JP3124003U - 温度差発電の原理学習用教具 - Google Patents
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Abstract
【課題】温度差発電の仕組みを実験を通して学習することができる教具を提供する。
【解決手段】湯を容れる第１水槽２０と、水を容れる第２水槽３０と、温度差により起電力を発生するペルチェ素子４０と、一端が第１水槽２０の中に在り他端がペルチェ素子４０の一面に結合する第１金属体２３、２４と、一端が第２水槽３０の中に在り他端がペルチェ素子４０の他面に結合する第２金属体３３、３４と、ペルチェ素子４０の起電力で駆動されるモータ５２と、モータ５２の回転に伴って動く移動体５１とを備える。ペルチェ素子４０は、湯と水の温度差に応じた起電力を発生し、モータ５２が回転して移動体５１が動く。この教具は、小型に構成することができ、かつ、低コストでの製作が可能である。そのため、各学校教育現場に普及させることができる。
【選択図】図１
【解決手段】湯を容れる第１水槽２０と、水を容れる第２水槽３０と、温度差により起電力を発生するペルチェ素子４０と、一端が第１水槽２０の中に在り他端がペルチェ素子４０の一面に結合する第１金属体２３、２４と、一端が第２水槽３０の中に在り他端がペルチェ素子４０の他面に結合する第２金属体３３、３４と、ペルチェ素子４０の起電力で駆動されるモータ５２と、モータ５２の回転に伴って動く移動体５１とを備える。ペルチェ素子４０は、湯と水の温度差に応じた起電力を発生し、モータ５２が回転して移動体５１が動く。この教具は、小型に構成することができ、かつ、低コストでの製作が可能である。そのため、各学校教育現場に普及させることができる。
【選択図】図１
Description
本考案は、温度差発電の原理を学習するための教具に関し、特に、児童や生徒が温度差により発電することを、体験を通じて理解できるようにしたものである。
近年、地球温暖化の抑制が叫ばれ、その元凶のＣＯ２を発生しない発電技術として、海洋の温度差を利用する海洋温度差発電が注目を集めている。
この発電システムでは、海洋表層の温水（例えば２５〜３０度）と深海の冷水（５〜７度）との温度差を利用して発電が行われる。このシステムのパイプには作動流体が循環しており、作動流体は、温水で加熱されて蒸発し、その蒸気でタービンを回して発電し、その蒸気が冷水で冷却されて再び液体に戻る動作を繰り返す。この系におけるエネルギー変換効率の向上を齎した「ウエハラサイクル」では、作動流体にアンモニア／水混合液を用いている（下記特許文献１参照）。
この海洋温度差発電は、化石燃料やウランを使用せずに発電できるため、クリーンな次世代エネルギー技術として期待されており、鋭意研究開発が進められている。
この発電システムでは、海洋表層の温水（例えば２５〜３０度）と深海の冷水（５〜７度）との温度差を利用して発電が行われる。このシステムのパイプには作動流体が循環しており、作動流体は、温水で加熱されて蒸発し、その蒸気でタービンを回して発電し、その蒸気が冷水で冷却されて再び液体に戻る動作を繰り返す。この系におけるエネルギー変換効率の向上を齎した「ウエハラサイクル」では、作動流体にアンモニア／水混合液を用いている（下記特許文献１参照）。
この海洋温度差発電は、化石燃料やウランを使用せずに発電できるため、クリーンな次世代エネルギー技術として期待されており、鋭意研究開発が進められている。
ただ、この温度差発電に対する世間の関心は高いとは言えない。そのため、温度差発電についての理解を深め、地球環境保護の意識を育むことを目的として、ウエハラサイクルを活用した温度差発電用の教材が作られている。
特開平７−９１３６１号公報
しかし、従来の温度差発電用の教材は、凡そ３ｍ×２ｍの大きさを有し、かつ、極めて高価であるため、そのサイズ及び価格故に、学校教育の現場において簡単に利用できるものではなかった。
本考案は、こうした事情を考慮して創案したものであり、小型、かつ、低コストであって、児童や生徒が温度差発電の仕組みを実験を通して学習することができる教具を提供することを目的としている。
