まとめ
- 異なる熱膨張率を持つ2種類の金属を接合した「バイメタル」により、温度変化を物理的な変形に変換して回路を制御する仕組み。
- コタツ内部が一定の温度に達するとバイメタルが曲がって接点が離れ、電流を遮断することで過熱を防ぐサーモスタットとして機能する。
- 温度が下がると金属が収縮して元の形状に戻り、再び接点が閉じて通電を開始することで、内部温度を一定の範囲内に保つ。
解説
金属は熱を加えると体積が増える「熱膨張」という性質を持っており、その膨張する割合（熱膨張率）はアルミニウム、銅、鉄といった金属の種類ごとに異なります。例えば、常温では輪を通り抜ける金属球を加熱すると、膨張して輪を通らなくなる現象はこの性質を視覚的に確認できる代表的な実験例です。
バイメタルは、この熱膨張率が大きく異なる2種類の金属板を貼り合わせたものです。これを加熱すると、膨張しやすい方の金属がより長く伸びようとするため、膨張しにくい方の金属側へ大きく湾曲する性質があります。電気コタツの回路では、このバイメタルの先端に電気の通り道となる「接点」が設けられており、スイッチの役割を果たしています。
コタツのスイッチを入れるとヒーターに電流が流れて温度が上がりますが、設定された温度を超えて熱くなりすぎると、バイメタルが熱せられて曲がり、接点が離れます。これにより回路が断たれて電流が止まり、過熱を自動的に防ぎます。その後、温度が下がればバイメタルは冷却されて元の形に戻り、再び接点が触れ合って加熱が再開されます。この一連の動作を繰り返すことで、コタツの温度は一定に維持されています。
このバイメタルを用いた温度制御装置は「サーモスタット」と呼ばれ、電気コタツ以外にも電気アイロンやトースター、電気ポットなどの家庭用電化製品に広く利用されています。
近年では電子的な温度センサー（サーミスタ）とマイコンを用いた精密な制御も増えていますが、バイメタルは電源を必要とせず、構造が単純で故障しにくいため、現在でも多くの家電製品の過熱防止用安全装置として現役で活躍しています。金属の物理的な性質を直接利用した、非常に合理的で信頼性の高いメカニズムといえます。
金属は、温めるとほんの少しだけ大きくなり、冷やすと元に戻るという性質を持っています。これを「熱による膨張」といいます。例えば、理科の実験で使う金属の玉を火で温めると、さっきまで通っていた輪っかを通らなくなってしまうことがあります。これは玉が熱で大きくなったからです。
電気コタツの中には、この性質をうまく使った「バイメタル」という部品が入っています。これは、温まったときに大きくなりやすい金属と、なりにくい金属の2枚をぴったり貼り合わせたものです。温めると、片方だけが長く伸びようとするので、バイメタルはぐにゃりと曲がります。
コタツの中が熱くなりすぎると、このバイメタルが曲がって、電気の通り道を切り離してしまいます。すると電気が止まって、コタツが冷え始めます。冷えるとバイメタルは元の形に戻って、また電気が流れるようになります。こうして、コタツは熱くなりすぎないように自分で温度を調節しているのです。
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