事 例 報 告
模 型 ス タ ー リ ン グ エ ン ジ ン の
設 計 ・製 作 実 習 に お け る一 提 案
On Designing
and Manufacturing
of a Model Striling
Engine
石 田 瑞 穂 那 賀 修 二 麻 生 正 義
Mizuho ISHIDA Shuji NASA Masayoshi AS
O佐 藤 英 二
稲 生 修 一
植 木
弘
Eiji SATO
Shuichi INAO
Hiroshi UEKI
最 近,理 工 科 系 離 れ や 魅 力 あ る工 学 教 育 とは 何 か 等 が 論 じ られ て お り,本 校 の 制 御 情 報 工 学 科 で も様 々 な取 り組 み を行 って い る 。 そ の 一 環 と して,3年 生 の 実 習 の 一 部 に お い て,模 型 ス タ ー リ ング お よ び蒸 気 エ ン ジ ンの 製 作 を 行 い,5年 生 に お い て そ れ らの理 論 的 な裏 付 け,ま た 実 用 化 に 向 け て の シ ミュ レー シ ョンを 行 う と い う,従 来 とは 逆 方 式 の 設 計 製 図 お よ び 製 作 実 習 の 授 業 を 試 み た の で,そ の 結 果 に つ い て 報 告 す る。 結 果 と し て は,学 生 の 授 業 意 欲 が 高 ま り,問 題 点 を 把 握 し,整 理 解 決 す る能 力 や協 調 性 が 増 した 等 の結 果 が得 られ た 。 ま た,設 計 製 作 の 題 材 に多 くの 学 生 に興 味 の あ る エ ン ジ ンを 取 り 上 げ た こ とが,教 育 効 果 を 高 め る要 因 で あ った と思 わ れ る。 キ ー ワ ー ド:模 型 ス タ ー リ ン グ エ ン ジ ン,実 践 的 教 育,製 作 実 習 。
Recent our effort is focused on how to teach attractive, undestandable and practical engineering to the students.
Some plans were discussed to carry out a new engineering education. One of the new trials was designing and manufacturing of a model strling engine, which ias nowadays one of the most interesting one for the students.
In the third year, a model was manufactured. In their senior year, the students first designed basically and, next, computer-simulated for the practical use.
Here, thogh the order is in reverse to the ordinary process, the results are pretty good, some of which are as follows; the leacture bacame more understandable for the students and their motivation was heightened, the students' ability for designing was mafe better
and so on.
Keywords: Model Stirling Engine, Practical Engineering, Manufacturing.
