AIST Chubu

独立行政法人　産業技術総合研究所　サステナブルマテリアル研究部門　　　　　　　　　　　　　　　　　　　小畑　良洋

熱物性は『木の文化・石の文化』の違いにも関与する？－木材の温かみを測る－

熱物性は『木の文化・石の文化』の違いにも関与する？－木材の温かみを測る－

日本熱物性学会　第３回生活環境懇話会２００７年１２月１日，片山津温泉　まるや

H Mcs M

M H1 /ini ini

ini

T TT T

接触面温度 人体の熱浸透率

AIST Chubu

持続・再生可能な資源

Sustainable Development の観点から２１世紀に再評価されるべき資源

樹木

伐採

植林育林

二酸化炭素を固定化する資源

CO2

光合成

有限資源の代替として工業資源用に木質材料を

大量利用・有効利用・長期利用（ More use, Better use and Longer use ）

有限資源の代替として工業資源用に木質材料を

大量利用・有効利用・長期利用（ More use, Better use and Longer use ）

木材研究の戦略木材研究の戦略木材

木材の長所の評価

接触温冷感の研究

木材とは？

間伐材

木質系廃材

資源の枯渇問題資源の枯渇問題

地球環境問題地球環境問題

長期利用

有効利用

大量利用

AIST Chubu

キリ

オーク

銅

ステンレス鋼

温かい 冷たい接触温冷感 : キリ　 >> 　オーク　 >> 　ステンレス鋼　 > 　銅

フローリング材料

本研究の出発点接触温冷感に支配的な物性値は何か ?

温かい 冷たい 接触温冷感 : 　キリ　 >> 　オーク　 >> 　ステンレス鋼　 > 　銅熱伝導率 (W/mK): 0.134 0.330 　　　　 16 　　 355

有限資源の金属の代替として木材の利用拡大

長所：より温かい短所：軟らかい

転んでも痛くない

　　　適用例• 保育所乳児室• 特別養護老人 ホーム

21 倍2.5 倍48 倍

熱伝導率だけでは，木材間の大きな接触温冷感の違いが説明できない！

AIST Chubu

接触

温冷

感,

S

熱伝導率 , [W/(mK)]

木材（縦断面接触）

木材 （木口面接触 ) 断熱材

ﾌﾟﾗｽﾁｯｸｽｾﾒﾝﾄﾓﾙﾀﾙ

木材と他材料に関する、過去の接触温冷感の研究 接触温冷感 と 熱伝導率

・建築材料に対する岡島ら の結果 (1976)

・木材中心の材料に対する原田らの結果 (1983)

logS

金属の代替としての木材利用促進

logS RK精神物理学での Fechner の法則

S: 感覚量 , R: 刺激量

接触

温冷

感,

S

熱伝導率 , [W/(mK)]

木材 金属

他材料

AIST Chubu

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

12 20 30 40 50 60 70 80 90 100

試料数

一対

の組

合せ

数

官能試験の限界一対の組合せの指数関数的増加

・岡島ら： 12 試料 ・原田ら ： 20 試料

刺激熱伝導現象の解析

試料数

一対

の組

合せ

数

精神物理学での Fechner の法則logS RK

S: 感覚 , R: 刺激

190通り66通り

AIST Chubu

オーク

ステンレス鋼

接触前

キリとの接触

接触温冷感の違い• 接触面温度• 熱流束

接触温冷感の指標

木材・金属に共通の熱移動現象の理論解析

銅との接触

理論解析によるアプローチ温冷感の違いを表す物理量　⇒　刺激量

キリ 銅

赤外線サーモグラフィ

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温冷感の伝熱解析のモデル化～接触温冷感に支配的な熱移動現象～

