JP4089553B2

JP4089553B2 - エジェクタ方式の減圧装置の製造方法

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Publication number: JP4089553B2
Application number: JP2003301446A
Authority: JP
Inventors: 豪太尾形; 裕嗣武内; 康弘山本; 安明磯村; 孝昌真木
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2003-08-26
Filing date: 2003-08-26
Publication date: 2008-05-28
Anticipated expiration: 2023-08-26
Also published as: JP2005069599A

Description

本発明は、圧縮機にて圧縮された高温・高圧の冷媒を放冷する放熱器、及び減圧された低温・低圧の冷媒を蒸発させる蒸発器を有し、低温側の熱を高温側に移動させる蒸気圧縮式冷凍機に適用されるエジェクタ方式の減圧装置、いわゆるエジェクタサイクル用のエジェクタに関するものである。

図６は、発明者が試作検討したエジェクタサイクル用のエジェクタであり、このエジェクタ４０は、流入する高圧冷媒の圧力エネルギーを速度エネルギーに変換して冷媒を等エントロピー的に減圧膨張させるノズル４１、ノズル４１から噴射する高い速度の冷媒流により蒸発器にて蒸発した気相冷媒を吸引しながら、ノズル４１から噴射する冷媒流とを混合する混合部４２、ノズル４１から噴射する冷媒と蒸発器３０から吸引した冷媒とを混合させながら速度エネルギーを圧力エネルギーに変換して冷媒の圧力を昇圧させるディフューザ４３、ノズル４１の絞り開度を調節する針状の弁棒４４、および弁棒４４を軸方向に変位させるステッピングモータ４５等から構成されたものである。

そして、弁棒４４は、円盤状のワッシャ４６を介してステッピングモータ４５のマグネットロータ４５ｂに保持されており、このワッシャ４６は、弁棒４４の軸方向端部を軸方向から押し潰すようにして弁棒４４にカシメ固定されている。

ところで、この試作検討に係るエジェクタ４０は、弁棒４４を軸方向に変位させてノズル４１の絞り開度を制御するものであるので、弁棒４４をマグネットロータ４５ｂに組み付けるに当たっては、ノズル４１に対する弁棒４４の基準位置（初期位置）を正確に決定する必要がある。

そこで、現状では、図７に示すように、弁棒４４の先端をノズル４１に当ててノズル４１に対する弁棒４４の位置を決めた状態で、弁棒４４の軸方向端部を軸方向から押し潰すようにして弁棒４４をワッシャ４６にカシメ固定している。

しかし、弁棒４４の先端をノズル４１に当てた状態で軸方向からカシメ力（カシメ荷重）を弁棒４４の軸方向端部に作用させて弁棒４４の端部を押し潰してワッシャ４６と弁棒４４とを固定しているので、カシメる際に、弁棒４４がノズル４１に食い込んでしまう、又は弁棒４４が変形してしまう等の不具合が発生し易い。

なお、弁棒４４はノズル４１に食い込んでしまうと、弁棒４４の作動不良を誘発するので、エジェクタサイクルの高圧側圧力が異常に上昇してしまう等の不具合が発生するおそれが高い。

本発明は、上記点に鑑み、弁棒を固定する際に、弁棒がノズルに食い込んでしまう、又は弁棒が変形してしまう等の不具合が発生することを防止することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明では、圧縮機にて圧縮された高圧の冷媒を放冷する放熱器（２０）、及び低圧の冷媒を蒸発させる蒸発器（３０）を有し、低温側の熱を高温側に移動させる蒸気圧縮式冷凍機に適用され、放熱器（２０）から流出した冷媒の圧力エネルギーを速度エネルギーに変換して冷媒を減圧膨張させるノズル（４１）と、ノズル（４１）から噴射する冷媒と蒸発器（３０）から吸引した冷媒とを混合させながら速度エネルギーを圧力エネルギーに変換して冷媒の圧力を昇圧させる昇圧部（４２、４３）と、針状に形成され、軸方向に変位することによってノズル（４１）の絞り開度を調節する弁棒（４４）と、弁棒（４４）が貫通し、弁棒（４４）を軸方向に変位させる駆動部（４５ｂ）と、弁棒（４４）のうちノズル（４１）と反対側の部位に配置され、弁棒（４４）が駆動部（４５ｂ）に対してノズル（４１）側に変位することを規制する保持部材（４６）とを備えるエジェクタ方式の減圧装置の製造方法であって、弁棒（４４）のノズル（４１）側における先端をノズル（４１）に当ててノズル（４１）に対する弁棒（４４）の位置を決めた状態で、弁棒（４４）と保持部材（４６）とを溶接により接合することを特徴とする。

