(57)【要約】      （修正有）【課題】熱管理回路中の熱交換器であって、内部の熱伝導流体のイオン含有量が制限されなくてはならない、又は少なくとも制御されなくてはならない熱交換器に関する。【解決手段】熱伝導流体が第１熱伝導流体入口端部と第２熱伝導流体出口端部との間で通流する交換チューブ３を備えた熱交換器１であって、前記交換チューブ３の１つの端部に連結された少なくとも１つのウォーターボックス５ａ、５ｂを更に備えた熱交換器１において、前記ウォーターボックス５ａ；５ｂ内に取り外し可能に設置された少なくとも１つの消イオン化カートリッジ１５を備えている、熱交換器１を提供する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱伝導流体が第１熱伝導流体入口端部と第２熱伝導流体出口端部との間で通流する交換チューブ（３）を備えた熱交換器（１）であって、前記交換チューブ（３）の少なくとも１つの端部に連結された少なくとも１つのウォーターボックス（５ａ、５ｂ）を備え、且つ前記ウォーターボックス（５ａ；５ｂ）内に取り外し可能に設置された少なくとも１つの消イオン化カートリッジ（１５）を更に備えていることを特徴とする、熱交換器（１）。
【請求項２】
前記消イオン化カートリッジ（１５）が設置された前記ウォーターボックス（５ａ、５ｂ）は、アクセス開口部（９）と、前記開口部（９）用のプラグ（１１）とを備えている、ことを特徴とする前記請求項に記載の熱交換器（１）。
【請求項３】
前記消イオン化カートリッジ（１５）が設置された前記ウォーターボックス（５ａ、５ｂ）は、前記熱伝導流体を透過可能なカートリッジ支持体（１３）を備えている、ことを特徴とする前記請求項のいずれか一項に記載の熱交換器（１）。
【請求項４】
前記カートリッジ支持体（１３）は、前記ウォーターボックス（５ａ、５ｂ）と一体の単独部品である、ことを特徴とする前記請求項に記載の熱交換器（１）．
【請求項５】
前記カートリッジ支持体（１３）は、前記プラグ（１１）に固定されている、ことを特徴とする請求項２及び３に記載の熱交換器（１）。
【請求項６】
前記消イオン化カートリッジ（１５）は、前記ウォーターボックス（５ａ、５ｂ）に通じる、その流路内で前記熱伝導流体が通流する外面を有する消イオン化材料を含む、ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の熱交換器（１）。
【請求項７】
前記消イオン化カートリッジ（１５）は中空の中央柱部（１７）を備え、前記熱伝導流体の一部が消イオン化材料を通過することにより前記中空の中央柱部（１７）に入り得るようになっている、ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の熱交換器（１）。
【請求項８】
前記中空の中央柱部（１７）は、当該中央柱部（１７）に収容された前記熱伝導流体用の排出開口部（１９）に連結されている、ことを特徴とする前記請求項に記載の熱交換器（１）。
【請求項９】
消イオン化カートリッジ（１５）を有する前記ウォーターボックス（５ａ、５ｂ）は、
・熱伝導媒体が通流する第１部分（５１ａ、５１ｂ）と、
・熱伝導媒体が通流する第２部分（５２ａ、５２ｂ）と、を備え、
前記第１部分（５１ａ、５１ｂ）において、前記熱伝導流体は供給開口部（５０ａ）と交換チューブ（３）との間で通流するとともに、前記熱伝導流体の一部がイオン化材料を通過して前記中央柱部（１７）に入ることが可能であるか、又は、前記熱伝導流体は交換チューブ（３）と排出開口部（５０ｂ）との間で通流するとともに、前記熱伝導流体の一部がイオン化材料を通過した後に前記中央柱部（１７）から出ることが可能であり、
前記第２部分（５２ａ、５２ｂ）において、前記熱伝導流体は前記中央柱部（１７）と少なくとも１つの専用の交換チューブ（３）との間で通流するか、又は、前記熱伝導流体は少なくとも１つの専用の交換チューブ（３）と前記中央柱部（１７）との間で通流する、ことを特徴とする請求項７に記載の熱交換器（１）。
【請求項１０】
前記第１部分（５１ａ、５１ｂ）と前記第２部分（５２ａ、５２ｂ）との間の分離が、前記ウォーターボックス（５ａ、５ｂ）の内壁と前記消イオン化カートリッジ（１５）との間のシールフランジ（２１）によって作り出されている、ことを特徴とする前記請求項に記載の熱交換器（１）。
