2012年4月24日火曜日

ツインエンジンの完成

ツインエンジンにすると迫力は出てきたようです。
ただ次の展開というかストーリーが完全ではありません。
これを何に使ったらいいのでしょうか?
作る前まではいろいろあったのですが、いざ出来るといろいろな問題が出て来ます
しかし、これも研究開発の一つとして意義があると一人で勝手に思っています。
発電部は市販の手回し発電機の部品をバラして使用
ニッカドバッテリーに一度充電してから携帯に充電するタイプ


完成動画

これから商品になるには、熱源部、DCダイナモ、基盤、バッテリーの手当をしないといけないのでまだ時間がかかりそうです。いまのところ目処が立っていません。
いろいろ試してはいるのですが、しっくりいきません。

普通の企業ですと、開発者としてはクビになるところです。
オマエはクビだ!ボケ (`・ω・´)
重々承知しております。(-_-;) 

設計者としては、最悪の自己満足の世界にはいっています。

これからじっくり考えてみます。

2012年4月18日水曜日

ツインエンジンの設計、制作その4


 いつものように最後の詰めが甘く、熱源と取付ベースの仕様で頭を悩ませることになりました。
いろいろアイデアはあるのですが、実現するための資源(資金)の問題でつまずきます。

エンジンの取付については、当初L字のアングルでごまかそうと思いましたが、全体のバランスを考えるとイマイチです。



とりあえずオマケです。


せっかくエンジンをここまで仕上げたのに、スーツを着てサンダルを履くようで、やはりダイキャストでステー作ることにしました。
そこまで考えると欲が出てきて、発電機と一体構造のものにしました。



完成は次回です。

2012年4月17日火曜日

ツインエンジンの設計、制作その3


CADのおかげで、試作品の組立はとても楽になったものです。20年以上も前ですと部品の組付で寸法が合わなかったり、部品どうしが干渉したりして、結構苦労したものです。
それが今では、相当な精度を要求しないものは一発で組むことができるようになりました。
しかし実際には、寸法公差のとり方で調整に苦労することがあります。

余談ですが、CADの発展により逆の側面も出てきています、それは設計者の経験不足によるものでしょうが、製品図は公差が0でいくらでもかけるのですが実際に加工する現場では、公差が0の製品を作ることは不可能です。
それは、設計者が加工技術をよく理解していればいいのですが、普通に考えるとどうでもいいところまで、厳しい加工精度で図面を仕上げる事があります。
 T(;_;)Tおてあげ 

話すとながくなるのでこの話は次回に譲りますが、要はいい加減、適当で構わないということです。

この本来の意味としては いい加減、適当 良い塩加減 適切に当たとか本来人間の感性に沿った良いプラスの意味合いもあるそうです。
私個人の意見としては、一時一世を風靡したISO規格(性悪説)によるものと勝手に思っています。元々日本人は性善説でこの手法は日本になじまない手法ですが、海外の圧力に屈して導入したものです。今はこれをやめる企業も多いと聞きます。
これだけではありませんが、日本の製造業を弱くしてきた要因の一部であることには変わりありません。

話がそれたので本題に入ります。

前にも話しましたが軸同士の連結は、偏角、偏心を考慮してカップリングで接続します、これだと多少のずれがあっても許容するので組立が楽になります。問題は値段が高いことですが、組立の調整コストを考えると安いものです。


CADで設計しただけあって一発で組み上げる事が出来ました。



一応ツインエンジンはできたのですが、取付ベースと熱源が問題になりそうです。
いつも、いきあたりばったりで計画性がなく困ったものです。  (+o+)
それについては次回に...................

