JP6594758B2

JP6594758B2 - キャニスタ用ヒータ

Info

Publication number: JP6594758B2
Application number: JP2015240715A
Authority: JP
Inventors: 順平大道; 修一江口; 悟志関
Original assignee: 株式会社マーレフィルターシステムズ
Priority date: 2015-12-10
Filing date: 2015-12-10
Publication date: 2019-10-23
Anticipated expiration: 2035-12-10
Also published as: JP2017106384A; CN106996350B; CN106996350A; US10495031B2; US20170167447A1

Description

この発明は、自動車の燃料タンクから蒸発した燃料を一時的に吸着するキャニスタに用いられるヒータに関する。

周知のように、内燃機関を用いた自動車では、燃料タンク内の蒸発燃料が大気に放出されるのを抑制するために、キャニスタを主体とした蒸発燃料処理装置を備えている。

キャニスタは、ケーシング内に活性炭等の吸着材を充填したものであって、停車時等に燃料タンク内から発生する蒸発燃料を吸着材に吸着させる一方、内燃機関稼働時にドレンポートから導入した大気により吸着材から燃料成分を脱離（パージ）させて、内燃機関の吸気系に吸入させる構成となっている。

特許文献１，２には、このような吸着材を利用したキャニスタにおいて、吸着した燃料成分の脱離を促進するために、吸着材を加熱する電熱ヒータを設けた構成が開示されている。

特開２０１３−２４９７９７号公報国際公開ＷＯ２００２／０６４９６６号公報

特許文献１および特許文献２に開示された従来の構成では、通電することにより発熱する発熱体ないしヒータが、キャニスタケース内部の吸着材の中に露出した状態で埋設されている。しかし、キャニスタケースの内部は、蒸発燃料を吸着した状態では、燃料成分を高濃度で含むガスで充満しているため、万一、ヒータの端子部でスパークが生じたような場合に、ガスが着火する懸念がある。

この発明に係るキャニスタ用ヒータは、
先端が封止された中空管状をなし、キャニスタケース内部の吸着材内に埋設される金属製のヒータケースと、
発熱体を一対の帯状セラミックス板で挟んでなり、上記ヒータケース内に挿入配置されているとともに、基端部から端子が導出されたヒータコアと、
少なくとも一方の上記帯状セラミックス板の外側面と該外側面が対向する上記ヒータケースの内壁面との間に配置された伝熱性を有する弾性部材と、
上記ヒータケースの基端のコネクタ部が密封状態に嵌合するヒータ取付孔を有し、かつ上記キャニスタケースの端部開口を覆うように該端部開口に取り付けられる合成樹脂製のキャップ部材と、
を備えて構成されている。

上記の構成では、吸着材内に埋設されるヒータケースは、先端が封止されているとともに基端がキャップ部材のヒータ取付孔に対しシールされている。従って、ヒータコアが挿入配置されているヒータケース内の空間は、吸着材つまり燃料成分を含むガス雰囲気から隔絶されている。従って、ヒータコアの発熱体や端子が燃料成分と接触することはない。

発熱体で生じた熱は、帯状セラミックス板から伝熱性を有する弾性部材ならびにヒータケースを介して吸着材に与えられる。弾性部材が一方の帯状セラミックス板の側にのみ設けられる構成では、他方の帯状セラミックス板は、ヒータケースに直接に接触し、発熱体の熱がヒータケースへと伝わる。ヒータケース内で弾性部材がヒータコアを一方の側もしくは両側から支持するため、ヒータケース内でのヒータコアの振動や異音発生が抑制される。弾性部材としては、例えば金属製の板バネや伝熱性を有するシリコーンゴム（いわゆる放熱シリコーンゴム）等を用いることができる。一実施例では、弾性部材は、複数の爪片を備えた帯状の板バネからなる。

好ましい一つの態様では、上記コネクタ部は、上記ヒータ取付孔に嵌合する外周に抜け止め用の環状突起を備えている。従って、コネクタ部をヒータ取付孔に圧入することで、確実な抜け止めがなされ、かつシールされる。

