CN101045430A - 空调系统 - Google Patents

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Abstract

一种空调系统，包括限定空调空间的不透气壁和布置在所述壁中作为所述壁一部分的选择性分离元件，所述空调系统具有允许氧气和二氧化碳优先渗透以及同时阻止碳氢化合物、氮氧化物、硫氧化物和微粒固体组分渗透的功能，其中所述选择性分离元件包括有机聚合物，并满足关系P1/P2＞10，其中P1为氧气和二氧化碳的渗透系数，P2为碳氢化合物、氮氧化物、硫氧化物和微粒固体组分的渗透系数。

Description

空调系统
技术领域
本发明涉及能够尽可能防止有害气体或有害微粒侵入空调空间的空调系统。
背景技术
通常，汽车配备有具有外部空气引入模式和内部空气循环模式的空调，其中外部空气引入模式将空气从外部引入，并在将空气加热或冷却之后供入车厢，内部空气循环模式将车厢内的空气加热或冷却，并循环该空气。近年来，例如，作为提高阻止噪声进入车厢的性能的措施已经提高车辆装配的精度并已提高车厢的密闭性。
当这样提高车厢的密闭性时，如果几个人乘车长时间，那么会出现氧气浓度降低或二氧化碳浓度升高的情况，乘车者可能会头痛或感觉不舒服。为解决该问题，已知的技术是使用渗透膜的过滤器，其中渗透膜能够将二氧化碳排出车厢，而允许氧气从车厢外部渗透进车厢，从而防止车厢内二氧化碳浓度的增加和氧气浓度的降低，同时保持车厢内部舒适(例如，参见日本未审专利公开No.2004-203367)。
发明内容
在使用上述过滤器的空调系统中，氧气或二氧化碳可透入空气，因此车厢内的氧气浓度可保持恒定，但是也允许尤其是从柴油机车辆(例如，卡车)排出的大量碳氢化合物(下文中，有时简称为“HC”)、氮氧化物(下文中，有时简称为“NOx)和微粒固体组分(也称为悬浮颗粒物质，下文中，有时简称为“SPM”)与氧气或二氧化碳一起透入。
因此，当在城市或具有高卡车交通容量的高速路上行驶时，或当在柴油机车辆(例如，卡车)的后面行驶时，会将上述污染引入车厢，无法提高车厢内的舒适性。
本发明考虑到这些问题，本发明的目的是防止将污染引入空调空间，并向位于空调空间内的人提供舒适的环境。
根据本发明，通过本发明下述的空调系统可达到上述目的。
本发明以下列项目(1)至(17)的方式概述。
(1)一种空调系统，包括限定空调空间(即将被空气调节的目标空间)的不透气壁和布置在所述壁中作为所述壁一部分的选择性分离元件，所述空调系统具有允许气氛和二氧化碳优先渗透以及同时阻止碳氢化合物、氮氧化物、硫氧化物和微粒固体组分渗透的功能，其中：
所述选择性分离元件包括有机聚合物，并满足关系P1/P2＞10，其中P1为氧气和二氧化碳的渗透系数，P2为碳氢化合物、氮氧化物、硫氧化物和微粒固体组分的渗透系数。
(2)如项目1所述的空调系统，其中所述选择性分离元件具有多孔状、纤维状、薄膜状或上述这些形状的组合。
(3)如项目2所述的空调系统，其中所述选择性分离元件为具有5nm或更小孔径的多孔状。
(4)如项目2所述的空调系统，其中所述选择性分离元件为具有阻止碳氢化合物、氮氧化物、硫氧化物和微粒固体组分的功能的纤维状。
(5)如项目2所述的空调系统，其中所述选择性分离元件为具有500nm或更小厚度的薄膜状。
(6)如项目1至5中任意一项所述的空调系统，其中所述选择性分离元件阻止碳氢化合物、氮氧化物、硫氧化物和微粒固体组分的功能通过吸附、吸收、分解或表面反应获得。
(7)如项目1至6中任意一项所述的空调系统，其中所述有机聚合物包括具有导电性的成分。
(8)如项目1至7中任意一项所述的空调系统，其中所述选择性分离元件具有6.0nm或更大的表面粗糙度。
(9)如项目1至8中任意一项所述的空调系统，其中所述选择性分离元件包括：
第一选择性分离元件，具有所述允许氧气和二氧化碳优先渗透的功能；以及
第二选择性分离元件，具有所述阻止碳氢化合物、氮氧化物、硫氧化物和微粒固体组分渗透的功能。
(10)如项目9所述的空调系统，其中所述第一选择性分离元件与所述第二选择性分离元件构造成紧密接触，并且所述选择性分离元件在构造成紧密接触的所述第一和第二选择性分离元件的至少一侧上由支撑层支撑。
(11)如项目10所述的空调系统，其中所述选择性分离元件包括其中结合有所述第一选择性分离元件的第一支撑层和其中结合有所述第二选择性分离元件的第二支撑层。
(12)如项目11所述的空调系统，其中所述第一选择性分离元件的氧气和二氧化碳的渗透率在所述第一支撑层中沿渗透方向梯度地变化，所述第二选择性分离元件的碳氢化合物、氮氧化物、硫氧化物和微粒固体组分的渗透率在所述第二支撑层中沿渗透方向梯度地变化。
