示しないバッテリー等の蓄電手段に接続されている。   The cylinder 12 is a cylindrical member, and can include a piston 14, a combustion chamber 16, an air spring chamber 18, and the like. The cylinder 12 is preferably made of a member that can withstand a high temperature environment caused by combustion in the combustion chamber 16, and is made of a metal material such as aluminum. In addition, a power generation coil 20 that functions as a stator of the generator is provided on the inner peripheral surface of the cylinder 12. The power generation coil 20 is connected to power storage means such as a battery (not shown).

ピストン14の外周面、すなわち、微小ギャップを介して発電コイル20と対向する位置には、可動子磁石として機能する永久磁石22が埋め込まれている。ピストン14も、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。このピストン14の往復振動に伴い、発電コイル20に対して永久磁石22が移動し、これにより、永久磁石22周囲の磁界が移動する。そして、この磁界の移動に応じて発電コイル20に誘導起電力が発生し、発電する。   A permanent magnet 22 that functions as a mover magnet is embedded in the outer peripheral surface of the piston 14, that is, at a position facing the power generation coil 20 via a minute gap. The piston 14 is also preferably made of a member that can withstand a high temperature environment, and is made of a metal material such as aluminum. Along with the reciprocating vibration of the piston 14, the permanent magnet 22 moves with respect to the power generation coil 20, thereby moving the magnetic field around the permanent magnet 22. And according to the movement of this magnetic field, an induced electromotive force is generated in the power generation coil 20 to generate power.

ピストン14の空気バネ室側の端面からは、燃焼室側に向かって(ピストン14の運動方向に)延びる、非貫通のガイド穴24が形成されている。このガイド穴24には、シリンダ12の空気バネ室側の端面から燃焼室側に向かって(ピストン14の運動方向に)延びるガイド軸26が挿入されている。ガイド軸26の外径は、ガイド穴24の内径とほぼ同じか、僅かに小さくなっている。かかるガイド軸26をガイド穴24に挿入することで、ピストン14の運動方向への移動がガイドされる一方で、ピストン14の径方向への移動が規制される。その結果、発電コイル20と永久磁石22のギャップ間距離が一定に保たれ、安定した発電が可能となる。また、本実施形態では、このガイド穴24、ガイド軸26を利用して、ピストン14の冷却も行っているが、これについては、後に詳説する。   A non-penetrating guide hole 24 extending from the end surface of the piston 14 on the air spring chamber side toward the combustion chamber side (in the movement direction of the piston 14) is formed. A guide shaft 26 extending from the end surface of the cylinder 12 on the air spring chamber side toward the combustion chamber side (in the movement direction of the piston 14) is inserted into the guide hole 24. The outer diameter of the guide shaft 26 is substantially the same as or slightly smaller than the inner diameter of the guide hole 24. By inserting the guide shaft 26 into the guide hole 24, the movement of the piston 14 in the movement direction is guided, while the movement of the piston 14 in the radial direction is restricted. As a result, the distance between the gap between the power generation coil 20 and the permanent magnet 22 is kept constant, and stable power generation is possible. In the present embodiment, the piston 14 is also cooled by using the guide hole 24 and the guide shaft 26, which will be described in detail later.

なお、図1では、ピストン14として、燃焼室側が小径、空気バネ室側が大径となる段付形状のピストンを図示しているが、ピストン14の形状は、特に限定されない。したがって、例えば、ピストン14は、段のない、ストレート形状であってもよいし、図1に示すような段付形状のピストン14でもよい。また、図2に示すように、断面略「E」字状のピストン14を用いてもよい。図1、図2に示すピストン14のように、燃焼室側に位置する小径部と、空気バネ室18側に位置する大径部と、を有するピストン14の場合、永久磁石22が配置されるピストン14の外周面積が広くとれるため、燃焼室16の容積当たりの磁石表面積を大きくできる。また、燃焼圧力を受けて移動したピストン14を燃焼室側に押し戻す力として「空気バネ」を利用する場合、空気バネ室18内の空気を圧縮するのに伴い、温度上昇が発生し、熱損失が生じるという問題がある。しかし、燃焼室側に位置する小径部と、空気バネ室側に位置する大径部と、を有するピストン14の場合、空気バネ室側の受圧面積が、燃焼室側の受圧面積より大きいため、空気バネ室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、ひいては、リニア発電機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。   In FIG. 1, a stepped piston having a small diameter on the combustion chamber side and a large diameter on the air spring chamber side is illustrated as the piston 14, but the shape of the piston 14 is not particularly limited. Therefore, for example, the piston 14 may be a straight shape without a step, or may be a stepped piston 14 as shown in FIG. Further, as shown in FIG. 2, a piston 14 having a substantially “E” cross section may be used. In the case of the piston 14 having a small diameter portion located on the combustion chamber side and a large diameter portion located on the air spring chamber 18 side, as in the piston 14 shown in FIGS. 1 and 2, the permanent magnet 22 is disposed. Since the outer peripheral area of the piston 14 can be increased, the magnet surface area per volume of the combustion chamber 16 can be increased. In addition, when an “air spring” is used as a force to push the piston 14 moved under the combustion pressure back to the combustion chamber side, the temperature rises as the air in the air spring chamber 18 is compressed, and heat loss occurs. There is a problem that occurs. However, in the case of the piston 14 having a small diameter portion located on the combustion chamber side and a large diameter portion located on the air spring chamber side, the pressure receiving area on the air spring chamber side is larger than the pressure receiving area on the combustion chamber side. The piston 14 can be pushed back even if the pressure of the air spring chamber 18 is relatively small. As a result, heat loss can be reduced, and consequently the system efficiency of the linear generator 10 (engine thermal efficiency × generator power generation efficiency) can be improved.

