エグゾーストキャノンMk.13完成、そしてTVに出ました(キャノンが)

こんにちは、yasuです。
ようやく春休みになりました。大学四年進級前の春休みということで、悔いのないように工作していこうと思います。

さて、前回の記事で途中まで触れていたMk.13ですが、実は設計から9日で完成していました。あの規模のキャノンでは過去最速です。
早速外観から見ていきましょう。

外観

前回の記事に掲載したCADでのモデルとほぼ同じものが完成しました。

後部のAEV保護メッシュがクールです。

全長800mm、容量は1.5Lほど。

ノズル

ノズル部分は、前回の記事で述べたように可能な限り大口径な設計としました。

Φ35mmと大口径なため迫力があります。

 またこのようにノズルには1 1/4の管用ネジが取り付けてあるため、様々な拡張アタッチメントを接続することが可能です。今後のノズル開発にも容易に利用できる実験機となっています。

AEV

また今回のコンセプトは実験機であるため、このようにメインピストンとAEV間のチャンバーには1/8インチ4系統のポートを設けてあります。

エア供給、排気ポート、圧力計、もうひとつは安全弁等が想定されます。

ノズルの大口径化に伴い、AEVもΦ32の大口径となっています。

写真ではAEVピストンは線径2mmの固定用Oリングを用いたものですが、排気の勢いで溝から吹き飛ばされるという不具合があり、現在は線径3.5mmの移動用Oリングを用いたピストンに換装してあります。

AEV保護メッシュを取り付けたAEV部分ですが、かなり個人的にデザインが気に入っております。

この部分は高速で後退してくるAEVピストンを保護するためだけでなく、後端のプレート(黒のナット3つで固定されているジュラルミン製のそれ)にはAEVをシリンダ―中央に保持する役割が有ります。この部品を追加したため、後退してきたピストンは極めて安定して保持され、停止した衝撃でピストンが曲がったりなどの故障を防ぐことができます。

発射動画

組み上げて空圧ライン等を接続するとこのようになります。

発射シーケンスをまとめた動画を以下に示します。

 このような感じで射撃が可能です。
また今回ノズルとして塩ビ管を接続し、衝撃波管モードを再現してみました。

衝撃波管とは

衝撃波管（しょうげきはかん、ショックチューブ、英: shock tube）は、管内に発生する衝撃波を利用して、主として気相中の燃焼反応を研究するための実験装置である。衝撃波管およびショックトンネルなどの類似装置は、他の実験装置ではデータを得ることが困難であるような、広範な温度・圧力範囲に渡る流体力学研究にも使用することができる。

Wikipediaより引用

と使用用途は上のとおりです。原理としては単純で、高圧の流体を低圧の流体へ隔膜の破壊、或いは急速に開放される機械式弁を用いて急激に導くと、低圧側へ高圧側から衝撃波が発生するというものです。
要するにキャノンの先にパイプをつければいいというわけです。
実際に機械式弁を用いた衝撃波管の構造はエグゾーストキャノンのそれと全く同様の構造となっています。




動画の音声ではなかなか判断しづらいですが、実際に操作している人間には、明らかな差が確認できました。ノズルなしではピストンの開放速度がそのまま音の立ち上がりに反映されますが。しかし長いノズルを設けて衝撃波管を再現した場合では、より立ち上がりが鋭くなり、キレの有る衝撃が開口端より発生します。

トリガー方法の改良

先ほどの動画では、AEVチャンバーに接続されたエアダスターを作動させることでチャンバーを排気し、AEVを駆動させていました。しかしその方法では排気速度が遅いのでより高速なバルブを製作することにしました。

