JP5812192B2 - 車両用大気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、車両用大気浄化装置に関し、大気中のオゾンを浄化することのできる車両用大気浄化装置に関する。

光化学スモッグの発生原因であるオゾンは、自動車や工場の排気ガスに含まれるＨＣとＮＯｘが光化学反応を起こすことによって生成される。このため、自動車からのＨＣやＮＯｘの排出量を抑えることは、オゾンの生成を抑えて光化学スモッグの発生を防ぐための有効な手段である。一方、光化学スモッグの発生を防ぐ手段としては、大気中のオゾンを直接浄化することも考えられる。反応物であるＨＣやＮＯｘの排出量の低減を目指すだけでなく、生成物であるオゾンの浄化も図ることで、光化学スモッグの発生をより効果的に防ぐことが可能となる。このような観点から、米国カリフォルニア州をはじめとする一部の地域では、大気中のオゾンを直接浄化することのできる車両用大気浄化装置を備えた自動車が実用されている。この車両用大気浄化装置は、特に、ＤＯＲ(Direct Ozone Reduction)システムと呼ばれている。

このようなＤＯＲシステムとして、例えば特許文献１には、二酸化マンガン等の金属酸化物を車両構成部品に担持させたものが開示されている。この車両構成部品は、車両走行時に大気に触れる箇所に設置されるものであり、二酸化マンガンは、大気中に含まれるオゾンを酸素等の他の物質に変換して浄化する機能を有する。従って、特許文献１のＤＯＲシステムによれば、車両走行中に大気中のオゾンを直接浄化できる。

日本特表２００２−５１４９６６号公報 日本特開２００６−２３１３２４号公報 日本特開２０１１−２１２６３９号公報

ところで、オゾンを浄化する機能は、二酸化マンガン等の金属酸化物だけでなく、活性炭にも備えられていることが知られている。活性炭は、安価に入手が可能であり、尚且つ、金属酸化物に匹敵するオゾン浄化能を有する上に常温（２５℃）域にてオゾンを浄化できる。そのため、活性炭は、金属酸化物の代替品として有望視されている。しかしながら、活性炭をオゾン浄化体として用いる場合、そのオゾン浄化機能が劣化し易いという問題がある。

この劣化問題に関し、本発明者らは既に、活性炭のオゾン分解時に生成する活性酸素が主な要因物質であることに着目した開発を行っている。詳細は後述するが簡単に紹介すると、活性酸素は活性炭のオゾン浄化サイトを消失させる作用を有するものであり、この活性酸素が当該オゾン浄化サイトに接触する確率は、車両前方から後方にかけて高くなる。このような知見に基づき、本発明者らは、車両構成部品において、車両前方から後方にかけて活性炭のコート量を減らし、活性酸素に因る活性炭のオゾン浄化機能の劣化を抑制可能な大気浄化装置を開発している。

ところが、活性炭のオゾン浄化機能の劣化という観点からではなく、オゾン浄化体としての活性炭の耐久性という観点から本発明者らが更なる開発を行ったところ、上述した接触確率に基づいたコート量調整では耐久性に不安が残る可能性が示された。

本発明は、上述の課題に鑑みなされたものである。即ち、オゾン浄化体としての活性炭の耐久性を向上可能なＤＯＲシステムを提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、車両用大気浄化装置であって、
車両走行時に大気が流入する大気流入口と、前記大気流入口から流入した大気を外部に排出する大気排出口と、前記大気流入口と前記大気排出口とを接続する内部流路とを備える車両構成部品と、
前記内部流路の壁面に担持され、活性炭を含むオゾン浄化体と、を備え、
前記オゾン浄化体の担持量が、前記大気排出口側よりも前記大気流入口側の方が少ないことを特徴とする。

また、第２の発明は、第１の発明において、
前記車両構成部品は、流入大気と前記壁面との間で熱交換を行う熱交換器であり、
前記壁面の大気流入口側の所定領域に担持する前記オゾン浄化体の担持量がゼロであることを特徴とする。

また、第３の発明は、第１または第２の発明において、
前記車両構成部品がラジエータまたはインタークーラであることを特徴とする。

また、第４の発明は、第１乃至第３の発明の何れか１つにおいて、
前記オゾン浄化体が、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、ルテニウムおよびロジウムのうちの少なくとも１つを更に含むことを特徴とする。

今回本発明者らが新たに得た知見によれば、車両前方から後方にかけて活性炭のコート量を減らすよりも、車両前方から後方にかけて活性炭のコート量を増やした方が活性炭の耐久性を向上できることが明らかとなった。よって、本知見に基づく第１の発明によれば、上記内部流路の壁面に担持したオゾン浄化体の耐久性を向上可能なＤＯＲシステムを提供できる。

