JP2020036520A

JP2020036520A - 蓄電実験装置

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Publication number: JP2020036520A
Application number: JP2018163763A
Authority: JP
Inventors: 峻尚及川; Takenao Oikawa
Original assignee: Shimadzu Rika Corp
Current assignee: Shimadzu Rika Corp
Priority date: 2018-08-31
Filing date: 2018-08-31
Publication date: 2020-03-05
Anticipated expiration: 2038-08-31
Also published as: JP7294780B2

Abstract

【課題】満充電までに要する時間を短くできる蓄電実験装置を提供する。【解決手段】蓄電実験装置は、入力端子を介して外部から供給される電気エネルギーを蓄える蓄電器と、前記蓄電器の蓄電状態を表示する表示部と、前記蓄電器の蓄電電圧に基づいて、前記表示部に表示する前記蓄電状態を制御する表示制御部と、を備え、前記表示制御部は、前記蓄電器の前記蓄電電圧が前記蓄電器の定格電圧よりも低い所定の割合に達すると、前記蓄電器が満充電されたとみなして前記蓄電状態が満充電であると前記表示部に表示させる。【選択図】図１

Description

本発明は、蓄電実験装置に関する。

電気の性質や働きを学ぶための小学生向けの学習教材として、手回し発電機で発電した電気をコンデンサに蓄電し、蓄電した電気によって豆電球やＬＥＤを点灯する蓄電実験装置が知られている（例えば、非特許文献１参照）。

ウチダ理科・理化学機器カタログ2017-2018（平成29-30年度版）、株式会社内田洋行、第64版、P.260

小学校の理科実験で蓄電実験装置を利用する場合、限られた授業時間を有効利用するためには速やかにコンデンサを充電する必要がある。しかしながら、コンデンサの特性上、コンデンサを満充電するのに長時間を要し、限られた授業時間を浪費してしまう、という問題があった。

本発明の第１の態様によると、蓄電実験装置は、入力端子を介して外部から供給される電気エネルギーを蓄える蓄電器と、前記蓄電器の蓄電状態を表示する表示部と、前記蓄電器の蓄電電圧に基づいて、前記表示部に表示する前記蓄電状態を制御する表示制御部と、を備え、前記表示制御部は、前記蓄電器の前記蓄電電圧が前記蓄電器の定格電圧よりも低い所定の割合に達すると、前記蓄電器が満充電されたとみなして前記蓄電状態が満充電であると前記表示部に表示させる。

本発明によれば、蓄電実験装置において蓄電器を実際の満充電まで長時間かけて充電する必要がなく、授業時間を有効に活用することができる。

図１は、本発明の一実施の形態に係る蓄電実験装置の概略外観図である。図２は、図１に示す蓄電実験装置に発電機と外部出力機器を接続した場合を示す図である。図３は、蓄電実験装置の構成を説明するための回路図である。図４（ａ）〜（ｋ）は、蓄電実験装置における蓄電状態の表示例を示す図である。図５は、蓄電実験装置をプログラミング教育用教材として用いる場合を説明する図である。図６は、コンデンサの充電特性のグラフである。

以下、図を参照して本発明の一実施の形態について説明する。図１は、本発明の一実施の形態に係る蓄電実験装置の概略外観図である。図２は、図１に示す蓄電実験装置に発電機と外部出力機器を接続した場合を示す図である。

図１に示すように、本実施の形態に係る蓄電実験装置１は、発電機５０で発電された電気エネルギーを蓄える蓄電器１０と、蓄電器１０の蓄電状態を表示する表示部２０と、外部出力機器６０のオンオフを制御するスイッチ部３０等を備えている。蓄電器１０は、例えば電気二重層コンデンサのようなコンデンサを用いることができる。これらのコンデンサ１０、表示部２０、スイッチ部３０等は、ボード２上に配置されている。

