JP3591590B2 - 酸素供給機能を有する車両用空気浄化装置 - Google Patents

酸素供給機能を有する車両用空気浄化装置 Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は,酸素供給機能を有する空気浄化装置に関し,さらに詳細には,車両用の酸素供給機能を有する空気浄化装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
一般に,車両に酸素を供給する方法として,圧縮空気から窒素を吸着除去する圧縮スイング吸着方式(PSA:Pressure Swing Adsorption)と気体分離膜方式が知られている。気体分離膜方式は,PSA方式よりも高圧が必要で,PSA方式よりも相対的に低純度である30%以上の酸素雰囲気の空気を得るために使用される。
【0003】
PSA方式は,一般に,80%以上の高純度酸素を得るために使用され,通常,2気圧〜4気圧程度の圧縮空気を吸着ヘッドに供給し,吸着ヘッドの吸着剤が窒素を吸着して排出する。このPSA方式では,例えば空気圧縮機で圧縮された高温高圧の空気が,相対的に低い温度の室内空気と接触して結露現象が発生するため,吸着剤(例えば合成ゼオライト)が水分を吸収して酸素分離効率が低下するという問題がある。
【0004】
また,上記PSA方式において,オイル潤滑方式の空気圧縮機を使用する場合には,耐久性はあるが,空気圧縮機内の潤滑油が圧縮空気中に混合されるという問題がある。また,無潤滑方式の空気圧縮機を使用する場合には,耐久性が弱い,空気圧縮に限界がある,高熱が発生する,などの問題を有する。
【0005】
また,圧縮空気を使用せずに酸素雰囲気を供給する方法として真空スイング吸着方式(VSA方式:Vacuum Swing Adsorption)が知られている。このVSA方式においては,真空ポンプにより空気の圧力差を作り,真空に維持された吸着ヘッドを大気が通過することにより窒素が吸着されて脱着分離され,酸素雰囲気の空気が供給される。かかるVSA方式は,例えば米国特許5,266,102号及び5,656,067号など多数存在する。また,VSA方式は,長年大規模の産業用として使用されているが,圧縮スイング吸着方式(PSA方式)のような騒音が発生しないものの,小型化が困難であり大規模な商業用の酸素発生装置においてのみ採用されている。
【0006】
また,一般に,VSA方式だけでは,酸素分離効率が劣るという問題があるので,VSA方式とPSA方式とを結合したVPSA方式も採用されている。かかるVPSA方式では,高純度の酸素を効率的に得ることができ,装置の小型化にも対応することができる。例えば,建物内の中央集塵式真空ライン方式を採用した韓国実用新案20―0219405,米国特許5,370,728号など多数の文献に開示されている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら,上記酸素雰囲気の空気を供給する方式を車両に採用するには,以下のような問題がある。
【0008】
PSA方式を車両に適用する場合には,騒音発生のほか,耐久性,電力消費などの問題がある。特に車両の電源を使用したモータ型コンプレッサの場合には,電力消費の点からも問題を有している。さらに,PSA方式の酸素分離器は,80%以上の高純度を発生するので,火事や酸素中毒などの他の問題が発生する恐れもある。また,人が呼吸する際に,一般的な都市における酸素濃度より数%程度高い時に快適さを感じ,90%以上の高純度の酸素はかえって人体に悪影響を及ぼすという問題がある。
【0009】
ところで,酸素発生器を車両に適用することは,空気を直接人体に吸入して快適さを感ずることを目的とするため,必要以上の高純度であることは不要である。したがって,所定濃度の酸素(人体に適した酸素濃度を有する空気)を発生するのに好適な真空方式のVSA方法を小型化することが望まれる。また,従来の車両の酸素発生装置は,単に,外部空気を吸入して高濃度の少量の酸素を抽出し,室内に排出する装置であるため,車両内部の室内空気の浄化のためには別の空気浄化装置を取り付ける必要もあった。
【0010】