これによると、弁棒（４４）のノズル（４１）側における先端をノズル（４１）に当ててノズル（４１）に対する弁棒（４４）の位置を決めた状態で、弁棒（４４）と保持部材（４６）とを溶接により接合するので、接合時に弁棒（４４）に軸方向の荷重（かしめ力）が作用しない。

したがって、弁棒（４４）には、接合時に弁棒（４４）や保持部材（４６）が移動しない程度の小さな荷重を加えるのみでよいので、弁棒（４４）がノズル（４１）に食い込んでしまう、又は弁棒（４４）が変形してしまう等の不具合が発生しない。

請求項２に記載の発明では、圧縮機にて圧縮された高圧の冷媒を放冷する放熱器（２０）、及び低圧の冷媒を蒸発させる蒸発器（３０）を有し、低温側の熱を高温側に移動させる蒸気圧縮式冷凍機に適用され、放熱器（２０）から流出した冷媒の圧力エネルギーを速度エネルギーに変換して冷媒を減圧膨張させるノズル（４１）と、ノズル（４１）から噴射する冷媒と蒸発器（３０）から吸引した冷媒とを混合させながら速度エネルギーを圧力エネルギーに変換して冷媒の圧力を昇圧させる昇圧部（４２、４３）と、針状に形成され、軸方向に変位することによってノズル（４１）の絞り開度を調節する弁棒（４４）と、弁棒（４４）が貫通し、弁棒（４４）を軸方向に変位させる駆動部（４５ｂ）と、弁棒（４４）のうちノズル（４１）と反対側の部位に配置され、弁棒（４４）が駆動部（４５ｂ）に対してノズル（４１）側に変位することを規制する保持部材（４６）とを備えるエジェクタ方式の減圧装置の製造方法であって、弁棒（４４）のノズル（４１）側における先端をノズル（４１）に当ててノズル（４１）に対する弁棒（４４）の位置を決めた状態で、弁棒（４４）の軸方向と略直交する方向からカシメ力を作用させて、保持部材（４６）を弁棒（４４）に食い込ませるようにして保持部材（４６）と弁棒（４４）とをかしめ固定することを特徴とする。

これによると、弁棒（４４）のノズル（４１）側における先端をノズル（４１）に当ててノズル（４１）に対する弁棒（４４）の位置を決めた状態で、弁棒（４４）の軸方向と略直交する方向からカシメ力を作用させて、保持部材（４６）を弁棒（４４）に食い込ませるようにして保持部材（４６）と弁棒（４４）とをかしめ固定するので、弁棒（４４）に軸方向の荷重（かしめ力）が作用しない。

したがって、弁棒（４４）には、固定時に弁棒（４４）や保持部材（４６）が移動しない程度の小さな荷重を加えるのみでよいので、弁棒（４４）がノズル（４１）に食い込んでしまう、又は弁棒（４４）が変形してしまう等の不具合が発生しない。

因みに、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

（第１実施形態）
本実施形態は、本発明に係るエジェクタ方式の減圧装置を給湯器用のエジェクタサイクルに適用したものであり、図１はエジェクタサイクル１の模式図であり、図２はエジェクタ４０、つまりエジェクタ方式の減圧装置の模式図であり、図３はエジェクタサイクルの全体のマクロ的作動を示すｐ−ｈ線図である。

