水の熱輸送メカニズムと電磁波の影響
静岡県立大学片山誠

薬学部二、 小沢一夫

During continuous irradiation far or near infrared (FIR,NIR) on water in cylindrical cell, time courses oftemperature rise of water at both the irradiated and opposite ends of the cell were observed by using athermometer with high precision of 1/1000 deg, taking into account radiation of heat from the sample water.
Under an experimental condition without radiation of heat from sample system, the transport process ofthermal energy obtained from FIR, namely, the time course of temperature rise, was mostly in accord withthat from NIR, while a little but certain difference was observed in the beginning of both irradiations. Thissuggested that non-equilibrium lattice vibration of water (equivalent to internal energy) was induced
temporarily in the beginning of FIR or NIR irradiation, but it eventually approached to an equilibrium one,because of cross-relaxation between energy levels of various intramolecular motions. The difference appearedin the beginning of the irradiations could be taken as a characteristic of FIR.

緒ら研究されている。 FIRを強く照射して用いた場言合は加熱効果であり、 この場合熱的効果が大きく近年、 遠赤外線 (FIR) は近縁波長の電磁波に作用するため、 FIR固有の特異的効果が打ち消さ較べて極めて特異な性質を有するとして注目されれて検証するのが難しいと考えられる。 一方、 微ている。 照射により水や食品の味を良くすること弱な FIR 照射の場合は、 熱的効果が小さいため、から、 様々な浄水器や家庭用調理器具が市販されこれを常温効果というが、 波長由来の固有の効果ている。 さらに 、 血行をよくしたりガンの治療にの検出が期待される。 FIR波長は水の振動·回転用いられたりと、 ヒトの健康と密接に関わりを持エネルギーとして吸収され、 遷移エネルギ ー の高っている。 又、 酵素や生体分子などの活性に著しい状態に移る。 即ち、 分子内運動が高い状態に変い影響を与えるとして分子レベルからの研究も活化し温度が上がる。 この時の温度上昇が吸収 した発となってきた。 このようなFIRの様々な分野にFIR固有の波長を記憶し保存されているとするな於ける効果はいずれも究極的には、 FIRが水の構らば、 これはFIRの 一つの大きな特異的な性質に造と物性に影響を及ぼすためと理解されている。

なってもよいと考えられる。 即ち、 同じ温度であしかし 、 これらの特異な効果が本当に存在するのっても熱エネルギ ー の源である様々な分子内熱運か否かは必ずしも明確とはなっていない。 今これ

動のモ ー ドの構成に違いがあってもよいと先験的らの効果を学術的に検証することがこの領域の緊に考えられる。 もしこのような仮定に立つなら急の課題となっている。 筆者らはこのような点にば、 FIRで得た熱エネルギ ー は他の波長の吸収に焦点を当てて研究を開始した。

よって得た熱エネルギ ー とは性質が異なってもよ

このFIRの効果は加熱効果と常温効果の二面かいことが予測される。 したがって 、 この場合、 熱Mechanism of Thermal Transport ofBulk Water Absorbed Far or Near In­frared wave

転の各エネルギ ー 間のエネルギ ー 移動（交差緩Seiji Katayama and Kazuo Kozawa

そこで、 本研究では 、 水の熱伝導に焦点をあててSchool of Pharmaceutical Sciences,
University of Shizuoka

実験を開始した。 まず、 セル中に水を満たしそのの伝導や熱の放熱の仕方 、 並びに並進、 振動、 回和）等にその特徴が現われてもよいと思われる。

一端に電磁波を照射し、 吸収された熱エネルギ ー-9-

が他端へと伝幡する様子を調べた。 両端での昇温他端(B)の温度変化を観測し昇温曲線を作製し曲線を作成し熱輸送のメカニズムを検証することた。 なお、 セルは図2に示すように径 、 長さの異によって 、 FIR の水に及ぼす特異な性質を議論すなる三種類セル1 (ゅ；50 mm, f ;800 mm)、 セル2ることとした。 さらに 、 熱輸送の過程に於いて熱（ゅ；50mm, f ;400mm)、 セル3 (¢;lOmrn, f ;800mm)の放出の効果が昇温曲線に著しい影響を用いた。 照射線源は 、 遠赤外線として日本軽金を与えるため、 セル周辺への放熱に関わる種々の属（林）製遠赤外線ヒ ー タ ー（セラコンボR) を 、 近実験条件の寄与についても検討を行った。

