JP5149593B2 - 選択透過材料及び空調システム - Google Patents
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Description
[式中、P(O2)は酸素の透過係数、P(N2)は窒素の透過係数を示す。]
本発明の選択透過材料は、シリコーン系ポリマーとイオン性液体とからなる選択透過材料であって、選択透過材料から形成される膜に酸素及び窒素を透過させた場合に、23±2℃、膜間の圧力差1.05〜1.20atmにおける酸素及び窒素の透過係数(cm3・cm・sec-1・cm-2・cmHg-1)の関係が下記式(1)で表されるもの、である。
本発明の選択透過材料から形成される膜20においては、気体がクヌーセン流により透過する距離が溶解拡散流により透過する距離よりも長くなるため、気体の透過性が飛躍的に向上すると推察される。また、溶解拡散流により気体が透過する部分に関しては、SPM及びnSPMはブロックされるので、SPM、nSPM等の大気中の浮遊物質を除去することが可能となると考えられる。
R3SiO1/2 …(3)
R2SiO2/2 …(4)
RSiO3/2 …(5)
SiO4/2 …(6)
本発明の空調システムは、空調対象空間への気体の供給及び/又は空調対象空間からの気体の排出が行われる膜を備え、上記膜が選択透過材料から形成される膜であるものであり、例えば、外気導入のための取り入れ口(外気導入口)に上述の膜が設置されたものが挙げられる。空調対象空間としては、例えば、車両(自動車)、住宅、新幹線、飛行機等の、空間内の気体と外気とを交換することが必要な空間が挙げられ、その具体例としては、図2に示されるような車両が挙げられる。
図6は、本発明の選択透過材料からなる選択透過膜を圧力調整用換気装置内に備える、本発明の空調システムの一形態である車両を示す概略構成図である。
つまり、圧力調整用換気装置110の筐体38が角筒状に形成され、角筒状に形成された筐体38の車両10外側の端面にはフランジが設けられている。そして、そのフランジが溶接等でボディ122に固定されている。
図7〜9は、本発明の選択透過材料からなる選択透過膜を天井部分に備える、本発明の空調システムの一形態である車両を示す概略構成図である。図7(a)に示すように本実施形態における車両10は、天井部分に選択透過膜13が設けられている。以下、本実施形態における天井部分の具体的な形態について説明する。
実施形態1Aの天井部分は、図7(b)に示すように、車両10の天井部分に設けられた空洞70、車両10の外壁22の一部に設けられた外気導入口26及び外気排出口28、空洞70の一部に設けられた選択透過膜13等からなる。
なお、ここでは内壁24を略四角形状に切り取ったが、特に略四角形状に切り取る必要はなく、天井の形状等に合わせて他の形状、例えば、円形や台形あるいは、複数の直線や曲線からなるより複雑な形状に切り取ってもよい。
図8(a)は、空洞70へ水滴が浸入しないようにする手段、すなわち水滴浸入防止手段として前部開閉扉27a及び後部開閉扉27cが備えられた形態(実施形態2A)を示す図である。前部開閉扉27a及び後部開閉扉27cは、各々外壁22にヒンジ27b,27dで取り付けられており、ヒンジ27b,27dを中心として回動することによって車両10の進行方向に沿って開閉する。
前部開閉扉27aが開いたときの最大角度θは、前方補強材12aの位置によって決まる。つまり、前部開閉扉27aが最大に開いたときに前部開閉扉27aの下端部分が前方補強材12aよりも車両10の進行方向側に位置するように最大角度θが決まるのである。
図8(b)は、水滴浸入防止手段として堰を用いた形態、すなわち、外気導入口26と前方補強材12aとの間に前部堰27eが配置され、後方補強材12bと外気排出口28との間に後部堰27fが配置された形態(実施形態3A)を示す図である。
取り付けられており、一対の板材のうち、外気導入口26側に配置された板材は、車両10の外壁22に取り付けられ、内壁24との間に隙間ができるように取り付けられている。また、選択透過膜13側に配置された板材は、車両10の内壁24に取り付けられ、外壁22との間に隙間ができるように取り付けられている。なお、各板材の長手方向は、水滴が選択透過膜13へ浸入させないようにするため、車両10の車幅方向における選択透過膜13の長さよりも若干長くなっている。