(13)如项目1至12中任意一项所述的空调系统，其中在所述空调空间中还设有用于除臭的除臭装置。
(14)如项目1至13中任意一项所述的空调系统，其中在所述空调空间中还设有用于引入外部空气的外部空气引入装置。
(15)如项目14所述的空调系统，其中所述外部空气引入装置构造成能够基于任意设定的外部空气量引入条件来调节引入所述空调空间的外部空气量。
(16)如项目15所述的空调系统，其中还设有用于检测所述空调空间中气体浓度的传感器，并且所述外部空气引入装置构造成能够基于由所述传感器检测的气体浓度值相对于设为所述外部空气量引入条件的气体浓度值而调节引入所述空调空间的外部空气量。
(17)如项目1至16中任一项所述的空调系统，其中所述空调空间为车辆中容纳乘客的空间。
附图说明
图1示出了根据本发明一个实施例的车辆的示意性横截面图；
图2A、2B和2C各示出了选择性分离元件的构造的透视图；
图3示出了通过等离子体处理表面改性材料以提高选择性分离元件氧气渗透性的方法的示意图；
图4A示出了控制车厢内氧气浓度的方法的示意图；
图4B为示出了车厢内氧气浓度随着时间变化的曲线图；
图4C为示出了内部/外部调风门(air damper)随着时间变化的打开/关闭程度的曲线图；以及
图5示出了现有车辆的示意性横截面图。
具体实施方式
制成上述项目1的空调系统以达到上述目的。空调系统包括构成空调空间并不允许气体渗透的壁和选择性分离元件。选择性分离元件允许氧气和二氧化碳优先渗透，同时阻止碳氢化合物、氮氧化物、硫氧化物和微粒固体组分的渗透。
这里使用的“不允许气体渗透的壁”意味着不允许气体和灰尘，以及其分子结构大于气体的类似物的渗透的壁。并且，“允许氧气和二氧化碳优先渗透的选择性分离元件”意味着只允许氧气和二氧化碳渗透的选择性分离元件。
“阻止碳氢化合物、氮氧化物、硫氧化物和微粒固体组分的渗透的选择性分离元件”理想地意味着几乎完全阻止碳氢化合物、氮氧化物、硫氧化物和微粒固体组分的选择性分离元件。
该选择性分离元件的特性可利用通过溶解度系数S与扩散系统D的乘积表示的渗透系数P的值的水平如下解释。
选择性分离元件可容易地溶解氧气或二氧化碳。也就是说，该元件对于氧气或二氧化碳具有高溶解度系数S。因此，通过该元件的接触表面，即选择性分离元件与氧气或二氧化碳相接触的表面，氧气和二氧化碳可容易地进入选择性分离元。
另外，选择性分离元件对于氧气或二氧化碳具有高扩散系数D，使得从选择性分离元件表面吸入的氧气或二氧化碳在选择性分离元件中可容易地从高浓度侧移动到低浓度侧。
这样，选择性分离元件对于氧气或二氧化碳的溶解度系数S和扩散系数D都高，从而其渗透系数P也高。因此，氧气或二氧化碳可透过该元件。
相反，选择性分离元件无法容易地溶解碳氢化合物、氮氧化物、硫氧化物和微粒固体组分。也就是说，选择性分离元件对于碳氢化合物、氮氧化物、硫氧化物和微粒固体组分具有小的溶解度系数S。因此，这些组分不能通过其表面容易地吸入选择性分离元件。
并且，选择性分离元件对于碳氢化合物、氮氧化物、硫氧化物和微粒固体组分具有低的扩散系数D，使得即使这些组分从选择性分离元件表面吸入也无法在选择性分离元件之中容易地移动。
这样，选择性分离元件对于碳氢化合物、氮氧化物、硫氧化物和微粒固体组分的溶解度系数S和扩散系数D都低，从而其渗透系数P也低。因此，可阻止碳氢化合物、氮氧化物、硫氧化物和微粒固体组分。
根据这样的空调系统，通过利用空调空间外部与内部之间的氧气和二氧化碳每个的浓度差，可使二氧化碳排出用于目标空调空间，而使氧气进入该空调空间，同时阻止碳氢化合物、氮氧化物、硫氧化物和微粒固体组分，使得空调空间内部保持舒适。
更具体地，当空调空间内有乘客时，空调空间内的氧气浓度逐渐降低，二氧化碳浓度逐渐升高。由于空调空间外部的氧气浓度和二氧化碳浓度恒定，所以产生浓度差，使得空调空间外部的氧气浓度高而空调空间内的低，而在另一方面，空调空间外部的二氧化碳浓度低而空调空间内的高。
这时，由于选择性分离元件对于氧气或二氧化碳具有高的渗透系数P，因此氧气或二氧化碳在溶解入选择性分离元件之后，从高浓度侧扩散至低浓度侧，也就是说，空调空间内部与外部的浓度差使氧气吸入用于目标空调空间，并将二氧化碳排出空调空间。
并且，由于选择性分离元件对于碳氢化合物、氮氧化物、硫氧化物和微粒固体组分具有低渗透系数P，所以不允许碳氢化合物、氮氧化物、硫氧化物和微粒固体组分的渗透。因此，防止了碳氢化合物、氮氧化物、硫氧化物和微粒固体组分进入空调空间。
