JPWO2016121061A1 - 発汗模擬装置および発汗摸擬方法 - Google Patents
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Abstract
発汗模擬装置（１）は、水平に設けられ、蒸気を通過させる多孔質板（２）と、多孔質板（２）の下面に接して固定され、多孔質板（２）の下面に平行な断面の面積が垂直方向に変化し上方に開口する１以上の空洞部（３１）を有する均熱ブロック（３）と、均熱ブロック（３）を加熱する加熱装置（４）と、水を貯める気相発汗用タンク（５）と、気相発汗用タンク（５）の中の水の水位を検出する水位センサ（６）と、気相発汗用タンク（５）の水を空洞部（３１）に供給し、空洞部（３１）内の水位を制御する気相発汗用送液ポンプ（７）とで構成される。
Description
本発明は、人体の発汗を摸擬する装置および方法に関する。
体内で発生する熱および水分は絶えず衣服を介して環境系へ放出されている。人体から衣服を通って環境系へ移動する熱および水分の移動特性は人間の快適感を左右する重要な因子である。特に衣服内の温湿度は「衣服内環境」と呼ばれる。
人体の発汗には、体温や環境の温度上昇に伴って液体の汗が出る液相発汗と、体表と環境との水蒸気圧差による肌面からの水分蒸発である気相発汗との２種類がある。気相発汗は、不感蒸泄とも呼ばれ、人が無自覚のまま皮膚から蒸散するが、その量は部位、皮膚温度、環境温湿度などによって変わり、およそ２０ｇ／ｈｒ／ｍ２程度と言われている。液相発汗と共に、気相発汗も衣服内環境に影響している。
衣服の保温性を検査する装置として、皮膚に見立てた恒温発熱体を用いて、２０℃×６５％ＲＨ環境下で、試料で覆った発熱体を３６℃に保つために必要な熱量を測定する保温性測定装置がある。これは、「スキンモデル」といわれる測定装置であり、これに発汗を摸擬する機構を追加した装置が一般的に用いられる。
特許文献１および特許文献２には、繊維製品等の定常状態での熱及び水蒸気の移動特性を測定する装置が開示されている。
特許文献１および特許文献２に記載されている装置では、透湿抵抗を測定するために、電気的に加熱された多孔性金属板を、水蒸気は透過するが液体の水は透過しない透湿防水膜で覆う。加熱多孔性金属板に供給された水分は蒸発して、蒸気として膜を透過する。しかし、このような装置では、蒸散量が人体の気相発汗に比べて非常に多く、また蒸散量を調節することもできない。
本発明は、上述の事情に鑑みてなされたもので、人体の気相発汗を摸擬し、蒸散量を調節することを可能にすることを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明に係る発汗摸擬装置は、
水平に設けられ、蒸気を通過させる多孔質板と、
前記多孔質板の下面に接して固定され、前記多孔質板の下面に平行な断面の面積が垂直方向に変化し上方に開口する１以上の空洞部を有する均熱ブロックと、
前記均熱ブロックを加熱する加熱装置と、
前記空洞部に給水し、前記空洞部内の水位を制御する第１給水装置と、
を備える。
水平に設けられ、蒸気を通過させる多孔質板と、
前記多孔質板の下面に接して固定され、前記多孔質板の下面に平行な断面の面積が垂直方向に変化し上方に開口する１以上の空洞部を有する均熱ブロックと、
前記均熱ブロックを加熱する加熱装置と、
前記空洞部に給水し、前記空洞部内の水位を制御する第１給水装置と、
を備える。
本発明に係る発汗摸擬方法は、
水平に設けられ、蒸気を通過させる多孔質板の下面に接して固定され、加熱装置によって加熱される均熱ブロックが有する上方に開口する１以上の空洞部に給水し、前記空洞部内の水面の面積を変化させて前記多孔質板からの蒸散量を調節する。
水平に設けられ、蒸気を通過させる多孔質板の下面に接して固定され、加熱装置によって加熱される均熱ブロックが有する上方に開口する１以上の空洞部に給水し、前記空洞部内の水面の面積を変化させて前記多孔質板からの蒸散量を調節する。
本発明によれば、人体の気相発汗を摸擬し、蒸散量を調節することが可能になる。