原理としてはMk.11の時に使用したバランスバルブと同様です。しかし今回はそのバランスバルブをエアを用いてより高速で駆動させる仕組みを採用してみました。

このようにMk.11のそれと比較してやや大型になっています。

左端にワンタッチ継手を接続できるようにしてあり、この部分にエアーを送り込むことでバランスバルブを高速で駆動させます。

内部はのように真鍮とOリングで構成されています。1日で作りました。

 部品を接続するとこのようになります。発射シーケンスはより複雑になってしまいましたが、実験機なのでよしとしましょう。

実際に射撃を行った様子は以下です。

この様によりキレの有る射撃を実現することが出来ました。

日本テレビ「アソビラボ」への装置製作協力

さて、このMk.13ですが、実は某TV局の番組に使用するために制作されたものであります。日本テレビの「アソビラボ」という番組で「ミライの豆まきを実現する装置を作ってくれないか」との依頼を受けて設計を行っていたのです。

放送の様子はこんな感じでした。
http://megalodon.jp/2014-0211-1521-37/www.ntv.co.jp/asobi/

要は大流量エアーで豆を高速で射出する装置ということです。基本的な構成としては、モスカートとか呼ばれるエアガン用のそれと同様です。

撮影時の裏話とか…

収録スタジオが某日テレ本社ビルの最上階ですごかった(田舎者感)

最上階だけ合って都内が見渡せます。エレベータの上昇速度もすごかった(田舎者感)

さて、肝心のMk.13の方はといいますと…

とてもファンシー…

 ファンシーなボックスの中にはこのようにMk.13が設置してあります。ここから豆を射出し、風船で制作した鬼ヶ島の鬼どもを木っ端微塵にします。(写真で見てわかると思いますが、バレル先端にはモデルガンのようにボルトが刺してあります。某法律対策です)

撮影の様子はこのような感じ。見事風船を破壊することができ、収録は無事終了したっぽいです。

ただこの番組、宮城県では放送されないようで、
1/30日のオンエアだったのですが、僕はまだ一度も見ていません…

このような感じで、エグゾーストキャノンを用いた特殊装置等の製作も可能な範囲で引き受けて行こうと思っておりますので、何か構想が有りましたら連絡をお願いします。


それでは長くなりすぎたのでこんな所で…

エグゾーストキャノンにおけるセミオート化

こんばんは、yasuです。
今日は大学のほうで研究室公開とがありまして、第一志望のところを覗いてきました。
どうもそこまで人気があるわけではないらしく…
なんとかそこで通ってくれればいいのですが…

さて、本日は先日予告していたMk.11の動作原理について説明しようと思い記事を書いていたのですが、どうもその前部分であるセミオート化でかなりの文量がありそうなので、独立させて書くことにしました。
期待していた方、申し訳ありません…

エグゾーストキャノンのセミオート化

Mk.11の主たる特徴はこれです。従来のキャノンはエアカプラをピストン駆動のトリガーとしていましたが、それでは射撃時にキャノンを片手で支えることになり、Coolではありません。また連射もできませんので、セミオート化はエグゾーストキャノンにおける一つの大きな目標でした。何よりかっこいいですからね。

エグゾーストキャノンをセミオート化するには複数の機構があり、今回はそれらについてまとめておこうと思います。
ただ今回ここにまとめたものが全てではなく、まだまだ考えれば考える程新しい機構は作れるとおもうので、各々より最適なバルブを考えてみるのも楽しいです。

では紹介に移ります。

1.簡易式(エアー流しっぱなし)

去年のブログの記事で簡易型セミオートキャノンがあったと思います。


これはおそらく考えられる中で最も簡単な仕組みで実現できるセミオートキャノンだと思われます。
ブログのコメントの方に動作原理について質問を頂いたの図解で解説します。

今までエアカプラを接続していた部分の途中にエアダスターを挟むことで排気ポートとします。ここから空気を抜くと、ピストン後部の空間の圧力が下がりピストン左右での圧力バランスが崩れピストンに駆動力が発生します、後は通常のキャノンの動作と同じです。

