JP2011032894A - 燃焼機関用空気活性化装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼効率の向上が可能で、十分な空気流通性を有し、燃焼装置の構造や形状に合わせて設置できる燃焼機関用空気活性化装置を提供する。
【解決手段】網状の樹脂製基材の表面に、トルマリン粉末と天然放射性希有元素鉱物の粉末とを含有する塗膜を形成してなる燃焼機関用空気活性化装置１。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関や燃焼装置の燃焼室に供給される空気の活性化を図り燃焼効率を改善する燃焼機関用空気活性化装置及びその製造方法に関する。

内燃機関やボイラー等の燃焼機関においては、燃焼効率を向上させ、燃費の向上やＣＯやＨＣ等の有害ガスやディーゼル機関の黒煙物質の発生を抑制することが大きな課題である。これに対し、燃焼機関自体の改良以外に、燃料を活性化したり、あるいは機関に供給される空気を活性化することにより、その課題を解決する試みがなされている。

燃料を活性化する方法としては、例えば、内燃機関の燃料供給パイプの外周に永久磁石からなる燃料活性化エレメントを設け、磁界により燃料を活性化する方法が提案されている（特許文献１）。また、空気を活性化する方法としては、自発分極を有するトルマリン（電気石）粉末を用いた空気活性化装置を用いる方法が提案されている。例えば、トルマリン粉末を担持させた織布又は不織布からなる空気活性化エレメントを内燃機関のエアフィルタの直前に用いる方法（特許文献１，２）や、トルマリン粉末をエアフィルターに担持させたエアクリーナーを用いる方法（特許文献３，４）が提案されている。

特開２００１−６５４１５号公報 特開２００１−６５４１６号公報 特開２００３−１０３１７２号公報 特開２００６−２２０１２６号公報

上記の永久磁石を用いて燃料を活性化させる方法は、燃料供給パイプの外周に設置する方法では、供給パイプが介在するため、その効果は十分とは言えない。また、供給パイプの内側に永久磁石を設置することも可能であるが、取り付けに技術を要するため高コストとなり、また交換も困難であるという問題がある。

一方、トルマリン粉末を用いた空気活性化装置を用いる方法は、取り付けや交換が簡単であるという利点を有するが、その効果は十分とは言えず、その効果の一層の向上が必要とされている。また、空気の流通を妨げることがないように十分な空気流通性を有することも必要とされている。また、燃焼装置の構造や形状に合わせて設置できるように、柔軟な構造も必要とされている。

そこで、本発明は、トルマリン粉末を用いた空気活性化装置を改良し、より一層の燃焼効率の向上が可能で、空気の流通を妨げることがない十分な空気流通性を有し、燃焼装置の構造や形状に合わせて設置できる柔軟な構造を有する燃焼機関用空気活性化装置を提供することを目的とした。

上記課題を解決するため、本発明の燃焼機関用空気活性化装置は、網状の樹脂製基材の表面に、トルマリン粉末と天然放射性希有元素鉱物の粉末とを含有する塗膜を形成してなることを特徴とするものである。

また、本発明においては、上記天然放射性希有元素鉱物がモナズ石であることが好ましい。

また、上記塗膜中のトルマリン粉末と天然放射性希有元素鉱物の粉末との重量比が、（電気石／天然放射性希有元素鉱物）＝（５０／５０）〜（８０／２０）であることが好ましい。

また、上記塗膜中のバインダー樹脂がウレタン樹脂であることが好ましい。

また、上記樹脂製基材がポリオレフィン又はナイロンであることが好ましい。

また、本発明の燃焼機関用空気活性化装置の製造方法は、少なくとも、トルマリン鉱石の粉末と天然放射性希有元素鉱物を含む天然鉱石の粉末と、バインダー樹脂と、溶媒とを含むインク組成物を調製し、該インク組成物を網状の樹脂製基材の表面に塗布することを特徴とするものである。

