JPS6136645A - 熱環境制御方法およびその装置 - 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〕 本発明は熱環境を制御する各種冷暖房器などの熱環境機
器をコントロールする熱環境制御方法およびその装置に
関するもので、さらに詳しくは、温度を一定に保ちなが
ら活動している物体（人間。

ロボットなど）の熱環境を快適に保持するため熱環境の
温度（気温と周囲壁の平均輻射温度とを含めた温度とし
て取り扱う）だけでなく、対流および輻射の影響をも検
知して熱環境機器をコントロールする熱環境制御方法お
よびその装置に関する。

人間をはじめとする哺乳動物は体温を一定に保ちながら
活動している。そして人間についていうならば、夏・冬
の気温環境、風の有無による空気の対流状況、照明・太
陽光・周囲壁と人間との輻射熱の授受等々に応じて衣服
を調節し、この体温一定の活動を補助し、援助している
。

ところで、最近、扇風機、ウィンドファン、エアコン、
ターラ、温風ヒータ、パネルヒータ、輻射暖房器などの
熱環境機器の普及が著しく、居住内の熱環境はより快適
に保たれるようにはなった。

しかし、これらの熱環境機器は熱環境の温度のみの制御
であったり、又動作とＯＦＦ状態を単に時間的に管理し
、それによって熱環境機器を制御しているにとどまって
いる。そのため、上述した、対流や輻射の影響を考慮し
ない片手落ちな熱環境の制御を行ってきたのである。

〔従来の技術〕

上述の事情に鑑み、常に快適な熱環境が得られるように
、熱環境の温度、輻射、対流の熱環境因子を総合して検
知し、この検知信号によって熱環境機器を制御する熱環
境制御方法およびその装置について既に提案された特許
１０６９３４９　、特願昭５７−１１７４６６、特願昭
５７−１１２０８４に開示されている。

特許１０６９３４９によれば、熱環境を制御する熱環境
機器の制御方法および装置において、熱抵抗体とその内
部に加熱源を有する構成からなる制御素子を前記熱環境
中におき、前記加熱源により前記熱抵抗体の表面または
内部の温度を一定に保ちながら前記制御素子から放散す
る放散熱量に相当する信号を検出しあるいは前記加熱源
から発生する熱量を一定に保ちながら前記熱抵抗体の表
面もしくは内部の温度に相当する信号を検出し、これら
の検出された信号の何れかによって全熱環境機器を動作
させ前記制御素子の信号量が一定となるように前記熱環
境を制御することを特徴とする熱環境制御方法およびそ
の装置が開示されている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

この発明の目的は前記特許１０６９３４９に対して、熱
抵抗体の表面を所望の輻射率となるように帯色せしめ、
輻射と対流の検知感度の比を意図的に変えて得ようとす
るもので、そしてまた、前記特許１０６９３４９におい
ては、熱環境の温度、輻射、対流の熱環境の３因子の検
知とその検知に応じた信号による熱環境機器の制御であ
ったのに対して、もう一つの熱環境因子である湿度を検
出する素子を別途用意して、制御装置からの熱的影響を
受けない位置に並設し、その湿度検出素子によって熱環
境の湿度を快適な範囲の値となるように制御すると共に
、前記特許１０６９３４９になる制御装置による制御も
行うか、あるいは別途用意した湿度検出素子の信号量を
、例えば各人間によって異なるが湿度１０％の増加が温
度１℃上昇分に相当するあるいは放散熱量が６　ｋｃａ
ｌ／ｍ”ｈに相当するとして前記制御装置の出力信号に
合成して、その信号量によって熱環境機器を制御する方
法、及びその装置を提供するものである。

〔実施例〕

以下図面に基づいてこの発明の詳細な説明する。第１図
は熱伝導機構を示す図であって、ある熱抵抗体を通じて
熱が移動している場合たとえば、１次元伝熱として方程
式を求めると次の如く書くことができる。