【請求項１１】
前記シールフランジ（２１）は、前記消イオン化カートリッジ（１５）に支承されている、ことを特徴とする前記請求項に記載の熱交換器（１）。
【請求項１２】
消イオン化カートリッジ（１５）を有する第１ウォーターボックス（５ａ）と第２ウォーターボックス（５ｂ）の双方を備えている、ことを特徴とする前記請求項のいずれか一項に記載の熱交換器（１）。
【請求項１３】
前記２つのカートリッジのうちの一方はアニオン樹脂を含み、他方はカチオン樹脂を含む、ことを特徴とする請求項１２に記載の熱交換器（１）。  
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱交換器の分野に関し、より具体的には、熱管理回路中の熱交換器であって、内部の熱伝導流体のイオン含有量が制限されなくてはならない、又は少なくとも制御されなくてはならない熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
流体中のイオン含有量を制限乃至制御するために、特に熱管理回路内の燃料電池を冷却するために使用される熱伝導流体のイオン含有量を制限乃至制御するために、熱管理回路において、例えばポンプと並列に消イオン化カートリッジを設置することが公知である。この場合の熱伝導流体内のイオン含有量の制限乃至制御は重要である。なぜならば、このような制限乃至制御により、燃料電池の内部腐食を加速させ、更には燃料電池の異なるセル同士の間の短絡を生じさせて燃料電池を破壊し得るような、熱伝導流体の電気伝導性を減少させることが可能だからである。
【０００３】
しかしながら、このような熱管理回路には、消イオン化カートリッジ専用の設置場所が必要となるが、これは特に例えば燃料電池を有する自動車のようにスペースが限られている場合に問題となる。
【発明の概要】
【０００４】
したがって、本発明の目的の１つは、従来技術の欠点を少なくとも部分的に改善することであり、内部の熱伝導流体内のイオン含有量が制限されなくてはならない、又は少なくとも制御されなくてはならない熱管理回路内での消イオン化カートリッジに関する新規な配置を提案する。
【０００５】
本発明は、熱伝導流体が第１熱伝導流体入口端部と第２熱伝導流体出口端部との間で通流する交換チューブを備えた熱交換器であって、前記交換チューブの少なくとも１つの端部に連結された少なくとも１つのウォーターボックスを更に備えた熱交換器において、前記ウォーターボックス内に取り外し可能に設置された少なくとも１つの消イオン化カートリッジを備えている、熱交換器に関する。
【０００６】
消イオン化カートリッジをウォーターボックスに組み込むことにより、使用されていないフリースペースを使用することができるとともに、主として熱管理回路の省スペース化を図ることができる。更に、熱管理回路において、イオンは熱交換器の高さ（レベル）において主に生じる。なぜならば、チューブは、通常金属からなるので金属イオンの提供元となるためと、ブレージングフラックス（ｂｒａｉｓｉｎｇ  ｆｌｕｘ）の残滓内にイオンが存在するためである。したがって、消イオン化カートリッジは、より良い効率のために、熱伝導流体における潜在的なイオン源にできるだけ近接して配置される。
【０００７】
本発明の一態様によれば、前記消イオン化カートリッジが設置された前記ウォーターボックスは、アクセス開口部と、前記開口部用のプラグとを備えている。
【０００８】
本発明の他の態様によれば、前記消イオン化カートリッジが設置された前記ウォーターボックスは、前記熱伝導流体を透過可能なカートリッジ支持体を備えている。
【０００９】
本発明の他の態様によれば、前記カートリッジ支持体は、前記ウォーターボックスと一体の単独部品である。
【００１０】
本発明の他の態様によれば、前記カートリッジ支持体は、前記プラグに固定されている。
【００１１】
本発明の他の態様によれば、前記消イオン化カートリッジは、前記熱伝導流体が前記ウォーターボックスに通じる、その流路内で通流する外面を有する消イオン化材料を含む。
【００１２】
本発明の他の態様によれば、前記消イオン化カートリッジは中空の中央柱部を備え、前記熱伝導流体の一部が消イオン化材料を通過することにより前記中空の中央柱部に入り得るようになっている。
