JP2017528316A - ビークルの乗客キャビンの空気の二酸化炭素除去のためのシステム及びプロセス - Google Patents

Abstract

本発明は、ビークルのキャビン内の雰囲気を制御するためのシステム及び方法に関する。このシステムは、再生可能な二酸化炭素収着剤を備えている二酸化炭素除去アセンブリを備え、ビークルの外から乗客キャビン内への空気の流量を１０Ｌ／秒以下に制限しながら、少なくとも５分間の間、乗客キャビン内の二酸化炭素レベルを１０００ｐｐｍ未満に維持するように動作可能である。【選択図】図１

Description

本発明は、ビークルのキャビン内の雰囲気を制御するためのシステム及び方法に関する。

暖房、換気、及び空調（ＨＶＡＣ）システムは、ビークルのエネルギーの必要に対して著しい影響を与え得る。これらのシステムにおける圧縮機のエネルギー需要が高く、燃費への影響により、内燃機関（ＩＣＥ）ビークルの走行距離範囲が８％から１２％減少する場合がある。電気ビークル（ＥＶ）の場合、ＨＶＡＣシステムにより、走行距離範囲が４０％減少し得る。したがって、ＨＶＡＣシステムのエネルギー負荷を減らすことは、潜在的にエネルギー効率及び燃費経済性の改善に関連して有益であるため、多くの関心を集めている。電気ビークルの範囲を拡大させることも望ましい。

参考文献１は、燃費経済性、排出ガス、電気ビークル範囲に対するビークルの空調の影響について説明している。本文献は、空調の負荷を減らすための幾つかの選択肢を提案している。この選択肢には、ビークルキャビンの加熱に対する太陽エネルギーの効果を減少させる最新のガラス窓や、ＨＶＡＣシステムにおいて再循環された空気を使用することを含む。キャビンからの空気がＨＶＡＣシステムを通過してキャビンに戻る再循環モードでＨＶＡＣシステムを動作させることにより、ＨＶＡＣシステムのエネルギー負荷を著しく減少させることができる。これにより、換気のためにビークル外から持ち込まれる空気量が減少し、再循環したキャビンの空気がキャビン外からの空気よりも所望の温度に通常近いため、ＨＶＡＣシステムに対する負荷が減少する。参考文献１は、再循環モードでＨＶＡＣシステムを動作させることに欠点があることを明らかにし、特にＨＶＡＣシステムが再循環モードで動作するとき（特に新車の場合）、揮発性有機化合物（ＶＯＣ）の蓄積が観察されることを指摘している。参考文献１は、ビークルの暖房のためには再循環された空気を７０％使用し、ビークルの冷却のためには再循環された空気を８０％使用することを提案する。

再循環モードでビークルのＨＶＡＣシステムを動作させることのさらなる利点は、参考文献２及び３に記載されているように、キャビン内の粒子状汚染物質の濃度を減少させることができることである。参考文献２に記載されているように、ビークルから排出された大気中のナノ粒子は、特に、渋滞での運転中に健康上のリスクをもたらす。この文献は、渋滞での運転中、ＨＶＡＣシステムが再循環モードで動作する際にナノ粒子の濃度が２つの市販のビークルで著しく急速に減少していることを報告している。この効果は、参考文献３でも説明されている。

しかしながら、参考文献３は、再循環モードでのＨＶＡＣシステムの動作に関連する重大な問題を明らかにしている。再循環モードでは、主にビークルの乗員が二酸化炭素を吐き出すため、キャビン内の二酸化炭素レベルが急速に上昇する。参考文献３は、ビークルのキャビン内の二酸化炭素濃度をモデリングすることに関する。この文献は、再循環モードが利用されている際に観察されたキャビンの二酸化炭素濃度の上昇を抑える２つ可能なアプローチを説明する。第１のアプローチは、自動空気再循環であり、これは、道路上の高レベルの汚染物質を検出する迅速反応ガスセンサに頼る。高汚染レベルを検出すると、空気取入口が一時的に遮断され、キャビンの空気が再循環される。ＵＳ２００５／０２１７４８７では、似たようなシステムが説明されている。このシステムでは、例えば、建物又は農業用車両において、センサの汚染物質の検出に反応して、空気再循環及び汚染物質除去が起動される。この文献では、二酸化炭素を吸着するためのアセンブリを用いて、再循環が起動された際にキャビンから二酸化炭素を除去することが提案されている。

参考文献３で提案された第２のアプローチは、断片的な連続再循環であり、二酸化炭素濃度の上昇を抑えるために外気取り入れが幾らか許可される。参考文献４は、断片的な空気再循環条件の下での粒子濃度及び二酸化炭素レベルの測定を報告している。

ＵＳ２００６／０１４４０６１は、通常の動作モードが再循環モードである天候制御システムを提案している。天候制御システムでは、モータビークルの乗員室で測定された二酸化炭素が所定の二酸化炭素閾値を越えると、新鮮な空気を取り入れるモードに切り替わる。

依然として、ビークルのための改善された換気システムが必要とされている。具体的には、ＨＶＡＣシステムの動作に関連してエネルギー負荷の減少を可能にするシステムが依然として必要とされている。なぜなら、このようなシステムは、例えば、燃費経済性を改善し、且つ／又はビークルの範囲を拡大させ得るからである。キャビンの内部の空気の質の改善をもたらすシステムも依然として必要とされている。なぜなら、このようなシステムは、乗客の快適性及び／又は健康を向上させ得るからである。ビークルキャビンの内部を１５００ｐｐｍ以下、より好ましくは１０００ｐｐｍ以下の安全な二酸化炭素レベルに維持することが重要な検討事項である。

本発明者らは、過剰な二酸化炭素を除去するために二酸化炭素収着剤を利用することにより、二酸化炭素の蓄積を回避しながらも、外部からの換気を必要とすることなく、完全な再循環モードでビークルの換気システムを動作させることが可能であることを発見した。システムを長期間使用（すなわち、複数の収着及び脱着サイクル）しつつ、二酸化炭素の継続的な収着をもたらすため、二酸化炭素収着剤は再生可能である。これは、例えば、ビークルの寿命にわたって、換気システムの通常の動作モードが再循環モードであってもよいことを意味する。

当業者であれば、再生がエネルギー入力を必要とすることを理解されよう。しかしながら、実施例のセクションで示されているように、本発明者らは、ビークルの乗客キャビン内の雰囲気を制御するためのシステムの中に再生可能な二酸化炭素吸着アセンブリを含めることが、多くの場合、エネルギー上の利点をもたらすことを発見した。

したがって、第１の好適な態様では、本発明は、ビークルの乗客キャビン内の雰囲気を制御するためのシステムを提供しており、当該システムは、
二酸化炭素除去アセンブリであって、
再生可能な二酸化炭素収着剤と、
乗客キャビンの内部からの空気を再生可能な二酸化炭素収着剤の上に流し、処理された空気を乗客キャビンに戻すように構成された二酸化炭素除去導管と、
脱離ガスを再生可能な二酸化炭素収着剤の上に流して、二酸化炭素を収着剤から脱着し、脱着された二酸化炭素をキャビン外の位置で排出するように構成された再生導管と
を備えている二酸化炭素除去アセンブリを備えており、
それにより、当該システムが、ビークルの外から乗客キャビン内への空気の流量を１０Ｌ／秒以下に制限しながら、少なくとも５分間の間、乗客キャビン内の二酸化炭素レベルを１５００ｐｐｍ未満に維持するように動作可能である。

第２の好適な態様では、本発明は、ビークルの外から乗客キャビン内への空気の流量を１０Ｌ／秒以下に制限しながら、少なくとも５分間の間、乗客キャビン内の二酸化炭素レベルを１５００ｐｐｍ未満に維持するために、ビークルの乗客キャビン内の雰囲気を制御するためのシステムの使用を提供しており、当該システムは、
二酸化炭素除去アセンブリであって、
再生可能な二酸化炭素収着剤と、
乗客キャビンの内部からの空気を再生可能な二酸化炭素収着剤の上に流し、処理された空気を乗客キャビンに戻すように構成された二酸化炭素除去導管と、
脱離ガスを再生可能な二酸化炭素収着剤の上に流して、二酸化炭素を収着剤から脱着し、脱着された二酸化炭素をキャビン外の位置で排出するように構成された再生導管と
を備えている二酸化炭素除去アセンブリを備えている。

