JP2018143781A - 次世代型高解析ヒューマンカロリーメーター - Google Patents

Abstract

【課題】チャンバー内の給気量と排気量とをコントロールし、エネルギー代謝量を安定した状態で測定できる次世代型高解析ヒューマンカロリーメーターを提供する。
【解決手段】外気を取り込んだ空気を空調機で温度制御するサブチャンバー２０を設ける。サブチャンバー２０内の空気を代謝チャンバー１０に給気する給気用ファン１１を設ける。代謝チャンバー１０内の空気を室外へ排出する排気用ファン１２を設ける。給気用ファン１１及び排気用ファン１２の電流値を夫々制御する一対のＤＣ電源調節計１３,１４を設ける。代謝チャンバー１０内の空気の給排気量を計測制御する一対の質量流量計１５,１６を設ける。ＤＣ電源調節計１３,１４の電流値を調節する。各質量流量計１５,１６の給排気量が等しくなるように構成する。チャンバー内の質量分析に２種類のアルゴリズムを用いる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、チャンバー内に収容した被験者のＮ2・Ｏ2・ＣＯ2-44・ＣＯ2-45・Ａｒ等のＧas濃度を連続的に計測し被験者のエネルギー消費量やエネルギー基質の酸化量を測定する次世代型高解析ヒューマンカロリーメーターに関する。

従来のヒューマンカロリーメーターとして、当出願人が先に提案した高解析ヒューマンカロリーメーターがある（特許文献１参照）。この高解析ヒューマンカロリーメーターは、代謝チャンバー内の温度制御に、チラー水を冷却循環水とする冷却器と、ヒーターユニットと、これらの機器の計測制御を行なうデジタル指示調節計とを備えた空気調和機を設置した構成を成している。更に空気調和機で温度制御された空気を複数台の換気用送風機で代謝チャンバー内に送風循環するように設置するものである。

この高解析ヒューマンカロリーメーターにより、食事等の微量な熱量や、安静時の熱量、睡眠時の熱量などでも短時間で測定することが可能になり、代謝チャンバーを使用する代謝熱量測定装置の測定精度を高めることができるようになった。しかも日常の生活スタイルにおける代謝熱量などでも極めて正確に測定することが可能になり、この正確な代謝熱量測定により新たな研究に活用可能な高精度の機能を有するものである。

特許第４５９１８５２号公報

従来の高解析ヒューマンカロリーメーターでは、空気調和機で温度制御された空気を代謝チャンバー内に直接送風する方式を採用している。すなわち空気調和機で温度制御された空気を複数台の換気用送風機でチャンバー内に循環送風するように構成している。

代謝チャンバー内に給気する空気は、代謝チャンバーに給気される給気ダクトから自然に空気が給気され排気フアンで排気する換気システムは室内の空気は外気にたいして負圧（陰圧）になる。常に一定の流量で給気・排気を行う必要がある。この換気方式では間欠給気になり室内の差圧が下がり代謝試験室に外気が一時的に多く給気された時、その大気濃度の影響を受け代謝試験室の酸素（O2）は高くなり二酸化炭素（CO2）も一時的に高くなる。また代謝チャンバー室内が負圧（陰圧）の為、部屋の隙間から外気が室内に入るリークが有り外気が室内空気の影響を与える。この僅かな空気の濃度変動をガス分析計・高精度質量分析計を使用しているために一時的なノイズを測定することになり、不都合が生じる。この空気の濃度変化がエネルギー消費量に影響を与える。

そこでこの問題を解決するため、新たなFlowシステムを開発する必要がある。測定精度を更に高精度にするには、給気量と排気量を正確にコントロールして試験室内に常に給排気量が一定になり差圧が無く常圧に成るようにコントロールする必要となる。

また、従来海外のヒューマンカロリーメーターは空気調和機を室内天井部の内部に設置していた。すなわち、天井前面から吹き出し、同天井部後部から給気するシステムであり、室内天井部から室内に吹き出した空気を循環させている。この方法では室内の気流が均一になり難く、空気が完全に混ざらない為に、室内に温度差と空気濃度とに誤差が生じる虞もあった。

そこで、本発明は、上述の課題を解消すべく創出されたもので、チャンバー内の給気量と排気量とをコントロールすることで、室内に平均に空気を循環させてガス濃度を均一にすることができ、エネルギー代謝量を安定した状態で測定できる次世代型高解析ヒューマンカロリーメーターの提供を目的とするものである。

