JP2006069451A - 車室内空気調和装置 - Google Patents

Abstract

【課題】車両の乗員個々人の酸素不足の状態を検出し、これを解消する。また、高地走行時における乗員の高山病の発病を防止する。さらに、センサの故障に強いシステムを構築する。
【解決手段】血中酸素飽和度測定機能、酸素濃度または二酸化炭素濃度測定機能、高度測定機能を車両に持たせるようにシステムを構築し、それぞれの機能に故障が生じた場合でも残りの機能を利用して、車室内の空気調節を行うことができる装置を提供する。これにより、乗員個々人の状態に合わせて酸素不足の解消を行うことができ、高地走行時の高山病も防止することができるため、車両の安全な走行を確保することができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、自動車、鉄道等の車室内における空気調和装置に関するものである。

車両運転中の車室内の酸素不足は、乗員の集中力の低下や眠気を引き起こす原因の一つと考えられている。さらに高地走行時における酸素不足は高山病を引き起こし、特に急激に高度を上げての移動は危険が高い。そのため、高山病を防止する技術の必要性は高いと考えられる。

車室内の酸素不足を補う方法としては、特許文献１に記載のように大気中の窒素を分離除去して酸素富化空気を生成する技術がある。また、特許文献２に記載のように車両運転者の疲労度をサスペンション変位回数により定量化し、これが所定回数以上であり且つ車室内の酸素濃度が所定濃度以下となった場合に酸素富化空気を車室内に供給するという技術がある。

特開昭63-43812号公報

特開平6-92140号公報

しかしながら、特許文献１に開示されている方法では、乗員個々人の酸素不足の状態はわからないため、これに応じた対応を行うことができない。
一方、特許文献２に開示されている技術では、サスペンション変位回数に基づいて定量化された疲労度は推定値であり、実際に乗員がどの程度の酸素不足状態にあるかの実測はなされていない。

また、高地走行時には乗員は高山病の発病の危険があるが、車両においてこの対策はほとんどなされていないのが現状である。
本発明は、車両の乗員個々人の酸素不足に代表されるコンディションを検出したり酸素に代表される空気の構成成分量の変化を検出したりすることで得た結果に基づき、車室内の空気調和を行い、酸素不足に代表される空気環境の悪化を解消する装置を提供するものである。さらに、高地走行時における乗員の高山病の発病を防止する装置も提供する。

上記課題を解決するため、本願で開示する発明の概要は以下の通りである。
運転者または同乗者の血中の酸素飽和濃度を測定する酸素飽和度センサと、車室内に空気を供給する空調機と、前記酸素飽和度センサが測定する酸素飽和度に応じ、前記空調機から供給する空気の酸素濃度を制御する制御部とを有することを特徴とする空調システムである。

車室内あるいは乗員個々人における酸素不足の状態を検出し、酸素不足を解消することが可能となる。また、高地走行時における高山病の発病を防止することも可能となる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

本実施例においては車両として自動車を採用するが、本願発明には自動車の他に運転手が操縦を行う自動二輪車や鉄道車両、飛行機等も含まれる。
図１を用いて透過光を用いて乗員の血中の酸素飽和度を計測する方式を説明する。

ハンドル（１０１）に計測部（１０２）を組み込む。これは、ハンドルをヒトの手（１０３）が握った際におよそ人差し指が置かれる位置に設置する。手の大きさはヒトによって異なるため、ハンドル（１０１）と計測部（１０２）の間にスライド式の機械構造などを設け、位置の調整が可能な構造を持たせることも有効である。発光部（１０４）、受光部（１０５）を組み込む。発光部はLEDなどの発光素子により構成し、受光部はフォトダイオードやフォトトランジスタ等の受光素子より構成することができる。発光素子は、複数波長を発光する素子を用いることが有効であるが、一波長を発光する素子を複数用いることも可能である。図においては電気的な配線は省略してある。ハンドルを握った手(１０３)に発光部（１０４）から光を照射し、手を透過した光を受光部（１０５）で受ける。

発光素子から指に照射され透過あるいは反射した光の強さは、動脈の拍動により血液の実質的な厚みが変化することにより変動する。この光の強さの変動を測定することにより脈波を検出することができる。吸光度変化ΔAは、透過光強度をI、透過光強度の変動をΔI、ヘモグロビンの吸収係数をε_h、ヘモグロビン濃度をｃ、血液の厚み変動をΔDとし、生体のような散乱体では厳密にはLambert-Beerの法則は成立しないが、近似のためにこれを用いると、

