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園芸用自動水やり器 [開発の趣旨と経緯] 　植物を身近に植え育てると、無農薬の野菜を収穫できたり副菜に彩を添えるハーブが手軽に得られたりする実益があります。それ以上に、四季折々の風情を肌で感じることができ、花が咲き実がなることを味わうことは豊かな気持ちになり心が癒されます。 このような園芸を助ける道具にはいろいろなものが市販されており、便利なものがあふれています。合同会社物理工学研究社では、１～２週間程度家を空ける際に庭やプランターの水やりを無人で行う器具を開発しています。 　この器具の特徴は、日光が散水管にあたっている時だけ、水栓が開いて散水されるというものであり、電気は使わず、機械的に単純な構造のため、安価に作ることができ、壊れにくく、維持経費も不要のものです。 平成28年の夏に試験的に使用し、その際の問題点を改良して、平成29年春、新しい構造のものを完成し節水型自動散水管と名付けました。平成28年秋には上記自動開閉水栓の特許を申請していますが（特願2016-161315）、 平成29年春、この節水型自動散水管について実用新案特許を申請しました（実願2017-002516）。 [用具の説明] 　以下に登場する用具の説明を図1を用いて説明しておきます。図1の(a)は平成28年に開発した自動開閉水栓です。同図の(b)は、プランターなどに適合する散水棒です。 T字型のものやI字型のものがあります。同図の(c)は、平成29年春に開発した節水型自動散水管です。 図1　(a) 2016年夏に試験した自動開閉水栓。 図1　(b) プランターに置かれたT字型の散水管。I字型もあります。 図1　(c) 試作開発品の節水型自動散水管。 [問題点と解決策] 　平成28年夏の試験で得られた問題点は、陽が当たっている時間が長い場合、当たっている間中、水栓が開きっぱなしであり、水やりをプランターなどに限るとプランターが水浸しになってもさらに水が供給され続けるという問題がありました。 日陰になる部分がある庭であれば、その場所に自動開閉水栓を置いて、陽の当たる時間が一時的になるようにでき、1日のうちトータルで散布される水量を調節することも可能です。庭が広いような場合、図1(a)の自動開閉水栓を複数設置して 一つの水栓から枝分かれして複数の散水棒に導くことが必要になります。以上の対応が取れない場合、陽が当たっている間に散水される水量を減らすには水圧を下げるか何らかの方法で水栓が閉じられるようにすればよいです。 水圧を下げることができれば、節水ができるだけでなく、ホース外れといった不慮の事故を未然に防ぐことができるメリットが生まれ、また、散水のために張り巡らすホースとして薄肉のビニール管などが利用できるようになります。 何らかの方法で水栓が閉じられるようにする方法は図1の(c)で示した節水型自動散水管で実現されているので、後述します。 [試験した散水設備] 　図2に示すポリ容器は250ℓの水を貯えることができます。台の地面からの高さは90cmです。このポリ容器には水道水を直接入れるようにしており、空っぽでない限り地震などの災害時に備える水としても利用できます。 現時点で、このポリ容器を水源とする自動散水管は４本（図3(a), (b)など）、自動開閉水栓が1個（図4）で、日中の気温が30℃近くに上がった5月の晴天の日に1日で25ℓ程度自動で散水しました。 250ℓの水を貯えることができるポリ容器。 (a) 節水型自動散水管（その一） (b)自動散水管（その二） 自動開閉水栓による散水棒を使ったもの。 [節水型自動散水管の説明] 　ここでは実用新案特許を申請した書類をもとに解説しますが、その前に動作原理を簡潔に記します。鉄道のレールの継ぎ目は冬には隙間ができているのに暑い夏の昼間には継ぎ目がぴっちりと合わさります。 日光はレールにも基礎の土台にも一様に降り注いでいて同じように温度が上昇しているにもかかわらず、土台よりもレールの方が線膨張率が大きいので伸び縮みの影響が現れます。 