KR100518089B1 - 연료 증기-공기 혼합물을 분리시키기 위한 방법 및 상기 방법을 실행하기 위한 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 주제는 연료-증기/공기 혼합물을 구성 성분으로 분리시키기 위한, 특히 차량의 연료 탱크에서 발생하는 것과 같은 증기 혼합물의 정화를 위한 방법 및 장치이다. 이를 위하여, 사전 분리기가 연료 탱크와 필터 사이에 배치된다. 상기 사전 분리기에서, 탄화수소는 혼합물로부터 분리되고 그리고 연료 탱크로 재공급된다. 잔여 혼합물은 필터로 공급된다.

Description

연료 증기-공기 혼합물을 분리시키기 위한 방법 및 상기 방법을 실행하기 위한 장치{METHOD FOR SEPARATING FUEL VAPOUR-AIR MIXTURES AND DEVICE FOR CARRYING OUT SAID METHOD}

본 발명은 연료-증기/공기 혼합물을 구성 요소로 분리시키기 위한 방법 및 상기 방법을 실행하기 위한 장치에 관한 것이다. 본 방법은, 특히 자동차 연료 탱크에서 발생하는 것과 같은 증기 혼합물의 정화에 적합하다.

연료는 이들의 열역학적 상태에 따라 증발되는 경향이 있다는 것은 공지되어 있다. 이하 연료 탱크에서 발생하고 가스로 언급되는 연료-증기/공기 혼합물은 탱크 내압이 너무 높은 것을 피하기 위하여 배출되어야 한다. 특히 자동차의 연료탱크에는 작동하는 동안 그리고 연료를 재공급하는 동안 발생하는 가스를 연료 탱크로부터 배출시키기 위한 폭넓고 다양한 장치들이 있다. 특히 미국에서의 규제때문에, 이들 가스들은 대기로 배출되는 경우 정해진 분율의 탄화수소만을 함유하여야 한다. 이들 가스들이 라인과 추가적인 탱크를 통하여 활성탄 필터(activated-charcoal filter)로 공급되는데, 이 활성탄 필터에서 가스로부터 탄화수소가 필터링된다. 이어서 정화 가스는 대기로 전해진다. 전체 차량 탄화수소 배출에 대한 이미 낮은 허용치의 결과로, 요즘 활성탄 필터는 이와 연계된 모든 단점에 따라 상당한 전체 크기를 가진다. 미국과 유럽에서의 낮은 배출 제한치를 향한 환경 추세에 관하여, 근래 활성탄 필터의 체적은 불명확하게 충분하지 않다. 연료 탱크와 컨덴서 사이에 라인으로 배치하는 것은 JP 11093784A 및 US 4,671,071에 공지되어 있으며, 여기서 연료 탱크로부터 흡입되어지는 가스는 컨덴서를 통하여 유도된다. 컨덴서는 냉각된 연료로 충진된다. 가스를 흡입하고 연료 탱크로부터 공급받기 위한 다수 개의 라인이 연결된 연료 탱크가 FR-A-2 724 603에 도시되어 있다. 압축기와 컨덴서는 라인으로 배치된다. 연료-증기/공기 혼합물이 연료 탱크로부터 사전 분리기(preseparator)까지 공급되며, 여기서 연료 성분과 공기의 제 1 분리가 실행되어, 필터는 전통적인 벤팅 장치의 경우보다는 상당한 저 농도의 탄화수소를 구비한 가스로 충진된다. 여전히 가스에서 존재하는 탄화수소 성분은 이어서 필터에서 유지되어, 대기로 방출되는 가스는 본질적으로 탄화수소 없다.

그러므로, 본 발명에 기초하는 목적은 연료-증기/공기 혼합물의 정화를 위한 방법 그리고 상기 방법을 실행하기 위한 장치를 제공하는 것인데, 이러한 방법 및 장치를 통하여 복잡하고 대형인 필터를 회피하게 된다.

청구항 1 항 및 청구항 11항의 특징을 통하여 본 목적이 달성된다. 유리한 실시예는 종속항에서 기술된다.

