JP7137988B2 - 加湿器 - Google Patents

Description

本発明は、被加湿流体及び加湿流体の出入口が設けられた加湿器に関する。

例えば、中空糸膜の内側と外側とで異なる流体を流して水分交換を行う加湿器には、被加湿流体の出口及び入口と加湿流体の出口及び入口とがそれぞれ設けられている（特許文献１）。このような加湿器では、加湿器に被加湿流体を供給する配管、被加湿流体を排出する配管、加湿流体を供給する配管、加湿流体を排出する配管をそれぞれ接続するためのジョイントが設けられている。

特開２０１０－１０７０９９号公報

上記のジョイントには、配管を接続するために高い位置決め精度が求められる。ところが、加湿器を構成する筐体等の大型の部材を樹脂により一体的に成形しようとすると、必要な精度が得られず、成形後に追加の切削加工を施す必要があり、コスト高になってしまうという問題がある。

本発明は、コストを抑えつつ、高い位置精度でジョイントを設けることができる加湿器を提供することを目的とする。

本発明の一態様は、円筒状の樹脂製の筐体を有する加湿モジュールと、前記筐体の軸に垂直な接続面で前記筐体の一端に接続される入口ヘッドと、前記筐体の軸に垂直な接続面で前記筐体の他端に接続される出口ヘッドと、前記筐体と前記入口ヘッドとの接続面と直交する接続面を有する第１のジョイント接続部を介して前記入口ヘッドに接続される加湿流体入口ジョイントと、前記筐体と前記出口ヘッドとの接続面と直交する接続面を有する第２のジョイント接続部を介して前記出口ヘッドに接続される被加湿流体出口ジョイントと、前記筐体と前記入口ヘッドとの接続部、前記筐体と前記出口ヘッドとの接続部、前記第１のジョイント接続部、及び前記第２のジョイント接続部をそれぞれ固定する締結部材と、前記筐体に設けられ、被取付け部材に固定される固定部と、を備え、前記筐体と前記入口ヘッドとの接続部と前記締結部材との間に設けられ、前記入口ヘッドの接続面方向の固定位置を調整可能とする第１クリアランスと、前記筐体と前記出口ヘッドと接続部と前記締結部材との間に設けられ、前記出口ヘッドの接続面方向の固定位置を調整可能とする第２クリアランスと、前記入口ヘッドと前記加湿流体入口ジョイントとの接続部と前記締結部材との間に設けられ、前記加湿流体入口ジョイントの接続面方向の固定位置を調整可能とする第３クリアランスと、前記出口ヘッドと前記被加湿流体出口ジョイントとの接続部と前記締結部材との間に設けられ、前記被加湿流体出口ジョイントの接続面方向に固定位置を調整可能とする第４クリアランスと、を有し、前記第１クリアランス、前記第２クリアランス、前記第３クリアランス及び前記第４クリアランスは、前記筐体の成形誤差よりも大きく、前記加湿流体入口ジョイントの開口部及び前記被加湿流体出口ジョイントの開口部が、前記固定部を基準として位置決めされた加湿器である。

上記態様に係る加湿器によれば、クリアランスの範囲内でジョイントの位置を調整可能としている。これにより、筐体に対して追加加工を行うことなくジョイントに要求される位置精度を達成できる。

本発明の第１の実施形態に係る加湿器の正面図である。 図１の加湿器の側面図である。 図２の加湿器のＩＩＩ－ＩＩＩ線に沿った縦断面図である。 図１の加湿器の分解斜視図である。 図１の加湿器の製造方法を示すフローチャートである。

以下、本発明の好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。

図１に示す実施形態に係る加湿器１０は、例えば、燃料電池スタックのカソード及びアノードに供給するガス（例えば、空気や水素）である被加湿流体（乾燥流体）を加湿するために用いられるものであり、燃料電池スタックから排出され水蒸気（水分）を多く含んだオフガスである加湿流体（湿潤流体）を用いて被加湿流体を加湿する。燃料電池スタックは、例えば、車載用燃料電池スタックであり、加湿器１０は燃料電池スタックが搭載される車両のフレームに固定される。

