CN113939365B - 离子交换器 - Google Patents

Abstract

根据本发明的离子交换器设置有：具有流入口和流出口的壳体；设置在壳体内的管构件；以及配置在管构件的外表面和壳体的内表面之间的离子交换树脂。离子交换器被构造成使得一些通过流入口流入壳体中的冷却剂直接流向流出口，而一些通过流入口流入壳体中的冷却剂在穿过离子交换树脂和管构件之后流向流出口。在壳体内形成有第一流路和第二流路。第一流路构造成使已经通过流入口流入壳体中的冷却剂直接流向流出口。第二流路构造成使一些已经通过流入口流入壳体中并且随后穿过离子交换树脂的冷却剂朝向流出口流动。第一流路和第二流路形成为在流路定向为朝向流出口的相同方向的状态下彼此汇合。

Description

离子交换器

技术领域

本公开涉及离子交换器。

背景技术

诸如配备有燃料电池的汽车的车辆为了抑制发电时燃料电池的温度上升而具有冷却回路。冷却回路构造成使得用于冷却燃料电池的冷却剂流过冷却回路。在这种冷却回路中，冷却剂中离子浓度的增大可能导致冷却回路中金属部分的腐蚀或增大冷却剂的导电性，导致燃料电池性能的降低。因此，这种冷却回路包括离子交换器以通过使用离子交换树脂的离子交换去除冷却剂中包含的离子。

例如，专利文献1公开了这种离子交换器。该离子交换器包括壳体、管构件和离子交换树脂。壳体包括供冷却剂流入的流入口和供冷却剂流出的流出口。管构件设置在壳体内部。离子交换树脂配置在管构件的外表面和壳体的内表面之间。一些已经通过流入口流入壳体中的冷却剂直接流向流出口。此外，一些已经通过流入口流入壳体中的冷却剂在穿过离子交换树脂和管构件之后流向流出口。当冷却剂通过离子交换树脂时，冷却剂中的离子被离子交换器通过离子交换去除。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2018-30082号公报

发明内容

发明要解决的问题

一些已经通过流入口流入壳体中的冷却剂直接流向流出口，并且一些冷却剂在穿过离子交换树脂和管构件之后流向流出口。这些冷却剂流在通过流出口流出壳体之前汇合在一起。在专利文献1的离子交换器中，直接流向流出口的冷却剂和在穿过离子交换树脂和管构件之后流向流出口的冷却剂以彼此交叉(垂直)的流动方向汇合在一起。因此，专利文献1的离子交换器不可避免地在冷却剂的合流中引起了湍流。在冷却剂的合流中的这种湍流增大了冷却剂在穿过离子交换器时的压力损失。

因此，本公开的目的是提供一种当冷却剂穿过离子交换器时抑制压力损失的增大的离子交换器。

用于解决问题的方案

现在将说明用于解决上述问题的手段和操作优点。

为了实现上述目的，提供了一种离子交换器，其包括：壳体，其包括供冷却剂流入的流入口和供冷却剂流出的流出口；管构件，其配置于所述壳体内部；和离子交换树脂，其配置在所述管构件的外表面和所述壳体的内表面之间。所述离子交换器构造成使得一些已经通过所述流入口流入所述壳体中的冷却剂直接流向所述流出口，并且一些已经通过所述流入口流入所述壳体中的冷却剂在穿过所述离子交换树脂和所述管构件之后流向所述流出口。在所述壳体中形成有第一流路和第二流路。所述第一流路构造成使已经通过所述流入口流入的冷却剂直接流向所述流出口。所述第二流路构造成使已经通过所述流入口流入并且穿过所述离子交换树脂的冷却剂流向所述流出口。所述第一流路和所述第二流路形成为在定向为朝向所述流出口的相同方向的状态下汇合在一起。

