JP2020093212A

JP2020093212A - イオン交換器

Info

Publication number: JP2020093212A
Application number: JP2018232247A
Authority: JP
Inventors: 慎吾矢部; Shingo Yabe; 吉田　知弘; Tomohiro Yoshida; 知弘吉田
Original assignee: Toyota Boshoku Corp
Current assignee: Toyota Boshoku Corp
Priority date: 2018-12-12
Filing date: 2018-12-12
Publication date: 2020-06-18
Anticipated expiration: 2038-12-12
Also published as: US20200188813A1; EP3666378B1; US11311819B2; CN111298848A; CN111298848B; JP7139927B2; EP3666378A1

Abstract

【課題】カートリッジを交換する際に、ケースからの冷却液の漏出を抑制すること。【解決手段】イオン交換器１０は、ケース５０と、開放部５２を通じてケース５０に対して着脱可能に設けられたカートリッジ２０とを備えている。ケース５０は、上方に向けて開口する開放部５２を有するケース本体部５１を有し、下部にケース本体部５１内に冷却液を流入させる流入部５３及び同冷却液を流出させる流出部５４が設けられている。カートリッジ２０は、周壁２２及び頂壁２３を有し、内部にイオン交換樹脂Ｒが収容されている。イオン交換器１０は、カートリッジ２０の下部開口２４が冷却液の通過を許容する一方、イオン交換樹脂Ｒの通過を規制する第１多孔体３６により塞がれている。カートリッジ２０の周壁２２のうちケース本体部５１の内周面に対向する部分には、カートリッジ２０内の空気を排出する排気孔２８が設けられている。【選択図】図１

Description

本発明は、イオン交換器に関する。

例えば燃料電池においては、発電時における燃料電池スタックの温度上昇を抑制するために、燃料電池スタックを冷却するための冷却液（例えばエチレングリコールを主成分とするもの）を循環させる冷却回路が設けられている。また、燃料電池においては、発電時に冷却液が加熱分解されると、それに伴ってイオンが発生して冷却液中のイオン濃度が上昇し、同イオンによって金属の腐食や燃料電池の機能低下を招くおそれがある。そこで、冷却回路には、冷却液に含まれるイオンを吸着して同冷却液から取り除くイオン交換器が設けられている。

特許文献１に記載のイオン交換器は、上方に向けて開口する開放部を有するとともに下部に冷却液を流入させる流入孔及び同冷却液を流出させる流出孔が設けられた円筒状のケースと、下方に向けて開口する開口部を有し、ケースに対して取り外し可能に設けられて上記開放部を塞ぐキャップとを備えている。キャップの内部には、下側及び上側に向けてそれぞれ開口するチューブ部材が設けられている。キャップとチューブ部材との間に形成されたドーナツ状の収容空間には、イオン交換樹脂が充填されている。また、開口部のうち収容空間に連通する部分は、メッシュ部材によって塞がれている。こうしたイオン交換器においては、流入孔を通じてケースの下部に流入した冷却液は、メッシュ部材の細孔を通じて収容空間内に流入する。そして、収容空間を通過する際に、冷却液に含まれるイオンがイオン交換樹脂に吸着される。また、上記収容空間を通過した後の冷却液は、チューブ部材の上側の開口からチューブ部材内に流入し、チューブ部材の下側の開口からキャップの外部に排出され、ケースの下部に設けられた流出孔を通じて流出する。

特開２０１７−１５９２３５号公報

ところで、特許文献１に記載のイオン交換器においては、キャップ、チューブ部材、イオン交換樹脂、及びメッシュ部材などによって、ケースに対して取り外し可能なカートリッジが構成される。

こうしたイオン交換器では、新たなイオン交換樹脂が充填されたカートリッジをケースに取り付ける際に、以下の不都合が生じるおそれがある。すなわち、ケースからカートリッジが取り外された状態において、ケース内には冷却液の液面が存在する。そのため、こうしたケース内にカートリッジを進入させていくと、冷却液の水位が上昇し、ケースの内周面とキャップの外周面との隙間を通じてケースの開放部から冷却液が漏出するおそれがある。