加湿器１０は、筒状の加湿モジュール１２と、加湿モジュール１２の軸方向の一端に接続された入口ヘッド１４（第１のヘッド）と、加湿モジュール１２の軸方向の他端に接続された出口ヘッド１６（第２のヘッド）と、入口ヘッド１４に接続された加湿流体入口ジョイント２０（第２の入口ジョイント）と、出口ヘッド１６に接続された被加湿流体出口ジョイント２２（第１の排気ジョイント）と、加湿モジュール１２の外周部に接続された加湿流体出口ジョイント４８（第２の排気ジョイント）とを備える。入口ヘッド１４には、被加湿流体導入ポート１８（第１の入口ジョイント）が設けられている。

図３に示すように、加湿流体は、加湿流体入口ジョイント２０を介して加湿モジュール１２の内部に導入される。その後、加湿流体は、図中の実線に示すように、加湿モジュール１２の多数の中空糸膜４０の間を通り、加湿モジュール１２に接続された加湿流体出口ジョイント４８から排出される。

また、加湿器１０には、コンプレッサや高圧タンクから供給された圧縮ガス（被加湿流体）が、被加湿流体導入ポート１８から導入される。被加湿流体は一点鎖線に示すように、中空糸膜４０の内部を経て、被加湿流体出口ジョイント２２から排出される。加湿モジュール１２に設けられた中空糸膜４０の内部に被加湿流体を流し、中空糸膜４０の外部に加湿流体を流すことで、加湿流体から被加湿流体に水分を移動させる。

この加湿器１０は、図１に示すように、固定部５０において、例えば車体フレーム等の被取付け部材に固定される。燃料電池やコンプレッサ等の外部の機器から伸びる４つの配管（不図示）が、入口ヘッド１４に設けられた被加湿流体導入ポート１８と、加湿流体入口ジョイント２０と、被加湿流体出口ジョイント２２と、加湿流体出口ジョイント４８とにそれぞれ接続される。このような配管を加湿器１０に確実に接続するべく、ポート１８及びジョイント２０、２２、４８のそれぞれの開口部１８Ａ、２０Ａ、２２Ａ、４８Ａは、固定部５０を基準として高い精度で組み付けられる。以下、加湿器１０の詳細について、さらに説明する。

加湿モジュール１２は、図３に示すように、筐体３２と、中空糸膜４０と、加湿流体導入管３８とを備える。筐体３２は、例えば樹脂を一体成形することで作製され、略円筒状の形状に形成されている。筐体３２の内部には、中空糸膜４０が収容されている。中空糸膜４０は、筐体３２の軸方向（図３のＸ方向）に伸びており、筐体３２内に複数本、例えば数千本束ねられて筐体３２に収められている。中空糸膜４０の内部（内腔）は、入口ヘッド１４の内部及び出口ヘッド１６の内部に連通している。

加湿流体導入管３８は、筐体３２の中心軸付近に軸方向に伸びた管状の部材である。加湿流体導入管３８の周壁部には、複数の開口部３８ａが設けられており、その開口部３８ａを通じて、加湿流体導入管３８の流路３８ｂが中空糸膜４０の外部の領域（筐体３２と加湿流体導入管３８との間の領域であって、多数の中空糸膜４０の間の領域）に連通している。その加湿流体導入管３８は、筐体３２の両端に設けられた通気性を有する固定部材４４を介して筐体３２の中心軸付近に固定されている。加湿流体導入管３８の一端（入口ヘッド１４側の端部）は開口しており、他端（出口ヘッド１６側の端部）は封じられている。

筐体３２の外周部（下部）には、加湿流体排気口４６が設けられている。加湿流体排気口４６からは、中空糸膜４０の間を通過した加湿流体が排気される。加湿流体排気口４６には、加湿流体出口ジョイント４８が取り付けられている。

図１に示すように、加湿流体排気口４６にはフランジ状の接続部４６ｂが設けられており、その接続部４６ｂの端部には筐体３２の軸方向に平行な接続面４６ａが形成されている。また、加湿流体出口ジョイント４８には、フランジ状の接続部４８ｂが設けられており、その接続部４８ｂの端部には接続面４８ａが形成されている。接続部４６ｂ及び接続部４８ｂにより第３のジョイント接続部３３が構成される。