利用上述构造，使第一流路和第二流路在定向为朝向流入口的相同方向的状态下汇合在一起。因此，已经穿过第一流路的冷却剂和已经穿过第二流路的冷却剂以流动方向彼此一致的方式汇合在一起。这抑制了在冷却剂的合流中出现湍流。因此，当冷却剂穿过离子交换器时，压力损失不会由于在冷却剂的合流中出现湍流而增大。离子交换树脂配置在壳体的内表面和管构件的外表面之间。利用上述构造，由于管构件的内部用作冷却剂的流路，所以冷却剂沿管构件延伸的方向穿过离子交换树脂。由于冷却剂以上述方式穿过离子交换树脂，所以抑制了当冷却剂穿过离子交换器时压力损失的增大，并且增大了离子交换树脂和冷却剂之间的离子交换效率。

附图说明

图1是示出设置有离子交换器的冷却回路的整体构造的示意图。

图2是示出离子交换器的立体图。

图3是示出离子交换器的截面图。

图4是示出分离件的立体图。

图5是示出分离件的立体图。

具体实施方式

现在将参照图1至图5说明根据一实施方式的离子交换器。

如图1所示，配备有燃料电池1的车辆设置有供冷却剂在其中流动以冷却燃料电池1的冷却回路2。使用了包含乙二醇的冷却剂(长寿命冷却剂)等。冷却回路2包括泵3，并且构造用于驱动泵3以使冷却剂循环。

在冷却回路2中，燃料电池1配置在泵3下游侧的部分中。冷却回路2在燃料电池1的下游和泵3的上游的部分中包括散热器4。在发电过程中温度升高的燃料电池1被循环通过冷却回路2并穿过燃料电池1的冷却剂冷却。当通过从燃料电池1得到热而被加热时，冷却剂在穿过散热器4时被外部空气冷却，然后流向泵3。

冷却回路2设置有离子交换器5和用于使冷却剂流向离子交换器5的旁通管6。离子交换器5构造用于吸附冷却剂中的离子以从冷却剂中去除离子。旁通管6的一端连接到冷却回路2的位于燃料电池1下游和散热器4上游的部分。旁通管6的另一端连接到冷却回路2的位于散热器4下游和泵3上游的部分。离子交换器5设置在旁通管6的中间。

在冷却回路2中，当循环冷却剂到达燃料电池1下游的部分时，一些冷却剂流入旁通管6中，而不是流向散热器4。已经流入旁通管6中的冷却剂以这种方式在穿过离子交换器5时经历离子去除，然后流向冷却回路2的位于散热器4下游和泵3上游的部分。

现在将说明离子交换器5。

如图2所示，离子交换器5包括壳体7和盖8。壳体7具有沿竖直方向延伸并且向上开口的圆筒形形状。盖8通过被拧入开口中而封闭壳体7的上部开口。壳体7包括连接到壳体7内部的流入管9和流出管10。流入管9连接到旁通管6(图1)的位于离子交换器5上游的部分。流出管10连接到旁通管6的位于离子交换器5下游的部分。流入管9和流出管10与壳体7一体地形成。离子交换器5利用紧固件(未示出)安装在车辆上。

如图3所示，壳体7设置有供冷却剂流入的流入口7a和供冷却剂流出的流出口7b。流入口7a位于壳体7的侧壁的下端处并且在径向上的一侧(如图3中的左侧)。流入口7a连接到流入管9。流出口7b位于壳体7的侧壁的下端处并且在径向上的另一侧(如图3中的右侧)。流出口7b连接到流出管10。

离子交换器5的盖8具有圆筒形主体部8a，其能够被拧入壳体7的上端开口中。主体部8a形成为在竖直方向上延伸。主体部8a在外周面上具有外螺纹15。外螺纹15能够与内螺纹14啮合，内螺纹14形成在壳体7的开口的内周面中。当主体部8a的外螺纹15与壳体7的内螺纹14啮合时，主体部8a的外周面配置成与壳体7的内周面一致，并且壳体7的上端开口被盖8封闭。

附接到壳体7的盖8包括在主体部8a内沿竖直方向延伸的管构件16。管构件16在上端处包括环形部17。环形部17在垂直于管构件16的轴线的方向上突出。管构件16还在下端处包括可移除的环形构件18。环形构件18在垂直于管构件16的轴线的方向上突出。环形部17的外周装配在盖8的内周面的上端中。环形构件18的外周装配在盖8(主体部8a)的内周面的下端中。管构件16由此安装在盖8中。此时，在管构件16的上端和盖8的顶面(内表面的上端)之间存在预定尺寸的间隙。