また、本発明の製造方法では、上記バインダー樹脂がウレタン樹脂であることが好ましい。

トルマリンは永久自発分極を有するケイ酸塩鉱物であり、衝撃や振動あるいは熱等の物理的な刺激を与えることで微弱な電気を発生することが知られている。本発明においては、トルマリンと接触した空気中の水蒸気は、水分子が解離して一時的にフリーラジカルが発生する。これが燃料と速やかに混合されることで燃焼反応が促進され、燃焼効率が向上する。また、天然放射性希有元素鉱物が放出する微弱な放射線により空気中の水蒸気や気体分子に不対電子を供給されフリーラジカルが発生する。これが燃料と混合されることで燃焼反応がさらに促進される。また、天然放射性希有元素鉱物からの放射線によりトルマリンが励起され、フリーラジカルを発生させる能力が増大する効果も得られる。また、網状の基材を用いることにより、空気の流通を妨げることがない十分な空気流通性を確保することができ、燃焼効率をさらに向上させることができる。また、樹脂基材を用いることにより、燃焼装置の構造や形状に合わせて種々の場所に設置することも可能となる。

本発明の燃焼機関用空気活性化装置の構造の一例を示す模式図である。 図１の空気活性化装置を取り付けた自動車用エアクリーナーの構造の一例を示す模式図である。 図１の空気活性化装置を取り付けた別の自動車用エアクリーナーの構造の一例を示す模式図である

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
本発明の燃焼機関用空気活性化装置は、網状の樹脂製基材の表面に、トルマリン粉末と天然放射性希有元素鉱物の粉末とを含有する塗膜を形成してなることを特徴とする。

（トルマリン）
トルマリンは、永久自発分極を有する珪酸塩鉱物であり、以下の一般式で表されるものを用いることができる。
ＶＷ_３Ｘ_６（ＢＯ_３）_３Ｓｉ_６Ｏ_１８Ｙ_３Ｚ
ここで、Ｖはナトリウム又はカルシウム、Ｗはリチウム、アルミニウム、マグネシウム又は鉄、Ｘはアルミニウム、クロム、鉄又はマグネシウム、Ｙは水酸基（ＯＨ）又は酸素（Ｏ）、Ｚは水酸基、酸素又はフッ素（Ｆ）である。

本発明で用いるトルマリン粉末はトルマリン鉱石を粉砕したものである。ここで、トルマリン鉱石とは、上記組成のトルマリンを含有するもの、好ましくは６０％以上含有するものをいう。以下、特に断らない限り、トルマリン鉱石を粉砕したものをトルマリン粉末という。トルマリン粉末の平均粒径は、１０μｍ以下、好ましくは２〜５μｍである。１０μｍより大きいと沈降し易くなり、均一に分散させることが困難となり、また燃焼効率を向上させる効果が低下するからである。

（天然放射性希有元素鉱物）
本発明で用いる天然放射性希有元素鉱物は、α線、β線、γ線等の放射線を放射する天然放射性核種として、トリウム、ウラン、セリウム等の元素及びそれらの化合物を含むものである。例として、モナズ石、トール石、ジルコン、リンカイ石、チタン石等を挙げることができる。大量に産出し、入手が容易なモナズ石[（Ｃｅ．Ｌａ，Ｎｄ，Ｔｈ）ＰＯ_４]が好ましい。

本発明で用いる天然放射性希有元素鉱物の粉末は、天然放射性希有元素鉱物を含む天然鉱石を粉砕したものである。ここで、天然放射性希有元素鉱物を含む天然鉱石とは、モナズ石とジルコンを含む天然鉱石であって、好ましくは２０％のモナズ石と６０％のジルコンを含む天然鉱石で、放射性希有元素を２乃至３％含むものである。天然放射性希有元素鉱物の粉末の平均粒径は、１０μｍ以下、好ましくは２〜５μｍである。１０μｍより大きいと沈降し易くなり、均一に分散させることが困難となり、また燃焼効率を向上させる効果が低下するからである。

本発明では、トルマリン鉱石を粉砕したものと天然鉱石を粉砕したものとの混合粉を用いるが、（トルマリン粉末／天然放射性希有元素鉱物の粉末）で規定される混合比（重量比）が、（５０／５０）〜（８０／２０）、好ましくは（５５／４５）〜（６５／３５）、より好ましくは（６０／４０）となるように、トルマリン鉱石を粉砕したものと天然鉱石を粉砕したものとを混合する。トルマリン粉末の割合が５０％より小さいと燃焼効率を向上させる効果が低下する。また、トルマリン粉末の割合が８０％より大きくても燃焼効率を向上させる効果が低下する。
なお、本発明では、天然放射性希有元素鉱物による放射線量は約６０ｂｑ／ｇ以下であり、「核原料物質、核燃料物質及び原子炉の規制に関する法律施行令（改正平成１９年１２月１９日政令第３７８号）」の第４４条で規定される放射線量以下であり、安全性には問題はない。

