CN114300710B - 集成式去离子器 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种氢燃料电池车集成式去离子器，用于氢燃料电池冷却液杂质去除和带电离子去除。本发明采用集成化设计，集成冷却液杂质过滤和带电离子去除的功能，将冷却回路中的过滤器滤芯和去离子器树脂罐集成为一个替换部，将冷却剂过滤器和去离子器集成为一个零件。制造成本低，使用无纺布等过滤材质替代金属网，不仅起到过滤作用，还可以密封去离子树脂。节省维修保养时间和费用，保养只需要换替换部，维修简单易于操作在维修保养过程中，只需拆掉树脂罐端盖，不需要拆卸冷却管路。滤芯过滤性能强大，杂质过滤使用寿命长。

Description

集成式去离子器

技术领域

本发明属于燃料汽车配件领域，具体为一种氢燃料电池冷却液杂质去除和带电离子去除的集成式去离子器。

背景技术

面对燃油车的排放对环境的污染，针对国家出台的关于排放的要求，发展新能源车是未来汽车行业的主旋律，燃料电池车可以做到绝对的“零”排放。氢燃料电池车动力来源是氢气和氧气在电池反应堆中通过化学反应将化学能转化为电能而得来。在该反应过程中，燃料电池电堆会产生大量的热，在电堆热管理的过程中，需要使用冷却剂进行电堆的冷却，冷却剂不能含有带电离子，因此冷却液在进入电堆之前需要通过去离子器和冷却液过滤器，去掉冷却液中的颗粒杂质和“过滤”掉杂质离子。

从冷却液流路的角度看，现有技术中的圆柱形罐体的去离子器流体走向如图1，其中去离子器走向阻力较大，去离子效率比较低，去离子树脂与冷却液接触不充分。

从去离子器结构和冷却液回路布置的角度看，去离子器自身无杂质过滤功能，虽然在冷却液回路中有杂质过滤器，但是去离子器和杂质过滤器之间管路中的杂质，仍然可以直接进入罐体，造成堵塞，进一步的，如现有技术中如图2的去离子器的结构简单，独立设置的去离子器和杂质过滤器在维修保养时，单独更换杂质滤芯和去离子器滤芯，工序复杂，目前用于燃料电池冷却系统的去离子器大多采用直筒结构，去离子器罐的端盖均为螺栓连接，使更换工序繁琐，更换困难，费时费力。

发明内容

为了解决或改善背景技术中提到的问题，本申请提供了一种去离子器。为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

设计一种集成式去离子器，该去离子器包括端盖、替换部、罐主体，其中端盖可拆卸地连接于罐主体，并有压力地将替换部安装于罐主体和端盖1形成的空间之中，如此可以为替换部提供一个预紧力，保证流路的密封性。其中，替换部包括：过滤芯材、内骨架和外骨架，过滤芯材设置为形成有内腔的筒形；内骨架设置有内骨架座、用于支撑网布的内骨架支架和供冷却液流过的开口；外骨架设置有外骨架座及用于支撑过滤芯材的支撑部；

过滤芯材的筒形两端分别与内骨架座和外骨架座连接，以在过滤芯材和内骨架支架间形成封闭的空间，用于容置去除冷却液中的杂质离子的树脂颗粒。进一步的，该集成式去离子器的过滤芯材为过滤滤纸，过滤滤纸设置为多层复合滤纸或波浪形折叠的滤纸，这就将杂质过滤和去离子功能集成在一个零部件中，简化了冷却流路的结构。

进一步的，该集成式去离子器，在罐主体的侧壁设置有冷却液入口；而罐主体的底部设置有冷却液出口，在替换部安装后，冷却液出口与流体出口的流路联通。

进一步的，该集成式去离子器的内骨架外侧设置的流体出口、内侧设置的内骨架支架与网布采用一体成型的方式制成，并将网布设置在内骨架支架的开口，用以封闭容置树脂颗粒的空间。

