生活環境懇話会
着衣のふいご作用による換気性能の評価
横浜国立大学薩本弥生
1Why do Bedouins wear black robes
in hot deserts?

３３℃

Te=35～46℃

３８℃

Black robe

Skin surface

Clothes

Skin surface

４７℃

Clothes

３３℃

４１℃

Te=35～46℃

３８℃

White robe

Environment
35-46℃

衣服の着方・デザインなどの着装要因によっては対流の影響を
Nature Vol. 283 24 Jan. 1980より引用
受け素材の物性だけでとらえた常識と異なる場合があり得る 2

着衣の熱水分移動性能に影響する要因
衣服内気流を促進させることで放熱を促す。

着衣の熱水分移動性能

着衣の煙突効果

布素材の性質

通気性、透湿性、吸湿、吸水性など

着衣している
人の動作自体が放熱を高める効果

着衣のふいご作用（bellows action）
着衣の構成要因

被覆面積、開口部の開口条件、衣服間隙（衣服のゆとり量）

3

無風安静時の着衣の伝熱への着衣の構成要因の影響

4

着衣開口部開口条件の効果

クールビズにはどんな着装が良い？
Ex) ノーネクタイ「快適ライフを科学する」,薩本弥生編著、編著丸善株式会社(2003) 参照

5

着衣開口部開口条件の効果
OO
上端開放

OCCOCCOO

OC

CO

上端閉鎖

CC6

着衣下端開放と閉鎖で比較（理論解析の結果）着衣上端はいずれも開放 着衣下端を閉鎖しても間隙内に素材の通気性に応じて浸透する空気が間隙内で上昇気流を生じ十分換気効果がある。
 一方、間隙内の温度分
布は下端閉鎖の方が全体に保温性大）。

下端開放

下端閉鎖

7

着衣下端開放と閉鎖で比較（理論解析）
 着衣下端閉鎖でも間隙内に素材の通気性に応じて浸透する空気が間隙内で上昇気流を生じ十分換気効果あり。
下端開放

下端閉鎖

8

着衣下端開放と閉鎖で比較（理論解析の結果）着衣上端はいずれも開放 着衣下端を閉鎖しても間隙内に素材の通気性に応じて浸透する空気が間隙内で上昇気流を生じ十分換気効果がある。
 一方、間隙内の温度分布は下端閉鎖の方が全体に温度が高く保たれる（保温性大）。

下端閉鎖

下端開放

冷気流入
9

着衣のゆとり（被服間隙の寸法）の効果
断熱性能の高い静止空気をどれだけ保持するかが保温性に寄与
 間隙5～10mmまで
 空気の粘性が働き空気は流動できないため間隙が増加することによって断熱層が増す。
 間隙10mm以上
 間隙内で人体からの放熱による浮力が原動力となり人体に沿った対流が生じるため高さ（x）の影響がでてくる。
 高さや間隙寸法により、熱通過率は異なる。
10

素材の通気性の効果
 無風時は素材の通気性は保温性（熱通過率の逆数）に直接寄与しない
 しかし、素材の通気性は炭酸ガス、水蒸気を含めた空気の換気に重要な影響を与える
着衣の熱水分移動性に影響する要因に戻る

11

着衣のふいご作用が放熱性能へ及ぼす影響

ふいご作用とは

人体と衣服の相対的な動きによる強制的な空気の流れが、着衣からの放熱に影響を与える現象。



歩行時に四肢部の動作に伴う衣服のリズミカルな動き

衣服の襟元をつまみパタパタと動かす動作

目的

経験的にはふいご作用が放熱に有効ということは周知であるが定量的な研究はあまり見られないため、着衣のふいご動作が着衣の放熱性能へどのように影響するかを定量的に検討

参考文献：
１）薩本弥生，王 海華，長谷部ヤエ，石川欽造，竹内正顯，Bellows action(ふいご作用)の着衣の放熱性能への影響 、第１報 衣服下間隙寸法と通気性の効果Vol.56(11) 524－536 (2000)
2) 薩本弥生,伊藤幸子,長谷部ヤエ,竹内正顯,Bellows action(ふいご作用)の着衣の放熱性能への影響、第2報
12
開口部の開口条件の効果Vol.59(1)22-29(2003)

