Engineering Sciences Report, Kyushu University
Vol.28, No.1 pp.31–33, JUN. 2006

九州大学大学院総合理工学報告第 28 巻 第 1 号 31-33 頁 平成 18 年 6 月

都市表面物質伝達率測定を目的とした濾紙蒸発法の検証
伊牟田航生*1・萩島 理*2†・谷本 潤*2(平成18年 4月25日 受理)

Basic verification of Evaporation Method with Filter Paper for Application ofField measurement on Transfer Coefficient of Urban Surfaces
Kousei IMUTA, Aya HAGISHIMA, Jun TANIMOTO†

E-mail of corresponding author: aya@cm.kyushu-u.ac.jp

An experiment to confirm how the Filter Paper’s Evaporation Method (FPEM) works well as anappropriate estimation of Mass Transfer Coefficient (MTC), which has been applied by quite a few
studies in urban climatology. In an experimental process of FPEM, a thick filter paper wetted
enough is pasted onto an acrylic-plastic board so that is possible to measure an evaporation rate by
the weight loss during an exposed minutes, which can be transformed into the MTC when you alsomeasure the filter paper’s surface temperature and air humidity. The key issue in FPEM is whether
and how long a wet filter paper can keep its saturation during the exposed minutes, which isprimarily focused in the present study. In the experiment, an evaporating amount from a flat-water
surface is also measured, which is requisite to compare as the reference of a perfect saturated surface
with the filter paper surface. To ensure accuracy, the exposed air is kept in calm and dry condition in
the experiment. The result insists that we can see a filter paper as an almost perfect saturated
surface unless the accumulated evaporation surpasses over 625 g/m2.
Key words: Mass transfer coefficient, Sensible heat flux, Thermal balance, Evaporation

1. 緒言

近年社会的関心の高まっているヒートアイランド現象の予測のためには，都市域の表面熱収支，とりわけ潜熱フラックスと顕熱フラックスの高精度な観測データの蓄積が不可欠である．
樹 林 や 海水 面と い っ た十 分な フ ェ ッチ を有 す る
homogeneousな面からのフラックス観測に関しては，両者の積からフラックスを推定する方法が屋外観測や都市を模擬した模型を用いた風洞実験において用いられている2)．
以上の背景から本研究は，都市気候分野において物質伝達率の計測方法として注目されつつある「濾紙蒸発法」3)を取り上げ，その精度についての基礎的な検討を行ったものである．

超音波風速計を用いた渦相関法が一般的であり1)，多数の適用事例がある．しかし，この渦相関法を都市域に適用する場合，測定原理による制約から計測機器をroughness sublayer の外側となる建物高さの2〜3倍以上の高度に設置する必要があるため，建物屋根面，2. 濾紙蒸発法の測定原理
水面や土壌などの一般的な濡れ面からの蒸発量は次式で表される．

FE  k x X air  X sat (Tsurf )

壁面，地面からのフラックスを分離して測定する事はF：蒸発量 [kg/(m2s)]殆ど不可能となる．そこで渦相関法に替わる手法とし

kx：物質伝達率 [kg/(m2s (kg/kg’))]て，対象面の温度差や濃度差と伝達率の両方を測定しXair：空気絶対湿度[kg/kg’](1)

Xsat(Tair)：濡れ面表面温度基準の飽和絶対湿度*1 環境エネルギー工学専攻（現 春日市役所）*2 エネルギー環境共生工学部門[kg/kg’]
E：蒸発効率32

都市表面物質伝達率測定を目的とした濾紙蒸発法の検証

水面の場合は蒸発効率E=1.0となる．「濾紙蒸発法」

Thermo coupleとは，十分に水を含ませた濾紙の蒸発効率を1と仮定する事で，濾紙を貼付した薄板状の試験体を測定対象面に設置して環境下に設置する前後の試験体の重量変化Filter paper

即ち蒸発量を測定して，物質伝達率を得る方法である．

Water tank

対象表面の物質輸送フラックスを直接測定するという点では，伝熱工学分野で広く用いられている「ナフタbalance

レン昇華法」4)と同じ測定原理と言えよう．
ただし，ナフタレン昇華法では，昇華に伴う相変化熱が小さいため気温を表面温度と等しいと仮定してナFig.1 Photograph of experiment

フタレン表面の飽和蒸気圧を推定する事が可能となるのに対し，濾紙蒸発法では水の相変化熱が大きいためTable.1 measurement instruments

濾紙表面温度の測定が必須となり，測定に注意を要す
る．一方で，濾紙蒸発法にはガスの毒性などの問題がItems

Instruments

一切無いため，閉鎖型の回流式風洞装置や室内におけSurface temperature offilter paper and water

Thermo couple (T type, 0.22 I)

