特開 2023-161868 イオン交換器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023161868

(43)【公開日】2023-11-08

(54)【発明の名称】イオン交換器

(51)【国際特許分類】

   C02F 1/42 20230101AFI20231031BHJP

   H01M 8/04 20160101ALN20231031BHJP

【ＦＩ】

C02F1/42 A

H01M8/04 N

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022072479

(22)【出願日】2022-04-26

(71)【出願人】

【識別番号】000241500

【氏名又は名称】トヨタ紡織株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100105957

【弁理士】

【氏名又は名称】恩田 誠

(74)【代理人】

【識別番号】100068755

【弁理士】

【氏名又は名称】恩田 博宣

(72)【発明者】

【氏名】塚本 啓介

(72)【発明者】

【氏名】森下 豪人

(72)【発明者】

【氏名】堀内 洋志

【テーマコード（参考）】

4D025

5H127

【Ｆターム（参考）】

4D025AA06

4D025BA07

4D025BA24

4D025BB10

4D025BB18

5H127CC06

(57)【要約】

【課題】イオン交換樹脂を効率よく用いることができるイオン交換器を提供する。
【解決手段】イオン交換器は、並列に配置された複数のカートリッジ１２を備える。カートリッジ１２にはイオン交換樹脂が装填される。カートリッジ１２の並び方向に延びる導入通路１３には、複数のカートリッジ１２にそれぞれ繋がる複数の第１接続口１５が形成される。カートリッジ１２の並び方向に延びる導出通路１４には、複数のカートリッジ１２にそれぞれ繋がる複数の第２接続口１６が形成される。イオン交換器では、導入通路１３内を流れる冷却液が複数のカートリッジ１２を通過して導出通路１４に流出する。第１接続口１５における冷却液の流通断面積は、複数の第１接続口１５のうち導入通路１３の上流に位置するものほど小さくされている。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

並列に配置された複数のイオン交換樹脂収容部を備え、
前記イオン交換樹脂収容部の並び方向に延びる導入通路には、複数の前記イオン交換樹脂収容部にそれぞれ繋がる複数の第１接続口が形成され、
前記イオン交換樹脂収容部の並び方向に延びる導出通路には、複数の前記イオン交換樹脂収容部にそれぞれ繋がる複数の第２接続口が形成され、
前記導入通路内を流れる流体が複数の前記イオン交換樹脂収容部を通過して前記導出通路に流出するイオン交換器において、
前記第１接続口における前記流体の流通断面積が、複数の前記第１接続口のうち前記導入通路の上流に位置するものほど小さくされているイオン交換器。

【請求項2】

並列に配置された複数のイオン交換樹脂収容部を備え、
前記イオン交換樹脂収容部の並び方向に延びる導入通路には、複数の前記イオン交換樹脂収容部にそれぞれ繋がる複数の第１接続口が形成され、
前記イオン交換樹脂収容部の並び方向に延びる導出通路には、複数の前記イオン交換樹脂収容部にそれぞれ繋がる複数の第２接続口が形成され、
前記導入通路内を流れる流体が複数の前記イオン交換樹脂収容部を通過して前記導出通路に流出するイオン交換器において、
複数の前記第１接続口のうち前記導入通路の最上流に位置する前記第１接続口に接続された前記イオン交換樹脂収容部に繋がる前記第２接続口は、他の第２接続口よりも前記流体の流通断面積が小さくされているイオン交換器。

【請求項3】

前記導出通路内の前記流体の流れ方向は、前記導入通路内の前記流体の流れ方向と同じであり、
前記第２接続口における前記流体の流通断面積は、複数の前記第２接続口のうち前記導出通路の上流に位置するものほど小さくされている請求項２に記載のイオン交換器。