シリンダ12内には、ピストン14を挟んで対向する様に、燃焼室16及び空気バネ室18が設けられる。燃焼室16は、燃焼圧力を生じさせてピストン14を移動させる。燃焼室16は、例えば、シリンダ12内部の端部側に設けるようにしてもよい。   A combustion chamber 16 and an air spring chamber 18 are provided in the cylinder 12 so as to face each other with the piston 14 interposed therebetween. The combustion chamber 16 generates combustion pressure and moves the piston 14. For example, the combustion chamber 16 may be provided on the end side inside the cylinder 12.

燃焼室16には、掃気孔40、排気口44、排気バルブ46、インジェクタ48、及び点火手段50が設けられている。掃気孔40は、燃焼室16内に新気を導入する。新気の導入に際して、図示しない掃気ポンプを駆動させることによって、外部から掃気孔40に新気を導入するようにしてもよい。掃気孔40は、例えば、シリンダ12の内壁面に開口されていてよく、ピストン14が上死点に位置しているときにはピストン14によって塞がれるとともに、ピストン14が下死点に位置しているときには開放されるような位置に形成されていてよい。なお、上死点とは、ピストン14が最も燃焼室側に位置したときを指し、また、下死点とは、ピストン14が最も空気バネ室側に位置したときを指す。なお、掃気孔40に替えて図2に示すように、掃気バルブ54により開閉される掃気口52を設けてもよい。排気口44は、排気バルブ46により開閉される開口で、燃焼室16で新気と燃料との混合気を燃焼させた後の排気を、外部に導く。なお、排気口44が無く、掃気孔40のみで掃気・排気を行うループフロー式であってもよい。インジェクタ48は、燃料を噴射する噴射手段である。燃料は、掃気孔40より前のポートにて供給してもよい。点火手段50は、混合気に点火して燃焼圧力を生じさせる。例えば、排気バルブ46の開放タイミング、インジェクタ48の噴射タイミング、及び、点火手段50の点火タイミングは、ピストン14の位置に応じて決定するようにしてもよい。また、点火手段50の無い、圧縮自着火方式によって燃焼圧力を生じさせてもよい。   The combustion chamber 16 is provided with a scavenging hole 40, an exhaust port 44, an exhaust valve 46, an injector 48, and an ignition means 50. The scavenging holes 40 introduce new air into the combustion chamber 16. When introducing fresh air, the scavenging pump (not shown) may be driven to introduce fresh air into the scavenging holes 40 from the outside. The scavenging hole 40 may be opened, for example, on the inner wall surface of the cylinder 12. When the piston 14 is located at the top dead center, the scavenging hole 40 is blocked by the piston 14 and the piston 14 is located at the bottom dead center. Sometimes, it may be formed in a position where it is opened. The top dead center refers to the time when the piston 14 is located closest to the combustion chamber, and the bottom dead center refers to the time when the piston 14 is located closest to the air spring chamber. Instead of the scavenging holes 40, a scavenging port 52 that is opened and closed by a scavenging valve 54 may be provided as shown in FIG. The exhaust port 44 is an opening that is opened and closed by an exhaust valve 46, and guides the exhaust after the mixture of fresh air and fuel is burned in the combustion chamber 16 to the outside. Note that a loop flow type in which scavenging / exhausting is performed only by the scavenging holes 40 without the exhaust port 44 may be used. The injector 48 is an injection unit that injects fuel. The fuel may be supplied at a port before the scavenging holes 40. The ignition means 50 ignites the air-fuel mixture to generate combustion pressure. For example, the opening timing of the exhaust valve 46, the injection timing of the injector 48, and the ignition timing of the ignition means 50 may be determined according to the position of the piston 14. Further, the combustion pressure may be generated by a compression self-ignition method without the ignition means 50.