となる。血中ヘモグロビンの酸素飽和度をｓとすると、オキシヘモグロビンとデオキシヘモグロビンの存在比率はs : 1-sであるから、オキシヘモグロビンとデオキシヘモグロビンの吸光係数をそれぞれε_oxy、ε_deoxyとするとヘモグロビン全体の吸光係数ε_ｈは、

で表される。
例えば2波長を選んで計測する方法を説明する。発光波長にλ_１、λ_２の２種類を用いる場合、(数１)と(数２)とより

これより、

が導出される。つまり、Rを実測することにより酸素飽和度ｓを求めることができることになる。

は、それぞれの波長におけるそれぞれの波長における透過光の変化分の比であるから、これを受光素子を用いて実測し、(数４)によりsを算出する。波長は例えば、λ_１= 660 nm、λ_２ =940 nmを用いることができる。このRの値に基づいて、車室内への酸素供給の必要性を判定する。

図２には、反射光を用いて血中の酸素飽和度を測定する方式を示す。例えばヒトの手（１０３）がハンドル（１０１）を握ったときに人差し指を置く位置の脇に指の位置決め用のガイド（２０１）を設置する。ハンドル（１０１）において、例えば人差し指の指尖が置かれる位置に測定用の窓（２０２）を設置する。この窓は、光源光の波長の光を透過することのできる材質で構成することが望ましい。発光部（２０３）にはＬＥＤ等の発光素子を用いることができ、受光部（２０４）にはフォトダイオードやフォトトランジスタなどの受光素子で構成することができる。発光部は、図２（ｂ）に示すように、受光部（２０４）の両脇にそれぞれ異なる波長を発光することのできる発光部（２０３）をひとつずつ設置することや、どちらか片側に複数波長を発光することのできる発光部（２０３）を設置することが有効である。酸素飽和度は、透過光を用いた方式と同様、(数１)のRより導出し、この値を元に、車室内への酸素供給を行うかどうかの判定を行う。

図３には、自動車（３０１）における運用の形態を示す。運転者（３０２）は、ハンドル（１０１）を握り、上記のようにして取得した運転者の酸素飽和度のデータは、車載コンピュータやエアコンのコントロールユニットより形成される制御ユニット（３０３）へ送られる（ここではその電気的配線は省略する）。その値が一定の値（例えば93％）以下となった場合、または、単調減少を続けている場合などには、車室内の酸素濃度が低下しているか、乗員の呼吸機能が低下しているなどの不都合が発生していると判断する。そして、車室内へスピーカから警告音や警告のメッセージを出すか、カーナビゲーションシステムのモニタ画面や音声による出力による警告などを行う。また、この警告は、携帯電話の発信などにより車外の人や機関への通報も行うようにシステムを構成することも有効である。

同乗者（３０４）がいる場合には、同乗者の酸素飽和度も同時にモニタし、乗員全員のデータを比較し、一人だけ酸素飽和度が下がっている場合には、車室内の酸素濃度が低下して環境が悪化しているというよりは、乗員その人の体調が悪い可能性が高いと判定し、これをアナウンスすることも可能である。同乗者の酸素飽和度のモニタは、洗濯バサミのように指を挟む形状、あるいは、指サックのように指を挿入する形状のセンサを座席付近に設置しておき、これに指を入れることにより行うようにすることが可能である。センサ内にはハンドルに搭載したものと同様に発光素子と受光素子とを組み込んでおく。

上記の警告をトリガとして酸素供給を開始する。図３には、運転席の空調の噴出し口（３０５）と後部座席用空調の噴出し口（３０６）とを代表例として示してあるが、天井、ドアなど、車載エアコンの噴出し口から酸素が富化された空気を放出することが可能であり、図示する限りではない。ここでは、空調の配管は図示せず、車載エアコンとの連携の方法については後で述べる。また、酸素供給が不要であれば、エアコンのスイッチのひとつに酸素供給のオンオフ用ボタンなどを設置しておき、これによって手動で酸素供給や供給停止を行うことができるようにすることが有効である。

また、酸素欠乏に代表される車室内における空気の状態検出は、乗員の酸素飽和度のモニタ以外の方法でも行うことができる。
ひとつは、車室内に酸素濃度センサまたは、二酸化炭素濃度センサを配備することでこれを行う。酸素濃度センサは例えば、ガルバニ電池式などを用い、二酸化炭素濃度センサは例えば、固体電解質型などを用いることができる。運転席近傍に設置された酸素濃度センサまたは二酸化炭素濃度センサ（３０７）や、後部座席に設置された酸素濃度センサまたは二酸化炭素濃度センサによって、酸素濃度や二酸化炭素濃度をモニタし、その結果を元に車内の酸素不足や二酸化炭素濃度の上昇などを車内にアナウンスすると共に、酸素富化された空気を車載エアコンの噴出し口（３０５、３０６）から放出する。この場合も噴出し口はこの二箇所に限られるものではない。

