(57)【要約】【課題】  本発明は、車両に搭載可能な小型で高効率の気体成分富化装置を提供することを課題とする。【解決手段】  本発明の気体成分富化装置は、少なくとも流入する流入気体に含まれる特定気体成分を富化する成分富化手段と、この成分富化手段に差圧を発生させるとともに、流入気体を成分富化手段に導入する差圧発生手段とを備え、成分富化手段は、気体成分を選択的に透過する透過膜を基材表面に一体的に形成したハニカム構造体であることを特徴とする。透過膜としてはゼオライト系材料またはシリコン系材料が望ましい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも流入する流入流体に含まれる特定流体成分を分離する成分分離手段と、
前記成分分離手段に差圧を発生させるとともに、前記流入流体を前記成分分離手段に導入する差圧発生手段とを備え、
前記成分分離手段は、流体成分を選択的に透過する透過膜を基材表面に一体的に形成したハニカム構造体であることを特徴とする流体成分分離装置。
【請求項２】
前記流体は空気である請求項１に記載の流体成分富化装置。
【請求項３】
前記透過膜は、前記空気中の酸素または窒素のいずれかを選択的に透過する請求項２に記載の流体成分分離装置。
【請求項４】
前記透過膜はゼオライト膜である請求項３に記載の流体成分分離装置。
【請求項５】
前記差圧手段は減圧手段である請求項４に記載の流体成分分離装置。
【請求項６】
前記透過膜はシリコン膜である請求項３記載の流体成分分離装置。
【請求項７】
前記差圧手段は加圧手段である請求項６記載の流体成分分離装置。
【請求項８】
前記基材は多孔質のセラミックである請求項１〜７のいずれかに記載の流体成分分離装置。
【請求項９】
前記セラミックはコージェライトである請求項８に記載の流体成分分離装置。
【請求項１０】
前記ハニカム構造体は、一端側に封止部を他端側に開口部を有するセルを該開口部と該封止部とが交互に隣り合うように並列されている請求項１〜９のいずれかに記載の流体成分分離装置。
【請求項１１】
前記ハニカム構造体のセル密度は、４００〜９００個／ｉｎｃｈ２（６２〜１４０個／ｃｍ２）である請求項１〜１０のいずれかに記載の流体成分分離装置。
【請求項１２】
前記基材は、径が１０〜５０μｍの細孔を有する請求項１〜１１に記載の流体成分分離装置。
【請求項１３】
前記流体は液体である請求項１に記載の流体成分分離装置。
【請求項１４】
前記液体は内燃機関の燃料である請求項１３に記載の流体成分分離装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気体や液体などの流体中の特定成分を分離する流体成分分離装置に関する。より詳しくは、内燃機関の吸気内に酸素を富化したり燃料成分を分離したりする分離装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
車両の内燃機関などでは、燃焼空気の酸素濃度を高めることは、発生するトルクを増大できるので、内燃機関の燃費向上や燃料の燃焼を制御する上で有効な手段の一つである。
【０００３】
燃焼空気の酸素濃度を高める手段として外気を分離膜により窒素と酸素富化空気とに分離させるガス分離装置を有する内燃機関が提案されている（特許文献１参照）。
【０００４】
上記の従来技術によれば、ハウジング内に内蔵されている分離膜（中空糸膜）を透過する速度の違いにより窒素と酸素富化空気とに分離するとしている。しかし、内燃機関には多量の酸素富化空気が必要であり、このような構成の分離装置で必要な量の酸素富化空気を得るには、分離装置を大型化せざるを得ない。
【０００５】
また、この他にも空気中の酸素富化装置については多くの研究がなされているが（例えば、特許文献２など）、いづれも車両の内燃機関に必要な量の酸素富化空気を得るには、相当大型化しなければ満足できないという欠点があった。
【特許文献１】特開平８−２５４１６１号公報
