CN103239907B - 离子交换外骨架和过滤器组件 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种离子交换外骨架和过滤器组件。一种用于冷却剂的离子交换过滤器，可包括多孔的离子交换过滤器外骨架和离子交换树脂珠。外骨架可适于接收冷却剂流且可限定第一组通道。离子交换树脂珠可位于第一组通道内。

Description

离子交换外骨架和过滤器组件

相关申请的交叉引用

本申请要求保护2012年2月3日提交的美国临时申请No. 61/594,720的权益。上述申请的全部公开内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明涉及离子交换过滤器组件和用于离子交换过滤器组件的外骨架。

背景技术

这部分提供与本发明有关的背景信息，其不一定是现有技术。

在冷却系统中可包括离子交换过滤器组件，以从冷却剂去除离子且防止系统中的短路。在该系统中可包括外部旁路回路和过滤器，以限制在离子交换过滤器组件上的压降并且从该系统去除颗粒物质。

发明内容

这部分提供本发明的总体概要，而并非其完整范围或其所有特征的全面公开。

一种用于冷却剂的离子交换过滤器，可包括多孔的离子交换过滤器外骨架(exoskeleton)和离子交换树脂珠。外骨架可适于接收冷却剂流且可限定第一组通道。离子交换树脂珠可位于第一组通道内。

在另一布置中，一种用于冷却剂的可更换的离子交换过滤器芯子，包括容纳管、离子交换过滤器外骨架和离子交换树脂珠。容纳管可适于从离子交换过滤器外壳去除且可限定冷却剂入口和冷却剂出口。离子交换过滤器外骨架可在容纳管内紧固在冷却剂入口与冷却剂出口之间的位置且可适于接收冷却剂流。离子交换过滤器外骨架可限定第一组通道，并且离子交换树脂珠可位于第一组通道内。

在另一布置中，一种用于冷却剂的离子交换过滤器芯子，可包括容纳管、多孔的离子交换过滤器外骨架和离子交换树脂珠。容纳管可限定冷却剂入口和冷却剂出口。多孔的离子交换过滤器外骨架可具有至少50%的总孔隙率且可适于接收冷却剂流。多孔的离子交换过滤器外骨架可包括第一多孔片材和与第一多孔片材相邻的第二多孔片材，第一多孔片材限定沿大体上平行于离子交换过滤器外骨架的纵向轴线的方向延伸的第一组通道，并且第一多孔片材和第二多孔片材缠绕以限定外骨架。离子交换树脂珠可位于外骨架的第一组通道内。

通过本文所提供的说明，其它适用领域将变得显而易见。该概要中的说明和特定示例意图仅用于例示的目的，而并不意图限制本发明的范围。

附图说明

本文描述的附图是出于仅例示选定实施例而并非所有可能实施方式的目的，并且并不意图限制本发明的范围。

图1为根据本发明的离子交换过滤器组件的立体图；

图2为图1所示的离子交换过滤器组件的立体分解图；

图3为图1所示的离子交换过滤器组件的剖视图，其中示意性地示出了离子交换过滤器；

图4为来自图1所示的离子交换过滤器组件的离子交换过滤器芯子的一部分的俯视图；

图5为来自图1所示的离子交换过滤器组件的离子交换过滤器的示意片段剖视图；

图6为形成图5所示的离子交换过滤器的第一片材和第二片材的示意立体分解图；

图7为包括用于根据本发明的离子交换过滤器的替代第二片材的示意立体分解图；以及

图8为包括来自图1的离子交换过滤器组件的车辆燃料电池系统的示意图。

在附图的所有若干视图中，对应的附图标记指示对应的部件。

具体实施方式

现将参考附图更全面地描述示例实施例。

提供示例实施例使得本发明将是完整的，并且将向本领域的技术人员全面地传达范围。阐述了许多特定细节，例如特定部件、设备和方法的示例，以提供对本发明的实施例的透彻理解。对于本领域的技术人员来说显而易见的是不需要采用特定细节，可以以许多不同的形式实施示例实施例，并且不应将任一者解释为限制本发明的范围。在一些示例实施例中，并未详细地描述公知的工艺、公知的设备结构和公知的技术。