（樹脂製基材）
本発明で用いる樹脂製基材は、融点が１００℃以上の樹脂からなる網状の基材であれば特に限定されない。このような樹脂製基材を用いることにより、狭い場所や曲面形状を有する場所等の多様な設置場所にも使用でき、また自動車のボンネット内等の高温に曝される場所であっても使用可能である。例としては、ナイロン（融点：約２２５℃）、ポリエステル（融点 約２６０℃）、ポリエチレン（融点：約１３０℃）やポリプロピレン（融点：約１８０℃）等のポリオレフィン等のシートを挙げることができるが、ナイロン又はポリオレフィンのシートが好ましい。また、本発明で用いる網状の基材とは、肉眼で視認可能な開口を有する基材をいう。具体的には、目開き（網目の内寸を表す。）が０．１〜２０ｍｍ、開口率が４８％以上のメッシュシートである。また、厚さは特に限定されないが、０．５〜２．０ｍｍが好ましい。この範囲であれば、燃焼装置に供給される空気の流通を妨げることなく、空気を通過させることができる。

（製造方法）
本発明の燃焼機関用空気活性化装置は、少なくとも、トルマリン鉱石の粉末と天然放射性希有元素鉱物を含む天然鉱石の粉末と、バインダー樹脂と、溶媒とを含むインク組成物を調製し、該インク組成物を網状の樹脂製基材の表面に塗布することにより製造する。

インク組成物に用いるバインダー樹脂には、溶媒に水を用いる場合には、水溶性樹脂を用いることができる。水溶性樹脂としては、ポリビニルアルコール、ポリビニルピロリドン、カルボキシメチルセルロース等を用いることができる。また、溶媒に有機溶剤を用いる場合には、ビニル樹脂、アクリル樹脂、スチレン樹脂、ポリオレフィン樹脂等の熱可塑性樹脂や、メラミン樹脂、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂等の熱硬化性樹脂を用いることができる。好ましくはウレタン樹脂である。ウレタン樹脂は溶剤を必要としないか、使用しても少量であるため乾燥、効果時の体積変化が少なく、縮小や歪等の形状変化が少ないからである。

溶媒に有機溶剤を用いる場合、その有機溶剤には、エチレングリコール、ジエチレングリコール、ポリエチレングリコール、グリセリン等の多価アルコール類、酢酸エチル、酢酸アミル等のエステル類、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール等の低級アルコール類、グリコールエーテル類を挙げることができる。有機溶媒は１種類でもよく、２種以上を混合して用いることもできる。

インク組成物中のトルマリン鉱石粉末と天然放射性希有元素鉱物を含む天然鉱石の粉末の濃度は４０〜６０重量％、バインダー樹脂濃度は５０〜３０重量％、残部は溶媒である。

また、インク組成物には、必要に応じて、酸化防止剤、防腐剤、防黴剤等の種々の添加剤を添加することもできる。

インク組成物は、スクリーン印刷、ディッピング（浸漬）、吹き付け等の種々の塗布方法を用いて樹脂基材に塗布することができる。

（本発明の燃焼機関用空気活性化装置の取り付け方法）
図１は、本発明の燃焼機関用空気活性化装置の一例を示す模式図である。全体は、１枚のメッシュシートである、目開きは５〜１２ｍｍ、糸径は１〜３ｍｍ、厚さは０．５〜１．５ｍｍである。なお、図１では、開口の形状が四角である場合を示したが、開口の形状は特に限定されず、三角、五角、六角又はそれ以上の多角、あるいは円形でも良い。

図４は、図１の本発明の燃焼機関用空気活性化装置を取り付けた汎用の自動車用エアクリーナーの構造の一例を示す模式断面図である。ここで、Ａはエアクリーナー、１は本発明の空気活性化装置、２は固定用クリップ、３はエアフィルター、４はエアクリーナーボックス、５は空気の吸入口、６はフィルターを通過した空気がエンジンに向かって通過するパイプを示す。樹脂製のメッシュシートからなる空気活性化装置を用いることにより、空気活性化装置をエアフィルターに直接重ねても、空気の流通の妨げにならず、また狭い間隙に対しても設置可能とすることができる。

