JP6677097B2 - イオン交換器 - Google Patents

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循環させる冷却回路が設けられる。こうした冷却回路内の冷媒に配管等からイオンが溶出すること等により、冷媒中に含まれるイオンの濃度が高くなると、それに伴い冷媒の電気電導率が上がって燃料電池の機能低下を招くおそれがある。従って、冷却回路には冷媒に含まれるイオンを取り除くためのイオン交換器が設けられる（特許文献１参照）。このイオン交換器は、アニオン樹脂とカチオン樹脂とを配合したイオン交換樹脂を備えており、冷媒に含まれるイオンを上記イオン交換樹脂によるイオン交換を通じて取り除くものである。

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、ハウジングには、イオン交換樹脂を装填したカートリッジが取り外し可能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から取り外し、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に取り付けることによって行われる。

更に、イオン交換器には、流入口を介してハウジング内に流入した冷媒の一部が、イオン交換樹脂を迂回してハウジングの流出口に流れるようにする迂回路が設けられる。この迂回路における冷媒の流通面積は、イオン交換樹脂を通過する冷媒の流量に影響を及ぼす。このことをふまえて、イオン交換樹脂を通過する冷媒の流量が最適な値となるように、すなわちイオン交換樹脂の取り替え周期を長くする点で、且つ、冷媒からイオンを十分に取り除く点で最適値となるように、上記迂回路における冷媒の流通面積が設定される。

ところで、車両の出荷時やメンテナンス時においては、冷却回路の冷媒に含まれているイオンの濃度を規定値未満に抑えるため、その冷媒中のイオンを集中的に取り除きたいという要望がある。こうした要望に対応するため、車両の出荷時やメンテナンス時には、冷媒からのイオンの集中的な除去に特化した集中除去用のカートリッジをイオン交換器のハウジングに取り付け、その状態で冷却回路の冷媒を循環させることが考えられる。

ちなみに、集中除去用のカートリッジとしては、冷媒からイオンを集中的に除去するうえで最適な量、及び、アニオン樹脂とカチオン樹脂との配合割合のイオン交換樹脂を装填したものが用いられる。一方、通常時に使用されるカートリッジ（ノーマルカートリッジ）においては、通常使用で冷媒からイオンを取り除くうえで最適な量、及び、アニオン樹脂とカチオン樹脂との配合割合のイオン交換樹脂が装填されている。

そして、上記集中除去用のカートリッジを用いて冷媒からイオンを集中的に取り除くことによって冷媒中のイオンの濃度が規定値未満になった後には、上記集中除去用のカートリッジがハウジングから取り外され、その代わりにノーマルカートリッジがハウジングに取り付けられて使用されるようになる。

特許第４１１３７１５号公報

しかし、上述した集中除去用のカートリッジをハウジングに取り付けて冷却回路の冷媒を循環させたとき、導入口を介してハウジング内に流入した冷媒のうちの一部は、ハウジングに設けられた迂回路に流れ込むため、その迂回路によりイオン交換樹脂を通過せずに迂回して流出口に流れる。このように、冷媒からのイオンの集中的な除去に特化したカートリッジ（イオン交換樹脂）を用いたとしても、その集中除去用のカートリッジのイオン交換樹脂を通過する冷媒の流量を多くすることが困難であるため、そのイオン交換樹脂の機能を十分に発揮させることができない。

なお、冷媒からイオンを集中的に取り除くときのことを考慮して、上記迂回路における冷媒の流通面積をより小さく設定することも考えられる。ただし、この場合には、ノーマルカートリッジを使用したとき、イオン交換樹脂に最適な流量で冷媒を流すことができなくなる。

本発明の目的は、冷媒からイオンを集中的に取り除く際に用いられる集中除去用カートリッジのイオン交換樹脂の機能を十分に発揮させることと、通常時に使用されるノーマルカートリッジのイオン交換樹脂に対し適切な流量で冷媒を流すこととを両立させ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ハウジングと、イオン交換樹脂が装填されており、且つ、ハウジングに対し取り外し可能に取り付けられているカートリッジと、を備えている。このイオン交換器は、ハウジング内を流れる冷媒が上記イオン交換樹脂を通過する際に同冷媒中の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。また、上記イオン交換器のカートリッジには、ハウジング内に流入した冷媒の一部が上記イオン交換樹脂を迂回して上記流出口に流れるようにする迂回路が設けられている。