【特許文献２】特開２００４−１７００６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、以上のような課題を解決するためになされたもので、車両に搭載可能な小型で高効率の流体成分分離装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の流体成分分離装置は、少なくとも流入する流入流体に含まれる特定流体成分を分離する成分分離手段と、この成分分離手段に差圧を発生させるとともに、流入流体を成分分離手段に導入する差圧発生手段とを備え、成分分離手段は、流体成分を選択的に透過する透過膜を基材表面に一体的に形成したハニカム構造体であることを特徴とする。
【０００８】
本発明の流体成分分離装置は、基材表面に流体成分を選択的に透過する透過膜を有するハニカム構造体であるので、小体積で広い透過膜面積を実現することができる。従って、小型で高効率の流体成分分離装置とすることができる。
【０００９】
同一断面積を有する流体流路内に特定流体成分を透過する透過膜を垂直断面に沿って形成する場合と、セルの開口を千鳥状に封止したハニカム形状に形成する場合とで透過膜の面積を比較した。一例を図９に示す。図９（ａ）は１００ｍｍ×１００ｍｍの流体流路の垂直断面に沿って透過膜Ｂを形成する場合で、透過膜Ｂの片面表面積Ｓ１は１×１０４ｍｍ２である。（ｂ）は断面積は同じであるが長さ１００ｍｍのハニカム構造体を形成した場合であり、例えば、各セルＣの隔壁Ｗの厚さは０．１ｍｍ、セルＣのピッチは１．０４ｍｍとし、隣り合うセルの開口は交互に封止されているとする。このようなハニカム構造体の片面表面積Ｓ２は１．７×１０６ｍｍ２である。すなわち、断面積は同じでもハニカム構造体とすることで透過膜の面積を１７０倍とすることができる。
【００１０】
本発明の流体成分分離装置においては、透過膜は、空気中の酸素または窒素のいずれかを選択的に透過する透過膜であることが望ましい。空気中の窒素と酸素とのいずれかを透過することで酸素富化空気を得ることができる。
【００１１】
このような透過膜は、ゼオライト膜であることが望ましい。空気は主として窒素と酸素との混合物であるが、窒素と酸素とではゼオライトへの吸着特性は大きく異なり、ゼオライト膜へ流入する空気の圧力を増加するとゼオライトへの窒素吸着量は飛躍的に増大するが、酸素の吸着量の増加は非常に小さい。つまり、吸気をハニカム構造体を介して減圧排気することで、酸素はゼオライト膜側（吸気通路内）に富化されることになる。
【００１２】
また、透過膜はシリコン膜であることが好ましい。空気中の窒素はシリコン膜へは溶解し難いが、酸素は窒素の約２．５倍も溶解しやすい。従って、外部空気をハニカム構造体を介して加圧送給することで、シリコン膜を透過して基材側（吸気通路内）に酸素を富化すことができる。
【００１３】
本発明の流体成分分離装置において、ハニカム構造体は、一端側に封止部を他端側に開口部を有するセルを、開口部と封止部とが交互に隣り合うように並列されていることが望ましい。隣り合うセルの開口部を交互に封止することでハニカム構造体は流体の自由な流通を阻止することができる。
【００１４】
このようなハニカム構造体のセル密度は４００〜９００個／ｉｎｃｈ２であることが好ましい。ハニカム構造体のセル密度を上記のような範囲とすることで、透過面積が大きく、かつ流体の圧力損失の少ない成分分離装置とすることができる。
【００１５】
また、透過膜を支持しハニカム構造体を形成する基材は、多孔質のセラミックであることが望ましく、中でも、コージュライトが好適である。コージェライトは良好な成形性を有し、原料の配合や焼成方法などにより容易に所望の通気性や強度を得ることができかつ安価であるので経済的である。
【００１６】
このような基材は、径が１０〜５０μｍの細孔を有することが望ましい。径が１０〜５０μｍの細孔とすることで流体の圧力損失が小さくかつ所定の強度を有するハニカム構造体を形成することができる。
【００１７】
