(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
装置の携帯者の皮膚表面（16）からの熱流束の全量を測定することによってカロリー消費量を測定する装置であって下記の部材を備えている。
ａ）熱流束センサー手段（10）と、
ｂ）非覆材（12）であって、該被覆材（12）の一部は装置を携帯する者の皮膚の表面（16）と熱流束センサー手段（10）とに接触し、該被覆材（12）は液体を吸収することができ、該皮膚の表面（16）から該液体を該熱流束センサー手段（10）と接触している該被覆材（12）の部分に移動させることができる被覆材（12）。
【請求項２】
前記皮膚表面（16）と前記被覆材（12）は20g/m2/dayから100g/m2/hrの範囲の実質的に同一の蒸発速度を備えている請求項１に記載された装置。
【請求項３】
前記被覆材（12）が皮、人工膜、きつく織られた織物からなるグループから選択されたものである請求項１記載の装置。
【請求項４】
前記液体が汗である請求項１記載の装置。
【請求項５】
前記携帯者に対して前記装置を装着する手段を含む請求項１記載の装置。
【請求項６】
前記装着装置が目のある織られた材料である請求項５に記載された装置。
【請求項７】
その装置が配置された場所の表面（16）からの熱流束を測定するための装置であって下記の部材を備えている。
ａ）熱流束センサー手段（10）、
ｂ）被覆材（12）であって、大気に露出した熱流束センサー手段（10）の表面において熱流束センサー（10）に接触し、該被覆材（12）は液体を吸収する能力があり、
吸収した該液体を該装置が配置されている場所の表面（16）から熱流束センサー（10）と接触している該被覆材（12）の部分に移動させることができ、
ここから蒸発が行われる被覆材（12）と、
ｃ）前記熱流束センサー手段（10）の前記表面から均一な熱流束が生ずるように前記熱流束センサー（10）と前記被覆材（12）との間に配置された熱伝動性材料（14）。
【請求項８】
前記熱伝導性材料（14）は金属のホイル、真空蒸著した金属のホイル、及び熱伝導性プラスチックのグループから選択されたものである請求項７記載の装置。
【請求項９】
前記被覆材（12）と前記皮膚（16）は20g/m2/dayから100g/m2/hrの範囲で実質的に同一蒸発速度を有する請求項８記載の装置。
【請求項１０】
前記熱流束センサー手段（10）がサーモパイル、サーミスター及び熱電対にもとずく熱電対流束センサーのいずれかである請求項８記載の装置。
【請求項１１】
前記被覆材（12）は皮、人工膜、きつく編まれた織物のいずれかである請求項８記載の装置。
【請求項１２】
前記液体が汗であり、前記装置が配置された表面（16）が生物の皮膚表面である請求項８記載の装置。
【請求項１３】
前記表面（16）に前記装置を装着する手段を含む請求項８記載の装置。
【請求項１４】
前記装着手段が目のある織物材である請求項13に記載された装置。
【請求項１５】
前記被覆材（12）と前記熱伝導性のある材料（14）が前記熱流束センサー手段（10）の少なくとも一の縁からその装置が配置された表面（16）に拡大している請求項７記載の装置。
【請求項１６】
前記熱流束センサー手段（10）から得られた熱流束をカロリー消費量のデータに変換するマイクロ制御手段を更に含む請求項７記載の装置。
【請求項１７】
前記熱伝導性材料（14）が複数の隣あった突起部（31）を共有し、相互に空間（33）を有し、該突起部（31）が熱流束センサー手段（10）を超えて前記装置が配置された表面（16）に接触している請求項15記載の装置。
【発明の詳細な説明】
発明の技術分野
本発明は、対流、熱伝導、輻射及び蒸発に伴う熱流束を測定するための方法及び装置に関する。特に、発明の望ましい実施態様においては、本発明は人体またはその他の生物からの熱の損失をこれらの幾つかの部分からの熱を測定することによっておこなう。その部分は、人体もしくは生物体の熱ロスを代表すると考えられている部分である。本発明による前熱流束の測定によりカロリー消費量の計算をすることができる。
発明の背景
カロリー消費量の決定は重量のコントロールまたはフィットネスプログラムの重要な要素である。一般的にカロリー消費量は、所定の活動に対して表で与えられる値を用いて評価される。また、ジョギングマシーン（TREDMILL）又は、自転車の様な運動設備における作用荷重の特定によって行われるのが通常である。しかしながら、いずれの方法も特に信頼がおけるものではない。上記テーブルは通常70kgの個人に対して、ある程度任意的であり平均的な態様における運動を行う場合についてテーブル化されたものである。特定の個人のカロリー消費量を反映するものではなく、実際のカロリー消費量から50％もの差があるテーブルである。カロリー計算機を備えた運動設備も同じような誤差があり、また、これらの装置はその日の全カロリー消費量を表示することはできない。より信頼性のある方法としてはカロリー消費量を実際に測定することであろう。生物体の代謝エンジンはかなりの量の熱を発生し、休息時においては、100ワットの電球と同程度の熱を発生する。人体は体温である98.6F（37℃）を維持する場合において、環境への熱ロスを血液の人体表面の流れを制御することによって行う。休息時には、皮膚表面への血液の流れが制限され、皮膚の表面は人体の中心部よりも20F（11℃）低い温度である。
