JP4168772B2 - 圧力センサの構造 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は高圧配管内の流体圧力を測定する圧力センサの取り付け構造に関し、特に超臨界ヒートポンプサイクルの高圧冷媒圧力の測定に好適である。
【０００２】
【従来の技術】
従来より知られている超臨界ヒートポンプサイクルにおいて、より運転効率を高めるためにヒートポンプサイクル中の高圧配管内の冷媒圧力を測定し、その測定値に基づいてヒートポンプサイクルの制御を行うことが検討されている。特許文献１には、１０ＭＰａ以上の高圧に耐えうる圧力センサが開示されている。以下、図５を用いてこのものの構成について説明する。
【０００３】
図５において、雄ネジ部５２１を有する金属製の本体ハウジング５０３に摺動自在な薄い金属製のシールダイヤフラム５０７が雄ネジ部５２１内側の圧力導入孔５０３ｂの一端に金属製の押さえ部材５１４とともにレーザー溶接で気密接合されている。樹脂からなるコネクタハウジング５０１には、内部保持するようにインサート成型されて一体に整形されたピン５０２ａ、５０２ｂが設けられている。この際、感圧素子収納部５０１ｄではピン５０２ａ、５０２ｂの各一端が突出するように配設され、その周辺にはシリコン系の気密部材５１１を入れる溝が同時に形成される。この溝はテーパ５２０を有している。また、ピン５０１ａ、５０２ｂはコネクタハウジング５０１内の圧力検出室にて後述の回路基板５１０を介してボンディングワイヤ５１２により感圧素子５０５に電気的に接続されている。
【０００４】
気密部材５１１は、半導体の感圧素子５０５を設ける感圧素子収納部５０１ｄにおけるピン５０２ａ及びピン５０２ｂとコネクタハウジング５０１との境界と、これらのピン５０２ａ、５０２ｂが圧力検出室内に配設する周辺個所の凹部の溝とを気密封止している。ここで温度変化に対する信頼性を高めるために、気密部材５１１よりも熱膨張係数の低い挿入部材５１９、例えばリング状の金属を入れて、全体として熱膨張計数差を小さくしている。
【０００５】
感圧素子収納部５０１ｄにおけるピン５０２ａ、５０２ｂの各一端には回路基板５１０が導電性接合部材５１５により電気的かつ機械的に接続されている。回路基板５１０には感圧素子５０５に電気的に接続し共働する処理回路が設けられており、はんだ付けや導電性接合部材５１５等で固定されたチップターミナル５０６を介して、感圧素子５０５と処理回路とがボンディングワイヤ５１２で電気的に接続されている。
【０００６】
また台座５０４はガラス等からなり、シリコンなどの接合部材５１８によりコネクタハウジング５０１に気密固定され、感圧素子５０５は台座５０４に陽極接合等で気密接合されている。このように、感圧素子収納部５０１ｄに設けられた感圧素子５０５は、前記回路基板５１０とボンディングワイヤ５１２により電気的に接続されている。
【０００７】
感圧素子５０５と台座５０４との間には圧力基準室５０９が形成され、真空にすることにより絶対圧力の検出を可能としている。一方、台座５０４とコネクタハウジング５０１の中心部に、それぞれの図のような破線で示す通気孔５０４ａ、５０１ａを設けて測定圧力の基準圧をコネクタ内部に持ってくることにより、容易に相対圧を検出することも可能となる。
【０００８】
