JP2015078650A - キャニスタ用蓄熱材 - Google Patents

Abstract

【課題】溶融しても相変化物質が密閉容器内で移動せず、且つ外部からの熱を効率よく相変化物質へ伝導可能なキャニスタ用蓄熱材を提供する。
【解決手段】燃料タンク内において発生した蒸発燃料を吸着捕捉するためのキャニスタ２０内へ、吸着材１２と共に配され、凝固あるいは溶融する際の潜熱を利用してキャニスタ２０内の温度変化を抑制する相変化物質１７が密閉容器４１・５１内に収容されたキャニスタ用蓄熱材４０・５０であって、相変化物質１７は、Ｃ₁₅〜Ｃ₁₈のバラフィン系炭化水素と、オレフィン系エラストマーからなるゲル化剤とを含有し、溶融温度となると半固形化したゲル状となる。また、相変化物質１７は、密閉容器４１・５１の内壁面全体に沿って配され、密閉容器４１・５１内の中央部には、相変化物質１７の相変化に伴う体積変化を許容可能な空間Ｓを有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料タンク内において発生した蒸発燃料を吸着捕捉するためのキャニスタ内へ吸着材と共に配され、凝固あるいは溶融する際の潜熱を利用してキャニスタ内の温度変化を抑制する相変化物質が密閉容器内に収容された、キャニスタ用の蓄熱材に関する。

この種の蓄熱材として、例えば本出願人が先に提案した下記特許文献１がある。特許文献１では、密閉容器内に収容される相変化物質として、融点が１８℃のヘキサデカン（Ｃ₁₆Ｈ₃₄）等を使用している。この相変化物質は、溶融温度（融点以上の温度）では液体となる。このとき、固体から液体への相変化に伴って体積が増大するため、密閉容器内には、相変化物質の体積増加分を許容できる空間が、密閉容器の内壁面と相変化物質の表面との間に設けられている。

特開２００９−２１５９３８号公報

しかしながら、特許文献１での相変化物質は溶融すると完全な液体となるため、車両運転中の加減速や旋回動作等による通称Ｇと称される慣性力が作用すると、密閉容器内にて相変化物質が移動し、密閉容器内壁面と相変化物質との接触位置や積極面積が変動してしまう。これでは、蓄熱材の周囲から密閉容器を介して相変化物質へ至る熱伝導性にバラツキが生じ、蓄熱効果、すなわち温度変化の抑制効果が不安定となってしまう。

また、特許文献１では、溶融すると完全な液体となる相変化物質を使用することを前提としているため、当該相変化物質の体積変化を許容する空間は、密閉容器の内壁面と相変化物質の表面との間に設けられている。これでは、密閉容器と相変化物質とが接触していない部分が常に存在することになり、蓄熱材全体において外部からの熱を効率よく相変化物質へ伝導させることができない。

そこで、本発明は上記課題を解決するものであって、溶融しても相変化物質が密閉容器内で移動せず、且つ外部からの熱を効率よく相変化物質へ伝導可能な、キャニスタ用蓄熱材を提供することを目的とする。

そのための手段として、本発明は、燃料タンク内において発生した蒸発燃料を吸着捕捉するためのキャニスタ内へ、前記蒸発燃料を吸着可能な吸着材と共に配され、凝固あるいは溶融する際の潜熱を利用して前記キャニスタ内の温度変化を抑制する相変化物質が密閉容器内に収容された、キャニスタ用の蓄熱材である。ここで、前記相変化物質は、溶融温度となると半固形化したゲル状となる。そのうえで、前記相変化物質は前記密閉容器の内壁面全体に沿って配され、前記密閉容器内の中央部には、前記相変化物質の相変化に伴う体積変化を許容可能な空間を有することを特徴とする。

これによれば、相変化物質は溶融温度となっても完全に液体とはならず半固形化したゲル状となるだけなので保形性を有し、車両運転中の慣性力が作用してもその場から移動することはない。したがって、常に一定の密閉容器と相変化物質との接触位置や積極面積が保たれるため、蓄熱材の周囲から密閉容器を介して相変化物質へ至る熱伝導性が安定し、蓄熱効果、すなわち温度変化の抑制効果も安定する。しかも、相変化物質は溶融温度となっても保形性を有するため、相変化物質の相変化に伴う体積変化を許容可能な空間を密閉容器の中央部に設け、相変化物質は密閉容器の内壁面全体に沿って配すことで、相変化物質と密閉容器との接触面積を最大にできる。そのため、蓄熱材全体において外部からの熱を効率よく相変化物質へ伝導させることができ、温度変化の抑制効果も向上する。

