JP2022133709A - イオン交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却液が通過する際の圧力損失が増大することを抑制する。【解決手段】イオン交換器５は、ハウジング７と上流側メッシュ２０と下流側メッシュ２１とイオン交換樹脂１９とを備える。ハウジング７には、冷却液を流入させる流入口７ａ及び同冷却液を流出させる流出口７ｂが形成される。上流側メッシュ２０は、流入口７ａと流出口７ｂとをハウジング７内で繋ぐ内部通路２５の第２流路２４に配置される。下流側メッシュ２１は、第２流路２４における上流側メッシュ２０よりも下流に配置される。イオン交換樹脂１９は、第２流路２４の上流側メッシュ２０と下流側メッシュ２１との間に配置される。第２流路２４の上流側メッシュ２０と下流側メッシュ２１との間にはトラップ３１が配置される。トラップ３１は、第２流路２４の下流にイオン交換樹脂１９が流れることを規制するものであって、第２流路２４における冷却液の流通断面積の一部に対応して位置する。【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却液を流す冷却回路が設けられる。こうした冷却回路では、冷却液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、冷却液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、冷却液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。

上記イオン交換器としては、例えば特許文献１に記載されたものを採用することが考えられる。このイオン交換器は、ハウジング、上流側メッシュ、下流側メッシュ、及びイオン交換樹脂を備えている。ハウジングには、冷却液を流入させる流入口、及び、同冷却液を流出させる流出口が形成されている。流入口と流出口とはハウジング内の内部通路によって繋がっている。上流側メッシュは、ハウジング内の上記内部通路に配置されている。下流側メッシュは、上記内部通路における上流側メッシュより下流に配置されている。イオン交換樹脂は、ハウジング内の内部通路における上流側メッシュと下流側メッシュとの間に配置されている。

上記イオン交換器では、流入口及び上流側メッシュを通過した冷却液がハウジング内のイオン交換樹脂に流入し、そのイオン交換樹脂でのイオン交換を通じて同冷却液中のイオンが取り除かれる。このようにイオンが取り除かれた後の冷却液は、下流側メッシュ及び流出口を通過してハウジングから流出する。

特開２０１９－１７５７５１号公報

イオン交換器におけるハウジング内のイオン交換樹脂は、内部通路を流れる冷却液によって下流側メッシュに向けて押される。その結果、イオン交換樹脂が内部通路における下流側メッシュに凝集される。これにより、下流側メッシュがイオン交換樹脂で詰まり、冷却液がイオン交換器を通過する際の圧力損失が増大する。

なお、特許文献１には、ハウジング内の内部通路における上流側メッシュと下流側メッシュとの間に、多数の孔を有する中央分離部材を配置することが記載されている。この中央分離部材は、ハウジング内の内部通路に異なる種類のイオン交換樹脂を配置する場合に、それらイオン交換樹脂が混ざらないように仕切るためのものである。

従って、そうした中央分離部材をイオン交換器に設けたとしても、異なる種類のイオン交換樹脂がそれぞれ中央分離部材と下流側メッシュとで凝集される。このため、中央分離部材及び下流側メッシュがイオン交換樹脂で詰まり、冷却液がイオン交換器を通過する際の圧力損失が増大する。

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、次のようなハウジングと上流側メッシュと下流側メッシュとイオン交換樹脂とを備える。ハウジングには、冷却液を流入させる流入口及び同冷却液を流出させる流出口が形成されている。上流側メッシュは、流入口と前記流出口とをハウジング内で繋ぐ内部通路に配置される。下流側メッシュは、内部通路における上流側メッシュよりも下流に配置される。イオン交換樹脂は、内部通路の上流側メッシュと下流側メッシュとの間に配置される。上記イオン交換器では、入口及び上流側メッシュを通過した冷却液がハウジング内のイオン交換樹脂でのイオン交換を通じて同冷却液中のイオンが取り除かれ、同イオンが取り除かれた後の冷却液が下流側メッシュ及び流出口を通過してハウジングから流出する。上記イオン交換器では、内部通路の上流側メッシュと下流側メッシュとの間にトラップが配置される。このトラップは、内部通路の下流にイオン交換樹脂が流れることを規制するものであって、内部通路における冷却液の流通断面積の一部に対応して位置している。