（外気と等しい常圧型代謝チャンバー）
上述の目的を達成すべく本発明における第１の手段は、空気の給排気量が制御され差圧の無い常圧型の代謝チャンバー１０内に収容した被験者の酸素摂取量と炭酸ガス産生量から被験者の代謝を測定するエネルギー代謝熱量測定装置において、屋外から給気した空気を空調機で温度制御するサブチャンバー２０と、該サブチャンバー２０内で温度制御された空気を代謝チャンバー１０に給気する給気用ファン１１と、代謝チャンバー１０内の空気を室外へ排出する排気用ファン１２と、給気用ファン１１及び排気用ファン１２の電流値を個別に制御する一対のＤＣ電源調節計１３,１４と、代謝チャンバー１０内の空気の給排気量を計測する給気用と排気用の質量流量計１５, １６を備え、ＤＣ電源調節計１３,１４の電流値を調節して各質量流量計１５,１６が示す給排気量を同量に制御する常圧型に構成し、チャンバー内の質量分析に２種類のアルゴリズムを用いたことにある。

第２の手段は、前記サブチャンバー２０内に給気する外気の温度と、前記サブチャンバー２０内から排気する室内空気の温度との熱交換を行う全熱交換器３０を前記サブチャンバー２０の外側に設置し、該全熱交換器３０にて外気温を室内空気の温度に近づけてから前記サブチャンバー２０内に給気するように構成したものである。

第３の手段は、前記代謝チャンバー１０内に、前記代謝チャンバー１０内の空気を下から吸引して上部から排気する自立型空気調和機４０を設置し、該自立型空気調和機４０の給排気にて前記代謝チャンバー１０内のガス濃度が均一になるように構成した。

第４の手段は、前記代謝チャンバー１０内の設定温度・湿度を、人が居住する住環境の温度・湿度の環境条件に合わせて予めプログラム設定するように構成したものである。

第５の手段は、前記代謝チャンバー１０内の質量分析に、分析精度が0.002％の高精度新型質量分析計を備えたものである。

本発明の請求項１によると、下記のように構成される。屋外から取り込んだ空気を空調機で温度制御するサブチャンバー２０。サブチャンバー２０内で温度制御された空気を代謝チャンバー１０に給気する給気用ファン１１。代謝チャンバー１０内の空気を室外へ排出する排気用ファン１２。給気用ファン１１及び排気用ファン１２の電流値を夫々制御する一対のＤＣ電源調節計１３,１４。代謝チャンバー１０内の空気の給排気量を計測する一対の質量流量計１５,１６とを備える。ＤＣ電源調節計１３,１４の電流値を調節して各質量流量計１５,１６が表示する給排気量を各々個別に同量に成る様制御し外気と室内が同圧になる常圧型のシステムを構成した。この新たな制御方式により、代謝チャンバー１０に給気する給気量と代謝チャンバー１０から排出される排出量とが同量に制御され、代謝チャンバー１０内の差圧はなくなり、代謝チャンバー１０は常圧環境になり差圧による代謝チャンバー１０のエアー漏れの原因が無くなる。

この結果、代謝チャンバー１０内は常圧環境で常に一定の給排気が行われる為室内の空気濃度に影響が無く室内にリークがなく正確なまた給排気の設定で大型の試験室であっても給排気が正確にコントロールできるため容積が小さな試験室の環境を作ることができる。更にエネルギー代謝の計算に用いられている室内の容積に変化がなくなり、測定の精度が高精度になる。また、チャンバー内の質量分析に２種類のアルゴリズムを用いたことで短時間の運動から長時間の代謝試験に対応できるようになる。

請求項２のように、全熱交換器３０をサブチャンバー２０の外側に設置し、該全熱交換器３０にて外気温を室内空気の温度に近づけてからサブチャンバー２０内に給気するように構成したので、外気温が急激に変化する状態でもサブチャンバー２０内の温度変化を極力抑制することができ、サブチャンバー２０内の温度差を少なく保つことができる。

請求項３のごとく、代謝チャンバー１０内に、前記代謝チャンバー１０内の空気を下から吸引して上部から排気する自立型空気調和機４０を設置し、該自立型空気調和機４０の給排気にて前記代謝チャンバー１０内のガス濃度が均一になるように構成したことで、エネルギー消費量の測定精度が更に向上する。しかも、被験者も室内の温度差がない為、居住性に優れた高精度代謝試験室を提供することができる。