前記相変化物質としては、Ｃ₁₅〜Ｃ₁₈のバラフィン系炭化水素にゲル化剤を添加したゲル化パラフィンを使用することができる。相変化物質の主体としてＣ₁₅〜Ｃ₁₈のバラフィン系炭化水素を使用してれば、その融点は約１０〜２８℃の範囲にあり、キャニスタ内の一般的な温度変化域である４〜８０℃において高い蓄熱効果を発揮させることができる。そのうえで、当該バラフィン系炭化水素にゲル化剤を添加することで、溶融温度となっても半固形化したゲル状とすることができる。

前記ゲル化剤としては、オレフィン系エラストマーを使用することができる。当該オレフィン系エラストマーは、Ｃ₁₅〜Ｃ₁₈のバラフィン系炭化水素より融点が高く、１０〜５０ｎｍのナノオーダーレベルの螺旋状の結晶部が互いに連結して網状の構造をとる。そのため、相変化物質は、オレフィン系エラストマーの網構造によって、非晶部であるバラフィン系炭化水素が保持された構造となる。これにより、蓄熱材は溶融温度となっても網構造が残り、均一に半固形化した保形性を有するゲル状で留まることになる。

本発明によれば、相変化物質は溶融温度となってもゲル状となるだけなので、密閉容器内で移動せず密閉容器との接触面積を常に一定の保てるため、蓄熱効果が安定する。また、相変化物質を密閉容器の内壁面全体に沿って配すことができるので、密閉容器を介しての相変化物質への熱伝導性が高くなり、優れた蓄熱効果を得ることができる。

キャニスタの縦断面図である。 キャニスタの横断面図である。 蓄熱材の外観図である。 蓄熱材の断面図である。 蓄熱材の製造方法を示す断面図である。 蓄熱材の別製造方法を示す断面図である。

先ず、本発明の蓄熱材が使用されるキャニスタについて説明する。キャニスタは、ガソリン等の揮発性の高い液体を燃料とする自動車等の車両に搭載されるものであって、燃料タンク内で発生した蒸発燃料を選択的に吸着捕捉して、蒸発燃料が大気中に漏れ出るのを防止するためのものである。

図１、図２に示すように、キャニスタ２０は、内部が複数に仕切られた容器本体部２１と、その容器本体部２１の開口（図１において下端側）を塞ぐ蓋部２２とから構成されている。容器本体部２１の内部は、図２に示すように、仕切り壁２１ｗによって横断面形状略角形の主室２４と、横断面形状略円形の副室２５とに仕切られている。これにより、キャニスタ２０内では、気体がＵ字状の流路を辿って流動することになる。また、副室２５は、図１に示すように、バッファープレート２３により第１副室２５ａと第２副室２５ｂとに仕切られている。

容器本体部２１には、蓋部２２と反対側の天壁部に、タンクポート２４１とパージポート２４２、及び大気ポート２５１が並んで形成されている。タンクポート２４１は燃料タンクと連通されており、当該燃料タンク内において発生した蒸発燃料と空気の混合ガスＦ₀の導入口となる。パージポート２４２は、エンジンへ空気を供給する吸気管、または真空ポンプと連通しており、機関吸気または真空ポンプによってキャニスタ２０内へ負圧が作用すると、キャニスタ２０内に吸着されていた蒸発燃料が脱離されていく蒸発燃料Ｆ₁の排出口となる。大気ポート２５１は大気（外気）と連通しており、空気Ｇの吸排気口となる。

そのうえで、大気ポート２５１は、多数の細かい開口を備える多孔板２５ｘを介して、第１副室２５ａと連通している。一方、タンクポート２４１及びパージポート２４２は、同じく多数の細かい開口を備える多孔板２４ｘを介して主室２４と連通している。容器本体部２１の主室２４側の天壁部には、主室２４内に突出するように隔壁２４ｋが形成されており、その隔壁２４ｋによってタンクポート２４１と連通する主室２４の内部空間と、パージポート２４２と連通する主室２４の内部空間とが隔てられている。

