(57)【要約】【課題】微小な冷媒流量を連続的に変化させることができるとともに、製造コストの上昇を招きにくい弁装置を具備した電気機器を提供する。【解決手段】流体を制御する弁装置を備えた電気機器であって、前記弁装置が、流体が流出又は流入する孔部を塞ぐ蓋体と、前記蓋体を駆動する駆動機構と、を備え、前記蓋体、及び、前記駆動機構が、所定平面に沿って平面的に配置されているとともに一体的に形成した。【選択図】図６
2019120303.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体を制御する弁装置を備えた電気機器であって、
前記弁装置が、
流体が流出又は流入する孔部を塞ぐ蓋体と、
前記蓋体を駆動する駆動機構と、を備え、
前記蓋体、及び、前記駆動機構が、前記所定平面に沿って平面的に配置されているとともに一体的に形成されていることを特徴とする電気機器。
【請求項２】
前記駆動機構が、熱膨張により変位が生じるように形成された駆動部を備えた請求項１記載の電気機器。
【請求項３】
前記駆動機構が、給電部と接続され、前記駆動部に電流を流して熱を発生させる動力部をさらに備えた備え、前記駆動部の熱膨張により前記蓋体に対して駆動力を発揮するように構成されている請求項２記載の電気機器。
【請求項４】
前記弁装置が、冷凍サイクルにおける絞り機構内に設けられ、
前記絞り機構に流出入する冷媒の流量を前記孔部を通じて制御するように構成されている請求項１乃至３いずれかに記載の電気機器。
【請求項５】
前記弁装置が、１つの流出口又は流入口に対して複数設けられ、各弁装置の開閉又は開度が独立に制御可能に構成されている請求項１乃至４いずれかに記載の電気機器。
【請求項６】
前記駆動部が、低抵抗部と、前記低抵抗部よりも抵抗値の高い高抵抗部と、を備えている請求項１乃至５いずれかに記載の電気機器。
【請求項７】
前記蓋体、又は、前記駆動機構の少なくとも一部の表面に金属膜又は絶縁膜が形成された請求項１乃至６いずれかに記載の電気機器。
【請求項８】
前記駆動機構と前記蓋体との間を仕切る仕切り壁が形成された請求項１乃至７いずれかに記載の電気機器。
【請求項９】
前記駆動部が、複数の熱膨張部を具備する請求項１乃至８いずれかに記載の電気機器。
【請求項１０】
前記孔部を基点として、前記蓋体及び前記駆動機構が前記所定平面上でらせん状に配置されている請求項１乃至９いずれかに記載の電気機器。
【請求項１１】
前記蓋体が前記孔部を通過する流体の流れる方向に対して垂直な方向に駆動するように前記駆動機構が構成されている請求項１乃至１０いずれかに記載の電気機器。
【請求項１２】
前記蓋体が最も変位した状態において前記蓋体と前記孔部との間の隙間が２０μｍ以上である請求項１乃至１１いずれかに記載の電気機器。
【請求項１３】
前記駆動機構が、
梃子によって前記駆動部の変位を拡大して前記蓋体へ伝達する変位拡大機構をさらに備え、
前記変位拡大機構が、
前記蓋体と前記駆動部との間に設けられる接続部と、
前記接続部において前記駆動部側の一部を固定し、当該接続部における支点を形成する第１固定部と、
前記駆動部と前記接続部との間を接続し、当該接続部における力点を形成する第１梁と、
前記蓋体において前記接続部側の一部を固定し、当該蓋体における支点を形成する第２固定部と、
前記接続部と前記蓋体との間を接続し、当該接続部における作用点を形成する第２梁と、を備えた請求項１乃至１２いずれかに記載の電気機器。
【請求項１４】
前記第１固定部から前記第２梁までの距離と、前記第１固定部から前記第１梁までの距離との比の値が５以上であり、
前記第２固定部から前記蓋体において前記孔部を塞ぐ先端部までの距離と、前記第２固定部から前記第２梁までの距離までの距離の比の値が５以上である請求項１３記載の電気機器。
【請求項１５】
前記変位拡大機構が、１乃至３段の梃子により前記駆動部の変位を拡大して前記蓋体へ伝達するように構成されている請求項１３又は１４記載の電気機器。
【請求項１６】
前記孔部と連通する流路にフィルタを備えた請求項１乃至１５いずれかに記載の電気機器。
【請求項１７】
前記孔部の前記蓋体側の開口部分が、当該蓋体側へと突出して縁を形成する請求項１乃至１６いずれかに記載の電気機器。
【請求項１８】
前記蓋体及び前記駆動機構がＳｉ基板内に形成されており、
前記孔部がガラス基板内に形成された貫通孔であり、
前記縁が前記ガラス基板に対して貫通孔の開口の周囲をメタライズ加工により蓋体側へと突出した金属あるいは金属膜である請求項１７記載の電気機器。