次に、車の走行情報に基づき、酸素不足を予測することで、主に高地ドライブ時における高山病の発生を予防する方式について説明する。車の高度情報は、大気圧センサ（３０９）により走行地の大気圧の値を測定し、これを元に、高度を算出する。大気圧センサは車室内に設置することもあり、その場所は図に示す位置に限定されるものではない。まず、出発地などで基準高度を合わせたあと、気圧の変化量を高度差に換算するという相対高度測定を行う。国際民間航空機構（ICAO）で定められている国際標準大気（ISA）のデータを下に気圧の変化量を高度差に換算することができる。ISAによれば、例えば、海抜高度０ｍでは1013（hPa）、2000ｍでは795（hPa）、4000ｍでは616（hPa）であり、100m上昇すると気圧は約12（hPa）下がる計算になる。高度測定は、この方法が簡便ではあるが、GPS高度情報を使う方がより正確だと思われるため、利用可能な場合は、GPS高度情報を用いることが有効である。

この場合、カーナビゲーションシステムと連携し、カーナビゲーションシステムから取得するGPS情報を元に、走行時の高度上昇率を求める。高度上昇率が大きい場合には、高山病の発症の危険があるため、スピードを落とす、あるいは休憩が必要であるという警告を車内に発する。高地では酸素分圧が下がって、静脈血の酸素分圧との差が小さくなるため肺でのガス交換の効率が低下し、人によっては動脈血酸素飽和度が90％以下に低下することがある。このため、頭痛や吐き気といった高山病の症状を引き起こすことがある。高山病は、標高1500m以下の低地から2000m以上、特に2500m以上の高地に48時間以内の短時間で到達した場合や、その高度からさらに1日あたり500m以上上昇した場合に多く発症するとされている。

そこで、例えば、出発地が標高1500m以下の場合2500mに到達するまでは、高度上昇率が52(m/時)を超えているかどうかを判定し、2500mを超えた後は、21（m/時）を超えているかどうかを判定する。2500mより低地を走行している場合は、高山病の発症の危険があることを車室内にアナウンスする軽い警告でもかまわないが、2500m以上の高地を走行している場合には、スピードを落としたり高度を下げたりすること、あるいは休憩が必要であるという警告などを車内に発するようにすることが有効である。

取得した高度情報から走行地の大気中の酸素濃度の値を算出する。これは、例えば、高度1000mから3000mでは、899hPaから701hPaへ変化するという広く知られている結果に基づいて行う。あるいは、車両における車室外に酸素濃度センサを設置して酸素濃度を実測することも有効である。

図４には、車室内外の空気の流れと制御用センサの設置方法を示す。車室（４０１）内の空気は窓から出入りする以外に４０２の矢印に相当する一部が、車載エアコンのブロワユニット（４０３）に取り込まれる。一方、ここには外気（４０４）も取り込まれる。ブロワユニット（４０３）内には、酸素濃縮部（４０５）が組み込まれる。ここでは、透過速度が酸素と窒素で異なることを利用して酸素を多く回収することのできる材料を用いる高分子膜型を用いる場合について説明するが、吸着型を用いることも可能である。窒素が多く含まれる空気（４０６）は車外へ放出される。酸素濃縮部の空気を取り込む側には、真空ポンプ（４０７）を設置し真空にすることによって、酸素富化した空気（４０８）をクーリングユニット（４０９）取り込む。

ここで、冷媒（４１０）をエバポレータ（４１１）で気化する際に吸熱が起こることによって酸素富化した空気（４０８）が冷却される。冷却された酸素富化した空気（４１２）は、ヒーターユニット（４１３）に入り、エンジン冷却水（４１４）の循環するヒーターコア（４１５）で暖められた空気（４１６）と混合され、適切な温度の空気（４１７）が車室（４０１）内に放出される。制御ユニット（３０３）は、ハンドル（１０１）に装着された酸素飽和度センサ（４１９、４２０）、車室内に設置された酸素濃度センサまたは二酸化炭素濃度センサ（４１８）、大気圧センサ（３０９）の情報を処理し、再取り込みされる内気（４０２）と外気（４０４）の吸入口のバルブ、真空ポンプ（４０７）、クーリングユニット（４０９）、ヒーターユニット（４１３）などを総合的に制御する。

