CN103620203B - 用于筒罐的吸附剂以及筒罐 - Google Patents

Abstract

本发明为了得到吸附剂（10），将可熔化芯和粘合剂与水一起添加到粉末状活性碳并且一起混合，然后将这种混合物成形成空心圆柱形形状并且焙烧，该可熔化芯在焙烧期间熔化掉，该粉末状活性碳具有微观细孔，该微观细孔的尺寸小于100nm，该空心圆柱形形状的外径是4mm～6mm。尽管由可熔化芯形成其尺寸是100nm或更大的宏观细孔，但将宏观细孔的体积与微观细孔的体积的比例调整到65%～150%。吸附剂（10）的横截面具有由圆柱形壁（10A）和十字形放射状壁（10B）形成的形状，并且每个部分的厚度在0.6mm～3mm的范围内。本发明的吸附剂（10）可同时满足燃料蒸汽的吸附/解吸性能、作为筒罐的流动阻力、及吸附剂的强度。

Description

用于筒罐的吸附剂以及筒罐

技术领域

本发明涉及一种使用活性碳的筒罐和其吸附剂，该筒罐和其吸附剂用于例如车辆用内燃机的燃料蒸汽的处理。

背景技术

例如，对于车辆的内燃机，为了防止从车辆的燃料箱蒸发的燃料蒸汽释放到外部，提供能够吸附和解吸燃料蒸汽的筒罐。筒罐临时吸附在车辆停止等之后产生的燃料蒸汽，并且在驱动期间将吸附的燃料成分与新鲜空气一起解吸，然后在内燃机中燃烧燃料成分。

这里，作为筒罐的吸附剂，尽管广泛使用活性碳，该活性碳具有捕获燃料成分的微小细孔，但专利文件1已经提出一种如下技术：通过将活性碳粉末穿过粘合剂成形成粒状形状或颗粒，形成尺寸比活性碳本身的微观细孔大的宏观细孔，通过将在焙烧时升华或分解的可熔化芯与粘合剂一起添加到活性碳粉末，然后成形和焙烧这种混合物，得到所谓的成形活性碳吸附剂。活性碳本身的微观细孔的尺寸小于100nm，而通过可熔化芯形成的宏观细孔的尺寸是100nm或更大。宏观细孔起一种路径的作用，蒸发燃料的分子（一个或多个）可通过这种路径。通过按这种方式形成用作在吸附剂的内部处的路径的宏观细孔，可能的是，增大吸附剂的尺寸，同时保证吸附和解吸性能。

鉴于作为筒罐是重要的流动阻力，希望的是粒状吸附剂应该具有某种程度的尺寸，例如在专利文件1中公开的约4mm的颗粒直径。然而，在这样的大尺寸吸附剂的情况下，在每种吸附剂的内部处存在的活性碳的部分，无助于蒸发燃料的吸附/解吸，因此大尺寸吸附剂的吸附/解吸性能与微小吸附剂相比低。因此，在具有在专利文件1中公开的大尺寸颗粒直径的吸附剂的情况下，为了保证吸附/解吸性能，宏观细孔与微观细孔的比例非常高。结果，这种情况具有吸附剂的强度低的缺陷。

就是说，使用相关技术吸附剂的筒罐不能同时满足燃料蒸汽的吸附/解吸性能、作为筒罐的流动阻力、及吸附剂的强度。

现有技术文件

专利文件

专利文件1：日本专利临时公报TokkaiNo.2009-019572

发明内容

根据本发明的用于筒罐的吸附剂包括空心形状，该吸附剂通过将可熔化芯与粘合剂一起添加到粉末状活性碳并且焙烧这种混合物，而形成宏观细孔，该宏观细孔的尺寸是100nm或更大，该可熔化芯在焙烧期间熔化掉，该粉末状活性碳具有微观细孔，该微观细孔的尺寸小于100nm，该空心形状具有作为外部形状的圆柱形形状或球形形状，在每个部分处也具有0.6mm～3mm的厚度，该圆柱形形状的外径是4mm～6mm，该球形形状的直径是4mm～6mm。并且在吸附剂中宏观细孔的体积与微观细孔的体积的比例设置到65%～150%。

作为优选例，吸附剂的横截面具有空心形状，该空心形状由在外侧处的圆柱形壁和放射状壁形成，该放射状壁设置在圆柱形壁内部的中部中，并且圆柱形壁和放射状壁的每个部分的厚度在0.6mm～3mm的范围内。