第３の好適な態様では、本発明は、ビークルの乗客キャビン内の雰囲気を制御するためのプロセスを提供しており、当該プロセスは、
（ｉ）乗客キャビンの内部からの空気の一部を再生可能な二酸化炭素収着剤の上に流して、二酸化炭素を除去し、処理された空気を乗客キャビンに戻すステップ、及び
（ｉｉ）脱離ガスを再生可能な二酸化炭素収着剤の上に流して、二酸化炭素を収着剤から脱着し、脱着された二酸化炭素をキャビン外の位置で排出するステップ、
を含んでおり、ステップ（ｉ）及び（ｉｉ）は、ビークルの外から乗客キャビン内への空気の流量を１０Ｌ／秒以下に制限しながら、少なくとも５分間の間、乗客キャビン内の二酸化炭素レベルを１５００ｐｐｍ未満に維持するために繰り返される。

換気システムを完全な再循環モードで動作させる能力は、汚染物質を除去するためにキャビンの内部の空気を浄化する見込みがかなり増えるため、追加の利点をもたらす。換気システムが再循環がない状態で或いは部分的な再循環モードで動作する際にキャビン内に入る大量の空気を処理するのではなく、キャビンの内部の空気のみを処理する必要がある。これにより、フィルターの寿命が改善され、収着又は触媒除去技術に必要とされる再生の頻度が減る。したがって、汚染物質除去アセンブリの寿命を延長させることができ、汚染物質除去アセンブリの再生に関連するエネルギー負荷を減らすことができる。

したがって、当該システムは、１つ又は複数の汚染物質除去材料を備えている汚染物質除去アセンブリをさらに備えてもよく、当該システムは、１つ又は複数の汚染物質除去材料の上に及び／又は１つ又は複数の汚染物質除去材料を通して、空気を流して、汚染物質を除去し、処理された空気を乗客キャビンの内部に供給するように動作可能である。当該プロセスは、１つ又は複数の汚染物質除去材料の上に及び／又は１つ又は複数の前記汚染物質除去材料を通して、空気を流して、汚染物質を除去し、処理された空気を乗客キャビンの内部に供給することをさらに含んでもよい。

さらなる好適な態様では、本発明は、ビークルの乗客キャビン内の雰囲気を制御するためのシステムを備えたビークルを提供し、当該システムは、本明細書で規定されたとおりである。

本発明の好適な実施形態に係る、ビークルの乗客キャビン内の雰囲気を制御するためのシステムを示す。 図１で例示された実施形態の変形例である、ビークルの乗客キャビン内の雰囲気を制御するためのシステムを示す。 図１で例示された実施形態の変形例である、ビークルの乗客キャビン内の雰囲気を制御するためのシステムを示す。 図２で例示された実施形態の変形例である、ビークルの乗客キャビン内の雰囲気を制御するためのシステムを示す。 車両の乗客キャビン内の二酸化炭素の蓄積のモデリングを示す。 モデルによって予測された二酸化炭素レベルを実際のデータと比較した結果を示す。 モデルによって予測された二酸化炭素レベルを実際のデータと比較した結果を示す。 本発明の実施形態に係る二酸化炭素除去アセンブリを備えている場合と、備えていない場合において、種々の条件下でモデリングされた二酸化炭素の蓄積を示す。 ２リットルのモノリスにコーティングされた３−アミノプロピルシリカ二酸化炭素収着剤に対して典型的にモデリングされた加熱及び冷却プロファイルを示す。

本発明の好適な及び／又は任意選択的な特徴がこれより提示される。本発明の任意の態様は、文脈上他のことが要求されていない限り、本発明の任意の他の態様と組み合わせてもよい。文脈上他のことが要求されていない限り、任意の態様の好適な及び／又は任意選択的な特徴のいずれかを、単独で又は組み合わせで、本発明の任意の態様と組み合わせてもよい。

二酸化炭素除去アセンブリ
本発明の方法では、再生可能な二酸化炭素収着剤が利用されている。一定の範囲の再生可能な二酸化炭素収着剤が知られている。典型的に、再生可能な二酸化炭素収着剤は、収着された二酸化炭素の脱着を促進するために、それらを加熱し、脱離ガスを材料の上に流し、脱着された二酸化炭素を運び去ることによって再生される。さらに、脱着を促進させるため、収着剤を大気圧より低い圧力に露出してもよい。これにより、結果として脱着をもたらすのに必要な温度低下となり得る。

再生可能な二酸化炭素収着剤は、典型的に、収着温度範囲内の温度で二酸化炭素を収着することが可能である。本発明で利用可能な再生可能な二酸化炭素収着剤は、典型的に、６０℃以下、５０℃以下、４０℃以下、又は３０℃以下の温度で二酸化炭素を収着することが可能である。本発明で利用可能な再生可能な二酸化炭素収着剤は、典型的に、少なくとも−２０℃、少なくとも１０℃、少なくとも０℃、少なくとも５℃、又は少なくとも１０℃の温度で二酸化炭素を収着することが可能である。特に適切な範囲は、１０℃から４０℃である。二酸化炭素は、上記で特定した範囲外の温度でも収着され得るが、再生可能な二酸化炭素収着材料は、少なくとも特定された温度範囲内で二酸化炭素を収着可能であることが好ましい場合がある。再生可能な二酸化炭素収着材料は、特定の範囲全体にわたって二酸化炭素を収着可能である必要はなく（これが望ましい場合もあるが）、その範囲内の少なくとも１つの温度で二酸化炭素を収着可能であればよい。典型的に、収着温度は、大気圧で決定される。しかしながら、プロセス又はシステムの標準動作条件の下で収着中に二酸化炭素収着材料が露出される圧力で決定され得る。

本発明の使用及びプロセスにおいて、収着剤による二酸化炭素の収着は、上記で特定した収着温度の範囲内の温度で典型的に行われる。

二酸化炭素（再生）の脱着は、典型的に、特定の温度（再生温度）を越えて起きる。本発明で利用可能な再生可能な二酸化炭素収着剤の再生温度は、例えば、少なくとも５０℃又は少なくとも６０℃であってもよい。本発明で利用可能な再生可能な二酸化炭素収着剤の再生温度は、例えば、２００℃以下、１７０℃以下、１５０℃以下、１３０℃以下、１２０℃以下、１１０℃以下、１００℃以下、９０℃以下、又は８０℃以下であってもよい。特に適切なのは、５０℃から１２０℃の範囲内の再生温度を有する再生可能な二酸化炭素収着剤である。なぜなら、このような材料は、収着が通常起きる周囲温度より微妙に高い温度で容易に再生されるからであり、結果として、再生のために収着材料を加熱することに関連するエネルギー要件が最小限となる。典型的に、収着温度は、大気圧で決定される。しかしながら、プロセス又はシステムの標準動作条件の下での再生中に二酸化炭素収着剤が露出される圧力で決定され得る。

本発明の使用及びプロセスにおいて、再生可能な二酸化炭素収着剤の再生は、典型的に利用される材料の再生温度を越える温度で実施される。この温度は上記で特定された再生温度であり得る。

本明細書では収着と再生の温度が特定されているが、これらの温度は、収着又は再生の間の収着剤の表面温度を指している。収着剤の伝熱性に応じて、この温度は、収着材料の周囲温度とは異なる場合がある。

再生可能な二酸化炭素収着材料は、典型的に、少なくとも０．５重量％、少なくとも１重量％、少なくとも２重量％、少なくとも２．５重量％、少なくとも３重量％、少なくとも４重量％、又は少なくとも５重量％の二酸化炭素容量を有する。再生可能な二酸化炭素収着材料の容量に対して特定の上限があるわけではないが、典型的な再生可能な二酸化炭素収着材料は、２５重量％以下、１５重量％以下、１０重量％以下、８重量％以下、又は７重量％以下の容量を有する。（ｘ重量％の二酸化炭素容量とは、１００ｇの収着材料ごとに最大でｘｇの二酸化炭素が収着されることを意味する。）

