JP2018069226A - イオン交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】カートリッジに装填されたイオン交換樹脂を冷媒が通過するときの圧力損失を小さく抑えることができるイオン交換器を提供する。【解決手段】イオン交換器５は、ハウジング８内に上方に向けて取り外しできるように取り付けられているカートリッジ１３を備える。カートリッジ１３は、ハウジング８の流入口９及び流出口１０よりも上部に位置してイオン交換樹脂１１を装填することが可能である第１ケース部１４と、流入口９及び流出口１０よりも下部に位置してイオン交換樹脂１２を装填することが可能である第２ケース部１５と、を備える。第１ケース部１４には、流入口９に繋がって冷媒を流入させる第１流入部２５、及び、流出口１０に繋がって冷媒を流出させる第１流出部２８が設けられる。第２ケース部１５には、流入口９に繋がって冷媒を流入させる第２流入部３４、及び、流出口１０に繋がって冷媒を流出させる第２流出部３５が設けられる。【選択図】図２

Description

本発明は、イオン交換器に関する。

車両等に燃料電池を搭載する場合、発電時における燃料電池の温度上昇を抑制することを目的に、その燃料電池を冷却するための冷媒を流す冷却回路が設けられる。
こうした冷却回路においては、製造直後の新品時、同冷却回路内の冷媒に対し配管等からイオン（カチオン）が多く溶出して冷媒中のイオンの濃度が急速に高くなる。また、上記冷媒に対するイオンの溶出が時間の経過に従っておさまったとしても、燃料電池を冷媒によって冷却するときに冷媒中の成分が加熱分解され、それに伴ってイオン（アニオン）が発生して徐々に冷媒中のイオンの濃度が高くなる。

上記冷却回路において、冷媒中に含まれるイオンの濃度が高くなると、それに伴い冷却回路における金属部分の腐食を招いたり、冷媒の電気電導率が上がって燃料電池の機能低下を招いたりするおそれがある。このため、冷却回路には、冷媒に含まれるイオンをイオン交換樹脂によるイオン交換を通じて取り除くイオン交換器が設けられる（特許文献１参照）。

また、イオン交換器は、イオン交換樹脂を定期的に新しいものに取り替える必要があることから、イオン交換樹脂の取り替えを容易に行うことができる構造を有している。詳しくは、イオン交換器のハウジングは上方に向けて開口しており、同ハウジングには冷却回路の冷媒を流入させる流入口、及び、ハウジング内に流入した冷媒を冷却回路に流出させる流出口が設けられている。また、ハウジング内には、イオン交換樹脂を装填したカートリッジが、同ハウジングの開口から上方に向けて取り外しできるように取り付けられている。

そして、冷却回路の冷媒が流入口を介してハウジング内に流れ込んで上記カートリッジのイオン交換樹脂を通過する際、その冷媒に含まれるイオンがイオン交換樹脂によるイオン交換を通じて取り除かれる。こうしてイオンが取り除かれた後の冷媒は、ハウジング内から上記流出口を介して冷却回路に流出する。また、上記イオン交換器におけるイオン交換樹脂の取り替えは、そのイオン交換樹脂をカートリッジごとハウジング内から上方に向けて取り外し、その後に新しいイオン交換樹脂が装填された別のカートリッジをハウジング内に上方から落とし込んで取り付けることによって行われる。

特許第４１１３７１５号公報

ところで、冷却回路の製造直後であって冷媒中のイオン濃度が高くなるときに冷媒からイオンを効果的に取り除くためには、イオン交換樹脂を多く装填できるように大型化したカートリッジをイオン交換器のハウジングに取り付けなければならない。ただし、車両等におけるイオン交換器（カートリッジ）の設置スペースの関係から、ハウジングに取り付けられるカートリッジを水平方向に大型化することには限界があり、同カートリッジを上下方向に大型化せざるを得ない。

ハウジングに取り付けられる上記カートリッジが上下方向に大型化した場合、そのカートリッジに装填されたイオン交換樹脂を効果的に用いるためには、同イオン交換樹脂を冷媒が上下方向に通過するようにしなければならず、それによって冷媒がイオン交換樹脂を通過する際の同冷媒の流路長さが長くなる。その結果、冷媒がイオン交換樹脂を通過する際の圧力損失が増大する。

本発明の目的は、カートリッジに装填されたイオン交換樹脂を冷媒が通過するときの圧力損失を小さく抑えることができるイオン交換器を提供することにある。

以下、上記課題を解決するための手段及びその作用効果について記載する。
上記課題を解決するイオン交換器は、冷媒を流入させる流入口及び同冷媒を流出させる流出口が設けられているとともに上方に向けて開口しているハウジングと、イオン交換樹脂を装填することが可能であって前記ハウジング内に上方に向けて取り外しできるように取り付けられているカートリッジと、を備える。このイオン交換器は、ハウジング内を流れる冷媒がカートリッジに装填されたイオン交換樹脂を通過する際に冷媒中のイオンをイオン交換によって取り除く。上記イオン交換器のカートリッジは、ハウジング内であって上記流入口及び上記流出口よりも上部に位置してイオン交換樹脂を装填することが可能である第１ケース部と、ハウジング内であって上記流入口及び上記流出口よりも下部に位置してイオン交換樹脂を装填することが可能である第２ケース部と、を備える。上記第１ケース部には、ハウジングの上記流入口に繋がって冷媒を流入させる第１流入部、及び、同ハウジングの上記流出口に繋がって冷媒を流出させる第１流出部が設けられている。また、上記第２ケース部には、ハウジングの上記流入口に繋がって冷媒を流入させる第２流入部、及び、同ハウジングの上記流出口に繋がって冷媒を流出させる第２流出部が設けられている。