40min40min



図は開口部１小の場合

Motor

Distance fromhot plate

実験装置配置図

W:振幅20mm×2400

s：間隙1,2,5,10,20,30mm

Movement

Time

Still

Time table of experiment

WS
4 5 6
1 2 3

Side insulator
Material Plate
ｗ：振幅
ｓ：間隙

微風速計

Hot plate(heat fluxmeters,thermocouples)

開口部１大の場合
13

開口部のモデル
WS

W
S

123456

4 5 6
1 2 3

開口部なし
Model(0)

開口部なし
Model(0)1 2 3 4 5 6

4 5 6
1 2 3

1 2 3 4 5 6
開口部(１小)Model(1a)開口部小Model(1a)

WWSS

4 5 6
1 2 3

4 5 6
1 2 3123456
開口部(１大）Model(1b)開口部１大Model(1b)開口部２Model(2)開口部２Model(2) 14

実験に用いた素材の通気性の比較∞

100
Broad+Wrap Denim Broad Bleached Meshcotton
15

ふいご動作時の放熱への通気性の効果
14121086
開口部なし
開口部1開口部2420
Denim

Broad+Wrap Broad Bleached cotton∞
Mesh

Air permeability ((m/s)/Pa)×10-3

メッシュ以外は通気性による差がほとんど、みられなかった。 16

開口部の開口条件の影響（間隙2,5mmで共通の現象）

123456
開口部なし
Model(0)間隙s=2mm123456
開口部(１小)Model(1a)123456

開口部１小が放熱性能大開口部2と開口部1大モデルが一致

開口部(１大）Model(1b)123456
開口部２Model(2)Hot air
17Cold air理論解析：間隙内の流速の式
Control volumeの質量時間変化ρ･s(t+Δt)･Δx - ρ･s(t)･Δx

Material without permeability
布素材（通気性無）ρ･u(x,t)･s(t)･Δt

Control volumeから流出する質量sControl volumeに流入する質量ｓρ･u(x+Δx,t)･s(t)･Δtss
Control volume

質量保存法則から次式となる∂u 1 ds+ ･ =0∂x s dt
積分し境界条件Ux=0=0を入れ以下の流速の式がえられる。
1 dsu = − ･ ・xs dt

ＬBasis ( Hot plate )模擬皮膚面s(t)U( x,t )Ｘ

U( x+Δx,t )XX+ΔX

s：衣服下間隙(縦軸)x：板の長さ方向（横軸）L：板の長さu：間隙s内のx方向の流速
ρ：空気の密度18理論解析

衣服下間隙内の空気の流速
1 ds
u = − ･ ・xs dtus

Material plate+Ｌx－X：発熱平板の長さ方向

ds<0dt隙
間狭い 広い間隙

u 0s(t=0)

Hot plate

布素材の移動方向

狭い 広い間隙
間隙

Lxds>0dt

u：間隙内sのx方向の流速
L：板の幅

19

開口部側w

流速uの方向Material plate
Opening

Insulatingplate
654321Hot plate

開口部（１小）Opening

Material plate
Opening

間隙内気流の模式図

開口部２と開口部1小の比較

6開口部２5432

1Hot plate
20

理論解析

開口部数の流速分布への影響
流速uの方向

1 dsu = − ･ ・x us dt

布素材の移動方向

Material

6 5 4 3 2 1+開

開口部２Material

6 5 4 3 2 1

開口部１（小）0No.6－

小
１
口部

２部
開口
No.3
No.1
開口部２
開口部１小ds<0dt

xds>0dt21

入り口流速実測値

開口部開口条件の流速分布への影響
123456開口部(１小)Model(1a)123456開口部(１大）Model(1b)123456
開口部２Model(2)Hot air
22
Cold airふいご作用が放熱に寄与する割合
ふいご放熱指数（Bellows Heat Transfer Index）
h m − h s hs:安静時の熱通過率
BHTI =
hs
hm:ふいご動作時の熱通過率

123456
開口部なし
Model(0)123456開口部(１小)Model(1a)123456

対流

ふいご放熱

熱伝
導開口部(１大）Model(1b)123456開口部２Model(2)Hot air
23
Cold airふいご作用の放熱促進への効果は？
 隙間の寸法の影響：間隙が5～10mm位が効果が高い。
 部位：開口部からの距離に比例し開口部付近が一番大。


