JP2021074688A - イオン交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】車両の衝突に伴う力が作用したときにハウジングをつぶれやすく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５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が設けられているハウジング７と、そのハウジング７の外面に固定されているとともに車両に対し固定されるステーと、ハウジング７内に装填されたイオン交換樹脂１９と、を備える。ハウジング７内には、流入口７ａから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に流すセパレータ２２が設けられている。また、ハウジング７の内部において、セパレータ２２と同ハウジング７の外面に対するステーの固定位置に対応する部分との間には、空間ＡＲが形成されている。【選択図】図３

Description

本発明は、イオン交換器に関する。

自動車等の車両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。

こうした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、そのハウジングの外面に固定されているとともに車両に対し固定されるステーと、上記ハウジング内に装填されたイオン交換樹脂と、を備えている。そして、流入口を介してハウジング内に流入した冷媒が上記イオン交換樹脂を通過する際には冷媒中のイオンがイオン交換樹脂によるイオン交換によって取り除かれ、イオンが取り除かれた後の冷媒がハウジングから流出口を介して流出する。

また、イオン交換器においては、イオン交換樹脂を通過する冷媒の流量を調整するため、ハウジング内には次のような分流部を設けることも行われている。この分流部は、流入口からハウジング内に流入した冷媒を流出口に直接的に流す一方でイオン交換樹脂側にも流し、且つ、イオン交換樹脂を通過した冷媒を流出口に流すものである。こうした分流部において、流入口からハウジング内に流入した冷媒を、流出口に直接的に流す部分の冷媒の流通面積、及び、イオン交換樹脂側に流す部分の冷媒の流通面積を調整することにより、イオン交換器におけるイオン交換樹脂を通過する冷媒の流量が調整される。

特開２０１６−１１０８４１号公報

ところで、イオン交換器のハウジング内に分流部を設けると、ハウジングにおける分流部に対応する部分の剛性が高くなるため、ハウジングに対するステーの固定部分と分流部との位置関係によっては、車両の衝突時にイオン交換器が衝突に伴う力を受けたとき、イオン交換器のハウジングがつぶれにくくなる。

例えば、ハウジングの外面におけるハウジングの内部の分流部に対応する部分に、ステーが固定されているような場合が考えられる。この場合、車両の衝突時にイオン交換器が衝突に伴う力を受けたとき、その力がステーとの間でハウジングにおける分流部に対応する部分、すなわち剛性の高い部分に作用する。このため、衝突に伴う上記力の作用により、イオン交換器のハウジングがつぶれるということが生じにくくなる。

そして、車両の衝突時にイオン交換器のハウジングがつぶれにくいと、イオン交換器が車両の衝突に伴う力が作用する方向に大きく変位し、車両における上記方向の前方に位置する他の部品に近づきすぎるおそれがある。

本発明の目的は、車両の衝突に伴う力が作用したときにハウジングをつぶれやすく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、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、そのハウジングの外面に固定されているとともに車両に対し固定されるステーと、ハウジング内に装填されたイオン交換樹脂と、を備える。イオン交換器は、流入口を介してハウジング内に流入した冷媒が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き、同イオンが取り除かれた後の冷媒をハウジングから前記流出口を介して流出させる。上記ハウジング内には、流入口から流入した冷媒を流出口に直接的に流す一方でイオン交換樹脂側にも流し、且つ、イオン交換樹脂を通過した冷媒を流出口に流す分流部が設けられている。また、上記ハウジングの内部において、分流部と同ハウジングの外面に対するステーの固定位置に対応する部分との間には、空間が形成されている。

上記構成によれば、ハウジングにおける上記空間に対応する部分は剛性が低く抑えられるため、車両の衝突時にイオン交換器が衝突に伴う力を受けたとき、その力がステーとの間でハウジングにおける上記空間に対応する部分に作用すると、その部分が効果的につぶれるようになり、それに伴ってハウジングがつぶれやすくなる。従って、車両の衝突に伴う力がイオン交換器に作用したとき、そのイオン交換器のハウジングをつぶれやすくすることができる。

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。 セパレータを示す斜視図。 セパレータを示す斜視図。 イオン交換器を示す側面図。

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。

また、ハウジング７の外面、詳しくはハウジング７の底部（下端部）の外面には、複数のステー１１，１２が固定されている。これらステー１１，１２は、ハウジング７の底部に対し一体に形成されており、それによって同底部に対し固定された状態となっている。また、ステー１１，１２は、車両に対し固定することが可能となっている。そして、ステー１１，１２を車両に対し固定することにより、イオン交換器５が車両に対し取り付けられるようになる。