空気バネ室18は、ピストン14を燃焼室側に押し戻す、いわゆる「空気ばね」として機能する。ピストン14が燃焼室側から空気バネ室側に移動する際に、空気バネ室18が圧縮される。この圧縮に対する反発力が生じ、当該反発力により、ピストン14が燃焼室側に押し戻される。ここで、空気バネ室18には、内圧を一定範囲に収めるための調圧弁(図示せず)が設けられていてもよい。なお、燃焼圧力によりピストン移動に対して反発力を生じさせるのであれば、空気バネに限らず、他のバネ、例えば、コイルバネ、板バネ等を用いてもよい。   The air spring chamber 18 functions as a so-called “air spring” that pushes the piston 14 back to the combustion chamber side. When the piston 14 moves from the combustion chamber side to the air spring chamber side, the air spring chamber 18 is compressed. A repulsive force against the compression is generated, and the piston 14 is pushed back to the combustion chamber side by the repulsive force. Here, the air spring chamber 18 may be provided with a pressure regulating valve (not shown) for keeping the internal pressure within a certain range. In addition, as long as a repulsive force is generated with respect to the piston movement by the combustion pressure, not only the air spring but also other springs such as a coil spring and a leaf spring may be used.

以上のような構成のリニア発電機10において、ピストン14は、燃料と空気との混合気を燃焼(爆発)した際に生じる燃焼圧力により空気バネ室18側に移動し、ピストン14により圧縮された空気バネ室18内の圧縮空気の膨張力(反発力)により燃焼室16側に移動する。そして、この移動に伴い生じる磁界の移動により、発電コイル20に誘導起電力が発生し、発電する。   In the linear generator 10 configured as described above, the piston 14 is moved to the air spring chamber 18 side by the combustion pressure generated when the mixture of fuel and air is burned (exploded), and is compressed by the piston 14. It moves to the combustion chamber 16 side by the expansion force (repulsive force) of the compressed air in the air spring chamber 18. And the induced electromotive force generate | occur | produces in the power generation coil 20 by the movement of the magnetic field produced with this movement, and it generates electric power.

ところで、このリニア発電機10を駆動するために、燃焼室16で混合気を燃焼したり、空気バネ室18を圧縮したりする際には、多大な熱が発生する。特に、燃焼室16内の混合気は、燃焼により最大で2000K程度の高温に達する。こうした高温のガスにさらされて、ピストン14が溶解したり、焼き付いたりすることがある。また、ピストン14を介して永久磁石22(可動子)に熱が伝わり、永久磁石22が減磁し、発電効率の低下を招くことがあった。ここで、永久磁石22の減磁する温度は、磁石の種類によっても異なるが、高いものでも300度、低いものなら80度程度と、比較的低いため、永久磁石22周辺に伝わる熱は、大きな問題となる。   By the way, in order to drive the linear generator 10, a large amount of heat is generated when the air-fuel mixture is combusted in the combustion chamber 16 or the air spring chamber 18 is compressed. In particular, the air-fuel mixture in the combustion chamber 16 reaches a maximum temperature of about 2000K due to combustion. The piston 14 may be melted or seized by exposure to such high-temperature gas. In addition, heat is transmitted to the permanent magnet 22 (movable element) via the piston 14, and the permanent magnet 22 is demagnetized, leading to a decrease in power generation efficiency. Here, the temperature at which the permanent magnet 22 is demagnetized varies depending on the type of the magnet, but even if it is high, it is relatively low, such as 300 degrees, and if it is low, about 80 degrees. It becomes a problem.

そこで、本実施形態では、ピストン14の内部に冷媒を供給し、ピストン14を内部から冷却する構成としている。以下、この冷却構造について詳説する。既述した通り、本実施形態のピストン14には、運動方向に延びるガイド穴24が形成されている。また、ガイド穴24には、運動方向に延びるガイド軸26が挿通されている。ガイド軸26は、シリンダ12の端面に接続されており、その位置は不変である。したがって、ピストン14の運動に伴い、ガイド穴24内における、ガイド軸26の相対的な先端位置が変化するようになっている。   Therefore, in the present embodiment, the refrigerant is supplied into the piston 14 and the piston 14 is cooled from the inside. Hereinafter, this cooling structure will be described in detail. As already described, the guide hole 24 extending in the movement direction is formed in the piston 14 of the present embodiment. A guide shaft 26 extending in the movement direction is inserted into the guide hole 24. The guide shaft 26 is connected to the end face of the cylinder 12, and its position is unchanged. Therefore, as the piston 14 moves, the relative tip position of the guide shaft 26 in the guide hole 24 changes.