図２に示すように、容器本体部２１の主室２４には、複数個（本実施形態では三個）の蓄熱材４０が、気体の流動方向に沿って互いに間隔をおいた状態で取り付けられている。そのうえで、各蓄熱材４０の相互間、及び蓄熱材４０と主室２４の内壁面との間の空間に、蒸発燃料を吸着する吸着材１２が充填されている。吸着材１２は、蒸発燃料を選択的に吸着するとともに、空気パージされることで吸着した蒸発燃料を離脱可能な活性炭等により構成されている。ここで、多孔板２４ｘの開口は、吸着材１２よりも十分小さな寸法に設定されており、吸着材１２を主室２４内に保持できるように構成されている。

容器本体部２１の主室２４の開口は、蓄熱材４０を取り付け、且つ吸着材１２を充填した後に、図１に示すように、内蓋板２７によって塞がれる。内蓋板２７は、第１フィルタ２７ｆと多孔板２７ｘとから構成される通気性の蓋板であり、吸着材１２を主室２４内に保持する働きをする。内蓋板２７は、主室２４の開口を塞いだ状態で、その主室２４の内壁面に沿って摺動可能に構成されている。そして、内蓋板２７の背面中央に、その内蓋板２７を押圧する方向に付勢されたコイルスプリング２７ｓの一端が装着されている。このため、容器本体部２１の開口が蓋部２２によって閉じられると、コイルスプリング２７ｓの他端が蓋部２２の内壁面によって押圧される。これにより、内蓋板２７はコイルスプリング２７ｓによって主室２４内に押し込まれる方向の力を受ける。この結果、吸着材１２の粒子間に不必要な空間が形成されることがなく、通気抵抗をほぼ一定にできる。

容器本体部２１の副室２５は、前述のように、バッファープレート２３により第１副室２５ａと第２副室２５ｂとに仕切られており、図１に示すように、そのバッファープレート２３の第２副室２５ｂ側に第２フィルタ２３ｆが装着されている。そして、図２に示すように、容器本体部２１の第２副室２５ｂにも、複数個（本実施形態では二個）の蓄熱材５０が、気体の流動方向に沿って互いに間隔をおいた状態で取り付けられている。そして、各蓄熱材５０の相互間、及び蓄熱材５０と第２副室２５ｂの内壁面との間の空間に、吸着材１２が充填される。さらに、第２副室２５ｂの開口は、蓄熱材５０を取り付け、且つ吸着材１２を充填した後に、図１に示すように、内蓋板２９によって塞がれる。内蓋板２９は、第３フィルタ２９ｆと多孔板２９ｘとから構成される通気性の蓋板であり、吸着材１２を第２副室２５ｂ内に保持する働きをする。蓄熱材４０及び蓄熱材５０は、それぞれが配される主室２４及び副室２５の内部空間全体に亘って配される外形寸法を有する。

内蓋板２９は、第２副室２５ｂの開口を塞いだ状態で、その第２副室２５ｂの内壁面に沿って摺動可能なように構成されている。そして、内蓋板２９の背面中央に、その内蓋板２９を押圧する方向に付勢されたコイルスプリング２９ｓの一端が装着されている。このため、容器本体部２１の開口が蓋部２２によって閉じられると、内蓋板２９はコイルスプリング２９ｓにより第２副室２５ｂの内部に押し込まれる方向の力を受ける。なお、第２副室２５ｂを塞ぐ内蓋板２９、及び主室２４を塞ぐ内蓋板２７と蓋部２２とにより構成される空間２６は、主室２４と第２副室２５ｂとを連通させる拡散空間２６として機能する。

