JP7388245B2 - 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。

イオン交換器としては、例えば特許文献１に示されるものが知られている。このイオン交換器は、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設けられているハウジングを備えている。ハウジング内における冷却液の流通経路には上流側メッシュが設けられており、その流通経路における上流側メッシュよりも下流側には下流側メッシュが設けられている。更に、ハウジング内の上記流通経路における上流側メッシュと下流側メッシュとの間の部分にはイオン交換樹脂が装填されている。

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２０１６－６４３７３号公報

ところで、冷却回路を流れる冷却液には気泡が含まれており、そうした気泡が冷却液と共にイオン交換器の上流側メッシュを通過してハウジング内のイオン交換樹脂が装填された部分に溜まる。この場合、そのようにして溜まった気泡の分、イオン交換樹脂と冷却液との接触面積が小さくなるため、冷却液に含まれるイオンをイオン交換樹脂でのイオン交換を通じて取り除く際の効率が悪化する。

本発明の目的は、ハウジング内におけるイオン交換樹脂が装填された部分に気泡が溜ま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。

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設けられているハウジングと、そのハウジング内における冷却液の流通経路に設けられている上流側メッシュと、その流通経路における上流側メッシュよりも下流側に設けられている下流側メッシュと、を備える。その流通経路における上流側メッシュと下流側メッシュとの間の部分には、イオン交換樹脂が装填されている。そして、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。上記イオン交換器の上流側メッシュは、同上流側メッシュを通過する冷却液中の気泡を吸着するトラップ構造を有している。

上記構成によれば、流入口からハウジング内に冷却液と共に流入した気泡は、その冷却液が上流側メッシュを通過する際に同上流側メッシュに吸着される。このため、上記気泡がハウジング内におけるイオン交換樹脂が装填された部分に流入すること、及び、その部分に気泡が溜まることを抑制できるようになる。

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。 上流側メッシュの一部を斜め上方から見た状態を概略的に示す斜視図。 線材に対する気泡の吸着態様（付着態様）を示す略図。 上流側メッシュを示す断面図。 下流側メッシュの一部を斜め上方から見た状態を概略的に示す斜視図。 下流側メッシュを示す断面図。

以下、イオン交換器の一実施形態について、図１～図７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。なお、こうした冷却液としては、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。そして、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を通過する冷却液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。

また、冷却回路２には、冷却液に含まれるイオンを吸着して同冷却液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に冷却液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のハウジング７は、上下方向に延びて上方に向けて開口する円筒状の側壁７ｃと、その側壁７ｃ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の側壁７ｃには、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る流入パイプ９、及び、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る流出パイプ１０が一体形成されている。

側壁７ｃの下端部には、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が設けられている。そして、流入口７ａは、側壁７ｃの下端部における径方向の一方側（図２の左側）に形成されており、側壁７ｃ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、側壁７ｃの下端部における径方向の他方側（図２の右側）に形成されており、側壁７ｃに一体形成された上記流出パイプ１０と繋がっている。

キャップ８は、側壁７ｃ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、側壁７ｃの上端部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を側壁７ｃの雌ねじ１４にねじ込むと、胴部８ａの外周面が側壁７ｃの内周面に沿うように位置するとともに、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ようになる。

側壁７ｃ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、リング部材１８の下面には上流側メッシュ２０が取り付けられているとともに、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。これら上流側メッシュ２０及び下流側メッシュ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。また、キャップ８を側壁７ｃに取り付けたときには、チューブ部材１６がハウジング７の側壁７ｃ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の外周面が側壁７ｃ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の外周面と側壁７ｃの内周面との間に装填された状態にもなる。

ハウジング７の内側下端部には、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。このセパレータ２２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を有している。更に、セパレータ２２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してハウジング７の底部の内周面と接する周壁２２ｃも有している。セパレータ２２は、流入口７ａからハウジング７内に流入した冷却液を流出口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を通過した冷却液を流出口７ｂに流すためのものである。

ハウジング７内における冷却液の流通経路は、流入口７ａの下流で、流出口７ｂに直接的に繋がる第１流路２３と、イオン交換樹脂１９が装填された部分を介して流出口７ｂに繋がる第２流路２４と、に分岐している。上記第１流路２３は、上流側メッシュ２０とセパレータ２２の底壁２２ａよりも上側の部分との間に形成されている。一方、上記第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の内底面とセパレータ２２の底壁２２ａよりも下側の部分との間の部分によって形成されている。従って、上流側メッシュ２０は、第２流路２４の上流端に設けられていることになり、且つ、第１流路２３に対し露出した状態となる。一方、下流側メッシュ２１は、ハウジング７内の流通経路における上流側メッシュ２０よりも下流側、より詳しくは第２流路２４における上流側メッシュ２０よりも下流側に設けられる。

