JP2019098274A - イオン交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】水平方向についてのスペースが限られた場所に設けることができるイオン交換器を提供する。【解決手段】イオン交換器は、上方に向けて開口しているハウジング１と、イオン交換樹脂４が装填されたカートリッジ５と、ハウジング１の開口に対し取り外し可能に取り付けられるキャップ６と、を備える。ハウジング１内には、冷媒用の流入口２に繋がるとともに上下方向に伸びる流入通路２３、及び、その流入通路２３とは区画された状態で上下方向に延びるとともに冷媒用の流出口３に繋がる流出通路２４が形成されている。カートリッジ５は、上下方向に複数重ねられた状態でハウジング１内に取り付けられる。更に、複数のカートリッジ５にはそれぞれ、流入通路２３に繋がって冷媒をカートリッジ５内に流入させる流入孔１２、及び、同カートリッジ５内の冷媒を流出させるべくハウジング１内の流出通路２４に繋がる流出孔１８が形成されている。【選択図】図１

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、同冷却回路内の配管等からイオンが溶出したり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たりするため、冷却回路を流れる冷媒中のイオンの濃度が高くなる。そして、冷却回路の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。

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。

ちなみに、特許文献１には、複数のカートリッジをハウジング内に対し水平方向に並ぶように取り付け、それらカートリッジを通過する冷媒の流れが並列となるイオン交換器が記載されている。このイオン交換器のように、ハウジング内における複数のカートリッジを通過する冷媒の流れが並列となるようにすれば、一つのカートリッジ内における冷媒の流路長さを短くすることができるため、冷媒がイオン交換樹脂を通過する際の圧力損失を小さく抑えることができる。

特許第４４５４２２１号公報

しかし、特許文献１のイオン交換器では、各カートリッジがハウジング内に水平方向に並んでいるため、水平方向について大型化することは避けられない。従って、水平方向についてのスベースが限られた場所に上記イオン交換器を設けることは困難である。

本発明の目的は、水平方向についてのスペースが限られた場所に設け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。更に、上記イオン交換器は、ハウジングの開口に対し取り外し可能に取り付けられて同開口を閉塞するキャップも備える。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ハウジング内には、上記流入口に繋がるとともに上下方向に伸びる流入通路、及び、その流入通路とは区画された状態で上下方向に延びるとともに上記流出口に繋がる流出通路が形成されている。また、カートリッジは、上下方向に複数重ねられた状態でハウジング内に取り付けられる。更に、複数の上記カートリッジにはそれぞれ、ハウジング内の流入通路に繋がって冷媒をカートリッジ内に流入させる流入孔、及び、同カートリッジ内の冷媒を流出させるべくハウジング内の流出通路に繋がる流出孔が形成されている。

上記構成によれば、流入口を介してハウジング内の流入通路に流れ込んだ冷媒は、上下方向に重ねられた状態となっている複数のカートリッジを通過する。このとき、冷媒は流入孔からカートリッジ内に流入した後、そのカートリッジ内を通過してから流出孔を介して同カートリッジ外に流出する。こうしたカートリッジを通過する冷媒の流れは、複数のカートリッジにおいて並列に生じることとなる。このように、ハウジング内における複数のカートリッジを通過する冷媒の流れが並列となることにより、一つのカートリッジ内における冷媒の流路長さを短くすることができるため、冷媒がイオン交換樹脂を通過する際の圧力損失が小さく抑えられる。また、各カートリッジがハウジング内において上下方向に重ねられた状態で並んでいるため、それに伴いイオン交換器が水平方向に大型化することはない。従って、水平方向についてのスベースが限られた場所であってもイオン交換器を設けることができる。

本発明によれば、冷媒が通過する際の圧力損失を小さく抑えることができ、且つ、水平方向についてのスペースが限られた場所に設けることができる。

イオン交換器を示す断面図。 イオン交換器のカートリッジを示す断面図。 同カートリッジを示す断面図。 イオン交換器のキャップを示す断面図。 図１のイオン交換器を矢印Ａ−Ａ方向から見た状態を示す断面図。 図１のイオン交換器を矢印Ｂ−Ｂ方向から見た状態を示す断面図。