この構成によれば、通常時に使用されるカートリッジ（ノーマルカートリッジ）に上記迂回路が設けられており、その迂回路における冷媒の流通面積を、次のように設定することが可能である。すなわち、イオン交換樹脂の取り替え周期を長くする点で、且つ、冷媒からイオンを十分に取り除く点で、イオン交換樹脂を通過する冷媒の流量が最適値となるように、迂回路における冷媒の流通面積を設定することが可能である。このように迂回路における冷媒の流通面積を設定することにより、上記ノーマルカートリッジのイオン交換樹脂に対し適切な流量で冷媒を流すことができる。

一方、車両の出荷時やメンテナンス時において、冷却回路の冷媒に含まれているイオンを集中的に取り除く際には、冷媒からのイオンの集中的な除去に特化した集中除去用のカートリッジが、上記ノーマルカートリッジに代えてハウジングに取り付けられる。上記集中除去用のカートリッジにおいては、上記ノーマルカートリッジのような迂回路を設けないようにすることで、ハウジング内に流入した冷媒をすべてイオン交換樹脂に流すことが可能になる。これにより、集中除去用のカートリッジにおいてイオン交換樹脂を通過する冷媒の流量を多くすることができ、そのイオン交換樹脂における冷媒からイオンを集中的に取り除くという機能を十分に発揮させることができる。

本発明によれば、冷媒からイオンを集中的に取り除く際に用いられる集中除去用カートリッジのイオン交換樹脂の機能を十分に発揮させることと、通常時に使用されるノーマルカートリッジのイオン交換樹脂に対し適切な流量で冷媒を流すこととを両立させることができる。

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。 イオン交換器の構造を示す断面図。 イオン交換器からカートリッジを取り外して分解した状態を示す斜視図。 ハウジングのケース部及びカートリッジの下端部周りを示す断面図。 流出管の下端部を示す斜視図。 底部材を斜め下から見た状態を示す斜視図。

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取り除く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。上記イオン交換器５はバイパス配管６の途中に設けられている。そして、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バルブ７を介して接続されている。

上記バルブ７は、燃料電池１を通過した冷媒をバイパス配管６（イオン交換器５）に流すか否かを定めるべく開閉動作する。詳しくは、バルブ７を閉じた状態のもとでは、上記冷媒がバイパス配管６に流れることなくラジエータ４側に流れる。一方、バルブ７を開くと、燃料電池１を通過した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の構造について説明する。
図２に示すように、イオン交換器５は、バイパス配管６（図１）に繋がるハウジング８を備えている。このハウジング８には、上記バイパス配管６から冷媒が流入する流入口１１、及び、同冷媒を上記バイパス配管６に流出させる流出口１２が設けられている。更に、ハウジング８には、イオン交換樹脂１４が装填されたカートリッジ１５が取り付けられている。このカートリッジ１５は、ハウジング８に対し取り外し可能となっている。また、ハウジング８は、隔壁１３によって仕切られた上記流入口１１と上記流出口１２とを有する冷媒流通管９と、その冷媒流通管９に対し一体に設けられて上記カートリッジ１５が取り外し可能に取り付けられるケース部１０と、を備えている。

ケース部１０に取り付けられた上記カートリッジ１５は、第１端（図２の上端）が閉塞される一方で、第２端（図２の下端）が開口してハウジング８（冷媒流通管９）の流入口１１に繋がる筒体１５ａと、その筒体１５ａ内に上下方向に延びた状態に保持されてハウジング８（冷媒流通管９）の流出口１２に繋がる流出管１６と、を備えている。そして、カートリッジ１５における筒体１５ａの内壁と流出管１６の外壁との間には、アニオン樹脂とカチオン樹脂とを所定の割合で配合して形成された上記イオン交換樹脂１４が設けられている。

そして、図１に示される冷却回路２（バイパス配管６におけるイオン交換器５よりも上流側の部分）の冷媒は、イオン交換器５の図２に示す流入口１１を介してハウジング８内に流れ込み、カートリッジ１５のイオン交換樹脂１４を下から上に通過する。このようにイオン交換樹脂１４を冷媒が通過する際、その冷媒に含まれるイオンがイオン交換樹脂１４によるイオン交換を通じて取り除かれる。こうしてイオン交換樹脂１４によってイオンが取り除かれた後の冷媒は、カートリッジ１５の流出管１６、及び、ハウジング８の流出口１２を介して冷却回路２（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）に流出する。

