サーマルマネキン

サーマルマネキンは、人間を対象とするテストにつきものの危険や不正確さを伴わずに、熱環境の科学的テストを行うために設計された人体モデルです。サーマルマネキンは主に自動車、屋内環境、屋外環境、軍事、衣類の研究に使用されています。1940 年代に最初のサーマルマネキンが米国陸軍によって開発され、全身サンプリングゾーンが 1 つありました。現代のマネキンは、30 を超える個別に制御されたゾーンを持つことができます。各ゾーン (右手、骨盤など) には、マネキンの「皮膚」内に加熱要素と温度センサーが含まれています。これにより、制御ソフトウェアはマネキンを通常の人体温度まで加熱し、各ゾーンで加熱するために必要な電力量とそのゾーンの温度を記録できます。

衣服断熱とは、衣服によって提供される断熱性であり、clo で測定されます。測定単位は 1941 年に開発されました。^[1]その後まもなく、米国陸軍は開発中のギアの断熱測定を行う目的でサーマルマネキンを開発しました。最初のサーマルマネキンは立った状態で銅でできており、1 つのセグメントで構成され、全身の熱損失を測定していました。長年にわたり、熱的快適性に関する理解が深まるにつれて、さまざまな企業や個人が新しいテクノロジーや手法を使用してこれらのマネキンを改良しました。1960 年代半ばには、着席型および複数セグメントのサーマルマネキンが開発され、デジタル制御が採用され、より正確な電力の適用と測定が可能になりました。時間の経過とともに、呼吸、くしゃみ、移動 (継続的な歩行や自転車に乗る動作など)、発汗がすべてマネキンで再現されるようになり、用途に応じて男性、女性、子供のサイズも用意されました。現在、研究目的で使用されるマネキンのほとんどは、最低でも15のゾーンがあり、発汗、呼吸、運動システムのオプション（多くの場合、基本マネキンに追加で購入可能）を含めると34のゾーンがありますが、衣料業界ではよりシンプルなマネキンも使用されています。^[2]さらに、2000年代初頭には、香港、^[3]英国、^[4]スウェーデンで、いくつかの異なるコンピュータモデルのマネキンが開発されました。^[5]

次の表は、さまざまなサーマルマネキンの長年にわたる開発の概要を示しています。^[2]

現代のサーマルマネキンは、オプションで追加のアドオンを備えた 3 つの主要要素で構成されています。マネキンの外側のスキンは、グラスファイバー、ポリエステル、カーボンファイバー、またはその他の熱伝導性材料で作られており、各測定ゾーンに温度センサーがあります。スキンの下には加熱要素があります。サーマルマネキンの各ゾーンは、可能な限り均一に加熱されるように設計されています。これを実現するために、配線は、可能な限り隙間なくマネキンの内部全体にコイル状に巻かれています。電気はワイヤを流れて加熱され、各ゾーンの電力使用量はマネキン制御ソフトウェアによって個別に制御および記録されます。最後に、マネキンは可能な限り正確に人間をシミュレートするように設計されているため、必要な追加質量はマネキンの内部に追加され、必要に応じて分配されます。さらに、マネキンには、呼吸、歩行、発汗などの人間の動作を模倣する補助デバイスが取り付けられる場合があります。

サーマルマネキンの加熱要素は、マネキンの外表面、マネキンの皮膚内、またはマネキンの内部の3つの場所のいずれかに設置できます。^[6]加熱要素がマネキンの内側にあるほど、皮膚表面の熱出力は安定しますが、熱がシステムを通過するのに時間がかかるため、外部環境の変化に応答するマネキンの能力の時定数も高くなります。

