JP4613125B2 - イオン交換式フィルタ - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムの回路を流れる流体から不純物イオンを除去するイオン交換式フィルタに関する。

燃料電池は、水素と大気中の酸素とを電気的化学的に反応させることにより電気を発生させるものであり、次世代の自動車動力源として期待されている。かかる燃料電池システムには、水素と酸素を反応させる燃料電池スタックを冷却するために、燃料電池システムには冷却水の循環回路が設けられる。この循環回路内の配管等からイオンが冷却水中に溶出すると、電気伝導度が上がり、燃料電池本体の発電効率が落ちてしまう。このため循環回路には、冷却水中のイオンを除去するイオン交換式フィルタが設けられる。

本願特許出願人は、このイオン交換式フィルタについてこれまでに、様々な研究開発を進めてきた。その成果として、既に、特許文献１に記載のイオン交換式フィルタを開示している。

特開２００５−１６１１１７号公報

本願特許出願人は、特許文献１にかかるイオン交換式フィルタを開発後も、さらに研究を進め、ハウジングやカートリッジを金属材料で形成することは勿論のこと、樹脂材でも形成することができるものを開発した。もっとも、樹脂材で形成すれば、軽量化することは容易であるが、耐圧力が小さくなる。

そこで、本発明では、イオン交換式フィルタを構成する部材の材質にはかかわらず、回路の圧力の影響を受けにくいイオン交換式フィルタを提供する。

本発明では、流体を流入させる流入部（１３）と流出させる流出部（３３）とが設けられたハウジング（１１）と、このハウジング（１１）の内部に取り付けられるカートリッジ（４０）とを具備し、前記カートリッジ（４０）の内部にはイオン交換樹脂が充填され、流入部（１３）から流入された流体を前記カートリッジ（４０）の内部を通して濾過し、濾過された流体を前記流出部（３３）から流出させて燃料電池システムの回路を流れる流体を濾過するイオン交換式フィルタであって、前記ハウジング（１１）は、上部の開放されたる筒体（１２）と、この筒体（１２）の開放された上部を閉鎖する蓋体（３０）とで構成され、前記蓋体（３０）の周縁と前記筒体（１２）の上端縁とが接合されて一体に形成されて、前記流入部（１３）は前記筒体（１２）の周壁面であって前記カートリッジ（４０）の底面（４２）より上方に設けられる一方で、前記流出部（３３）は、前記蓋体（３０）に設けられ、前記ハウジング（１１）の内部には、このハウジング（１１）と前記カートリッジ（４０）との間に、前記流入部（１３）から流入された流体をこのハウジング（１１）の底面まで流下させる隙間（１５，２０）が形成され、流下された流体が前記カートリッジ（４０）の底面（４２）から上部に向けて流れるように流路が形成され、前記筒体（１２）と前記カートリッジ（４０）との間に形成される隙間には、前記筒体（１２）の内周面と前記カートリッジ（４０）の外周面との間を密閉すると共に、これら筒体（１２）及びカートリッジ（４０）の全周にわたって配されて、この隙間を前記流入部（１３）側と、筒体（１２）と蓋体（３０）とが接合された接合部側とに仕切るシール材が設けられ、前記蓋体（３０）と前記カートリッジ（４０）との間には、カートリッジ（４０）から流出部（３３）へ流れる流体が前記接合部側へ漏れ出すことを防止するシール材が設けられているイオン交換式フィルタを採用することとした。

本発明によれば、筒体の周壁面の上部に流入部を設ける一方で、蓋体に流出部を設け、さらに、ハウジングの内部に、このハウジングとカートリッジとの間に、流入された流体をこのハウジングの底面まで流下させる隙間を形成し、流下された流体をカートリッジの底部から天部に向けて流れる流路を形成するので、回路配管の設定により、たとえ、流入部と流出部とが接近した回路しか組めない場合でも、流体をカートリッジの軸方向の一端から他端に向けて通させることができる。このため、耐圧性に優れ、しかもカートリッジ内のイオン交換樹脂を効果的に使用できる。

さらに、本発明にかかるイオン交換式フィルタは、流体を流入させる流入部が筒体の周壁面に設けられているので、流入された液体が蓋体側へは流れずにそのまま底部へ流下しやすい構造となっている。即ち、本発明にかかるイオン交換式フィルタは、筒体と蓋体との接合部に液体が流れることを効果的に阻止する構造である。このため、接合部は、液体の影響を受けずに高い接合性を維持する。このように高い接合性を維持することにより、高い耐久性を得、ハウジングに対するカートリッジの同軸性をも確保する。

以下、本発明の第１の実施形態について図面を参照しながら説明する。

図１はこのイオン交換式フィルタが使用される燃料電池システムの概要を示すものである。この燃料電池システムは、燃料電池スタックのイオン交換膜を加湿する純水加湿システム１と、燃料電池スタックを冷却する冷却システム２とを備えている。純水加湿システム１では、純水タンク３から純水をポンプ４で吸い上げ、イオン交換式フィルタ５を通過させている。純水がイオン交換式フィルタ５を通過すると電気伝導度が低下し、この電気伝導度の低下した純水が燃料電池スタック６に供給されることで、内部のイオン交換膜を加湿する。余った純水は再び純水タンク３に戻される。さらには、燃料電池スタック６の空気極で反応により生成した水も、純水タンク３に回収される。