以下、イオン交換器の一実施形態について、図１〜図６を参照して説明する。
図１に示すイオン交換器は、車両に搭載された燃料電池を冷却するための冷媒を流す冷却回路に設けられている。ちなみに、こうした冷却回路に流す冷媒としては、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。

イオン交換器は、上下方向に延びるとともに上方に向けて開口している有底円筒状のハウジング１を備えている。このハウジング１の上下方向中央部における図中の左右方向一方側（図１の左側）の部分には、ハウジング１内に冷媒を流入させる流入口２が形成されている。また、ハウジング１の上下方向中央部における図中の左右方向他方側（図１の右側）の部分には、ハウジング１内の冷媒を流出させる流出口３が形成されている。

ハウジング１内には、多数の粒状のイオン交換樹脂４を装填可能なカートリッジ５が、上下方向に複数（この例では五つ）重ねられた状態で取り付けられている。これらカートリッジ５は、同一の形状及び構造を有しており、互いに連結したり分離したりすることが可能となっている。また、各カートリッジ５は、ハウジング１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。

ハウジング１の開口には、その開口を閉塞するためのキャップ６がボルト締結等によって取り外し可能に取り付けられている。ちなみに、このキャップ６に対しては、各カートリッジ５のうち最も上側のカートリッジ５が取り外し可能に取り付けられている。そして、イオン交換器では、ハウジング１内を流れる冷媒がカートリッジ５に装填されたイオン交換樹脂４を通過するようになっており、その際に冷媒中のイオンがイオン交換を通じて取り除かれる。

次に、カートリッジ５の詳細な構造について説明する。
図２に示されるように、カートリッジ５は、その側壁を形成するための円筒状のエレメントケース７を備えている。エレメントケース７は上下方向に延びる円筒状に形成されており、エレメントケース７内には上記イオン交換樹脂４が装填されている。このイオン交換樹脂４は、エレメントケース７の下端部及び上端部にそれぞれ設けられているメッシュ８，９によってエレメントケース７外に流出しないようにされている。なお、メッシュ８，９は、冷媒を通過させることが可能となっている。

エレメントケース７の下端部には、その下端部の開口及び外周面を覆うようにエレメントキャップ１０が取り付けられている。このエレメントキャップ１０において、エレメントケース７の下端部の外周面を覆う部分と同外周面との間には、その間の部分をシールするリング状のガスケット１１が設けられている。また、エレメントキャップ１０において、エレメントケース７の下端部の開口部を覆う部分には、冷媒をエレメントケース７（カートリッジ５）内に流入させるための多数の流入孔１２が形成されている。エレメントキャップ１０におけるエレメントケース７の下端部の開口部を覆う部分は、上述したメッシュ８に当接して同メッシュ８を支持している。

エレメントキャップ１０におけるエレメントケース７の下端部の開口部を覆う部分の下面には、より下側に位置する別のカートリッジ５を連結したり分離したりするための下側係合部１３が下方に突出するよう形成されている。この下側係合部１３は、エレメントケース７の外周面における周方向において半円弧状に延びている。下側係合部１３の下端部には、エレメントケース７の中心線Ｌ１から離れる方向に突出する突部１４が、下側係合部１３の外周面に沿って周方向に延びるように形成されている。

図２及び図３に示すように、エレメントケース７の上端部には、その上端部の開口を閉塞するための円板状のセパレータ１５が取り付けられている。エレメントケース７の上端部において、エレメントキャップ１０の上記下側係合部１３に対応する部分であって、上記セパレータ１５の下側の部分には、エレメントケース７（カートリッジ５）内の冷媒をカートリッジ５外に流入させる流出孔１８が形成されている。

また、エレメントケース７の上端において、エレメントキャップ１０の上記下側係合部１３に対応する部分には、その下側係合部１３と係合可能な上側係合部１６が上記セパレータ１５よりも上方に突出するように形成されている。この上側係合部１６も、エレメントケース７の外周面における周方向において半円弧状に延びている。上側係合部１６の上端には、エレメントケース７の中心線Ｌ１に近づく方向に突出する突部１７が、上側係合部１６の内周面に沿って周方向に延びるように形成されている。