次に、車室19内の酸素濃度に応じて、空洞70に外気を導入する場合(実施形態4A)について図7及び図8(c)により説明する。
実施形態4Aにおける空調システムは、図7及び図8(c)に示すように、実施形態1A〜3Aに示す空調システムに、前部ファン29a、後部ファン29b、酸素センサ18及び制御部90が加えられた構成となっている。
うに、車両10のダッシュボードに埋め込まれている。
制御部90は、酸素センサ18により検出された車室19内の酸素濃度が所定の濃度である場合に、外気を導入する旨の外気導入指令を前部ファン29a及び後部ファン29bへ出力するものであり、CPU(Central Processing Unit),ORM(Object/Relational Mapping).RAM(RandomAccess Memory),I/O(Input/Output)等(図示せず)から構成されている。なお、制御部90は、図7に示すように、車両10のダッシュボード内部に格納されている。
以上のように構成された空調システムでは、酸素センサ18で検出された酸素濃度の情報が制御部90へ送られる。
(1)上記実施形態1A〜4Aでは、車両10の天井部分の内壁24の一部を選択透過膜13で形成していたが、図9に示すように、内壁24の天井部分に穴を開けるようにしてもよい。
さらに、上述の小穴の代りに図9(c)に示すように、内壁24の天井部分を切り取り、その部分をメッシュ状の材料で塞ぎ、その表面に選択透過膜13を配置するようにしてもよい。
[実施形態1B:フロントガラス]
図10は、本発明の選択透過材料からなる選択透過膜をフロントガラス部分に備える、本発明の空調システムの一形態である車両(実施形態1B)を示す概略構成図である。図10(b)に示すように、車両10のフロントガラスの下部に選択透過膜13が設けられており、選択透過膜13の他に、カバー112、外気導入口126、外気排出口128、前部堰127a、後部堰127b等が設けられている。
このような前部堰127aによって、空間120へ導入される外気に含まれる水滴は、前部堰127aにより除去され、車両10のボディ外面上に滴下し、ボディの外面上を伝わってドレイン(図示せず)から車両10の外部へ排出される。
次に、選択透過膜13を多孔質ガラス132に装着したものでリアウィンドウ139を形成した形態(実施形態2B)について図11に基づいて説明する。図11は、リアウィンドウ139を、選択透過膜13が装着された多孔質ガラス132で構成したときの概略構成図である。
この多孔質ガラス132の車室19側の全面に選択透過膜13が密着した状態で装着されている。また、多孔質ガラス132に装着された選択透過膜13の車室19側には、選択透過膜13を補強するためにメッシュ状の材料で形成された補強材134が装着されている。
次に、選択透過膜13を多孔質ガラス132に装着したものでサンルーフ138を形成した形態(実施形態3B)について図12に基づいて説明する。図12は、サンルーフ138を、選択透過膜13を装着した多孔質ガラス132で構成したときの概略構成図である。
図13は、本発明の選択透過材料からなる選択透過膜をピラー部分に備える、本発明の空調システムの一形態である車両を示す概略断面図である。車両10は、図13に示すように、実質的に空気を通さないアルミやガラス等の壁面で囲まれ、外気が進入しない車両10と外気が進入することができるトランクやエンジンルーム等の車室19外の空間とからなる。
温度センサ60は、選択透過膜13の表面温度を計測するためのものであり、熱電対やペルチェ素子等、選択透過膜13の表面温度を電気信号に変換して出力するものである。
図15は、本発明の選択透過材料からなる選択透過膜を床部分に備える、本発明の空調システムの一形態である車両を示す概略断面図である。図15(a)は、車両10の概略縦断面図であり、図15(b)は、床部150の拡大図である。
また、車両10にはエアコン(図示せず)が備えられている。このエアコンは、内気循環モードのみを備えている。
次に、本実施形態の空調システムの構成について説明する。図15(b)は床部150の構造を模式的に示した概略構造図である。
床板152と外板154との間には、床板152、外板154及び側板153a,153bによって空間141が形成されており、その空間141内部に選択透過膜13が配置されている。