关于本发明的吸附剂，其外部形状的尺寸比较大。因而，当用吸附剂填充筒罐的内部时，筒罐的流动阻力小。然后，通过将吸附剂形成空心形状，将每个部分的厚度设置成与外部形状的尺寸相比比较小，并因此将宏观细孔的体积与微观细孔的体积的比例设置到比较低。就是说，将吸附剂的每个部分的厚度和宏观细孔的比例组合成是最佳组合。借助于这种设置，作为筒罐是重要的流动阻力可保持很低，并且也都能满足吸附/解吸性能和吸附剂的强度。

进一步，通过用以上吸附剂填充筒罐的内部，形成筒罐，该筒罐具有燃料蒸汽的流入和流出部分、和空气释放开口，这些流入和流出部分在流动方向上设置在壳体的一个端部处，该空气释放开口设置在另一个端部处。特别是在本发明的筒罐的情况下，流动通路的等效直径是比吸附剂的外径或直径大七倍的等效直径，该流动通路填充有吸附剂。借助于这种设置，即使在其中吸附剂比较大的情况下，也可得到高填充因数。这里，就等效直径而论，当流动通路模截面是圆时，等效直径是指圆的直径。当流动通路模截面是非圆形形状时，等效直径是指这样一个圆的直径，该圆具有与非圆形形状的横截面面积相同的横截面面积。

根据本发明，通过将吸附剂的外部形状的尺寸设置成足够大，以便减小流动阻力，并且也通过抑制作为空心形状的吸附剂的每个部分的厚度和将宏观细孔的比例设置成比较低，可能同时满足燃料蒸汽的吸附/解吸性能、作为筒罐的流动阻力、及吸附剂的强度。

附图说明

图1是截面图，表示筒罐的实施例。

图2A和2B是成形吸附剂的侧视图和主视图。

图3是曲线图，表示在净化时丁烷的残余量与吸附剂的厚度之间的关系。

图4是曲线图，表示在吸附剂的硬度与吸附剂的厚度之间的关系。

图5是曲线图，表示在净化时丁烷的残余量与宏观细孔的比例之间的关系。

图6是曲线图，表示在吸附剂的硬度与宏观细孔的比例之间的关系。

图7是曲线图，表示在壳体的等效直径与填充因数之间的关系。

具体实施方式

图1表示根据本发明的筒罐1的实施例。这个筒罐1是其中流动通路由合成树脂壳体2形成U弯形状的筒罐。加料端口3和净化端口4设置在流动方向上在壳体2的一个端部处，该加料端口3是燃料蒸汽的流入部分，该净化端口4是燃料蒸汽的流出部分。空气端口5设置在流动方向上在壳体2的另一个端部处，该空气端口5是空气释放端口。加料端口3连接到例如车辆的燃料箱（未表示）上，而净化端口4连接到例如内燃机的吸气系统上。

在壳体2中，作为在其中容纳吸附剂的腔室，从加料端口3和净化端口4的一侧按顺序串联布置第一腔室6、第二腔室7及第三腔室8。第一腔室6和第二腔室7每个填充有吸附剂9，该吸附剂9由具有比较小颗粒直径的成形活性碳或压碎或粉碎活性碳形成。这种吸附剂9基本上具有活性碳本身的微观细孔，而不是通过以后提到的可熔化芯而主动地具有宏观细孔。

与此相反，根据本发明，第三腔室8填充有吸附剂10，该吸附剂10具有大颗粒直径。借此，实现特别是在筒罐1的流动通路中在靠近或接近空气端口5的部分处的流动阻力的减小，那么改进作为整体的筒罐1的解吸性能。

第一腔室6、第二腔室7及第三腔室8每个由例如多孔板或过滤器划分，该多孔板或过滤器对于空气是可透过的。

吸附剂10是除活性碳本身的微观细孔（细孔的直径等于或大于2nm，并且小于100nm）之外具有宏观细孔（细孔的直径等于或大于100nm，并且小于100000nm）的吸附剂，该宏观细孔用作燃料蒸汽的路径。例如，通过将可熔化芯与粘合剂一起添加到粉末状活性碳、并且成形和焙烧这种混合物，得到具有预定大尺寸粒状形状或颗粒的吸附剂10，该可熔化芯在室温下是固体，并且在以后提到的焙烧温度下蒸发、升华、或分解。

在如下描述中，将解释其例子。作为活性碳，它是通过将可出售炭基或木基活性碳压碎或粉碎而得到的粉末状活性碳，该粉末状活性碳的颗粒尺寸（颗粒直径）是350μm或更小（42网眼通过）。