次に、カートリッジ１５の詳細な構造について説明する。
図２及び図３に示すように、カートリッジ１５の筒体１５ａ内では、流出管１６がイオン交換樹脂１４を上下方向に貫通している。この流出管１６の上端部の外周面（外壁）には、周方向に間隔をおいて設けられた三つの支持部１９（図２には二つのみ図示）が突出形成されている。これら支持部１９の突出方向の先端には、流出管１６と同一の中心線を有するリング部２０が支持部１９と一体的に形成されている。そして、リング部２０の上面には流出管１６が貫通する円板状のメッシュ２１が設けられており、そのメッシュ２１の外周部の上面にはシールリング２２が設けられている。これらメッシュ２１及びシールリング２２は、リング部２０の上面とカートリッジ１５の筒体１５ａにおける第１端側の部分の内壁との間に挟まれている。

一方、流出管１６の下端部は、イオン交換樹脂１４の下面から下方に突出するとともに、イオン交換樹脂１４の下面に接触する円板状のメッシュ３１の中心部を貫通している。流出管１６の下端部の外周面（外壁）には、その外周面に沿って円環状に延びるとともに下方に向けて突出するフランジ２４が形成されている。このフランジ２４の下端面（先端面）及び筒体１５ａの下端面にはシールリング２３ａ，２３ｂが当接しており、それらフランジ２４の下端部及び筒体１５ａの下端部（第２端）には底部材２５が取り付けられている。底部材２５は、イオン交換樹脂１４を筒体１５ａの内壁と流出管１６の外壁との間に保持するとともに、流入口１１からハウジング８内に流入した冷媒を上記イオン交換樹脂１４側に通過させるよう構成されている。

詳しくは、底部材２５は、流出管１６におけるフランジ２４の下端部に嵌め込まれる円環状の内周部２６と、カートリッジ１５における筒体１５ａの下端部に嵌め込まれる円環状の外周部２７と、それら内周部２６及び外周部２７間で流出管１６を中心とする放射状に延びて内周部２６及び外周部２７を繋ぐ接続部２８と、を備えている。なお、接続部２８は、流出管１６の外周面回りに、間隔をおいて合計三つ（図２には二つのみ図示）設けられている。

そして、底部材２５の内周部２６及び外周部２７をフランジ２４の下端部及び筒体１５ａの下端部に嵌め込むことにより、シールリング２３ａが内周部２６とフランジ２４の下端との間に挟まれるとともに、シールリング２３ｂが外周部２７と筒体１５ａの下端との間に挟まれる。更に、このときにはメッシュ３１が内周部２６及び外周部２７とイオン交換樹脂１４との間に挟まれる。このように底部材２５をフランジ２４の下端部及び筒体１５ａの下端部に固定することにより、イオン交換樹脂１４及び流出管１６がカートリッジ１５の筒体１５ａ内に保持されている。

カートリッジ１５の筒体１５ａの外周面には雄ねじ２９が形成されており、一方でハウジング８のケース部１０の内周面には上記雄ねじ２９と螺合することが可能な雌ねじ３０が形成されている。そして、カートリッジ１５は、筒体１５ａの雄ねじ２９をケース部１０の雌ねじ３０にねじ込むことにより、同ケース部１０に取り付けられている。こうした取り付けが行われた状態では、ケース部１０内におけるハウジング８の流入口１１と繋がる部分が底部材２５における内周部２６と外周部２７との間の部分と連通する一方、流出管１６の下端部がハウジング８の流出口１２に繋がる。

なお、図３は、イオン交換器５のハウジング８におけるケース部１０から、イオン交換樹脂１４及び筒体１５ａ等からなるカートリッジ１５を取り外し、そのカートリッジ１５を分解した状態を示している。ちなみに、ハウジング８のケース部１０からのカートリッジ１５の取り外しは、筒体１５ａの雄ねじ２９をケース部１０の雌ねじ３０にねじ込んだときとは逆方向（緩める方向）に、筒体１５ａ（カートリッジ１５）を回すことによって行われる。そして、イオン交換器５においては、定期的にイオン交換樹脂１４をカートリッジ１５ごと新しいものに取り替えることが行われる。