温度センサ60は、選択透過膜13の表面温度を計測するためのものであり、熱電対、白金抵抗体、サーミスタ等、選択透過膜13の表面温度を電気信号に変換して出力するものである。
[実施形態1C]
(空調システムの構成)
図16(a)は、本発明の選択透過材料からなる選択透過膜をドア部分に備える、本発明の空調システムの一形態である車両10を示す側面図であり、図16(b)は、ドア140を車両10の車幅方向に切った概略断面図である。
外気取入れ口52aは、車室19外側から外気を取り入れるために窓80よりも車室19外側のドア140の上部に設けられた孔である。また、外気排出口52bは、外気取入れ口52aから取り入れた外気を車室19外側へ排出するために窓80よりも車室19外側のドア140の下部に設けられた孔である。
以上のように構成された本実施形態の空調システムでは、外気取入れ口52aから取り入れられた外気が選択透過膜13の車室19外側の面に接触する。選択透過膜13の車室19外側の面に接触した外気は外気排出口52bから排出される。
次に、選択透過膜13に種々の機能を有する機能材等を配置したものについて、図17及び図18に基づいて説明する。図17(a)は、車両10の側面図であり、図17(b)は、ドア140を車両10の車幅方向に切った概略断面図である。また、図18は、ドア140を車両10の車幅方向に切った概略断面図である。
このように、選択透過膜13の車室19外側に除塵フィルタ14が設けられているので、選択透過膜13の車室19外側の面に接触する外気から粉塵が除去される。したがって、選択透過膜13の車室19外側の面に粉塵が付着することがないので、選択透過膜13の気体の透過性能を保持することができる。
具体的には、吸水性ポリマー、綿状パルプ、給水紙、シリカゲル、酸化カルシウム、酸化マグネシウム又は塩化カルシウムを多孔質体と混合させたもの、あるいは、電解質ポリマー又は親水性ポリマーからなる吸水性ポリマー、アクリル重合体、ビニルアルコール又はアクリル酸ポリマー等が除湿材16として用いることができる。このような除湿材16は、選択透過膜13の車室19外側に積層されている。
また、選択透過膜13を介して水分が車室19内側に浸入することがないので、車室19の窓80の曇りを防止することができる。
次に、上述の実施形態1C及び2Cのように選択透過膜13を内装材164に密着させて配置する代わりに、外気取入れ口52a及び外気排出口52bをドア140の内側から覆うように配置した実施形態について図19及び図20に基づいて説明する。図19(a)は、車両10の側面図であり、図19(b)は、ドア140を車両10の車幅方向に切った概略断面図である。また、図20は、ドア140を車両10の車幅方向に切った概略断面図である。
シリコーン変性プルランポリマー(信越化学工業社製、X−22−8400)をトルエンで溶解して固形分を10wt%に調整した。この調整液に、イオン性液体である1−ethyl−4−methylimidazolium−nitrate(関東化学社製、融点:38℃)をシリコーン変性プルランポリマー100質量部に対して20質量部添加した。この調整したイオン性液体含有溶液を、テフロン(米国デュポン社の登録商標)製φ90mmのシャーレに入れて、乾燥機にてイオン性液体の融点以上の温度(例えば60℃)でトルエンを除去し、平均厚み15μmの膜を得た。有機溶媒揮発後、イオン性液体の融点以下の温度(例えば25℃)で静置させ、イオン性液体を固化させた。
シリコーン変性プルランポリマー(信越化学工業社製、X−22−8400)をトルエンで溶解して固形分を10wt%に調整した。この調整液に、イオン性液体である1−ethyl−4−methylimidazolium−phosphate(関東化学社製、融点:58−60℃)をシリコーン変性プルランポリマー100質量部に対して20質量部添加した。この調整したイオン性液体含有溶液を、テフロン(米国デュポン社の登録商標)製φ90mmのシャーレに入れて、乾燥機にてイオン性液体の融点以上の温度(例えば70℃)でトルエンを除去し、平均厚み15μmの膜を得た。有機溶媒揮発後、イオン性液体の融点以下の温度(例えば25℃)で静置させ、イオン性液体を固化させた。
