JP3223284U - 発熱体 - Google Patents

Abstract

【課題】学校教育用実験教材に利用される発熱体を提供する。【解決手段】伝導パイプ１２と該伝導パイプ１２に巻き固定された電熱線１４を有し、伝導パイプ内部に温度計を挿入することで電熱線の温度を把握できる発熱体１０である。電熱線は該電熱線の長手方向略中央に位置し伝導パイプに直接巻き付けられる巻線部１４ａと、該電熱線の一端側に位置し外部バッテリーの一端側と接続される第１導線部１４ｂと、該電熱線の他端側に位置し外部バッテリーの他端側と接続される第２導線部１４ｃを有する。第１導線部と第２導線部はそれぞれの長さが異なり、巻線部の両端は伝導パイプの下方位置で結束されるとともに固定バンド１８で固定される。巻線部は、伝導パイプの長手方向における略中央位置に対して温度計の挿入方向側に位置する。【選択図】図１

Description

本考案は発熱体、特に学校教育用実験教材に利用される発熱体の熱応答性向上技術に関する。

近年の学校教育では、ＩｏＴ（Ｉｎｔｅｒｎｅｔ ｏｆ Ｔｈｉｎｇｓ）への対応や個人・チームによる課題解決能力の育成としていわゆるプログラミング的思考、論理的思考能力の育成が求められている。このプログラミング的思考、論理的思考能力を教育する手段として、例えば一般的にはビーカーに水と発熱体を入れ、該発熱体からの発熱量を制御して水の温度を調整し、その水の温度を測定することで発熱制御と温度変化量との関係を可視化する実験が行われている。

この実験結果を踏まえ、例えば炊飯器の温度制御（センサーとプログラムによる緻密な温度制御）を関連付けて解説することで、プログラミング的思考、すなわち本教育を受けた児童、生徒達（主に小学生）は論理的思考を自然に身に付けることが出来る。

ところが、水は比熱が大きいため発熱や冷却に時間を要してしまい、実際には限られた短い授業時間の中でプログラム制御による細やかな温度変化を実現することは困難であった。そこで発熱体の発熱量を可視化する別の手段として、非特許文献１には電池に電気接続された電熱線に発砲スチロール等を接触させて熱切断等をすることで、発熱の変化量を観察することが出来る実験方法が開示されている。この方法であれば、時間を要せずに電熱線が発熱したか否かを的確に把握することが出来る。

地球となかよし 小学理科６（教育出版株式会社 文部科学省検定済教科書 小学校理科用１７教出 理科６０５）

しかしながら、非特許文献１の方法により時間的制約を受けることなく発熱実験を行うことが可能となり、この方法であれば一般的な発熱実験等には非常に有効であると言えるが、温度変化量のリニアな観察が必須となるプログラミング的思考教育実験においてはそのまま適用することが困難である。

また、発砲スチロールの切断と温度の変化の関係がわからず、電池を変化させることで、エネルギー量が変化し、その変化が温度の変化にどのように影響するかを掴むことができなかった。さらには、短い授業時間の中で、計画、実験と結果検証、そして次の計画を立てるいわゆるＰＤＣＡによる論理的な学習、また、論理的思考と関連して計画フローを考えるプログラミング的思考教育を実践することは困難であった。

すわなち、プログラミング的思考教育実験においては温度変化をリアルタイムで測定し、その温度変化を可視化することで授業を受けている児童、生徒達に温度変化を実感させなければならず、この方法では発熱したか否かは適切に表現することが出来るが、具体的な温度変化を児童、生徒達に伝えることが出来ない。

さらに、これらの教育は今後全国の学校等で行われるものであるため、実験に利用される発熱体を大量に生産して供給する必要がなる。そのため、従来の発熱体よりも構造を簡略化できることが望ましい。つまり、プログラミング的思考教育実験における発熱体は従来品よりも生産性向上を目的として構造をなるべく簡略化し、且つ、温度変化に対する応答性を向上させる必要があり、まだまだ改良の余地がある。

本考案は上記従来技術の課題に鑑みて行われたものであって、その目的は、一般的な発熱実験のみならずプログラミング的思考教育実験にも利用できる熱応答特性を有し、且つ、構造を簡略化して生産性、利便性も向上させた発熱体を提供することである。

