大阪市立科学館研究報告 25, 19 -22 (2015) サーモスタットを用いた過冷却水の安定作成 長 谷 川 能 三 ＊ 概 要 ２０１４年９月 ２日 から１１月 ３０日 に実 施 したサイエンスショー「水 の科 学」では、過 冷 却 水の実 験 も行 な った。過 冷 却 水 の実 験 は、これまでも何 度 かサイエンスショーで行 なってきたが、今 回 、冷 凍 庫 にサーモ スタットをつなぐことで、大 量 の過 冷 却 水 を簡 単 に安 定 して作 成 することができた。そこで、サーモスタット を用いた過冷 却 水 の安 定 的 な作 成 方 法 について報告する。 １．過冷却 水 ２．通常の過冷 却水の作成 法 水 は１００℃で 沸 騰 し、０℃ で凍 るというの が 常 識 で 過 冷却 水の作り方として、以 前は氷と塩の寒 剤を使 あるが、実 際 にはガラス容 器 などに水 を入 れて加 熱 す った方 法 が紹 介 されることが多 かった。これは、ボウル ると１００℃でも沸 騰 せず、１００℃を超 えたお湯 が 何 か 等 に、水 の 入 ったペットボトルとその周 りに氷 を 入 れ、 のきっかけで突 然 沸 騰 する「突 沸 」という現 象 が起 こる。 氷 に塩 を振 りかけるという方 法 である。氷 に塩 を振 りか 水 を 冷 やしていった 場 合 も 同 様 に 、０℃ より 温 度 が 下 けることで寒 剤 となり温 度 が下 がるのである。氷 と塩 の がっても凍 らず、何 か のきっかけで急 に凍 り始 めること 寒 剤 の到 達 最 低 温 度 は－２１℃であるが、塩と氷 の割 がある。このように、０℃より温 度 が低 くても液 体 の水 の 合 や氷 の 粒 の大 きさによって温 度 は変 わる 。ふつうの 状 態 にあるものを「過 冷 却 水 」という。「突 沸 」が起 こる 氷 に塩 を振 りかけた程 度 ではマイナス数 ℃程 度 までし きっかけとしては、衝 撃 や異 物 の混 入 （異 物 といっしょ か下がらないため、過冷却水を作るのに適している。 に 入 る 気 体 が 原 因 と 思 わ れ る ） など が あ る 。 「 過 冷 却 最 近 では、「パーシャル冷 凍 」や「ソフト冷 凍 」などの 水」が凍り始めるきっかけも、衝 撃 や異 物 の混 入であり、 名称で、家 庭 用冷 蔵 庫でマイナス数 ℃に設 定できるも 氷の小片を入れることによっても凍り始 める。 のが多くなっている。通 常の冷 凍 室 で過 冷 却 水を作る しかし、このようなきっかけがほとんどなくても、温 度 のは難 しいが、このような温 度 設 定 の冷 凍 室 に水 入 り が低 く なればなるほど 過 冷 却 状 態 は 壊 れやすく なり、 のペットボトルを入 れておくと、簡 単 に過 冷 却 水 を作る 凍 り始 めてしまうことが多 い。過 冷 却 水 の最 低 温 度 は ことができる。ただ、このような冷 凍 室 は容 量 が小 さく、 －４１℃といわれているが、数 値 計 算 シミュレーションに 容 量 の 大 き な通 常 の 冷 凍 室 はこ の よう な温 度 設 定 を [1] よると－４８℃まで過 冷 却 水 が存 在 できるという 。しか し実 際 には 、－５ ℃ 程 度 では過 冷 却 状 態 を 保 ち やす いが、通常の冷蔵 庫 の冷 凍 室 の温 度 である－２０℃程 度 では、過冷却状 態 は非 常 に壊れやすく、なかなか過 冷却水を作成することはできない。 することができない。 また、一 般 的 な方 法 ではないが、マイナス数 ℃に設 定することができる冷凍庫も存在する。 