その結果、環境への熱流束は低い。しかしながら運動を行うと、体力の行使によって発生する余分な熱は人体の温度を一定に保つために環境に放出される（人の筋肉を収縮されるための必要なエネルギーの約80％は熱として消費される）。血液の流れは皮膚に向かいその温度を上げ環境に放出される熱の速度は増加する。同温体としての人体は代謝プロセスによる熱の発生と蒸発、対流、輻射及び伝導による熱ロスとバランスさせながら人体の温度をほぼ一定に保持する。通常の室温における休息時においては、人体は対流と輻射による熱ロスを放出して（熱伝導による熱ロスは少量である）体温を制御し、おもに皮膚表面への血液の流れのコントロールによって行う。もし、一人の人間が35℃以上の雰囲気のおかれ、または運動しているならば、対流と輻射による熱ロスは内部の温度を制御するには不適当であり、人体は蒸発による熱ロスを利用する。蒸発は感知できなくても（明確に汗を出さない）発生し、また感知できる程度（明確に汗を出す場合）の蒸発は他の２種類の熱ロスが結合した場合よりも数倍の熱ロスを生じさせることができる。
熱流束は正確には全人体をカロリーメーターで測定することによって正確に測定することができる。この装置は対象物をその中に入れ、対象物から発生する全熱量を捕捉し測定するものである。全人体用のカロリーメーターは非常に高価であり、また比較的移動が困難であり、人体の行動や動きも限定されているという点で不利である（W,H,CLOSE,M,J,DAUNCY、D,L,INGRAM著（1980年）、「カロリーメーターによる人体からの熱ロスの測定と熱流束メーター、による人体からの熱ロス」、BR.J.NUTR,（1980）43、87〜93頁参照）。全人体のカロリーメーターの欠点を克服するため、熱流速センサーを用いたサンプリング技術が開発され、対象となる皮膚表面の幾つかの場所からの熱ロスを測定することによって評価することができる。測定された各データは、体重係数をかけることにより対象である人体の特定の場所に熱ロスを評価する。全ての部分的な熱ロスを加算することにより全体の熱ロスを評価する。体重係数を用いる方法はHARDY、DUBOISによって開発されている（ARCHIVS  OF  INTERNATIONAL  MEDICINE、Vo1.17,No.6,863〜871頁（1961）参照）。
従来の熱流束センサーはその物質の熱的抵抗に抗してその物質の表面に生ずるおける温度勾配の測定に基づいている。熱流束を正確に測定するセンサーのためにその表面に断熱層を加えてはならず、またその表面からの熱を損失してはならない。現在入手できる熱流束センサーは壁、ドア、ボイラー及び配管等の非生物的な物体に対してはよく測定ができ、これらの対流、輻射及び熱伝導による熱ロスを測定することができる。しかし、これらの測定機は蒸発による熱ロスが重要である人体からの熱ロスを測定するためには不適当である。RdF等から製造されている現在の熱流束センサーはその物体からの蒸発による熱ロスの部分を含めることができないという二つの理由がある。
（１）このようなセンサーは皮膚の表面を覆ってしまうために蒸発を阻害する。従って、センサーの直下から蒸発する水分はセンサーの接触する近傍の皮膚の表面から蒸発し、センサー表面からのものではない。
（２）人体からの熱ロスを測定するために使用した場合には、これらのセンサーは蒸発による熱ロスが増加すると熱流束は低下することが認められ、従って、皮膚の表面温度を低下させている。
従って、熱ロスを含めて全ての熱ロスの要素を測定することができる熱流束センサーが開発されるならば著しい進歩が達成されるであろう。
発明の開示
本発明は、熱流束の全ての素子をカロリー消費量を決定するための方法と装置に関する。この装置は小型で携帯することができ比較的に安価で、しかも運動に対して何らの制限がなく対象物に付着させることができる。本発明は、蒸発による熱を測定できない現在の熱流束計よりも優れている改良された熱流束計を使用する。現在、全体を測定するカロリーメーター装置のみが人体からの全熱ロスを測定することができる。前述の通り、これらの装置は大型で高価で比較的に動かすことができず、また、対象物の動きを制限している。熱流束センサー素子により蒸発による熱ロスを測定するために、本発明では従来のセンサー利用するものの、被覆材を利用する。この被覆材は測定される表面（例えば皮膚）から蒸発液が熱流速センサー素子の大気側の面に移動することを許容し、さらに熱流束センサー素子の表面から蒸発することを許容している。蒸発による熱ロスの測定を更に容易とするため、この発明の望ましい実施態様においては、熱流速センサーの大気側の表面と測定表面の周囲のおいても均一な温度を発生させる。最も望ましい実施態様においては、熱流束センサー素子の大気側の表面と測定される表面とを覆うような熱伝導性のある層を使用することによって可能である。
