特許 7382545 対流実験装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-11-09

(45)【発行日】2023-11-17

(54)【発明の名称】対流実験装置

(51)【国際特許分類】

   G09B 23/12 20060101AFI20231110BHJP

   F23B 60/02 20060101ALI20231110BHJP

   F23B 50/12 20060101ALI20231110BHJP

   G09B 9/00 20060101ALI20231110BHJP

   G09B 19/00 20060101ALI20231110BHJP

【ＦＩ】

G09B23/12 A

F23B60/02

F23B50/12

G09B9/00 Z

G09B19/00 Z

【請求項の数】 2

(21)【出願番号】P 2023021190

(22)【出願日】2023-01-26

【審査請求日】2023-01-26

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 令和５年１月１２日 福岡工業大学で開催された福岡県高等学校工業クラブ連盟、生徒研究発表専門委員会主催の「令和４年度 第３２回 生徒研究発表会」において発表用資料をもって発表

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】523051240

【氏名又は名称】山本 大遥

(73)【特許権者】

【識別番号】523051251

【氏名又は名称】政重 朋希

(73)【特許権者】

【識別番号】523051262

【氏名又は名称】浦方 太一

(73)【特許権者】

【識別番号】523051273

【氏名又は名称】結城 賢心

(73)【特許権者】

【識別番号】523051284

【氏名又は名称】岩宗 祐弥

(73)【特許権者】

【識別番号】523051295

【氏名又は名称】中峰 大智

(73)【特許権者】

【識別番号】523051309

【氏名又は名称】安河内 陽

(72)【発明者】

【氏名】山本 大遥

(72)【発明者】

【氏名】政重 朋希

(72)【発明者】

【氏名】浦方 太一

(72)【発明者】

【氏名】結城 賢心

(72)【発明者】

【氏名】岩宗 祐弥

(72)【発明者】

【氏名】中峰 大智

(72)【発明者】

【氏名】安河内 陽

【審査官】池田 剛志

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１７－０５８０６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－０５２９１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２１－００４７１１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２１－０３２００９（ＪＰ，Ａ）

【文献】韓国公開特許第１０－２０１５－０１４６００２（ＫＲ，Ａ）

【文献】韓国公開実用新案第２０－２０１１－０００３９９３（ＫＲ，Ｕ）

【文献】基本設計，飯舘村ハウス暖房実験用薪ストーブ 制作記 [online]，2017年03月18日，＜ＵＲＬ：http://takibisociety.web.fc2.com/iitate/pages/plan.html＞，[2023年5月12日検索]

【文献】暖房しながら給湯もできる薪ボイラー一覧。そしてオリジナル給湯ストーブ制作へ。これまでの反省とたどり着いた答え。，ecoばか実験室 [online]，2022年01月02日，＜ＵＲＬ：https://ecobaka.com/10317-2/＞，[2023年5月15日検索]

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０９Ｂ ２３／００－２９／１４

Ｆ２３Ｂ １０／００－９９／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

燃料投入口と、吸気口と、バーントンネルと、前記バーントンネルを通過した気体が排出される煙突とを備えたロケットストーブと、
前記吸気口に取り付けられる吸気口ファンと、
前記ロケットストーブに併設される水槽と、
側面視コの字状の管であり、側面視において上方端部および下方端部が前記水槽と繋がっており、中央部が前記バーントンネル内を通っており、かつ前記下方端部から前記上方端部へ前記水槽内の水が循環する管とを有する対流実験装置。

【請求項2】

前記水槽は、上部が開口したものである、または／および、透明なものである請求項１に記載の対流実験装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ロケットストーブと水槽を利用した対流実験装置に関する。

【背景技術】

【0002】

出願人は、機械工学科で機械工学を学んでいる。そして、設計、製図、工作、材料、熱工学など加工から設計開発まで学んだ集大成として課題研究という授業が設定されている。課題研究の授業でＳＤＧｓを通して「エネルギーをみんなにクリーンに」を考えた際に、ロケットストーブの話題になった。対流については原動機やボイラーの勉強で学んだが、全員が理解はできておらず、熱工学系の理解が乏しかった。また、原動機や熱工学は座学では学ぶが、実態を見る機会が少なくイメージがわかないという意見が多数出ていた。

【0003】

そこで、出願人は、ロケットストーブを利用し、気体・液体の対流を確認でき、仕組みを理解することで対流を学べる実験装置の開発をしようと考えた。
また、その開発を通して、脱炭素やクリーンエネルギーなど国や企業が発信している取り組みの重要性や問題点等を議論し、工業技術者としてどう考えるべきか考察をしようと思った。

【0004】

さらに、この実験装置を巨大化させることにより、学校内での温水の使用が可能となり、災害時など有事（電気・ガスの遮断）の際には地域の衛生環境の拠点としての活躍も期待ができるメリットも存在する。理論が分かっていれば生徒だけでも作成が可能であり、材料が豊富な工業高校を災害時の拠点として利用することも、近隣校に同じような施設を設置することも可能になる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開２０００－１８４９８０号公報

