衣類の乾燥過程における熱・水分複合移動モデルの開発に関する研究

三浦 佑介
はじめに

1.

2.2

水分ポテンシャルを駆動力とした衣類乾燥モデル

近年，ライフスタイルや天候，花粉，PM2.5 などの要因か

図 1 に水分ポテンシャル線図 2)を示す。水分ポテンシャル

ら洗濯物を室内で乾燥させる家庭が増えている。しかし，配とは，水蒸気濃度，水蒸気分子の内部エネルギー，水蒸気分

慮なく単に室内干しを行った場合，洗濯物から発生する水蒸子に作用する力（毛管吸着力），場のエネルギー（外力等の応気の影響で室内湿度が上昇するため，乾くのに時間がかかる，力）などを関数とする非平衡熱力学エネルギーであり，物質結露が発生するなどの問題が考えられる。また，室内での衣平衡の指標となる化学ポテンシャル 3)を水分に応用したもの

類の乾燥は空気の温度，湿度，ヒータがある場合はその入力，である。水分ポテンシャルは，飽和水分ポテンシャルと不飽換気風量，衣類の質量，室の大きさや断熱構造など多くの因和水分ポテンシャルの和で求められるが，飽和時，不飽和水子に影響されるため数値シミュレーションによる衣類乾燥分ポテンシャルは考えず飽和水分ポテンシャルのみで与え性能の評価が必要になってくる。

られる。

衣類の乾燥過程における放湿量に関して数値計算を行う
場合，水分の移動に関して簡易的な計算が多く，熱の移動においても深く考慮されていない。乾燥室内の温熱環境や熱負飽和水分ポテンシャル荷の解析のためにはより正確な衣類の放湿量や熱の移動の不飽和水分ポテンシャル算定が必要である。

水分ポテンシャル（化学ポテンシャル）

本研究では，乾燥過程における衣類の湿流現象および衣類の物性値を把握することを目的とし，恒温恒湿実験室を用い=+て衣類の放湿に関する実験を行う。さらに，熱と水分の移動を考慮した衣類乾燥モデルを用いてより詳細な数値計算を図 1 水分ポテンシャル線図行い，衣類の含水量および表面温度の再現性を検証する。
衣類乾燥モデルの比較

2.
2.1

衣類の水分ポテンシャルの算出のために，衣類の温度を求絶対湿度を駆動力とした衣類乾燥モデルめる必要がある。湿潤状態の衣類の熱収支式は式(6)である。

絶対湿度を駆動力とした衣類乾燥モデルは出端らの数理

ここで，衣類の見かけの熱容量𝑐𝜌̅̅̅は式(5)で表される。式(6)モデル 1)を参考にしている。衣類の厚みは薄いため，衣類の右辺第 1 項は空気から衣類へ伝わった熱量，第 2 項は衣類か湿流を無視し，衣類に含まれる水分は全て衣類表面に付着しらの放湿によって奪われる熱量である。前時刻の放湿量を用ていると仮定すると，衣類の放湿量は式(1)で求められる。

いると式(6)は衣類の温度を未知数とする方程式となる。

𝐽 = 𝐴𝑐𝑙 𝛼𝑋′ (𝑋𝑐𝑙 − 𝑋𝑖𝑛 )ε̅̅̅ = 𝑀𝑐𝑙 𝐶𝑐𝑙 + 𝑀𝑊 𝐶𝑊𝑐𝜌(1)

ここで，乾いていない部分の面積は気乾状態からの水分重量̅̅̅𝑐𝜌の差に比例するものと仮定し，衣類の含水面積比率を式(2)により算出する。気乾状態の水分重量は衣類絶乾重量と平衡

𝜕𝑇𝑐𝑙= 𝐴𝑐𝑙 𝛼𝑐 (𝑇𝑖𝑛 − 𝑇𝑐𝑙 ) − 𝑙𝑊 𝐽𝜕𝑡(5)(6)

水分ポテンシャルを湿流の駆動力とする場合，衣類の含水含水率より求められる(式(3))。

状況の区別を行い放湿量の計算をする。衣類の表面が十分に

ε = (𝑀𝑊 − 𝑀𝑊,𝑒 )/(𝑀𝑊,𝑖 − 𝑀𝑊,𝑒 )(2)

