人間と人工物の共生下での快適な作業環境温度制御について

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(1)1. Me m .School .B .O .S .T .K i n k iU n i v e r s i t yN o .1 0 : 1" " ' '7 (2002). 人間と人工物の共生下での快適な作業環境温度制御について藤井雅雄. <要約> 人間と人工物との共生下での快適な作業環境温度制御の考え方について、許容温度と発熱密度の関係から考察した。例えば、情報化が進んだオフィス環境では、人間はコンビュータ(人工物)を利用して作業している。この場合、人聞は常に体温を 1. 3 r cに維持しながら作業をし、. 2. 作業量によって 1 01 0 W/凶の発熱量(代謝量)を処理している。また、コンビュータが動作している状態では、構成している部品レベルから製品レベルでその許容温度は 5 0Cから 0. 1 0 0Cまで、発熱密度は 1 021 06W / r r lまで広く分布している。オフィス環境では、人間中 0. 心に快適な環境温度制御が考えられているが、省エネルギーの観点からは、対象物(人問、人間以外の生物、人工物)によって温度を含む環境の制御方式を分離して総合的に考える「オブジ、ェクト対応の環境(温度)制御方式」が今後検討されねばならない。. 1.はじめに人聞は、動植物などの自然環境と自ら作り出した人工物(機器を中心とした製品)と共生している。特にモノづくりの現場では、情報通信技術の発達に伴いコンビュータなどの情報端末機器と共生して知的・創造的作業が行われている。このような作業環境では、人閣の快適性を維持するための条件が優先される場合が多く、エJ アコン、換気扇などの空調・換気装置を用いて環境制御(行動性体温調節)が行われている。しかしながら、人間の体温はほぼ. 3 r c付近に保持される必要があるが、情報端末機器に使用されている半導体では、チップ単位でみると 1 0 0C程度でも十分動作する。 0. 本論では、人間と人工物の許容温度と発熱密度を整理し、人間と人工物との共生下での快適な作業環境を制御するための概念を環境温度を中心に検討したので報告する。. 2 . 快適作業環境温度制御 2 . 1 人間の場合図 1は、人間の作業状態における体表面積あたりの発熱量(発熱密度)と許容温度の関係を示したものである。図中、人間の体表面積は日本人成人男子の体表面積を約1.4 -1 .9 r r lとし、また作業別による代謝量を用いた(1)。発熱密度の変化は、睡眠から激しい作業までで、. 1 01' " " ' 1 02W / r r lの 2桁の範囲である。.

(2) 2. Memoirso fThe S c h o o lo fB .O .S .T .o fK i n k iU n i v e r s i t yN o .l O ( 2002). r . . . . :功労更? ? 0 8 ℃). 50 37. 。. 許容温度℃. 机仕事. 睡眠. 激しい作業. (大人 70W) (大人 150W) (大人 600W) 0. 日本の最低気温(・41 .0C). 1 01. 3 2 1 0 1 0 2 表面積あたりの発熱量 (W/m). 図 1.人間の快適作業環境. 7C付近でほぼ一定であり、快適な作業環境温度は、中央管理人間の許容温度(体温)は 3 0. 方式の空気調和設備の室内環境基準によれば、 1 7C以上 2 8C以下である (1)。日本の最高 0. 0. 0 . 8C、最低気温は -41 .O o Cであり (2)、快適な作業環境を維持するために、衣服気温は 4 0. などによる調整を除けば、快適な作業環境温度範囲を越える外気に触れる場合には冷房が、快適な外気温度以下の場合には暖房が空調装置などで行われている。また、春や秋などの快適な外気温度の範囲では、換気(自然換気、人工換気など)が主体で環境温度の制御が行われる。ほかに人間の快適作業環境温度の制御では、空調負荷に対応したゾーン空調方式や激しい作業環境でのスポットクーラなどの局所空調方式などがある。. 2 . 2 人工物の場合人が快適と感じることは人工物(機器)も快適と感じる。人工物に快適に仕事をさせるためには周囲の環境を制御する必要がある。ただし、許容温度および快適環境温度は人間の場合とは異なり多様化する。図 2に情報端末機器に関して表面積あたりの発熱量(発熱密度)と許容温度の関係を示す。発熱密度の変化は、チップレベル、半導体部品(IC ) レベル、ボードレベル、コンビュータなどの製品レベルで 1 02' " ' ' 1 06W / r r lの 4桁の範囲で大きく変化する。情報端末機器の高密度実装化はますます進むことが予想され、機器の高発熱密度化は更に増大すると考えられる。.