本文所用的术语仅仅是出于描述具体示例实施例的目的，而并不意图是限制性的。除非上下文另外明确指示，当在本文中使用时，单数形式“一个”、“一”和“该”可以意图也包括复数形式。术语“包括”、“包含”、“含有”和“具有”是包括性的，并因此明确说明所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但是不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其组的存在或添加。不应将本文所述的方法步骤、工艺和操作解释为一定要求其按照所讨论或示出的具体顺序执行，除非被特别地确定为执行顺序。还应理解的是可以采用额外或替代步骤。

当元件或层被称为在另一元件或层“上”、“接合到”、“连接到”或“联接到”另一元件或层时，其可以直接在另一元件或层上、直接接合、连接或联接到该另一元件或层，或者可以存在介入元件或层。相反，当元件被称为“直接在另一元件或层上”、“直接接合到”、“直接连接到”或“直接联接到”另一元件或层时，可以不存在介入元件或层。用来描述元件之间的关系的其它词语应该以同样的方式来解释(例如，“在……之间”对比“直接在……之间”、“相邻”对比“直接相邻”等)。当在本文中使用时，术语“和/或”包括相关联的列出项目的一个或多个的任何和所有组合。

虽然在本文中可以使用术语第一、第二、第三等来描述各元件、部件、区域、层和/或部段，但这些元件、部件、区域、层和/或部段不应受到这些术语的限制。这些术语可以仅仅用来将一个元件、部件、区域、层或部段与另一区域、层或部段区别开。当在本文中使用时，例如“第一”、“第二”以及其它数值术语等术语并不暗示序列或顺序，除非由上下文明确指示。因此，在不脱离示例实施例的教导的情况下，下文所讨论的第一元件、部件、区域、层或部段可被称作第二元件、部件、区域、层或部段。

为了便于说明，在本文中可以使用例如“内”、“外”、“下面”、“下方”、“下部”、“上方”、“上部”等空间相对术语，来描述如图所示的一个元件或特征与另一个(些)元件或特征的关系。空间相对术语可以意图除图中所描绘的朝向之外还包含设备在使用或操作时的不同朝向。举例而言，如果将附图中的设备翻转，则描述为在其它元件或特征“下方”或“下面”的元件于是将定向为在其它元件或特征“上方”。因此，示例术语“下方”可包含在上方和下方两个朝向。该设备可以其他方式定向(旋转90度或以其它朝向)，并且相应地解释本文所使用的空间相对描述词。

参考图1至图3，离子交换过滤器组件10可包括外壳12、离子交换过滤器芯子14和紧固机构16。外壳12可包括大体上圆柱形的主体，该主体具有第一端部18和第二端部20，并且在外壳12内在第一端部18与第二端部20之间限定有离子交换过滤器容纳区域22和冷却剂旁路通路24。第一端部18可限定用于接纳离子交换过滤器芯子14的开口26，并且第二端部20可限定用于离子交换过滤器组件10的冷却剂出口28。

离子交换过滤器芯子14可包括容纳管组件30和紧固在容纳管组件30内的离子交换过滤器32。容纳管组件30可包括容纳管34、端帽36、密封件38、粒子分离过滤器40和筛网42。离子交换过滤器芯子14可由多种聚合物形成，这些聚合物在操作期间具有低总有机物含量(TOC)释放，以将冷却剂的导电率维持在期望范围内。容纳管34可限定环形壁44，环形壁44具有第一纵向端部46和第二纵向端部48。第一纵向端部46可限定用于接纳离子交换过滤器32的开口50，并且第二纵向端部48可限定离子交换过滤器芯子14的出口开口52。冷却剂旁路入口54可限定为径向地穿过环形壁44并且可形成冷却剂旁路通路通路24的一部分。