【請求項１９】
圧縮機と、
凝縮器と、
蒸発器と、
キャピラリ−チューブと、をさらに備え、
前記弁装置と前記キャピラリ−チューブが並列に設けられて絞り機構を構成する請求項１乃至１８いずれかに記載の電気機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば家電製品や産業機器の冷凍サイクルの絞り機構に用いられる弁装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
空気調和装置や冷蔵庫に代表される冷凍サイクルにおいて、凝縮器と蒸発器との間に設けられ、高温高圧の液冷媒を断熱膨張させるための絞り機構として電子膨張弁が用いられている。
【０００３】
従来、冷凍サイクルにおいて用いられている電子膨張弁としては、特許文献１に示されるような冷媒の流出口と連通する孔にニードルが差し込まれて蓋をする構造を備えたニードルバルブが用いられている。このものは、ニードルが孔に対して移動することに伴い、冷媒が流れることが可能となる開口面積が変化する。ニードルの孔に対する位置は例えばソレノイドによって制御でき、空気調和装置のように冷媒の流量が大きい用途では冷凍効率のよい流量を蒸発器に対して供給することができる。
【０００４】
しかしながら、冷蔵庫に使用される冷媒量は空気調和装置と比較して極端に少なく、上述した電子膨張弁を用いた場合の機構上の制約により定まってしまう流量制御の分解能では冷蔵庫の蒸発器に適した微小な流量変化に対して冷媒流量を追従することは難しい。すなわち、従来の電子膨張弁では、孔がニードルにより完全に塞がっている状態から僅かに空いた状態に変化しただけでも必要とされる冷媒流量よりも多くなってしまい、流量調整弁ではなく単なる開閉弁となってしまう。加えて、特許文献１に示されるようなニードルバルブは、部品点数が多く、例えば冷蔵庫に用いるには高コストであることも問題となる。
【０００５】
一方、特許文献２に示すようにバルブを小型に構成するために、１つの容器中にバイメタルにより駆動される複数の弁装置を配置したものもある。しかしながら、バイメタルで弁体を駆動するための機構を形成するために複数種類の部品を用いなくてはならず、同様に高コストとなる。
【０００６】
ＭＥＭＳ化によりバルブを小型化することも検討されているが、ＭＥＭＳは変位が小さく力が小さいため、冷蔵庫に必要な冷媒量を流すことは難しい。非特許文献１に示されるような微小変位を実現するアクチュエータをＭＥＭＳで実現した場合、変位が２０μｍの時に発生させる力がｍＮ未満と弱いため弁体を駆動できなかったり、ＭＰａの圧力が作用すると駆動できなかったりすることがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】実登３１４５０４８号公報
【特許文献２】実開昭５３−２３９２４号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Long Que, Jae-Sung Park, and Yogesh B. Gianchandani, “Bent-Beam Electrothermal Actuators-Part I; Single Beam and Cascaded Devices” JOURNAL OF MICROELECTROMECHANICAL SYSTEMS, VOL. 10 NO. 2, JUNE 2001 P247-253
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
そこで、本発明は上述したような問題を解決するためになされたものであり、微小な冷媒流量を連続的に変化させることができるとともに、製造コストの上昇を招きにくい、例えば冷凍サイクルの絞り機構に適した弁装置を備えた電気機器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
すなわち、本発明に係る電気機器は、流体を制御する弁装置を備えた電気機器であって、前記弁装置が、流体が流出又は流入する孔部を塞ぐ蓋体と、前記蓋体を駆動する駆動機構と、を備え、前記蓋体、及び、前記駆動機構が、前記所定平面に沿って平面的に配置されているとともに一体的に形成されていることを特徴とする。
【００１１】
このようなものであれば、前記蓋体、及び、前記駆動機構が、前記所定平面に沿って平面的に配置されているとともに一体的に形成されているので、弁装置自体をＭＥＭＳによって小型に形成することができ、例えば冷蔵庫のような少量の冷媒流量の変化を必要とする電気機器に適したものにできる。
