JPS61181916A - 温熱検知素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、人体に快適な環境を提供する空気調和装置に
対して、その環境の温熱状態を検知するための温熱検知
素子に関し、特に、人体の発汗等に伴う湿性放熱を考慮
したものに関するものである。

（従来の技術） 一般に、空気調和装置を室内の空気温度のみに基づいて
制御して室内を人体に快適な温熱状態に保つには限度が
あり、その他の温熱環境因子として気流速、湿度、壁か
らの輻射の各物理量を合わせて実際の居住温熱環境を評
価する必要がある。

そして、このような温熱状態を検知するための温熱検知
素子には、人体の熱的平衡を拠りところに、素子と人体
との間に熱的な相関関係が成立するように製作すべきこ
とが要求される。

ところで、この種の温熱検知素子として、従来、例えば
特開昭５８−２１８６２４号公報に開示されているよう
に、中空状の球殻内に電気ヒータを有する電気発熱体と
、該発熱体の表面温度を測定する温度測定器とを備え、
電気ヒータへの通電により発熱体へ所定の熱量を供給し
た上でその表面温度を測定することにより、環境の温熱
状態を輻射を加味して検知するようにしたものは知られ
ている。

（発明が解決しようとする問題点） しかし、上記従来のものでは、人体からの熱損失（熱発
散）を輻射および対流による乾性放熱のみに限定し、発
汗等に伴って生じる湿性放熱については考慮されていな
い。そのため、実際の居住空間内における温熱状態を人
間の体感と同程度に精度良く評価するのに難があった。

そこで、本発明は斯かる点に鑑みてなされたもので、そ
の目的とするところは、上記の如く単一の球殻よりなる
発熱体を備えた温熱検知素子において、人体の発汗等に
よる湿性放熱を考慮し、その条件を満たすために発熱体
の寸法、供給熱量を最適範囲に特定することにより、温
熱検知素子を人間の実際の体感により一層近似させるよ
うにし、よって実際の室内の温熱環境を極めて精度よく
検知し得るようにすることにある。

（問題点を解決するための手段） 上記の目的を達成するために、本発明の解決手段は、第
１図に示すように、中空状の球殻（３）内に電気ヒータ
（４）を有する発熱体（１）と、該発熱体（１）の表面
温度Ｔ？ｉを測定する温度測定器（７）とを備え、上記
発熱体（１）に所定の熱量を供給した上でその表面温度
ＴＯに基づいて室内環境の温熱状態を検知する温熱検知
素子において、上記発熱体（１）の球殻（３）の直径り
をｏ−ｉ　ｏｏ〜１４０１１１に設定するとともに、発
熱体（１）への供給熱ＩＭをＭ−７６〜９３Ｗ／ｍ”に
設定した構成としている。

ここで、上記発熱体（１）の直径りおよび発熱体（１）
への供給熱ＩＭの限定理由について以下に詳細に説明す
る。

すなわち、第１図に示す温熱検知素子における熱的平衡
式は、 Ｍ−ｈ　（ｌｒ（Ｔｆｌｌ　−Ｔｒ　）　＋ｈ　（Ｉｃ
（Ｔ（１−Ｔａ　）・・・（１） （ただし、Ｔｒ：室内環境の平均輻射温度、Ｔａ：気温
、ｈｇｒ：発熱体の輻射熱伝達率、ｈｇｃ：発熱体の対
流熱伝達率） となる。一方、任意の非等温度環境下での人体の皮膚表
面からの放散熱量Ｈ９Ｋを求めると、人体からの輻射、
対流および蒸発による熱損失をそれぞれＲ，Ｃ，Ｅとし
て、 Ｈｓ　Ｋ　＝Ｒ＋Ｃ＋Ｅ　　　　　　　　　　　”（２
１となり、上記各熱損失Ｒ，Ｃ，Ｅは次式で示される。

