JP5744427B2 - 造粒蓄熱材および蒸発燃料処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、自動車用内燃機関の蒸発燃料の処理などに用いられる造粒蓄熱材および蒸発燃料処理装置に関する。

例えば自動車用内燃機関においては、車両の燃料タンク内で蒸発した蒸発燃料（燃料蒸気、ベーパ、ガソリンベーパ等とも呼ばれる）の外部への放出を防止するために、蒸発燃料の吸着および脱離が可能な活性炭等の吸着材を充填した蒸発燃料処理装置（キャニスタとも呼ばれる）が設けられている。蒸発燃料処理装置は、車両停止等に発生する蒸発燃料を一時的に吸着材に吸着し、かつ、その後の運転中に、新気とともに吸着材から蒸発燃料を脱離させて内燃機関で燃焼処理するようになっている。ここで、活性炭等の吸着材を用いた蒸発燃料処理装置においては、吸着材が蒸発燃料を吸着する際には、いわゆる発熱反応であるため、吸着材の温度が上昇し、その温度上昇に伴って吸着性能が低下する。逆に、吸着材から蒸発燃料が脱離する際には、いわゆる吸熱反応であるため、吸着材の温度が低下し、その温度低下に伴って脱離性能が低下するという問題があった。

このような問題を解決するために、特許文献１には、温度変化に応じて潜熱の吸収および放出を生じる相変化物質をマイクロカプセル中に封入してなる微細な蓄熱剤（本明細書でいう「蓄熱カプセル」に相当する）を、バインダとともに成形して粒状の成形蓄熱材（同、「造粒蓄熱材」）とし、この成形蓄熱材を粒状の吸着材と混合してケース内に充填したキャニスタ（同、「蒸発燃料処理装置」）が開示されている。したがって、蒸発燃料が吸着される際の吸着材の温度上昇が、造粒蓄熱材の蓄熱カプセルの相変化物質が固相から液相へ変化する際の潜熱（融解熱）によって抑制される一方、蒸発燃料が脱離される際の吸着材の温度低下が、前記相変化物質が液相から固相へ変化する際の潜熱（凝固熱）によって抑制される。これにより、蒸発燃料の吸着および脱離にともなう吸着材の温度変化が抑制されるため、吸着材による蒸発燃料の吸着性能および脱離性能の向上が図れる。

特開２００５−２３３１０６号公報

しかしながら、前記特許文献１のキャニスタによると、バインダとしてフェノール樹脂やアクリル樹脂等の熱硬化性樹脂が用いられている。このように熱硬化性樹脂を用いたバインダでは、熱伝導率が悪い（低い）ため、断熱材になってしまう。したがって、成形蓄熱材の中心部の蓄熱剤の潜熱が表面側に伝達されにくく、蓄熱剤が有する潜熱を有効に利用することができないという問題があった。
本発明が解決しようとする課題は、蓄熱カプセルの潜熱を有効に利用することのできる造粒蓄熱材および蒸発燃料処理装置を提供することにある。

第１の発明は、温度変化に応じて潜熱の吸収および放出を生じる相変化物質をマイクロカプセル中に封入してなる微細な蓄熱カプセルを、バインダとともに造粒して粒状とした造粒蓄熱材であって、造粒蓄熱材本体内に高熱伝導性材料からなる伝熱部材が配置されている。したがって、造粒蓄熱材本体内に配置された伝熱部材によって、造粒蓄熱材本体内の熱の伝達効率を向上することができる。これにより、蓄熱カプセルの潜熱を有効に利用することができる。

第２の発明は、第１の発明において、伝熱部材は、造粒蓄熱材本体の中心部に配置されている。したがって、造粒蓄熱材本体の中心部に配置された伝熱部材によって、造粒蓄熱材本体の中心部における熱の伝達効率を向上することができる。

