KR101291025B1 - 흡수 캐니스터 및 이를 구비한 자동차 연료 탱크 - Google Patents

Abstract

연료 증기 저장 캐니스터, 예를 들어 자동차의 증방 연료 증기 배출물 제어 시스템에 사용하는 탄소 캐니스터가 기재되어 있다. 이러한 캐니스터는, 내부벽 및 외부벽을 한정하는 하우징과; 상기 내부벽에 의해 한정된 체적에 배열되는 제 1 연료 증기 저장 격실과; 공기 유동 채널을 통하여 상기 제 1 연료 증기 저장 격실과 유체 연통하는 제 2 연료 증기 저장 격실을 포함하고, 상기 공기 유동 채널은 상기 하우징의 내부벽과 외부벽 사이에서 통과하고 또한 열교환 기능을 제공하도록 배열된 부분을 포함한다. 그리하여, 공기는 흡열 탈착에 의해 냉각되고, 캐니스터의 퍼징시 제 2 연료 증기 격실은 제 1 연료 증기 격실에 도달하기 전에 외부벽을 둘러싸는 주변 공기 (또는 다른 열질량) 에 의해 따뜻해질 수 있고, 그리하여 제 1 연료 증기 격실에 보다 더 효과적인 탈착을 제공한다. 유사하게, 공기는 발열 흡수에 의해 가열되고, 캐니스터의 로딩시 제 1 연료 증기 격실은 제 2 연료 증기 격실에 도달하기 전에 주변 공기에 의해 냉각될 수 있고, 그리하여 제 2 연료 증기 격실에 보다 더 효과적인 흡수를 제공한다.

Description

흡수 캐니스터 및 이를 구비한 자동차 연료 탱크 {ABSORBENT CANISTER AND VEHICLE FUEL TANK HAVING THE SAME}

본 발명은, 자동차의 증발 배출물을 감소시키는 것에 관한 것으로, 특히 이러한 목적을 위해 모터 차량에 장착하기 위한 연료 증기 저장 캐니스터 (canister) 의 제공, 상기 캐니스터가 장착되는 모터 차량, 및 상기 캐니스터를 사용하여 차량의 연료 탱크로부터 연료 증기 배출물을 관리하는 방법에 관한 것이다. 본원은 또한 그 전체가 본원에 참조된 2008년 9월 22일 출원한 영국특허출원 제 0817315.5 호에 기재되어 있다.

모터 차량 연료 (예를 들어, 자동차용 가솔린) 는 비교적 휘발성이고 또한 대기중으로 빠져나가는 연료 증기의 양을 저감시키려는 것은 일반적인 소망이다. 실제로, 많은 나라에서, 모터 차량으로부터 방출될 수 있는 연료 증기의 양을 제한하는 법규가 있다. 증발 연료 배출물은 주로 차량의 연료 탱크(들)로부터 나옴으로써 생긴다. 연료는 휘발성이기 때문에, 연료 탱크의 공기는 일반적으로 연료 증기로 많이 채워지고, 이러한 공기가 대기중으로 배출되어, 이는 모터 차량으로부터의 연료 증기 배출물의 주요 공급원이 된다.

연료 탱크로부터 연료 증기를 증발 배출하는 2 가지 주요 유형, 즉 소위 일상 증발 손실 (DBL) 및 연료 주입 손실이 있다. 상기 일상 증발 손실 ("블리딩 (bleeding)" 으로도 알려짐) 은, 예를 들어 차량이 주차되어 있을 때, 온도 및/또는 압력의 변화로 탄화수소로 채워진 공기가 연료 탱크로부터 배출되도록 함에 따라, 일반적으로 시간에 걸쳐 비교적 느리게 나타난다. 연료 주입 손실은, 연료 주입시 연료가 탱크로부터 공기를 배출시킴에 따라 보다 신속하게 발생한다. 연료 탱크로부터의 미처리된 공기가 대기 중으로 나가는 것을 방지하기 위한 단계가 조치되지 않으면, 연료 증기는 대기 중으로 손실된다.

그리하여, 연료 탱크(들)로부터의 연료 증기의 임시 저장을 위한 연료 증기 저장 캐니스터를 모터 차량에 제공하는 것, 예를 들어 발생하는 블리딩 및 연료 주입 손실을 흡수하는 것은 잘 알려져 있다. (본원 전체에 사용되는 "흡수" 라는 용어는, 문장에서 다르게 요구하지 않으면, 흡착도 포함하도록 광범위하게 해석되어야 한다) 그 후, 저장된 연료 증기는 연료 증기 저장 캐니스터로부터 인출되어 차량의 사용시 연소를 위한 차량의 엔진안으로 가게 될 것이다. 이러한 연료 증기 저장 캐니스터는 "탄소 캐니스터" 로서 종종 알려져 있다. 이는, 연료 증기를 포함하는 탄화수소를 저장하는 흡수재로서 탄소, 예를 들어 활성 탄소가 통상적으로 사용되기 때문이다.

유럽 자동차 시장을 위한 연료 회수 시스템에 있어서, 연료 주입 손실/배출물은 탄소 캐니스터 구성에 있어서 상기와 같은 중요한 역할을 하지 않는데, 이는 상기 연료 주입 배출물은 일반적으로 유럽 법규에 따른 탄소 캐니스터를 통하여 반드시 배출되지 않기 때문이다. 하지만, 예를 들어 북미 자동차 시장에서 사용하는 통합형 연료 증기 저장 및 회수 시스템에 있어서, 연료 주입 배출물이 탄소 캐니스터를 통하여 배출되고, 이러한 시장을 위한 탄소 캐니스터는 훨씬 더 빠른 손실을 종종 처리할 수 있어야 한다.

자동차의 연료 탱크 시스템을 밀봉하는 것을 실행불가능하다. 대기 중으로의 연료 증기 손실을 저감하기 위해서, 연료 탱크는 적합한 연료 흡수재를 포함하는 캐니스터를 통하여 통기된다. 고표면적의 활성 탄소 입자 (또는 펠릿 형태) 는 상기 연료 증기를 임시 흡수하는데 광범위하게 사용된다. 그리하여, 연료 탱크로부터 연료로 채워진 공기가 통기되면, 상기 캐니스터를 통과하고, 공기 중의 탄화수소 함량은 탄소에 흡수됨으로써 저감된다. 캐니스터로의 연료 증기의 이러한 흡수를 "로딩 (loading)" 라고 할 수 있다. 차량의 엔진이 작동될 때, 상기 캐니스터는 도관을 통하여 엔진의 흡기 매니폴드에 연결된다. 이러한 흡기 매니폴드에서의 감압은, 대기로부터의 공기를 캐니스터를 통하여 흡인하는데 사용되고, 또한 이전의 로딩 상태에서 캐니스터에 저장된 연료 증기가 캐니스터의 흡수재로부터 배출되도록 하여 연소용 엔진안으로 흡인된 공기안으로 가게 된다. 캐니스터로부터 저장된 탄화수소를 제거하는 것을 "퍼징 (purging)" 이라고 할 수 있다. 그리하여, 정상적인 사용시, 연료 증기가 캐니스터에 연속적으로 포획된 후 차량의 엔진에서 연소하도록 배출됨에 따라, 탄소 캐니스터는 일련의 로딩 및 퍼징 사이클을 받게 된다.

US-A-6540814 (Hiltzik 등, Westvaco) 에는, 일정한 용량의 활성 탄소를 포함하는 현재의 캐니스터 시스템이 흡수 및 공기 퍼지 재생 사이클링 동안 100 그램의 증기를 용이하게 포획하고 배출할 수 있는 것이 기재되어 있다. 이러한 캐니스터 시스템은 또한 연료 주입시 연료 탱크로부터 배출되는 공기 및 탄화수소 증기의 대량 유동을 수용하도록, 저유동 제한부를 구비해야 한다. 상기 문헌에는, 증기가 제어되어야 하는 방법에 관한 접근법의 변화를 요구하는 규칙이 공표된 것이 더 기재되어 있다. 현재의 종래의 증발 배출물 제어로 고효율적인 제거를 달성함에 따라, 캐니스터로부터의 허용가능한 배출 레벨은, 배출된 증기의 주요 공급원, 즉 연료 탱크가 더 이상 주요 관심이 아닌 낮은 레벨까지 저감되었다. 오히려, 재생 (퍼지) 단계 이후에 잔류하는 "후류물 (heel)" 로서 탄소 흡수재 자체에 남아 있는 탄화수소에 관심을 가지게 되었다. 이러한 배출물은 통상적으로 차량을 주차하고 몇 일의 기간에 걸쳐 일상의 온도 변화를 받게 될 때 발생하게 되고, 통상적으로 이를 "일상 증발 손실" 이라고 한다. 캘리포니아 저배출 차량 규칙에서는, 상기 일상 증발 손실 (DBL) 에 있어서, 캐니스터 시스템으로부터의 배출물이 2003 년 모델 초기의 다수의 차량에 대하여 10 mg 이하 ("PZEV"), 2004 년 모델 초기의 더 많은 수의 차량에 대하여 50 mg 이하, 통상적으로 20 mg 이하 ("LEV-II") 인 것이 바람직하도 하였다. ("PZEW" 및 "LEV-II" 는 캘리포니아 저배출 차량 규칙의 기준이다) 상기 개시된 방안에서는, 캐니스터에 일련적으로 연결된 제 1, 제 2 및 제 3 흡수층을 제공하고 또한 캐니스터의 제 3 또는 통기측의 흡수재는 체적에 기초하여 평탄한 흡수 등온선을 나타내는 흡수재를 가진다. 이러한 등온선 형태는 흡수층의 깊이에 걸친 퍼지 효율과 관련된 이유로 중요하다. 평탄한 흡수 등온선을 가진 흡수재에 대하여, 보다 가파르게 경사진 등온선을 가진 흡수재와 비교하면, 흡수된 탄화수소에 균등한 탄화수소 증기의 농도는 흡수된 탄화수소가 제거됨에 따라 분명히 더 감소된다. 그리하여, 캐니스터의 통기층에 흡수 체적으로서 상기 재료가 사용되면, 퍼지는, 퍼지 입구 영역의 증기 농도를 매우 낮은 레벨까지 저감시킬 수 있다. 퍼지 입구 근방의 증기는 결국엔 블리드로서 나타나기 때문에, 상기 농도의 저감은 블리드 배출 레벨을 저감시킨다.