上記構成によれば、内部通路を流れる冷却液により、イオン交換樹脂が下流側メッシュに向けて押されたとき、イオン交換樹脂の一部についてはトラップによって内部通路の下流への流れが規制される。これにより、イオン交換樹脂が下流側メッシュに凝集されることを抑制できる。その結果、下流側メッシュがイオン交換樹脂で詰まることを抑制でき、その詰まりによって冷却液がイオン交換器を通過する際の圧力損失が増大することを抑制できる。

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断面図。 ハウジング（キャップ）の内部を図２の下方から見た状態を示す底面図。 トラップを示す断面図。 ハウジング内での冷却液の流れを示す破断斜視図。

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却液を流す冷却回路２が設けられている。冷却液としては、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。冷却回路２では、ポンプ３の駆動により冷却液が循環する。

燃料電池１は、冷却回路２のポンプ３よりも下流に設けられている。冷却回路２における燃料電池１よりも下流かつポンプ３よりも上流にはラジエータ４が設けられている。燃料電池１は、発電時に温度上昇するため、冷却回路２を循環する冷却液によって冷却される。冷却液は、冷却回路２を循環して燃料電池１を通過することにより、その燃料電池１から熱を奪う。燃料電池１の熱を奪った冷却液は、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。

冷却回路２には、イオン交換器５及びバイパス配管６が設けられている。イオン交換器５は、冷却液に含まれるイオンを吸着することにより、同冷却液からイオンを除去するためのものである。バイパス配管６は、イオン交換器５に冷却液を流すためのものである。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よりも下流かつラジエータ４よりも上流に接続されている。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よりも下流かつポンプ３よりも上流に接続されている。このバイパス配管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を循環する冷却液が燃料電池１よりも下流側に流れたとき、その冷却液の一部は、ラジエータ４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に流れ込んだ冷却液は、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よりも下流かつポンプ３よりも上流に流れる。

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のハウジング７は、側壁７ｃとキャップ８とを備えている。側壁７ｃは、上下方向に延びる円筒状に形成されており、上方に向けて開口している。キャップ８は、側壁７ｃの上端部の開口を閉塞するためのものであって、側壁７ｃの上端部に対しねじ込みによって取り付けられている。ハウジング７の側壁７ｃには、流入パイプ９及び流出パイプ１０が一体形成されている。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よりも上流の部分に繋がっている。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よりも下流の部分に繋がっている。

側壁７ｃは、その下端部に流入口７ａ及び流出口７ｂを有している。流入口７ａは、冷却液をハウジング７内に流入させるためのものである。流入口７ａは、側壁７ｃの下端部における図２の左寄りに位置しており、上記流入パイプ９と繋がっている。流出口７ｂは、ハウジング７内の冷却液を同ハウジング７から流出させるためのものである。流出口７ｂは、側壁７ｃの下端部における図２の右寄りに位置しており、上記流出パイプ１０と繋がっている。

キャップ８は、上下方向に延びる円筒状の胴部８ａを備えている。胴部８ａの外周面には雄ねじ１５が形成されている。このキャップ８によって側壁７ｃの上端部の開口が閉塞されている。詳しくは、側壁７ｃの上端部の内周面には雌ねじ１４が形成されている。キャップ８の胴部８ａを側壁７ｃの上端部の開口に対しねじ込むと、キャップ８の雄ねじ１５が側壁７ｃの雌ねじ１４と噛み合い、側壁７ｃの上端部の開口にキャップ８が取り付けられる。これにより、側壁７ｃの上端部の開口がキャップ８によって閉塞される。