Ｒ＝ｈ　ｒ　　−Ｆｃ　　Ｑ　　（Ｔｓ　Ｋ　−Ｔｒ　
　）　　　　　−（３）Ｃ＝ｈ　ｃ−Ｆｃ　　９　　（
Ｔｓ　Ｋ　−Ｔａ　　）　　　　　　−（４１Ｅ＝ｗ　
　−に−ｈｃ−１”ｐＢ　　（ＰｓＫ−φａ−Ｐａ　）
　　　　　　　　　　　　　　　・・・（９（ただし、
ｈｒ：人体の輻射伝達率、ｈｃ：人体の対流熱伝達率、
ＴＳＫ：平均皮膚温度、φａ：相対湿度、ＰＳＫ：平均
皮膚温度ＴＳＫでの飽和蒸気圧、Ｐａ　：気温Ｔａでの
飽和蒸気圧、Ｗ：皮膚の濡れ面積率、ＦＣｉｆ　：衣服
の熱抵抗を示す係数、Ｆｐｃｕ：皮膚表面から周囲に蒸
発する水蒸気に対する衣服の透過率、に：　Ｌ　ｅｗｉ
ｓの関係で海面では２．２） ここで、米国の空調衛生学会ＡＳＨＲＡＥで設定され、
人間の温冷感、快適感と密接な関係がある新標準有効温
度ＳＥＴ”を導入して室内での温熱快適性を評価する場
合、その理論に基づいて算出される放散熱量が上記（２
）式でのＨ９Ｋと等しくなるようにＳＥＴ”を決定する
と、 Ｈ９Ｋ−ｈｓ−１：ｃ　ｉｓ　（ＴＳＫ−ＳＥＴ本）＋
ｗ　　　＠　に　拳　ｈ　　ｃ　　ｓ　　＠　Ｆｐｃ１
２ｓ　　　（Ｐｓ　　Ｋ−０，５ＰＳＥＴ　　）　　　
　　　＝（６１（ただし、ｈｃｓ：標準気流での人体の
対流熱伝達率、ｈｓ：人体の輻射熱伝達率ｈｒに標準状
態での人体の対流熱伝達率ｈＣＳを加えた熱伝達率、Ｐ
ｓａｒ”　：ＳＥＴ”での飽和水蒸気圧、ｌ”ｃ　Ｑｓ
　：Ｗ衣ｆｆ１ｏ、６ｃ　Ｉｌｏにおける衣服の熱抵抗
係数、Ｆｌｉｃｋｓ：着衣１１０．６ｃ　９０における
蒸発水蒸気に対する衣服の透過率）となる。すなわち、
ＳＥＴ”は、（２）式で与えられるＨ３Ｋと等しい熱量
を、標準状態（着衣量０゜５ｃＱｏ１気流速Ｑ、　１〜
０．１５１１　／Ｓ　、湿度５０％、　Ｔｒ　−Ｔａ　
）でかつ等しい生理状態（ＴＳＫ、Ｗが等しい）で放散
できるような等温環境と定義した温度であって、気ｍＴ
ａ　、平均幅ｔＡｍ度７−ｒ、気流速に依存し、例えば
着衣ｆｆ１０．６ｃ１ｌＯ１湿度５０％、産熱量ＩＭｅ
ｔ（−５８，２Ｗ／ｍ２）の標準状態で気流速が０．１
〜０．１５ｍ／Ｓのとき、ＳＥＴ末がＳＥＴ本−２２，
２〜２５．６°Ｃであれば８０％以上の人間が温熱的に
快適であるとＡＳＨＲＡＥで認められているものである
。

上記（２）式で示される人体の熱平衡式において、湿性
放熱分を考慮し、快適域付近く気温２２〜２６°Ｃ）を
考えて調節発汗の無い状態（Ｗ＝０゜０６）とするとと
もに、相対温度φａをφａ＝Ｏ１５とした条件を設定す
ることにより、右辺のＣ十Ｅを近似的に Ｃ＋Ｅ−ｈ　ｃ　’　　・Ｆｃ　Ｑ　（Ｔｓ　Ｋ　−Ｔ
ａ　）　−（７１（ただし、ｈｃ’　　：蒸発を伴った
対流熱伝達率）とまとめると、上記（２式は、 ＨＳＫ／ＦＣ１−ｈｒ　　（ＴＳＫ　−Ｔｒ　）＋ｈ　
ｃ　’　　（Ｔｓ　Ｋ　−Ｔａ　＞　−（８）に書き代
えられる。

