JP2020143900A - 日射熱センサ装置および日射熱計測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ユーザの衣服に取り付け可能な日射熱センサ装置を提供することを目的とする。【解決手段】日射熱センサ装置1は、黒色の表面を有する黒板１１と、銀白色の表面を有する銀板１２と、黒板１１および銀板１２を、黒色の表面および銀白色の表面を同一の方向に向けてそれぞれ外部に露出させて支持する筐体１０と、筐体１０の内部に収容され、黒板１１および銀板１２それぞれの温度を計測するサーミスタ１４と、サーミスタ１４によって計測された黒板１１の温度と銀板１２の温度との差に基づいて日射熱量を算出するプロセッサ１０２とを備える。【選択図】 図１

Description

本発明は、日射熱センサ装置および日射熱計測方法に関する。

直射日光の曝露は、熱中症、日射病等を引き起こす要因の一つである。熱中症を予防するために、暑熱環境を測定および評価する指標のひとつとして、ＷＢＧＴ（Ｗｅｔ Ｂｕｌｂ Ｇｌｏｂｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）指数が用いられている。このＷＢＧＴ指数を算出するＷＢＧＴ測定器は、黒球温度センサを備える。従来のＷＢＧＴ測定器は、黒球温度センサで、太陽光等からの輻射熱を計測して、ＷＢＧＴ指数などの熱中症指数の算出する（非特許文献１参照）。

従来のＷＢＧＴ測定器では、その測定器が設置された環境での指数を求めることができるが、ユーザ一人一人が実際に受ける日射熱量は、各ユーザが居る場所の影の有無等により大きく異なる。そのため、ユーザ毎の日射熱量の計測が可能である日射熱センサ装置が求められる。

従来のＷＢＧＴ測定器に用いられる黒球温度センサでは、太陽光等からの輻射熱を正確に計測するためには、ＷＢＧＴ測定器本体への熱伝導の影響を抑える必要がある。そのため、黒球温度センサと測定器の筐体との熱分離を十分に行い、黒球温度センサ自体を大きくして熱容量を上げている。したがって、従来の黒球温度センサを用いて日射熱センサ装置を構成する場合、筺体のサイズが大きく重量も重くなり、ユーザが着用する衣服等への取り付けは困難となる。

"ＷＢＧＴ指数による暑熱環境評価と，電子式ＷＢＧＴ測定器のＪＩＳ化について"、［ｏｎｌｉｎｅ］、２０１７年５月１２日、労働安全衛生研究所、［２０１９年２月１９日検索］、インターネット＜ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｊｎｉｏｓｈ．ｊｏｈａｓ．ｇｏ．ｊｐ／ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎ／ｍａｉｌ＿ｍａｇ／２０１７／１０２−ｃｏｌｕｍｎ−１．ｈｔｍｌ＞

従来の技術を適用して、黒球温度センサを含む日射熱センサ装置をユーザに着用される衣服に取り付け可能とするために、小型化および軽量化を行うと、黒球温度センサと筐体との熱分離を十分に行うことができず、筐体の温度などによる影響を受けてしまう。そのため、日射熱センサ装置を衣服に取り付け可能とすると、正確に日射熱量を計測することが困難であった。

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、ユーザの衣服に取り付け可能な日射熱センサ装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するために、本発明に係る日射熱センサ装置は、黒色の表面を有する第１平板と、銀白色の表面を有する第２平板と、前記第１平板および前記第２平板を、前記黒色の表面および前記銀白色の表面を同一の方向に向けてそれぞれ外部に露出させて支持する筐体と、前記筐体の内部に収容され、前記第１平板および前記第２平板それぞれの温度を計測する温度センサと、前記温度センサによって計測された前記第１平板の温度と前記第２平板の温度との差に基づいて日射熱量を算出するプロセッサとを備える。