図５は、図１の本発明の燃焼機関用空気活性化装置を取り付けた、大型車両用のディーゼルエンジンに用いる円筒状のエアクリーナーの構造の一例を示す模式図である。ここで、Ｂはエアクリーナー、１は本発明の空気活性化装置、７はエアフィルター、８はエアクリーナーボックス、９は空気の吸入口、１０はフィルターを通過した空気がエンジンに向かって通過するパイプを示す。本発明の空気活性化装置１は、エアフィルター７に巻きつけ、ナイロン製の結束バンドで繋ぐか、マジックテープ（登録商標）やゴム製のベルトを周囲に巻いて固定することができる。図５の場合も、樹脂製のメッシュシートからなる空気活性化装置を用いることにより、空気活性化装置をエアフィルターに直接重ねても、空気の流通の妨げにならず、また狭い間隙に対しても設置可能とすることができる。

製造例１．
トルマリン粉末は、トルマリン鉱石を粉砕した平均粒径３μｍのものを用いた。天然放射性希有元素鉱物は、表１の組成を有する天然鉱石を粉砕した平均粒径３μｍのものを用いた。トルマリン鉱石粉末と天然鉱石粉末が５０重量％、バインダー樹脂としてウレタン樹脂（帝国インキ製造社製）が４５重量％、残部が溶媒となるように混合してインク組成物を調製した。このインク組成物の中に、ナイロンのメッシュシート（カンボウプラス社製、大きさ３０×４０ｃｍ、目開４×４ｍｍ、開口率６４％、最大厚さ２ｍｍ）を浸漬し、取り出した後、常温で乾燥して、燃焼機関用空気活性化装置を得た。ここで、トルマリン粉末と天然放射性希有元素鉱物の粉末との混合比（重量比）は、（トルマリン粉末／天然放射性希有元素鉱物の粉末）が（６０／４０）である。
なお、表１の組成は、蛍光Ｘ線法を用いて測定した結果であり、装置は理学電機社製のＳＹＳＴＥＭ３５１１を用いた。

製造例２．
天然放射性希有元素鉱物の粉末を用いず、トルマリン粉末のみを用いた以外は、製造例１と同様の方法により燃焼機関用空気活性化装置を製造した。

製造例３．
トルマリン粉末を用いず、天然放射性希有元素鉱物の粉末のみを用いた以外は、製造例１と同様の方法により燃焼機関用空気活性化装置を製造した。

実験１．
製造例１で製造した空気活性化装置を、図２のようにして排気量１５００ｃｃのガソリンエンジン搭載の自動車に装着してエンジンの回転数毎の排気ガス中のＣＯ及びＨＣ濃度を測定した。

（分析方法）
ＣＯ及びＨＣ濃度の測定は株式会社堀場製作所製のＭＸ−００２を用いて測定した。

（結果）
結果を表２に示す。本発明の空気活性化装置を装着後のＣＯ及びＨＣ濃度が装着前に比べて減少することは、燃焼効率が向上したことを示す。本発明の空気活性化装置を装着すると、いずれの回転数でも排気ガス中のＣＯ及びＨＣ濃度が減少した。特に、回転数が低くなる程、ＣＯ及びＨＣ濃度を減少させる効果が大きいことがわかった。

実験２．
製造例１で製造した空気活性化装置を、図２のようにして排気量が１５００〜２０００ｃｃの５種のガソリンエンジン搭載車に装着してＣＯ及びＨＣの濃度を測定した。測定車両はいずれも３万ｋｍから６万ｋｍ走行している車両で、営業車両として日常使用されている車両を使用した。一定時間走行しエンジンを温めた後にアイドリングの状態で測定した。

（結果）
ＣＯ濃度は１台を除いて大きく減少した。なお、その１台は、もともと非装着時の測定値がＣＯ濃度の測定限界に近いため、差が出なかったものと考えられる。一方、ＨＣ濃度についてはいずれの車でも大きく減少した。

実験３
製造例１で製造した空気活性化装置を、図２のようにしてＬＰガスを燃料とする同一車種の乗用車５台に装着してＣＯ及びＨＣの濃度を測定した。実験２の場合と同様に一定時間走行しエンジンを温めた後にアイドリングの状態で測定した。