空调空间内乘客呼吸产生的外部空气与内部空气之间的氧气和二氧化碳浓度差通常为1000ppm或更高，而外部空气与内部空气之间碳氢化合物、氮氧化物、硫氧化物和微粒固体组分的浓度差通常为10ppm或更低，在交通量大的路上最大。
选择性分离元件的特性在于依赖于空调空间与空调空间外部之间的可渗透气体的浓度差施加渗透作用，因此如上面的项目1所述，选择性分离元件优选地由满足关系P1/P2＞10的构造材料组成，其中P1为氧气和二氧化碳的渗透系数，P2为碳氢化合物、氮氧化物、硫氧化物和微粒固体组分的渗透系数。
当满足该关系时，氧气和二氧化碳的渗透量对碳氢化合物、氮氧化物、硫氧化物和微粒固体组分的渗透量的比大约为1000∶1，也就是说，对于1000ppm的氧气和二氧化碳，碳氢化合物、氮氧化物、硫氧化物和微粒固体组分的浓度差变为1ppm(10ppm/10)，使得选择性分离元件具有足够高的氧气和二氧化碳渗透性能以及阻止碳氢化合物、氮氧化物、硫氧化物和微粒固体组分的性能。
选择性分离元件所需的性能被视为依赖于安装位置变化。例如，在选择性分离元件面积受限制的位置，需要形成薄膜等的材料以具有单位面积高渗透性。还可使用具有纤维状等的材料提高该渗透性，例如空气过滤器。另外，当系统外围的温度高时，需要具有高耐热性的多孔材料等。
因此，如上面项目2中所述，当选择性分离元件形成具有多孔状、纤维状、薄膜状或这些形状的复合形状时，可得到适于安装位置的选择性分离元件。
在选择性分离元件具有多孔状的情形下，如上面项目3中所述，当具有多孔状的选择性分离元件形成具有5nm或更小的孔径时，不会产生努森流(Knudsen flow)，并且可防止会在人体内沉积引发癌症的10nm或大过10nm的微粒固体组分的渗透。
在选择性分离元件具有纤维状的情形下，如上面项目4中所述，当具有纤维状的选择性分离元件形成具有阻止碳氢化合物、氮氧化物、硫氧化物和微粒固体组分的功能时，可提高氧气和二氧化碳的渗透性。
在选择性分离元件具有薄膜状的情形下，由于选择性分离元件的渗透量与膜厚度成反比例关系，所以膜厚度值优选较小。因此，如上面项目5中所示，当选择性分离元件形成具有500nm或更小的膜厚度时，可提高氧气和二氧化碳的渗透性。更优选地，膜厚度为100nm或更小。
同样，如上面项目6中所示，优选地，通过吸附、吸收、分解或表面反应，得到选择性分离元件的功能，即阻止碳氢化合物、氮氧化物、硫氧化物和微粒固体组分的功能。可在选择性分离元件的表面或膜内执行吸附和吸收。
在吸附中，当碳氢化合物、氮氧化物、硫氧化物和微粒固体组分浓度升高时，碳氢化合物、氮氧化物、硫氧化物和微粒固体组分主要物理地保持在选择性分离元件上，并且当其浓度降低时，这些组分会再次释放进外部空气中，从而可再生选择性分离元件的吸附性能。
在吸收中，主要通过将碳氢化合物、氮氧化物、硫氧化物和微粒固体组分化学地固定在选择性分离元件上而阻止这些组分。
在分解中，可化学地分解吸附或吸收的碳氢化合物、氮氧化物或硫氧化物，从而使其无味或无害。
在表面反应中，通过选择性分离元件的表面结构特征，有选择性地使碳氢化合物、氮氧化物、硫氧化物和微粒固体组分的吸附变难，以防止其进入膜中，从而可阻止这些组分。
分解装置的实例包括电分解系统、热分解系统、使用化学品等的化学分解系统、以及使用微生物等的生物分解系统。另外，还可使用通过组合这些系统以提高其能力的方法。
在选择性分离元件包括有机聚合物的情形下，如项目7中所示，当有机聚合物包括具有导电性的成分时，有利于表面反应所需的电子的供应，并且，可容易地将吸附在表面上的碳氢化合物、氮氧化物和硫氧化物分解。
含有具有导电性的成分的有机聚合物的实例包括聚乙炔基聚合物、聚对苯撑乙烯(polyparaphenylene)基聚合物、5元杂环聚合物(5-membered heterocyclic polymer)。
同时，当选择性分离元件具有大的表面粗糙度时，增加了允许外部空气与选择性分离元件表面相接触的面积，从而提高了氧气或二氧化碳的渗透量。因此，如上面项目8中所示，当选择性分离元件制成具有6.0nm或更高的表面粗糙度(Ra)时，除了增加表面积之外，还可实现对选择性分离元件表面的物理特性的控制，例如元件表面与氧气之间相容性的控制、孔径控制和分子定向(例如，结晶度)的控制。
用于提高选择性分离元件表面粗糙度的方法的实例包括等离子体处理选择性分离元件表面的方法、照射离子方法、应用臭氧处理的方法、应用热处理的方法和应用化学处理的方法。通过这种方法，除了增加表面积之外，还可实现对选择性分离元件表面的物理特性控制，例如元件表面与氧气之间相容性的控制、孔径和分子定向(例如，结晶度)的控制。
