温度を極める!その4の2・・・熱流を考える

 

前回はヒートブリッジに関して書きましたが、

これは熱が伝わるという現象です。

ところで・・・そもそも熱って何でしょう?

 

世の中の物質はすべて分子と原子からできていますね。

それらの分子(原子)はすべて乱雑な運動をしています。

この運動エネルギーの大きさが熱の大きさ(温度)になっているのです。

 

つまり分子(原子)のブルブルが温度であり、

温度はブルブル量にセルシウス温度(℃)と絶対温度(K)という目盛りを付けたものとなりま。

neturyu3

 

ここで熱流という考え方を書きたいと思います。

熱流は温度のブルブル量を川の流れのように捉えたものです。

この流れの量を計る方法があるんですね。

 

熱流は、平面状微小熱抵抗体を熱流(熱エネルギー)が貫通するとき、

熱流の大きさに比例した熱抵抗体の両面に生じる温度差を検出することによって測定できます。

上図のように、放熱面に熱伝導率λ(W/mK)、厚みd(m)の薄い板を取り付けたとすると、

定常状態に達してからのちにこの薄い板を貫通して流れる熱流密度Q(W/m2)は次の式で求められます。

 

Q=(λ/d)・⊿T
この式から熱伝導が良い物と温度差があった方が熱の流れが大きく・・・

熱伝導の悪い物と厚みがある方が熱の流れが小さくなることが分かります。

さらに熱流密度Qの単位はW/m2なので流れる量は面積が多いほど大きくなります。

ちなみに真空は熱伝導率がゼロ・・・

これは熱を伝える分子(原子)がないからであります。

真空断熱のポットのお湯が冷めにくいのは原理によるものだったのですね。

 

neturyu1
熱流計で計るという事はどんな評価に使われるのでしょうか?

断熱材の評価に使われるのが一番有名になります。

このほかの評価方法としては温度変化の勾配をみる方法もありますが、

直感的に分かるのがこの計測方法だと思います。

逆に熱伝導の良い物にも使われます。

車に搭載されるリチウムイオンバッテリーの放熱構造でも活躍しそうですね。

 

neturyu2

もう一つ面白いのが、熱流センサに表と裏があることです。

これにより発熱と吸熱という温度の流れが分かります。

温度計測の経験値を積めば発熱と吸熱は感覚的に判断出来ますが、

視覚的にわかりやすい使い方だと思います。

寒冷地試験など自然と相対する試験では使ってみたい気がしますね。

 

絵:日置電機株式会社殿熱流ロガカタログより

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温度を極める!その4の1・・・ヒートブリッジを考える

hi-toburigi1

ヒートブリッジという言葉はご存じだろうか?

温度に携わる僕はこれを多用することで計測に応用したり装置を作ったりしています。

まさにヒートブリッジを制する者は温度を制すなのであります。

 

もともと・・・ヒートブリッジ(熱橋)とは建築用語。

外壁と内壁の間にある柱などが熱を伝える現象のことなのです。

初めて知ったのがハウスメーカーさんとの仕事なんですが、

これを計測の世界に持ち込んでみました。

 

どんなものかというと上の図から解説しましょう。

箱に温度センサを差し込み温度を計測する場合、

外部温度がセンサを通じて熱伝導し誤差を生じる事があります。

センサに使われている導線が熱伝導の良い銅が使用されているので、

温度差が大きければ影響も大きいのです。

もちろん・・・センサカバーの金属筒からも伝わります。

 

これをキャンセルする方法が次です。

hi-toburigi2
 

このようにしてセンサを中に入れて熱切りをします。

(ヒートブリッジ⇔熱切りという言葉は相反関係なのでぜひ覚えてくださいね!)