本発明の流体成分分離装置において、流体は液体であってもよく、中でも液体である内燃機関の燃料に好適に利用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下本発明の好適な一実施の形態を図に基づいて説明する。
【００１９】
図１に本発明の流体成分分離装置の好適な一態様である酸素富化装置１０を吸気通路１４に接続したディーゼルエンジン１２の概要を示す。
【００２０】
図１の酸素富化装置１０は、エンジンＥＤの吸気Ａに含まれる成分（以後、酸素とする。）を分離する成分分離手段（以後、酸素富化手段と称する。）１６と、この酸素富化手段１６に差圧を発生させ、空気を酸素富化手段１６に流入させる差圧発生手段１８とを備えている。差圧発生手段１８で吸気Ａまたは外部空気Ａ’を酸素富化手段１４に流入させることにより、吸気Ａを酸素富化空気ａとすることができる。なお、図中１は吸気弁、２は燃料インジェクタ、３は排気弁、４はシリンダ、５はピストンである。
【００２１】
酸素富化手段１６は、図２（ａ）に示すように外殻２０と多数のセル２２とを一体的に形成したハニカム構造体Ｈである。
【００２２】
図２（ｂ）はハニカム構造体Ｈの軸方向の部分断面を模式的に示したものである。ハニカム状に形成された各セル２２は、その一端側を封止し他端側は開口のままとして、ハニカム構造Ｈの端面Ｘ（図２（ｃ））において、各セル２２の封止部２４と開口部２６とが千鳥状に交互に並列するように形成されている。つまり、ハニカム構造体Ｈは、各セル２２の封止部２４によってハニカム構造体Ｈの一端Ｘ側から他端Ｘ’側への空気の自由な流通を阻止するように形成されている。
【００２３】
ハニカム構造体Ｈのセル２２は、図２（ｂ）に示すように、正方形（ア）、六角形（イ）、三角形（ウ）など適宜の形状とすることができるが、端面Ｘ、Ｘ’におけるセル密度は、４００〜９００個／ｉｎｃｈ２（６２〜１４０個／ｃｍ２）であることが望ましい。セル密度が４００個／ｉｎｃｈ２未満では、気体成分の透過面積が不十分であり酸素富化装置を小型化できない。また、９００個／ｉｎｃｈ２を越えると流通する空気の圧力損失が大きくなるので好ましくない。より好ましくは４００〜６００個／ｉｎｃｈ２（６２〜９３個／ｃｍ２）である。
【００２４】
このようなハニカム構造体Ｈにおいて、セル隔壁２８の厚さは０．０５〜１．０ｍｍであることが望ましい。セル隔壁２８の厚さが０．０５ｍｍ未満では強度的に不十分であり、また１．０ｍｍを越えて厚い場合には加圧力が大きいポンプ１８を必要とするので適当ではない。 より好ましくは０．１〜０．５ｍｍである。
【００２５】
ハニカム構造体Ｈの各セル２２を隔てる隔壁２８の表面には、気体中の特定成分を選択的に透過する透過膜３０が隔壁２８と一体的に形成されている。
【００２６】
透過膜３０は、気体中の特定成分を分離できるものであれば、特に限定はないが、空気中の酸素と窒素とを分離する場合には、ゼオライト系材料やシリコン系材料からなる薄膜が好適である。
【００２７】
空気は主として窒素と酸素との混合物であるが、図３に示すように元素によりゼオライトへの吸着特性が大きく異なる。つまり、ゼオライト膜を透過する空気の圧力を増加すると空気中の窒素分子Ｎ２の吸着量は飛躍的に増大するが、酸素分子Ｏ２の吸着量の増加量は小さい。例えば、差圧を８００ｔｏｒｒとすると、窒素分子Ｎ２の吸着量は、約１５Ｌ／ｋｇ（ただし、Ｌは付着する窒素体積、ｋｇはゼオライトの重量である。）であり、酸素分子Ｏ２の吸着量は約３Ｌ／ｋｇと非常に小さく、窒素分子Ｎ２の吸着量の約１／５．４にすぎない。例えば、ハニカム構造体Ｈの透過膜形成側Ｘを吸気Ａと接触するように配置して（図１では下向き）、吸気Ａをハニカム構造体Ｈを介してポンプ１８で減圧排気することで、酸素Ｏ２はゼオライト膜側（Ｘ側）、すなわち、吸気通路１４内に富化されることになる。
【００２８】