环形部17和环形构件18构造成允许冷却剂在竖直方向上穿过。离子交换树脂19设置在环形部17与环形构件18之间以及管构件16的外周面与盖8(主体部8a)的内周面之间的空间中。网20附接到环形部17的下表面，并且网21附接到环形构件18的下表面。网20、21限制离子交换树脂19向上移动到环形部17上方，并且限制离子交换树脂19向下移动到环形构件18下方。

将盖8、管构件16和离子交换树脂19集成到盒中。因此，通过将盖8附接到壳体7或从壳体7移除盖8能够将离子交换树脂19与盖8和管构件16一起更换。当将盖8附接至壳体7时，管构件16位于壳体7内。在这种状态下，盖8的主体部8a的外周面与壳体7的内周面一致。因此，位于主体部8a的内周面和管构件16的外周面之间的离子交换树脂19位于管构件16的外周面和壳体7的内周面之间。

与壳体7分开形成的分离件22设置在壳体7内部的下端。分离件22包括底壁22a和管状壁22b。底壁22a将壳体7中的下端部分隔成上下两部分。管状壁22b将底壁22a下方的部分连接到管构件16的下端。分离件22还包括连接到底壁22a的外边缘的周壁22c。周壁22c在与管状壁22b从底壁22a突出的方向相同的方向上突出，并且与壳体7的底部的内表面接触。分离件22用作分流单元。具体地，分离件22构造成将已经通过流入口7a流入壳体7中的冷却剂流分成直接流向流出口7b的流和流向离子交换树脂19的流。分离件22还构造成使已经穿过离子交换树脂19的冷却剂流向流出口7b。

更具体地，分离件22将底壁22a上方的部分限定为第一流路23。第一流路23构造成使已经通过流入口7a流入壳体7中的冷却剂直接流向流出口7b，并且还使一些已经通过流入口7a流入壳体7中的冷却剂流向离子交换树脂19。已经流向离子交换树脂19的冷却剂从下向上穿过离子交换树脂19，从上向下穿过管构件16，并流入分离件22的管状壁22b中。

此外，分离件22将底壁22a下方的部分限定为第二流路24。第二流路24经由分离件22的管状壁22b连接到管构件16。第一流路23使一些已经通过流入口7a流入壳体7中的冷却剂流向离子交换树脂19。第二流路24经由分离件22的管状壁22b接收已经流向离子交换树脂19的冷却剂，并使冷却剂流向流出口7b。即，第二流路24构造成经由分离件22的管状壁22b接收在从下向上穿过离子交换树脂19之后已经从上向下穿过管构件16的冷却剂，并使该冷却剂流向流出口7b。在离子交换器5中，当冷却剂以上述方式穿过离子交换树脂19时，冷却剂中的离子通过离子交换被去除。已去除离子的冷却剂通过流出口7b从壳体7流出。

第一流路23和第二流路24形成为在定向为朝向流出口7b的相同方向的状态下汇合在一起。即，分离件22形成为使得第一流路23和第二流路24以上述方式汇合在一起。如图3所示，本实施方式的分离件22形成为使得已经穿过第一流路23的冷却剂如箭头Y1所示地流向流出口7b，并且已经穿过第二流路24的冷却剂如箭头Y2所示地流向流出口7b。箭头Y1和箭头Y2沿相同方向定向。

下面，将详细说明分离件22的形状。

如图4和图5所示，分离件22的底壁22a、管状壁22b和周壁22c用作形成供冷却剂流过的第一流路23和第二流路24的壁。底壁22a、管状壁22b和周壁22c比壳体7薄。周壁22c在径向上一侧的部分中具有缺口28。缺口28将壳体7的流入口7a(图3)和第一流路23彼此连接。周壁22c在径向上另一侧的部分中具有通孔29。通孔29将壳体7的流出口7b(图3)和第一流路23彼此连接。