次に、上流側メッシュ２０及び下流側メッシュ２１について詳しく説明する。
図３は、上流側メッシュ２０の一部を斜め上方から見た状態を概略的に示している。上流側メッシュ２０は、線材３１を定められた織り方（例えば平織り）で織ることによって形成されるものであって、同上流側メッシュ２０を通過する冷却液中の気泡を吸着するトラップ構造を有している。

こうしたトラップ構造は、例えば上流側メッシュ２０（線材３１）に対し疎水処理を施すことによって実現されている。疎水処理を施すことにより上流側メッシュ２０の疎水性を向上させると、冷却液が上流側メッシュ２０を通過する際、その冷却液に含まれる気泡が効果的に上流側メッシュ２０（線材３１）に吸着される。

図４は、線材３１に対する冷却液中の気泡Ａの吸着態様（付着態様）を概略的に示している。線材３１と冷却液との界面における界面エネルギを「γ」とし、線材３１の表面（界面）に対する気泡Ａの接触角を「θ」としたとすると、線材３１に対する冷却液中の気泡Ａの付着のしやすさを意味する値である付着仕事Ｗを、次の式「Ｗ＝γ・（１－ｃｏｓθ）」で表すことができる。ちなみに、この付着仕事Ｗが「０」よりも大きくなるほど、冷却液中の気泡が線材３１に付着されやすいことを意味している。上流側メッシュ２０（線材３１）に対し上記疎水処理が施されると、接触角θを大きくすることができ、それに伴い付着仕事Ｗが「０」に対し大きくなるため、気泡Ａが線材３１の表面に付着（吸着）されやすくなる。

図５は、上流側メッシュ２０の断面を示している。図５から分かるように、上流側メッシュ２０の線材３１は複数の撚糸３２で形成されており、それによっても上流側メッシュ２０の上記トラップ構造が実現されている。線材３１を複数の撚糸３２で形成することにより、線材３１の表面に凹凸が生じて表面積が大きくなると、上流側メッシュ２０を冷却液が通過する際、その冷却液に含まれる気泡が効果的に上流側メッシュ２０（線材３１）に吸着される。

図６及び図７はそれぞれ、下流側メッシュ２１の一部を斜め上方から見た状態、及び、下流側メッシュ２１の断面を示している。下流側メッシュ２１も、線材３３を定められた織り方（例えば平織り）で織ることによって形成されている。この下流側メッシュ２１には、上流側メッシュ２０のようなトラップ構造は採用されていない。すなわち、下流側メッシュ２１では、疎水処理の施工や複数の撚糸による線材３３の形成が行われていない。このため、下流側メッシュ２１を冷却液が通過する際、その冷却液に気泡が含まれていたとしても、同気泡が冷却液と共に下流に流れやすくなる。

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、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、その一部が第２流路２４を介して流出口７ｂに流される。

詳しくは、同冷却液が、第２流路２４の上流端に位置する上流側メッシュ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の内底面とセパレータ２２の底壁２２ａよりも下側の部分との間の部分を通過し、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において、冷却液がイオン交換樹脂１９の周囲を通過する際には、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。

流入口７ａから第２流路２４に流れる冷却液に気泡が含まれていたとしても、その冷却液が第２流路２４の上流側メッシュ２０を通過する際、同上流側メッシュ２０に吸着される。このため、気泡を含む冷却液がハウジング７内におけるイオン交換樹脂１９が装填された部分に流入し、その部分に気泡が溜まることを抑制できるようになる。仮に、ハウジング７内におけるイオン交換樹脂１９が装填された部分に気泡が溜まると、イオン交換樹脂１９と冷却液との接触面積が小さくなるため、冷却液に含まれるイオンをイオン交換樹脂１９でのイオン交換を通じて取り除く際の効率が悪化するという問題が生じるが、そうした問題の発生は抑制される。

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、その一部が第２流路２４に流れずに第１流路２３に流れ、その第１流路２３を介して直接的に流出口７ｂに流れるようにもなる。こうした冷却液も、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。上流側メッシュ２０に吸着された上記気泡については、その量がある程度多くなったとき、流入口７ａから第１流路２３を介して流出口７ｂに流れる冷却液に押され、上流側メッシュ２０から流出口７ｂに流される。

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）流入口７ａからハウジング７内に冷却液と共に流入した気泡は、その冷却液が第２流路２４の上流側メッシュ２０を通過する際に同上流側メッシュ２０に吸着される。このため、ハウジング７内の第２流路２４におけるイオン交換樹脂１９が装填された部分に気泡が流入し、その部分に気泡が溜まることを抑制できるようになる。