上下方向に重なるカートリッジ５同士を連結する際には、上側のカートリッジ５における下側係合部１３と下側のカートリッジ５における上側係合部１６との相対位置を、中心線Ｌ１周りにずらした状態のもと、それら下側係合部１３と上側係合部１６とを同じ高さに位置合わせする。その後、下側のカートリッジ５を上側のカートリッジ５に対し中心線Ｌ１周りに図２の矢印方向に相対回転させると、下側のカートリッジ５における上側係合部１６が、上側のカートリッジ５における下側係合部１３の外側の位置に変位する。

この状態のもとでは、上側のカートリッジ５における下側係合部１３の下端が下側のカートリッジ５におけるセパレータ１５の上面に当接する。更に、このときには、下側係合部１３の突部１４の上面と上側係合部１６の突部１７の下面とが接触することにより、カートリッジ５同士が上下方向に離れないよう下側係合部１３と上側係合部１６とが係合される。ちなみに、上述したカートリッジ５同士を連結する手順と逆の手順により、下側係合部１３と上側係合部１６との係合を解除し、カートリッジ５同士を切り離すことが可能である。

次に、キャップ６に対するカートリッジ５の取り付け構造について説明する。
図４に示すように、キャップ６の下面には、エレメントキャップ１０の下側係合部１３と同一の形状を有する下側係合部１９が形成されている。このため、キャップ６の下側係合部１９に対しては、カートリッジ５の上側係合部１６を係合させることが可能となっている。このように下側係合部１９と上側係合部１６とを係合させたときには、下側係合部１９の突部２０の上面と上側係合部１６の突部１７の下面とが接触することにより、キャップ６とカートリッジ５とが上下方向に離れないよう連結される。なお、下側係合部１９と上側係合部１６との上記係合を解除すれば、キャップ６とカートリッジ５とを分離することができる。

ハウジング１に対するカートリッジ５の取り付け及び取り外しは、次のように行われる。すなわち、図１に示すように、上下方向に複数のカートリッジ５を重ねた状態で互いを連結するとともに、最も上側のカートリッジ５をキャップ６に連結した状態のもと、各カートリッジ５をハウジング１内に差し込んで同ハウジング１に対しキャップ６を取り付けると、それに伴い各カートリッジ５もハウジング１に対し取り付けられる。

詳しくは、ハウジング１における内側の底面には円環状の弾性シート２１が貼り付けられており、ハウジング１に対しキャップ６を取り付けると、最も下側に位置するカートリッジ５における下側係合部１３の下端が上記弾性シート２１に押し付けられる。その結果、互いに連結された各カートリッジ５が、ハウジング１に対し位置ずれしないように取り付けられる。

一方、各カートリッジ５を新しいものに交換する場合には、キャップ６がハウジング１から取り外される。そして、このキャップ６をハウジング１から離れる方向に引き離すと、同キャップ６に連結された各カートリッジ５がハウジング１内から引き抜かれ、それによってハウジング１から各カートリッジ５が取り外される。その後、新しいカートリッジ５が上記と同様の手順でハウジング１に対し取り付けられる。

次に、ハウジング１内の流入側と流出側との間のシール構造について説明する。
図５及び図６はそれぞれ、図１のイオン交換器を矢印ＡーＡ方向から見た状態、及び、矢印Ｂ−Ｂ方向から見た状態を示している。図５から分かるように、ハウジング１の内周面とカートリッジ５の外周面との間は、一対のシール部材２２によって流入口２寄りの部分と流出口３寄りの部分とに区画されている。図５及び図６に示されるように、一対のシール部材２２はそれぞれ、中心線Ｌ１と同方向（図５及び図６の紙面と直交する方向）に延びた状態で各カートリッジ５の外周面に対し取り付けられている。

このシール部材２２は、図２及び図３に示されるように、各カートリッジ５でそれぞれ半円弧状に延びる上側係合部１６の周方向の端部に対応して位置している。なお、図２及び図３には、一対のシール部材２２のうちの一方のシール部材２２のみを示している。また、シール部材２２は、各カートリッジ５でそれぞれ半円弧状に延びる下側係合部１９の周方向の端部（図２及び図３には図示せず）に対応して位置している。