US-A-7114492 (Reddy, GM Global Technology) 에는, 블리드 배출 문제가 하이브리드 차량에서는 특히 중요한 것이 기재되어 있다. 하이브리드 차량은 보다 나은 연료 절약을 위해 가솔린 연료식 내연 (IC) 엔진 및 전동기를 결합한다. 아시다시피, 하이브리드 차량에서, 내연 엔진은 차량 작동의 거의 절반의 시간 동안 꺼지게 된다. 탄소 캐니스터의 퍼징은 엔진의 연소시 탈착된 증기가 소모되는 내연 엔진의 작동시에만 실시되기 때문에, 새로운 공기로의 탄소 캐니스터 퍼징은 하이브리드 차량이 운행되는 절반의 시간보다 적게 발생한다. 그리하여, 하이브리드 차량이 종래의 차량과 거의 동일한 양의 증발 연료 증기를 발생시키더라도, 그의 낮은 퍼지율은 흡수된 연료를 탄소 캐니스터 외부로 세정하는데 불충분하여, 더 큰 증발 블리드 또는 증발 배출물을 유발한다. 상기 개시된 방안에서는, 제 1, 제 2 및 제 3 흡수층을 가진 캐니스터를 제공하고 (제 3 흡수층을 "스크러버 (scrubber)" 라고 함) 또한 흡수된 탄화수소의 제거를 촉진시키도록 퍼지 단계에서 엔진 배출물로부터 열을 공급한다.

WO 2009/080127 (Catton 등, Kautex Textron, 이 문헌은 본원에 참조됨) 에서는, 상당량의 에탄올을 포함하는 소위 플렉시 연료 (flexi fuels) 를 사용하여 발생하는 다른 문제점을 고려한다. 에탄올은 비교적 높은 증기압을 가진 고휠발성 연료이다. 예를 들어, 소위 E10 연료 (10% 에탄올) 는 시장에서 현재 가장 큰 증기 발생을 가진다. 즉, 연료 탱크로부터 탄소 캐니스터의 연료 증기 흡인이 매우 높다는 것이다. 다른 한편으로는, 종래의 탄소 캐니스터의 통상적인 퍼징 모드 동안, 어떠한 퍼센트의 연료 증기 흡인물만이 배출될 수 있다. 그 결과, 보통의 탄소 캐니스터의 연료 증기 체적은 비교적 빠르게 배출된다. 그 후, 완전히 로딩된 탄소 캐니스터의 블리드 배출물은, 통상적으로 법규하에서 허용되는 배출값을 초과하는 정도로 증가된다. 발명자들은, 소위 블리드 배출물에 대하여 보다 개선된, 즉 개선된 일상 증발 손실 효율을 가진 연료 증기 저장 및 회수 캐니스터를 제공하고, 또한 비교적 저 탄소 체적을 갖지만 그럼에도 불구하고 높은 작업 체적을 가진 비교적 컴팩트한 구성으로 하려고 하였다. 상기 방안은 적어도 제 1 흡수층 및 제 2 흡수층이 일렬로 연결되는 캐니스터를 제공하고, 이러한 흡수층은 공기 틈 확산 배리어에 의해 서로 분리된다. 특히, 여러 개의 증기 저장 격실 또는 여러 개의 증기 저장층 사이에 공기 틈 절연부를 제공함으로써, 저농도의 탄화수소 쪽으로, 즉 대기 중으로의 탄화수소 확산은 상당히 느려지고, 그리하여 일상 증발 손실을 상당히 저감시킨다. 연료 증기 저장 장치의 일 실시형태에 있어서, 적어도 제 1 및 제 2 흡수층은 동심적인 관계로 배열되고, "동심적인" 이라는 용어는 흡수층이 원형의 단면을 가짐을 반드시 의미하지 않는다. 다른 실시형태에 있어서, 퍼징시 작동되고 또한 내연 엔진의 작동시 탄화수소 제거율을 상당히 개선시키는 퍼지 가열기가 제공된다. 이러한 퍼지 가열기는 상기 퍼지 포트와 직접 연통하는 퍼지 가열기 격실에 위치될 수 있다. 유리하게는, 퍼지 가열기는 퍼징 사이클 동안 공기 유동의 상류측 단부에 위치되고 또한 퍼지 가열기로부터 탄소층안으로의 열전달을 향상시키기 위해서, 상기 퍼지 가열기 격실을 절연되지 않은 방식으로 흡수층에 의해 둘러싸서, 주변 층으로의 열복사를 가능하게 하고 또한 퍼징 효율을 개선시키는 것이 유리하다.

US-A-5743943 (Mareda 등, Nippondenso) 는 캐니스터를 가로질러 허용불가능한 압력 강하없이 탄화수소 증기의 확산이 저감되는 탄소 캐니스터의 제조에 관한 것이다. 나란한 관계로 배치되고 또한 부스트로피돈식 (boustrophedon) 영역을 가진 연통로에 의해 상호 연결되는 제 1 및 제 2 흡수 챔버를 가진 흡수 캐니스터가 기재되어 있다. 하지만, 상기 연통로의 부스트로피돈식 영역은 흡수 챔버사이의 확산로를 증가시키기 위해서만 사용되고, 가스 충전된 격실에 의해 제 1 흡수층 및 제 2 흡수층을 분리시킨다. 상기 흡수층의 벽을 통한 열전도에 의해 흡수층으로부터의 열을 수용하는 열교환기로서 사용되도록 부스트로피돈식 영역 또는 다른 비선형 영역을 가진 유동 통로를 사용하는 것은 언급되어 있지 않다.

본원의 일 양태에 따라서, 내부벽 및 외부벽을 한정하는 하우징과; 상기 내부벽에 의해 한정된 체적에 배열되는 제 1 연료 증기 저장 격실과; 공기 유동 채널을 통하여 상기 제 1 연료 증기 저장 격실과 유체 연통하는 제 2 연료 증기 저장 격실을 포함하는 연료 증기 저장 캐니스터를 제공하고, 상기 공기 유동 채널은 상기 하우징의 내부벽과 외부벽 사이에서 통과하도록 배열된 부분을 포함한다.

그리하여, 상기 하우징의 내부벽과 외부벽 사이에서 통과하도록 배열된 공기 유동 채널의 부분은, 채널내의 공기와, 주변 공기를 포함하는 외부벽 외측의 환경 또는 금속 체적 등의 히트싱크 및/또는 열 왁스를 포함하는 챔버 사이에서 열교환하도록 열교환 기능을 제공한다. 이러한 열교환 기능은 로딩 및 퍼징 둘 다에서 캐니스터의 효율을 향상시키는데 도움을 줄 수 있다. 이는, 로딩 과정이 저온에서 보다 더 효과적이기 때문이지만, 흡수 과정 그 자체는 발열성이다. 본원의 실시형태에 따라서, 캐니스터의 로딩시 제 1 연료 증기 격실에서의 발열 흡수에 의해 가열된 공기는 다른 증기 흡수를 위한 제 2 연료 증기 격실에 도달하기 전에 캐니스터의 외부벽에 인접한 채널을 통과한다. 그리하여, 제 1 연료 증기 격실에서의 발열 로딩으로부터 가열된 공기는, 외부벽을 통하여 캐니스터를 둘러싸는 주변 공기, 또는 다른 열질량/히드싱크로의 열전달에 의해 냉각될 수 있다. 연료 증기로 채워진 공기는 제 2 연료 증기 격실에 도달하기 전에 냉각되기 때문에, 제 2 연료 증기 격실에서의 흡수 과정은 보다 효율적이게 된다. 유사하게, 퍼징 과정은 고온에서 보다 더 효과적이지만 (그리하여 도 1 구성에서는 가열기를 사용함), 흡착 과정 그 자체는 흡열반응이다. 본원의 실시형태에 따라서, 캐니스터의 퍼징시 제 2 연료 증기 격실에서의 흡열 탈착에 의해 냉각된 공기는, 제 1 연료 증기 격실에 도달하기 전에 캐니스터의 외부벽에 인접한 채널을 통과한다. 그리하여, 제 2 연료 증기 격실에서의 흡열 퍼징 과정으로부터 냉각된 공기는, 외부벽을 통하여 캐니스터를 둘러싸는 주변 공기, 또는 다른 열질량/히드싱크로부터의 열전달에 의해 따뜻해질 수 있다. 퍼징용 공기는 제 1 연료 증기 격실에 도달하기 전에 따뜻해지기 때문에, 제 2 연료 증기 격실에서의 탈착 과정은 보다 더 효과적이다. 더욱이, 내부벽과 외부벽 사이의 공동은, 보다 일반적으로 캐니스터상의 주변 온도 변화의 영향을 저감시키도록, 예를 들어 온도 증가에 의한 탄화수소 확산 손실을 느리게 하도록 하는 절연층으로서 작용한다.