본 발명에 따른 방법 및 장치를 통하여, 연료-증기/공기 혼합물은 연료 탱크로부터 사전 분리기로 공급되며, 여기서 연료 성분 및 공기의 제 1 분리가 실행되어, 필터에는 통상적인 벤팅 장치의 경우보다 상당히 작은 농도의 탄화수소를 구비한 가스가 공급된다. 이 때 여전히 가스에 존재하는 탄화수소 성분은 이어서 필터에서 유지되어, 대기로 배출되는 가스는 근본적으로 탄화수소가 없다. 감지 가능하게 감소된 배출치와 더불어 중요한 장점은, 지금까지의 큰 체적의 무거운 활성탄 필터 대신에, 체적이 상당히 작고 가벼운 필터가 사용될 수 있다는 점이다. 연료 성분을 분리시키는 것은 지금까지의 방식과 마찬가지로 흡수에 의하여 이루어지는 것이 아니라 물리적인 분리, 사전 분리기에서의 탄화수소를 응축시킴에 의하여 이루어진다. 더욱이, 탱크 시스템으로부터 배출되는 질량 가스 유동은 분리된 질량 증기 유동의 양 만큼 감소되어, 탱크 내압 및 라인 횡단면도 감소되고, 연료를 재충전하는 성능(capability)을 향상시킨다.

본 발명에 따른 방법의 제 1 유리한 실시예에서, 발생되는 가스는 먼저 압축되고 이어 컨덴서로 공급되며, 컨덴서의 응축 표면 상의 탄화수소는 응축됨으로써 액상(liquid phase)으로 변형된다.

이를 위하여, 컨덴서의 응축 표면은 특정 냉각 회로를 통하여 작동될 수 있다. 컨덴서의 응축 표면이 공기-조화 시스템에 연결되는 경우 특정 냉각 회로가 필수적인 것은 아니다. 반도체 냉각 요소를 사용하는 것도 고려해 볼 수 있다.

컨덴서와 연료 탱크 사이의 연결을 통하여, 액상이 탱크로 복귀되어, 분리된 연료 성분이 내연 기관으로 공급될 수 있다. 압축기 및 응축기가 상대적으로 단순하게 구성된 요소이기 때문에, 이들이 사용되는 경우 장치의 비용은 요즘 탄화수소 보유 시스템에서보다 상당히 높지는 않다.

유리한 실시예에서, 사전 분리기를 형성하는 압축기 및 응축기는 구조적 유니트를 형성하도록 결합된다. 결과적으로 압축 가스 혼합물은 컨덴서까지 짧은 거리만 구비하고, 그 결과 압력 손실이 상당히 감소되어 압축기가 상대적으로 소형으로 제작될 수 있다. 추가적으로, 컨덴서의 출구에 가스 분리 다이어프램을 배치하는 것이 유리한 것으로 증명된다. 또한 탄화수소의 분율은 이러한 추가적인 가스 분리 다이어프램을 통하여 감소된다.

가스 혼합물이 필터로 공급되기 전에 가스 혼합물을 팽창시키는 것이 특히 유리하다. 이를 위하여, 스로틀 및 사이클론과 같은 노즐 또는 밸브가 사전 분리기에 추가될 수 있다. 팽창의 결과로 가속되어진 가스는 사이클론으로 유동하고, 여기서 후속 응축이 발생한다. 원심력이 작용하여, 응축물이 분리되고 연결을 통하여 연료 탱크로 복귀한다. 추가적으로 정화된 가스는 하류 활성탄 필터 또는 가능하다면 촉매 버너의 추가적인 감소를 허용하는 순도를 구비한다. 그러므로, 이러한 상황에서 활성탄 필터는 전혀 필요없을 수도 있고, 대신에 가스가 대기로 도입되기 전에 가스 분리 다이어프램이 배치될 수도 있다.

배출치의 추가적인 감소를 위하여, 사전 분리기를 연료 탱크ㅔ 통합시키는 것도 유리하다. 그러므로 본 발명에 따른 장치의 모든 연결점이 연료 탱크 내에 배치되기 때문에, 증가된 침투 지점을 설계 시에 추가적으로 고려할 필요가 없어, 구성을 추가적으로 단순하게 하고 비용도 감소시킨다. 더욱이, 사전 분리기의 컴팩트한 구성의 결과로, 긴 호스 연결이 필요없다.

본 발명에 따른 방법의 두 번째 실시예에서, 작동하는 동안 또는 연료 재충전하는 동안 발생하는 가스는 사전 압축 필요 없이 공통 컨덴서(cocondenser)에서 응축된다. 이를 위하여 혼합물은 액체 냉각 매체로 충진되는 탱크로 유도된다. 냉각 매체로는 연료를 사용하는 것이 바람직하다. 냉각 액체와 접촉하자 마자, 탄화수소는 응축되는 반면, 정화된 가스는 공통 컨덴서의 상부 출구를 통하여 필터로 공급된다. 응축된 성분은 이어서 연료 탱크로 재공급된다.