本実施形態では、ガイド軸26に、運動方向に貫通する排出孔28を形成し、さらに、この排出孔28に冷媒管30を挿通している。換言すれば、管状のガイド軸26、および、当該ガイド軸26の内部に配された管状の冷媒管30で、二重管が構成されている。冷媒管30は、冷媒供給源32から供給された冷媒を、ガイド穴24、すなわち、ピストン14内部の中空空間に導く管体である。この冷媒管30の一端は、ガイド穴24の内部に配置され、他端は、リニア発電機10の外部に設けられた冷媒供給源32に接続されている。   In the present embodiment, a discharge hole 28 penetrating in the movement direction is formed in the guide shaft 26, and the refrigerant pipe 30 is inserted into the discharge hole 28. In other words, the tubular guide shaft 26 and the tubular refrigerant tube 30 disposed inside the guide shaft 26 constitute a double tube. The refrigerant pipe 30 is a pipe body that guides the refrigerant supplied from the refrigerant supply source 32 to the guide hole 24, that is, the hollow space inside the piston 14. One end of the refrigerant pipe 30 is disposed inside the guide hole 24, and the other end is connected to a refrigerant supply source 32 provided outside the linear generator 10.

冷媒管30の一端は、ガイド軸26の先端よりも燃焼室側に突出していることが望ましい。かかる構成とすることで、冷媒管30から供給された冷媒が、ガイド穴24の内面(すなわちピストン14)に当たることなく排出孔28から外部に排出されることが効果的に防止され、供給された冷媒がピストン14に、より当たりやすくなる。また、ガイド軸26と同様に、冷媒管30の先端位置も不変となっている。そのため、ピストン14の往復運動に伴い、ピストン14に対する冷媒管30の先端位置、すなわち、冷媒の吐出位置も変動する。その結果、冷媒管30から吐出された直後の低温の冷媒を、高温になりやすい燃焼室16近傍や、減磁する温度が低い永久磁石22近傍など、広い範囲に当てることができ、ピストン14を全体的に冷却できる。   It is desirable that one end of the refrigerant pipe 30 protrudes toward the combustion chamber from the tip of the guide shaft 26. With this configuration, the refrigerant supplied from the refrigerant pipe 30 is effectively prevented from being discharged from the discharge hole 28 without hitting the inner surface of the guide hole 24 (ie, the piston 14). It becomes easier for the refrigerant to hit the piston 14. Further, similarly to the guide shaft 26, the tip position of the refrigerant pipe 30 is not changed. For this reason, as the piston 14 reciprocates, the tip position of the refrigerant pipe 30 relative to the piston 14, that is, the refrigerant discharge position also varies. As a result, the low-temperature refrigerant immediately after being discharged from the refrigerant pipe 30 can be applied to a wide range such as the vicinity of the combustion chamber 16 that tends to become high temperature or the vicinity of the permanent magnet 22 having a low demagnetizing temperature. Overall cooling is possible.

冷媒供給源32は、例えば、冷媒の貯留タンクやポンプ等で構成することができる。冷媒は、流体であれば、液体、気体のいずれでもよいが、本実施形態では、水やオイル等の液体からなる冷却液を冷媒として用いている。冷媒は、リニア発電機10を駆動している間、規定量が連続的に供給されることが望ましいが、場合によっては、ピストン14の運動周期やピストン14の温度等に応じて、間欠的に供給されたり、供給量を変動して供給したりしてもよい。   The refrigerant supply source 32 can be constituted by, for example, a refrigerant storage tank or a pump. As long as the refrigerant is a fluid, either a liquid or a gas may be used. In the present embodiment, a cooling liquid composed of a liquid such as water or oil is used as the refrigerant. It is desirable that the specified amount of the refrigerant is continuously supplied while the linear generator 10 is being driven. However, depending on the case, the refrigerant may intermittently depend on the movement period of the piston 14, the temperature of the piston 14, or the like. It may be supplied or supplied by changing the supply amount.

排出孔28が形成されたガイド軸26は、中空空間内に供給された冷媒を外部に導く排出管として機能する。冷媒の排出は、ピストン14の運動により促進される。すなわち、ピストン14が空気バネ室側に移動すると、ガイド軸26の先端は、ガイド穴24のうち燃焼室側端部に近づく。換言すれば、ガイド軸26は、ガイド穴24に対して相対的に移動する。この相対移動の動きにより、ガイド軸26は、ガイド穴24に滞留した冷媒の中を進むため、当該冷媒が、積極的に排出孔28へと運ばれる。その結果、冷媒が、排出孔28を介して、効率的に外部に排出される。そして、このようにピストン14の内部から冷媒を排出することで、冷媒がピストン14内部に滞留することが防止され、ひいては、冷媒の圧縮(流体圧縮)による必要仕事でピストン14運動が抑制されることが防止される。   The guide shaft 26 in which the discharge hole 28 is formed functions as a discharge pipe that guides the refrigerant supplied into the hollow space to the outside. The discharge of the refrigerant is promoted by the movement of the piston 14. That is, when the piston 14 moves to the air spring chamber side, the tip of the guide shaft 26 approaches the combustion chamber side end portion of the guide hole 24. In other words, the guide shaft 26 moves relative to the guide hole 24. Due to the movement of the relative movement, the guide shaft 26 advances through the refrigerant staying in the guide hole 24, so that the refrigerant is positively carried to the discharge hole 28. As a result, the refrigerant is efficiently discharged to the outside through the discharge hole 28. And by discharging the refrigerant from the inside of the piston 14 in this way, the refrigerant is prevented from staying inside the piston 14, and consequently the movement of the piston 14 is suppressed by the necessary work due to the compression (fluid compression) of the refrigerant. It is prevented.