図２、図４に示すように、蓄熱材４０は、一定の耐圧性を有する金属製の密閉容器４１と、当該密閉容器４１内に収容され、凝固あるいは溶融する際の潜熱を利用してキャニスタ２０内の温度変化を抑制する相変化物質１７とによって構成されている。図１、図３に示すように、密閉容器４１は、蓋状に形成された上側パネル４２のフランジ部４２ｅと、浅い開放容器状に形成された下側パネル４４のフランジ部４４ｅとが接合されることにより構成される。なお、図１には蓄熱材４０・５０の上面側を、図３には蓄熱材４０の下面側を図示している。上側パネル４２は、長方形状に形成されて、その周縁部分が一定幅のフランジ部４２ｅとなる。上側パネル４２には、フランジ部４２ｅによって囲まれた範囲内に、断面角形でその上側パネル４２の長手方向に延びる溝部４２ｍと突条部４２ｐとが一定幅で交互に形成されている。ここで、上側パネル４２は金属板をプレス成形することにより構成されるため、その上側パネル４２の表面側で突条部４２ｐとなる部位は裏面側で溝部になり、表面側で溝部４２ｍとなる部位は裏面側で突条部となる。

下側パネル４４は長方形の浅い箱状に形成されており、その周縁部分が一定幅のフランジ部４４ｅとなる。そして、下側パネル４４の底板の部分に、断面角形でその下側パネル４４の長手方向に延びる溝部４４ｍと突条部４４ｐとが一定幅で交互に形成されている。下側パネル４４は、上側パネル４２と同様に金属板をプレス成形することにより構成されるため、その下側パネル４４の下面側（密閉容器４１の外面側）で突条部４４ｐとなる部位は上面側（密閉容器４１の内面側）で溝部になり、下面側で溝部４４ｍとなる部位は上面側で突条部となる。

下側パネル４４の幅寸法、長さ寸法は、上側パネル４２の幅寸法、長さ寸法と等しい値に設定されており、下側パネル４４の溝部４４ｍと突条部４４ｐの幅寸法は、上側パネル４２の溝部４２ｍと突条部４２ｐの幅寸法と等しい値に設定されている。下側パネル４４のフランジ部４４ｅと上側パネル４２のフランジ部４２ｅとは、密閉容器４１内に相変化物質１７が収納された状態でレーザー溶接等により接合される。密閉容器４１の材料としては、銅やステンレス等を使用することが好ましい。

図２に示すように、蓄熱材４０は、フランジ部４２ｅ・４４ｅがキャニスタ２０の主室２４の内壁面幅方向両側に形成された一組のレール状溝部２４５に嵌め込まれる。これにより、蓄熱材４０は主室２４内へ気体の流動方向とほぼ水平な状態で取り付けられる。ここで、レール状溝部２４５は、主室２４の内壁面に三組形成されており、上段、中段、及び下段のレール状溝部２４５が高さ方向に等しい間隔をおいて形成されている。

蓄熱材５０は、蓄熱材４０と同様に相変化物質１７を密閉容器５１の内部に収納しており、図２に示すように、蓄熱材５０と同じ構成で、蓄熱材４０よりも小型に形成されている。このため、蓄熱材４０と同じ構成部分については同じ符号を付してその説明を省略する。

蓄熱材５０は、密閉容器５１の幅方向両側に形成されたフランジ部４２ｅ・４４ｅがキャニスタ２０の第２副室２５ｂ内に位置するバッファープレート２３の内壁面幅方向両側に形成された一組のレール状溝部２５５に嵌め込まれる。これにより、蓄熱材５０は第２副室２５ｂ内へ気体の流動方向とほぼ水平な状態で取り付けられる。ここで、レール状溝部２５５は、第２副室２５ｂ内のバッファープレート２３の内壁面に二組形成されており、上下のレール状溝部２４５が高さ方向に所定の間隔をおいて形成されている。

蓄熱材４０及び蓄熱材５０の内部に収容される相変化物質１７は、融点未満では固体となっているが、溶融温度となると半固形化したゲル状となる物質が使用されている。具体的には、相変化物質１７の主成分（蓄熱効果を発揮する成分）となるＣ₁₅〜Ｃ₁₈のバラフィン系炭化水素に、熱可塑性エラストマーからなるゲル化剤を添加したゲル状パラフィンからなる。Ｃ₁₅〜Ｃ₁₈のバラフィン系炭化水素としては、炭素数１５のペンタデカン（融点１０℃）、炭素数１６のヘキサデカン（融点１８℃）、炭素数１７のヘプタデカン（融点２１℃）、炭素数１８のオクタデカン（融点２８℃）が挙げられる。これらバラフィン系炭化水素は、１種のみを単独使用してもよく、２種以上を混用することもできる。