Ｑ＝　Ｈｅ　（Ｔｓ　−Ｔａ　）＋εＨｒ　（Ｔｓ−Ｔ
ｒ　）　　　！１１Ｑ　；放散熱量（Ｗ＃） Ｈｏ　；総括伝熱係数（Ｗ／　Ｃｒｔｒ　−Ｋ　）　）
Ｈｏ　＝　Ｈｃ　＋　ｇ　Ｈｒ　　　　　　　　　　　
　ｆ４）Ｈｃ　：対流熱伝達係数（Ｗ／（ｎ（・Ｋ））
Ｈｒ　　；輻射熱伝達係数（Ｗ／　＜ｒｄ−Ｋ　）　）
ε　；熱抵抗体表面の輻射率（０〜ｌの間の値）Ｒ；熱
抵抗体Ａの熱抵抗（ｄ・Ｋ）／Ｗ（略一定値）Ｔｓ　；
熱抵抗体の表面温度（１） Ｔｉ　；熱抵抗体の内部温度（’Ｃ） Ｔａ　；雰囲気の温度　　　（’ｃ） Ｔｒ　；周囲物体の平均輻射温度（℃）Ｈｃ、　Ｔａ　
　＋　ａ　Ｈｒ　　ＴｒＴａ”　　＝　　　　　　　　
　　　　　　　　　（５１Ｈ。

であって１．のＴａを熱環境の温度（℃）と呼ぶことに
する。

（２）　（３）式から 第１図および（６１式において、Ｔｉ℃を体内温度、Ｒ
は肉、脂肪あるいは皮膚などから成る熱抵抗と考えると
、熱環境の温度Ｔａ’Ｃを一定に保っても総括伝熱係数
Ｈｏが対流、輻射などの影響によって異なれば、皮膚の
表面温度Ｔｓ℃は一定とはならず、従って放散熱量Ｑも
異なってくることがわかる。

すなわち、人間のように体温を一定に保つために発熱し
ている物体では熱環境の温度と共に（６）式の総括伝熱
係数Ｈｏが熱環境の状況を示す重要な因子となる。ここ
で、総括伝熱係数Ｈｏにおける対流熱伝達係数Ｉ］ｃ、
輻射熱伝達係数Ｈｒの関係は制御素子の寸法が小さくな
ればＨｃＯ値は大きくなり、Ｈｒの値は制御素子の寸法
とは無関係であるので対流と輻射の影響の検知比は制御
素子の寸法によって変えることができ、また、制御素子
の表面（熱抵抗体表面）の輻射率が真黒であればε＝１
であるが、通常の黒色ではｔ　＝　０．９であり、さら
にアルミペインｌ袋表面ではε＝０．４又、アルミ鏡面
ではεＲｏ、ｏｓとなるので、所望の輻射率となるよう
に熱抵抗体の表面を帯色させておけばＴｏ　ｔｅ　ｌの
輻射熱伝達係数はεＸＨｒとなるから、輻射の影響を検
知する感度が変わり、結局対流と輻射の影響の検知比を
変えることができる。極端な場合は熱抵抗体の表面に鏡
面状のアルミテープを貼っておくと、輻射の影響はほと
んど検知せず（ε雷Ｏ）、熱環境の温度Ｔａ０と対流を
検知する制御素子となり、温度と風景・風速の２要因制
御を行うような場合の制御素子として有効となる。

次に、制御素子の構成について述べる。

第１図に対して第２図のごとく内部に加熱源Ｂを有する
熱抵抗体Ａで、その熱抵抗体の表面は所望の輻射率とな
るように帯色されている熱抵抗体の内部又は表面に熱流
計Ｄ（放散熱量を測定する機器）を組み込んだ構造が人
間のように体温一定として活動している動物体の伝熱モ
デルに対して考えられる。このとき次式が得られる。

に；熱流計の感度の逆数（一定値） ■；熱流計の出力 （７）式において、内部温度（体内温度）Ｔｉ　’Ｃを
一定とするために必要な放散熱量Ｑの変化に対応する信
号量■を得、その信号量が一定となるように熱環境機器
を制御すれば、快適な熱環境が得られる。