以上の通り、本実施形態の構成によれば、ピストン14の内部に冷媒を供給するため、ピストン14を効果的に冷却できる。その結果、過熱によるピストン14の溶融や焼き付け、永久磁石22の減磁等を効果的に防止できる。また、供給された冷媒を外部に導く排出管として機能するガイド軸26も設けているため、流体圧縮による損失も低減できる。   As described above, according to the configuration of the present embodiment, since the refrigerant is supplied into the piston 14, the piston 14 can be effectively cooled. As a result, it is possible to effectively prevent melting and baking of the piston 14 and demagnetization of the permanent magnet 22 due to overheating. Moreover, since the guide shaft 26 that functions as a discharge pipe for guiding the supplied refrigerant to the outside is also provided, loss due to fluid compression can be reduced.

なお、冷媒として液体を用いる場合は、当該液体とともに、高圧空気も供給することが望ましい。図2は、冷媒液とともに高圧空気も供給する場合の構成を示す図である。図2において、符号34は、ガイド穴24内に高圧空気を導くための高圧空気導入路34である。この高圧空気導入路34を介して、高圧空気をガイド穴24に供給することにより、ガイド穴24に供給された冷媒液の外部への排出がより促進される。ここで、通常、液体は、非圧縮流体であり、通常、気体に比べて、液体の圧縮には多大な仕事を要する。ガイド穴24の内部が、かかる冷媒液で満たされるとピストン14の往復運動に伴い、多大な損失が生じることになる。一方、空気は、比較的小さい力で圧縮でき得る流体である。冷媒液とともに、高圧空気を供給すれば、ガイド穴24の内部が液体で満たされることが防止される。そして、その結果、ピストン14の往復運動し、ガイド穴24の内部体積が小さくなっても、当該体積の変動を高圧空気で吸収するため、圧縮に伴う損失を低く抑えることができる。そして、結果として、リニア発電の効率を向上できる。なお、高圧空気は、冷媒管30とは別に設けられた管体からガイド穴24内に供給されてもよいし、冷媒管30に供給されて、冷媒液とともにガイド穴24に供給されるようにしてもよい。また、高圧空気を供給するのではなく、ポンプ等の流体機械を用いて負圧を作用させて、ガイド穴24に供給された冷媒を、外部に導くようにしてもよい。   In addition, when using a liquid as a refrigerant | coolant, it is desirable to supply high pressure air with the said liquid. FIG. 2 is a diagram showing a configuration in the case of supplying high-pressure air together with the refrigerant liquid. In FIG. 2, reference numeral 34 denotes a high-pressure air introduction path 34 for guiding high-pressure air into the guide hole 24. By supplying high-pressure air to the guide hole 24 through the high-pressure air introduction path 34, the discharge of the refrigerant liquid supplied to the guide hole 24 to the outside is further promoted. Here, the liquid is usually an incompressible fluid, and usually requires much work to compress the liquid as compared with the gas. If the inside of the guide hole 24 is filled with such a refrigerant liquid, a great loss will occur with the reciprocating motion of the piston 14. On the other hand, air is a fluid that can be compressed with a relatively small force. If high pressure air is supplied together with the refrigerant liquid, the inside of the guide hole 24 is prevented from being filled with the liquid. As a result, even if the piston 14 reciprocates and the internal volume of the guide hole 24 decreases, the volume change is absorbed by the high-pressure air, so that loss due to compression can be kept low. As a result, the efficiency of linear power generation can be improved. Note that the high-pressure air may be supplied into the guide hole 24 from a tube provided separately from the refrigerant pipe 30, or supplied to the refrigerant pipe 30 and supplied to the guide hole 24 together with the refrigerant liquid. May be. Further, instead of supplying high-pressure air, a negative pressure may be applied using a fluid machine such as a pump to guide the refrigerant supplied to the guide hole 24 to the outside.

次に、第二の実施形態について図3、図4を参照して説明する。図3は、第二の実施形態であるリニア発電機10の構成を示す図であり、図4は図3のA−A断面図である。   Next, a second embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 3 is a diagram illustrating a configuration of the linear generator 10 according to the second embodiment, and FIG. 4 is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. 3.

