JP2012011880A - 空気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】透過膜を用いる空気浄化装置において、透過膜の分子交換効率を向上させる。
【解決手段】外気が流れる外気流路１５、２２ａと、内気が流れる内気流路１６、２２ｂと、一方の面が外気流路１５、２２ａの外気と接触し、かつ他方の面が内気流路１６、２２ｂの内気と接触するように外気流路１５、２２ａと内気流路１６、２２ｂとの境界に配置され、外気流路側と内気流路側との間で気体を選択的に透過させる透過膜２２ｄと、外気流路１５、２２ａで外気の流れを発生させる外気送風手段２３と、内気流路１６、２２ｂで内気の流れを発生させる内気送風手段１７と、透過膜２２ｄの外気流路１５、２２ａ側の表面近傍を流れる外気または透過膜２２ｄの内気流路１６、２２ｂ側の表面近傍を流れる内気の少なくとも一方で乱流を発生させる乱流発生手段２２ｅ、２２ｆ、２２ｇを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、透過膜を用いて外気と内気との間で特定種類のガスを選択的に透過させる空気浄化装置に関する。

従来より、外気と内気の境界に透過膜を設け、外気と内気との間で特定種類のガス（例えば酸素、二酸化炭素）を選択的に透過させる空気浄化装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載の装置では、乗員の呼吸によって内気の酸素濃度が外気の酸素濃度よりも低下するとともに内気の二酸化炭素濃度が外気の二酸化炭素濃度よりも上昇すると、外気と内気の濃度差によって外気側の酸素が透過膜を透過して室内に導入されるとともに内気側の二酸化炭素が透過膜を透過して室外に放出される。

特開２０１０−１２０４９６号公報

しかしながら、透過膜を用いる空気浄化装置では、透過膜に新鮮な外気および内気の供給がなされないと、透過膜近傍に外気および内気が滞留し、外気と内気の濃度差がほとんどなくなって透過膜の透過性能の低下を招いてしまうおそれがある。このため、透過膜の内気側および外気側に送風する送風機が必要となるが、透過膜が平板形状の場合は、外気と内気は透過膜の表面に対して平行な流れとなり、表面近傍では層流となるため、透過膜近傍での外気または内気の滞留が発生し、分子交換効率が低下しやすい。

本発明は上記点に鑑み、透過膜を用いる空気浄化装置において、透過膜の分子交換効率を向上させることを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の請求項１に記載の発明では、外気が流れる外気流路（１５、２２ａ）と、内気が流れる内気流路（１６、２２ｂ）と、一方の面が前記外気流路（１５、２２ａ）の外気と接触し、かつ他方の面が前記内気流路（１６、２２ｂ）の内気と接触するように前記外気流路（１５、２２ａ）と前記内気流路（１６、２２ｂ）との境界に配置され、前記外気流路側と前記内気流路側との間で気体を選択的に透過させる透過膜（２２ｄ）と、前記外気流路（１５、２２ａ）で外気の流れを発生させる外気送風手段（２３）と、前記内気流路（１６、２２ｂ）で内気の流れを発生させる内気送風手段（１７）と、前記透過膜（２２ｄ）の前記外気流路（１５、２２ａ）側の表面近傍を流れる外気または前記透過膜（２２ｄ）の前記内気流路（１６、２２ｂ）側の表面近傍を流れる内気の少なくとも一方で乱流を発生させる乱流発生手段（２２ｅ、２２ｆ、２２ｇ）を備えることを特徴としている。

このように、乱流発生手段（２２ｅ、２２ｆ、２２ｇ）を設けることによって、外気流路（１５、２２ａ）を流れる外気または内気流路（１６、２２ｂ）を流れる内気の少なくとも一方で、乱流を発生させることができる。これにより、透過膜（２２ｄ）の表面近傍で内気および外気が滞留することを防止でき、透過膜（２２ｄ）での分子交換効率を向上させることができる。