レールの線膨張率は100万分の10程度の大きさであり、10ｍの長さのレールが温度10℃上昇につき1ミリ伸びる計算になります。この伸びで止水栓を開くようにするには、線膨張率の大きい素材と小さい素材を組み合わせて、 また、日光の輻射を効率よく取り入れることができるようにする必要があります。また、普通の水道栓のような大きい口径の弁を開閉するには大きい力が必要となるため、弁のサイズは必要な限り小さくするのが良いです。 弁は線膨張率の小さい心棒を線膨張率の大きいパイプの中に入れ、伸びると心棒が弁を引き抜くような構造にします。以上のアイデアでできたのが以下詳述する自動散水管です。 　2016年に特許出願した際の自動開閉水栓は図5に示す通りです。すなわち、線膨張率の異なる素材を用い太陽光の輻射熱を利用して止水弁を自動的に開閉するというアイデアを実現する一つの実施例です。 園芸や農業の分野で散水器は広く利用され、プランター1個の場合には1本の散水管があればよいですが、1軒の家の庭園で使用する場合、広さに応じて多数の散水管が必要となります。 このため、散水管そのものの価格は安価でなければなりません。 ところが特願2016-161315で例示された自動開閉水栓をそのまま実施しようとすると、多数の部品、特に高精度の機械加工仕上げを必要とするＯリングの数の多さのために、経済的に安価に製造することが難しいです。 このため、園芸や農業の分野で利用される自動散水器として、安価に実現できる構造を開発しました。 図5　特願2016-161315における自動開閉水栓の実施図。符号の意味は以下の通りです。 １：給水口 ２：排出口 ３：弁本体 ４：弁棒 ５：ばね ６：Oリング ７：線膨張率の小さい金属心棒 ８：線膨張率の大きいABS樹脂 ９：ねじ受け １０：調節ねじ 図5に示す自動開閉水栓を簡便にし、かつ、製造コストを下げるように開発したものが、図6に示す自動散水管です。 図6　実用新案特許で申請した自動散水管。符号の意味は以下の通り。 １：給水口を含む弁本体 ２：線膨張率の大きいABS樹脂 ３：調整おねじ ４：線膨張率の小さい金属心棒 ５：弁棒 ６：ばね保持具 ７：調整めねじ ８：圧縮コイルばね ９：Oリング １０：めねじの回転止めねじ １１：散水孔 自動散水管の給水ホースは弁部本体１に接続されます。弁部本体１には線膨張率の大きい素材でできたプラスティック樹脂の外側パイプ２がねじ込まれ、その先端に調整ねじ７を介して線膨張率のより小さい金属の心棒４に連結した心棒支持金具３がねじ込まれています。 心棒支持金具３は回転止めのための小ねじ１０により回転せずに軸方向にスライドできます。心棒４の先端にはＯリング保持具５が固定されてＯリング９がつけられ、Ｏリング保持具５と一体となった心棒４は、ばね保持具６により、弁部本体１の内部に保持された圧縮コイルばね８により、 弁座に押し付けられています。止水状態にするには調整ねじ７を左向きに回して緩めればよく、ばね８の力により心棒支持金具３、Ｏリング保持具５と一体となった心棒４がＯリング９を弁座に押し付けます。この図6では止水状態を示しています。 弁部本体１とＯリング保持具５との間には水流のための隙間があり、心棒4とばね保持具６との間にも水流のための隙間があります。はじめ弁が閉まっている状態から、太陽熱でパイプが膨張すると金属棒の膨張に勝って弁が開かれます。 弁座からＯリングが離れれば給水口から入った水は、外側パイプ２に流れ込み散水孔１１から散水されます。陽があたっていない場合に弁が閉まるようにするには、右端のめねじを緩め、ばねの力でＯリングが弁座に押し付けられるようにします。 パイプ長を25ｃｍとし、パイプにABS樹脂（線膨張率100ppm/°C)を使用し、心棒に真鍮棒（線膨張率20ppm/°C）を用いると、1°Cの温度上昇でパイプの伸びと真鍮棒の伸びの差は20μmとなります。ばねによる伸びを無視すると、 弁の変位は10°Cあたり0.2mmに達し、ここで使用するＯリングの弁を開閉するには十分な大きさです。夏の朝の気温が25°Ｃである晴れの日中に、太陽が昇って黒色のパイプに陽があたるとパイプの温度は優に40°Cを超えます。 