このリニア発電機10は、ガイド軸26の外周面に、軸受60が設置されている点で、第一の実施形態と大きく相違する。図4に示すように、軸受60は、ガイド軸26の外周面に、複数(図4では三つ)、設けられている。各軸受60は、転動体であるローラを備えており、各ローラはピストン14の運動に伴い、ガイド穴24の内周面を転動するように、その位置・回転軸方向が設定されている。このように、ガイド軸26とガイド穴24との間に軸受60を介在させることで、ピストン14の径方向への移動が規制される一方で、ガイド軸26とガイド穴24間の摺動摩擦が低減できる。そして、結果として、より小さいエネルギーでピストン14を運動できるため、より効率的な発電が可能となる。   This linear generator 10 is greatly different from the first embodiment in that a bearing 60 is installed on the outer peripheral surface of the guide shaft 26. As shown in FIG. 4, a plurality (three in FIG. 4) of bearings 60 are provided on the outer peripheral surface of the guide shaft 26. Each bearing 60 includes a roller that is a rolling element, and the position and the rotational axis direction of each roller are set so that each roller rolls on the inner peripheral surface of the guide hole 24 as the piston 14 moves. . Thus, by interposing the bearing 60 between the guide shaft 26 and the guide hole 24, the movement of the piston 14 in the radial direction is restricted, while the sliding friction between the guide shaft 26 and the guide hole 24 is reduced. Can be reduced. As a result, since the piston 14 can be moved with smaller energy, more efficient power generation is possible.

ところで、こうした軸受60を設けた場合、排出孔28のサイズ・形状が制限され、排出孔28の断面積、ひいては、冷媒液の排出能力が低減することがある。そこで、本実施形態では、排出孔28の断面積を十分に確保するために、当該排出孔28の横断面形状を、各軸受60の辺と平行な辺を有する多角形(図4の例では三角形)としている。かかる構成とすることで、排出孔28と軸受60との干渉を避けつつも、排出孔28の断面積を比較的、広く保つことができる。なお、図4では、排出孔28を、周方向に配置される軸受60の数と同数の辺を有する多角形としているが、軸受60の辺と平行な辺を有するのであれば、図6に示すように、排出孔28の辺の数は、軸受60の個数より多くてもよい。   By the way, when such a bearing 60 is provided, the size and shape of the discharge hole 28 are limited, and the cross-sectional area of the discharge hole 28 and thus the discharge capacity of the refrigerant liquid may be reduced. Therefore, in the present embodiment, in order to secure a sufficient cross-sectional area of the discharge hole 28, the cross-sectional shape of the discharge hole 28 is a polygon having sides parallel to the sides of the bearings 60 (in the example of FIG. 4). (Triangle). With such a configuration, the cross-sectional area of the discharge hole 28 can be kept relatively wide while avoiding interference between the discharge hole 28 and the bearing 60. In FIG. 4, the discharge hole 28 is a polygon having the same number of sides as the number of the bearings 60 arranged in the circumferential direction. However, if the discharge hole 28 has a side parallel to the side of the bearing 60, FIG. As shown, the number of sides of the discharge holes 28 may be greater than the number of bearings 60.

また、このように排出孔28を、断面多角形とした場合には、その頂点の一つを、鉛直方向下側に位置させることが望ましい。これは、ガイド軸26の鉛直方向下側の肉厚を、他の部分に比べて薄くし、これにより、冷媒液が排出孔28に入り込みやすくするためである。これについて図5を参照して説明する。図5は、ガイド軸26周辺の概略縦断面図である。図5bに示すように、ガイド軸26の鉛直方向下側の肉厚が厚い場合、ガイド穴24に貯留している冷媒液がある程度多量で、液面レベルが高くならない限り、冷媒が排出孔28に入り込まない。また、ピストン14が空気バネ室側に移動する際には、当該ピストン14により押された冷媒液の一部は、ガイド軸26の端面で押し返されることになる。ガイド軸26の鉛直方向下側の肉厚が厚い場合、この冷媒液を押し返すガイド軸26端面の面積が大きくなり、ピストン14に作用する抵抗力が大きくなる。一方、本実施形態のように、ガイド軸26の鉛直方向下側の肉厚を薄くした場合、ガイド穴24に貯留している冷媒液がある程度少量でも、冷媒液は、排出孔28に入り込み、外部に放出される。また、この場合、この冷媒液を押し返すガイド軸26の端面の面積が小さくなり、ピストン14に作用する抵抗力を小さく抑えることができる。結果として、ピストン14の往復運動効率を向上することができる。   In addition, when the discharge hole 28 has a polygonal cross section, it is desirable that one of the apexes be positioned on the lower side in the vertical direction. This is because the thickness of the guide shaft 26 on the lower side in the vertical direction is made thinner than the other parts, so that the refrigerant liquid can easily enter the discharge hole 28. This will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a schematic longitudinal sectional view around the guide shaft 26. As shown in FIG. 5b, when the thickness on the lower side in the vertical direction of the guide shaft 26 is thick, the coolant is stored in the guide hole 24 to some extent, and the coolant is discharged to the discharge hole 28 unless the liquid level becomes high. Don't get in. Further, when the piston 14 moves to the air spring chamber side, a part of the refrigerant liquid pushed by the piston 14 is pushed back by the end face of the guide shaft 26. When the thickness on the lower side in the vertical direction of the guide shaft 26 is thick, the area of the end surface of the guide shaft 26 that pushes back the refrigerant liquid increases, and the resistance acting on the piston 14 increases. On the other hand, when the thickness of the guide shaft 26 on the lower side in the vertical direction is reduced as in the present embodiment, the refrigerant liquid enters the discharge hole 28 even if the refrigerant liquid stored in the guide hole 24 is small to some extent. Released to the outside. Further, in this case, the area of the end surface of the guide shaft 26 that pushes back the refrigerant liquid is reduced, and the resistance force acting on the piston 14 can be kept small. As a result, the reciprocating motion efficiency of the piston 14 can be improved.