【請求項4】

並列に配置された複数のイオン交換樹脂収容部を備え、
前記イオン交換樹脂収容部の並び方向に延びる導入通路には、複数の前記イオン交換樹脂収容部にそれぞれ繋がる複数の第１接続口が形成され、
前記イオン交換樹脂収容部の並び方向に延びる導出通路には、複数の前記イオン交換樹脂収容部にそれぞれ繋がる複数の第２接続口が形成され、
前記導入通路内を流れる流体が複数の前記イオン交換樹脂収容部を通過して前記導出通路に流出するイオン交換器において、
前記導出通路における複数の前記第２接続口よりも下流には、前記導出通路における前記流体の流通断面積を小さくする絞り部が形成されているイオン交換器。

【請求項5】

複数の前記イオン交換樹脂収容部は、イオン交換樹脂が装填される複数の同じ形状のカートリッジであって、
前記カートリッジは、イオン交換器の本体ケースに対し、取り外し可能に取り付けられるものである請求項１～４のいずれか一項に記載のイオン交換器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、イオン交換器に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１に示されるイオン交換器は、並列に配置された複数のイオン交換樹脂収容部を備えている。これらイオン交換樹脂収容部にはイオン交換樹脂が装填される。イオン交換器には、流体を流すための導入通路及び導出通路が形成される。導入通路及び導出通路は、複数のイオン交換樹脂収容部の並び方向に延びている。導入通路には、複数のイオン交換樹脂収容部にそれぞれ繋がる複数の第１接続口が形成されている。導出通路には、複数のイオン交換樹脂収容部にそれぞれ繋がる複数の第２接続口が形成されている。上記イオン交換器では、導入通路内を流れる流体が複数のイオン交換樹脂収容部を通過して導出通路に流出する。そして、イオン樹脂収容部を上記流体が通過するとき、イオン交換樹脂によって上記流体からイオンが取り除かれる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特許第４４５４２２１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１のイオン交換器では、複数のイオン交換樹脂収容部のうち、導入通路の上流に位置するものほど、流体が流れやすくなる。このため、導入通路の上流に位置するイオン交換樹脂収容部ほど、その内部に装填されたイオン交換樹脂の劣化が早くなる。このように複数のイオン交換樹脂収容部毎にイオン交換樹脂の劣化の進み具合が異なる場合、イオン交換器全体のイオン交換樹脂を効率よく用いることが困難になる。

【課題を解決するための手段】

【0005】

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、並列に配置された複数のイオン交換樹脂収容部を備える。イオン交換樹脂収容部の並び方向に延びる導入通路には、複数のイオン交換樹脂収容部にそれぞれ繋がる複数の第１接続口が形成される。イオン交換樹脂収容部の並び方向に延びる導出通路には、複数のイオン交換樹脂収容部にそれぞれ繋がる複数の第２接続口が形成される。上記イオン交換器では、導入通路内を流れる流体が複数のイオン交換樹脂収容部を通過して導出通路に流出する。上記第１接続口における流体の流通断面積は、複数の第１接続口のうち導入通路の上流に位置するものほど小さくされている。

【0006】

上記構成によれば、導入通路の上流に位置するイオン交換樹脂収容部ほど、第１接続口から流体が流れ込みにくくなる。これにより、導入通路の上流に位置するイオン交換樹脂収容部ほど流体が流れやすくなることを抑制でき、複数のイオン交換樹脂収容部を通過する流体の流量を互いに近い値とすることができる。その結果、導入通路の上流に位置するイオン交換樹脂収容部ほど、その内部に装填されたイオン交換樹脂の劣化が早くなることを抑制できる。このように複数のイオン交換樹脂収容部毎にイオン交換樹脂の劣化の進み具合に違いが生じることを抑制することにより、イオン交換器全体のイオン交換樹脂を効率よく用いることができる。

