より寒いまたはより暑い条件下で生き残り、働くためには、人工的な加熱または冷却だけでなく、衣服によって皮膚表面の暖かい気候を提供する必要があります. 極端な温度での作業に最も効果的な衣類のアンサンブルを設計するには、衣類を介した熱交換のメカニズムを理解する必要があります。
衣服の熱伝達メカニズム
衣類の断熱材の性質
衣服を介した熱伝達、または逆に言えば衣服の断熱は、衣服内および衣服上に閉じ込められた空気に大きく依存します. 衣服は、最初の概算として、空気層にグリップを提供するあらゆる種類の素材で構成されています. 一部の材料特性は依然として関連しているため、この記述は概算です。 これらは、生地の機械的構造 (例えば、耐風性や厚い生地を支える繊維の能力) と、繊維の固有の特性 (例えば、熱放射の吸収と反射、水蒸気の吸収、汗の発散) に関連しています。 ）。 極端な環境条件ではないため、さまざまな種類のファイバーのメリットは過大評価されることがよくあります。
空気層と空気運動
断熱を提供するのは空気、特に静止空気であるという考えは、厚い空気層が断熱に有益であることを示唆しています。 これは事実ですが、空気層の厚さは物理的に制限されています。 空気層は、任意の表面へのガス分子の付着、分子の第 12 層の第 1 層への結合などによって形成されます。 ただし、後続の層間の結合力はますます小さくなり、その結果、外側の分子は空気のわずかな外部運動によっても動かされます。 静かな空気では、空気層の厚さは最大 XNUMX mm ですが、嵐のように激しい空気の動きがあると、厚さは XNUMX mm 未満に減少します。 一般に、厚さと空気の動きの間には平方根の関係があります (を参照)。 「式と定義」）。 正確な機能は、表面のサイズと形状によって異なります。
静止空気と移動空気の熱伝導
静止した空気は、材料の形状に関係なく、一定の導電率を持つ絶縁層として機能します。 空気層の乱れは、有効な厚さの損失につながります。 これには、風だけでなく、衣服の着用者の動き、つまり体の変位 (風の成分) や体の部分の動きによる外乱も含まれます。 自然対流は、この効果に追加されます。 空気層の断熱能力に対する空気速度の影響を示すグラフについては、図 1 を参照してください。
図 1. 空気層の断熱能力に対する空気速度の影響。
輻射による熱伝達
放射は、熱伝達のもう XNUMX つの重要なメカニズムです。 すべての表面は熱を放射し、他の表面から放射された熱を吸収します。 放射熱流は、XNUMX つの交換面間の温度差にほぼ比例します。 表面間の衣類層は、エネルギーの流れを遮断することにより、放射熱伝達を妨げます。 衣服は XNUMX つの表面の温度のほぼ平均に達する温度に達し、それらの間の温度差が XNUMX つにカットされるため、放射流は XNUMX 分の XNUMX に減少します。 遮断層の数が増えると、熱伝達率が低下します。
したがって、複数の層は、放射熱伝達を減らすのに効果的です。 中綿と繊維フリースでは、放射は生地層ではなく分散繊維によって遮断されます。 繊維材料の密度 (または布地の体積あたりの繊維材料の総表面積) は、そのような繊維フリース内の放射線伝達の重要なパラメーターです。 細かい繊維は、粗い繊維よりも一定の重量に対してより多くの表面を提供します。
生地の断熱材
密閉された空気の伝導率と放射線伝達の結果として、布の伝導率は、さまざまな厚さと結合の布に対して事実上一定です。 したがって、断熱性は厚さに比例します。
空気と布の耐蒸気性
空気層は、湿った皮膚から環境への蒸発した汗の拡散に対する抵抗も生み出します。 この抵抗は、衣類のアンサンブルの厚さにほぼ比例します。 生地の場合、耐蒸気性は、封入された空気と構造の密度に依存します。 実際の生地では、高密度と優れた厚みが両立することはありません。 この制限により、フィルムやコーティングを含まない生地の空気当量を推定することが可能です (図 8 を参照)。 コーティングされた布地またはフィルムにラミネートされた布地は、予測できない耐蒸気性を持っている可能性があり、これは測定によって決定する必要があります。
図 2. コーティングなしの生地の厚さと耐蒸気性 (deq) の関係。
生地と空気層から衣料品まで
生地の多層
熱伝達メカニズムからのいくつかの重要な結論は、断熱性の高い衣類は必然的に厚いこと、衣類を複数の薄い層でまとめることによって高い断熱性が得られること、タイトフィットよりもルーズフィットの方が断熱性が高くなること、断熱性には下限があることです。肌に密着する空気層で整えます。
防寒着は薄い生地だけでは厚みが出にくいことが多いです。 解決策は、XNUMX つの薄いシェル生地を中綿に取り付けて、厚い生地を作成することです。 中綿の目的は、空気層を作り、内部の空気をできるだけ静止させることです。 厚い生地には欠点もあります。レイヤーが接続されているほど、衣服が硬くなり、動きが制限されます.