粒子分离过滤器40可位于外壳12内，并且可在冷却剂出口28前方的位置与冷却剂流成流体连通。在本非限制性示例中，粒子分离过滤器被固定到离子交换过滤器芯子14上，其中粒子分离过滤器40位于出口开口52处和冷却剂旁路入口54处。更具体而言，粒子分离过滤器40可经由包覆成型工艺与容纳管34成为一体。虽然被描述为离子交换过滤器芯子14的一部分，但应理解本发明并不限于这样的布置。替代地，粒子分离过滤器40中的一个或多个可在外壳12内位于离子交换过滤器芯子14外部。

端帽36可固定到第一纵向端部46且可限定用于离子交换过滤器组件10的冷却剂入口56。冷却剂入口56可与离子交换过滤器容纳区域22连通，并且也可经由冷却剂旁路入口54与冷却剂旁路通路24连通。端帽36可以以多种方式固定到容纳管34上，包括但不限于焊接。在冷却剂入口56和冷却剂出口28中可分别包括支承构件58、60。密封件38可固定在端帽36上，并且紧固机构16可与外壳12、端帽36和密封件38接合，以限定从冷却剂入口56到冷却剂出口28的密封冷却剂流动路径。更具体而言，紧固构件16可以是与外壳12螺纹接合的保持环的形式。

离子交换过滤器组件10可限定在外壳12内的第一冷却剂流动路径F1和在外壳12内的第二冷却剂流动路径F2，第一冷却剂流动路径F1穿过离子交换过滤器容纳区域22，更具体而言穿过离子交换过滤器32，第二冷却剂流动路径F2穿过冷却剂旁路通路24并平行于第一冷却剂流动路径F1。第一冷却剂流动路径F1和第二冷却剂流动路径F2可各从冷却剂入口56延伸到冷却剂出口28。环形壁44可在冷却剂入口56与冷却剂出口28之间纵向地延伸，以分隔第一冷却剂流动路径F1和第二冷却剂流动路径F2。第一冷却剂流动路径F1可限定第一入口，第一入口在冷却剂入口56处与由第二冷却剂流动路径F2限定的第二入口连通。第一冷却剂流动路径F1可限定第一出口，第一出口在冷却剂出口28处与由第二冷却剂流动路径F2限定的第二出口连通。第二冷却剂流动路径F2可环绕第一冷却剂流动路径F1并且可与第一冷却剂流动路径F1同心。冷却剂旁路入口54可限定无源流量控制机构，其计量通过第一冷却剂流动路径F1和第二冷却剂流动路径F2的冷却剂流量。

在本非限制性示例中，离子交换过滤器芯子14位于离子交换过滤器容纳区域22内，且与外壳12配合以限定冷却剂旁路通路24。更具体而言，环形壁44分隔且至少部分地限定离子交换过滤器容纳区域22和冷却剂旁路通路24。虽然离子交换过滤器容纳区域22和冷却剂旁路通路24被描述为由离子交换过滤器芯子14至少部分地限定，但应理解本发明并不限于这样的布置。多种替代布置在本发明的范围内，包括但不限于环形壁44为外壳12的一部分。冷却剂旁路通路24可限定在径向地处于环形壁44的外部与外壳12的内部之间的位置。

由第一冷却剂流动路径F1和第二冷却剂流动路径F2限定的第一出口和第二出口可彼此靠近。第二冷却剂流动路径F2可在来自第二流动路径F2的冷却剂流动经过第一出口时在冷却剂流中生成局部低压区域。在本非限制性示例中，容纳管34的出口包括从容纳管34的基部区域64纵向地向外延伸的环形突起62。旁路冷却剂流经过环形突起62并且在离子交换过滤器芯子14的出口开口52处形成局部低压区域，以辅助通过离子交换过滤器32来抽吸冷却剂。