通孔29的下端到达底壁22a。如图3所示，通孔29形成在分离件22的周壁22c和底壁22a中最靠近流出口7b的部分中。通孔29形成在流出管10的轴向上对应于流出口7b的位置处。

如图4所示，与周壁22c的缺口28相对应的底壁22a中的部分P1具有弯曲形状。具体地，部分P1具有使已经在水平方向上通过缺口28流入第一流路23中的冷却剂的方向逐渐改变为朝向离子交换树脂19的方向(即如图4所示的向上方向)的弯曲形状。一些已经改变了流动方向的冷却剂没有流入离子交换树脂19中，而是沿着周壁22c并且围绕管状壁22b流向第一流路23中的通孔29。该冷却剂通过通孔29流向流出口7b。

如图5所示，与管状壁22b连续的底壁22a中的部分P2也具有弯曲形状。具体地，部分P2构造成使已经通过部分P2的内部向下流入第二流路24中的冷却剂的方向逐渐改变为朝向流出口7b的方向、即水平方向。P2部分具有弯曲形状以实现这种流动方向的改变。更具体地，部分P2形成为使得内径朝向下端逐渐增大，使得部分P2具有弯曲形状。

如图3所示，在将分离件22安装在壳体7中的状态下，分离件22的通孔29位于与流出口7b相对应的位置处。此外，由于分离件22安装在壳体7中，所以第一流路23形成在分离件22的底壁22a上方，并且第二流路24形成在分离件22下方。此外，由于通孔29形成在分离件22的周壁22c和底壁22a中，所以第一流路23和第二流路24在分离件22中最靠近流出口7b的位置处汇合在一起。

现在将说明离子交换器5的操作。

在离子交换器5中，使一些已经通过流入口7a流入壳体7中的冷却剂通过第一流路23流向离子交换树脂19。此外，使一些已经通过流入口7a流入壳体7中的冷却剂不流向离子交换树脂19，而是使其通过分离件22的通孔29直接流向流出口7b。已经从第一流路23流向离子交换树脂19的冷却剂从下向上穿过离子交换树脂19，然后从上向下穿过管构件16。下面，冷却剂通过分离件22的管状壁22b的内部从管构件16流入第二流路24中。随后，使在第二流路24中流动的冷却剂流向流出口7b。

在第一流路23中流动的冷却剂和在第二流路24中流动的冷却剂在壳体7中的分离件22的通孔29附近汇合在一起，然后通过流出口7b流出壳体7。第一流路23和第二流路24由分离件22形成，以在定向为朝向流出口7b的相同方向的状态下汇合在一起。因此，已经穿过第一流路23的冷却剂和已经穿过第二流路24的冷却剂以彼此一致的流动方向汇合在一起。这抑制了在冷却剂的合流中出现湍流。

如上所述，本实施方式具有以下优点。

(1)能够在已经穿过第一流路23的冷却剂和已经穿过第二流路24的冷却剂汇合在一起之后的冷却剂流中抑制湍流的出现。这防止了冷却剂在穿过离子交换器5时的压力损失由于冷却剂流中的湍流而增大。离子交换树脂19配置在壳体7的内周面和管构件16的外周面之间。离子交换器5构造成使得管构件16的内部用作冷却剂的流路，使得冷却剂沿竖直方向(在本实施方式中从下向上)穿过离子交换树脂19。由于冷却剂以上述方式穿过离子交换树脂19，所以抑制了当冷却剂穿过离子交换器5时压力损失的增大，并且增大了离子交换树脂19和冷却剂之间的离子交换效率。

(2)第一流路23具有使一些已经通过流入口7a流入壳体7中的冷却剂流向离子交换树脂19的功能，以及使一些已经通过流入口7a流入壳体7中的冷却剂直接流向流出口7b的功能。另一方面，第二流路24具有使已经穿过离子交换树脂19和管构件16的冷却剂流向流出口7b的功能。由于第一流路23具有比第二流路24多的功能，所以第一流路23趋于比第二流路24大。如果第一流路23位于第二流路24的下方并且在壳体7的下端处，则整个离子交换器5的尺寸将不可避免地大。然而，在离子交换器5中，第一流路23位于第二流路24的上方，因此通过将第一流路23放置在壳体7的下端处不会增大离子交换器5的尺寸。