【0007】

上記課題を解決するイオン交換器は、並列に配置された複数のイオン交換樹脂収容部を備える。イオン交換樹脂収容部の並び方向に延びる導入通路には、複数のイオン交換樹脂収容部にそれぞれ繋がる複数の第１接続口が形成される。イオン交換樹脂収容部の並び方向に延びる導出通路には、複数のイオン交換樹脂収容部にそれぞれ繋がる複数の第２接続口が形成される。上記イオン交換器では、導入通路内を流れる流体が複数のイオン交換樹脂収容部を通過して導出通路に流出する。複数の第１接続口のうち導入通路の最上流に位置する第１接続口に接続されたイオン交換樹脂収容部に繋がる第２接続口は、他の第２接続口よりも流体の流通断面積が小さくされている。

【0008】

上記構成によれば、導入通路の最上流に位置するイオン交換樹脂収容部に接続される第２接続口における流体の流通面積が他の第２接続口よりも小さくされる。このため、導入通路の最上流に位置するイオン交換樹脂収容部は、他のイオン交換器収容よりも、第１接続口から流体が流れ込みにくくなる。その結果、導入通路の最上流に位置するイオン交換樹脂収容部を通過する流体の流量を、他のイオン交換器収容部を通過する流体の流量に近い値とすることができる。従って、導入通路の最上流に位置するイオン交換樹脂収容部の内部に装填されたイオン交換樹脂が、他のイオン交換樹脂収容部の内部に装填されたイオン交換樹脂よりも、早く劣化することを抑制できる。このように複数のイオン交換樹脂収容部毎にイオン交換樹脂の劣化の進み具合に違いが生じることを抑制することにより、イオン交換器全体のイオン交換樹脂を効率よく用いることができる。

【0009】

上記課題を解決するイオン交換器は、並列に配置された複数のイオン交換樹脂収容部を備える。イオン交換樹脂収容部の並び方向に延びる導入通路には、複数のイオン交換樹脂収容部にそれぞれ繋がる複数の第１接続口が形成される。イオン交換樹脂収容部の並び方向に延びる導出通路には、複数のイオン交換樹脂収容部にそれぞれ繋がる複数の第２接続口が形成される。上記イオン交換器では、導入通路内を流れる流体が複数のイオン交換樹脂収容部を通過して導出通路に流出する。上記導出通路における複数の第２接続口よりも下流には、導出通路における流体の流通断面積を小さくする絞り部が形成されている。

【0010】

上記構成によれば、導出通路に絞り部が形成されていることにより、導入通路から複数のイオン交換樹脂収容部を介して導出通路に流れる流体の流速が遅くされる。これにより、導入通路における上流に位置するイオン交換樹脂収容部ほど第１接続口から流体が流れ込みやすいとしても、複数のイオン交換樹脂収容部を通過する流体の流量を互いに近い値とすることができる。その結果、導入通路の上流に位置するイオン交換樹脂収容部ほど、その内部に装填されたイオン交換樹脂の劣化が早くなることを抑制できる。このように複数のイオン交換樹脂収容部毎にイオン交換樹脂の劣化の進み具合に違いが生じることを抑制することにより、イオン交換器全体のイオン交換樹脂を効率よく用いることができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】イオン交換器を示す略図である。

【図2】上記イオン交換器の内部を示す略図である。

【図3】イオン交換器の他の例を示す略図である。

【図4】イオン交換器の他の例を示す略図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、イオン交換器の一実施形態について、図１及び図２を参照して説明する。
図１に示すイオン交換器は、車両等に搭載される燃料電池を冷却するための冷却回路に設けられる。この冷却回路は、上記燃料電池を通過するよう冷却液を循環させるものである。燃料電池は、冷却回路を循環する冷却液によって冷却されることにより、発電時の温度上昇が抑制される。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。こうしたことを抑制するため、冷却回路に設けられた上記イオン交換器により、冷却液に含まれるイオンが取り除かれる。

【0013】

上記イオン交換器は、本体ケース１１と複数のカートリッジ１２とを備えている。カートリッジ１２は、イオン交換樹脂を装填することが可能となっており、イオン交換樹脂収容部としての役割を担う。カートリッジ１２は、本体ケース１１に対し取り外し可能に取り付けられている。本体ケース１１に取り付けられた各カートリッジ１２は、並列に配置されている。各カートリッジ１２は、同じ形状に形成されている。