作为粘合剂，使用粉末状膨润土的溶胶的粉末或固体成分、节结粘土、硅溶胶或铝溶胶。

作为可熔化芯，使用粉末状材料（优选地，颗粒尺寸（颗粒直径）是0.1μm～1mm），该粉末状材料在室温下是固体，并且在焙烧温度下蒸发、升华或分解，并且在水中也较不易溶解，水是制造时的介质。例如，它是升华有机化合物（例如，萘和对二氯苯）和聚合物（例如，聚乙烯），该聚合物具有高熔点，并且易于分解。

活性碳、粘合剂及可熔化芯这三种按适当混合比与需要添加的水相混合。然后，通过挤压将这种混合物成形成圆柱形形状，该圆柱形形状的直径是4～6mm，并且其长度是约2～12mm（优选地，长度与直径大体相同）。进一步，使用回转炉等在惰性气体气氛中将这种成形混合物在650℃～1000℃下焙烧3～4小时，然后得到粒状吸附剂10（或颗粒吸附剂10）。

这里，作为可熔化芯和粘合剂，也可使用在以上专利文件1等等中公开的其它材料。

可熔化芯在焙烧期间消失（或熔化掉），由此除活性碳本身的微观细孔（细孔的直径等于或大于2nm，并且小于100nm）之外，形成宏观细孔（细孔的直径等于或大于100nm，并且小于100000nm），该宏观细孔用作燃料蒸汽的路径。就是说，得到的吸附剂10具有由宏观细孔形成的所谓大孔结构，并且也具有由微观细孔形成的所谓微孔结构，该微孔结构捕获蒸发燃料的分子。

尽管占据吸附剂10的宏观细孔的体积主要由使用的活性碳确定，但占据吸附剂10的宏观细孔的体积由可熔化芯的比例是可控制的。因而，可调整在吸附剂10中宏观细孔的体积与微观细孔的体积的比例（即，宏观细孔的体积/微观细孔的体积）。

在本发明中，在两者之间的这个比值是65%或更大，并且是150%或更小。与在专利文件1中公开的比值相比，这个比值是小得多的值。这里，宏观细孔的体积可由例如水银渗透法测量，该水银渗透法由“ISO15901-1”提供。微观细孔的体积可由例如氮气吸附法测量，该氮气吸附法由“ISO15901-2”提供。

另一方面，在一个实施例中，吸附剂10的横截面具有如图2A和2B所示的形状。就是说，它是空心圆柱形形状，该空心圆柱形形状具有在外侧处的圆柱形壁10A和十字形放射状壁10B，该十字形放射状壁10B设置在圆柱形壁10A内部的中部中。

每个部分的厚度在从0.6mm至3mm的范围内（0.6mm或更大和3mm或更小）。例如，圆柱形壁10A的外径D1是4.9mm，并且圆柱形壁10A的内径D2是3.3mm。

放射状壁10B的每个部分的厚度d是例如0.7mm。圆柱形壁10A的厚度（在放射状方向上的厚度）是例如0.8mm。进一步，在轴向方向上的长度L是4mm。然而，就这些尺寸而言，在实际切削过程时发生的变化是很大的。

这里，作为放射状壁10B，除以上描述的十字形之外，可采用各种形状，如在三个方向上延伸的放射状壁、和在两个方向上延伸的I形（|形）壁。

鉴于筒罐1的流动阻力，大尺寸吸附剂10对于流动阻力的抑制是有利的。然而，如果吸附剂10的厚度（在简单球形形状的情况下，其直径与厚度相对应）变得较厚，则使作为吸附剂的吸附/解吸性能变坏，特别是使解吸性能变坏。

图3的曲线图表示在净化之后丁烷的残余量与活性碳（吸附剂）的厚度之间的关系，该关系由丁烷工作容量试验法测量，该丁烷工作容量试验法由“ASTMD5228”提供。在其中在净化之后丁烷的残余量的目标值设置为1.7g/dL的情况下，如果将以上描述的宏观细孔的比例设置为65%或更大，则要求活性碳（吸附剂）的厚度是3mm或更小。

另一方面，图4的曲线图表示在活性碳（吸附剂）的硬度（%）与活性碳（吸附剂）的厚度之间的关系，该关系由强度试验法测量，该强度试验法由“JISK1474”提供。当作为用于筒罐的吸附剂要求的硬度是95%时，0.6mm或更大的厚度是必要的。