第３の発明は、第１の発明において、伝熱部材は、造粒蓄熱材本体に中心部から表面側に向かって連続的に配置されている。したがって、造粒蓄熱材本体に中心部から表面側に向かって連続的に配置された伝熱部材によって、造粒蓄熱材の中心部の蓄熱カプセルの潜熱を表面側に速やかに伝達させることができる。また、造粒蓄熱材の表面側の熱を伝熱部材によって中心部に速やかに伝達させることができる。

第４の発明は、第１の発明において、伝熱部材は、造粒蓄熱材本体に分散的に配置されている。したがって、造粒蓄熱材本体に分散的に配置された伝熱部材によって、造粒蓄熱材本体内の熱の伝達効率を向上することができる。

第５の発明は、第１〜４のいずれかの発明において、伝熱部材の形状は、鱗片状、繊維状、条線状、粒状、粉状、柱状、筒状のうちの少なくとも１つである。したがって、伝熱部材の形状が鱗片状、繊維状、条線状、柱状、筒状であると、伝熱部材に対する蓄熱カプセルの接触量を増大することができる。また、伝熱部材の形状が繊維状、条線状であると、伝熱部材が蓄熱カプセルの外形になじむように変形することができる。また、伝熱部材の形状が鱗片状、粒状、柱状、筒状であっても塑性変形可能に形成されていれば、伝熱部材が蓄熱カプセルの外形になじむように変形することができる。また、伝熱部材の形状が粒状、粉状であると、伝熱部材と蓄熱カプセルとの混合がしやすく、造粒蓄熱材の成形性を向上することができる。

第６の発明は、第１〜５のいずれかの発明において、伝熱部材の高熱伝導性材料は、金属材料あるいは炭素繊維材料である。したがって、金属材料あるいは炭素繊維材料により伝熱部材を形成することができる。

第７の発明は、第１〜６のいずれかの発明の造粒蓄熱材と粒状の吸着材とを混合してケース内に充填した蒸発燃料処理装置である。したがって、蓄熱カプセルの潜熱を有効に利用することのできる造粒蓄熱材を粒状の吸着材と混合してケース内に充填することにより、吸着材による蒸発燃料の脱離性能を向上することができる。

実施の形態１にかかる蒸発燃料処理装置を示す断面図である。 造粒蓄熱材を示す構成図である。 実施の形態２にかかる造粒蓄熱材を示す構成図である。 実施の形態３にかかる造粒蓄熱材を示す構成図である。

以下、本発明を実施するための形態について図面を用いて説明する。
［実施の形態１］
本実施の形態では、造粒蓄熱材を備え、かつ、自動車等の車両に搭載される蒸発燃料処理装置について例示する。図１は蒸発燃料処理装置を示す断面図である。説明の都合上、図１の状態を基準として蒸発燃料処理装置の左右を定め、図１における上側を前側、同じく下側を後側と定めることにする。

図１に示すように、キャニスタとしての蒸発燃料処理装置１０は、樹脂製のケース１２を備えている。ケース１２は、前端面（図１において上端面）を閉塞しかつ後端面（図１において下端面）を開口する有底筒状のケース本体１３と、ケース本体１３の後端面を閉塞する蓋部材１４とにより構成されている。ケース本体１３内は、隔壁１５により左右二室に仕切られており、左側に主室１７が形成され、また右側に副室１８が形成されている。主室１７と副室１８とは、蓋部材１４の内側すなわちケース本体１３の後端部に形成された連通路２０によって相互に連通されている。

前記ケース本体１３の前側面（図１において上面）には、前記主室１７に連通するタンクポート２２およびパージポート２３と、前記副室１８に連通する大気ポート２４が形成されている。タンクポート２２は、蒸発燃料通路２６を介して燃料タンク２７内の気層部に連通されている。また、パージポート２３は、パージ通路３０を介して内燃機関３１の吸気管３２に連通されている。また、吸気管３２には、吸入空気量を制御するスロットルバルブ３３が設けられている。また、パージ通路３０は、吸気管３２に対してスロットルバルブ３３の下流側において連通されている。また、パージ通路３０の途中には、パージ弁３４が介装されている。また、大気ポート２４は大気に連通されている。