내부벽과 외부벽은 동심 구성일 수 있고, 예를 들어 내부벽이 외부벽에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸일 수 있다. 이렇게 함으로써, 컴팩트한 구성을 제공하는데 도움을 줄 수 있다. 내부벽과 외부벽 사이를 통과하는 공기 유동 채널 부분의 적어도 일부는, 내부벽과 외부벽 사이를 연결하는 1 개 이상의 유동 분할 벽에 의해 각각의 이웃하는 소부분으로부터 분리되는 다수의 하위-소부분으로 분할될 수 있다. 이는, 내부벽과 외부벽 사이의 틈내에 여러 번 (즉, 전후로 지그재그) 통과하는 공기 유동 채널을 제공해준다. 이는, 캐니스터의 전체 특징 치수보다 큰 열교환기로서 작용하도록 공기 유동 채널을 위한 유효 길이를 제공할 수 있다. 이는, 공기 유동 채널의 공기와 캐니스터 주변부 간에 보다 효과적인 열교환을 제공해줄 뿐만 아니라 2 개의 격실 사이에 증가된 확산 배리어 길이를 제공해준다.

제 1 연료 증기 저장 격실의 적어도 일부는 내부벽에 의해 한정될 수 있다. 더욱이, 제 1 연료 증기 저장 격실 및 제 2 연료 증기 저장 격실은 동심 구성일 수 있고, 예를 들어 제 2 연료 증기 저장 격실이 제 1 연료 증기 저장 격실에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸인다. 이러한 접근은 또한 보다 컴팩트한 캐니스터 구성을 위해 제공할 수 있다. 내부벽 및 외부벽 사이에서 통과하는 공기 유동 채널의 부분의 적어도 일부는, 제 1 연료 증기 저장 격실에 의해 둘러싸인 제 2 연료 증기 저장 격실의 일부에 비하여 제 1 연료 증기 저장 격실의 타측에 있을 수 있다. 제 1 연료 증기 저장 격실은 환상의 단면부를 가질 수 있고, 공기 유동 채널의 일부는 제 1 연료 증기 저장 격실의 단부에 인접한 대응하는 환상의 링의 적어도 일부를 포함할 수 있다. 공기 유동 채널의 환상의 링부는, 예를 들어, 구멍난 벽에 의해 제 1 연료 증기 저장 격실로부터 분리될 수 있다. 이는, 공기 유동 채널과 제 1 증기 저장 격실 사이에서 이동하는 공기를 위한 효과적인 이송 포트를 제공해준다. 제 1 연료 증기 저장 격실 및 제 2 연료 증기 저장 격실은 입자 또는 펠릿 형태의 활성 탄소 등의 탄소 기재의 연료 흡수재 또는 벌크 다공성 탄화 구조체를 포함할 수 있다.

연료 증기 저장 캐니스터는 제 2 공기 유동 채널을 통하여 제 2 증기 저장 격실과 유체 연통하는 제 3 연료 증기 저장 격실을 더 포함할 수 있다. 이는, 캐니스터를 위한 보다 더 큰 전체 저장 용량을 제공할 수 있고, 또한 제 2 확산 배리어를 제공한다. 연료 증기 저장 캐니스터는 캐니스터 내부의 공기를 가열하도록 작동가능한 가열기, 예를 들어 퍼징시 공기 유동 채널의 공기를 추가로 더 가열하도록 외부벽 근방에 둘러싸인 가열 부재를 더 포함할 수 있다.

본원의 제 2 양태에 따라서, 연료 탱크로부터의 연료 증기 배출물을 관리하는 방법을 제공하고, 이 방법은, 내부벽 및 외부벽을 한정하는 하우징과; 상기 내부벽에 의해 한정된 체적에 배열되고 또한 연료 탱크에 연결되는 제 1 연료 증기 저장 격실과; 상기 제 1 연료 증기 저장 격실과 유체 연통하는 제 2 연료 증기 저장 격실을 포함하는 연료 증기 저장 캐니스터를 제공하는 단계와, 상기 하우징의 내부벽과 외부벽 사이의 경로를 따라서 제 1 연료 증기 저장 격실과 제 2 연료 증기 저장 격실 사이에 공기를 구동시키는 단계를 포함한다.

본원을 실시할 수 있는 방법은, 첨부된 도면을 참조하여 실시예의 방식으로 이하 설명된다.

도 1a 는 본원에 따른 증발 배출물 캐니스터의 주요 구성품을 도시한 블럭 선도, 도 1b 및 도 1c 는 도 1a 의 캐니스터를 로딩 모드 및 퍼지 모드 각각에서 도시한 도면,
도 2 는 측면 및 약간 위에서 본 증발 배출물 캐니스터의 일 실시형태의 도면,
도 3 은 수직부에서 본 도 1a 의 캐니스터의 실시형태의 개략도로서, 가스 유동은 캐니스터의 작동 모드 또는 로딩 모드에 대하여 도시된 도면,
도 4 는 내부 격벽 및 부스트로피돈식 배열의 유동 채널을 나타내는 캐니스터의 제 1 흡수층 및 제 2 흡수층 사이의 유체 통로의 일부의 개략적인 전개도로서, 상기 유동은 캐니스터의 작동 모드 또는 로딩 모드에 대하여 도시되었고, 각각의 온도가 상기 모드에 대하여 표시되어 있는 도면,
도 5 는 제 2 흡수층 및 제 3 흡수층 사이의 일부를 생략한 것을 제외하고 도 2 의 실시형태와 유사하게 도 1a 의 캐니스터의 다른 실시형태의 개략적인 수직도로서, 상기 유동은 작동 모드 및 로딩 모드에 대하여 도시되었고, 캐니스터 내부의 지점들에서의 각각의 온도가 도시되어 있는 도면,
도 6 및 도 7 은 재생 모드 또는 퍼지 모드에 대한 유동을 도시한 것을 제외하고 도 4 및 도 5 와 유사한 도면, 및
도 8 은 제 3 흡수층이 캐니스터의 내부 공간에 위치되고 또한 재생 모드 또는 퍼지 모드에 사용하는 가열기가 도시된 캐니스터의 다른 실시형태의 상세도.

본원의 실시형태에서는, 자동차 연료 탱크로부터의 배출물을 제어하는 흡수 캐니스터를 제공하고, 상기 캐니스터는 제 1 흡수층, 제 2 흡수층, 및 상기 흡수층을 일련적으로 연결시키도록 구성되는 유동 통로를 포함하고, 상기 유동 통로는 제 1 흡수층과 주변 공기 사이에서 열교환하도록 구성되는 열교환기를 포함하며, 상기 열교환기는 제 1 흡수층의 외부벽에 걸쳐 통풍 경로의 공기를 유도하도록 내부에 분할되어 있다.

제 1 흡수층은 끝과 끝이 유동 연결되도록 구성될 수 있고 또한 다각형, 타원형 또는 원통형 측벽을 구비할 수 있으며, 상기 열교환기는 측벽 영역의 50% 이상, 다른 실시형태에서는 측벽 영역의 75% 이상, 또 다른 실시형태에서는 측벽 영역의 90% 이상을 덮도록 구성된다. 상기 열교환기의 내부 격벽은, 가스가 측벽의 표면에 걸쳐 2 개, 4 개 또는 6 개의 경로를 형성하도록 구성될 수 있다. 전술한 바와 같이, 실시형태에서, 상기 캐니스터는 제 1 흡수층의 일방의 단부에서 타방의 단부까지 연장하는 내부 통로를 구비하고, 상기 제 2 흡수층은 상기 유동 통로에 위치된다. 더욱이, 상기 내부 통로의 벽들 및 제 2 흡수층은, 일부 실시형태에서, 제 1 흡수층 및 제 2 흡수층 사이에 공기 공간을 한정할 수 있다. 제 3 흡수층과, 제 2 흡수층과 제 3 흡수층을 일련적으로 연결하는 제 2 유동 통로가 추가로 제공될 수 있다. 일부 실시형태에 있어서, 제 3 흡수층은 내부 통로에 위치되고, 다른 실시형태에서, 이 제 3 흡수층은 내부 통로의 단부로부터 돌출한다. 후자의 경우에, 격벽은 제 2 공기 통로와 겹쳐질 수 있어서, 공기는 제 2 흡수층 및 제 3 흡수층 사이에 3 개의 통로를 형성한다. 제 3 흡수층 및 내부 통로의 출구 사이에서 가열기가 일렬로 연결될 수 있고 또한 1 개 이상의 관형의 탄소 모놀리스를 포함할 수 있다.