本考案は、温度差発電の原理を学習するための教具であって、熱した水を容れる第１の水槽と、熱していない水を容れる第２の水槽と、温度差により起電力を発生するペルチェ素子と、一端が第１の水槽の中に在り他端がペルチェ素子の一面に結合するように第１の水槽の壁を貫通して配置され、第１の水槽に在る部分にフィンが形成されている第１の金属体と、一端が第２の水槽の中に在り他端がペルチェ素子の他面に結合するように第２の水槽の壁を貫通して配置され、第２の水槽に在る部分にフィンが形成されている第２の金属体と、ペルチェ素子の起電力で駆動されるモータと、モータの回転に伴って動く移動体とを備えている。
この教具の第１の水槽に湯を容れ、第２の水槽に水を容れると、これらの熱がペルチェ素子に伝わり、ペルチェ素子は、その温度差に応じた起電力を発生する。そのため、モータが回転して移動体が動く。
この教具の第１の水槽に湯を容れ、第２の水槽に水を容れると、これらの熱がペルチェ素子に伝わり、ペルチェ素子は、その温度差に応じた起電力を発生する。そのため、モータが回転して移動体が動く。
また、本考案の教具は、さらに、ペルチェ素子の起電力を計測する電圧計と、モータに流れる電流を計測する電流計と、第１の金属体及び第２の金属体の温度を計測する温度計とを備えている。
これらの計器の測定値から、温度差と起電力との関係を学習することができる。
これらの計器の測定値から、温度差と起電力との関係を学習することができる。
また、本考案の教具は、さらに、第１の水槽及び第２の水槽の水が排水される排水槽を備え、第１の水槽及び第２の水槽の内部に、排水槽に水を導く排水孔と、排水孔を塞ぐ栓とを備えている。
実験終了後に栓を抜き、第１の水槽及び第２の水槽の水を排水槽に集めて捨てることができる。
実験終了後に栓を抜き、第１の水槽及び第２の水槽の水を排水槽に集めて捨てることができる。
また、本考案の教具は、前記栓が、排水孔を塞いだ状態で直立する筒状体を具備し、栓で排水孔を塞いだ状態でも、排水槽と第１の水槽または第２の水槽とが、筒状体の内部空間を介して連通している。
そのため、第１の水槽または第２の水槽に水を容れ過ぎた場合でも、余分な水は筒状体の内部空間を通って排水槽に排水されるため、第１の水槽または第２の水槽から水が溢れることが無い。
そのため、第１の水槽または第２の水槽に水を容れ過ぎた場合でも、余分な水は筒状体の内部空間を通って排水槽に排水されるため、第１の水槽または第２の水槽から水が溢れることが無い。
本考案の教具は、小型に構成することができ、かつ、低コストでの製作が可能である。そのため、各学校教育現場に普及させることができる。
この教具を使用する実験により、児童や生徒は、温度差発電の仕組みを、興味を持って学習することができ、この教具に現れる現象を観察して、温度差発電に関する理解を知育レベルに応じて深めることができる。
この教具を使用する実験により、児童や生徒は、温度差発電の仕組みを、興味を持って学習することができ、この教具に現れる現象を観察して、温度差発電に関する理解を知育レベルに応じて深めることができる。
図１は、本考案の実施形態における教具の斜視図であり、図２は、その教具の基板側と排水槽側とを分離した状態を示す図である。
この教具は、基板１０上に、水を注入する冷水用の水槽３０と、その蓋３１と、湯を注入する温水用の水槽２０と、その蓋２１と、水と湯の温度差によって電気を発生するペルチェ素子４０と、ペルチェ素子４０に水槽２０、３０の熱を伝えるフィン２３、３３及び金属ブロック２４、３４と、水槽２０、３０の排水孔を塞ぐ栓２２、３２と、ペルチェ素子４０からの給電により駆動するモータ５２と、回転するファン５１と、電圧計５３、電流計５４及び熱電温度計５５、５６から成る計器類とを有しており、また、基板１０の下には水槽２０、３０の排水を溜める排水槽６０を有している。
なお、水槽２０、３０は、中が見えるように透明のアクリル板で形成し、フィン２３、３３及び金属ブロック２４、３４は、熱伝導性及び加工性が良いアルミ合金で形成している。
