JP2021074687A - イオン交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】キャップの周壁に必要とされる強度を確保す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、上方に向けて開口するハウジングと、そのハウジング内に設けられるイオン交換樹脂と、ハウジングの開口に対するねじ込みによって同開口を閉塞するキャップ８と、を備える。このイオン交換器では、ハウジング内に流入した冷媒が同ハウジング内のイオン交換樹脂を通過し、その後に同ハウジングから流出する。上記キャップ８は、ハウジングの上端部の開口に対しねじ込む際の回転中心ＲＣ周りに形成されて同キャップ８の上面８ｂから上方に向けて突出する周壁２５と、その周壁２５の内側面と同キャップ８の上面８ｂとを繋ぐように形成されているリブ２６と、を備える。【選択図】図４

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、冷媒中のイオンの濃度が高くなることによって、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ため、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に示されるように、イオン交換器は、上方に向けて開口するハウジングと、そのハウジング内に設けられるイオン交換樹脂と、ハウジングの開口に対するねじ込みによって同開口を閉塞するキャップと、を備えている。そして、イオン交換器においては、ハウジング内に流入した冷媒が同ハウジング内のイオン交換樹脂を通過する際、冷媒中のイオンをイオン交換によって取り除き、同イオンが取り除かれた後の冷媒をハウジングから流出させる。

また、イオン交換器において、ハウジング内のイオン交換樹脂を交換する必要が生じた場合には、同ハウジングの開口を閉塞しているキャップが同ハウジングから取り外される。ちなみに、特許文献１では、ハウジングに対するキャップの取り付けや取り外しを工具によって行うため、キャップの上面には上方に向かって突出する周壁が形成されている。この周壁は、キャップをハウジングの上端部の開口に対しねじ込む際の回転中心周りに環状となるよう形成されている。更に、周壁の外側面は、多角形状に形成されており、上記工具を取り付けることが可能となっている。

そして、キャップにおける周壁の外側面に対し工具を取り付け、その工具を用いて上記回転中心周りにキャップを回転させることにより、ハウジングに対するキャップの取り付けや取り外しが行われる。なお、キャップの周壁を同キャップの上面に対し上方に向かって突出させているのは、周壁において工具が取り付けられる外側面の面積を拡大させて同工具の取り付けを安定して行うためである。

特開２０１７−１５９２３５号公報

ところで、工具を用いてキャップをハウジングに対し取り付けたり取り外したりする際には、キャップにおける周壁の外側面に対し工具からの回転トルクが作用する。しかし、周壁はキャップの上面から上方に突出しているため、外側面を介して上記回転トルクを受ける周壁に強度不足が生じるおそれがある。

本発明の目的は、キャップの周壁に必要とされる強度を確保す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、上方に向けて開口するハウジングと、そのハウジング内に設けられるイオン交換樹脂と、ハウジングの開口に対するねじ込みによって同開口を閉塞するキャップと、を備える。このイオン交換器では、ハウジング内に流入した冷媒が同ハウジング内のイオン交換樹脂を通過し、その後に同ハウジングから流出する。上記キャップは、ハウジングの上端部の開口に対しねじ込む際の回転中心周りに形成されて同キャップの上面から上方に向けて突出する周壁と、その周壁の内側面と同キャップの上面とを繋ぐように形成されているリブと、を備える。

上記構成によれば、キャップにおける周壁の外側面に対し工具を取り付け、その工具を用いて上記回転中心周りにキャップを回転させることにより、ハウジングに対するキャップの取り付けや取り外しが行われる。その際には、キャップにおける周壁の外側面に対し工具からの回転トルクが作用するものの、その周壁の強度がリブによって高められるため、外側面を介して上記回転トルクを受ける周壁に必要とされる強度を確保することができる。

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。 イオン交換器を示す斜視図。 イオン交換器を示す断面図。 キャップを示す斜視図。 キャップの上端部を図４の矢印Ａ−Ａ方向から見た状態を示す拡大断面図。

以下、イオン交換器の一実施形態について、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吸着して同冷媒から除去する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。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接続されている。そして、バイパス配管６の途中に上記イオン交換器５が設けられている。