一方、冷却システム２では、ポンプ７が燃料電池スタック６とラジエータ８との間で冷却水を循環させている。ラジエータ８により放熱された冷却水が燃料電池スタック６に供給され、また、燃料電池スタック６を冷却した後の冷却水がラジエータ８に供給される。電気伝導度の低い冷却水を得るために冷却システム２にはイオン交換式フィルタ１０が設けられる。

本実施形態にかかるイオン交換式フィルタは、純水加湿システム１及び冷却システム２のいずれに設けても良いが、以下では、冷却システム２に設けた場合を例に説明する。

図２は、本発明の１実施形態にかかるイオン交換式フィルタ１０の内部構造を示す図であり、イオン交換式フィルタ１０をその軸方向に切断した縦断面図である。このイオン交換式フィルタ１０は、燃料電池スタック６を冷却するために、燃料電池システムに設けられた冷却水の循環回路に接続される。

イオン交換式フィルタ１０は、その外殻をなす直方体状のハウジング１１と、このハウジング１１の内部に取り付けられ、内部にイオン交換樹脂の充填されたカートリッジ４０とを備えている。

ハウジング１１は、上端が開放された筒体１２と、筒体１２の開放された上端を閉鎖する蓋体３０とで構成されている。筒体１２をなす４つの周壁面のうち１つ周壁面１２Ａには、外側方に向けて突出する流入部１３が筒体１２の上部に設けられている。この流入部１３が回路を流れる冷却水をこのイオン交換式フィルタ１０に流入させる部位である。この流入部１３の設けられた周壁面１２Ａには、この流入部１３と筒体１２の底部とを結ぶ流通路１５が、この周壁面１２Ａの中央にて外側に膨らむようにして形成されている。

流入部１３と流通路１５とは、流入部１３の根元で、かつ、流通路１５の上端部の位置でオリフィス１４により連通されている。このオリフィス１４は、筒体１２を成型する際に筒体１２と一体に成型されたものである。オリフィス１４は、流入部１３の内径を流入部１３の根元の位置で絞り込んで形成したものであり、このイオン交換式フィルタ１０内に冷却水を流入させる際に、冷却水の圧力を低下させ、ハウジングの破損を防止している。

ハウジング１１の底部には、その中央に、内部に配さるカートリッジ４０を位置決めすると共に、カートリッジ４０を支持する円弧状のリブ１７，１８が形成されている。一方、筒体１２の流入部１３より上側の部分１９は、若干厚肉に形成されている。

かかる筒体１２の周壁面の外面２５には、上下に延びる複数の補強リブ２６が形成されており、筒体１２の強度の向上を図っている（図１０参照）。

蓋体３０は、平坦な板状に形成されており、その中心部には、上方に向けて突出する流出部３１が形成されている。蓋体３０の外面３５には補強リブ３６が形成されており、蓋体３０の強度の向上が図られている。この実施形態にかかる流出部３１は、蓋体３０から上方に向けて延びる基管部３２と、この基管部３２と直角をなし、流入部１３の突出方向とは逆方向に向けて延びる排出管部３３とから構成されている。

なお、流入部１３及び排出管部３３の各先端部には、これらにホースがはめ込まれた際に、ホースが容易に抜け出すことのないように、半径方向外側に向けて突出する抜け止め１３ａ，３３ａがそれぞれ形成されている。

以上のハウジング１１の内部に取り付けられるカートリッジ４０は、ハウジング１１よりも小さな直方体状に形成されている。カートリッジ４０は、その上端が開放された直方体状に形成された樹脂製の本体４１と、本体４１の開放された上端を閉鎖している２枚の樹脂製プレート７０，８０とから構成されており、その底面４２が冷却水の導入される入口として構成され、開放された上端が冷却水の導出される出口として構成される。

入口として構成された底面４２には、図３に示すように、本体４１の内外を連通する、中央に位置する円形の穴４６と、この円形の穴４６の両側に位置する複数の長穴４７が形成されており、冷却水は、これらの穴４６と長穴４７とから本体４１の内部に導入される。なお、この図３に示す穴４６および長穴４７の配置や形状は一例を示すものであり、このような形態に限定されるものではない。冷却水をカートリッジ４０の内部にまんべんなく導入できる位置、形状であればよい。なお、この実施形態にかかるカートリッジ４０では、本体４１の周壁面の内部に、三角形状の補強リブ４８が本体４１の下部に複数形成されている。

この実施形態にかかるイオン交換式フィルタ１０のカートリッジ４０では、これら穴４６および長穴４７を覆うステンレス製のメッシュ６０が設けられている。このメッシュ６０は、カートリッジ４０の内部に異物が浸入することを阻止すると共に、カートリッジ４０の内部に充填されたイオン交換樹脂がカートリッジ４０から排出されることを防止している。なお、このメッシュ６０はステンレス製であるため、強度が高く、メッシュ６０自体の破損が効果的に防止される。