（結果）
表４に結果を示す。ＣＯ濃度は非装着時でも低いが、これはＬＰガスを燃料とする場合、元来不純物が少ないため不完全燃焼が少ないためである。しかし、ＣＯ濃度が高い車両２，３では本発明の空気活性化装置を装着することにより、ＣＯ濃度は減少した。一方、ＨＣ濃度については、装着することにより顕著に減少した。

実験４．
製造例１で製造した空気活性化装置を、図３のようにしてバス、トラック、建設用重機等ディーゼルエンジンを動力とする車両５台に装着して排気中の黒煙濃度を測定した。実験２及び３の場合と同様に一定時間走行しエンジンを温めた後にアイドリングの状態で測定した。

（分析方法）
黒煙濃度は、株式会社イヤサカ製のＧＳＭ−１０Ｍを用いて測定した。

（結果）
表５に結果を示す。本発明の空気活性化装置を装着することにより、いずれの車両においても黒煙濃度を減少させることができた。

実験５．
製造例１で製造した空気活性化装置を、図３のようにしてディーゼルエンジンを動力とする同一車種の業務用運搬車両５台に装着し黒煙濃度を測定した。実験２及び３の場合と同様に一定時間走行しエンジンを温めた後にアイドリングの状態で測定した。

（結果）
表６に結果を示す。いずれの車両においても、黒煙濃度は大きく減少した。

実験６．
比較的燃焼効率が良く排気中の有害物質が少ないとされるＬＰガスを燃料とする乗用車に、製造例１で製造した空気活性化装置を、図２のようにして装着して、燃料消費量への影響を評価した。燃料の消費率については同一車両を用いた場合でも気象条件や走行状態等で差が生じるため正確なデータは取りにくいと考え、毎日業務で走行している車両であるタクシーを対象とした。測定には業務で実走行を行っている同一会社所有の同一車種５台を用いた。１ヶ月間の総走行距離と燃料消費量から燃料１リットル当たりの平均走行距離を算出した。装着後の燃料１リットル当たりの平均走行距離の増加距離を、装着前の燃料１リットル当たりの平均走行距離で割って改善率（％）とした。

（結果）
車両により多少の差はあるがいずれの車両においても燃料の消費量が減少し燃費の向上を図ることができた。

実験例７．
製造例２で製造したトルマリン粉末のみを含む空気活性化装置（Ｉ）と製造例３で製造した天然放射性希有元素鉱物の粉末のみを含む空気活性化装置（ＩＩ）およびトルマリン＋天然放射性希有元素鉱物を用いた空気活性化装置（ＩＩＩ）をＬＰガスを燃料とする同一の車両に装着し、実験例１と同様の方法で、ＣＯ及びＨＣ濃度を測定した。

（結果）
表８に結果を示す。空気活性化装置（ＩＩＩ）を用いることにより、ＣＯ濃度とＨＣ濃度の両方を大きく減少させることができた。

１ 燃焼機関用空気活性化装置
２ 固定用クリップ
３，７ エアクリーナー
４，８ エアクリーナーボックス
５，９ 空気吸入口
６，１０ エンジンへの空気流通用パイプ

Claims (7)

1. 網状の樹脂製基材の表面に、トルマリン粉末と天然放射性希有元素鉱物の粉末とを含有する塗膜を形成してなる燃焼機関用空気活性化装置。
2. 上記天然放射性希有元素鉱物がモナズ石である請求項１記載の燃焼機関用空気活性化装置。
3. 上記塗膜中のトルマリン粉末と天然放射性希有元素鉱物の粉末との重量比が、（電気石／天然放射性希有元素鉱物）＝（５０／５０）〜（８０／２０）である請求項１又は２に記載の燃焼機関用空気活性化装置。
4. 上記塗膜中のバインダー樹脂がウレタン樹脂である請求項１から３のいずれか一つに記載の燃焼機関用空気活性化装置。
5. 上記樹脂製基材がポリオレフィン又はナイロンである請求項１から４のいずれか一つに記載の燃焼機関用空気活性化装置。
6. 少なくとも、トルマリン鉱石の粉末と天然放射性希有元素鉱物を含む天然鉱石の粉末と、バインダー樹脂と、溶媒とを含むインク組成物を調製し、該インク組成物を網状の樹脂製基材の表面に塗布する燃焼機関用空気活性化装置の製造方法。
7. 上記バインダー樹脂がウレタン樹脂である請求項６記載の製造方法。

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