2012年4月16日月曜日

ツインエンジンの設計、制作その2


今回はCAD設計から、どのようにして金型製作するかを説明します。

最初は、機能的な寸法を決定してから形状を作ります、前回アルミプレートを製作した時にそのデーターがあるのでそれを利用します。
この段階で様々なデザインを検討し、それと同時にダイキャスト化できる形状に煮詰めて行きます。
通常は製品形状を決定して後から製造方法を決定するのですが、そうすると形状によっては加工することができない箇所があったり、2次、3次と追加の加工をしなければ出来ないことで高コストな製品になってしまします、そのため製作段階で形状変更をよぎなくされます。
外観デザインが優先する製品は別ですが、通常は機能を満たした上でのデザインになるのが普通で、それを製作工程を考慮した上で製品設計をすることで短期間で製品を作る事ができます。
(普通は製品設計と製作部門が別なため後から設計変更が生じて、時間の無駄最悪な場合には
最初から設計をやり直さなければならなくなります)

ここでは、設計者が製造工程を熟知した上で設計するので、作ったデーターをそのまま製作用のデータにできるので、短時間、低コストで試作品を作ることが出来ます。

デザインの検討


最終デザインの決定


デザインが決定したら、普通に製品を加工するにはこのデーターでいいのですが、金型はすべての形状が逆になるので、これから反転データーをつくり金型用データーとします。

今はITの技術が進歩しているので楽にできるようになりましたが、昔の金型職人は頭の中ですべての形状を逆に捉えて型を作っていました、この考え方は重要で、今ある事情を反対側から考えるという発想が身についてのかもしれません。(逆の立場で物事を考える


こんな感じでデーターを反転します。


最後に、湯道、ゲート、オーバーフローを加工して一応完成です。


このデーターをCAMでマシニング用のデーターを作り加工します。簡単ですが、こんな感じで金型を作ります。
この金型を鋳造機で鋳込むことで製品が完成します。


次回はできた製品の、組み付け工程です。

2012年4月15日日曜日

ツインエンジンの設計、制作その1


このエンジンの開発当初から、ツインエンジンを制作しようと思っていましたが、単体での性能がそこそこ出てきたので、実行することにしました。

取付方法をいろいろ検討しましたが、組付精度を考慮するとボンネットをツイン用に設計したほうが、安易に取付けるより後々苦労しないだろうと考えました。


今回はいきなり金型を作るのはリスクがあるので、とりあえずボンネットをアルミプレートで加工してエンジンを取り付けました。
軸の結合は、偏心、偏角を許容するためカップリングを使用。
試運転の結果は、良好で振動もお互いに打ち消すので、かなり抑えられます。






これからダイキャストの製品設計をして、金型からつくります。
大変だー (^v^) 

2012年4月14日土曜日

位相差の変更とロスヨークの改造その3

結局スライダー方式は諦めて、位相差を90°で支持クランク方式に戻すことにしました。
ただ、T字クランクの回転ディスクまでの支点距離をながくしたので、現在のシリンダー本体も改良しなくてはなりませんでした、いろいろ悩んだ結果シリンダーの支持クランク接合部をカットして新規に部品を作りました。





いつもの事ですが、とんだ回り道をやってしまいました。

ただしこの改造では、反対側にも出力軸を取り付けています。
支持クランクは片側だけです。







次はツインエンジンの設計に取り掛かります。

2012年4月12日木曜日

位相差の変更とロスヨークの改造その2

設計から、約1ヶ月で部品が出来ました。 
このエンジンは、逆側にも出力を取り出せるようにしてあります。



なぜか、905でこのタイプのエンジンは現在世界で1台だけです。
部品の個々の写真はありません。
ということは、今は作っていないという事です。
その貴重な一台、とりあえず完成品です。



動きましたが、満足できる結果にはなりませんでした。
しかし、位相差90°では低速でのトルクが出てきたようです。



結局、スライダーの設計が悪いためか、スムーズに動作させるためには、従来の方法よりは調整が難しく実用的ではありませんでした。
思った程の効果は得ることが出来ませんでした。
原因としてはいろいろありますが、スライダーの摺動抵抗が支持クランクを使用した方法に比べて大きく、位相差を変更した程度の出力向上ではあまり意味がありませんでした。

最近思うことは、このエンジンと係っていると現在の技術が自然に逆らって力任せに物事を進めているように感じます、人は自然と共生して、生かされています。驕りは禁物です。