図４に透過膜３０がゼオライト膜の場合の酸素富化の作用を模式的に示す。ゼオライト膜３０ｚはセルの隔壁２８の表面に形成されており、ゼオライト膜３０ｚを貫通する細孔３２が多孔質からなる隔壁２８の通孔３４に連通している（隔壁２８の通孔３４は、ゼオライト膜３０ｚを貫通する細孔３２よりもはるかに大径であるので図４の断面図では単に空間３４としている。）。なお、吸気Ａの圧力はゼオライト膜３０ｚの表面３６側で高く隔壁２８側で低くなっている。吸気Ａ中の窒素分子Ｎ２（●）はゼオライトに吸着されるのでゼオライト膜表面３６に濃縮される。細孔３２はその径が３０〜５０Åと極めて小さいので、吸着された窒素はゼオライト膜前後の圧力差で細孔３２の表面上を矢印Ｙ方向に移動してゼオライト膜３０ｚを通過する。しかし、酸素分子Ｏ２（○）はゼオライト膜に吸着されにくいので細孔３２を通過することなく、ゼオライト膜表面３６近傍に滞留する。その結果ゼオライト膜３０ｚ側の吸気Ａは酸素富化空気ａとなる。
【００２９】
酸素富化空気ａの酸素濃度Ｃ（％）は、図７に示すように、透過膜の前後で発生する差圧ΔＰに比例して増加する。従って、図１のゼオライト膜３０ｚを有する酸素富化装置１０では、ポンプ１８の排気圧力を増加させることにより酸素富化空気ａの酸素濃度を増大させることができる。このような酸素富化装置１０において、酸素富化空気ａの酸素濃度は３０〜９０容量％であることが望ましい。吸気中の酸素濃度Ｃにより図８に示すように内燃機関のトルクτは比例的に増大するので、内燃機関の燃費を向上することができる。
【００３０】
このようなゼオライト膜３０ｚの厚さは０．１〜１００μｍであることが望ましい。膜厚が０．１μｍ未満では強度不足やピンホールが発生することがあり、また、１００μｍを越えると透過するための圧力差が大きくなって適当ではない。より好ましくは１０〜５０μｍである。
【００３１】
図５に本発明の酸素富化装置１０を吸気通路１４に接続したガソリンエンジンＥＧの概要を示す。なお、図１と同様の機能を有するものは同一の符号を付し説明を省略する。図中６は点火プラグである。
【００３２】
透過膜を上記のようなゼオライト膜に代えてシリコン系材料膜（以後、シリコン膜という。）とすることも好ましい。空気中の窒素はシリコン膜へは溶解し難いが、酸素は窒素の約２．５倍も溶解しやすい。例えば、図５においてハニカム構造体Ｈの透過膜形成側Ｘを吸気Ａと接触するように上向きに配置して、外部空気Ａ’をハニカム構造体Ｈを介してポンプ１８で加圧送給することで、酸素はシリコン膜を透過して吸気通路１４内に透過されるので、酸素富化空気ａを得ることができる。
【００３３】
図６に透過膜３０がシリコン膜の場合の酸素富化の作用を模式的に示す。シリコン膜３０ｓはセル２２の隔壁２８の表面に形成されており、隔壁２８の通孔３４遮蔽している（隔壁２８の通孔３４は、シリコン膜３０ｓの膜厚に比べて大径であるので図５の断面図では単に空間３４としている。）。なお、外部空気Ａ’の圧力はシリコン膜３０ｚの表面側３８で高く、隔壁２８側で低くなっている。外部空気Ａ’がポンプ１８によって加圧されると、外部空気Ａ’中の酸素分子Ｏ２（○）と窒素分子Ｎ２（●）とはシリコン膜３２ｓに溶解し、シリコン膜内を矢印Ｚ方向に移動して隔壁２８の通孔３４へ脱離する。しかし、溶解速度は窒素よりも酸素の方が大きいので、酸素が優先的に透過し、窒素はシリコン膜表面３８側に滞留する。その結果、酸素が脱離した隔壁２８側の吸気Ａは酸素富化空気ａとなる。酸素富化空気ａの酸素濃度Ｃ（％）は、上記のゼオライト膜の場合と同様に、透過膜の前後で発生する差圧ΔＰに比例して増加する。従って、図５のシリコン膜３０ｓを有する酸素富化装置１０ａでは、ポンプ１８の加圧力を増加させることにより酸素富化空気ａの酸素濃度を増大させることができる。このような酸素富化装置において、酸素富化空気の酸素濃度は３０〜９０容量％であることが望ましい。吸気中の酸素濃度を高めることで内燃機関のトルクは増大し、内燃機関の燃費を向上することができる。
【００３４】
このようなシリコン膜３０ｓの厚さは０．１〜１００μｍであることが望ましい。膜厚が０．１μｍ未満では強度不足やピンホールが発生することがあり、また、１００μｍを越えると透過するための圧力差が大きくなって適当ではない。より好ましくは１０〜５０μｍである。