当業者であれば、適切な収着及び再生温度、適切な二酸化炭素容量を有する再生可能な二酸化炭素収着材料に対する認識を有する。

特に適切な等級の収着剤は、アミノ系収着材料である。このような材料は、アミン官能基を含む部分を含む。この部分は、固体支持体上で典型的に固定化（例えば、共有結合的に）される。好ましくは、アミンは、第１級アミン又は第２級アミンであり、より好ましくは第１級アミンである。例えば、収着剤は、ベンジルアミン官能基（ｂｅｎｚｙｌ ａｍｉｎｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ ｇｒｏｕｐ）を含み得る。例えば、収着剤は、３‐アミノプロピル官能基（３−ａｍｉｎｏｐｒｏｐｙｌ ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ ｇｒｏｕｐ）などのアルキルアミン官能基（ａｌｋｙｌ ａｍｉｎｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ ｇｒｏｕｐ）を含み得る。

適切なアミノ系収着材料は、以下の化学式１による部分を含む。

式中、Ｌは、リンカー基であり、Ｒ１及びＲ２は、それぞれ独立してＨであるか、任意選択的に、置換されたＣ１−Ｃ１０（例えば、Ｃ１−Ｃ５又はＣ１−Ｃ３）炭化水素基、例えば、アルキル又はアルケニル基である。好ましくは、Ｒ１及びＲ２のうちの少なくとも１つは、Ｈである。より好ましくは、Ｒ１とＲ２の両方がＨである。当業者が理解するように、不安定な線は、リンカー基の固体支持体への結合を示す。

リンカー基の構造は、本発明で特に限定されているわけではない。リンカー基は、例えば、Ｃ１からＣ１５炭化水素部分であってもよく、任意選択的に、１つ又は複数のエステル基又はチオエーテル基を含む。「炭化水素部分」という用語は、１つ又は複数の環炭素原子が、Ｏ、Ｎ、及びＳから選択されたへトロ原子などのへトロ原子によって交換される基を含む、シクロアルキレン基、シクロアルケニレン基、及びアリーレン基などの、１つ又は複数の任意選択的に置換された環状炭化水素基を任意選択的に含む、飽和又は非飽和の、直鎖状又は分枝状の、任意選択的に置換された炭化水素鎖を含むことを意図している。当業者であれば、リンカー基は、固体支持体及びアミン官能基の両方に結合した二価基であることを容易に理解するであろう。

例えば、リンカー基は、
−Ｒ３−であって、Ｒ３が、Ｃ１からＣ１５（例えば、Ｃ１からＣ１０又はＣ１からＣ５）の直鎖状又は分岐状の、任意選択的に置換されたアルキレン又はアルケニレン部分である、−Ｒ３−、
−Ｒ４−Ｘ−Ｒ４−であって、各Ｒ４が、独立して、Ｃ１からＣ１０（例えば、Ｃ１からＣ５）の直鎖状又は分岐状の、任意選択的に置換されたアルキレン又はアルケニレン部分であり、Ｘは、Ｏ及びＳから選択される、−Ｒ４−Ｘ−Ｒ４−、
−Ｒ５−Ｙ−Ｒ５−であって、各Ｒ５は、独立して存在しているか又は存在しておらず、存在しているときは、Ｃ１からＣ１０（例えば、Ｃ１からＣ５）の直鎖状又は分岐状の、任意選択的に置換されたアルキレン又はアルケニレン部分から独立して選択される、−Ｒ５−Ｙ−Ｒ５−、及び
−Ｒ６−Ｘ−Ｒ６−であって、各Ｒ６は、独立してＣ１からＣ５（例えば、Ｃ１からＣ３）の直鎖状又は分岐状の、任意選択的に置換されたアルキレン又はアルケニレン部分であり、Ｙは、シクロアルキレン、シクロアルケニレン、アリーレンから選択され、１つ又は複数の環炭素原子が、Ｏ、Ｎ、及びＳから選択されたへトロ原子によって交換され、Ｘが、Ｏ及びＳから選択される、−Ｒ６−Ｘ−Ｒ６−
から選択されてもよい。各Ｒ５は、独立して存在しているか又は存在しておらず、存在しているときは、Ｃ１からＣ１０（例えば、Ｃ１からＣ５）の直鎖状又は分岐状の、任意選択的に置換されたアルキレン又はアルケニレン部分から独立して選択されることが好ましい場合がある。

Ｒ３が、Ｃ１からＣ５の分岐状又は非分岐状の、任意選択的に置換されたアルキレン又はアルケニレン部分であることが好ましい場合がある。Ｙが、Ｃ４からＣ６シクロアルキレン、及びＣ６アリーレンから選択されることが好ましい場合がある。ＸがＯであることが好ましい場合がある。リンカー基が、−Ｒ３−及び−Ｒ５−Ｙ−Ｒ５−から選択されることが好ましい場合がある。

本明細書で使用されている「任意選択的に置換された」という表現は、１つ、２つ、３つ、４つ、又はそれ以上の水素原子が他の官能基と交換された部分を含む。適切な官能基は、−ハロゲン、−ＯＨ、−ＳＨ、−ＯＲ_７、−ＳＲ_７、−ＮＲ_７Ｒ_７、Ｃ（Ｏ）ＣＯＲ_７、−ＯＣ（Ｏ）Ｒ_７、−ＮＲ_７Ｃ（Ｏ）Ｒ_７、及びＣ（Ｏ）ＮＲ_７Ｒ_７を含み、各Ｒ７は、独立してＨ又はＣ１からＣ１０（例えば、Ｃ１〜Ｃ５又はＣ１〜Ｃ３）アルキル又はアルケニル、好ましくはアルキルである。例えば、適切な置換官能基は、−ＯＨ、−ＯＲ_７、−ＮＲ_７Ｒ_７、Ｃ（Ｏ）ＣＯＲ_７、−ＯＣ（Ｏ）Ｒ_７、−ＮＲ_７Ｃ（Ｏ）Ｒ_７、及びＣ（Ｏ）ＮＲ_７Ｒ_７を含み、各Ｒ７は、独立してＨ又はＣ１からＣ１０（例えば、Ｃ１〜Ｃ５又はＣ１〜Ｃ３）アルキル又はアルケニル、好ましくはアルキルである。

特に適切なアミノ系収着材料は、以下の化学式２又は化学式３による部分を含む。

式中、Ｒ１及びＲ２は、上記で定義されたとおりであり、ｎは、０から１０、より好ましくは０から５又は０から３、或いは１から５又は１から３である。当業者が理解するように、不安定な線は、固体支持体への結合点を示す。

固体支持体の性質は特に制限されていない。固体支持体は、高分子固体支持体であってもよい。アミン官能基含有部分は、高分子固体支持体の高分子の高分子骨格に共有結合されてもよい。適切な高分子支持体は、ポリオレフィン固体支持体、ポリビニル固体支持体、及びシリカ固体支持体を含む。固体支持体が多孔性であることが好ましい場合がある。

適切なポリオレフィン固体支持体は、ポリエチレン及びポリプロピレンを含む。特に適切なポリビニル高分子はポリスチレンである。ポリ（ビニルトルエン）（ｐｏｌｙ（ｖｉｎｙｌｔｏｌｕｅｎｅ））、ポリ（エチルスチレン）（ｐｏｌｙ（ｅｔｈｙｌｓｔｙｒｅｎｅ））、ポリ（アルファメチルスチレン）（ｐｏｌｙ（ａｌｐｈａ ｍｅｔｈｙｌ ｓｔｙｒｅｎｅ））、ポリ（クロロスチレン）（ｐｏｌｙ（ｃｈｌｏｒｏｓｔｙｒｅｎｅ））、及びポリ（クロロメチルスチレン）（ｐｏｌｙ（ｃｈｌｏｒｏｍｅｔｈｙｌｓｔｙｒｅｎｅ））もさらに適切であり得る。高分子固体支持体の高分子は、例えば、脂肪族ジビニル（ｄｉｖｉｎｙｌ ａｌｉｐｈａｔｉｃ）又は芳香族化合物などの架橋剤を使用して、架橋されてもよい。多孔性のシリカ固体支持体を含むシリカ固体支持体も適切である。