さらにケーブルを丸めて距離を稼ぐのです。

僕は丸めるケーブルを熱交換すると呼んでいるんですね。

正確な温度を知るには必須の工夫だと思います。

 

さて、これを装置に応用したのがこちらです。

hi-toburigi3
 

これは福井大医学部・腫瘍病理学領域 三好憲雄先生と一緒に開発したセルです。

詳しい内容はこちら

がんの早期診断技術に必要な超薄型鮮度保持サンプルホルダーの構造ですが、

わずか1mmの空間の温湿度制御を可能にした世界一薄い恒温恒湿槽ですね。

 

構造上は・・・上部の蓋に温度を与えることが出来ないため。

ヒートブリッジを使い恒温空間を作り出しました。

贅沢に銅より熱伝導の良い銀を柱にしております。

こんな使い方も出来るんですよ・・・

 

今回はヒートブリッジに関して簡単に述べましたが、

次回は熱流を深く語ってみようと思います。

第一科学 温湿度マイスター 武田

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燻製醤油製造装置その3・・・燻製醤油でカミナリ丼を作る。

せっかく燻製醤油を作ったので料理も作りましょう。

何を隠そう温湿度マイスター 武田は・・・

料理も趣味なのであります。

 

kaminari1この丼の由来、鍋で揚げ玉を炒めるときに

パチパチと音がすることから来ているとか。

優しい味なので朝食にもぴったり。

小さい頃食べた醤油ごはんの高級バージョンに仕上げました(笑

 

kaminari2
材料はこちらです。

一人前
ご飯            1杯分
木綿豆腐          1/2丁
揚げ玉           1/2カップ
ちりめんじゃこ       大さじ1.5
みじん切り万能ネギ     大さじ2
白胡麻           大さじ2
燻製醤油          大さじ1
胡麻油           小さじ1

木綿豆腐は重しを乗せてあらかじめ水を切っておきます。

 

kaminari3
揚げ玉、ちりめんじゃこ、白胡麻を中火のフライパンで炒めます。

揚げ玉は売っているのを買うとイマイチなので、

自分で作るかお蕎麦屋さんで分けて貰うのが一番ですね。

 

kaminari4
手で豆腐を潰しながら加えます。

木べらでよく混ぜ合わせてください。

 

kaminari5
万能ネギを加え香り付けに胡麻油を加えてください。

丼にごはん、具を盛り付けます。

最後に燻製醤油をかけ軽くまぜながら頂きます。

 

kaminari6実際、自分で揚げ玉を作った意外、

パチパチとしたカミナリの音はしませんでした(笑

でも、味は良かった~

本当に優しい味でした。

 

tamago
そうそう、燻製醤油の王道はやはり玉子かけご飯ですね。

新橋の煙事(えんじ)というお店では、

これが有名なんですね。

興味のある方は行ってみてくださいね!

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燻製醤油製造装置その2・・・燻製醤油を作ろう!

syouyu5

いよいよ、燻製醤油の製造です。

直接、醤油を燻製器に入れる方法だと、

熱が加わり風味が損なわれます。(温燻)

でも、『液燻くん1号』はチューブを使うことで温度が下がるため、

理想的な冷燻が出来るのも素晴らしいポイントですね。

 

syouyu1

まずはガラスの容器に醤油500ccを入れます。

この時に容器とフィルターを熱湯消毒する必要があります。

特に器は選びませんが開口部がそこそこ広く高さがある方が良いと思います。

 

syouyu2

スモークウッドミニをバーナーで点火(3分以上)

しばらくしっかり煙が安定するまで放置してください。

 

syouyu3
ペンキ缶の中に入れれば準備完了。

すぐエアーポンプのスイッチを入れます。

 

syouyu4

 

ブク・ブク・ブク・ブク・ブク・・・・!

 

泡が出ない場合は一方のコック開を確認、

密閉をしっかりする為にペンキ缶の蓋を締め直してください。

醤油の泡が溢れそうになったらちょっとポンプを止めるといいでしょう。

この状態で20分~30分流し続けます。

これで超簡単に燻製醤油が出来上がりました。

 

syouyu6

小分けする容器を熱湯消毒してから

詰め分けてください。

温湿度マイスター武田は普段お世話になっている方達のために・・・

冒頭のラベルを貼りこんな粗品にしてみました。

 

さて、お次は試食・・・・・・・

燻製醤油を使ったレシピを紹介しますね!