【００１３】
本発明の他の態様によれば、前記中空の中央柱部は、当該中央柱部に収容された前記熱伝導流体用の排出開口部に連結されている。
【００１４】
本発明の他の態様によれば、消イオン化カートリッジを有する前記ウォーターボックスは、
・熱伝導媒体が通流する第１部分と、
・熱伝導媒体が通流する第２部分と、を備え、
前記第１部分において、前記熱伝導流体は供給開口部と交換チューブとの間で通流するとともに、前記熱伝導流体の一部がイオン化材料を通過して前記中央柱部に入ることが可能であるか、又は、前記熱伝導流体は交換チューブと排出開口部との間で通流するとともに、前記熱伝導流体の一部がイオン化材料を通過した後に前記中央柱部から出ることが可能であり、
前記第２部分において、前記熱伝導流体は前記中央柱部と少なくとも１つの専用の交換チューブとの間で通流するか、又は、前記熱伝導流体は少なくとも１つの専用の交換チューブと前記中央柱部との間で通流する。
【００１５】
本発明の他の態様によれば、前記第１部分と前記第２部分との間の分離が、前記ウォーターボックスの内壁と前記消イオン化カートリッジとの間のシールフランジによって作り出されている。
【００１６】
本発明の他の態様によれば、前記シールフランジは、前記消イオン化カートリッジに支承されている。
【００１７】
本発明の他の態様によれば、熱交換器は、消イオン化カートリッジを有する第１ウォーターボックスと第２ウォーターボックスの双方を備えている。
【００１８】
本発明の他の態様によれば、前記２つのカートリッジのうちの一方はアニオン樹脂を含み、他方はカチオン樹脂を含む。
【００１９】
本発明は、また、少なくとも１つの熱交換器を備えた、燃料電池用の熱管理回路に関する。
【００２０】
本発明による熱管理回路の一態様によれば、少なくとも１つの消イオン化カートリッジを備えた熱交換器は、自動車の前部に配置された熱交換器である。
【００２１】
本発明の他の特徴及び利点が、例示としての非制限的な例として示される以下の説明及び添付図面を精査することで、より明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】第１実施形態による熱交換器の概略図。
【図２】第２実施形態による熱交換器の概略図。
【図３】第３実施形態による熱交換器の概略図。
【図４】第４実施形態による熱交換器の概略図。
【図５】熱管理回路の概略図。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
異なる図面において、同一の要素には同一の参照符号が付されている。
【００２４】
以下の実施形態は例示である。１つ以上の実施形態について参照するが、これはそれぞれが１つの実施形態に関するということを必ずしも意味せず、又、ある特徴が単独の実施形態にのみ当てはまるということも意味しない。種々の実施形態の個々の特徴を組み合わせて他の実施形態を提供することも可能である。
【００２５】
図１乃至４は、熱管理回路１００（図５に示す）用の熱交換器１を示す。熱交換器１のイオン含有量が制御乃至少なくとも制限されなくてはならない。熱交換器１は、特に、熱伝導流体が第１熱伝導流体入口端部と第２熱伝導流体出口端部との間で通流する複数の交換チューブ３を備えている。
【００２６】
熱交換器１は、更に、第１ウォーターボックス５ａと、第２ウォータ−ボックス５ｂとを備えている。第１ウォーターボックス５ａは、熱伝導流体が供給開口部５０ａを介して到着する交換チューブ３の第１端部に連結している。第２ウォーターボックス５ｂは、熱伝導流体が排出開口部５０ｂを介して排出されるチューブ３の第２端部に連結している。
【００２７】
本発明によれば、熱交換器１は、ウォーターボックス５ａ、５ｂの少なくとも一方に取り外し可能に設置された少なくとも１つの消イオン化カートリッジ１５を備えている。消イオン化カートリッジ１５をウォーターボックス５ａ、５ｂに組み込むことにより、使用されていないフリースペースを使用することが可能になり、これにより、第１に熱管理回路１００の省スペース化を図ることができる。更に、熱管理回路１００において、イオンが熱交換器の高さ（レベル）において主に生成される。なぜならば、チューブは一般に金属からなるためであり（したがって金属イオンの提供元となる）、また、ブレージングフラックス（ｂｒａｉｓｉｎｇ  ｆｌｕｘ）の残滓内にイオンが存在するためである。