上記構成によれば、流入口からハウジング内に流入した冷媒は、カートリッジにおける第１ケース部と第２ケース部とを個別に通過する。すなわち、流入口からハウジング内に流入した冷媒の一部は、第１流入部から第１ケース部内に流入して同第１ケース部内のイオン交換樹脂によるイオン交換を通じて冷媒中のイオンが取り除かれた後、第１流出部を介して第１ケース部外に流出し、更にハウジングの流出口を介して同ハウジング外に流出する。また、上記冷媒の流れとは別に、流入口からハウジング内に流入した冷媒の一部は、第２流入部から第２ケース部内に流入して同第２ケース部内のイオン交換樹脂によるイオン交換を通じて冷媒中のイオンが取り除かれた後、第２流出部を介して第２ケース部外に流出し、更にハウジングの流出口を介して同ハウジング外に流出する。このようにハウジング内（カートリッジ）における冷媒の流れとして、第１ケース部を通過する冷媒の流れと第２ケース部を通過する冷媒の流れとが別々に生じる。言い換えれば、カートリッジに装填されたイオン交換樹脂を冷媒が通過するときの同冷媒の流路が、第１ケース部側の流路と第２ケース部側の流路との二系統に分けられる。このため、二系統の流路のうちの一つ一つを短くすることができ、それぞれの流路を冷媒が通過するときの圧力損失を小さく抑えることができる。

本発明によれば、カートリッジに装填されたイオン交換樹脂を冷媒が通過するときの圧力損失を小さく抑えることができる。

イオン交換器が設けられる冷却回路の全体構成を示す略図。 イオン交換器の構造を示す断面図。 （ａ）は図２の管部を上方から見た状態を示す平面図、（ｂ）は同管部を下方から見た状態を示す底面図、（ｃ）は（ａ）の管部を矢印Ａ−Ａ方向から見た状態を示す断面図。 （ａ）は第１ケース部を上方から見た状態を示す平面図、（ｂ）は（ａ）の第１ケース部を矢印Ｂ−Ｂ方向から見た状態を示す断面図。 （ａ）は第２ケース部を上方から見た状態を示す平面図。（ｂ）は第２ケース部を水平方向から見た状態を示す側面図。 イオン交換器の構造を示す断面図。 カートリッジの第１ケース部、管部、及び第２ケース部を示す側面図。 （ａ）は第２ケース部及び管部をハウジングの流入口側から見た状態を示す側面図、（ｂ）は第２ケース部及び管部をハウジングの流出口側から見た状態を示す側面図。 イオン交換器における管部内の通路であって、流入口と流出口との間の部分を示す概略図。 図９の調整弁を矢印Ｃ−Ｃ方向から見た状態を示す断面図。 イオン交換器における管部内の通路であって、流入口と流出口との間の部分を示す概略図。 図１１の調整弁を矢印Ｄ−Ｄ方向から見た状態を示す断面図。 弁機構の他の例を示す略図。 同弁機構を示す略図。 弁機構の他の例を示す略図。 同弁機構を示す略図。

［第１実施形態］
以下、イオン交換器の第１実施形態について、図１〜図５を参照して説明する。
図１に示すように、燃料電池１を搭載した車両には、その燃料電池１を冷却するための冷媒を流す冷却回路２が設けられている。なお、こうした冷媒としては、エチレングリコールを含有した冷却水（ロングライフクーラント）等が用いられる。そして、冷却回路２では、ポンプ３の駆動により冷媒が循環するようになっている。

冷却回路２において、燃料電池１はポンプ３よりも下流側の部分に設けられており、同燃料電池１よりも下流側かつポンプ３よりも上流側の部分にはラジエータ４が設けられている。そして、発電時に温度上昇する燃料電池１は、冷却回路２を循環して燃料電池１を通過する冷却水によって冷却される。燃料電池１の熱を奪って温度上昇した冷媒は、ラジエータ４を通過する際に外気によって冷却され、その後にポンプ３に流れる。

また、冷却回路２には、冷媒に含まれるイオンを取り除くためのイオン交換器５、及び、そのイオン交換器５に冷媒を流すためのバイパス配管６が設けられている。上記イオン交換器５はバイパス配管６の途中に設けられている。そして、バイパス配管６の一方の端部は、冷却回路２における燃料電池１よりも下流側かつラジエータ４よりも上流側の部分に接続されている。また、バイパス配管６のもう一方の端部は、冷却回路２におけるラジエータ４よりも下流側かつポンプ３よりも上流側の部分にバルブ７を介して接続されている。

上記バルブ７は、燃料電池１を通過した冷媒をバイパス配管６（イオン交換器５）に流すか否かを定めるべく開閉動作する。詳しくは、バルブ７を閉じた状態のもとでは、上記冷媒がバイパス配管６に流れることなくラジエータ４側に流れる。一方、バルブ７を開くと、燃料電池１を通過した冷媒の一部がラジエータ４側に流れるのではなくバイパス配管６内に流れ込む。このようにバイパス配管６に流れ込んだ冷媒は、イオン交換器５を通過する際にイオンが除去され、その後に冷却回路２におけるラジエータ４よりも下流側かつポンプ３よりも上流側の部分に流れる。