第２の発明によれば、上記所定領域に担持するオゾン浄化体の担持量をゼロとしたので、該所定領域において、上記内部流路の壁面に流入大気を直接接触させることができる。そのため、該所定領域にもオゾン浄化体を担持させた場合に比して熱交換性能を向上できる。よって、本発明によれば、車両構成部品が熱交換器の場合において、その冷却性能を確保しつつ、オゾン浄化体の耐久性を向上可能なＤＯＲシステムを提供できる。

第３の発明によれば、その内部にエンジン冷却水等が流れるラジエータやインタークーラにオゾン浄化体を設けるので、当該オゾン浄化体において、エンジン冷却水等の熱を利用したオゾン浄化反応を効率的に進行させることが可能となる。

第４の発明によれば、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、ルテニウムおよびロジウムのうちの少なくとも１つを活性炭と組み合わせて上記オゾン浄化体として上記内部流路の壁面に担持できる。

本実施形態の大気浄化装置を搭載した車両の構成を示す概略図である。 ラジエータ１４の断面図を示した図である。 図２のフィン２０の部分拡大図である。 オゾン含有ガスの通過速度を変化させた場合におけるオゾン浄化試験の結果を示した図である。 ラジエータを通過させるガスの速度と、そのガスがラジエータに接触する確率との関係を示した図である。 ラジエータ１４のフロント面からの距離と、ガス接触確率との関係を示した図である。 耐久性試験の結果を示した図である。 フィン２０にコーティングする活性炭のコート量の具体例を示した図である。

以下、図１乃至図８を参照しながら、本発明の実施の形態について説明する。図１は、本実施形態の大気浄化装置を搭載した車両の構成を示す概略図である。車両１０は、動力装置としての内燃機関１２を備えている。内燃機関１２から排出される排気ガスには、ＨＣやＮＯｘが含まれている。オゾンはＨＣやＮＯｘを反応物として光化学反応により生成される。そのため、内燃機関１２を備える車両１０に大気浄化装置を搭載し、車両１０の走行中に大気中のオゾンを浄化することで、車両１０が環境に与える影響を低減することができる。

車両１０において、内燃機関１２の前方には、内燃機関１２に循環させる冷却水を冷却するラジエータ１４が配置されている。ラジエータ１４の前方には、エアコンのコンデンサ１６が取り付けられている。図１に矢印で示すように、車両１０の走行時には、車両１０のフロント面のバンパーグリル１８から大気が取り込まれ、取り込まれた大気が、コンデンサ１６、ラジエータ１４をこの順に通過して後方へ排出される。

ラジエータ１４のコアには、ルーバ付きアルミフィンが備えられている。図２は、ラジエータ１４の断面図を示した図である。図２に示すように、ラジエータ１４のフィン２０には、複数のルーバ２２が複数形成されている。ルーバ２２は、フィンの平坦部２０ａ，２０ｂに対して斜めに傾斜させた傾斜片２２ａ，２２ｂや、折り曲げ成形された折曲片２２ｃから構成されている。このようなルーバ２２の構成によれば、大気がルーバ２２を流れる際に圧力損失を生じさせることができるので、その流速を低下できる。また、大気の二次流れを生じさせることもできる。よって、ラジエータ１４による放熱性能を向上できる。

本実施形態の大気浄化装置は、図２のフィン２０にオゾン浄化体としての活性炭をコーティングすることにより形成されている。図３は、図２のフィン２０の部分拡大図である。同図（ａ）は、フィン２０のフロント側における部分拡大図であり、同図（ｂ）は、フィン２０のリア側における部分拡大図である。図３（ａ），（ｂ）に示すように、ルーバ２２は、フロント側からリア側にかけて活性炭のコート量が徐々に増加するように調整されている。このようにコート量を調整した理由について、本発明者らによって既に得られている知見に関する図４乃至図６と、新たに得られた知見に関する図７とを参照しながら説明する。

図４は、オゾン含有ガスの通過速度を変化させた場合におけるオゾン浄化試験の結果を示した図である。図４の横軸は耐久距離（キロマイル）を、縦軸は初期状態（耐久距離０キロマイル時）におけるオゾン浄化率を基準とした相対値を、それぞれ示す。図４中に示す各データは、サイズおよび比表面積が同等の２つの活性炭を準備し、この２つの活性炭の前方から後方に向けて一定濃度のオゾン含有ガスを異なる速度（風速１ｍ／ｓおよび風速１０ｍ／ｓ）で通過させた際に、活性炭後方のオゾン濃度をそれぞれ測定することにより得たものである。