赤外線 (NIR) として松下寿電子工業（初製赤外線2ランプを用いた。 なお 、 それぞれの波長領域は図

エネルギー

実

験

実験は 、 全て室温23.0士0.13に示した。 また温度測定には、1/1000℃の精度℃にコントロ ールされた恒温室内にて実施した。 恒温室内では可視にて温度測定が可能なテクノセブン（恥製精密温度測定装置を用いた。

光線その他の迷光の影響をなくすために、 全ての実験は以下の実験条件に於いて実施した。

照明を切って実施した。 さらに電磁波等の影響を①熱伝導に及ぼすセルの形状（径及び長さ）の検除くため、 図lに示すようなアルミ版にて2部屋

討 、 ②熱伝導に及ぼす照射線源の波長依存性の検に仕切られた箱を作製し 、 その内部に水を満たし

討 、 及び、 ③熱伝導に及ぼすセルからの放熱の影たパイレックス製の円筒形セルを設置した。 セル

響（セル周辺の環境） についての検討。

3内の水が恒温室内の温度と平衡になるま で放置し、 平衡後セルの一 端より垂直に遠赤外線又は近結果と考察

図4は径50 (mm)、 長さ800 (mm) のセル1を赤外線を照射した。 照射直後からの照射端(A)、用いて遠赤外線を照射した場合の照射端 (A)及
因出波線ぽ

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電磁波照射システム

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アルミ製箱L

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セル1 ; R;50r =50／L=800(mm)セル2 : R=50r=SOL=400(mm)セル3 : R=50r=10L=BOO(mm)図202

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赤外線分光放射符社

ガラスセルの形状及びサイズ

図3-10-

遠赤外線源及び近赤外線ランプの放射波長特性

水の熱輪送メカニズムと電磁波の影響

び他端(B)の昇温曲線の結果を示したものであれる。 なお、 熱輸送の経路（セルの竿の部分）にる。 A端の温度は 、 FIRJ哨射直後から上昇し、 120於ける放熱のためA端よりB端の方が低いレベル分前後に変曲点を持ち、 その後0.3 に漸近するよに現われ曲線の曲率が大きくなった。 又、 変曲点

うな昇温カーブを描いた。 一方、 他端Bの温度が現われた理由については、 熱輸送の定常状態は 、 30 分までは全く温度上昇はみられなかった（熱勾配）に達するまでの時間に関連するものと推が45分後から僅かな温度上昇が始まり、 120分後定 されたが今のところ不明である。

ーブを描

図5は径50 (mm)、 長 さ 400 (mm) のセル2をいた。 この場合も120分前後に於いて小さな変曲用いた場合の A,B 端に おける昇温曲線の結果をからやはり0.2 に漸近するような昇温カ点が見られた。 A端の昇温曲線はFIRの直接的吸示したものである。 A端の温度上昇は やはり、収によ ってもたらされたもの 、 B端の昇温曲線は120分前後に変曲点が現れ 、 セル1よりも高いレ

A端からの熱エネルギ ー の輸送によ ってもたらさベルの温度上昇カ ー ブを示した。 B端の温度はれたものとみることができる。 従って、 A端とB15 分までは温度上昇がみられなかったものの 30端の温度差は、 熱輸送に依存して決まると考えら分頃から僅かに昇温を始め 、 やはり120分前後に変曲点を持ち0.7に漸近するような昇温カ ー ブを0.4示した。 又、 A端とB端の昇温カ ー ブの差は、 僅
゜か (< 0.2 K)であり、 この差は前のセルlの結果に於ける差よりも小さいものとなった。 これら

0.3

゜

ギ ー 供給量が常に 一定であるのに対してサンプル2(x.
)」＜割 螂 鴫の結果は 、 セル長が短くなれば熱源からのエネル量が少なくなるため、 相対的にA端の昇温カ ー ブ0.1が高いレベルに移ったと解された。 又、 セル長が---0ー 遠A●遠B

短くなればB 端への熱エネルギ ー の到達量も多くなり AB 間の温度差が相対的に小さくなったと解100200300400500

された。

600時間（分）図6は径10 (mm )、 長 さ800 (mm)のセル3を

図4 セルを用いた場合の遠赤外線照射によるA端B端の昇温曲線〗500

Aro/o|d400

遠A
迫B

40050012300ーー。

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401 00

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遠B--0一●160ど）L <衛 圏 帽（→ー・0.2[1.20.8Q）