また、好ましい一つの態様では、上記ヒータケースは、該ヒータケースの外周面から半径方向外側へ直線的に延びる放射状フィン部と、該放射状フィン部から上記ヒータケースを中心とした周方向に沿って延びる円弧形フィン部と、を組み合わせてなる放熱フィンを備えている。この放射状フィンは、ヒータケースとともに吸着材内に埋設される。このようにフィンを具備することによって、発熱体から吸着材への熱伝達が向上する。

この発明によれば、ヒータコアの発熱体ならびに端子が燃料成分を含むガスから完全に隔絶されているため、万一のスパークによる着火の懸念がない。また、伝熱性を有する弾性部材の介在によってヒータコアの振動や異音発生が抑制される。そして、ヒータコアから伝熱性を有する弾性部材を介して金属製のヒータケースに良好に熱が伝わるので、十分に効率よく吸着材を加熱することが可能である。

この発明に係るヒータをバッファキャニスタ内に備えた蒸発燃料処理装置全体の構成説明図。ヒータを備えたバッファキャニスタの縦断面図。一部を断面にして内部構成を示したバッファキャニスタの斜視図。バッファキャニスタの下端面を示す底面図。ヒータコアを組み付けた状態でのヒータケースの斜視図。ヒータコアを組み付けた状態でのヒータケースの縦断面図。図６と９０°異なる面に沿った縦断面図。図６のＡ−Ａ線に沿った横断面図。ヒータコア単体の斜視図。ヒータコア単体の横断面図。同じくヒータコア単体の要部の縦断面図。ヒータの回路構成を示す回路図。ヒータの制御を示すフローチャート。

以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、この発明に係るヒータ付きのキャニスタを用いた蒸発燃料処理装置の一構成例を示している。この蒸発燃料処理装置では、燃料成分を一時的に蓄えるキャニスタ１として、非加熱領域となる相対的に容量の大きなメインキャニスタ２と、加熱領域となる相対的に容量の小さなバッファキャニスタ３と、を備えており、両者が可撓性を有するチューブ４を介して接続されている。

メインキャニスタ２は、合成樹脂製のハウジング５を有する。このハウジング５は、端部にパージポート６とチャージポート７とが隣接して設けられた細長い角筒状の第１筒状部８と、端部に連結ポート９が設けられた細長い角筒状の第２筒状部１０と、を有し、これら２つの筒状部８，１０が僅かな間隙を介して互いに隣接して配置されているとともに、互いに一体に連結されている。第１筒状部８および第２筒状部１０の他方の端部は、接続路１１を介して互いに連通しており、これによって、ハウジング５内部にＵ字形に連続した内部容積つまり流路が構成されている。

第１筒状部８の内部および第２筒状部１０の内部には、燃料成分（例えばガソリンベーパ）の吸着・脱離が可能な吸着材として粒状の活性炭１２が充填されている。詳しくは、第１筒状部８の一端部に、パージポート６ならびにチャージポート７との間をそれぞれ仕切る通気性を有するスクリーン部材１４，１５が設けられているとともに、他端部に、接続路１１との間を仕切る通気性を有するスクリーン部材１６が設けられており、これらのスクリーン部材１４，１５とスクリーン部材１６との間の容積内に活性炭１２が充填されている。第２筒状部１０においても、同様に両端部に通気性を有するスクリーン部材１７，１８がそれぞれ設けられており、これらのスクリーン部材１７，１８の間の容積内に活性炭１２が充填されている。

一方、バッファキャニスタ３は、合成樹脂製の独立したキャニスタケースつまりハウジング２１を有し、メインキャニスタ２と同様に、その内部に吸着材としての粒状活性炭が充填されている。そして、この活性炭を加熱するために、ハウジング２１の内部に電熱ヒータ１９を備えている。上記ハウジング２１は、相対的に径が大きな大径部２２と相対的に径が小さな小径部２３とが直列に接続された略円筒形をなし、大径部２２側の端部側面に連結ポート２４が設けられているとともに、小径部２３側の端部側面にドレンポート２５が設けられている。このバッファキャニスタ３の連結ポート２４は、前述したチューブ４を介して、メインキャニスタ２の連結ポート９に接続されている。