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、図中、同一または相当する部分には、同じ符号を付す。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る発汗摸擬装置の構成例を示すブロック図である。発汗模擬装置１は、多孔質板２と、均熱ブロック３と、加熱装置４と、気相発汗用タンク５と、水位センサ６と、気相発汗用送液ポンプ７とで構成される。多孔質板２は、金属粉体を焼結した多孔質体や微細な気孔が形成された多孔質セラミックスなどから形成される板である。多孔質板２は、水平に設けられ、蒸気を通過させる。
図１は、本発明の実施の形態１に係る発汗摸擬装置の構成例を示すブロック図である。発汗模擬装置１は、多孔質板２と、均熱ブロック３と、加熱装置４と、気相発汗用タンク５と、水位センサ６と、気相発汗用送液ポンプ７とで構成される。多孔質板２は、金属粉体を焼結した多孔質体や微細な気孔が形成された多孔質セラミックスなどから形成される板である。多孔質板２は、水平に設けられ、蒸気を通過させる。
均熱ブロック３は、熱伝導度の高い材質、例えば、アルミまたは銅などの金属から形成される。均熱ブロック３は、多孔質板２の下面に接して固定され、１以上の空洞部３１を有する。空洞部３１は、多孔質板２の下面に平行な断面の面積が垂直方向に変化し上方に開口する。加熱装置４は均熱ブロック３を、所定の温度（例えば、３６℃）に加熱する。気相発汗用タンク５は、空洞部３１に供給するための水を貯める。水位センサ６は、気相発汗用タンク５の中の水の水位を検出する。気相発汗用送液ポンプ７は、気相発汗用タンク５の水を空洞部３１に供給し、空洞部３１内の水位を制御する。
図１の例では、均熱ブロック３は、縦に５個、横に５個の計２５個の空洞部３１を有する。多孔質板２は、すべての空洞部３１を覆うように均熱ブロック３の上面に接して固定されている。加熱装置４で加熱される均熱ブロック３の空洞部３１の中に、気相発汗用送液ポンプ７によって、気相発汗用タンク５の水が供給されることにより、空洞部３１の水面から水が蒸発し、蒸気が多孔質板２を通過する。
図２は、実施の形態１に係る発汗摸擬装置の均熱ブロックの空洞部の一例を示す図である。空洞部３１はそれぞれ回転軸が垂直方向の円錐形であって、上方に開口し、底に給水孔を有する。空洞部３１の給水孔と気相発汗用タンク５は連通管でつながっており、気相発汗用タンク５１と空洞部３１の水位は連動して変化する。気相発汗用送液ポンプ７は、水位センサ６が検出した水位が規定の値になるようにポンプを駆動して、空洞部３１の水位を制御する。気相発汗用送液ポンプ７は、水の蒸散した分を供給して水位を一定に保つ。
空洞部３１の水位は、多孔質板２に接する面を０ｍｍとして、垂直方向の下方を正の方向として計る。空洞部３１は、回転軸が垂直方向の円錐形であるので、水位の値が小さい方が水面の面積が大きくなる。これにより、空洞部３１の水面からの蒸散量を制御することができ、空洞部３１からの蒸気を通過させる多孔質板２からの蒸散量を調節することができる。なお空洞部３１に供給される水は、所定の温度（例えば、３６℃）に設定されている。
図３は、空洞部の水位の変化に伴う多孔質板からの蒸散量の変化を示す図である。図３は、縦軸を多孔質板２からの蒸散量、横軸を時間とするグラフである。実線は、公称濾過径が４０μｍの多孔質板２を用いた場合のグラフである。一点鎖線は、公称濾過径が１００μｍの多孔質板２を用いた場合のグラフである。また、多孔質板２からの蒸散量は、温度２０℃、相対湿度６５％、風速０．５ｍ／分という環境下での測定値である。
空洞部３１の水位を６ｍｍ、４ｍｍ、２ｍｍと変化させると（図２参照）、図３に示すグラフのように、多孔質板２からの蒸散量が変化する。図３の例では、発汗摸擬装置１は、公称濾過径が４０μｍの多孔質板２の場合は空洞部３１の水位を約４ｍｍに、公称濾過径が１００μｍ多孔質板２の場合は空洞部３１の水位を約６ｍｍにすることで、不感蒸泄と同程度の蒸散量（２０ｇ／ｈｒ／ｍ２前後）を実現可能であり、人体の気相発汗を摸擬することができる。
実施の形態１に係る発汗模擬装置１によれば、人体の気相発汗を摸擬し、蒸散量を調節することが可能になる。また、空洞部３１が、回転軸が垂直方向の円錐形であることで、均熱ブロック３の空洞部３１を加工しやすい。なお、空洞部３１の側面は、回転軸が垂直方向の回転放物面であってもよい。この場合、水面の面積は水位の一次関数で表されるので、水面の面積を調節しやすい。いずれも、多孔質板の下面に平行な断面（水面）の面積は、垂直方向の上方に向かって単調増加である。