进一步，就宏观细孔的比例而论，即（宏观细孔的体积/微观细孔的体积），这个比例尽可能大对于解吸性能是有利的，但相反，吸附剂的强度降低。

图5的曲线图表示在净化之后丁烷的残余量与宏观细孔的比例之间的关系，该关系由相同的丁烷工作容量试验法测量，该丁烷工作容量试验法由“ASTMD5228”提供。关于其吸附剂厚度设置为0.7～2mm的试验样本，得到在图中所示的特性。因此，如果将宏观细孔的比例以给定裕量设置为65%或更大，则丁烷的残余量成为1.7g/dL或更小，1.7g/dL或更小是目标值。

图6的曲线图表示在吸附剂的硬度与宏观细孔的比例之间的关系，该关系由相同的强度试验法测量，该强度试验法由“JISK1474”提供。如可在图中看到的那样，当宏观细孔的比例达到近似150%时，硬度急剧减小。当要求硬度设置为95%时，要求宏观细孔的比例是150%或更小。

因此，通过将宏观细孔的比例设置为65%～150%，并且也将吸附剂10的每个部分的厚度设置为0.6mm～3mm，可在高水平下都满足解吸性能和厚度。

[实施例]

在表1中表示的实施例1～3的每种吸附剂通过成形和焙烧混合物而形成，该混合物使用上述粉末状活性碳、粘合剂及可熔化芯。吸附剂的每一种形成空心圆柱形形状，该空心圆柱形形状具有在图2A和2B中表示的十字形放射状壁10B。关于实施例1和2，外径D1是4.9mm，并且圆柱形壁10A的厚度是0.8mm，该圆柱形壁10A的厚度是最厚厚度。关于实施例3，外径D1是4.6mm，并且圆柱形壁10A的厚度是0.7mm，该圆柱形壁10A的厚度是最厚厚度。

通过调整在活性碳中混合的可熔化芯的量，将宏观细孔的体积与微观细孔的体积的比例设置成是不同的。在实施例1中，宏观细孔的这个比例是105%。在实施例2中，它是75%。在实施例3中，它是65%。

在实施例1～3中，如表1所示，可得到1.7g/dL或更小的丁烷的残余量和95%或更大的硬度，该1.7g/dL或更小是目标值。

实施例1～3的具体材料组成如下。

实施例1：粉末状活性碳：53wt%，作为粘合剂的节结粘土：29wt%，作为可熔化芯的甲基纤维素：7wt%，及也作为可熔化芯的聚乙烯：11wt%。

实施例2：粉末状活性碳：50wt%，作为粘合剂的节结粘土：37wt%，作为可熔化芯的甲基纤维素：13wt%。

实施例3：粉末状活性碳：53wt%，作为粘合剂的节结粘土：40wt%，作为可熔化芯的甲基纤维素：7wt%。

这里，在是原料的粉末状活性碳中的宏观细孔的体积每一个是0.7mL/g（它由氮气吸附法测量，该氮气吸附法由“ISO15901-2”提供）。焙烧温度每一个是900℃。

按相同方式，比较例1～4的每种吸附剂用变化的可熔化芯的形状、尺寸及比例形成。比较例1和3形成简单圆柱形形状，并且比较例2和4形成球形形状。比较例1～4的宏观细孔的比例分别是25%、60%、205%及140%。

在比较例1中，由于宏观细孔的比例与厚度（圆柱的直径）相比很低，所以强度（硬度）是足够的，而由丁烷的残余量指示的解吸性能不足。

在比较例2中，由于吸附剂是其颗粒直径很小的微观吸附剂，所以尽管解吸性能良好，但强度（硬度）不足。因此，在具有小颗粒直径的这样的吸附剂的情况下，作为筒罐1的流动阻力变得很大，那么作为整体的筒罐1的解吸性能降低。

在比较例3中，这是具有几乎与实施例1～3相同的大尺寸圆柱形形状的例子。而且，这是其中增大宏观细孔的比例从而补偿吸附/解吸性能的降低的例子，这种吸附/解吸性能的降低由厚度（圆柱的直径）大的事实引起。然而，即使如以上描述的那样增大宏观细孔的比例，由丁烷的残余量指示的解吸性能也不足。进一步，由于宏观细孔的比例很高，所以强度（硬度）也不足。

在比较例4中，由于颗粒直径是2mm，并且宏观细孔的比例是在适当范围内的140%，所以由丁烷的残余量指示的解吸性能和强度（硬度）都达到满意水平。然而，在具有比较小颗粒直径的这样的吸附剂的情况下，作为筒罐1的流动阻力变得很大，那么作为整体的筒罐1的解吸性能降低。

[表1]

如图1所示，使用以上所描述的吸附剂10，使吸附剂10随机地填充筒罐1的第三腔室8。如果吸附剂10的颗粒大，则由于在相邻吸附剂10之间出现的间隙变得大，所以尽管流动阻力减小，但吸附剂10填充壳体2的填充因数降低。特别是当壳体2（第三腔室8）的直径很小时，填充因数过分降低。