进一步的，该集成式去离子器，网布为聚酯纤维或涤纶纤维制成的无纺布，无纺布材料也可以采用其他有机材料，其中的网孔必然是可以阻挡去离子树脂颗粒泄漏，并且尽量小的减小冷却流路的压降。

进一步的，该集成式去离子器的内骨架还包括设置在内骨架支架顶端的定位部，外骨架座内侧设置有与定位部配合的凹槽。

进一步的，该集成式去离子器的端盖上设置有螺纹，罐主体上设置有与端盖螺纹相配合的螺纹。

进一步的，该集成式去离子器，内骨架的定位部设置有螺纹，外骨架座的凹槽设置有与定位部螺纹配合螺纹。

进一步的，该集成式去离子器，外骨架对过滤芯材的支撑部包括周向设置的圈筋和与圈筋相交纵向设置的纵筋。

进一步的，该集成式去离子器，过滤芯材的筒形两端面与内骨架座和外骨架座通过粘结的方式连接或通过熔焊的方式连接。

进一步的，罐主体出口一侧设置泄压阀，泄压阀包括连通罐主体冷却液入口的入口端，和联通冷却液出口的泄压出口，以及在压力超过预定值时连通所述入口端和所述泄压出口的阀片。而该压力的预定值，通过支撑在阀片上的弹簧来设定。

相比于现有技术的缺点和不足，本发明具有以下有益效果：

1、本发明的去离子器集成化设计，集成冷却液杂质过滤和带电离子去除的功能；将冷却回路中的过滤器滤芯和去离子器树脂罐集成为一个替换部，将冷却剂过滤器和去离子器集成为一个零件。

2、本发明的去离子器制造成本低，使用无纺布等过滤材质替代金属网，不仅起到过滤作用，还可以密封去离子树脂。

3、本发明的去离子器，维修和保养时只需更换替换部，节省维修保养时间和费用，取代以前需要更换过滤器滤芯和去离子器树脂。在维修保养过程中，只需拆掉树脂罐端盖，不需要拆卸冷却管路。

4、本发明的去离子器的冷却液流动均匀，冷却液通过替换部，滤材过滤面积较大，并且使用波纹型折纸设计，使冷却液流动更加均匀。

5、流路中设置泄压阀，使冷却回路压力可以调节，集成旁通泄压功能，保持冷却回路处于一个稳定的管路压力。

附图说明

图1示出了根据现有技术的一种去离子器的冷却液流路示意图。

图2示出了根据现有技术的另一种去离子器的结构示意图。

图3示出了根据本申请实施方式的去离子器的结构示意图。

图4示出了根据本申请实施方式的去离子器的替换部的结构示意图。

图5示出了根据本申请实施方式的去离子器的过滤芯材的示意图。

图6示出了根据本申请实施方式的去离子器的内部骨架的示意图。

图7示出了根据本申请实施方式的去离子器的替换部的装配示意图。

图8示出了根据本申请实施方式的去离子器替换部装配后细节图。

图9示出了根据本申请实施方式的去离子器工作过程中冷却液的流路。

图10示出了根据本申请实施方式的去离子器泄压阀工作过程冷却液流路和泄压阀状态对比。

附图标记说明：

1端盖；

2罐体密封圈；

3替换部；31替换部内骨架；311内骨架支架；312开口；313定位部；32网布；33过滤芯材；331去离子树脂颗粒；34替换部外骨架；341圈筋；342纵筋；343外骨架座；35替换部流体出口；

4流路密封圈；

5罐主体；51冷却液入口；52冷却液出口；

6泄压阀；61泄压出口；62弹簧；63阀片。

具体实施方式

下面参照附图描述本申请的示例性实施方式。应当理解，这些具体的说明仅用于示教本领域技术人员如何实施本申请，而不用于穷举本申请的所有可行的方式，也不用于限制本申请的范围。