离子交换过滤器32可包括离子交换过滤器外骨架66和离子交换树脂珠68。筛网42可位于离子交换过滤器外骨架66的端部以在其中容纳离子交换树脂珠68。离子交换过滤器外骨架66可包括总孔隙率为至少50%且更具体而言总孔隙率为至少75%的多孔主体。离子交换过滤器32可限定第一组通道70，并且离子交换树脂珠68可位于第一组通道内70中。第一组通道70可沿着从离子交换过滤器32的入口到离子交换过滤器32的出口的冷却剂流动方向(D)大体上平行于离子交换过滤器32的纵向轴线(L)地延伸。

离子交换过滤器外骨架66可包括限定第一组通道70的第一多孔片材72和与第一多孔片材72相邻的第二多孔片材74。在本非限制性示例中，第一多孔片材72和第二多孔片材74由折叠聚丙烯纺粘开放介质形成。第一多孔片材72和第二多孔片材74可缠绕以限定离子交换过滤外骨架66。第一多孔片材72和第二多孔片材74可被缠绕成在片材之间经历很少滑移或不经历滑移，这归因于第一多孔片材72与第二多孔片材74的多孔结构所产生的摩擦接合。摩擦接合可以消除在第一多孔片材72与第二多孔片材74之间的固定连接对于粘合剂的需要。虽然描述为缠绕，但应理解本发明并不限于这样的布置并且可呈多种替代的形式，包括但不限于堆叠片材布置。另外，在缠绕或堆叠布置中，离子交换过滤器外骨架66可以如图所示是圆柱体的形式，或者可以呈多种替代形式，包括但不限于圆柱形或矩形。

在图4至图6所示的示例中，第二多孔片材74限定相对于第一组通道70大体上横向地定向的第二组通道76。但是如图7所示，应该理解本发明并不限于这样的布置。例如，可以使用大体上平坦的第二片材174，来代替第二多孔片材74。大体上平坦的第二片材174可以为多孔的，类似于第二多孔片材74。图7所示的第一多孔片材172可以大体上类似于第一多孔片材72，并且因此为了简单起见将不进行描述，其中应理解第一多孔片材72的描述同样适用于第一多孔片材172。

第一多孔片材72可包括限定第一组通道70的褶，并且第二多孔片材74可包括限定第二组通道76的褶。第一组通道70的高度H1与离子交换树脂珠68的直径之间的比例可为至少4比1且不大于10比1。类似地，第一组通道70的宽度W1与离子交换树脂珠68的直径之间的比例可为至少4比1且不大于10比1。第二组通道76可类似于第一组通道70，其中第二组通道76的高度H2与离子交换树脂珠68的直径之间的比例为至少4比1且不大于10比1，并且第二组通道76的宽度W2与离子交换树脂珠68的直径之间的比例为至少4比1且不大于10比1。

离子交换树脂珠68可包括阳极树脂珠78和阴极树脂珠80。阳极树脂珠78和阴极树脂珠80的直径可基本上相似。在这方面，阳极树脂珠78的直径可在阴极树脂珠80的直径的10%内。阳极树脂珠78和阴极树脂珠80可包括核级混床树脂。本非限制性示例包括由Dow Chemical在市场上供应的AMBERLITE®IRN170 Resin。

为了简单起见，离子交换过滤器芯子14的组装过程将关于第一多孔片材72和第二多孔片材74进行描述，其中应理解该描述同样适用于第一多孔片材172和第二片材174。第一多孔片材72和第二多孔片材74可彼此层叠放置并且卷绕以形成离子交换过滤器外骨架66。然后可以将离子交换过滤器外骨架66在第一纵向端部46放置于容纳管34内。在离子交换过滤器外骨架66位于容纳管34内之后，可以将离子交换树脂珠68在容纳管34的第一纵向端部46装载到离子交换过滤器外骨架66的端部82中。