ところで、図２に示すイオン交換器５には、流入口１１を介してハウジング８内に流入した冷媒の一部が、イオン交換樹脂１４を迂回してハウジング８の流出口１２に流れるようにする迂回路３２が設けられている。この迂回路３２における冷媒の流通面積は、イオン交換樹脂１４を通過する冷媒の流量に影響を及ぼす。このため、迂回路３２における冷媒の流通面積は、イオン交換樹脂１４を通過する冷媒の流量が最適な値となるよう、次のように設定されている。すなわち、イオン交換樹脂１４の取り替え周期を長くする点で、且つ、冷媒からイオンを十分に取り除く点で、イオン交換樹脂１４を通過する冷媒の流量が最適値となるように、上記迂回路３２における冷媒の流通面積が設定されている。

次に、イオン交換器５の迂回路３２について詳しく説明する。
図４は、ハウジング８におけるケース部１０の下端部周り、及び、同ケース部１０に取り付けられたカートリッジ１５の下端部周りを拡大して示している。迂回路３２は、筒体１５ａにおけるハウジング８の流入口１１に繋がる部分と流出管１６との間に設けられている。この迂回路３２は、流出管１６の下端部の外壁に同流出管１６の内外を繋ぐように形成された連通路３３を備えている。

図５に示すように、流出管１６の下端部には、流出管１６の周方向に等間隔をおいて合計四つの挿入部３４が設けられている。そして、図４に示すように、ハウジング８のケース部１０にカートリッジ１５を取り付けたときには、流出管１６の上記各挿入部３４が底部材２５の内周部２６を貫通するとともに、それら挿入部３４の下端がハウジング８における冷媒流通管９の流出口１２に対応する部分に差し込まれる。この状態のもとで各挿入部３４同士の隙間が上記連通路３３となる。

図６は、図４の底部材２５を斜め下から見た状態を示している。図６から分かるように、底部材２５の外周部２７には、ハウジング８の冷媒流通管９に向けて（図６の下方に向けて）突出して同冷媒流通管９（図４）に当接する脚部３５が、外周部２７の周方向に等間隔をおいて合計四つ設けられている。

また、図６に示す底部材２５における流出管１６が貫通する部分である内周部２６には、冷媒流通管９に向けて突出して同冷媒流通管９（図４）に当接する複数の脚部３６が、流出管１６の周りを囲む方向（内周部２６の周方向）について等間隔をおいて合計四つ設けられている。そして、これら脚部３６同士の隙間は、流出管１６の連通路３３（図４）と繋がっており、その連通路３３と同様に迂回路３２の一部となっている。

こうした迂回路３２における冷媒の流通面積に関しては、図６に示す底部材２５における内周部２６の脚部３６同士の隙間の大きさを調整したり、図５に示す流出管１６の挿入部３４同士の隙間（連通路３３）の大きさを調整したりすることによって変更することが可能である。

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、通常時に使用されるカートリッジ１５（ノーマルカートリッジ）に上記迂回路３２が設けられており、その迂回路３２における冷媒の流通面積が次のように設定されている。すなわち、イオン交換樹脂１４の取り替え周期を長くする点で、且つ、冷媒からイオンを十分に取り除く点で、イオン交換樹脂１４を通過する冷媒の流量が最適値となるように、迂回路３２における冷媒の流通面積が設定されている。このように迂回路３２における冷媒の流通面積を設定することにより、上記カートリッジ１５のイオン交換樹脂１４に対し適切な流量で冷媒を流すことができる。

一方、車両の出荷時やメンテナンス時において、冷却回路２の冷媒に含まれているイオンを集中的に取り除く際には、冷媒からのイオンの集中的な除去に特化した集中除去用のカートリッジが、上記カートリッジ１５（ノーマルカートリッジ）に代えてハウジング８のケース部１０に取り付けられる。上記集中除去用のカートリッジにおいては、上記カートリッジ１５のような迂回路３２を設けないようにされており、且つ、イオン交換樹脂として冷媒からのイオンの集中的な除去に特化したものが用いられている。なお、冷媒からのイオンの集中的な除去に特化したイオン交換樹脂としては、冷媒からイオンを集中的に除去するうえで最適な量、及び、アニオン樹脂とカチオン樹脂との配合割合のものが用いられる。