ただ問題としてエアーは常にコンプレッサーより流入しているので、その分ピストンは常に抵抗を受けることになり、通常のエアカプラ方式よりも威力は落ちます。

ただ旋盤を利用せず、規格部品のみで構成できるというメリットもあるので十分意味のあるものだとは思います。

2.Directional Control Valve(流路選択弁？)式

これもまず動画を見たほうが早いです。

海外の方の作例ですが、非常によくまとまっています。

方式としてはこれも１の方式と同じく、従来のエアカプラ部分を置き換える手法です。

1.で問題となったのは、射撃時にもコンプレッサーからエアーが常に流入してくることです。これを解決するのがDCV(Directional Control Valve)です。

構造は以下のようになっています。

以前紹介したバランスバルブと構造が似ていますが、ピストンの配置とポートの位置が異なっています。ではエアーを送り込んだ時の動作を見ていきます。 

 最初の状態では当然このように、エアーはコンプレッサーからこのバルブを経由してキャノンへと流れていきます。またバランスバルブと同様、右2つのピストンにかかる力は釣り合い、圧力で動くことはありません。

 次にこのピストンを右に押し込みます。すると中央のピストンがコンプレッサーに至るポートを越え、今度は左端と中央のピストンによってシールされます。この状態ではエアーはどこにも流れません。

さらにピストンを右に押し込むとこのように、キャノン側のポートが開放され、キャノン内部のピストンを駆動することができます。

またこの時、依然としてコンプレッサー側のポートはシールされているので、余計なエアーがキャノン側に流入することはありません。

押しこむ前後で流路が、

コンプレッサー→キャノン

だったものが、

コンプレッサー→シール
キャノン→リーク
と変更されていて、Directional Control Valveといわれる所以がわかるかと思います。
このポートの数や位置を変更すると、さらに複雑な流路の変更が可能になります。
空気圧回路とか油圧回路とかそういう領域だと思います。

そこまで複雑なものは調べていないのですが、思いつく範囲だと、たとえばキャノン側からピストン駆動のトリガーのために大気に捨てていたエアーを、流路変更先で別の仕事に利用して、さながらブローバックっぽい動作が可能になるかもしれませんね。

3.スライドバルブ式
これも同じく製作者の動画を貼っておきます。


動画を見ただけでは構造はわかりませんが、この作者さんが立てたスレッドを見ると詳しく構造が解説されています。
http://www.spudfiles.com/forums/semi-auto-t160.html
バルブのすべての構造が同軸対称になっています。
なかなかよく考えたな…というかこんなのよく作ったな…という感じで素直に感心しました。
実際に制作するとなると、パイプ内径のOリングの溝掘り加工が必要になるので非常に難しそうです。構造をちょっと変えると外形の切削だけでもできそうなきもしますが…


本題のMk.11のセミオート機構にまだ入っていませんが、すでに朝になってしまったので今回はここまでとさせてもらいます…すみません。
次回こそMk.11の機構について書きたいいと思っております。
それでは…

バランスバルブの制作

こんばんはyasuです。

今回はMk.11のトリガー部分に当たるバランスバルブの制作を行いました。

キャノンに用いるバルブの要件

Mk.11の動作機構は、従来のそれがエアカプラのリリースで行なっていたのに対し、別途バルブが必要になります。
そのバルブに求められる要件は、
流量が大きい
バルブ開放までに要する時間が短い(dv/dtとはまた違う）
この2つです。

この流量に関しては、例えばボールバルブやバタフライバルブなどが有利です。

例としてボールバルブ

しかし一方でこれらの開放までに要する時間は長く、かつ抵抗が大きいです。海外の自作エアキャノン動画ではこれらの弁を使っている人もいますが、できるだけ早くコックをひねることに執着していて正直見てて残念な気持ちになります…

さて次に開放速度が大きいバルブとしては、市販のエアーガン等があります。

ア理工の登場で一躍有名となったこの形状のエアーガン(ちなみにここで買えます。)

しかしこれらは流量が非常に少ないので、押し込んだ後、メインピストン稼働までにラグが生じてしまいます。


以前紹介したこの動画では、上の写真のエアーガンを利用していますが、押し込んだ後、若干の排気音の後、メインピストンが稼働しているのがわかります。
これでは瞬発力が足りず、要はかっこ悪いので、更に高速大流量なバルブを用意する必要があります。