次に、イオン交換器５の構造について説明する。
図２に示すように、イオン交換器５は、上下方向に延びるとともに上方に向けて開口しているハウジング８を備えている。このハウジング８の上下方向中央部における図中の左右方向一方側（図中の左側）の部分には、バイパス配管６（図１）におけるイオン交換器５よりも上流側の部分に繋がってハウジング８内に冷媒を流入させる流入口９が形成されている。また、ハウジング８の上下方向中央部における図中の左右方向他方側（図２の右側）の部分には、ハウジング８内の冷媒を流出させる流出口１０が形成されている。この流出口１０は、バイパス配管６（図１）におけるイオン交換器５よりも下流側の部分と繋がっている。

ハウジング８内には、イオン交換樹脂１１，１２を装填可能であるカートリッジ１３が取り付けられている。上記イオン交換樹脂１１，１２としては、アニオン樹脂とカチオン樹脂とを所定の割合で配合したものが用いられる。また、カートリッジ１３は、ハウジング８に対し、その開口から上方に向けて取り外すことが可能となっている。そして、イオン交換器５では、ハウジング８内を流れる冷媒がカートリッジ１３に装填されたイオン交換樹脂１１，１２を通過する際、その冷媒中のイオンがイオン交換を通じて取り除かれるようになる。

カートリッジ１３は、ハウジング８内で流入口９と流出口１０とを繋ぐよう水平方向に延びる通路１６ａが設けられた管部１６を備えている。更に、カートリッジ１３は、ハウジング８内であって流入口９及び流出口１０よりも上部に位置してイオン交換樹脂１１を装填することが可能である第１ケース部１４と、ハウジング８内であって流入口９及び流出口１０よりも下部に位置してイオン交換樹脂１２を装填することが可能である第２ケース部１５と、を備えている。これら第１ケース部１４及び第２ケース部１５はそれぞれ管部１６の上面及び下面に対し固定されており、同管部１６によって第１ケース部１４と第２ケース部１５とが隔てられている。

図３において、（ａ）は図２の管部１６を上方から見た状態を示しており、（ｂ）は同管部１６を下方から見た状態を示しており、（Ｃ）は（ａ）の管部１６を矢印Ａ−Ａ方向から見た状態の断面を示している。図３（ａ）に示すように、管部１６の中央部には同管部１６の上面で開口する挿入孔１７が形成されており、管部１６における挿入孔１７よりも左側の部分には同管部１６の上面で開口する第１連通孔１８が形成されている。また、図３（ｂ）及び（ｃ）に示すように、管部１６における右側の部分には同管部１６の下面で開口する第２連通孔１９が形成されており、管部１６における左端の部分には同管部１６の下面で開口するスリット２０が形成されている。

図２に示すように、管部１６の通路１６ａは、上述した挿入孔１７、第１連通孔１８、第２連通孔１９、及びスリット２０と連通している。通路１６ａにおける流入口９と流出口１０との間の部分には、冷媒の流通面積が他の部分よりも小さい縮径部２４が形成されている。そして、上記第１連通孔１８は縮径部２４よりも上記流入口９寄りの部分に位置しており、上記挿入孔１７は縮径部２４よりも上記流出口１０寄りの部分に位置している。また、上記スリット２０は縮径部２４よりも上記流入口９寄りの部分であって同流入口９に隣接する部分に位置しており、上記第２連通孔１９は縮径部２４よりも上記流出口１０寄りの部分に位置している。

図４において、（ａ）は第１ケース部１４を上方から見た状態を示しており、（ｂ）は（ａ）の第１ケース部１４を矢印Ｂ−Ｂ方向から見た状態を示している。第１ケース部１４は、上下方向に延びる円筒状の外壁２１と、その外壁２１の内部で上下方向に延びるとともに同外壁２１に支持されたチューブ部材２２と、を備えている。チューブ部材２２は外壁２１の中心線に沿って延びており、その外壁２１との間にはイオン交換樹脂１１（図２）を装填することが可能となっている。外壁２１の下側の開口部には冷媒を通過させることが可能なメッシュ２３が設けられており、そのメッシュ２３の中心部を上記チューブ部材２２の下端部が貫通している。

図２に示すように、第１ケース部１４が管部１６の上面に固定された状態では、チューブ部材２２の下端部が管部１６の挿入孔１７に挿入されており、チューブ部材２２の内部が管部１６の通路１６ａにおける縮径部２４よりも下流側の部分と連通している。更に、この状態のもとでは、第１ケース部１４におけるメッシュ２３と管部１６の上面との間の部分が、第１ケース部１４の下端（外壁２１の下側の開口）と管部１６の第１連通孔１８とを繋ぐ第１流入部２５となる。この第１流入部２５は、管部１６における第１連通孔１８及び通路１６ａを介してハウジング８の流入口９に繋がっており、その流入口９から第１ケース部１４（外壁２１）内に冷媒を流入させるためのものである。

第１ケース部１４における外壁２１の上端の開口には冷媒を通過させることが可能なメッシュ２６が設けられており、そのメッシュ２６の中心部をチューブ部材２２の上端部が貫通している。外壁２１の上端部には同外壁２１の上端の開口を閉塞するキャップ２７が固定されており、キャップ２７の内側には上記チューブ部材２２の上端が位置している。このチューブ部材２２の内部は、管部１６の通路１６ａを介してハウジング８の流出口１０に繋がっており、第１ケース部１４内の冷媒を流出させる第１流出部２８となっている。また、キャップ２７は、ハウジング８の上端部に対しボルト締結によって取り付けられており、そのボルト締結を解除することによってハウジング８の上端部から取り外すことが可能となっている。