このメッシュ６０は、本体４１の底面４２の面積よりもやや大きめに裁断されたものが、成形の際に本体４１の底面４２に一体に組み込まれたものである。図４は、メッシュ６０を成型時に組み込む際の概要を示すものである。この図４に示すように、金型６５，６６により形成されるキャビティ６７において、組み込みたい位置にメッシュ６０をセットする。この際、メッシュ６０の周縁を折り曲げておく。そして、樹脂をキャビティ６７に注入する。これにより図３に示すように底面４２にメッシュ６０の組み込まれた本体４１を得ることができる。メッシュ６０の周縁を折り曲げておくことで、メッシュ６０が強固に本体４１に組み込まれる。このため、メッシュ６０が本体４１に対してズレたり外れたりするなどのトラブル発生を効果的に阻止する。

一方、冷却水の出口４４を構成する本体４１の上部は、図５に示すように、２枚の樹脂製プレート７０，８０で塞がれている。２枚の樹脂製プレート７０，８０は、このカートリッジ４０の軸方向に対向されて、相互に平行をなして本体４１の内側にはめ込まれている。

これら２枚の樹脂製プレート７０，８０は、樹脂材によって、その外形が本体４１の内周面とほぼ同寸に形成された板状の部材である。これらの樹脂製プレート７０，８０には、板圧を貫通する複数のスリット７１，８１がそれぞれ形成され、これらスリット７１，８１は、ステンレス製のメッシュ（不図示）で覆われている。これらのスリット７１，８１は、カートリッジ４０内を流れ、濾過された冷却水を、カートリッジ４０からハウジング１１に設けられた流出部３１へ排出させる排出口として機能する。なお、これらの樹脂製プレート７０，８０にメッシュを組み込む手法は、図４に示した手法と同様である。このため、メッシュがプレート７０，８０に対してズレたり外れたりするなどのトラブル発生を効果的に阻止する。なお、これらプレート７０，８０に組み込まれたメッシュは、冷却水をスリット７１，８１の流通を許可しつつも、イオン交換樹脂がカートリッジ４０から排出されることを阻止している。また、メッシュの材質がステンレスであるため、高い強度が得られ、メッシュ自体の破損を効果的に防止する。

これらの樹脂製プレート７０，８０は、下側に配された樹脂製プレート７０が、本体４１の内部を上下に移動可能に構成され、上側に配された樹脂製プレート８０が本体４１の上端に固定される。

この下側に配されたこの樹脂製プレート７０の周縁は、樹脂製プレート７０の板圧がそのまま外周縁の板圧となされており、外周面には、板圧の中央の一ヶ所に、シール溝７２が全周に形成されている。このシール溝７２にシール材７３が嵌め込まれている。また、樹脂製プレート７０の上面には、周縁よりやや内側に、上方に向けて突出するガイド７５が形成されている。このガイド７５は、上側に配された樹脂製プレート８０に対して極度に傾くことを阻止しつつ上下に案内させるための部位である。

これに対し、上側に配置される樹脂製プレート８０は、本体４１の上端に位置固定される。図６は、この樹脂製プレート８０の斜視図である。この樹脂製プレート８０の外周縁には上下に向けて張り出すフランジ部８５が全周にわたって形成されている。このフランジ部８５の外周面には、上下に並列して全周にわたってシール溝８２が形成されており、これらのシール溝８２にシール材８３がそれぞれ取り付けられている。

また、フランジ部８５の上下方向の中央には、各面に係合爪８６がそれぞれ２個ずつ形成されている。この係合爪８６は、カートリッジ４０の本体４１に、この樹脂製プレート８０を固定させるための部位である。係合爪８６は、各面から外側方にそれぞれ突出しており、その上面は平坦に、下面は外側に向けて膨らむように円弧状に形成されている。これらの係合爪８６が、図５に示すように、本体４１の上部に形成された係合穴４９にそれ係合されて、樹脂製プレート８０は、本体４１の内部に固定される。

即ち、本体の各壁面にそれぞれ２個の係合穴４９がそれぞれ形成されている。この係合穴４９と、樹脂製プレート８０に形成された係合爪８６とは、相互に対応する位置に設けられている。樹脂製プレート８０は、本体４１の上側から水平な状態で、本体４１の内部に押し込められる。係合爪８６の下面は円弧状に形成されているため、係合爪８６が本体４１の内面を滑るようにして樹脂製プレート８０は下方に移動する。そして、係合爪８６が本体４１に形成された係合穴４９の位置に到達すると、係合爪８６が係合穴４９の内部にそれぞれ挿入される。挿入されると、係合爪８６の上面が平坦に形成されているため、係合爪８６は、係合穴４９に引っかけられ、係合穴４９から抜け出すことが防止される。これにより、樹脂製プレート８０は、本体４１に固定される。