理想地，当通过一个选择性分离元件可同时拥有渗透性与阻止特性两个特征时，可方便地得到简单的系统构造。但是，还可结合分别具有渗透性和阻止特性的选择性分离元件。
在这点上，如上面项目9中所述，当选择性分离元件构造成包括具有允许氧气和二氧化碳优先渗透功能的第一选择性分离元件以及具有阻止碳氢化合物、氮氧化物、硫氧化物和微粒固体组分功能的第二选择性分离元件时，可使第一选择性分离元件的渗透性能和第二选择性分离元件的阻止性能最优化，使得可使选择性分离元件的性能最优化。
顺便说一句，如上所述，第一选择性分离元件与第二选择性分离元件的膜厚度为500nm或更小，优选地为100nm或更小，因此，选择性分离元件无法靠其自身保持形状。
因此，如上面项目10中所述，当将第一选择性分离元件和第二选择性分离元件紧密接触，并且选择性分离元件由支撑层至少从紧密接触的第一和第二选择性分离元件一侧支撑时，通过支撑层可保持选择性分离元件的薄膜形状。
如果第一选择性分离元件与第二选择性分离元件从支撑明显地分开，也就是说，如果各选择性分离元件为与支撑层不同的个体时，那么当通过施加在其上的一些力而使各选择性分离元件变形时，各选择性分离元件可能会破裂。
因此，如上面项目11中所枕述，当选择性分离元件构造成包括其中含有第一选择性分离元件的支撑层和其中含有第二选择性分离元件的支撑层时，即使在第一选择性分离元件和第二选择性分离元件上施加力，由于各选择性分离元件由支撑层支撑，所以各选择性元件也不会容易地破裂。
另外，如上面项目12中所述，当第一选择性分离元件具有支撑层时，其中在支撑层中氧气和二氧化碳的渗透率沿着渗透方向逐渐地变化，氧气和二氧化碳在具有低渗透率的部分无法容易地渗透，但是由于随着渗透率的升高，氧气越来越容易渗透，所以选择性分离元件整体上允许氧气和二氧化碳的渗透。并且，当第二选择性分离元件具有支撑层时，其中在支撑层中碳氢化合物、氮氧化物、硫氧化物和微粒固体组分的渗透率沿着渗透方向地变化，在具有低渗透率的部分可阻止碳氢化合物、氮氧化物、硫氧化物和微粒固体组分。
通过使用上述空调系统，当碳氢化合物、氮氧化物、硫氧化物和微粒固体组分从外部空气渗透时可被阻止，但是在车厢中产生的组分或由乘客等从车厢外部带入的组分无法在短时间内去除。
因此，如上面项目13中所述，当在目标空调空间中设置用于除臭的除臭装置时，可将空调空间内部除臭。
除臭装置包括通过吸附剂吸附上述组分的装置以及分解这些组分的装置。具有吸附性的材料的实例包括碳材料(例如，活性碳颗粒和活性碳纤维)、无机材料(例如，沸石)、吸收溶液和浸渍有吸收溶液的纤维物质。分解方法的实例包括电分解系统、热分解系统、使用化学品等的化学分解系统、以及使用微生物等的生物分解系统。
具有除臭功能的上述设备可去除空调空间中影响空气质量的不希望成分，但是为了解除例如空调空间中不希望成分浓度升高或该空间中玻璃等上起雾等问题，如上面项目14中所述，通过设置用于将外部空气引入空调空间的外部空气引入装置，例如，以一定的间隔引入外部空气一定时间，将外部空气引入空调空间是有效的。
在引入外部空气时，如上面项目15中所述，当外部空气引入装置构造成能够基于任意设定的外部空气量引入条件(例如引入外部空气的时间、间隔、引入量、引入外部空气的入口和空调空间的气体浓度)而调节引入空调空间的外部空气量，可最优地将外部空气引入空调空间。关于引入外部空气的方法，例如，可使用改变外部空气口的开度的方法。
并且，为了最优地将外部空气引入空调空间，优选地，依赖于空调空间内的环境(例如气体浓度)引入外部空气。因此，如上面项目16中所述，当设置用于检测空调空间内气体浓度的传感器，并且外部空气引入装置构造成能够基于由传感器检测的气体浓度值相对于作为外部空气量引入条件而设定的气体浓度值而调节引入空调空间的外部空气量，可引入具有最优气体浓度的外部空气。
顺便说一句，气体浓度包括微粒固体组分的浓度以及氧气、二氧化碳、碳氢化合物、氮氧化物、硫氧化物等等的浓度。并且，传感器包括用于氧气、二氧化碳、碳氢化合物、氮氧化物和硫氧化物的浓度传感器以及计算微粒固定组分的量的传感器。
空调空间需要引入氧气和排出二氧化碳，并且可以是需要阻止碳氢化合物、氮氧化物、硫氧化物和微粒固体组分的空间。对于这种空间，如上面项目17中所述，优选地，空调空间为乘客在车辆中占用的空间。
更具体地，车辆尤其是汽车车厢中的空间暴露于由于乘客的呼吸出现消耗氧气或排放二氧化碳的环境，或在交通繁重的区域中行驶时，从其它车辆排出的碳氢化合物、氮氧化物、VOC和微粒固体组分可能进入车厢空间。因此，当将该空调系统应用到车厢内部时，可在该车厢内实现舒适的空间。当然，该空调系统不只可应用到汽车上，还可应用到其它运输工具上，例如公共汽车、火车、单轨列车或飞机。