1.45／

1.00.0600

0100200300600

時間（分）

時間（分）

図5 セル2を用いた場合の遠赤外線によるA端B端の昇温曲線

図6 セル3を用いた場合の遠赤外線によるA端B端の昇温曲線- 11 -

用いた場合の昇温曲線の結果を示したものであて比較検討した。 なお、 線源の波長特性は図3をる。 A端の温度上昇はセル l 、 セル 2 を用いた時参照。 遠赤外線源（セラコンポR)は表面温度67の結果と比べて昇温曲線は極めて大きいレベルに℃で用しヽたため8µmあたりにピ ー クトップを持っ現われた。 これはサンプルの絶対量が少なくなった波長域に於いて実験したことになる。 一方、 近たため 、 及び、 竿部の径が細いため、 後方への熱赤外線ランプは1µmあたりにピ ー クトップを持っの移動量が少なくなり滞留効果が顕著になったたた波長域に於いて実験したことになる。 これら二めと考えらる。 一方 、 B端は照射直後から極めて種の線源を用いた熱伝導の実験結果は次のように低いレベルの昇温がみられた。 これは、 速い水のなった。

熱伝導係数〔": 612 X 10-JW ・m―I(300

図7はセル1 (径 50 mm、 長さ800 mm) を用い 、゜K)〕から考えて照射直後から直ちにB端に熱量近赤外線を照射し、 A端とB 端の昇温曲線を作成が到達していることを意味し、 太い管(50mm)のしたものである。 その結果、 近赤外線を吸収した

場合はB点に到達した熱がさらに拡散してしま

昇温曲線は遠赤外線の結果とほぼ同じカ ー ププロ

い 、 わずかな昇温カ ー ブさえも検出できなくなっファイルを示した。 しかし、 B端の昇温曲線は 、てしまったと考えられる。 又、 A端の温度が高い

遠赤外線による昇温曲線よりも相対的に高いレベレベルにあればB端との温度差が大きくなりB端ルに現われ、 AB 間の温度差が小さいものとなっの昇温曲線が初期の段階から応答したものと解さた。 この結果は、 見かけ上遠赤外線を吸収した熱ブが終始緩慢なレベ

エネルギ ー よりも近赤外線を吸収した熱エネルギ

ルに保たれたことは 、 管が細いためト ー タルの到一の方が1)熱の移動が多い、 2)経路での熱の達する熱量が少ないこと、 及び 、 管が細いため空放熱が少ない等のことが考えられた。 なお 、 近赤気への放熱の量が無視出来ない程大きいことなど外線及び遠赤外線の各線源の波長域，出力及び水のためだと考えられた。

への吸収効率等が異なるため 、 比較に供した昇温れる。 一方、 B端の昇温カー. ゜K→

以上の結果は遠赤外帯域の線源を用いた場合の熱輸送であった。 次に近赤外線帯域の線源を用いた場合の熱輸送について調べ、 FIRの結果と併せして作成した。
電磁波を吸収して変換された熱エネルギ ー は照射端(A端） から熱流の流れとして他端 (B端）に順次伝幡されていくが、 この途中の過程に於い0.6てセルから空気層へ熱が逃げる （放熱）。 この放0.5

熱の効果はA端、 B端の昇温曲線に著しく影響を

432000
子し L V割 磁吼（与えることが予測される。 そこでセル周辺への放熱効果が熱伝導に及ぼす影響について検証を行った。
--0-遠A

図8はセル1を黒フェルトで覆い遠赤外線照射

一---0--近A●
近B

した場合の A端、 B 端の昇温曲線を調べたもので•0.10.0曲線はA端の近赤外線の昇温曲線を基準に規格化

i,;;Bある。 フェルト巻のA端は巻かない場合に較べて0100200300400500

大きな昇温曲線を示した。 しかし B 端の昇温曲線600は額著な差異がみられなかった。 このことからフ時間（分）

図7 セル1を用い 、 近赤外線照射後のA端 、 B端の昇温曲線。 遠赤外線の結果と比較するために 、 遠赤外線のデ ー タは近赤外線のA端の昇温曲線に規格化して表示した。

ェルト巻の方が AB 間の温度差が大きいことが明らかとなった。 この結果 、 フェルトは遠赤外線の吸収をよくするように働くこと、 及び、 フェルト- 12 -

水の熱輪送メカニズムと電磁波の影響は試料セルから熱伝導で熱を吸収し、 空気層へ放効果が大きいと判断された。 しかし、 近赤を吸収熱する可能性が高いことなどが推測された。