1.は じ め に 最近,理 工科系離れ や魅力あ る工学教育 とは何か等が 論 じられてお り,当 大分高専 の制御情報工学科 において も様 々な取 り組みを行 って い る。当学科 は平成元年 に機 械工学科2学 級の うち,1学 級が新 し く制御情報工学 科 に改 組 さ れ た 。 よ り分 か りやす い,よ り興 味 の わ く授 業 の 観 点 か ら,カ リキ ュ ラ ム の 内 容 も時 代 の ニ ー ズ に 対 応 す べ く選 定 して い る。 と くに実 験 ・実 習 ・製 図 等 の 実 技 科 目 につ いて は,他 科 目へ の 結 び付 き,教 育 効 果 あ るい は学 生 の 意 欲 ・適 性 等 に十 分 配 慮 して い る。 改 組 以 来6 年 目 で あ るが,こ とに 低 学 年 の 実 習 は従 来 の 機 械 的 な も 日本 工 業 教 育 協 会 誌 第42巻 第6号1994.11 41
の か ら電 気 ・情 報 ・制 御 関 係 の 基 礎 的 な テ ーマ を 組 み入 れ,他 教 科 との 関 連 性 や上 級 学 年 へ の 系 統 的 な流 れ に も とつ いて 内容 を 設 定 して い る。 そ の 一 環 と して,3年 生 の 実 習 の 一 部 に お い て,ス タ ー リ ング お よ び 模 型 蒸 気 エ ンジ ンの 製 作 を 行 い,さ ら に5年 生 に お い て それ らの理 論 的 な裏 付 け,ま た 実 用 化 に向 けて の シ ミュ レー シ ョンを 行 うと い う,従 来 と は逆 方 式 の 設 計 製 図 お よび 製 作 の 授 業 を 試 み て い る。 本 報 告 で は ス ター リ ング エ ン ジ ンの 場 合 につ い て 報 告 す る 。 3年 生 の 実 習 で の取 め組 み は,各 種 工 作 機械 の 操 作 や 加 工 法 な ど実 技 の 習得,製 作 図 面 の 正 確 な 読取 り,機 構 学 的 な動 きや 熱 流 体 作 用 の 観 察,作 業 分 担 によ る責 任 や 自覚 と協 調 性,製 作意 欲 と満 足 度 に重 き を 置 い て い る。 5年 生 で は,エ ネ ル ギ ー変 換 の歴 史 的 な 歩 み を知 り, ま た そ れ まで に学 ん だ 熱 流 体 力 学 や 材 料 力 学 等 の他 の専 門教 科 を応 用 す る立 場 で,広 い視 野 を も っ て設 計 の面 か ら見 直 して い る。 ま た コ ン ピ ュー タを 使 用 して,各 自 シ ミュ レー シ ュ ンを 行 い,実 用 化 へ 向 け て の 工 夫 も こ ら さ せ て い る 。 な お,ス タ ー リ ング エ ン ジ ン に関 して は文 献 も多 く発 行 され て い る 。 2.製 作 実 習 2.1実 習 計 画 製 作 品 に つ い て,学 生 が 興 味 を 示 す よ う に,"動 く機 械 装 置"を 念 頭 に,そ れ を 構 成 す る部 品 の 材料 ・形 状 ・ 寸 法 ・部 品 数 を始 め,そ れ を加 工 す るの に必 要 な 本 校 の 所 有 す る工 作 機 械 の 種 類 ・工 具 ま た費 用,学 生 の 人 数 等 を あ らか じめ検 討 して 課 題 品 を決 め て い る。 そ の組 立 て 図 の 一 例 を 図1に 示 す 。 学 生 人数 は1課 題 当 た り5人 と し,1週3時 間 で4週,延 べ12時 間 で 完 成 させ る もの と して い る。 製 品 部 品 数 は,22で あ る 。 ま た使 用 す る工 作 機 械 は 施 盤 ・フ ラ イ ス盤 ・鋸 盤 ・ボ ー ル 盤 ・グ ラ イ ン ダ ・割 出 台 ・テ クニ カ ル カ ッタ等 で あ る 。 作 業 内 容 ・分 担 お よ び加 工 日程 等 の 一 例 を 表2に 示 す 。 2.2進 行 状 況 初 回 目 は課 題 の 目的 や 内 容 等 を指 導 説 明 書 を見 な が ら 説 明 し,学 生 同 志 の 話 し合 い で 作 業 分 担 を決 め る 。 そ の 後 使 用 す る工 作 機 械 の 操 作 方 法,安 全 に関 す る事 項 等 を 詳 し く説 明 して い る 。 製 作 部 品 の 中 で 例 え ば デ ィ ス プ レー サ シ リ ンダや デ ィ ス プ レー サ は,家 庭 か らの 廃 品 と して 出 て くる缶 等 を 利 用 して い る。 