前記主室１７内および前記副室１８内のそれぞれの前端面には、前側のフィルタ３６がそれぞれ設けられている。また、主室１７内および副室１８内のそれぞれの後端面には、後側のフィルタ３７がそれぞれ設けられている。前後の両フィルタ３６，３７は、例えば樹脂製の不織布、発泡ウレタン等により形成されている。また、主室１７内および副室１８内におけるそれぞれの後側のフィルタ３７の後側（図１において下側）には、多孔板３８が積層状に設けられている。また、各多孔板３８と蓋部材１４との間には、コイルバネからなるバネ部材４０がそれぞれ介装されている。

前記主室１７内および前記副室１８内における前側のフィルタ３６と後側のフィルタ３７との間には、粒状の吸着材４２と、粒状の造粒蓄熱材４４とが混合された状態でそれぞれ充填されている。吸着材４２としては、前記特許文献１等に開示されている公知のものを用いることができるためここでの説明を省略するが、例えば粒状の活性炭を用いることができる。さらに、粒状の活性炭としては、破砕した活性炭（破砕炭）、粒状あるいは粉末状の活性炭をバインダともに造粒した造粒炭等を用いることができる。なお、図２は造粒蓄熱材を示す構成図である。

図２に示すように、前記造粒蓄熱材４４は、温度変化に応じて潜熱の吸収および放出を生じる相変化物質をマイクロカプセル中に封入してなる微細な蓄熱カプセル４６を、バインダ（図示省略）とともに粒状に成形（造粒）することにより形成されたものである。蓄熱カプセル４６としては、前記特許文献１等に開示されている公知のものを用いることができるため、ここでの説明を省略する。また、バインダとしては、種々のものを用いることができるが、蒸発燃料処理装置１０として要求される温度や溶媒に対する安定性ならびに強度の上から、フェノール樹脂やアクリル樹脂等の熱硬化性樹脂が好適である。また、前記造粒蓄熱材４４および前記吸着材４２の単位体積あたりの重さつまり充填密度は、０．１〜１．５ｇ／ｃｃであることが望ましい。また、前記造粒蓄熱材４４と前記吸着材４２との配合割合は、造粒蓄熱材４４と吸着材４２との総量に対して、造粒蓄熱材４４が５〜４０重量％の割合を有することが望ましい。また、造粒蓄熱材４４の成形方法についても、前記特許文献１等に開示されている公知のものを用いることができる。造粒蓄熱材４４は、例えば、押出成形したものを所定寸法に切断することによって容易に形成することができる。このため、造粒蓄熱材４４は、円柱状（丸軸状、丸棒状）、角柱状（角軸状、角棒状）等の柱状を基本的形状としている。

ところで、前記造粒蓄熱材４４の主体をなす造粒蓄熱材本体４５の中心部には、高熱伝導性材料からなる鱗片状（フレーク状）の１枚の伝熱部材４７が配置されている（図２参照）。すなわち、伝熱部材４７を中心として多数の蓄熱カプセル４６が取り囲むように配置されている。また、伝熱部材４７は、造粒蓄熱材４４の成形時において造粒蓄熱材本体４５の中心部に埋設されていることによって、造粒蓄熱材本体４５に配置されている。また、伝熱部材４７の高熱伝導性材料としては、金属材料、例えば純アルミ材料が用いられている。

次に、前記蒸発燃料処理装置１０を備えた蒸発燃料システムの作用について説明する（図１参照）。なお、蒸発燃料処理システムは、蒸発燃料処理装置１０、蒸発燃料通路２６、燃料タンク２７、パージ通路３０、吸気管３２、パージ弁３４等によって構成されている。
まず、車両の内燃機関３１が停止している状態では、燃料タンク２７等で発生した蒸発燃料が蒸発燃料通路２６を介して主室１７に導入される。導入された蒸発燃料は、主室１７内の吸着材４２に吸着される。主室１７内の吸着材４２に吸着されなかった蒸発燃料は、連通路２０を通り、副室１８に導入され、副室１８内の吸着材４２に吸着される。このとき、吸着材４２が蒸発燃料を吸着する際の発熱反応による吸着材４２の温度上昇は、造粒蓄熱材４４の蓄熱カプセル４６（図２参照）の相変化物質が固相から液相へ変化する際の潜熱（融解熱）によって抑制される。これにより、吸着材４２が蒸発燃料を吸着する吸着性能が向上される。