オレフィン系エラストマーとしては、キャニスタ内における一般的な温度変化領域である４〜８０℃よりも融点の高い（当然、バラフィン系炭化水素よりも融点が高い）、プロピレン由来の構成単位と炭素数２〜３０のα−オレフィン（プロピレンを除く）由来の構成単位とを含む共重合体を使用できる。オレフィン系エラストマー中におけるプロピレン由来の構成単位の含有量は、１０〜２０モル％程度あればよい（プロピレン由来の構成単位とα−オレフィン由来の構成単位の合計は１００モル％である）。炭素数２〜３０のα−オレフィン（プロピレンを除く）としては、エチレン、１−ブテン、１−ペンテン、１−ヘキセン、４−メチル−１−ペンテン、１−オクテン、１−デセン、１−ドデセン、１−テトラデセン、１−ヘキサデセン、１−オクタデセン、１−エイコセン等が挙げられる。また、相変化物質１７中、ゲル化剤としてのオレフィン系エラストマーの添加量は、５〜２０重量％程度であればよい。

当該プロピレンとα−オレフィンからなる共重合体であるオレフィン系エラストマーは、１０〜５０ｎｍのナノオーダーレベルの螺旋状の結晶部が互いに連結して網状の構造をとる。そのため、相変化物質１７は、オレフィン系エラストマーの網構造によって、非晶部であるバラフィン系炭化水素が保持された構造となる。これにより、キャニスタ２０内の温度が上昇して相変化物質１７の溶融温度（バラフィン系炭化水素の融点以上）となると、バラフィン系炭化水素が溶融する際の潜熱によりキャニスタ２０内の熱を奪うことで、キャニスタ２０内の温度上昇が抑制される。このとき、溶融状態のバラフィン系炭化水素は、ゲル化剤による網構造によって保持されているので、相変化物質１７は均一に半固形化した保形性を有するゲル状となるに留まることになる。逆に、キャニスタ２０内の温度が低下すると、バラフィン系炭化水素が凝固することで相変化物質１７は固化し、当該バラフィン系炭化水素が凝固する際の熱放出によって、キャニスタ２０内の温度低下を抑えることができる。

なお、相変化物質１７がゲル化（パラフィン系炭化水素が溶融）する際、当該相変化物質１７の体積が上昇する。そこで、相変化物質１７は密閉容器４１・５１の内壁面全体に沿って配されており、密閉容器４１・５１内の中央部には、相変化物質１７の相変化に伴う体積変化を許容可能な空間Ｓが確保されている。これにより、相変化物質１７の体積変化にともなう蓄熱材４０・５０の破損が防止される。なお、空間Ｓには、アルゴンガス、窒素、ヘリウムガス等の不活性ガスを充填しておくことが好ましい。相変化物質１７の劣化を防ぐためである。

蓄熱材４０（及び蓄熱材５０）は、図５（ａ）に示すように、相変化物質１７を上側パネル４２と下側パネル４４の内壁面に沿った所定形状に成形してから、当該相変化物質１７を上側パネル４２と下側パネル４４の内壁面へそれぞれ配し、そのうえで、図５（ｂ）に示すように、上側パネル４２及び下側パネル４４のフランジ部４２ｅとフランジ部４４ｅとを溶接することで、製造することができる。

または、図６（ａ）に示すように、ゲル化剤の融点よりも高い温度（例えば８０〜１２０℃程度）に加熱して完全に液化した状態の相変化物質１７ａを、上側パネル４２と下側パネル４４の内面へそれぞれ流し込んだうえで、図６（ｂ）に示すように、そのまま冷却して相変化部室１７をゲル化ないし固化させてから、図６（ｃ）に示すように、上側パネル４２と下側パネル４４とをつき合わせ、図６（ｄ）に示すように、上側パネル４２及び下側パネル４４のフランジ部４２ｅとフランジ部４４ｅとを溶接することで製造することもできる。