図４に示すように、活性炭のオゾン浄化率は、耐久距離が長くなるにつれて低下する。また、図４に示すように、活性炭のオゾン浄化率の低下度合いは、通過させるオゾン含有ガスの速度によって変化する。具体的に、オゾン含有ガスを風速１ｍ／ｓで通過させた場合は、オゾン浄化率が約３０キロマイルで初期状態の半分まで低下するが、オゾン含有ガスを風速１０ｍ／ｓで通過させた場合は、約３０キロマイルでも初期状態の約７割以上を示し、約６０キロマイル付近でようやく初期状態の半分程度まで低下する。つまり、低速（風速１ｍ／ｓ）で通過させると、高速（風速１０ｍ／ｓ）で通過させる場合に比して、オゾン浄化率の低下度合いが大きくなる。

図５は、ラジエータを通過させるガスの速度と、そのガスがラジエータに接触する確率（以下、「ガス接触確率」と称す。）との関係を示した図である。このグラフは、アルミハニカム式のラジエータのモデルに対して、Ｇｏｒｍｌｅｙ−Ｋｅｎｎｅｄｙの拡散理論式を適用することにより算出したものである。図５に示すように、風速が１ｍ／ｓ付近ではガス接触確率が約１００％であり、風速が１０ｍ／ｓ付近ではガス接触確率が約１０％となる。つまり、ガス接触確率は、通過ガス速度が遅い場合は高く、通過ガス速度が速くなるにつれて緩やかに低下する。

図４、５から、オゾン浄化率の低下度合いと、ガス接触確率との間には相関があることが分かる。即ち、図５のグラフから、通過ガス速度が遅いほどガス接触確率が高く、通過ガス速度が速いほどガス接触確率が低くなることが分かる。また、図４のグラフから、通過速度が遅いほどオゾン浄化率の低下度合いが大きく、通過速度が速いほどオゾン浄化率の低下度合いが小さくなることが分かる。従って、図４、５から、ガス接触確率が高ければオゾン浄化率の低下度合いが大きくなり、ガス接触確率が低ければオゾン浄化率の低下度合いが小さくなることが分かる。

また、図６は、ラジエータ１４のフロント面からの距離と、ガス接触確率との関係を示した図である。図６に示すように、ラジエータ１４のフロント面からの距離が離れるほどガス接触確率が増加する。この理由は、図２の説明の際に述べたように、ラジエータ１４内においては、ルーバ２２が形成されていることで大気流れを減速でき、或いはその二次流れを発生できるためである。よって、図４乃至図６から、ラジエータ１４のフロント面からの距離が離れるほどガス接触確率が高くなり、オゾン浄化率の低下度合いが大きくなることが分かる。

ここで、本発明者らは既に、活性炭のオゾン浄化率の低下が、主として活性炭のオゾン分解時に生成する活性酸素による酸化作用に起因するものであることに着目した開発を行っている。即ち、車両走行中に活性酸素が生成すれば、この活性酸素はフロント側からリア側に流れる。本発明者らは、活性酸素がラジエータに接触する確率はリア側ほど高くなり、それ故に、リア側ほど活性炭の消失が著しくなると推察し、フロント側からリア側にかけて活性炭コート量を減らしたラジエータを開発している。

ところが、本発明者らによる耐久性試験によれば、上記推察とは正反対のデータが得られた。図７は、この耐久性試験の結果を示すデータである。図７に示す３種類のデータはそれぞれ、Ｒｒ高担持品（実線）、Ｆｒ高担持品（破線）および均一担持品（一点鎖線）を示したものである。なお、同図中に模式的に示すように、Ｒｒ高担持品とは、フロント側に比べてリア側の活性炭コート量を多く調整したものである。また、Ｆｒ高担持品とは、リア側に比べてフロント側の活性炭コート量を多く調整したものである。また、均一担持品とは、フロント側からリア側にかけて活性炭コート量に差異を設けないものである。

図７の横軸は耐久距離（キロマイル）を、縦軸はＦｒ高担持品の初期状態（耐久距離０キロマイル時）におけるオゾン浄化率を基準とした相対値を、それぞれ示す。図７に示すように、活性炭のオゾン浄化率は耐久距離に応じて低下するが、その低下度合いは、活性炭コート量によって異なる。即ち、Ｒｒ高担持品やＦｒ高担持品における低下度合いは、均一担持品のそれに比して小さくなる。また、Ｒｒ高担持品における低下度合いは、Ｆｒ高担持品のそれに比して小さくなる。