上述のように、シール材８３は係合爪８６の上下に配置されている。このため、係合爪８６が本体４１の係合穴４９に係合されて樹脂製プレート８０が本体４１に固定されると、シール材８３は、係合穴４９をその上下にてシールする。即ち、本体４１は、係合穴４９の位置においては、二つのシール材８３により本体４１の内外がシールされる。

さらに、このイオン交換式フィルタ１０では、これら２枚の樹脂製プレート７０，８０の間にコイルスプリング９０が配置される。各樹脂製プレート７０，８０の中央部には、相互に対向する面に、コイルスプリング９０を嵌め込むための溝７４，８４がそれぞれ形成されている。即ち、下側に配置された樹脂製プレート７０には、その上面に環状の溝７４が形成され、上側に配された樹脂製プレート８０には下面に環状の溝８４が形成されている。そして、これらの溝７４，８４にはコイルスプリング９０の端部がそれぞれ嵌め込まれ、このコイルスプリング９０が２枚の樹脂製プレート７０，８０を相互に引き離す向きに付勢している。上側に配された樹脂製プレート８０は本体４１に位置固定されているので、下側に配されている樹脂製プレート７０がコイルスプリング９０により下方に向けて付勢される。

このため、時間の経過と共にカートリッジ４０に充填されたイオン交換樹脂が消費され、カートリッジ４０の内部に占めるイオン交換樹脂の比率が低下しても、イオン交換樹脂は樹脂製プレート７０により圧縮され、密度は一定に維持される。このように密度が一定に維持されると、カートリッジ４０を通過する冷却水とイオン交換樹脂との接触を、位置による格差を発生させることなく均等にできる。また、密度が小さくなると、振動や衝撃によりイオン交換樹脂同士が衝突する恐れがあるが、樹脂製プレート７０で充填されたイオン交換樹脂全体を圧縮して密度を一定に維持することで、かかる不具合の発生を効果的に阻止できる。

本体４１の内部に２枚の樹脂製プレート７０，８０が配置された状態では、樹脂製プレート７０，８０の外周面に取り付けられたシール材７３，８３が樹脂製プレート７０，８０と本体４１との間をシールし、カートリッジ４０を流れてきた冷却水が樹脂製プレート７０，８０と本体４１との間に形成された隙間から漏れ出すことを確実に阻止する。特にこの実施形態にかかるカートリッジ４０では、シール材７３，８３がカートリッジ４０の軸方向に関し複数設けられているため、たとえ一つのシール材（例えば、シール材７３）が損傷したとしても、他のシール材（例えば、シール材８３）が漏れを防止する。

なお、この実施形態では、上側に配された樹脂製プレート８０に２つのシール材８３が、下側に配された樹脂製プレート７０には１つのシール材７３が設けられたものを示しているが、これには限定されない。たとえば、上下の樹脂製プレート７０，８０双方に２つのシール材を設けてもよい。

このようなカートリッジ４０は、その底面４２、周壁部及び上端部が防振ゴム１０１，１０２，１０３で支持されてハウジング１１の内部に取り付けられる。既に参照した図５は、カートリッジ４０の上端部及び周壁面が防振ゴム１０１，１０２でハウジング１１に支持される状態を示し、図７及び図８は、カートリッジ４０の底面４２が防振ゴム１０３でハウジング１１に支持される状態をそれぞれ示すものである。

カートリッジ４０の上端には、第１防振ゴム１０１が配される、この第１防振ゴム１０１はリング状に形成されており、カートリッジ４０を構成する本体４１の上端面とハウジング１１を構成する蓋体３０の間に配置され、本体４１と蓋体３０とにより挟み込まれる。挟み込まれる位置は、ハウジング１１を構成している筒体１２と蓋体３０との溶着部よりも内側である。

さらに、この第１防振ゴム１０１はパッキンとしても機能する。上側の樹脂製プレート８０を通り抜けた冷却水は、当該カートリッジ４０の外側方に向けても流れる。しかし、この第１防振ゴム１０１がパッキンとして機能するため、冷却水が、筒体１２と蓋体３０との溶着部に漏れ出すことがない。

また、このカートリッジ４０は、その周壁面が第２防振ゴム１０２でハウジング１１の周壁面の内周面に支持される。カートリッジ４０を構成する本体４１の外周面には、第２防振ゴム１０２を嵌め込むための溝４５が全周にわたって形成され、第２防振ゴム１０２はこの溝４５に嵌め込まれている。かかる第２防振ゴム１０２は、ハウジング１１を構成する筒体１２の内周面と、カートリッジ４０を構成する本体４１との間に挟み込まれる。

この第２防振ゴム１０２が設けられる位置は、ハウジング１１の筒体１２に形成された流入部１３よりもやや高い位置である。この第２防振ゴム１０２もパッキンとして機能し、流入部１３から流入した冷却水が、蓋体３０と筒体１２との溶着部へ漏れ出すことを阻止している。

このように、このイオン交換式フィルタ１０では、第１防振ゴム１０１及び第２防振ゴム１０２が筒体１２と蓋体３０との溶着部に冷却水が流れ込むことを効果的に防止している。