在本申请中，如无特殊说明，图中箭头表示冷却液的流向。

去离子器应用在燃料电池发动机的冷却系统中，主要用于去除冷却液中的导电离子。在燃料电池电池运行中，双极板上会产生高电压，但同时要求此高电压不会通过双极板中间的冷却液传递到整个冷却循环流道，因此要求冷却液不能够导电。去离子器的活性物质是树脂，存放在避免高温，暴晒的普通环境下。树脂的有效期很长，通常都在三到五年甚至以上。应用环境下的过滤效率；是去离子器性能的重要指标之一，实际应用环境下吸附效率影响因素有：离子浓度、流速，因此，在保持离子浓度较低的状态下，冷却液流速成为离子过滤效率的最重要影响因素。

在实际应用场景中，为了便于去离子器的安装和适应冷却流路的线路布置，现有技术中的圆柱形罐体的去离子器流体走向如图1的方案为主流，但是从该去离子器结构来看，冷却液从替换部入口，进入装有树脂的芯体，然后扩散到芯体的周壁，芯体直接安装在替换部冷却液入口，造成入口堵塞，去离子器走向阻力较大，流速降低，造成去离子效率比较低，且冷却液在芯体中扩散不可控，下部离子与树脂接触概率大，树脂损耗大，上部树脂利用率低，去离子树脂与冷却液接触不充分。

而进一步的，从去离子器结构和冷却液回路布置的角度看，去离子器自身无杂质过滤功能，虽然在冷却液回路中有杂质过滤器，但是去离子器和杂质过滤器之间管路中的杂质，仍然可以直接进入罐体，造成堵塞，如现有技术中如图2的去离子器的结构简单，独立设置的去离子器和杂质过滤器在维修保养时，单独更换杂质滤芯和去离子器滤芯，工序复杂，目前用于燃料电池冷却系统的去离子器大多采用直筒结构，去离子器罐的端盖均为螺栓连接，使更换工序繁琐，更换困难，费时费力。

本发明的实施例，提供了一种去离子器，针对上述技术问题，通过对杂质过滤和去离子功能的集成整合，简化了燃料电池冷却系统结构，提高了去离子效率，同时液提高了燃料电池冷却系统的维保效率，实现了维保省时省力。如图3所示，本发明提供的用于燃料电池冷却系统的集成式去离子装置，包括端盖1、替换部3、罐主体5，替换部3中灌装用于吸附冷却液中离子的去离子树脂颗粒331，并可拆卸地装入罐主体5、端盖1之中，在安装过程中，为了保证流路的密封性，在端盖1和替换部3之间，以及替换部3与罐主体5之间设置对应的罐体密封圈2和流路密封圈4，分别用于密封罐体和流路。其中端盖1可拆卸地连接于罐主体5，并有压力地将替换部安装于罐主体5和端盖1形成的空间之中，如此可以为替换部提供一个预紧力，保证流路的密封性。在本实施例中，冷却液体从罐主体5侧壁上的冷却液入口51流入，经过过滤后的冷却液从罐主体的冷却液出口52流出。应当理解，去离子器的寿命主要由用于去除杂质离子的替换部3决定，本实施例中将替换部3、端盖1和罐主体5可拆卸地装配在一起，在替换部3失效时，在去离子器中装入新的替换部3即可完成保养，更换过程比较简便，能够减少售后成本。

如图4所示，为本实施例的集成式去离子装置的重点，集成式设计的替换部3，图中详细示出了该集成式设计的替换部3的详细结构。替换部3主要包括替换部内骨架31、网布32、过滤芯材33和替换部外骨架34，按照装配顺序，流路密封圈4安装在树脂罐流体出口35的密封圈安装槽中，在内骨架31的另一侧设置有支撑网布32的内骨架支架311，内骨架支架采用一体注塑的方式设置在内骨架31上，并且设置相应的开口312，供冷却液体流出替换部，在外骨架34上，设置用于支撑过滤新材33的支撑部，即骨架筋条，其主要有纵向设置的骨架纵筋342和与纵筋配合的圈筋341，二者同样采用一体成型的注塑方式，与外骨架座343共同组成外骨架34，纵筋342和圈筋341作为过滤芯材33的支撑骨架，在替换部工作过程中，受到冷却液体的压力时，保持过滤芯材33的形状，以保证小的流体阻力。