図５に示すように、ハウジング１の内周面とカートリッジ５の外周面との間であって、一対のシール部材２２によって区画された部分のうち、流入口２寄りの部分は同流入口２に繋がる流入通路２３となっており、流出口３寄りの部分は同流出口３に繋がる流出通路２４となっている。従って、図１に示すように、ハウジング１に対し各カートリッジ５及びキャップ６が取り付けられると、ハウジング１の内周面と各カートリッジ５の外周面との間が一対のシール部材２２によって区画され、それによってハウジング１内に上記流入通路２３及び上記流出通路２４がそれぞれ上下方向に延びるように形成される。

上記流入通路２３は、各カートリッジ５の流入孔１２と連通している。詳しくは、上下方向に隣合っているカートリッジ５においては、上側のカートリッジ５のエレメントキャップ１０の下面と下側のカートリッジ５のセパレータ１５の上面との間の部分を介して、上側のカートリッジ５の流入孔１２が流入通路２３と連通している。また、最も下側に位置するカートリッジ５においては、同カートリッジ５のエレメントキャップ１０の下面とハウジング１の内側の底面との間の部分を介して、上記カートリッジ５の流入孔１２が流入通路２３と連通している。

一方、上記流出通路２４は、各カートリッジ５の流出孔１８と連通している。従って、流入口２を介してハウジング１内の流入通路２３に流れ込んだ冷媒は、上下方向に重ねられた状態となっている複数のカートリッジ５を個別に通過する。詳しくは、流入通路２３内の冷媒は、流入孔１２からカートリッジ５（ハウジング１）内の下端部に流入した後、そのカートリッジ５内を下から上に通過して同カートリッジ５の上端部から流出孔１８を介して同カートリッジ５外に流出する。このようにカートリッジ５外に流出した冷媒は、流出通路２４を通過した後に流出口３を介してイオン交換器（ハウジング１）から流出する。

イオン交換器のハウジング１内に流入する冷媒中に気泡が含まれている場合、その気泡が流入通路２３中で浮力により上昇してキャップ６内における流入通路２３側の部分に溜まるおそれがある。こうしたことを抑制するため、図４に示すようにキャップ６の下側係合部１９には、流入通路２３側と流出通路２４側とを連通する複数のスリット２５が周方向に互いに間隔をおいて形成されている。これらスリット２５は、気体の通過を許容するとともに液体の通過を規制することのできる大きさに形成されている。従って、キャップ６内における流入通路２３側の部分に到達した気泡は、上記スリット２５を介して流出通路２４側に流れて同流出通路２４内を流れる冷媒とともに流出口３を介してイオン交換器（ハウジング１）から流出するようになる。

以上詳述した本実施形態によれば、以下に示す作用効果が得られるようになる。
（１）イオン交換器において、流入口２を介してハウジング１内の流入通路２３に流れ込んだ冷媒は、上下方向に重ねられた状態となっている複数のカートリッジ５を個別に通過する。こうしたカートリッジ５を通過する冷媒の流れは、複数のカートリッジ５において並列に生じることとなる。このように、ハウジング１内における複数のカートリッジ５を通過する冷媒の流れが並列となることにより、一つのカートリッジ５内における冷媒の流路長さを短くすることができるため、冷媒がイオン交換樹脂４を通過する際の圧力損失が小さく抑えられる。また、各カートリッジ５がハウジング１内において上下方向に重ねられた状態で並んでいるため、それに伴いイオン交換器が水平方向に大型化することはない。従って、水平方向についてのスベースが限られた場所であってもイオン交換器を設けることができる。

（２）カートリッジ５を通過する冷媒は、流入孔１２から同カートリッジ５内の下端部に流入した後に上方に流れて同カートリッジ５内の上端部から流出孔１８を介してカートリッジ５外に流出する。冷媒がカートリッジ５内を下から上に流れるときには、カートリッジ５内に充填された多数の粒状のイオン交換樹脂４が浮き上がることにより、イオン交換樹脂４同士の間に隙間が生じて冷媒が流れ安くなるため、冷媒がイオン交換樹脂４を通過する際の圧力損失が小さく抑えられやすくなる。

（３）ハウジング１内に取り付けられる複数のカートリッジ５は、同一の形状及び構造を有している。これらカートリッジ５の形状及び構造が互いに異なっているとすると、それらを生産するのに手間がかかるようになるが、そうした生産上の手間を各カートリッジ５の形状及び構造を同一とすることによって省くことができる。