もっとも、振動などの影響を受けて、第２防振ゴム１０２とハウジング１１との間に部分的に僅かな隙間が形成されることも想定し得る。この場合、流入部１３から流入し、隙間２０を流れる冷却水が、この隙間から第２防振ゴムの上側に浸入する。この浸入した冷却水は、係合穴４９を通過して、本体４１の内部にさらに浸入することになる。この浸入した冷却水は、濾過される前の状態であり、濾過済みの冷却水と混合することは避けられるべきである。

この点、この実施形態にかかるイオン交換式フィルタ１０では、樹脂製プレート８０に取り付けられたシール材８３は、係合穴４９の上下に配置されている。このため、たとえ冷却水が係合穴４９から本体４１の内側に浸入したとしても、シール材８３が、さらなる浸入を阻止し、濾過済みの冷却水に浸入した冷却水が混入することを防止している。

さらに、第２防振ゴム１０２の部位から濾過する前の冷却水が浸入し、カートリッジ４０の上部にまで浸入した冷却水が到達したとしても、蓋体３０とカートリッジ４０の本体４１とにより挟み込まれている第１防振ゴム１０１が、この第１防振ゴム１０１の内側に浸入することを阻止する。このため、カートリッジ４０の上部においても、濾過されていない冷却水が、濾過された冷却水に混入することを効果的に防止する。

そして、カートリッジ４０の底面４２は、ハウジング１１の底部１６に配された第３防振ゴム１０３で支持される。図７及び図８に示すように、ハウジング１１を構成する筒体１２の底部の中央には、同心円上に配列された２対のリブ１７，１８が形成されている。各リブ１７，１８は、左右方向の軸線を中心に、対向するように配置され、それぞれ円弧状に形成されている。そして、左右方向の軸線を境として、各リブ１７，１８の間に円弧状の第３防振ゴム１０３が設けられている。

この第３防振ゴム１０３は、筒体１２の底部１６と本体４１の底面４２とで挟み込まれてカートリッジ４０を支持している。

以上のように、当該イオン交換式フィルタ１０では、第１防振ゴム１０１、第２防振ゴム１０２、及び第３防振ゴム１０３が設けられているため、イオン交換フィルタに振動や衝撃が付加されても、ハウジング１１とカートリッジ４０との擦れ現象、ハウジング１１に対するカートリッジ４０の位置ズレ、イオン交換式フィルタ１０の破損が効果的に防止される。

以上の構成を備えたイオン交換式フィルタ１０は、図９に示すように冷却水がその内部を流れる。流入部１３から流入した冷却水は、まずオリフィス１４によりその圧力が低下される。これにより、たとえ、冷却システム２の回路を流れる冷却水が高圧であったとしても、樹脂材で形成された当該イオン交換式フィルタ１０の耐圧よりも低い圧力で冷却水をイオン交換式フィルタ１０の内部に流入させる。

オリフィス１４を通過した冷却水は、筒体１２に形成された流通路１５を通り、ハウジング１１の底部１６へ流下される。加えて、ハウジング１１を構成する筒体１２の内周面と、カートリッジ４０を構成する本体４１の外周面との間には隙間２０が形成されているため、オリフィス１４を通過した冷却水は、結局この隙間２０をまんべんなく流れる。ただし、上述したように、流入部１３のやや上側には、第２防振ゴム１０２が設けられているため、冷却水は、この第２防振ゴム１０２によりシールされ、その上方に位置する、蓋体３０と筒体１２との溶着部へは漏れ出すことがない。

もっとも、このイオン交換式フィルタ１０では、流入部１３が筒体１２の周壁面に設けられているので、流入された冷却水は蓋体３０側へ流れずに、そのまま底部へ流下しやすい構造となっている。即ち、筒体４１と蓋体３０との溶着部に冷却水が流れることを効果的に阻止する構造である。このため、溶着部は、冷却水の影響を受けずに高い溶着性を維持する。この高い溶着性は、高い耐久性を得ることになる。また、ハウジング１１に対するカートリッジ４０の同軸性をも長期にわたり確保する。

なお、流入部１３及び、冷却水をシールする機能を有するる第２防振ゴム１０２は共に、筒体１２の上部に配置されている。このため、冷却水の満たされない第２防振ゴム１０２と蓋体３０との区間に形成される空気の層は、当該イオン交換式フィルタ１０の上部の一部を占めるに過ぎない。一方、第２防振ゴム１０２の下側の筒体１２と本体４１との間には、順次冷却水が流れ込み、筒体１２の上下方向に関する大部分の領域では、筒体１２と本体４１との間が冷却水で満たされる。このため、カートリッジ４０の内外に圧力差が発生することを阻止し、カートリッジ４０の筒体４１が膨張することを効果的に防止する。さらに、この冷却水が断熱材として機能し、外部の熱がカートリッジ４０の内部に伝わることを効果的に阻止する。