冷却回路２においては、循環する冷媒が燃料電池１よりも下流側に流れたとき、その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、上下方向に延びて上方に向けて開口する円筒状のハウジング７と、そのハウジング７の上端部の開口に対するねじ込みによって同開口を閉塞するキャップ８と、を備えている。ハウジング７には、同ハウジング７の内部と繋がる流入パイプ９及び流出パイプ１０が形成されている。そして、流入パイプ９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いる。一方、流出パイプ１０は、バイパス配管６におけるイオン交換器５よりも下流側の部分に繋がっている。なお、イオン交換器５は、図示しないステーにより、車両に対し取り付けられるようになっている。

図３に示すように、ハウジング７の側壁における下端部には、冷媒を流入させる流入口７ａ及び同冷媒を流出させる流出口７ｂが設けられている。そして、流入口７ａは、ハウジング７の側壁の下端部における径方向の一方側（図３の左側）に形成されており、ハウジング７に一体形成された上記流入パイプ９と繋がっている。また、流出口７ｂは、ハウジング７の側壁の下端部における径方向の他方側（図３の右側）に形成されており、ハウジング７の側壁に一体形成された上記流出パイプ１０と繋がっている。

イオン交換器５のキャップ８は、ハウジング７の上端部の開口に対しねじ込み可能な円筒状の胴部８ａを備えている。この胴部８ａは、上下方向に延びるように形成されている。また、胴部８ａの外周面には、ハウジング７の開口部の内周面に形成された雌ねじ１４と噛み合う雄ねじ１５が形成されている。そして、胴部８ａの雄ねじ１５をハウジング７の雌ねじ１４にねじ込むと、胴部８ａの外周面がハウジング７の内周面に沿うように位置するとともに、ハウジング７の上端部の開口がキャップ８によって閉塞されるようになる。

ハウジング７に取り付けられたキャップ８においては、胴部８ａの内部で上下方向に延びるようにチューブ部材１６が設けられている。このチューブ部材１６の上端部には、同チューブ部材１６の軸線に対し直交する方向に突出するリング部１７が形成されている。また、チューブ部材１６の下端部には、同チューブ部材１６の軸線に対し直交する方向に突出するリング部材１８が取り外し可能に取り付けられている。そして、リング部１７の外周部がキャップ８の内周面の上端部に嵌め込まれるとともに、リング部材１８の外周部がキャップ８（胴部８ａ）の内周面の下端部に嵌め込まれることにより、チューブ部材１６がキャップ８の内部に組み付けられている。このとき、チューブ部材１６の上端とキャップ８の天井面（内面の上端）との間には、所定の大きさの隙間が存在するようにされる。

リング部１７及びリング部材１８はそれぞれ、冷媒を上下方向に通過させることが可能となっている。リング部１７とリング部材１８との間、且つ、チューブ部材１６の外周面とキャップ８（胴部８ａ）の内周面との間には、イオン交換樹脂１９が設けられている。また、リング部１７の下面にはメッシュ２０が取り付けられているとともに、リング部材１８の下面にはメッシュ２１が取り付けられている。これらメッシュ２０，２１により、上記イオン交換樹脂１９がリング部１７よりも上側に移動したり、リング部材１８よりも下側に移動したりしないようにされる。

なお、キャップ８、チューブ部材１６、及びイオン交換樹脂１９はカートリッジ化されており、ハウジング７に対しキャップ８を取り付けたり取り外したりすることにより、イオン交換樹脂１９をキャップ８及びチューブ部材１６と共に一度に交換することが可能となっている。また、キャップ８をハウジング７に取り付けたときには、チューブ部材１６がハウジング７内に設けられた状態となる。更に、このときにはキャップ８の胴部８ａの外周面がハウジング７の内周面に沿った状態となるため、胴部８ａの内周面とチューブ部材１６の外周面との間に存在するイオン交換樹脂１９が、チューブ部材１６の外周面とハウジング７の内周面との間に設けられた状態にもなる。

ハウジング７の内側下端部には、その内側下端部を上下に隔てる底壁２２ａ、及び、その底壁２２ａよりも下側の部分をチューブ部材１６の下端部と連通する筒壁２２ｂを有するセパレータ２２が設けられている。このセパレータ２２は、ハウジング７とは別体となっており、流入口７ａからハウジング７内に流入した冷媒を流出口７ｂに直接的に流す一方でイオン交換樹脂１９側にも流し、且つ、イオン交換樹脂１９を通過した冷媒を流出口７ｂに流す分流部としての役割を担う。