また、コネクタハウジング５０１と押さえ部材５１４との間のシール性保つようにＯリング５０８が図示上下方向から挟み込まれ、本体ハウジング５０３の上端部５０３ａでコネクタハウジング５０１を本体ハウジング５０３に対して全周かしめ固定している。感圧素子収納部５０１ｄには感圧素子５０５および回路基板５１０が配置され、本体ハウジング５０３が接続された後、封入孔５０１ｂより真空封入等で封入されたフロロシリコンオイル等の封入液５１３が充填されて圧力検出室が構成される。封入液５１３充填後の封入孔５０１ｂは気密封止されるが、その封止手段として弾性部材５１６が挿入されている。弾性部材５１６は板状の小部材５１７を介して突起部５０１ｃを熱かしめにより変形させて固定し、封入孔５０１ｂを気密封止している。
【０００９】
【特許文献１】
特許第３１９８７７３号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上記の高圧圧力センサは主に自動車の燃料噴射圧力計測用に用いられており、被圧力計測部への取り付け方法は雄ネジ部５２１によるメタルシール構造（ねじ込み式）となっている。メタルシール構造は自動車の燃料のような液体を密閉するのには十分であるが、ヒートポンプサイクル高圧側の冷媒のような気体を密閉するには気密性が十分とは言えない。また、自動車の燃料噴射圧は常時高圧とならないのに対し、ヒートポンプサイクルの高圧側配管の冷媒圧力は常に高圧となっており、より高い気密性が求められる。したがって、超臨界ヒートポンプサイクルの高圧配管にメタルシール構造によって圧力センサを取り付けた場合、その接続部より配管内部の冷媒が漏れてしまう可能性がある。漏れてしまった冷媒を充填するためには、ヒートポンプサイクルユニットを不足した冷媒を充填することが可能な構造とする必要があり、コスト増加となってしまう。さらに、高圧の冷媒を追加封入するインフラが十分整備されていないため、実現が困難であるのが実状である。
【００１１】
本発明は上記のような問題点に鑑みて、超臨界ヒートポンプサイクルの接続部の気密性を保持しつつ、高圧圧力センサを高圧配管等に接続する方法および構造を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を達成するため、請求項１に記載した本発明は、圧力導入孔が貫通する円筒状の圧力導入部（１８）を備えたＳＵＳ製ハウジングと、樹脂製コネクタハウジングとを備える圧力センサ（１１）を、超臨界ヒートポンプサイクルの銅配管に取り付ける方法であって、一端に円環状の面取り部（２０ａ）を備える円筒状のＳＵＳからなるジョイント用コネクタの内周に設けられた挿入部（２０ｂ）に、銅チューブ（１９）を差込み、挿入部（２０ｂ）と銅チューブ（１９）の隙間及び、円環状の面取り部（２０ａ）を炉中ロー付けして、一端が銅で他端がＳＵＳのアダプタ（２２）を構成し、その後、アダプタ（２２）のＳＵＳ側を圧力センサ（１１）の圧力導入部（１８）の端面に合わせ、圧力導入部（１８）とアダプタ（２２）のＳＵＳ側との境界をレーザー溶接し、アダプタ（２２）の銅チューブ（１９）側を超臨界ヒートポンプサイクルの銅配管にロー付けにより接続することにより、メタルシール構造より気密性の高いロー付けによって、圧力センサと流体配管とを接続するという手段を採用した。
【００１３】
ＳＵＳ製ハウジングと、樹脂製のコネクタハウジングとを備える圧力センサを直接銅配管にロー付けすることは通常困難であるが、上記の手段を用いれば、ＳＵＳ製ハウジングと、樹脂製のコネクタハウジングとを備える高圧圧力センサを銅配管に接続部の気密性を保持しつつ接続することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
（第一の実施形態）
図１に本発明の圧力センサ取り付け構造が適用されるヒートポンプサイクルの給湯機の模式図を示す。
【００１５】