請求項４のように、ヒューマンカロリーメーターは通常一定の温度・湿度条件で人の代謝試験を行っている。実際人の居住環境は昼間と夜間の温度差または日中の温度差の日内変動があり、人の居住環境下でより正確な環境下での代謝試験ができるプログラムを開発した。住環境が人の内部環境に与える影響を、正確に再現し、エネルギー代謝試験が行えるようになった。代謝チャンバー１０内の設定温度・湿度は、外気の温度・湿度の変化に合わせて予めプログラム設定するように構成したことで、住環境の日内変動の室内環境を人の内部環境に与える外部環境を正確に再現することができる。この結果、一定温度化の環境と日常の環境の違いが人の代謝に影響を与える試験研究が行えるようになった。

請求項５のように、代謝チャンバー１０内の質量分析に、分析精度が0.002％の高精度新型質量分析計を備えたことから、より高精度で微量なエネルギー消費量を測定する事が出来る。

このように本発明により、チャンバー内の給気量・排気量をコントロールし室内空気を循環させてガス濃度を均一にすることができ、安定した状態でエネルギー代謝量を高精度で測定することが可能である。

本発明装置を示す概略図である。 本発明チャンバーの空気の撹拌状態を示す概略図である。

以下、図面を参照して本発明の一実施例を説明する。本発明装置は、被験者の代謝熱量を測定する代謝熱量測定装置であり、特に、チャンバー内に収容した被験者の酸素の消費量と炭酸ガスの排出量から代謝熱量を測定するものである。本発明の主な構成として、代謝チャンバー１０とサブチャンバー２０、そして給気用ファン１１と排気用ファン１２、更に、ＤＣ電源調節計１３，１４と質量流量計１５，１６を備えている。

代謝チャンバー１０は、被験者を収容する独立した高気密性の部屋を構成している。この代謝チャンバー１０は、鋼板製断熱式パネルを組み立てたもので、各パネルの結合部をシリコンコーキングにてシーリング加工をして気密性を保持している。更に、代謝チャンバー１０内の気圧を外部の気圧と同圧になるように設定している。

すなわち、サブチャンバー２０にて、屋外から取り込んだ空気を空調機で温度制御し、この温度制御された空気を代謝チャンバー１０に給気する給気用ファン１１と、代謝チャンバー１０内の空気を室外へ排出する排気用ファン１２とをコントロールする構成である。

本発明では、給気用ファン１１及び排気用ファン１２の電流値を夫々制御する一対のＤＣ電源調節計１３,１４を設けている。一方、代謝チャンバー１０内の空気の給排気量を計測する一対の質量流量計１５,１６を設置している。そして、これらＤＣ電源調節計１３，１４と質量流量計１５，１６とにより代謝チャンバー１０内の差圧を外気の差圧と同圧になるように構成している。すなわち、ＤＣ電源調節計１３,１４の電流値をコントロールして各質量流量計１５,１６が示す給排気量が等しくなるように調整する構成である。

また、代謝チャンバー１０内に供給された空気が室内の空気に完全に混ざり合わなければ、代謝チャンバー１０内の空気の濃度に誤差が生じ、この誤差がエネルギー消費量に大きな影響を与える。そのため本発明では、この代謝チャンバー１０内を全て均一化した気流で循環するように代謝チャンバー１０内に自立型空気調和機４０を備えている（図１参照）。

この自立型空気調和機４０は、代謝チャンバー１０内の温度や湿度を正確に制御する装置であり、代謝チャンバー１０内の空気を下から吸気して上部から排気することで、代謝チャンバー１０内のガス濃度が均一になるように構成したものである。図示例では、ファン１７、加湿器１８、ヒーターユニット１９、冷却器２２を備えたもので、これらの制御は、計測制御部３にて行われる。

冷却器２２は、チラーユニット２１により、チラー水を冷却水タンクに循環させて冷却器２２の温度を一定に制御する。たとえば、水温を摂氏5度±0.1度に温度制御した冷却水をチラーユニット２１に循環させ、このチラーユニット２１を通過する代謝チャンバー１０内の空気を冷却するものである。