(3)通过将第一流路23和第二流路24的汇合部分从分离件22中靠近流出口7b的位置逐渐移位到分离件22中远离流出口7b的位置来进行测试，在每种情况下测量了当冷却剂以恒定流量穿过离子交换器5时的压力损失。得到以下结果。当汇合部分位于离流出口7b最远的位置时，压力损失为25.1kpa。当汇合部分位于最靠近流出口7b的位置时，压力损失为19kpa。当汇合部分位于离流出口7b最远的位置和离流出口7b最近的位置之间的中间位置时，压力损失为40.7kpa。上述测量结果的比较表明，当汇合部分的位置靠近流出口7b时，压力损失低。因此，如果第一流路23和第二流路24在分离件22中最靠近流出口7b的位置处汇合，则可以降低冷却剂穿过离子交换器5时的压力损失。

(4)通孔29构造成将第一流路23和第二流路24汇合在一起，并且形成在分离件22中的周壁22c和底壁22a的最靠近流出口7b的部分中。此外，通孔29形成在流出管10的轴向上与流出口7b相对应的位置处。因此，在已经穿过第一流路23的冷却剂和已经穿过第二流路24的冷却剂在通孔29附近汇合在一起之后，汇合的冷却剂流容易地从流出口7b流向流出管10。

上述实施方式可以如下变型。只要组合的变型在技术上彼此保持一致，就可以将上述实施方式和以下变型组合。

流出管10和在壳体7内的下端处的底面可以具有以下结构。

流出管10倾斜，使得流出管10随着与壳体7的侧壁的距离增大而下降。在壳体7内的下端处的底面可以包括在与管状壁22b内的空间相对的位置处的最下部分，并且该最下部分可以位于流出口7b的最下部分的下方。此外，底面可以包括第一引导面和第二引导面。第一引导面从底面的最下部分朝向流出口7b倾斜和延伸至与流出口7b的最下部分相对应的高度处的位置。第二引导面从第一引导面的上端朝向流出口7b的下端延伸。

比较例假设在流出口7b和壳体7内的下端的底面之间存在台阶。在这种情况下，当已经穿过第一流路23的冷却剂和已经穿过第二流路24的冷却剂汇合在一起时，已经穿过第二流路24的冷却剂流被台阶搅动。被搅动的冷却剂流向上推已经穿过第一流路23的冷却剂流。结果，汇合的冷却剂流不会顺畅地从流出口7b流向流出管10。即，汇合的冷却剂流不会顺畅地流入流出管10中，该流出管10倾斜以随着与壳体7的距离增大而下降。然而，通过第一引导面和第二引导面消除了上述台阶，使得已经穿过第二流路24的冷却剂流不会被台阶搅动。因此不会阻止汇合的冷却剂流从流出口7b顺畅地流向流出管10。

流出管10可以倾斜，使得流出管10随着与壳体7的侧壁的距离增大而下降。此外，通孔29可以形成在流出口7b沿流出管10的轴向突出到的区域中的分离件22的周壁22c和底壁22a中。在这种情况下，通孔29的下端可以包括如图4所示的内角部29a。形成内角部29a的部分在水平方向上的宽度大于通孔29在竖直方向上的中央上方的部分(上部)的宽度。

这种构造允许已经穿过第一流路23的冷却剂流在通孔29的上部被向下推。因此，在已经穿过第一流路23的冷却剂和已经穿过第二流路24的冷却剂汇合在一起之后，汇合的冷却剂流容易地流向流出口7b和流出管10。此外，已经穿过第一流路23的冷却剂流、换言之已经穿过通孔29的冷却剂流在通孔29的下端处具有相对高的流量，通孔的宽度因内角部29a而增大。流量增大的部分到达如上所述倾斜的流出管10的中央附近，以便沿着流出管10的中央顺畅地流动。以这种方式，在已经穿过第一流路23的冷却剂和已经穿过第二流路24的冷却剂汇合在一起之后，汇合的冷却剂流容易地沿着倾斜的流出管10的中央流入流出口7b和流出管10。