したがって,本発明の目的は,上記従来の装置における諸問題を解決し,かつ好適な酸素濃度の空気を簡易かつ低コストで車両内に供給することが可能な新規かつ改良された酸素供給機能を有する空気浄化装置を提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため,本発明の第1の観点においては,車両の室内の空気を吸入する吸入口と,前記車両の室内に空気を排出する排出口と,前記吸入口と前記排出口の間に形成される空気流路と,前記吸入口の近傍に配置され,前記吸入空気から異物質を除去する空気フィルタと,前記空気を吸入するための吸入力を提供する真空ポンプ手段と,前記空気フィルタと連結され,前記吸入空気から主に窒素を吸着するための吸着剤を具備し,前記空気から酸素を分離するための一対の吸着ヘッドと,前記一対の吸着ヘッド間に連結され,前記一対の吸着ヘッドを通過した酸素雰囲気の空気が通過可能なバイパス流路手段と,前記一対の吸着ヘッドから前記酸素雰囲気の空気を排出するためのポンプ手段と,前記一対の吸着ヘッドとポンプ手段との間に連結され,前記一対の吸着ヘッドの前記酸素雰囲気の空気を前記ポンプ手段にのみ流入させるチェックバルブと,前記一対の吸着ヘッドと前記真空ポンプ手段との間,及び前記一対の吸着ヘッドと前記空気フィルタとの間に設置され,真空圧と大気圧を切り替えるためのバルブ手段とを有し,前記真空ポンプ手段は,車両エンジンにより駆動され,前記一対の吸着ヘッドは,前記バルブ手段により流路が転換されて,吸入空気から窒素を交代に吸着して酸素雰囲気の空気を生成すると共に,前記真空ポンプ手段の真空圧により前記酸素雰囲気の空気を排出し,前記ポンプ手段は,前記酸素雰囲気の空気を室内に供給する,ことを特徴とする酸素供給機能を有する空気浄化装置が提供される。
【0012】
上記記載の発明では,単一の真空源(例えば車両に存在する真空源を用いるか真空ポンプ又は車両のエンジンによって駆動されるオイル潤滑方式の真空発生装置)により室内の空気を多量に吸入して浄化し,適正酸素濃度の空気を浄化して室内に排出するので,車両室内は適正な酸素濃度を維持され,より爽快感が得られる。この結果,運転者及び搭乗者の眠りの防止や,酸素不足による事故を防止することができる。また,圧縮空気を使用しないので結露現象が発生せず吸着剤が湿気を吸着することもない。さらに,従来のオイル潤滑方式の空気圧縮装置を使用しないので,潤滑油が空気に混入することも防止される。また,酸素発生器の真空ポンプとして,車両のエンジンによって駆動されるオイル潤滑方式の真空発生装置を使用すれば,耐久性を得ることができる。また,従来の空気圧縮方式のように,別途の冷却装置,高圧安全装置,圧力調節機,水分分離器などを設置する必要もない。
【0013】
また,前記空気浄化装置は,さらに,前記ポンプ手段と前記チェックバルブの間に連結され,前記吸着ヘッドを通過した酸素雰囲気の空気を格納する酸素タンクを具備する,如く構成すれば,酸素雰囲気の空気の排出流量を一定に保持することができる。
【0014】
また,前記空気浄化装置は,さらに,前記バルブ手段と真空ポンプ手段との間に連結され,真空圧を一定に保持するための真空タンクを具備する,如く構成すれば,真空圧が不十分な場合であっても,真空圧を一定に保持することができる。
【0015】
また,前記真空ポンプ手段は,車両の吸気マニホールド部の真空圧を利用した真空ポンプ機能を有する手段である,如く構成すれば,真空ポンプ手段として別の真空ポンプを使用しなくとも,車両の吸気マニホールドの真空圧を使用することができる。なお,車両の吸気マニホールドの真空状態の圧力は,例えば260mmbar以下であるので真空タンクを連結すると,真空ポンプ手段の効果を奏する。
【0016】
また,前記車両の吸気マニホールド部に補助的に真空を作る別途の真空ポンプが取り付けられている,如く構成すれば,吸気マニホールドの真空度だけでは不十分な場合であっても,十分な真空度を提供することができる。
【0017】
また,前記空気浄化装置は,さらに,室内の酸素濃度を感知する酸素センサと,前記酸素センサの信号により酸素発生量を調節するコントローラと,が設置されている,如く構成すれば,自動的に,室内の空気が好適になるように制御することができる。