圧縮機１は冷媒を吸入圧縮する圧縮機構（図示せず）及び圧縮機構を駆動する電動モータ（図示せず）が一体となった電動圧縮機である。圧縮機１から吐出した冷媒は、冷媒と給湯水とを熱交換する水熱交換器２に流入する。この水熱交換器２は冷媒の流れと給湯水の流れとが対向するように構成された対向流型の熱交換器である。水熱交換器２から流出する冷媒は膨張弁３により減圧され、室外熱交換器４で大気中の熱を吸収する。室外熱交換器４から流出した冷媒はアキュムレータ５に入り、気相冷媒と液相冷媒とに分離される。アキュムレータ５はヒートポンプサイクル中の余剰冷媒を蓄える機能も持っている。
【００１６】
送風機６は室外熱交換器４に風量を調節しながら空気（外気）を送風することができ、圧縮機１、膨張弁３とともに後述する各センサの検出信号に基づいて電子制御装置（以下ＥＣＵと略す）７に制御されている。ＥＣＵ７には水熱交換器２から流出する冷媒の温度を検出する冷媒温度センサ８、水熱交換器２に流入する給湯水の温度を検出する第１温水温度センサ９、水熱交換器２から流出する給湯水の温度を検出する第２温水温度センサ１０、水熱交換器４から流出する冷媒の圧力（高圧側の冷媒圧力）を検出する冷媒圧力センサ１１等のセンサから検出信号が入力される。ここで高圧側の冷媒圧力とは圧縮機１の吐出側から膨張弁３の流入側に至る冷媒通路に存在する冷媒の圧力を言い、その圧力は圧縮機１の吐出圧および水熱交換器２内の冷媒圧にほぼ等しい。一方、低圧側の冷媒圧力とは、膨張弁３の流出側から圧縮機１の吸入側に至るまでの冷媒通路に存在する冷媒の圧力を言い、その圧力は圧縮機１の吸入圧および室外熱交換器４内の冷媒圧にほぼ等しい。ポンプ１２は水熱交換器２に給湯水を循環させると共に、その給湯水量を調節する電動ウォーターポンプである。また、閉止弁１３は水道管（図示せず）から給水される水道水が水熱交換器２に流入することを防止する役割を持つ。このポンプ１２と閉止弁１３もＥＣＵ７によって制御されている。
【００１７】
一つ又は複数個存在する保温タンク１４はステンレス等の耐食性に優れた金属製のタンク構造で、温水が貯蔵される。
【００１８】
一つ又は複数個の保温タンク１４のうち少なくとも一つには保温タンク１４内の温水温度を検出する温度センサ１７が上下方向に複数個設けられており、これらの温度センサ１７の検出温度もＥＣＵ７に入力されている。
【００１９】
次に図２および図３を参照して圧力センサ１１について述べる。圧力センサ１１は従来の技術の欄にて述べたものと同様の圧力センサ本体１８とロー付け用銅チューブ１９、ジョイント用ＳＵＳコネクタ２０から構成されている。配管への取り付け方法は、まずロー付け用銅チューブ１９をジョイント用ＳＵＳコネクタ２０の銅チューブ挿入部２０ｂに差し込み、挿入部２０ｂと銅チューブ１９との隙間及び、円環状の面取り部２０ａをリン青銅ろうで１０５０℃の炉中ロー付けを行い、一端が銅で他端がＳＵＳのアダプタ２２を作成する。
【００２０】
次に作成したアダプタ２２のＳＵＳコネクタ２０を圧力センサ本体１８の圧力導入部１８ｂに合わせ、３点以上の仮溶接をした後に圧力センサの面取り部１８ａとＳＵＳコネクタ２０との境界をレーザー溶接する。そしてアダプタ２２の銅チューブ１９側を、冷媒配管を構成する銅配管にロー付けする。このようにして配管に取り付けられた圧力センサは十分な気密性が確保でき、超臨界ヒートポンプサイクルの配管内の冷媒を漏らすことなく、冷媒圧力を測定することができる。
【００２１】
（参考例）
図４を参照して、参考例について述べる。第１の実施形態ではＳＵＳコネクタ２０と圧力センサ本体１８の面取り部１８ａとをレーザー溶接で溶接したが、本参考例ではリングプロジェクション溶接で溶接し、溶接部に剥離力がかからないようにナット２１で締め付け補強してある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 ヒートポンプ型給湯システムの模式図である。
