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・Thewatertankisputtedontheheaterandheat isHowedthroughthesampleclothesupwardfromtheheaterthatisplacedatthebottomof theapparatus・Theclothingmaterialsthatarewidelyemployedordinaryareselectedasthe sample lftheheaterandtheroomtemperaturearekeptconstant,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a d: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 . 0 1 込旦 1 1 1 1 I OIO2030405060 QO 70 ToC 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30 mm)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 008 o : 3 I 9 o C 6 1 % 0 ットし,加熱する.加熱開始後,約3∼3.5時間でほ ▲ : 5 2 0 . C 4 2 % 6 0 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. △ : 1 0 1 7 ℃ 6 5 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 f 50IOO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 rW 1' 、 Sofldenim LJ−U1J H:Hedrer W胃Wqrer Sq:SqmplePIqIe Sp:PorousPIqte E Sr2SlondordPIq↑e,堅=ノ ST2SfQndQrdPIq把 副sBqlqnce CuzCupperPIqre l7DC47艶 ▲ : 5 18.C65兇 △号10 EO、06 j 礼 1 , 0.04 Fig.2Schematicdiagramofexperlmenta] 0.02 apparatus. 、 : 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 008 l とより,試料1枚で,急激に蒸発量が減少し,それ BroodCIom 6 0 0 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 BroodcI O1h ◎ F ∼ NC・5 −o6Th・42●CTrDI5●C①画55%− 0.08 004 ◎ 画 ■ ●:35oC18●C45% △:23QCI4●C48% 6 0 O 一三E、。︶ ◎ w計 ● F ‐ 0.04 0 ◎ 002 00 。 0.02 、‐/‐ 凸 戸凸、〆 . 、 ′ ー 6 − . 、 ‘ > 9 へ 。 OOO 0 0.00 50 0 pOT(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 │ O O−△: 0 0 ■ BroodcIo↑h 5 △ ↑ / の 150 4 50 − へ △ 』 l −Z b 0 1 0 ● −−可 D ’ 0 3 5 0 N C 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 ︵。●︶﹄。 CO O 4 3O 2O0 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. 1 5 0 4.3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●C 8 . 0 一●:Nca1稀。20●Cの。42%一一一一 0 0 6辻4 0 : 3 1 9 ℃ 6 1 % ▲:518.C45% − △ : 0 . 2 lOl7●C65% 、 八 A 八 2.0 0.0 5 N c 1 0 Fig.10Relationbetween△TandjV℃. 0.0 0 ’ 50 100T(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 5 0 .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 000 0 QO 20 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 6 0 0 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 . 004 00 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・OOL O g l O O 002004006 ‘ 7 7 ( 9 / m i n ) Fig.14Relationbetween入sand77. Te1oron 0 o:Broodclofh ●;Te↑or。、 ー △;Sof↑denim △△ ● 0 . 0 ● 0 . I C ● ● 〆 0 1 0 5 一 op5 │ △ ● ● △ ● ● ● 企 △畳−−−△ ’ 0.00 0 00 0 2.0 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 . 0 2 0 0 4 7 7 ( 9 ノ m l n ) 0.06 Fig.15Relationbetween入sand〃 Qjo α05 Q。 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 9 8 , 1 4 1 8 . 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.
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