【0018】
また,前記排出口の近傍には,さらに,香発生器及び陰イオン発生器が設置されている,如く構成すれば,排出モジュールは,酸素タンクから排出される酸素雰囲気の空気を陰イオン発生器や香発生器を通過して車両室内に排出されるので,より爽やかさが感じられるようにする。
【0019】
また,前記真空ポンプ手段は,車両エンジンのクランク軸あるいはプーリーに直接連結されたオイル潤滑方式の真空ポンプである,如く構成すれば,低騒音,長い寿命,高流量の真空ポンプを酸素発生器の真空ポンプとして使用することができる。また,既に存在する吸気マニホールドの真空状態と組み合わせて使用することもできる。
【0020】
また,前記酸素タンク内部には,前記真空ポンプ手段による真空圧で駆動されるスプリングとダイアフラムを具備しており,前記酸素タンクは,酸素雰囲気の空気の排出機能を有する,如く構成すれば,別途の小型真空ポンプ又は小型ブロワなどを設置しなくても,酸素雰囲気の空気を排出することができる。
【0021】
また,前記バルブ手段は,モータで駆動される回転式バルブである,如く構成すれば,例えば自己診断及び自動制御などのため内蔵したコントローラにより好適にバルブ制御をすることができる。
【0022】
また,前記ポンプ手段は,モータで駆動される小型真空ポンプである,如く構成することができる。
【0023】
【発明の実施の形態】
以下に添付図面を参照しながら,本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお,本明細書及び図面において,実質的に同一の機能構成を有する構成要素については,同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【0024】
(第1の実施の形態)
まず,図1に基づいて,第1の実施の形態にかかる酸素供給機能を有する空気浄化装置の構成について説明する。なお,図1は,第1の実施の形態にかかる酸素供給機能を有する空気浄化装置の構成を示すブロック図である。
【0025】
まず,図1に示すように,本実施形態にかかる酸素供給機能を有する空気浄化装置は,車両又は室内エアコンに取り付けられた,室内空気に含有する異物質,バクテリア,悪臭をフィルタリングするための空気フィルタ1と,空気フィルタの吸入口から吸入された空気を所定の真空度に減圧する真空ポンプ2と,真空ポンプ2と連結された,真空圧を維持するための真空タンク5と,室内空気の吸入と吸着への真空吸入とを切り替えるためのバルブ6,7,8,9と,室内空気から主に窒素を吸着して酸素を通過する例えばゼオライトなどの吸着剤を内部に有する吸着ヘッド10,11と,吸着ヘッド10,11の間に連結されているバイパス酸素流路管のバイパス流速を制御するバイパス流速制御バルブ31と,吸着ヘッドを通過した酸素雰囲気の空気を一方向だけに(酸素タンク16,17の方向だけに)通過させるチェックバルブ12,13と,チェックバルブを通過した酸素雰囲気の空気を格納する酸素タンク16,17と,酸素タンクに格納された酸素雰囲気の空気を一方向にのみ(室内29の方向にのみ)排出し一定の真空状態を維持するためのチェックバルブ14,15などから構成されており,かかるチェックバルブ14,15を通過した酸素雰囲気の空気は,排出モジュール21を介して車両の室内に供給される。
【0026】
また,本実施形態にかかる酸素タンク16,17は,その内部にスプリング25,27とダイアフラム26,28を具備しており,酸素タンクに格納された酸素雰囲気の空気を室内に排出する酸素排出ポンプの機能も有する。なお,酸素排出流量を一定に保持する必要が無い場合には,酸素タンク16,17を設置する必要はない。本実施形態においては,酸素タンク内の排出機能は,スプリングとダイアフラムを組み合わせて構成しているが,シリンダ内にスプリングとピストンを組み合わせる方式でも実施することができる。また,従来と同様に別途の小型真空ポンプ又は小型ブロワを設置して酸素雰囲気の空気を排出することもできる。この場合には,チェックバルブ14,15,及び酸素タンク16,17とバルブ6,7,8,9とを連結する流路は設置する必要はない。