キャップ８にはチューブ部材１６が設けられている。キャップ８が胴部８ａに取り付けられたとき、チューブ部材１６は胴部８ａの内部で上下方向に延びた状態となる。チューブ部材１６の上端部にはリング部１７が形成されている。リング部１７は、チューブ部材１６から、その軸線に対し直交する方向に突出している。リング部１７は、冷却液を上下方向に通過させることが可能となっている。リング部材１８の下面には、リング部１７の下面には下流側メッシュ２１が取り付けられている。リング部１７の外周部は、キャップ８の内周面の上端部に嵌め込まれている。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。

チューブ部材１６の下端部にはリング部材１８が取り外し可能に取り付けられている。リング部材１８は、冷却液を上下方向に通過させることが可能となっている。リング部材１８の上面には、上流側メッシュ２０が取り付けられている。チューブ部材１６に取り付けられたリング部材１８は、チューブ部材１６から、その軸線に対し直交する方向に突出している。リング部材１８の外周部は、キャップ８（胴部８ａ）の内周面の下端部に嵌め込まれている。これにより、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。

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、多数の粒状のイオン交換樹脂１９が配置されている。イオン交換樹脂１９は、上流側メッシュ２０及び下流側メッシュ２１により、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。

イオン交換器５において、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いる。このため、ハウジング７の側壁７ｃ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。

ハウジング７の下端部には、同ハウジング７とは別体のセパレータ２２が設けられている。セパレータ２２は、底壁２２ａ、筒壁２２ｂ、及び周壁２２ｃを有している。底壁２２ａは、ハウジング７の内側下端部を上下に隔てている。筒壁２２ｂは、底壁２２ａから上方に突出し、底壁２２ａよりも下側の部分をチューブ部材１６の下端部と繋ぐためのものである。周壁２２ｃは、底壁２２ａの外縁に繋がるとともに同底壁２２ａに対し筒壁２２ｂの突出方向と同方向に突出することにより、ハウジング７の底部の内周面と接している。

ハウジング７内には、冷却液を流すための内部通路２５が流入口７ａと流出口７ｂとを繋ぐように形成されている。内部通路２５は、セパレータ２２により、流入口７ａの下流で第１流路２３と第２流路２４とに分岐している。第１流路２３は、上流側メッシュ２０とセパレータ２２の底壁２２ａとの間に形成されており、流出口７ｂに直接的に繋がっている。第２流路２４は、キャップ８の内部、チューブ部材１６の内部、及び、ハウジング７の内側底面とセパレータ２２の底壁２２ａとの間に形成されており、流出口７ｂに繋がっている。

従って、上流側メッシュ２０は内部通路２５における第２流路２４の上流端に設けられていることになり、下流側メッシュ２１は第２流路２４における上流側メッシュ２０よりも下流に設けられていることになる。そして、第２流路２４における上流側メッシュ２０と下流側メッシュ２１との間に、上記イオン交換樹脂１９が配置される。

イオン交換器５において、流入パイプ９及び流入口７ａからハウジング７内に流入した冷却液は、内部通路２５における第１流路２３及び第２流路２４を介して流出口７ｂに流される。第２流路２４を流れる冷却液は、上流側メッシュ２０、キャップ８内部のイオン交換樹脂１９の周囲、下流側メッシュ２１、チューブ部材１６の内部、及び、ハウジング７の内側底面とセパレータ２２の底壁２２ａとの間を通過する。その後、上記冷冷却液は、流出口７ｂ及び流出パイプ１０を介してハウジング７外に流される。第２流路２４のイオン交換樹脂１９の周囲を冷却液が通過する際、その冷却液に含まれるイオンがイオン交換樹脂１９によるイオン交換を通じて取り除かれる。

次に、ハウジング７（キャップ８）の内部構造について説明する。
イオン交換器５におけるハウジング７内のイオン交換樹脂１９は、内部通路２５の第２流路２４を流れる冷却液によって下流側メッシュ２１に向けて押される。これにより、イオン交換樹脂１９が第２流路２４における下流側メッシュに凝集されると、下流側メッシュ２１がイオン交換樹脂１９で詰まる。その結果、冷却液がイオン交換器５を通過する際の圧力損失が増大する。