圧縮機１０は冷媒を吸入圧縮するものであり、水冷媒熱交換器２０は圧縮機１０から吐出した冷媒と給湯水とを対向流れ状態で熱交換して給湯水を加熱することにより冷媒を冷却する放熱器である。

なお、圧縮機１０は電動モータ（図示せず。）により駆動されており、本実施形態では、吐出冷媒温度又は吐出冷媒圧力が所定値となるように圧縮機１０の回転数、つまり圧縮機１０から吐出する冷媒の流量を制御している。

因みに、本実施形態では、冷媒として二酸化炭素を用いているが、冷媒としてフロン（Ｒ４０４ａ)を用いてもよいことは言うまでもない。

なお、冷媒としてフロンを用いた場合には、水冷媒熱交換器２０にて冷媒が凝縮するが、冷媒として、二酸化炭素を用いた場合には、高圧側冷媒圧力は冷媒の臨界圧力以上となり、かつ、水冷媒熱交換器２０内で冷媒が凝縮することなく、冷媒入口側から冷媒出口側に向かうほど冷媒温度が低下するような温度分布を有する。

また、蒸発器３０は室外空気と液相冷媒とを熱交換させて液相冷媒を蒸発させることにより室外空気から熱を回収する吸熱器であり、エジェクタ４０は冷媒を減圧膨張させて蒸発器３０にて蒸発した気相冷媒を吸引するとともに、膨張エネルギーを圧力エネルギーに変換して圧縮機１０の吸入圧を上昇させるものである。なお、エジェクタ４０の詳細は後述する。

気液分離器５０はエジェクタ４０から流出した冷媒が流入するとともに、その流入した冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離して冷媒を蓄える気液分離手段であり、気液分離器５０の気相冷媒流出口は圧縮機１０の吸引側に接続され、液相冷媒流出口は蒸発器３０側の流入側に接続される。絞り６０は気液分離器５０から流出した液相冷媒を減圧する減圧手段である。

次に、エジェクタ４０について述べる。

エジェクタ４０は、図２に示すように、流入する高圧冷媒の圧力エネルギーを速度エネルギーに変換して冷媒を等エントロピ的に減圧膨張させるノズル４１、ノズル４１から噴射する高い速度の冷媒流により蒸発器３０にて蒸発した気相冷媒を吸引しながら、ノズル４１から噴射する冷媒流とを混合する混合部４２、及びノズル４１から噴射する冷媒と蒸発器３０から吸引した冷媒とを混合させながら速度エネルギーを圧力エネルギーに変換して冷媒の圧力を昇圧させるディフューザ４３等からなるものである。

なお、混合部４２においては、ノズル４１から噴射する冷媒流の運動量と、蒸発器３０からエジェクタ４０に吸引される冷媒流の運動量との和が保存されるように混合するので、混合部４２においても冷媒の静圧が上昇する。

一方、ディフューザ４３においては、通路断面積を徐々に拡大することにより、冷媒の動圧を静圧に変換するので、エジェクタ４０においては、混合部４２及びディフューザ４３の両者にて冷媒圧力を昇圧する。そこで、混合部４２とディフューザ４３とを総称して昇圧部と呼ぶ。

つまり、理想的なエジェクタ４０においては、混合部４２で２種類の冷媒流の運動量の和が保存されるように冷媒圧力が増大し、ディフューザ４３でエネルギーが保存されるように冷媒圧力が増大することがのぞましい。

因みに、本実施形態では、ノズル４１から噴出する冷媒の速度を音速以上まで加速するために、通路途中に通路面積が最も縮小した喉部を有するラバールノズル（流体工学（東京大学出版会）参照）を採用しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば先細ノズルを用いてもよい。