そして、イオン交換器５に上記集中除去用のカートリッジを取り付けた状態で、冷却回路２のバルブ７を開いてバイパス配管６内に冷媒を流すことにより、流入口１１からハウジング８内に流入した冷媒をすべて上記集中除去用のカートリッジのイオン交換樹脂に流すことができるようになる。これにより、上記集中除去用のカートリッジにおいてイオン交換樹脂を通過する冷媒の流量を多くすることができ、そのイオン交換樹脂における冷媒からイオンを集中的に取り除くという機能を十分に発揮させることができる。

なお、上記集中除去用のカートリッジを用いて冷媒からイオンを集中的に取り除くことによって冷媒中のイオンの濃度が規定値未満になった後には、上記集中除去用のカートリッジがハウジング８のケース部１０から取り外され、その代わりに上記カートリッジ１５（ノーマルカートリッジ）がケース部１０に取り付けられて使用される。

以上詳述した本実施形態によれば、以下に示す効果が得られるようになる。
（１）冷却回路２内の冷媒からイオンを集中的に取り除く際に用いられる集中除去用カートリッジのイオン交換樹脂の機能を十分に発揮させることと、通常時に使用されるカートリッジ１５（ノーマルカートリッジ）のイオン交換樹脂１４に対し適切な流量で冷媒を流すこととを両立させることができる。

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…バルブ、８…ハウジング、９…冷媒流通管、１０…ケース部、１１…流入口、１２…流出口、１３…隔壁、１４…イオン交換樹脂、１５…カートリッジ、１５ａ…筒体、１６…流出管、１９…支持部、２０…リング部、２１…メッシュ、２２…シールリング、２３ａ…シールリング、２３ｂ…シールリング、２４…フランジ、２５…底部材、２６…内周部、２７…外周部、２８…接続部、２９…雄ねじ、３０…雌ねじ、３１…メッシュ、３２…迂回路、３３…連通路、３４…挿入部、３５…脚部、３６…脚部。

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ハウジングと、
   イオン交換樹脂が装填されており、且つ、前記ハウジングに対し取り外し可能に取り付けられているカートリッジと、を備えており、
   前記ハウジング内を流れる前記冷媒が前記イオン交換樹脂を通過する際に同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、
   前記カートリッジには、前記ハウジング内に流入した冷媒の一部が常に前記イオン交換樹脂を通過せずに迂回して前記流出口に流れるようにする迂回路が設けられていることを特徴とするイオン交換器。
   
2. 前記カートリッジは、第１端が閉塞される一方で第２端が開口して前記ハウジングの前記流入口に繋がる筒体と、その筒体内に設けられて前記ハウジングの前記流出口に繋がる流出管と、を備えており、
   前記イオン交換樹脂は、前記カートリッジにおける前記筒体の内壁と前記流出管の外壁との間に装填されており、
   前記迂回路は、前記筒体における前記ハウジングの流入口に繋がる部分と前記流出管との間に設けられている請求項１に記載のイオン交換器。
3. 前記ハウジングは、隔壁によって仕切られた前記流入口と前記流出口とを有する冷媒流通管と、その冷媒流通管に対し一体に設けられて前記カートリッジが取り外し可能に取り付けられるとともに前記流入口及び前記流出口に繋がるケース部と、を備えており、
   前記カートリッジは、前記ケース部に取り付けられたとき、前記筒体の第２端が前記流入口に繋がるとともに、前記流出管が前記流出口に繋がるよう構成されている請求項２に記載のイオン交換器。
4. 前記迂回路は、前記流出管の外壁に同流出管の内外を繋ぐように形成されている連通路を備えている請求項２又は３に記載のイオン交換器。
5. 前記流出管における流出口側の端部が貫通するとともに、前記カートリッジにおける前記筒体の第２端及び前記流出管の外壁から突出するフランジに取り付けられている底部材を備えており、
   前記底部材は、前記筒体の内壁と前記流出管の外壁との間に位置する前記イオン交換樹脂を保持するとともに、前記流入口から前記ハウジング内に流入した冷媒を前記イオン交換樹脂側に通過させる構成となっており、
   前記底部材における前記流出管が貫通する部分には、前記ハウジングの冷媒流通管に向けて突出して同冷媒流出管に当接する複数の脚部が、前記流出管の周りを囲む方向について間隔をおいて設けられており、
   前記脚部同士の隙間は、前記流出管の前記連通路と繋がっており、前記迂回路の一部となっている請求項４に記載のイオン交換器。

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