最大効果：開口部付近で開口部無しや安静時の約1.5倍。

 素材の通気性：あまり影響しない。
 奥行き：長い方が開口部での換気効果大24

ふいご作用の活用用途
 放熱性能よりも優先する機能がある服は温熱的快適性の点で問題有り。
 例えば消防服等の密閉型衣服。
 革靴。
 生理用ナプキンやオムツ等。

 いずれもふいご作用等の換気性能を応用することで快適性を改善できる余地があり。

25

革靴の温熱的快適性について26靴内環境に関わる現状
人体要因＊足裏はストレス性発汗部位＊季節に関わらず年中発汗

生活環境要因靴の要因＊閉塞型の靴が多い＊革靴素材、透湿抵抗大＊ロングブーツが一般的に（女性の水虫患者が拡大傾向）＊共働き家庭の増加で靴ケア
時間が減少

人体からの放散される熱、水分が速やかに靴外に放散されにくく、不快になりやすい

多くの人が靴の換気は不十分と感じている
27

本研究の目的
快適な靴内環境を求める声
換気機能を謳う市販靴の登場→その効果を確認
十分な効果あり？

・換気機能を持つ中敷きを試作→性能の評価
・ 革靴の温熱的快適性の向上を目指す
28

換気機能を持つ中敷き 「換気中敷き」＊
換気中敷きの仕組み¾ 歩行動作を利用した靴内換気¾ 排出・取り込みの２経路をもつ¾ 取り込み経路
外気の乾いた空気¾ 排出経路

接地

排出経路

離地接地

湿った空気

離地

¾ 靴が地面から離れた時、外気の乾いた空気が中敷き内に流入¾ 踵・つま先の接地の際に、中敷きにかかる力を利用し、中敷き内を通して外気をつま先に吐出¾ 取り込み経路と同様の仕組
みでつま先の湿った空気を靴取り込み経路
外に排出→バッテリーの必要なし＊:特開2008-161478,(2008)29

実験スケジュール
実験方法 ①被験者実験（靴内環境）• 換気機能のない市販革靴・換気機能を謳った市販革靴・換気中敷き入りの市販革靴をそれぞれ履き温度・湿度の変化を測定し比較• 測定部位：親指・甲・土踏まず②換気中敷きの換気のメカニズム
換気中敷きにかかる圧力と、外気取り込み経路から出てくる空気の流量を計測した。

30

実験結果 ①－１市販革靴高湿な状態のまま！

Relative humidity (%)

100

歩行中に湿度低下

sittin gw alking

sittingw alking

90
80
7060b ig toea rch
i nst ep50

com m erc ial casual leather shoes

40 010203040
L ap se tim e (m in.)506031

実験結果 ①－２換気効果を謳う市販革靴
安静

革靴内相対湿度（％)

100

歩行中に、湿度が低下していない

運動

安静

若干
高湿運動

親指
土踏まず
甲90
807060

天然皮革 市販換気靴の場合

050

510時間

1520（分）32

実験結果 ①－３換気中敷き
安静

革靴内相対湿度（％)

100

歩行中に湿度低下

運動

安静

運動

土踏まずの換気も行われている

親指
土踏まず
甲90
807060

考案－２層式換気中敷きの場合

50
040

510時間

1520（分）33

実験結果②

外気取込経路の歩行と流量の関係

気体用流量センサkeyenceFD-V40(センサヘッドFD-A10)0.3～１０L/min..,デジタル圧力センサkeyenceAP-V80(センサヘッドAP10S）-100～100kPa

吐出流量
大気圧との差圧

10

圧力（ｋPa)および流量（l/min )

10

かかと接地

98

趾指つけ根接地8

吐出流量
大気圧との差圧76拡大4654322100510152025

２層式換気中敷き装着時の外気取り込み経路（下層チューブ）出口の流量と環境との相対圧力-2

圧 力 （ ｋ P a ) お よ び 流 量 （ l/ m in . )12時間 （秒）

30

0
7.5

88.5

時間 （秒）
34

まとめ• 換気機能のない市販靴では、土踏まずでは歩行中に靴内湿度の低下が見られたが、親指付近が高湿な状態で、親指付近が最も改善の必要な場所であることが分かった。
• 換気機能を謳った市販靴では、換気機能の無い靴よりも、やや低湿な状態であったが、親指付
近は依然として高湿なままであった。
• 今回試作した換気中敷きを使用することで、他の靴と違い、歩行と同期して親指付近の湿度の低下が見られた。