大 阪 市 立 科 学 館 で行 なっ た学 校 教 員 向 けの 研 修 「科学館 セミナー」で、大 阪 教育 大 学の小 西 啓 之教 授 なお、過冷 却状 態 が壊 れると氷と水 が混 ざった状態 は、１０℃～－４０℃の間 で１℃刻 みで温 度 を設 定 する であるの で０℃と なり、過 冷 却 状 態 のときよりも 温 度 は ことのできるポータブルフリーザー ［ ２ ］ を使 用 して、過 冷 上がる。この状 態 でさらに冷 やし続 けると、０℃のままど 却水を用意していた。ただこのフリーザーはポータブル んどん凍っていき、全 体 が凍 ってしまうと再び温 度が下 であるため容量があまり大きくなく、５００ｍＬのペットボト がる。 ルが１０本程度しか入らなかった。 また、水 だけでなくお酒 等 も過 冷 却 状 態 にできる飲 * 大阪市立科学館 学芸員 中之島科学研究所 研究員 Ｅ-ｍａｉｌ：ｈａｓｅｇａｗａ＠ｓｃｉ-ｍｕｓｅｕｍ．ｊｐ 食店向きの冷凍庫もあるが、一般的な冷凍庫と比べて 高価である ［３］ 。 長谷川 能三 ３．これまでの過冷 却 水 の実 験 と作 成 毎 日 の作 業 は以 下 のとおりである。まず、前 日 の最 大 阪 市 立 科 学 館 で 過 冷 却 の 実 験 を 行 ない始 めた 終 回 のサイエンスショー終 了 後 、５００ｍ Ｌのペットボト のは、大 倉 学 芸 員 が企 画 し２００３年 ９月 ～１１月 に 実 ルに常 温 の水 を入 れたものを冷 凍 庫 に３６本 並 べる。 施 したサイエンスショー「とけるとき、かたまるとき」 ［４］ で 冷 凍 庫 は－１８℃以 下 に冷 やされるため、翌 朝 には少 ある。以 降、２００７年 ６～８月 の「水 、空 気 、いろいろ大 なくとも周 囲 の２０本 のペットボトルの水 は凍 ってしまっ 変 身」、２００７年９～１１月 の「結 晶 を作 ろう」、２００９年 ており、内 側 の１６本 の内 、１０本 余 りが過 冷 却 状 態 に ９～１１月 の「 水 の 科 学 、大 実 験 」、２０１４ 年 ９～１１月 なっていた 。しか し日 によっ ては過 冷 却 状 態 を 保 って の「水の科学」の各 サイエンスショーでも過 冷 却 水の実 いる本数が少ないこともあり、その場合には周囲の凍っ 験を行なっており、定 番 の実 験 のひとつとなってきてい た２０本 は その ままにし、内 側 １６本 の 内 、水 が 凍 った る。 ペットボトルを取 り出 し、代 わりに通 常 の冷 蔵 庫 （冷 蔵 サイエンスショーは通 常 １日 ４回 行 なっており（学 校 室）で冷やしておいた水入りペットボトルを並べること に 休 業 期 間でない平 日 は、４回 のうち３回 が予 約 団 体 専 していた。朝 追 加 したペットボトルについては、その日 用で、予約が入っていない場 合は休 止）、１回 のサイエ の午後のサイエンスショーで過冷 却 水が不 足した場 合 ンスショーで過 冷 却 水 を２本 使 用 すると、１日 ８本 必 要 に使 用 した。ただ、通 常 使 っている過 冷 却 水 が－４ ～ となる。しかし、冷 凍 庫 から取 り出 して実 験 するまでの －５℃であったのに対し、朝 追 加した分は－２～－３℃ 間 に 凍 ってしまうことや、サイエンスショーの 合 間 に 凍 までしか 冷 え ておらず、過 冷 却 水 の 実 験 と しては 、や ってしまうものもある。このため、毎 朝 過 冷 却 水 が 十 数 や物 足 りない感 じであった。また、恒 常 的 に過 冷 却 状 本 できていることが必 要 である。 態 を保 っているものが少 ない場 合 には、冷 凍 庫 にタイ そこで、これまでの 過 冷 却 水 を 使 用 す るサイエンス ショーを実 施 時 には、 概 ね以 下 の方 法 で過 冷 却 水 を 作成した。 マーをつなぎ、電源が入る時刻を調整するなどした。 