本発明者らは、ポリスチレンベンジルアミン（ｐｏｌｙｓｔｙｒｅｎｅ ｂｅｎｚｙｌ ａｍｉｎｅ）が、２０℃に及ぶ一定範囲の温度にわたって二酸化炭素を収着することが典型的に可能であることを発見した。脱着は、約６０℃以上の温度で起きる。それは、約６重量％の二酸化炭素容量を有する。Ｑｕａｄｒａｐｕｒｅ ＢＺＡという商標名でＡｌｆａ Ａｅｓａｒ（英国）から入手可能である。

３‐アミノプロピルシリカは、２０℃に及ぶ一定範囲の温度にわたって二酸化炭素を収着することが典型的に可能である。脱着は、約１００℃以上の温度で起きる。３‐アミノプロピルシリカは、約３重量％の二酸化炭素容量を有する。３‐アミノプロピルシリカは、Ａｌｆａ Ａｅｓａｒ（英国）から入手することができる。

その他のアミノ系収着材料も似たような特性を有し、本発明における使用に適している。

数多くの他の収着剤も本発明の再生可能な二酸化炭素収着剤としての使用に適している。例えば、ゼオライト又はＭＯＦ（金属-有機構造体）を使用してもよい。

再生可能な二酸化炭素収着剤は、典型的に収着剤の床として提供される。床の性質は、特に本発明で限定されるわけではない。例えば、床は、収着剤がコーティングされたモノリスであってもよい。代替的に、収着剤はペレット又はビーズとして提供されてもよい。

好ましくは、収着剤は、１５０ｍｂａｒ以下、より好ましくは１００ｍｂａｒ以下、７０ｍｂａｒ以下又は５０ｍｂａｒ以下の圧力低下をもたらすように構成されている。圧力低下の好適な下限というものはないが、典型的には、少なくとも１ｍｂａｒ又は少なくとも５ｍｂａｒとなる。圧力低下の減少により、二酸化炭素除去アセンブリを通して空気を循環させるのに必要なエネルギーが減少し、それにより、二酸化炭素除去アセンブリを動作させることに関連するエネルギー負荷が減る。当業者が理解しているように、圧力低下は、床又は収着剤の構成、例えば、床の大きさや性質（例えば、それがモノリス、或いはペレット又はビーズの床であろうと、モノリスの多孔率やペレット又はビーズの粒径)に影響される。当業者であれば、圧力損失を調節する技法をよく知っている。収着剤の床を半径流床（ｒａｄｉａｌ ｆｌｏｗ ｂｅｄ）として設けることが特に好ましい場合がある。なせなら、これにより圧力低下が少なくなり得るからである。

以下で示されているように、４名の乗客（運転手を含む）を乗せる典型的な乗用車において、二酸化炭素レベルを確実に安全レベル（例えば、１０００ｐｐｍ未満）に保つためには、毎分約１ｇの二酸化炭素除去が必要とされる。したがって、二酸化炭素除去アセンブリは、毎分少なくとも１ｇの二酸化炭素除去をもたらすよう構成されることが好ましい。これは、（乗客キャビンの空気からの二酸化炭素除去のための収着剤が利用されている間に）適切な流量の空気を乗客キャビンから収着剤の上に供給するようシステムを構成することにより実現することができる。適切な流量は、典型的に、１０から１５Ｌ／秒の範囲内にある。例えば、乗客キャビンから収着剤の上への空気の流量は、少なくとも５Ｌ／秒、少なくとも７Ｌ／秒、少なくとも８Ｌ／秒、少なくとも９Ｌ／秒、又は少なくとも１０Ｌ／秒であってもよい。より低い流量においては、二酸化炭素収着が不十分である。乗客キャビンから収着剤の上への空気の流量は、２５Ｌ／秒以下、２２Ｌ／秒以下、２０Ｌ／秒以下、１８Ｌ／秒以下、１７Ｌ／秒以下、又は１６Ｌ／秒以下であってもよい。流量がより高くなると、空気を収着剤の上に流すのに必要とされるエネルギーが、システムを許容不可レベルまで動作させるエネルギーを増大させ得る。

図１から４を参照して以下で概要が示されているように、好適な実施形態では、二酸化炭素除去アセンブリは、再生可能な二酸化炭素収着剤の床を２つ以上含み得る。典型的に、収着剤の一方の床は、二酸化炭素収着（収着モードで動作する）に使用され、もう一方の床は、再生される（再生の対象とされる）。１つ又は複数のアクチュエータ（例えば、バルブ又は可動フラップ）は、各床への流れを、床が収着モードで機能している際の乗客キャビンからの空気（二酸化炭素除去導管を介して到達）)と、床が再生の対象となっている際の脱離ガス（再生導管を介して到達）との間で切り替わるよう設けてもよい。同様に、１つ又は複数のアクチュエータ（例えば、バルブ又は可動フラップ）は、各床からの流れを、床が収着モードで動作している際に処理された空気を乗客キャビン（二酸化炭素除去導管を介して）に戻すことと、床が再生の対象となっている際に（再生導管を介して）脱着された二酸化炭素を乗客キャビン外の位置で吐出することとの間で切り替わるよう設けてもよい。

再生可能な二酸化炭素収着剤の床が２つ以上設けられる場合、典型的に、システムは、所定時間間隔で床を二酸化炭素収着モードと再生との間で切り替えるように構成されている。典型的な二酸化炭素容量（例えば、以上で特定された）を有する収着剤においては、１分のサイクル時間ごとに５ｇから３０ｇの間（例えば、１０ｇから２０ｇの間）の収着剤が通常必要とされる（サイクル時間は、収着剤の床が再生される前に収着モードで動作する時間の長さとして規定される）。この収着剤の量は、容量に達するまで典型的に約１ｇの二酸化炭素収着をもたらす。この量は、４名の乗客を乗せる典型的な車両で二酸化炭素を安全レベルに保つために毎分必要とされる二酸化炭素収着の量である。

本発明者らは、通常の車両では、具体的に適切なサイクル時間が約１０分であることを発見した。これは、再生の対象（約１０分間）となる前、収着剤の床が約１０分間収着モードで動作することを意味する。このサイクル時間により、手ごろな床の大きさが可能となる。４名の乗客を乗せる通常の車両で二酸化炭素を１０分間安全レベルに保つため、床につき約１５０から３００ｇが必要される。以下の実施例セクションで示されているように、この大きさの床では、圧力低下が許容可能範囲内である。さらに以下の実施例セクションで示されているように、この大きさの床の再生は、１０分間のサイクル時間内で可能であり、エネルギー要件が許容可能である。その他の床の大きさ、及びそれに関連するサイクル時間も可能である。しかしながら、サイクル時間がより長いと、より大きな床が必要となる。床がより大きくなると、圧力低下がより大きくなり、エネルギーコストが増大し得る。

典型的に、サイクル時間は、少なくとも１分間、少なくとも２分間、少なくとも５分間、又は少なくとも８分間であってもよい。サイクル時間は、１時間以下、４５分間以下、３０分間以下、２５分間以下、２０分間以下、又は１５分間以下であってもよい。

代替的に、二酸化炭素センサが 処理された空気又はキャビンにおいて二酸化炭素レベルの上昇を検出し、収着剤の床が二酸化炭素収着容量に達したことが示されたとき、収着モードと再生との間の切り替えが起こり得る。これにより、まだ容量に達してない床の再生へのエネルギー消費が回避されるため、有利であり得る。例えば、ビークルの乗客がより少ない場合、収着剤の床が容量に達するまでより長い時間がかかり得る。さらなる代替例として、システムは、例えば、乗客キャビン内の乗客数に応じて選択される複数の所定時間間隔で構成されてもよい。

一方の収着剤の床が収着モードで動作する間ずっと、もう一方の収着剤の床が継続的に再生の対象とされる必要がない場合がある。再生は、一旦完了すれば（例えば、一旦床の各部分が所定時間の間その再生温度を越える温度に達すれば）、停止してもよい。これにより、再生を必要としない収着剤の再生を回避することによって、エネルギー節約となり得る。