ふいご作用の活用事例に戻る

35トレーサガス法を用いた
紙おむつの換気性能の測定法について36

おむつの着心地の問題点
運動機能的な問題

風合いの問題

おむつのずれ

肌触り

歩行のもたつきおむつによる摩擦尿漏れ
温熱的な問題蒸れ
おむつかぶれ37◆背景◆～オムツ内環境のコントロール～
ｵﾑﾂ内の湿度状況

オムツ着用により腰部閉塞

高い

排尿
非排尿時 7月：35℃ 70～80%RH

高温多湿

3月：32℃ 30～40%RH解消するために…

排尿時

100％RH低い

オムツ着装内の熱の移動①厚み方向の水分を伴う熱移動
おむつ

②の構造

①

②隙間からの空気の換気による熱移動

排尿

バックシートに透湿性を付与することによって、水分・熱移動の改善を行なってきたが､実使用においてオムツ内環境をコントロールできるレベルまでは至っていない。
動きに伴ったウエスト部やレッグギャザー部からの換気が、オムツ内環境コントロールに大きな影響を及ぼすと考えられながらも、その実態を観察したことはなく、動作に応じてどのくらい換気が起こっているのかわかっていない。
38

本研究の目的 赤ちゃんの動きによってできる、おむつの隙間からの換気を促進するようなおむつの構造の開発のために 換気を定量できる装置の開発。

39

トレーサガス法を用いた着衣の換気性能に関する先行研究 Crockford et al (1972)have developed the way to measure the air exchange directly from the tracer gas
method.

 Birnbaum･Crockford (1978)

also proposed the vacuum method to measure volume as their transient tracer gas
method needed clothing microclimate volume to calculate air exchange rate Ueda･Havenith (2005, 2006)
 investigated the effect of air permeability, opening condition and clothing air gap

between skin and clothing on ventilation during walking and/or with wind.

They found that the ventilation was affected not only by the air permeability (oneof the material factor of clothing) but also the constructive factor like opening andair gap between skin and clothing.

40

換気測定装置

方法

注入器

アクリル板

CO2 センサー

歩行動作
10mm
おむつ： CO2 排出口
41

waist shirr zone

Side2
absorbent(SAP)

Side1

Characteristicsof diaper materials
Area weightedair resistance *2(kPa・s/m)

Water vapor permeabilityof unwoven
clothes *32(g/m /24h)

Permeable pant

0.05

－*1

Diaper A

1.93

4525.6

Diaper B

2.65

4078.3

Diaper C

2.68

4640.2

Diaper D

2.34

1572.8Impermeable pant－*1

1807.4

Sample*1: impossible to measure,*2:measured by KES methods*3: measured by JIS L1099 A-2 Methods
42Results ： In case of Impermeable shorts.

400

C o n c e n t r a t io n o f C

350

12月5日
12月6日
1月15日
2月19日
2月21日
2月22日

250

200

150

100

5000200400600

Lapse time (s)

800

1000

Concentration of CO2 /300

Equivalent value of CO2 concentration.

Raw data →Normalized data.
10.9
0.8
0.7

Y12.5
Y12.6
Y1.15
Y2.19
Y2.21
Y2.22

0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
002468Lapse time/time constant43

Concentration of CO2/ Equivalent valueof CO2 concentration.