図３に示すように、加湿流体排気口４６及び加湿流体出口ジョイント４８は、パッキン４７を挟み込みつつ、接続面４６ａと接続面４８ａとを面接触させることで気密に接続される。図１に示すように、その接続部４８ｂ及び接続部４６ｂは、ボルト５８によって締結されている。

加湿流体出口ジョイント４８の接続部４８ｂには、ボルト５８（第５の締結部材）の軸部５８ａが挿通された挿通孔４６ｃが設けられている。挿通孔４６ｃは、接続部４８ｂの厚さ方向に貫通している。挿通孔４６ｃは、ボルト５８の軸部５８ａの直径よりも大きく形成されている。これにより、ボルト５８を完全に締結する前の状態においては、加湿流体出口ジョイント４８は、筐体３２に対して、接続面４８ａ方向に変位可能となっている。挿通孔４６ｃの内径とボルト５８の軸部５８ａの直径との差がクリアランスとなっているが、このクリアランスの大きさは、筐体３２の公差（成形誤差）よりも大きくしておくことが好ましい。

第１のフランジ部３４は、筐体３２の一端（入口ヘッド１４側の端部）に全周に亘って設けられている。第１のフランジ部３４には、筐体３２の軸に垂直な向きの接続面３４ａが形成されている。また、第１のフランジ部３４には、ねじ孔を有するボルト固定部３４ｂが設けられている。図４に示すように、ボルト固定部３４ｂは、第１のフランジ部３４の周方向に間隔を開けて複数配置されている。第１のフランジ部３４の接続面３４ａには、パッキン取付溝３４ｃが形成され、そのパッキン取付溝３４ｃに円環状のパッキン５２が挿入される。

図４に示すように、第２のフランジ部３６は、筐体３２の他端（出口ヘッド１６側の端部）に全周に亘って設けられている。第２のフランジ部３６には、筐体３２の軸に垂直な向きの接続面３６ａが形成されている。また、第２のフランジ部３６には、ねじ孔を有するボルト固定部３６ｂが設けられている。ボルト固定部３６ｂは第２のフランジ部３６の周方向に間隔を開けて複数設けられている。第２のフランジ部３６の接続面３６ａには、パッキン取付溝３６ｃが形成され、そのパッキン取付溝３６ｃに円環状のパッキン５６が挿入される。

入口ヘッド１４は、接続部２４と、被加湿流体導入ポート１８と、加湿流体流路２８とを有している。接続部２４は、フランジ状に形成されており、その端部には、入口ヘッド１４の軸方向に垂直な接続面２４ａが形成されている。図１に示すように、この接続面２４ａにおいて第１のフランジ部３４の接続面３４ａと面接触して気密に接続される。

また、接続部２４には、第１のフランジ部３４のボルト固定部３４ｂの位置に対応する部分に挿通孔２４ｃが形成されている。挿通孔２４ｃは、接続部２４の厚さ方向に貫通している。これらの挿通孔２４ｃは、入口ヘッド１４の締結用のボルト５８（第１の締結部材）の軸部５８ａの直径よりも大きい内径に形成されている。そのため、入口ヘッド１４の固定位置は、ボルト５８の締結位置を調整することで、筐体３２に対して接続面２４ａ方向に変位可能となっている。

図３に示すように、被加湿流体導入ポート１８は、入口ヘッド１４と一体的に形成されている。被加湿流体導入ポート１８は、入口ヘッド１４の被加湿流体流路１４ａとつながっている。被加湿流体流路１４ａは、固定部材４４を介して中空糸膜４０の内部と連通している。

入口ヘッド１４は、加湿流体流路２８を形成する流路形成筒部２９を有する。流路形成筒部２９は、入口ヘッド１４の中心軸付近に形成されている。流路形成筒部２９の一端は、加湿モジュール１２に設けられた加湿流体導入管３８の内部に挿入されている。加湿流体流路２８と加湿流体導入管３８とは、パッキン５４を介して気密に接続されている。流路形成筒部２９は、入口ヘッド１４から伸び出て略直角に屈曲し、その他端部にフランジ状の接続部２８ｂが形成されている。接続部２８ｂには接続面２８ａが形成される。また、接続面２８ａには、円環状の溝が形成され、その溝にパッキン２１が取り付けられている。