服の種類
衣類アンサンブルの断熱性は、衣類のデザインに大きく依存します. 断熱材に影響を与える設計パラメータは、層の数、開口部、フィット感、身体全体と露出した皮膚の断熱材の分布です。 通気性、反射率、コーティングなどの材料特性も重要です。 さらに、風や活動によって断熱性が変化します。 着用者の快適さと許容範囲を予測する目的で、衣服の適切な説明を与えることは可能ですか? さまざまな手法に基づいて、さまざまな試みが行われてきました。 完全なアンサンブル断熱材の推定値のほとんどは、屋内アンサンブルの静的条件 (運動なし、風なし) に対して行われています。これは、利用可能なデータが熱マネキンから得られたためです (McCullough、Jones、および Huck 1985)。 人を対象とした測定は手間がかかり、結果は大きく異なります。 1980 年代半ば以降、信頼性の高い動くマネキンが開発され、使用されてきました (Olesen et al. 1982; Nielsen, Olesen and Fanger 1985)。 また、測定技術の改善により、より正確な人体実験が可能になりました。 まだ完全に克服されていない問題は、評価に汗の蒸発を適切に含めることです。 発汗マネキンはまれであり、体全体の発汗率の分布が現実的なモデルはありません。 人間は現実的に汗をかきますが、一貫性はありません。
衣類の断熱材の定義
衣類の断熱材 (Icl m単位で2K/W) は、放射線源や衣服内結露のない定常状態で定義されます。 「式と定義」。 しばしば I 単位は clo (標準的な国際単位ではありません) で表されます。 0.155 クロは XNUMX m2K/W. 単位 clo の使用は、それが身体全体に関連することを暗黙のうちに意味し、したがって露出した身体部分による熱伝達が含まれます。
I 前に説明したように、動きと風によって変更され、修正後に結果が呼び出されます 結果としての絶縁. これはよく使われる用語ですが、一般には受け入れられていません。
体全体の衣服の分布
身体からの総熱伝達には、露出した皮膚 (通常は頭と手) によって伝達される熱と、衣類を通過する熱が含まれます。 本質的な絶縁 （参照してください 「式と定義」) は、覆われた部分だけでなく、皮膚全体の面積で計算されます。 露出した皮膚は、覆われた皮膚よりも多くの熱を伝達するため、固有の断熱材に大きな影響を与えます。 この効果は、風速を上げることで強化されます。 図 3 は、身体形状の湾曲 (外側の層は内側よりも効果が低い)、露出した身体部分 (熱伝達のための追加の経路)、および風速の増加 (特に露出した皮膚の断熱性の低下) により、固有の断熱性がどのように連続的に低下するかを示しています (Lotens 1989）。 厚いアンサンブルの場合、断熱材の減少は劇的です。
図 3. 身体の曲率、素肌、風速の影響を受ける本質的な断熱材。
典型的なアンサンブルの厚みとカバレッジ
どうやら、断熱材の厚さと皮膚の被覆率の両方が、熱損失の重要な決定要因です。 実生活では、冬服は夏服よりも厚いだけでなく、体の大部分を覆うという意味で、この 4 つは相関しています。 図 1989 は、これらの効果が一緒になって、衣類の厚さ (衣類の単位面積あたりの断熱材の体積として表される) と断熱材 (Lotens XNUMX) の間にほぼ線形の関係をもたらすことを示しています。 下限は周囲の空気の断熱性によって設定され、上限は衣類の使いやすさによって設定されます。 均一な分布は寒さの中で最高の断熱材を提供するかもしれませんが、手足に多くの重量と嵩を持たせることは実際的ではありません. そのため、胴体に重点が置かれることが多く、局所的な皮膚の寒さへの感受性がこの練習に適応されます。 手足は人間の熱バランスを制御する上で重要な役割を果たしており、手足の高い断熱性はこの調整の有効性を制限します。