【００２８】
したがって、消イオン化カートリッジ１５は、より良い効率のために、熱伝導流体における潜在的なイオン源にできるだけ近接して配置されている。
【００２９】
消イオン化カートリッジ１５は、陽イオン及び陰イオンを捕捉可能なカチオン樹脂とアニオン樹脂の混合体等の公知の消イオン化材料からなる。したがって、消イオン化カートリッジ１５は、一定の使用時間後に交換されるべき消耗品である。消イオン化カートリッジ１５を熱交換器１に配置することにより、熱交換器１の配置を理由として消イオン化カートリッジ１５へのアクセスが簡単になる。例えば、自動車において、消イオン化カートリッジ１５への容易なアクセスのために、熱交換器１を前方に配置することが有利である。
【００３０】
熱交換器１は、単独の消イオン化カートリッジを、一方の第１ウォーターボックス５ａ又は他方の第２ウォーターボックス５ｂのいずれかに備え得る。
【００３１】
しかしながら、熱交換器１は、消イオン化カートリッジ１５を、第１ウォーターボックス５ａ及び第２ウォーターボックス５ｂの双方において備え得る。後者の場合、熱管理回路においてより大量の消イオン化材料が含まれ得るため、消イオン化性能が増大して熱伝導流体において可能な最低のイオン含有量を維持することができる。また、消イオン化カートリッジ１５の交換頻度を少なくすることもできる。
【００３２】
消イオン化カートリッジ１５の設置と交換を可能とするために、ウォーターボックス５ａ及び／又は５ｂは、消イオン化カートリッジ１５にアクセスできるようにするために、アクセス開口部９と、この開口部用のプラグ１１とを備えている。  
【００３３】
２つの変形例が図１及び２に示される第１の実施形態によれば、消イオン化カートリッジ１５は、ウォーターボックス５ａ及び／又は５ｂに収容されたカートリッジ支持体１３に配置されている。カートリッジ支持体１３は、熱伝導流体を透過可能である。
【００３４】
図１に示す第１変形例によれば、カートリッジ支持体１３は、プラグ１１に固定されている。したがって、プラグ１１が開口部９から取り外されるとき、カートリッジ支持体１３と消イオン化カートリッジ１５は同時に取り外される。
【００３５】
図２に示す第２変形例によれば、カートリッジ支持体１３は、ウォーターボックス５ａ、５ｂと一体の単独部品である。
【００３６】
第１実施形態によれば、消イオン化カートリッジ１５の消イオン化材料は外面を備え、この外面には、熱伝導流体がウォーターボックス５ａ、５ｂに通じる、その流路内で通流するとともに、イオンはこの外面に接触して捕捉される。熱伝導流体は、消イオン化カートリッジ１５の表面に残り、これにより、ウォーターボックス５ａ、５ｂ内の消イオン化カートリッジ１５の存在に関連する圧力降下が制限される。
【００３７】
図３及び４に示す他の実施形態によれば、消イオン化カートリッジ１５は、中空の中央柱部１７を備える。熱伝導流体の一部が消イオン化材料を通過することによりこの中央柱部１７に入り得る。
【００３８】
これらの実施形態において、圧力降下を制限するように熱伝導流体の一部のみが消イオン化材料を通過し、熱伝導流体の残りは交換チューブ３に入り込む。
【００３９】
図３に示す変形例によれば、中空の中央柱部１７は、この中央柱部１７に収容された熱伝導流体用の排出開口部１９に連結されている。排出開口部１９は熱管理回路１００に連結されており、消イオン化された熱伝導流体を熱管理回路１００に戻す。
【００４０】
記載しない変形例によれば、熱伝導流体を消イオン化カートリッジに通流させるが、その後熱交換器のチューブを通過させないことも可能である。この場合、消イオン化カートリッジは、ウォーターボックスに配設されたいわゆるバイパス開口部を備えている。
【００４１】
図４に示す他の変形例によれば、消イオン化カートリッジ１５を設けられたウォーターボックス５ａ、５ｂは、
・熱伝導媒体が通流する第１部分５１ａ、５１ｂと、
・熱伝導媒体が通流する第２部分５２ａ、５２ｂとを、を備えている。