【文献】実全昭５７－０２５９４３号公報

【文献】実全昭６０－１８３０３６号公報

【文献】実全昭６３－０２０１８１号公報

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

特許文献１（発明の名称：湯流し温泉パイプ）に記載の発明は、浴槽内の「水位を一定に保つ」ことを目的としている。
また、特許文献２（考案の名称：風呂釜の強制対流装置）に記載の考案は、水の流れを「スクリューによって起こさせている」。
また、特許文献３（考案の名称：液体の対流実験用容器とその台）に記載の考案は、対流の原理的様子を観察しやすくするために使用する「容器」である。
また、特許文献４（考案の名称：空気の対流実験具）に記載の考案は、「太陽熱」を集中させることで上昇気流を発生させてファンを回すことで、気体の対流を可視化している。

【0007】

しかし、特許文献１に記載の湯流し温泉パイプは、本願発明における対流とサイフォンの原理を応用した水管とは大きく異なる。
また、特許文献２に記載の風呂釜の強制対流装置は、風呂釜と浴槽の湯水の対流を自然にまかせず熱発電素子の起電力により水中モーターを回転させ、スクリューによる強制対流に急速に沸かすなど、燃料の節約を目的とするものである。
また、特許文献３に記載の液体の対流実験用容器とその台は、ビーカーの欠点を補ったものであり、容器の形を変更することで液体の対流を見やすくしたにすぎない。
また、特許文献４に記載の空気の対流実験具は、「太陽熱」を集中させ、上昇気流を発生させてファンを回すことで気体の対流を可視化しているものである。

【0008】

よって、本発明は、ロケットストーブを利用し、気体・液体の対流を確認でき、仕組みを理解することで対流を学べる実験装置を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明は、燃料投入口と、吸気口と、バーントンネルと、前記バーントンネルを通過した気体が排出される煙突とを備えたロケットストーブと、
前記吸気口に取り付けられる吸気口ファンと、
前記ロケットストーブに併設される水槽と、
両端が前記水槽と繋がって、前記水槽内の水が循環する管であり、その一部が、前記バーントンネル内を通る管とを有する対流実験装置である。

【0010】

本発明は以上のような構成であるため、本発明によれば、
（１）熱による気体の対流を目視により確認できる。
（２）熱による液体の対流を目視により確認できる。

【0011】

また、本発明は、さらに、前記ロケットストーブ内の前記燃料投入口から投入された燃料が溜まる部分に、前記燃料の燃えカスが前記吸気口をふさがないようにするための金網を備えた構成であることが好ましい。

【発明の効果】

【0012】

よって、本発明によれば、熱による気体の対流および熱による液体の対流が目視により確認することができるため、熱工学の導入である対流が可視化され誰にでも分かりやすくなる。また、体験入学などで中学生などに説明が難しかった熱工学の授業の説明も、本発明を見せることにより分かりやすくなる。
（１）従って、小学生理科の「水のあたたまり方」や中学生理科の「水の伝わり方」工業高校で学ぶ原動機やボイラーなどの熱工学系の授業などで学ぶことを体験できることにより学びを深めることが可能である。
（２）また、この実験装置を応用して煙突効果の学習や２次燃焼などを学んだり、ボイラーの構造の導入に活用出来たり、蒸気機関の仕組みを説明するなど小学生から高校まで幅広い対象に対して必要な熱工学の知識を提供できる。
（３）さらに、エネルギーの移動や変換を目視で確認できることにより身近に感じられ、工業が直面している課題「ＳＤＧｓ」や「カーボンニュートラル」などを就職試験で調べた際にも役立つ。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本発明に係る対流実験装置の全体図である。

【図2】上は、気体対流実験装置を説明する図であり、下は、液体対流実験装置を説明する図である。

【図3】金網を取り付けた気体対流実験装置を説明する図である。

【図4】気体対流実験装置の燃料投入口を説明する図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下に本発明の実施の形態を詳細に説明するが、以下に記載する構成要件の説明は、本発明の実施形態の一例（代表例）であり、本発明はその要旨を変更しない限り、以下の内容に限定されない。

【0015】

（１．全体の構成について）
図１に示すように、対流実験装置１００は、気体対流実験装置Ａ（図１の左側）と液体対流実験装置Ｂ（図１の右側）を組み合わせた対流実験装置である。

【0016】

（１－１．気体対流実験装置Ａについて）
対流実験装置１００の気体対流実験装置Ａは、燃料投入口１、吸気口２、バーントンネル３、煙突４からなるロケットストーブ１１に、吸気口ファン５を取り付けたものである（図１、図２の上参照）。吸気口ファン５は、流れる気体（例えば、ドライヤーからの風など）を受けて回転するものであり、吸気口２に取り付けられている。そのため、吸気口ファン５が回りだすことにより、気体の対流が発生していることを目視で確認することができる。

【0017】

また、図４は、気体対流実験装置の燃料投入口を説明する図である。図１，４に示すように、燃料投入口１には、燃料投入口ふた１０が蝶番９によって取り付けられている。そのため、気体対流実験装置Ａの燃料投入口１は、燃料投入口ふた１０を開けたり閉じたりすることができる。なお、燃料投入口１からバーントンネル３を繋ぐ部分は斜めになっており（バーントンネル３側の方向に向かって下がるように傾斜しており）、燃料投入口１から投入された燃料は、そこを滑ってバーントンネル３内に入る。