下面参考附图，进一步描述根据本发明的一些上述优选实施例。但是，注意，本发明的实施例不限于下面的实施例，在不脱离本发明技术范围的情况下可想到各种实施例。
[第一实施例]
图1为其中结合有该实施例的空调系统的车辆的示意性横截面图。首先，在描述所示的本发明车辆之前，先参考图5描述现有的车辆30。
传统的车辆30包括空调(未示出)，所述该空调具有将外部空气引入车厢37的外部空气引入模式和并不引入外部空气而在车厢37中循环空气的内部空气循环模式。并且，在地板下面和后备箱中分别设有地板下通风孔35和后备箱通风孔33。这些往往减小了在车门(未示出)打开和关闭时出现的压力变化。
在车厢19前排座椅的乘客脚下同时也是在空调空气供应线路中布置过滤器12。该过滤器12不只允许氧气和二氧化碳的渗透，还允许碳氢化合物、氮氧化物、硫氧化物和微粒固体组分的渗透。
这样，在传统的车辆30中，当空调设定为外部空气引入模式时，外部空气中的碳氢化合物、氮氧化物、硫氧化物和微粒固体组分进入车辆，即使空调不设定为外部空气引入模式，外部空气也会从地板下通风孔35和后备箱通风孔33进入。
在另一方面，图1中所示的本发明的车辆10未配备有通风孔，如传统车辆30的地板下通风孔35和后备箱通风孔33。并且，空调(未示出)只具有内部空气循环模式。车辆10的车厢19包括车厢壁11、选择性分离元件13和内部/外部调风门17，从而形成空气的流入和流出只能通过选择性分离元件13和内部/外部调风门17的半封闭空间。
车厢壁11由不透气材料组成，例如铁、铝和玻璃。并且，选择性分离元件13具有允许氧气和二氧化碳的优先渗透的特性以及阻止排出到空气中的碳氢化合物(HC)和氮氧化物(例如，NO2)进入车辆并阻止毫微米大小的柴油碳(微粒固体颗粒)的特性，该选择性分离元件13布置在车厢19前排座椅的乘客脚下并同时在空调空气供应线路中。
(选择性分离元件的结构)
参考图2A、2B和2C描述选择性分离元件的结构，其中示出了选择性分离元件13的结构的透视图。图2A、2B和2C各示出了选择性分离元件具有下述结构的实施例：具有允许氧气和二氧化碳优先渗透的功能的第一选择性分离元件13a与具有阻止、吸附、吸收或分解碳氢化合物、氮氧化物、硫氧化物和微粒固体组分的功能的第二选择性分离元件13b是分离的。
在图2A中所示的结构实例1中，选择性分离元件具有如下结构：通过将第一选择性分离元件13a和第二选择性分离元件13b整体地接触而获得的膜结构布置在支撑14上。
第一选择性分离元件13a和第二选择性分离元件13b每个都由有机聚合物形成。在结构实例1中，有机聚合物为硅酮聚合物，但有机聚合物可为任意一种包括具有导电性成分的有机聚合物，例如聚乙炔基聚合物、聚对苯撑乙烯(polyparaphenylene)基聚合物、5元杂环聚合物(5-membered heterocyclic polymer)等等。
第一选择性分离元件13a和第二选择性分离元件13b允许气体渗透，因此小的膜厚度是有利的，但是当形成得薄时，膜的强度降低而容易破裂。因此，优选地膜的厚度为500nm或更薄，或者更优选地为50至100nm。在该实施例中，膜厚度为100nm。
在结构实例1中，由于当第一选择性分离元件13a和第二选择性分离元件13b折叠时，有时会在突出的薄膜表面上导致破裂，所以原样使用平面薄膜。
下面，在图2B所示的结构实例2中，选择性分离元件具有如下结构：第一选择性分离元件13a和第二选择性分离元件13b分别包含在支撑14a和14b中。第一选择性分离元件13a、支撑14a、第二选择性分离元件13b以及支撑14b的各选择性分离元件部分和各支撑部分并不明显地分开，并且选择性分离元件整体上具有渗透性能和分离性能。
同样，在图2C所示的结构实例3中，选择性分离元件具有如下结构：第一选择性分离元件13a和第二选择性分离元件13b分别包含在支撑14a和14b中，但是膜的成分沿厚度方向逐渐变化。更具体地，第一选择性分离元件13a被容纳使得氧气和二氧化碳的渗透率沿着渗透方向逐渐变化，第二选择性分离元件13b被容纳使得碳氢化合物、氮氧化物、硫氧化物和微粒固体组分的渗透率沿着渗透方向逐渐变化。
(选择性分离元件的表面粗糙度)
关于选择性分离元件13、第一选择性分离元件13a和第二选择性分离元件13b(下文中，第一选择性分离元件13a和第二选择性分离元件13b这两个元件简称为“选择性分离元件13”)，表格1中示出了选择性分离元件的表面粗糙度Ra和氧气渗透系数K。如在表格1中所示，选择性分离元件13的氧气渗透系数K的值依赖于表面粗糙度Ra变化。