そ の た め に 大 き さ は そ の都 度 異 な る。 始 め に各 部 品 間 の 関 係 や 加 工 法 等 十 分 に 説 明 して い る もの の ,5人 が 一 度 に異 な っ た作 業 に 着 手 す る た め,ま た学 生 の 個 人 差 も あ り,要 領 よ く早 く仕 上 げ る者,失 敗 す る者 等 様 々 で あ る 。 自 ら製 作 した部 品 は,そ の 都 度,組 立 て 図 の 中 で 確 認 し,そ の機 構 や 働 き を考 え させ,質 問 形 式 で 理 解 させ る よ うに して い る。 一 つ 一 つ部 品 を 完 成 させ る に したが って,学 生 は 興 味 を 抱 くよ うに な り,そ れ ぞ れ の 課 題 に 積 極 的 な態 度 で取 り組 ん で い る 。 2.3試 運 転 最 後 の 週 は組 立 て作 業 で あ る。 こ こで 全 員 組 立 て 図 と 部 品 図 を 見 直 し,各 自が 製 作 した 部 品 が ど こに,ど の よ うに 組 立 て られ て い るか,ど ん な 役 割 を な して い る か を 調 べ,組 立 て順 序 を 決 め る 。 しか しな が ら中 に は,加 工 寸 法 の ミス や 仕 上 げ精 度 の悪 い 部 品 もあ り,こ の段 階 で 再 度 作 り直 した り,修 正 を施 さ ざ るを 得 な い場 合 もあ る 。 ま た 調 整 不 十 分 で 動 作 しな い場 合 もあ り得 る。 いず れ に して もす べ てが 完 成 に 至 る まで 作 業 が ス ムー ズ に運 ぶ こ と は少 な い 。 い ろ い ろ 問 題 にぶ っ か る こ とに よ って}皆 で 話 し合 い,学 習 し,場 合 に よ って は居 残 り まで して 理 解 を深 あ て い る 。 2.4報 告 書 報 告 書 で は一 連 の作 業 経 過 を ま と め る と 同時 に,4週 間 の 実 習 で 何 を 担 当 し,何 を感 じた か を ま と め て い る。 そ の結 果,ほ とん どが つ ぎの よ うな 感 想 を述 べ て い る。 (1)試 運 転 で 動 い た時 は感 動 した(100%)。(2)物 作 りの 楽 しさ を 味 わ っ た(100%)。(3)責 任 感 を 強 く感 じた(80 %)。(4)協 調 性 が 大 切 だ と思 った(100%)。(5)応 用 力 学 で 機 構 の 部 分 を教 わ って い たの で,動 きの 部 分 が 理 解 で き た(50%)。 そ の 他 で は,(6)1,2年 生 時 の 実 習 を 復 習 で き た(50%)。(7)加 工 の 難 し さ を知 った(100%)。 (8)ス タ ー リ ングエ ン ジ ンは ク リー ンエ ネ ル ギ ー で 動 作 す る と知 り,排 気 ガ ス の環 境 問 題 を 考 え た(30%)。 以 上 の感 想 の 中で 製 作 品 と して エ ンジ ンへ の関 心 が 強 く,製 作 意 欲 につ なが って い る こ とが うか が え る。 2.5製 作 品 の展 示 平 成5年10月28日 ∼30日 に大 分 市 イ ベ ン トホ ー ル に て 開 催 され た大 分 県 地 域 産 業 交 流 プ ラ ザ に お い て,大 分 高 専 の代 表 と して,ス ター リ ングエ ン ジ ンを 出 品 し展 示 し た 。 県 内 各 企 業,大 学,研 究 所 か ら約100点 余 り の 出 品 展 示 物 に ま じ り,産 業 界 や 多 くの 市 民 の 方 々 のご 審 判 を 仰 ぎ,ま た貴 重 な ご意 見 を承 る等,好 評 で あ っ た 。展 示 に お い て は,学 生 が 説 明 書 を作 り,自 ら実 演 し,説 明 に 当 た るな ど,す べ て 学 生 達 の手 で行 った 。 日本 工 業 教 育 協 会 誌 第42巻 第6号1994.11 42
