(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
通電により一方の面は温度が低下し、他方の面は温度が上昇する薄板状の熱電素子を有し、同熱電素子の温度が低下する面に密着する熱伝導性の良好な金属よりなる冷却プレートおよび熱電素子の温度が上昇する面に密着する放熱器を備える冷却源と、前記熱電素子への通電を制御する電圧制御器とを備え、また、外周側面が断熱材で囲まれ、上部が開口する有底の筒状体の上部に観察用の透明部たる透明帽体を着脱自在に備える容器内に、容器内加湿用の水蒸気発生源を設け、かつ前記筒状体の内底部に細い雪結晶担持棒を立設し、前記冷却プレートが前記筒状体の底に接触するよう冷却源を前記容器の底に取り付け、冷却源によって容器内を氷点下の温度に冷却することにより、容器内の水蒸気を前記担持棒の上端にて凍結させ、雪の結晶が生成される様子を観察できるようにしてなる水の温度変化による自然現象観察器。
【請求項２】
通電により一方の面は温度が低下し、他方の面は温度が上昇する薄板状の熱電素子を有し、同熱電素子の温度が低下する面に密着する熱伝導性の良好な金属よりなる冷却プレートおよび熱電素子の温度が上昇する面に密着する放熱器を備える冷却源と、前記熱電素子への通電を制御する電圧制御器とを備え、また、上部が開口する有底の透明筒状容器を備え、同容器内に温水を入れ、容器の開口上部に、前記冷却プレートが容器内に臨むよう冷却源を取り付け、冷却源によって容器内を冷却することにより、容器内の水蒸気を凝縮させ、容器内に雲あるいは霧が生成される様子を観察できるようにしてなる水の温度変化による自然現象観察器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は水の温度変化による自然現象を観察するための観察器に関し、特に理科教材用に好適な観察器に関する。
【０００２】
【従来の技術とその問題点】
水（水蒸気や氷を含む）の温度変化による自然現象には、雪、霜、霜柱、氷、雲や霧等の生成や水の対流などがあり、これらの自然現象を観察することは水の状態変化や気象を学習する上で重要である。
【０００３】
従来の観察器としては、水の温度を上昇させることで生じる現象、例えば水の対流を観察するためのものがあり、この従来の観察器は平坦な薄い空間を有する透明な容器に水を入れ、容器下部の左右いずれかの端部を電気ヒータ等で暖めて容器内の水を対流させるようにしたものとしてある。
【０００４】
また、水の温度を低下させることで生じる現象を観察するための観察器としては、例えば雲や霧の発生を観察するためのものがあり、この従来の観察器は適量の温水を入れて密閉した透明な容器の上部に氷を入れたビーカを載せ、容器内の空気を冷却することで、容器内上部に、雲や霧を発生させるようにしたものとしてある。
【０００５】
しかし、水の温度を低下させることで生じる現象を観察するには、従来の観察器では上記の雲や霧の発生用の観察器のように氷を冷却源として用いるので、温度管理が困難であり、必ずしも自然現象を忠実に再現できるものはなかった。
【０００６】
また、氷での冷却では再現が困難な雪や霜の発生等の自然現象を再現する装置としては、研究用に用いられる複雑かつ精密な構造のものはあったが、理科教材用として用いることのできる小型で簡単な構造のものはない。
【０００７】
さらに、従来の観察器は水の対流を観察するためのもの、雲、霧の発生を観察するためのものといった１種類の自然現象を観察するための専用観察器となっており、複数の自然現象を観察するためには個別に観察器を購入しなければならないという問題もある。
【０００８】
【目的】