この場合、朝の弁の位置から0.3mm開くことになります。水流量は水圧にもよる上、パイプに開けられた散水孔の大きさにもよりますので、使用目的に適合するように水流量を調節することができます。 心棒4とばね保持具６との間には水流が確保できるほどの隙間があり、開いた弁からの水流は外側パイプに入り込み、パイプの要所要所に開けられた散水孔１１から散水されます。この構造をとることにより、 図5で例示された自動開閉水栓（特願2016-161315）のＯリング数５を1個だけに減らすことができます。 散水弁が開いてパイプ内に水流があるとパイプが冷やされ、太陽熱による伸びを減じる働きがあり、特に給水の水温が低い場合には弁が閉じられるようになります。この場合、散水は間欠的に繰り返されることとなり節水につながります。 図7は試作品をテストしている外観です。多種多様の散水器具が開発され利用されている現状で、本自動散水管が応用される場面は、陽があたり始めてから陽がかげるまで散水を行う必要がある場合です。 季節のはじめに一回だけ初期設定をしておけば、電力なしでかつ無人で散水を行ってくれ、雨や曇りでは散水は行わない自動散水器具です。その構造は簡単で堅牢であり、維持経費が不要です。 しかしながら、一般の方々が本自動散水器を手渡されて利用できるようになるには、初期設定の必要性や設定の頻度などについて、熱膨張を応用する本自動散水器の原理をしっかり理解しておく必要がります。 図7　20リットルの水タンクにホースで接続した試作開発の自動散水管。水平に植木鉢やプランターに載せておけば、1週間程度散水を賄うことができます。 [試作開発品の販売] 　図1の(c)に示したものと合わせ、18本の製品を以下のnet shopで販売しています。使用するビニールホースの内径は7ミリです。なお、上水道に直接接続できる内径７～８ミリの強化ホースを接続できる方は、直接に上水を利用できます。 購入する方は、本自動散水器の動作原理を完璧に理解して下さい。 試作開発一覧へ

健康維持のためのエアロバイク [現状の課題] 　本物理工学研究社の副代表は6年前に糖尿病の指標となるヘモグロビンA1cの値が12を超え、I型糖尿病と診断されて2週間入院し、退院後もインスリンの注射と食事の改善・工夫が必要とされている上に日常的な体の運動が欠かせません。家族も参加を余儀なくされた病院の講習によると、毎食後自宅周辺の散歩など短時間でも体を動かすことが推奨されています。この指導に従って晴れの日も雨の日も欠かさず運動ができるようにアスレチックジムに通って来ましたが、昨年あたりから体重が増え始め、血糖値のヘモグロビンA1cの値も上昇してこの3月の定期受診では7.5となってしまいました。この値が一か月も続くと1日一回となっているインスリン注射の回数を増やさざるを得ず、それは生活の質に影響を与えることになります。ヘモグロビンA1cの値を下げるには一番に食事を見直すことが必要です。その次に運動です。 　自宅周辺の散歩も含めて、女性が家の外に出るには日焼け止めクリームをはじめそれなりのお化粧が必要で、装いにも気を遣うことになり、毎日確実に手軽な運動を励行することは容易ではありませんでした。 　自宅で手軽に体を動かせるエアロバイクを利用できれば、日焼け止めクリームも不要で普段着のまま運動できます。現在は通販などでエアロバイクを安価に購入することもできますが、10数年前に手頃な価格のエアロバイクを購入した際、華奢な作りに満足できず1年未満の使用でリサイクルショップに出した経験があります。現状では改良が重ねられていると思いますが、しっかりしたエアロバイクはそれなりに高価です。また、エアロバイクによる運動が不要になったとき、その高価なエアロバイクは処分に困ります。このため、今回、市販の自転車を利用したエアロバイクを製作しました。不要になれば自転車として使えます。 [試作エアロバイク] 　図1は試作した2代目のエアロバイクです。これは変速ギヤ付きの折り畳み自転車を利用していますが、1代目として変速ギヤなしのママチャリを利用したものを作っています。