この教具は、基板１０上に、水を注入する冷水用の水槽３０と、その蓋３１と、湯を注入する温水用の水槽２０と、その蓋２１と、水と湯の温度差によって電気を発生するペルチェ素子４０と、ペルチェ素子４０に水槽２０、３０の熱を伝えるフィン２３、３３及び金属ブロック２４、３４と、水槽２０、３０の排水孔を塞ぐ栓２２、３２と、ペルチェ素子４０からの給電により駆動するモータ５２と、回転するファン５１と、電圧計５３、電流計５４及び熱電温度計５５、５６から成る計器類とを有しており、また、基板１０の下には水槽２０、３０の排水を溜める排水槽６０を有している。
なお、水槽２０、３０は、中が見えるように透明のアクリル板で形成し、フィン２３、３３及び金属ブロック２４、３４は、熱伝導性及び加工性が良いアルミ合金で形成している。
図３は、水槽２０、３０の平面図である。大きな表面積を持つように縦横に深い切り込みが形成されたフィン２３は、温水用水槽２０の内部に配置され、フィン２３の背面に結合された金属ブロック２４が水槽２０の壁の孔から外部に導出され、ペルチェ素子４０の一面に結合している。なお、金属ブロック２４が貫通する水槽２０の壁の孔は、水漏れが生じないように、その周囲が密閉されている。
また、冷水用水槽３０の構造も同様であり、フィン３３が水槽３０の内部に配置され、このフィン３３の背面に結合された金属ブロック３４が水槽３０の壁の孔から外部に導出され、ペルチェ素子４０の他面に結合している。また、金属ブロック３４が貫通する水槽３０の壁の孔は、水漏れが生じないように、その周囲が密閉されている。
また、冷水用水槽３０の構造も同様であり、フィン３３が水槽３０の内部に配置され、このフィン３３の背面に結合された金属ブロック３４が水槽３０の壁の孔から外部に導出され、ペルチェ素子４０の他面に結合している。また、金属ブロック３４が貫通する水槽３０の壁の孔は、水漏れが生じないように、その周囲が密閉されている。
栓２２は、図４に示すように、円筒部２２０と、円筒部２２０に固着されたフランジ２２１と、円筒部２２０の先端側に嵌まるパッキン２２２とを有している。水槽２０の底には、円筒部２２０の外径に等しい径の排水孔２０１が形成されており、閉栓時には、円筒部２２０の先端が、フランジ２２１やパッキン２２２により進入が妨げられるまで、排水孔２０１に圧入される。
閉栓時の円筒部２２０の高さは、水槽２０の壁の高さよりも低い。そのため、水槽２０の中に円筒部２２０の高さ以上に温水が注入されると、円筒部２２０の高さを超えた温水は、円筒部２２０の内部を通って排水槽６０に排出される。従って、水槽２０には、円筒部２２０の高さ以上の温水は溜まらない。
冷水用水槽３０側の栓３２も全く同様の構造である。
閉栓時の円筒部２２０の高さは、水槽２０の壁の高さよりも低い。そのため、水槽２０の中に円筒部２２０の高さ以上に温水が注入されると、円筒部２２０の高さを超えた温水は、円筒部２２０の内部を通って排水槽６０に排出される。従って、水槽２０には、円筒部２２０の高さ以上の温水は溜まらない。
冷水用水槽３０側の栓３２も全く同様の構造である。
図５は、各計器５３〜５６やモータ５２への結線の状態を示している。
金属ブロック２４、３４には、ペルチェ素子４０の近傍に孔が形成され、熱電対２５、３５が埋め込まれている。熱電対２５は熱電温度計５６に接続されており、熱電対２５で感知した温度が熱電温度計５６に表示される。また、熱電対３５は熱電温度計５５に接続されており、熱電対３５で感知した温度が熱電温度計５５に表示される。
また、ペルチェ素子４０の起電力はモータ５２に供給され、その電圧が電圧計５３で、その電流が電流計５４で、それぞれ測定される。
金属ブロック２４、３４には、ペルチェ素子４０の近傍に孔が形成され、熱電対２５、３５が埋め込まれている。熱電対２５は熱電温度計５６に接続されており、熱電対２５で感知した温度が熱電温度計５６に表示される。また、熱電対３５は熱電温度計５５に接続されており、熱電対３５で感知した温度が熱電温度計５５に表示される。