そして、上記（１）式と（８）式とを比較したとき、ｈ
　ｇｒ＝ｈ　ｒ　　　　　　　　　　　　　　　　・・
・（９）ｈ　ｇｃ　−ｈ　ｃ　’　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　−ＣＶ３１Ｍ＝　Ｈｓ　Ｋ　／　
Ｆｃ　　９　　　　　　　　　　　　　　　　−（ＩＩ
）の関係が成立すれば、発熱体の表面温度Ｔｇが人体の
平均皮膚温度ＴＳＫと等しくなって、ＴＬＪ　−Ｔｓ　
Ｋ　　　　　　　　　　　　　　−・−（１２］となる
（以下、（９）〜Ｇυ式を満たすような特性を有する発
熱体表面温度ＴｇをＫＥＴ末と表示する）。

一方、上記したＳＥＴ’においても湿性放熱を対流熱損
失に組み入れると、上記（６）式は、Ｈ８Ｋ−ｈｓ’　
　−１：ｃ　　ＵＳ　　（ＴＳＫ　−８ＥＴ末　）・・
・０３） （ただし、ｈｓ′　：標準気流での対流、蒸発および輻
射による総合熱伝達率） となる。上記０９式と０３１式とに１より、ＳＥＴ￥　
−ＫＥＴ寧　−Ｈ５Ｋ／（ＦＣｆＩｓ　・ｈｓ’）　　
　　　　　　　　　　・・・０４）となり、快適域付近
を考えると、Ｑ４）式の右辺第２項は定数と近似できる
。

したがって、上記（９）〜０υ式の条件を満足するよう
な伝達特性を有する発熱体表面温度ＫＥ’Ｔ本を測定す
るとにより、ＳＥＴ”を近似的に求めることができ、温
熱検知素子による実際の居住環境下での温熱評価を厳密
に行い得ることになる。

そこで、本発明では、上記（至）、　０１）式の条件を
満足させるために、標準状態および快適域付近で湿性放
熱を考慮したＳＥＴ本の気流速、平均輻射温度に関する
特性と上記発熱体表面温度ＫＥＴ￥の同特性とを合致さ
せるように発熱体（１〉への供給熱量Ｍとその直径りと
を決定する。

すなわち、気流速０．１１１１／Ｓの状態を基準状態と
し、その基準状態から気流速が１１ｎ／Ｓまでの範囲に
亘って変化したときに、その気流速変化に伴うＳＥＴ”
およびＫＥＴ＊の各変化量ΔＳＥＴ＊、ΔＫＥＴ寡間の
差の２乗の平均Ｗ１ＳＳ＝（ΔＳＥＴ本　−ΔＫＥＴ本
　）２　　　　　・・・０９を算出し、発熱体（１）の
球殻（３）の直径りを種々の値に設定した上でその各直
径りに関して上記平均値Ｓが最小となるような供給熱量
Ｍを求め、そのときの最小平均値Ｓを各直径りについて
プロットすると、第２図に示すような特性が得られる。

尚、発熱体（１）の表面温度Ｔ９は（１）式をもとに算
出し、発熱体〈１）の対流熱伝達率ｈ　ｇｃは（１６１
式に示す球体の強制対流熱伝達に関する弓削の式を用い
る。

ＮＬＪ　−２＋０．３Ｒｅ　Ｏ，５ｓ　６　　　　　　
・（１６）〈ただし、Ｎｕ：ヌセルト数、Ｒｅ　：レイ
ノルズ数） また、上記と同様にして、平均輻射温度７’ｒと気温Ｔ
ａとが等しい（Ｔｒ　＝Ｔａ　）状態を基準状態とし、
その基準状態からＴｒ−Ｔａが１０’Ｃまで変化したと
きに、そのＴｒ−Ｔａの増大変化に伴うＳＥＴ本および
ＫＥＴ”の各変化量ΔＳＥＴ本およびΔＫＥＴ本に関す
る上記平均値Ｓを各直径りについてプロットすれば第３
図に示すような特性が得られる。尚、発熱体（１）への
供給熱ＩＭは上記気流速変化に関する特性を求める際に
決定した値を用いる。