また、本発明に係る日射熱センサ装置において、前記第１平板および前記第２平板は、平面視において、互いに離間して前記筐体に設けられていてもよい。

また、本発明に係る日射熱センサ装置において、前記第１平板および前記第２平板は、同じ形状および大きさに形成されていてもよい。

また、本発明に係る日射熱センサ装置において、前記第１平板および前記第２平板は、円板状に形成されていてもよい。

また、本発明に係る日射熱センサ装置において、前記第１平板と前記筐体との間、および前記第２平板と前記筐体との間にそれぞれ設けられている断熱材をさらに備えていてもよい。

また、本発明に係る日射熱センサ装置において、さらに、前記プロセッサを含み、前記温度センサの動作を制御する制御回路と、この制御回路に電力を供給する電池とを有し、前記制御回路と前記電池とは、前記筐体に収容されていてもよい。

また、本発明に係る日射熱センサ装置において、外部との通信を制御する通信制御回路をさらに備えていてもよい。

上述した課題を解決するために、本発明に係る日射熱計測方法は、黒色の表面を有する第１平板と、銀白色の表面を有する第２平板と、前記第１平板および前記第２平板を、前記黒色の表面および前記銀白色の表面を同一の方向に向けてそれぞれ外部に露出させて支持する筐体と、前記筐体の内部に収容された温度センサと、プロセッサとを備える日射熱センサ装置が実行する日射熱測定方法であって、前記温度センサで前記第１平板および前記第２平板それぞれの温度を計測する第１ステップと、前記第１ステップで計測された前記第１平板の温度と、前記第２平板の温度との差とに基づいて前記プロセッサが日射熱量を算出する第２ステップとを備える。

本発明によれば、黒色の表面を有する第１平板の温度と、銀白色の表面を有する第２平板の温度との差に基づいて日射熱量を算出するので、ユーザの衣服に取り付け可能な日射熱センサ装置を実現することができる。

図１は、本発明の実施の形態に係る日射熱センサ装置の外観図である。 図２は、図１のＡ−Ａ’線断面図である。 図３は、本実施の形態に係る制御基板の構成を示すブロック図である。 図４は、本実施の形態に係る日射熱センサ装置を衣服に取り付けられた具体例を示す図である。 図５は、本実施の形態に係る日射熱センサ装置が衣服に取り付けられた具体例を示す図である。 図６は、本実施の形態に係る日射熱センサ装置が衣服に取り付けられた具体例を示す図である。 図７は、本実施の形態に係る日射熱量と温度との関係を説明する図である。 図８は、本実施の形態に係る日射熱センサ装置の動作を説明するフローチャートである。 図９は、本実施の形態に係る日射熱センサ装置を衣服のポケットに挿入する具体例を示す図である。 図１０は、本実施の形態に係る日射熱センサ装置が衣服のポケットに挿入された具体例を示す図である。 図１１は、本実施の形態の具体例に係る日射熱量と温度との関係を説明する図である。

以下、本発明の好適な実施の形態について、図１から図１１を参照して詳細に説明する。
本実施の形態に係る日射熱センサ装置１は、ユーザが着用する衣服２に取り付け可能な構造を有し、太陽光等からの輻射（以下、日射ということがある。）熱量を計測する。

本実施の形態に係る日射熱センサ装置１は、図１および図２に示すように、筐体１０と、この筐体１０の上面１０ａから露出する、黒色の表面を有する黒板（第１平板）１１および銀白色の表面を有する銀板（第２平板）１２を備える。黒板１１および銀板１２は、断熱材１３を介して筐体１０に配設されている。また、黒板１１および銀板１２の筐体１０内部側には、温度センサとしてサーミスタ１４がそれぞれ設けられている。筐体１０内には、制御基板１５と電池１６とが収容されている。

制御基板（制御回路）１５は、図３に示すように、例えば、バス１０１を介して接続されるＣＰＵなどのプロセッサ１０２、メモリ１０３、通信制御回路１０４、入出力装置１０５を備えるコンピュータと、これらのハードウェア資源を制御するプログラムによって実現することができる。