また、ペルチェ素子４０の起電力はモータ５２に供給され、その電圧が電圧計５３で、その電流が電流計５４で、それぞれ測定される。
次に、この教具の使い方、及び、動作について説明する。
実験の参加者は、栓２２をした水槽２０に、熱した湯を円筒部２２０の高さまで入れて蓋２１をし、また、栓３２をした水槽３０に、円筒部３２０の高さまで水を入れて蓋３１をする。
水槽２０の湯の熱は、フィン２３を経て金属ブロック２４に伝達し、ペルチェ素子４０の一方の面を暖める。また、水槽３０の水の熱はフィン３３を経て金属ブロック３４に伝達し、ペルチェ素子４０の他方の面を冷やす。この金属ブロック３４の温度は、熱電温度計５５に表示され、他方の金属ブロック２４の温度は、熱電温度計５６に表示される。
ペルチェ素子４０は、一方の面が熱せられ、他方の面が冷やされるため、ゼーベック効果により、その温度差に応じた熱起電力を発生する。
この起電力により、ペルチェ素子４０とモータ５２とを接続する回路に電流が流れ、モータ５２は駆動し、ファン５１が回転する。また、その電流が電流計５４で計測されて表示され、電圧が電圧計５３で計測されて表示される。
実験の参加者は、栓２２をした水槽２０に、熱した湯を円筒部２２０の高さまで入れて蓋２１をし、また、栓３２をした水槽３０に、円筒部３２０の高さまで水を入れて蓋３１をする。
水槽２０の湯の熱は、フィン２３を経て金属ブロック２４に伝達し、ペルチェ素子４０の一方の面を暖める。また、水槽３０の水の熱はフィン３３を経て金属ブロック３４に伝達し、ペルチェ素子４０の他方の面を冷やす。この金属ブロック３４の温度は、熱電温度計５５に表示され、他方の金属ブロック２４の温度は、熱電温度計５６に表示される。
ペルチェ素子４０は、一方の面が熱せられ、他方の面が冷やされるため、ゼーベック効果により、その温度差に応じた熱起電力を発生する。
この起電力により、ペルチェ素子４０とモータ５２とを接続する回路に電流が流れ、モータ５２は駆動し、ファン５１が回転する。また、その電流が電流計５４で計測されて表示され、電圧が電圧計５３で計測されて表示される。
これらの現象を観察した実験参加者は、湯と水の温度差によって電気が発生していることを理解することができる。
知育レベルの低い小学生でも、ファン５１が回転する興味を惹く現象から、電気が発生していることを理解できる。
中学生のレベルでは、さらに、温度差発電における温度差と起電力との関係について学習することができる。
また、観察を通じて、熱の伝導に時間が掛かることや、温度の下がり方が一様でないことなどを知ることができる。
知育レベルの低い小学生でも、ファン５１が回転する興味を惹く現象から、電気が発生していることを理解できる。
中学生のレベルでは、さらに、温度差発電における温度差と起電力との関係について学習することができる。
また、観察を通じて、熱の伝導に時間が掛かることや、温度の下がり方が一様でないことなどを知ることができる。
実験が終了すると、水槽２０、３０の蓋２１、３１を開け、栓２２、３２を抜いて、水槽２０、３０に溜まった湯及び水を排水孔２０１、３０１から排水槽６０に落とす。そして、図２のように、基板１０を取り外し、排水槽６０に溜まった水を適当な場所に捨てる。
このように、この教具を使用して、児童や生徒は、温度差発電について、知育レベルに応じた学習を行うことができる。
このように、この教具を使用して、児童や生徒は、温度差発電について、知育レベルに応じた学習を行うことができる。
この教具では、水槽２０、３０中に、表面積の大きなフィン２３、３３を配置しているため、水槽２０、３０内の湯や水の温度がフィン２３、３３に素早く伝わり、ペルチェ素子４０への熱伝導が効率化する。ここでは、フィン２３、３３に多数の角柱を形成しているが、一枚一枚のフィンの厚さを更に薄くすることにより、熱伝導の一層の効率化を図ることができる。
また、この教具は、実験中に水槽２０、３０から湯や水が溢れないように構成し、実験終了後は、排水槽６０だけを持って水が捨てられるように構成しているため、この教具を児童が操作する場合でも、基板１０上の計器類やペルチェ素子４０等に水が掛かる事故を懸念する必要がない。
