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単管式

二重筒式の問題点であった、「製作難易度の高さ」と「バレルの存在による充填容量の少なさ」の解消を目的とすべく筆者が考案したのがこの単管式です。
上図のように、二重筒式からバレルと内部のシリンダーを廃し、一本のシリンダーで圧縮空気の充填領域とピストンユニットのシリンダーを兼ねます。そしてその代わりにピストンユニットを全体にわたって延長するのがこの単管式の特徴です。

またピストンユニット左側の点線部分は左図のような部品であり、ピストンユニットをシリンダー中央に保持する役割があります。

それではメカニズムを見ていきます。







1.圧縮空気の導入

青色を大気圧状態の空気オレンジ色を圧縮空気とし、黄色の矢印を圧縮空気の流れ赤色の矢印を圧力とします。
右端の空気導入部分から圧縮空気を導入すると、上図のようにメインピストンに左向きの圧力がかかり、左向きの駆動力が発生します


2.ピストンユニットがノズルをシール

圧縮空気の圧力によって生じる駆動力により、ピストンユニットは左側へ移動。ピストンユニットの左端にあるゴム板がノズルをシールします。


3.圧縮空気の充填

上図のようにピストンユニットはノズルをシールした状態で停止します。
さらに圧縮空気を送り込むと、シリンダーとメインピストンの隙間から、圧縮空気が黄色の矢印に示すようにシリンダー全体に充填されていきます。
わずかに空気が通れる程度の密着にしておくのがポイントです。
ピストンユニットの左端部では、圧力差により左向きの荷重がかかり、ピストンユニットはノズルへより強力に押さえつけられ、この部分は高圧になればなるほど、そのシール性は高まります。


4.発射トリガ

ピストンユニット後部の空間の圧縮空気を高速で抜き去ると、ピストンユニット右端のメインピストンに右向きの圧力が発生します。
この時ノズルをシールするピストン左端部にも左向きの圧力がかかっていますが、ノズルの面積よりピストンの面積のほうが大きいため、ピストンユニットには全体として右向きの駆動力が発生します。
この駆動力を受けてピストンユニットが右側に移動し始めます。


5.ピストン後退

上図はピストンが右側へやや後退した時の状態です。
この時ピストンユニットとノズルのシールは解除されるため、左向きの圧力もなくなり、右向きの圧力のみとなります。
この圧力によって発生する駆動力は大変大きく、ピストンユニットは高速で右側へ後退します
(シリンダー直径Φ40mm、圧縮空気の圧力をゲージ圧で0.8MPaとした時、ピストンユニットにかかる右向きの荷重は約100kgにもなります)

このようにピストンユニットが後退することでノズルが開放され、そこから圧縮空気が排気され始めます。


6.排気(発射)
強力な駆動力を受けて右端へ高速でピストンユニットが後退することにより、ノズルはすさまじい速度で開放されます。
こうして形成された流路を通って、圧縮空気もすさまじい速度で排気されます。


単管式のメリット

1.製作難易度が低い
構造が極めてシンプルなため、エグゾーストキャノンの中では最も作りやすい構造となっています。
ホームセンターに売っている水道管を組み合わせるだけでも完成させることができます。水道管にはすべてネジが切ってあるため、部品を集めてそれらを組み合わせるだけです。最初に製作するキャノンに最適と言えます。

2.大きな充填容量
二重筒式に存在したバレルを廃すことで、今までバレルに占有されていた空間を圧縮空気の充填領域として確保することができます。
そのためシリンダーが二重筒式と比較し小径で済みます。
Φ80程度までなら溶接ではなく、卓上旋盤を用いてシリンダー、ピストンユニットそして両端を塞ぐ部品を作ることができます。
旋盤を用いて作られたキャノンは極めて完成度が高く仕上がり、また複雑な加工も可能となります。


