科学のコラム|体にいいこと、人にやさしいこと、もっと。環境・健康・省エネをテーマに。

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科学のコラム

遠赤外線とは?

放熱比較遠赤外線とは電磁波であり、太陽光のように物体との相互作用の結果、熱が発生します。温度感覚を起こす適応刺激は、実は温度ではなく、皮膚に熱を供給するという速度のことです。これは従来の対流や伝導で効率よく行うことは不可能に近いものです。遠赤外線は電磁波であるからその速度は30 万㎞/秒です。「クール暖」から放射された遠赤外線は瞬時に皮膚に届き、皮膚表面で吸収され、速やかに熱に変換されます。これは輻射のみが持つ特性です。
暖かく感じることと、暖かいというのは、まったく異なった感覚です。たとえば、冬の寒い夜に、温風暖房の効いた部屋に入ると暖かく感じることであっても、実際には体は暖まっていないのです。
それに対して、同じ冬でも陽だまりに入ると、セーターを着たままでも瞬時に暖かくなります。これは太陽の光の中に含まれる遠赤外線が体の中に吸収され、瞬時に熱に変換されることで暖かいのです。

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樹脂製パネルヒーターと金属製パネルヒーターとの比較

  金属性パネルヒーター 樹脂製パネルヒーター
重量 重い(鉄の比重7.0) 軽い(ポリプロピレン樹脂の比重0.91)
耐湿性 腐食の進行が極端に早い 半永久的に使用が可能
防錆 空気(酸素)を遮断するため密閉型温水循環システムが必須 開放型温水循環システムでも良い
配管方式 金属配管なので専門性を必要とし、コスト高 樹脂配管なので特殊技能は不要
安全性 表面温度が約78℃と高温で火傷の怖れがある 温水温度が80℃でも、パネルの表面が60℃以上に上昇しないので安全
遠赤外線の放射率 金属素地は遠赤外線の放射が少なく樹脂の7.2% 樹脂は放射率が高く、セラミックスと同等
暖房特性 放熱温度は高めで、天井付近に対流するため頭暖足寒 放熱温度は低めでも暖かく、室内は均一温度になる
冷房特性 放熱温度は低めで、床付近に滞留し、過冷却となる 放熱温度は高めでも涼しく、室内は均一温度になる
システム特性 暖房用パネルヒーターは輻射及び対流式であり、室内空気を暖める。その他冷暖房システムはファンを用いるので、室内の乾燥を招く 遠赤外線は人や、床、壁、天井などを直接暖めるので省エネとなる。遠赤外線は風があっても支障がなく、活動、照射面では、輻射、対流、伝導が生じ、室内は均一温度の快適空間となります
製品バリエーション 多い 少ない
ヒーターの寸法変更 難しい 易しい
コスト 高い 安い

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輻射波(遠赤外線)

輻射波はどんな物質とも合うかというと、そうではありません。波長とエネルギーの「強さ」と「質」は、その物質との相性(共鳴)によって、効果のほどが変わってきます。例えば、ハンバーグを普通の鉄板で焼くと表面だけ焼け焦げていて、いざ食べると生焼けの状態だったという話をよく聞きますが、これは鉄板から放射される「波長」がハンバーグの欲しがる波長と共鳴しないからです。これを物理的にみると、鉄板は比熱が小さいため高温になる。しかも鉄板は熱としての分子振動が速く、その振動数がハンバーグの欲しがる振動数と合わない。

にもかかわらず、無理矢理エネルギーを与え続けると、ハンバーグは仕方なく受け取るが相性が合わないために、与えられたエネルギーを内部に伝えようとしないという事になります。したがって、表面だけが真っ黒に焼けて、中身は生焼けという事になってしまいます。

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樹脂管製温水パネルヒーターの温冷水繰り返し耐久性試験

平成21年6月、道立の試験場において水圧20kgの負荷で、冷水7℃と温水80℃とを交互に切り替えて放熱器内に循環する「温冷水繰り返し耐久性試験」を50サイクルで試験を実施しました。その結果、枝管とヘッダー管の溶着部には目視で確認できる割れや漏水は発生しませんでした。

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炭火焼き

炭火焼きは、遠赤外線加熱と同じ原理になります。ウナギを焼く時でも焼き鳥の時でも同じことが言えますが、炭火で焼くのと、ガス火で焼くのではどのように違うのでしょうか。ガス火では、対流による高温の熱のため、皮が黒焦げになる。炭火では対流熱もあるが、遠赤外線放射熱が多いので、芯部まで熱を通すことができて、うまく焼ける。

ウナギ屋の前を通るとウチワで扇いでいるのを見かけますが、あれはウナギのいい匂いを撒き散らして客を誘おうとしているのではなく、扇ぐことで余計な対流熱を吹き飛ばして遠赤外線放射熱で焼くためなのです。