上述の例も加えて、熱環境を制御するための制御用信号
を得る方法および制御装置としては次の４つの方式とな
る。方法および制御装置の受感部分に当るｉ制御素子の
最小限の構成例を第３図に示し、各々について以下に説
明する。

ｆａ＋　　所望の表面輻射率となるように帯色せしめた
熱抵抗体Ａの内部又は表面に置かれた温度測定素子Ｃの
温度を、加熱源Ｂを制御しである一定温度（例えば３７
℃）に保ちながら、熱流計りの出力信号Ｖがある設定値
になるように、熱環境機器を動作させ（冷房又は暖房動
作させ）、熱環境の温度Ｔａ“および、又は、送風によ
る総括伝熱係数ＨＯを制御する。放散熱量Ｑ（＋７１式
）はある一定値に保たれることになる。

（ｂｌ　　（ａ）に述べた熱抵抗体Ａの内部又は表面に
置かれた温度測定素子Ｃの温度を、加熱源Ｂを制御する
ことにより、ある一定温度に保ちながら、前記の温度測
定素子Ｃの位置とは異なる前記熱抵抗体の内部又は表面
に置かれた温度測定素子Ｅの温度が、ある設定値となる
ように熱環境機器を動作させる。

（Ｃ）　　加熱源Ｂから、ある一定の発熱量−電気的発
熱では一定電流、一定電圧、あるいは一定電力となるよ
うにヒーターに電流を流しジュール発熱を一定にする−
を与え、所望の表面輻射率をもつ熱抵抗体Ａの内部又は
表面に置かれた温度測定素子Ｃの温度がある一定値とな
るように熱環境機器を動作させる。

＋ｄ）　　所望の表面輻射率をもつ、熱抵抗体Ａの内部
又は表面に置かれた温度測定素子Ｃの温度がある設定温
度となるように、加熱源Ｂから熱量を与え、加熱源Ｂが
電気抵抗であればその抵抗を流れる電流、電圧、または
電力を計測して、その値が一定となるように熱環境機器
を動作、制御する。

以上の４つの方式のうち、制御信号として、ｆａｔ又は
＋ｄ＋の放散熱量を制御信号とする方式が最も信号変化
が大きく、又ｔｃ＋は最も簡単に製作、制御できる利点
を持っているものと考えられる。

上述の＋ａ）〜（ｄ＋に述べた制御素子の形状は円板状
、同筒状、だ円棒状、平板状、立方体、直方体、球状な
どいずれの形状でも使用でき、しかも輻射、対流、熱環
境の温度を検知する面は制御素子の全面である必要はな
く、一部位であってもよいことは言うまでもない。

以上の４つの構成に対して実験により制御信号がどのよ
うな値となるかを確認するために、第２図に対応する制
御素子を製作し、第３図＋ａｌ〜ｆｄ＋の各々対応する
制御用信号を測定する。これらの制御信号を熱環境機器
に接続して、熱環境を冷、暖房、送風すれば、単に熱環
境の温度を一定に保つように制御する方式に比して、は
るかに快適な熱環境が得られる。さらに、別途湿度検出
素子を用意し、熱環境の湿度を除湿機などによって制御
すれば、全く快適な熱環境が得られる。これらの用途は
単に住居だけでなく、病院、噛育器などの医用面、ある
いは列車、自動車などのように移動する空間系における
熱環境制御に有効と考える。

第４図は熱環境制御用素子１の一実施例であって、高さ
約１２０鰭、直径約３６ｍｍの円筒状をなし、その上面
２ａおよび下面２ｂは発泡ポリウレタンで断熱しである
。そして、第４図にかかる実施例においてはとくに人間
の熱環境を制御する目的で製作してあり熱抵抗体３とし
ては約３１１厚さのネオプレンゴムを使用している。熱
抵抗体の表面輻射率は約０．９である。そしてこの熱抵
抗体３は熱流計４を形成し、この熱流計４は厚さ約１．
５ｆｌのネオプレンゴムを熱抵抗体としだ差動熱電対縦
型である。