【0027】
また,吸入と排出の1サイクルの時間は,真空ポンプの容量とヘッドの大きさにより決定されるが,最適化された別途の真空ポンプを使用するか車両エンジンに直接取り付けた真空ポンプ(車両のエンジンによって駆動される真空ポンプ)を使用すると,2ヘッドの場合,1秒以内に吸入と排出の行程を実行することができる。実験によれば,全体サイクルは5秒以内であり,小型吸着ヘッド(長さ20cm,内径2.5cm)内の吸着剤により,濃度25〜35%程度の多量の酸素を生産することができる。これは,圧縮方式により生産される酸素濃度よりも低いので,車両用として使用するには好適である。また,生産量は,従来と同様である。
【0028】
なお,上記真空状態は,車両エンジンにより駆動される真空ポンプを用いなくとも,例えば既に存在する吸気マニホールドの真空状態と組み合わせてもよく,吸気マニホールド部を単独で真空ポンプ手段として使用することもできる。
【0029】
また,本実施形態においては,真空タンク5を設置しているが,十分な真空圧が得られる場合には,真空タンク5を設置する必要はない。また,本実施形態におけるバルブ6,7,8,9は,一つのソレノイドバルブやモータで駆動される回転バルブとすることができる。
【0030】
また,本実施形態においては,排出モジュール21には,選択的に,酸素タンクから排出される酸素雰囲気の空気を通過させる陰イオン発生器18や香発生器19を設置することができる。陰イオン発生器18や香発生器19を通過した酸素雰囲気の空気は,ダクト20を介して車両室内25に排出されるので,より爽やかさが感じられるようになる。
【0031】
また,本実施形態においては,選択的に,車両の室内空間に酸素含量を感知する酸素センサ23と,酸素センサ23の酸素含量を認識して制御するコントローラ22を具備することができる。なお,コントローラ22には,ユーザの操作命令を処理するための部分が構成される。
【0032】
また,吸入口には,室内側から吸入された空気を1次的に浄化させるフィルタとしてエアフィルタ,集塵機,悪臭除去などのために活性炭を使用するのが好ましい。さらに,必要に応じて,抗菌フィルタを追加することもできる。
【0033】
また,当然ながら,室内空気の吸入は,車両室内が完全に密閉されていなければ外部から空気が流入することになる。これは,酸素発生装置が室外から空気を吸入して酸素雰囲気の空気を室内に供給する場合にも,ある程度は必ず発生する。本実施形態にかかる空気清浄機能と酸素発生機能とを同時に実施するには,室内からの空気が流入されるのが最も好ましい。
【0034】
また,酸素タンクと酸素排出ポンプの間が最適化されてない場合には,流速調整バルブを追加して調節するのが望ましい。また,外部への排出のための酸素排出ポンプは,各酸素タンクに対応して設置することもできるが,同一の真空源をした一体形であるのが好ましい。
【0035】
また,吸着剤と酸素タンクの間には,酸素排出方向だけに流れを制御するチェックバルブとして電子バルブを設置すれば,酸素の純度を容易に制御することができる。また,上記バルブは,3ポート2ウェーイ二つや5ポート2ウェーイ一つのソレノイドバルブを使用することができるが,単なる二つの真空吸入だけ繰り替えることで設定された時間ごとに,流路を連結するモータ回転式バルブを用いると一つの回転バルブで酸素を排出するポンプ手段まで制御でき騒音と耐久性を高めることができて望ましい。
【0036】
また,各吸着ヘッドの上端には,吸着ヘッドの窒素脱着効率を高めるためのバイパス酸素流路を設置しているので,微量の酸素をバイパスさせて窒素洗浄に3%以上の酸素純度を高めることができる。
【0037】
次に,図1に基づいて,本実施形態にかかる酸素供給機能を有する空気浄化装置の動作方法について説明する。
【0038】
まず,真空ポンプ2の作動によって吸入された室内空気は,空気フィルタ1を通過し,例えば2ヘッドの場合には真空と吸入サイクルで作動される。このとき,二つの吸着ヘッド10,11は,互いに反対に作動する。本実施形態において,2ヘッドを使用したのは,酸素雰囲気の空気を連続生産するためであり,マルチヘッドシステムに拡張して吸入時間を短縮可能であることは,いわゆる当業者には明らかである。以下の説明においては,吸着ヘッド10が排出状態であり,吸着ヘッド11が吸入状態と仮定する。