上記課題を解決するために、本考案に係る発熱体は、
略円筒形状の伝導パイプと、絶縁チューブで被覆され前記伝導パイプに巻き固定された電熱線と、を有し、前記伝導パイプ内部に測温部を有する温度計を挿入することで前記電熱線の温度を把握できる発熱体であって、
前記電熱線は、該電熱線の長手方向略中央に位置し前記伝導パイプに直接巻き付けられる巻線部と、該電熱線の一端側に位置し外部バッテリーの一端側と接続される第１導線部と、該電熱線の他端側に位置し前記外部バッテリーの他端側と接続される第２導線部と、を有し、
前記巻線部は、該巻線部の両端を前記伝導パイプの下方位置で結束されるとともに固定バンドで固定され、
前記巻線部は、前記伝導パイプの長手方向における略中央位置に対して前記温度計の挿入方向側に位置し、伝導パイプ内部に前記温度計が挿入された際に該巻線部の位置と該温度計の測温部の位置とが略一致することを特徴とする。

また、本考案に係る発熱体は、
前記巻線部は、前記伝導パイプの長手方向に該巻線部同士が密着した状態で少なくとも２回巻き付けられ、
前記電熱線の抵抗値は、１Ω〜１０Ωであることを特徴とする。

また、本考案に係る発熱体は、
前記第１導線部の長さと、前記第２導線部の長さは、前記第１導線部の末端に位置する通電部と前記第２導線部の末端に位置する通電部が互いに接触することのない長さであることを特徴とする。

また、本考案に係る発熱体は、
前記伝導パイプは、該伝導パイプに前記電熱線が巻き付けられた状態において前記巻線部の両側位置に該巻線部の横ズレを防止するための補助固定バンドが設けられていることを特徴とする。

また、本考案に係る発熱体は、
前記絶縁チューブは、熱収縮チューブ、絶縁被覆膜であることを特徴とする。

また、本考案に係る発熱体は、
前記外部バッテリーは少なくとも２個の電池が直列接続されており、該外部バッテリーと前記第１導線部および第２導線部とが電気接続されることでプログラミング的思考を教育するための発熱実験に利用されることを特徴とする。

本考案によれば、伝導パイプと該伝導パイプに所定条件で巻き付けられた電熱線とを有し、伝導パイプ内部に温度計を挿入できる構造とすることで、外部バッテリーによる電熱線の温度変化をリアルタイムで把握できる発熱体を提供できる効果を奏する。その結果、本考案に係る発熱体を利用することで上記プログラミング的思考教育実験を容易に行うことが出来る。

さらに、本考案に係る発熱体は従来よりも構造の簡略化が実現できるので、生産性向上、利便性向上、器具の低価格化の効果も期待できる。加えて、学校教育において、発熱に係る様々な実験への応用も期待できる。

本考案の実施形態に係る発熱体の概略構成図を示す。 本実施形態に係る発熱体における温度測定の概略イメージ図を示す。 本実施形態において補助固定バンドを設けていない発熱体の概略構成図を示す。 本考案の実施形態に係る発熱体を利用した発熱実験の概略構成図を示す。 本実施形態に係る発熱体を利用した発熱実験において電池の個数を減らした場合の概略構成図を示す。

以下、本考案の実施形態に係る発熱体について図面を用いて説明するが、本考案の趣旨を越えない限り何ら以下の例に限定されるものではない。

図１には本考案の実施形態に係る発熱体の概略構成図を示す。同図に示す発熱体１０は、略円筒形状の伝導パイプ１２と、絶縁チューブで被覆され前記伝導パイプ１２に巻き固定された電熱線１４と、を含んで構成されている。

伝導パイプ１２は、例えばアルミニウムやステンレスなどの金属材料を含んで構成されている。本実施形態に係る伝導パイプ１２はステンレスを含んで構成されているが、熱伝導率の良い金属材料（熱伝導率が５０Ｗ毎平方メーターケルビン以上の金属材料）であれば他の材料で構成されていても良い。

例えば鉄の熱伝導率はおよそ８３Ｗ毎平方メーターケルビンであり、水の熱伝導率はおよそ約０．５８Ｗ平方メーターケルビンであり、つまり鉄の熱伝導率は水の熱伝導率の１００倍以上である。本実施形態に係る伝導パイプ１２における長手方向の長さはおよそ２０ｍｍ程度である。この長さは、実際に当該発熱体１０が利用される発熱実験に応じて適宜変更しても良い。

伝導パイプ１２の内部には直径約３ｍｍ〜２０ｍｍ程度の空間を有しており、この内部空間には温度計が挿入される。伝導パイプの直径は、温度計において熱を検知する部分（測温部ないしセンサー部分）の径により適切な直径を選択することとなる。本実施形態に係る発熱体１０は、この温度計により当該発熱体１０の温度を正確に測定することが出来る。伝導パイプ１２の内径は、温度計の先端付近に位置する測温部（センサー部分）が挿入できる大きさであることが好ましい。