図５において、（ａ）は第２ケース部１５を上方から見た状態を示しており、（ｂ）は第２ケース部１５を側方から見た状態を示している。第２ケース部１５は、上下方向に延びる円筒状の外壁３１を備えている。外壁３１の外径は、ハウジング８（図２）の内径よりも僅かに小さい外径となっている。また、外壁２１における図５（ａ）及び図５（ｂ）の左端は、外壁３１の上端から下端に亘って延びる平坦部３３となっている。この外壁３１の内側には、イオン交換樹脂１２（図２）を装填することが可能となっている。また、外壁２１の下側の開口部には冷媒を通過させることが可能なメッシュ３２が設けられている一方、外壁２１の上側の開口部には冷媒を通過させることが可能なメッシュ３６が設けられている。

図２に示すように、第２ケース部１５が管部１６の下面に固定された状態では、外壁３１の上端が管部１６の下面に当接することにより、外壁３１の平坦部３３とハウジング８の内壁との間の部分が管部１６のスリット２０に対応して位置して同スリット２０と連通する。更に、第２ケース部１５のメッシュ３２とハウジング８の内側底面との間には隙間があり、その隙間に対し外壁３１の平坦部３３とハウジング８の内壁との間の部分が連通している。そして、第２ケース部１５における外壁３１の平坦部３３とハウジング８の内壁との間の部分は、第２ケース部１５（外壁３１）内に冷媒を流入させる第２流入部３４となっている。この第２流入部３４は、管部１６のスリット２０及び通路１６ａを介してハウジング８の流入口９に繋がるとともに、メッシュ３２とハウジング８の内側底面との間の隙間、及び同メッシュ３２を介して第２ケース部１５の外壁３１における下端の開口に繋がっている。

第２ケース部１５が管部１６の下面に固定された状態では、外壁３１の上端が管部１６の下面に当接することにより、第２ケース部１５における外壁３１の上端の開口が管部１６のスリット２０に対し遮断される一方、第２ケース部１５の上端における管部１６の下面との間の部分を介して同管部１６の第２連通孔１９と連通する。そして、第２ケース部１５の上端における管部１６の下面との間の部分は、管部１６の第２連通孔１９及び通路１６ａを介してハウジング８の流出口１０に繋がっており、第２ケース部１５（外壁３１）内の冷媒を流出させる第２流出部３５となっている。

次に、イオン交換器５の作用について説明する。
製造直後であって新品の冷却回路２などにおいては、同冷却回路２内の冷媒に対し配管等からイオン（カチオン）が多く溶出して冷媒中のイオンの濃度が急速に高くなるおそれがある。従って、この場合にはイオン交換器５によって冷媒から効果的にイオンを取り除くため、第１ケース部１４にイオン交換樹脂１１を装填するとともに第２ケース部１５にイオン交換樹脂１２を装填したカートリッジ１３が、イオン交換器５のハウジング８に取り付けられる。なお、この場合のイオン交換樹脂１１，１２におけるカチオン交換樹脂とアニオン交換樹脂との配合割合は、上記イオンを冷媒から効果的に取り除くことが可能な割合とされている。

上記イオン交換器５において、流入口９からハウジング８内に流入した冷媒は、カートリッジ１３における管部１６の通路１６ａに流入する。通路１６ａ内の冷媒は、縮径部２４を通過してハウジング８の流出口１０から流出するものと、カートリッジ１３における第１ケース部１４もしくは第２ケース部１５を通過した後にハウジング８の流出口１０から流出するものとに分かれる。以下、通路１６ａ内の冷媒のうち、第１ケース部１４を通過する冷媒の流れ、及び、第２ケース部１５を通過する冷媒の流れについて個別に述べる。

通路１６ａ内においては縮径部２４よりも上流側の部分が同縮径部２４よりも下流側の部分に対し高圧となるため、第１ケース部１４においても第１流出部２８側よりも第１流入部２５側の方が高圧となり、そうした圧力差を通じて通路１６ａ内の冷媒の一部が第１ケース部１４を通過する。詳しくは、上記冷媒が第１流入部２５から第１ケース部１４内（外壁２１の下端）に流入してイオン交換樹脂１１を下から上に向けて通過し、その際にイオン交換樹脂１１によるイオン交換を通じて冷媒中のイオンが取り除かれる。そして、イオンが取り除かれた後の冷媒は、第１流出部２８を介して第１ケース部１４外（通路１６ａ）に流出し、更にハウジング８の流出口１０を介して同ハウジング８外に流出する。

また、通路１６ａ内において縮径部２４よりも上流側の部分が同縮径部２４よりも下流側の部分に対し高圧となるため、第２ケース部１５においても第２流出部３５側よりも第２流入部３４側の方が高圧となり、そうした圧力差を通じて通路１６ａ内の冷媒の一部が第２ケース部１５を通過する。詳しくは、上記冷媒が第２流入部３４から第２ケース部１５内（外壁３１の下端）に流入してイオン交換樹脂１２を下から上に向けて通過し、その際にイオン交換樹脂１２によるイオン交換を通じて冷媒中のイオンが取り除かれる。そして、イオンが取り除かれた後の冷媒は、第２流出部３５を介して第２ケース部１５外（通路１６ａ）に流出し、更にハウジング８の流出口１０を介して同ハウジング８外に流出する。

