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容量可変式

容量可変式は排気弁部分と、圧縮空気タンクを独立したユニットとした機構です。
上図に示すように、上半分が排気弁部分、下半分が圧縮空気タンクとなっています。

実際に作る際には、水道管を組み合わせてそれぞれのユニットを作るのが一般的であり、
排気弁ユニットとタンクユニットを接続して使用することになります。
ちなみに容量可変式は海外の作例に多く見みられる機構です。


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、上図のようにピストンユニット右端の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.ピストンがノズルをシール
圧縮空気によって左側へ駆動されたピストンユニットはノズルに接触し停止、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バレルの入り口をシールした状態で停止しています。

ここで更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矢印に示すように下部へ接続された空気タンクへ充填されていきます。
冒頭でゴム板部分は圧縮空気をシールすると記載しましたが、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。

またピストンユニットの左端部分では、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に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
上図のようにピストンユニット後部空間の圧縮空気を高速で抜き去ると、メインピストンに右向きの圧力が発生します。
ピストンユニットには左右それぞれに大気圧と圧縮空気との差圧がかかっていますが、右端のメインピストンの面積が左端のそれよりも大きいため、右側に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.ピストンユニット後退
上図はピストンユニット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左端部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、バレ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。


容量可変式のメリット

1.大容量化が容易
排気弁と空気タンクが別々のユニットであるため、それぞれの要素が干渉することなく、空気タンクに関してはどれだけでも大きくすることができます。

2.ピストンユニットが小型軽量
排気弁部分に関しては単管式と同様の形状のピストンユニットを用いながらも、全長が短くて済むため、その重量は二重筒式と同程度となり、高速な弁の駆動による高速排気が期待できます。

3.製作性と拡張性
製作には必然的に水道管を用いることに成るため、簡単に組むことができます。
また規格部品を使っているため、拡張性が無限にあります。


容量可変式のデメリット

必然的に水道管部品を組み合わせ組むことになり、部品代がやや高めについてしまいます。
それ以外は特にありません。


まとめ

容量可変式は二重筒式と単管式のメリットを併せ持ち、デメリットを解消した非常に優秀な機構です。
製作に関しても単管式を水道管で組めた人ならばすぐさま容量可変式に改造できるでしょう。

ただ個人的に唯一、「組み上がった時の形状が同軸対象でなく、美しくない」というのが致命的な欠点ではないかと…
この欠点のため、筆者は一度もこの形式のキャノンは作ったことがありません。

ちなみに容量可変式をピストンを中心軸に回転させると、二重筒式が完成します。
この辺りからも二重筒式こそが真に美しいキャノンの構造ではないかなと思うところです。