乗員の酸素不足を検知するためには、酸素飽和度を測定（５０１）し、車室内の酸素不足を検知するためには、酸素濃度または二酸化炭素濃度を測定（５０２）する。酸素濃度センサと二酸化炭素濃度センサは両方設置しても構わないが、いずれか一方を用いることも可能である。車両の走行状況は、大気圧測定またはＧＰＳ高度情報の取得（５０３）によって検知する。これら3種類に大別できる測定とその結果の判定により、車室内に警告を発生する。警告は、車内のスピーカから出すことや、カーナビゲーションシステムと連携させ、音声や画面への出力を用いることなどが可能である。例えば、乗員の血中酸素飽和度が96%を下回った段階で一度警告を出し、さらに酸素飽和度の値が低下傾向を示す場合には、より強い警告を音声や画面出力によって与えることなどが有効である。誰の酸素飽和度をモニタするかが選択できるように、システムを構成する。

酸素飽和度がある一定の値（Ａ）を下回っていないかどうかの判定（５０２）と、酸素濃度がある一定の値（Ｂ）を下回っていないかどうか、または、二酸化炭素濃度がある一定の値（Ｃ）を上回っているかどうかの判定（５０４）と、走行地の高度の時間変化が一定の値（Ｄ）を上回っているかどうかの判定（５０５）を行い、いずれかひとつでも条件を満たしている場合には、結果を車内に知らせ警告を発生（５０６）させる。病気に起因するなど、５０２の判定結果だけがYesの場合は起こりうるが、５０４の判定結果だけがYesの場合は、酸素濃度または二酸化炭素濃度センサと、酸素飽和度測定センサの故障が推定される。この場合は、音声アナウンスやインストルメントパネルなどに設置したＬＥＤランプの点滅などにより車内へ警告する。また、酸素濃度が１５％を下回っていたり、二酸化炭素濃度が0.1％に達していたりするにも関わらず、酸素飽和度が９７％以上を示しているような場合は、酸素飽和度測定センサの故障が推定される。

この場合も音声アナウンスやＬＥＤランプの点滅によって車内へ警告を発する。3種類に大別したセンサのどれかひとつが故障した場合でもフローチャート上の残りの経路を使うことができるため、大気圧センサ以外の全てが故障してしまわない限りは、車室内の酸素濃度を一定以上に保つことが可能となる。

酸素濃度センサと二酸化炭素濃度センサが故障した場合には、大気圧センサの測定結果あるいはＧＰＳ高度情報を元に、走行地の高度を酸素濃度に変換し、酸素供給が必要かどうかの判定を行う。例えば、高度1800mから3000mでは、酸素濃度は 16.8%から14.4%へと変化するので、これに基づく変換により酸素濃度の推定が可能である。車室内の酸素が十分かどうかについては、酸素飽和度センサの結果の例えば９８％に達するまで酸素供給を続けるなどの方法をとることができる。
車室内への酸素の供給（５０７）は、図３に示した方法を用いて行う。警告を発すると同時に車内へ酸素を放出することもできるが、警告を発する際に車内への酸素放出を行うかどうかの確認を促すようにシステムを構築し、乗員の意思で操作を行うことも可能である。

また、車室内の空気環境が適切なものであったとしても、乗員個々人の体調によっては、特定の乗員でのみ血中酸素飽和度が低下している場合があり得る。その場合には、酸素飽和度が基準値より低下しているという警告を行うと共に、その乗員の近くにある空調の噴出し口からのみ30％程度以上の高濃度の酸素を含む空気を供給するようにすることが有効である。この場合、酸素ボンベを車載しておき、ボンベから酸素供給を行うことも可能である。上記の制御により、乗員個々人の体調に応じた車室内の空気環境調節を行うことが可能となる。

酸素の供給（５０７）を開始した場合、これに続いて乗員の血中酸素飽和度を測定（５０８）する一方で、車室内の酸素濃度または二酸化炭素濃度を測定（５０９）する。そこで、酸素飽和度がある一定の値（Ａ）に達したかどうかの判定（５１０）と、酸素濃度がある一定の値（Ｂ）に達したかどうか、または、二酸化炭素濃度がある一定の値（Ｃ）以下かどうかの判定（５１１）を行う。両方がYesである場合において、酸素供給を終了（５１２）する。ここでＡ、Ｂ、Ｃのそれぞれの目安は、例えば98％、21％、0.06％とすることが有効である。

上記実施例は、自動車での利用を想定して記載したものであるが、航空機や鉄道などの車両での応用も可能である。また、本発明は、人が存在する場における環境調節に関するものであり、住居、ビル、地下の工事現場などでの利用も可能であり、広範な応用が可能である。

