第3回生活環境懇話会，071201，片山津温泉癒しの
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Transcript 第3回生活環境懇話会，071201，片山津温泉癒しの
AIST Chubu
日本熱物性学会 第３回生活環境懇話会
２００７年１２月１日，片山津温泉 まるや
熱物性は『木の文化・石の文化』の違いにも関与する？
－木材の温かみを測る－
Tcs TiniM
接触面温度
独立行政法人
TiniH TiniM
1 M /H
人体の熱浸透率
産業技術総合研究所
サステナブルマテリアル研究部門
小畑 良洋
AIST Chubu
木材とは？
資源の枯渇問題
Sustainable Development の観点から
２１世紀に再評価されるべき資源
持続・再生可能な資源
木質系廃材
木材
長期利用
木材研究の戦略
大量利用
有限資源の代替として
工業資源用に木質材料を
大量利用・有効利用・長期利用
（More use, Better use and Longer use）
伐採
間伐材 光合成
有効利用
CO2
樹木
育林
植林
接触温冷感の研究
地球環境問題
二酸化炭素を固定化する資源
木材の長所の評価
AIST Chubu
本研究の出発点
接触温冷感に支配的な物性値は何か?
長所：より温かい
短所：軟らかい
転んでも痛くない
適用例
• 保育所乳児室
• 特別養護老人
ホーム
キリ
オーク
銅
有限資源の金属の代替として木材の利用拡大
熱伝導率だけで
は，木材間の大
きな接触温冷感
の違いが説明で
きない！
フローリング材料
ステンレス鋼
温かい
冷たい
オーク >> ステンレス鋼
冷たい
接触温冷感: 温かい
キリ >>
> 銅
接触温冷感:
>> オーク
>> ステンレス鋼
熱伝導率
(W/mK):キリ0.134
0.330
48倍 16 > 銅 355
2.5倍
21倍
AIST Chubu
木材と他材料に関する、過去の接触温冷感の研究
接触温冷感 と 熱伝導率
金属の代替としての木材利用促進
・木材中心の材料に対する原田らの結果 (1983)
木材
金属
他材料
木材（縦断面接触）
接触温冷感, S
接触温冷感, S
・建築材料に対する岡島ら の結果(1976)
木材 （木口面接触)
断熱材
ﾌﾟﾗｽﾁｯｸｽ
S log l
熱伝導率, l [W/(mK)]
熱伝導率, l [W/(mK)]
精神物理学でのFechnerの法則
S K log R
S: 感覚量, R: 刺激量
ｾﾒﾝﾄﾓﾙﾀﾙ
官能試験の限界
一対の組合せの指数関数的増加
AIST Chubu
・岡島ら：12 試料
・原田ら ：20 試料
6000
一対の組合せ数
一対の組合せ数
66通り
190通り
5000
4000
3000
2000
1000
0
12
20
30
精神物理学でのFechnerの法則
S K log R
S: 感覚, R: 刺激
40
50 60
試料数
試料数
70
80
熱伝導現象の解析
90 100
刺激
AIST Chubu
理論解析によるアプローチ
温冷感の違いを表す物理量 ⇒ 刺激量
接触前
接触温冷感の違い
• 接触面温度
• 熱流束
キリ
銅
オーク
木材・金属に共通の
熱移動現象の理論解析
ステンレス鋼
接触温冷感の指標
キリとの接触
銅との接触
赤外線サーモグラフィ
AIST Chubu
温冷感の伝熱解析のモデル化
～接触温冷感に支配的な熱移動現象～
時間的：接触直後短時間
熱過ぎたり冷た過ぎたりしたものへの接触
反射的に手を離す （判断は接触直後）
位置的：接触面近傍
温度受容器（冷点，温点）は人体の表皮から
0.2mm，0.4mmの位置に存在
近似モデル
手と材料の接触による熱伝導
初期温度と物性値の異なる
二つの半無限体の接触による
一次元非定常熱伝導問題
⇒
AIST Chubu
接触温冷感を支配する熱移動現象の解析モデル
-bH TiniH at x=-bH
TiniH,lH, CH, H
0
Tcs-s at x=0
qs
x
qs
0 Tcs-s at x=0
TiniM,lM, CM, M
手側
材料側
TiniH,lH, CH, H
0
Tcs-p at x=0
qp
x
qp
0 Tcs-p at x=0
TiniM,lM, CM, M
bM TiniM at x=bM
x
初期温度，物性値が異なる
半無限体接触モデル
x
初期温度，物性値，厚さが異なる
平板接触モデル
（l；熱伝導率，C；比熱，；密度）
AIST Chubu
接触温冷感に関する熱移動現象の解析
基礎式
