Akita University 秋田大学鉱山学部研究報告，第７号，１９８６年１０月論文湿分移動を伴う布地の有効熱伝導率＊高橋カネ子*＊・藤枝アイ＊*＊・三原孝之***＊・山田悦郎*＊ EffectiveThermalConductivityofClothingMaterialsCoexisted withConductionandDiffusion ＫａｎｅｋｏＴＡＫＡＨＡｓＨＩ**，ＡｉＦｕＪＩＥＤＡ*＊*，ＴａｋａｙｕｋｉＭＩＨＡＲＡ***＊ａｎｄＥｔｓｕｒｏＹＡＭＡＤＡ*＊ AbstraCt TheeffectivethermalconductivityoftheclothingmaterialsinwhichheatHowsaccompany withmasstransferhasbeenmeasuredTheconditionofthismeasurementmaybemoresimilar topracticalemploymentoftheclothes・Theexperimentalapparatusbaseduponthesteady statecomparisonmethodisslightlymodified・ＴｈｅｗａｔｅｒｔａｎｋｉｓｐｕｔｔｅｄｏｎｔｈｅｈｅａｔｅｒａｎｄｈｅａｔｉｓＨｏｗｅｄｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｓａｍｐｌeclothesupwardfromtheheaterthaｔｉｓｐｌａｃｅｄａｔｔｈｅｂｏｔｔｏｍｏｆｔｈｅａｐｐａｒatus・Theclothingmaterialsthatarewidelyemployedordinaryareselectedａｓｔｈｅｓａｍｐｌｅｌｆｔｈｅｈｅａｔｅｒａｎｄｔｈｅｒｏomtemperaturearekeptconstant,vapourizingrate〃isscarcely independenttothenumberandthekindofclothes・Ｔｈｅ〃,however,dependstothetemperature differencebetweentheheaterandroomtemperatureandrelativehumidityoftheroomOn theotherhandthetemperaturedifferenceofupperandbottomsuｒｆａｃｅｏｆｓａｍｐｌｅｉｓｎｅarly proportionaltothenumberofclothes、Thereforetheeffectivethermalconductivitycoexisting withheatconductionanddiffusionbymasstransfermaybeevaluatedbyobtainingthesum oftheeffectivethermalconductivityinthecasethatheatormasstransfersalonethroughthe clothes． 1．緒環境一衣服一人体の一連の研究がさまざまな角度 ‐ から行われているが，この研究の目的は，人間が衣服を着用した状態での熱物性値について考察するも衣服の着用の目的は，多岐にわたるが，日常の衣のである．服については，自然環境における身体保護を目的と人間が着用している衣服においては，人体の皮膚することが最も本質的なものであるといえる．表面からの発汗および不感蒸せいの水分が，被服開口を通して蒸発，拡散されるほかに，被服材料を媒１９８６年７月２５日受理体として放出されるので，被服内部では，湿り空気＊昭和６１年(６月２１日，秋田）日本機械学会秋田地方講演会にて発表となって水蒸気の拡散が起りゲ熱移動と物質移動が＊*秋田大学鉱山学部機械工学科．