2012年4月9日月曜日

位相差の変更とロスヨークの改造その1

ロスヨークは、メカロスが少なくコンパクトで大変良い機構ですが、耐久性と騒音防止で、クランク接合部に多数のベアリングを使用しベアリングの値段が高いので何とか減らす方法はないかと考えていましたが、たまたま模型エンジンで支持クランクのないものを見つけました。
この形ですと、支持クランクが無い分2ヶのベアリングを無くすことが出来ます。
構造は、支持クランクとT字クランクの接合部が、円運動から直線運動になるだけですので大きなメカロスは無いだろうと安易に考えました。
またこの際ですので、位相差による出力の違いを確認するため位相差を90°にして製作することにしました。(現在120°)
理論上は位相差90°では、圧縮比が上がり出力がより出るようです。

位相差を90°にするには、単純にT字クランク3点の支点長さを同じにすれば出来ます。
現状の120°は、コンロッドまでの距離20㎜ですが、クランクディスクからの支点距離は15.3㎜と短くなっています。
そのためにコンロッドの長さも変えることになりました。




ロス機構についての、計算式を詳しく知りたい方は、下記リンクのエクセルシートに載っています。
毎年暮れに行われる、スターリングテクノラリーで無線ラジコンクラスでいつも上位入賞されている福井さんです。私のエンジンとはレベルが違います。
自作の高性能エンジンを作りたい方はとても参考になります。

部品点数は結構増えてしまいました。


次回につづく

2012年4月6日金曜日

メンテナンス

長時間運転していると、調子が悪くなりますが、CRC5-56を塗布することで一時的に調子がよくなります。
さすがに、CMとおりの効果です、しかしこれも完全ではなくしばらくすると同じような状態になります、普通はこれで用がたりますが実用的用途を考えると、これでは不十分で何らかの方法を検討しなければなりません。

ところでCRCの主成分は何だと思いますか?当然潤滑油的なモノが多量に入っていると思っていましたが、それはケロシンと鉱物油でした。頭痛薬?それはケロリンです。

どこかで聞いたことがあるようでしたが、Wikipediaで調べてみました。
なんと早い話が灯油でした、ジェット燃料とも書いてありました。自分の知識のなさを改めて感じます。
ちなみに高級品のスーパー5-56(フッ素樹脂配合)や、シリコーンスプレーを使用すると逆効果になります。本来潤滑性能のある成分が含有していた方が効果がありそうですが、スターリングエンジンの場合は違いました。

ということは、なぜすべりがよくなるかということで、調べてみると微量の潤滑成分も含有されているようですが、この場合基本的にはケロシンという溶剤がよごれを落として一時的に改善されることが分かります。


それはピストンを分解すると分かりますが、ピストンの周りに黒い付着物がついていて、アルコールでふき取るとすぐに取れます。
汚れの成分は、おそらくシリンダーのアルミニウム粉とピストンに施したテフロン鍍金の磨耗粉と思われます。




このように、ピストンとシリンダーの汚れをふき取ることで、このエンジンは蘇ります。


今後は別の表面処理を模索しながら、実用レベルに耐えるエンジンを開発するのが目標です。
または下記写真のようなピストンリングが、必要と思われます。



元祖Andy Rossのピストン

2012年4月5日木曜日

チューニングアップその2


前回のつづきで今回は再生器の説明です。

○スターリングエンジンの再生器とは

内部に取り込んだ流体の、熱効率を上げるために組み込むマトリクスの事をいうようです。

簡単に説明すると、流体が高温部から低温部に行き来する通路の間に、マトリクス(金網のようなもの)を挿入し、高温部から低温部に流体が移動するときに蓄熱させ、逆に低温部から高温部への移動時は流体を余熱することで熱損失を防ぎ、熱効率をあげる効果があるという事です。

詳細は下記をご覧ください。
海上技術安全研究所の平田先生には、この場を借りて御礼申し上げます。
その他のスターリングエンジンの原理についても詳しく説明されていますので、何度も使用させていただいています。ありがとうございます。

ただ模型のような小型エンジンでは、死容積の増大とマトリクスの流動抵抗の負荷が大きく、逆に出力の低下を招くようです。
それでもやりたくなるのが、素人で、そういえば前回の写真で通路の真ん中に無意味な空間がありませんでしたか。?