図２には本実施形態に係る発熱体における温度測定の概略イメージ図を示す。本実施形態に係る発熱体１０は、例えば図２（ａ）に示すようにサーミスタ等の測温部２４ａを有する電気式温度計２４を伝導パイプ１２の内部に挿入することで正確な温度を測定することが出来る。また、図２（ａ）に示すように測温部２４ａ（温度を正確に感知する部分）は、温度計２４の先端位置から１ｍｍ〜３ｍｍ程度離れたところに位置する。そして、例えば図２（ｂ）に示すように、感温液として水銀、アルコール等が利用されているガラス製温度計２４を伝導パイプ１２の内部に挿入しても同様の効果を得ることが出来る。

次に電熱線１４について詳しく説明する。図１に示すように電熱線１４は、巻線部１４ａと第１導線部１４ｂと第２導線部１４ｃを含んで構成されている。電熱線１４は、例えばニクロム線等を含んで構成されている。また、電熱線１４は電流を流して発熱が生じるように抵抗値が１Ωから１０Ω程度であることが好ましく、本考案者らの実験によれば、より好ましくは抵抗値が５．５Ω前後であることが好適である。

巻線部１４ａは、電熱線１４の長手方向における略中央に位置しており（電熱線１４が伝導パイプ１２に巻かれていない状態における略中央位置）、前記伝導パイプ１２に直接巻き付けられている。本考案に係る巻線部１４ａは、伝導パイプ１２の長手方向に該巻線部１４ａ同士が密着した状態で少なくとも２回巻き付けられていることが好ましく、本実施形態では伝導パイプ１２に巻線部１４ａが５回巻き付けられている（図１を参照）。

第１導線部１４ｂは、電熱線１４の一端側に位置しており、例えば発熱実験中においては外部バッテリーの一端側と接続される。第２導線部１４ｃは、電熱線１４の他端側に位置しており、発熱実験中においては外部バッテリーの他端側と接続される。

具体的には、第１導線部１４ｂおよび第２導線部１４ｃのそれぞれの末端に位置する通電部１６を直接ないし他の導線等を介して外部バッテリーに電気的に接触させることで当該発熱体１０と該外部バッテリーとが電気接続される。当該発熱体１０と外部バッテリーとを接続しやすいようにするため、通電部１６には例えば丸型端子、Ｙ型端子等の各種接続端子を圧着して設けても良い。あるいは、通電部１６はそのままでも良いし、はんだ付けなどで銅線など別の線を付加する処理をする方法もある。

巻線部１４ａの両端（伝導パイプ１２に巻き付けた後に余っている部分）は前記伝導パイプ１２の下方位置（第１導線部１４ｂおよび第２導線部１４ｃ方向）で結束されており、この結束部分は固定バンド１８で固定されている。このような構成とすることで、固定しづらい円筒形状の伝導パイプ１２であってもしっかりと電熱線１４を希望する位置に巻き固定することが出来る。本実施形態に係る固定バンド１８には、例えば一般的な結束バンド等を利用することが出来る。結束バンドを用いる以外にも、接着剤で固定したり、ひも、糸などで巻き付けて固定してもよい。

同様に、本実施形態では伝導パイプ１２の長手方向において該伝導パイプ１２に巻き付けられた巻線部１４ａの両側に補助固定バンド２０および補助固定バンド２２を設けることで、伝導パイプ１２に対して巻線部１４ａの横ズレを防止してさらなる強固な固定を実現することができる。

また、本実施形態では伝導パイプ１２に補助固定バンド２０、２２を設けることで発熱体１０を構成しているが、例えば図３に示すように伝導パイプ１２に補助固定バンド２０、２２を設けない構成としても本考案に係る発熱体１０を実現することが出来る。例えば図３において、巻線部１４ａを熱伝導率の良い接着剤等を利用して伝導パイプ１２に固定することも出来る。

そして、図１に示すように本実施形態における第１導線部１４ｂと第２導線部１４ｃは、それぞれ異なる長さで形成されている。本実施形態では第１導線部１４ｂの長さを３ｃｍ〜５ｃｍ未満、およそ４ｃｍとしている。また、第２導線部１４ｃの長さは５ｃｍ〜８ｃｍ程度、およそ６ｃｍとしている。