また、弁棒４４はノズル４１の絞り開度を調節する針状の弁体であり、その先端は円錐テーパ状に形成されている。そして、本実施形態では、アクチュエータ４５によりノズル４１内で弁棒４４をノズル４１の軸線方向に変位させることにより、ノズル４１の絞り開度の変化調整する。

なお、ノズル４１の絞り開度は、温度センサ（図示せず。）により高圧側の冷媒温度を検出し、圧力センサ（図示せず。）が検出した高圧側の冷媒圧力が温度センサの検出温度から決定される目標圧力となるように制御される。

ここで、目標圧力とは、高圧側の冷媒温度に対してエジェクタサイクルの成績係数が最も高くなるような高圧側冷媒圧力であり、本実施形態では、熱負荷が大きいときには、図３に示すように、ノズル４１に流入する高圧冷媒の圧力を冷媒の臨界圧力以上まで上昇させるようにノズル４１の絞り開度を制御し、熱負荷が小さいときには、高圧冷媒の圧力を臨界圧力以下とした状態でノズル４１に流入する冷媒が所定の過冷却度を有するようにノズル４１の絞り開度を制御する。

また、アクチュエータ４５は、ねじ機構を用いたステッピングモータであり、このアクチュエータ４５、つまりステッピングモータは、励磁コイル４５ａ、この励磁コイル４５ａにより誘起された磁界により回転して弁棒４４を変位させる駆動部をなすマグネットロータ４５ｂ、およびマグネットロータ４５ｂの回転運動をその回転角に比例した直線運動に変換するネジ部４５ｃ等からなるものである。

なお、ネジ部４５ｃは、マグネットロータ４５ｂと一体的に回転するもので、その外周部には雄ねじが形成され、この雄ねじと面するボディ４７の内周面には、雄ねじと螺合する雌ねじが形成されている。

また、弁棒４４はマグネットロータ４５ｂおよびネジ部４５ｃを貫通した状態で、ワッシャ４６を介してマグネットロータ４５ｂに保持されており、このワッシャ４６は、弁棒４４の軸方向端部のうちノズル４１側の反対にスポット溶接等の電気溶接にて接合されている。

なお、ワッシャ４６は、弁棒４４がマグネットロータ４５ｂに対してノズル４１側に変位することを規制する保持部材であり、マグネットロータ４５ｂを挟んでワッシャ４６と反対側に配置されたバネ４５ｄにより、弁棒４４がマグネットロータ４５ｂに対してノズル４１と反対側に変位することが規制される。

なお、エジェクタ４０の設置方向は、図２に示される上下方向に限定されない。

次に、エジェクタサイクルの概略作動を述べる（図３参照）。なお、図３の●で示される符号は、図１に示す●で示される符号位置における冷媒の状態を示すものである。

圧縮機１０から吐出した冷媒を水冷媒熱交換器２０側に循環させる。これにより、水冷媒熱交換器２０にて給湯水を加熱して冷却された冷媒は、エジェクタ４０のノズル４１にて等エントロピ的に減圧膨張して、音速以上の速度で混合部４２内に流入する。

そして、混合部４２に流入した高速冷媒の巻き込み作用に伴うポンプ作用（ＪＩＳＺ８１２６番号２．１．２．３等参照）により、蒸発器３０内で蒸発した冷媒が混合部４２内に吸引されるため、低圧側の冷媒が気液分離器５０→絞り６０→蒸発器３０→エジェクタ４０（昇圧部）→気液分離器５０の順に循環する。

一方、蒸発器３０から吸引された冷媒（吸引流）とノズル４１から吹き出す冷媒（駆動流）とは、混合部４２にて混合しながらディフューザ４３にてその動圧が静圧に変換されて気液分離器５０に戻る。

次に、本実施形態の作用効果を述べる。

ノズル４１に対する弁棒４４の基準位置（初期位置）を正確に決定する必要があるので、本実施形態においても、弁棒４４の先端をノズル４１に当ててノズル４１に対する弁棒４４の位置を決めた状態で、弁棒４４をワッシャ４６に固定するが、本実施形態では、弁棒とワッシャ４６とを溶接にて接合しているので、当然ながら弁棒４４に軸方向の荷重（かしめ力）が作用しない。