2TH (t, x) CH H TH (t, x)
x2
lH
t
2TM (t, x) CM M TM (t, x)
x2
lM
t
初期条件 (at t=0)
TH (0, x) TiniH , TM (0, x) TiniM
境界条件 (at x=0)
TH (t ,0) TM (t,0) Tcs (t )
qH (t,0) qM (t,0)
接触面温度: TCS
熱流束: q(t)
Tcs TiniM
TiniH TiniM
1 M /H
ここで
lC ; 熱浸透率
M TiniH TiniM
t 1 M /H
M (Tcs TiniM )
t
q(t )
AIST Chubu
木材の心理尺度による接触温冷感と
接触面温度の対応
・原田らの結果 (1983)
・我々の結果
木材(縦断面接触)
木材(木口面接触)
断熱材
ﾌﾟﾗｽﾁｯｸ
ｾﾒﾝﾄﾓﾙﾀﾙ
接触面温度, Tcs-TiniM [K]
S log(Tcs TiniM ) or S log(1M /H )
接触温冷感, S
接触温冷感, S
木材(縦断面接触)
木材(木口面接触)
断熱材
ﾌﾟﾗｽﾁｯｸ
ｾﾒﾝﾄﾓﾙﾀﾙ
熱伝導率, l [W/(mK)]
Fechnerの法則
S log l
AIST Chubu
木材の熱物性の考慮
木材の熱物性
Fechnerの法則
S log(Tcs TiniM ) log(1M /H )
比熱 C ;
樹種に関わらずほぼ一定
熱伝導率 l ;
密度 に比例
=al (a: 一定)
我々の結果
S log(lM 1/ b)
M lMCM M aCM lM bHlM
(b;const ant , H ;const ant )
AIST Chubu
木材の熱物性の考慮
Fechnerの法則
我々の結果
木材(縦断面接触)
接触温冷感, S
S log(Tcs TiniM ) log(1M /H )
木材(木口面接触)
断熱材
ﾌﾟﾗｽﾁｯｸ
ｾﾒﾝﾄﾓﾙﾀﾙ
S log(lM 1/ b)
熱伝導率, l [W/(mK)]
木材の接触温冷感は
熱伝導率の（一次式の）対数に比例
S log l
従来の定説
AIST Chubu
軽い木材ほど温かい
室温下（ TiniH TiniM）では
d (Tcs TiniM )
0
dM
M 大 Tcs 低 冷たい
M 小 Tcs 高 温かい
Tcs TiniM
TiniH TiniM
1 M /H
d (Tcs TiniM )
1 TiniH TiniM
dM
H (1 M /H )2
M lMCM M
AIST Chubu
木材の異方性も正しく評価
（木口面接触と縦断面接触の混在）
v lvC
f l f C
木口面接触
繊維方向熱伝導率
冷たい
冷たい
縦断面（柾目面，板目面）接触
>
繊維に直角方向熱伝導率
温かい
温かい
接触面
心理尺度の温冷感*
S
セラヤ
縦断面
4.36
セラヤ
木口面
3.25
0.350
シラカシ
縦断面
3.09
0.330
シラカシ
木口面
1.88
木材
温かい
冷たい
熱伝導率
l [W/(mK)]
0.190
0.486
* 原田らによる評価.：日本木材学会誌, 29, 205-212 (1983).
熱浸透率
[kJ/(m2s1/2K)]
0.416
順序
逆転
0.571
0.742
0.874
順序
一致
AIST Chubu
木材は金属よりも温かい
木材は樹種によって大きく温冷感が異なる
接触面温度, Tcs-TiniM [oC]
木材
(縦断面接触)
木材
(木口面接触)
キリ
オーク
H=palm
Bi
Mn
Ti
H=sole Sn
断熱材
ガラス
岩石
金属，合金
接触温冷感の評価式
Tcs TiniM
TiniH TiniM
1 M /H
ここで
H=copper
TiniH=32oC
TiniM=20oC
鋼 アルミニウム合金
Mg
Au Ag Cu
熱浸透率, M [kJ/(m2s1/2K)]
Tini ；初期温度
；熱浸透率 ( = lC )
M ；材料の物理量
H ；人体の物理量
AIST Chubu
木材 (縦断面接触)
電流計
木材 (木口面」接触)
測定レンジ
～5 DCmA
木材
palm
q*
断熱材
ガラス
ガラス
岩石
金属，合金
岩石
熱流束 at t=1/, q* [kW/m2]
接触面温度, Tcs-TiniM [oC]
木材、ガラス、岩石は人にやさしい材料
～50 DCmA
～500 DCmA
人体（接触温冷感測定器）
測定レンジ
Tcs-TiniM
木材
熱浸透率, M [kJ/(m2s1/2K)]
切替
断熱材
ガラス
岩石
金属
接触面温度, Tcs [oC]
AIST Chubu