【図面の簡単な説明】
図１は、現在使用されている熱流束センサーの断面図である。
図２は、本発明の望ましい実施態様における断面を示す図である。
図３は、図２において円を描いた部分の断面拡大図である。
図４は、本発明における熱ロスの測定のための望ましいセンサーの平面概略図である。
本発明における最良な実施態様。
本発明は種々のの応用が考えられるが、例えば生物体（人又は動物）からの熱流束を測定することによってカロリー消費量を測定する方法について以下詳細に述べる。
この生物体については測定される表面が皮膚であり、熱流束の蒸発に基づく熱ロスを生じさせる液体は汗である。しかしながら、これだけが本発明の応用ではない。本発明の他の使用法は、例えば蒸発式のクーラーの最適化を含むものである。本発明では伝導、対流、輻射及び蒸発に基づく熱流束を改良された熱流速センサー素子を用いて行う。次のような使用を満足する熱流速センサー素子の何れでも本発明のために利用することができる。小型であり、適用性があり、適当な感度があればよい。望ましい熱流束センサー素子はRdF,HUDSON,H.H.等から入手できるもので「マイクロホイル」（商標）熱流束センサーとして市販されているものを使用できる。その他の熱流束センサー素子であっても本発明の要求に合致するものであれが使用可能であり、サーモパイル、サーミスター及び熱電対等に基づく熱流束センサー素子を含む。蒸発による熱ロスは皮膚表面において汗が蒸発した時に生ずる。
図１はよく利用されている熱流束センサー素子の断面を示す。この構成において熱流束はセンサー素子10の下側で、皮膚16と向き合っている汗17を捕捉する。このことはセンサー10の下側における汗17が蒸発するのを防ぎ、熱流束センサー素子10で覆われた皮膚16の表面からの蒸発による熱ロスを防止する。熱流束センサー素子10は蒸発による熱ロスを測定していないので、即ち、周囲の皮膚16で発生している蒸発による熱ロスを測定しないので、熱ロスの測定は周囲の皮膚16における熱ロス20を代表するものではない。この誤差は、評価された熱流束21が実際の熱ロス20よりも蒸発に基づく熱ロスに等しい量だけ生ずることになる。熱流束センサー素子10がセンサーの下側における汗の蒸発を防ぐために、汗17はセンサー10の従わせ堆積し、一部の汗は側方に漏れだし、18、センサー10の周りの場所に集められる。この集められた汗18は熱流束センサー10の周囲の部分において熱ロス22を増加させる。従来の熱流束センサー素子10はセンサーの中央部分において最も敏感であり、この周囲においてはあまり敏感でないので、センサー10の周囲の部分における熱ロスの増加22を検出することはない。
この発明は従来の熱流束センサー素子10の欠点を最小にし、かつ保証し、蒸発による熱流束を測定することができる。本発明の一つの実施態様８は図２及び図３において示されている。熱流束センサー素子10は表面16の上に置かれ、この表面は後述するように、例えば皮膚のようなものである。熱流束センサー素子10の大気側の側面24における蒸発による熱ロスを発生させるために、本発明においては表面の被覆材12を設け、この被覆材は熱流束センサー素子10の周辺付近の汗の堆積18を、矢印11で示すように、被覆材12を通って熱流束センサー素子10の大気側の面24に移動させる。このような移動は汗が熱流束センサー10素子の大気側の面24から蒸発することを許容し、対象の皮膚表面16で起きているような蒸発による熱ロスをシュミレートする。
本発明の好ましい実施態様においては、被覆材12は対象物16の皮膚からの蒸発と同様な蒸発速度を有する。この蒸発速度はかなり大幅に変化するが、おおよそ20g/m2/dayから100g/m2/hrの範囲にある。被覆材12は、汗を吸収することができ、望ましくは熱流束センサー素子10の大気側の側面24に対して皮膚の表面から汗を「蝋燭の芯」のように浸透させる性質を有するのである。最もよく機能する被覆材は皮、人工膜、きつく編んだ織物等から構成されたものである。人工膜としての一例はミルポワ（MILLIPORE）から製造されたものである。人工膜の適当な他の例は、テルミポワ（THERMIPOR）という商標名で販売されたもの及びゲルマンサイエンス・インク（アンナーアーバー、ミシガン）で製造されたベルサポール（VERSAPOR）等を含む。