【００１２】
微小構造によって前記蓋体を駆動するには、前記駆動機構が、熱膨張により変位が生じるように形成された駆動部を備えたものであればよい。
【００１３】
前記駆動部にヒータを設けて熱膨張を起こさせるのではなく、前記駆動部自体を発熱させて熱膨張により駆動するようにして、構造を簡素化できるようにするには、前記駆動機構が、給電部と接続され、前記駆動部に電流を流して熱を発生させる動力部をさらに備えた備え、前記駆動部の熱膨張により前記蓋体に対して駆動力を発揮するように構成されていればよい。
【００１４】
本発明に係る電気機器を用いた場合の効果が顕著となるものとしては、前記弁装置が、冷凍サイクルにおける絞り機構内に設けられ、前記絞り機構に流出入する冷媒の流量を前記孔部を通じて制御するように構成されているものが挙げられる。
【００１５】
例えば冷蔵庫の絞り機構のように小さい冷媒流量で実質的に連続的な流量変化を生じさせることを可能とするには、前記弁装置が、１つの流出口又は流入口に対して複数設けられ、各弁装置の開閉又は開度が独立に制御可能に構成されていればよい。
【００１６】
前記駆動機構を駆動するための消費電力を低減できるようにするには、前記駆動機構が、熱膨張によって前記所定平面に沿った方向へ変位が生じるように形成された駆動部と、給電部と接続され、前記駆動部に電流を流して熱を発生させる動力部と、を備え、前記駆動部が、低抵抗部と、前記低抵抗部よりも抵抗値の高い高抵抗部と、を備えていればよい。
【００１７】
前記駆動機構で発生する熱が流通する流体に奪われる熱損失を小さくし、効率よく熱膨張を起こして前記蓋体における変位を発生させられるようにするには、前記蓋体、又は、前記駆動機構の少なくとも一部の表面に金属膜又は絶縁膜が形成されたものであればよい。
【００１８】
前記駆動機構に対して流通する流体が接触しにくくし、駆動機構における熱が冷媒に奪われにくくするには、前記駆動機構と前記蓋体との間を仕切る仕切り壁が形成されたものであればよい。
【００１９】
前記駆動部で発生する駆動力を大きくでき、前記蓋体の変位量を大きくできるようにするには、前記駆動部が、同一方向に伸縮する複数の熱膨張部を具備するものであればよい。
【００２０】
前記弁体、及び、前記駆動機構を平面的に配置しながら、設置面積を小さくしつつ、前記蓋体の変位量を大きくできるようにするには、前記孔部を基点として、前記蓋体前記駆動機構が前記所定平面上でらせん状に配置されていればよい。
【００２１】
前記蓋体、及び、前記駆動機構が平面的に配置されている状態において、開度を大きく変化させられるようにするには、前記蓋体が前記孔部を通過する流体の流れる方向に対して垂直な方向に駆動するように前記駆動機構が構成されていればよい。
【００２２】
例えば冷蔵庫のような冷凍サイクルにおいて最大冷凍負荷がかかった場合でも十分な量の液体の冷媒を供給できるとともに、冷媒中に含まれる微小な異物や潤滑油によって前記弁装置が塞がれないようにするには、前記蓋体が最も変位した状態において前記蓋体と前記孔部との間の隙間が２０μｍ以上であればよい。
【００２３】
前記駆動部で発生した変位を拡大して前記蓋体の変位量を大きくするには、前記駆動機構が、梃子によって前記駆動部の変位を拡大して前記蓋体へ伝達する変位拡大機構をさらに備え、前記変位拡大機構が、前記蓋体と前記駆動部との間に設けられる接続部と、前記接続部において前記駆動部側の一部を固定し、当該接続部における支点を形成する第１固定部と、前記駆動部と前記接続部との間を接続し、当該接続部における力点を形成する第１梁と、前記蓋体において前記接続部側の一部を固定し、当該蓋体における支点を形成する第２固定部と、前記接続部と前記蓋体との間を接続し、当該接続部における作用点を形成する第２梁と、を備えたものであればよい。
【００２４】
前記蓋体への梃子の作用を大きくして、前記孔部に対する前記蓋体のスライド方向の変位量を拡大し、前記蓋体と前記孔部との間の隙間が２０μｍ以上となるようにでき、例えば冷蔵庫等の冷凍サイクルに適した冷媒流量制御を実現できるようにするには、前記第１固定部から前記第２梁までの距離と、前記第１固定部から前記第１梁までの距離との比の値が５以上であり、前記第２固定部から前記蓋体において前記孔部を塞ぐ先端部までの距離と、前記第２固定部から前記第２梁までの距離までの距離の比の値が５以上であればよい。