具体的には、請求項２に記載の発明のように、前記乱流発生手段（２２ｅ、２２ｆ）を、前記外気流路（１５、２２ａ）または前記内気流路（１６、２２ｂ）の少なくとも一方における前記透過膜（２２ｄ）より気体流れ上流側に設けることができ、あるいは、請求項３に記載の発明のように、前記乱流発生手段を、前記透過膜（２２ｄ）の表面に形成された突起部（２２ｇ）とすることができる。

また、請求項４に記載の発明のように、前記乱流発生手段を、前記透過膜（２２ｄ）を振動させる透過膜振動手段とすることで、外気流路（１５、２２ａ）を流れる外気または内気流路（１６、２２ｂ）を流れる内気の少なくとも一方で、乱流を発生させることができる。

具体的には、請求項５に記載の発明のように、前記透過膜振動手段は、前記外気流路（１５、２２ａ）の外気または前記内気流路（１６、２２ｂ）の内気の少なくとも一方の流れによる流体励起振動で前記透過膜（２２ｄ）を自励振動させることができ、あるいは、請求項６に記載の発明のように、前記透過膜振動手段は、前記透過膜（２２ｄ）を直接振動させる振動部材とすることもできる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

第１実施形態の車両用空調装置の断面図である。 透過膜ユニットの斜視図である。 透過膜ユニットの平面図である。 透過膜ユニットの側面図である。 第２実施形態の透過膜の斜視図である。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図１〜図３に基づいて説明する。本実施形態は、本発明による空気浄化装置を車両用空調装置に適用している。

図１は、本実施形態の車両用空調装置１０の模式的な断面図である。図１に示すように、車両用空調装置１０の空調ケース１１は車室の最前部に配置される計器盤（図示せず）の内側に配置されており、その内部に空気が流れる流路を形成している。空調ケース１１は、ポリプロピレンのようなある程度の弾性を有し機械的強度に優れた樹脂にて成形されている。

空調ケース１１には、車室外の外気を導入するための外気導入口１２および車室内の内気を導入するための内気導入口１３、１４が形成されている。外気導入口１２から導入された外気は外気流路１５を通過し、内気導入口１３、１４から導入された内気は内気流路１６を通過する。

空調ケース１１の内部には、車室内に空調風を供給するための空調用送風機１７が設けられている。空調用送風機１７の空気流れ上流側には、外気流路１５および内気流路１６を開閉して、空調用送風機１７に流れる内気の風量と外気の風量との風量割合を変化させる内外気切替ドア１８が配置されている。また、空調用送風機１７と内外気切替ドア１８との間には、空気中の塵埃や臭気等を除去するフィルタ１９が配置されている。

本実施形態の内外気切替ドア１８は、ロータリドアとして構成されている。内外気切替ドア１８は、回転操作されることで、内外気モードを切り替えることができる。図示を省略しているが、内外気切替ドア１８は、空調用制御装置により制御されるサーボモータ、または乗員によって操作される手動操作機構によって駆動される。

内外気モードとしては、外気流路１５を閉じて内気流路１６を開ける内気循環モードと、外気流路１５を開けて内気流路１６を閉じる外気導入モードがある。内気循環モードでは、内外気切替ドア１８によって外気流路１５が遮断され、内気流路１６を介して空調用送風機１７に内気が導入される（図１の実線位置）。また、外気導入モードでは、内外気切替ドア１８によって内気流路１６が遮断され、空調用送風機１７に外気流路１５を介して外気が導入される（図１の破線位置）。

空調ケース１１内において空調用送風機１７の下流側には、空調用送風機１７からの送風空気の冷却および加熱の少なくとも一方を行う熱交換器２０が配置されている。本例では、熱交換器２０として、送風空気を冷却する冷却用熱交換器および送風空気を加熱する加熱用熱交換器が空調ケース１１内に配置されている。