仮に、流入部１３を筒体１２の下部に設けた場合、たとえ第２防振ゴム１０２が筒体１２の上部に設けられていたとしても、隙間２０において、流入部１３の上側に冷却水が満たされない恐れがある。この場合、ハウジング１１とカートリッジ４０との間に形成された隙間２０はその大部分が空気で満たされることなる。そうすると、カートリッジ４０の内外に圧力差が発生してしまい、カートリッジ４０が変形してしまう。また、断熱効果も発揮されない。この実施形態にかかるイオン交換フィルタ１０では、かかる不都合を確実に防止する。

ただし、カートリッジ４０を高い強度の材料、例えば金属材料で形成した場合、たとえハウジング１１とカートリッジ４０との間に形成される隙間２０の大部分を空気が満たし、カートリッジ内外に圧力差が生じたとしても、カートリッジ４０自体が、この圧力差に耐え得る。この場合、流入部１３を筒体１２の上部に設けることには限定されず、筒体１２の周壁面で、かつ、カートリッジ４０の底面４２よりも上方の位置であればどの位置にでも設けることができる。即ち、このイオン交換式フィルタ１０では、筒体１２の周壁面であって、カートリッジ４０の底面４２よりも上方の位置であれば、使用する材料の強度に応じ、流入部１３を設ける高さを自由に設定することができる。

また、図７及び図８に示したように、本体４１の底面４２を支持する第３防振ゴム１０３及びこれを挟み込んでいる円弧状のリブ１７，１８は、このイオン交換式フィルタの前後方向における中央部で相互に離間されて設けられている。この離間された中央の位置は、冷却水が流れる水路となる。このため、図９に示すように、筒体１２の底部では、流通路１５を流下した冷却水が流通路１５の形成された側端側から他方の側端側へ円滑に流れる。

このため、冷却水は、筒体１２の底部の全体に均等に行き渡り、本体４１の底面に形成された穴４６およびすべての長穴４７からおよそ均等にカートリッジ４０の内部に導入される。カートリッジ４０の内部に導入された冷却水は、内部に充填されたイオン交換樹脂によりイオンが除去される。冷却水は、本体４１の底面４２からほぼ均等にカートリッジ４０の内部に導入されるため、カートリッジ４０の内部に充填されたイオン交換樹脂は、一部の領域のイオン交換樹脂のみが濾過するといった現象が生じることなく、まんべんなく全領域のイオン交換樹脂が濾過作用を行う。

そして、冷却水は、イオン交換樹脂の間を通り抜けてカートリッジ４０の上部に到達して、２枚の樹脂製プレート７０，８０を通り抜ける。この際、樹脂製プレート７０，８０外周面にはシール材７３，８３が設けられているため、冷却水はメッシュで覆われたスリット７１，８１を通り抜ける。

その後、冷却水は、ハウジング１１の蓋体３０に設けられた流出部３１を通り再び冷却システム２の回路へ流される。なお、上側の樹脂製プレート７０，８０を通った冷却水は、第１防振ゴム１０１によりシールされ、外側に位置する、蓋体３０と筒体１２との溶着部へ漏れ出すことはない。

以上のようにして、冷却水はイオン交換されて濾過される。

なお、かかるイオン交換式フィルタ１０を実装する際は、図１０に示すマウントジグ１１０を使用すると良い。このマウントジグ１１０は、イオン交換式フィルタ１０の底部に取り付けられる金具１１１と天面上に配置される金具１１３とでイオン交換式フィルタ１０を挟み込む構造を有している。

下側の金具１１１は、矩形状に形成されており、その内部にイオン交換式フィルタ１０の底部を嵌め込ませるように構成されている。そして、両側に耳部１１２が設けられ、耳部１１２に締め付け用のねじ部材１１５の端部が引っかけられる。一方、上側の金具１１３は、流出部３１を避けるように湾曲した板材である。この金具１１３の両端は、下側の金具１１１の耳部に対応する位置がイオン交換式フィルタ１０の外側方に向けて張り出している。この張り出した部分には、それぞれ穴が形成されている。

締め付け用のねじ部材１１５は、その一端１１６がフックのように湾曲し、金具１１１に設けられた耳部１１３の穴に通されている。そして、他端１１７にはねじ部が形成されている。この他端１１７側は、上側の金具１１３に形成された穴にそれぞれ挿入され、端部１１７がこの金具より上方に突き出される。そして突き出された部分にはナット１２０が締め込まれる。

このマウントジグ１１０は、このように、２つの金具１１１，１１３で、イオン交換式フィルタ１０を上下から挟み込むようにして保持する。

次に、図１１を参照して本発明の第２の実施形態にかかるイオン交換式フィルタ１０Ａについて説明する。

この図１１に示すイオン交換式フィルタ１０Ａは、カートリッジ１４０を構成する本体１４１が下方に向けて先細りとなるように形成されている。その他の構成は、上記の実施形態にかかるイオン交換式フィルタ１０と同様であるので、同一の構成部材に関しては、上記実施形態の構成部材と同一の符号を付して、概要のみを説明する。