詳しくは、セパレータ２２は、その底壁２２ａよりも上側の部分を第１流路２３として区画する。この第１流路２３は、流入口７ａからハウジング７内に流入した冷媒を直接的に流出口７ｂに流す一方、流入口７ａからハウジング７内に流入した冷媒の一部をイオン交換樹脂１９側に流すものとされている。このようにイオン交換樹脂１９側に流された冷媒は、同イオン交換樹脂１９を下から上に通過した後、チューブ部材１６を上から下に通過し、更にセパレータ２２の筒壁２２ｂ内に流出する。

また、セパレータ２２は、その底壁２２ａよりも下側の部分を第２流路２４として区画する。この第２流路２４は、セパレータ２２の筒壁２２ｂを介してチューブ部材１６と繋がっている。このため、第２流路２４は、流入口７ａからハウジング７内に流入した冷媒のうち、第１流路２３によってイオン交換樹脂１９側に流された冷媒、すなわちイオン交換樹脂１９を下から上に通過した後にチューブ部材１６を上から下に通過した冷媒を、セパレータ２２の筒壁２２ｂを介して受け入れて流出口７ｂ側に流すものとされている。イオン交換器５においては、上述したように冷媒がイオン交換樹脂１９を通過するとき、冷媒中のイオンがイオン交換によって取り除かれ、そうしてイオンが取り除かれた後の冷媒が流出口７ｂを介してハウジング７から流出する。

次に、キャップ８における上端部の形状について詳しく説明する。
図４及び図５はそれぞれ、キャップ８を斜め上方から見た状態、及び、キャップ８の上端部を図４の矢印Ａ−Ａ方向から見た状態を示している。

図４に示すように、キャップ８は、その上面８ｂの外縁部から上方に向けて突出する周壁２５を備えている。この周壁２５は、キャップ８をハウジング７（図３）の上端部の開口に対しねじ込む際における同キャップ８の回転中心ＲＣ周りで、環状に延びるように形成されている。また、周壁２５の外側面は多角形状に形成されている。そして、周壁２５の外周面には、キャップ８を回転中心ＲＣ周りに回転させてハウジング７に対し取り付けたり取り外したりするための工具を取り付けることが可能となっている。キャップ８においては、周壁２５を同キャップ８の上面８ｂに対し上方に向かって突出させることにより、周壁２５の外側面の面積を拡大させて同外側面に対する工具の取り付けを安定して行うことができるようにしている。

図４及び図５に示すように、キャップ８の上面８ｂは、回転中心ＲＣから周壁２５に向かうほど下るように傾斜するドーム状に形成されている。また、キャップ８は、その上面８ｂと周壁２５の内側面とを繋ぐように形成されているリブ２６を備えている。このリブ２６は、図４に示すように回転中心ＲＣ周りに等間隔をおいて複数設けられている。そして、各リブ２６は、回転中心ＲＣを中心とする放射状に延びており、周壁２５に対しその外側面の多角形状の角部に対応する部分に繋がっている。ちなみに、この例では、リブ２６と繋がる角度とリブ２６と繋がっていない角部とが回転中心ＲＣ周りにおいて交互に位置している。

周壁２５において、リブ２６に繋がる部分と同リブ２６の隣に位置するリブ２６に繋がる部分との間には、周壁２５の内側面側と外側面側とを連通するように切り欠き部２７が形成されている。切り欠き部２７は、キャップ８の上面８ｂであって周壁２５の内側の部分にかかった水を、その上面８ｂの上（周壁２５の内側）からキャップ８の外に排出するためのものである。この切り欠き部２７は、周壁２５における上記外側面の多角形状の辺に対応する部分であってリブ２６寄りの位置に形成されている。更に、切り欠き部２７は、リブ２６の厚さ方向の側面に対し滑らかに繋がるとともに、キャップ８の上面８ｂに対しても滑らかに繋がっている。詳しくは、リブ２６における周壁２５寄りの部分が同周壁２５に近づくほど厚くなるよう同リブの厚さ方向の側面が湾曲しており、且つ、その側面が周壁２５に形成された切り欠き部２７の内側面に繋がっている。更に、キャップ８の上面８ｂにおける周壁２５側の縁が、切り欠き部２７の内底面と同じ高さ位置とされている。