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、セパレータ２２の詳細な形状について説明する。
図４及び図５に示すセパレータ２２において、底壁２２ａ、筒壁２２ｂ、及び周壁２２ｃは、冷媒を流すための上記第１流路２３及び上記第２流路２４を形成するための壁として機能する。これら底壁２２ａ、筒壁２２ｂ、及び周壁２２ｃは、ハウジング７の壁（この例では図３に示す底壁７ｃ）よりも薄くされている。周壁２２ｃにおいて、径方向の一方側にはハウジング７の流入口７ａ（図３）と第１流路２３とを連通させるための切り欠き部２８が形成されており、径方向の他方側にはハウジング７の流出口７ｂ（図３）と第１流路２３とを連通させるための貫通孔２９が形成されている。

底壁２２ａにおける周壁２２ｃの切り欠き部２８に対応した部分Ｐ１は、その切り欠き部２８を介して第１流路２３内へと水平方向に流入した冷媒の流れの向きを、徐々にイオン交換樹脂１９側に向かう方向、すなわち図４の上向きに変えるよう湾曲した形状となっている。また、こうしたイオン交換樹脂１９側に向かった冷媒のうちの一部は、同イオン交換樹脂１９に流入せずに周壁２２ｃに沿って筒壁２２ｂを回り込むよう第１流路２３内を貫通孔２９に向けて流れ、その貫通孔２９を介して流出口７ｂに流れるようになる。

一方、図５に示すように、底壁２２ａにおける筒壁２２ｂの内部と連なる部分Ｐ２は、その内部を介して第２流路２４内へと下方に流入した冷媒の流れの向きを、徐々に流出口７ｂ側に向かう方向、すなわち水平方向に変えるためのものであり、それを実現できるよう湾曲した形状となっている。詳しくは、底壁２２ａにおける筒壁２２ｂの内部と連なる部分Ｐ２は下方に向かうほど内径が徐々に大きくなるよう形成されており、それによって上記部分Ｐ２が湾曲した形状となるようにされている。

次に、ハウジング７の外面に対するステー１１，１２の固定位置について詳しく説明する。
図６に示すように、ステー１１，１２はそれぞれ、ハウジング７の底部（下端部）の外面、より詳しくは同外面の下面に対し固定されている。一方、図３に示すように、セパレータ２２がハウジング７の内部に取り付けられた状態では、同ハウジング７の内部における底部とセパレータ２２の底壁２２ａとの間に空間ＡＲが形成されている。そして、この空間ＡＲが第２流路２４となっている。従って、ハウジング７の内部において、セパレータ２２と同ハウジング７の外面に対するステー１１，１２の固定位置に対応する部分との間には、空間ＡＲ（第２流路２４）が形成されていることになる。

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のハウジング７内にセパレータ２２（分流部）を設けると、ハウジング７におけるセパレータ２２に対応する部分の剛性が高くなる。このため、車両の衝突時にイオン交換器５が衝突に伴う水平方向の力を受けたとき、ハウジング７に対するステー１１，１２の固定部分とセパレータ２２との位置関係によっては、イオン交換器５のハウジング７がつぶれにくくなる。

仮に、ハウジング７の外面におけるハウジング７の内部のセパレータ２２に対応する部分に対し、ステー１１，１２が固定されているとすると、車両の衝突時にイオン交換器５が衝突に伴う水平方向の力を受けたとき、その力がステー１１，１２との間でハウジング７におけるセパレータ２２に対応した部分に作用する。すなわち、上記力がハウジング７における剛性の高い部分に作用する。このため、イオン交換器５のハウジング７がつぶれにくくなる。そして、車両の衝突時にイオン交換器５のハウジング７がつぶれにくいと、イオン交換器５が車両の衝突に伴う力が作用する方向に大きく変位し、車両における上記方向の前方に位置する他の部品に近づきすぎるおそれがある。

しかし、イオン交換器５においては、ハウジング７の内部における空間ＡＲに対応する部分で剛性が低く抑えられる。そして、その空間ＡＲがハウジング７におけるセパレータ２２に対応する部分とハウジング７の外面に対するステー１１，１２の固定位置に対応する部分との間に位置するようにされている。このため、車両の衝突時にイオン交換器５が衝突に伴う水平方向の力を受けたとき、その力がハウジング７における上記空間ＡＲに対応する部分に作用すると、その部分が効果的につぶれるようになり、それに伴ってハウジング７がつぶれやすくなる。

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）車両の衝突に伴う水平方向の力がイオン交換器５に作用したとき、そのイオン交換器５のハウジング７をつぶれやすくすることができる。