本発明の目的は、カートリッジを交換する際に、ケースから冷却液が漏出することを抑制できるイオン交換器を提供することにある。

上記目的を達成するためのイオン交換器は、上方に向けて開口する開放部を有するケース本体部を有し、前記ケース本体部内に冷却液を流入させる流入部及び前記ケース本体内の前記冷却液を流出させる流出部が下部に設けられたケースと、前記開放部を通じて前記ケースに対して着脱可能に設けられ、周壁及び頂壁を有し、内部にイオン交換樹脂が収容されたカートリッジと、を備え、前記カートリッジの下部開口が前記冷却液の通過を許容する一方、前記イオン交換樹脂の通過を阻止する多孔体により塞がれているものであって、前記カートリッジの前記周壁のうち前記ケース本体部の内周面に対向する部分及び前記頂壁の少なくとも一方には、前記カートリッジ内の空気を排出する排気孔が設けられている。

ケースに対してカートリッジを取り付ける際、ケース本体部内に存在する冷却液がカートリッジの下部からカートリッジ内に進入しようとする。これに伴って、カートリッジ内の空気圧が上昇する。

ここで、上記構成によれば、カートリッジ内の空気が排気孔を通じて外部に排出されるため、冷却液がカートリッジ内に進入するようになる。これにより、排気孔が設けられていない場合に比べて、ケース本体部内の冷却液の水位の上昇を抑制することができる。

本発明によれば、カートリッジを交換する際に、ケースから冷却液が漏出することを抑制できる。

本実施形態のイオン交換器について、カートリッジを中心とした断面構造を示す断面図。図１に対応する断面図であって、（ａ）は、ケースに対してカートリッジを取り付ける途中の状態を示す図、（ｂ）は、ケースに対してカートリッジが取り付けられた状態を示す図。

以下、図１及び図２を参照して、イオン交換器の一実施形態について説明する。
図１に示すように、燃料電池の冷却回路には、冷却液に含まれるイオンを取り除くためのイオン交換器１０が設けられている。

イオン交換器１０は、上方に向けて開口する開放部５２を有する有底略円筒状のケース本体部５１を有するケース５０と、開放部５２を通じてケース５０に対して着脱可能に設けられ、イオン交換樹脂Ｒを収容するカートリッジ２０とを備えている。

ケース５０の下部には、ケース本体部５１内に冷却液を流入させる流入部５３と、ケース本体部５１内の冷却液を流出させる流出部５４とが設けられている。流入部５３と流出部５４との間には、双方を連通する絞り部５５が設けられている。

カートリッジ２０は、下部開口２４を有する有底略円筒状のキャップ２１と、キャップ２１の内部においてキャップ２１と同一軸線上に設けられた筒状部材３０とを備えている。

キャップ２１は、円筒状の周壁２２及び頂壁２３を有している。頂壁２３は、周壁２２よりも縮径された円筒状の第１縮径部２５と、第１縮径部２５の上方に隣り合うとともに第１縮径部２５よりも縮径された第２縮径部２６とを備えている。

図１に拡大して示すように、周壁２２の外周面の上部には、ケース本体部５１の内周面に設けられた雌ねじ５６に螺合される雄ねじ２７が形成されている。カートリッジ２０は、キャップ２１の雄ねじ２７をケース本体部５１の雌ねじ５６に対して螺合することにより、ケース５０に対して取り外し可能に取り付けられる。雄ねじ２７及び雌ねじ５６によりケース本体部５１の内周面とキャップ２１（カートリッジ２０）の周壁２２の外周面との間をシールする環状のシール部６０が構成される。

キャップ２１の周壁２２における雄ねじ２７よりも下側の部分、すなわちカートリッジ２０がケース５０に取り付けられた状態において、ケース本体部５１の内周面に対向する部分には、排気孔２８が設けられている。排気孔２８は、排気孔２８よりも小さい多数の細孔を有する多孔部材２９によって周壁２２の内周側から塞がれている。