図７に示したデータが得られた理由としては、活性酸素による酸化作用によって活性炭が劣化した場合であっても、活性炭の比表面積がある程度残存することが可能であることが考えられた。そして、活性炭の比表面積がある程度残存していれば、ガス接触確率が高くなるリア側において、オゾンを積極的に分解できる可能性もそれだけ高くなると考えられた。このような推察に基づき、本実施形態では、フィン２０にコーティングする活性炭のコート量を調整している。

図８は、フィン２０にコーティングする活性炭のコート量の具体例を示した図である。図６の説明の際に述べたように、ガス接触確率は、ラジエータ１４のフロント面からの距離が遠くなるほど二次関数的に増加する。そのため、活性炭のコート量としては、図８に示すように、ラジエータ１４のフロント面からの距離に応じて対数関数的或いは比例関数的に増加させる。即ち、本発明者らが以前に開発したラジエータとは正反対となるように活性炭コート量を調整する。なお、活性炭のコート量の代わりに、活性炭のコート厚さによって調整してもよい。

再び図３に戻り本実施の形態の大気浄化装置の説明を続ける。図３（ａ）に示すように、平坦部２０ａには、活性炭を全くコートしていない。このような活性炭非コーティング箇所を設けることで、ラジエータ１４のフロント面側において、大気が直接フィン２０に接触する表面積を一定量確保可能となる。よって、ラジエータ１４本来の冷却機能を担保することも可能となる。

以上、本実施形態の大気浄化装置によれば、ラジエータ１４のフロント面側からリア面側にかけて活性炭コート量を増やすように調整したので、活性酸素による活性炭の酸化劣化をある程度許容しつつも、ラジエータ１４としての耐久性を向上することができる。また、平坦部２０ａに活性炭非コーティング箇所を設けたので、ラジエータ１４本来の冷却機能を担保することも可能となる。

ところで、本実施形態においては、車両構成部品としてラジエータ１４を例示したが、インタークーラにも適用が可能である。インタークーラは、車両走行中に大気の流路が形成される箇所に設けられるものであるので、このインタークーラのフィンに本実施形態と同様にそのコート量を調整した活性炭を設けた場合には、本実施形態と同様の効果を得ることが可能となる。

また、本実施形態においては、フィン２０を備えるラジエータ１４を用いたが、フィン２０は必ずしも必要ではない。即ち、ラジエータ１４の代わりに、細い流路が形成された冷却コアを密集させた所謂ハニカムラジエータを用いてもよい。ハニカムラジエータを用いる場合、その流路壁面に活性炭がコーティングされる。そのため、この流路内を流れる大気の圧力損失は下流側ほど増加し、その流速が低下する。従って、ガス接触確率は下流側ほど大きくなるので、本実施形態と同様に活性炭のコート量を調整すれば、上述した効果を得ることができる。

また、本実施形態においては、フィン２０に活性炭をコーティングしたが、活性炭と同時に、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、ルテニウムまたはロジウムといった単体金属をコーティングしてもよい。なお、これらの単体金属は、同時に二種類以上をコーティングしてもよい。

１０ 車両
１２ 内燃機関
１４ ラジエータ
１６ コンデンサ
１８ バンパーグリル
２０ フィン
２０ａ，ｂ 平坦部
２２ ルーバ
２２ａ，ｂ 傾斜片
２２ｃ 折曲片

Claims (4)

1. 車両走行時に大気が流入する大気流入口と、前記大気流入口から流入した大気を外部に排出する大気排出口と、前記大気流入口と前記大気排出口とを接続する内部流路とを備える車両構成部品と、
   前記内部流路の壁面に担持され、活性炭を含むオゾン浄化体と、を備え、
   前記オゾン浄化体の担持量が、前記大気排出口側よりも前記大気流入口側の方が少ないことを特徴とする車両用大気浄化装置。
2. 前記車両構成部品は、流入大気と前記壁面との間で熱交換を行う熱交換器であり、
   前記壁面の大気流入口側の所定領域に担持する前記オゾン浄化体の担持量がゼロであることを特徴とする請求項１に記載の車両用大気浄化装置。
3. 前記車両構成部品がラジエータまたはインタークーラであることを特徴とする請求項１または２に記載の車両用大気浄化装置。
4. 前記オゾン浄化体が、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、ルテニウムおよびロジウムのうちの少なくとも１つを更に含むことを特徴とする請求項１乃至３何れか１項に記載の車両用大気浄化装置。

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