ボード２上にはさらに、発電機５０とコンデンサ１０とを接続するためのプラス側入力端子１１とマイナス側入力端子１２、コンデンサ１０と外部出力機器６０とを接続するためのプラス側出力端子６１とマイナス側出力端子６２、および蓄電実験装置１の電源スイッチ３が設けられている。プラス側出力端子６１は、スイッチ部３０を介してコンデンサ１０に接続されている。

表示部２０は、コンデンサ１０の蓄電状態を表示する２つの表示部、すなわち第１表示部２１と第２表示部とを備えている。第１表示部２１は、例えば複数のＬＥＤを備え、コンデンサ１０の蓄電状態として蓄電率を１００分率、すなわち数値でデジタル表示する。第２表示部２１は、例えば１０個のバーを点灯させる複数のＬＥＤを備え、点灯させるバーの数によって蓄電率を表示する。第１表示部２１および第２表示部２２の表示態様は、後述するコントローラ４０によって制御される。

スイッチ部３０は、蓄電実験装置１に接続された外部出力機器６０のオンオフを手動で切り替える手動スイッチ３１と、後述するように蓄電実験装置１をプログラミング教育用教材として用いる場合の自動スイッチ３２とを備えている。

蓄電実験装置１を用いて発電と蓄電の実験を行う場合、図２に示すように発電機５０をプラス側入力端子１１とマイナス側入力端子１２に接続し、電源スイッチ３を通電側に切り替える。発電機５０は、例えば手回し発電機であり、本体に取り付けられたハンドルを手で回転して電気モータを駆動することにより発電する。発電機５０で発電された電気エネルギーはコンデンサ１０に蓄えられる。
図６に、一般的なコンデンサの充電特性のグラフを示す。縦軸は電圧Ｖを示し、横軸は時間ｔを示す。図６に示すように、コンデンサ１０は特性上、満充電、すなわち目的とする電圧（図６の縦軸において１００％として示す）に達するまでに長時間を要する。コンデンサ１０を満充電するために長時間かけてしまうと、限られた授業時間を浪費してしまう。また、コンデンサ１０を満充電できたとしても、過充電すると寿命を短くしてしまう。

そこで、本発明の一実施の形態に係る蓄電実験装置１においては、コンデンサ１０の実際の蓄電率に対し、表示部２０に表示する蓄電率を調整するように表示制御を行う。具体的には、コンデンサ１０の満充電に対応する定格電圧よりも低い、所定の割合まで充電された状態を、便宜上、１００％充電されたとみなして表示部２０に表示する。

図３に、蓄電実験装置１の構成を説明するための回路図を示す。図３に示すように、コンデンサ１０は分圧回路４１を介してコントローラ４０に接続されている。分圧回路４１は第１抵抗４２と第２抵抗４３とを備え、コンデンサ１０から入力された電圧に比例した電圧をコントローラ４０に出力する。

コントローラ４０は、ＣＰＵおよびＲＡＭやＲＯＭ等の周辺機器などを備え、蓄電実験装置１の全体の動作を制御する。電源スイッチ３を通電側に切り替えて蓄電実験装置１に通電したのち、コントローラ４０ではコンデンサ１０の蓄電電圧の測定を常時実施する。コントローラ４０は、測定した蓄電電圧に基づいて、コンデンサ１０の蓄電状態、すなわち蓄電率を調整して表示する表示制御を行う。以下に、コントローラ４０で行う蓄電率の表示制御について説明する。