(3) 3 AU. EI. 唱. A り. 錫 ~oq A. 許容. コンヒユータ u. ( 数 100W-). 温50. ホード φ. ( 数 10-100W). チップ(-数w). I C C数w-) 日本の最高気温( 4 0 . 801' C ). 度。 C. 山 ::::::::4D~C:. 快適な環境温度範囲三日ぬ~C:. O 1 02. 1 06. 1 03 1 04 1 05 2) 表面積あたりの発熱量 CW/m 図2 . 人工物(機器)の快適作業環境. 許容温度そカタログなどを参考にして示すと、概略以下のようである。 0. ①. チップレベル:半導体接合部の破断や金属化合物の生成などの観点から 100C前後、. ②. 半導体部品(IC ) レベル:チッフ周囲の樹脂などの許容温度から 8 0C前後、. ③. ボードレベル:コンデンサ一、バッテリなどの電子部品や基板などの許容温度、熱膨張. 0. などの観点から 5 0C前後、 0. ④. 製品レベル:最終ユーザが直接触れるため、低温火傷防止などの観点から 40C前後。 0. また、通常、製品レベルでの情報端末機器の快適な環境温度範囲は、カタログベースでは 10~400C である。日本の最高外気温度を約 4 OOCとすると、製品の環境温度制御方式(二次. 冷却)には、エアコンなどの空調装置を用いる必要はなく、外気を利用した換気程度で十分といえる。情報端末機器のような高密度実装化される電子機器では、電子機器および部品を許容温度以下に保持するために、図 3に示すように発熱密度に応じて環境温度制御方式(一次冷却) が実用化されている (3)。すなわち、温度制御されるオブジ、ェクト(対象物)ごとに環境温度制御方式が明確化されおり、発熱密度の低い側から高い側にかけて、自然空気冷却方式 (自然空冷)、熱放射、強制空気冷却方式(強制空冷)、強制液体冷却方式(強制液冷)、沸騰冷却方式(沸騰冷却)などの方式が対応している。ここで、二次冷却とは最終的な冷却源である大気などと熱交換することを言い、一次冷却とは二次冷却の前に放熱器(ヒートシンク) などを用いて発熱体と熱交換することを言う O 発熱体が直接大気と熱交換される場合は、一次冷却と二次冷却は一致する。.

(4) 4. Memoirso fTheS c h o o lo fB .O .S .T .o fK i n k iU n i v e r s i t yN o .1 0 (2002). 1 0 0. E 午 . . . 智. 彦。。 c O. 2 1 0. 1 01. 1 03. 4 1 6 1 0 05 1 0. 2) 表面積あたりの発熱量 (W/m. 図3 . 人工物(機器)の環境温度制御方式. 2 . 3 人間と人工物が共生する場合図 4は、図 1と図 2を同じ図上で比較したものである。オフィスなどで人間と情報端末機器(人工物)が共生して、知的・創造的作業が行われている場合に相当する。このような作業環境では、人間の快適作業環境を維持するための条件が優先される場合が多く、エアコン、換気扇などの空調・換気装置を用いて環境温度制御が行われている。. i f ; h J (~減、 J安治、 J1II11ノ. 分離. 50. J 合房. Z 自. I J I D .. 度 28. ". ス ::-:.:-:-:-:-:.:-:-:.140VC. < : A 閉め快適; : ii ; : jく機濃の快適j J ; : ; ; ; ; ; : J. O c. .惇塑さ1Li--t~~. 特環境> : : : : 1 1 . . . . m v . 1 j j : j j j : 夢、筋線 f 衣1 ノ . 6. 1 01. 1 02. 絞殺. i Z J. 110℃. 1. 1 03. 2) 表面積あたりの発熱量 CW/m 図4 . 人間と人工物が共生する場合の快適作業環境. 0人(150W/人)に対し、コン最近の情報化教育を実施する教室での例では、学生 4.