濡れていれば，一定の条件下における衣類からの水分蒸発速𝑀𝑤,𝑒 = 𝑀𝑑𝑟𝑦 𝑤𝑒(3)度は，同一条件での自由表面からの蒸発速度に等しく，この衣類の温度が室内温度と等しいと仮定すると，衣類と室内の乾燥状態を一般に恒率乾燥と呼ぶ。これに対し，乾燥が進み，絶対湿度の差は室温で飽和状態の絶対湿度を用いて式(4)の衣類の保有する水分が少なくなると，衣類の乾燥速度が減少ように表される。

し，この乾燥状態を減率乾燥とする。さらに，恒率乾燥と減𝑜𝑋𝑐𝑙 − 𝑋𝑖𝑛 = 𝑋𝑖𝑛− 𝑋𝑖𝑛

率乾燥の境界となる含水率を限界含水率と呼ぶ 4)。以下にそ(4)

れぞれの乾燥状態での放湿量の計算を示す。
39-1

(a)恒率乾燥域

表 1 計測概要 (実験 1)

恒率乾燥域では，
衣類表面からの自由水の蒸発のみを考え，項目計測対象放湿量を算出する。恒率乾燥では衣類は過飽和状態であるため衣類の水分ポテンシャルは衣類の飽和水分ポテンシャル

概要
建築環境シミュレータ

温度40℃，相対湿度40％

計測間隔5秒のみで考えることができる。放湿量は式(7)により算出する。

温湿度センサーCHINO：MD8002-N00
温湿度センサーespec：TR-72wb
温湿度センサーCHINO：MD8002-N00
温度センサー
espec：TR-75wb
電子天秤
OHAUS：NVT16000/2
実験室内中心位置（高さ1.5m）

空気温湿度′𝐽 = 𝐴𝑐𝑙 𝛼𝑤(𝜇𝑤,𝑐𝑙 − 𝜇𝑤,𝑖𝑛 )𝑜′
𝐽 = 𝐴𝑐𝑙 𝛼𝑤(𝜇𝑤,𝑐𝑙− 𝜇𝑤,𝑖𝑛 )

屋外実験室

温湿度設定

(7)

計測機器
表面温度(b)減率乾燥域
減率乾燥域では，衣類の不飽和水分ポテンシャルは未知数

衣類重量であり，式(8)の水分収支式によって算出する。ここで，

空気温湿度𝜕∅⁄𝜕𝜇は材料の吸放湿の程度を表す水分容量であり，平衡含計測項目水率曲線の傾きにより求める。不飽和水分ポテンシャルをも表面温度

衣類中心点

衣類重量

物干し台下部（2台）

表 2 試験体概要とに水分ポテンシャルも算出することができ，式(9)によっ衣類名称て放湿量を算出する。

構成材料𝜕∅ 𝜕𝜇𝑐𝑙𝐴𝑐𝑙 ′∙=𝛼 (𝜇− 𝜇𝑤,𝑖𝑛 )𝜕𝜇𝑐𝑙 𝜕𝑡
𝑀𝑑𝑟𝑦 𝑤 𝑤,𝑐𝑙

(8)′
𝐽 = 𝐴𝑐𝑙 𝛼𝑤(𝜇𝑤,𝑐𝑙 − 𝜇𝑤,𝑖𝑛 )(9)

防水シーツA：表ポリエステル100%：裏ポリウレタン100%
バイアステープ：ポリエステル100%

長辺短辺

防水部分

防水部分
防水シーツB

ここで，上述した計算は衣類の厚みを無視したものであっ：表ポリエステル100%：裏ポリウレタン100%
バイアステープ：ポリエステル100%

1.40m 0.84m

1.40m 0.84m

表：綿80% ／ ポリエステル20%

たが，衣類の厚みを考慮する場合，先に乾燥した衣類表面が防水シーツC衣類内部からの放湿の抵抗となり，計算と実測に無視できな

中：ポリウレタン100%
裏：ポリエステル65% ／ 綿35%

1.40m 0.90m

い差が生じることが考えられる。そこで，飽和時から気乾状

防水シーツD

表：ポリエステル100%
中：ポリウレタン100%
裏：ポリエステル100%

1.45m 0.90m

態までの衣類中水分の割合を蒸発比とし，式(10)で算出し，マットレスカバーA

ポリエステル100%

1.40m 0.83m

見かけの水分伝達率を式(11)の値とすることで，水分抵抗をマットレスカバーB

表：ポリエステル100%
裏：ポリウレタン100%

1.40m 0.83m考慮する。

マットレスカバーC

表：ポリウレタン100%
裏：ポリエステル100%

1.40m 0.83m

敷布団用シーツ

ポリエステル100%

1.80m 1.37m

包布

ポリエステル100%

1.30m 1.35m

枕

側生地：ポリエステル100%
中 材：低密度ポリエチレン

0.32m 0.43m𝑜ε′ = (𝑀𝑊 − 𝑀𝑊,𝑒 )/(𝑀𝑊− 𝑀𝑊,𝑒 )′ = 𝛼 ′ ∙ 𝜀′
̅̅̅̅
𝛼𝑤𝑤

(10)
(11)