仮に第１導線部１４ｂおよび第２導線部１４ｃの長さを同じ長さにしてしまうと、発熱実験中において電熱線１４の通電部１６同士が接触してショートしてしまうおそれがある。そこで本実施形態のように第１導線部１４ｂおよび第２導線部１４ｃのそれぞれを異なる長さにすることで、例えば外部バッテリーと発熱体１０とが電気配線された状態であっても通電部１６同士が接触して電気回路がショート（短絡）してしまうことを防止することが出来る。

また、図１では巻線部１４ａは伝導パイプ１２の略中央位置に対して温度計２４の挿入方向側（図２を参照）に巻き固定されている。このような位置に巻線部１４ａを固定することで、伝導パイプ１２に挿入された温度計２４が電熱線１４の温度変化を適切に感知することが出来る。

具体的には一般的な温度計であれば、上述のとおり該温度計の先端部分から数ミリ程度離れた位置に測温部（温度センサー）を有している可能性が高く、温度計２４が伝導パイプ１２に挿入された際にこの測温部２４ａが当該発熱体１０の巻線部１４ａとしっかりと重なるような構成とことで正確な温度測定を実現することができる。

発熱体１０の測温部２４ａの位置は、温度計の実体に合わせるか、温度計の仕様書により測温部を把握すると良い。発熱体１０（巻線部１４ａ）の位置と温度計２４における測温部２４ａの位置が完全に一致していなくとも、実験を行うことは可能であり、実験の結果をもとに適切な位置を選択することも可能である。

本実施形態における発熱体１０は、概略以上のような特徴を有して構成されている。以下、本実施形態に係る発熱体１０を利用した発熱実験（およびプログラミング的思考教育実験）について詳しく説明する。

発熱実験について
図４には、本考案の実施形態に係る発熱体を利用した発熱実験の概略構成図を示す。同図に示すように発熱実験は、発熱体１０と外部バッテリー２６を電気接続するとともに発熱体１０の伝導パイプ１２に温度計２４を挿入することで行うことが出来る。

発熱体１０は、第１導線部１４ｂの通電部１６がいわゆるミノムシクリップ（ワニグチクリップともいう）を有するリード線２８ｂの一端と接続されており、第２導線部１４ｃの通電部１６がミノムシクリップを有するリード線２８ｃの一端と接続されている。

そしてリード線２８ｂの他端は外部バッテリー２６のプラス側と接続されており、リード線２８ｃの他端は外部バッテリー２６のマイナス側に接続されている。このように発熱体１０と外部バッテリー２６はリード線２８（２８ｂ、２８ｃ）を介して電気接続されている（電気回路ループが形成されている）。

電気回路ループが形成されると、発熱体１０が備える電熱線１４には所定の電流が流れ、該電熱線１４（主に巻線部１４ａ）は発熱する（電熱線１４が有する抵抗値によって発熱する）。この電流により生じた発熱は、伝導パイプ１２に熱伝導される。この時、図４のように温度計２４の測温部（先端からの位置は図２を参照）は伝導パイプ１２に挿入されているため、該温度計２４は電熱線１４から伝導パイプ１２に伝わった熱の温度を瞬時に測定することが出来る。例えば図４では、発熱実験において発熱した発熱体１０の温度が４１．５℃であることをすぐに把握することが出来る。

一般的に、電子的な温度計における測温部は該温度計の先端が被覆されていることから先端に対して数ミリ程度離れた位置に設けられていることが多い。そこで本実施形態における発熱体１０では、温度計２４の測温部２４ａが適切に温度を測定できるように、巻線部１４ａが測温部２４ａと重なるように工夫されている。

具体的には、上述のとおり巻線部１４ａは伝導パイプ１２の略中央位置に対して温度計２４の挿入方向側にずらした位置に設けられている。例えば、伝導パイプ１２の長手方向において温度計２４の挿入方向側末端位置から１ｍｍ〜３ｍｍ程度ずらした位置に補助固定バンド２０を設けることが好ましく、より好ましくは２ｍｍずらした位置に補助固定バンド２０を設けることが好適である。

巻線部１４はａ、温度計２４の挿入方向側末端位置にさらに近い位置に設けることも可能であるが、巻線部１４ａが伝導パイプ１２から外れることを防ぐための適切位置であり、接着剤等による固定などで、外れることがない場合には前述の寸法（挿入方向側末端位置から１ｍｍ〜３ｍｍ程度ずらした位置）によらないで行うこともできる。