図示を省略しているが本例では、加熱用熱交換器を通過する温風と加熱用熱交換器をバイパスして流れる冷風との風量割合を調節することにより車室への吹出空気温度を調節するエアミックスドア等が空調ケース１１内に配置されている。また、図示を省略しているが、空調ケース１１の最下流部には、空調空気を車室内の所定領域へ吹き出すための複数個の吹出開口部が形成され、この複数個の吹出開口部を開閉する吹出モードドアが空調ケース１１内に配置されている。

外気流路１５は、略Ｕ字状に構成されている。このため、内気循環モードでは外気が内外気切替ドア１８の手前で矢印Ａ１〜Ａ３のようにＵターンして流れる。外気流路１２をＵターンして通過した外気は、外気出口部２１より外気に排出される。

外気流路１５のうちＵ字状に屈曲する部位には、透過膜ユニット２２が配置されている。外気流路１５のうち透過膜ユニット２２よりも下流側には、外気流路１５で外気の流れを発生させるための外気送風機２３が配置されている。外気導入モードでは、送風機１７によって外気の流れが発生するとともに、内気の流れは発生しない。内気循環モードでは、空調用送風機１７によって内気の流れが発生するとともに、外気送風機２３によって外気の流れが発生する。このため、空調用送風機１７が内気流路１６に内気の流れを発生させる内気送風手段を構成している。

透過膜ユニット２２には、外気流路１５を流れる外気と、第１内気導入口１３から導入される内気が通過する。第１内気導入口１３から透過膜ユニット２２に矢印Ｂ１のように内気が導入されるとともに、透過膜ユニット２２から流出した内気は矢印Ｂ２のようにＵターンして内気流路１６を流れる。

ここで、透過膜ユニット２２について、図２〜図４に基づいて説明する。図２は透過膜ユニット２２の斜視図であり、図３は透過膜ユニット２２の平面図であり、図４は透過膜ユニット２２の側面図である。なお、図２では、乱流発生部２２ｅ、２２ｆの図示を省略している。

図２に示すように、透過膜ユニット２２は全体として直方体状に形成されている。透過膜ユニット２２には、外気流通空間２２ａと内気流通空間２２ｂがそれぞれ複数設けられている。透過膜ユニット２２は、外気が通過する外気流通空間２２ａと内気が通過する内気流通空間２２ｂとが交互に配置された積層体として構成されている。外気は複数の外気流通空間２２ａを分割して流れ、内気は複数の内気流通空間２２ｂを分割して流れる。外気流通空間２２ａは、外気が流れる外気流路１５の一部を構成し、内気流通空間２２ｂは、内気が流れる内気流路１６の一部を構成している。

図２に示す例では、外気流通空間２２ａを通過する外気は上下方向（矢印Ａ１、Ａ３）に流れ、内気流通空間２２ｂを通過する内気は水平方向（矢印Ｂ１）に流れる。外気流通空間２２ａは、仕切り板２２ｃによって２つの空間に仕切られている。これにより、矢印Ａ１に示す方向に流れた外気が矢印Ａ２のようにＵターンし、矢印Ａ３に示す方向に流れることができる。

透過膜ユニット２２は、外気流通空間２２ａと内気流通空間２２ｂとの境界に位置する部分が透過膜２２ｄで構成され、残余の部分が樹脂等の材料で形成されている。

透過膜２２ｄは、特定種類の気体（例えば酸素、二酸化炭素、水蒸気）が透過しやすいが他の種類定の成分の気体（例えば窒素）は透過しにくいというものである。透過膜２２ｄの材料としては、シリコーン等の気体透過性高分子の膜やセロファンやセラミックの多孔体や不織布等を用いることができる。透過膜２２ｄは、外気流通空間２２ａに露出する面に外気が接触し、内気流通空間２２ｂに露出する面に内気が接触することで、外気と内気との間で特定種類の気体を選択的に透過させることができる。