時定数
y=1-e-t/τ

1.00
0.80
1-1/e0.60

時定数が小さい方が換気速度が速い

0.40
0.20
0.00
020

406080 (t)

時定数τ
44

Results
In case of Impermeable shorts.
confirmation of reproductivity
200
180

time constant

160140120
1008060
4020012/512/6

1/15

2/192/212/22

date of experimetns

45

 換気量を測定する実験を行った↓
 同条件の実験の再現性が悪い↓
 換気を再現性良く定量できるよう、装置を改良
46

データのばらつきは本当にばらつきなのか？
データのばらつき〈装置自体のばらつきを確認〉【実験①】装置内濃度の均一化→攪拌用扇風機1台から3台に変更【実験②】CO2注入速度の一定化→手動から自動に変更〈ｼｮｰﾂ・ｵﾑﾂでの再現性を確認〉【実験③】非通気ｼｮｰﾂ安静/歩行ﾃﾞｰﾀN数確保
47

【実験①】装置内濃度の均一化
5045Rest and Naked( Without shorts)

40

時定数

3530252015105CV値
9.13

CV値
7.68

ﾌｧﾝ上のみﾌｧﾝ上下048

【実験②】CO2注入速度の一定化
Rest and Naked( Without shorts)

50
4540

時定数

3530252015105CV値
7.68

CV値
4.33

手動自動049【実験③】非通気ｼｮｰﾂ安静/歩行ﾃﾞｰﾀN数確保

time consta

In case of Impermeable pants, rest

120
100
8060
40200CV22.3

by handrest (injected by hand )

CV
28.6

by machinerest(injected automatically by machine )50

Discussion:
What is the reason of unstable results?
50454035302520151050

injected by machine

Rest and Naked( Without shorts)
naked

CVvalue
7.68

by handby handCVvalue
4.33
by machineby machine

Rest and With impermeable shorts

time consta

z For the experimentwith naked manikin,repetitive error
decreased and small (cf.
right graph).
z We think that thereason of instability
seems difficulty of theputting on the same
construction of diaper.
z Are there any otherreasons?

time c o n stan

injected by hand

120
100
80
60
40
200

CV
22.3
by handrest (injected by hand )CV
28.6
by machinerest(injected automatically by machine )51

自動二酸化炭素定量注入装置の設置
攪拌用扇風機：１から３に増加↓
マネキン裸体時の再現性は向上↓
マネキンおむつ着装時は再現性が悪い↓
着装の度に構成要因が変化！？
52三次元網布着装状態の再現性向上

衣服内空間で注射器からの注入の勢いを止める。

マネキン間隙内空気循環

間隙内の二酸化炭素が局所に偏在することを防ぐ。
53

マネキンを上から見た図
おむつ

ＣＯ２

マネキン
マネキン間隙三次元網布54

マネキン間隙内空気を循環させた効果
標準偏差
マネキン間隙内循環なし
マネキン間隙内循環あり

4.0
3.5低くなった

標準偏差3.0低くなった

2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
安静

歩行55

三次元網布＋マネキン間隙内の空気を循環→以前より換気定量の精度向上

time constantEffect of pumpcirculation andwearing three dimensional clothes
9080706050403020
100

Because of 3
dimensional netclothes &stirring the air space
between manikin anddiaper↓
To decrease the CV
value → improve theapparatus

CV
28.6

CV
9.4

CV
10.6CV
12.5

rest (without
3dimensional
clothes )rest (with3dimensional
clothes andpump)walk (without
3dimensional
clothes )walk (with
3dimensional
clothes andpump)56

基準パンツにおける着衣条件と歩行の効果
4035９％

時定数（ｓ）

30

１４％

７％

25
20

安静
歩行

15
1050

不通気パンツ

通気パンツ

裸体
57

市販紙おむつの着衣条件と歩行の効果
29８％

28５％

５％

時定数（ｓ

27９％

2625

安静
歩行

24
23
22
21
おむつA

おむつB

おむつC

おむつD
58

おむつ素材の通気性と換気性能の関係
38τ-restτ-walktime constant (sec)3634

通気パンツ、不通気パンツの中間にオムツが位置するが、オムツ間の違いは通気性だけでは説明が付かない

3230
2826

y = 27.019 + 0.39476x R= 0.83509
y = 24.942 + 0.35497x R= 0.85921

2422

02

468101214

area weighted air resistance (kPa s/m)

1659

結論
 パンツ・おむつ着用時
 装置改良以前よりも換気の定量の再現性向上

 パンツ・おむつ共に歩行動作による換気効果あり↓ 赤ちゃんの動きによる換気効果を生かしたおむつ構造のさらなる検討。
 おむつ構造の工夫でふいご作用の換気性能を応用することで快適性を改善できる可能性あり。
60