【0018】

また、図３に示すように、バーントンネル３内の燃料投入口１から投入された燃料が溜まる部分には、金網８が取り付けられている。金網８を取り付けることで、燃料の燃えカスが吸気口２から入ってくる気体（例えば、吸気口２から入ってくる空気）をふさがないようにすることができる。
なお、図３においては、燃料投入口１、燃料投入口ふた１０やロケットストーブ１１などの記載は省略している。

【0019】

（１－２．液体対流実験装置Ｂについて）
また、図１に示すように、液体対流実験装置Ｂは、気体対流実験装置Ａに併設されている。図１に示す液体対流実験装置Ｂは、上が開口しており、そこから水が溜められた水槽７である。そして、水槽７に、コの字型の管６が繋がっている。管６の両端は、水槽７と繋がっており、水槽内の水が管６内を通過（循環）する（図２の下参照）。
以下、水槽７と繋がっている管６の両端のうち、上の方の端部を「上方端部」、下の方の端部を「下方端部」と言う。なお、管６の一部（以下、「中央部」という）は、バーントンネル３内を通っている（図１参照）。

【0020】

このように、管６の中央部は、燃料投入口１から投入された燃料が燃えることで温度が変わる（温度が上昇する）バーントンネル３内に取り付けられている。そのため、管６内を通過（循環）する水は、この中央部で加熱されて温度が上昇する。

【0021】

そうすると、水の温度差が生じる。そして、水槽７に溜められている水の高さ（水位）が、上方端部よりも低くなると、暖かい水（暖められた水）は上方端部から出て、冷たい水（暖められていない水）は下方端部から入る。

【0022】

（２．熱による気体の対流を確認するやり方）
以下、熱による気体の対流を確認するやり方について説明する。
まず、燃料投入口１から投入された燃料を燃やして、ロケットストーブ１１内の燃焼室内の温度を高くし、燃料投入口１を燃料投入口ふた１０でふさぐ。その後、ドライヤーなどで冷風を送り込みきっかけを与えることで、一定時間吸気口ファン５を回す。

【0023】

そして、ロケットストーブ１１内では燃料が燃えているため、ロケットストーブ１１内では上昇気流が発生する。ロケットストーブ１１内で発生した上昇気流は、煙突４から外へ排出される。

【0024】

冷たい空気は下へ、暖かい空気は上へと移動するため、ドライヤーなどできっかけを与えた後は、ドライヤーなどで冷風を送り込むことを止めても、冷たい空気が吸気口２からロケットストーブ１１内へと入り込み続ける。そして、吸気口２から入り込んだ冷たい空気はロケットストーブ１１内で温められ、上昇して、煙突４から外へ排出される。

【0025】

このように、下から上へと、熱による気体の対流が発生する。この気体の対流は、吸気口ファン５が回っていることを目視で確認することで、気体の対流が発生していることを確認することができる。

【0026】

（３．熱による液体の対流を確認するやり方）
以下、熱による液体の対流を確認するやり方について説明する。
まず、水槽７の上部まで（水位が上方端部よりも上になるように）水をいれる。そして、ロケットストーブ１１に燃料を入れて、バーントンネル３内を通るコの字型の管６内の水を十分に温める。その後、上方端部より温水（約７０℃～）が出だしたら、上方端部より水位を下げる。そうすると、温水は上方端部から出て、冷たい水（暖められていない水）は下方端部から入る。

【0027】

このように、液体対流実験装置Ｂでは、熱による液体の対流、つまりサイフォンの原理を目視で確認することができる。この目視確認は、例えば水槽７を上から覗いたり、水槽を透明にしたりすることで、管６の上方端部から温水が出ていることを目視確認することができる。

【産業上の利用可能性】

本発明は、熱による気体の対流と熱による液体の対流を目視により確認することができるため、誰でも対流の仕組みを簡単に理解する（学べる）ことができる実験装置であるため、産業上有用である。

【符号の説明】

【0028】

１ 燃料投入口
２ 吸気口
３ バーントンネル
４ 煙突
５ 吸気口ファン
６ 管
７ 水槽
８ 金網
９ 蝶番
１０ 燃料投入口ふた
１１ ロケットストーブ
１００ 対流実験装置
Ａ 気体対流実験装置
Ｂ 液体対流実験装置

【要約】

【課題】ロケットストーブを利用し、気体・液体の対流を確認でき、仕組みを理解することで対流を学べる実験装置を提供する。
【解決手段】対流実験装置１００は、燃料投入口１と、吸気口２と、バーントンネル３と、バーントンネル３を通過した気体が排出される煙突４とを備えたロケットストーブ１１と、吸気口２に取り付けられる吸気口ファン５と、ロケットストーブ１１に併設される水槽７と、両端が水槽７と繋がって、水槽７内の水が循環する管６であり、その一部が、バーントンネル１１内を通る管６とを有する対流実験装置１００である。
【選択図】図１

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】