응축율을 증가시키기 위하여, 냉각 매체를 냉각시키는 것이 유리하다. 한 가지 가능성은 컨덴서로의 벽을 냉각시키는 것이다. 추가적으로, 반도체 냉각 요소가 컨덴서에 배치될 수 있다. 추가적인 실시예에서, 컨덴서는 냉각 회로에 연결된다. 한편으로는, 공통 컨덴서로부터 유출되는 액체는 상당히 낮은 온도로 공통 컨덴서에 재공급되기 전에 냉각기로 공급된다. 다른 한편으로는, 공통 컨덴서에는 냉각 튜브가 배치될 수도 있는데, 냉각 액체가 튜브를 통하여 유동한다. 이러한 냉각기는 분리된 냉각기일 수도 있고, 분리된 냉각기는 차량의 공기-정화 시스템을 통하여 작동된다.

본 발명은 다수 개의 예시적인 실시예를 참조하여 보다 자세하게 설명된다. 도면에서;

도 1은 본 발명에 따른 장치의 대략적인 도해를 나타내고,

도 2는 압축단 및 응축단을 구비한 사전 분리기를 도시하고

도 3은 컨덴서를 구비한 사전 분리기를 도시한다.

도 1에 도시된 차량의 연료 탱크(1)는 충진 넥(filler neck, 2)을 통하여 충진될 수 있다. 연료를 재충전하고 작동하는 동안에 통풍시키기 위하여, 벤팅 라인(3a, 3b)이 연료 탱크(1)의 상단 영역에 배치된다. 이와 같은 벤팅 라인은 내부 사전 분리기(4)를 구비한 보상 탱크로 들어 온다. 벤팅 라인(3a, 3b)을 통하여 수집된 가스는 사전 분리기(4)로 공급되는데, 가스에 함유된 탄화수소는 응축된다. 이어서 정화된 가스는 소형 활성탄 필터 내에서 제 2 정화된 후 대기로 유도되기 전에 활성탄 필터(5)로 공급된다. 사전 분리기(4)에서 응축되어 배출되는 탄화수소는 출구(6)를 통하여 연료 탱크로 재공급된다.

도 2의 사전 분리기(4)는 압축단(7)을 포함하는데, 여기서 벤팅 라인(3a, 3b)을 통하여 공급되는 가스가 압축되고 가열된다. 이어서 압축 가스는 컨덴서(8)로 유입된다. 가스 혼합물에 함유된 탄화수소는 상기 컨덴서의 응축 표면(9)에서 응축된다.

컨덴서(8)의 바닥에서 액상이 수집되고 밸브(10)를 통하여 연료 탱크(1)로 유도된다. 가스는 다이어프램(11)을 거쳐 노즐(12)을 통하여 팽창되는데, 다이어프램에서 추가적으로 탄화수소가 분리된다. 이어 가속화된 가스 유동은 사이클론(13)으로 진입하는 액체 방울(liquid drops)을 함유한다. 원심력으로 인하여 연료 방울이 사이클론(13)의 벽에서 분리된다. 액상은 연료 탱크(1)로 재유도되는 반면, 정화된 가스 혼합물은 연료 탱크(1) 외부에 배치된 활성탄 필터(5)로의 연결(14)을 통하여 전달된다.

도 3에 도시된 장치는 상부 영역 내부에 배치된 버블 탱크(16)를 구비하는 연료 탱크(1)의 세부도이다. 버블 탱크(16)로 도달하는 벤팅 라인(3a, 3b)은 오버플로우 오리피스(18)의 하부 모서리까지 공통 컨덴서(cocondenser, 17)를 통하여 냉각 매체(19)로 충진된다. 벤팅 라인(3a, 3b)의 공급 오리피스(20a, 20b)는 공통 컨덴서(17)의 바닥 영역에 배치된다. 일정-온도 단계는 냉각 회로(21)를 통하여 공통 컨덴서(17)에서 도달된다. 이를 위하여, 냉각 매체는 공통 컨덴서(17)로부터 일정한 질량 유동으로 방출되고 열 교환기로 공급된다. 이러한 방식으로 냉각되는 냉각 매체는 이어서 공통 컨덴서(17)로 재공급된다.