なお、ここでは、温水用水槽２０と冷水用水槽３０とを区別しているが、それらを区別せずに、一方に湯を入れ、他方に水を入れるようにしても良い。ただ、この場合、電圧計５３及び電流計５４の針が逆に振れる場合があるので、結線の仕方には注意を払う必要がある。
また、ファン５１の羽の１つに反射板を貼り付け、このファン５１にレーザを照射して反射板からの反射回数をカウントし、ファン５１の回転数を計測することもできる。
また、ファン５１の羽の１つに反射板を貼り付け、このファン５１にレーザを照射して反射板からの反射回数をカウントし、ファン５１の回転数を計測することもできる。
実際に試作した教具の寸法を図６に示している。図６（ａ）は平面図、図６（ｂ）は正面図であり、寸法線上の数値はｍｍ単位の長さを表示している。
主要部の寸法は次の通りである。
・水槽２０、３０（アクリル製）；９０ｍｍ（縦）×９０ｍｍ（横）×１１０ｍｍ（高さ）
・栓２２、３２の高さ；８４ｍｍ
・フィン２３、３３（アルミ製）；３５ｍｍ（縦）×３５ｍｍ（横）×２５ｍｍ（高さ）
・金属ブロック２４、３４（アルミ製）；２８ｍｍ（直径）×９ｍｍ（長さ）
・ペルチェ素子４０；５０ｍｍ（縦）×５０ｍｍ（横）×５ｍｍ（厚さ）
この教具全体の大きさは、３７０ｍｍ（縦）×１１０ｍｍ（横）×１９５ｍｍ（高さ）である。
主要部の寸法は次の通りである。
・水槽２０、３０（アクリル製）；９０ｍｍ（縦）×９０ｍｍ（横）×１１０ｍｍ（高さ）
・栓２２、３２の高さ；８４ｍｍ
・フィン２３、３３（アルミ製）；３５ｍｍ（縦）×３５ｍｍ（横）×２５ｍｍ（高さ）
・金属ブロック２４、３４（アルミ製）；２８ｍｍ（直径）×９ｍｍ（長さ）
・ペルチェ素子４０；５０ｍｍ（縦）×５０ｍｍ（横）×５ｍｍ（厚さ）
この教具全体の大きさは、３７０ｍｍ（縦）×１１０ｍｍ（横）×１９５ｍｍ（高さ）である。
この教具の一方の水槽２０に摂氏９０度の湯を入れ、他方の水槽３０に室温の水を入れて実験したところ、ファン５１は、１２００回／分の回転数で４０分間継続して回転した。
４０分間と言う時間は、１時限の授業時間に匹敵する。従って、授業開始時に水槽３０、２０に湯と水とを入れれば、授業時間中ファン５１が回転することになる。
４０分間と言う時間は、１時限の授業時間に匹敵する。従って、授業開始時に水槽３０、２０に湯と水とを入れれば、授業時間中ファン５１が回転することになる。
本考案の教具は、温度差発電の仕組みを教える授業や、温度差発電の知識の普及を図る展示などの場において、広く利用することができる。
１０ 基板
２０ 水槽
２１ 蓋
２２ 栓
２３ フィン
２４ 金属ブロック
２５ 熱電対
３０ 水槽
３１ 蓋
３２ 栓
３３ フィン
３４ 金属ブロック
３５ 熱電対
４０ ペルチェ素子
５１ ファン
５２ モータ
５３ 電圧計
５４ 電流計
５５ 熱電温度計
５６ 熱電温度計
６０ 排水槽
２０１ 排水孔
２２０ 円筒部
２２１ フランジ
２２２ パッキン
３０１ 排水孔
３２０ 円筒部
３２１ フランジ
３２２ パッキン
２０ 水槽
２１ 蓋
２２ 栓
２３ フィン
２４ 金属ブロック
２５ 熱電対
３０ 水槽
３１ 蓋
３２ 栓
３３ フィン
３４ 金属ブロック
３５ 熱電対
４０ ペルチェ素子
５１ ファン
５２ モータ
５３ 電圧計
５４ 電流計
５５ 熱電温度計
５６ 熱電温度計
６０ 排水槽
２０１ 排水孔
２２０ 円筒部
２２１ フランジ
２２２ パッキン
３０１ 排水孔
３２０ 円筒部
３２１ フランジ
３２２ パッキン
Claims (4)
- 温度差発電の原理を学習する教具であって、
熱した水を容れる第１の水槽と、
熱していない水を容れる第２の水槽と、
温度差により起電力を発生するペルチェ素子と、
一端が前記第１の水槽の中に在り他端が前記ペルチェ素子の一面に結合するように前記第１の水槽の壁を貫通して配置され、前記第１の水槽に在る部分にフィンが形成された第１の金属体と、