また、透過膜２２ｄは、特定種類の気体（例えば酸素、二酸化炭素、水蒸気）における内気中の濃度と外気中の濃度との差によって透過性能が発揮されるようになっている。そして、透過膜２２ｄの内気側と外気側との間に、真空ポンプ等の差圧発生手段により大きな圧力差を設けることなく、すなわち内気と外気との間に差圧がない状態においても、透過膜２２ｄの透過性能が発揮されるようになっている。

透過膜２２ｄは、例えば襞折りにされた板状に形成することで、透過膜２２ｄの表面積を大きくすることでき、透過性能を向上させることができる。また、図示を省略しているが、透過膜２２ｄにはセラミック、繊維、多孔質金属、多孔質樹脂または樹脂スクリーンメッシュ等からなる支持体が積層されている。透過膜２２ｄは、気体を透過し易くするために膜厚が薄くなっているため、支持体によって支持されている。

本実施形態の透過膜２２ｄは、表面および内部の孔径が透過対象ガス（Ｏ₂、ＣＯ₂、Ｈ₂Ｏ）の平均自由行程以下となっている。平均自由行程とは、気体分子同士の衝突から次の衝突までの間に進む距離であり、気体分子の種類に依存する。これにより、透過膜２２ｄに気体を透過させた場合に、膜を透過する気体の流れにおいてクヌーセン（Knudsen）流が支配的となる。「クヌーセン流」とは、分子の動きが問題となるほど希薄な気体の流れをいい、ガスの透過速度がその分子量に依存するという特徴を有している。また、「クヌーセン流が支配的」とは、ガスの透過速度がその分子量に依存するようになることをいう。

透過膜２２ｄを透過する気体の流れは、透過膜２２ｄの孔径が小さくなるに従って、粘性流→クヌーセン流→溶解拡散流に変化する。クヌーセン流が生じる孔径は、下限が分子サイズの１ｎｍ程度であり、上限が透過対象ガス（Ｏ₂、ＣＯ₂、Ｈ₂Ｏ）の平均自由行程である５０ｎｍ程度である。

粘性流は、圧力の高い方から低い方に流れるので、外気と内気の圧力差によって気体の流れる方向が決まる。このため、外気と内気とで濃度差がない気体（例えばＮ₂）でも、内外気の圧力差によって選択膜２４を透過することとなり、外気と内気とで濃度差がある気体（例えば酸素、二酸化炭素、水蒸気）のみを選択的に透過させることができない。

これに対し、クヌーセン流では、分子同士が衝突する前に膜の孔内の壁面に衝突するので、外気と内気の圧力差の影響を受けることがなく、外気と内気とで濃度差がある気体（例えばＯ₂、ＣＯ₂、Ｈ₂Ｏ）のみを選択的に透過させることができる。このため、透過膜２２ｄの孔径を透過対象ガス（Ｏ₂、ＣＯ₂、Ｈ₂Ｏ）の平均自由行程以下とすることで、外気と内気とで濃度差がある気体のみを選択的に透過させることができる。

また、溶解拡散流では、気体分子が膜の上流表面に溶解し、下流方向に膜内を分子拡散により移動するので、外気と内気の圧力差の影響を受けないが、膜の孔径が小さくなるほど、膜を透過する気体の速度が小さくなる。このため、気体の透過速度を確保するためには、透過膜２２ｄの孔径が大きくすることが望ましく、少なくとも分子サイズである１ｎｍより大きくすることが望ましい。

図３に示すように、透過膜ユニット２２の内気流通空間２２ｂの入口付近には、内気流通空間２２ｂを流れる内気に乱流を発生させるための第１乱流発生部２２ｅが設けられている。同様に、図４に示すように、透過膜ユニット２２の外気流通空間２２ａの入口付近には、外気流通空間２２ａを流れる外気に乱流を発生させるための第２乱流発生部２２ｆが設けられている。

第１乱流発生部２２ｅは、内気流通空間２２ｂに隣接する外気流通空間２２ａの端部に設けられており、第２乱流発生部２２ｆは、外気流通空間２２ａに隣接する内気流通空間２２ｂの端部に設けられている。つまり、外気流通空間２２ａと内気流通空間２２ｂが交互に積層された透過膜ユニット２２において、第１乱流発生部２２ｅは、内気の流れを分断する分断面に設けられ、第２乱流発生部２２ｆは、外気の流れを分断する分断面に設けられている。