従って、キャニスタ１全体としては、流路一端のパージポート６ならびチャージポート７から流路他端のドレンポート２５へと続く一連の流路を構成するように、第１筒状部８、第２筒状部１０およびバッファキャニスタ３の三者の内部容積が実質的に直列に連続して構成されている。

上記チャージポート７は、チャージ通路３１を介して車両の燃料タンク３２の上部空間に接続され、上記パージポート６は、パージ通路３３を介して内燃機関３４の吸気通路３５（詳しくはスロットル弁３６下流側）に接続される。上記パージ通路３３には、パージ制御弁３７が介装され、エンジンコントロールユニット３８によってパージ制御弁３７の開度が制御される。また、ドレンポート２５は、大気に開放されるものであるが、必要に応じてドレンポート２５の大気への開放を遮断するように、バッファキャニスタ３の端部に電磁弁３９が付加されている。

上記のキャニスタ１においては、第１筒状部８、第２筒状部１０およびバッファキャニスタ３の三者が実質的に１本の流路として連続したものとなっており、その流路の流れ方向の一端にパージポート６およびチャージポート７が位置し、かつ他端にドレンポート２５が位置する。そして、当業者には自明なように、車両の停車中や給油中に燃料タンク３２で生じた燃料蒸気は、チャージポート７からキャニスタ１内に導入され、第１筒状部８からバッファキャニスタ３の活性炭領域まで流れる間に、各部の活性炭に吸着される。このように吸着された燃料成分は、内燃機関の運転中に吸気系で生じる負圧によってドレンポート２５を通して大気が取り込まれることにより、活性炭から脱離し、パージガスとなってパージポート６から内燃機関３４の吸気通路３５に流入して、最終的には内燃機関３４において燃焼される。

このようにしてキャニスタ１は蒸発燃料の吸着および脱離を繰り返すことになるが、上記キャニスタ１においては、内燃機関３４運転中の燃料成分の脱離を促進するために、電熱ヒータ１９によってバッファキャニスタ３の内部容積が加熱される。

次に、本発明の要部であるバッファキャニスタ３の構成とりわけヒータ１９の構成を詳細に説明する。

図２および図３は、バッファキャニスタ３の内部構成を示している。このバッファキャニスタ３の内部には、ハウジング２１の小径部２３側の端部に設けられた通気性を有するスクリーン部材４１と、大径部２２側の端部に設けられた同様のスクリーン部材４２と、によって活性炭領域４４が区画されており、この活性炭領域４４に適宜な活性炭４５が充填されている。スクリーン部材４１，４２は、例えば、ウレタンフォームや不織布などからなり、スクリーン部材４２は、背面側から合成樹脂製の多孔板４３によって支持されている。

また、ハウジング２１の大径部２２側の端部開口には、合成樹脂製のキャップ部材となるインナキャップ４６がシール部材となるＯリング４９を介して装填されており、これによって、ハウジング２１の大径部２２側の端部が閉塞されている。インナキャップ４６の外側には、さらに合成樹脂製のアウタキャップ４７が被せられており、アウタキャップ４７の外周縁がハウジング２１の端縁に外周側から嵌合している。アウタキャップ４７の中央部には、図４にも示すように、ヒータ１９と外部のハーネスとの結線のために図示しないプラグが接続される端子コネクタ４８が突起状に形成されている。

ヒータ１９は、図５〜図８に示すように、ハウジング２１の活性炭４５内に埋設される金属製例えば伝熱性に優れるアルミニウム合金製のヒータケース５１と、このヒータケース５１に収容された細い棒状をなすヒータコア５２と、から構成されている。