すなわちこの熱流計４はネオプレンゴムよりなる厚さ約
１．５龍の熱抵抗体を芯材として高さ１２０ｆｌ、幅約
Ｌｏｏｍに９接点の差動熱電対４列すなわち計３６個の
銅−コンスタンクン（０，２φ）の差動熱電対群が納め
られている。そしてその表裏をそれぞれ約０．７５ｍｍ
の１７さを有するネオプレンゴムで被覆して全体として
約３ｆｌの厚さとなっているのである。なお、ネオプレ
ンゴムのＱＴＭ−Ｄ１迅速熱伝導率計（昭和電工製）に
よる熱伝導率は約０．３１Ｋｃａ　１１！／ｍｈ’ｃ　
（４０℃においテ）テある。つぎに加熱源としては０．
２φコンスタンクン線ヒーター５ａ（約４１．０オーム
）および予備加熱源としテＩに＜　０．３ψコンスタン
クン４．９１ヒーター５ｂ（約１８オーム）をそれぞれ
テフロンボビン６ａおよび６ｂに巻き、アルミニウム筒
３ａ内のアルミニウム台３ｂにシリコン接着剤にて固定
する。

発熱量は直流定電流電源の電流からジュール熱すなわち
（電流）２×　（抵抗）を計算して求める。とくに熱流
計の感度を校正する場合にはコンスタンタンヒーター５
ａを使用する。

温度測定用の素子とじてこ＼では熱電対を用い、温度測
定用素子７，８および９はタロメルアルメル熱電対（０
，２φ）である。とくにゴムの表面温度を測定する素子
９は厚さ約６０μｍ、幅約０　、５　ｍｍのクロメルア
ルメル帯線であって、アロンアルファ■瞬間接着剤にて
表面に接着して、さらに温度測定点には直径約５朋、厚
さ約０．０５ｍ１のアルミニウム箔１０をかぶせ、ネオ
プレンゴムに接着しである。

第４図のごとく構成された熱流計の感度は第５に示すご
とくである。第５図において縦軸は熱流計の感度の逆数
を示し、横軸は内壁温度ＴＩ℃８と表面温度Ｔ　ｓ　”
ｃ　９との算術平均値を示す。さらにゴム熱抵抗体表面
における総括伝熱係数を算出すると約２０Ｗ／　（ｒｒ
ｒ−Ｋ）となる　（ｌＷ＝０．８６Ｋｃａｌ／ｈ）。第
５図の結果から平均温度３５℃に対して感度の逆数を求
めると１３５Ｗ／　（ｒｒｆ・ｍＶ）となる。また、こ
の感度の逆数は熱流計の存在する位置を通過する熱流密
度を求める場合の定数であって、本、熱環境制御素子は
円筒状であるから、表面からの放散熱量は熱流計を通過
する熱流密度の３．３Ｘ１０−”／　３．６Ｘ１０−”
１９２％値であることを述べておく。

更に、ゴムの全熱抵抗は概略ｏ、ｏｉｉ〜０．０１５（
ｍ・Ｋ）／Ｗであり、平均的には０．０１４　　（ｎ（
−Ｋ）／Ｗと見なされる。

つぎに第６図Ｂに示すごとく制御素子を垂直に配置し、
第６図への回路を用いて周囲の空気の対流の状況による
放散熱量の変化を測定する。対流状況の変化は市販の３
０ｃｍφの羽の扇風機を用いて風の強弱によって定めた
。尚第６図において、第４図におけると同じ記号は第４
図におけると同し部分を示し、また１１は定電流電源（
Ｏ〜２Ａ）、１２は標準抵抗０．１Ω、１３は冷接点補
償器、１４は切換器、１５はディジタル電圧計である。