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放射(輻射波)の動き

「クール暖」から放射される輻射波は、壁などに当たると「エネルギーの法則」によって必ず反射するか通過するか吸収されるか、屈折するか、いずれの現象を示します。

放射(輻射波)の動き

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暖房方式の比較

暖房方式の比較

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熱の伝わり方

熱の伝わり方

輻射波はどんな物質とも合うかというと、そうではありません。波長とエネルギーの「強さ」と「質」は、その物質との相性(共鳴)によって、効果のほどが変わってきます。例えば、ハンバーグを普通の鉄板で焼くと表面だけ焼け焦げていて、いざ食べると生焼けの状態だったという話をよく聞きますが、これは鉄板から放射される「波長」がハンバーグの欲しがる波長と共鳴しないからです。これを物理的にみると、鉄板は比熱が小さいため高温になる。しかも鉄板は熱としての分子振動が速く、その振動数がハンバーグの欲しがる振動数と合わない。

以前は輻射の果たす大きな役割に気付かれていませんでした。現在では、全ての熱移動を100とした場合、輻射による移動は75%を占める(対流15%、伝導10%)というのが諸研究機関の統一見解となっています。

熱の伝わり方

対流による伝熱は、気体あるいは液体が部分だけ熱せられると密度が小さくなり、上昇することによって上下の流れを生じ、熱を移動させます。したがって、上面から熱を与えても対流は起こりません。

物体の内部を温度の高い所から低い部分へ熱が順次伝わっていく現象を伝導といいます。固体>液体>気体のほうが伝導が弱いのは、熱振動を伝えるための原子の密度が小さくなるためです。熱伝導は液体の水は銅の1/600以上の低さになり、気体の空気は不良導体といってよく、銅の1/2,000となります。

熱は光と同じように、真空の中や空気中を輻射の場と介して伝播することができます。このように、光と同じように熱が伝わることを熱輻射といいます。

簡単な例で言えば、冬は外気が寒いのに日光が当たっている部分だけ暖かく感じる「日なたぼっこ」。これは太陽の遠赤外線効果による輻射です。また真夏に、トンネルの中に入った際、ひんやりとした涼しさを感じます。これは身体の熱が温度の低い壁に放出されて涼しさを感じる現象で、同じく輻射の効果です。空気を媒体とせず熱が伝わる現象で、温度が高いところから低いところへ、熱の移動が起こるのです。

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遠赤外線サウナ

従来のサウナは100℃〜110℃という高温乾式サウナで、そのため空気が乾燥して、のどや鼻が刺激され、心臓の負担が大きいものでした。それに対し、遠赤外線サウナは、40℃〜60℃と低温です。温度が低いにもかかわらず、激しい発汗があることは、空気の接触による体内への加熱ではなく、放熱エネルギーが体内に吸収されて熱となり、体温が上昇して発汗するというしくみです。

発汗は、疲労や老化の原因でもある「乳酸・脂肪」 高血圧の原因となる余分な「ナトリウム」疼痛の原因になる「尿酸」といった老廃物を体外に排出する効果があります。遠赤外線による汗は、通常の汗よりもコレステロール類、脂肪酸エステル、乳酸などの老廃物を多く含んでいる という臨床データも示されています。

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水の比熱

水の比熱が大きいのは、水分同士を結び付けている水素結合のためです。海水の比率が大きいため、地球上の環境は穏やかになっています。生物の1/3以上が水で占められており、気温の変化に対して温まりにくく、水の性質は体温を一定に保つことに役立っています。

したがって水を媒体とする「クール暖」は、スイッチを切っても暖房時に温度が下がりにくく、冷房時には温度が上がりにくい性質があります。

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人間の発熱量―あなたは100Wの電球!?

大人の男性、1 日当たりの基礎代謝量(生きていくために最低限必要なエネルギー)は、およそ1,500kcal です。
これを仕事に換算すると、
1,500×1,000×4.2=630万(J)となります。
1日は24 時間×60 分×60 秒=86,400(秒)なので、1 秒当たりの仕事率(J/秒=W)は、630万(J)/86,400(秒)≒73(W)約100W となります。したがって大人が4 人、同じ部屋に座っているだけで、400W の電気ストーブ並みの発熱がある、ということになります。

[熱エネルギーとは?]
食物を食べて、体温を維持する。これは化学エネルギーを熱に変えていること。太陽熱温水器は、光エネルギーを熱に変え、原子炉は、核エネルギーを熱に変え電気を発生させています。仕事から熱への変換という枠を越えて、エネルギーの変換という観点から熱を考えることが大切なのです。

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