製作と言っても １） 後輪の車軸に支持枠を両側から取り付ける、 ２） ブレーキのねじを調節してブレーキハンドルを動かさなくても一定のブレーキがかかるようにする、 だけのものです。なお、それぞれ、発電機を後輪に移しその出力でスマホの充電を行えるようにもしていますが、1時間も2時間もペダルをこぎ続けることは想定していませんので、実用的な充電を行うことは無理です。また、それぞれの自転車にもともと付いていたサドルはより大型のものに取り換え、快適に運動できるようにしています。図1の折り畳み自転車はハンドルの高さ調節ができないため、サドルの高さのみの調節となりますが、ママチャリでは両方の調節ができるためより体形にあった姿勢での運動ができるようになります。 [本エアロバイクによる効果] 副代表が、図3に示す1代目のエアロバイクを用いて試験的に運動を行いました。5分こいだら体が熱くなり、10分もこいだら汗ばんで来るようにブレーキの負荷を調節しています。30分もこげばかなりな運動量になります。食事を見直すことと合わせて、1日のうち気の向いた時に手軽に10分とか20分とかの運動を4月中旬から2か月間続けた結果、ヘモグロビンA1cの値が7.0から6.6までに下がり、定期的に訪れる病院の主治医に驚かれたそうです。これを知り、糖尿病の女性には手軽に運動できる環境が効果的であることを認識し、同様な立場に置かれている方々に本エアロバイクを紹介することとしました。 [エアロバイクの利用] 　ネットで検索するとここで紹介したような自転車を利用したエアロバイクに類似のものは数多く販売されています。また支持枠だけの販売もなされています。このようなご時世ですから、本物理工学研究社としてはエアロバイクの製作・販売は致しません。ただし、ご自分の不要な自転車を使ってエアロバイクを利用してみたいとお考えの方は、車輪の寸法をお調べになりメールでお問い合わせください。対応できる範囲で支持枠の製作・販売を致します（運送費を除く実費で5000円程度になる見込みです）。 試作開発一覧へ

試作開発品1　節水用手元水栓 この水栓は、節水を実行する消費者の手助けをする器具です。広く使われている台所の混合水栓では、水の出口が開閉レバーの位置から離れていることから、作業を片手で行うと同時にもう一方の片手でレバーを操作するようにしないと水を無駄なく使うことができません。つまり、作業のために両手が水の出口付近にあるとき、流水を止めようとするとレバーを操作する手を出口付近からレバーまで移動する必要があり、その時間の間に無駄に水を流してしまいます。この無駄は一回の操作ではわずかな量ですが、日常生活での利用が蓄積すると全体の無駄は大きくなります。また、都市単位で蓄積される無駄を考えると放置できません。これを解決するために水の出口に開閉弁を取り付けることを考えました。この弁の操作はいちいち面倒ではあるけれども節水が実現できることをよしとする消費者には歓迎される器具です。この水栓は、実用新案として、節水用手元水栓の名称で第3204603号として平成28年5月18日に特許庁に登録されました。 　その構造は、図１に示すように、外被部分をシングルレバーの水の出口に直接ねじ込み、蝶ねじで回す弁で水流を開閉するシンプルな構造です。開ける場合の蝶ねじ位置を調整することで流量を絞ることもできます。試作品では、外被部分をアルミ合金、蝶ねじ部分を真鍮としており、図２はこの試作品のパーツをすべて示しています。この試作品をシングルレバー水栓に取り付け水を流している様子を図3に示します。特許申請書類にも記載していますが、10枚の大皿の洗浄で約30%の節水が実現できました。 なお、実用新案特許の権利は物理工学研究社にありますが、都市単位での無駄が省かれることを念じて独占的な権利の行使は行いません。多くの企業でこの実用新案を利用した生産が行われ、さらに改良された製品が生み出されることを切に願います。 試作開発一覧へ

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