【0014】

本体ケース１１には、上記冷却液を流すための導入通路１３及び導出通路１４が形成されている。導入通路１３及び導出通路１４は、複数のカートリッジ１２の並び方向に延びている。導入通路１３内を流れる流体（冷却液）流れ方向と、導出通路１４内を流れる流体（冷却液）の流れ方向とは、同じとなっている。詳しくは、導入通路１３内の冷却液は、図１の左から右に流れる。また、導出通路１４内の冷却液も、図１の左から右に流れる。

【0015】

導入通路１３には、複数のカートリッジ１２にそれぞれ繋がる複数の第１接続口１５が形成されている。第１接続口１５は、導入通路１３の上流から下流に向けて順に形成されており、導入通路１３の上流から下流に向けて順に配置された各カートリッジ１２にそれぞれ接続されている。導出通路１４には、複数のカートリッジ１２にそれぞれ繋がる複数の第２接続口１６が形成されている。第１接続口１５は、導入通路１３の上流から下流に向けて順に形成されており、導入通路１３の上流から下流に向けて順に配置された各カートリッジ１２にそれぞれ接続されている。

【0016】

上記イオン交換器では、冷却液が導入通路１３内を流れた後、各第１接続口１５を介して複数のカートリッジ１２内に流れ込む。更に、冷却液は、各カートリッジ１２内を通過した後、それぞれのカートリッジ１２に対応する第２接続口１６を介して導出通路１４に流出する。そして、冷却液が各カートリッジ１２を通過する際、カートリッジ１２内のイオン交換樹脂によるイオン交換を通じて冷却液からイオンが取り除かれる。

【0017】

＜カートリッジ１２及びその周辺の詳細＞
図２は、イオン交換器の内部を概略的に示している。図２に示すように、イオン交換器の本体ケース１１には、カートリッジ１２を取り付けるための複数の取付部１７が形成されている。取付部１７は、上方に向けて開口しており、その開口からカートリッジ１２を受け入れることが可能となっている。カートリッジ１２は、上端を閉塞した円筒状に形成されている。

【0018】

カートリッジ１２は、取付部１７の上方から上記開口を介して取付部１７の内部に差し込まれ、更に取付部１７に対してねじ込まれることにより、本体ケース１１に対し取り付けられる。また、本体ケース１１に取り付けられたカートリッジ１２は、取付部１７に対しねじ込むときと逆方向に回して緩めるとともに、取付部１７の開口から上方に抜き出されることにより、本体ケース１１から取り外される。こうした本体ケース１１に対するカートリッジ１２の取り外し及び取り付けにより、カートリッジ１２を新品に交換することができる。

【0019】

カートリッジ１２の内部にはチューブ部材１８が配置されている。チューブ部材１８は、カートリッジ１２の中心線に沿って延びている。チューブ部材１８の上端部は、複数の支持部材１９によりカートリッジ１２の内壁の上部に支持されている。複数の支持部材１９は、チューブ部材１８の周方向に間隔をおいて配置されている。チューブ部材１８の下端部は、複数の支持部材２０によってカートリッジ１２の内壁の下部に支持されている。複数の支持部材２０は、チューブ部材１８の周方向に間隔をおいて配置されている。

【0020】

支持部材１９の下側にはメッシュ２１が配置されている。支持部材２０の上側にはメッシュ２２が配置されている。そして、カートリッジ１２の内壁とチューブ部材１８との間であって、且つメッシュ２１とメッシュ２２との間には、イオン交換樹脂２３が保持（装填）されている。カートリッジ１２の内壁とチューブ部材１８との間におけるイオン交換樹脂２３が装填された箇所には、メッシュ２２及び各支持部材２０の隙間を介して冷却液を流入させることが可能となっている。また、上記イオン交換樹脂２３が装填された箇所からは、メッシュ２１及び各支持部材１９の隙間を介して冷却液を流出させることが可能となっている。