再生可能な二酸化炭素収着剤が再生されると、典型的に、脱離ガスが材料の上に流される。脱離ガスの性質は特に制限されていない。例えば、脱離ガスは、乗客キャビン外から持ち込まれた外部空気であってもよく、ビークルの他の部分からの廃空気又はその他のガスであってもよい。典型的に、収着材料をその再生温度を上回る温度にまで加熱するために、脱離ガスは加熱される。廃ガスの使用は、ビークル内の他のプロセスからの廃熱を再生可能な二酸化炭素収着剤の再生のために使用することを可能にして、エネルギー負荷を減らすことができるため、特に有利である。

本発明者らは、特に適した脱離ガスの流量は、１５から２０Ｌ／秒であることを発見した。例えば、脱離ガスの流量は、少なくとも２Ｌ／秒、少なくとも５Ｌ／秒、少なくとも８Ｌ／秒、少なくとも１０Ｌ／秒、又は少なくとも１５Ｌ／秒であってもよい。脱離ガスの流量は、３０Ｌ／秒以下、２５Ｌ／秒以下、又は２０Ｌ／秒以下であってもよい。

特に適切な二酸化炭素除去アセンブリ（例えば、車両用）は、以下のシステムパラメータに応じて動作してもよく、又はそれに応じて動作するように構成されてもよい。
‐収着剤の２つの床が設けられ、ぞれぞれ、１５０ｇから３００ｇの収着剤を有する。収着剤は、２重量％から８重量％の二酸化炭素収着容量を有する。
‐収着モードで動作している間、乗客キャビンからの空気は、１０Ｌ／秒と２０Ｌ／秒の間の流量で収着材料の上に流れる。
‐第１の床は、５から１５分間（より好ましくは、８から１２分間）の間再生される前に、５から１５分間の間（例えば、８から１２分間の間）、二酸化炭素収着の対象となる。第１の床が二酸化炭素収着の対象となっている間に第２の床は再生され、逆もまた然りである。
‐再生の間、収着剤の床は、その再生温度を越える温度（例えば、１２０℃、１１０℃、１００℃、又は８０℃を超過）まで加熱される。

好ましくは、二酸化炭素収着剤の再生に必要とされる電力は、１ｋＷ未満、より好ましくは、０．７ｋＷ未満、０．６ｋＷ未満、０．５ｋＭ未満、０．４ｋＷ未満、又は０．３ｋＷ未満である。必要とされる電力は、少なくとも０．００１ｋＷ又は少なくとも０．０５ｋＷであり得る。

乗客キャビン内の雰囲気を制御するためのシステム
本発明に係るシステム、使用、及びプロセスは、少なくとも５分間、好ましくは、少なくとも１０分間、少なくとも２０分間、少なくとも３０分間、又は少なくとも６０分間、乗客キャビン内の二酸化炭素レベルを１５００ｐｐｍ未満に維持するように動作可能である。二酸化炭素レベルは、１２００ｐｐｍ、１０００ｐｐｍ、９００ｐｐｍ、８００ｐｐｍ、７００ｐｐｍ、６００ｐｐｍ、又は５００ｐｐｍ未満であってもよい。典型的に、乗客キャビン内の二酸化炭素レベルは、少なくとも２００ｐｐｍ、少なくとも３００ｐｐｍ、又は少なくとも３５０ｐｐｍとなる。

乗客キャビンの中への空気の流入（例えば、不完全な密封による漏入や流入、或いは故意の空気流入）を完全に回避することはあり得ない。このシステムは、ビークル外から乗客キャビン内への空気の流量を１０Ｌ／秒以下、好ましくは、８Ｌ／秒以下、６Ｌ／秒以下、又は５Ｌ／秒以下に制限するよう動作するか、又は動作可能である。実際には、本発明者らは、運転速度が通常３０マイル／時間以下である地方又は都市部で運転するとき、通常３Ｌ／秒の流入率があることを発見した。流入率は速度と共に上昇し、５０マイル／時間以上の速度では、流入率は通常４から５Ｌ／秒であった。

本発明で利用される二酸化炭素収着剤は、再生可能である。これは、システムを長時間使用しつつ、二酸化炭素の継続的な収着をもたらすことができることを意味する。好ましくは、収着剤は、少なくとも１００時間、少なくとも２００時間、少なくとも５００時間、少なくとも１０００時間、又は少なくとも２０００時間の寿命を有する。収着剤の寿命とは、収着剤の二酸化炭素収着容量が開始時点の容量の５０％にまで減少するまで、収着剤を(収着モード及び再生において)使用した累積時間のことを指してもよい。

本発明のシステム、方法、及びプロセスは、ビークルの乗客キャビン内の雰囲気を制御するためのものである。ビークルの性質は特に制限されていない。例えば、ビークルは、内燃機関により駆動されてもよく、且つ／又は、バッテリー型システム、燃料電池型システム、又はハイブリッドシステムなどの代替的なパワートレインシステムによって駆動されてもよい。ビークルは、車両、箱形貨物自動車、トラックなどであってもよい。また、電車、バス、又は航空機であってもよい。ビークルが、特に、５名又は８名を上回る乗客を乗せる大型ビークルである場合、適切な二酸化炭素収着をもたらすために本明細書に記載された原則に基づいてシステムの構成を変更する必要があり得る。例えば、床の大きさ及びサイクル時間も変更する必要があり得る。空気の漏入率は、車両よりも高い可能性がある。代替的に、並行動作のために複数の二酸化炭素除去アセンブリを設けてもよい。例えば、本明細書で記載された及び／又は規定されたある二酸化炭素除去アセンブリは、３ｍ^３から６ｍ^３の乗客キャビン内部容積のごとに、例えば、４ｍ^３又は５ｍ^３の乗客キャビン内部容積ごとに設けられてもよい。

乗客キャビンの内部容積は、１０ｍ^３未満、８ｍ^３未満、６ｍ^３未満、５ｍ^３未満、又は４ｍ^３未満であってもよい。また、１ｍ^３未満であってもよい。

典型的に、ビークルは、乗客キャビン内の温度を制御する暖房及び／又は冷房アセンブリが設けられる。これは、二酸化炭素除去アセンブリとは別個の暖房及び／又は冷房アセンブリであってもよい。暖房及び／又は冷房アセンブリは、乗客キャビンから空気を吸い込み、その温度を調節して、温度調節された空気をキャビンに戻すように動作するはずである（通常「再循環モード」として知られている）。再循環モードで動作可能なＨＶＡＣシステムは、当業者に知られている。

代替的に、二酸化炭素除去導管は、キャビンからの空気を、再生可能な二酸化炭素収着剤の上に流す前か後に、且つ乗客キャビンに戻す前に、暖房及び／又は冷房アセンブリを通して通過させる。

暖房及び／又は冷房システムは、さらに湿度制御もたらし得る。湿度制御をもたらすＨＶＡＣシステムは、当業者に知られている。

汚染物質除去
以上で説明されたように、汚染物質除去アセンブリが設けられてもよい。汚染物質除去アセンブリは、１つ又は複数の汚染物質除去材料を備えている。１つ又は複数の汚染物質除去材料の上に及び／又は１つ又は複数の前記汚染物質除去材料を通して、空気を流して、汚染物質を除去し、処理された空気を乗客キャビンの内部に供給するように構成された別個の汚染物質除去導管が設けられてもよい。好ましくは、汚染物質除去導管は、処理のために空気を乗客キャビンから除去し、処理後に空気を乗客キャビンに戻す。

代替的に、二酸化炭素除去導管は、キャビンからの空気を、再生可能な二酸化炭素収着剤の上に流す前か後に、且つ乗客キャビンに戻す前に、汚染物質除去アセンブリを通して通過させ得る。

典型的に、汚染物質除去アセンブリは、一酸化炭素、粒子状汚染物質、揮発性有機化合物（ＶＯＣ）、ＮＯｘ、及びＳＯｘからなる群から選択された１つ又は複数などの汚染物質を除去する。ＶＯＣは、例えば、アンモニア、ベンゼン、アセトアルデヒド、及びホルムアルデヒドから選択されてもよい。各汚染物質につき別個の汚染物質除去材料が設けられてもよく、又は一群の汚染物質を除去するために単一の汚染物質除去材料が設けられてもよい。

