R06【01機械部門】必須問題Ⅰ『解答論文例』例5：遠心ポンプ - 技術士第二次試験 -

・機械製品の例１：産業用ロボット　
・機械製品の例２：圧力容器
・機械製品の例３：半導体製造装置
・機械製品の例４：エアコン
・機械製品の例５：遠心ポンプ【👈本記事p】
・機械製品の例６：プレス機械

　機械を小型化することで、省スペース化、省エネルギー化、省資源化等が図れるだけでなく、従来の機械が働けない場所での作業を行うこと等、新たな用途の拡大が期待できる。機械の小型化に伴い代表寸法を小さくすると、働く力や作用等の大きさ・比が変わり、挙動が変化する。幾何学的に相似な物体において、この代表寸法と挙動の関係を近似的に示したものをスケール効果と呼ぶ。表１に代表的なスケール効果の例を示す。

　本問は、機械を小型化する際に、スケール効果に基づく機械工学の知見を踏まえて、その性能や効率、設計、製造等がどのように変化するかを問うものである。機械製品を１つ想定し、以下の問いに答えよ。
（１）想定した機械製品とその概要を説明せよ。その機械製品に関して、構造を変えず相似的に１００分の１程度に小型化することの実現性を検討する。その際の主要な課題を、技術者としての立場で多面的な観点から３つ抽出し、それぞれの観点を明記したうえで課題の内容を示せ。
（２）前問（１）で抽出した課題のうち最も重要と考える課題を１つ挙げ、これを最も重要とした理由を述べよ。その課題に対する複数の解決策を、機械部門の専門技術・手法を用いて示せ。
（３）前問（２）で示したすべての解決策を実行しても残存しうる若しくは新たに生じうるリスクとそれへの対策について、専門技術を踏まえた考えを示せ。
（４）前問（１）～（３）の業務遂行において必要な要件を、技術者としての倫理、社会の持続可能性の観点から題意に即して述べよ。

１．機械製品の小型化における課題
　〇機械製品の概要：「遠心ポンプ」と設定
　　・遠心力による流体エネルギー変換機械
　　・幅広い産業分野での液体輸送用途
　〇観点１：流体力学的影響
　　・レイノルズ数低下による効率低下
　　・表面粗さの相対的影響増大
　〇観点２：強度設計の課題
　　・薄肉化による構造強度低下
　　・高速回転部品の応力増加
　〇観点３：製造精度の確保
　　・微細寸法の高精度加工要求
　　・複雑形状部品の製造難易度
２．最重要課題およびその解決策
　▼最重要課題とその選定理由
　　・流体力学的影響が基本性能に直結
　　・微小流路での抵抗増大とキャビテーションリスク
　▽解決策１：CFDによる最適設計
　　・流体解析による流路形状最適化
　　・羽根車とケーシング形状の効率化
　▽解決策２：表面処理技術の活用
　　・精密研磨による表面平滑化
　　・特殊コーティングによる摩擦低減
　▽解決策３：クリアランス最適化
　　・羽根車と壁面間隔の精密調整
　　・特殊潤滑剤による摩擦損失低減
３．残存・新規リスクとその対策
　◇キャビテーション対策
　　・運転条件最適化による予防
　　・耐キャビテーション材料の採用
　◇異物閉塞防止対策
　　・高性能フィルタシステムの導入
　　・定期メンテナンス体制の構築
　◇コスト最適化戦略
　　・3Dプリンターによる工程簡略化
　　・量産効果とサプライチェーン改善
４．業務遂行に必要な要件
　☆技術者としての倫理の観点
　　・安全性最優先のリスク管理
　　・環境配慮と適切な情報公開
　☆社会の持続可能性の観点
　　・省エネルギー・省資源設計
　　・製品長寿命化によるライフサイクル最適化

　日本の製造業は高性能かつ信頼性の高い製品を大量かつ安価に生産することで、時は世界市場を席巻することができた。しかし近年は他国における技術力の向上、生産性及び品質の向上、価格競争等の影響から世界的な競争力を失いつつあり、国内資源が乏しく加工貿易を軸にしてきた日本全体の経済活動を今後持続していくための戦略が必要とされている。対応策としてイノベーションを推進すること等が提唱されているが、より具体的な策として、他国製品に対して大きな競争力となる新たな付加価値をつける、あるいは現在の付加価値を他の追随を許さないほどに強化することが考えられる。現在の日本を取り巻く様々な状況（人口、教育、経済、環境保護等）を踏まえたうえで、以下の問いに答えよ。
（１）機械製品を１つ想定し、その製品に対して機械技術者の立場から考えたときに有効と考えられる付加価値を１つ提案せよ。さらに、その付加価値の実現のためにどのような課題が考えられるか、多面的な観点から３つ抽出し、それぞれの観点を明記したうえで、その課題内容を示せ。
（２）前問（１）で抽出した課題のうち最も重要と考えるものを１つ挙げ、これを最も重要とした理由を述べよ。その課題に対する複数の技術的な解決策を示せ。
（３）前問（２）で示したすべての解決策を実行しても残存しうる若しくは新たに生じうるリスクとそれへの対策について、専門技術を踏まえた考えを示せ。
（４）前問（１）～（３）の業務遂行に当たり、技術者としての倫理、社会の持続可能性の観点から必要となる要件・留意点を題意に則して述べよ。

１．機械製品の付加価値とその実現に向けた課題
　〇機械製品の付加価値
　　・高付加価値ポンプ開発
　〇観点１「流体力学的設計」
　　・インペラ形状最適化
　〇観点２「材料工学」
　　・高耐久性材料の適用
　　・表面処理技術の開発
　〇観点３「制御システム」
　　・適応制御システム
　　・最適な運転効率
２．最重要課題およびその解決策
　▼最重要課題とその選定理由
　　・インペラ形状最適化
　　・基本性能の決定
　▽解決策１「CFD最適設計」
　　・CFDシミュレーション活用
　　・最適形状の決定
　▽解決策２「3Dプリンタ活用」
　　・複雑形状の製作
　　・材料選択の幅拡大
　▽解決策３「実験計画法を適用」
　　・性能影響の評価
　　・ロバスト設計の実現
３．解決策実行に伴うリスク及びその対策
　◇制御システム複雑化
　　・誤作動リスク
　　・フェールセーフ設計
　◇新素材の安全性
　　・安全性リスク
　　・安全性評価と認証
　◇知的財産侵害
　　・特許抵触リスク
　　・事前の徹底調査
４．業務遂行に必要な要件
　☆技術者としての倫理の観点
　　・安全性の確保
　　・正確な情報開示
　☆社会の持続可能性の観点
　　・環境負荷低減
　　・資源の有効利用