図６に示したように、コンデンサ１０を充電する際、目的とする電圧に達するまでに長時間を要する。そこで、蓄電電圧が、目的とする電圧、すなわち満充電に相当する定格電圧に対して所定の割合に達すると、満充電されたとみなす。本実施の形態において、定格電圧２．５Ｖのコンデンサ１０を用いた場合、コントローラ４０は、蓄電電圧が０Ｖのときにコンデンサ１０の蓄電率が０％、１Ｖのときに蓄電率が５０％、２Ｖのときに蓄電率が１００％であるとみなす。
すなわち、本実施の形態においては、コンデンサ１０の蓄電電圧が満充電に対応する定格電圧２．５Ｖよりも低い値である２Ｖまで達すると、実際には満充電となっていないが、コンデンサ１０の蓄電率が１００％であるみなす。このような蓄電率を、以降、みなし蓄電率と呼ぶ。みなし蓄電率は、蓄電電圧の増加に比例して増加する。すなわち、本実施の形態において、みなし蓄電率＝（コンデンサ１０の蓄電電圧）／（コンデンサ１０の定格電圧）×（１００／８０）と表される。蓄電電圧が３．５９Ｖのときにみなし蓄電率は１８０％となる。

みなし蓄電率が１００％であると判断するための定格電圧に対する蓄電電圧の割合は、図６に示す充電特性のグラフにおいて、時間に対する蓄電電圧の増加曲線が実質的に線形性を保っている領域、すなわち時間に対する蓄電電圧の増加率が大きい領域の中から設定することが望まし。本実施の形態では、定格電圧の８０％を、みなし蓄電率が１００％であると判断するための所定の割合とする。すなわち、コンデンサ１０の蓄電電圧が２Ｖのとき、すなわち定格電圧２．５Ｖの８０％の状態を、満充電とみなす。所定の割合に対応する電圧は、コンデンサ１０の満充電の状態、すなわち定格電圧よりも低い値であり、かつ、外部出力機器６０を駆動させるのに十分な電圧値であることが望ましい

コントローラ４０はコンデンサ１０から入力された電圧に基づいて、上述したみなし蓄電率を算出し、算出した蓄電率を表示部２０に表示させる。図４（ａ）〜（ｋ）に、蓄電実験装置１における蓄電状態の表示例を示す。図４（ａ）に示すように、コンデンサ１０のみなし蓄電率が０〜９％の場合、第２表示部２２のバーはすべて消灯し、第１表示部２１には算出された蓄電率の数値を表示する。図４（ａ）は蓄電率が０％であることを示している。図４（ｂ）に示すように、コンデンサ１０のみなし蓄電率が１０〜１９％の場合、第１表示部２１には算出された蓄電率の数値を表示し、第２表示部２２の左端のバーを１つ点灯する。図４（ｃ）に示すように、コンデンサ１０のみなし蓄電率が２０〜２９％の場合、第１表示部２１には算出された蓄電率の数値を表示し、第２表示部２２のバーを左から２つ点灯する。

図４（ｄ）に示すように、コンデンサ１０のみなし蓄電率が３０〜３９％の場合、第１表示部２１には算出された蓄電率の数値を表示し、第２表示部２２のバーを左から３つ点灯する。図４（ｅ）に示すように、コンデンサ１０のみなし蓄電率が４０〜４９％の場合、第１表示部２１には算出された蓄電率の数値を表示し、第２表示部２２のバーを左から４つ点灯する。図４（ｆ）に示すように、コンデンサ１０のみなし蓄電率が５０〜５９％の場合、第１表示部２１には算出された蓄電率の数値を表示し、第２表示部２２のバーを左から５つ点灯する。

図４（ｇ）に示すように、コンデンサ１０のみなし蓄電率が６０〜６９％の場合、第１表示部２１には算出された蓄電率の数値を表示し、第２表示部２２のバーを左から６つ点灯する。図４（ｈ）に示すように、コンデンサ１０のみなし蓄電率が７０〜７９％の場合、第１表示部２１には算出された蓄電率の数値を表示し、第２表示部２２のバーを左から７つ点灯する。図４（ｉ）に示すように、コンデンサ１０のみなし蓄電率が８０〜８９％の場合、第１表示部２１には算出された蓄電率の数値を表示し、第２表示部２２のバーを左から８つ点灯する。図４（ｊ）に示すように、コンデンサ１０のみなし蓄電率が９０〜９９％の場合、第１表示部２１には算出された蓄電率の数値を表示し、第２表示部２２のバーを左から９つ点灯する。