電磁弁もこの要件を満たしてはいますが、電気の力を使ってしまっては意味がありません。
それだったら初めからキャノンの機構なんて使わずに、電磁弁でタンクのエアーを開放してやればいいのですから…
機械的な動作のみでそれらを実現するのがロマンなのです。

今回採用するバランスバルブについて

前置きが長くなってしまいましたが、今回採用するのはバランスバルブと呼ばれるバルブです。無圧バルブとも呼ばれているようです。また海外ではQDV(quick dump valve)とも呼ばれており、こちらで検索したほうが情報は多く集まります。
開放が高速で大流量、かつ開放に抵抗がほぼ無いという素晴らしい利点を備えています。
それゆえエアガン界隈では違法カスタムの手段として有名らしいです( 詳しいことはしらない)
YoutubeでQDVと調べると自作エアガンの動画が大量に出てきます。

さてこの動作原理は以下のようになっています。
まず内部はこのようになっています。

シリンダーの中にOリングを使ったピストンが2つ収められており、そのピストンの間から高圧側へつながるラインが伸びています。

高圧のエアが流入してきた時の様子です。

2つのピストンの直径は同一であるため、圧力が釣り合いピストンは動くこと無くシールします。この辺りがバランスバルブとよばれる所以です。

このピストンを右へ押し込むと上のイラストのように右端が開放され、高圧のエアが一気に大気中へ開放されます。以上が動作原理です。

たとえばエアダスター等の弁だと、高圧にしたり、流路の断面積を大きくすると、弁に掛かる圧力が大きくなってしまい、指の力では押し込めなくなってしまうため、ある一定以上、流量を大きくすることができません。

例としてあのエアダスターの内部構造を示します。

このエアダスターの内部機構を図示したのはこのblogだけなんじゃないかと思います…

このような感じで内部に弁が入ってます。

何処かにスプリングが入っているはずですが、描き忘れました…

イラストから分かる通り、内圧と弁の断面積に応じた圧力が弁にかかっています。

(中学生で習うF=PAですね)

この点でバランスバルブは、どんなに圧力を高く、ピストン直径を大きくしても、弁の動作に必要な力はほぼ皆無で変化しないのが利点なのです。

設計

今回作成するバランスバルブの設計図のようなものです。相変わらずIllustratorで設計しています。

製図法にまったく準拠していないのでご了承ください…個人レベルのDIYなのでわかればいいです。

内部にスプリングを納めてあるので、銃のトリガー部分として作用します。

制作

φ20の真鍮パイプを切断します。パイプといっても厚みが3ｍｍある頑丈なパイプです。

切断したパイプに割り出し機とハイトゲージを用いてケガキをしておきます。

工作室があるとこのへんの高価で高精度な工具が使えるのがありがたいところです。

 ボール盤で1/8の管用ネジの下穴を開けます。

スコヤを当てながらタップ立てをします。

管用ネジの場合、タップの直径が大きいため、スコヤを使わないと直角を出すことは非常に難しいというか、そもそも目分量でやること自体が失敗な気がします…

 図面に沿って弓のこで切断です。切断した後ヤスリで目的の形状へ持っていきます。
これでシリンダーは完成です。

 丸棒からピストンを削り出します。突切りバイトでOリングをはめる溝をつくります。
これを2つと、シリンダーの両端を塞ぐ部品も同時に作っておきます。

 センタポンチを打ちます。ばね式のオートポンチを使っているのですが、これは必携です…捗りますよ！

完成

そんなこんなで完成です。

 ピストンを押し込むと、このように片方のピストンがシリンダーから飛び出し、エアーが開放されます。手を離すと組み込んだバネにより元の位置に戻ります。

部品構成はこんな感じです。

また今回流量増大のため、1/8ニップルの内径を拡張しました。(左のもの)
写真の右は以前作成したバランスバルブに使っていたニップルで未加工のものです。
バルブの流路の中でこの部分が最も断面積が小さいので、ここの拡張は性能向上に効いてきそうです。