る実験を行う上で，ナフタレン昇華法には無い大きなメリットを有する．加えて，物質伝達と熱伝達のアナ

Weight of test object withfilter paper

ロジが成立しているとみなせる条件下では，濾紙蒸発

Weight of water tank法により得られた物質伝達率を対流熱伝達率に換算可能なため，対流と蒸発の分離測定が困難な保水性舗装

Dew point temperature

Precision balance(EB-12KH, Shimadzu Co. Ltd.)
Precision balance (HP-100K,A&D Co. Ltd.)
Dew-point hygrometer (DewStar S-1, Shinei Co., Ltd.)など湿潤面を対象とした観測事例5)も報告されている．
しかし，濡れた濾紙を完全な「飽和面」と見なせる
1.2という基礎的な検証は十分に行われていない．

3. 濾紙蒸発法の検証実験
3.1 実験概要
濾紙蒸発法に基づく濾紙試験体の伝達率測定と平行して，濾紙試験体と同じ寸法の面積を有する水槽を用いて水面の伝達率を測定し，両者の物質伝達率を比較する事で，濾紙面が飽和とみなせるか，についての検証実験を行う．
物質伝達率の測定精度を確保するためには，空気絶

Evaporation rate [-]か，即ち濾紙の蒸発効率を1と仮定する事が妥当か否か，

10.80.6run 1run 2run 30.40.2
00250
500
7501000
accumulated amount of evaporation [g/m 2 ]Fig.2 Relation between evaporation rate of filter paper
and accumulated amount of evaporation

対湿度と表面飽和絶対湿度の差(Xair−Xsat (Tsurf) )（以下，「飽差」とする）を大きい条件である事が望ましい．

測定を行った．濾紙試験体の湿潤から乾燥までを1run

そこで，高温低湿にコントロールした人工気候室(5mとし，合計3runのデータを取得している．

×5.9m)にて実験を行った．ただし，空調によるドラ濾紙試験体は，厚さ1㎜の濾紙(ADVANTEC ウェッフトで水槽の水表面と濾紙表面における気流性状が異トストレングス濾紙 No.424)を50cm×50cmのアクリなる可能性があったため，測定中は空調機器の運転はル板(厚さ3㎜)にスプレー糊で貼付して作成している．

停止している．

なお，試験体側面からの蒸発を防ぐために，シール加工を施している．また，完全な飽和面としての

3.2 試験体及び測定機器

referenceとなる水面は内寸50cm×50cm×5cm，厚測定状況の写真をFig.1に，測定項目及び測定機器をさ3mmのアクリル製水槽を用いて作成している．重量

Table.1にそれぞれ示す．十分に濡らした濾紙試験体と測定の際に水が溢れるのを防ぐため，水槽は実験期間水槽の重量を人工気候室に静置後，濾紙試験体が完全中は常に電子天秤上に設置している．に乾燥し蒸発量がゼロとなるまでの間，1時間毎に重量

濾紙表面温度は伝達率の推定誤差に大きな影響を及ぼすため，測定方法には注意を要する．そこで実験に平成 18 年

九州大学大学院総合理工学報告第 28 巻第1号

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先立ち，赤外線放射カメラで濾紙の表面温度分布を確試験体の湿潤状態における蒸発効率の検討を行った．

認したところ，濾紙全体での温度差は概ね0.1℃程度にその結果，積算蒸発量が625g/m2以下の条件では概ね収まっていたが，濾紙と基盤のアクリル板が接着不十蒸発効率1と仮定できる事を確認した．

分で剥離している箇所や試験体端部では周辺より1℃

謝 辞

程度高い表面温度となっている事が確認された．よって，熱電対を仕込んだ複数の濾紙試験体を作成して，本研究の予備実験において日本工業大学・特別研究それらの表面温度測定値を赤外線放射カメラによる放費の支援を受けたサリノメータを使用した．関連各位

射温度分布を比較検討した上で，センサ部周囲の剥離に謝意を表する．

が無いと思われる状態の良い試験体を測定には用いている．

参 考 文 献3.3 実験結果

1)気流の無い静穏な条件で実験を行っている事から，同じ時刻での水面と濾紙試験体の物質伝達率は等しい2)と仮定し，濾紙試験体の蒸発効率を算出した．Fig.2に濾紙試験体の積算蒸発量と蒸発効率の関係を示す．3

3)

runのいずれも積算蒸発量が625g/m2 以下の範囲では蒸発効率は概ね0.9〜1の範囲内に収まっている．これに対し，積算蒸発量が625g/m2を超えると，蒸発効率は急激に減少している．この結果から，積算蒸発量が4)625g/㎡以下の条件では濾紙試験体は飽和状態で蒸発効率を1とみなして良い，と言えよう．
5)

4. 結

言

都市気候分野において物質伝達率の計測方法として注目されつつある「濾紙蒸発法」を取り上げ，濾紙

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