図４（ｋ）に示すように、コンデンサ１０のみなし蓄電率が１００〜１８０％の場合、第１表示部２１には算出された蓄電率の数値を表示し、第２表示部２２の１０個のバーをすべて点灯する。さらに、第１表示部２１の表示および第２表示部２２の１０個のバーを点滅させてコンデンサ１０が満充電とみなされていることを報知する。なお、この場合、第１表示部２１と第２表示部２２のいずれか一方を点滅させてもよい。

つぎに、蓄電実験装置１をプログラミング教育用教材として用いる場合を説明する。まず、蓄電実験装置１を用いて電気の利用に関する実験を行う場合、図２に示すように外部出力機器６０をプラス側出力端子６１とマイナス側出力端子６２に接続し、電源スイッチ３を通電側に切り替える。外部出力機器６０は、例えば豆電球やＬＥＤである。外部出力機器６０を蓄電実験装置１に接続した状態で使用者が手動スイッチ３１をオンすると、コンデンサ１０と外部出力機器６０とが接続される。これにより、コンデンサ１０に蓄えられた電気エネルギーが供給されて外部出力機器６０が作動する。

これに対し、プログラミング教育用教材として蓄電実験装置１を利用する場合、接続モジュールとして機能する小型の電子部品を用いて自動スイッチ３２を構成し、外部出力機器６０のオンオフを自動で切り替える。この電子部品を自動スイッチ３２として機能させるために、不図示の情報端末機器等に所定のアプリケーションソフトウェアをインストールし、これを用いて電子部品を制御するプログラムを予め作成しておく。

図５に、蓄電実験装置１をプログラミング教育用教材として用いる場合に、自動スイッチ３２を構成する電子部品３３を示す。電子部品３３は、下面に複数のポート（不図示）を有し、あるポートから入力された信号を変換等して別のポートに出力することにより、各ポートに接続された電子部品間を電気的に接続する接続モジュールである。予め作成された所定のプログラムの制御対象である電子部品３３を、ボード２上に設けられた収容部材３４に差し込むことにより、自動スイッチ３２が構成される。

電子部品３３を収容部材３４に差し込み、手動スイッチ３１をオフにした状態で、不図示の情報端末機器等によって予め作成されたプログラムが実行されると、電子部品３３がコンデンサ１０と外部出力機器６０とを電気的に接続する。すなわち、自動スイッチ３２がオンされる。これにより、コンデンサ１０に蓄えられた電気エネルギーが供給されて外部出力機器６０が作動する。

上述した実施の形態によれば、次の作用効果が得られる。
（１）蓄電実験装置１は、プラス側入力端子１１およびマイナス側入力端子１２を介して外部から供給される電気エネルギーを蓄えるコンデンサ１０と、コンデンサ１０の蓄電状態を表示する表示部２０と、コンデンサ１０の蓄電電圧に基づいて、表示部２０に表示する蓄電状態を制御する表示制御部として機能するコントローラ４０と、を備える。コントローラ４０は、コンデンサ１０の蓄電電圧がコンデンサ１０の定格電圧よりも低い所定の割合に達すると、コンデンサが満充電されたとみなして蓄電状態が満充電であると表示部２０に表示させる。これにより、コンデンサ１０を実際の満充電まで長時間かけて充電する必要がなくなる。コンデンサ１０の充電に費やす時間を短くすることができるので、限られた授業時間を有効に活用することができる。また、コンデンサ１０の実際の満充電よりも低い所定の割合を満充電とみなして表示するので、コンデンサ１０の過充電の発生を抑制できる。