そして、その日 の最 終 回 のサイエンスショー終 了 後 、 冷 凍 庫 からペットボトルを全 て取 り出 し、代 わりに常 温 使 用 した 冷 凍 庫 は 上 面 が 上 に 開 く 扉 に なっ たも の の水が入 ったペットボトルを３６本 並 べた。また、取り出 で、５００ｍＬのペットボトルを立 てた状 態で６行 ×６列の したペットボトルの内 、中 の水 が凍 っているものについ ３６本 入れることができる ［５ ］ 。また、扉 を開 ける時やペッ トボトルを取り出す時 に、ペットボトルに振 動 を与えにく ては、氷 を 速 く 融 かすために、水 が 入 ったバケツに 入 れた。 い。ただし冷 凍 庫 内 は側 面 および底 面 が金 属 製 の冷 こうして、冷 凍 庫 に入 れて過 冷 却 水 を作 成 している 却面となっており、そのままでは特に底 面 からペットボト ペットボトル以 外 に、バックヤードには 、常 温 の水 が入 ルが強く冷却されてしまう。そこで、断 熱 材 としてエアキ ったペットボトル、冷 蔵 庫に入れて水を冷やしているペ ャップ（梱 包 材 ）を折 りたたんで底 に敷 き、その上 に板 ットボトル、バケツに入れて中 の氷を融かしているペット をのせて平 らにし、この上 にペットボトルを並 べた。こう ボトルがそれぞれ１０～３０本あり、これらの大量のペット することにより、底 面からの強 い冷 却を防 いだ。 ボトルを毎 日 入 れ替えなければならなかった。また、休 館 日を挟む場 合には、タイマーの時 間を調 整 し、休 館 日の夕方ないし夜に電源が入るようにセットした。 これまではこのような方 法 で過 冷 却 水 を用 意 してい たのであるが、このとき冷凍 庫の中では何 が起こってい たのであろうか。そこで、冷 凍 庫 内 の気 温 と、ペットボト ルの中 の 水 温 を 測 定 した 。冷 凍 庫 内 には水 を入 れた ペット ボト ルを ３６本 （ ６ 行 × ６ 列 ）並 べ、角 部 分 のペットボト ル１本に、概 ね写 真２のように 水 温 測 定 のために 温 度 計 ［ ６ ］ のセンサーを入 れ、ペットボト ルとペットボトルの間 には、気 温 測 定 のために温 度 計 のセ ンサーを宙 吊りにした（センサ ーの高さは、水 温 測 定 用 の 写 真１．使 用 した冷 蔵 庫 温 度 計 のセンサーとほぼ同 じ 写 真２．ペットボトル にした）。 に入れた温度センサ ー サーモスタットを用いた過冷却水の安定作成 図１．従 来の方 法での冷凍庫内の気温と水温の例 その結 果 、図 １のような温 度 変 化 がみ られた。冷 凍 そこで実 際 にサーモスタット ［ ７ ］ を用 意 してもらいテス 食 品の保 存 温 度 が－１８℃以 下 であるため、冷 蔵 庫の トした。サーモスタットの温 度 センサーは宙 にぶら下 げ 冷 凍 室や冷 凍 庫 は－１８℃以 下 の温 度 になるように作 るべきか、温 度 センサーのコードを扉に挟 むのでフラッ られている。このため、冷 蔵 庫 内 の 気 温 、ペットボトル トなコードに換 えた方 がいいのか、冷 凍 庫 内 の空 気 を 内の水 温もどんどん下 がっていく。しかし、温 度が下が 小さな扇 風機で撹 拌した方 がいいのかなどいろいろ考 り過 ぎると過 冷 却 状 態 が壊 れやすく、中 の水 が凍 って えたが、まずは以下のような簡単な方法で試してみた。 しまう 。た だ 、過 冷 却 状 態 が 壊 れるとペット ボト ルの 中 まず、サーモスタットのリレー端子にコンセントの電源 は水 と氷 が 混 ざった状 態 であるので、温 度 は０℃にな と冷 凍 庫 のプラグを直 列 につなぎ、サーモスタットで冷 る。そしてペットボトル内 の水 はどんどん凍 っていくが、 凍 庫 の電 源 を入 れたり切 ったりできるようにした。