Departmentof MechanicalEngineering，MiningCollege，Akita U n i v e r s i t y ．＊**前秋田大学教育学部家政学研究室．Departmentof HomeEconomics，TheFacultyofEducation， AkitaUniversity． ****松下電器産業株式会社（生産機械工学科６０年度卒)．MatsushitaElectriclndustrialCo.,Ltd．共存している現象が生じている．これまでの布地に関する熱伝導率の研究は，湿潤織物(3)や，ウェットスーツ(4)，含水状態における布地の有効熱伝導率(5)について報告されているが，これらの研究はいずれも水分の移動を生じさせないような熱伝導のみをメカニズムとする研究が多く，水蒸 6 ９ Akita University 7 ０高橋カネ子・藤枝アイ・三原孝之・山田悦郎気拡散をも考慮した報告は少い、また，拡散蒸気による移動熱量ＱｓはＧｓと蒸発熱一方，これまで，著者らは，衣服に使用されている布地について，綿布，ポリエステル布などの因子 γ（Ｋcal/kgf)との積であり，拡散によるみかけの熱伝導率入＄を用いるとFourierの式より，を変え，定常比較法によって測定し，その結果，熱Ｑｓ＝−ﾉＭＴ/伽伝導率は，測定時の温度依存性が小さく繊維の容積比が増大すれば，それが増加すること，相対湿度が（３）となるので，これらを組み合せ整理すると入sは， 30∼90％の範囲では，ほとんど湿度の影響が認められないこと等の知見を得ている．そこで，本報告で入｡二似蓋TB些蒜（4１は，より実際の現象に近い場合を検討することを意図し，吸湿，放湿状態における布地の水分蒸発量と熱伝導率を測定し，湿分移動を伴う布地のみかけの熱伝導率に関係する諸因子について考察を加えた．となる．ＲおよびCjRs/〃は湿り空気表より求められ，また，実験によりＧｓ,〃/伽などが求められるから，入s,ﾉ(Zなどが上の式を用いて計算出来ることになる．１例として，全圧力を標準大気圧とし，凡＝記号 1.033×lO4kgf/ｍ２＝760ｍｍＨｇ＝１０１．３〔KPa〕をえＧｓ：拡散蒸発量らび,ﾉu＝１と仮定して，式(4)の計算結果をFig.１に zvI，：試料の枚数示す．図中には，比較のため，水および空気の熱伝 ,′、：含気率導率の他に高橋らの綿布のデータの平均曲線(8)を併Ｔ,／：温度せ示した．布地中を蒸気が拡散する場合は，抵抗係、：ヒータ温度数が大になるので，この図よりも入sが小さくなるＺ：室内温度と考えられるが，例えば，ガーゼの場合には，温度 △Ｔ：温度差が20°Ｃ以上になると,熱は伝導よりも拡散により多 γ世：繊維比重量く伝えられる可能性があると推定され，実際の布地Ｏｊ〃：蒸発率を検討する場合には，湿分移動を無視出来ないこと１ｓ：拡散によるみかけの熱伝導率がわかる．／ー一 2．水蒸気拡散を伴う熱移動Ｏ一字﹄一湿った物質内では，拡散一凝縮一毛細管作用一蒸一一ー一﹄卓発一拡散という過程を繰り返しつつ移動現象が行われている・水蒸気拡散に関する一般式は,Stefan(6)にー旧閲ｘＥ、妻ａｄ：大気の相対湿度入ｒ γセ：みかけの比重量一一ｏｏ二Ｅへ一．ｕ￥べﾉα：拡散抵抗係数一ＱＯ５より，次式のように与えられる．角Ｆ１，眼前 Gs＝ﾉuＲｓＴＢ−Ｒ、フ ( 1 ) ０．０１込旦１１１１ＩＯＩＯ２０３０４０５０６０ＱＯ７０ＴｏＣここで，凡：全圧力(kgf/ｍ２)，Ｒ：飽和湿り空気の水蒸気分圧（kgf/ｍ２)，Ｒｓ：水蒸気のガス定数Ｆｉｇ．１Ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｔｈｅｒｍａｌｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙｂｙ d i f f u s i o n ． (kgf.ｍ/kgfoC)，ル：拡散係数(ｍ２/h)であり，さら 3．実に，々はkrisher(7)らにより，次式のようになる．験３．１実験装置と方法倦二0川筈￨器l“ ( 2 ) 実験装置は，原理的には前報(8)と同様の定常比較法に基づくものであるがさらに，水蒸気拡散を生じ Akita University 7 １湿分移動を伴う布地の有効熱伝導率させるために，水容器（150×150×５３ｍｍ，厚さ３０ｍｍ)を加え，熱流方向を通常と逆にした装置を用い４．結果と考察た．装置の略図をFig.２に示す．４．１蒸発量と試料枚数，ヒータ温度各部分の温度は，直径０．０７ｍｍの銅一コンスタン各試料の測定枚数を１，３，５，１０枚とし，ヒータタン熱電対を標準板（テフロン板）および試料の上下，水容器の中にそれぞれ取り付けて測定した．外気温度と湿度の測定は，試料の上方１５ｃｍぐらいの所に，鋭感湿度計のプロープを置き，測定した．蒸温度を実験中一定に保つようにして時間当りの蒸発量を求めた．代表例として，ヒータ温度を同一にした綿ブロードとソフトデニムの場合をFig.３，およ発量は図に示すように，加熱側と容量の同じ水容器を自動天ぴんの上に置き，両者をビニール管でつな groodcIolhlhp35oC ぐことによって求めた．試料の厚さは，ダイヤル式 ⑥：ＮＣ蓮ｌＴｒ君１８°Ｃ①琴４５弘００８ｏ：３Ｉ９ｏＣ６１％０ットし，加熱する．加熱開始後，約３∼3.5時間でほ ▲ ：５２０ . Ｃ４２％６０次に，実験手順は，両容器に水を入れ，試料をセ一三Ｅ、。︸の厚さ測定器（最小目盛0.01ｍｍ）で求めた． △ ：１０１７ ℃ ６５弘Ｆ ‐ ０．０４ぼ定常状態に達し，それから，１０分毎に，各点の温度と蒸発量を１５０分間測定した，また，その間の周 0．０２囲温度と湿度も'併せて測定した．これらの結果を用いた前述の式から，九sおよび,αを求めた．ＯＯＯ職↑ 樺 f零’ 跨誇ｆ５０IOOて（ｍin】I50 日 1 ③脳 S Ｑ FiR､３Relationbetween77andで．邑愉 Rｂ L’ゲダグ″グノ""‘Ｊ〃 ′ IＷ ''醜'…'含ｉ許二↑‘ 百ｍＣ“ Ｂ ″ノノノノノｒＷ１' 、 Sofldenim ＬＪ−Ｕ１ＪＨ：ＨｅｄｒｅｒＷ胃ＷｑｒｅｒＳｑ:SqmplePIqIe Sp：PorousPIqte Ｅ Sr2SlondordPIq↑e,堅=ノ ST2SfQndQrdPIq把副sＢｑｌｑｎｃｅ CuzCupperPIqre l７ＤＣ４７艶 ▲ ：５１８．Ｃ６５兇 △号１０ＥＯ､０６ｊ礼１，０．０４ Fig.２Schematicdiagramofexperlmenta］０．０２ａｐｐａｒａｔｕｓ．、：３、ひ F 目ＩＩ−ｆＢ:‐｢he｢mocouple Ｔｈｐ３ＳｏＣ - ⑧ 。Ｎ＆〃Ｉ而・ｌ８ｏＣ＠.５３％. ■ ︻Ｑ O−ＯＯ慰至yf≦犀３．２試料５０１００Ｔ(ｍin）１５０ Fig.４Relationbetween77andT．実験試料としては，被服材料として，日常用いられている素材で，実用性のあるものを数種選んだ．試料の材質，厚さ(Sと)，みかけ比重量(γを)，繊維比重量（γb1)，含気率（妙）をまとめて，Tablelに示す．ぴFig.４に示す．実験室内は出来るだけ外部からの空気の流出入を防ぐようにしたが恒温，恒湿でないために，蒸発量〃は，両図ともに，ある一定の値のところで，時間に TablelDetailsoftestingmaterials．よる変動が激しいが，試料の枚数による大きな相違はないようである．他の試料についても同様の傾向Ｘ９，tmz '５２ 0．５５６１０．