（２）コントローラ４０は、コンデンサ１０の蓄電電圧に基づいて、コンデンサが満充電されたとみなした場合を１００パーセントとするみなし蓄電率を算出し、第１表示部２１にコンデンサ１０のみなし蓄電率をデジタル表示させる。蓄電率をデジタル表示することにより、アナログ表示する場合に比べて蓄電率の視認性が向上し、とくに蓄電率が１００％に達したことを明確に把握することができる。また、蓄電実験装置１を用いて電気の利用に関する実験を行う場合、蓄電率をデジタル表示することにより、異なる外部出力機器６０による消費電力の違いを容易に把握することが可能となる。例えば外部出力機器６０として豆電球を接続した場合と、ＬＥＤを接続した場合では、消費電力が異なりコンデンサ１０の蓄電電圧の減少度合いが異なるが、蓄電率をデジタル表示することにより、どれほど電気の使用量に差があるかを容易に把握することができる。

（３）蓄電実験装置１は、コンデンサ１０が満充電されたとみなされたことを報知する満充電報知部材をさらに備える。上記実施の形態では、みなし蓄電率が１００％に達すると、第１表示部２１および第２表示部２２の表示を点滅させることにより、コンデンサ１０が満充電されたとみなされたことを報知する。これにより、コンデンサ１０の満充電の状態を使用者に知らせて過充電を防止することが可能となる。

次のような変形も本発明の範囲内であり、変形例の一つ、もしくは複数を上述の実施形態と組み合わせることも可能である。
（１）上記実施の形態においては、蓄電器１０として、例えば電気二重層コンデンサを用いる例を説明したが、これには限定されず、電気二重層コンデンサ以外の蓄電器を用いてもよい。また、蓄電器１０は定格電圧が２．５Ｖのものに限定されない。定格電圧が２．５Ｖ以外の蓄電器１０を用いる場合であっても、上述した実施の形態と同様にみなし蓄電率を算出する。なお上記実施の形態においては、蓄電器１０が満充電されたとみなすための蓄電電圧の所定の割合を定格電圧の８０％としたが、８０％には限定されない。コンデンサ１０の時定数τに基づいて、定格電圧の約６０％を所定の割合としてもよい。この所定の割合は蓄電器１０の定格電圧よりも低く、かつ外部出力機器６０を駆動させるのに十分な電圧値に対応する割合であればよい。

（２）上記実施の形態においては、表示部２０が第１表示部２１と第２表示部２２とを備える例を説明したが、これには限定されず、第１表示部２１と第２表示部２２のいずれか一方を備えるように蓄電実験装置１を構成してもよい。

（３）上記実施の形態においては、満充電報知部材として、第１表示部２１および第２表示部２２の表示を点滅させたが、これには限定されず、コンデンサ１０の満充電を報知するブザーや警告ランプを追加で設けてもよい。

上記では、種々の実施の形態および変形例を説明したが、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。

１：蓄電実験装置、１０：コンデンサ、１１：プラス側入力端子、１２：マイナス側入力端子、２０：表示部、２１：第１表示部、２２：第２表示部、３０：スイッチ部、４０：コントローラ

Claims

入力端子を介して外部から供給される電気エネルギーを蓄える蓄電器と、
前記蓄電器の蓄電状態を表示する表示部と、
前記蓄電器の蓄電電圧に基づいて、前記表示部に表示する前記蓄電状態を制御する表示制御部と、を備え、
前記表示制御部は、前記蓄電器の前記蓄電電圧が前記蓄電器の定格電圧よりも低い所定の割合に達すると、前記蓄電器が満充電されたとみなして前記蓄電状態が満充電であると前記表示部に表示させる蓄電実験装置。
請求項１に記載の蓄電実験装置において、
前記表示制御部は、前記蓄電器の蓄電電圧に基づいて、前記蓄電器が満充電されたとみなした場合を１００パーセントとする蓄電率を算出し、
前記表示部は、前記蓄電器の前記蓄電率をデジタル表示する蓄電実験装置。
請求項１または請求項２に記載の蓄電実験装置において、
前記蓄電器が満充電されたとみなされたことを報知する満充電報知部材をさらに備える蓄電実験装置。