其中放置了离子交换过滤器外骨架66的容纳管34在装载离子交换树脂珠68期间可沿着纵向方向和侧向方向振动，以使得离子交换树脂珠68在离子交换过滤器外骨架66内迁移从而填充第一组通道70和第二组通道76。具有相似直径的阳极树脂珠78和阴极树脂珠80的使用可在将阳极树脂珠78和阴极树脂珠80维持于混合状态的同时辅助珠沉淀。筛网42可将阳极树脂珠78和阴极树脂珠80维持在离子交换过滤外骨架66内。筛网42在完成珠装载之后可位于端部82。

然后可以将端帽36固定到容纳管34的第一纵向端部46。如上文所示，端帽36可以以多种方式固定到容纳管34上，包括但不限于焊接。然后可以将离子交换过滤器芯子14装载到外壳12中，并且紧固机构16可接合密封件38且紧固到外壳12上，以将离子交换过滤器芯子14以密封布置固定到外壳12内。

离子交换过滤器芯子14可形成可更换的离子交换过滤器芯子。紧固机构16可以是可从外壳12去除的，以提供离子交换过滤器芯子14的去除和更换。因此，当更换离子交换过滤器芯子14时，外壳12可保留在系统中而不需要进行更换。

离子交换过滤器组件10可用于多种系统，包括但不限于车辆燃料电池冷却系统和用于例如电子电路等电子部件的冷却系统。图8示出了结合到车辆燃料电池系统84中的离子交换过滤器组件10。车辆燃料电池系统84可包括阳极板86和阴极板88以及限定在阳极板86与阴极板88之间的冷却剂路径90。冷却剂泵92可泵送冷却剂通过冷却剂路径90和离子交换过滤器组件10。如图8中所示，将冷却剂旁路通路24结合于外壳12内在车辆燃料电池系统84中消除了对于外部旁路路径的需要。由于冷却剂旁路入口54所提供的无源流量控制机构，使得一体式冷却剂旁路通路24可额外地消除对于旁路控制阀的需要。由于在离子交换过滤器组件10内结合了粒子分离过滤器40，所以也可从车辆燃料电池系统84去除外部粒子分离过滤器。另外，在导致离子交换过滤器组件10振动的车辆操作情况期间，第一组通道70的大小和朝向可阻止阳极树脂珠78和阴极树脂珠80的迁移和分离。第二组通道76的大小和朝向可进一步阻止阳极树脂珠78和阴极树脂珠80的迁移和分离。

实施例的前述说明是出于例示和说明的目的而提供的。其并非意图是穷举的或限制本发明。具体实施例的单个元件或特征一般不限于该具体实施例，而是在适用的情况下是可互换的，并且即使没有特别地示出或描述，也可以在选定实施例中使用。其也可以以许多方式变化。这样的变化不视为脱离本发明，并且所有这样的修改都意图被包括在本发明的范围内。

Claims (20)

1.一种用于冷却剂的离子交换过滤器，包括：

多孔的离子交换过滤器外骨架，适于接收冷却剂流且限定第一组通道；以及

位于所述第一组通道内的离子交换树脂珠，

其中，所述多孔的离子交换过滤器外骨架包括限定所述第一组通道的第一多孔片材，所述第一组通道沿着从所述离子交换过滤器的入口到所述离子交换过滤器的出口的冷却剂流动方向延伸，所述第一组通道与所述离子交换过滤器的入口和出口两者均直接流体连通。

2.根据权利要求1所述的离子交换过滤器，其中，所述离子交换过滤器外骨架具有至少50%的总孔隙率。

3.根据权利要求1所述的离子交换过滤器，其中，所述第一组通道大体上平行于所述离子交换过滤器的纵向轴线地延伸。

4.根据权利要求1所述的离子交换过滤器，其中，所述多孔的离子交换过滤器外骨架还包括与所述第一多孔片材相邻的第二多孔片材，所述第一多孔片材和第二多孔片材缠绕以限定所述外骨架。