如表格1中所示，随着选择性分离元件13的表面粗糙度Ra的增加，选择性分离元件13的氧气渗透系数K变大。未处理的选择性分离元件的平均表面粗糙度为Ra＝5.5nm，氧气渗透系数为3.2×10-9。通过将该选择性分离元件的表面粗糙度增加至Ra＝6.6nm，氧气渗透系数变为9.2×10-9，通过将该选择性分离元件的表面粗糙度增加至Ra＝7.5nm，氧气渗透系数变为9.1×10-8。这样，与未处理的元件相比，氧气渗透系数K提高了大约30倍。
表格1
表面粗糙度：Ra[nm]   未处理的 处理的
  5.5   6.6   7.5
  氧气渗透系数：K[cm3·cm/cm2·sec·cmHg]   3.2×10-9   9.2×10-9   9.1×10-8
为了通过改变表面粗糙度Ra而提高氧气渗透系数K，可使用物理/化学处理选择性分离元件13表面的方法。例如，图3示出了通过等离子体处理表面改性材料以提高选择性分离元件13氧气渗透性的方法。
为了等离子体处理，选择性分离元件13布置在配备有RF功率源的压力可降低的腔40中。这里，选择性分离元件13位于平行平面电极41中一个的阴极侧。RF功率源42具有100至300W的电功率和15.36MHz的频率，其10至30分钟的处理时间是有效的。
(外部空气的引入)
图4A、4B和4C示出了控制车辆车厢19中氧气浓度的方法。图4A示出了固定氧气传感器18的状态，图4B为示出氧气传感器18检测的车厢19内氧气浓度变化的曲线图，图4C为示出内部/外部调风门17的开度的曲线图。注意在图4B和4C中，曲线图具有相同的时间间隔。
如上所述，该空调系统包括具有如下功能的选择性分离元件13：允许氧气和车厢19内乘客呼出的二氧化碳优先渗透，同时阻止碳氢化合物、氮氧化物、硫氧化物和微粒固体组分。
但是，当选择性分离元件13的渗透性能因为某些理由恶化时，可能无法引入一定量的氧气以补偿车厢19内乘客消耗的氧气量。为了防止这个问题，如图4B中所示，由图4A中所示安装在车厢19内的氧气传感器18检测车厢19内的氧气浓度α，通过控制部分(未示出)控制检测的氧气浓度α是否降低至低于浓度阈值β(20％，图4B中)以下。当在控制部分(未示出)中判断氧气浓度α降低至低于浓度阈值β时，内部/外部空气调风门17打开，外部空气临时地引入车厢19，从而可增加氧气。
在控制部分中，如图4C中所示，在多个级(三个级，在图4C中)处设定内部/外部调风门17的开度γ。并且，可自由地设定氧气浓度α的浓度阈值β，使得还可改变车厢19中氧气浓度的控制值。
(空调系统的特有特征)
根据上述空调系统，通过利用车厢内部与外部之间的氧气和二氧化碳的浓度差，不只可从车厢19排出二氧化碳和向车厢19引入氧气，还可阻止碳氢化合物、氮氧化物、硫氧化物、微粒固体组分等等，使得可保持车厢19的内部舒适。
更具体地，当车厢19中有乘客等时，车厢19中的氧气浓度逐渐降低，二氧化碳的浓度逐渐升高。但是，由于车厢19外部的氧气浓度和二氧化碳浓度恒定，所以会产生浓度差，使得车厢19外部的氧气浓度高而车厢内的低，在另一方面，车厢19外部的二氧化碳浓度低而车厢内的高。
这时，第一选择性分离元件13a和第二选择性分离元件13b对于氧气和二氧化碳具有高溶解度系数S和高扩散系数D，并且因此氧气或二氧化碳在溶解到第一选择性分离元件13a和第二选择性分离元件13b后从高浓度侧扩散到低浓度侧，即车厢内外侧的浓度差使氧气引入车厢并使二氧化碳排出车厢。
此外，第一选择性分离元件13a和第二选择性分离元件13b对于碳氢化合物、氮氧化物、硫氧化物和微粒固体组分具有低溶解度系数S，因此在第一选择性分离元件13a和第二选择性分离元件13b中没有溶解作用，从而通过第一选择性分离元件13a和第二选择分离元件13b没有渗透。因此，防止了碳氢化合物、氮氧化物、硫氧化物和微粒固体组分进入车厢。
第一选择性分离元件13a和第二选择性分离元件13b由满足关系P1/P2＞10的材料组成，其中P1为氧气和二氧化碳的渗透系数，P2为碳氢化合物、氮氧化物、硫氧化物和微粒固体组分的渗透系数。因此，氧气和二氧化碳的渗透量与碳氢化合物、氮氧化物、硫氧化物和微粒固体组分渗透量的比率大约为1000∶1，使得可达到足够高的阻止性能。
第一选择性分离元件13a和第二选择性分离元件13b各自形成薄膜，因此单位面积的渗透性高，使得即使在具有有限安装面积的位置如车厢19中仍可提高渗透性。
并且，第一选择性分离元件13a和第二选择性分离元件13b各具有500nm或更小的膜厚度(在该实施例中，为100nm)，因此可提高氧气和二氧化碳的渗透性。