（実施の形態２）
実施の形態２に係る発汗摸擬装置１は、人体の気相発汗および液相発汗の両方を摸擬する。
実施の形態２に係る発汗摸擬装置１は、人体の気相発汗および液相発汗の両方を摸擬する。
図４は、本発明の実施の形態２に係る発汗摸擬装置の構成例を示すブロック図である。実施の形態２に係る発汗摸擬装置１は、実施の形態１の発汗摸擬装置１の構成に加え、注水路８と、液相発汗用タンク９と、液相発汗用送液ポンプ１０とを備える。注水路８は、均熱ブロック３の内部を通り、多孔質板２を垂直方向に貫通する。液相発汗用タンク９は、注水路８に供給するための水を貯める。液相発汗用送液ポンプ１０は、液相発汗用タンク９の水を注水路８に供給することにより、多孔質板２の上面へ給水する。液相発汗用送液ポンプ１０は、注水路８へ水供給する水の量を調節することにより、多孔質板２の上面への給水量を調節することができる。
注水路８は、図４に示すように均熱ブロック３の空洞部３１の中を通るように構成してもよいし、均熱ブロック３の空洞部３１以外の部分を通るように構成してもよい。また、注水路８は、１つに限らない。複数の注水路８を設ける場合には、多孔質板２の中心から点対称に注水路８の開口部があるように配置するとよい。図４の例では、液相発汗用タンク９は、気相発汗用タンク５の中に配置しているがこれに限らず、気相発汗用タンク５の外に配置してもよい。
図５は、実施の形態２に係る発汗摸擬装置の注水路の一例を示す図である。図４および図５の例では、注水路８は、均熱ブロック３の空洞部３１の中を垂直方向に延び、多孔質板２を貫通する。このような構造にすることで、均熱ブロック３に注水路８のための空洞を新たに作る必要がない。なお、注水路８に供給される水は、空洞部３１に供給される水と同様、人の体温と同程度に設定されている。
実施の形態２に係る発汗模擬装置１によれば、実施の形態１の構成に加え、均熱ブロック３の内部を通り、多孔質板２を垂直方向に貫通する注水路８に給水し、多孔質板２の上面への給水量を調節することで、１台の装置で、人体の気相発汗および液相発汗の両方を摸擬することが可能になる。なお、実施の形態１と同様に、空洞部３１は、回転軸が垂直方向の円錐形であってもよいし、回転軸が垂直方向の回転放物面を側面とする形であってもよい。
（実施の形態３）
実施の形態３では、衣服のような繊維製品を試料とし、発汗摸擬装置１の多孔質板２を試料で覆った場合の放熱量を測定する。
実施の形態３では、衣服のような繊維製品を試料とし、発汗摸擬装置１の多孔質板２を試料で覆った場合の放熱量を測定する。
図６は、実施の形態３に係る発汗摸擬装置の構成例を示すブロック図である。実施の形態３の発汗模擬装置１は、実施の形態１の発汗摸擬装置１の構成に加え、熱流束センサ１１を多孔質板２と均熱ブロック３との間に備える。熱流束センサ１１は、単位時間に単位面積を垂直方向に横切る熱量を計測する。発汗摸擬装置１の多孔質板２を試料１２で覆うことで、人体が気相発汗している場合の試料１２の保温性を調べることができる。
実施の形態２の発汗摸擬装置１の構成に加え、熱流束センサ１１を多孔質板２と均熱ブロック３との間に備えてもよい。この場合、発汗摸擬装置１の多孔質板２を試料１２で覆うことで、人体が気相発汗および／または液相発汗している場合の試料１２の保温性を調べることができる。また、発汗摸擬装置１の多孔質板２を試料１２で覆った場合の蒸散量を測定すれば、人体が気相発汗および／または液相発汗している場合の試料１２の通気性や吸湿性を調べることができる。
実施の形態３に係る発汗模擬装置１によれば、衣服のような繊維製品を試料１２として、多孔質板２を覆った場合の放熱量を測定することにより、１台の装置で、人体が気相発汗および／または液相発汗をしている場合の試料１２の保温性を調べることができる。放熱量の測定は、熱流束センサ１１に限らず、均熱ブロック３を一定温度（例えば、３６℃）に保つ電力量を放熱量として測定してもよい。熱流束センサ１１を用いて放熱量を測定する場合には、加熱装置４からの放熱方向を垂直方向にするために水平方向の放熱を防ぐガードヒーターなどの補助装置がなくとも、高精度な放熱量を測定することができる。なお、発汗模擬装置１は、均熱ブロック３を一定温度に保つ電力量を放熱量として測定する測定装置を備えてもよい。熱流束センサ１１を用いて放熱量を測定する場合、均熱ブロック３を一定温度に保つ電力量を放熱量として測定する場合に比べて、即時性が高い。