过滤芯材33的制造方式和现有的杂质过滤装置没有实质的区别，如附图5所示的杂质过滤芯材33，是由杂质过滤滤纸波浪形折叠后，采用高频振动焊接或其他滤纸焊接、粘接的方式，或者采用多层复合滤纸，将合适长度的成型后的滤纸焊接为圆筒状。而后，装配在外骨架上，最终装配为替换部。过滤芯材采用耐水耐油性滤材，使用折纸工艺，将滤材做成一定折数，增加材质的过滤面积，增加冷却液杂质的过滤作用，保证去离子器更高的使用寿命。如图6所示，为内骨架31的具体结构，其中在替换部流体出口一侧，设置树脂罐流体出口35，树脂罐流体出口35上设置有流路密封圈4，在替换部3安装在罐主体5上以后，树脂罐流体出口35与替换部流体出口同轴联通，流路通过密封圈4密封。在内骨架31的另一侧设置内骨架支架311，支架311主要是用来支撑网布32。在现有技术的离子树脂罐的结构中，通常也会设置中空的树脂罐，在中空树脂罐中的内芯结构也是与本实施例相同的支架，为了密封树脂颗粒采用二次成型overmolding的注塑工艺，将金属网内置在支架中，既能将树脂颗粒密封在树脂罐中，也能使冷却流体顺利通过树脂罐，但是金属网成本较高，二次成型的工艺更加增加了树脂罐的成本，基于此，本实施例根据流路流体的流动方向，网布32采用无纺布或者塑料网与塑料骨架的一体注塑，也就是说，内骨架31外侧设置的流体出口35、内侧设置的所述内骨架支架311与网布32采用一体成型的方式制成，并将网布直接成型设置在内骨架支架311的开口312，用以封闭容置所述树脂颗粒331的空间，从而降低采用金属网的成本，并且减少焊接等制造流程。

至此，替换部3的结构已经非常清楚，即由替换部内骨架31、网布32、过滤芯材33和替换部外骨架34四部分组成，打折完成的滤纸分别与替换部外骨架，网布和替换部内部骨架焊接完成装配，焊接工艺简单，成本较低。针对内骨架31在内部与外骨架34的配合关系如图8所示，在外骨架座343的内表面设置可以容置内骨架支架311头部的定位部313的凹槽344，以在装配后，使得内骨架支架311得到固定，不至于因支架头部悬空振动导致产生噪音。同样的装配方法，可以将装配好的替换部3的朝向去离子器的端盖一端，以同样在端盖1上设置凹槽，外骨架座343外侧设置于凹槽配合的定位部，实现装配后的定位和固定。进一步的，为了使该种凹槽(可以是凹槽344或端盖1上设置的凹槽)和定位部(内骨架定位部313或外骨架座343上的凸出部分)的配合结构更加精密合理，可以在凹槽上设置螺纹，在定位部设置与凹槽螺纹配合的外螺纹，作为一种可以改进的实施例方案，图中没有具体示出。

如图9所示，是本实施例的集成式去离子器的剖视图，其中详细显示了本实施例去离子器的结构和冷却液流向。集成式去离子装置由各零部件装配而成，将端盖1打开，将罐体密封圈2和流路密封圈4分别安装在罐主体5开口处和替换部3的密封圈安装槽中，将替换部3的出口与去离子器的出口通道对准，放入罐主体5中后，将端盖1内表面的凹槽与替换部3的外骨架座外侧的定位部对准，将端盖1拧紧在罐主体5上。随着端盖1的拧紧，端盖1将替换部压紧在去离子器的壳体中，使二者的出口通路密封形成完整的出口通路。