(5) 5. ビュータ本体 4 0台 (76W/台)、液晶ディスフレー 4 0台C15W/台)、サーバ 2台 (245W /台)、ヲ。リンター 2台 ( 2 2 0 W/台)、プロジ、ェクター 1台 ( 2 6 0 W/台)の設備が導入され. 000W、人工物は 4830Wで、ほぼ同等である。そして、ている。発熱量にすると、人聞は合計6 空調設備の負荷計算は、人聞を中心にしてこれらの全発熱量を用いて行われる場合が多い。ホスト系のコンビュータが用いられる場合には、人聞を中心とした空調設備とコンビュータ用の冷却設備が分離され設備導入が検討されているが、情報端末機器が人間の身近にある現. 0 状では、空調負荷の分離はほとんど検討されていなし ' 省エネルギーの観点からは、人間と人工物の各環境温度制御を分離するという前提で環境制御方式がきめ細かく検討されねばならない。例えば、それぞれの快適作業環境温度を上限で越える場合、人間では冷房の適用を考え、人工物(機器)では大気(二次冷却源)を最終冷却源とする一次冷却の適用を各々分離して考えねばならない。快適作業環境温度を下限で下回る場合には、人間では暖房と衣服による断熱を検討し、人工物では断熱を主体に検討すればよい。また、人間と人工物の快適作業環境が一致する 170C~280C の範囲では、両者に共. 通な換気を中心にした環境温度制御を考えればよい。. 2 . 4 生物と人工物が共生する場合も. 人間を含む生物と入工物をとり巻く周囲環境温度を整理したものを図 5に示す。図中、産業プロセス環境とは、発酵などの微生物応用の食品加工や機器製造などの工場内の環境を示. 0. している。産業プロセス環境の環境温度は、ビール醗酵の 3Tか.ら粉末乾燥の 7 1C (1) まで、多岐にわたっている。. 一:71C 産業フロセス環境 0. 粉末乾燥 : 5 4 7 10C みt N 1 0 略..EIS'精密組立 : 2 0 2 4 C 0 /1 1Qfi" ピーJ " 発酵 : 3-4 C 閤金 • ~ • • • • • • • • •. •. •. •. •. •. •. •. •. •. •. •. •. •. •. •. •.. .. •. •・ .. J ・ A¥ ・・・・・ : : J 00C E 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . / . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . " 1 4. 50ト a l Z 目ー. 割自. 成 28 b.・仇.・....'!!'.............・. γ.・.・・[行:衿:前科:耐:~:~::-p::'・f:~:~:~:~::~:4. I C f : : : : : 日従来闘の狭通; : ; : ; i j : 将機欝ぬ快適j J 1 ; : ; : ; : ; : ; : え Z 比三作業環境刻￨ : : : j : ; : ; : ; ; 保業環境 l)<<<~>1 M A 17~ ・・・自~・・・・・・・・・1.. 1，-片岡:戻:ー.... > J. . 阿 : ー : テ : 究 : 穴 : . 〉 -.-. ?オ. I I A 彦、勝f 緋二二二二仇尋問:.J10C 0. O. 1 01. 1 02 1 03 1 04 1 05 表面積あたりの発熱量 (W/m2) . 生物と人工物をとり巻く快適作業環境図5.

