RESEARCH

Group-5  Engineering education

(Stirling engine, Fish robot, Wind energy etc.) 


Mechatronics education tool (Stirling engine and fish-like robot) 　メカトロ＋環境
　本研究室は環境情報ともの作りの両面から卒研指導にアプローチしています．２００８年当時，赴任したてのころは大学で行っていた衛 星リモートセンシングや数値シミュレーションを学生に託すことができませんでした（メカトロ学科のため，土木系テーマは難しい）． そこで，工業高校の先生と鹿児島大教育学部の先生にご指導いただき趣味で作っていたスターリングエンジンのオモチャを卒 研に取り入れることにしました．また鹿児島大では造船系や沿岸系の先生にご指導いただいた経緯もあり，魚型のヒレ推進器や砕波帯付近に発生する流れ発生装置など，環境 分野とものづくり分野とがオーバーラップした領域を狙いました．
　スターリングエンジンは外燃機関のため，安全に実験がしやすいことや可逆サイクルの特徴を活かして冷凍機にもなることから高校～大学の工作実習で 多く取り入れられています．しかしながら，制御系を学ぶ電子制御工学科の学生にはどうにも合いません．電子制御工学科はメカトロ二クスエンジニアを育てる 学科ですので，工作の技能を磨くのは趣旨に反しますし，学生もそのようなトレーニングを受けていません．魚ロボットも同様です．そこで模型エンジンや魚ロ ボットなどのモノづくりテーマの卒研では卒業記念製作にならないよう次の条件を付けました．
①学術研究として成立すること （機構が教科書に載っていないこと）
②制御を行うこと
③沿岸や水辺の環境教育に役立つもの

これらの課題に本研究室の学生は真面目に取り組んでおり，２００８年～２０１４年までにいくつものユニークで技術的にもしっかりしたエンジンシステ ムができました．また流体制御による推力向上を研究している魚型ロボットも工学教育教材として活用しています．2014年からはじまった群魚モデルの研究 を活かした教材も開発する予定です．ページのトップへ戻る

Stirling EGN:
Rotary displacer Engine, Stirling cooler, Visible engine（可視化エンジン）
　２００９年のテー マとして，工学教育に適用可能なγ型スターリングエン ジンを試作しました．ただのγ型エンジンでは新規性がなく，卒業研究になりませんので，ディスプレーサピストンとして回転ローターを用いたエ ンジンとしました．すでに鹿児島大でロータリー型を作られていましたので，ノウハウを教えていただき，津山高専モデルでは熱伝導計算によりシ リンダの加工を大幅に簡易化しました．完成はしましたが，まだまだ改良の余地が多く，今後も検討が必要です． ● 動画（二台のエンジンの違いがわかります）

            　α型（左）とγ型（右）　　　　　　　　　冷凍機として使用

　２０１１年からは火を使わないで済む冷凍スターリングエンジンの実験に着手しました．メカトロ向け工学教育教材としての使用を想定し，冷却温度 を一定にするフィードバック制御を取り込むことが主たるねらいです．作るのは簡単ですが，問題は冷却温度の測定でして，ヒートキャップの温度を熱 電対で測定する方法ではキャップの熱伝導のために温度変化が緩慢で，制御が難しい課題があります．熱電対をシリンダー内に収めましたが，今度は場 所によって冷却温度が異なることが確認されました．そこで本研究室では温度によって変色する感温液晶をシリンダに巻き付けて温度の程度を測りました．


　２０１３年には” エンジンを金属で作る必要はない”という発想から樹脂エンジンを作ることになりました．
これまでの研究結果から加熱部の温度は300℃，熱伝導により根元は130℃以下であるからエンジンベースは融点160℃のアクリル素材で作って も溶解しないはずです．安価なアクリル板をレーザー加工機でカットし，積層する方法でα型エンジンを製作しました．ピストン部はガラス注射器製で す．非常に 良く回り，10mW程度の図示仕事も確認できました．なお，このシースルーエンジンはスターリングエンジンコンテストで銀賞が贈られまし た．また動画サイトYoutubeでは2000以上のアクセスがあり，閲覧者は日本人よりも東欧や中南米の方が多いようです．ページのトップへ戻る