第１乱流発生部２２ｅは、外気流通空間２２ａの端部に突出するように設けられており、第２乱流発生部２２ｆは、内気流通空間２２ｂの端部に突出するように設けられている。このため、第１乱流発生部２２ｅは、少なくとも透過膜２２ｄより内気の流れ上流側に設けられており、第２乱流発生部２２ｆは、少なくとも透過膜２２ｄより外気の流れ上流側に設けられている。

本実施形態の乱流発生部２２ｅ、２２ｆは、先端から徐々に径が拡大し、途中で径の拡大率が大きくなっており、気流（外気または内気）の流れ方向に直交する方向の両端に突起部が形成されている。第１乱流発生部２２ｅの内気流れ方向に直交する方向の両端は、内気流通空間２２ｂ側に突出しており、第２乱流発生部２２ｆの外気流れ方向に直交する方向の両端は、内気流通空間２２ｂ側に突出している。これにより、第１乱流発生部２２ｅは、内気流通空間２２ｂにおける透過膜２２ｄの表面近傍を流れる内気の流れを乱すことができ、第２乱流発生部２２ｆは、外気流通空間２２ａにおける透過膜２２ｄの表面近傍を流れる外気の流れを乱すことができる。

以上説明した本実施形態によれば、乱流発生部２２ｅ、２２ｆによって、外気流通空間２２ａを流れる外気と内気流通空間２２ｂを流れる内気に乱流を発生させることができる。これにより、透過膜２２ｄの表面近傍で内気および外気が滞留することを防止でき、透過膜２２ｄでの分子交換効率を向上させることができる。この結果、外気と内気との間で濃度差がある気体が透過膜２２ｄを透過させるために必要な送風量を低減させることができ、送風機１７、２３を小型化させることができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図５に基づいて説明する。以下、上記第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

図５は、本第２実施形態の透過膜２２ｄの斜視図である。図５（ａ）は、透過膜２２ｄに半球状の突起部２２ｇを設けた例を示し、図５（ｂ）は、透過膜２２ｄに四角錐状の突起部２２ｇを設けた例を示し、図５（ｃ）は、透過膜２２ｄに鱗状の突起部２２ｇを設けた例を示している。

図５（ａ）〜（ｃ）のいずれかに示す突起部２２ｇを透過膜２２ｄの表面に設けることで、透過膜２２ｄの表面近傍での内気および外気の流れに乱流を発生させることができる。これにより、透過膜２２ｄの表面近傍で内気および外気が滞留することを防止でき、透過膜２２ｄでの分子交換効率を向上させることができる。この結果、外気と内気との間で濃度差がある気体が透過膜２２ｄを透過させるために必要な送風量を低減させることができ、送風機１７、２３を小型化させることができる。

（他の実施形態）
以上、本発明の実施例について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各請求項に記載した範囲を逸脱しない限り、各請求項の記載文言に限定されず、当業者がそれらから容易に置き換えられる範囲にも及び、かつ、当業者が通常有する知識に基づく改良を適宜付加することができる。

例えば、上記各実施形態では、本発明の空気浄化装置を車両に適用した例について説明したが、これに限らず、本発明は車両以外の用途にも適用可能である。

また、上記各実施形態では、乱流発生部２２ｅ、２２ｆや透過膜２２ｄに設けた突起部２２ｇによって、透過膜２２ｄの表面近傍を流れる内気および外気に乱流を発生させるように構成したが、透過膜２２ｄを振動させることで、透過膜２２ｄの表面近傍を流れる内気および外気に乱流を発生させるように構成してもよい。