本発明の目的とするところは、小型で構造が簡単であり、水の温度変化による各種の自然現象を忠実に再現することが可能で、理科教材として好適な観察器を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の請求項１に係る観察器は、通電により一方の面は温度が低下し、他方の面は温度が上昇する薄板状の熱電素子を有し、同熱電素子の温度が低下する面に密着する熱伝導性の良好な金属よりなる冷却プレートおよび熱電素子の温度が上昇する面に密着する放熱器を備える冷却源と、前記熱電素子への通電を制御する電圧制御器とを備え、また、外周側面が断熱材で囲まれ、上部が開口する有底の筒状体の上部に観察用の透明部たる透明帽体を着脱自在に備える容器内に、容器内加湿用の水蒸気発生源を設け、かつ前記筒状体の内底部に細い雪結晶担持棒を立設し、前記冷却プレートが前記筒状体の底に接触するよう冷却源を前記容器の底に取り付け、冷却源によって容器内を氷点下の温度に冷却することにより、容器内の水蒸気を前記担持棒の上端にて凍結させ、雪の結晶が生成される様子を観察できるようにしたものとしてある。
【００１０】
本発明の請求項２に係る観察器は、通電により一方の面は温度が低下し、他方の面は温度が上昇する薄板状の熱電素子を有し、同熱電素子の温度が低下する面に密着する熱伝導性の良好な金属よりなる冷却プレートおよび熱電素子の温度が上昇する面に密着する放熱器を備える冷却源と、前記熱電素子への通電を制御する電圧制御器とを備え、また、上部が開口する有底の透明筒状容器を備え、同容器内に温水を入れ、容器の開口上部に、前記冷却プレートが容器内に臨むよう冷却源を取り付け、冷却源によって容器内を冷却することにより、容器内の水蒸気を凝縮させ、容器内に雲あるいは霧が生成される様子を観察できるようにしたものとしてある。
【００１１】
【００１２】
【００１３】
【００１４】
【００１５】
【００１６】
【実施例】
以下、本発明に係る観察器の実施例を、図１〜７に示す具体例に基づいて詳細に説明する。
各図は水の温度変化による個々の自然現象を観察するための観察器を示し、各自然現象に対応する容器に冷却源１をセットしたものとしてあって、冷却源はいずれの観察器においても共通のものを使用しており、まず冷却源の構造について説明する。
【００１７】
冷却源１は熱電素子であるペルチェ素子２を備え、このペルチェ素子２は電圧を印加すると印加電圧に応じて一方の面の温度が低下し、他方の面の温度が上昇するものとしてあり、温度が低下する冷却面２ａにはアルミニウム等の熱伝導性の良好な金属よりなる冷却プレート３が接して設けられている。
【００１８】
電圧を印加すると温度が上昇する放熱面２ｂにはアルミニウム等の熱伝導性の良好な金属よりなる放熱器たる放熱ブロック４が接して設けられていて、この放熱ブロック４は冷却水管４ａにより外部からの冷却水により冷却される水冷式のものとしてある。
【００１９】
また、前記ペルチェ素子２は電源線５ａにより電圧制御器５に接続されていて、ペルチェ素子に印加する電圧を変化せしめることにより温度を制御できるようになっている。
なお、前記放熱器は水冷式ではなく空冷式のものとする場合もある。
【００２０】
次に、各自然現象の観察に適応する観察器の具体例を説明する。
＜雪結晶の観察器＞
図１は雪結晶の生成、成長を観察するための観察器の構成を示し、雪結晶観察用の容器６は、外周側面が断熱筒体７で囲まれた上部が開口する有底の筒状体８を備え、同筒状体８はアルミニウムや銅等の熱伝導性の良好な金属製のものとしてあって上部を着脱自在の透明帽体９で覆ってある。
【００２１】
また、前記筒状体８の内底部中央の凹部８ａに細い雪結晶担持棒１０の下端をを圧入して立設してあり、この担持棒１０は好ましくは熱伝導率の小なる例えばナイロン製や木製のものとし、また上端部は針状にしてある。
【００２２】
容器６内の例えば前記断熱筒体７の上部には、容器内の空気を過飽和状態の湿り空気にするための水蒸気発生源１１を設けてあり、水蒸気の発生は湿潤体（例えば水を含む脱脂綿）を電熱ヒータで所定時間加熱して行うとか、３０℃位の温水を脱脂綿や海綿状物に含ませて行う。
【００２３】