こうしたことを抑制するため、イオン交換器５では、次のようなハウジング７（キャップ８）の内部構造が採用されている。すなわち、第２流路２４の上流側メッシュ２０と下流側メッシュ２１との間にトラップ３１が配置される。トラップ３１は、第２流路２４の下流にイオン交換樹脂１９が流れることを規制するためのものである。トラップ３１は、第２流路２４における冷却液の流通断面積の一部に対応して位置している。トラップ３１は、第２流路２４における冷却液が下から上に流れる位置に複数存在している。

図３は、ハウジング７（キャップ８）の内部を図２の下方から見た状態を示している。図３から分かるように、複数のトラップ３１は、チューブ部材１６からハウジング７の中心線ＣＬを中心とする放射状に延びている。図２に示すように、複数のトラップ３１は、ハウジング７の中心線ＣＬ周りに螺旋状となるように配置されている。

図４に示すように、トラップ３１は、水平方向に延びる板状の規制部３２を供えている。規制部３２にはメッシュ３３が取り付けられている。規制部３２は、このメッシュ３３により、第２流路２４内を流れる冷却液を通過させることが可能であり、且つイオン交換樹脂１９を通過させることのない多数の孔３４（図３）を有するものとされる。従って、規制部３２は、第２流路２４の下流にイオン交換樹脂１９が流れることを規制しつつ、冷却液を第２流路２４の上流から下流に通過させることが可能となっている。トラップ３１の外縁には、規制部３２から第２流路２４の上流（図４の下方）に向けて突出する突部３５が形成されている。

次に、本実施形態のイオン交換器５の作用効果について説明する。
（１）内部通路２５の第２流路２４を流れる冷却液により、イオン交換樹脂１９が下流側メッシュ２１に向けて押されたとき、イオン交換樹脂１９の一部についてはトラップ３１によって第２流路２４の下流への流れが規制される。これにより、イオン交換樹脂１９が下流側メッシュ２１に凝集されることを抑制できる。その結果、下流側メッシュ２１がイオン交換樹脂１９で詰まることを抑制でき、その詰まりによって冷却液がイオン交換器５を通過する際の圧力損失が増大することを抑制できる。

（２）第２流路２４の冷却液が下から上に流れる位置にある複数のトラップ３１が、ハウジング７の中心線をＣＬ中心とする放射状に延びている。そして、第２流路２４内での冷却液の流れによってイオン交換樹脂１９が下流側に押されたとき、上記複数のトラップ３１によってイオン交換樹脂１９が下流側に流れることは規制される。また、ポンプ３の駆動停止等によって第２流路２４内での冷却液の流れが停止されたときには、複数のトラップ３１によって下流側への流れが規制されていたイオン交換樹脂１９がそれぞれ、他のトラップ３１に妨げられることなく自重によってハウジング７内の下部まで沈降する。その後、ポンプ３の駆動によって第２流路２４内での冷却液の流れが生じると、イオン交換樹脂１９が下流側に押される。そして、イオン交換樹脂１９が下流側に流れることは複数のトラップ３１によって規制される。従って、第２流路２４内での冷却液の流れが停止と再開を繰り返すことにより、イオン交換樹脂１９が攪拌される。これにより、イオン交換樹脂１９全体を効率よくイオン交換に用いることができる。

（３）複数のトラップ３１がハウジング７の中心線ＣＬ周りに螺旋状となるように配置されている。このため、第２流路２４における複数のトラップ３１が配置された箇所を冷却液が通過しやすくなる。この場合、第２流路２４における複数のトラップ３１が配置された箇所を冷却液が通過することにより、冷却液が図５に矢印で示すように螺旋状に流れるようになる。