본원의 다른 실시형태는 어떠한 이전의 청구항의 캐니스터가 연결된 차량 연료 탱크를 제공하고, 상기 연료 탱크는 일부 실시형태에서 하이브리드 내연/전기 차량을 포함하는 승용차, 배달용 트럭 등을 위한 것이다.

본원에 따르는 자동차 증발 배출물 캐니스터 또는 연료 증기 저장 캐니스터는 적어도 2 개의 일련적으로 연결되는 탄화수소 흡수층을 포함한다. 도 1a ~ 도 1c 의 실시형태에 있어서, 연료 탱크 포트 (10) 및 퍼지 포트 (12) 는, 연료 탱크 증기 라인 (11) 및 엔진 퍼지 라인 (13) 을 활성 탄소 또는 다른 연료 증기 흡수재로 된 제 1 흡수층 (14) 의 제 1 단부와 연통시킨다. 제 1 유체 통로 (18) 는 상기 흡수층 (14) 의 제 2 단부를 제 2 흡수층 (20) 의 제 1 단부와 연통시킨다. 제 2 유체 통로 (24) 는 흡수층 (20) 의 제 2 단부를 제 3 흡수층 (26) 의 제 1 단부와 연결시키고, 상기 제 2 단부는 대기와 연통하는 통기 포트 (28) 와 연통한다. 흡수층 (14, 20, 26) 각각은 상이한 흡수재를 포함할 수 있는데, 이들 중 2 개는 동일한 재료를 포함할 수 있고 제 3 층은 상이할 수 있거나, 또는 모두 동일한 흡수재를 포함할 수 있으며, 후자의 배열 및 특별한 그레이드의 활성 탄소의 사용 방지는 본원의 실시형태와 연계하여 유리하다. 적합한 재료는 활성 탄소 펠릿 또는 입자이며, 펠릿 (도 8 참조) 은 덜 먼지가 발생하는 것으로 증명되었기 때문에 바람직하다. 3 개의 층은 체적, 직경 및 길이 관계에 있어서 제 1 > 제 2 > 제 3 이다. 가스 충전된 공간 (16, 22) 은 이하 후술되는 바와 같이 제 1 흡수층 (14) 및 제 2 흡수층 (20) 의 측벽을 둘러싼다. 증기 라인 (11) 및 퍼지 라인 (13) 의 솔레노이드 제어식 밸브 (11a, 13a) 는 캐니스터를 통하여 가스 유동 방향을 제어하도록 제공된다.

탄소 캐니스터가 사용되는 모터 차량의 엔진의 정지시, 이 캐니스터는 증기 입구 또는 탱크 포트 (10) 를 통하여 모터 차량의 연료 탱크에 연결되고 또한 통기 포트 (28) 를 통하여 대기에 연결된다. 엔진으로의 퍼지 포트 (12) 는, 예를 들어 솔레노이드 작동식 밸브 (13a) 를 통하여 폐쇄될 수 있다. 엔진의 정지시, 연료 탱크내의 연료는 연료 위의 공기 공간으로 증발된다. 이러한 증기로 채워진 공기는 증기 입구 포트 (10) 를 통하여 탄소 캐니스터안으로 유동하고, 상기 솔레노이드 제어식 밸브 (11a) 는 개방되어 있다. 일상 증발 손실 ("블리딩" 으로도 알려짐) 은, 예를 들어 차량이 주차되었을 때, 온도/압력의 변화로 탄화수소로 채워진 공기가 연료 탱크로부터 배출됨에 따라, 일반적으로 시간에 걸쳐 비교적 서서히 발생한다. 연료 주입 손실은, 연료 주입시 연료가 탱크로부터 공기를 이동시킴으로써 보다 급속히 발생한다. 차량의 연료 주입시 (적어도 통합형 증발 배출물 제어 시스템에서), 연료 탱크안으로 펌핑된 연료는 탱크내의 공기를 이동시키고 또한 증기 입구 포트 (10) 를 통한 공기 유동을 발생시킨다 (연료 주입 손실). 유량은 폭넓게 연료 주입률과 대응한다. 이러한 상황에서, 연료 탱크로부터의 탄화수소로 채워진 공기는 60 리터/분 높은 유량으로 탄소 캐니스터를 통하여 이동될 수 있다. 탄소 캐니스터의 다양한 흡수층 (14, 20, 26) 내의 활성 탄소는 탄화수소 (즉, 탄화수소 분자는 탄소의 내부 다공 구조물내에 포획됨) 를 흡수하여, 이 공기는 적은 연료 증기 함량으로 통기 포트 (28) 로부터 대기로 배출된다. 이러한 상태는 도 1b 에 도시되어 있고, 공기 및 연료 증기의 유동은 화살표로 도시되어 있다.

도 1c 에 도시된 차량의 엔진 작동 사이클 동안, 캐니스터는 퍼지 포트 (12) 를 통하여 엔진 공기 입구 라인 (13) 에 연결되고 또한 통기 포트 (28) 를 통하여 대기에 연결되며, 상기 솔레노이드 제어식 밸브 (13a) 는 개방되어 있다. 연료 탱크로부터의 증기 입구 포트 (10) 는, 예를 들어 솔레노이드 작동식 밸브 (11a) 에 의해 닫히게 될 것이다. 이러한 퍼징 단계 동안, 내연 엔진은 대기로부터 통기 포트 (28) 및 탄소 캐니스터를 통하여 내연 엔진의 실린더에서 연소될 어떠한 양의 공기를 흡인하고 또한 퍼지 포트 (12) 를 통하여 배출하여, 흡수된 연료 증기의 일부 또는 전부의 탄소 캐니스터의 흡수재를 퍼징하여 카트리지는 엔진이 정지될 때 흡수 용량을 유지하며, 공기 및 증기 유동 방향은 화살표로 도시된 바와 같이 도 1b 와는 반대이다.

도 2 는 도 1a ~ 도 1c 의 연료 증기 저장 캐니스터의 일 실시형태를 도시한 (도면에서 보이는 바와 같이) 측면 및 약간 위에서 본 경사도이다. 저장 캐니스터는 일반적으로 도면 부호 30 으로 나타내었다. 상기 실시형태에서, 캐니스터의 구조적 구성품은, 일부 실시형태에서 120 ~ 130℃ 에서 용융되는 고밀도 폴리에틸렌으로 대부분 또는 전체적으로 형성되지만, 적합한 열저항성 및 기계적 특성을 가진 다른 플라스틱, 예를 들어 폴리프로필렌, 폴리부틸렌, 폴리아미드, 폴리카보네이트 또는 ABS 를 사용할 수 있고, 또는 외부벽은 금속으로 될 수 있다. 상기 실시형태에 있어서, 캐니스터 (30) 는 일반적으로 원통형의 전체적인 형상을 가질 수 있고 또한 종축선 (32) (도 3 참조) 을 중심으로 대부분 원형 대칭이다. 다른 형상도 가능하고, 캐니스터가 장착되고 제거가능하며 교체가능한 차량의 이용가능한 공간에 의해 주로 영향을 받는다. 예를 들어, 캐니스터는 단면이 타원형일 수 있거나 또는 일반적으로 둥근 종방향 가장자리를 가진 정사각형 또는 사각형일 수 있다. 상기 실시형태에 있어서, 캐니스터는 약 220 ㎜ 의 길이 (축선 (30) 에 평행) 와 약 150 ㎜ 의 직경을 가진다. 캐니스터를 나타내는데 도움이 되도록, 도 2 및 도 3 에서 최상위에 있는 캐니스터의 단부를 캐니스터의 "상부" 라고 하며, 도 2 및 도 3 에서 최하위에 있는 캐니스터의 단부를 캐니스터의 "하부" 또는 "베이스" 라고 한다. 상부 및 하부 사이를 연결하는 캐니스터의 특징부를 "측면" 이라고 할 수 있다. 하지만, 이러한 용어는 도 2 및 도 3 에 도시된 배향에 대한 설명을 용이하게 하기 위해서만 사용된다. 사용시, 예를 들어 자동차, 밴 또는 트럭에 설치될 때, 캐니스터 (30) 는 그에 할당된 공간에 장착되기를 바랄 때 어떠한 배향으로 배열될 수 있다.