このように本実施形態に係る発熱体１０を利用した発熱実験では、電気回路ループが形成されると同時に（または所定時間経過後から）発熱温度を測定することが出来る。そして図４では、外部バッテリー２６として３個の電池が直列接続されているが、例えばこの状態から発熱体１０に電気接続する電池の個数を変えることで発熱体１０への電流値を調節して発熱量を変えることが出来る。

具体的には図５に示すように、外部バッテリー２６として２個の電池に繋ぎ換えることで、発熱体１０への電流値を調整して該発熱体１０の温度を変化させることが出来る。そしてこの温度変化は、図４に示した発熱実験と同様に温度計２４により正確に測定することが出来る。

このように本実施形態に係る発熱体１０を利用することで、発熱体１０の発熱量を制御して変化させ（電池から発熱体への出力を変化させ）、該発熱体１０の温度変化を温度計２４により測定することで温度変化量を可視化する実験、すなわちプログラミング的思考実験を容易に行うことが出来る。

なお、発熱体１０の電熱線１４は、絶縁を保つために絶縁チューブ等で被覆されている必要がある。絶縁チューブには、電熱線の線径よりやや大きい耐熱チューブを用いる。熱収縮チューブをもちいると、電熱線１４を挿入した後にチューブが熱収縮し、電熱線１４とチューブが略密着するので作業が容易である。また、別な方法として、電熱線１４自体に絶縁コーティング（絶縁被覆膜）を行ったり、あるいは絶縁コーティング処理のされた電熱線を用いる方法もある。

また、本実施形態に係る発熱体１０は、主に伝導パイプ１２と電熱線１４で構成することで当該発熱体１０の構造を出来る限り簡略化しており、その結果、上記効果に加えてさらに生産性向上および利便性向上の効果が期待できる。

本考案に係る発熱体１０は主に発熱量を理解するための一般的な発熱実験に利用することができ、さらに例えば小学校の授業におけるプログラミング思考教育実験や中学校、高等学校、大学等の授業における学校教育用教材としても幅広く応用して利用することが出来る。

１０ 発熱体
１２ 伝導パイプ
１４ 電熱線
１４ａ 巻線部
１４ｂ 第１導線部
１４ｃ 第２導線部
１６ 通電部
１８ 固定バンド
２０ 補助固定バンド
２２ 補助固定バンド
２４ 温度計
２４ａ 測温部
２６ 電池（外部バッテリー）
２８ａ リード線
２８ｂ リード線

Claims (6)

1. 略円筒形状の伝導パイプと、絶縁チューブで被覆され前記伝導パイプに巻き固定された電熱線と、を有し、前記伝導パイプ内部に測温部を有する温度計を挿入することで前記電熱線の温度を把握できる発熱体であって、
   前記電熱線は、該電熱線の長手方向略中央に位置し前記伝導パイプに直接巻き付けられる巻線部と、該電熱線の一端側に位置し外部バッテリーの一端側と接続される第１導線部と、該電熱線の他端側に位置し前記外部バッテリーの他端側と接続される第２導線部と、を有し、
   前記巻線部は、該巻線部の両端を前記伝導パイプの下方位置で結束されるとともに固定バンドで固定され、
   前記巻線部は、前記伝導パイプの長手方向における略中央位置に対して前記温度計の挿入方向側に位置し、前記伝導パイプ内部に前記温度計が挿入された際に該巻線部の位置と該温度計の測温部の位置とが略一致することを特徴とする発熱体。
2. 請求項１に記載の発熱体であって、
   前記巻線部は、前記伝導パイプの長手方向に該巻線部同士が密着した状態で少なくとも２回巻き付けられ、
   前記電熱線の抵抗値は、１Ω〜１０Ωであることを特徴とする発熱体。
3. 請求項１または請求項２のいずれかに記載の発熱体であって、
   前記第１導線部の長さと、前記第２導線部の長さは、前記第１導線部の末端に位置する通電部と前記第２導線部の末端に位置する通電部が互いに接触することのない長さであることを特徴とする発熱体。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の発熱体であって、
   前記伝導パイプは、該伝導パイプに前記電熱線が巻き付けられた状態において前記巻線部の両側位置に該巻線部の横ズレを防止するための補助固定バンドが設けられていることを特徴とする発熱体。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の発熱体であって、
   前記絶縁チューブは、熱収縮チューブ、絶縁被覆膜であることを特徴とする発熱体。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の発熱体であって、
   前記外部バッテリーは少なくとも２個の電池が直列接続されており、該外部バッテリーと前記第１導線部および第２導線部とが電気接続されることでプログラミング思考を教育するための発熱実験に利用されることを特徴とする発熱体。