温 度 温 度 は０℃に保たれ、ペットボトル内 の水 が全 て凍ると センサーは冷 凍 庫 の中 央 付 近 の底 面 （底 面 に敷 いて 再び温度が下がっていく。 あるエアキャップと板の上）に置き、冷 凍庫の中の温 度 図１で、温 度計 センサーを入 れたペットボトルは①で が－４～－５℃になるように、－３℃で冷 凍 庫 の電 源 が 凍 り始 め、②で全 て凍 ったことがわかる。周 囲 のペット 入り、－６℃で切れるように設 定 した。冷 凍 庫 の中には、 ボトルも、過 冷 却 状 態 が壊 れると０℃に保 たれるため、 少 し 余 裕 を も た せて、水 の 入 っ た ペット ボ ト ルを ２５本 冷 凍 庫 内 の気 温 はなかなか 下 がらず、約 １５時 間 もの （５行×５列）並べた。こうして一晩冷やしてみたところ、 間 、－８℃前 後 に保 たれていた。また、冷 凍 庫 内 で周 ２～３本凍っているものがあっただけで、ほとんどのペッ 囲 の 水 が 凍 っ たペ ット ボト ルが 断 熱 の 役 割 を して、内 トボトルの水が過冷却水になっていた。また、丸 1 日 以 側のペットボトルが冷 えにくくしている可 能 性もある。 上 の長 時 間 そのまま冷 やしてみた場 合 も、水が凍 って なお、図２の③付 近 で水 温 が異 常 な変 化 をしている が、これは水の比 重 が４℃で最 も大 きいことから、ペット しまうペットボトルはあまり増えなかった。 このように、サーモスタットを使 っただけで、驚 くほど ボトルの中の水が対 流 し始 めたためだと思われる。また、 簡単に、過冷却水を安定して作成することができた。こ 図 ２の④では一 時 的 に気 温 が少 し上 がっているが、こ のため、サイエンスショー 「水 の 科 学 」 の実 施 にあたっ れは温 度 計 に 近 い 位 置 の ペットボトルの 水 が 凍 り、そ ても、少 し温 度 設 定 を変 更 した程 度 で、サーモスタット の付近の気温が少し上 昇 したのだと思われる。 の温度センサーは底面に置いたままであった。 この状 態 で３ヶ月 間 サイエンスショー 「水 の 科 学 」を ４．サーモスタットを用 いた過 冷 却 水 の作 成 行 なったところ、２５本 のペットボトルの内 、 水 が凍 って 今 回 、岳 川 学 芸 員 企 画 に よるサイエンス ショー「 水 しまったものは平 均して２～３本であった。サイエンスシ の科 学」でも過 冷 却 の実 験 を行 なう予 定 であるというこ ョーを４回 行 なっても過 冷 却 水 が多 く残 っており、それ とで、サーモスタットで冷 凍 庫 の温 度 を－５℃前 後に保 を冷 凍 庫 内 に 残 した まま 、不 足 分 だ け常 温 の 水 が 入 つことができないかと考 えた。このサイエンスショーを行 ったペットボトルを追 加 した。但 し、半 数 近 くのペットボ なう９月 になってしまうと、毎 日 過 冷 却 水 を用 意 しなけ トルの水 が凍 っていたことが 一 度 だけあった。これは、 ればならないため、過 冷 却 水 の作 成 方 法 をいろいろ変 教 員 向 けの研 修 のために過 冷 却 水 を全 て使 ったため、 えて試 すことができない。このこともあり、これまで経 験 全 て常 温 の水 が入 ったペットボトルを入 れた翌 日 であ 的 に過 冷 却 水 を用 意 することができていた方 法 を繰 り った。しかし、同 じように全 てのペットボトルを入 れ替 え 返していたが、今 回 はサイエンスショーの開 始 までまだ たことは何度かあるが、半数 近くも凍ったのは一度だけ １ヶ月 以上あった。 であり、原因は不明である。 長谷川 能三 では、サーモスタットを用 いた過 冷 却 水 の作 成 では、 －４℃程度まで下がっている。冷凍 庫内の気温が下 が 冷 凍 庫 内 および 水 温 はどう なっ ていた の だろうか 。