ここで、多孔部材２９の細孔は、冷却液の通過を許容する一方、イオン交換樹脂Ｒの通過を阻止する大きさを有している。
筒状部材３０の上部の外周面には、外周側に向けて突出するとともに周方向に互いに間隔をおいて配設された複数の突出部３４及び各突出部３４の外周側の端部を連結する円環状の環状部３５とからなる支持部３３が設けられている。支持部３３の環状部３５がキャップ２１の第１縮径部２５の内周面に接合されている。このことによって、筒状部材３０がキャップ２１に対して固定されている。ここで、筒状部材３０の上端は、頂壁２３から下方に離間している。

筒状部材３０の下部の外周面と、キャップ２１の下部開口２４の内周面との間には、中心孔を有し、冷却液の通過を許容する一方、イオン交換樹脂Ｒの通過を阻止する円環状の第１多孔体３６がガスケット（図示略）を介して取り付けられている。

筒状部材３０の上部の外周面と、キャップ２１の第１縮径部２５の内周面との間には、中心孔を有し、冷却液の通過を許容する一方、イオン交換樹脂Ｒの通過を阻止する円環状の第２多孔体３７がガスケット（図示略）を介して取り付けられている。第２多孔体３７は、支持部３３と上下方向に隣り合っている。

キャップ２１の下部開口２４には、支持部材３８が取り外し可能に取り付けられている。支持部材３８は、筒状部材３０の外側に嵌装される円環状の内側環状部３９、内側環状部３９から外周側に向けて突出するとともに周方向に互いに間隔をおいて配設された複数の突出部４０、及び各突出部４０の外周側の端部を連結する円環状の外側環状部４１を有している。

カートリッジ２０内におけるキャップ２１の周壁２２、筒状部材３０、第１多孔体３６、及び第２多孔体３７によって形成されるドーナツ状の収容空間には、イオン交換樹脂Ｒが収容されている。

こうしたイオン交換器１０においては、図１の矢印にて示すように、冷却回路を流れる冷却液が流入部５３を通じてケース本体部５１に流入すると、冷却液の一部は、第１多孔体３６、イオン交換樹脂Ｒ、第２多孔体３７の順に流れ、その後、上側開口３２から筒状部材３０内に流入する。そして、冷却液は、筒状部材３０を下方に向けて流れ、下側開口３１よりカートリッジ２０の外部に排出され、流出部５４を通じて流出される。ここで、冷却液が、イオン交換樹脂Ｒを通過する際に、冷却液中のイオンがイオン交換されて取り除かれることとなる。

次に、本実施形態の作用について説明する。
図２（ａ）に示すように、ケース５０に対してカートリッジ２０を取り付ける際、同図に実線の矢印にて示すように、ケース本体部５１内に存在する冷却液がカートリッジ２０の下部からカートリッジ２０内に進入しようとする。これに伴って、カートリッジ２０内の空気圧が上昇する。

ここで、同図に破線の矢印にて示すように、カートリッジ２０内の空気が排気孔２８を通じて外部に排出されるため、冷却液がカートリッジ２０内に進入するようになる。これにより、排気孔２８が設けられていない場合に比べて、ケース本体部５１内の冷却液の水位の上昇を抑制することができる（以上、作用１）。

また、図２（ｂ）に示すように、排気孔２８がカートリッジ２０の周壁２２における雄ねじ２７（シール部６０）よりも下側に設けられている。このため、ケース５０に対してカートリッジ２０が取り付けられた状態においては、カートリッジ２０内の冷却液が、排気孔２８を通じてケース５０から漏出しない（以上、作用２）。

次に、本実施形態の効果について説明する。
（１）カートリッジ２０の周壁２２のうちケース本体部５１の内周面に対向する部分には、カートリッジ２０内の空気を排出する排気孔２８が設けられている。

こうした構成によれば、上述した作用１を奏することから、カートリッジ２０を交換する際に、ケース５０から冷却液が漏出することを抑制できる。
（２）ケース本体部５１の内周面とカートリッジ２０の周壁２２の外周面との間には、環状の雄ねじ２７及び雌ねじ５６が設けられており、排気孔２８は、周壁２２における雄ねじ２７よりも下側に設けられている。