なお、これまで説明した構成は、一例であり、ピストン14内部に冷媒を導く冷媒管30と、ピストン14内部に供給された冷媒を外部に導く排出管と、を備えるのであれば、その他の構成は適宜、変更されてもよい。   The configuration described so far is an example, and other configurations are possible as long as the configuration includes a refrigerant pipe 30 that guides the refrigerant into the piston 14 and a discharge pipe that guides the refrigerant supplied into the piston 14 to the outside. May be changed as appropriate.

例えば、排出孔28の断面形状は、上述した構成(円形または軸受の配置に応じた多角形)に限らず、適宜、変更されてもよい。例えば、排出孔28は、横断面形状が、円形や多角形に限らず、楕円形や、周の一部のみが外側に突出したり内側に凹んだりする不規則形状などであってもよい。また、本実施形態では、冷媒を排出するガイド軸26(排出管)の内部に、冷媒を供給する冷媒管30を配置しているが、冷媒管・排出管の配置関係は逆にしてもよい。すなわち、ガイド軸26に形成された孔を介して冷媒を供給し、当該ガイド軸26の内部に配置された管体を介して供給された冷媒を外部に排出するようにしてもよい。また、これまでの説明では、冷媒管・排出管を、一つの管体の内部に他の管体を配置する二重管として構成することを例示したが、ガイド軸26を、図7に示すような上下に2分割された管体とし、当該分割された各管体を冷媒管70・排出管72を構成してもよい。また、これまでの図面では、ガイド軸26の端面が、軸方向に直交する直角端面の場合のみを図示しているが、図8に示すように、ガイド軸26の端面に、先端に近づくにつれて肉薄になるようなテーパを設けてもよい。また、これまで例示した構成は、自由に組み合わされてもよく、例えば、図3、図4を参照して説明した第二の実施形態に、図2を参照して説明した高圧空気導入路34を組み合わせるなどしてもよい。   For example, the cross-sectional shape of the discharge hole 28 is not limited to the above-described configuration (circular or polygon according to the arrangement of the bearings), and may be changed as appropriate. For example, the discharge hole 28 is not limited to a circular shape or a polygonal shape in cross section, but may be an elliptical shape or an irregular shape in which only a part of the circumference protrudes outward or is recessed inward. In the present embodiment, the refrigerant pipe 30 that supplies the refrigerant is disposed inside the guide shaft 26 (discharge pipe) that discharges the refrigerant. However, the arrangement relationship of the refrigerant pipe and the discharge pipe may be reversed. . That is, the coolant may be supplied through a hole formed in the guide shaft 26 and the coolant supplied through the tube disposed inside the guide shaft 26 may be discharged to the outside. In the above description, the refrigerant pipe / discharge pipe is exemplified as a double pipe in which another pipe is arranged inside one pipe, but the guide shaft 26 is shown in FIG. Such a pipe body divided into two in the vertical direction may be used, and each of the divided pipe bodies may constitute the refrigerant pipe 70 and the discharge pipe 72. In the drawings so far, only the end face of the guide shaft 26 is a right-angle end face orthogonal to the axial direction, but as shown in FIG. 8, the end face of the guide shaft 26 approaches the tip. A taper that is thin may be provided. Further, the configurations exemplified so far may be freely combined. For example, in the second embodiment described with reference to FIGS. 3 and 4, the high-pressure air introduction path 34 described with reference to FIG. 2 is used. May be combined.