图7的曲线图表示在其中使用圆柱形吸附剂10的情况下在壳体2（第三腔室8）的等效直径与填充因数之间的关系，该圆柱形吸附剂10的直径是4mm。关于其中等效直径是足够大的壳体的填充因数是100%，为了得到94%或更大的填充因数，比吸附剂10的直径大七倍的等效直径（在这个例子中，是28mm或更大）是必要的。

关于圆柱形吸附剂10的直径，如以上解释的那样，4mm～6mm是优选的。在其中作为筒罐1的壳体2（第三腔室8）、设置直径42mm×长度100mm的空间、并且在这个空间用吸附剂10填充的情况下，当在使空气在50L/min的流量下流动时的流动阻力的目标值设置为1kPa或更小时，如果吸附剂10具有4mm或更大的直径，则流动阻力是1kPa或更小。

另一方面，为了保证以上所描述的94%或更大的填充因数，在具有直径42mm的壳体2的情况下，要求将直径设置为6mm或更小。

这里，就这些特性而言，也在吸附剂具有球形形状的情况下，得到相同的特性。在其直径是4～6mm的球形形状的情况下，希望的是，筒罐1的流动通路的等效直径应该是比吸附剂的直径大七倍的等效直径。

Claims (10)

1.一种用于筒罐（1）的吸附剂（10），吸附剂（10）通过将可熔化芯与粘合剂一起添加到粉末状活性碳并且焙烧这种混合物，而形成宏观细孔，该宏观细孔的尺寸是100nm或更大，该可熔化芯在焙烧期间熔化掉，该粉末状活性碳具有微观细孔，该微观细孔的尺寸小于100nm，吸附剂（10）包括：

空心形状，具有作为外部形状的圆柱形形状或球形形状，在每个部分处也具有0.6mm～3mm的厚度，该圆柱形形状的外径是4mm～6mm，该球形形状的直径是4mm～6mm，并且

在吸附剂（10）中宏观细孔的体积与微观细孔的体积的比例设置到65%～150%。

2.根据权利要求1所述的用于筒罐（1）的吸附剂（10），其中：

吸附剂（10）的横截面具有空心形状，该空心形状由在外侧处的圆柱形壁（10A）和放射状壁（10B）形成，该放射状壁（10B）设置在圆柱形壁（10A）内部的中部中，并且

圆柱形壁（10A）和放射状壁（10B）的每个部分的厚度在0.6mm～3mm的范围内。

3.根据权利要求2所述的用于筒罐（1）的吸附剂（10），其中：

圆柱形壁（10A）和放射状壁（10B）的每个部分的厚度在0.7mm～0.8mm的范围内。

4.根据权利要求2所述的用于筒罐（1）的吸附剂（10），其中：

吸附剂（10）具有圆柱形形状，该圆柱形形状的外径是4mm～6mm，并且其长度是2mm～12mm。

5.根据权利要求2所述的用于筒罐（1）的吸附剂（10），其中：

放射状壁（10B）的横截面具有十字形状。

6.根据权利要求2所述的用于筒罐（1）的吸附剂（10），其中：

放射状壁（10B）从中心在三个方向上放射状延伸。

7.根据权利要求2所述的用于筒罐（1）的吸附剂（10），其中：

放射状壁（10B）的横截面具有I形状，该I形状从中心在两个方向上放射状延伸。

8.根据权利要求1所述的用于筒罐（1）的吸附剂（10），其中：

在流动方向上具有多个腔室（6、7、8）的筒罐（1）中，将吸附剂（10）用在最靠近空气释放开口（5）的腔室（8）中。

9.一种筒罐（1），该筒罐（1）的壳体（2）填充有根据权利要求1所述的吸附剂（10），该筒罐（1）包括：

燃料蒸汽的流入和流出部分（3、4），在流动方向上设置在壳体（2）的一个端部处；和

空气释放开口（5），在流动方向上设置在壳体（2）的另一个端部处，并且

填充有吸附剂（10）的流动通路的等效直径是比吸附剂（10）的外径或直径大七倍的等效直径。

10.根据权利要求9所述的筒罐（1），其中：

筒罐（1）在流动方向上设有多个腔室（6、7、8），

最靠近空气释放开口（5）的至少一个腔室（8）填充有吸附剂（10），及

其它腔室（6、7）填充有吸附剂，该吸附剂由活性碳形成，该活性碳没有由可熔化芯形成的宏观细孔。