3.ス タ ー リ ン グ エ ン ジ ン の 設 計 3.1実 施 計 画 ス タ ー リ ング エ ン ジ ンに つ いて は,5年 生 の 後 期 の半 年 間,週2時 間延 べ30時 間 に わ た って つ ぎの2段 階 方 式 で設 計 面 か らの検 討 を行 って い る 。 〔第1段 階 〕3年 次 に製 作 した 模 型 エ ン ジ ン につ いて, つ ぎ の3項 目 につ い て運 転 状 況 の 分 析 を行 う。 なお,図 2に は動 作 ガ スの 移 動 の モ デ ル 化 を 示 して い るが,今 回 の 製 作 品 で は,動 作 ガ ス と して 空 気 を 使 用 して い る。 (1)冷 却 部 ・加 熱 部 の 空 気 温 度 を 仮 定 して,PV線 図 を 作 成 し図示 馬 力 を 求 め る 。 (2)ク ラ ン ク半 径 や 連 接 棒 の長 さ に よ る出 力 へ の影 響 を 調 べ る 。 (3)ピス トンが受 け る回 転 力 と運 転 部 分 の 慣 性 力 や 重 力 に よ る トル ク変 動 曲線 を 作 成 す る 。 さ らに フ ラ イ ホ 図1.模 型 ス タ ー リ ング エ ン ジ ン組 立 て 図 日本工 業教育協会誌 第42巻 第6号1994.11 43
表1.部 品 名 表2.作 業 分 担 と 製 作 日 程 イ ール に つ い て考 察 す る。 〔第2段 階 〕 自力運 転 だ けで な く,実 用 機 と して 出 力 を 増 す た あの 方 策 を考 え る。 この 課 題 を進 め るに 当 た っ て は,原 則 と して マニ ュア ル 的 な 指 導 書 は与 え ず,各 自 こ れ ま で に 学 ん で き た知 識 を も とに 思 考 錯 誤 的 に検 討 させ て い る。 た だ し,つ ぎ に 示 すSchmidtの モ デ ル に お け る動 作 ガ ス の 圧 力 等 一 部 の 資料 は 与 え て い る。 Schmidtの モ デ ル で は,任 意 の 回 転 角 θに お け る動 作 ガ ス圧 力P(θ)は 次 式 で 与 え られ る。 GRTc 〓G:動作カズ重量τ=Tc/TH/TH R:ガ ス定 数Vc:冷 却 部 容積 Tc:冷 却 部 ガ ス温 度VH:加 熱 部 容 積 TH:加 熱 部 ガ ス温 度Vp:ピ ス トン部 容積 3.2計 算 の 一 例 (1) PV線 図 の 作 成 ク ラ ンク角 度 に よ ってVc,VH等 の 各 部 容 積 が 決 ま る こ とか ら,空 気 圧 力Pを 計 算 し,全 容 積 との 関 係 を PV線 図 と して 表 して い る 。 さ らに 閉 曲 線 を 積 分 して 図示 馬 力 を 計 算 して い る 。Tc=40℃,T,=100℃,回 転 数 を200rpmに 仮 定 した場 合 に図 示 馬 力 は0.726Wに な って い る 。 (2)トル ク変 動 曲 線 の 作 成 と機 械 力学 的 考 察 機 械 力 学 で 学 ん だ ピス トンク ラ ン ク機 構 の知 識 を も とに,空 気 圧 力 に よ って ピス トンが 受 け る力 か ら トル クTGを 計 算 して い る 。 ま た,運 動 部 分 の 慣 性 力 と 重 力 の 作 用 に よ る駆 動 に 必 要 な トル クTl,Twを 計 算 し, 合 成 トル クToを 求 め て い る。 図3に そ の 結 果 を 示 す 。 な お,図 中 の 慣 性 力 と重 力 に よ る トル ク の 値 は, 日本 工 業 教 育 協 会 誌 第42巻 第6号1594.11 44