【0039】
次いで,車両の吸気マニホールド24における低い圧力状態(真空状態)と真空ポンプ2により発生した真空状態とにより形成される真空度が,真空タンク5の内部の真空度よりも低い場合には,チェックバルブ3,4を介して真空タンク内の空気が吸入されて,真空タンク5を適宜好適な真空度に維持される。
【0040】
まず,バルブ6,9を開放し,バルブ7,8を閉鎖して,吸着ヘッド10は,真空タンク5の真空状態により,吸着ヘッド10内の吸着材(図示せず)に吸着されている窒素を真空タンク5に排出する。このとき,吸着ヘッド11から分離された微量の酸素が吸着ヘッド10に流入するので,窒素の脱着に有用である。また,吸着ヘッド11は,空気フィルタ1を通過した室内空気が流入して窒素を吸着する。なお,真空状態の吸着ヘッド容器には,大気圧によって室内空気が吸い込まれる。
【0041】
酸素タンク16は,バルブ9の開放により大気圧が作用しているので,酸素タンク内のスプリング25と共にダイアフラム26が下降する。酸素タンク16内の酸素雰囲気の空気は,チェックバルブ14,陰イオン発生器18及び香発生器19を通過して室内に排出される。
【0042】
一方,酸素タンク17は,バルブ6の開放により真空状態となっているので,ダイアフラム28は上昇している。したがって,吸着ヘッド11を通過した酸素雰囲気の空気は,酸素タンクに格納される。
【0043】
このように,吸着ヘッド10,11は,吸入と排出行程を同時に繰り返すので,連続的に酸素を生産することができる。また,真空ポンプの容量と生産性を考慮して,複数の吸着ヘッドを並列に連結するように構成することもできる。
【0044】
以上,添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが,本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば,特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり,それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【0045】
【発明の効果】
単一の真空源(例えば車両に存在する真空源を用いるか真空ポンプ又は車両のエンジンによって駆動されるオイル潤滑方式の真空発生装置)により室内の空気を多量に吸入して浄化し,適正酸素濃度の空気を浄化して室内に排出するので,車両室内は適正な酸素濃度を維持され,より爽快感が得られる。この結果,運転者及び搭乗者の眠りの防止や,酸素不足による事故を防止することができる。また,圧縮空気を使用しないので結露現象が発生せず吸着剤が湿気を吸着することもない。さらに,従来のオイル潤滑方式の空気圧縮装置を使用しないので,潤滑油が空気に混入することも防止される。また,酸素発生器の真空ポンプとして,車両のエンジンによって駆動されるオイル潤滑方式の真空発生装置を使用すれば,耐久性を得ることができる。また,従来の空気圧縮方式のように,別途の冷却装置,高圧安全装置,圧力調節機,水分分離器などを設置する必要もない。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施の形態にかかる酸素供給機能を有する空気浄化装置の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
1 空気フィルタ
2 真空ポンプ
3,4 チェックバルブ
5 真空タンク
6,7,8,9 バルブ
10,11 吸着ヘッド
12,13,14,15 チェックバルブ
16,17 酸素タンク
18 陰イオン発生器
19 香発生器
20 ダクト
21 排出モージュル
22 コントローラ
23 酸素センサ
24 マニホールド
25,27 スプリング
26,28 ダイアフラム
29 室内
30 室外
31 バイパス流速調整バルブ

Claims (11)

  1. 車両の室内の空気を吸入する吸入口と,
    前記車両の室内に空気を排出する排出口と,