したがって、弁棒４４には、溶接時に弁棒４４やワッシャ４６が移動しない程度の小さな荷重を加えるのみでよいので、弁棒４４がノズル４１に食い込んでしまう、又は弁棒４４が変形してしまう等の不具合が発生しない。

また、弁棒４４をカシメ変形させないので、弁棒４４の材料として硬度の高い耐摩耗性に優れた金属材料を使用することができ、エジェクタ４０の耐久性を向上させることができる。

（第２実施形態）
第１実施形態では弁棒４４とワッシャ４６とを溶接したが、本実施形態では、図４に示すように、弁棒４４の軸方向と略直交する方向、つまり弁棒４４およびワッシャ４６の径方向からカシメ力（かしめ荷重）を作用させて、ワッシャ４６を弁棒４４に食い込ませるようにしてワッシャ４６と弁棒４４とを固定するものである。

なお、ワッシャ４６の内径側に突起部等の潰し代を設けておく、又は弁棒４４の外周側にワッシャ４６が食い込む溝等を設けておけば、ワッシャ４６と弁棒４４とを容易にカシメ固定することができる。

これにより、本実施形態では、弁棒４４には、カシメ時に弁棒４４やワッシャ４６が移動しない程度の小さな軸方向荷重が作用するのみで、ワッシャ４６と弁棒４４とをカシメ固定する際に、弁棒４４に軸方向のカシメ力が作用しないので、弁棒４４がノズル４１に食い込んでしまう、又は弁棒４４が変形してしまう等の不具合が発生しない。

（第３実施形態）
本実施形態は、図５に示すように、ワッシャ４６に代えて、軸用のＣＡ止め輪４６ａにて弁棒４４にマグネットロータ４５ｂに固定するものである。

なお、軸用のＣＡ止め輪４６ａとは、文献によっては、ＣＳ止め輪とも呼ばれるもので、軸（この場合は、弁棒４４）に止め輪を挿入する際の挿入力により内径側を強制的に拡げるようにして止め輪の内径側を軸（この場合は、弁棒４４）に食い込ませる止め輪である。

次に、本実施形態の特徴を述べる。

本実施形態では、ＣＡ止め輪４６ａを弁棒４４に装着する際には、弁棒４４に軸方向に荷重が作用するものの、この荷重は、軸方向端部をカシメる際のカシメ力に比べると十分に小さいので、弁棒４４がノズル４１に食い込んでしまう、又は弁棒４４が変形してしまう等の不具合が発生することは殆どない。

（その他の実施形態）
第１実施形態では、弁棒４４とワッシャ４６とを溶接したが、ろう接にて弁棒４４とワッシャ４６とを接合してもよい。

なお、「ろう接」とは、例えば「接続・接合技術」（東京電機大学出版局）に記載されているように、ろう材やはんだを用いて母材を溶融させないように接合する技術を言う。

因みに、融点が４５０℃以上の溶加材を用いて接合するときをろう付けと言い、その際の溶加材をろう材と呼び、融点が４５０℃以下の溶加材を用いて接合するときをはんだ付けと言い、その際の溶加材をはんだと呼ぶ。

また、第３実施形態では、ＣＡ止め輪を用いたが、本発明はこれに限定されるものではなく、止め輪の内径側を軸に食い込ませるタイプの止め輪であれば、他の止め輪であってもよい。

また、上述の実施形態では、弁棒４４を変位させるアクチュエータとして、ステッピングモータを用いたが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えばリニアソレノイドであってもよい。

また、上述の実施形態では、給湯器用のエジェクタサイクルに本発明を適用したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば空調装置用のエジェクタサイクルに本発明を適用してもよい。