도 2 에서 볼 수 있는 바와 같이, 캐니스터는, 상기 실시형태에서 실린더의 형상에 근접한 외부로 약간 테이퍼진 원뿔 형상이고 또한 제 1 흡수층 (14) 및 제 2 흡수층 (20) 을 수용하는 본체 (32) 를 포함한다. 이러한 본체는, 그 상부 단부에서, 연료 탱크 포트 (10) 및 퍼지 포트 (12) 를 제 1 흡수층 (14) 의 제 1 단부와 연통시키는 고압 영역 (plenum region) (34) 을 구비한다. 차량에 캐니스터 (30) 가 설치되면, 탱크 포트 (10) 는 차량의 연료 탱크에 연결될 수 있고, 퍼지 포트 커넥터 (12) 는, 차량에 탄소 캐니스터를 설치하는 통상적인 어떠한 방식으로, 예를 들어 호스 및 솔레노이드 작동식 밸브를 사용하여, 차량의 엔진의 흡기구에 연결될 수 있다.

도 3 에서 볼 수 있는 바와 같이, 캐니스터 (30) 는 3 개의 가스 충전된 공간 (일반적으로 도면 부호 31 로 표시함) 을 가진다. 고압 영역은 본체 (32) 에 대한 상부 덮개를 제공하고, 이러한 고압 영역은 짧은 일반적으로 원통형 측벽, 하부면 (38) 및 일반적으로 환상의 상부벽 (40) 에 의해 한정되고, 상기 환상의 상부벽은 포트 (10, 12) 와 연통하고 또한 제 1 흡수층 (14) 의 제 1 단부로의 하부 환상의 개구부를 가진 환상의 고압 챔버 (42) 를 한정하고, 이 개구부에는 가스 투과성 층 유지 재료 (44), 예를 들어 폴리에스테르 차단 재료로 된 환형부가 끼워진다. 중앙의 하부면 영역 (38a) 은 상부벽 (40) 의 환형부내에서 나타나고 또한 상부로 돌출하는 제 3 층 (26) 을 수용하는 구멍을 가진다. 2 개의 부분 커버 (46, 48) 는, 그의 영역 (36) 을 인접한 퍼지 포트 (12) 에 노출시키면서 상부벽 (40) 에 장착되고, 제 3 층 (26) 의 상부를 수용하는 일반적으로 상부로 향하는 원통형 돌출부를 가지고, 또한 포트 (28) 에서 종결된다. 본체 (32) 는, 일반적으로 원통형의 가스 불투과성 내부 측벽 (54), 및 내부 측벽과 동심이고 또한 일반적으로 캐니스터 (30) 의 주변에서 연장하는 환상의 공동 (60) 을 한정하도록 작은 상향 및 내향으로의 테이퍼를 가지면서 내부 측벽으로부터 반경방향 외부로 이격된 가스 불투과성 외부 측벽 (56) 을 구비한다. 공동 (30) 은, 본 실시형태에서, 약 220 ㎜ 의 높이 및 약 440 ㎜ 의 캐니스트의 원주에 근접한 길이로 될 수 있다. 외부 측벽 (56) 은 상단부에 있는 영역 (58) 에서 내부 측벽 (54) 과 만나도록 내곡되고, 하단부는 외곡된 플랜지 (50) 로 형성되고, 하단부 캡 (52) 의 정합 플랜지는 캐니스터용 유밀한 하부 덮개를 제공하도록 외곡된 플랜지에 장착된다. 내부 측벽 (54) 은 캐니스터의 내부 체적을 한정한다. 이러한 실시형태에서, 내부 체적은 원통형이고 또한 약 130 ㎜ 의 직경을 가진다. 중심벽은 캐니스터의 베이스로부터 상부까지 연장하여 이러한 캐니스터를 통과하는 통로를 한정한다. 이러한 통로는, 비교적 큰 직경의 하부 영역 (62), 그 길이를 따른 도중에 내부 단차식 절두원뿔형 영역 (64), 및 더 작은 직경의 상부 영역 (66) 으로 형성된다.

제 1 흡수층 (14) 은 환상이고 또한 내부 측벽 (54) 과 중심벽 (62, 64, 66) 사이의 캐니스터의 실질적으로 축방향 길이로 연장하며, 본 실시형태에서는 약 200 ㎜ 의 축방향 길이를 가진다. 포트 (10) 및 고압 챔버 (42) 에 근접한 상부 영역은 비교적 큰 두께를 가지며, 본 실시형태에서는 약 40 ㎜ 이고, 절두원뿔형 벽 영역 (64) 아래의 하부 영역은 본 실시형태에서 약 20 ㎜ 의 두께이다. 흡수층 (14) 의 하단부는, 벽 (54, 62) 의 하단부에 압입 또는 부착되는 유공성 커버 (70) 및 발포 플라스틱, 스펀본딩된 재료 등의 가스 투과성 환상의 확산기 (72) 에 의해 포함되어, 가스는 도 1b 및 도 1c 에서와 같이 흡수층 (14) 을 통하여 일방향으로 유동할 수 있다. 제 2 흡수층 (20) 은, 본 실시형태에서 원통형이고, 또한 통로의 절두원뿔형 벽 영역 (64) 및 하단부 사이의 캐니스터를 통과하는 통로내에 위치된다. 흡수층 (20) 을 유지하는 유체 불투과성 측벽 (74) 은, 그 길이를 따른 도중에 절두원뿔형 영역 (64) 에 매달리고 또한 중심벽에 부착되거나 그에 일체로 형성된다. 이러한 측벽은, 제 1 흡수층 (14) 의 하부와 제 2 흡수층 (20) 사이의 열적 배리어를 형성하는 가스 공간 (78) 을 한정하고, 이러한 측벽의 하단부는 커버 (70) 의 유체 투과성 유공 영역 (76) 과 만나게 된다. 제 2 흡수층 (20) 은, 그 하단부에서 발포 플라스틱, 스펀본딩된 재료 등의 가스 투과성 디스크 (80) 에 의해 지지 및 유지되고, 또한 그 상단부에서 가스 투과성 재료, 예를 들어 폴리에스테르 기재의 스크린의 디스크 (82) 에 의해 유지된다. 본 실시형태에서, 제 2 흡수층은 약 65 ㎜ 의 직경과 약 70 ㎜ 의 길이 (축선 (32) 에 평행) 를 가진다. 전술한 바와 같이, 본 실시형태에서 제 3 흡수층 (26) 은 하우징 (32) 에 의해 한정되는 포위부에 담겨지지 않지만 그로부터 상부로 돌출한다. 이 제 3 흡수층은, 그 하단부에서 유공성 지지체 (84) 및 발포 플라스틱, 스펀본딩된 재료 등의 유체 투과성 확산 디스크 (86), 기립된 원통형 측벽 (88), 및 그 상단부에서 폴리에스테르 기재의 스크린일 수 있는 디스크 (90) 에 의해 한정된다. 본 실시형태에 있어서, 제 3 흡수층은 약 50 ㎜ 의 직경 및 약 50 ㎜ 의 길이 (축선 (38) 에 평행) 를 가진다. 제 3 흡수층은 제 1 및 제 2 연료 증기 저장 격실과 동심적으로 정렬된다. 본원에 사용되는 "동심적" 이라는 용어는, 비유적으로, 캐니스터가 원통형 또는 절두원뿔형 벽을 구비한 본원의 실시형태뿐만 아니라 형상이 타원형, 정사각형, 사각형 등인 다른 실시형태에 대해서, 흡수층 (14, 20, 26) 의 중심이 일반적으로 도시된 바와 같이 일치하는 것을 말함을 이해할 수 있을 것이다. 또한, 제 2 흡수층 및 제 3 흡수층이 제 1 흡수층과의 정확한 동심성으로부터 약간 벗어나더라도 그 기능 및 다양한 공기 이동 통로가 과도하게 방해받지 않는다면 허용될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