（４）トラップ３１は、第２流路２４の下流にイオン交換樹脂１９が流れることを規制する規制部３２を備えている。この規制部３２は、メッシュ３３が取り付けられることにより、多数の孔３４を有するものとされている。この孔３４は、第２流路２４内を流れる冷却液を通過させることが可能であり、且つ、イオン交換樹脂１９を通過させることのない大きさとなっている。従って、第２流路２４内での冷却液の流れに押されたイオン交換樹脂１９がトラップ３１の規制部３２により下流への流れが規制されたとき、そのイオン交換樹脂１９の周囲を冷却液が通過して規制部３２の孔３４を介して下流に流れやすくなる。このため、トラップ３１によってイオン交換樹脂１９の下流側への流れを規制したとしても、そのイオン交換樹脂１９によって効率よくイオン交換をすることができる。

（５）トラップ３１の外縁には、規制部３２から第２流路２４の上流に向けて突出する突部３５が形成されている。このため、図４に示すように、トラップ３１によって第２流路２４の下流へのイオン交換樹脂１９の流れを規制したとき、そのイオン交換樹脂１９がトラップ３１から外れた位置に移動することは上記突部３５によって抑制される。従って、第２流路２４の下流へのイオン交換樹脂１９の流れをトラップ３１によって効果的に規制することができる。

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。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。
・トラップ３１に必ずしも突部３５を形成する必要はない。

・トラップ３１の規制部３２はメッシュ３３を取り付けることによって多数の孔３４を有するものとされているが、規制部３２を切削等によって多数の孔が形成された板材によって形成してもよい。

・規制部３２は、必ずしも孔３４を有するものである必要はない。
・複数のトラップ３１は、必ずしも螺旋状に配置されている必要はない。
・複数のトラップ３１は、必ずしも放射状に延びている必要はない。

・トラップ３１は、必ずしも複数設けられている必要はない。

５…イオン交換器
７…ハウジング
７ａ…流入口
７ｂ…流出口
７ｃ…側壁
８…キャップ
８ａ…胴部
９…流入パイプ
１０…流出パイプ
１６…チューブ部材
１９…イオン交換樹脂
２０…上流側メッシュ
２１…下流側メッシュ
２２…セパレータ
２３…第１流路
２４…第２流路
２５…内部通路
３１…トラップ
３２…規制部
３３…メッシュ
３４…孔
３５…突部

Claims (5)

1. 冷却液を流入させる流入口及び同冷却液を流出させる流出口が形成されたハウジングと、前記流入口と前記流出口とを前記ハウジング内で繋ぐ内部通路に配置された上流側メッシュと、前記内部通路における前記上流側メッシュよりも下流に配置された下流側メッシュと、前記内部通路の前記上流側メッシュと前記下流側メッシュとの間に配置されたイオン交換樹脂と、を備えており、前記流入口及び前記上流側メッシュを通過した冷却液が前記ハウジング内のイオン交換樹脂でのイオン交換を通じて同冷却液中のイオンが取り除かれ、同イオンが取り除かれた後の冷却液が前記下流側メッシュ及び前記流出口を通過して前記ハウジングから流出するイオン交換器において、
   前記内部通路の前記上流側メッシュと前記下流側メッシュとの間にトラップが配置されており、
   前記トラップは、前記内部通路の下流に前記イオン交換樹脂が流れることを規制するものであって、前記内部通路における冷却液の流通断面積の一部に対応して位置しているイオン交換器。
2. 前記トラップは、前記内部通路における冷却液が下から上に流れる位置にある複数のトラップであり、
   前記複数のトラップは、前記ハウジングの中心線を中心とする放射状に延びている請求項１に記載のイオン交換器。
3. 前記複数のトラップは、前記ハウジングの中心線周りに螺旋状となるように配置されている請求項２に記載のイオン交換器。
4. 前記トラップは、前記内部通路の下流に前記イオン交換樹脂が流れることを規制する規制部を備えており、
   前記規制部は、前記内部通路内を流れる冷却液を通過させることが可能な孔を有している請求項１～３のいずれか一項に記載のイオン交換器。
5. 前記トラップの外縁には、前記内部通路の上流に向けて突出する突部が形成されている請求項１～４のいずれか一項に記載のイオン交換器。

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