時間的：接触直後短時間

　熱過ぎたり冷た過ぎたりしたものへの接触　　　　⇒　反射的に手を離す　（判断は接触直後）

位置的：接触面近傍

　温度受容器（冷点，温点）は人体の表皮から　　 0.2mm ， 0.4mm の位置に存在

初期温度と物性値の異なる二つの半無限体の接触による

一次元非定常熱伝導問題

手と材料の接触による熱伝導

近似モデル

AIST Chubu

0

0 0

0

x

x

x

x

-bH

bM

TiniM,M, CM, MTiniM,M, CM, M

TiniH,H, CH, HTiniH,H, CH, H

TiniH at x=-bH

TiniM at x=bM

Tcs-p at x=0Tcs-s at x=0

Tcs-s at x=0 Tcs-p at x=0

qp

qp

qs

qs

接触温冷感を支配する熱移動現象の解析モデル

初期温度，物性値が異なる半無限体接触モデル

初期温度，物性値，厚さが異なる平板接触モデル

手側

材料側

（（（（（（（ C；比熱，；密度）

AIST Chubu

接触温冷感に関する熱移動現象の解析

初期条件 (at t=0)

境界条件 (at x=0)

基礎式H

2H H

2H

H

( , ) ( , )

T t x t x

x

C T

t

M2

M M2

M

M

( , ) ( , )

T t x t x

x

C T

t

HH M M(0, ) , (0, ) ini iniT x T xT T

csH M

H M

( ,0) ( ,0) ( )

( ,0) ( ,0)

T t T t

t q t

Tt

q

Hcs M

M

M H1 /

ini iniiniT

T TT

ここで

; C 熱浸透率

H MM

M H

Mcs M

1 /

( )

( )

ini i

i i

i

n

nq t

T T

T T

t

t

接触面温度 : TCS

熱流束 : q(t)

AIST Chubu

木材の心理尺度による接触温冷感と接触面温度の対応

logS cs Mlog( )iniS T T M H(1 /log )S orFechner の法則

・原田らの結果 (1983)

接触

温冷

感,

S

熱伝導率 , [W/(mK)]

木材 ( 縦断面接触 )

木材 ( 木口面接触 ) 断熱材

ﾌﾟﾗｽﾁｯｸｾﾒﾝﾄﾓﾙﾀﾙ

・我々の結果

接触面温度 , Tcs-TiniM [K]

木材 ( 縦断面接触 )

木材 ( 木口面接触 )断熱材

ﾌﾟﾗｽﾁｯｸｾﾒﾝﾄﾓﾙﾀﾙ接

触温

冷感

, S

AIST Chubu

木材の熱物性の考慮

cs M M Hlog( ) log(1 / )iniS T T

H

H

M MM MM M M

( ; , ; )

b

b

C aC

constant constant

Mlog( 1/ )S b

Fechner の法則比熱 C ;

樹種に関わらずほぼ一定熱伝導率 ;

密度 （（（=a(a: 一定 )

木材の熱物性

我々の結果

AIST Chubu

木材の熱物性の考慮

cs M M Hlog( ) log(1 / )iniS T T

Mlog( 1/ )S b

Fechner の法則

木材の接触温冷感は熱伝導率の（一次式の）対数に比例 logS

我々の結果

従来の定説

接触

温冷

感,

S

熱伝導率 , [W/(mK)]

木材 ( 縦断面接触 )

木材 ( 木口面接触 ) 断熱材

ﾌﾟﾗｽﾁｯｸｾﾒﾝﾄﾓﾙﾀﾙ

AIST Chubu

軽い木材ほど温かい

H Mcs M

M H1 /ini ini

iniT T

T T

M

cs M H M2

H M H

( ) 1

(1 / )ini ini iniT T T Td

d

室温下（　　　　　　　）ではH Mini iniT T

s M

M

c( )0inid T

d

T

M

M

cs

cs

T

T

大 低 冷たい小 高 温かい

M M MMC

AIST Chubu

木材 接触面心理尺度の温冷感 *

S

熱伝導率 [W/(mK)]

熱浸透率 [kJ/(m2s1/2K)]

セラヤ 縦断面 4.36 0.190 0.416

セラヤ 木口面 3.25 0.350 0.571

シラカシ 縦断面 3.09 0.330 0.742

シラカシ 木口面 1.88 0.486 0.874

v vC f fC

>冷たい 温かい

* 原田らによる評価 .：日本木材学会誌 , 29, 205-212 (1983).