ハンドルに装着した酸素飽和度測定器（透過光方式）を示す図である。 ハンドルに装着した酸素飽和度測定器（反射光方式）を示す図である。 自動車における本発明の実装の形態を示す図である。 車室内外の空気の流れ制御用センサの設置方法を示す図である。 システム全体のフローチャートを示す図である。

符号の説明

１０１…ハンドル、１０２…計測部、１０３…ヒトの手、１０４…発光部、１０５…受光部、２０１…指の位置決め用のガイド、２０２…測定用の窓、２０３…発光部、２０４…受光部、３０１…自動車、３０２…運転者、３０３…制御ユニット、３０４…同乗者、３０５…運転席の空調の噴出し口、３０６…後部座席用空調の噴出し口、３０７…運転席近傍に設置された酸素濃度センサまたは二酸化炭素濃度センサ、３０８…後部座席に設置された酸素濃度センサまたは二酸化炭素濃度センサ、３０９…大気圧センサ、４０１…車室、４０２…再取り込みされる内気、４０３…ブロワユニット、４０４…外気、４０５…酸素濃縮部、４０６…窒素を多く含む空気、４０７…真空ポンプ、４０８…酸素富化した空気、４０９…クーリングユニット、４１０…冷媒、４１１…エバポレータ、４１２…冷却された酸素富化した空気、４１３…ヒーターユニット、４１４…エンジン冷却水、４１５…ヒーターコア、４１６…暖められた空気、４１７…適切な温度の空気、４１８…酸素濃度センサまたは二酸化炭素濃度センサ、４１９…右手用酸素飽和度センサ、４２０…左手用酸素飽和度センサ、５０１…酸素飽和度を測定、５０２…二酸化炭素濃度を測定、５０３…大気圧測定またはＧＰＳ高度情報の取得、５０４…二酸化炭素濃度がある一定の値（Ｃ）を上回っているどうかの判定、５０５…走行地の高度の時間変化が一定の値（Ｄ）を上回っているどうかの判定、５０６…警告を発生、５０７…酸素の供給、５０８…酸素飽和度を測定、５０９…酸素濃度または二酸化炭素濃度を測定、５１０…酸素飽和度がある一定の値（Ａ）以上かどうかの判定、５１１…、酸素濃度がある一定の値（Ｂ）に達したかどうか、または、二酸化炭素濃度がある一定の値（Ｃ）以下かどうかの判定、５１２…酸素供給を終了。

Claims (9)

1. 酸素飽和度検出部により検出される運転者または同乗者の血中酸素飽和濃度に応じ、空調機が車室内へ供給する空気の成分比を制御する制御部。
2. 請求項１に記載の制御部において、
   前記酸素飽和度検出部により検出される酸素飽和濃度が所定の閾値を下回ったことを検出した場合に、前記空調機に酸素富化した空気を車室内へ供給させることを特徴とする制御部。
3. 請求項１または２に記載の制御部において、
   酸素濃度検出部により検出される車室内の酸素濃度が所定の閾値を下回ったことを検出した場合に、前記空調機に酸素富化した空気を車室内へ供給させることを特徴とする制御部。
4. 請求項１から３のいずれかに記載の制御部において、
   二酸化炭素濃度検出部により検出される車室内の二酸化炭素濃度が所定の閾値を上回ったことを検出した場合に、前記空調機に酸素富化した空気を車室内へ供給させることを特徴とする制御部。
5. 請求項１から４のいずれかに記載の制御部において、
   高度検出部により検出される走行地の高度の時間変化が所定の閾値を上回ったことを検出した場合に、前記空調機に酸素富化した空気を車室内へ供給させることを特徴とする制御部。
6. 二酸化炭素濃度検出部により検出される車室内の二酸化炭素濃度が所定の閾値を上回ったことを検出した場合に、前記空調機に酸素富化した空気を車室内へ供給させることを特徴とする制御部。
7. 高度検出部により検出される走行地の高度の時間変化が所定の閾値を上回ったことを検出した場合に、前記空調機が酸素富化した空気を車室内へ供給することを特徴とする制御部。
8. 請求項１から７のいずれかに記載の制御部を有することを特徴とする空調システム。
9. 酸素飽和度検出部により運転者または同乗者の血中の酸素飽和濃度を検出させ、前記酸素飽和濃度を前記酸素飽和度検出部から制御部に入力させ、
   前記酸素飽和濃度に応じ前記制御部により、前記空調機から車室内へ供給する空気の酸素濃度を制御させることを特徴とする空調方法。

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