냉각 매체로 응축되는 연료(19)는 공통 컨덴서(17)의 오버플로우(18)를 통하여 버블 탱크(16)로 공급된다. 버블 탱크의 바닥 영역에 배치되는 펌프(22)는 연료 탱크(1), 공급 유니트 또는 펌프로 복귀되는 연료(19)를 이송한다. 여전히 공통 컨덴서(17)의 상부 영역에 축적되는 잔류 가스 혼합물은 활성탄 필터(5)로 전달되며, 공통 컨덴서 출구 영역의 스크린(23)은 어떠한 액체 성분도 활성탄 필터(5)에 도달할 수 없도록 한다.

Claims (28)

1. 연료 탱크(1)의 연료-증기/공기 혼합물을 분리시키기 위한 방법으로서, 정화될 상기 가스 혼합물이 상기 연료 탱크(1)로부터 필터(5)로 공급되고, 정화될 상기 가스 혼합물이 사전 분리기(4)로 공급되고, 그리고 상기 사전 분리기(4)에서 탄화수소가 상기 가스 혼합물로부터 분리되고 그리고 상기 연료 탱크(1)로 재공급되며, 그리고 상기 정화된 가스가 상기 필터(5)로 전달되는 연료 탱크(1)의 연료-증기/공기 혼합물을 분리시키기 위한 방법에 있어서,

   상기 사전 분리기(4)에서의 탄화수소가 상기 연료 탱크(1) 내부에서 분리되고, 그리고 상기 사전 분리기(4)에 의하여 정화된 상기 가스가 상기 연료 탱크(1)로부터 추출되는 것을 특징으로 하는,

   연료 탱크(1)의 연료-증기/공기 혼합물을 분리시키기 위한 방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 가스 혼합물이 상기 연료 탱크(1)로부터 벤팅 라인(3a, 3b)을 통하여 상기 사전 분리기(4)로 공급되는 것을 특징으로 하는,

   연료 탱크(1)의 연료-증기/공기 혼합물을 분리시키기 위한 방법.
3. 제 2항에 있어서, 상기 가스 혼합물에 함유된 탄화수소가 상기 사전 분리기(4)에서 응축되는 것을 특징으로 하는,

   연료 탱크(1)의 연료-증기/공기 혼합물을 분리시키기 위한 방법.
4. 제 3항에 있어서, 상기 사전 분리기(4) 내의 가스 혼합물이 응축되기 전에 압축되는 것을 특징으로 하는,

   연료 탱크(1)의 연료-증기/공기 혼합물을 분리시키기 위한 방법.
5. 제 4항에 있어서, 상기 가스가 응축된 후에 팽창되는 것을 특징으로 하는,

   연료 탱크(1)의 연료-증기/공기 혼합물을 분리시키기 위한 방법.
6. 제 5항에 있어서, 제 2 단계에서 상기 가스가 후속 응축되는 것을 특징으로 하는,

   연료 탱크(1)의 연료-증기/공기 혼합물을 분리시키기 위한 방법.
7. 제 6항에 있어서, 상기 가스가 응축된 후에 필터를 통하여 전달되는 것을 특징으로 하는,

   연료 탱크(1)의 연료-증기/공기 혼합물을 분리시키기 위한 방법.
8. 제 6항 또는 제 7항에 있어서, 후속 응축 시에 분리된 액체 탄화수소가 상기 연료 탱크(1)로 전달되는 것을 특징으로 하는,

   연료 탱크(1)의 연료-증기/공기 혼합물을 분리시키기 위한 방법.
9. 제 8항에 있어서, 응축시키기 위한 상기 가스가 냉각 매체를 통하여 전달되는 것을 특징으로 하는,

   연료 탱크(1)의 연료-증기/공기 혼합물을 분리시키기 위한 방법.
10. 제 9항에 있어서, 상기 응축 표면(9) 및 냉각 매체가 냉각되는 것을 특징으로 하는,

    연료 탱크(1)의 연료-증기/공기 혼합물을 분리시키기 위한 방법.
11. 제 1항에 따른 방법을 실행하기 위한 장치로서, 연료 탱크(1), 필터(5), 사전 분리기(4) 그리고 상기 사전 분리기(4)로부터 상기 필터까지의 라인을 구비하고, 상기 연료 탱크(1)에서 발생하는 가스가 상기 사전 분리기(4)로 공급될 수 있으며, 그리고 상기 사전 분리기(4)가 상기 연결 탱크(1)로의 추가적인 연결을 구비하는 제 1항에 따른 방법을 실행하기 위한 장치에 있어서,