このようにハウジング８内におけるイオン交換樹脂１１，１２を通過する冷媒の流れ、すなわちカートリッジ１３における冷媒の流れとして、第１ケース部１４（イオン交換樹脂１１）を通過する冷媒の流れと第２ケース部１５（イオン交換樹脂１２）を通過する冷媒の流れとが別々に生じる。言い換えれば、カートリッジ１３に装填されたイオン交換樹脂１１，１２を冷媒が通過するときの同冷媒の流路が、第１ケース部１４側の流路と第２ケース部１５側の流路との二系統に分けられる。このため、二系統の流路のうちの一つ一つを短くすることができ、それぞれの流路を冷媒が通過するときの圧力損失を小さく抑えることができる。

イオン交換器５のイオン交換樹脂１１，１２を新しいものに取り替える際には、カートリッジ１３ごと新しいものに取り替えられる。すなわち、ハウジング８の上端部に対するキャップ２７のボルト締結を解除し、その状態でカートリッジ１３をハウジング８内から上方に向けて取り外す。その後、新しいイオン交換樹脂１１，１２が装填された別のカートリッジ１３をハウジング８内に上方から落とし込み、キャップ２７をハウジング８に対しボルト締結することにより、上記カートリッジ１３がハウジング８内に取り付けられる。

ちなみに、イオン交換器５のカートリッジ１３を新しいものに交換する際、冷却回路２の製造直後から時間が経過して冷媒中のイオン濃度が徐々にしか高くならないなど、同冷媒からイオンを効果的に取り除く必要がない状況であれば、第１ケース部１４のみにイオン交換樹脂１１を装填したカートリッジ１３がハウジング８に対し取り付けられる。この場合、第１ケース部１４に装填されたイオン交換樹脂１１だけで冷媒から十分にイオンを取り除くことができ、カートリッジ１３に装填されるイオン交換樹脂の量が冷媒からイオンを取り除くうえで過剰になることはない。なお、このときのカートリッジ１３としては、管部１６におけるスリット２０と第２連通孔１９との少なくとも一方を塞ぐとともに、そうした状態のもとで第１ケース部１４内を冷媒が適正流量で流れるよう縮径部２４における冷媒の流通面積が調整されたものとすることが好ましい。

以上詳述した本実施形態によれば、以下に示す効果が得られるようになる。
（１）冷媒からイオンを効果的に取り除くべく第１ケース部１４及び第２ケース部１５にイオン交換樹脂１１，１２を装填したカートリッジ１３をハウジング８に取り付けた場合、イオン交換樹脂１１，１２を冷媒が通過するときの同冷媒の流路が第１ケース部１４側の流路と第２ケース部１５側の流路との二系統に分けられて一つ一つの流路が短くなる。このため、各流路を冷媒が通過するときの圧力損失を小さく抑えることができる。

（２）冷媒からイオンを効果的に取り除く必要がない状況であるときには、第１ケース部１４のみにイオン交換樹脂１１が装填されたカートリッジ１３を用いることにより、同カートリッジ１３に装填されたイオン交換樹脂の量が冷媒からイオンを取り除くうえで過剰になることを抑制できる。

（３）冷媒が第１ケース部１４を通過する際、冷媒は管部１６の通路１６ａから第１流入部２５を介して第１ケース部１４の下端に流入し、同第１ケース部１４内を上に向けて流れた後、チューブ部材２２の上端及びその内部（第１流出部２８）を介して第１ケース部１４から流出する。従って、第１ケース部１４内を下から上に通過する冷媒と同第１ケース部１４内に装填されたイオン交換樹脂１１とを効率よく接触させることができ、そのイオン交換樹脂１１によるイオン交換を通じて冷媒からイオンを効率よく取り除くことができる。

（４）冷媒が第２ケース部１５を通過する際、冷媒は管部１６の通路１６ａから第２流入部３４を介して第２ケース部１５の下端に流入し、同第２ケース部１５内を上に向けて流れた後に第２流出部３５を介して第２ケース部１５から流出する。従って、第２ケース部１５内を下から上に通過する冷媒と同第２ケース部１５内に装填されたイオン交換樹脂１２とを効率よく接触させることができ、そのイオン交換樹脂１２によるイオン交換を通じて冷媒からイオンを効率よく取り除くことができる。

［第２実施形態］
次に、イオン交換器の第２実施形態について図６〜図８を参照して説明する。
図６に示すように、この実施形態のイオン交換器５では、カートリッジ１３における管部１６と第２ケース部１５とが一体化されている点が第１実施形態と異なっているとともに、第２ケース部１５における外壁３１の外周面の形状が第１実施形態とは異なっている。

図７に示すように、第２ケース部１５の外壁３１は、第２ケース部１５の上部に大径部３１ａを有する一方、その大径部３１ａに対し段差３１ｂを挟んで同第２ケース部１５の下部に位置する小径部３１ｃを有している。この小径部３１ｃの外径（外周面の径）は、大径部３１ａの外径（外周面の径）よりも小さくされている。そして、この小径部３１ｃの外周面と図６に示すハウジング８の内壁との間には、第２流入部３４が形成されている。