５３９６１１．１７１０．５４０６ Sｏｆ１ｄｅｎｉｍ POIye51er ＷｏｏｌＦｌＱｎｎｅｌｌＷｏｏＩ１０‘５０８１０．５３８３１１．３１１０．５日９１唖｡fｆｅＩｄ NylOn を示した．さらに，試料の枚数と材質による蒸発量 77の定量的な検討をするため，ヒータ温度をいくつか変えた場合の時間と蒸発量の関係のｌ例をFig.５に示す．試料枚数は５枚で，綿ブロードの場合である．こ Akita University 7 ２高橋カネ子・藤枝アイ・三原孝之・山田悦郎の図において，ヒータ温度のみでなく，室温および蒸発率と時間との結果から考察を加えると，“はヒ相対湿度も同一ではなく，さらに実験中のＺおよータ温度公のみでなく，大気（室内）温度Ｚおよび‘の変動に伴って，蒸発量も変動があるが，前図び室内の相対湿度ｄによっても影響を受けると考よりもパラメータの影響は明らかで，ヒータ温度がえられる．即ち，△Ｔ＝、−忽の大きいほど，また，高いほど蒸発量が多くなっていることがわかる．まｄの小さいほどﾉαは大きくなると推定される．そこた加熱による蒸発よりもさらにゆるやかな自然蒸発で△Ｔ/ｄを変数として〃との関係を示すと，綿ブによる蒸発量の相違を見るため,容量５００ｍlのメスロードについてはＦｉｇ７のようになり，この図かシリンダーに水４００ｍlづつ入れ,上部を綿ブロードら，相関性が認められるけれども，どの程度かは不で枚数１枚，３枚，５枚でふたをしたものと，開放し明である．てあるもの計４本を用意し，これを室内に７０日間放また，単純にヒータ温度のみとの関係を示すと，置した．その結果をFig.６に示す．開放状態とふた Fig.８が得られる．この図において,各試料共にほぼをした状態とでは，明らかに差が見られる．このこ 0０８ｌとより，試料１枚で，急激に蒸発量が減少し，それ BroodCIom ６００には，枚数による蒸発量の変化は，Fig.３，４と対比すると，その傾向が一致した．このようなことから，︵ＥＥへロ︶以上枚数を重ねても，蒸発がゆるやかに生ずる場合 BｒｏｏｄｃＩＯ１ｈ ◎ F ∼ ＮＣ・５ −ｏ６Ｔｈ・４２●ＣＴｒＤＩ５●Ｃ①画５５％− ０．０８ 0０４ ◎ 画 ■ ●：３５ｏＣ１８●Ｃ４５％ △：２３ＱＣＩ４●Ｃ４８％６０Ｏ一三Ｅ、。︶ ◎ ｗ計 ● F ‐ ０．０４０ ◎ 0０２００。０．０２、‐／‐ 凸戸凸、〆 . 、 ′ ー６ − ．、 ‘ > 9 へ。ＯＯＯ００．００ 5００ｐＯＴ（ｍin） Fig.５Relationbetween 〃ａｎｄ丁．Ｉワ︵ＥＥへロ︶屑二Ｅ︶エ５０ ●；２０ Fig.７Relationbetween〃ａｎｄ△//ゆ（川ＯＯ ’ ｏ；Ｄｏｙ＝７０￨ＯＯ−△：００ ■ BroodcIo↑ｈ５ △ ↑ ／の１５０４ 5０ − へ △ 』ｌ −Ｚｂ０１０ ● −−可Ｄ ’ ０３５０ＮＣ Fig.６RelationbetweenHandＨｂ Fig.８Relationbetween〃ａｎｄ別 Akita University 湿分移動を伴う布地の有効熱伝導率 7 ３一本の曲線で表わされ，試料の種類に関係なく，同じ傾向を示している．この原因は，室内温度Ｚと湿度ｄが自然状態にあるため，あまり大きく変化して枚数が増すごとに，温度差が大きくなることがわかいないことにより，本報では，Ｚが最も自由に可変出来る条件であったためと思われる．温度差のゆらぎが大きいと′思われたが，７７のような激しい変動は見られなかった．Fig.３とFig.９の肌以上のことから，蒸発量'7は，ヒータ温度，湿度に影響を受け，試料の材質や厚さの影響は，小さいように考察される．が同じ場合の同一時間で，〃と△Ｔとが逆の傾向を示している個所が認められるが,いずれの場合にも，同じ傾向を示しているわけではない．４．２試料温度差る．