【0021】

本体ケース１１の下部には、上記導入通路１３が形成されている。導入通路１３の第１接続口１５は、本体ケース１１における取付部１７の下部に対し開口している。取付部１７の下部は、その取付部１７に取り付けられたカートリッジ１２のメッシュ２２及び各支持部材１９の隙間を介して、同カートリッジ１２の内壁とチューブ部材１８との間におけるイオン交換樹脂２３を装填した箇所に繋がっている。従って、導入通路１３の第１接続口１５は、本体ケース１１における取付部１７の下部、各支持部材２０の隙間、及びメッシュ２２を介して、カートリッジ１２におけるイオン交換樹脂２３を装填した箇所に繋がっている。

【0022】

本体ケース１１の下部には、上記導出通路１４も形成されている。導出通路１４の第２接続口１６は、本体ケース１１の取付部１７に取り付けられたカートリッジ１２におけるチューブ部材１８の下端部に接続されている。チューブ部材１８の内部は、カートリッジ１２の内部の上端部、各支持部材１９の隙間、及びメッシュ２１を介して、同カートリッジ１２の内壁とチューブ部材１８との間におけるイオン交換樹脂２３を装填した箇所に繋がっている。従って、導出通路１４の第２接続口１６は、チューブ部材１８の内部、カートリッジ１２の内部の上端部、各支持部材１９の隙間、及びメッシュ２１を介して、カートリッジ１２におけるイオン交換樹脂２３を装填した箇所に繋がっている。

【0023】

イオン交換器の導入通路１３内を流れる冷却液は、図２に矢印で示すように第１接続口１５、取付部１７の下部、各支持部材２０の隙間、及びメッシュ２２を介して、カートリッジ１２の内部におけるイオン交換樹脂２３を装填した箇所に流れ込む。更に、冷却液は、カートリッジ１２の内部におけるイオン交換樹脂２３の間を通過し、その後にメッシュ２１、各支持部材１９の隙間、カートリッジ１２の内部の上端部、チューブ部材１８、及び第２接続口１６を介して導出通路１４に流出する。

【0024】

＜第１接続口１５の詳細＞
上記イオン交換器では、本体ケース１１に複数のカートリッジ１２が並列に配置されている。更に、本体ケース１１には、それらカートリッジ１２の並び方向に延びるように導入通路１３が形成されている。この導入通路１３の上流から下流に向けて順に形成された複数の第１接続口１５が、それぞれカートリッジ１２に接続されている。こうした構造のイオン交換器では、導入通路１３の上流に位置するカートリッジ１２ほど、そのカートリッジ１２に第１接続口１５から冷却液が流れ込みやすくなる傾向がある。

【0025】

このことを考慮して、第１接続口１５における冷却液の流通断面積は、複数の第１接続口１５のうち導入通路１３の上流に位置するものほど小さくされている。詳しくは、図１及び図２の左（導入通路１３の上流）に位置する第１接続口１５の上記流通断面積は、図１及び図２の右（導入通路１３の下流）に位置する第１接続口１５の上記流通断面積よりも、小さくされている。

【0026】

次に、本実施形態のイオン交換器の作用効果について説明する。
第１接続口１５における冷却液の流通断面積が複数の第１接続口１５のうち導入通路１３の上流に位置するものほど小さくされているため、導入通路１３の上流に位置するカートリッジ１２ほど第１接続口１５から冷却液が流れ込みにくくなる。これにより、導入通路１３の上流に位置するカートリッジ１２ほど冷却液が流れやすくなることを抑制でき、複数のカートリッジ１２を通過する冷却液の流量を互いに近い値とすることができる。その結果、導入通路１３の上流に位置するカートリッジ１２ほど、その内部に装填されたイオン交換樹脂２３の劣化が早くなることを抑制できる。このように複数のカートリッジ１２毎にイオン交換樹脂２３の劣化の進み具合に違いが生じることを抑制することにより、イオン交換器全体のイオン交換樹脂２３を効率よく用いることができる。