また１６は室温測定用の水銀温度針である。

まづ第３図ａ、ｂおよびｄに対応する実験として内壁温
度（温度測定用素子８）を一定（約３７．３℃）に保ち
、対流状況に応するおのおのの制御信号の変化を検出し
た。なお加熱源ヒーターとして５ｂを用いた。これによ
って得られた結果を第１表に示す。なお第６図Ｂにおい
て１は熱環境制御素子、２０は科学実験に用いるスタン
ドであって、２１および２２は金属棒、２３および２４
は熱絶縁のための布巻きであって実験においては素子１
はスタンド棒より約１５０ｆｌ、テーブル床面より約２
５０１離して設けられた。

第１表の結果から、内壁温度約３７．３℃一定、室温１
８．５℃一定の時の空気の対流の状況に応する制御素子
の制御信号はそれぞれ第７図〜９図の如くなる。これら
の結果は室温が１８．５℃一定に保°だれそれに対して
人間が寒くない様に着衣していても対流の状況に応じて
放散熱量は変化するもので、風を吹かせた時は実験者自
信〃寒い〃と感じている。第７図は第３図ａに対応する
制御信号であり、第８図は第３図すに対応する制御信号
であり、第９図は第３図ｄに対応する制御信号である。

つぎに第３図Ｃに対応する制御信号をうるためにヒータ
ー５ｂに投入する電力量を一定とし風を吹き当てた時の
熱抵抗体内部の温度の変化を求め得られた結果を第２表
に示す。

なお第２表の無風、３．７ｍ／ｓｅｃの風の何れにおい
てもヒーター電流０．３７Ａは一定であるから理論上は
熱流計を流れる熱流および表面放散熱量は一敗するはず
である。しかし、ウレタン側からの熱損失が風によって
若干具なるため上記の結果となったものと説明される。

また第２表の結果から第３図Ｃに対応する制御信号を求
めると第１０図の如くなる。

以上の結果から第７図〜第１０図の縦軸に相当する信号
量がある一定値となるように熱環境機器に接続して制御
すれば、いずれも放散熱量は一定となり、人間にとって
快適な熱環境が得られる。

又、今回の結果において室温が一定であっても、空気の
対流の状況に応じて放散熱量が変化する点は、暑い夏に
扇風機をまわすと室温は変わらないが気持ち良く感する
ことで良く経験しているものである。

以上によって、本発明による制御素子を用いれば、熱環
境の温度、輻射、対流を総括して検出でき、あるいは制
御素子の表面の輻射率を意図的にある値となるように帯
色せしめておけば、輻射の影響を制御して検知すること
ができるので、従来の熱環境の温度のみを検出して熱環
境機器を制御するのに比し、極めて快適に制御すること
ができる。

つぎに、以上説明した制御素子は、熱環境の温度、対流
、輻射の３因子を検出して制御を行なっているが、もう
一つの熱環境因子として湿度がある。この湿度の影響を
取り扱うにはこの発明の制御素子とは別途に、湿度検出
素子を並設し、組み合わせて用いることが熱環境の完全
な制御に有効である。すなわち、湿度検出素子を制御素
子からの熱的影響を受けない場所に配設して湿度を検出
し、快適な湿度範囲とされる例えば３０〜６０％になる
ように熱環境機器あるいは別途用意した除湿機を制御す
ると共に、本制御素子によって前記熱環境機器を制御し
、熱環境の温度、対流、輻射の影響を制御するものであ
る（第１１図（ａ））。もう一つの方式としては、人体
に対する湿度の影響は湿度１０％当り、熱環境の温度約
１℃に相当するといわれているが、この関係を使って湿
度を温度換算して、第３図（ｂ）　（Ｃ）の制御素子で
は温度出力の信号に加減し、その信号によって熱環境機
器を制御する。なお、湿度から温度への換算は適宜、状
況に応じて設定すればよい。第３図＋ａ）　（ｄｌの制
御素子では出力が放散熱量に係る信号となるので、上述
、湿度１０％の変化が温度換算で１℃と見積られるとき
は、自然対流下で熱抵抗体の表面輻射率が０．９で、５
０ｃｓ角平板での総括伝熱係数は気温２０℃で約９Ｗ／
　　（ｉｆ−Ｋ）（約７．７　ｋｃａｌ／ｍ”ｈ　’Ｃ
）であるので、湿度１０％の変化を９Ｗ／ｎ（の変化信
号となるように制御素子の出力信号に加減すればよい（
第１１図（ｂ））。