各汚染物質除去材料は、例えば、粒子状汚染物質を除去するフィルター、汚染物質の物理的収着をもたらす収着剤（吸着剤など）、汚染物質を触媒作用で分解可能な触媒剤から選択される。汚染物質除去材料は、例えば加熱などによって再生可能であり得る。

微粒子を除去するための適切な汚染物質除去材料は、空気流から固体粒子を補足する、布、紙、又は高分子メッシュなどの繊維メッシュである。当業者であれば、Ｃａｍｆｉｌ Ｌｉｍｉｔｅｄ（ｗｗｗ．ｃａｍｆｉｌ．ｃｏ．ｕｋ）などの、適切な材料の供給元を数多く認識している。

一酸化炭素の除去のための適切な汚染物質除去材料は、ホプカライト（ｈｏｐｃａｌｉｔｅ）（例えば、Ｃａｒｕｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（ｗｗｗ．ｃａｒｕｓｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ．ｃｏｍ）から入手可能）及び金触媒などの触媒材料を含む。

アンモニアを除去するための適切な汚染物質除去材料は、酸処理活性炭などの酸材料を含む。当業者であれば、ＣａｒｂｏＣｈｅｍ Ｉｎｃ，（米国）などの、酸処理活性炭の供給元を認識している。

活性炭は、ベンゼン及びアセトアルデヒドなどの一定範囲のＶＯＣを除去するのに適している。活性炭を使用する汚染物質除去は、参考文献５で詳細に説明されている。ホルムアルデヒドを除去するために過マンガン酸カリウムを使用してもよく、適切な材料は、例えば、Ｆｒｅｕｄｅｎｂｅｒｇ Ｆｉｌｔｅｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓから入手可能である。活性炭は、さらにＮＯｘ及び／又はＳＯｘを除去するために使用されてもよい。

本発明者らは、ＮＯｘ及び／又はＳＯｘが、１つ又は複数の再生可能な二酸化炭素収着剤及び／又は汚染物質除去材料を永久に又は可逆的に汚染し得ることを発見した。ＮＯｘ及び／又はＳＯｘからの保護は、二酸化炭素除去アセンブリ及びその他の汚染物質除去材料に対して、汚染物質除去アセンブリを適切に配置することによって、又は別個のＮＯｘ及び／又はＳＯｘガードを設けることによって、設けることができる。

好適な実施形態の説明
図１は、本発明の好適な実施形態に係るビークルの乗客キャビン（１）内の雰囲気を制御するためのシステムの概略図を提供する。二酸化炭素除去導管（２）は、キャビン（１）から保護チャンバ（３）への空気の流路を設ける。保護チャンバ（３）は、ＮＯｘ及びＳＯｘを捕集可能な材料を含む。二酸化炭素除去導管（２）は、続いて、空気が汚染物質除去チャンバ（４）に通り抜ける流路を設ける。汚染物質除去チャンバ（４）は、１つ又は複数の汚染物質除去材料を含む。二酸化炭素除去導管は、次いで、２つの二酸化炭素除去チャンバ（５、６）に流路を設けるよう分岐する。二酸化炭素除去チャンバ（５、６）はそれぞれ、再生可能な二酸化炭素収着材料を含む。

第１のバルブ（１２）は、二酸化炭素除去導管が分岐する点に設けられ、キャビン（１）からの空気が２つの二酸化炭素除去チャンバ（５、６）のうちの１つに流れることを可能にする。再生導管（７）が、２つの二酸化炭素除去チャンバ（５、６）のうちの他方に脱離ガスを流すように設けられる。この流れはさらに第１のバルブ（１２）によって制御される。二酸化炭素除去のために処理されたキャビンからの空気は、二酸化炭素除去チャンバ（５、６）のうちの１つを通過した後、二酸化炭素除去導管（２）を介してキャビン（１）に戻される。脱離ガスは、２つの二酸化炭素除去チャンバ（５、６）のうちの他方を通過した後、再生導管（７）を介してキャビン（１）外の位置で排出される（８）。キャビン（１）へ戻るガスの流れ（９）又は排出されるガスの流れ（８）は、第２のバルブ（１３）によって制御される。典型的に、ヒーター（図示せず）が、再生可能な二酸化炭素収着材料から二酸化炭素を脱着するのに適した温度に脱離ガスを加熱するよう設けられる。

第１のバルブ（１２）及び第２のバルブ（１３）は、二酸化炭素除去導管（２）と再生導管（７）との流れを切り替えるように動作可能であり、２つの二酸化炭素除去チャンバ（５、６）のうちのどちらが二酸化炭素を除去し、どちらが再生されるかを変更する。使用時において、この切り替えは、周期的に（例えば、１０分ごとに）行なわれる。

加熱及び／又は冷却アセンブリ（１０）もさらに設けられる。空気が、キャビン（１）から除去され、加熱及び／又は冷却アセンブリ（１０）内で処理される。それにより、キャビン（１）に戻される前に空気が所望の温度に達する。

典型的に、ファン（図示せず）が、システム内の空気の流れを駆動するように設けられる。

図２は、図１で示された実施形態の変形例を示す。本明細書では、二酸化炭素除去導管（２）は、空気をキャビン（１）を戻す前に空気を暖房及び／又は冷房アセンブリ（１０）に流すように構成されている。

図３は、図１で示された実施形態の変形例を示す。本明細書では、汚染物質除去チャンバ（４）は、二酸化炭素除去導管（２）によって設けられた流路内で二酸化炭素除去チャンバ（５、６）の後に位置付けされている。この変形例は、図２で示された実施形態にも適用され得る。この場合、汚染物質除去チャンバ（４）は、二酸化炭素除去導管（２）によって設けられた流路内で暖房及び／又は冷房アセンブリ（１０）の前か後に位置決めされてもよい。

図４は、図２で示された実施形態のさらなる変形例を示す。ここでは、汚染物質除去チャンバ（４）は、汚染物質除去導管（１１）によってキャビン（１）に接続されている。汚染物質除去導管（１１）は、キャビン（１）から空気を流し、それを汚染物質除去チャンバ（４）を通して通過させ、処理された空気をキャビン（１）に戻すように構成されている。この変形例は、図１で示された実施形態にも適用され得る。

実験及びモデリングデータ
二酸化炭素蓄積
実際の条件の下でビークルの乗客キャビン内の二酸化炭素の蓄積をより良く理解するため、データを集めて、一定範囲の条件下で二酸化炭素レベルを予測するように設計された質量バランスモデルと比較した。

質量バランスモデル
大人の肺の容量は、通常４から７Ｌであるが、大人の肺は、呼吸のたびに通常０．４Ｌの空気を吸い込む。１分間当たり５０から７０拍の間の心拍数で、大人は通常１分間につき呼吸を１２から１５回行う。大人によって吐き出された空気は、通常、７４．８％がＮ_２、１５．３％がＯ_２、３．７％がＣＯ_２、及び６．２％が水蒸気である。ＣＯ_２の濃度は、１．９８ｇ／Ｌであるため、呼吸ごとに吐き出されるＣＯ_２の量は０．０３ｇであり、一人一分あたり約０．４から０．５ｇに等しくなる。

キャビンの空気の質量バランスは、以下のシナリオを満たさなければならない：
インプット＝アウトプット＋堆積ＣＯ_２蓄積＝流入（空気中のＣＯ_２−ＣＯ_２（ｔ））＋生成されたＣＯ_２
式は、下記の通りである：

式中、
Ｑ＝空気流入
Ｃ＝任意の時間でのＣＯ_２濃度
Ｃｏ＝空気のＣＯ_２濃度〜４００ｐｐｍ
Ｇ＝呼吸によって生成された二酸化炭素濃度
Ｖ＝キャビン空気総容積〜３ｍ^３
方程式の解：Ｃ（ｔ）＝Ｃｏ＋Ｇ／Ｑ（１−ｅ^{（−Ｑｔ／Ｖ）}）

図５は、車両の乗客キャビン内の二酸化炭素蓄積のモデリングを示す。車両の総容積は約３ｍ^３であり、４名呼吸して、１名１分当たり０．５ｇという率で二酸化炭素を生成している。以上のモデルに従って、種々の流入率において空気のベースライン二酸化炭素濃度は４００ｐｐｍである。