した熱エネルギ ー は遠赤吸収の場合に較べて、 フ

図9はセルlを黒フェルトで覆い近赤外線照射した場合のA端、 B端の昇温曲線を調べたものでェルトからの熱の放熱が小さいことが推測された。

ある。 フェルト巻のA端の昇温曲線は巻かない場

図10は発泡スチロ ー ルにてセル1の竿部を覆合のものとほぼ同じレベルのものとなった。 しかって断熱し、 A端、 B端の昇温曲線に及ぼす放熱し、 B端の昇温曲線は、 フェルト巻の方が巻かなの効果をみたものである。 遠赤外線、 近赤外線いい場合に較べて低いレベルに現われた。 この結ずれの線源による昇温曲線も、 断熱しない場合及果、 フェルト巻きの方が途中の竿部に於ける放熱びフェルト巻の場合の結果に較べて、 昇温カ ー ブ

0.51.00.40.86400X)E V副 佃 鴨(23cio1JLV割 磁 阿(→ー 遠A●迅B王迫Aフ一遠Bフ

0,10.00100200

400300500--0一 辺A●遠Bー→ 近A
●近B

0.20.0600

0100200時間（分）

図8 黒いフェルト巻きのセル1を用い、 遠赤外線照射した場合のA端 、 B端の昇温曲線を示したものである。 比較のため黒フェルトを巻かない場合の結果と併せて表示した。

400500600

図10 発泡スチロ ー ルで覆われたセル1を用い 、 遠赤外線及び近赤外線照射後の昇温曲線。

1.00.60.50.8200300

40041006子ピ く 割 艇呵（0゜゜432000rfli〗JlV:,';(---0ー 近A●近B--0-近A7● 近Bフ0.10.0300
峙問（分）--0ー 遠A●遠B-D---近A● 近B

0.25000.060001 00200300400500

600

時間（分）

時間（分）

図9 黒いフェルト巻きのセル1を用い 、 近赤外線照射した場合のA端 、 B端の昇温曲線を示したものである。 比較のため黒フェルトを巻かない場合の結果と併せて表示した。

図11 発泡スチロ ー ルで覆われた場合の遠赤外線 、 近赤外線照射による昇温曲線の比較。 両曲線は比較のため規格化して表示した。

-13 -の曲率は小さくなり直線に近いものとなった。 こ

分子内運動の遷移によって熱エネルギ ー を得た場のことは、 途中経路に於ける放熱の効果が少くな合 、 一時的に非平衡な格子振動状態になる。 このったと考えられる。

偏った分子内運動のエネルギーは、 交差緩和し平図11は近赤のA端の昇温曲線を基準に規格化衡な格子振動状態へと移行する。 このように考えして描かれたものである。 遠赤外線及び近赤外線

れば、 電磁波照射初期の波長の違いによる昇温曲ー

ブは初期段階を除き時間線の違いが理解される。 又、 時間の経過ととも経過とともに次第に 致するようになった。 このに、 系は平衡な格子振動状態に移行するため 、 完

ことは断熱状態では遠赤外線を吸収した熱エネル

全な断熱状態のもとでは初期の異なった励起の仕のA端、 B端の昇温カ一ギー

も近赤外線を吸収した熱エネルギーも最終的には同じ熱輸送状態に到達すると考えられた。 し方には無関係に同じ様式の熱の輸送状態に到達すると理解される。

かし 、 変曲点までの初期過程に於いては遠赤と近4赤との結果に顕著な差異が認められた。 この差異は遠赤の方が近赤によって得た熱エネルギ ー より熱エネルギー総括

以上の結果 、 現段階に於いては 、 必ずしも遠赤の輸送効率が良いことを示唆した。

外線の特界な効果の決定的な検証がなされたとは以上の結果は 、 次のような分子内熱エネルギ ー のいえないが、 周辺の基礎固めがなされたものとしシステムが予測された。 まず 、 ある熱平衡にあるて評価されよう。 今後もこれらの結果をベ ー スに系は 、 熱の源である分子内運動（振動 、 回転、 並

さらに研究を進める予定であり 、 遠赤外線の特異進など）が平衡な格子振動状態にあると考える。

な効果の決定的な検証がなされる日も近いと期待

そこで遠赤外線などの電磁波の吸収により偏ったしている。

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