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燻製醤油製造装置その1・・・原理から装置製造まで

kunseisyouyu1当ブログ(温度×湿度×圧力=)の母体である(株)第一科学では、

日本一とも言える湿度を作り出すノウハウがあるのです。

その一つとされるのがバブリング技術であります。

写真のように空気を細かい気泡にして水の中を潜らすことで、

ほぼ100%rhに近い湿度空気が得られるのですね。

 

そこでその技術を応用して液体の燻製化に応用してみました。

 

kunnseisyouyu2

全体のフロー図がこちらです。

アウトドアでの使用を考え電池式のエアーポンプを使います。

自己燃焼タイプのスモークウッドを密閉できるペンキ缶に入れます。

ペンキ缶入り口からエアポンプで空気を送り、

取り出した燻煙をフィルターを通し液体の中でバブリング。

これが逆に煙を吸って燻煙する方法だと樹木のヤニでポンプが壊れてしまうのですね。

 

このように燻製の成分が液体の中に溶け出す仕組みであります。

おそらく大量生産にも耐えられる仕組みだと思いますね。

今回は皆さんもホームセンターで購入できる部品でしっかりした物を作ってみました。

その名も燻製醤油製造装置改め・・・『液燻くん1号』 ・・・です。(^_^;

 

kunnseisyouyu3kunnseisyouyu4

 

購入したのがこちらの品々・・・・・

なんと液燻くん1号は3000円切って出来上りました。

まあ、市販の燻製醤油が200㍉㍑ 2000円ですから

1回作れば元が充分取れておつりが出ます(笑
 

ペットショップ売り場(水槽関連)
一方コック               2個   320円
シリコンチューブ          1.5m   220円
アトム4 携帯用乾電池式エアポンプ    1台  1400円
水作エイト 交換プラストン(2ケ入り) 1袋   190円

工具売り場
ペンキ缶 直径155mm 高さ150mm  1缶   350円
5mmナット/ワッシャ(一方コック用)   2個   100円

アウトドア
スモークウッドミニ           1本   280円
老舗さくらST-1371

100円ショップ
蒸し鍋底 直径145mm         1個   100円
-------------------------------------------------------
  合計                    2960円

 

kunnseisyouyu5
缶の底が熱くならないように蒸し鍋底を入れるのですが、

径が大きいのでペンチで曲げて入るようにします。

無ければアルミホイルを丸めて敷物にしても良いでしょう。

 

kunnseisyouyu6

 

ペンキ缶の上下に2つドリルで穴を開け、

漏れ止めの接着剤を付けてコックを取り付けます。

チューブは50cmと100cmで切り、

長いチューブの方にフィルタ(交換プラストン)を取付ければ完成です!

 

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そして組み上がった写真がこちらです。

かなり品質が高く5000円ぐらいでも売れそうな雰囲気かな!(笑

 

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まずは水にフィルタを入れ起動。

おおっ見事バブリング成功しました。

ペンキ缶の蓋をしっかり閉じるのがコツです。

 

次回はいよいよ、燻製醤油の製造です。

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温度を極める!その3の4・・・放射温度計の放射率と外乱の問題

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物体から放射される赤外線の放射量は材質や表面状態により顕著な違いがあります。

たとえば同一温度でありながら、

鉄とアルミでは放射する赤外線エネルギー量(放射率)に違いがあるわけです。

これを放射率と呼ぶのですが違う面から言うと・・・

熱放射しやすい物体はそれと同程度に熱吸収しやすく(キルヒホフの法則)、

熱放射と熱吸収の割合である放射率と吸収率は次の関係になります。

 

放射率=吸収率

 

日なたに置いた黒い布は太陽熱を吸収しやすいと同時に熱放射もしやすい。

つまり、熱しやすく冷めやすい。

あ~こんな人もいるいる・・・なんてね。

 

次に物質により大まかに放射率を列挙した表があるのでご覧ください。

 

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これで見るとアルミが一般的に計りにくい材質なのが分かります。