通过吸附、吸收或分解可获得第一选择性分离元件13a和第二选择性分离元件13b的功能，即阻止碳氢化合物、氮氧化物、硫氧化物和微粒固体组分的功能。在吸附中，当碳氢化合物、氮氧化物、硫氧化物和微粒固体组分的浓度增加时，主要物理地保持这些组分，并且当这些组分浓度降低时它们被再次释放到外部空气，从而可再生第二选择性分离元件13b的吸附性能。
在吸收中，可主要地通过将这些组分化学地固定在第二选择性分离元件13b上而阻止碳氢化合物、氮氧化物、硫氧化物和微粒固体组分。
在分解中，可化学地分解碳氢化合物、氮氧化物和硫氧化物，从而使其无臭或无害。
分解装置的实例包括电分解系统、热分解系统、使用化学品等的化学分解系统和使用微生物等的生物分解系统。另外，还可使用组合这些系统提高其性能的方法。
第一选择性分离元件13a和第二选择性分离元件13b各由具有导电性的聚苯胺基有机聚合物形成，使得有利于表面反应所需的电子的供应，并且使附收到表面的碳氢化合物、氮氧化物和硫氧化物容易分解。
第一选择性分离元件13a和第二选择性分离元件13b具有6.0nm或更高(例如，6.5nm或6.6nm)的表面粗糙度，除了增加表面积之外，还可实现对第一选择性分离元件13a和第二选择性分离元件13b表面上的物理特性的控制，例如元件表面与氧气之间相容性的控制、孔径控制和分子定向(例如，结晶度)的控制。
选择性分离元件13构造成包括具有允许氧气和二氧化碳优先渗透功能的第一选择性分离元件13a和具有阻止碳氢化合物、氮氧化物、硫氧化物和微粒固体组分功能的第二选择性分离元件13b，使得第一选择性分离元件13a的渗透性能和第二选择性分离元件13b的阻止性能可最优化，从而可使选择性分离元件13的性能最优化。
如图2A中所示，第一选择性分离元件13a和第二选择性分离元件13b紧密接触，并且选择性分离元件由支撑14从第二选择性分离元件13b侧支撑，使得尽管第一选择性分离元件13a和第二选择性分离元件13b只有100nm的非常小的膜厚度，但是可保持选择性分离元件的形状。
在图2B中所示的选择性分离元件13的情形下，选择性分离元件13构造成包括其中含有第一选择性分离元件13a的支撑14和其中含有第二选择性分离元件13b的支撑14，并且各第一选择性分离元件13a和第二选择性分离元件13b的薄膜形状可由支撑14保持，使得即使在第一选择性分离元件13a和第二选择性分离元件13b上施加力，由于各选择性分离元件由支撑层14支撑，所以各选择性元件也不会容易地破裂。
在图2C中所示的选择性分离元件13的情形下，第一选择性分离元件13a具有支撑14，其中在支撑14中氧气和二氧化碳的渗透率沿着渗透方向逐渐地变化。因此，氧气和二氧化碳在具有低渗透率的部分无法容易地渗透，但是由于随着渗透率的升高，氧气和二氧化碳增多，所以选择性分离元件整体上允许氧气和二氧化碳容易渗透。并且，第二选择性分离元件13b具有支撑14，其中在支撑14中碳氢化合物、氮氧化物、硫氧化物和微粒固体组分的渗透率沿着渗透方向逐渐地变化，因此在具有低渗透率的部分可阻止碳氢化合物、氮氧化物、硫氧化物和微粒固体组分。
并且，在车厢19中设置内部/外部调风门17，以一定的间隔将外部空气引入一定的时间段。由于可将外部空气引入车厢19，所以可去除对空气质量有负面影响的不希望的成分，并且可消除车厢内例如玻璃上起雾等问题。
在内部/外部调风门17中，可任意地设定将外部空气引入车厢19的条件，例如内部/外部调风门17的开度和氧气浓度，使得可将舒适的外部空气引入车厢19。
基于由氧气传感器18检测的车厢19中的氧气浓度将外部空气引入车厢19中，使得车厢19中的氧气浓度可最优化。
除了氧气传感器18以外，还可使用用于碳氢化合物、氮氧化物和硫氧化物的传感器或计算微粒固体组分的量的传感器，以调节车厢中各组分的浓度。
下文中，描述本发明的一些实施例，但是本发明不限于这些实施例，因此如果需要，本发明可以多个其它实施方式实现。
(1)例如，在上面的实施例中，将薄膜状材料用作选择性分离元件13，但是也可使用具有孔径为5nm或更小的多孔材料替代薄膜状材料。
当使用这种材料时，不会产生努森流(Knudsen flow)，并且可防止会在人体内沉积引发癌症的10nm或大过10nm的微粒固体组分的渗透。
(2)多孔材料具有高耐热性，因此，当外部的温度高时，例如当选择性分离元件13布置在发动机室附近时，多孔材料仍起效用。
(3)同样，当选择性分离元件13由具有阻止碳氢化合物、氮氧化物、硫氧化物和微粒固体组分的功能的纤维材料替代薄膜状材料而形成时，可提高氧气和二氧化碳的渗透性。