    前記吸入口と前記排出口の間に形成される空気流路と,
    前記吸入口の近傍に配置され,前記吸入空気から異物質を除去する空気フィルタと,
    前記空気を吸入するための吸入力を提供する真空ポンプ手段と,
    前記空気フィルタと連結され,前記吸入空気から主に窒素を吸着するための吸着剤を具備し,前記空気から酸素を分離するための一対の吸着ヘッドと,
    前記一対の吸着ヘッド間に連結され,前記一対の吸着ヘッドを通過した酸素雰囲気の空気が通過可能なバイパス流路手段と,
    前記一対の吸着ヘッドから前記酸素雰囲気の空気を排出するためのポンプ手段と,
    前記一対の吸着ヘッドとポンプ手段との間に連結され,前記一対の吸着ヘッドの前記酸素雰囲気の空気を前記ポンプ手段にのみ流入させるチェックバルブと,
    前記一対の吸着ヘッドと前記真空ポンプ手段との間,及び前記一対の吸着ヘッドと前記空気フィルタとの間に設置され,真空圧と大気圧を切り替えるためのバルブ手段とを有し,
    前記真空ポンプ手段は,車両エンジンにより駆動され,
    前記一対の吸着ヘッドは,前記バルブ手段により流路が転換されて,吸入空気から窒素を交代に吸着して酸素雰囲気の空気を生成すると共に,前記真空ポンプ手段の真空圧により前記酸素雰囲気の空気を排出し,
    前記ポンプ手段は,前記酸素雰囲気の空気を室内に供給する,
    ことを特徴とする酸素供給機能を有する空気浄化装置。
  2. 前記空気浄化装置は,さらに,
    前記ポンプ手段と前記チェックバルブの間に連結され,前記各吸着ヘッドを通過した酸素雰囲気の空気を各々格納する酸素タンクを具備する,
    ことを特徴とする請求項1に記載の酸素供給機能を有する空気浄化装置。
  3. 前記空気浄化装置は,さらに,
    前記バルブ手段と真空ポンプ手段との間に連結され,真空圧を一定に保持するための真空タンクを具備する,
    ことを特徴とする請求項1又は2に記載の酸素供給機能を有する空気浄化装置。
  4. 前記真空ポンプ手段は,車両の吸気マニホールド部の真空圧を利用した真空ポンプ機能を有する手段である,
    ことを特徴とする請求項1,2あるいは3項のうちいずれか1項に記載の酸素供給機能を有する空気浄化装置
  5. 前記車両の吸気マニホールド部には,補助的に真空を作る別途の真空ポンプが取り付けられている,
    ことを特徴とする請求項4に記載の酸素供給機能を有する空気浄化装置。
  6. 前記空気浄化装置は,さらに,室内の酸素濃度を感知する酸素センサと,前記酸素センサの信号により酸素発生量を調節するコントローラと,
    が設置されている,ことを特徴とする請求項1,2,3,4あるいは5項のうちいずれか1項に記載の酸素供給機能を有する空気浄化装置。
  7. 前記排出口の近傍には,さらに,香発生器及び陰イオン発生器が設置されている,ことを特徴とする請求項1,2,3,4,5あるいは6項のうちいずれか1項に記載の酸素供給機能を有する空気浄化装置。
  8. 前記真空ポンプ手段は,車両エンジンのクランク軸あるいはプーリーに直接連結されたオイル潤滑方式の真空ポンプである,
    ことを特徴とする請求項1,2あるいは3のうちいずれか1項に記載の酸素供給機能を有する空気浄化装置。
  9. 前記酸素タンク内部には,前記真空ポンプ手段による真空圧で駆動されるスプリングとダイアフラムを具備しており,前記酸素タンクは,酸素雰囲気の空気の排出機能を有する,
    ことを特徴とする請求項1,2,3,4,5,6,7あるいは8項のうちいずれか1項に記載の酸素供給機能を有する空気浄化装置。
  10. 前記バルブ手段は,モータで駆動される回転式バルブである,ことを特徴とする請求項1,2,3,4,5,6,7,8あるいは9項のうちいずれか1項に記載の酸素供給機能を有する空気浄化装置。
  11. 前記ポンプ手段は,モータで駆動される小型真空ポンプである,ことを特徴とする請求項1,2,3,4,5,6,7あるいは8項のうちいずれか1項に記載の酸素供給機能を有する空気浄化装置。
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