（２）上流側メッシュ２０は、線材３１を定められた織り方で織ることによって形成されている。この線材３１を複数の撚糸３２によって形成することにより、上流側メッシュ２０のトラップ構造が実現されている。線材３１を複数の撚糸３２によって形成すると、同線材３１の表面に凹凸が生じて表面積が大きくなる、このため、上流側メッシュ２０を冷却液が通過する際、その冷却液に含まれる気泡を効果的に上流側メッシュ２０（線材３１）に吸着させることができる。

（３）上流側メッシュ２０に対し疎水処理を施すことによっても、同上流側メッシュ２０のトラップ構造が実現されている。この疎水処理を通じて上流側メッシュ２０の疎水性を向上させることにより、上流側メッシュ２０を冷却液が通過する際、その冷却液に含まれる気泡を効果的に上流側メッシュ２０（線材３１）に吸着させることができる。

（４）下流側メッシュ２１にはトラップ構造が採用されていない。このため、下流側メッシュ２１における線材３３の表面積が小さく抑えられるとともに、下流側メッシュ２１の疎水性が上流側メッシュ２０の疎水性よりも低く抑えられる。従って、ハウジング７内における第２流路２４のイオン交換樹脂１９を通過する冷却液に気泡が含まれているとしても、その気泡が下流側メッシュ２１（線材３３）に吸着されにくくなり、冷却液と共に下流側メッシュ２１を通過して下流側に流れやすくなる。このため、ハウジング７内のイオン交換樹脂１９が装填された部分に気泡が溜まりにくくなる。

（５）ハウジング７内における冷却液の流通経路は、流入口７ａの下流で、流出口７ｂに直接的に繋がる第１流路２３と、イオン交換樹脂１９が装填された部分を介して流出口７ｂに繋がる第２流路２４と、に分岐している。そして、上流側メッシュ２０は、第２流路２４の上流端に設けられており、且つ、第１流路２３に対し露出している。このため、第２流路２４を冷却液が流れることによって上流側メッシュ２０に吸着した気泡がある程度多くなると、その気泡が流入口７ａから第１流路２３を介して流出口７ｂに流れる冷却液に押され、上流側メッシュ２０から流出口７ｂに流されるようになる。従って、上流側メッシュ２０に溜まった気泡を定期的に流出口７ｂに流すことができ、上流側メッシュ２０に多量の気泡が溜まることを抑制できる。

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。
・上流側メッシュ２０は、必ずしも第１流路２３に露出している必要はない。

・ハウジング７内における冷却液の流通経路は、必ずしも第１流路２３と第２流路２４とに分岐している必要はない。
・上流側メッシュ２０のトラップ構造については、上流側メッシュ２０の疎水処理と複数の撚糸３２による線材３１の形成とのうちの一方のみで実現されていてもよい。

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
１７…リング部
１８…リング部材
１９…イオン交換樹脂
２０…上流側メッシュ
２１…下流側メッシュ
２３…第１流路
２４…第２流路
３１…線材
３２…撚糸
３３…線材

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設けられているハウジングと、そのハウジング内における前記冷却液の流通経路に設けられている上流側メッシュと、前記流通経路における前記上流側メッシュよりも下流側に設けられている下流側メッシュと、前記流通経路の前記上流側メッシュと下流側メッシュとの間の部分に装填されているイオン交換樹脂と、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、
   前記上流側メッシュは、同上流側メッシュを通過する冷却液中の気泡を吸着するトラップ構造を有しており、
   前記上流側メッシュは線材を定められた織り方で織ることによって形成されるものであり、前記線材が撚糸によって形成されていることによって前記トラップ構造が実現されていることを特徴とするイオン交換器。
2. 前記トラップ構造は、前記上流側メッシュに対し疎水処理を施すことによっても実現されている請求項１に記載のイオン交換器。
3. 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設けられているハウジングと、そのハウジング内における前記冷却液の流通経路に設けられている上流側メッシュと、前記流通経路における前記上流側メッシュよりも下流側に設けられている下流側メッシュと、前記流通経路の前記上流側メッシュと下流側メッシュとの間の部分に装填されているイオン交換樹脂と、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、
   前記上流側メッシュは、同上流側メッシュを通過する冷却液中の気泡を吸着するトラップ構造を有しており、
   前記ハウジング内における冷却液の前記流通経路は、前記流入口の下流で、前記流出口に直接的に繋がる第１流路と、前記イオン交換樹脂が装填された部分を介して前記流出口に繋がる第２流路と、に分岐しており、
   前記上流側メッシュは、前記第２流路の上流端に設けられており、且つ、前記第１流路に対し露出していることを特徴とするイオン交換器。
4. 前記トラップ構造は、前記上流側メッシュに対し疎水処理を施すことによって実現されている請求項３に記載のイオン交換器。
5. 前記下流側メッシュの疎水性は、前記上流側メッシュの疎水性よりも低く抑えられている請求項２又は４に記載のイオン交換器。