そうです、あれです、これは設計する段階で再生器を入れる目的で作りました。
しかし世の中は甘くなく、効果としてはほとんど実感できませんでした。

そんなわけで、それから忘れていたのですが、ひょんなことから再生器の効果なるものを発見しました。----------詳細はまた後日お話します。

今回は構造的な話だけをします。
それはマトリクスを使用しない構造で実現しました。厳密な意味では再生器と言えないですが、実際に効果があるのでこれまた???です。

これは、マトリクスの変わりに、下記写真の物を装着することで(ここではHPヘッドといいます)
上記効果が確認できました。




ステンレスヒートキャップからの伝熱で加熱,蓄熱されたHPヘッドの熱容量が大きいので、内部空気の熱損失が軽減されたのではないかと考えられます。

もちろんHPヘッドとシリンダー本体(灰色の部分)は断熱材で仕切っている為、HPヘッドほどシリンダーは熱くなりません。実際にシリンダー本体とHPヘッドの温度差が最大30℃ほど付きます。
また死容積が増えたにもかかわらず出力が見た目でも確認できる程増えました。

これはオドロキでした。
それ以外にも要因があるようですが、現在も調査中です。


比較の動画です。



2012年4月4日水曜日

チューニングアップその1


今回はチューニングについて説明します。
前回も話ましたが、性能の決定要因の中で大きな位置を占めるのが、ピストンとシリンダーの摺動性と機密性という相反する特性をどう調整するかが問題でしたが、それ以外に性能を大きく左右する事項を取り上げます。
今まではとりあえず動くことが必要条件でしたので、上記対策を重点的に行ってきました。

今回のテーマは、内部の作動空気をいかにスムーズに移動させるかと、取り入れた熱を効率よく利用する(再生器)方法です。もっと重要なテーマがありますがこれは今後、取りあげます。

○エアー通路の改良
内部の空気が体積変化を伴いながら、ピストンによって強制的に移動するので、極力抵抗のないエアー通路が必要になるはずです。
そこで、通路の角部にRをつけてスムーズに流れるように工夫してみました。元々ダイキャストが本業なので、職業的な感のようなものです。
ダイキャストの場合、空気ではなく解けたアルミニウムですが同じ流体と考えると理解できます。
何も流体力学的に難しく考えることはなく、自然の川の流れからも想像できることで、実際に試してみました。




効果は予想以上でした。
効果は予想以上でした。
効果は予想以上でした。
効果は予想以上でした。


と書くとカッコよいですが、実際は何台か製作しているうちになぜかすごいパワーのある物ができたのです。最初は原因がよく分からず、????????でした。ですから分解すると元のパワーに戻ることを恐れて、しばらくそのままで動かしていました。

後から気が付いたのですが、当時は試行錯誤の連続で、とにかくピストンとシリンダーを抵抗なく動かすことが先決で内部を磨いているうちに、本業の金型の湯道を磨く要領で無意識に通路の角部にRを付けていたようです。

そのような訳でベースを新規に作りなおす事態が発生したのでした。
試作時のエンジンより回転速度が上がったため。


次回につづく、

2012年4月3日火曜日

エンジンの騒音対策


本来、スターリングエンジンは、内燃機関と違い爆発を伴わないので、静かなエンジンといわれていますが、模型のエンジンですと結構音がします。
低速な場合はよいのですが、高速回転になるとガシャガシャ、とかゴーとかなりうるさいです。
その音がいいという人もいますが、極力騒音が出ないように改良していきました。


主な騒音の原因
振動による、接触音
この動画はシリンダー内部の圧力を調整することで、単に回転スピードを変化させようとした実験です、私的にはこの音はエンジンという感じで好きですが、これは主にベースとテーブルが振動のために発生する音です。


クランク接合部のがたつきによる騒音
一般の模型エンジンはこれが主な原因です。
通常はクランクの接合部にピンを通して遊びを持たせて、メカロスを抑えています、そのガタ付が騒音の原因です。(遊びを無くすと非力なスターリングエンジンは動かなくなります)
専門家ではないので詳しい説明はできませんが。