衣類の放湿に関する実験

3.
3.1

衣類の乾燥速度に関する実験 (実験 1)

本実験では，衣類の湿流に関する物性値を把握することを目的とし，九州大学の所有する恒温恒湿実験室を使用して衣類の放湿現象に関する計測を行う。また，計測によって得られた結果と前章で示した衣類乾燥モデルによる計算結果の比較から，各モデルの精度を検証する。
表 1 に計測概要，表 2 に試験体概要を示す。使用した試験体は主に医療施設で使われる寝具用の衣類である。実験室内を温度 40℃，相対湿度 40%に設定する。実験室内の温湿度が条件の値に達してから30分以上養生をした後計測を開始し，衣類重量の変化が一定となるまで行う。試験体は，十分に濡らした後，家庭用洗濯機で脱水を行い，計測開始まで袋に入
図 2 衣類の乾燥速度に関する実験のイメージ図

れ，密閉しておく。表面温度は衣類の中心にアルミテープで熱電対を張り付けることで測定する。衣類は幅 50cm で短辺をつまみ両面が空気に触れた状態で計測を行う。敷布団用シ3.2

衣類の平衡含水率に関する実験 (実験 2)ーツと包布に関しては表面積が大きく干し方によってしわ

本実験は衣類の平衡含水量を計測し衣類ごとの含水率曲の程度が異なるため，他に 50cm 以上に広げ，しわをなくし，線を作成することで，衣類の水分容量および限界含水率を把十分に空気に触れている状態の計測も行った。

握することを目的とする。
39-2

表 3 計測概要 (実験 2)
項目
温度条件
試験体の大きさ
不飽和水分ポテンシャル

計測機器

重量4.2

計算条件

計算を行う衣類乾燥モデルを表 6 にまとめる。衣類が十分

概要
25℃
2.5cm×2.5cm
水分ポテンシャル測定装置
WP4-T
電子水分計
ザルトリウス：MA100に乾燥するまで計算を行った。
表 6 検証項目

表 3 に計測の概要を示す。水分ポテンシャル測定装置で試験体の平衡状態の不飽和水分ポテンシャルを測定し，ただちに電子水分計で試験体の含水量を計測する。上記の測定を 1

簡易モデル

絶対湿度を湿流の駆動力とする。

詳細モデル(水分抵抗考慮なし)

水分ポテンシャルを湿流の駆動力とする。

詳細モデル(水分抵抗考慮あり)

水分ポテンシャルを湿流の駆動力とする。
水分抵抗を考慮して水分伝達率を補正する。

4.3

実験値結果及び計算結果の検討

つの試験体に対して 10 回以上行う。実験により求めた不飽

図 6 に，衣類の含水量と温度の計算結果と実測値の比較を和水分ポテンシャルと重量含水率の関係から最小二乗法に示す。簡易モデルに関しては衣類温度の算出を行っていないより近似曲線を作成し，これを平衡含水率曲線とした。

ため詳細モデルおよび実験値の結果のみ示す。なお，衣類構

衣類乾燥モデルの精度検証

4.
4.1

成材料が類似している衣類に関しては結果を省略した。以下

物性値の決定それぞれの結果と考察を示す。

表 4 に衣類条件を示す。
衣類乾燥の数値計算の入力値とし実験の結果では放湿量が一定である恒率乾燥域と放湿量て必要な衣類の物性値を算出する。衣類の表面積，初期(湿潤)が小さくなっていく減率乾燥域が確認できた。また温度が上重量，絶乾重量は衣類の乾燥速度に関する実験で計測した値昇を始める時間と衣類の放湿量が減少を始める時間は概ねを用いる。衣類の比熱は衣類構成材料の比熱と組成割合から一致している。これは，恒率乾燥時には衣類からの蒸発潜熱決定する。表 5 に実験により算出した物性値を示す。対流熱と空気から衣類に伝わる熱がつり合っていたため温度が変伝達率，水分伝達率を衣類の乾燥速度に関する実験の結果よ化しないが，減率乾燥では蒸発量が減り蒸発潜熱が小さくなり同定した。水分伝達率は，絶対湿度の差を湿流の駆動力とるためつり合いが取れなくなり温度が上昇したと考察できした場合と，水分ポテンシャルの差を湿流の駆動力とした場る。防水シーツ C は衣類温度変化が段階的である。これは，合のそれぞれに関して算出した。限界含水率は実験で求めた防水シーツ C が 3 層構造であり，衣類表面と衣類内部で乾燥平衡含水率曲線より，不飽和水分ポテンシャルが 0 の時の含速度が異なったことが要因であると考える。