サ っても、ペットボトル内 の水 温 が下 がっていない間 は、 ーモスタットを使 用 しない場 合 と同 様 にして測 定 した。 冷 凍 庫の電 源 のＯＮ・ＯＦＦが頻 繁に繰り返されている ただし、水 の入 ったペットボトルは、２５本 （５行 ×５列 ） が、水温が－２℃程 度まで下がると、１時 間に１回 電 源 である。 が入る程度になっている。 次 に、冷 凍 庫 内 の角 にあるペットボトルの中 の水 温 と、その近 くの気 温 の変 化 を測 定 したのが図 ４である。 冷 凍 庫 の 調 整 ダ イヤルは 最 も強 い「８」であるが、図 ３ の 中 央 付 近 の ペットボト ルの 水 と 比 較 すると 、 冷 凍 庫 の電 源 のＯＮ・Ｏ ＦＦに伴 って、水 温 も 少 し上 下 を 繰 り 返していることがわかる。また、冷 却 開始から６時 間くら い経 つと水 温 は－５℃程 度 まで下 がっているが、その 後 少 し温 度 が 上 がっている。実 際 に過 冷 却 水 を作 成 すると平 均 ２～３本 凍 っていたが、凍 ってしまうのは 周 囲 の 壁 面 のそばの ペットボ トルであり 、この ような温 度 図２．冷凍庫 内の気 温 と水 温（「弱」設 定） 変化により凍りやすいのかもしれない。 図３．冷凍庫 内の気 温 と水 温（「強」設 定） 図 ２、図 ３は、２５本 の内 、中 央 のペットボトルの中 の 図４．冷凍庫内の気温と水温（角部分） ５．まとめ 水 温 と、その近 くの気 温 の 変 化 である。図 ２は 冷 凍 庫 冷 凍 庫 にサーモスタットをつなぐことにより、冷 凍 構 の 調 整 ダ イヤルを 最 も 弱 い 「１」に した 場 合 で、 図 ３は 内 の気 温 がマイナス数 ℃に保 たれることが確 認 できた。 最 も強 い「８」にした場 合 である（約 ９時 間 で中 断 ）。温 マイナス数 ℃では過 冷 却 状 態 が壊 れることも少 ないた 度 が下 がるスピードは異 なっているが、冷 凍 庫 内 の気 め、過冷 却 水を安 定して作 成することができる。この程 温は－５℃前 後まで下 がり、そこで上 下 を繰 り返してい 度 の 温 度 に 設 定 できる 冷 凍 庫 （ 冷 蔵 庫 ）もあるが 、容 るのがわかる。この繰 り返 しが、サーモスタットによる冷 量 が小 さいか高 価 であり、サーモスタットを用 いる方 法 凍 庫 の電 源 がＯＮ・ＯＦＦを反 映 したものである。気 温 は比較的 安 価に大 量に過 冷却 水を作 成するのに適し はこのように上 下 しているが、水 温 は緩 やかに変化 し、 ている。 ［参考 ］ ［１］ Ｅｍｉｌｙ Ｂ．Ｍｏｏｒｅ ＆ Ｖａｌｅｒｉａ Ｍｏｌｉｎｅｒｏ “Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｉｎ ｓｕｐｅｒｃｏｏｌｅｄ ｗａｔｅｒ ｃｏｎｔｒｏｌｓ ｔｈｅ ｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ ｒａｔｅ ｏｆ ｉｃｅ” Ｎａｔｕｒｅ ４７９，ｐ５０６（２０１１） ［２］ツインバード工 業 株 式 会 社 ディープフリーザーSC-DF2５ ［３］株式会社創建 商 事 マジコール ハーフ３６ ／ ロング２D-80 ［４］大倉宏「サイエンスショー「とける時 、かたまる時 」実施報告」大阪市立科学館研究 報告第 １４号,ｐ１６３（２００４） ［５］三ツ星貿易株 式 会 社 エクセレンスＭＡ-０９０ＣＤ ［６］タスコジャパン株 式 会 社 ミニ温 度データロガーＴＡ４１３Ａ ［７］松 尾 電 器 産 業 株 式 会 社 電 子サーモスタット METⅢ
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