図８において、（ａ）は第２ケース部１５及び管部１６をハウジング８（図６）の流入口９側から見た状態を示しており、（ｂ）は第２ケース部１５及び管部１６をハウジング８の流出口１０側から見た状態を示している。図８及び図７から分かるように、上記段差３１ｂは、その上端がハウジング８の流入口９に最も近くなる一方、下方に向うほどハウジング８の流入口９から遠ざかる斜状に形成されている。

次に、本実施形態におけるイオン交換器５の作用効果について説明する。
（５）図２に示す第１実施形態のイオン交換器５では、第２流入部３４が管部１６における流入口９寄りの部分から真っ直ぐ下に延びてメッシュ３２とハウジング８の内側底面との間の隙間に繋がっているため、冷媒が上記第２流入部３４を介して第２ケース部１５の下端（上記隙間）に達したときの位置が上記流入口９寄りに偏る。このため、第２ケース部１５の下端から同第２ケース部１５内に冷媒が流入した後、第２ケース部１５内（イオン交換樹脂１２）を冷媒が下から上に流れる際の同冷媒の流量に第２ケース部１５内の水平方向の位置に応じた偏りが生じる。その結果、第２ケース部１５内のイオン交換樹脂１２を通過する冷媒から効率よくイオンを取り除くことが難しくなる。

しかし、本実施形態のイオン交換器５では、管部１６から第２流入部３４に流入した冷媒が同第２流入部３４を通って第２ケース部１５の下端に向う際、図８及び図７に示す斜状の段差３１ｂにより案内されて水平方向においてハウジング８の流出口１０寄りに広がりながら第２ケース部１５の下端に向って同下端に到達する。従って、冷媒が上記第２流入部３４を介して第２ケース部１５の下端に達したときの位置が上記流入口９寄りに偏ることを抑制でき、第２ケース部１５の下端から同第２ケース部１５内に冷媒が流入して上に流れる際、同冷媒の流量に第２ケース部１５内の水平方向の位置に応じた偏りが生じにくくなる。その結果、第２ケース部１５内のイオン交換樹脂１２を冷媒が通過するとき、その冷媒からイオンを効率よく取り除くことができる。

［第３実施形態］
次に、イオン交換器の第３実施形態について図９〜図１２を参照して説明する。
図９は、この実施形態のイオン交換器５における管部１６内の通路１６ａであって、流入口９と流出口１０との間の部分を概略的に示している。図９に示されるように、管部１６内の通路１６ａにおける上記部分には、同部分における冷媒の流通面積を可変とすべく開閉動作する弁機構４１が設けられている。この弁機構４１は、通路１６ａの内周面から管部１６の中心線に向けて突出する円環状のフランジ４２と、そのフランジ４２の中央部を管部１６における上流側（図９の左側）から下流側（図９の右側）に貫通する調整弁４３と、を備えている。

調整弁４３は、ゴム等の弾性を有する材料で形成されている。この調整弁４３は、上記フランジ４２の中央部を貫通する円筒状の胴部４４と、その胴部４４における外周面の上流端（左端）に管部１６の内周面に向けて突出するように形成された突部４５と、を備えている。上記胴部４４の下流端（右端）は、フランジ４２から下流側に突出しており、下流側に向かうほど外径が縮小するテーパ状に形成されている。従って、胴部４４における下流端の開口面積は、上流側の開口面積よりも小さくなっている。

図１０は、図９の調整弁４３を矢印Ｃ−Ｃ方向から見た状態を示している。図１０から分かるように、胴部４４における下流側の端部であって上述したようにテーパ状に形成された部分には、胴部４４の周方向に等間隔をおいて胴部４４の中心線に向けて延びる複数の切れ目４６が形成されている。そして、胴部４４における下流側の端部であって上述したようにテーパ状に形成された部分は、上記複数の切れ目４６により、胴部４４における下流側の開口部分を周方向に囲む複数の弁体４７に分割されている。なお、調整弁４３（弁機構４１）の胴部４４における下流側の開口部分、すなわち複数の弁体４７で囲まれた部分は、冷媒の流通面積が管部１６における他の部分よりも小さい縮径部としての役割を担っている。

胴部４４における下流側の開口部分を周方向に囲む複数の弁体４７は、弾性を有しているため、胴部４４（管部１６）内を冷媒が通過するとき、その冷媒の流量が多くなるほど胴部４４における下流端の開口面積（冷媒の流通面積）が大きくなるよう弾性変形する。ちなみに、図１１及び図１２は、胴部４４の各弁体４７が弾性変形することにより、胴部４４における下流端の冷媒の流通面積が大きくなっている状態を示している。なお、図１２は、図１１の調整弁４３を矢印Ｄ−Ｄ方向から見た状態を示している。

調整弁４３（弁機構４１）は、胴部４４（管部１６）を流れる冷媒の流量に応じた各弁体４７の弾性変形を通じて、管部１６を流れる冷媒の流量が閾値未満という小流量時には、同流量が上記閾値以上であるという大流量時と比較して、胴部４４における下流端の冷媒の流通面積を小さくする。これにより、管部１６内の通路１６ａを流れる冷媒の流量が閾値未満という小流量時であっても、通路１６ａにおける調整弁４３の上流側と下流側との圧力差が小さくなることは抑制される。