メモリ１０３には、プロセッサ１０２が各種制御や演算を行うためのプログラムが予め格納されている。

通信制御回路１０４は、通信ネットワークＮＷを介して各種外部電子機器との通信を行うためのインターフェース回路である。

通信制御回路１０４としては、例えば、ＬＴＥ、３Ｇ、無線ＬＡＮ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）などの無線データ通信規格に対応した演算インターフェースおよびアンテナが用いられる。

入出力装置１０５は、外部機器からの信号を入力したり、外部機器へ信号を出力したりするＩ／Ｏ端子により構成される。

本実施の形態において、筐体１０は、例えば、平面視において角丸四角形の上面１０ａおよび底面１０ｂを有する略直方体に形成された容器である。筐体１０は、例えば、ＡＢＳ樹脂、ゴム、シリコン樹脂などの高分子材料から形成することができる。

筐体１０の大きさは、例えば、約５ｃｍ×３ｃｍ×１ｃｍなど、ユーザの衣服に取り付け可能な大きさに形成される。例えば、株式会社ＮＴＴドコモ製の「ｈｉｔｏｅ（登録商標）トランスミッター０１」のように、底面１０ｂにスナップボタンのスタッド（雄部材）を設けることができる。この場合、ユーザが着用する衣服２に設けられたソケットおよびスタッド（雌部材）により、日射熱センサ装置１を衣服２と着脱可能に構成することができる。

筐体１０は、黒板１１および銀板１２を、黒色の表面および銀白色の表面を同一の方向に向けてそれぞれ外部に露出させて支持する。この筐体１０のひとつの上面１０ａには孔が２つ設けられ、これらの孔に黒板１１および銀板１２が嵌合している。黒板１１および銀板１２の裏面は、図２に示すように、断熱材１３およびサーミスタ１４と接するように配置されている。筐体１０の上面１０ａは、外気に接する側の面であり、底面１０ｂは、ユーザの衣服２および人体３に接する面である。

黒板１１と銀板１２とは、比熱および熱伝導が同じになるように同じ材料により形成することができる。例えば、樹脂や金属材料を用いて黒板１１および銀板１２を形成することができる。また、黒板１１と銀板１２とは、熱容量が同じになるように、例えば、板状など、同じ形状および大きさに形成することができる。

また、板状に形成された黒板１１および銀板１２の厚さは、熱容量による時間応答やノイズを考慮した厚さとすることができる。

図１および図２に示すように、黒板１１の少なくとも筐体１０の上面１０ａから外部に露出する表面は、黒色とされている。また、銀板１２の少なくとも筐体の上面１０ａから外部に露出する表面は、銀白色とされている。

黒板１１は、太陽光などからの輻射熱（熱放射）をできるだけ吸収するように、例えば、酸化鉄などで表面を黒化処理することができる。例えば、艶消しされた黒色化表面を形成する。このような表面処理が施された黒板１１は、輻射エネルギーの吸収率、すなわち放射率が０．９５程度となる。

銀板１２は、太陽光などからの輻射熱をできるだけ反射するように、例えば、光沢クロムメッキなどにより表面処理が施されている。このような鏡面加工が施された銀板１２は、輻射エネルギーの吸収率（放射率）が０．０６程度となる。

例えば、図１に示すように、黒板１１および銀板１２は、円板状に形成され、筐体１０に設けられた孔に嵌合する。黒板１１および銀板１２の一方の面は、筐体１０の上面１０ａから外部に露出する面積が互いに同じになるように形成される。黒板１１および銀板１２の他方の面は、図２に示すように、断熱材１３およびサーミスタ１４と接している。

黒板１１と銀板１２とは、筐体１０の上面１０ａにおいて可能な範囲で互いに離間する距離がより大きくなるように配置されることが望ましい。これは、銀板１２において、黒板１１で吸収される太陽光などからの輻射熱による影響をできるだけ受けないようにするためである。

断熱材１３は、黒板１１と筐体１０との間に配設され、筐体１０との熱分離を行う。例えば、断熱材１３は、黒板１１の外周と同様の外周を有し、中心に穴が形成された形状を有することができる。また、銀板１２にも黒板１１に用いられる断熱材１３と同様の形状を有する断熱材１３が用いられ、銀板１２と筐体１０との間に設けられ、筐体１０との熱分離を行う。