単管式のデメリット

1.ピストンユニットが大きく重い
シリンダーの長さの分だけピストンユニットを延長する必要が有るため、必然的にピストンユニットは大型化、それにともなって重量が増加し、ピストンユニットの受ける加速度も小さくなり(F=maの運動方程式より明らか)、排気の瞬発力が下がる要因になります。

2.座屈現象

ピストンユニットが長くなると、その分圧縮に対する強度が低下してしまいます。
発射メカニズムにおける「5.ピストンユニット後退」の過程において、ピストンユニットは右側に高速で後退し、その後シリンダーの右端に衝突し停止します。
この際ピストンユニットがその衝撃に耐えられず、座屈してしまう場合があります。(ただしこの座屈現象が生じるのは、極めて大きな衝撃と、細く長くシャフトを用いたピストンの場合であり、通常作る文にはそこまで問題ない気もします。)
解決策としてはピストンユニットを停止させる機構を、圧縮でなく、引張で受け止めるというのが挙げられます。





まとめ

当時は二重筒式が常識で、極めて製作難易度の高い工作として有名だったエグゾーストキャノンですが、この単管式の登場により製作難易度が大きく下がりました。
なんといっても水道管等、規格品を組み合わせるだけで完成させることができるため、溶接機やグラインダー等、環境に依存する工具を使わずとも、弓のこやハンドドリルさえあれば気軽に作れるようになりました。

構造がシンプルなため初心者にも理解しやすく、最初に作るキャノンに持って来いの機構と言えます。
ただしこの機構はあくまで二重筒式をより作りやすくした機構であり、最高の性能を得るためには適した機構ではないということを覚えておく必要があります。


単管式を動作メカニズムとする機体

May - Jun. 2010
単管式を考案し、最初に実装した動作実証機。
目論見どおり単管式は完璧に動作した。


Jun. 2010
水道管のみを用いて作られたキャノン。
すべての部品はホームセンターで購入でき、ハンドドリル、金ノコ、そしてヤスリさえあれば完成させることができる。

Jul. 2010
シリンダーに3/8ニップルを用いて製作したペンシルキャノン。
米式バルブはエアーの導入バルブと排気バルブを兼ねる。
この直径は単管式だからこそなせるものである。

Apr. 2011 - Oct. 2013
足場単管を用いて製作した単管式のエグゾーストキャノン。
コンパクトで威力も十分、ノーメンテナンスでもしっかり動く高性能機。
二年後に内部の部品をすべて作り直し、より排気速度が向上した。

Dec. 2013
Mk.7をベースに最新の設計を用いて製作した量産機(Type Mass-Production)
シリンダーには灰色の足場単管ではなく黒色のSTK鋼管を、ノズルと尾栓には鉄ではなくジュラルミンを用いて製作したため高級感がある。排気速度も極めて速い高性能機である。

エグゾーストキャノンMk.8
 / 単管式
May 2011
Mk.6と同じく、3/8ニップルを用いて製作したキーホルダーサイズのキャノン。
威力は殆ど無いが、内部のピストンはしっかり動作する。


エグゾーストキャノンMk.10
 / 単管式
May 2012
工作にブランク時期があったため、そのリハビリとして製作した。
とくになし。


エグゾー
トキャノンMk.11 / 単管式
Feb. 2012 - Dec. 2013
現時点で自分の製作したエグゾーストキャノンシリーズにおける最高性能機。セミオートマチックエグゾーストキャノン。ピストンユニットの駆動速度を大きく向上させるAEVを実装したため、初めて座屈問題が生じた。
第5回めの改修にてこの座屈問題を解消する機構が確立した。

Dec. 2013
コンパクトなキャノンシリーズの集大成。
見た目の完成度を重視。


エグゾー
トキャノンMk.13 / 単管式
Jan. 2014
二年間で5回の改修の後完成したMk.11の設計を一から見直し、流路の最適化や、ゆとりのある部品配置、製作製の向上等を目的とし、また高い拡張性を有する実験機として製作した。
単管式の集大成。