装配完成后，即形成本实施例的集成式去离子器罐，接入燃料电池冷却流路系统，在冷却系统运行过程中，如图中箭头，代表了冷却液在本实施例集成式去离子器中的流向，冷却液从去离子器的罐主体5侧壁上的冷却液入口51流入，进入替换部与罐主体间的空间，由于折叠筒状分布的过滤芯材33过滤面积大，这部分空间可以最大化的增大了杂质过滤面积，从而有效的减小了冷却液流通阻力。经过滤后的冷却液从替换部3周向各个方向进入，可以充分的和罐中各个部位的树脂颗粒331接触，从而提高了树脂颗粒的利用率，去除冷却液中的阴阳离子后，冷却液可从内骨架支架311的开口312流出，由于内骨架支架311的开口312均布在整个内骨架上，所以开口面积大，流量大，阻力小。完成过滤、净化后的冷却液从罐主体5的冷却液出口52流出。从整个集成式去离子器的结构设置上可以看出，冷却液在去离子器中流动过程中，由于产生阻力的滤纸和网布的面积壁传统现有技术中的金属过滤网的面积大，因此压降比较小，并且经过滤材后，流动均匀性更好。进一步采用了螺纹设置的端盖1，在售后保养的过程中，只需用扳手拆除端盖，不需要拆卸冷却液管路，节省了维修保养时间，也防止冷却液的泄漏。

进一步的，由于冷却回路中存在杂质，而去离子器树脂罐中集成了杂质过滤的功能，当杂质过多，造成树脂罐过滤滤材处堵塞，管路压力增大。为了使整个回路保持良好的流动性，在流路中设置泄压阀则是必然的技术设置，针对造成流路堵塞的主要原因在于过滤芯材3处由于杂质的积压，因此，在流路中冷却液通过过滤芯材3前即实现泄压是必要的，本发明的巧妙之处在于，利用了罐主体5侧面开设冷却液入口的设计，因此该种设计在冷却液进入罐体后，环绕于整个罐体，而在该种状态下，在冷却液出口52处设置泄压阀，显得尤为能利用流路特点且实现结构简化。

流路泄压阀6的设置如图9和图10所示，在冷切液出口52一侧设置一段流路，联通罐主体底面和冷却液出口侧面，在该段流路中设置泄压装置，形成泄压阀6，泄压阀6为常规的泄压原理，采用弹簧62和阀片63，利用弹簧弹力封住流路，进而控制冷却液回路的压力，即泄压阀6包括连通罐主体冷却液入口的入口端，和联通冷却液出口的泄压出口61，以及在压力超过预定值时连通所述入口端和所述泄压出口的阀片63。而该压力的预定值，通过支撑在阀片63上的弹簧62来设定。

泄压阀6的工作过程如图10所示，在冷却液正常流动过程中，阀片63保持在密封位置，管路压力增加到一定的值，由于泄压阀阀片63的上游冷却液流路压力增大，将阀片63推开弹簧62压缩，至泄压出口61，此时旁通回路被打开，冷却液通过管路泄压出口61流出，不经过去离子器树脂罐进行流动，流路压力恢复，从而保证管路恒定于一定的压力。而基于该泄压阀，在泄压阀上设置传感器，泄压阀工作，即触发传感器报警，提醒车主替换部3需要保养更换。

本申请提供的去离子器具有如下优势：

(1)维修保养时，只需要更换替换部，更换过程比较简便，能够减少售后成本；

(2)本发明过滤材料采用耐水耐油性滤材，使用折纸工艺，将滤材做成一定折数，增加材质的过滤面积，增加冷却液杂质的过滤作用，保证去离子器更高的使用寿命；

(3)内部骨架使用无纺布或者塑料网替代去离子器的金属网，采用无纺布或者塑料网与塑料骨架的一体注塑，从而降低采用金属网的成本，并且减少焊接等制造流程。打折完成的滤纸分别与替换部外骨架，网布和替换部内部骨架一体注塑的零件焊接完成。焊接工艺简单，成本较低；

(4)相比于背景技术中描述的第一种方案中冷却液经过树脂时的单纯径向流路设计，本申请增加了冷却液在树脂中的轴向流动，使冷却液与树脂接触更充分，阻力更小，去离子效率更高；