次に、本実施形態におけるイオン交換器５の作用について説明する。
イオン交換器５において、第１ケース部１４内のイオン交換樹脂１１を通過する冷媒の流量、及び、第２ケース部１５内のイオン交換樹脂１２を通過する冷媒の流量は、管部１６内の通路１６ａにおける調整弁４３の上流側と下流側との圧力差に応じて変わる。詳しくは、上記圧力差が大きくなるほど、第１ケース部１４内のイオン交換樹脂１１を通過する冷媒の流量、及び、第２ケース部１５内のイオン交換樹脂１２を通過する冷媒の流量が多くなる。一方、上記圧力差が小さくなるほど、第１ケース部１４内のイオン交換樹脂１１を通過する冷媒の流量、及び、第２ケース部１５内のイオン交換樹脂１２を通過する冷媒の流量が少なくなる。

また、管部１６内の通路１６ａにおける調整弁４３の上流側と下流側との圧力差は、通路１６ａ内を通過する冷媒の流量から影響を受ける。すなわち、調整弁４３における胴部４４の下流端の開口面積（冷媒の流通面積）を一定とした条件のもとでは、上記通路１６ａ内を通過する冷媒の流量が多くなるほど上記圧力差が大きくなる一方、同冷媒の流量が少なくなるほど上記圧力差が小さくなる。従って、管部１６内の通路１６ａを通過する冷媒の流量が閾値未満という小流量時、通路１６ａにおける調整弁４３の上流側と下流側との圧力差が小さくなると、第１ケース部１４内のイオン交換樹脂１１を通過する冷媒の流量、及び、第２ケース部１５内のイオン交換樹脂１２を通過する冷媒の流量が少なくなる。その結果、それらイオン交換樹脂１１，１２でのイオン交換を通じて冷媒からイオンを取り除く効率が低下するおそれがある。

しかし、調整弁４３（弁機構４１）においては、管部１６内の通路１６ａを流れる冷媒の流量が閾値未満という小流量時、同流量が上記閾値以上であるという大流量時と比較して、胴部４４における下流端の冷媒の流通面積が小さくなるよう、各弁体４７が弾性変形する。このため、管部１６内の通路１６ａを流れる冷媒の流量が閾値未満という小流量時であっても、通路１６ａにおける調整弁４３の上流側と下流側との圧力差が小さくなることは抑制される。その結果、第１ケース部１４内のイオン交換樹脂１１を通過する冷媒の流量、及び、第２ケース部１５内のイオン交換樹脂１２を通過する冷媒の流量が少なくなることを抑制でき、ひいてはイオン交換樹脂１１，１２でのイオン交換を通じて冷媒からイオンを取り除く効率が低下することを抑制できるようになる。

以上詳述した本実施形態によれば、第１及び第２実施形態の効果に加え、以下に示す効果が得られるようになる。
（６）管部１６内の通路１６ａを流れる冷媒の流量の小流量時、第１ケース部１４内のイオン交換樹脂１１を通過する冷媒の流量、及び、第２ケース部１５内のイオン交換樹脂１２を通過する冷媒の流量が少なくなることを抑制でき、イオン交換樹脂１１，１２でのイオン交換を通じて冷媒からイオンを取り除く効率が低下することを抑制できる。

［その他の実施形態］
なお、上記各実施形態は、例えば以下のように変更することもできる。
・イオン交換器５のハウジング８は、鉛直方向に対し管部１６の中心線周りに傾いていてもよい。

・第１及び第２実施形態において、冷媒からイオンを効果的に取り除く必要がない状況のとき、第２ケース部１５のみにイオン交換樹脂１２を装填したカートリッジ１３をハウジング８に対し取り付けるようにしてもよい。なお、このときのカートリッジ１３としては、管部１６における第１連通孔１８と挿入孔１７との少なくとも一方を塞ぐとともに、そうした状態のもとで第２ケース部１５内を冷媒が適正流量で流れるよう縮径部２４における冷媒の流通面積が調整されたものとすることが好ましい。

・第２実施形態において、管部１６と第２ケース部１５とは第１実施形態のように分割されていてもよい。
・第３実施形態において、弁機構４１の代わりに図１３及び図１４に示す弁機構５１を設けてもよい。この弁機構５１は、軸５２を中心に回動して管部１６における通路１６ａの冷媒の流通面積を可変とすべく開閉動作する板状の弁体５３と、その弁体５３を閉じる方向（冷媒の流通面積を小さくする方向）に付勢するばね５４と、を備えている。この場合、管部１６内の通路１６ａにおける弁体５３によって冷媒の流通面積が可変とされる部分が、管部１６における他の部分よりも小さい縮径部として機能する。この構成によれば、管部１６を流れる冷媒の流量が閾値未満という小流量時（図１３）には、同流量が上記閾値以上であるという大流量時（図１４）と比較して、通路１６ａにおける冷媒の流通面積が弁機構５１の弁体５３の動作を通じて小さくされる。

・図１３及び図１４に示す弁機構５１において、ばね５４の代わりに磁石によって弁体５３を閉じる方向（冷媒の流通面積を小さくする方向）に付勢するようにしてもよい。この場合、図１５及び図１６に示すように、弁体５３に磁石５５を設ける一方で管部１６に上記磁石５５に対し反発する磁石５６を設ける。これにより、弁体５３は、磁石５５と磁石５６との反発力により、管部１６における通路１６ａの冷媒の流通面積を小さくする方向に付勢される。この構成によれば、管部１６を流れる冷媒の流量が閾値未満という小流量時（図１５）には、同流量が上記閾値以上であるという大流量時（図１６）と比較して、通路１６ａにおける冷媒の流通面積が弁機構５１の弁体５３の動作を通じて小さくされる。