【図２】 第１実施形態の高圧圧力センサの一部断面図である。
【図３】 第１実施形態の高圧圧力センサの斜視図である。
【図４】 参考例の高圧圧力センサの斜視図である。
【図５】 従来の圧力センサの構成を示す図である。
【符号の説明】
１・・・圧縮機、
２・・・水熱交換器、
３・・・膨張弁、
４・・・室外熱交換器、
５・・・アキュムレータ、
６・・・送風機、
７・・・電子制御装置、
８・・・冷媒温度センサ、
９・・・第１温水温度センサ、
１０・・・第２温水温度センサ、
１１・・・冷媒圧力センサ、
１２・・・電動ウォーターポンプ、
１３・・・閉止弁、
１４・・・タンク、
１７・・・温度センサ、
１８・・・圧力センサ本体、
１８ａ・・・圧力センサ面取り部、
１８ｂ・・・圧力導入孔、
１９・・・ロー付け用銅チューブ、
２０・・・ジョイント用ＳＵＳコネクタ、
２０ａ・・・ＳＵＳコネクタ円環状面取り部、
２０ｂ・・・ＳＵＳコネクタ銅チューブ挿入部、
２１・・・真鍮製ナット、
２２・・ロー付け用銅チューブとジョイント用ＳＵＳコネクタからなるアダプタ
５０１・・・コネクタハウジング、
５０１ａ・・・通気孔、
５０１ｂ・・・封入孔、
５０１ｃ・・・突起部、
５０１ｄ・・・感圧素子収納部、
５０２ａ・５０２ｂ・・・ピン、
５０３・・・本体ハウジング、
５０３ａ・・・本体ハウジング上端部、
５０３ｂ・・・圧力導入孔、
５０４・・・台座、
５０４ａ・・・通気孔、
５０５・・・感圧素子、
５０６・・・チップターミナル、
５０７・・・シールダイヤフラム、
５０８・・・Ｏリング、
５０９・・・圧力基準室、
５１０・・・回路基板、
５１１・・・気密部材、
５１３・・・封入液、
５１２・・・ボンディングワイヤ、
５１４・・・押さえ部材、
５１５・・・導電性接合部材、
５１６・・・弾性部材、
５１７・・・板状小部材、
５１８・・・接合部材、
５１９・・・挿入部材、
５２０・・・テーパ、
５２１・・・雄ネジ部。

Claims (3)

1. 圧力導入孔が貫通する円筒状の圧力導入部（１８）を備えたＳＵＳ製ハウジングと、樹脂製コネクタハウジングとを備える圧力センサ（１１）を、超臨界ヒートポンプサイクルの銅配管に取り付ける方法であって、
   一端に円環状の面取り部（２０ａ）を備える円筒状のＳＵＳからなるジョイント用コネクタの内周に設けられた挿入部（２０ｂ）に、銅チューブ（１９）を差込み、
   前記挿入部（２０ｂ）と前記銅チューブ（１９）の隙間及び、前記円環状の面取り部（２０ａ）を炉中ロー付けして、一端が銅で他端がＳＵＳのアダプタ（２２）を構成し、
   その後、前記アダプタ（２２）のＳＵＳ側を前記圧力センサ（１１）の前記圧力導入部（１８）の端面に合わせ、前記圧力導入部（１８）と前記アダプタ（２２）のＳＵＳ側との境界をレーザー溶接し、
   前記アダプタ（２２）の前記銅チューブ（１９）側を前記超臨界ヒートポンプサイクルの銅配管にロー付けにより接続することを特徴とする圧力センサの取り付け方法。
2. 前記アダプタ（２２）のＳＵＳ側を前記圧力センサ（１１）の前記圧力導入部（１８）の端面に合わせた後、前記アダプタ（２２）と前記圧力導入部（１８）を３点以上仮溶接し、
   その後、前記レーザー溶接を行うことを特徴とする請求項１に記載の圧力センサの取り付け方法。
3. 前記圧力導入部（１８）の外周に雄ネジ部が形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の圧力センサの取り付け方法。

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