5.根据权利要求4所述的离子交换过滤器，其中，所述第二多孔片材限定相对于所述第一组通道大体上横向地定向的第二组通道。

6.根据权利要求5所述的离子交换过滤器，其中，所述第一多孔片材包括限定所述第一组通道的褶，并且所述第二多孔片材包括限定所述第二组通道的褶。

7.根据权利要求1所述的离子交换过滤器，其中，所述离子交换树脂珠包括阳极树脂珠和阴极树脂珠，其中所述阳极树脂珠的直径在所述阴极树脂珠的直径的10%内。

8.根据权利要求1所述的离子交换过滤器，其中，所述第一组通道的高度与所述离子交换树脂珠的直径之间的比例为至少4比1且不大于10比1。

9.一种用于冷却剂的可更换的离子交换过滤器芯子，包括：

容纳管，适于从离子交换过滤器外壳去除且限定冷却剂入口和冷却剂出口；

离子交换过滤器外骨架，在所述容纳管内紧固在所述冷却剂入口与所述冷却剂出口之间的位置，适于接收冷却剂流且限定第一组通道；以及

离子交换树脂珠，位于所述第一组通道内，

其中，所述多孔的离子交换过滤器外骨架包括限定所述第一组通道的第一多孔片材，所述第一组通道沿着从所述冷却剂入口到所述冷却剂出口的冷却剂流动方向延伸，所述第一组通道与所述冷却剂入口和所述冷却剂出口两者均直接流体连通。

10.根据权利要求9所述的离子交换过滤器芯子，其中，所述外骨架具有至少50%的总孔隙率。

11.根据权利要求9所述的离子交换过滤器芯子，其中，所述第一组通道大体上平行于所述离子交换过滤器芯子的纵向轴线地延伸。

12.根据权利要求9所述的离子交换过滤器芯子，其中，所述外骨架还包括与所述第一多孔片材相邻的第二多孔片材，所述第一多孔片材和第二多孔片材缠绕以限定所述外骨架。

13.根据权利要求12所述的离子交换过滤器芯子，其中，所述第二多孔片材限定相对于所述第一组通道大体上横向地定向的第二组通道。

14.根据权利要求13所述的离子交换过滤器芯子，其中，所述第一多孔片材包括限定所述第一组通道的褶，并且所述第二多孔片材包括限定所述第二组通道的褶。

15.根据权利要求9所述的离子交换过滤器芯子，其中，所述离子交换树脂珠包括阳极树脂珠和阴极树脂珠，其中所述阳极树脂珠的直径在所述阴极树脂珠的直径的10%内。

16.根据权利要求9所述的离子交换过滤器芯子，其中，所述第一组通道的高度与所述离子交换树脂珠的直径之间的比例为至少4比1且不大于10比1。

17.根据权利要求9所述的离子交换过滤器芯子，其中，所述容纳管包括在所述冷却剂入口与所述冷却剂出口之间纵向地延伸的环形壁，并且径向地穿过所述环形壁地限定冷却剂旁路入口，所述冷却剂旁路入口适于提供从所述冷却剂入口到所述离子交换过滤器外壳内的冷却剂旁路通路的冷却剂流。

18.根据权利要求9所述的离子交换过滤器芯子，还包括固定到所述容纳管且与所述冷却剂流连通的粒子分离过滤器。

19.一种用于冷却剂的离子交换过滤器芯子，包括：

容纳管，限定冷却剂入口和冷却剂出口；

多孔的离子交换过滤器外骨架，具有至少50%的总孔隙率，适于接收冷却剂流，且包括第一多孔片材和与所述第一多孔片材相邻的第二多孔片材，所述第一多孔片材限定沿着大体上平行于所述离子交换过滤器外骨架的纵向轴线的方向延伸的第一组通道，并且所述第一多孔片材和第二多孔片材缠绕以限定所述外骨架；以及

位于所述外骨架的第一组通道内的离子交换树脂珠，

其中，所述第一组通道与所述冷却剂入口和所述冷却剂出口两者均直接流体连通。

20.根据权利要求19所述的离子交换过滤器芯子，其中，所述第二多孔片材限定相对于所述第一组通道大体上横向地定向的第二组通道。