ヒーターユニット１９は、代謝チャンバー１０内の温度を加熱するものである。そして、これらチラーユニット２１と空調機２２を計測制御する計測制御部３により、チラーユニット２１や空調機２２がコントロールされ、代謝チャンバー１０内の温度を一定にする。

ファン１７は、自立型空気調和機４０の下部に吸気した空気を上部から排出することで、代謝チャンバー１０内の空気を循環し室内空気を一定に温湿度制御するものである。このファン１７の前面に、上下左右に向き調整可能なブレードを装着することで、広域なエリアに気流が行き届きチャンバー内が均一になり更に効率良く空気を循環させることが可能になる。また、このファン１７は、有圧型多風量式を複数台採用し、換気をインバーター制御で行なうことで、室内の騒音軽減を行い静かな室内環境と温度差が生じない空調方式とする。この結果、代謝チャンバー１０内においてガス濃度差が無い均一な環境になり、温湿度・空気濃度を安定化し、安静時から運動時における室内ガス濃度の均一な環境を実現する。

加湿器１８は、代謝チャンバー１０内の湿度制御を正確にするために備えている。この加湿器１８は、例えば設定値50％に対し±1％以下の精度を有するものが望ましい（環境試験室Ａ級制御で±3％以下）。このような加湿器１８を採用することで、代謝チャンバー１０内の高精度の湿度制御を実現することができる。また、蒸気式の加湿器１８を用いることで、加湿時に煮沸殺菌され、細菌や白い粉を含まないクリーンな蒸気を噴霧するので、代謝チャンバー１０室内環境に人間を対象とした試験に最適である。尚、図１には、この他の構成として、パソコン１、コントローラー２、屋外空調コンデンサー４などを備えている。

サブチャンバー方式の採用・サブチャンバー２０は外気の濃度差を一定に緩和する装置で屋外から取り込んだ空気を一度サブチャンバー２０で均一な空気濃度にして更に空調機で温度制御して外気温を一定の温度に調整した後、ＤＣ電源調節計１３，１４で代謝チャンバー１０内に給気する。このサブチャンバー２０には、エアコン２３が設置されており、サブチャンバー２０内に取り込んだ外気を制御し代謝チャンバー１０内に一定量を給気している。図示例では、サブチャンバー２０の外側に全熱交換器３０を設置している。

この全熱交換器３０は、外気の温度と、サブチャンバー２０内から排気する室内空気の温度とを熱交換する装置で、外気温を空調し一定の温度に制御して代謝チャンバー１０へ給気している。そして、外気温がサブチャンバー２０内の温度と大きく乖離している状況でも、この全熱交換器３０を通すことで、サブチャンバー２０内の温度制御の効率を上げている。

代謝チャンバー１０内の設定温度・湿度は、外気の温度・湿度の変化に合わせて予めプログラム設定するように構成し、温度・湿度を住環境に合わせ日内変動を再現する機能を持つようにしている。そして、グラフィックパネルコントロール画面から温度・湿度・時間の環境条件を設定し最小1時間からの温度・湿度の設定ができるように構成する。例えば、日中は午前から午後にかけ室内温度が上がり、夕方から夜間・明け方は気温が下がるように設定する。また、夜間の睡眠時の際は室内の温度をさげ代謝試験を行う事が出来る。このように、日内変動に伴う日常生活の住環境下で、より正確な代謝試験を行うことができる。

代謝チャンバー１０内の酸素量は換気時の流入量及び被験者の酸素摂取量によって決定され、同様に二酸化炭素濃度の変化率は外気からの二酸化炭素流入量と被験者の二酸化炭素生産量から決定される。そこで、代謝チャンバー１０内の空気の給排気量を精密に調整するため、この流量制御に、温度と気圧の影響を受けない質量流量を計測する質量流量計１５，１６を備えている（図１参照）。この質量流量計１５，１６は、単位時間当たりの流量を0.5％の誤差の高精度で計測する。

代謝チャンバー１０内の高精度新型質量分析計５０に、分析精度が0.001％の高精度新型質量分析計を備える（図１参照）。従来のヒューマンカロリーメーターでは、分析計精度0.002％の質量分析計（Thermo社製Prima dB）を使用していた。本発明では、特に、分析精度が0.001％の高精度新型質量分析計（Thermo社製：製品名Prima Pro，Prima BT）を使用する。あわせて安定同位体CO2-45の測定を高精度で行う。