一端が前記第２の水槽の中に在り他端が前記ペルチェ素子の他面に結合するように前記第２の水槽の壁を貫通して配置され、前記第２の水槽に在る部分にフィンが形成された第２の金属体と、
前記ペルチェ素子の起電力で駆動されるモータと、
前記モータの回転に伴って動く移動体と
を備えることを特徴とする教具。 - 請求項１に記載の教具であって、さらに、前記ペルチェ素子の起電力を計測する電圧計と、前記モータに流れる電流を計測する電流計と、前記第１の金属体及び第２の金属体の温度を計測する温度計とを備えることを特徴とする教具。
- 請求項１に記載の教具であって、さらに、前記第１の水槽及び第２の水槽の水が排水される排水槽を備え、前記第１の水槽及び第２の水槽の内部に、前記排水槽に水を導く排水孔と、前記排水孔を塞ぐ栓とを備えることを特徴とする教具。
- 請求項３に記載の教具であって、前記栓が、前記排水孔を塞いだ状態で直立する筒状体を具備し、前記栓で前記排水孔を塞いだ状態でも、前記排水槽と前記第１の水槽または第２の水槽とが、前記筒状体の内部空間を介して連通していることを特徴とする教具。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2006003876U JP3124003U (ja) | 2006-05-23 | 2006-05-23 | 温度差発電の原理学習用教具 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2006003876U JP3124003U (ja) | 2006-05-23 | 2006-05-23 | 温度差発電の原理学習用教具 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP3124003U true JP3124003U (ja) | 2006-08-03 |
Family
ID=43473972
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2006003876U Expired - Lifetime JP3124003U (ja) | 2006-05-23 | 2006-05-23 | 温度差発電の原理学習用教具 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3124003U (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2010072549A (ja) * | 2008-09-22 | 2010-04-02 | Japan Aerospace Exploration Agency | 教材用太陽光熱複合発電装置 |
| KR20190113198A (ko) * | 2018-03-28 | 2019-10-08 | 강성기 | 인력을 이용한 지구과학 학습교구 |
| CN111696413A (zh) * | 2019-03-14 | 2020-09-22 | 浙江赛美克电子科技有限公司 | 一种帕尔贴物理效应和塞贝克物理效应演示教具 |
-
2006
- 2006-05-23 JP JP2006003876U patent/JP3124003U/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2010072549A (ja) * | 2008-09-22 | 2010-04-02 | Japan Aerospace Exploration Agency | 教材用太陽光熱複合発電装置 |
| KR20190113198A (ko) * | 2018-03-28 | 2019-10-08 | 강성기 | 인력을 이용한 지구과학 학습교구 |
| CN111696413A (zh) * | 2019-03-14 | 2020-09-22 | 浙江赛美克电子科技有限公司 | 一种帕尔贴物理效应和塞贝克物理效应演示教具 |
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