제 1 흡수층 (14) 의 제 2 측면 및 제 2 흡수층 (19) 의 제 1 측면 사이의 가스 통로 (18) 는, 단부 캡 (52) 의 일부 및 제 1 흡수층 (14) 을 둘러싸는 가스 충전된 공간 (60) 에 의해 한정된다. 도 4 는, 가스 충전된 공간 (60) 의 평면 전개도로서, 상기 공간은 공간 (60) 의 전체 높이까지 연장하는 격벽 (102), 및 이 공간의 하단부 및 상단부로부터 교대로 이를 따라 연장하는 격벽 (104, 106, 108) 에 의해 분할되어, 캐니스터의 주변을 따라 또한 흡수층 (14) 과 열교환 관계로 부스트로피돈식 (즉, 일방의 유동 채널로에서부터 그 다음의 유동 채널로의 방향으로 교대하는 방식) 으로 가스가 유동하는 유동 채널 (60a, 60b, 60c, 60d) 를 한정하는 것을 볼 수 있다. 이 실시형태에서, 가스 유동이 캐니스터의 길이를 따라 나란한 관계로 4 개의 통로를 형성하도록 3 개의 부분 높이 격벽 (104, 106, 108) 이 있으며, 하지만 다른 구성도 가능하다. 단일의 격벽이 있으면, 가스는 캐니스터의 길이를 따라 2 개의 통로를 형성할 것이다. 교대로 있는 5 개의 격벽이 있으면, 6 개의 통로가 있으며, 7 개의 격벽이 있으면, 가스는 8 개의 통로를 형성할 것이다. 공기 통로의 길이 및 확산 질량 (g/탄소의 100 ㎖) 간의 역 관계 (inverse relationship) 가 있으며, 제 1 흡수층 (14) 및 제 2 흡수층 (20) 사이의 매우 연장된 가스 통로는, 예를 들어 차량이 서 있을 때, 일방의 흡수층으로부터 타방의 흡수층으로 탄화수소의 확산을 저감시키는데 보조한다. 그리하여, 공간 (60) 은, 흡수층 사이에서 기다란 공기 통로를 제공하고 또한 통합된 자가 작동식 열교환기를 제공하는 이중 목적으로 사용된다. 가스 충전된 공간 (60) 안으로 가스가 유입하고 또한 그로부터 가스가 유출하는 포트 (94, 98) 이 있으며, 이러한 포트는 전체 높이의 격벽 (102) 에 인접하게 또한 그의 반대편 측에 한정되는 유동 채널 (60a, 60d) 의 하단부에 배치된다. 다시 도 3 을 참조하면, 격벽 (92) 을 포함하는 단부 캡 (52) 과 관련된 구조물은, 화살표 96 으로 표시한 바와 같이, 흡수층 (14) 의 제 2 단부와 공간 (60) 사이에 가스 유동 연결을 형성하는 제 1 포트 (94) 를 한정하고, 또한 화살표 100 으로 표시한 바와 같이, 공간 (60) 에서부터 흡수층 (20) 의 제 1 단부까지의 가스 유동 연결을 형성하는 제 2 포트 (98) 를 한정한다.

제 2 흡수층 및 제 3 흡수층 (20) 사이의 가스 통로 (24) 는, 본 실시형태에서, 종방향으로 통로 (24a, 24b, 24c) 로 겹쳐져 있어서, 2 개의 흡수층 사이의 통로의 가스는 캐니스터의 길이의 상응부를 따라서 3 개의 통로를 형성한다. 이러한 겹침부는 통로 (24) 의 전체 길이가 아니라 그 대부분에 걸쳐 연장하는 기립된 의존성 원통형 벽 (101, 103) 에 의해 형성된다. 하지만, 이러한 겹침부는 선택적인 것으로, 도 5 의 실시형태에서는 이러한 겹쳐진 한정벽 (101, 103) 이 생략된다. 가스 통로가 도 5 에서와 같이 평평하거나 도 3 에서와 같이 겹쳐지든지 간에, 이를 형성하는 통로의 길이는 제 2 흡수층 및 제 3 흡수층 (20, 26) 간의 확산 질량을 줄여주며, 그리하여 탄화수소 증기의 배출을 더 저감시킨다.

도 4 및 도 5 에서, 로딩 모드에서 캐니스터를 통한 공기 유동은 문자 및 공기의 대표적인 온도로 식별되는 일련의 블럭 화살표로 개략적으로 도시되었다. 상기 온도는, 특정 캐니스터 구성 및 로딩 작동에 대하여 모델링되지 않았지만, 캐니스터의 작동의 기초를 이루는 원리를 설명하기 위한 예로서만 선택된다. 도 4 및 도 5 에 도시된 로딩 모드에 대하여, 탱크 포트 (10) 는 차량의 연료 탱크에 자유롭게 연결된다. 하지만, 퍼지 포트 (12) 를 통한 공기 유동은, 도면에 두꺼운 크로스로 개략 도시된 바와 같이, 예를 들어 퍼지 포트 커넥터를 차량의 엔진에 연결시키는 도관에 종래의 솔레노이드 작동식 밸브를 사용하여 차단된다 (다른 실시형태에서, 상기 퍼지 포트 커넥트는 로딩시 차량의 엔진으로 자유롭게 연결될 수 있다). 로딩시, 탱크 포트 (10) 에서의 공기압은 증가하게 된다. 이는, 일상 증발 손실 (블리딩) 의 경우에 탱크내의 연료/연료 증기의 열 팽창, 또는 연료 주입 손실의 경우에 차량의 탱크안으로 펌핑된 연료가 공기를 이동시킴으로써 발생하게 된다. 탱크 포트 (10) 에서의 증가된 압력은 캐니스터 (30) 를 통하여 공기를 통기 포트 (28) 로 민다. 상기 실시예에서, 차량은 연료 주입되는 과정에 있고 또한 캐니스터를 통하여 공기를 구동시키는 것이라고 가정한 것이다. 전술한 바와 같이, 연료 주입 로딩시 유량은 통상적으로 60 리터/분 만큼 높게 되고, 이는 탄화수소의 발열 흡수로 비교적으로 신속하게 비교적 고온을 유도한다는 것을 의미한다. 예를 들어, 상기 유량으로 단일의 통상적인 크기의 탄소층을 통과하는 연료로 채워진 공기가 90℃ 로 가열되거나, 완전히 퍼지된 "새로운" 캐니스터에 대해서는 120℃ 만큼 높게 될 것이다. 그럼에도 불구하고, 일반적으로 더 느린 유량이더라도 유사한 공기 유동이 블리딩시에도 발생한다.

그리하여, 공기 유동 화살표 A 로 도 4 에 도시된 바와 같이, 연료 탱크로부터 이동된 연료로 채워진 공기는 포트 (12) 를 통하여 캐니스터안으로 들어온다. 상기 실시예에서, 대기 온도는 25℃ 임을 가정하였고, 그리하여 이 온도는 캐니스터에 들어오는 공기의 온도이다. 공기 유동 화살표 B, C, D 는 제 1 흡수층 (14) 을 통과하는 공기를 나타낸다. 공기 중의 연료 증기는 발열성인 상기 흡수층의 탄소 입자에 의해 흡수되고, 그리하여 공기는 흡수층 (14) 을 통과함에 따라 흡착에 의해 90℃ 의 온도까지 가열된다. 상기 온도에서 흡수층 (14) 을 나오는 공기가 제 2 흡수층 (20) 안으로 바로 가게 되면, 고온의 공기로 인해 이러한 흡수층에서의 흡수가 비교적 불충분하게 된다. 하지만, 본원의 실시형태에 따라서, 공기는 공동 (60) 을 먼저 통과한다. 제 1 유동 채널 (60a) 안으로 통과하는 공기는, 도 4 및 도 5 에서 화살표 E 로 개략적으로 도시한 바와 같이 약 90℃ 의 온도에 있다. 공기가 공동을 통하여 이동함에 따라, 캐니스터의 외부벽 (56) 과 밀접하게 접촉하게 되고, 이 외부벽은 25℃ 의 주변 공기와 접촉하게 된다. 외부벽 (56) 은 열전도에 의해 공동 (60) 에 유입하는 따뜻한 공기를 냉각시킨다 (도 5 에서 캐니스터로부터 나가는 방향의 웨이브 화살표로 개략적으로 도시함). 일부 실시형태에서, 예를 들어 금속 복사 부재 등의 히트싱크 부재 또는 외벽 (56) (또는 외벽 (56) 자체가 금속일 수 있음) 과 열접촉하는 열 왁스의 챔버를 추가함으로써, 벽 (56) 의 유효 열질량을 증가시키는 것이 도움이 될 수 있다. 유동 채널 (60a ~ 60d) 을 통과하는 공기는, 약 54℃ 에서 나가면서, 화살표 F ~ R 의 온도로 표시한 바와 같이 냉각되고, 채널 (60a) 에서의 공기 온도와 주변 온도간의 차이가 채널 (60d) 에서의 대응하는 값과 비교하여 더 크기 때문에, 채널 (60a) 에서의 냉각율은 채널 (60d) 에서보다 다소 더 크다. 공기는 약 90℃ 의 온도보다는 오히려 50℃ 근방의 온도에서 제 2 흡수층 (20) 으로 통과하고, 제 2 흡수층에서의 로딩은 냉각없이 하는 것보다 더 효율적이다.