図 4. 衣服の厚さと身体全体の分布に起因する総断熱材。
衣類の換気
衣類のアンサンブルに閉じ込められた空気層は、動きや風の影響を受けますが、隣接する空気層とは程度が異なります。 風は、空気が生地に浸透し、開口部を通過することで、衣類に換気をもたらしますが、動きは内部循環を増加させます. Havenith、Heus、および Lotens (1990) は、衣服の内部では、動きが隣接する空気層よりも強い要因であることを発見しました。 ただし、この結論は生地の通気性に依存します。 通気性の高い生地の場合、風による換気はかなりのものです。 Lotens (1993) は、換気が実効風速と通気性の関数として表現できることを示しました。
衣類の断熱性と耐蒸気性の推定
衣類の断熱材の物理的推定
衣類のアンサンブルの厚さは、断熱材の最初の見積もりを提供します。 アンサンブルの典型的な伝導率は 0.08 W/mK です。 平均厚さ 20 mm で、 Icl 0.25m2K/W、または 1.6 クロ。 ただし、ズボンや袖などのゆったりとした部分は、導電率がはるかに高く、0.15 のオーダーであるのに対し、ぎっしり詰まった衣服の層の導電率は 0.04 であり、Burton と Edholm (4) によって報告された有名な 1955 インチあたり XNUMX クロです。 ）。
表からの見積もり
他の方法では、衣料品のテーブル値を使用します。 これらのアイテムは、マネキンで以前に測定されています。 調査中のアンサンブルは、そのコンポーネントに分離する必要があり、これらをテーブルで検索する必要があります。 最も似ている衣料品を選択すると、エラーが発生する可能性があります。 アンサンブルの固有の断熱を得るために、単一の断熱値を合計式に入れる必要があります (McCullough、Jones、および Huck 1985)。
衣類表面積係数
全断熱材を計算するには、 fcl 推定する必要があります (「式と定義」を参照）。 実際の実験的推定は、衣服の表面積を測定し、重複部分を修正し、皮膚の総面積で割ることです (DuBois and DuBois 1916)。 さまざまな研究からの他の推定値は、 fcl 固有の断熱材に比例して増加します。
蒸気抵抗の推定
衣服のアンサンブルの場合、蒸気抵抗は空気層と衣服層の抵抗の合計です。 通常、レイヤーの数は体によって異なります。最適な推定値は、露出した皮膚を含む面積の加重平均です。
相対蒸気抵抗
蒸発抵抗は、 Iの測定値が少ないため Ccl （または Pcl） 利用可能です。 Woodcock (1962) は、水蒸気透過指数を定義することでこの問題を回避しました。 im の比率として I & R、単一の空気層の同じ比率に関連しています (この後者の比率はほぼ一定であり、乾湿定数 S、0.0165 K/Pa、2.34 Km として知られています)。3/g または 2.2 K/torr); im= I/(R・S）。 の典型的な値 im マネキンで測定されたコーティングされていない衣類の場合、0.3 から 0.4 です (McCullough、Jones、および Tamura 1989)。 の値 im 繊維複合材とそれに隣接する空気は、湿式ホットプレート装置で比較的簡単に測定できますが、実際の値は、装置上の空気の流れと、装置が取り付けられているキャビネットの反射率に依存します。 