    상기 사전 분리기(4)가 상기 연료 탱크(10)의 내부에 배치되는 것을 특징으로 하는,

    제 1항에 따른 방법을 실행하기 위한 장치.
12. 제 11항에 있어서, 상기 사전 분리기(4)가 상기 가스를 공급하기 위하여 상기 연료 탱크(1)의 벤팅 라인(3a, 3b)에 연결되는 것을 특징으로 하는,

    제 1항에 따른 방법을 실행하기 위한 장치.
13. 제 11항 또는 제 12항에 있어서, 상기 사전 분리기(4)가 압력단(7)과 그리고 응축 표면(9)을 구비하는 응축기(8)로부터 형성되는 것을 특징으로 하는,

    제 1항에 따른 방법을 실행하기 위한 장치.
14. 제 13항에 있어서, 필터(11)가 유동 방향으로 상기 응축 표면(9)의 하류에 배치되는 것을 특징으로 하는,

    제 1항에 따른 방법을 실행하기 위한 장치.
15. 제 14항에 있어서, 스로틀(12)이 상기 컨덴서(8)의 유동측 출구에 배치되는 것을 특징으로 하는,

    제 1항에 따른 방법을 실행하기 위한 장치.
16. 제 15항에 있어서, 상기 스로틀(12)이 밸브 또는 노즐인 것을 특징으로 하는,

    제 1항에 따른 방법을 실행하기 위한 장치.
17. 제 16항에 있어서, 추가적인 컨덴서(13)가 상기 컨덴서(8)의 하류에 배치되는 것을 특징으로 하는,

    제 1항에 따른 방법을 실행하기 위한 장치.
18. 제 17항에 있어서, 상기 추가적인 컨덴서(13)가 액체 탄화수소의 배출을 위한 상기 연료 탱크(1)로의 연결을 구비하는 것을 특징으로 하는,

    제 1항에 따른 방법을 실행하기 위한 장치.
19. 제 11항 또는 제 12항에 있어서, 상기 사전 분리기(4)가 냉각 매체(19)로 충진되는 공통 컨덴서(17)인 것을 특징으로 하는,

    제 1항에 따른 방법을 실행하기 위한 장치.
20. 제 19항에 있어서, 상기 벤팅 라인(3a, 3b)이 상기 공통 컨덴서(17)의 하부 영역에서 종료되는 것을 특징으로 하는,

    제 1항에 따른 방법을 실행하기 위한 장치.
21. 제 20항에 있어서, 방울-침투불가 메쉬 너비를 구비한 스크린(23)이 상기 필터(5)로의 공통 컨덴서(17)의 출구에 배치되는 것을 특징으로 하는,

    제 1항에 따른 방법을 실행하기 위한 장치.
22. 제 21항에 있어서, 상기 공통 컨덴서(17)가 버블 탱크(16)에 배치되는 것을 특징으로 하는,

    제 1항에 따른 방법을 실행하기 위한 장치.
23. 제 22항에 있어서, 상기 공통 컨덴서(17)가 상기 버블 탱크(16)로의 오버플로우(18)를 포함하는 것을 특징으로 하는,

    제 1항에 따른 방법을 실행하기 위한 장치.
24. 제 23항에 있어서, 반도체 냉각 요소가 상기 응축 표면(9) 상에, 상기 공통 컨덴서(17) 상에 또는 상기 냉각 매체(19) 내에 배치되는 것을 특징으로 하는,

    제 1항에 따른 방법을 실행하기 위한 장치.
25. 제 23항에 있어서, 상기 응축 표면(9), 상기 공통 컨덴서(17) 또는 상기 냉각 매체(19)가 냉각 회로를 통하여 냉각될 수 있는 것을 특징으로 하는,

    제 1항에 따른 방법을 실행하기 위한 장치.
26. 제 25항에 있어서, 상기 필터(5)가 활성탄 필터 또는 가스 분리 다이어프램인 것을 특징으로 하는,

    제 1항에 따른 방법을 실행하기 위한 장치.
27. 제 26항에 있어서, 밸브(10) 또는 펌프(23)가 상기 추가적인 연결(6)에 배치되는 것을 특징으로 하는,

    제 1항에 따른 방법을 실행하기 위한 장치.
28. 삭제