次に、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においては、イオン交換樹脂１９による冷媒からのイオンの除去能力に限りがあるため、定期的にイオン交換樹脂１９をキャップ８ごと新しいものに取り替える必要がある。その際には、ハウジング７の上端部の開口を閉塞するよう同ハウジング７に取り付けられたキャップ８が、工具を用いて回転中心ＲＣ周りに回転されることによりハウジング７から取り外される。

詳しくは、キャップ８における周壁２５の外側面に対し工具が取り付けられる。そして、その工具を回転中心ＲＣ周りに回転させると、工具とともにキャップ８も回転されてハウジング７からキャップ８がイオン交換樹脂１９、チューブ部材１６、及びリング部材１８等と共に取り外される。このとき、ハウジング７内に設けられているセパレータ２２の筒壁２２ｂと、キャップ８に保持されているチューブ部材１６との接続が解除される。

このようにキャップ８がハウジング７から取り外された後、新しいイオン交換樹脂１９が装填されている別のキャップ８における周壁２５の外周面に対し、工具が取り付けられる。そして、上記別のキャップ８の胴部８ａをハウジング７内に差し込み、工具と共にキャップ８を回転中心ＲＣ周りに上記取り外し時と逆の方向に回転させると、そのキャップ８がハウジング７の上端部の開口に対しねじ込まれる。その結果、上記キャップ８における胴部８ａの外周面に形成された雄ねじ１５が、ハウジング７の内周面に形成された雌ねじ１４と噛み合わされる。

こうしてハウジング７の上端部の開口が上記キャップ８によって閉塞されることにより、イオン交換樹脂１９がキャップ８ごと新しいものに取り替えられる。また、このときには、ハウジング７内に設けられているセパレータ２２の筒壁２２ｂと、上記キャップ８に保持されているチューブ部材１６とが接続された状態となる。

ところで、ハウジング７に対し工具を用いてキャップ８を取り付けたり取り外したりする際には、キャップ８における周壁２５の外側面に対し工具からの回転トルクが作用する。この周壁２５においては、キャップ８の上面８ｂから上方に突出してはいるものの、周壁２５と上面８ｂとを繋ぐように形成されたリブ２６によって強度が高められている。このため、外側面を介して上記回転トルクを受ける周壁２５に必要とされる強度が確保されるようになる。

以上詳述した本実施形態によれば、以下に示す効果を得ることができる。
（１）イオン交換器５においては、キャップ８の周壁２５がリブ２６によって補強されているため、工具からの回転トルクを受ける周壁２５に必要とされる強度を確保することができる。

（２）リブ２６は、回転中心ＲＣ周りに等間隔をおいて複数設けられているため、周壁２５の強度を回転中心ＲＣ周りにおいて均等に高めることができる。従って、周壁２５がその外側面を介して工具からの回転トルクを受けるとき、上記回転中心ＲＣ周りにおける周壁２５の一部で強度が低下することを抑制できる。

（３）リブ２６は、回転中心ＲＣを中心とする放射状に延びており、且つ、周壁２５における外側面の多角形状の角部に対応する部分に繋がっている。周壁２５において上記角部は剛性の高い部分となっているため、その部分にリブ２６を繋げることにより、同リブ２６を設けることによる周壁２５の強度向上を効果的なものとすることができる。

（４）イオン交換器５において、キャップ８の上面８ｂには水がかかる場合がある。このようにキャップ８の上面８ｂにかかった水は、上面８ｂの傾斜に伴って周壁２５側に流れる。この周壁２５における隣り合うリブ２６がそれぞれ繋がる部分の間には、周壁２５の内側面側と外側面側とを連通するように切り欠き部２７が形成されているため、キャップ８の上面８ｂに沿って周壁２５側に流れた水は、その周壁２５で留まることなく切り欠き部２７を介してキャップ８の上面８ｂから流れ落ちる。従って、キャップ８の上面８ｂにおける周壁２５の内側に水が溜まることを抑制できる。