消イオン化カートリッジ１５が第１ウォーターボックス５ａ内に配置されている場合、第１部分５１ａ、５１ｂにおいて、熱伝導流体は供給開口部５０ａと交換チューブ３との間を通流するとともに、熱伝導流体の一部は消イオン化材料を通過して中央柱部１７に入ることができるか、又は消イオン化カートリッジが第２ウォーターボックス５ｂ内に配置されている場合、熱伝導流体は、交換チューブ３と排出開口部５０ｂとの間を通流するとともに、熱伝導流体の一部は消イオン化材料を通過した後に中央柱部１７から出ることができる。
消イオン化カートリッジ１５が第１ウォーターボックス５ａ内に配置されている場合、第２部分５２ａ、５２ｂにおいて、熱伝導流体は、中央柱部１７と少なくとも１つの専用交換チューブ３との間を通流するか、又は消イオン化カートリッジ１５が第１ウォーターボックス５ａ内に配置されている場合、熱伝導流体は、少なくとも１つの専用交換チューブ３と中央柱部１７との間を通流する。
【００４２】
第１部分５１ａ、５１ｂと第２部分５２ａ、５２ｂとの間のシール密封性を確保するために、ウォーターボックス５ａ、５ｂの内壁と消イオン化カートリッジ１５との間のシールフランジ２１によってこれらの分離が作り出されている。
【００４３】
シールフランジ２１は、好適には、図４に示すように消イオン化カートリッジ１５によって支承されている。しかしながら、シールフランジ２１を支承するのはウォーターボックス５ａ、５ｂ自体であるという形態も完全に想定され得る。
【００４４】
図４に示すように、第２部分５２ａ、５２ｂは、プラグ１１の側方に作り出され得る。そして、消イオン化材料は、熱伝導流体を透過可能な支持要素２３によってプラグ１１に連結され得る。しかしながら、第１部分５１ａ、５１がプラグ１１に固定されており、第２部分５２ａ、５２ｂがプラグ１１の反対側に位置するという反対の形態も完全に想定され得る。
【００４５】
図５は、特に自動車の燃料電池の管理のための熱管理回路１００の例を示す。
【００４６】
通常エンジン室Ａに配置される熱管理回路１００は、燃料電池１０２の高さ（レベル）に配置された熱交換器内の熱伝導流体を分配するポンプ１０１と、第１点線矢印２０１により呈示される圧縮空気の流れ用のクーラー１０３と、を備えている。燃料電池１０２の高さ（レベル）に配置された熱交換器と、圧縮空気用クーラー１０３は、好適には、熱管理回路１００において並列に配置される。熱管理回路１００は、例えば四方弁等の熱伝導流体の方向を変更する装置１０４を備えている。装置１０４は、熱伝導流体の方向を、選択的に、
・少なくとも１つの消イオン化カートリッジ１５を備えた熱交換器１であって、第２点線矢印２０２によって呈示される外気流を生成するために少なくとも１つのファン１０９を備え得る前方パネルモジュールＢに配置された熱交換器に向けて、及び／又は、
・加熱、換気及び空調（ＨＶＡＣ）モジュールＣに配置された、車両の内部用の空気再加熱器１０７に向けて、
変更し得る。
また、ＨＶＡＣは、第３点線矢印２０３によって呈示される車両の内部用の気流を生成するように少なくとも１つのファン１０９を備え得る。また、熱管理回路１００は、車両の内部用の空気再加熱器１０７の上流に、熱伝導流体加熱装置１０５を備えている。
【００４７】
方向変更装置１０４は、必要であれば、例えば分路ダクト１１１によって熱伝導流体の方向をポンプ１００に直接向けるように変更することが可能である。
【００４８】
少なくとも１つの消イオン化カートリッジ１５を備えた熱交換器１が前方パネルモジュールＢに配置されていることにより、単数又は複数の消イオン化カートリッジ１５に、それらの交換を目的として簡単にアクセスすることができる。
【００４９】
したがって、少なくとも１つの消イオン化カートリッジ１５が熱交換器１内に直接組み込まれるため、熱伝導流体のイオン含有量が制御されるべき熱管理回路１００を組み込むための省スペース化を実現することができるとともに、イオン排出源の１つにできるだけ近接していることによりこの制御を向上することができ、且つ単数又は複数の消石化カートリッジの交換のためにこれにアクセスしやすくなることが明らかに理解される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【外国語明細書】
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