含気料の大きい試料においては，湿分移動により各試料の枚数１V''ごとに△Ｔの平均値をとり△Ｔ Fig.３および４に示されるような蒸発量りの変動と肌との関係を示すと，Fig.１Ｏのようになる．含は，試料上下間の温度差とも関係すると思われるの気率の大きいテトロンが最もばらつきが大きいが，各試料ともにほぼ直線上に実験点が存在しているこで，この値と時間との関係をｌ例として,Fig.３の綿ブロードに対応させて，Fig.９に示す．図から，試料︵。●︶﹄。ＣＯＯ４３Ｏ２Ｏ０ Brooddofh の湿分移動の変動状態にも起因するものと思われ ●：Ｎｃｓｌ。；３る．もし，試料の重なりによって一枚当りの布地厚 − ▲ ：５ △：１０ ● △〆、/､一 . ／･〆 △ 、｡ ∼ Ｆ − ａ／ムーー査一竜一、さがあまり変化しないものとすれば（前報(8)の結果から３枚以上はほとんど変化しない）重ね枚数に比例して熱抵抗が増大することを示し，本報での実験一三０とが認められる．実験点のばらつきは，室内環境の変動に主たる原因があるが，試料内の空隙を通して E 三三三５０、＝金一争〆と− −c一．一ヶ一o旨条件の範囲内では，蒸発率〃は変化しないことから，快適性を悪化させることなく身体を保温出来ることになる．しかしながら，運動などによる急激な ▲ 『発汗のような場合には，別の考慮が必要であろう．ー１００丁（ｍin） Fig.９Relationbetween△Ｚ、ａｎｄで．１５０４．３拡散抵抗係数 (1)式を用いて，各試料に対して拡散抵抗係数狸の値を求めた．綿ブロードの場合をFig.１１に示す．実験条件の室温は７°Ｃから２０°Ｃ，湿度は４２％から 65％の範囲にあり一定ではないが，各枚数の〃の値は,２から４の間で変動しており，蒸発量同様重ね合０．６せ枚数の大きな相違は見られない．他の試料（テト︵。。︶ロン，ソフトデニム，フラノ）の〃の値も，いずれもほぼ同程度であり，各試料の違いはあまり表われ﹄ぐ０．４ BroodcIo↑ｈＴｈｏ３５●Ｃ８．０一●：Ｎｃａ１稀｡２０●Ｃの｡４２％一一一一００６辻４０：３１９ ℃ ６１％ ▲：５１８．Ｃ４５％ − △ ：０．２ｌＯｌ７●Ｃ６５％、八Ａ八 2.0 ０．０５Ｎｃ１０ Fig.１０Relationbetween△ＴａｎｄｊＶ℃． 0.0 ０ ’ ５０１００Ｔ（ｍｉｎ） Fig､llRelationbetween〃ａｎｄで． l50 Akita University 7 ４高橋カネ子・藤枝アイ・三原孝之・山田悦郎ていない．しかし，ナイロンタフタの場合には,ﾉｕの５０．1 ついては今後研究を進めたい． ●：Ｔｅ↑oroｎ一。●二Ｅ、百○ヱ誤差も大きいことから，材質の影響の有無・程度に △：Sofrdenim ▲：WoolFIonneI ● O 、I Ｃ ●● ４．４熱伝導率と〃および'７との関係・ 9 f 合各実験結果におけるﾉｕの平均値を求め，有効熱伝導率九ｓとの関係を表わすと，Fig.１２および1３のよ距茎言 ogBroQdcIom 値は他の試料の倍以上の値を示した.変動が激しく， Q△ △ ＱｌＯ △ △ ダ＜ △▲△ ２． q ･ $ や O 、０５うになる．全 ◎ ８。▲ A ▲ ◎ ＱＯ５ ◎ ◎ ０前者はテトロンのみについて示したものである．〃の値が大きくなると拡散による抵抗が大きくなり，１sが急激に減少していることがわかる．さらに００００ＱＯ２０ 4.0 浮他の試料についてもまとめて示したものが，後者で Fig.１３Relationbetween 入ｓａｎｄ〆．ある．材質による相違について観察すると，テトロン以外の綿ブロードは，入sが0.04Kcal/mhoC，ソフトデニムは，０．０７Kcal/mhoC，ウールフラノは０．