よって、本発明では、第２図および第３図に示される特
性に基づき、気流速および平均輻射編度Ｔｒと気ｇＴａ
との差の各変化に対して△ＳＥＴ本とΔＫＥＴ末との間
に極めて密接な相関関係が成立するよう、発熱体（１）
の直径りをＤ＝１００〜１４０ｍ１１の範囲に特定し、
かつ、この直径りの範囲について発熱体（１）への供給
熱量ＭをＭ−７６〜９３Ｗ／ｍ”の範囲に特定するもの
である。

（作用） 上記の構成により、本発明では、温熱検知素子における
発熱体（１）の直径りおよび該発熱体（１）への供給熱
ｆｆ１Ｍが人体の湿性放熱を加味した上で設定されてい
るので、素子の熱的平衡は人体の熱的平衡に対して極め
て近似した相関関係となり、人体に快適感を与える温熱
状態を単一の検知素子で高精度に検知することができる
ことになる。

（実施例） 次に、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第１図は本発明の実施例に係る空気調和装置制御用の温
熱検知素子（Ａ）を示し、（１）は球状の発熱体であっ
て、該発熱体（１）は、パイプ状の支持棒（２）を貫通
固定した銅等の金属よりなる中空状の球殻（３）内の中
心部に電気ヒータ（４）が封入されてなり、上記ヒータ
（４）には支持棒（２）内に充填固定した電気絶縁体（
５）を貫通してヒータ（４）に電力を供給する電力供給
線（６）、（６）が接続され、この電力供給線（６）、
（６）によりヒータ（４）が球殻（３）内で固定支持さ
れている。

また、上記発熱体（１）の球殻（３）内表面には発熱体
（１〉表面（球殻（３））の温度Ｔｇを測定する温度測
定器としての熱電対（ア）が固着され、該熱電対（７）
の出力は上記絶縁体（５）、支持棒（２）内を通って球
殻（３）外に導出されており、電気ヒータ（４）を通電
により発熱させて発熱体〈１〉に熱量を供給し、その状
態で熱電対（７）の出力電圧により発熱体（１）の表面
温度Ｔｇを検出してそれに基づいて室内環境の温熱状態
を検知するようになされている。

さらに、上記発熱体（１）の球殻（３）外表面には、人
体の皮膚ないし衣服の分光輻射率と概略合致する輻射率
を有する例えば四弗化エチレン樹脂（ＰＴＦＥ）等の弗
素樹脂および酸化チタン（Ｔｉ　０２　）等の所定顔料
よりなる薄膜の輻射材料層（８）が形成されている。

そして、本発明の特徴として、上記発熱体（１）の球殻
（３）の直径りはＤ−１００〜１４０１１１１１の範囲
に設定されているとともに、発熱体（１）への供給熱Ｉ
Ｍ　（ｉ気ヒータ（４）への電気入力）はＭ＝７．６〜
９３Ｗ／ｍ”の範囲に設定されている。

したがって、上記実施例においては、発熱体（１）の球
殻（３）の直径りがＤ＝１００〜１４０ｍ１！１に設定
されているとともに、発熱体（１）への供給熱ｆｆ１Ｍ
がＭ＝７６〜９３　Ｗ／ｍ”に設定されているので、上
記説明した理由により、温熱検知素子（Ａ＞の熱的バラ
ンスを人体のそれに極めて顕著に近似させることができ
、温熱検知素子（Ａ）によるＫＥＴ本の検出によって実
際の温熱環境のＳＥＴ末を精度良く検出することができ
る。

また、発熱体（１）の球殻（３）外表面に人体の皮膚な
いし衣服の分光輻射と略合致した輻射率を有する弗素樹
脂を主成分とする輻射材料層（８）が形成されているの
で、検知素子（Ａ＞の発熱体（１）表面の輻射熱伝達率
ｈ　ｇｒを人体の輻射熱伝達率ｈ「に精度良く一致させ
ることができ、温熱検知素子（Ａ）によって実際の居住
環境下での温熱状態をより一層精密に検知することがで
きる。