（２）ハウジング７においては、その底部がつぶれにくくなるものの、そうした底部とセパレータ２２との間に上記空間ＡＲが形成されているため、ハウジング７における底部付近の剛性を低く抑えることができる。そして、ハウジング７の底部の外面に対しステー１１，１２が固定されており、それらステー１１，１２のハウジングの外面に対する固定位置とハウジング７におけるセパレータ２２に対応する部分との間に、上記空間ＡＲが位置している。このため、車両の衝突時にイオン交換器５が衝突に伴う水平方向の力を受け、その力がハウジング７における上記空間ＡＲに対応する部分に作用したとき、その部分がつぶれやすくなる。

（３）セパレータ２２において、冷媒を流す第１流路２３及び第２流路２４を形成するための壁（底壁２２ａ）であって、第１流路２３及び第２流路２４における冷媒の流れの向きを変える部分Ｐ１，Ｐ２に角があると、その角によって分流部の剛性が高くなりやすくなる。しかし、そうした角が生じないよう上記部分Ｐ１，Ｐ２が湾曲した形状となっているため、セパレータ２２の剛性を低く抑えてハウジング７をつぶれやすくすることができる。

（４）セパレータ２２において、冷媒を流す第１流路２３及び第２流路２４を形成するための底壁２２ａ、筒壁２２ｂ、及び周壁２２ｃが、ハウジング７の壁（底壁７ｃ）よりも薄くされているため、セパレータ２２の剛性を低く抑えてハウジング７をつぶれやすくすることができる。

（５）セパレータ２２はハウジング７とは別体に形成されているため、同セパレータ２２における冷媒を流す第１流路２３及び第２流路２４を形成するための底壁２２ａ、筒壁２２ｂ、及び周壁２２ｃを、ハウジング７の壁よりも薄く作りやすい。

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。
・分流部は、ハウジング７に対し一体に形成されていてもよい。

・セパレータ２２において、冷媒を流す第１流路２３及び第２流路２４を形成するための底壁２２ａ、筒壁２２ｂ、及び周壁２２ｃが、必ずしもハウジング７の壁よりも薄くされている必要はない。

・セパレータ２２の底壁２２ａ、筒壁２２ｂ、及び周壁２２ｃにおける一部のみがハウジング７の壁よりも薄くされていてもよい。
・セパレータ２２において、冷媒を流す第１流路２３及び第２流路２４を形成するための壁（底壁２２ａ）であって、第１流路２３及び第２流路２４における冷媒の流れの向きを変える部分Ｐ１，Ｐ２については、必ずしも湾曲した形状である必要はなく、角のある形状であってもよい。

・空間ＡＲは、必ずしもハウジング７の内部における底部に設けられている必要はない。
・ステー１１とステー１２のうちのいずれか一つを省略してもよい。

・ステー１１，１２の他に別のステーを設け、ステーの数を三つ以上にしてもよい。

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、７ｃ…底壁、８…キャップ、８ａ…胴部、９…流入パイプ、１０…流出パイプ、１１…ステー、１２…ステー、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、２２ｃ…周壁、２３…第１流路、２４…第２流路、２８…切り欠き部、２９…貫通孔。

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、そのハウジングの外面に固定されているとともに車両に対し固定されるステーと、前記ハウジング内に装填されたイオン交換樹脂と、を備えており、前記流入口を介して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き、同イオンが取り除かれた後の冷媒を前記ハウジングから前記流出口を介して流出させるイオン交換器において、
   前記ハウジング内には、前記流入口から流入した冷媒を前記流出口に直接的に流す一方で前記イオン交換樹脂側にも流し、且つ、前記イオン交換樹脂を通過した冷媒を前記流出口に流す分流部が設けられており、
   前記ハウジングの内部において、前記分流部と同ハウジングの外面に対する前記ステーの固定位置に対応する部分との間には、空間が形成されていることを特徴とするイオン交換器。
2. 前記ステーは、前記ハウジングの底部の外面に対し固定されるものであり、
   前記分流部は、前記ハウジングの内部において、前記底部との間に前記空間を形成するよう設けられている請求項１に記載のイオン交換器。
3. 前記分流部は、前記冷媒を流す流路を形成するための壁を有しており、
   前記壁であって前記流路における前記冷媒の流れの向きを変える部分は、湾曲した形状となっている請求項１又は２に記載のイオン交換器。
4. 前記分流部は、前記冷媒を流す流路を形成するための壁を有しており、
   前記分流部の前記壁は、前記ハウジングの壁よりも薄くされている請求項３に記載のイオン交換器。
5. 前記分流部は、前記ハウジングとは別体のセパレータによって形成されている請求項４に記載のイオン交換器。

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