排気孔２８をカートリッジ２０の頂壁２３などの上端部に設ける場合には、イオン交換樹脂Ｒや冷却液の外部への漏出を阻止するために排気孔２８を塞ぐ部材が別途必要となる。

この点、上記構成によれば、上述した作用２を奏することから、排気孔２８を塞ぐための別部材が不要となる。したがって、イオン交換器１０の構成を簡単にすることができる。

（３）排気孔２８は、排気孔２８よりも小さい多数の孔を有する多孔部材２９により塞がれている。
こうした構成によれば、排気孔２８が多孔部材２９により塞がれているため、排気孔２８自体を小さく形成しなくとも排気孔２８を通じたイオン交換樹脂Ｒの漏出を抑制できる。したがって、キャップ２１の構成を簡単にすることができる。

＜変更例＞
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。上記実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。

・排気孔２８を複数設けるようにしてもよい。
・排気孔２８に代えて、キャップ２１の周壁２２に、イオン交換樹脂Ｒの通過を阻止する大きさの複数の細孔を排気孔として設けるようにしてもよい。こうした構成によれば、多孔部材２９を省略することができる。

・ケース本体部５１の雌ねじ５６とキャップ２１の雄ねじ２７とによって構成されるシール部６０に代えて、Ｏリングなどによってシール部を構成するようにしてもよい。この場合であっても、キャップ２１の周壁２２におけるシール部よりも下側に排気孔を設けることが好ましい。

・排気孔を、キャップ２１（カートリッジ２０）の頂壁２３に設けることもできる。この場合、例えば、ケース５０にカートリッジ２０を取り付ける際には排気孔２８を開放状態とするとともに、カートリッジ２０を取り付けた後に排気孔２８を別部材によって塞ぐ構成とすればよい。こうした構成によれば、カートリッジ２０を交換する際にケース５０からの冷却液の漏出を抑制できるとともに、ケース５０に対してカートリッジ２０が取り付けられた状態において排気孔２８を通じた冷却液の漏出を抑制できる。

１０…イオン交換器、２０…カートリッジ、２１…キャップ、２２…周壁、２３…頂壁、２４…下部開口、２５…第１縮径部、２６…第２縮径部、２７…雄ねじ、２８…排気孔、２９…多孔部材、３０…筒状部材、３１…下側開口、３２…上側開口、３３…支持部、３４…突出部、３５…環状部、３６…第１多孔体、３７…第２多孔体、３８…支持部材、３９…内側環状部、４０…突出部、４１…外側環状部、５０…ケース、５１…ケース本体部、５２…開放部、５３…流入部、５４…流出部、５５…絞り部、５６…雌ねじ、６０…シール部。

Claims

上方に向けて開口する開放部を有するケース本体部を有し、前記ケース本体部内に冷却液を流入させる流入部及び前記ケース本体部内の前記冷却液を流出させる流出部が下部に設けられたケースと、
前記開放部を通じて前記ケースに対して着脱可能に設けられ、周壁及び頂壁を有し、内部にイオン交換樹脂が収容されたカートリッジと、を備え、
前記カートリッジの下部開口が前記冷却液の通過を許容する一方、前記イオン交換樹脂の通過を阻止する多孔体により塞がれているイオン交換器であって、
前記カートリッジの前記周壁のうち前記ケース本体部の内周面に対向する部分及び前記頂壁の少なくとも一方には、前記カートリッジ内の空気を排出する排気孔が設けられている、
イオン交換器。
前記ケース本体部の内周面と前記カートリッジの前記周壁の外周面との間には、環状のシール部が設けられており、
前記排気孔は、前記周壁における前記シール部よりも下側に設けられている、
請求項１に記載のイオン交換器。
前記排気孔は、前記排気孔よりも小さい多数の孔を有する多孔部材により塞がれている、
請求項１または請求項２に記載のイオン交換器。