3Dプリンタとレーザー加工機を活用した教材用高出力スターリングエンジンの開発

• Project/Area Number: 25922006
• Research Category: Grant-in-Aid for Encouragement of Scientists
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Field: 工学Ⅴ(その他工学)
• Research Institution: Hakodate National College of Technology
• Principal Investigator: 川合 政人 独立行政法人国立高等専門学校機構 函館工業高等専門学校, 技術教育支援センター, 技術専門職員
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2014-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2013)
• Budget Amount: ¥600,000 (Direct Cost: ¥600,000); Fiscal Year 2013: ¥600,000 (Direct Cost: ¥600,000)
• Keywords: スターリングエンジン / エネルギー教育

Research Abstract

目的 : 本研究では、教材用小型スターリングエンジン(以下SEとする)と実用型SEの長所を最新の加工方法を駆使して両立した、教材用卓上高出力SEを開発した。本研究の独創性は、レーザー加工機と3Dプリンタを活用し、アクリル/ABS樹脂製気密クランク室を採用することで、実用型SEの長所(学生がSEを"エンジン"と認識できる数十ワット級の出力)と教材用小型SEの長所(卓上サイズ, 構造・機構が観察可能)を両立させることにある。これによって、非機械系学科の学生に対しても、本エンジンによる効果的なエネルギー教育を実施可能とすることを目的とした。
実施内容 : エンジンの基本仕様を決定するため、①研究目的に最も適したエンジン形式と構造の検討、次いで②シュミット理論を用いた計算による主要寸法の決定を行った。本研究の申請時には、ピストンから出力軸までの、機構部分のみを可視化する予定であった。しかし、それでは研究目的に対して不十分であると考え、作〓ガスの流動部分までを含めた、全ての部分を可視化する構造とした。また、エンジンの作動原理が学生にとって理解しやすいことも重要であると考え、3種類あるSEの基本形式の中からγ形式を選択した。
成果 : 上記の設計思想にもとづいてエンジンの設計・製作を行い、実際に動作することを確認した。シリンダは耐熱ガラス製とすることで、内部で往復運動を行うピストンが観察可能となっている。また、クランクケース正面は透明アクリル樹脂製板でカバーされており、ピストンの往復運動をクランク軸の回転運動に変換する機構をエンジンの運転中でも観察可能となっている。今後は本エンジンの性能測定を行い設計出力に到達していることを確認する。さらに、非機械系学科の学生実験に本エンジンを使用して、エネルギー教育教材としての有効性を検証する予定である。