（５）切り欠き部２７は、周壁２５における外側面の多角形状の辺に対応する部分に形成されている。仮に、切り欠き部２７が周壁２５における外側面の多角形状の角部に形成されていたとすると、切り欠き部２７の形成に伴って周壁２５の強度が低下することは避けられないが、そうした強度の低下を抑制することができる。

（６）切り欠き部２７は、リブ２６の厚さ方向の側面に対し滑らかに繋がるとともに、キャップ８の上面８ｂに対しても滑らかに繋がっている。このため、キャップ８の上面８ｂにかかった水が、その上面８ｂやリブ２６の厚さ方向の側面に沿って流れた後、円滑に周壁２５の内側から切り欠き部２７を介して流れ落ちるようになる。

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。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。
・リブ２６の厚さを適宜変更してもよい。この場合、回転中心ＲＣ周りについての切り欠き部２７の幅よりも、リブ２６の厚さを大きくすることが好ましい。

・切り欠き部２７は、必ずしも周壁における外側面の多角形状の辺であってリブ２６寄りの位置に形成されている必要はない。
・切り欠き部２７は、周壁２５における外側面の多角形状の角部、詳しくはリブ２６と繋がっていない角部に形成されていてもよい。

・切り欠き部２７は、必ずしもリブ２６の厚さ方向の側面に対し滑らかに繋がっている必要はない。
・切り欠き部２７は、必ずしもキャップ８の上面８ｂに対し滑らかに繋がっている必要はない。

・必ずしも切り欠き部２７を形成する必要はない。
・キャップ８の上面８ｂは、必ずしも回転中心ＲＣから周壁２５に向かうほど下るように傾斜している必要はない。

・リブ２６は、周壁２５における外側面の多角形状の角部以外の部分に繋がっていてもよい。
・複数のリブ２６については、必ずしも回転中心ＲＣ周りに等間隔をおいて設けられている必要はない。

・リブ２６は、必ずしも複数設けられている必要はない。
・周壁２５における外側面の形状は、多角形状以外の形状であってもよい。

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…ハウジング、７ａ…流入口、７ｂ…流出口、８…キャップ、８ａ…胴部、８ｂ…上面、９…流入パイプ、１０…流出パイプ、１４…雌ねじ、１５…雄ねじ、１６…チューブ部材、１７…リング部、１８…リング部材、１９…イオン交換樹脂、２０…メッシュ、２１…メッシュ、２２…セパレータ、２２ａ…底壁、２２ｂ…筒壁、２３…第１流路、２４…第２流路、２５…周壁、２６…リブ、２７…切り欠き部。

Claims (6)

1. 上方に向けて開口するハウジングと、そのハウジング内に設けられるイオン交換樹脂と、前記ハウジングの開口に対するねじ込みによって同開口を閉塞するキャップと、を備えており、前記ハウジング内に流入した冷媒が前記イオン交換樹脂を通過した後に同ハウジングから流出するイオン交換器において、
   前記キャップは、前記ハウジングの上端部の開口に対しねじ込む際の回転中心周りに形成されて同キャップの上面から上方に向けて突出する周壁と、その周壁の内側面と同キャップの上面とを繋ぐように形成されているリブと、を備えることを特徴とするイオン交換器。
2. 前記リブは、前記回転中心周りに等間隔をおいて複数設けられている請求項１に記載のイオン交換器。
3. 前記周壁の外側面は、多角形状に形成されており、
   前記リブは、前記周壁における前記外側面の多角形状の角部に対応する部分に繋がっている請求項１又は２に記載のイオン交換器。
4. 前記キャップの上面は、前記回転中心から前記周壁に向かうほど下るように傾斜しており、
   前記周壁におけるリブに繋がる部分と、そのリブの隣に位置するリブに繋がる部分との間には、前記周壁の内側面側と外側面側とを連通するように切り欠き部が形成されている請求項２に記載のイオン交換器。
5. 前記周壁の外側面は、多角形状に形成されており、
   前記リブは、前記周壁における前記外側面の多角形状の角部に対応する部分に繋がっており、
   前記切り欠き部は、前記周壁における前記外側面の多角形状の辺に対応する部分に形成されている請求項４に記載のイオン交換器。
6. 前記切り欠き部は、前記リブの厚さ方向の側面に対し滑らかに繋がるとともに、前記キャップの上面に対しても滑らかに繋がっている請求項４又は５に記載のイオン交換器。

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