の比率の外挿 R & I 布地の測定から衣服のアンサンブルまで (DIN 7943-2 1992) が試みられることがあります。 これは技術的に複雑な問題です。 ひとつの理由は、 R の対流部分にのみ比例します。 I、そのため、放射熱伝達を慎重に修正する必要があります。 もう XNUMX つの理由は、ファブリック複合材と衣服のアンサンブルの間に閉じ込められた空気が異なる可能性があることです。 実際、蒸気拡散と熱伝達は別々に扱う方が適切です。
多関節モデルによる見積もり
上記の方法よりも高度なモデルを使用して、断熱材と水蒸気抵抗を計算できます。 これらのモデルは、多くの身体部分の物理法則に基づいて局所的な断熱を計算し、これらを人間の形状全体の固有の断熱に統合します。 この目的のために、人間の形状は円柱で近似されます (図 )。 McCullough、Jones、および Tamura (1989) によるモデルでは、身体セグメントごとに指定された、アンサンブル内のすべてのレイヤーの衣類データが必要です。 Lotens と Havenith (1991) の CLOMAN モデルでは、必要な入力値が少なくなります。 これらのモデルは同様の精度を持ち、実験的決定を除いて、言及されている他のどの方法よりも優れています。 残念なことに、モデルは、広く受け入れられている標準よりも複雑になることは避けられません。
図 5. シリンダー内の人間の形状の関節。
活動と風の影響
Lotens と Havenith (1991) は、文献データに基づいて、活動と風による断熱と蒸気抵抗の修正も提供しています。 立っているときよりも座っているときのほうが断熱性が低く、断熱性の高い衣服ほどこの効果が大きくなります。 ただし、動きの勢いにもよりますが、動きは姿勢よりも断熱性を低下させます。 歩行中は両腕と両脚が動き、脚のみが動くサイクリング時よりも減少が大きくなります。 この場合も、厚着のアンサンブルほど減少量が大きくなります。 風は、薄手の衣類で最も断熱性を低下させ、厚手の衣類では小さくなります。 この効果は、シェル生地の通気性に関連している可能性がありますが、これは通常、寒い天候のギアでは低くなります.
図 8 は、レインウェアの耐蒸気性に対する風と動きの典型的な影響を示しています。 運動や風の影響の大きさについて、文献には明確な合意はありません。 この主題の重要性は、ISO 7730 (1994) などの一部の規格が、活動的な人、または大きな空気の動きにさらされた人に適用される場合、結果としての断熱を入力として要求しているという事実によって強調されています。 この要件は見過ごされがちです。
図 6. さまざまなレインウェアの風と歩行による水蒸気抵抗の減少。
水分管理
吸湿効果
ほとんどの天然繊維がそうであるように、生地が水蒸気を吸収できる場合、衣類は水蒸気の緩衝材として機能します. これにより、ある環境から別の環境への過渡時の熱伝達が変化します。 非吸収性の衣服を着ている人が乾燥した環境から湿気の多い環境に足を踏み入れると、汗の蒸発が急激に減少します。 吸湿性の衣類では、生地が蒸気を吸収し、蒸発の変化は緩やかです. 同時に、吸収プロセスによって生地の熱が放出され、生地の温度が上昇します。 これにより、皮膚からの乾燥した熱伝達が減少します。 最初の概算では、両方の効果が相殺され、総熱伝達は変化しません。 非吸湿性衣類との違いは、皮膚からの蒸発がより緩やかに変化し、汗がたまるリスクが少ないことです。
蒸気吸収能力