温かい

冷たい

順序一致

順序逆転

木口面接触 縦断面（柾目面，板目面）接触

繊維方向熱伝導率 繊維に直角方向熱伝導率

冷たい 温かい

木材の異方性も正しく評価（木口面接触と縦断面接触の混在）

AIST Chubu木材は金属よりも温かい

木材は樹種によって大きく温冷感が異なる

熱浸透率 , M [kJ/(m2s1/2K)]

断熱材

ガラス

岩石

金属，合金

木材( 縦断面接触 )

木材( 木口面接触 )

H=copper

H=palm

H=sole

TiniH=32oCTiniM=20oC

Au Ag Cu

接触

面温

度,

Tcs

-Tin

iM [

o C]

アルミニウム合金Mg

鋼

Sn

TiMn

Bi

オーク

キリH M

cs MM H1 /

ini iniini

T TT T

M

(

H

)ini

C

T

；初期温度

=；熱浸透率

；材料の物理量；人体の物理量

接触温冷感の評価式

ここで

AIST Chubu木材、ガラス、岩石は人にやさしい材料

電流計

人体（接触温冷感測定器）

測定レンジ

木材ガラス

岩石

測定レンジ切替～ 5 DCmA

～ 50 DCmA

～ 500 DCmA

金属断熱材熱浸透率 , M [kJ/(m2s1/2K)]

接触

面温

度,

Tcs

-Tin

iM [

o C]

熱流束

at

t=1/

, q

* [k

W/m

2 ]

断熱材

ガラス

岩石

金属，合金

木材 ( 縦断面接触 )

木材 ( 木口面」接触 )

palm q*

Tcs-TiniM

ガラス

岩石

木材

AIST Chubu接

触面

温度

, T

cs [

o C]

材料初期温度 , TiniM [oC]

キリ

スギ

シラカシ

鋼アルミ合金

TiniH=32oC

H=palm

パイレックス

熱いH M

cs MM H

- = 01 /ini ini

ini

T TT T

H Mcs H

2ini ini

ini

T TT T

金属 (熱浸透率 M ：大 )

木材 (0<M/H<1)

cs MiniT T

接触面温度は材料の初期温度にほぼ等しい

夏熱く，冬冷たい

金属に比べ，夏冷たく，冬温かい季節に関わらず適度な温冷感

夏

冬冷たい

季節による温冷感の違い低温／高温の材料への接触

サウナで木材が使われる理由

AIST Chubu

サウナ用木材の熱浸透率

密度 , [kg/m3]

熱浸

透率

，

[kJ/

(m2 s

1/2 K

)]

針葉樹

広葉樹

スプルース

オベチエ

サウナ用木材は，木材の中でも低熱浸透率

AIST Chubu

パイレックス製哺乳瓶は赤ちゃんが触って安心！

・ガラスの熱浸透率は人体の熱浸透率に近い・ガラスの熱浸透率は人体の熱浸透率に近い

AIST Chubu 人体側の熱浸透率部位の差・個人差の影響

人体側熱浸透率 , H [kJ/(m2s1/2K)]

接触

面温

度,

Tcs

-Tin

iM [

o C]

キリ

スギ

オーク

パイレックス

TiniH=32oCTiniM=20oC

手のひら足裏 額

頭寒足熱

大理石

花崗岩

2. 　熱浸透率の小さい足裏は，同じものに触れても，手のひらより低い接触面温度となり，逆に熱浸透率の大きい額の接触面温度は高くなる。

1. 　体の部位により熱浸透率が異なる。

3. 　体全体で，同じ適温を感じるためには，頭寒足熱にしなければいけない。

AIST Chubu

人体側の熱浸透率部位の差・個人差の影響

人体側熱浸透率 , H [kJ/(m2s1/2K)]