Stirling EGN
Mechatronics education　（メカトロ教育への活用）
　実験教材を意識したスターリングエンジンの試作により，感温液晶を用いたスターリング冷凍機のシリンダ温度分布の可 視化やシリンダ内ガス圧や２つのピストンの位相差を調整する機構など，メカトロ二クス実験に使用できるレベルにまでブラッシュアップされまし た．2014年にはこれまでの成果をまとめて，メカトロニクス教材として，外部動力の回転数制御による温度制御や発電装置などによるエンジン計測 ベンチシステムを構築しました．このテストベンチは1台のエンジン（学生が製作したものや市反応もの）の冷却性能や仕事を計測ができます．学術 上，大きな新規性はありませんが，手作りエンジンや市販のエンジンが使用でき，1台のエンジンが何役にもこなすことが直観的に把握できるテストベ ンチは他に例が見当たらないようです．

 
　テストベンチ（冷凍エンジンベンチ）と感温液晶の色変化（右）
　テストベンチシステムの概要（2016）
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UNDERWATER ROBOT for classroom  工学実験用簡易水中ロボット(2009～）
　研究室が開設された2008年から卒業研究で製作された簡単な水中ロボット工学普及のための公開授業等で活用されています．これまでは小中学生を 対象とした公開授業や出前 授業用でしたが，2016年現在研究を進めている流れの制御による推力コントロールは最深の知見を活かした学生への工学教育に発展できる 可能性があり，教材化を進めています．

　これまでに魚型ロボット教材はいくつかの公開授業で活用されました．ヒレの形状による推進速度の違いを体感する授業は2010年度に科学TRYア ングルに て,201１年度は津山市エコフェスタ,201２年度は和気町子ども塾で実施されました．また光センサを搭載した誘導型ロボット の授業は2012年度に県内の中学校で実施されました．ページのトップへ戻る



TRADITIONAL RIVER TRAFFIC SYSTEM 'TAKASEBUNE' and LOCAL WIND ENERGY
高 瀬舟の運行と風エネルギー
　本研究室では2010年～2013年に かけて岡山県吉井川流域の風エネルギー調査を実施しました．この結果，先人たちは年間を通じて発生する風を利用して高瀬舟の運行に利用し ていたことがわかりました．こうした歴史の中から現代につながる自然エネルギーを学ぶことは工学教育上，重要と考えており，小学生から大人までを対象とした公開講座を実施 しました．

　授業では岡山県における高瀬舟の運行から推測される地域の風と，実際に調査した吉井川流域での風場について説明したのち，高瀬舟模型や紙コップ で風車を作り，谷地を吹く風を模擬した風の流れのなかでどのように動くか実験しました．　本授業は和気町教育委員会の協力を得て，2013年 度,2014年度,2015年度小 学生及び実年会の皆様に対して授業を行いました．今後は同じ県内で高瀬舟が活躍した旭川流域や高梁川流域で公開授業を実践する予定です．ペー ジのトップへ戻る


NEARSHORE WAVE and RIP CURRENT  簡易造波水槽を用いた離岸流に関する公開授業

　細谷が2007年まで在籍していた鹿児島大学海岸環境工学研究室では西教授グループによる沿岸の波によって生じる危険な離岸流や浜崖に関する研 究に従事していました．この経験を活かし，室内実験用の簡易造波水槽を製作し出前授業に活用しました．長さ2mの造波水槽は漂砂実験には難があったり，地 形効果による波の屈折も起こしにくいことから再現する離岸流も構造物背後の波の回折によるもの限るなどの制限がありますが，子供たちには（意外にも）盛況 でした．
　2010年は科学トライアングルにて公開授業を行い，人形が流れにさらわれないように するには？をテーマに実験型授業を行いましたが，その後東北地方の震災により，テーマもウミガメを早く沖合に移動させるには？に変更しました．

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