(4)还可使用具有阻止碳氢化合物、氮氧化物、硫氧化物和微粒固体组分的功能的纤维材料替代薄膜状材料。
(5)在上面实施例的选择性分离元件13中，通过具有吸附、吸收或分解功能的薄膜材料可获得氧气和二氧化碳的渗透以及碳氢化合物、氮氧化物、硫氧化物和微粒固体组分的阻止，但是选择性分离元件13可由能够与那些组分发生表面反应的薄膜材料形成。
(6)在车厢19中，可设置用于通过能够吸附碳氢化合物、氮氧化物、硫氧化物和微粒固体组分的材料吸附这些组分的除臭装置，或者使用分解碳氢化合物、氮氧化物、硫氧化物和微粒固体组分的方法的除臭装置，其中吸附材料可为例如碳材料(例如，活性碳颗粒和活性碳纤维)、无机材料(例如，沸石)、吸收溶液和浸渍有吸收溶液的纤维物质，而分解装置可为电分解系统、热分解系统、使用化学品等的化学分解系统、以及使用微生物等的生物分解系统。
(7)空调空间需要引入氧气，排出二氧化碳，并且可以是需要阻止碳氢化合物、氮氧化物、硫氧化物和微粒固体组分的空间。对于这种空间，其可不只应用在汽车中，也可应用在其它运输工具中，例如火车、单轨列车或飞机。
注意，车厢19对应于空调系统中的空调空间，车厢壁11对应于不允许气体渗透的壁，内部/外部调风门17对应于外部空调引入装置，氧气传感器18对应于传感器。

Claims (17)

1.一种空调系统，包括限定空调空间的不透气壁和布置在所述壁中作为所述壁一部分的选择性分离元件，所述空调系统具有允许氧气和二氧化碳优先渗透以及同时阻止碳氢化合物、氮氧化物、硫氧化物和微粒固体组分渗透的功能，其中：
所述选择性分离元件包括有机聚合物，并满足关系P1/P2＞10，其中P1为氧气和二氧化碳的渗透系数，P2为碳氢化合物、氮氧化物、硫氧化物和微粒固体组分的渗透系数。
2.如权利要求1所述的空调系统，其中所述选择性分离元件具有多孔状、纤维状、薄膜状或上述这些形状的组合。
3.如权利要求2所述的空调系统，其中所述选择性分离元件为具有5nm或更小孔径的多孔状。
4.如权利要求2所述的空调系统，其中所述选择性分离元件为具有阻止碳氢化合物、氮氧化物、硫氧化物和微粒固体组分的功能的纤维状。
5.如权利要求2所述的空调系统，其中所述选择性分离元件为具有500nm或更小厚度的薄膜状。
6.如权利要求1至5中任意一项所述的空调系统，其中所述选择性分离元件阻止碳氢化合物、氮氧化物、硫氧化物和微粒固体组分的功能通过吸附、吸收、分解或表面反应获得。
7.如权利要求1至6中任意一项所述的空调系统，其中所述有机聚合物包括具有导电性的成分。
8.如权利要求1至7中任意一项所述的空调系统，其中所述选择性分离元件具有6.0nm或更大的表面粗糙度。
9.如权利要求1至8中任意一项所述的空调系统，其中所述选择性分离元件包括：
第一选择性分离元件，具有所述允许氧气和二氧化碳优先渗透的功能；以及
第二选择性分离元件，具有所述阻止碳氢化合物、氮氧化物、硫氧化物和微粒固体组分渗透的功能。
10.如权利要求9所述的空调系统，其中所述第一选择性分离元件与所述第二选择性分离元件构造成紧密接触，并且所述选择性分离元件在构造成紧密接触的所述第一和第二选择性分离元件的至少一侧上由支撑层支撑。
11.如权利要求10所述的空调系统，其中所述选择性分离元件包括其中结合有所述第一选择性分离元件的第一支撑层和其中结合有所述第二选择性分离元件的第二支撑层。
12.如权利要求11所述的空调系统，其中所述第一选择性分离元件的氧气和二氧化碳的渗透率在所述第一支撑层中沿渗透方向梯度地变化，所述第二选择性分离元件的碳氢化合物、氮氧化物、硫氧化物和微粒固体组分的渗透率在所述第二支撑层中沿渗透方向梯度地变化。
13.如权利要求1至12中任意一项所述的空调系统，其中在所述空调空间中还设有用于除臭的除臭装置。
14.如权利要求1至13中任意一项所述的空调系统，其中在所述空调空间中还设有用于引入外部空气的外部空气引入装置。
15.如权利要求14所述的空调系统，其中所述外部空气引入装置构造成能够基于任意设定的外部空气量引入条件来调节引入所述空调空间的外部空气量。
16.如权利要求15所述的空调系统，其中还设有用于检测所述空调空间中气体浓度的传感器，并且所述外部空气引入装置构造成能够基于由所述传感器检测的气体浓度值相对于设为所述外部空气量引入条件的气体浓度值而调节引入所述空调空间的外部空气量。
17.如权利要求1至16中任一项所述的空调系统，其中所述空调空间为车辆中容纳乘客的空间。
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