(6) 6. Memoirso fTheS c h o o lo fB .O .S .T .o fK i n k iU n i v e r s i t yN o .1 0 (2002). 産業プロセス環境や人工物の環境において、人聞が問じ環境で作業する場合には、 2 .3 節で述べたのと同様に人間中心で空調負荷などが検討され、環境温度制御が通常行われる。また、各プロセス、工作機械などの許容温度を維持するための局所的な環境温度制御(一次冷却)が個々に行われる場合でも、二次冷却は人間と同じ環境温度制御された空間で行われる場合が多い。しかしながら、図 2より明らかなように、人工物の環境では外気温度より常に高い環境温度が許容されている場合が多く、人間と同じ環境温度制御は必要ではない。人工物の環境では、外気を最終的な冷却源と考えた環境温度制御方式を考えればよく、一般的にオフィスなどで用いられているエアコンなどは不要である。ゴミの分別などと同様に、生物と人工物の共生下での環境温度制御では、共生下での人間の生産活動、人間以外の生物の生産活動と人工物の生産活動に対応して、対象物によって環境温度の制御方式を分離して総合的に考える「オブジ、ェクト対応の環境温度制御方式」を今後検討する必要がある。. 3 . まとめ人間と人工物との共生下での快適な作業環境を得るための温度制御方式について、許容温度と発熱密度の関係から考察した。人間と人工物では、作業時の許容温度と発熱密度の広がりに大きく差がある。省エネルギーの観点からは、その共生下において対象物(人問、人間以外の生物、人工物)によって温度を含む環境の制御方式を分離して総合的に考える「オブジ、ェクト対応の環境(温度)制御方式」が今後検討されねばならない。. 参考文献. (1)日本冷凍空調学会編 ( 2 0 0 1 ) 冷凍空調技術. p 1 5 0 1 5 4 . 日本冷凍空調学会.東京. 2 0 0 0 ) 理科年表. CD-ROM2 0 0 0 . 丸善株式会社.東京. (2) 国立天文台編 ( (3)藤井雅雄(19 9 0 ) 電気・電子機器冷却のポイント. p 1 3 6 1 3 8 . 日刊工業新聞社.東京..

(7) 7. THERMALCOTROLFORGOODENVIRONMENTI NCOEXISTENCE WITHHUMANBEINGSANDA R T I F I C I A LPRODUCTS -唱EA. n. Q J v. J u ド晶 ond. nd. M. T h i st e c h n i c a ln o t ed e s c r i b e sanewc o n c e p to ft h e r m a lc o n t r o lt oh a v egoode n v i r o n m e n t t .F o re x a m p l e，m a n y e n g i n e e r s i nap l a c ewherehumanb e i n g sanda r t i f i c i a lp r o d u c t sc o e x i s (humanb e i n g s )a r ew o r k i n gbyu s i n gmanyc o m p u t e r s( a r t i f i c i a lp r o d u c t s )i na no f f i c e .I n t h i sc a s e，t h ee n g i n e e rg e n e r a t e st h eh e a to f1 01'"'-'1 02W/ r r li ni t sbodyandd i s s i p a t e st h e e e p i n gi t sbodya tc o n s t a n tt e m p e r a t u r eo f3 7C . Ont h e h e a tt os u r r o u n d i n ge n v i r o n m e n t，k h ec o m p u t e randmanye l e c t r o n i cp a r t sc o m p o s i n gi ta l s og e n e r a t et h eh e a t o t h e rhand，t 2 6 o f1 0' " ' ' 1 0W / r r l，k e e p i n gt h et e m p e r a t u r eo fe a c hcomponentb e l o wt h e i rs a f eo p e r a t i n g o v a l u eo f50' " ' '100C .I nt h eo f f i c ewherehumanb e i n g sanda r t i f i c i a lp r o d u c t sc o e x i s t，t h e e n v i r o n m e n t a lt e m p e r a t u r ewouldb ec o n t r o l l e di no r d e rt as a t i s f yt h eo n l yn e e do fhuman b e i n g s .C o n s e q u e n t l ya i rc o n d i t i o n i n gl o a dw i l lb eg r e a t l yi ne x c e s s .Fromt h ep o i n to fv i e w tw i l lb en e c e s s a r yt oc o n s i d e rt h e r m a lc o n t r o lmethodss e p a r a t e l yf o r o fs a v i n ge n e r g y，i e a c ho b j e c ti nc o e x i s t e n c ew i t hhumanb e i n g s，a r t i f i c i a lp r o d u c t sando t h e rl i v i n gc r e a t u r e s . 0.

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