10 フリーピストンエンジン駆動リニア発電機、12 シリンダ、14 ピストン、16 燃焼室、16 ガイド穴、18 空気バネ室、20 発電コイル、22 永久磁石、24 ガイド穴、26 ガイド軸、28 排出孔、30 冷媒管、32 冷媒供給源、34 高圧空気導入路、40 掃気孔、44 排気口、46 排気バルブ、48 インジェクタ、50 点火手段、52 掃気口、54 掃気バルブ、60 軸受。   10 Free Piston Engine Driven Linear Generator, 12 Cylinder, 14 Piston, 16 Combustion Chamber, 16 Guide Hole, 18 Air Spring Chamber, 20 Generator Coil, 22 Permanent Magnet, 24 Guide Hole, 26 Guide Shaft, 28 Discharge Hole, 30 Refrigerant Pipe, 32 Refrigerant supply source, 34 High pressure air introduction path, 40 Scavenging hole, 44 Exhaust port, 46 Exhaust valve, 48 Injector, 50 Ignition means, 52 Scavenging port, 54 Scavenging valve, 60 Bearing

Claims (5)

可動子が組み込まれたピストンが、固定子が組み込まれたシリンダ内で直線往復運動することで発電するフリーピストンエンジン駆動リニア発電機であって、
前記ピストンの内部には、中空空間が形成され、
前記中空空間内に接続され、冷媒供給源から供給された冷媒を前記中空空間に導く冷媒管と、
前記中空空間内に接続され、前記中空空間内に供給された冷媒を外部に導く排出管と、
を備え
前記中空空間は、前記ピストンにおいて、前記運動方向に延びるガイド穴であり、
前記排出管は、前記運動方向に貫通する排出孔が形成された管状の軸であって、前記ガイド穴に挿通され、当該ガイド穴に対して前記運動方向に移動可能なガイド軸であり、
前記ガイド軸は、鉛直方向下側部分の肉厚が、他の部分の肉厚に比して薄い、
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機。
A piston with a movable element incorporated therein is a free piston engine-driven linear generator that generates electricity by reciprocating linearly within a cylinder with a stator incorporated therein,
A hollow space is formed inside the piston,
A refrigerant pipe connected to the hollow space and guiding the refrigerant supplied from a refrigerant supply source to the hollow space;
A discharge pipe connected to the hollow space and guiding the refrigerant supplied into the hollow space to the outside;
Equipped with a,
The hollow space is a guide hole extending in the movement direction in the piston,
The discharge pipe is a tubular shaft in which a discharge hole penetrating in the movement direction is formed, is a guide shaft that is inserted into the guide hole and is movable in the movement direction with respect to the guide hole,
In the guide shaft, the thickness of the lower portion in the vertical direction is thinner than the thickness of the other portions.
A free-piston engine-driven linear generator.
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機であって、
前記冷媒管および排出管は、前記中空空間内に配置され、前記ピストンの往復運動に伴い、先端位置が前記ピストンに対して相対的に変動する管体である、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機。
A free-piston engine-driven linear generator according to claim 1,
The free-piston engine, wherein the refrigerant pipe and the discharge pipe are pipe bodies that are disposed in the hollow space and have a tip position that varies relative to the piston as the piston reciprocates. Drive linear generator.
請求項1または2に記載のフリーピストンエンジン駆動リニア発電機であって、
前記冷媒は、液体であり、
前記冷媒管を介して、前記中空空間に前記液体の冷媒とともに高圧空気を供給するエア供給手段を有する、
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機。
A free piston engine driven linear generator according to claim 1 or 2,
The refrigerant is a liquid,
Air supply means for supplying high-pressure air to the hollow space together with the liquid refrigerant through the refrigerant pipe;
A free-piston engine-driven linear generator.
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エンジン駆動リニア発電機であって、
前記排出孔の横断面形状は、一つの頂点が、鉛直方向下側部分に位置する多角形である、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機。
A free-piston engine-driven linear generator according to any one of claims 1 to 3 ,
The free piston engine-driven linear generator is characterized in that the cross-sectional shape of the discharge hole is a polygon whose one vertex is located in a lower portion in the vertical direction.
請求項1からのいずれか1項に記載のフリーピストンエンジン駆動リニア発電機であって、
前記ガイド軸には、前記ガイド軸の前記ピストンに対する相対移動を補助する軸受が、周方向に間隔を開けて複数埋め込まれており、
前記排出孔の横断面形状は、前記軸受の辺と平行な辺を有する多角形である、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機。
A free-piston engine-driven linear generator according to any one of claims 1 to 4 ,
A plurality of bearings that assist relative movement of the guide shaft with respect to the piston are embedded in the guide shaft at intervals in the circumferential direction.
The free piston engine-driven linear generator according to claim 1, wherein a cross-sectional shape of the discharge hole is a polygon having a side parallel to a side of the bearing.
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