水率とした。

簡易モデルは実験値と大きく差がある。簡易モデルは衣類
表 4 計測した物性値の恒率乾燥域と減率乾燥域の区別を行わずに，放湿量の計算を行っているためだと考えられえる。また，衣類温度を室内

表面積

初期(湿潤)重量

絶乾重量

比熱

[m²]

[kg]

[kg]

[J/g･K]

防水シーツA

2.35

0.491

0.275

1.42

防水シーツB

2.35

0.493

0.386

1.42

防水シーツC

2.52

0.616

0.355

1.41

衣類名称

防水シーツD

2.62

0.43

0.246

1.30

マットレスカバーA

2.32

0.877

0.733

1.05

マットレスカバーB

2.32

1.179

0.849

1.42

マットレスカバーC

2.32

1.302

0.870

1.42敷布団用シーツ
包布(しわあり)

4.94

0.67

0.504

1.05(しわなし)

4.94

0.685

0.504

1.05(しわあり)

3.51

0.715

0.594

1.05(しわなし)

3.51

0.722

0.594

1.05

0.28

0.116

0.092

1.05

枕

温度と等しいと仮定して計算を行っているが，実験結果より湿潤状態の衣類の表面温度は空間の温度より小さい値となっていることがわかり，計算値と実験値のずれの要因となったと考えられる。
水分抵抗を考慮しない詳細モデルは，含水量の計算で，恒率乾燥域は概ね実験値と一致している。しかし，減率乾燥域では含水量の変化が実験値を追従することができていない。これは，実験では重力や衣類の厚みなどの影響で衣表 5 計測した物性値
衣類名称

類の水分に分布が生じており，放湿現象が一様ではないた

水分伝達率

対流熱伝達率

限界含水率[g/(m²･s･(g/kg'))][g/(m²･s･(kJ/kg))][W/(m²･K)][kg/kg]

防水シーツA

2.31E-03

3.54E-04

9.51

0.241

防水シーツB

2.23E-03

3.27E-04

7.73

0.134

防水シーツC

3.26E-03

4.18E-04

7.14

0.317

防水シーツD

3.66E-03

4.57E-04

7.33

0.245

マットレスカバーA

3.33E-03

4.48E-04

8.43

0.120

マットレスカバーB

4.30E-03

5.36E-04

8.61

0.098

マットレスカバーC

1.19E-03

2.14E-04

10.62

0.030

(しわあり)

2.58E-03

2.99E-04

4.19

0.172

(しわなし)

2.92E-03

3.82E-04

6.79

0.172

(しわあり)

3.05E-03

3.75E-04

5.85

0.163(しわなし)

3.63E-03

4.71E-04

8.210.163

4.78E-03

6.53E-04

12.790.034

敷布団用シーツ
包布
枕

39-3

めだと考えられる。
水分抵抗を考慮した詳細モデルの含水量の経時変化は実験値と概ね一致し，より精度の良い計算ができている。これは，衣類の厚みを考慮して，水分伝達率を補正したことで，より実現象に近い計算となったためだと考えられる。
また，衣類温度の計算においては敷布団用シーツのように温度の上昇が実験値の勾配と異なるものがみられた。これ
は，計算値では衣類の温度は全て一様なものとして算出しているのに対し，計測値は衣類の中心点を計測した局所的なものであることが要因であると考えられる。また，計測

参考文献に使用したアルミテープが温度計測点付近の放湿現象に時1)

出端祐輔ほか：実測に基づく室内干し時における洗濯物の乾燥時間およ

間的遅れを発生させたため，計算値と実測値の温度のずれ

び室内温湿度環境，日本建築学会近畿支部報告 2010.6の要因となったと考えられる。

尾崎明仁，渡邊俊行ほか：水分ポテンシャルによる湿気移動解析－湿流2)結び5.の駆動力，日本建築学会計画系論文集，第488 号，pp.17-24, 1996.10

本研究では，水分ポテンシャルを湿流の駆動力とすること3)