０６に思われるが，この原因が含気率，織物組織，その Broodclom ６００すい材質と，影響の少ないものとがあることのよう ○ ＱＯ６他のいずれの要因によるものか，まだ，未検討であ０碗〆＜る．００４００次に，九sと〃との関係を考える．Fig.１４は，綿ブロードの場合を示したもので，蒸発量〃が多いほど拡散による伝熱量が大きいので，入sが大きい値を示している．各試料について，まとめた結果をFig.１５に示す．各試料とも蒸発量りの増加に伴って，入sが皿ヱ茎傾向は，見られない．このことは，〃の影響を受けや︵。。二Ｅ、一ＣＯヱ︶ Kcal/ｍｈｏＣの近傍でほぼ一様であり，急激な減少の８．８．頓 QO4 ○ ０．０２全般的にやや増加する傾向を示している．しかしながら，蒸気拡散のない伝導のみで熱が移動する場合の熱伝導率とそれほど大きな変化はなく，綿ブローＯ・ＯＯＬＯｇｌＯＯ 0０２００４００６ ‘ 7 ７（ 9 / m i n ）Ｆｉｇ．１４Relationbetween入ｓａｎｄ77. Ｔｅ１ｏｒｏｎ０ｏ：Broodclofh ●；Ｔｅ↑or。、ー △；Ｓof↑denim △△ ● ０．０ ● 0 . ＩＣ ● ● 〆 0 １０５一 oｐ５￨ △ ● ● △ ● ● ● 企 △畳−−−△ ’ ０．００００００２．０ 3.0 ，』 / Fig.’２RelationbetweenAsand鰹０蝿９茎ー △ ▲ 。司 '■■■ 。 ◎ Cu５ヱ ▲：ＷｏｄＦ極ｍｅＩ ●△ 戎● 型”岳ミ目工︶星 ● ● ０．1 ５四ヱＥ、董迦四わ｜‐ ｘＥき三ｍ ● ＱｌＯ ●●● ︵ゲニＥ二．Ｕエ︶歯べ］, CLl5 ｢｡。’ ０．０２００４７７ ( 9 ﾉ m l n ）０．０６ Fig.１５Relationbetween入ｓａｎｄ〃Ｑｊｏ α０５Ｑ。 Akita University 7 ５湿分移動を伴う布地の有効熱伝導率ドではむしろ小さい値を示している．この原因は，２．布地の上下面の温度差は，枚数が増すと比例伝導のみの実験ではヒータを上部に置き布地を圧縮的に増加し，熱抵抗を大にするが，熱伝導率には，しているのに対し，本実』験では上部を開放し荷重をあまり影響を与えない．かけていないため，実験中の厚さは大きく異なり，みかけ密度が相違するためと推定される．しかし，前述の定性的傾向から，繊維を通しての熱移動と湿分移動があるために，伝導のみで熱が伝３．拡散抵抗係数は，枚数による相違はほとんど見られないが,材質による違いは未だ未検討である．４．蒸気拡散による有効熱伝導率は，拡散抵抗係数が大きくなると，減少する傾向にある．えられる場合よりもみかけの熱伝導率は大きくなり，'7の大きいほど,入sはさらに増加していくと思わ文れる。従って，この空間が粗で含気率が大きいほど，蒸気拡散による九sへの影響は大であるといえる。一邪 5．結水蒸気拡散を伴う布地の有効熱伝導率について，拡散蒸発量と温度の測定により材質による影響や，献（１）高橋他(1981）：第２回熱物性シンポジウム講演論文集，１５９． (2)高橋他(1982）：第３回熱物性シンポジウム講演論文集，１４９． (3)仲他（1976）：繊維機械学会誌，29-7,55. 環境条件の影響について検討を行った．これまでの (4)大野他（1970）：人間工学，5-4,246. (5)高橋はる子（1954）：日本家政学雑誌，5-4,432. 主な結果をまとめると，次のようになる． (6)Stefan,Ｊ，（1889)：MZz的．Ｍｚ加鋤jss．Ｓ"た”９３６８γ，１．布地を通っての蒸発量は，ヒータ温度，周囲９８，１４１８．温度，湿度により影響を受けるが，布地の材質や厚 (7)Krisher,０.ｇｊａＪ.（1956)：Ｆｂ湾Ｃ”唾,２２，１．さによる相違は，きわめて小である． (8)高橋他（1983）：秋大鉱山研究報告，４，６３．