図2.モ デ ル化 図 デ ィプ レーサ に よ る値 で あ る。 ク ラ ン ク角 度 は ピス ト ン側 の 容 積 最 大 位 置 を0° に と って い る 。 計 算 式 は て ぎの とお りで あ る。〓 ただし P:ガ ス 圧 力 λG=LG/rG PB:ピ ス ト ン背 後 の 圧 力 λD=:LD/rD A:ピ ス ト ン頂 部 面 積M:運 動 部 質 量 r:ク ラ ン ク 半 径W:運 動 部 重 量 図3.ト ル ク 変 動 曲線 L:連 接 棒 長 さ 添 字Gは パ ワ ー ピ ス トン側,Dは デ ィ ス プ レー サ側 を 示 す 。 ま た,製 作 実 習 の 運 転 調 整 の 際,製 作 図 に 示 され て い る寸 法 値 で は 自力 運 転 が 不 可 能 で,デ 彳 ス プ レーサ の ク ラ ンク半 径 を小 さ く し,連 接 棒 の 長 さ を 長 くす る こ とに よ って 運 転 が 可 能 とな る経 緯 が あ っ た 。 この理 由 に つ いて,製 作 図 寸 法 と 改 良 寸 法 の 両 者 に つ い て デ ィ ス プ レー サ 軸 が 受 け る側 圧 力 を計 算 し解 明 して い る。 (3)出 力 を増 大 させ る方 策 例 第1段 階 で 作 成 した プ ロ グ ラ ム で 加 熱 部 ガ ス温 度 TH等 の パ ラ メ ー タ を 変 え て 検 討 し,結 果 を つ ぎ の よ う に 得 て い る。 〔加 熱 温 度 を 高 くす る方 法 〕 こ れ ま で はTc=40℃,TH=100℃ に仮 定 したが,加 熱 部 ガ ス温 度 を 高 め る こ と に よ って ど の程 度 の 出力 増 が 得 られ るか を計 算 して い る 。図4に その 結 果 を 示 す 。 〔動 作 圧 力 を 高 くす る方 法 〕 図4.加 熱 温 度 の 影 響 図5.動 作 圧 力 の 影 響 日本 工 業 教 育 協 会 誌 第42巻 第6号1994.11 45
動作圧力 を高 くす る ことによ って出力 を増 す方法を 試みて い る。図5はTc=40℃,TH=100℃ と して,最 大10.Paま で の圧 力 につ いて 計算 して い る。 なお, 縦軸 は動 作圧 力 と し,動 作 ガ ス圧力 の平 均値Pmと の 差で表 してい る。 さ らに ピス トン背後 の圧力が大 気圧の場合 と動 作 ガ ス の平 均圧 力Pmと した ク ラ ンクケー ス圧 縮 式 の場合 について,図4と 同様 の トル ク計算 を行 い,そ の違 い につ いて確 かめて い る。 4.ま と め 低学年 において設計 よ りも先 に課 題の製作 を試 み,そ のめ仕組みや物造 りの大切 さを知 ると同時に,関心 と意欲 を持たせ る実習 を行 い,高 学年 にな ってか らエネルギ ー 変換 の歴史を振 り返 り,現 状を知 り,今 後 を予測 す るこ とやそれ まで に蓄 え られ た専門知識 を応 用す るなど して, ' 総 合的にバ ラ ンスを考 えた設計 を行 うとい う授業 を行 っ た。学 生の反応 は経験 を もとに 自主的 に文献 などを調べ た り,コ ンピュー タに 向か う態度 は極 めて積極的 であ っ た。 また グループでの作業 を多 く取 り入れた ため,学 生 同志 の話 し合 いの場面が多 く見受 け られた。 一方,5年 生にもなるとプログラ ミング力等にも個人 差 が見 られ,ひ いては設計 力に も差異が 見 られ たが 自主 的な努力の結果,多 くの時 間を費や した ものの最後 まで 完 成 させて いた。 以 上実践的教育 に主 眼 をお き,学 生 の関心 と意欲 を高 めた一 例を報告 す る。 参考文 献 (1) 北 郷 薫他3名,設 計 製 図Vo1.14,No.72 (2) 松 尾 政 弘,熱 力学 と ス ター リ ング エ ン ジ ン (3) 一 色 尚 次 ,ス ター リングエ ン ジンの開発,工 業 調査 会 (4) 兵 働 務 他1名,ス タ ー リ ン グエ ン ジ ン ー その 生 い立 ち と原 理,パ ワ ー社 石 田 瑞穂 1964年 九 州大学 工 業教員 養成 所 機械工学 科卒 1964年 大分 工秦 専 門学校 1992年大分工業 専 門学校 制御情 き 一報 工学科教授 那賀 修 二 1968年 鶴 崎工業 高等学 校機械 科 卒 1966年 大分 工業 専門 学校 機械工学技官麻生 正義 大分工薬専門学校実習係技官 佐藤英 二 同 上 稲生 修一 同 上 植木 弘 同 上