ただし、これは表面の問題なので、

アルミに樹脂のテープなどを貼るという事で解決できます。

あくまでも熱放射される表面の材質によるんですね。

 

ここで、この表から表面の状態によっても放射率が違うのも分かります。

研磨面と粗面の違いです。

この現象の一番の影響を反射と呼んでいます。

housyaritu2

赤外線と温度の関係を定義する理想黒体は、

他からの赤外線をまったく反射しないことを前提としています。

しかし実在の物質は、外部からの赤外線を反射しています。

測定対象が放射する赤外線と、

他の物体から放射され反射した赤外線は区別されることなく、

そのまま測定対象の赤外線エネルギー量として合わせて計測されてしまいます。

 

hansya

鏡面仕上げの金属の温度測定を行う場合、

周りに熱源となる白熱球やヒーターなどの映り込みがあると・・・

実際の温度より高めになるケースですね。

 

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放射温度計が面白いと思うのがアイデア次第で色々なことが出来ることです。

反射に対して透過というのがこの現象。

食品用ラップフィルムは厚みが十数μm程ですが、

これだと薄すぎて透過し反対側の温度を取ってしまいます。

これを利用して放射温度計のレンズの埃避けに使うアプリもあるほどです。

 

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ところがこの写真のようにフィルムに対し鋭角に放射温度計をセットすると、

擬似的にフィルムの厚みを稼ぎ計測する事が出来るのです。

 

これこそ全方位に放射されるという赤外線の醍醐味と言えるのではないでしょうか?

実際にフィルムの製造工程では高速にフィルムは移動する訳ですから、

非接触という特性を活かした測定方法ですね!

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温度を極める!その3の3・・・放射温度計を赤外波長域から見てみよう。

前の記事で「放射温度計もしくは赤外線放射温度計として、

すでに数多く市場で使われている温度計です。」と書きました。

この赤外線というのが大事なんですね!

科学の世界では波長域という概念を理解することで、

様々な計測・分析のアイデアや応用につながる事が期待できます。

今回はその第一歩として赤外線という波長域に触れてみましょう。

 

taikinomado

放射温度計が受光している波長域は赤外線でも遠赤外というところ。

ここは大気による吸収という影響をほとんど受けない為に、

遠くの温度まで測る事が出来ます。

この8~14μmの波長領域は「大気の窓」と呼ばれ、

赤外線エネルギー量を測定する放射温度計にとって重要な意味を持ちます。

 

ちょっと脱線しますがこの難しい波長域という考えは色々なところで役に立ちます。

それはほとんどすべての物質において特定の波長で吸収や透過をする性質があるからです。

たとえば・・・それを利用してガス中の分からない物質を特定するとか・・・

レントゲン写真なんかもX線の吸収や透過で成り立っているんですね。

この切り口はとても奥が広く面白いのですよ。

 

taikinomado1

ひとつの例として石英ガラスの吸収や透過の曲線を加えてみました。

石英ガラスは4μm以下で透過していますね。

これを放射温度計で具体的に表現すると・・・

「窓越しに遠くの景色は見えていますが、放射温度計が示している温度は

窓ガラスの温度になります。」です!

可視光は透過しても遠赤外光は通さないのですよ。

 

この現象を身近なところでも起こり利用されています。

 

onshitu1

太陽の光が差し込む明るいハウスがそうですね。

可視光を含む範囲の広い波長の太陽光で暖められた地面からは遠赤外が放射されますが、

ガラスにより遮断されているためにハウスの中の温度は高くなります。

 

夏の車の中も同じですね・・・

ダッシュボードやシートが暖まり遠赤外を放射しますが、

ガラスで遮られるために内部は異常に高くなるのです。

もし透過するガラス系の物を使えば中はそれほど暑くなりません。(コストが合わないけど・・・)

 

そうそう、そのガラスも全波長域で見てみるとマイクロ波の波長域でまた透過が始まります。

つまり、通す通さないは全波長域では様々なんですね。

 

renji1

例として電子レンジでガラスが使われているタイプがありますが、

温めるために使う波長のマイクロ波はガラスを透過します。

それはとても危険なのである対策がしてあるのですよ。

 

renji2

皆さんご存じのこの小さな穴の空いた金属の網です。

マイクロ波はその波長より小さな穴を通り抜けられないという特性をもっています。

もし、これが無いと・・・

台所にあるレタスやリンゴ、花瓶の水などが温められてしまうことになります。

 