季節による温冷感の違い
低温／高温の材料への接触
キリ
金属 (熱浸透率M：大)
スギ
Tcs -TiniM =
熱い
シラカシ
夏
TiniH TiniM
0
1 M /H
Tcs TiniM
接触面温度は材料の初期温度にほぼ等しい
TiniH=32oC
H=palm
パイレックス
冬
冷たい
鋼
アルミ合金
材料初期温度, TiniM [oC]
サウナで木材が
使われる理由
夏熱く，冬冷たい
木材(0<M/H<1)
TiniH TiniM
Tcs TiniH
2
金属に比べ，夏冷たく，冬温かい
季節に関わらず適度な温冷感
AIST Chubu
熱浸透率， [kJ/(m2s1/2K)]
サウナ用木材の熱浸透率
スプルース
サウナ用木材は，
木材の中でも低熱
浸透率
オベチエ
針葉樹
広葉樹
密度, [kg/m3]
AIST Chubu
パイレックス製哺乳瓶は
赤ちゃんが触って安心！
・ガラスの熱浸透率は人体の熱浸透率に近い
AIST Chubu
人体側の熱浸透率
部位の差・個人差の影響
接触面温度, Tcs-TiniM [oC]
1. 体の部位により熱浸
透率が異なる。
キリ
頭寒足熱
スギ
手のひら
足裏 額
オーク
パイレックス
大理石
花崗岩
TiniH=32oC
TiniM=20oC
人体側熱浸透率, H [kJ/(m2s1/2K)]
2. 熱浸透率の小さい足裏は，
同じものに触れても，手のひらよ
り低い接触面温度となり，逆に
熱浸透率の大きい額の接触面
温度は高くなる。
3. 体全体で，同じ適温を感じる
ためには，頭寒足熱にしなけれ
ばいけない。
AIST Chubu
人体側の熱浸透率
部位の差・個人差の影響
接触面温度, Tcs-TiniM [oC]
キリ
スギ
1. 熱浸透率が低い民族
は，二種類の木材の接触面
温度差が大きく，木材の識
別が容易。
オーク
2. 熱浸透率が高い民族
は，二種類の石の接触面温
度差が大きく，石の識別が
容易。
パイレックス
木の文化
石の文化
大理石
花崗岩
TiniH=32oC
TiniM=20oC
人体側熱浸透率, H [kJ/(m2s1/2K)]
3. それぞれ，よく分か
る材料を使って，特徴
ある文化は生まれる。
4. 人体の物性値に影
響するのは食事。戦
後，日本の食事の欧米
化で，木を見分ける能
力は低下した？
AIST Chubu
温冷感の感度について
d (Tcs TiniM )
1 TiniH TiniM
dM
H (1 M /H )2
VM 0.01M
V(Tcs TiniM )
VM
1
TiniH TiniM
H (1 M /H )2
場所により，1%の物
性値のムラがあった
ら，接触面温度として
どう感じるか？
AIST Chubu
温度変化，D(Tｃｓ-TiniM)/(TiniH-TiniM)
温冷感の感度
木材（柾目，板目面)
断熱材
木材（木口面)
ガラス
カラマツ
キリ
バルサ
岩石
ヒノキ
金属・合金
触って温かい木材
は，場所により物性
値変化があっても，
人間には鈍く感じら
れる。
熱浸透率比，M/H
AIST Chubu
温度変化，D(Tｃｓ-TiniM)/(TiniH-TiniM)
温冷感の感度
木材（柾目，板目面)
断熱材
木材（木口面)
ガラス
岩石
熱浸透率比=1付近のものに触れ
たとき，人は変化があれば一番良く
分かる。
母親にとり，物性値が最も近いの
は，我が子！
このグラフはスキンシップの重要
性を示している？
また，人体を形成するのは食事。
スキンシップで分かり会えるために
は，家族で同じ食事をすることの大
切さもこのグラフは示唆している？
熱浸透率比，M/H
金属・合金
AIST Chubu
温冷感の感度
温度変化，D(Tｃｓ-TiniM)/(TiniH-TiniM)
木材（柾目，板目面)
玄武岩
大理石
木材（木口面)
カラマツ
キリ
木の文化
断熱材
石灰岩
ガラス
花崗岩
岩石
ヒノキ
石の文化
金属・合金
バルサ
民族によって，熱浸透率=1の
位置が木材側か石側にずれる
と・・・
熱浸透率比，M/H
H=1.263kJ/(m2s1/2K)
掌の文献値で計算
AIST Chubu
まとめ
接触面温度と熱浸透率
伝熱解析
温冷感に関する知見の検討
木質材料の心地よさ
1.
木材の心理尺度による温冷感との高い相関
2.
室温での金属と木材の温冷感の違い
3.
木材の樹種による温冷感の違い
4.
季節による金属と木材の温冷感の違い
5.
木材の特性考慮による従来の関係式との関係
6.
木材の異方性考慮の場合の温冷感
木材や他の材料の接触温冷感の工学的評価指標
⇒
合理的，
定量的に
説明
木材の利用拡大