ヒータケース５１は、断面略矩形のヒータコア収容室５３が中心線に沿って細長く形成された中空管状をなすケース本体部５４を主体とし、その外周に、活性炭４５との間の熱交換を促進する放熱フィン５５が一体に形成されている。放熱フィン５５は、全体として、ハウジング２１の大径部２２と小径部２３とに亘る活性炭領域４４の空間形状に対応した外形状に形成されており（図５参照）、ケース本体部５４の外周面から半径方向外側へ直線的に延びる複数（例えば８個）の放射状フィン部５６と、この放射状フィン部５６からケース本体部５４の中心線を中心とした周方向に沿って延びる複数の円弧形フィン部５７と、を組み合わせた構成となっている。円弧形フィン部５７は、径の異なる位置にそれぞれ設けられた３種類の円弧形フィン部５７ａ，５７ｂ，５７ｃを含み（図８参照）、ハウジング２１の小径部２３に対応する軸方向部分では最も小径な円弧形フィン部５７ａのみを有し、大径部２２に対応する軸方向部分ではさらに２つの円弧形フィン部５７ｂ，５７ｃを有している（図５参照）。これらの放射状フィン部５６や円弧形フィン部５７は、活性炭領域４４への活性炭４５の充填を妨げないように、いずれも、ヒータケース５１の中心線と平行（換言すれば略円筒状ハウジング２１の中心線と平行）に形成されており、かつ、周方向に隣り合う２つの円弧形フィン部５７の間に、適宜な隙間が設けられている（図８参照）。

放熱フィン５５の小径部２３側の端縁５５ａおよび大径部２２側の端縁５５ｂは、いずれもヒータケース５１の中心線と直交する平面に沿って形成されており、小径部２３側の端縁５５ａは、ケース本体部５４の端面５４ａと同一の平面に形成されている。また、ケース本体部５４の大径部２２側の部分は、放熱フィン５５の端縁５５ｂよりもさらに長く延びており、端縁５５ｂから円柱状ないし円筒状に突出している。そして、その先端部が、複数段の抜け止め用の環状突起５８ａを外周面に備えたコネクタ部５８として構成されている。上記環状突起５８ａは、ケース本体部５４の端面５４ｂへ向かう面が相対的に緩やかな傾斜面で反対側が急峻な面となったノコ歯状の断面形状を有している。一例では、３段の環状突起５８ａを備えている。

ヒータコア収容室５３は、ケース本体部５４のコネクタ部５８側の端面５４ｂにおいて開口している。これに対し、反対側の端部つまり小径部２３側の端面５４ａにおいては、ヒータコア収容室５３の先端が封止されている。つまり、ヒータコア収容室５３は、先端封止の細長い孔として構成されている。例えば、ヒータケース５１は放熱フィン５５とともにアルミニウム合金等のダイキャストとして成形されており、その際に、ヒータコア収容室５３が型成形されている。

図９〜図１１は、ヒータコア収容室５３内に挿入配置されるヒータコア５２を示している。このヒータコア５２は、発熱体として複数個のＰＴＣヒータ素子６１を用いたものであり、図１０，図１１に示すような多層の積層構造を有している。すなわち、断面Ｈ字形をなす合成樹脂製フレーム６２の開口部にＰＴＣヒータ素子６１がそれぞれ保持されているとともに、該ＰＴＣヒータ素子６１の両面にそれぞれ電極板６３が貼着されており、電極板６３の外側面に、さらにアルミナなどのセラミックスからなる帯状セラミックス板６４が貼着されている。つまり、電極板６３を備えた複数のＰＴＣヒータ素子６１の列を一対の帯状セラミックス板６４で挟んだ構成となっている。そしてさらに、一方のセラミックス板６４の外画面に、伝熱性を有する弾性部材として例えば鋼などの金属材料からなる板バネ６５が貼着されている。

上記電極板６３の長手方向の一端部からは、細い帯状をなす端子６６がそれぞれ引き出されており、フレーム６２の一端部から突出している。つまり、ヒータコア５２の一端から一対の端子６６が導出されている。これらの端子６６は、電極板６３と一体に形成してもよく、あるいは別部材からなる端子６６を電極板６３に溶接等で接続するようにしてもよい。