一方、内燃機関３１の運転中においては、パージ弁３４が開弁されることで、蒸発燃料処理装置１０内に吸気負圧が作用する。これにともない、大気ポート２４から大気中の空気（新気）が副室１８に導入される。副室１８に導入された空気は、副室１８内の吸着材４２から蒸発燃料を脱離させた後、連通路２０を介して主室１７に導入され、主室１７内の吸着材４２から蒸発燃料を脱離させる。このとき、吸着材４２から蒸発燃料が脱離される際の吸熱反応による吸着材４２の温度低下は、造粒蓄熱材４４の蓄熱カプセル４６（図２参照）の相変化物質が液相から固相へ変化する際の潜熱（凝固熱）によって抑制される。これにより、吸着材４２が蒸発燃料を脱離する脱離性能が向上される。そして、吸着材４２から離脱された蒸発燃料を含んだ空気は、パージ通路３０を介して吸気管３２に排出すなわちパージされることにより、内燃機関３１で燃焼処理される。

前記した蒸発燃料処理装置１０（図１参照）に備えた造粒蓄熱材４４（図２参照）によると、温度変化に応じて潜熱の吸収および放出を生じる相変化物質をマイクロカプセル中に封入してなる微細な蓄熱カプセル４６を、バインダとともに造粒して粒状とした造粒蓄熱材４４であって、造粒蓄熱材本体４５内に高熱伝導性材料からなる伝熱部材４７が配置されている。したがって、造粒蓄熱材本体４５内に配置された伝熱部材４７によって、造粒蓄熱材本体４５内の熱の伝達効率を向上することができる。これにより、蓄熱カプセル４６の潜熱を有効に利用することができる。

また、伝熱部材４７は、造粒蓄熱材本体４５の中心部に配置されている。したがって、造粒蓄熱材本体４５の中心部に配置された伝熱部材４７によって、造粒蓄熱材本体４５の中心部における熱の伝達効率を向上することができる。詳しくは、伝熱部材４７によって、造粒蓄熱材４４の中心部の蓄熱カプセル４６の潜熱を表面側に速やかに伝達させることができる。なお、伝熱部材４７は、１枚に限らず、複数枚としてもよい。

また、伝熱部材４７の形状は、鱗片状である。したがって、伝熱部材４７に対する蓄熱カプセル４６の接触量を増大することができる。なお、伝熱部材４７の形状は、鱗片状に代え、条線状、粒状、柱状、筒状等に代えることもできる。また、鱗片状には、プレート状も含まれる。また、伝熱部材４７が塑性変形可能であれば、伝熱部材４７をその周囲の多数の蓄熱カプセル４６の外形になじむように変形することができる。

また、伝熱部材４７の高熱伝導性材料は、金属材料、例えば純アルミ材料である。したがって、金属材料により伝熱部材４７を形成することができる。なお、伝熱部材４７の高熱伝導性材料は、純アルミ材料に限らず、アルミ合金、純銅、銅合金等の金属材料を用いることもできる。また、高熱伝導性材料は、金属材料に代え、炭素繊維材料（例えばカーボンナノチューブ）を用いることもでき、高熱伝導性を有するものであればよい。

また、前記した蒸発燃料処理装置１０（図１参照）によると、造粒蓄熱材４４と粒状の吸着材４２とを混合してケース１２内に充填したものである。したがって、蓄熱カプセル４６の潜熱を有効に利用することのできる造粒蓄熱材４４を粒状の吸着材４２と混合してケース１２内に充填することにより、吸着材４２による蒸発燃料の脱離性能を向上することができる。