接触

面温

度,

Tcs

-Tin

iM [

o C]

キリ

スギ

オーク

パイレックス

TiniH=32oCTiniM=20oC

大理石

花崗岩

木の文化木の文化

石の文化石の文化

1. 　熱浸透率が低い民族は，二種類の木材の接触面温度差が大きく，木材の識別が容易。

2. 　熱浸透率が高い民族は，二種類の石の接触面温度差が大きく，石の識別が容易。

3. 　それぞれ，よく分かる材料を使って，特徴ある文化は生まれる。

4. 　人体の物性値に影響するのは食事。戦後，日本の食事の欧米化で，木を見分ける能力は低下した？

AIST Chubu

温冷感の感度について

M

cs M H M2

H M H

( ) 1

(1 / )ini ini iniT T T Td

d

cs M2

H M H M H

M( ) 1

(1 / )ini

ini ini

T T

T T

V V

M M0.01 V

場所により， 1%の物性値のムラがあったら，接触面温度としてどう感じるか？

AIST Chubu

木材（柾目，板目面 )

木材（木口面 )

熱浸透率比， M/H

温度変

化，

(T

ｃｓ

-Tin

iM)/

(Tin

iH-T

iniM

)

断熱材

ガラス

岩石

金属・合金

温冷感の感度

バルサ

キリヒノキ

カラマツ

触って温かい木材は，場所により物性値変化があっても，人間には鈍く感じられる。

AIST Chubu

木材（柾目，板目面 )

木材（木口面 )

熱浸透率比， M/H

温度変

化，

(T

ｃｓ

-Tin

iM)/

(Tin

iH-T

iniM

)

断熱材

ガラス

岩石

金属・合金

温冷感の感度

　熱浸透率比 =1付近のものに触れたとき，人は変化があれば一番良く分かる。　母親にとり，物性値が最も近いのは，我が子！　このグラフはスキンシップの重要性を示している？　また，人体を形成するのは食事。　スキンシップで分かり会えるためには，家族で同じ食事をすることの大切さもこのグラフは示唆している？

AIST Chubu

木材（柾目，板目面 )

木材（木口面 )

熱浸透率比， M/H

温度変

化，

(T

ｃｓ

-Tin

iM)/

(Tin

iH-T

iniM

)

断熱材

ガラス

岩石

金属・合金

温冷感の感度

大理石

花崗岩

石灰岩

玄武岩

木の文化木の文化 石の文化石の文化

バルサ

キリヒノキ

カラマツ

H=1.263kJ/(m2s1/2K)掌の文献値で計算

民族によって，熱浸透率=1 の位置が木材側か石側にずれると・・・

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まとめ

木材や他の材料の接触温冷感の工学的評価指標木材や他の材料の接触温冷感の工学的評価指標

接触面温度と熱浸透率接触面温度と熱浸透率

1. 木材の心理尺度による温冷感との高い相関

2. 室温での金属と木材の温冷感の違い

3. 木材の樹種による温冷感の違い

4. 季節による金属と木材の温冷感の違い

5. 木材の特性考慮による従来の関係式との関係

6. 木材の異方性考慮の場合の温冷感

1. 木材の心理尺度による温冷感との高い相関

2. 室温での金属と木材の温冷感の違い

3. 木材の樹種による温冷感の違い

4. 季節による金属と木材の温冷感の違い

5. 木材の特性考慮による従来の関係式との関係

6. 木材の異方性考慮の場合の温冷感

伝熱解析伝熱解析

木材の利用拡大木材の利用拡大

温冷感に関する知見の検討温冷感に関する知見の検討

合理的，

定量的に

説明

合理的，

定量的に

説明

⇒

木質材料の心地よさ木質材料の心地よさ