具体的には、透過膜２２ｄを振動させる手段としては、内気および外気の流れを利用して透過膜２２ｄを流体励起振動によって自励振動させる手段や透過膜２２ｄを直接的に振動させる手段を用いることができる。透過膜２２ｄを自励振動させる手段としては、送風機１７、２３のファン形状を異形にする、送風機１７、２３の回転速度を不定期に変更する、外気流通空間２２ａや内気流通空間２２ｂにおける透過膜２２ｄの上流側の通路形状を異形にする等によって実現することができる。また、透過膜２２ｄを直接的に振動させる手段としては、通電により振動する部材（電磁コイル等）や、送風機１７、２３の振動を透過膜２２ｄに伝達する振動伝達部材（バネ等）によって実現することができる。

また、上記第１実施形態では、内気に乱流を発生させる第１乱流発生部２２ｅと外気に乱流を発生させる第２乱流発生部２２ｆを設けたが、これらのうち少なくとも一方を設ければよい。

また、上記第２実施形態では、透過膜２２ｄの一面側に突起部２２ｇを設けた例について説明したが、これに限らず、透過膜２２ｄの両面側に突起部２２ｇを設けてもよい。

また、上記第２実施形態では、透過膜２２ｄに突起部２２ｇを設けた例について説明したが、これに限らず、外気流路１５（外気流通空間２２ａ）における透過膜２２ｄの外気流れ方向上流側や内気流路１６（内気流通空間２２ｂ）における透過膜２２ｄの内気流れ方向上流側に、乱流を発生させる突起部を設けるようにしてもよい。

１５ 外気流路
１６ 内気流路
１７ 空調用送風機（内気送風手段）
２２ 透過膜ユニット
２２ａ 外気流通空間
２２ｂ 内気流通空間
２２ｄ 透過膜
２２ｅ 第１乱流発生部
２２ｆ 第２乱流発生部
２３ 外気送風機

Claims (6)

1. 外気が流れる外気流路（１５、２２ａ）と、
   内気が流れる内気流路（１６、２２ｂ）と、
   一方の面が前記外気流路（１５、２２ａ）の外気と接触し、かつ他方の面が前記内気流路（１６、２２ｂ）の内気と接触するように前記外気流路（１５、２２ａ）と前記内気流路（１６、２２ｂ）との境界に配置され、前記外気流路側と前記内気流路側との間で気体を選択的に透過させる透過膜（２２ｄ）と、
   前記外気流路（１５、２２ａ）で外気の流れを発生させる外気送風手段（２３）と、
   前記内気流路（１６、２２ｂ）で内気の流れを発生させる内気送風手段（１７）と、
   前記透過膜（２２ｄ）の前記外気流路（１５、２２ａ）側の表面近傍を流れる外気または前記透過膜（２２ｄ）の前記内気流路（１６、２２ｂ）側の表面近傍を流れる内気の少なくとも一方で乱流を発生させる乱流発生手段（２２ｅ、２２ｆ、２２ｇ）を備えることを特徴とする空気浄化装置。
2. 前記乱流発生手段（２２ｅ、２２ｆ）は、前記外気流路（１５、２２ａ）または前記内気流路（１６、２２ｂ）の少なくとも一方における前記透過膜（２２ｄ）より気体流れ上流側に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の空気浄化装置。
3. 前記乱流発生手段は、前記透過膜（２２ｄ）の表面に形成された突起部（２２ｇ）を含んでいることを特徴とする請求項１または２に記載の空気浄化装置。
4. 前記乱流発生手段は、前記透過膜（２２ｄ）を振動させる透過膜振動手段を含んでいることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の空気浄化装置。
5. 前記透過膜振動手段は、前記外気流路（１５、２２ａ）の外気または前記内気流路（１６、２２ｂ）の内気の少なくとも一方の流れによる流体励起振動で前記透過膜（２２ｄ）を自励振動させることを特徴とする請求項４に記載の空気浄化装置。
6. 前記透過膜振動手段は、前記透過膜（２２ｄ）を直接振動させる振動部材を備えていることを特徴とする請求項４または５に記載の空気浄化装置。

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