シリコーン変性シクロオレフィンポリマー(信越化学工業社製、X−22−1960)をトルエンで溶解して固形分を10wt%に調整した。この調整液に、イオン性液体である1−ethyl−4−methylimidazolium−nitrate(関東化学社製、融点:38℃)をシリコーン変性シクロオレフィンポリマー100質量部に対して20質量部添加した。この調整したイオン性液体含有溶液を、テフロン(米国デュポン社の登録商標)製φ90mmのシャーレに入れて、乾燥機にてイオン性液体の融点以上の温度(例えば60℃)でトルエンを除去し、平均厚み15μmの膜を得た。有機溶媒揮発後、イオン性液体の融点以下の温度(例えば25℃)で静置させ、イオン性液体を固化させた。
シリコーン変性シクロオレフィンポリマー(信越化学工業社製、X−22−1960)をトルエンで溶解して固形分を10wt%に調整した。この調整液に、イオン性液体である1−ethyl−4−methylimidazolium−phosphate(関東化学社製、融点:58−60℃)をシリコーン変性シクロオレフィンポリマー100質量部に対して20質量部添加した。この調整したイオン性液体含有溶液を、テフロン(米国デュポン社の登録商標)製φ90mmのシャーレに入れて、乾燥機にてイオン性液体の融点以上の温度(例えば70℃)でトルエンを除去し、平均厚み15μmの膜を得た。有機溶媒揮発後、イオン性液体の融点以下の温度(例えば25℃)で静置させ、イオン性液体を固化させた。
シリコーン変性プルランポリマー(信越化学工業社製、X−22−8400)をトルエンで溶解して固形分を1wt%に調整した。この調整したシリコーン含有溶液をテフロン(米国デュポン社の登録商標)製φ90mmのシャーレに入れて、乾燥機(例えば60℃)にてトルエンを除去し、平均厚み15μmの膜を得た。
シリコーン変性シクロオレフィンポリマー(信越化学工業社製、X−22−1960)をトルエンで溶解して固形分を1wt%に調整した。この調整したシリコーン含有溶液をテフロン(米国デュポン社の登録商標)製φ90mmのシャーレに入れて、乾燥機(例えば60℃)にてトルエンを除去し、平均厚み15μmの膜を得た。
(気体透過係数の評価)
実施例1〜4及び比較例1,2で得られた膜について、気体透過率測定装置(GTRテック社製、型番:GTR−20XAMDE)を用い、下記の測定条件で、酸素及び窒素についての気体透過係数を測定した。得られた結果を表1及び表2に示す。
<測定条件>
温度 :23±2℃
膜の下流の圧力:約0.0013atm
膜の上流の圧力:1.05〜1.20atm
膜間の圧力差 :1.05〜1.20atm
実施例1〜4及び比較例1,2で得られた膜について、図21の概略図に示す装置を用い、次の(1)〜(5)のプロセスで、nSPM遮断率の測定を行った。得られた結果を表2に示す。
(1)ナノ粒子発生装置(Palas社製、型番:GFG−1000)により10〜500nmのカーボン粒子を発生させた。
(2)膜をサンプルホルダー(膜面積:MAX16[cm2])にセットし、バルブ(V1)を閉じ、B層を減圧した(差圧1[kPa])。
(3)B層を減圧した後、バルブ(V1)を開き、B層内が大気圧に戻る際に透過するガスに乗せてナノ粒子を膜に供給し、膜を透過した粒子をB層にためた。
(4)B層内の粒子重量を、粒子カウンター(TSI社製、型番:SMPS−3034)で粒子重量を計測した。
(5)以下の式に基づいて遮蔽率を算出した。
nSPM遮断率[wt%]=100×{(Cin−Cout)/Cin}
(式中、「Cin」は、膜上流での粒子濃度[単位:μg/ml]を示し、「Cout」は、膜透過後の粒子濃度[単位:μg/ml]を示す。
Claims (4)
- 前記選択透過材料から形成される膜に気体を透過させた場合に、前記膜を透過する気体の流れにおいてクヌーセン流(Knudsen flow)が生じる請求項1記載の選択透過材料。
- 前記オルガノシロキサン骨格を有するポリマーが、ポリオルガノシロキシ単位及び有機単量体単位を備えるシリコーン共重合体又はポリオルガノシロキサンである請求項1又は2記載の選択透過材料。
- 空調対象空間への気体の供給及び/又は空調対象空間からの気体の排出が行われる膜を備える空調システムであって、
前記膜は請求項1〜3のいずれか一項記載の選択透過材料からなる膜である空調システム。
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