(5)相比于背景技术中描述的第二种方案中结构设计，本申请中替换部采用一体注塑的零件焊接完成，结构简单，杂质网布和去离子器滤芯集成化设计。在维修保养时，操作简单，替换部可独立于去离子器的壳体更换；

(6)冷却回路压力可以调节，集成旁通泄压功能，当去离子器过滤杂质过多造成滤芯堵塞，压力增加时，会打开旁通阀，降低系统流路的压降，保持冷却液流路压力的稳定性，旁通泄压阀的增加，也可以保持冷却回路处于一个稳定的管路压力。

以上是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本领域技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (9)

1.一种集成式去离子器，

其特征在于，包括端盖(1)、替换部(3)、罐主体(5)，所述端盖(1)可拆卸地连接于所述罐主体(5)，并有压力地将所述替换部(3)安装于所述罐主体(5)和所述端盖(1)形成的空间之中，所述替换部(3)包括：

过滤芯材(33)，所述过滤芯材(33)设置为形成有内腔的筒形；

内骨架(31)，所述内骨架(31)设置有内骨架座、用于支撑网布(32)的内骨架支架(311)和供冷却液流过的开口(312)；

外骨架(34)，所述外骨架(34)设置有外骨架座(343)及用于支撑所述过滤芯材(33)的支撑部；

所述过滤芯材(33)的筒形两端分别与所述内骨架座和所述外骨架座(343)连接，以在所述过滤芯材(33)和所述内骨架支架(311)间形成封闭的空间，用于容置去除冷却液中的杂质离子的树脂颗粒(331)；

所述过滤芯材(33)为过滤滤纸，过滤滤纸设置为多层复合滤纸或波浪形折叠的滤纸；

在所述罐主体(5)的侧壁设置有冷却液入口(51)；

所述罐主体(5)的底部设置有冷却液出口(52)，在所述替换部(3)安装后，所述冷却液出口(52)与所述内骨架(31)外侧设置的流体出口(35)的流路联通。

2.根据权利要求1所述的集成式去离子器，其特征在于，所述内骨架(31)外侧设置的流体出口(35)、内侧设置的所述内骨架支架(311)与所述网布(32)采用一体成型的方式制成，并将网布设置在所述内骨架支架(311)的所述开口(312)，用以封闭容置所述树脂颗粒(331)的空间。

3.根据权利要求2所述的集成式去离子器，其特征在于，所述网布(32)为聚酯纤维或涤纶纤维制成的无纺布。

4.根据权利要求2所述的集成式去离子器，其特征在于，所述内骨架(31)还包括设置在所述内骨架支架(311)顶端的定位部(313)，所述外骨架座(343)内侧设置有与所述定位部(313)配合的凹槽(344)。

5.根据权利要求4所述的集成式去离子器，其特征在于，所述内骨架(31)的定位部(313)设置有螺纹，所述外骨架座(343)的凹槽(344)设置有与定位部螺纹配合螺纹。

6.根据权利要求1-5任一项所述的集成式去离子器，其特征在于，所述端盖(1)上设置有螺纹，所述罐主体(5)上设置有与端盖螺纹相配合的螺纹。

7.根据权利要求1-5任一项所述的集成式去离子器，其特征在于，所述外骨架(34)对过滤芯材(33)的支撑部包括周向设置的圈筋(341)和与所述圈筋(341)相交纵向设置的纵筋(342)。

8.根据权利要求1-5任一项所述的集成式去离子器，其特征在于，所述过滤芯材(33)的筒形两端面与内骨架座和外骨架座(343)通过粘结的方式连接或通过熔焊的方式连接。

9.根据权利要求1-5任一项所述的集成式去离子器，其特征在于，所述罐主体(5)出口一侧设置泄压阀(6)，所述泄压阀包括连通罐主体(5)冷却液入口(51)的入口端，和联通冷却液出口(52)的泄压出口(61)，以及在压力超过预定值时连通所述入口端和所述泄压出口(61)的阀片(63)。