このイオン交換式フィルタ１０Ａは、その外殻をなす直方体状のハウジング１１と、このハウジング１１の内部に取り付けられ、内部にイオン交換樹脂の充填されたカートリッジ１４０とを備えている。

ハウジング１１は、上端が開放された筒体１２と、筒体１２の開放された上端を閉鎖する蓋体３０とで構成されている。筒体１２をなす４つの周壁面のうち１つ周壁面１２Ａには、外側方に向けて突出する流入部１３が筒体１２の上部に設けられている。この流入部１３の設けられた周壁面１２Ａには、この流入部１３と筒体１２の底部とを結ぶ流通路１５が、この周壁面の中央にて外側に膨らむようにして形成されている。流入部１３と流通路１５とは、流入部１３の根元で、かつ、流通路１５の上端部の位置でオリフィス１４により連通されている。

なお、この実施形態にかかるハウジング１１についても、底部にはその中央にカートリッジ１４０を位置決めすると共に、カートリッジ１４０を支持する円弧状のリブ１７，１８が形成されている。一方、筒体１２の流入部１３より上側の部分１９は、若干厚肉に形成されている。

蓋体３０は、平坦な板状に形成されており、その中心部には、上方に向けて突出する流出部３１が形成されている。また、蓋体３０の外面３５には補強リブ３６が形成されている。流出部３１は、蓋体３０から上方に向けて延びる基管部３２と、この基管部３２と直角をなし、流入部１３の突出方向とは逆方向に向けて延びる排出管部３３とから構成されている。

一方、カートリッジ１４０は、上端が開放された本体１４１と、本体１４１の開放された上端を閉鎖している２枚の樹脂製プレート７０，８０とから構成されている。このカートリッジ１４０も、その底面１４２が冷却水の導入される入口として構成され、開放された上端が冷却水の導出される出口として構成される。

そして、この本体１４１では、上下方向の上側部分１４３は、その周壁面が鉛直に延びるように形成され、下側部分１４４は、その周壁面が下方に向けて先細りとなる角柱台状に形成されている。このため、カートリッジ１４０とハウジング１１との間に形成される隙間２０Ａは、イオン交換式フィルタ１０Ａの下側に向かうに連れ大きくなる。

かかる構成を備えたイオン交換式フィルタ１０Ａによれば、流入部１３から流入した冷却水は、第１にオリフィス１４によりその圧力が低減される。さらに、カートリッジ１４０とハウジング１１との間に形成される隙間２０Ａが下側に向かうに連れ大きく形成されているので、冷却水が隙間２０Ａを流下する間にさらに減圧される。このため、樹脂材で形成された当該イオン交換式フィルタ１０Ａが、冷却水から過負荷を受けることを効果的に防止できる。

なお、第１実施形態及び第２実施形態のいずれについても、ハウジング及びカートリッジを樹脂で形成する場合について説明したが、ハウジング及びカートリッジを金属材料で形成することを妨げるものではない。但し、これらを樹脂材で形成する方が、軽量化を図ることができること、低廉なコストで製造できること等のメリットがある。

以上、本発明にかかるイオン交換式フィルタによれば、流入部にオリフィスを設けることで、ハウジング内に流入する流体の圧力を低下させることができ、ハウジングの圧力による破損を防止できる。

また、筒体と蓋体との溶着部は、シール部材によりシールされるため、ハウジング内を流れる流体が溶着部に洩れ出すことがない。

また、カートリッジが防振材でハウジングの内面に支持されるため、カートリッジの振動による摩耗、衝撃による位置ズレ、破損が防止される。

また、カートリッジの流体の入口及び出口は、ステンレス製のメッシュで覆われているため、メッシュ自体の破損を効果的に防止できる。このため、イオン交換樹脂のカートリッジからの排出を防止できる。さらに、カートリッジの入口を覆うメッシュは、前記カートリッジを成形する際に一体に成形されていることから、メッシュのズレ自体を効果的に防止できる。

また、カートリッジの出口を覆うメッシュは、流体の流れる方向に関して二重に配されているため、カートリッジの出口側からも、イオン交換樹脂が排出されてしまうことを効果的に阻止する。

そして、カートリッジの内側にはめ込まれるフレームにメッシュを一体に成形し、フレームの外周面とカートリッジの内面との間に、シール材をはめ込み、しかも、各フレームに１つ又は２つ以上設けて、前記カートリッジの軸方向に関して、複数箇所のシール部を形成しているのでカートリッジ内と外部とを確実にシールする。

特に、開放端側に配されたプレートは、その外周面に形成された係合爪の上下にシール材が設けられるので、係合爪の係合された係合穴をその上下からそれぞれ囲んでシールする構成となる。このため、係合穴から内部に濾過されていない流体が浸入することを効果的に防止する。