強く編まれた材料の一例としてはスペクトラ／メッシュ（SPECTRA/MESH）であって、カルホルニヤ、ロスアンジェルスの「スペクトラム」から製造されたものである。一般的に、被覆材12は薄いほど本発明のプロセスを良好に実行する。更に、１ミクロン細孔の被覆材は汗の堆積18を測定表面16から熱流束センサー素子10の大気側の面14に蝋燭の芯のように吸い上げるのに適している。更に、測定誤差を減少させるため、望ましい実施態様は熱伝導性がある層14を熱流束センサー素子10の大気側の面24と皮膚表面16を囲む部分とに配置することである。このようにすると対象物の皮膚表面16と熱流束センサー素子10の大気側の面24が実質的に均一な熱の熱の流れを生ぜしめ、上記熱流束センサー素子の大気側の24は、周囲の皮膚表面16で生ずるような熱ロス20と実質的に同様な熱の流れを感ずることになる。このことは少ない汗、従って、少ない蒸発部によって生ずる熱の流れの変化を補正することになる。即ち、対象物の皮膚表面におけるよりも熱流束センサー素子10の面24における蒸発が少ないことを補正することになる。
本発明の望ましい実施態様においては、熱伝導性のある層14の材料は金属のホイル、例えば銅、アルミニウム、ステンレス、ステンレス鋼、金の箔、真空蒸着した金属の膜、熱伝導性のあるプラスチック等を含み、望ましくは、これらの厚さは3000Åから２ミル（Mil）までの範囲にある。本発明の望ましい態様は、被覆材料12と熱伝導性がある層14を含むのであるが、本発明においては、どちらか一方を使う場合も含む。熱流束センサー８の周囲における組織に人為的な熱が保存されるのを防ぐために、熱流束センサーを使用者に固定する方法は熱の流れを妨害してはならない。熱流束センサー８を使用者に固定する方法が皮膚表面に対して熱を捕捉する方法であるならば、人為的に増加した皮膚の温度は熱流束センサー８による測定の誤差の原因を生ずる。
本発明の望ましい実施態様においては、通気性のある織物材を使用し、好ましくは1/8〜1/4インチの穴が全面積の95％以上を有する物がよい。しかしながら装置を使用者に固定するために他の材料もまた使用することができる。本発明を実施する最も望ましい方法においては、複数の熱流束センサー８はその各々が被覆材12及び／又は熱伝導性の層14を備え、対象物の種々の場所に配置され、対象物の全熱ロスを測定することがよい。また他の最も望ましい実施態様においては、一個の熱流束センサー装置８がその対象物を最も代表する場所に配置することがよい。
そのような代表的な場所は対象物により種々異なるものであり、また、そのような場所は複数のセンサー８を対象物に適応し、それぞれのセンサーの測定結果を評価し、最もその対象物の全熱ロスの代表するような場所を決定することによって可能である。熱ロスの代表的な場所が一旦決定されれば、単一のセンサー８のその代表的な場所に配置することによって測定が可能である。最も望ましい発明の実施態様において、センサー装置８を例えば測定者が使用している弾性のある腕時計のバンドに付着することがよい。この弾性のある腕時計のバンドは織目がある材料から作製され、被測定者は自由に運動できるからである。熱の流れについての情報は連続的に測定され、マイクロ制御器に記録され、熱流束の情報をカロリー消費量に変換するアナログ装置によって測定される。そして、これらの情報は単位時間当たりのカロリー消費量あるいはカロリー消費量の積算量の形で記録される。このようなマイクロ制御器としては、例えばインテル社の8051計を含む装置が利用できる。
カロリー消費量は本発明の方法及び装置から得られる熱流束の測定の結果から種々の方法で計算される。望ましい方法は次のような方程式に基づく
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マイクロ制御器は、望ましくは連続的に測定し、記録するようにプログラム化されており、対象物の全熱流束を測定し、それにより単位時間当たりのカロリー消費量と全カロリー消費量を測定する。
図４に示すとおり、発明の最も望ましい態様においては、熱伝導性のある層14がセンサー素子10の外周を越えて中央の表面29と外周部30に拡大している。この外周部30は熱伝導性の層14に形成された指状の突起部31を形成する。この外周部30、は望ましくは熱流速センサーの素子10の実質的な外周部を形成するが、熱流束センサーの素子10の配線32が通過する部分を除外する。図に示すように、突起部31は突起部と突起部との間に外に向いた面積の部分を備えている。発明について特定の例及び望ましい態様について記載したが、本発明の範囲は次のクレームによって理解されるべきである。次のクレームは正しく及びこれらの均等物を含んで解釈されるべきである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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