（２種類のアルゴリズムでData同時解析）
従来のHuman Calorimeterは同時解析のアルゴリズムは１種類で行っている。そして、２４時間の代謝試験のために用いられてきたアルゴリズムは、Henningのアルゴリズムが使用されていた。このHenningのアルゴリズムは短時間の運動の解析には対応しない。近年は短時間の代謝試験で運動を解析する試験研究が求められている。そこで、Henningのアルゴリズムに加えて、短時間のエネルギー消費量が計算できるBrownのアルゴリズムを用いることで短時間の運動から長時間の代謝試験に対応できるようになる（表１参照）。

（新開発外気変動型のアルゴリズムを採用）
従来のエネルギー消費量の計算は外気のO2・CO2濃度と代謝試験室の人が入室して消費するO2・と産生するCO2の濃度差から求めている。この場合、交互に一定の時間で外気・内気を測定するとDataが間欠になり連続してのDataの評価ができない。また交互に分析計で外気と内気を測定したときは分析精度が劣る。この為一般的に試験前の一定時間の外気と試験終了時の外気を測定し平均化して試験中の外気濃度をエネルギー計算に用いている。しかし装置の立地条件により外気濃度に変動が生じる。この影響により微量なエネルギー消費量を求める際は外気変動が影響を与えエネルギー消費量が変化する。そこで、１時間毎に外気を測定し１時間毎のエネルギー消費量を求める新たな外気変動型のアルゴリズム計算式により、外気変動に対応するアルゴリズムができ、より正確なエネルギー消費量が求められるようになる（表２参照）。

尚、本発明は、図示例に限定されるものではなく、各構成要素の設計変更や材質の置換、用途の変更などは、本発明の要旨を変更しない範囲で任意に行えるものである。

１ パソコン
２ コントローラー
３ 計測制御部
４ 屋外空調コンデンサー
１０ 代謝チャンバー
１１ 給気用ファン
１２ 排気用ファン
１３ ＤＣ電源調節計
１４ ＤＣ電源調節計
１５ 質量流量計
１６ 質量流量計
１７ ファン
１８ 加湿器
１９ ヒーターユニット
２０ サブチャンバー
２１ チラーユニット
２２ 冷却器
２３ エアコン
３０ 全熱交換器
４０ 自立型空気調和機
５０ 高精度新型質量分析計

Claims (5)

1. 空気の給排気量が制御され差圧の無い常圧型の代謝チャンバー内に収容した被験者の酸素摂取量と炭酸ガス産生量から被験者の代謝を測定するエネルギー代謝熱量測定装置において、
   屋外から給気した空気を空調機で温度制御するサブチャンバーと、
   該サブチャンバー内で温度制御された空気をチャンバーに給気する給気用ファンと、チャンバー内の空気を室外へ排出する排気用ファンと、
   給気用ファン及び排気用ファンの電流値を個別に制御する一対のＤＣ電源調節計と、
   チャンバー内の空気の給排気量を計測する給気用と排気用の質量流量計とを備え、
   ＤＣ電源調節計の電流値を調節して各質量流量計が示す給排気量を同量に制御する常圧型に構成し、チャンバー内の質量分析に２種類のアルゴリズムを用いたことを特徴とする次世代型高解析ヒューマンカロリーメーター。
2. 前記サブチャンバー内に給気する外気の温度と、前記サブチャンバー内から排気する室内空気の温度との熱交換を行う全熱交換器を前記サブチャンバーの外側に設置し、該全熱交換器にて外気温を室内空気の温度に近づけてから前記サブチャンバー内に給気するように構成した請求項１記載の次世代型高解析ヒューマンカロリーメーター。
3. 前記代謝チャンバー内に、前記代謝チャンバー内の空気を下から吸気して上部から排気する自立型空気調和機を設置し、該自立型空気調和機の給排気にて前記代謝チャンバー内のガス濃度が均一になるように構成した請求項１記載の次世代型高解析ヒューマンカロリーメーター。
4. 前記代謝チャンバー内の設定温度・湿度は、日内変動に合わせた住環境再現のプログラム設定をするように構成した請求項１記載の次世代型高解析ヒューマンカロリーメーター。
5. 前記代謝チャンバー内の質量分析計に、分析精度が0.002％の高精度新型質量分析計を備えた請求項１記載の次世代型高解析ヒューマンカロリーメーター。

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