上記板バネ６５は、図９に示すように、ヒータコア５２の全長に亘って一連に連続した帯状のものであり、複数個の矩形の爪片６５ａが直列に並んで配置されている。各々の爪片６５ａは、板バネ６５の母材から断面略三角形をなすように切り起こされており、ヒータコア収容室５３への挿入方向に沿って、ヒータコア収容室５３の先端側へ向かう面が相対的に緩いテーパ面をなすとともに、ヒータコア収容室５３の先端側となる側で母材に連結されている。

ヒータコア５２がヒータコア収容室５３内に挿入された状態では、図６および図７に示すように、ヒータコア５２の先端がヒータコア収容室５３先端の封止端に突き当たった状態となり、複数のＰＴＣヒータ素子６１が配列された実質的に高温となる部分が放熱フィン５５の内側に位置する。一対の端子６６は、ヒータケース５１のケース本体部５４内を通って延び、コネクタ部５８となる端面５４ｂから外側へさらに突出している。また、板バネ６５の爪片６５ａを圧縮させつつヒータコア５２がヒータコア収容室５３に挿入されるため、図７および図８に示すように、複数の爪片６５ａがヒータコア収容室５３の一方の内壁面に圧接し、その反力により、他方のセラミックス板６４がヒータコア収容室５３の他方の内壁面に圧接した状態となっている。従って、ヒータコア５２で生じた熱は、ヒータケース５１のケース本体部５４さらには放熱フィン５５へと確実に伝達される。また、車両走行振動等によってヒータコア５２がヒータコア収容室５３内で振動することがない。

図２および図３に示した最終的なバッファキャニスタ３としての組立状態では、放熱フィン５５が活性炭領域４４に位置し、放熱フィン５５の小径部２３側の端縁５５ａにスクリーン部材４１が接するとともに、放熱フィン５５の大径部２２側の端縁５５ｂにスクリーン部材４２が接している。大径部２２側のスクリーン部材４２および多孔板４３は、放熱フィン５５から突出した円筒状のケース本体部５４が貫通する開口を中央に備えており、これらを貫通したケース本体部５４の端部つまりコネクタ部５８は、インナキャップ４６に達している。なお、多孔板４３は、詳細には図示しないが、適宜な係止構造を介してハウジング２１の内周面に対し軸方向に位置決めされている。あるいは、インナキャップ４６に多孔板４３を位置決めするための脚部を設けるようにしてもよい。

インナキャップ４６は、外周面にＯリング装着溝７１を有し、かつ中心部に、ヒータコア５２のコネクタ部５８が嵌合するヒータ取付孔７２が貫通形成されている。このヒータ取付孔７２は、単純な円筒面に形成されたものであり、環状突起５８ａを備えたコネクタ部５８が圧入されている。この圧入によって、合成樹脂からなるインナキャップ４６のヒータ取付孔７２に凹凸状のコネクタ部５８が密に嵌合し、シールつまり密封状態となり、かつ同時に抜け止めされる。端子６６は、インナキャップ４６の上に重ねられた円形の基板７３さらにはアウタキャップ４７を貫通し、端子コネクタ４８に達している。

このような実施例の構成においては、ヒータコア５２がヒータケース５１の先端封止のヒータコア収容室５３内に配置され、かつヒータケース５１の端部のコネクタ部５８がインナキャップ４６に密にシールされているため、ヒータコア５２の発熱体つまりＰＴＣヒータ素子６１や端子６６が、燃料成分を含む活性炭領域４４のガス雰囲気から完全に隔絶された状態となる。そのため、万一のスパークによる着火の懸念がない。なお、ヒータコア収容室５３の基端（開口端）は、インナキャップ４６とアウタキャップ４７との間の空間に連通した状態となるが、インナキャップ４６の周囲がＯリング４９によってハウジング２１の内周面に対しシールされているので、活性炭領域４４内のガスと接触することはない。