さて、これでMk.11における空圧関係の部品はすべて完成したことになります。
後日、これらを組んでみて、最小構成での動作試験を行なってみたいと思います。
それと合わせてMk.11の動作原理も説明するつもりなので乞うご期待です。

その後は一番設計で詰まっているトリガーやグリップ周りですかね…
旋盤や割り出し機等で作れる部品はいいのですが、銃のトリガーやグリップのような、非対称で、人の手の形を考慮したり、そういう部品を考えるのはむずかしいです…

では今日はこのへんで！

エグゾーストキャノンMk.11 動作確認報告

どうもお久しぶりです。
yasuでございます。

前回の更新からやや間をあけまして、
今回は
エグゾーストキャノンMk.11の
動作確認報告をさせていただこうかなと。

ちょうど制作に着手し始めてから二ヶ月ほどたったわけですが、なんとか今回の機構を成り立たせるのに必要な部品をすべて作り終え、動作実験を行うべく組んでみました。
要はピクミンのクリアできるけどgoodendじゃないよっていう感じです(謎

つらつらと文章を書くのも個人的には好きなのですが今回は時間の制約上、代わりに動画を見ていただこうかなと思います。

こんなかんじです。
初めて自作したPCをこき使い、頑張ってHDサイズで出力したので、ぜひ大きな画面で見てもらえると嬉しいのです。





完璧に動作していますね。
やはり例のピストンを外部に拡張する方式の排気スピードは今までのものとは桁違いというのがよくわかります。
威力も凄まじくフルパワーでの動作時には一体どうなってしまうのだろうというレベルです。(今回の試験は0.5MPa以下でのもの。一応最大１MPaを想定)


ちなみに動画で見ても何となく分かると思いますが、今回その内部ピストンの瞬間的な移動のため、結構な射撃時の反動が発生しています。
組む前から予想はしていましたが、これはなんとも良い感じです！
やはり手に携帯できる装置に於いて「射撃音」そして「反動」というものはそのカッコよさを加速してくれます。

ただ今回テストして一つ明らかになった問題として、トリガーに採用しているエアブロワーhttp://www.monotaro.com/g/00063537/
こいつの流量が少なすぎて、トリガーを押し込んだあと、かなり大きめのラグの後、ピストンが作動するという状態になっています。

動画だと、射撃の直前にエアがリークする音が聞こえているかと思います。
これが聞こえる間もなく、押した瞬間にズバンとピストンが作動するのが理想なので、結局新しく自分で排気弁を自作することに決めました。
その結果完成したものがこちらです。

写真右の突起部を指で押し込むとかなりのスピードで排気ができます。

分類的には「バランスバルブ」や「無圧バルブ」と呼ばれるものです。
なぜそのような名称かといいますと、内部構造を見れば一目瞭然です。

このようにシリンダーにはピストンが2つ収まっており、この2つのピストンの間に高圧の空気が送り込まれます。
この2つのピストンの直径は全く同じのためその圧力は互いに打ち消され、結果少ない力で高圧の空気を排出することができます。
ちなみにスプリングを仕込んであるので、トリガーを引いたあとはしっかり元の位置にピストンは戻ってくれます。

この自作バルブに関しても動画をまとめたのでぜひ御覧ください。




動画内では同じ圧力に設定したタンクに取り付けた、市販のエアブロワーと比較を行なっていますが、明らかに自作バルブのほうが高速な排気を実現しているのがわかります。
きっとこれならトリガーに指をかけちょっと力をかけた瞬間、ピストンがズバンといってくれるでしょう。

と言っても実はまだこのバルブとキャノンを接続する1/8インチのニップルを買っていないのでテストをしていない…
早いうちに購入して、またその時、結果を報告しようかと思います…


あ、相互リンクの件もまだまだ募集しておりますので、そちらもよろしくお願いしますー

それでは今回はこのへんで！