화살표 T (도 5) 는 제 2 흡수층 (20) 을 통과하는 도중의 공기를 나타낸다. 이러한 공기는 흡수층 (20) 에서 탄소 입자에 의해 흡수를 통하여 추가의 연료 증기를 손실하게 되고, 이는 추가의 발열 반응으로 인해 이 시점에서 60℃ 정도로 되돌아간다. 발열 가열은 제 2 흡수층 (20) 을 통하여 계속되고, 공기는, 여기에서 이 흡수층을 나가는 것으로 가정되며, 또한 도 5 에서 공기 유동 화살표 U 로 도시된 바와 같이 대략 70℃ 의 온도에서 제 2 및 제 3 연료 증기 저장 격실 사이의 채널 (24) 로 들어온다. 공기 유동 화살표 V 는 제 3 흡수층 (26) 에 접근하는 공기를 나타낸다. 이러한 영역에서의 공기는 70℃ 로 가정되며, 즉 이 온도는 화살표 U 에 의해 나타내어지는 영역에서와 동일하다. 화살표 W 는 흡수층 (26) 을 통과하여 대기로 통기된 공기를 나타낸다. 제 3 흡수층을 통과할 시, 공기는 탄소 입자에 의한 흡입을 통하여 더 많은 연료 증기를 증착시킨다. 그럼으로써 더 많은 발열 가열을 유발하고, 상기 실시예에서, 공기는 대기로의 배출시 80℃ 가 된다. 실제로, 공기는 이미 제 1 및 제 3 흡수층 (특히, 제 1 흡수층) 에서 제거된 더 많은 연료 증기를 가지고 있으므로, 제 3 흡수층 (26) 에서의 온도 증가는 비교적 작을 수 있고, 그리하여 그에 대응하여 제 3 격실에서의 발열 흡수는 적다. 하지만, 전술한 바와 같이, 본원에 사용된 예시적인 온도는, 본원의 실시형태의 원리를 설명하기 위한 것으로, 어떠한 특정 조건에서 캐니스터 거동의 정확한 모델을 나타내려는 것은 아니다.

그리하여, 도 4 및 도 5 를 참조하여 설명한 바와 같이, 도 2 및 도 3 에 도시한 캐니스터 (30) 는 연료 흡수재에 탄화수소를 보다 효과적으로 로딩할 수 있다. 이러한 보다 효과적인 흡수는, 제 1 흡수층에서의 로딩시 발열 흡수에 의해 가열된 공기를 주변 공기로 냉각시킴으로써 달성되어, 후속의 흡수층(들)에서의 흡수가 보다 효과적이게 된다. 보다 효과적인 로딩은, 연료 탱크로부터의 공기의 연료 증기의 더 많은 분율을 캐니스터에서 흡수하기 때문에, 전체적인 증발 배출물을 저감시킬 수 있고, 그럼으로써 대기 포트 (28) 로부터 방출되는 공기가 더 깨끗하게 된다.

도 6 및 도 7 에서는 퍼징 모드에서, 즉 이전의 로딩 사이클 동안 캐니스터에 저장된 연료 증기를 제거할 때, 캐니스터 (30) 내의 공기 유동 경로를 개략적으로 도시한다. 또한, 공기 유동 경로는 일련의 블럭 화살표에 의해 개략적으로 도시된다. 각 화살표의 헤드에는 식별 수단으로서 문자가 형성되는데, 캐니스터에서의 공기 유동은 A, B, C, D... 등으로 통과한다. 화살표 각각은 온도 표시와 연관되어 있고 또한 화살표 각각의 영역에서 유동하는 공기의 온도를 나타낸다. 이러한 온도는 상기 특정 캐니스터 구성을 위해 모델링되지 않지만, 캐니스터 작동의 기초를 이루는 원리를 설명하기 위한 실시예로서 사용된다.

도 6 및 도 7 에 도시된 퍼징 모드에 대하여, 퍼지 포트 (12) 는 차량의 엔진의 진공 포트에 자유롭게 연결되고, 탱크 포트 (10) 를 통과하는 공기 유동은, 예를 들어 도면에서 진한 크로스로 개략적으로 도시한 바와 같이, 탱크 포트 (10) 를 차량의 연료 탱크에 연결시키는 도관에 종래의 솔레노이드 작동식 밸브를 사용하여 차단된다. 이는, 차량의 연료 탱크로부터의 연료 증기로 채워진 공기가 퍼징시 탄소 캐니스터에 유입하는 것을 방지한다. 종래에서와 같이, 차량의 엔진이 작동될 때 퍼징이 발생하고, 즉 퍼지 포트 (28) 에서의 공기 압력이 낮아서, 주변 대기로부터의 공기가 캐니스터를 통하여 흡인되는 것을 의미한다. 도 6 에서 공기 유동 화살표 A 로 도시한 바와 같이, 25℃ 의 공기는 우선 포트 (28) 를 통하여 캐니스터안으로 흡인된다. 화살표 B 는, 제 3 흡수층 (26) 을 통과하고 또한 상기 흡수층에서의 탄소 입자로부터 탈착된 연료를 포함하는 공기를 나타낸다. 탈착은 흡열성이고, 그리하여 공기는 제 3 흡수층을 통하여, 예를 들어 20℃ 까지 냉각된다. 화살표 C 는 제 2 흡수층 (20) 에 접근하는 공기를 나타낸다. 이러한 영역의 공기는 20℃ 에서 있는 것으로 가정하지만, 실제로, 이 공기는, 둘러싸는 제 1 흡수층 (14) 이 통로 (24) 의 공기보다 더 냉각되기 때문에 화살표 B 에서부터 화살표 C 까지 통과할 시 약간 냉각된다. 화살표 D 는 제 2 흡수층 (20) 을 통과하는 도중의 공기를 나타낸다. 이러한 공기는 흡수층 (20) 내의 탄소 입자로부터의 탈착으로 더 많은 연료 증기를 포획하고, 그럼으로써 추가의 흡열 냉각을 유발하고, 예를 들어 15℃ 까지 냉각된다. 이러한 탈착은 저온에서는 덜 효과적이어서, 퍼징시 체적 대 체적에 있어서, 연료 증기는 제 3 흡수층 보다는 덜 효과적으로 제 2 흡수층 (20) 으로부터 추출된다. 흡열 냉각은, 제 2 연료 증기 저장 격실을 통과하는 공기가 탈착된 연료 증기를 계속 포획함에 따라 계속되고, 그 결과 공기는 화살표 E 로 도시한 바와 같이 약 10℃ 에서 흡수층 (20) 을 나간다고 가정된다. 이러한 온도에서 흡수층 (20) 을 나가는 공기가 연속 퍼징을 위해 제 1 흡수층 (14) 안으로 바로 가게 되면, 제 1 흡수층 (14) 에서의 탈착은 공기의 차가움으로 인해 불충분해진다. 하지만, 본원의 실시형태에 따라서, 공기는 흡수층 (14) 으로 바로 가지 않지만, 먼저 캐니스터의 내부벽 (54) 및 외부벽 (56) 사이의 공동 (60) 을 통과하고, 거기에서 벽 (56) 을 가로질러 주변 공기와의 열교환에 의해 따뜻해진다.

도 5 및 도 6 에서 공기 유동 화살표 F 로 도시한 바와 같이, 공기는, 제 2 공동 포트 (62) 를 통하여 공동 (35) 에 유입하도록 제 2 중간의 공기 유동 채널 (84) (도 5 및 도 6 에서 특별히 도시하지 않음) 을 따라 공기 유동 화살표 E 의 영역으로부터 통과한다. 상기 영역에서의 공기는, 상기 간단한 실시예에서, 여전히 10 도에 있다. 이 공기는 제 2 포트 (98) 를 통하여 유동 통로 (60d) (도 7 참조) 에 유입하고 또한 내부벽 및 외부벽 (54, 56) 및 격벽 (102 ~ 109) 에 의해 한정되는 유동 통로를 통하여 인출된다. 또한, 유동 통로는 공동 높이의 약 4 배인 유효 길이를 가진다. 공기가 공동 (60) 을 통하여 인출됨에 따라, 이 공기는 캐니스터의 외부벽 (56) 과 밀접하게 접촉하게 되고, 또한 25℃ 에서 주변 공기와 접촉하게 된다. 그리하여, 공동의 외부벽은 열공급원으로서 도 6 에서 웨이브 화살표로 개략적으로 도시한 바와 같이 열전도에 의해 공동 (60) 을 통과하는 냉각 공기를 가열하도록 한다. 또한, 일부 실시형태에서, 예를 들어 금속 복사 부재 등의 히트싱크 부재를 추가함으로써 또는 금속제의 외부벽 (56) 을 형성함으로써, 공동 벽 (56) 의 유효 열질량을 증가시키는데 도움을 줄 수 있다. 공기는 공동 (60) 을 통하여 채널 (60d ~ 60a) 을 따라 포트 (94) 까지 유동하고, 대표적인 온도를 공기 유동 화살표 F, G, H, I, J, K, L, M, N, O, P, Q, R, 및 S 로 나타내었다. 상기 실시예에서, 공기는 충분히 긴 공동에 남아있고/남아있거나 벽을 통한 전도 효율은 공기가 화살표 S 로 도시한 바와 같이 포트 (61) 를 통하여 배출됨에 따라 주변 온도 (25℃) 까지 완전히 따뜻해지도록 충분히 높다고 가정한다. 도 7 에서 각각의 공기 유동 화살표에 표시된 온도로 도시된 바와 같이, 상기 실시예에서 공동을 통과하는 공기는 그 경로를 따라서 계속 따뜻해지만, 공기와 캐니스터 외부벽 (56) 사이의 온도차가 더 크기 때문에 (예를 들어, 화살표 Q 및 R 사이의 1℃ 에 비하여 화살표 G 와 H 사이의 2℃), 단부 쪽보다는 공동을 통과하는 경로의 초기에 약간 더 빨리 따뜻해진다.