［実施の形態２］
実施の形態２を説明する。本実施の形態は、前記実施の形態１の造粒蓄熱材４４に変更を加えたものであるから、その変更部分について説明し、重複する説明は省略する。図３は造粒蓄熱材を示す構成図である。
図３に示すように、本実施の形態は、前記実施の形態１における造粒蓄熱材４４の伝熱部材４７を、繊維状の伝熱部材４８に変更したものである。伝熱部材４８は、造粒蓄熱材本体４５に中心部から表面側に向かって連続的に配置されている。また、伝熱部材４８は、造粒蓄熱材４４の成形時において多数の蓄熱カプセル４６及びバインダとともに混錬されることによって、造粒蓄熱材本体４５に配置されている。このため、伝熱部材４８は、造粒蓄熱材本体４５内だけでなく、表面側にも配置される場合もある。また、伝熱部材４８の高熱伝導性材料は、金属材料あるいは炭素繊維材料である。本実施の形態の金属材料としては、例えば、純アルミ、アルミ合金、純銅、銅合金等を挙げることができる。また、炭素繊維材料としては、例えば、カーボンナノチューブを挙げることができる。

本実施の形態の造粒蓄熱材４４によっても、前記実施の形態１と同様の作用・効果を得ることができる。また、伝熱部材４８は、造粒蓄熱材本体４５に中心部から表面側に向かって連続的に配置されている。したがって、造粒蓄熱材本体４５に中心部から表面側に向かって連続的に配置された伝熱部材４８によって、造粒蓄熱材４４の中心部の蓄熱カプセル４６の潜熱を表面側に速やかに伝達させることができる。また、造粒蓄熱材４４の表面側の熱を伝熱部材４８によって中心部に速やかに伝達させることができる。また、造粒蓄熱材４４と粒状の吸着材４２とを混合してケース１２内に充填した蒸発燃料処理装置１０（図１参照）によると、吸着材４２による蒸発燃料の脱離性能及び吸着性能を向上することができる。

また、伝熱部材４８の形状は、繊維状である。したがって、伝熱部材４８に対する蓄熱カプセル４６の接触量を増大することができる。また、伝熱部材４８が蓄熱カプセル４６の外形になじむように変形することができる。なお、伝熱部材４８の形状は、繊維状に代え、条線状、柱状、筒状、粒状、粉状等に代えることもできる。また、造粒蓄熱材本体４５に中心部から表面側に向かって連続的に配置される伝熱部材４８は、単数又は複数であればよく、また、複数の場合、隣り合う伝熱部材４８が相互に接触しているとよいが、近接関係あるいは離隔関係にあってもよい。

［実施の形態３］
実施の形態３を説明する。本実施の形態は、前記実施の形態１の造粒蓄熱材４４に変更を加えたものであるから、その変更部分について説明し、重複する説明は省略する。図４は造粒蓄熱材を示す構成図である。
図４に示すように、本実施の形態の造粒蓄熱材４４は、前記実施の形態１における伝熱部材４７に代えて、粒状及び／又は粉状の伝熱部材４９を用いたものである。伝熱部材４９は、造粒蓄熱材本体４５に分散的に配置されている。また、伝熱部材４９は、造粒蓄熱材４４の成形時において多数の蓄熱カプセル４６及びバインダとともに混錬されることによって、造粒蓄熱材本体４５に配置されている。また、伝熱部材４９の高熱伝導性材料は、金属材料あるいは炭素繊維材料である。本実施の形態の金属材料としては、例えば、純アルミ、アルミ合金、純銅、銅合金等を挙げることができる。また、炭素繊維材料としては、例えば、カーボンナノチューブを挙げることができる。なお、繊維材料であっても、粒状とすることで、本実施の形態に適用することができる。