熱マネキンに供給される熱量は、3 つの方法で制御できます。「快適モード」では、 ISO 7730 のPMVモデル方程式がマネキンに適用され、コントローラ ソフトウェアが、特定の環境内で平均的な人が快適に感じる熱損失を計算します。これには、システムがマネキンに関するいくつかの基本的な事実 (表面積、仮定された代謝率) を認識している必要があり、実験要因 (衣服の断熱性、湿球黒点温度) はユーザーが入力する必要があります。2 番目の制御方法は、マネキンからの一定の熱流束です。つまり、マネキンはユーザーが設定した一定レベルの電力を供給し、さまざまなセグメントの皮膚温度が測定されます。3 番目の方法は、マネキンの皮膚温度をユーザーが指定した値で一定に維持し、電力を環境条件に応じて増減させる方法です。これは、マネキン全体をすべてのゾーンで同じ温度に維持するように設定することも、ゾーンごとに特定の温度を選択することもできるため、4 番目の方法とも考えられます。これらの方法のうち、快適モードは人体全体の実際の熱分布を最も正確に表すと考えられており、一方、熱流束モードは主に高温設定（室温が34℃を超える可能性がある場合）で使用されます。^[7]

最も正確な結果を得るには、サーマル マネキンの内部温度センサーを較正する必要があります。適切な較正では、互いに最低 10 °C 離れた 2 つ以上の温度設定ポイントを使用します。マネキンは、温度制御された環境チャンバー内に設置され、すべてのセグメントの温度がチャンバーの動作温度とほぼ同じになります。つまり、マネキンは衣服を脱いで、身体の各部と空気の間の断熱が最小限である必要があります。これを実現するには、マネキンをオープン チェアに座らせ (空気の流れが通過できるように)、足を地面から離して立てておくのがよい方法です。チャンバー内の空気の流れを良くして、一定の混合を確保するには、ファンを使用する必要があります。これは、発汗や結露なしに蒸発冷却が行われないため、一定の温度を維持するのに適しています (結露が発生しないように湿度を低くする必要があります)。各温度設定ポイントで、マネキンは定常状態になるまで 3 ～ 6 時間室内にとどまる必要があります。平衡状態が得られたら、各体節ごとに較正ポイントを取得することができます（これは制御ソフトウェアに含まれている必要があります）。^[8]

環境がサーマルマネキンに与える影響を評価する最も正確な方法は、放射熱、気温、空気の動きの影響を考慮した環境の等価温度を計算することです。出力とマネキンの皮膚温度を等価温度に変換する係数 (熱伝達係数) はマネキンの各ゾーンごとに、またマネキンが着用している衣服に基づいてわずかに変化するため、各実験の前にこれに基づいてマネキンを較正する必要があります。較正は、放射温度と気温がほぼ同じで、空間全体で温度変化が最小限に抑えられる、温度制御されたチャンバー内で実行する必要があります。マネキンは、実験テスト中と同じ衣服を着用する必要があります。較正ポイントは複数回取得し、少なくとも実験でテストされる温度範囲をカバーする必要があります。キャリブレーション中は、空気の動きをできるだけ少なくし、マネキンの表面をできるだけ空気と輻射熱にさらす必要があります。そのためには、マネキンを座った状態に保つサポートの上に置きますが、従来のシートのように背中や脚を塞ぐことはありません。空気、表面、およびマネキンの温度がすべて定常状態に達したときに、各キャリブレーション ポイントのマネキン データを記録する必要があります。「シート」の温度も記録する必要があり、シートが定常温度に達するまでデータ収集を停止しないでください。熱伝達係数 ( h _cali ) を計算するには、次の式を使用します。

      h_カリ= ⁠Q_シ/t_スキー– t _eq⁠

どこ：

• Q _si = マネキンによって記録された乾熱損失または電力
• t _ski = マネキンの皮膚温度
• t _eq = 部屋の等価温度（校正温度）

この係数は、次の式を使用して放射温度と空気速度が制御されないさらなる実験中に等価温度を計算するために使用できます。

      t _eq = t_スキー– ⁠Q_シ/h_カリ⁠

姿勢、位置、衣服は熱マネキンの測定に影響します。姿勢に関しては、マネキンを校正時とまったく同じ姿勢にするのが最も正確な方法です。衣服はマネキンへの熱伝達に影響し、空気断熱層を追加することもあります。衣服は空気速度の影響を減らし、体と顔の周りの自由対流の強さを変えます。ゆるい衣服はマネキンが動くたびに形が変わる可能性があるため、測定の不確実性を減らすために、可能であれば体にフィットする衣服を使用する必要があります。^[7]