【００３５】
上記のように多孔質の基材表面に一体的に形成した透過膜により、気体中の特定成分を富化することができる。従って、基材は、透過膜の透過性を阻害しない程度の多孔質体であることが望ましい。このような多孔質体の材質は特に限定はなく、金属、金属酸化物などのセラミックス、カーボンおよび有機ポリマなどを用いることができる。強度や剛直性の観点からは、金属及び金属酸化物、金属窒化物、金属炭化物などのセラミックスが好ましく、ゼオライト膜やシリコン膜との熱膨張率の差が少ないこと、あるいはそれらとの親和性が高いこと等を考慮すると金属としては、ステンレス製の燒結金属、金属酸化物としてはアルミナ、ジルコニア、シリカ、ムライト、コージェライト、チタニア、ゼオライトまたはゼオライト類似物等を挙げることができる。中でも、多硬質のセラミックであるコージェライトは良好な成形性を有し、原料の配合や焼成方法などにより容易に所望の通気性（通孔径や通孔密度など）や強度を得ることができるので好適である。
【００３６】
また、このような多孔質体の平均通孔径は１００μｍ以下が強度的に好ましく、更に好ましくは５０μｍ以下である。
【００３７】
本発明の酸素富化装置は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で変更してもよい。例えば、気体成分を選択的に透過する透過膜を図１ではゼオライト膜とし、図５ではシリコン膜としたが、図１のディーゼルエンジンＥＤでシリコン膜とし、図５のガソリンエンジンＥＧでゼオライト膜としてもよい。また、図２（ａ）では円柱形状のハニカム構造体Ｈを示したが、ハニカム構造体Ｈを収容する気体通路の形状に合わせて角柱形状でもその他の形状を採用してもよい。
【００３８】
以上は本発明の流体成分分離装置を気体である空気中の酸素と窒素との分離に適用した態様について説明したが、液体である内燃機関の燃料成分の分離に利用することも可能である。例えば、燃料中の直鎖成分とアロマ成分などとの分離にも好適に適用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明は車両のガソリンエンジンやディーゼルエンジンの燃焼空気を酸素富化する酸素富化装置として好適である。また、液体である内燃機関の燃料成分の分離に利用することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】一実施の形態の構成を説明する概要図である。
【図２】ハニカム構造体の概要を説明する図である。（ａ）ははハニカム構造体Ｈの斜視図であり、（ｂ）はセルの部分断面模式図であり、（ｃ）はハニカム構造体の一端面を模式的に示した正面図である。
【図３】ゼオライト膜に対する差圧による吸着量の変化を窒素と酸素について比較して示したグラフである。
【図４】ゼオライト膜における窒素と酸素との透過の違いを説明する断面模式図である。
【図５】その他の実施の形態の構成を説明する概要図である。
【図６】シリコン膜における窒素と酸素との透過の違いを説明する断面模式図である。
【図７】透過膜に発生する差圧と酸素濃度との関係を概念的に示すグラフである。
【図８】吸気の酸素濃度と内燃機関のトルクとの関係を概念的に示すグラフである。
【図９】気体流路の垂直断面積に沿って形成した透過膜と、ハニカム構造とした場合の透過膜との透過膜面積を比較する一例を示す図である。
【符号の説明】
【００４１】
１０：気体成分富化装置  １４：吸気流路  １６：成分富化手段  １８：ポンプ２０：外殻  ２２：セル  ２４：封止部  ２６：開口部  ２８：隔壁  ３０：透過膜  ３２：細孔  ３４：通孔  ３６：ゼオライト膜表面  ３８：シリコン膜表面
Ａ：吸気  Ａ’：外部空気  Ｂ：透過膜  Ｃ：セル  Ｗ：隔壁  ａ：酸素富化空気
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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