このモデルは、空気漏入がなければ（すなわち、乗客キャビンが完全に密封されていれば）、二酸化炭素が線形で上昇することを明らかに示している。しかしながら、乗客キャビンは通常、完全に密封されていないので、これは非現実的である。例えば、ドアや窓の周りの密封が不完全であることにより、幾らかの空気漏入が生じる。種々の空気流入率に対する計算は、予期されていたように、外部空気流入が増大すると、キャビン内の二酸化炭素レベルが減少することを示す。しかしながら、１０Ｌ／秒の流入率であっても、２０００ｐｐｍに近い二酸化炭素レベルが予期される（好ましくて安全な上限１０００ｐｐｍの２倍）。実際には、本発明者らは、運転速度が通常３０マイル／時間以下である地方又は都市部で運転するとき、通常３Ｌ／秒の流入率があることを発見した。流入率は速度と共に上昇し、５０マイル／時間以上の速度では、流入率は通常４から５Ｌ／秒であった。このような流入率では、空気がキャビン内で完全に再循環する場合、二酸化炭素が迅速に危険レベルまで蓄積される。

実際のデータ
図６及び図７は、モデルによって予測された二酸化炭素レベルを実際のデータと比較した結果を示す。図６は、モデルを、４名の乗員の駐車車両に対して収集されたデータと比較する。この場合、この車両のキャビン容積が３ｍ^３であり、２Ｌ／秒の流入率を有する。実際のデータが予測に近いことが示されている。図７は、１名の乗客による運転中のデータを示す。二酸化炭素の空気ベースラインが３９０ｐｐｍであり、空気の流入率が３Ｌ／秒である。同じ条件下のモデルと比較されている。これらの図面は、モデルが実際のデータに近いことを示している。

二酸化炭素除去
二酸化炭素レベルを約１０００ｐｐｍ未満に維持するため、空気再循環の間の、再生可能な二酸化炭素収着剤の上への必要最小限な流量を計算するようモデルが開発されている。このモデルは、空気漏入（流入）、二酸化炭素除去アセンブリを通過する空気流、及び乗員の呼吸によって蓄積されるＣＯ_２レベルを考慮した質量バランスからなる。

質量バランス：
インプット＝アウトプット＋堆積ＣＯ_２蓄積＝流入（空気中のＣＯ_２−ＣＯ_２（ｔ））＋生成されたＣＯ_２−吸着されたＣＯ_２：

Ｖ＝キャビン空気容積〜３ｍ^３
Ｑ１＝流入空気２〜６Ｌ／秒
Ｇ＝１人当たり０．００５Ｌ／秒のＣＯ_２生成
Ｑ２＝全期間にわたって１００％の変換が想定されるＣＯ_２収着剤への送風
Ｃｏ＝空気中のＣＯ_２が３５０ｐｐｍ
解：

式中、

二酸化炭素収着
二酸化炭素収着剤の上への種々の流量について、このモデルを使用して生成されたデータは、図８で示されている。この図は、４名の乗員の乗客キャビンの空気流入が４Ｌ／秒であると想定して、二酸化炭素レベルを常時安全レベル（１０００ｐｐｍ未満）に保つためには、二酸化炭素収着剤の上への乗客キャビンからの空気の流量が約１０から１５Ｌ／秒必要であることを示している。

同じモデルを使用して、時間に左右されるＣＯ２質量、ひいては種々の期間においてキャビン内のＣＯ２レベルを１０００ｐｐｍ未満に保つのに必要な材料の量が予測された（重量％での脱二酸化炭素剤の容量に基づいて）。

典型的に、適切な再生可能な二酸化炭素収着剤の容量は、３から６重量％の範囲内にある（すなわち、収着剤が飽和する前に、１００ｇの収着剤ごとに３から６ｇの間の二酸化炭素が吸着される）。したがって、１０分の間、１分当たり１ｇの二酸化炭素収着をもたらすためには、１５０から３００ｇの間の収着剤が必要とされる（収着材料の容量にも左右される）。

再生可能な二酸化炭素収着剤は、ペレットと、モノリス又は押出物にコーティングされた収着剤との両方として検討された。

モノリスのコーティングについては、立方インチごとに約３ｇの収着剤がコーティングされ、結果として、約１から２リットルの間のモノリス容積となる（収着材料の容量にも左右される）。上記の容積及び１５Ｌ／秒の流量に基づいて、１リットルのモノリス及び２リットルのモノリスに対して計算された気体空間速度（ＧＨＳＶ）は、それぞれ、３００００及び６００００ｈ^−１である。

代わりにペレットが使用される場合、ＧＨＳＶ値を大体５００００ｈ^−１に維持するために１Ｌの最小容積が通常必要とされる。

収着剤の再生
二酸化炭素収着剤が一旦飽和した際にそれを再生させるのに必要なエネルギーが計算された。この計算は、２つの床系（例えば、図１を参照して以上で説明されているように）に基づいており、再生可能な二酸化炭素材料の一方の床がキャビンの空気から二酸化炭素を吸着する一方で、もう一方が再生される。

計算は１０分サイクルに基づいた。収着剤の一方の床が再生され、もう一方の床が収着モードに切り替えわる前に、１０分間にわたって、収着剤の一方の床によって、１０ｇの二酸化炭素が乗客キャビンの空気から除去された。これは、１０分以内に、床を再生温度まで加熱してから収着温度に戻す必要があることを意味する。

以上で説明されたように、本発明者らは、固定化されたアミンが、ビークル内の乗客キャビンの空気から二酸化炭素を除去するための特に適切な再生可能収着材料であることを発見した。例えば、固定化されたアミンの適切な再生温度は１００℃であり得、適切な収着温度は２０℃であり得る。これは、上記で示したように、システムが１０分サイクルで動作するとき、このような固定化されたアミン収着材料の床を、１０分以内に、１００℃まで加熱してからまた２０℃まで冷却する必要があることを意味する。さらに、再生の間に二酸化炭素が完全に脱着され、且つ収着デューティ（ｓｏｒｐｔｉｏｎ ｄｕｔｙ）が開始するときに収着剤が確実に収着開始の準備ができているように、１０分サイクル内で、収着剤の全床が再生温度に達して、収着温度まで冷却されることが重要である。

必要とされるヒーターの電力は、基本的な熱バランス、及び収着剤の熱伝達率に基づいて計算される。ここでは、計算は、（ｉ）二酸化炭素収着剤、及び（ｉｉ）ポリスチレンベンジルアミン二酸化炭素収着剤に基づく。計算は、コーティングされたモノリス、収着剤のペレット、及び収着剤のビーズに対して実施された。モノリスは、モノリスの計算のためのコーディエライトである。床の各部分が、少なくとも３分間、再生温度を越える温度で保持され、次いで、１０又は３０分の再生サイクル内で２０℃まで冷却されるようにモデリングされる。これにより、必要とされる空気流と、空気を再生温度を上回る温度で保持する時間とが決定された。図９は、２リットルのモノリスにコーティングされた３−アミノプロピルシリカ二酸化炭素収着剤に対して典型的にモデリングされた加熱及び冷却プロファイルを示す。

３−アミノプロピルシリカの二酸化炭素収着剤の再生温度は約１００℃である。ポリスチレンベンジルアミンの二酸化炭素収着剤の再生温度は約７０℃である。
（これらの計算は、ヒーターが１００％効率的であり、収着剤の床から熱損失がないことを想定している）。

標準的な圧力低下相関を用いて、モノリス又はペレットの床に対する圧力低下が計算された。４０ｍｍのラインの大きさに基づく収着剤の床に関連する圧力低下に比べて、ライン、バルブ、及び管継手からの圧力低下は、比較的少ないと想定された。必要とされるファンの電力は、３０％のファン効率を想定して、圧力低下の総量及び必要とされる流れに基づいて計算された。

１０分又は３０分の再生サイクルにわたって再生システムに必要とされる平均電力は、以下の表で示されている。３−アミノプロピルシリカ及びポリスチレンベンジルアミン（それぞれ、３重量％及び６重量％のＣＯ_２容量を有する）を吸着材として使用して、計算が実施された。計算するにあたって材料に対して使用された脱着温度も異なり、３−アミノプロピルシリカは１００℃、ポリスチレンベンジルアミンは７０℃であった。表１は、ヒーターによって必要とされる平均電力を示し、表２は、必要とされる流量を維持するために必要とされる平均電力を示し、表３は、システムが稼働するために必要とされる総電力を示す。