なお、透明帽体９の頂部には孔９ａをあけてあって、この孔から棒温度計１２を挿入して孔にゴム栓１３等で固定し、棒温度計の目盛りを帽体を通して目視することにより容器内の温度がわかるようにしてある。
【００２４】
容器６の下方には冷却源１を着脱自在に取り付けてあって、冷却源１の冷却プレート３を前記筒状体８の下面に当接してあり、冷却プレート３とペルチェ素子２の外周を断熱材１４で囲んである。
【００２５】
上述のように構成した雪結晶の観察器では、水蒸気発生源１１からの水蒸気によって容器内の空気が加湿され、過飽和状態の湿り空気となる。
【００２６】
容器内は冷却源１によって氷点下の温度に冷却され、容器内の水蒸気の一部は前記雪結晶担持棒１０の上端部で氷結して雪の結晶１５が生成・成長する。
雪の結晶１５は容器内の温度によって形状が異なり、冷却源に接続された電圧制御器５を操作するとともに棒温度計１２の目盛りを読み取ることで、温度と雪の結晶の形状との関係を、透明帽体９を通して観察することができる。
【００２７】
＜霜の観察器＞
図２は霜の生成を観察するための観察器の構成を示し、冷却源１の冷却プレート３上に、アルミニウム等の熱伝導性の良好な金属板よりなる霜観察用プレート１６を載せ、同観察用プレートと冷却プレートを断熱材１４で囲んだものとしてある。
【００２８】
上述のように構成した霜の観察器では、冷却源１により霜観察用プレート１６を氷点下の温度に冷却すると、空気中の水蒸気が霜観察用プレートの表面で氷結して霜１７が生成・成長する。
なお、霜の生成に時間が掛かる場合には、図３中に仮想線で示すように、雪結晶用の観察器で用いた透明帽体９をプレート１６の上から被せて冷気が逃げないようにする場合もあるし、霜観察用プレート１６のまわりに水蒸気発生体１１を設ける場合もある。
【００２９】
＜水の凍結の観察器＞
図３は水の凍結を観察するための観察器の構成を示し、冷却源１の冷却プレート３上にガラスやアルミニウム等よりなる水受皿１８を載せ、この水受皿のまわりを環状の断熱体１９で囲んだものとしてあり、また、冷却プレート３のまわりを断熱材１４で囲んである。
【００３０】
上述のように構成した水の凍結の観察器では、冷却源１により水受皿１８内の水２０を氷点下の温度に冷却すると、水が凍結しはじめてから全体が凍結するまでの様子、例えば表面に氷が張る様子や氷の厚みが増してゆく様子を観察することができる。
なお、周囲の空気の温度が高くて水の凍結に時間が掛かる場合には、図３中に仮想線で示すように、雪結晶用の観察器で用いた透明帽体９を水受皿１８の上から被せて冷気が逃げないようにする場合もある。
【００３１】
＜霜柱の観察器＞
図４は霜柱の発生状態を観察するための観察器の構成を示し、上部が開口する有底の筒状容器２１の開口上部に冷却源１を冷却プレート３が筒状容器２１内に臨むように取り付けたものとしてあり、前記筒状容器２１は側面がともに透明材よりなる内層筒２１ａと外層筒２１ｂよりなる二重の筒体で、断熱性を有するものとしてある。
【００３２】
筒状容器２１内に水分を含ませた土２２を適量入れ、冷却源１により容器内を冷却すると、土２２内の水分が凍結して霜柱２３が生成、成長し、霜柱２３の様子を透明な筒状容器２１を通して目視することができる。
なお、上記実施例では筒状容器２１を断熱性を有する二重のものとしてあるが、筒状容器に一重の断熱性を有しない透明筒体で構成し、そのまわりを筒状の不透明な断熱材で囲む場合もあり、この場合には霜柱を観察する際に断熱材を取り外すことができるようにしておく。
【００３３】
＜雲（霧）の観察器＞
図５は、雲または霧の発生状態を観察するための観察器を示し、上部が開口する有底の透明円筒容器２４の開口上部に冷却源１を冷却プレート３が容器内に臨むように取り付けたものとしてあり、冷却プレート３を断熱材１４で囲んである。
【００３４】