接続部２８ｂの接続面２８ａは、入口ヘッド１４の筐体３２との接続面２４ａに対して垂直な向きに形成されている。接続部２８ｂの外周部には、ボルト５８の軸部５８ａを通す挿通孔２８ｄが、複数形成されている。その挿通孔２８ｄは、ボルト５８の軸部５８ａの直径よりも大きな径に形成されている。ボルト５８（第２の締結部材）の締結位置は、挿通孔２８ｄに設けられたクリアランスの範囲内で調整できる。このクリアランスの大きさは、筐体３２の成形誤差よりも大きくしておくと好適である。

加湿流体入口ジョイント２０の一端には、フランジ状の接続部２０ｂが形成され、その接続部２０ｂの端部に接続面２０ａが形成されている。接続面２０ａにはパッキン装着溝２１ａが形成され、そのパッキン装着溝２１ａにパッキン２１が装着される。そのパッキン２１を挟んで、接続面２０ａが接続面２８ａと面接触することで、加湿流体入口ジョイント２０が加湿流体流路２８に気密に接続される。また、接続部２０ｂの外周部には、接続部２８ｂの挿通孔２８ｄに対応する部分にボルト５８が挿入されるねじ孔２０ｃが形成されている。上記の接続部２８ｂ及び接続部２０ｂにより、第１のジョイント接続部３０が構成される。

加湿流体入口ジョイント２０は、接続部２８ｂから挿入されたボルト５８をねじ孔２０ｃに締結することで流路形成筒部２９に固定される。このような、加湿流体入口ジョイント２０の位置は、ボルト５８の固定位置の調整を行うことで、接続面２０ａの面内方向に変位可能となっている。

図３に示すように、出口ヘッド１６は、接続部２６と、出口流路２５ｄを形成する流路形成壁部２５と被加湿流体出口ジョイント２２を有している。接続部２６は、出口ヘッド１６の外周部の全周に亘って延在するフランジ状に形成されており、その端部には、筐体３２の軸方向（Ｘ方向）に垂直な接続面２６ａが形成されている。この接続面２６ａがパッキン５６を挟みつつ第２のフランジ部３６の接続面３６ａと面接触することで、出口ヘッド１６と筐体３２とが気密に接続される。

また、図１に示すように、接続部２６には、第２のフランジ部３６のボルト固定部３６ｂの位置に対応する部分に挿通孔２６ｃが形成されている。挿通孔２６ｃは、接続部２６の厚さ方向に貫通している。これらの挿通孔２６ｃは、出口ヘッド１６の締結用のボルト５８（第３の締結部材）の軸部５８ａの直径よりも大きい内径に形成されている。そのため、出口ヘッド１６の固定位置は接続面２６ａの面内方向で調整可能である。

図３に示すように、出口ヘッド１６の内部には、出口流路２５ｄが設けられている。出口流路２５ｄは、固定部材４４を介して中空糸膜４０の内側と連通している。出口ヘッド１６には、フランジ状の接続部２５ｂが形成されている。接続部２５ｂの端部には、接続面２５ａが形成されている。接続面２５ａは、出口ヘッド１６の筐体３２との接続面２６ａに対して垂直な平面からなる。図４に示すように、接続面２５ａには、不図示の溝が形成されており、その溝に環状のパッキン２３が装着される。

接続部２５ｂの接続面２５ａの外周部には、図１に示すように、挿通孔２５ｃが形成されている。挿通孔２５ｃは、接続部２５ｂの厚さ方向に貫通している。挿通孔２５ｃは、ボルト５８（第４の締結部材）の軸部５８ａの直径よりも大きな内径を有する貫通孔として形成されており、ボルト５８の締結位置を調整することができる。

被加湿流体出口ジョイント２２の一端には、フランジ状の接続部２２ｂが形成され、その接続部２２ｂの端部に接続面２２ａが形成されている。接続面２２ａがパッキン２３を挟んで、出口ヘッド１６の接続面２５ａと面接触することで、被加湿流体出口ジョイント２２が出口ヘッド１６に気密に接続される。また、接続部２２ｂの外周部には、接続部２５ｂの挿通孔２５ｃに対応する部分にボルト５８が挿入されるねじ孔２２ｃが形成されている。上記の接続部２２ｂ及び接続部２５ｂにより第２のジョイント接続部３１が構成される。