（４）複数のカートリッジ５を上下方向について互いに連結したり分離したりすることができるため、各種のイオン交換器におけるハウジング１の大きさに合わせて同ハウジング１内に取り付けるカートリッジ５の数を変更する際、そうした変更を簡単に行うことができる。また、ハウジング１内に取り付けられている複数のカートリッジ５を交換する際、それら複数のカートリッジ５を一度にハウジング１内から取り外したり、同ハウジング１内に一度に新しい複数のカートリッジ５を取り付けたりすることができる。従って、イオン交換器において、ハウジング１内における複数のカートリッジ５を新しいものに交換する際、その交換作業を簡単に行うことができる。

（５）キャップ６は、上下方向に重ねられた状態の複数のカートリッジ５のうち、最も上に位置するカートリッジ５が取り外し可能に取り付けられるものとなっている。このため、ハウジング１の開口に対しキャップ６を取り付けたり取り外したりするとき、それと同時に上下方向に重ねられた状態で互いに連結されている複数のカートリッジ５を、ハウジング１内に対し取り付けたり取り外したりすることができる。従って、イオン交換器において、ハウジング１内における複数のカートリッジ５を新しいものに交換する際、その交換作業をより一層簡単に行うことができる。

なお、上記実施形態は、例えば以下のように変更することもできる。
・ハウジング１に対するキャップ６の取り付けについては、必ずしもボルト締結によって行われている必要はなく、雄ねじと雌ねじとによるねじ止めによって行われていてもよい。

・ハウジング１内に取り付けられるカートリッジ５の数を適宜変更してもよい。
・キャップ６とカートリッジ５とが連結可能である必要はない。
・各カートリッジ５同士が連結可能である必要はない。

・カートリッジ５については、冷媒が下から上に通過する構造を有するものに限らず、冷媒が上から下に通過する構造を有するものを採用することも可能である。この場合、流入孔１２がカートリッジ５の上端部に形成される一方、流出孔１８がカートリッジ５の上端部に形成される。

・各カートリッジ５は、必ずしも同一の形状及び構造を有している必要はない。

１…ハウジング、２…流入口、３…流出口、４…イオン交換樹脂、５…カートリッジ、６…キャップ、７…エレメントケース、８…メッシュ、９…メッシュ、１０…エレメントキャップ、１１…ガスケット、１２…流入孔、１３…下側係合部、１４…突部、１５…セパレータ、１６…上側係合部、１７…突部、１８…流出孔、１９…下側係合部、２０…突部、２１…弾性シート、２２…シール部材、２３…流入通路、２４…流出通路、２５…スリット。

Claims (5)

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、
   前記ハウジングの開口に対し取り外し可能に取り付けられて同開口を閉塞するキャップと、
   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、
   前記ハウジング内には、前記流入口に繋がるとともに上下方向に伸びる流入通路、及び、その流入通路とは区画された状態で上下方向に延びるとともに前記流出口に繋がる流出通路が形成されており、
   前記カートリッジは、上下方向に複数重ねられた状態で前記ハウジング内に取り付けられるものであり、
   複数の前記カートリッジにはそれぞれ、前記ハウジング内の前記流入通路に繋がって冷媒を前記カートリッジ内に流入させる流入孔、及び、同カートリッジ内の冷媒を流出させるべく前記ハウジング内の前記流出通路に繋がる流出孔が形成されている
   ことを特徴とするイオン交換器。
2. 前記カートリッジにおいて、前記流入孔は同カートリッジの下端部に形成されている一方、前記流出孔は同カートリッジの上端部に形成されている請求項１に記載のイオン交換器。
3. 複数の前記カートリッジは、同一の形状及び構造を有しているものである請求項１又は２に記載のイオン交換器。
4. 複数の前記カートリッジは、それぞれを上下方向について互いに連結したり分離したりすることが可能となるように構成されている請求項１〜３のいずれか一項に記載のイオン交換器。
5. 前記キャップは、上下方向に重ねられた状態の複数の前記カートリッジのうち、最も上に位置するカートリッジが取り外し可能に取り付けられるものである請求項４に記載のイオン交換器。