サーミスタ１４は、図２に示すように、黒板１１および銀板１２の裏面に設けられている。より詳細には、サーミスタ１４は、黒板１１および銀板１２それぞれの裏面に設けられた断熱材１３に形成された穴の位置に配設される。サーミスタ１４は、黒板１１および銀板１２それぞれの温度を検知する温度センサとして用いられる。サーミスタ１４によって検知された抵抗値は、制御基板１５に搭載されたプロセッサ１０２で黒板１１の温度を示す黒板温度、銀板１２の温度を示す銀板温度に換算され出力される。

制御基板１５は、プロセッサ１０２を含み、サーミスタ１４の動作を制御する。より詳細には、プロセッサ１０２は、黒板温度と銀板温度との差を算出し、メモリ１０３に予め記憶されている、日射熱量と、黒板温度と銀板温度との差との関係を読み出して、算出された黒板温度と銀板温度との差に対応する日射熱量を出力する。

電池１６は、例えば、ボタン型のリチウム電池、リチウム空気電池など各種電池を用いることができる。電池１６は、制御基板１５に電力を供給する。

なお、図４に示すように、通信制御回路１０４は、プロセッサ１０２が算出した黒板温度と銀板温度との差を外部の端末４に通信ネットワークＮＷを介して送出してもよい。あるいは、通信制御回路１０４は、計測された黒板温度と銀板温度とを外部のサーバやスマートフォンなどの端末４に送信してもよい。この場合、黒板温度と銀板温度との差分は外部のサーバなどの端末４において算出および出力される。

次に、上述した構成を有する日射熱センサ装置１が、日射の当たらない環境に設置された場合のモデルについて、図５を参照して説明する。
図５に示すように、日射熱センサ装置１は、衣服２に取り付けられ、ユーザがその衣服２を着用する。図５において、ユーザの体の一部が人体３として示されている。

日射熱センサ装置１における筐体１０の上面１０ａは、外気に接しており、底面１０ｂは、人体３に接している。例えば、太陽光などの日射が日射熱センサ装置１に当たらず、外気温が人体３の体温よりも低い場合、人体３で発生する熱ｈ３は、図５の矢印に示すように、筐体１０の底面１０ｂから伝わり、筐体１０の温度を上昇させる（図５の矢印ｈ３’）。

この場合、黒板１１および銀板１２の双方に、人体３からの熱ｈ３が筐体１０から伝わる。黒板１１および銀板１２に用いられる断熱材１３の構造が互いに等しい場合、同じ熱量が伝わる。輻射熱による吸熱がない場合には、黒板１１および銀板１２の放射率に関わらず、黒板温度および銀板温度は同じになる。

一方、上述した構成を有する日射熱センサ装置１が、日射の当たる環境に設置された場合のモデルについて、図６を参照して説明する。図６に示すように、太陽から放出された電磁波は、黒板１１および銀板１２の表面に到達すると、内部エネルギーに変換されて黒板１１および銀板１２の温度が変化する。

具体的には、黒板１１および銀板１２が日射を受けている場合、黒板１１および銀板１２は、輻射エネルギー（矢印Ｅ）を吸収して温度が上昇する（矢印ｈｓ）。太陽からの輻射エネルギーをＥ、黒板１１の吸収率（放射率）をα_b、表面の面積をＡとすると、黒板１１で吸収されるエネルギーは、α_b・Ｅ・Ａと表される。一方、銀板１２の吸収率をα_s、表面の面積Ａとすると、銀板１２で吸収されるエネルギーは、α_s・Ｅ・Ａと表される。

黒板１１および銀板１２で吸収されるエネルギーは、それぞれの吸収率α_b、α_sに比例する。前述したように、黒板１１の吸収率α_bが０．９５、銀板１２の吸収率α_sが０．０６であるとすれば、黒板１１の吸収率α_bと銀板１２の吸収率α_sとは約１６倍の差がある。このことから、黒板１１および銀板１２の表面が日射をより多く受けた場合、黒板温度と銀板温度との温度差はより大きい値となる。