被加湿流体出口ジョイント２２は、出口ヘッド１６の接続部２５ｂ側から挿入されたボルト５８をねじ孔２２ｃに締結することで出口ヘッド１６の接続部２５ｂに固定される。被加湿流体出口ジョイント２２の固定位置は、ボルト５８の締結位置の調整により、接続面２２ａの面内方向に調整可能となっている。

以上のように構成された加湿器１０は、以下の方法で作製される。

加湿モジュール１２を作製する（ステップＳ１０）。加湿モジュール１２の筐体３２は、樹脂の一体成形により作製される。その筐体３２に、中空糸膜４０、加湿流体導入管３８、固定部材４４を組み付けることで、筐体３２が作製される。

ヘッド１４、１６及びジョイント２０、２２、４８を作製する（ステップＳ２０）。これらの部材は、例えば、樹脂の一体成形により作製することができる。

次に、ヘッド１４、１６及びジョイント２０、２２、４８の位置決めを行う（ステップＳ３０）。筐体３２に、位置決め治具を用いて、入口ヘッド１４、出口ヘッド１６、加湿流体入口ジョイント２０、被加湿流体出口ジョイント２２及び加湿流体出口ジョイント４８を所定の位置に配置する。加湿器１０において、ヘッド１４、１６及びジョイント２０、２２、４８の接続部には、それらの接続面方向に調整可能なクリアランスが設けられている。そのため、位置決め治具を用いてヘッド１４、１６及びジョイント２０、２２、４８を所定の位置に位置決めする。

その後、ボルト５８を完全に締結する（ステップＳ４０）。これにより、ジョイント２０、２２、４８を位置決めされた位置に固定できる。以上により、加湿器１０が完成する。

この加湿器１０は、以下の効果を奏する。

加湿器１０によれば、ヘッド１４、１６と筐体３２との接続部分、ジョイント２０、２２とヘッド１４、１６の接続部分、及びジョイント４８と筐体３２との接続部分に、クリアランスが設けられている。これにより、筐体３２に対するジョイント２０、２２、４８の開口部２０Ａ、２２Ａ、４８Ａの取り付け位置を調整可能である。したがって、ジョイント２０、２２、４８の組み付け時の位置決め作業により、所望の精度を確保することができる。その結果、筐体３２を樹脂により一体成形した場合であっても、追加の切削加工を施す必要はなく、コストを抑えつつ、高い位置精度でジョイント２０、２２、４８を組み付けることができる。

上記のクリアランスは、筐体３２の成形誤差（公差）よりも大きくすると好適である。これにより、筐体３２の成形誤差をヘッド１４、１６及びジョイント２０、２２、４８の接続部分のクリアランスで修正できる。

筐体３２の側部に加湿モジュール１２から加湿流体を排出する加湿流体出口ジョイント４８が筐体３２の軸方向に平行な接続面４６ａで接続される。この場合、加湿流体出口ジョイント４８と筐体３２との第３のジョイント接続部３３にクリアランスを設けてもよい。これにより、加湿流体出口ジョイント４８の接続位置を接続面４６ａ方向に調整できる。

ジョイント接続部３０、３１のクリアランスの変位可能方向は、ヘッド１４、１６と筐体３２との接続部２４、２６のクリアランスの変位可能方向と直交していてもよい。これにより、ジョイント２０、２２の位置を３次元的な範囲で調整可能となる。

筐体３２はジョイント接続部３３と、ジョイント接続部３３に接続されたジョイント（加湿流体出口ジョイント４８）をさらに有し、ジョイント接続部３３には、ジョイント接続部３３の接続面４８ａ方向に変位可能なクリアランスが設けられていてもよい。