따뜻해진 공기는 공동 (60) 으로부터 포트 (96) 를 통하여 메시 또는 유공 하부벽을 통하여 환상의 제 1 흡수층 (14) 안으로 복귀한다. 따뜻해진 공기는 열교환 공동 (60) 이 없는 경우에 비하여 흡수층 (14) 을 보다 효과적으로 퍼지한다. 공기 유동 화살표 T, U 및 V 는 퍼지 포트 (12) 쪽으로 제 1 흡수층 (14) 을 통과하는 공기를 개략적으로 도시한다. 상기 포트를 통하여 캐니스터 (30) 를 나오는 공기는, 공기 유동 화살표 W 로 개략적으로 도시한 바와 같이, 5℃ 에 있고, 이 공기가 차량의 엔진안으로 흡인되어, 탈착/퍼징 과정시 캐니스터를 통과할시 공기에 의해 포획되는 연료 증기는 엔진에서 연소된다. 퍼지 포트 (12) 에서부터 차량 엔진으로의 연결은, 엔진이 작동되는 한 개방되어 있을 수 있고, 그리하여 공기는 캐니스터를 통하여 계속 인출되어, 탄소 입자로부터 가능한 한 많은 연료 증기를 회수하고 또한 엔진이 정지되면 다른 흡수를 위해 이 탄소 입자를 재생한다. 대안으로, 어떠한 시간 이후에 허용가능한 퍼지 레벨이 발생하는지를 결정할 수 있고, 차량 엔진으로의 퍼지 포트 커넥터 (12) 간의 연결은 상기 시간 이후에 (예를 들어, 솔레노이드 작동식 밸브에 의해) 차단되어, 캐니스터를 통하여 다른 공기가 흡인되지 않는다.

그리하여, 전술한 바와 같이, 도 2 및 도 3 에 도시한 캐니스터 (30) 는, 특히 가열기가 없는 탄소 캐니스터에 대하여, 가능한 다른 방법보다는 다중격실 (이 경우에는 3 개의 격실이 사용되고, 다른 경우에 더 많은 격실, 또는 오직 2 개의 격실이 사용될 수 있음) 에서 연료 흡수재에 저장된 탄화수소를 보다 더 빨리 탈착할 수 있도록 한다. 캐니스터를 통과하는 공기의 후속 탈착이 보다 효과적이도록, 퍼징시 흡열 탈착에 의해 냉각된 공기를 주변 공기로 따뜻하게 함으로써 상기 보다 더 빠른 탈착이 얻어진다. 보다 효과적인 퍼징은, 개입하는 퍼징 사이클에서 캐니스터가 보다 효과적으로 "세척" 된다면 로딩 사이클 동안의 캐니스터의 저장 용량이 사실상 증가될 수 있기 때문에, 전체 증발 배출물을 저감시키는데 도움을 줄 수 있다. 이는, 예를 들어, 차량이 오직 단거리용으로 사용되기 때문에 또는 엔진이 하이브리드 차량에 통합되기 때문에, 예를 들어 이용가능한 퍼지 시간이 비교적 짧을 때만 특히 중요하다. 본원의 실시형태에서는, 60 ℓ/min 에서 1.2 kPa 이하의 압력 강하, 50 B.V. 미만의 LEVII 퍼지 체적 (흡수층 체적), 및 80 B.V. 미만의 PZEV 퍼지 체적을 얻을 수 있음이 예측된다.

본원을 벗어나지 않는 한 전술한 실시형태에 다양한 변형을 할 수 있다. 예를 들어, 도 8 에서, 제 3 흡수층 (26) 은 통로의 길이를 따른 도중에 흡수층 (14) 을 통과하는 통로내에 재위치되고 또한 제 2 흡수층 (20) 과 접촉하거나 또는 이격된다. 흡수층 (26) 및 포트 (28) 사이에는, 예를 들어 US 2007-0056954 에 기재된 바와 같이 탄소 모놀리스 형태의 가열 부재 (120) 가 제공된다. 가열 부재 (120) 는 연료 증기 저장 및 회수 장치의 퍼징 작동시에만 작동되고 또한 대기로부터 흡인된 공기를 가열시키는데 사용되며, 이는 전술한 바와 같이 퍼징의 효율을 향상시키는 것으로 알려졌다. 이는, 탄화수소가 냉간 상태에서보다 온간 상태에서 흡수재로부터 보다 더 용이하게 퍼징 (탈착) 되기 때문이다. 제 1 흡수층에 대한 열교환기로 사용되는 겹쳐지거나 또는 다중 경로의 제 1 유체 통로 (18) 와 조합하여, PZEV 표준을 충족하는데 필요한 하이브리드 차량에서 50 B.V. 이상의 퍼지 체적은 2 ㎎/day 미만의 탄화수소 배출물에 대해 충분할 수 있음이 예측된다.

Claims (19)

1. 자동차 연료 탱크로부터의 배출물을 제어하는 흡수 캐니스터로서,
   끝과 끝이 유동 연결되도록 구성되고 또한 상기 흡수 캐니스터를 통하여 내부 통로를 한정하는 측벽 (54) 과 중심벽 (62, 64, 66) 을 구비한 활성 탄소의 관형의 제 1 흡수층 (14),
   연료 탱크 증기 라인 (11) 과 엔진 퍼지 라인 (13) 에 연결하기 위해 상기 제 1 흡수층의 제 1 단부와 연통하는 연료 탱크 포트 (10) 와 퍼지 포트 (12),
   상기 내부 통로내에 위치된 활성 탄소의 제 2 흡수층 (20),
   상기 제 1 흡수층과 상기 제 2 흡수층을 일련적으로 연결시키도록 상기 제 1 흡수층 (14) 의 제 2 단부와 상기 제 2 흡수층 (20) 의 제 1 단부와 연통하는 유동 통로 (18) 를 포함하고,
   상기 제 2 흡수층의 제 2 단부는 상기 내부 통로와 연통하며,
   상기 유동 통로 (18) 는, 상기 측벽 (54) 을 덮는 상기 제 1 흡수층을 둘러싸고 또한 상기 제 1 흡수층과 주변 공기 사이에서 열교환하도록 구성되는 열교환기 (60) 를 포함하며, 상기 열교환기는 상기 제 1 흡수층의 외부벽에 걸쳐 통풍 경로 (60a ~ 60d) 에서 공기를 유도하도록 내부 분할되는 흡수 캐니스터.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 열교환기 (60) 의 내부 격벽 (104, 106, 108) 은, 가스가 상기 측벽 (54) 의 표면에 걸쳐 2 개, 4 개, 또는 6 개의 경로를 형성하도록 구성되는 흡수 캐니스터.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 내부 통로의 벽들 (62, 74) 및 상기 제 2 흡수층은 상기 제 1 흡수층 (14) 과 상기 제 2 흡수층 (20) 사이에 공기 공간 (78) 을 한정하는 흡수 캐니스터.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   제 3 흡수층 (26) 과, 상기 제 2 흡수층과 상기 제 3 흡수층을 일련적으로 연결하는 제 2 유동 통로 (24) 를 더 포함하는 흡수 캐니스터.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 제 3 흡수층 (26) 은 상기 내부 통로에 위치되는 흡수 캐니스터.
6. 제 4 항에 있어서,
   상기 제 3 흡수층 (26) 은 상기 내부 통로의 단부로부터 돌출하는 흡수 캐니스터.
7. 제 5 항에 있어서,
   격벽 (101, 103) 은 제 2 공기 통로 (24a ~ 24c) 와 겹쳐져서, 공기는 상기 제 2 흡수층 (20) 과 상기 제 3 흡수층 (26) 사이에 3 개의 통로를 형성하는 흡수 캐니스터.
8. 제 5 항에 있어서,
   상기 제 3 흡수층 (26) 과 상기 내부 통로의 출구 (28) 사이에서 가열기 (120) 가 일련으로 연결되는 흡수 캐니스터.
9. 제 8 항에 있어서,
   상기 가열기 (120) 는 1 개 이상의 관형 탄소 모놀리스를 포함하는 흡수 캐니스터.
10. 제 1 항 또는 제 2 항에 따른 흡수 캐니스터를 구비한 자동차 연료 탱크.
11. 제 10 항에 있어서,
    승용차용인 자동차 연료 탱크.
12. 제 10 항에 있어서,
    하이브리드 내연/전기 차량용인 자동차 연료 탱크.
13. 제 3 항에 있어서,
    제 3 흡수층 (26) 과, 상기 제 2 흡수층과 상기 제 3 흡수층을 일련적으로 연결하는 제 2 유동 통로 (24) 를 더 포함하는 흡수 캐니스터.
14. 제 6 항에 있어서,
    격벽 (101, 103) 은 제 2 공기 통로 (24a ~ 24c) 와 겹쳐져서, 공기는 상기 제 2 흡수층 (20) 과 상기 제 3 흡수층 (26) 사이에 3 개의 통로를 형성하는 흡수 캐니스터.
15. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 3 흡수층 (26) 과 상기 내부 통로의 출구 (28) 사이에서 가열기 (120) 가 일련으로 연결되는 흡수 캐니스터.
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