このような蓄熱材４０・５０を有するキャニスタ２０による蒸発燃料の処理機構について説明する。燃料タンク内で発生した蒸発燃料は、図１の白抜き矢印で示すように、空気との混合ガスＦ₀としてキャニスタ２０のタンクポート２４１から主室２４内に導かれる。すると、混合ガスＦ₀から蒸発燃料のみが選択的に吸着材１２に吸着され、空気はそのままキャニスタ２０内を透過していく。主室２４内の吸着材１２で吸着しきれなかった蒸発燃料及び空気は、そのまま拡散空間２６を介して第２副室２５ｂに導かれ、当該第２副室２５ｂの吸着材１２によって残余の蒸発燃料は確実に吸着捕捉され、空気は大気ポート２５１から放出される。これにより、蒸発燃料の大気放散が防止される。

なお、蒸発燃料が吸着材１２に吸着捕捉される際、蒸発燃料の凝固熱によって吸着材１２の温度が上昇し、吸着効率が徐々に低下する傾向にある。しかし、キャニスタ２０内には、蓄熱材４０・５０が収納されているため、キャニスタ２０内の温度が上昇して相変化物質１７の溶融温度（パラフィン系炭化水素の融点）を超えると、相変化物質１７がゲル化する際にキャニスタ２０内の熱を奪い、キャニスタ２０内の温度上昇を抑えることができる。これにより、吸着材１２の蒸発燃料吸着効率の低下を抑えることができる。ここで、相変化物質１７が溶融する際、当該相変化物質１７の体積が増加するが、密閉容器４１・５１の内部には空間Ｓが設けられているため、相変化物質１７の体積増加分が空間Ｓによって吸収されることで、密閉容器４１・５１に無理な力が加わらないようになっている。

一方、車両運転中（エンジン駆動中）は、吸気通路や真空ポンプ等からの負圧がパージポート２４２を介してキャニスタ２０の主室２４、拡散空間２６、第２副室２５ｂ及び第１副室２５ａに加わる。これにより、図１の太線矢印に示すように、大気ポート２５１からキャニスタ２０の第１副室２５ａに空気Ｇが流入し、その空気Ｇが第２副室２５ｂ、拡散空間２６、主室２４を通り、パージポート２４２を介して吸気通路まで流れるようになる。これにより、キャニスタ２０の吸着材１２に吸着されている蒸発燃料がパージ（脱離）され、そのパージされた蒸発燃料Ｆ₁が空気と共に吸気通路等へ導かれる。

吸着材１２に吸着されている蒸発燃料がパージされると、蒸発燃料の気化熱によって吸着材１２の温度が低下し、蒸発燃料の脱離効率が徐々に低下する傾向にある。しかし、キャニスタ２０内の温度が低下して相変化物質１７の融点以下の温度となると、相変化物質１７が凝固することで熱を放出し、キャニスタ２０内の温度低下が抑えられる。これにより、吸着材１２の蒸発燃料離脱効率の低下を抑制することができる。

１２ 吸着材
１７ 相変化物質
２０ キャニスタ
２１ 容器本体部
２２ 蓋部
２４ 主室
２４ｋ 隔壁
２５ 副室
２９ｓ コイルスプリング
４０・５０ 蓄熱材
４１・５１ 密閉容器
２４１ タンクポート
２４２ パージポート
２５１ 大気ポート
Ｆ₀ 混合ガス
Ｆ₁ 蒸発燃料
Ｇ 空気
Ｓ 空間

Claims (3)

1. 燃料タンク内において発生した蒸発燃料を吸着捕捉するためのキャニスタ内へ、前記蒸発燃料を吸着可能な吸着材と共に配され、凝固あるいは溶融する際の潜熱を利用して前記キャニスタ内の温度変化を抑制する相変化物質が密閉容器内に収容されたキャニスタ用蓄熱材であって、
   前記相変化物質は、溶融温度となると半固形化したゲル状となり、
   該相変化物質が前記密閉容器の内壁面全体に沿って配され、前記密閉容器内の中央部には、前記相変化物質の相変化に伴う体積変化を許容可能な空間を有することを特徴とする、キャニスタ用蓄熱材。
2. 前記相変化物質は、Ｃ₁₅〜Ｃ₁₈のバラフィン系炭化水素とゲル化剤とを含有する、請求項１に記載のキャニスタ用蓄熱材。
3. 前記ゲル化剤がオレフィン系エラストマーである、請求項２に記載のキャニスタ用蓄熱材。
   
   

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