・第３実施形態において、調整弁４３の代わりにバタフライバルブ及びピストンバルブといったバルブを設け、そうしたバルブの開度制御を通じて管部１６内の通路１６ａにおける冷媒の流通面積を可変とするようにしてもよい。この場合、通路１６ａ内の冷媒の流量をセンサによって検出したりポンプ３の駆動状態等から推定したりし、その流量が閾値未満であるときに同流量が閾値以上であるときと比較して上記バルブの開度が小さくなるよう同バルブの開度制御を行う。

１…燃料電池、２…冷却回路、３…ポンプ、４…ラジエータ、５…イオン交換器、６…バイパス配管、７…バルブ、８…ハウジング、９…流入口、１０…流出口、１１…イオン交換樹脂、１２…イオン交換樹脂、１３…カートリッジ、１４…第１ケース部、１５…第２ケース部、１６…管部、１６ａ…通路、１７…挿入孔、１８…第１連通孔、１９…第２連通孔、２０…スリット、２１…外壁、２２…チューブ部材、２３…メッシュ、２４…縮径部、２５…第１流入部、２６…メッシュ、２７…キャップ、２８…第１流出部、３１…外壁、３１ａ…大径部、３１ｂ…段差、３１ｃ…小径部、３２…メッシュ、３３…平坦部、３４…第２流入部、３５…第２流出部、３６…メッシュ、４１…弁機構、４２…フランジ、４３…調整弁、４４…胴部、４５…突部、４６…切れ目、４７…弁体、５１…弁機構、５２…軸、５３…弁体、５４…ばね、５５…磁石、５６…磁石。

Claims (6)

1. 冷媒を流入させる流入口及び同冷媒を流出させる流出口が設けられているとともに上方に向けて開口しているハウジングと、
   イオン交換樹脂を装填することが可能であって前記ハウジング内に上方に向けて取り外しできるように取り付けられているカートリッジと、
   を備え、
   前記ハウジング内を流れる前記冷媒が前記カートリッジに装填された前記イオン交換樹脂を通過する際に前記冷媒中のイオンをイオン交換によって取り除くイオン交換器において、
   前記カートリッジは、前記ハウジング内であって前記流入口及び前記流出口よりも上部に位置して前記イオン交換樹脂を装填することが可能である第１ケース部と、前記ハウジング内であって前記流入口及び前記流出口よりも下部に位置して前記イオン交換樹脂を装填することが可能である第２ケース部と、を備えており、
   前記第１ケース部には、前記ハウジングの前記流入口に繋がって前記冷媒を流入させる第１流入部、及び、同ハウジングの前記流出口に繋がって前記冷媒を流出させる第１流出部が設けられており、
   前記第２ケース部には、前記ハウジングの前記流入口に繋がって前記冷媒を流入させる第２流入部、及び、同ハウジングの前記流出口に繋がって前記冷媒を流出させる第２流出部が設けられていることを特徴とするイオン交換器。
2. 前記カートリッジは、前記ハウジングの前記流入口と前記流出口とを繋ぐ管部を備えており、
   前記管部における前記流入口と前記流出口との間の部分には、冷媒の流通面積が他の部分よりも小さい縮径部が形成されており、
   前記第１ケース部の前記第１流入部は、前記管部における前記縮径部よりも前記流入口寄りの部分と同第１ケース部の下端とを繋ぐものであり、
   前記第１ケース部の前記第１流出部は、前記第１ケース部内で上下方向に延びて前記管部における前記縮径部よりも前記流出口寄りの部分に繋がるチューブ部材の内部に形成されており、
   前記第２ケース部の前記第２流入部は、前記第２ケース部の外壁と前記ハウジングの内壁との間に形成されているとともに、前記管部における前記縮径部よりも前記流入口寄りの部分と同第２ケース部の下端とを繋ぐものであり、
   前記第２ケース部の前記第２流出部は、前記第２ケース部の上端と前記管部における前記縮径部よりも前記流出口寄りの部分とを繋ぐものである請求項１に記載のイオン交換器。
3. 前記第２ケース部の外壁は、同第２ケース部の上部に大径部を有する一方、その大径部に対し段差を挟んで同第２ケース部の下部に位置するとともに前記大径部よりも小径の小径部を有しており、その小径部と前記ハウジングの内壁との間に前記第２流入部を形成するものであり、
   前記段差は、その上端が前記ハウジングの前記流入口に最も近くなる一方、下方に向うほど前記ハウジングの前記流入口から遠ざかる斜状に形成されている請求項２に記載のイオン交換器。
4. 前記管部の前記流入口と前記流出口との間の部分には、その部分における冷媒の流通面積を可変とすべく開閉動作する弁機構が設けられており、
   前記縮径部は、前記弁機構によって実現されている請求項２又は３に記載のイオン交換器。
5. 前記弁機構は、前記管部を流れる冷媒の流量が閾値未満であるとき、同流量が前記閾値以上であるときと比較して、前記管部の前記流入口と前記流出口との間の部分における冷媒の流通面積が小さくなるよう動作するものである請求項４に記載のイオン交換器。
6. 前記弁機構は、前記管部を流れる冷媒の流量に応じて弾性変形する弁体を有するものであって、
   前記弁体は、前記管部を流れる冷媒の流量が閾値未満であるとき、同流量が前記閾値以上であるときと比較して、前記管部の前記流入口と前記流出口との間の部分における冷媒の流通面積が小さくなるよう弾性変形する請求項５に記載のイオン交換器。