参考:一般的に電子レンジの周波数が2.45GHz帯とすると波長は約12.2cmです。

 

ちょっと難しかったかもしれません。

すこし脱線してしまいましたが次回は放射率と透過レンズに関して書く予定です。

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温度を極める!その3の2・・・放射温度計はカメラと似ているのです。

すべての物体は赤外線を放射しています。

放射温度計はその放射エネルギー量を検知することで温度を知ることができるのですが、

これを勘違いする方も多いのです・・・。

 

housyaring2

一部の放射温度計で計っている場所の特定をするために、

レーザーマーカーを照射するタイプがあります。

赤外を集光するレンズの左右に小さな穴二つ・・・

これがレーザーマーカー部です。

 

housyaring3

計るときに測定面にピンクの光点が分かりますね。

写真の場合、ピンク色の2点のレーザーポイントを直径にした

オレンジの円の中の平均温度を測ることになります。

おそらく、この機能によりレーザー光を利用し

計測していると勘違いする方がいたのだと推測しています。

 

housyarenzu2
これも知らない方が多いかな~と思い描いてみました。

主な放射温度計には視野角があります。

大きな分類として2つのタイプ。

距離が離れるとひたすら広い範囲を計測するもの。

一度、焦点を結びその後広がるタイプのものとなります。

後者は顕微鏡のイメージですね。

右の方にそれぞれの得意な計測用途例を書いてみました。

 

housyarenzu3
放射温度計と熱容量との関係も重要ですね。

接触式の温度計ではセンサ自体に熱容量があるので、

計りたい物の熱を奪ってしまう/与えてしまう事例です。

焦点を結ぶタイプでは小さな基板上の部品の温度測定が代表的です。

また、薄く熱容量の小さな葉・紙・フィルム等の温度を計測する場合などにも使われています。

 

少し非接触で計るというメリットがおわかりいただけたでしょうか?

 

資料:タスコジャパン殿

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温度を極める!その3の1・・・放射温度計とは?

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放射温度計とは・・・

放射温度計もしくは赤外線放射温度計として、

すでに数多く市場で使われている温度計です。

(普通の家庭で使われているは耳式体温計もそうです。)

放射温度計とは
すべての物体は赤外線を放射しています。
この放射される赤外線の強さ(エネルギー量)は温度が
高くなるにしたがい増加しますので、その放射エネルギー量を検知することで温度を知ることができます。
このような原理から「(赤外線)放射温度計」と呼ばれます。

今までの温度センサーとは原理が違うので正しい使い方を知るとかなり応用できます。

この温度計のおもしろさを表す意味でも2問ほどクイズを出しましょう。

まずはビルの上から放射温度計を空に向けてみます。

 

housyaonndo2

さて・・・この時、放射温度計は何を計っているでしょう?

さらに何度ぐらいを示すと思いますか?

 

 

 

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答えは・・・

上空の大気の温度です。

これを計ったときは7月だったのでまだ暖かいですね。

-14.7℃という値になりました。

これが冬になりますといわゆる寒気団になるので、

-40℃以下になることもあります。

 

つまり、放射温度計は理論的には無限大の距離の温度を取ることが出来ます。

面白いですね。

これに近いイメージの物はカメラと同じだと言うこと・・・

カメラで景色を撮すと遠くの山々まで写りますよね。

そう、これと同じなんです。

 

tenoonndo

お次は手の温度に関する質問です。

手の温度を放射温度計で測るのですが、

どこの部分が一番高い温度を示すのでしょう?