上記の実施の形態のように、空洞部３１の形状は、回転軸が垂直方向の円錐形や、回転軸が垂直方向の回転放物面を側面とする形に限られない。空洞部３１の上面（多孔質板２の下面）に平行な断面が上面からの距離の関数で与えられ、水位を調節することによって水面の面積を制御できればよい。しかし、空洞部３１は、多孔質板２の下面に平行な断面の面積が垂直方向の上方に向かって単調に増加し上方に開口する形状であることが好ましい。この場合の単調増加は、広義の単調増加であって、断面の面積が一定である部分を含んでもよい。さらに、例えば、均熱ブロック３が弾性体であって、空洞部３１の形状を変化させる構成にしてもよい。
本発明は、本発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施の形態および変形が可能とされるものである。また、上述した実施の形態は、本発明を説明するためのものであり、本発明の範囲を限定するものではない。本発明の範囲は、実施の形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。そして、特許請求の範囲内およびそれと同等の発明の意義の範囲内で施される様々な変形が、本発明の範囲内とみなされる。
１ 発汗摸擬装置
２ 多孔質板
３ 均熱ブロック
４ 加熱装置
５ 気相発汗用タンク
６ 水位センサ
７ 気相発汗用送液ポンプ
８ 注水路
９ 液相発汗用タンク
１０ 液相発汗用送液ポンプ
１１ 熱流束センサ
１２ 試料
３１ 空洞部
２ 多孔質板
３ 均熱ブロック
４ 加熱装置
５ 気相発汗用タンク
６ 水位センサ
７ 気相発汗用送液ポンプ
８ 注水路
９ 液相発汗用タンク
１０ 液相発汗用送液ポンプ
１１ 熱流束センサ
１２ 試料
３１ 空洞部
Claims (11)
- 水平に設けられ、蒸気を通過させる多孔質板と、
前記多孔質板の下面に接して固定され、前記多孔質板の下面に平行な断面の面積が垂直方向に変化し上方に開口する１以上の空洞部を有する均熱ブロックと、
前記均熱ブロックを加熱する加熱装置と、
前記空洞部に給水し、前記空洞部内の水位を制御する第１給水装置と、
を備える発汗模擬装置。 - 前記均熱ブロックは、前記空洞部の底に給水孔を有する、請求項１に記載の発汗模擬装置。
- 前記均熱ブロックの前記空洞部の、前記多孔質板の下面に平行な断面の面積の垂直方向の変化は上方に向かって単調増加である、請求項１または２に記載の発汗模擬装置。
- 前記均熱ブロックの前記空洞部は、回転軸が垂直方向の円錐形である、請求項３に記載の発汗模擬装置。
- 前記均熱ブロックの前記空洞部の側面は、回転軸が垂直方向の回転放物面である、請求項３に記載の発汗模擬装置。
- 前記多孔質板の上面に給水する第２給水装置をさらに備える、請求項１から５のいずれか１項に記載の発汗模擬装置。
- 前記第２給水装置は、前記均熱ブロックの内部を通り、前記多孔質板を垂直方向に貫通する注水路を含み、前記注水路への給水量を調節することで前記多孔質板の上面への給水を制御する、請求項６に記載の発汗模擬装置。
- 前記第２給水装置の前記注水路は、前記均熱ブロックの前記空洞部内を通る請求項７に記載の発汗模擬装置。
- 前記多孔質板と前記均熱ブロックとの間に、単位時間に単位面積を垂直方向に横切る熱量を計測する熱流束センサを備える、請求項１から８のいずれか１項に記載の発汗模擬装置。
- 前記加熱装置が前記均熱ブロックを一定温度に保つ電力量を放熱量として測定する測定装置を備える、請求項１から９のいずれか１項に記載の発汗模擬装置。
- 水平に設けられ、蒸気を通過させる多孔質板の下面に接して固定され、加熱装置によって加熱される均熱ブロックが有する上方に開口する１以上の空洞部に給水し、前記空洞部内の水面の面積を変化させて前記多孔質板からの蒸散量を調節する発汗模擬方法。
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