電力要件は、完全な１０分又は３０分サイクルにわたって熱要件を平均化することに基づいている。ヒーターは、サイクルの一部でしか付いていないので、電力要件は一定ではない。

内燃機関の場合、エンジンからの廃熱によって完全に又は部分的にヒーターの電力要件を満たすことができ、それにより、再生可能な二酸化炭素収着剤アセンブリを動作させるエネルギーコストが減少することに留意されたい。電気ビークルなど、廃熱源がないビークルについては、ビークルのパワートレインによってヒーターの電力要件を満たさなければならない。

ポリスチレンベンジルアミンのためのヒーターのエネルギー消費は、脱着温度がより低いため、著しくより低い。モノリス又は３×３ｍｍのビーズに比べて、ポリスチレンベンジルアミンのビーズの大きさが小さいこと（３００〜６５０μｍ）は、収着剤の床の背圧を克服するためにエネルギーの著しい増大が必要であることを意味する。ポリスチレンベンジルアミンのためのサイクルごとの総エネルギーは、３−アミノプロピルシリカのモノリスよりも微妙に低い。３−アミノプロピルシリカのペレットは、サイクルごとのエネルギー要件が最も低い。

３０分再生サイクルでのポリスチレンベンジルアミンの樹脂ビーズのためのエネルギー要件は、３０分間にわたって、１分当たり１ｇの率で二酸化炭素吸着をもたらすため、著しくより大きい床が必要とされることに関連する圧力低下の著しい増大の結果である。計算は、すべて典型的な円筒状の床を想定した。半径流装置は、圧力低下を著しく減少させ、ひいてはシステムの全体的なエネルギー要件に対する圧力低下の影響を著しく減少させる。

意味深いことには、以上でモデリングされた再生サイクルのエネルギーコストは、特に外部環境が特に熱いか、湿度が高いときに、ビークルを再循環モードで稼働させるときのエネルギー上の利点よりも著しく少ない。したがって、本発明者らは、本発明が、意義深いエネルギー上の利点を潜在的に提供しているとみなしている。

参考文献
１．Farrington及びJ. Rugh著、「Impact of Vehicle Air-Conditioning on Fuel Economy, Tailpipe Emissions, and Electric Vehicle Range」、２０００年１０月３１日にEarth Technologies Forum Washingtonで発表(http://www.nrel.gov/docs/fy00osti/28960.pdf)
(NREL/CP-540-28960)
２．David Y.H. Pui、Chaolong Qi、Nick Stanley、Gunter Oberdorster、及びAndrew Maynard著、「Recirculating Air Filtration Significantly Reduces Exposure to Airborne Nanoparticles」、Environmental Health Perspectives誌、２００８年７月、Vol116、No7、863-866頁。
３．Heejung Jung著「Modelling CO2 Concentrations in Vehicle Cabin」、カリフォルニア大学リバーサイド校、SAE International、DOI 10.4271/2013-01-1497。
４．Heejung Jung著「Vehicle Cabin Air Quality with Fractional Air Recirculation」、カリフォルニア大学リバーサイド校、SAE International、DOI 10.4271/2013-01-1494。
５．K.-D. Henning及びS. Schafer著「Impregnated Activated Carbon for Environmental Protection」、Gas Separation and Purification誌、1993年Vol7、No4、235頁。

Claims (16)

1. ビークルの乗客キャビン内の雰囲気を制御するためのシステムであって、
   二酸化炭素除去アセンブリであって、
   再生可能な二酸化炭素収着剤と、
   前記乗客キャビンの内部からの空気を前記再生可能な二酸化炭素収着剤の上に流し、処理された空気を前記乗客キャビンに戻すように構成された二酸化炭素除去導管と、
   脱離ガスを前記再生可能な前記二酸化炭素収着剤の上に流して、二酸化炭素を前記収着剤から脱着し、脱着された二酸化炭素を前記キャビン外の位置で排出するように構成された再生導管とを備えている二酸化炭素除去アセンブリを備えており、
   それにより、前記システムが、前記ビークルの外から前記乗客キャビン内への空気の流量を１０Ｌ／秒以下に制限しながら、少なくとも５分間の間、前記乗客キャビン内の二酸化炭素レベルを１０００ｐｐｍ未満に維持するように動作可能である、システム。
2. 汚染物質除去アセンブリをさらに備えている、請求項１に記載のシステム。
3. 前記汚染物質除去アセンブリが、１つ又は複数の汚染物質除去材料を備えており、前記１つ又は複数の前記汚染物質除去材料の上に及び／又は前記１つ又は複数の前記汚染物質除去材料を通して、空気を流して、汚染物質を除去し、処理された空気を前記乗客キャビンの前記内部に供給するように動作可能である、請求項２に記載のシステム。
4. 前記二酸化炭素収着剤が、−１０℃から５０℃の範囲内の少なくとも１つの温度で二酸化炭素を収着することが可能である、請求項１から３のいずれか一項に記載のシステム。
5. 前記二酸化炭素収着剤が、１２０℃以下の再生温度を有する、請求項１から４のいずれか一項に記載のシステム。
6. 前記二酸化炭素収着剤が、１から１０重量％の範囲内の二酸化炭素容量を有する、請求項１から５のいずれか一項に記載のシステム。
7. 前記二酸化炭素収着剤が、固体支持体上で固定化されたアミン官能基を含む部分を含む、請求項１から６のいずれか一項に記載のシステム。
8. ２つ以上の二酸化炭素収着剤の床を含み、所定時間間隔で前記床を二酸化炭素収着モードと再生モードとの間で切り替えるように構成されている、請求項１から７のいずれか一項に記載のシステム。
9. サイクル時間が、５分から２５分の範囲内にあり、前記サイクル時間が、収着剤の床が再生される前に収着モードで機能する時間の長さで規定される、請求項１から８のいずれか一項に記載のシステム。
10. ５ｇから３０ｇの間の収着材料が、サイクル時間の１分ごとに供給される、請求項１から９のいずれか一項に記載のシステム。
11. 収着剤の各床を再生するのに必要なエネルギーが、１ｋＷ未満である、請求項１から１０のいずれか一項に記載のシステム。
12. 前記収着材料の上の前記乗客キャビンからの空気の流量が、８Ｌ／秒から２０Ｌ／秒の範囲内である、請求項１から１１のいずれか一項に記載のシステム。
13. 前記システムが、毎分少なくとも１ｇの二酸化炭素除去をもたらすように構成されている、請求項１から１２のいずれか一項に記載のシステム。
14. ビークルの外から前記乗客キャビン内への空気の流量を１０Ｌ／秒以下に制限しながら、少なくとも５分間の間、前記乗客キャビン内の二酸化炭素レベルを１５００ｐｐｍ未満に維持する、前記ビークルの前記乗客キャビン内の雰囲気を制御するためのシステムの使用であって、前記システムが、請求項１から１３のいずれか一項で規定されたとおりである、使用。
15. ビークルの乗客キャビン内の雰囲気を制御するためのプロセスであって、
    （ｉ）前記乗客キャビンの内部からの空気の一部を再生可能な二酸化炭素収着剤の上に流して、二酸化炭素を除去し、処理された空気を前記乗客キャビンに戻すステップ、及び
    （ｉｉ）脱離ガスを前記再生可能な二酸化炭素収着剤の上に流して、二酸化炭素を前記収着剤から脱着し、脱着された二酸化炭素を前記キャビン外の位置で排出することによって、前記再生可能な二酸化炭素収着剤を再生するステップ
    を含んでおり、ステップ（ｉ）及び（ｉｉ）は、前記ビークルの外から前記乗客キャビン内への空気の流量を１０Ｌ／秒以下に制限しながら、少なくとも５分間の間、前記乗客キャビン内の二酸化炭素レベルを１５００ｐｐｍ未満に維持するために繰り返される、プロセス。
16. ビークルの乗客キャビン内の雰囲気を制御するためのシステムを備えているビークルであって、前記システムが、請求項１から１３のいずれか一項で規定されたとおりである、ビークル。

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