また、ヒータコア５２の熱は、一方の面のセラミックス板６４がヒータケース５１に直接に接しているとともに、他方の面とヒータケース５１との間に介在する板バネ６５が伝熱性を有することから、ヒータケース５１に確実に伝達される。そして、この熱は、放射状フィン部５６と円弧形フィン部５７とを組み合わせてなる放熱フィン５５を介して活性炭４５に効果的に伝達される。つまり、放射状フィン部５６と円弧形フィン部５７とによって囲まれた個々の領域の比較的少量の活性炭４５を周囲から加熱する形となり（図８参照）、比較的少ない電力でもって活性炭４５を効果的に加熱することができる。

図１２は、上記の蒸発燃料処理装置におけるヒータ１９の制御回路の一例を示している。ヒータ１９は、トランジスタ等のスイッチング素子８１を介して電源（例えば車両バッテリ）８２に接続されており、所定温度で溶断するサーマルフューズ８３が直列に挿入されている。なお、スイッチング素子８１やサーマルフューズ８３は、バッファキャニスタ３の内部例えば前述した基板７３上に配置することが望ましい。スイッチング素子８１は、駆動回路８４を介してエンジンコントロールユニット３８によって制御される。また、ヒータ１９の異常を報知する警告灯８５を備えている。

図１３は、エンジンコントロールユニット３８が実行するヒータ１９の制御の流れの一例を示すフローチャートである。ステップ１でヒータ１９をＯＮとした場合に、ステップ２で断線の有無を診断し、ステップ３で短絡の有無を診断する。ステップ４では、ヒータ１９の温度が異常高温となっていないか否かを診断する。これらは、例えばヒータ１９への通電量から診断される。ステップ２〜４のいずれかの診断で異常が検出されたときには、ステップ５へ進んで、警告灯８５を点灯し、ステップ６でヒータ１９をＯＦＦとする。

以上、この発明のヒータを円筒形のバッファキャニスタ３に適用した一実施例を詳細に説明したが、この発明は上記のバッファキャニスタに限らず、吸着材を用いた種々の形状ないし構成のキャニスタに広く適用することが可能である。

３…バッファキャニスタ
１９…ヒータ
２１…ハウジング
４４…活性炭領域
４５…活性炭
４６…インナキャップ
４７…アウタキャップ
４９…Ｏリング
５１…ヒータケース
５２…ヒータコア
５３…ヒータコア収容室
５５…放熱フィン
５６…放射状フィン部
５７…円弧形フィン部
５８…コネクタ部
５８ａ…環状突起
６１…ＰＴＣヒータ素子
６３…電極板
６４…セラミックス板
６５…板バネ
６５ａ…爪片
６６…端子
７２…ヒータ取付孔

Claims

先端が封止された中空管状をなし、キャニスタケース内部の吸着材内に埋設される金属製のヒータケースと、
発熱体を一対の帯状セラミックス板で挟んでなり、上記ヒータケース内に挿入配置されているとともに、基端部から端子が導出されたヒータコアと、
少なくとも一方の上記帯状セラミックス板の外側面と該外側面が対向する上記ヒータケースの内壁面との間に配置された伝熱性を有する弾性部材と、
上記ヒータケースの基端のコネクタ部が密封状態に嵌合するヒータ取付孔を有し、かつ上記キャニスタケースの端部開口を覆うように該端部開口に取り付けられる合成樹脂製のキャップ部材と、
を備えてなるキャニスタ用ヒータ。
上記コネクタ部は、上記ヒータ取付孔に嵌合する外周に抜け止め用の環状突起を備えている、請求項１に記載のキャニスタ用ヒータ。
上記ヒータケースは、該ヒータケースの外周面から半径方向外側へ直線的に延びる放射状フィン部と、該放射状フィン部から上記ヒータケースを中心とした周方向に沿って延びる円弧形フィン部と、を組み合わせてなる放熱フィンを備えている、請求項１または２に記載のキャニスタ用ヒータ。
上記弾性部材が、複数の爪片を備えた帯状の板バネからなる、請求項１〜３のいずれかに記載のキャニスタ用ヒータ。