図７に示すように、黒板１１で吸収されたエネルギーに基づく黒板温度と銀板１２で吸収されたエネルギーに基づく銀板温度との差は、日射熱量、すなわち輻射エネルギー量にほぼ比例することが分かっている。黒板１１から筐体１０への伝熱量と、銀板１２から筐体１０への伝熱量とが互いに異なるため、完全な比例関係にはないが、日射熱量を推定するにあたって十分な精度である。図７に示す日射熱量と、黒板温度と銀板温度との差との関係は、メモリ１０３に記憶されている。

［日射熱センサ装置の動作］
次に、本実施の形態に係る日射熱センサ装置１の動作について、図８のフローチャートを用いて説明する。まず、日射熱センサ装置１を衣服２に取り付けて、その衣服２をユーザが着用する（ステップＳ１）。

次に、例えば、太陽などの日射が日射熱センサ装置１に当たる場合を考える。太陽などからの輻射エネルギーＥが黒板１１の表面から吸収され、サーミスタ１４で検知された温度変化を示す信号に基づき、プロセッサ１０２は黒板温度を出力する（ステップＳ２）。出力された黒板温度はメモリ１０３に記憶される。

次に、銀板１２に伝わる太陽などからの輻射エネルギーＥが吸収され、サーミスタ１４で検知された温度変化を示す信号に基づき、プロセッサ１０２は銀板温度を出力する（ステップＳ３）。出力された銀板温度はメモリ１０３に記憶される。

その後、制御基板１５が備えるプロセッサ１０２は、黒板温度と銀板温度との差を算出する（ステップＳ４）。算出された黒板温度と銀板温度との差は、制御基板１５のメモリ１０３に記憶される。

次に、プロセッサ１０２は、メモリ１０３に予め記憶されている図７に示す日射熱量と、黒板温度と銀板温度との差分との換算曲線を読み出して、ステップＳ４で算出された温度差の値に対応する日射熱量を出力する（ステップＳ５）。

［具体例］
次に、上述した構成を有する日射熱センサ装置１を、ユーザが着用する衣服２のポケット２ａに入れて日射熱量を計測する具体例について図９から図１１を参照して説明する。

図９および図１０に示すように、ユーザに着用される衣服２には、例えば、胸部にポケット２ａが設けられている。日射熱センサ装置１は、黒板１１および銀板１２がポケット２ａ内で外気側を向くように、ポケット２ａに挿入される。

一般的に、ユーザが着用する衣服２は、着用後に洗濯される。衣服２の洗濯を行う際には日射熱センサ装置１を衣服２から取り外しておく必要がある。また、日射熱センサ装置１の筐体１０の内部に挿入されている電池１６は、電池交換や充電を行う必要性が生ずる。特に、制御基板１５に通信制御回路１０４を設けて、リアルタイムに日射熱量を外部へ通知する場合には、電池１６の消費電力が上昇する。その場合には、より頻繁に電池１６を交換または充電する必要がある。

このように、電池１６の交換の必要性を考慮した場合、日射熱センサ装置１を衣服２に取り付ける構成よりも、日射熱センサ装置１をポケット２ａに入れて日射熱量を計測する方がユーザにとってより扱いやすい場合がある。しかしながら、黒板１１や銀板１２に当たる日射はポケット２ａの布地に遮られてしまい（図８の矢印Ｅ’）、温度計測の感度が低下してしまう恐れがある。

本実施の形態に係る具体例では、日射熱センサ装置１が衣服２のポケット２ａの布地によって日射が遮られ、黒板１１と銀板１２との表面に当たる輻射エネルギー量が下がったとしても、ポケット２ａの布地における熱放射の透過率ｔを予め求めて用いれば、日射熱量を求めることができる。より詳細には、黒板１１における吸収エネルギーはｔ・α_b・Ｅ・Ａ、銀板１２における吸収エネルギーはｔ・α_s・Ｅ・Ａで表される。