円筒容器２４内に３０〜４０℃程度の温水２５を入れ、冷却源１により容器内を冷却すると、温水から立ち上る水蒸気が冷却されて微小な水滴となり、雲や霧２６の発生状態を観察することができる。
なお、図５中に仮想線で示すように、円筒容器２４内に電気ヒータ３２等の加熱具を設け、温水の温度制御や、温度維持ができるようにする場合もある。
【００３５】
＜水の対流の観察器＞
図６、７は水の対流発生を観察するための観察器を示し、キャップ付きの注水口２７を有し奥行き寸法の小なる薄手の直方体状の透明な水容器２８の上面肩部（図６では右肩部）に、冷却源１を冷却プレート３が水容器に接するように取り付けたものとしてあり、冷却プレートのまわりを断熱材１４で囲んである。
また、水容器２８の底部には、容器を安定して立てるための脚部２９を形成してある。
【００３６】
水容器２８内に水とほぼ比重が同じである樹脂製の粒状物や色付きのオイル等よりなる浮遊物３０を入れて水３１を満たし、冷却源１により水容器上肩部の水を冷却することで、冷却された水が水容器内を降下して水容器内に対流が生じ、対流の様子を水容器外から観察することができる。
なお、上述した観察器は水の対流を観察するためのものであるが、水を入れずに容器内に煙草や線香等の煙を入れて冷却源により冷却すると空気の対流も観察することができる。
【００３７】
【発明の効果】
本発明によれば、水や水蒸気を冷却することにより生じる各種の自然現象を容易に観察することができ、しかも構造が簡単で操作も容易であり、理科教材として好適な観察器を提供することができる。
【００３８】
また、冷却源に共通のものを使用することができ、複数の器や水を入れる容器を選択して取り付けることで、複数の自然現象を観察でき、したがって個別の観察器を購入する必要がないという大なるメリットもある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る観察器を雪結晶の観察用に構成した実施例を示す縦断正面図。
【図２】本発明に係る観察器を霜の観察用に構成した実施例を示す縦断正面図。
【図３】本発明に係る観察器を水の凍結の観察用に構成した実施例を示す縦断正面図。
【図４】本発明に係る観察器を霜柱の観察用に構成した実施例を示す縦断正面図。
【図５】本発明に係る観察器を雲（霧）の観察用に構成した実施例を示す縦断正面図。
【図６】本発明に係る観察器を水の対流の観察用に構成した実施例を示す一部破断正面図。
【図７】図６の側面図。
【符号の説明】
１  冷却源                    ２  ペルチェ素子
３  冷却プレート              ４  放熱ブロック
５  電圧制御器                ６  雪結晶観察用の容器
７  断熱筒体                  ８  筒状体
９  透明帽体                １０  雪結晶担持棒
１１  水蒸気発生体            １２  棒温度計
１３  ゴム栓                  １４  断熱材
１５  雪結晶                  １６  霜観察用プレート
１７  霜                      １８  水受皿
１９  断熱体                  ２０  水
２１  筒状容器                ２２  土
２３  霜柱                    ２４  透明円筒容器
２５  温水                    ２６  雲（霧）
２７  注水口                  ２８  水容器
２９  脚部                    ３０  浮遊物
３１  水                      ３２  電気ヒータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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