第一流路23和第二流路24的汇合部分不一定需要位于分离件22中最靠近流出口7b的位置处。

第一流路23和第二流路24在竖直方向上的位置关系可以颠倒。

代替分离件22，具有与分离件22相同功能的分流单元可以与壳体7一体地形成。

冷却剂可以从上向下穿过离子交换树脂19。在这种情况下，离子交换器构造成使得一些已经通过流入口7a流入壳体7中的冷却剂直接流向流出口7b，并且一些已经通过流入口7a流入壳体7中的冷却剂流向管构件16。此外，离子交换器构造成使得已经穿过管构件16的冷却剂从上向下穿过离子交换树脂19。此外，离子交换器构造成使得已经穿过离子交换树脂19的冷却剂流向流出口7b。即，第一流路和第二流路形成为产生这种冷却剂流。

附图标记说明

1…燃料电池；2…冷却回路；3…泵；4…散热器；5…离子交换器；6…旁通管；7…壳体；7a…流入口；7b…流出口；8…盖；8a…主体部；9…流入管；10…流出管；14…内螺纹；15…外螺纹；16…管构件；17…环形部；18…环形构件；19…离子交换树脂；20…网；21…网；22…分离件；22a…底壁；22b…管状壁；22c…周壁；23…第一流路；24…第二流路；28…缺口；29…通孔；29a…内角部。

Claims (4)

1.一种离子交换器，其包括：

壳体，其包括供冷却剂流入的流入口和供冷却剂流出的流出口；

管构件，其配置于所述壳体内部；和

离子交换树脂，其配置在所述管构件的外表面和所述壳体的内表面之间，其中

所述离子交换器构造成使得

一些已经通过所述流入口流入所述壳体中的冷却剂直接流向所述流出口，并且

一些已经通过所述流入口流入所述壳体中的冷却剂在穿过所述离子交换树脂和所述管构件之后流向所述流出口，

所述离子交换器的特征在于

在所述壳体中形成有第一流路和第二流路，

所述第一流路构造成使已经通过所述流入口流入的冷却剂直接流向所述流出口，

所述第二流路构造成使已经通过所述流入口流入并且穿过所述离子交换树脂的冷却剂流向所述流出口，并且

所述第一流路和所述第二流路形成为在定向为朝向所述流出口的相同方向的状态下汇合在一起，

所述壳体沿竖直方向延伸，

所述流入口和所述流出口位于所述壳体的下端处，

所述离子交换器还包括设置在所述壳体内的下端部中的分离件，

所述分离件包括：

将所述壳体内的下端部分隔成上下两部分的底壁；和

将所述底壁下方的部分连接到所述管构件的下端的管状壁，并且所述分离件将所述底壁上方的部分限定为所述第一流路，将所述底壁下方的部分限定为所述第二流路。

2.根据权利要求1所述的离子交换器，其特征在于，所述第一流路和所述第二流路在所述分离件中最靠近所述流出口的位置处汇合在一起。

3.根据权利要求2所述的离子交换器，其特征在于

所述流出口形成在所述壳体的侧壁中，

所述离子交换器还包括连接到所述侧壁的管，

所述流出口连接到所述管，

所述分离件包括连接到所述底壁的外边缘的周壁，

所述周壁在与所述管状壁从所述底壁突出的方向相同的方向上突出，所述周壁与所述壳体的内表面接触，

在所述分离件的所述周壁和所述底壁中最靠近所述流出口的部分中形成有通孔，所述通孔构造成使所述第一流路和所述第二流路汇合在一起，并且

所述通孔在所述管的轴向上位于与所述流出口相对应的位置处。

4.根据权利要求3所述的离子交换器，其特征在于

所述管是倾斜的，使得所述管随着与所述壳体的侧壁的距离增大而下降，

在所述壳体的下端部中的底面的最下部分位于所述流出口的最下部分的下方，

所述底面包括第一引导面和第二引导面，

所述第一引导面从所述底面的最下部分朝向所述流出口倾斜并延伸至与所述流出口的最下部分相对应的高度处的位置，并且

所述第二引导面从所述第一引导面的上端朝向所述流出口的下端延伸。