〔発明の効果〕

以上説明した様にこの発明の制御素子によって熱環境機
器を制御すれば、快適な熱環境が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は伝熱機構の説明図、第２図は制御素子における
熱伝導の説明図、第３図は本発明にか＼る制御素子によ
る制御方法の説明図、第４図は本発明にか＼る方法を実
現するための制御素子の具体的実施例、第５図は第４図
における熱流計の感度特性、第６図は第４図の制御素子
の測定回路、第７〜１０図はそれぞれ熱環境における対
流の状況に対して検出された制御信号の実例、第１１図
は本発明における制御素子による熱環境機器の制御ブロ
ックダイアダラムを示す。第３図においてＡが熱抵抗体
、Ｂが加熱源、Ｃが温度測定素子、Ｄが熱流計、Ｅが他
の温度測定素子である。 第１図　　　　　第２図 第３図　　　　　第４図 第５図 第６図 （Ａ）　　　　　　　　　　、（Ｂ） 益＠縞Ｑ耶ｌトー　　　昼萩聡（Ｑ、口題ミーと 濾τ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、熱環境を制御する熱環境機器の制御方法において、
   表面を所望の輻射率となるように帯色せしめた熱抵抗体
   と、その内部に加熱源を有する構成からなる制御素子を
   前記熱環境中におき、前記加熱源により前記熱抵抗体の
   表面または内部の温度を一定に保ちながら前記制御素子
   から放散する放散熱量に相当する信号を検出しあるいは
   前記加熱源から発生する熱量を一定に保ちながら前記熱
   抵抗体の表面もしくは内部の温度に相当する信号を検出
   し、これらの検出された信号の何れかによって前記熱環
   境機器を動作させ前記制御素子の信号量が一定となるよ
   うに前記熱環境を制御することを特徴とする熱環境制御
   方法。 ２、熱環境を制御する熱環境機器の制御装置において、
   表面を所望の輻射率となるように帯色せしめた熱抵抗体
   と、その内部に加熱源を有する構成からなる制御素子を
   前記熱環境中におき前記熱抵抗体の表面または内部の少
   なくとも１ヶ所に設けられた温度測定用素子の温度を一
   定に保つように前記加熱源に電力を供給しつつ前記制御
   素子から放散する放散熱量に相当する信号を検出しこの
   信号により熱環境機器を制御するようにしたことを特徴
   とする熱環境制御装置。 ３、熱環境を制御する熱環境機器の制御装置において、
   表面を所望の輻射率となるように帯色せしめた熱抵抗体
   と、その内部に加熱源を有する構成からなる制御素子を
   前記熱環境中におき前記加熱源に一定の電力を供給しつ
   つ前記熱抵抗体の表面または内部の少なくとも１ヶ所に
   設けられた温度測定用素子の出力により熱環境機器を制
   御するように構成したことを特徴とする熱環境制御装置
   。 ４、前記制御素子と、別に設けた湿度検出素子とを組み
   合わせ、熱環境の湿度を前記湿度検出素子によって検出
   し、該湿度がある快適範囲の値となるように熱環境機器
   を制御すると共に、前記制御素子によって前記熱環境機
   器を制御することを特徴とする特許請求の範囲第２項ま
   たは３項に記載の熱環境制御装置。 ５、前記制御素子と、別に設けた湿度検出素子とを組み
   合わせ、熱環境の湿度を前記湿度検出素子によって検出
   し、該検出信号量を温度換算又は放散熱量に換算して、
   前記制御素子の出力信号量と加減し、その信号量によっ
   て前記熱環境機器を制御することを特徴とする特許請求
   の範囲第２項または第３項記載の熱環境制御装置。