生地の吸収能力は、繊維の種類と生地の質量によって異なります。 吸収質量は相対湿度にほぼ比例しますが、90% を超えると高くなります。 吸収能力（と呼ばれる 回復する) は、相対湿度 100% で 65 g の乾燥繊維に吸収される水蒸気の量として表されます。 生地は次のように分類できます。
- 低吸収— アクリル、ポリエステル (1 g あたり 2 ～ 100 g)
- 中間吸収ナイロン、綿、アセテート（6gあたり9～100g）
- 高吸収—絹、亜麻、麻、レーヨン、ジュート、羊毛（11gあたり15～100g）。
水分摂取量
しばしば蒸気吸収と混同される生地の保水は、さまざまな規則に従います。 自由水は生地に緩く結合し、毛細血管に沿って横方向によく広がります。 これはウィッキングとして知られています。 ある層から別の層への液体の移動は、湿った生地と圧力下でのみ行われます。 衣類は、皮膚から吸収された蒸発していない (余分な) 汗によって濡れる場合があります。 生地の液体含有量が高く、後の瞬間に蒸発する可能性があり、熱収支が脅かされます。 これは通常、ハードワーク後の休息中に発生し、次のように知られています。 アフターチル. 液体を保持する布地の能力は、繊維の吸収能力よりも布地の構造に関連しており、実用的な目的では通常、余分な汗をすべて吸収するのに十分です.
結露
蒸発した汗が特定の層に結露し、衣類が濡れる場合があります。 結露は、湿度が現地の温度よりも高い場合に発生します。 寒冷地では表生地の内側によくあり、極端な寒さではより深い層でも. 結露が発生すると、水分が蓄積されますが、吸収時と同様に温度が上昇します。 ただし、凝縮と吸収の違いは、吸収は一時的なプロセスであるのに対し、凝縮は長時間続く可能性があることです。 凝縮中の潜熱伝達は、熱損失に非常に大きく寄与する可能性があり、これは望ましい場合と望ましくない場合があります。 湿気の蓄積は、不快感と後冷えのリスクがあるため、ほとんどの場合欠点です。 大量の結露の場合、液体は再び皮膚に運ばれ、再び蒸発する可能性があります。 このサイクルはヒート パイプとして機能し、下着の断熱性を大幅に低下させる可能性があります。
ダイナミック シミュレーション
1900 年代初頭以来、衣服と気候を分類するために多くの基準と指標が開発されてきました。 ほとんど例外なく、これらは定常状態、つまり人が一定の体温を発達させるのに十分な時間、気候と仕事が維持された状態を扱ってきました。 労働衛生と労働条件の改善により、この種の仕事はまれになりました。 過酷な環境への短期間の露出に重点が移っており、多くの場合、防護服での災害管理に関連しています。
したがって、衣服の熱伝達と着用者の熱ひずみを含む動的シミュレーションが必要です (Gagge、Fobelets、および Berglund 1986)。 このようなシミュレーションは、指定されたシナリオを実行する動的コンピューター モデルによって実行できます。 衣類に関してこれまでで最も洗練されたモデルの中に THDYN (Lotens 1993) があります。これは、広範囲の衣類仕様を可能にし、シミュレートされた人物の個々の特徴を含むように更新されました (図 9)。 より多くのモデルが期待されるかもしれません。 ただし、実験的評価を拡張する必要があり、そのようなモデルの実行は、知的な素人ではなく、専門家の仕事です。 熱と物質移動の物理学に基づく動的モデルには、すべての熱伝達メカニズムとそれらの相互作用 (蒸気の吸収、放射源からの熱、結露、換気、湿気の蓄積など) が含まれており、民生用、作業服と防護服。
図 7. 動的熱モデルの一般的な説明。