さらに、人体の熱的平衡において、蒸発を伴った対流熱
伝達率ｈｃ′を設定し、その熱伝達率ｈＣ′を発熱体（
１）の対流伝達率ｈ　ｇｃに一致させるようにしている
ので、発熱体（１）の周りを覆って発熱体（１）への輻
射熱を透過しかつ対流を抑制させるための発熱体カバー
を用いることなく、発熱体〈１）の直径りを小さく設定
することができる。

（具体例） 最後に具体的な実施例について説明する。上記した実施
例の構成を有する温熱検知素子において、その発熱体の
直径りをＤ−１２０ｍｍに、供給熱量ＭをＭ＝８３．２
Ｗ／ｍ”　（１，４３Ｍｅｔ）にそれぞれ設定し、その
検知素子について気流速を０゜１〜１．０ｍ／ｓの範囲
で変化させたときの基準状態（気流速が０．１１／Ｓの
とき）からのＫＥＴ＊の変化山ΔＫＥＴ＊を求めたとこ
ろ、第４図で実線にて示すような特性が得られた。図の
破線は同じ条件下でのＳＥＴ寧の変化ｍΔＳＥＴ”の特
性を示す。

また、上記と同一の検知素子に対し、室内環境の平均輻
射温度７ｒと気温Ｔａとの差Ｔｒ　−ＴａをＯ〜１０″
Ｃの範囲で変化させたときの基準状態（Ｔｒ　＝Ｔａの
とき〉からの上記ΔＫＥＴ享の特性は第５図で実線にて
示すようになった。図中、破線は△ＳＥＴ”の特性を示
す。

したがって、この第４図および第５図により、本発明の
温熱検知素子によると、気流速および平均幅ｔＪｊｍ度
Ｔ「と気ｍＴａとの差Ｔｒ　−Ｔａ　（７）それぞれの
変化に対しΔＫＥＴ本はΔＳＥＴ本との間に極めて優れ
た相関関係があり、実際の温熱環境に対する検出精度を
高め得ることが判る。

（発明の効果） 以上説明したように、本発・明の温熱検知素子によれば
、内部に電気ヒータを封入した中空状球殻よりなる発熱
体の直径およびその供給熱量を人体の湿性放熱を考慮し
て特定したものであるので、温熱検知素子の熱的平衡を
人体に顕著に近似させて、実際の居住空間内における温
熱状態を体感と同程度に評価することができ、よって空
気調和装置の作動制御に最適な温熱検知素子の提供を実
現することができるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例における温熱検知素子の断面図
である。第２図は気流速に関して発熱体の直径の最適範
囲を特定するための特性図、第３図は平均輻射温度と気
温との差に関して発熱体の直径の最適範囲を特定するた
めの特性図である。 第４図および第５図はそれぞれ発熱体の直径、供給熱量
を本発明範囲内の所定値に特定したときの気流速および
平均幅ｆＪＪ瀉度と気温との差に対するΔＫＥＴ＊をΔ
ＳＥ’Ｔ”と比較して示す特性図である。 ＜Ａ）・・・温熱検知素子、（１）・・・発熱体、（３
）・・・球殻、（４）・・・電気ヒータ、（７〉・・・
熱電対、〈８）・・・輻射材料層。 第４図 気５を壕（ｍ／ｓλ 第５図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）中空状の球殻（３）内に電気ヒータ（４）を有す
   る発熱体（１）と、該発熱体（１）の表面温度Ｔｇを測
   定する温度測定器（７）とを備え、上記発熱体（１）に
   熱量を供給し、その表面温度Ｔｇに基づいて室内環境の
   温熱状態を検知する温熱検知素子であつて、上記発熱体
   （１）の球殻（３）の直径ＤがＤ＝１００〜１４０ｍｍ
   に設定されているとともに、発熱体（１）への供給熱量
   ＭがＭ＝７６〜９３Ｗ／ｍ＾２に設定されていることを
   特徴とする温熱検知素子。