本実施の形態の造粒蓄熱材４４によっても、前記実施の形態１と同様の作用・効果を得ることができる。また、伝熱部材４９は、造粒蓄熱材本体４５に分散的に配置されている。したがって、造粒蓄熱材本体４５に分散的に配置された伝熱部材４９によって、造粒蓄熱材本体４５内の熱の伝達効率を向上することができる。

また、伝熱部材４９の形状は、粒状及び／又は粉状である。したがって、伝熱部材４９と蓄熱カプセル４６との混合がしやすく、造粒蓄熱材４４の成形性を向上することができる。なお、伝熱部材４９の形状は、粒状及び／又は粉状に代え、鱗片状、繊維状、条線状、柱状、筒状等に代えることもできる。

本発明は上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における変更が可能である。例えば、本発明の造粒蓄熱材４４は、蒸発燃料処理装置の他、蓄熱機能を必要とする用途、例えばエンジン冷却水、エンジンオイル、トランスミッションオイル、空調用空気等の蓄熱用として適用することが考えられる。また、前記実施の形態１では、吸着材４２から脱離された蒸発燃料を吸気負圧によりパージさせたが、吸着材４２から脱離された蒸発燃料を吸引ポンプにより所定部位（例えば、蒸発燃料の燃料成分を液化するための液化回収装置）へパージさせることもできる。また、伝熱部材の形状は、鱗片状、繊維状、条線状、粒状、粉状、柱状、筒状のうちの少なくとも１つであればよく、その伝熱部材は単独形状であるいは各種の形状の組合せによって技術的有用性を発揮するものである。また、伝熱部材の形状は、鱗片状、繊維状、条線状、柱状、筒状の他、例えばＣ字状、Ｈ字状、Ｌ字状、Ｘ字状、格子状等でもよく、種々の形状に変更することが可能である。また、伝熱部材の高熱伝導性材料についても、金属材料あるいは炭素繊維材料であればよく、その伝熱部材は単独材料あるいは複数の材料の組合せによって技術的有用性を発揮するものである。

１０…蒸発燃料処理装置
１２…ケース
４４…造粒蓄熱材
４５…造粒蓄熱材本体
４６…蓄熱カプセル
４７…伝熱部材
４８…伝熱部材
４９…伝熱部材
４２…吸着材

Claims (4)

1. 温度変化に応じて潜熱の吸収および放出を生じる相変化物質をマイクロカプセル中に封入してなる微細な蓄熱カプセルを、熱硬化性樹脂からなるバインダとともに造粒して粒状とした造粒蓄熱材であって、
   造粒蓄熱材本体内に高熱伝導性材料からなる伝熱部材が配置され、
   前記伝熱部材は、前記造粒蓄熱材本体の中心部に配置され、多数の蓄熱カプセルで取り囲まれるように埋設され、
   前記伝熱部材の形状は、鱗片状、条線状、粒状、柱状又は筒状である
   ことを特徴とする造粒蓄熱材。
2. 温度変化に応じて潜熱の吸収および放出を生じる相変化物質をマイクロカプセル中に封入してなる微細な蓄熱カプセルを、熱硬化性樹脂からなるバインダとともに造粒して粒状とした造粒蓄熱材であって、
   造粒蓄熱材本体内に高熱伝導性材料からなる伝熱部材が配置され、
   前記伝熱部材は、多数の蓄熱カプセル及びバインダとともに混練された状態で配置され、
   前記伝熱部材は、繊維状の伝熱部材であり、前記造粒蓄熱材本体の中心部から表面側に向かって連続的に配置され、前記造粒蓄熱材本体の中心部及び表面側に存在する
   ことを特徴とする造粒蓄熱材。
3. 請求項１又は２に記載の造粒蓄熱材であって、
   前記伝熱部材の高熱伝導性材料は、金属材料あるいは炭素繊維材料であることを特徴とする造粒蓄熱材。
4. 請求項１〜３のいずれか１つに記載の造粒蓄熱材と粒状の吸着材とを混合してケース内に充填したことを特徴とする蒸発燃料処理装置。
   

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