そこで、遊びを押さえスムーズに動くように、クランクの接合部にベアリングを使用してスラスト方向にネジで固定しています、ベアリング自体の内輪と外輪に多少の余裕があるため支持クランクとT字クランクに多少のふら付きがあっても拘束されず、メカロスが軽減できます。
(加工精度が悪いとベアリングの許容範囲を超えて作動不良になります)

エンジンの開発当初は、各クランクの接合部のネジをきつく締めるとスムーズに動かなくなり、寸法調整を余儀なくされましたが、現在は加工精度を見直して解決しました。


しかし、ピストンとコンロッドの接合部とクランクディスクに回転を与えるT字クランク部はピン拘束しているので長時間運転(500時間程)で磨耗してガタが発生すると、かなりの騒音になります。





新しいエンジンと500時間運転後のエンジン



これで基本的な対策は完了です。
話が前後したり、抜けてる所があるかもしれませんが、思い出したら書きます。

次回からは応用編に入ります。

2012年4月2日月曜日

発電機の仕様


何とかエンジンとベースは完成したので、次に発電機に使用できるモーターについての話です。

出力1w程度のモーターは市販品では簡単には見つからず、条件としては手で軽く回してLEDが点灯する位の起電力が必要です、模型用の市販しているマブチのモーターだと簡単に点灯しません。

手で軽く回すだけでLEDが点灯する。


量産するには、取り付けのステーを金型で製作するため安定した配給元がないとその度に取り付け寸法が違い苦労します、メーカーによって取り付け寸法、大きさに違いがあります。
電気部品の通販で適当なモーターがあったので購入していましたが、ある日突然、販売終了になっていました。ヽ(*´Д`*)ノ

そこで、小型モーターといえばマブチモーターですが、一般の購入はまず相手にしてくれません、噂には聞いていましたが、とりあえず連絡してみました。
取引条件 最低1万個、支払い現金振込、振込確認後に製造開始で納期1~3ヶ月。
よくよく話を聞くと、海外での生産工場で1日に生産する数量だそうです。
早い話200~300ではお話になりませんでした。こねでもあれば何とかなるのでしょうが。
さすがに1万個注文するわけにはいかないので、いろいろ交渉の結果3000ヶで何とかしてもらえることになりました。(担当者の好意に感謝します) 在庫をかき集めたようです。
(使用モーター《CD、DVDプレイヤー用》)

 これで、発電機の目処が付いたので量産用の金型の製作が出来ました。

発電機 ステーとカバー一式

発電機テスト 

2012年4月1日日曜日

振動対策


このエンジンの開発目的が、単に動くだけでなく、発電機や模型の動力に使用できる出力を持たせることでしたので、出力が上がれば当然振動が大きくなる事を考慮していませんでした。
重量のあるベースに固定すればいいのですが、3kg程度のスチール製のベースでは不足で10㎏
あれば大丈夫ですが----------




メカ的なバランスをとるのがベストですが、いろいろ調べたところ、かなり難しく出来ても出力がその機構のため取られてしまい、このエンジンではあまりメリットがないので防振材を使用して対策することにしました。

防振材として、スプリング、防振ゴムがありますが、スポンジでも効果があります。


しかし、アルコールランプがベースに乗っている状態ですと、ランプが揺れて不安定です。
やはりベースの設計をやり直さなければならないようです。
エンジン開発までは、スムーズにいったのですが、振動のために手で押さえないと運転できないのでは、製品としては????でしょうか。
現状のベースを何とか使用しようと思ったのですが、新規に考えた方が近道のようです。

防振用材料をいろいろ検討しました、スポンジは低価格ですが、見栄えの問題と使用している間に潰れて効果がなくなってしまいます。
スプリングもありますが、取り付けの問題と何もしない時にふらついてパットしません。
価格は高価ですが、総合的に考えて防振用のゲル素材に決定しました。

防振ゲルシート
ハサミで切って取り付け

防振ゲルを取り付けた試作品
テストの結果は上々でした。

現在は交換できるように、ホルダーで固定しています。


おまけ
高性能なガラス注射器を使用したエンジン
火を消してもしばらく動いています。