 

 

 

 

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答えは・・・

なんと指先の爪の部分です。

 

答えを分かりやすくするために放射温度計と同じ原理の赤外線サーモグラフィで撮ってみました。

白くなっている部分が一番温度が高いという事が分かります。
(個人差があり血行がいい人は違う場合もあります)

この理由も興味深いですよ。

体や手には無数の汗腺があって体温調節を行っています。

つまり、汗が気化することによって熱を奪う作用ですね(気化熱・蒸発潜熱)。

ところが爪にはこの汗腺が無いために、

表面温度が高いのでありますよ。

 

なかなか面白いでしょう?

 

この様に放射温度計はいろいろな計測に応用できます。

次回はもう少し深く放射温度計を解説いたしますね。

 

説明:安立計器殿より
写真:タスコジャパン殿/オプテックス殿より

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社会科見聞録1・・・トヨタ産業技術記念館

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全国を飛び回っている温湿度マイスターの武田です。

仕事上、メディアには載らない工場や研究施設に行くことが多いので、

大人の社会科見学ならぬ社会科見聞録を書くことにしました。

連載を計画しているのでお楽しみに・・・!

 

第一回目はメジャーなトヨタ産業技術記念館であります。

こちらは一般の方もOK。

事前にガイドさんをお願いしていたのでとても充実したのでありました。

織機の発明に一生を捧げた豊田佐吉。

その長男として自動車製造に取り組みトヨタ自動車工業を創業した豊田喜一郎。

トヨタ産業技術記念館では繊維機械館と自動車館でその歴史と技術を見ることが出来ます。

 

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ガイドの綺麗のおねえさんが糸紡ぎを実演します。

みんな思わず関心の声「ほ~!」を連発。

世界遺産になった富岡製糸場は絹ですがこちらは綿です。

 

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綿花の塊から直接糸を紡ぐガラ紡機。

ガラはこの機械を動かすとガラガラ音を立てる事から来ています。

これも臥雲辰致という日本人の方の発明。

 

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だんだん大型になる自動織機。

館内のすべての織機が実働可能なのにはびっくりしましたね。

 

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こちらは足踏み式の機織り機ですが、

豊田佐吉さんの自動化するアイデアはすでにこの次元でも行われています。

これが未来の「カイゼン」という社風につながっている感じがしました。

 

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途中でエンジンのクランクを型抜きする実演もありました。

数回に分けて鉄を熱し型抜きする説明の方。

結構大きな音がするんですな~これが!

ツアーは45分で終了します。

お次は自動車館でガイドツアーです。

 

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日本で最初のトヨダAA型乗用車で当時の行程を再現しています。

鉄板を叩いてこの木枠に当てて成型するのですが、

これって新幹線のノーズを作るときと同じだったという記憶があります。

 

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ピカピカのトヨダAA型乗用車。

今見ても美しいデザインですね。

1414台生産され・・・この19年後に初代クラウンが発売されました。

 

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観音開きの車内。

なんと自動車館も同じガイドの綺麗なおねえさん。

車内は木目と革張りのシートが目立つ。

価格は当時のお金で3350円也。

土地付き 一戸建て住宅が買えるほど高価だったそうです。

 

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ハンドルの下にゴム製のボールのような物。

この先にホーンが付いているそうです。

なんとこれ・・・両足で挟んで鳴らすとか!

風流です。

 

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通称は「ダルマセリカ」または「ダルマ」もありました。

懐かしいセリカ1600GTは現在も300万円で売られている車。

周りのおじさん達も当然食いついています。

 

結局、2時間ほどかけて館内を見学しました。

名古屋駅からも近いし、好調トヨタのルーツに触れられる貴重な体験。

個人でもガイドツアーが受けられますよ。

 

トヨタ産業技術記念館のHPはこちらです。

トヨタ産業技術記念館
住所:名古屋市西区則武新町4丁目1番35号
TEL:052-551-6115
<日本語ツアー>
休館日をのぞく毎日実施
出発時間  集合場所     ガイド範囲 所要時間
10:00 エントランスロビー 繊維機械館 45分
11:15 自動車館入口    自動車館  45分
13:30 エントランスロビー 繊維機械館 45分
14:45 自動車館入口    自動車館  45分

(※ 掲載時、2017年12月時点の情報です)

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