図１１に示すように、ポケット２ａが無い衣服２において、布地に日射が遮られていない場合の日射熱量ＳＨと、黒板温度と銀板温度との差とは、比例関係にある。具体例に係るポケット２ａの布地で日射が遮られている場合に計測される日射熱量ＳＨ’は、予め求められているポケット２ａの透過率ｔで割ることで、日射熱量ＳＨを推定することができる。

以上説明したように、本実施の形態に係る日射熱センサ装置１によれば、黒板１１および銀板１２の表面で吸収される熱放射に基づいて計測される黒板温度と銀板温度との差を用いる。そのため、黒板１１および銀板１２と、筐体１０との熱分離を十分に行わなくても、ユーザの衣服２に取り付け可能であり、かつ、小型化および軽量化された日射熱センサ装置１を実現することができる。

以上、本発明の日射熱センサ装置および日射熱計測方法における実施の形態について説明したが、本発明は説明した実施の形態に限定されるものではなく、請求項に記載した発明の範囲において当業者が想定し得る各種の変形を行うことが可能である。

１…日射熱センサ装置、２…衣服、２ａ…ポケット、３…人体、４…端末、１０…筐体、１０ａ…上面、１０ｂ…底面、１１…黒板、１２…銀板、１３…断熱材、１４…サーミスタ、１５…制御基板、１６…電池、１０１…バス、１０２…プロセッサ、１０３…メモリ、１０４…通信制御回路、１０５…入出力装置。

Claims (8)

1. 黒色の表面を有する第１平板と、
   銀白色の表面を有する第２平板と、
   前記第１平板および前記第２平板を、前記黒色の表面および前記銀白色の表面を同一の方向に向けてそれぞれ外部に露出させて支持する筐体と、
   前記筐体の内部に収容され、前記第１平板および前記第２平板それぞれの温度を計測する温度センサと、
   前記温度センサによって計測された前記第１平板の温度と前記第２平板の温度との差に基づいて日射熱量を算出するプロセッサと
   を備える日射熱センサ装置。
2. 請求項１に記載の日射熱センサ装置において、
   前記第１平板および前記第２平板は、平面視において、互いに離間して前記筐体に設けられていることを特徴とする日射熱センサ装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の日射熱センサ装置において、
   前記第１平板および前記第２平板は、同じ形状および大きさに形成されていることを特徴とする日射熱センサ装置。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の日射熱センサ装置において、
   前記第１平板および前記第２平板は、円板状に形成されていることを特徴とする日射熱センサ装置。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の日射熱センサ装置において、
   前記第１平板と前記筐体との間、および前記第２平板と前記筐体との間にそれぞれ設けられている断熱材をさらに備えることを特徴とする日射熱センサ装置。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載の日射熱センサ装置において、
   さらに、前記プロセッサを含み、前記温度センサの動作を制御する制御回路と、
   この制御回路に電力を供給する電池とを有し、
   前記制御回路と前記電池とは、前記筐体に収容されている
   ことを特徴とする日射熱センサ装置。
7. 請求項１から６のいずれか１項に記載の日射熱センサ装置において、
   外部との通信を制御する通信制御回路をさらに備えることを特徴とする日射熱センサ装置。
8. 黒色の表面を有する第１平板と、
   銀白色の表面を有する第２平板と、
   前記第１平板および前記第２平板を、前記黒色の表面および前記銀白色の表面を同一の方向に向けてそれぞれ外部に露出させて支持する筐体と、
   前記筐体の内部に収容された温度センサと、
   プロセッサと
   を備える日射熱センサ装置が実行する日射熱測定方法であって、
   前記温度センサで前記第１平板および前記第２平板それぞれの温度を計測する第１ステップと、
   前記第１ステップで計測された前記第１平板の温度と、前記第２平板の温度との差とに基づいて前記プロセッサが日射熱量を算出する第２ステップと
   を備える日射熱計測方法。