本発明のイオン交換式フィルタが使用される燃料電池システムの一例を示す図。 イオン交換式フィルタの内部構造を示す縦断面図。 カートリッジを構成する本体の底面を示す平面図。 メッシュを本体に組み込む工程の概要を示す説明図。 カートリッジの上部のハウジングへの支持構造を示す部分断面拡大図。 上側に配される樹脂製プレートの斜視図。 カートリッジの底部のハウジングへの支持構造を示す側面図。 カートリッジの底部のハウジングへの支持構造を示す平面図。 イオン交換式フィルタの内部を流れる冷却水の様子を示す説明図。 マウントジグでイオン交換式フィルタが保持された状態を示すイオン交換式フィルタの斜視図。 別の実施形態にかかるイオン交換式フィルタの縦断面図。

符号の説明

１０，１０Ａ・・イオン交換式フィルタ
１１・・・・・・ハウジング
１２・・・・・・筒体
１３・・・・・・流入部
１４・・・・・・オリフィス
１５・・・・・・流通路
２０，２０Ａ・・隙間
３０・・・・・・蓋体
３１・・・・・・流出部
４０・・・・・・カートリッジ
４１・・・・・・本体
６０・・・・・・メッシュ
７０，８０・・・樹脂製プレート
７１，８１・・・スリット
７３，８３・・・シール材
１０１・・・・・第１防振ゴム（シール材、防振材）
１０２・・・・・第２防振ゴム（シール材、防振材）
１０３・・・・・第３防振ゴム（防振材）
１１０・・・・・マウントジグ
１０Ａ・・・・・イオン交換式フィルタ
２０Ａ・・・・・隙間
１４０・・・・・・カートリッジ
１４１・・・・・・本体

Claims (8)

1. 流体を流入させる流入部と流出させる流出部とが設けられたハウジングと、このハウジングの内部に取り付けられるカートリッジとを具備し、前記カートリッジの内部にはイオン交換樹脂が充填され、流入部から流入された流体を前記カートリッジの内部を通して濾過し、濾過された流体を前記流出部から流出させて燃料電池システムの回路を流れる流体を濾過するイオン交換式フィルタであって、
   前記ハウジングは、上部の開放された筒体と、この筒体の開放された上部を閉鎖する蓋体とで構成され、
   前記蓋体の周縁と前記筒体の上端縁とが接合されて一体に形成されて、
   前記流入部は、前記筒体の周壁面であって前記カートリッジの底面より上方に設けられる一方で、前記流出部は、前記蓋体に設けられ、
   前記ハウジングの内部には、このハウジングと前記カートリッジとの間に、前記流入部から流入された流体をこのハウジングの底面まで流下させる隙間が形成され、流下された流体が前記カートリッジの底面から上部に向けて流れるように流路が形成され、
   前記筒体と前記カートリッジとの間に形成される隙間には、前記筒体の内周面と前記カートリッジの外周面との間を密閉すると共に、これら筒体及びカートリッジの全周にわたって配されて、この隙間を前記流入部側と、筒体と蓋体とが接合された接合部側とに仕切るシール材が設けられ、
   前記蓋体と前記カートリッジとの間には、カートリッジから流出部へ流れる流体が前記接合部側へ漏れ出すことを防止するシール材が設けられていることを特徴とするイオン交換式フィルタ。
2. 前記流入部には、流入された流体の圧力を減圧するオリフィスが設けられていることを特徴とする請求項１に記載のイオン交換式フィルタ。
3. 前記カートリッジは、前記ハウジングの内面に対して防振材で支持されていることを特徴とする請求項１に記載のイオン交換式フィルタ。
4. 少なくとも前記カートリッジの流体の入口又は出口の一方は、ステンレス製のメッシュで覆われていることを特徴とする請求項１〜３いずれか１項に記載のイオン交換式フィルタ。
5. 前記カートリッジの入口を覆うメッシュは、前記カートリッジを成形する際に一体に成形されていることを特徴とする請求項４に記載のイオン交換式フィルタ。
6. 前記カートリッジの出口を覆うメッシュは、流体の流れる方向に関して二重に配されていることを特徴とする請求項４に記載のイオンフィルタ。
7. 前記カートリッジは、開放端の形成された筒状に形成された本体と、この本体の内部にはめ込まれ、前記開放端を閉鎖する２枚のプレートとから構成され、
   前記メッシュは、前記プレートにそれぞれ一体に成形され、
   プレートの外周面と本体の内面との間には、シール材がはめ込まれ、
   このシール材が、各プレートに１つ又は２つ以上設けられて、前記カートリッジの軸方向に関して、複数箇所のシール部を形成していることを特徴とする請求項６に記載のイオン交換式フィルタ。
8. ２枚の前記プレートのうち、前記本体の開放端側に配されたプレートは、その外周面に、前記本体部に係合せしめる係合爪が形成され、
   このプレートの外周面に設けられた前記シール材は、前記係合爪の上下に配置され、
   前記本体には、その開放端の近傍に前記係合爪が係合される係合穴が形成され、
   前記シール材は、プレートの外周面と前記本体の内面とに挟み込まれ、前記係合爪の係合された前記係合穴をその上下からそれぞれ囲んでシールすることを特徴とする請求項７に記載のイオン交換式フィルタ。

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