小出昭一郎：基礎物理学2 熱学，東京大学出版会，1993

で,熱と水分の複合移動を考慮したより詳細な衣類の乾燥モ

4)福田光男，他：浴室用衣類乾燥機の性能シミュレーションと実験，空気デルを開発した。実験では乾燥過程における衣類の湿流現象

調和・衛生工学会論文集，No.86，2002.7

および衣類の物性値を把握した。絶対湿度と水分ポテンシャ【記号】

ルの 2 通りの駆動力の衣類乾燥モデルと比較し，精度検証を

𝐽:放湿量[g/s]，𝛼𝑋′ :水分伝達率[g/(m2 ∙ s(g/kg′))]，𝑋:絶対湿度[g/kg′]行った。水分ポテンシャルを駆動力とするモデルでは減率乾𝐴:表面積[m2 ]，𝑀:重量[g]，𝑤:含水率[−]，𝜀:含水面積比率[−]，𝑇:温度[K]燥時の水分抵抗を考慮することでより実現象に近い計算を𝐶:比熱[J/(kg ∙ K)]，𝑐𝜌:熱容量[J/K]，𝑡:時間[s]，𝑙:蒸発潜熱[J/g]行うことができた。今後は，開発した衣類乾燥モデルによっ

𝛼𝑐 :対流熱伝達率[W/(m2 ∙ K)]，𝜀′:蒸発比[−]，𝜇𝑤:水分ポテンシャル[kJ/kg]て再現される熱・水分の移動が建築物の温熱環境にどのよう

𝑜𝜇𝑤:飽和水分ポテンシャル[kJ/kg]，𝜇:不飽和水分ポテンシャル[kJ/kg]な影響を与えるのか検討を進めることが課題である。

𝛼𝑤′ :水分伝達率[g/(m2 ∙ s ∙ kJ/kg)]，𝜕∅/𝜕𝜇:水分容量[(g/g)/(kJ/kg)]【添字】
𝑖𝑛:室内空気，𝑐𝑙:衣類，𝑑𝑟𝑦:絶乾時，𝑒:気乾状態，𝑊:水，𝑖:初期状態
簡易モデル

詳細モデル(水分抵抗考慮なし）

実験値

詳細モデル(水分抵抗考慮あり)

300

300

250

250

200

200

含水量 [g/m²]

含水量 [g/m²]

実験値

150
100

50
02時間

0時間

1時間

3時間

詳細モデル(水分抵抗考慮あり)

50

5040403030

温度 [℃]

温度 [℃]

詳細モデル(水分抵抗考慮なし）

20

1000
1時間

2時間

実験値

詳細モデル(水分抵抗考慮なし）

3時間

0時間

1時間

詳細モデル(水分抵抗考慮なし）

実験値

詳細モデル(水分抵抗考慮あり)

300

300

250

250

200

200

含水量 [g/m²]

含水量 [g/m²]

簡易モデル

150
100

5002時間

簡易モデル

詳細モデル(水分抵抗考慮なし）

3時間

0時間

1時間

実験値

詳細モデル(水分抵抗考慮あり)

50

5040403030

温度 [℃]

温度 [℃]

詳細モデル(水分抵抗考慮なし）

20

1000
1時間

2時間

2時間

3時間

0時間

3時間

詳細モデル(水分抵抗考慮なし）

詳細モデル(水分抵抗考慮あり)

20100時間

詳細モデル(水分抵抗考慮あり)(d-1) 敷布団用シーツ含水量経時変化(b-1) 防水シーツ C 含水量経時変化
実験値

3時間

10001時間

2時間150500時間

詳細モデル(水分抵抗考慮あり)(c-2) マットレスカバーA 温度経時変化(a-2) 防水シーツ A 温度経時変化
実験値

3時間

20100時間

2時間(c-1) マットレスカバーA 含水量経時変化(a-1) 防水シーツ A 含水量経時変化
実験値

詳細モデル(水分抵抗考慮あり)

10001時間

詳細モデル(水分抵抗考慮なし）

150500時間

簡易モデル

1時間

2時間

(d-2) 敷布団用シーツ温度経時変化(b-2) 防水シーツ C 温度経時変化
図 3 実験結果及び計算結果の比較

39-4

3時間