【0027】

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。
・カートリッジ１２は、本体ケース１１に三つ以上設けられるものであってもよい。

【0028】

・導入通路１３の上流に位置する第１接続口１５ほど冷却液の流通断面積を小さくする代わりに、第２接続口１６を図３に示すように形成することも考えられる。詳しくは、導入通路１３の最上流に位置する第１接続口１５に接続されたカートリッジ１２に繋がる第２接続口１６を次のように形成する。すなわち、上記第２接続口１６における冷却液の流通断面積を、他の第２接続口１６における冷却液の流通断面積よりも小さくする。

【0029】

この場合、導入通路１３の最上流に位置するカートリッジ１２は、他のカートリッジ１２よりも、第１接続口１５から冷却液が流れ込みにくくなる。その結果、導入通路１３の最上流に位置するカートリッジ１２を通過する冷却液の流量を、他のカートリッジ１２を通過する冷却液の流量に近い値とすることができる。従って、導入通路１３の最上流に位置するカートリッジ１２の内部に装填されたイオン交換樹脂２３が、他のカートリッジ１２の内部に装填されたイオン交換樹脂２３よりも、早く劣化することを抑制できる。このように複数のカートリッジ１２毎にイオン交換樹脂２３の劣化の進み具合に違いが生じることを抑制することにより、イオン交換器全体のイオン交換樹脂２３を効率よく用いることができる。

【0030】

また、上記構成によれば、導出通路１４内における冷却液の流れ方向が導入通路１３内における冷却液の流れ方向と逆になるよう導出通路１４を形成した場合でも、上記効果と同じ効果が得られるようになる。

【0031】

・図３に示すイオン交換器において、本体ケース１１にカートリッジ１２を三つ以上設けるようにしてもよい。この場合、第２接続口１６における冷却液の流通断面積は、複数の第２接続口１６のうち導出通路１４の上流に位置するものほど小さくされる。この構成によれば、第１実施形態の効果と同様の効果が得られる。

【0032】

・図１に示すように第１接続口１５における冷却液の流通断面積を調整したり、図３に示すように第２接続口１６における冷却液の流通断面積を調整したりする代わりに、導出通路１４を図４に示すように形成することも考えられる。詳しくは、導出通路１４における複数の第２接続口１６よりも下流に、導出通路１４における冷却液の流通断面積を小さくする絞り部２４を形成する。

【0033】

この構成によれば、導出通路１４に絞り部２４が形成されていることにより、導入通路１３から複数のカートリッジ１２を介して導出通路１４に流れる冷却液の流速が遅くされる。これにより、導入通路１３における上流に位置するカートリッジ１２ほど第１接続口１５から冷却液が流れ込みやすいとしても、複数のカートリッジ１２を通過する冷却液の流量を互いに近い値とすることができる。その結果、導入通路１３の上流に位置するカートリッジ１２ほど、その内部に装填されたイオン交換樹脂２３の劣化が早くなることを抑制できる。このように複数のカートリッジ１２毎にイオン交換樹脂２３の劣化の進み具合に違いが生じることを抑制することにより、イオン交換器全体のイオン交換樹脂２３を効率よく用いることができる。

【0034】

・イオン交換樹脂２３が本体ケース１１に直接的に装填されるイオン交換器に適用してもよい。この場合、本体ケース１１に複数のイオン交換樹脂収容部が並列となるように形成され、それらイオン交換樹脂収容部にイオン交換樹脂２３が装填される。

【符号の説明】

【0035】

１１…本体ケース
１２…カートリッジ
１３…導入通路
１４…導出通路
１５…第１接続口
１６…第２接続口
１７…取付部
１８…チューブ部材
１９…支持部材
２０…支持部材
２１…メッシュ
２２…メッシュ
２３…イオン交換樹脂
２４…絞り部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】