また、本発明は、特許請求の範囲に記載された発明の趣旨に合致するものであればよく、上述の実施形態に限定されるものではない。

本発明のエジェクタサイクルの模式図である。本発明の第１実施形態に係るエジェクタの模式図である。ｐ−ｈ線図である。本発明の第２実施形態に係るエジェクタの要部を示す図である。本発明の第３実施形態に係るエジェクタの要部を示す図である。試作検討に係るエジェクタの模式図である。試作検討に係るエジェクタの問題点を示す図である。

符号の説明

４０…エジェクタ、４１…ノズル、４２…混合部、４３…ディフューザ、
４４…弁棒、４５…アクチュエータ（ステッピングモータ）、
４５ａ…励磁コイル、４５ｂ…マグネットロータ、４５ｃ…ネジ部。

Claims

圧縮機にて圧縮された高圧の冷媒を放冷する放熱器（２０）、及び低圧の冷媒を蒸発させる蒸発器（３０）を有し、低温側の熱を高温側に移動させる蒸気圧縮式冷凍機に適用され、
前記放熱器（２０）から流出した冷媒の圧力エネルギーを速度エネルギーに変換して冷媒を減圧膨張させるノズル（４１）と、
前記ノズル（４１）から噴射する冷媒と前記蒸発器（３０）から吸引した冷媒とを混合させながら速度エネルギーを圧力エネルギーに変換して冷媒の圧力を昇圧させる昇圧部（４２、４３）と、
針状に形成され、軸方向に変位することによって前記ノズル（４１）の絞り開度を調節する弁棒（４４）と、
前記弁棒（４４）が貫通し、前記弁棒（４４）を前記軸方向に変位させる駆動部（４５ｂ）と、
前記弁棒（４４）のうち前記ノズル（４１）と反対側の部位に配置され、前記弁棒（４４）が前記駆動部（４５ｂ）に対して前記ノズル（４１）側に変位することを規制する保持部材（４６）とを備えるエジェクタ方式の減圧装置の製造方法であって、
前記弁棒（４４）の前記ノズル（４１）側における先端を前記ノズル（４１）に当てて前記ノズル（４１）に対する前記弁棒（４４）の位置を決めた状態で、前記弁棒（４４）と前記保持部材（４６）とを溶接により接合することを特徴とするエジェクタ方式の減圧装置の製造方法。
圧縮機にて圧縮された高圧の冷媒を放冷する放熱器（２０）、及び低圧の冷媒を蒸発させる蒸発器（３０）を有し、低温側の熱を高温側に移動させる蒸気圧縮式冷凍機に適用され、
前記放熱器（２０）から流出した冷媒の圧力エネルギーを速度エネルギーに変換して冷媒を減圧膨張させるノズル（４１）と、
前記ノズル（４１）から噴射する冷媒と前記蒸発器（３０）から吸引した冷媒とを混合させながら速度エネルギーを圧力エネルギーに変換して冷媒の圧力を昇圧させる昇圧部（４２、４３）と、
針状に形成され、軸方向に変位することによって前記ノズル（４１）の絞り開度を調節する弁棒（４４）と、
前記弁棒（４４）が貫通し、前記弁棒（４４）を前記軸方向に変位させる駆動部（４５ｂ）と、
前記弁棒（４４）のうち前記ノズル（４１）と反対側の部位に配置され、前記弁棒（４４）が前記駆動部（４５ｂ）に対して前記ノズル（４１）側に変位することを規制する保持部材（４６）とを備えるエジェクタ方式の減圧装置の製造方法であって、
前記弁棒（４４）の前記ノズル（４１）側における先端を前記ノズル（４１）に当てて前記ノズル（４１）に対する前記弁棒（４４）の位置を決めた状態で、前記弁棒（４４）の軸方向と略直交する方向からカシメ力を作用させて、前記保持部材（４６）を前記弁棒（４４）に食い込ませるようにして前記保持部材（４６）と前記弁棒（４４）とをかしめ固定することを特徴とするエジェクタ方式の減圧装置の製造方法。