筐体３２が筒状に形成されるとともに、筐体３２の一端に形成された第１のフランジ部３４と、筐体３２の他端に形成された第２のフランジ部３６と、を有し、ヘッド１４、１６は、第１のフランジ部３４に接続された入口ヘッド１４と、第２のフランジ部３６に接続された出口ヘッド１６と、を有し、ジョイントは、入口ヘッド１４に接続された第１、第２の入口ジョイント１８、２０と、出口ヘッド１６に接続された被加湿流体出口ジョイント２２と、筐体３２に接続された加湿流体出口ジョイント４８とを有していてもよい。

加湿流体入口ジョイント２０は、ジョイント接続部３０を介して入口ヘッド１４に接続されており、被加湿流体出口ジョイント２２はジョイント接続部３１を介して出口ヘッド１６に接続されていてもよい。これにより、加湿流体入口ジョイント２０及び被加湿流体出口ジョイント２２については、第１、第２のフランジ部３４、３６の接続面３４ａ、３６ａと異なる方向について位置調整を行うことが可能となる。

１０…加湿器 １２…加湿モジュール
１４…入口ヘッド １６…出口ヘッド
１８…被加湿流体導入ポート ２０…加湿流体入口ジョイント
２０ｂ、２２ｂ、４８ｂ…接続部 ２２…被加湿流体出口ジョイント
３０、３１、３３…ジョイント接続部 ３４…第１のフランジ部
３６…第２のフランジ部 ４８…加湿流体出口ジョイント

Claims (4)

1. 円筒状の樹脂製の筐体を有する加湿モジュールと、
   前記筐体の軸に垂直な接続面で前記筐体の一端に接続される入口ヘッドと、
   前記筐体の軸に垂直な接続面で前記筐体の他端に接続される出口ヘッドと、
   前記筐体と前記入口ヘッドとの接続面と直交する接続面を有する第１のジョイント接続部を介して前記入口ヘッドに接続される加湿流体入口ジョイントと、
   前記筐体と前記出口ヘッドとの接続面と直交する接続面を有する第２のジョイント接続部を介して前記出口ヘッドに接続される被加湿流体出口ジョイントと、
   前記筐体と前記入口ヘッドとの接続部、前記筐体と前記出口ヘッドとの接続部、前記第１のジョイント接続部、及び前記第２のジョイント接続部をそれぞれ固定する締結部材と、
   前記筐体に設けられ、被取付け部材に固定される固定部と、を備え、
   前記筐体と前記入口ヘッドとの接続部と前記締結部材との間に設けられ、前記入口ヘッドの接続面方向の固定位置を調整可能とする第１クリアランスと、
   前記筐体と前記出口ヘッドと接続部と前記締結部材との間に設けられ、前記出口ヘッドの接続面方向の固定位置を調整可能とする第２クリアランスと、
   前記入口ヘッドと前記加湿流体入口ジョイントとの接続部と前記締結部材との間に設けられ、前記加湿流体入口ジョイントの接続面方向の固定位置を調整可能とする第３クリアランスと、
   前記出口ヘッドと前記被加湿流体出口ジョイントとの接続部と前記締結部材との間に設けられ、前記被加湿流体出口ジョイントの接続面方向に固定位置を調整可能とする第４クリアランスと、を有し、
   前記第１クリアランス、前記第２クリアランス、前記第３クリアランス及び前記第４クリアランスは、前記筐体の成形誤差よりも大きく、
   前記加湿流体入口ジョイントの開口部及び前記被加湿流体出口ジョイントの開口部が、前記固定部を基準として位置決めされた加湿器。
2. 請求項１記載の加湿器であって、前記筐体の側部に前記加湿モジュールから加湿流体を排出する加湿流体出口ジョイントが前記筐体の軸方向に平行な接続面で接続される加湿器。
3. 請求項２記載の加湿器であって、前記第３クリアランスによる前記第１のジョイント接続部の固定位置の調整可能な方向及び前記第４クリアランスによる第２のジョイント接続部の固定位置の調整可能な方向は、前記第１クリアランスによる前記入口ヘッドと前記筐体と固定位置の調整可能な方向及び前記第２クリアランスによる前記出口ヘッドと前記筐体との固定位置の調整可能な方向と直交している加湿器。
4. 請求項１～３のいずれか１項に記載の加湿器であって、前記入口ヘッドには、被加湿流体導入ポートが設けられており、前記被加湿流体導入ポートは前記固定部を基準として位置決めされた加湿器。

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