【００２５】
前記駆動部で発生する変位量が小さくても前記孔部と前記蓋体との間の変位量を十分に大きくできるようにするには、前記変位拡大機構が、多段の梃子により前記駆動部の変位を拡大して前記蓋体へ伝達するように構成されていればよい。
【００２６】
前記弁装置内に異物が流入し、前記孔部と前記蓋体との間が塞がれてしまうのを防げるようにするには、前記孔部と連通する流路にフィルタを備えたものであればよい。
【００２７】
前記蓋体が駆動される際に摺動する部分を小さくしつつ、前記蓋体により前記孔部を全閉できるようにするには、前記孔部の前記蓋体側の開口部分が当該蓋体側へと突出して縁を形成するものであればよい。
【００２８】
弁装置を複数枚の基板を積層及び接合してその構造を形成する場合に、前記縁が前記蓋体に接合されて蓋体が固定されてしまうのを防ぐには、前記蓋体及び前記駆動機構がＳｉ基板内に形成されており、前記孔部がガラス基板内に形成された貫通孔であり、前記縁が前記ガラス基板に対して貫通孔の開口の周囲をメタライズ加工により蓋体側へと突出した金属あるいは金属膜であればよい。
【００２９】
本発明に係る電気機器による効果が顕著となる構成としては、圧縮機と、凝縮器と、蒸発器と、キャピラリ−チューブと、をさらに備え、前記弁装置と前記キャピラリ−チューブが並列に設けられて絞り機構を構成するものが挙げられる。
【発明の効果】
【００３０】
このように本発明に係る電気機器であれば、前記孔部に対する前記蓋体の変位を微小に制御でき、例えば冷蔵庫のような冷凍サイクルにおいて生じる微小な冷媒の制御を実現し、冷凍効率を従来よりも向上させることができる。さらに、本発明に係る電気機器であれば、従来の電子膨張弁を小型化するのと比較して製造コストの上昇を招きにくい。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の一実施形態に係る冷蔵庫の冷凍回路を示す模式図。
【図２】同実施形態における絞り機構の外観を示す模式的斜視図。
【図３】同実施形態における絞り機構の内部構造を示す模式的斜視図。
【図４】同実施形態における絞り機構の内部構造を示す模式図。
【図５】同実施形態における複数個の弁装置がアレイ状に設けられた状態を示す模式的平面図。
【図６】同実施形態における１つの弁装置の構成を示す模式的分解斜視図。
【図７】同実施形態における１つの弁装置の構成を示す模式的平面図、及び、模式的Ａ−Ａ線断面図。
【図８】同実施形態における弁装置の駆動した状態を示す模式図。
【図９】同実施形態における弁装置の開閉動作を示す模式図。
【図１０】同実施形態における給電部の構成を示す模式図。
【図１１】同実施形態における複数の弁装置の開閉による流量制御結果の一例を示す模式的グラフ。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
本発明の一実施形態に係る弁装置６を備えた電気機器である冷蔵庫１００について各図を参照しながら説明する。
【００３３】
本実施形態の冷蔵庫１００は、図１の模式図に示すように圧縮機１、凝縮器２、絞り機構であり、弁装置６を具備する冷媒流量調整弁３と、絞り機構とは別の第２絞り機構であるキャピラリ−チューブ３Ａ、蒸発器４が一巡する冷凍サイクルである。
【００３４】
次に冷媒流量調整弁３を構成する弁装置６の詳細について説明する。
【００３５】
図２に示すように冷媒流量調整弁３は、概略半球状の中空の外殻部５と、前記外殻部５の底面から外部へと延びる複数の管状部材５３であり、冷凍サイクルの他の機器と接続される接続手段とを備えている。前記外殻部５は底面に複数の開口を有しており、それぞれの開口に対して接続手段が接続してある。すなわち、前記接続手段の１つの管状部材５３は前記凝縮器２から液体の冷媒が流入する入口となる流入口ＩＰに接続してある。また、他のもう１つの管状部材５３は前記蒸発器４へ冷媒を供給するための出口となる流出口ＯＰに接続してある。各管状部材５３は冷媒回路として内部圧力に耐えられるように例えば溶接等によって確実に接続される。図４に示すように流入口ＩＰ及び流出口ＯＰには冷媒中の微小なゴミ等を取り除くためのフィルタＦが設けられている。このフィルタＦのメッシュは例えば２０μｍよりも直径が大きい微小なゴミについては取り除かれるように構成されている。すなわち、２０μ以下の直径を有するものについては弁装置６内へと流入することになる。
【００３６】
前記外殻部５は、図２に示すように半球状のカバー５１と円板状のケース５２とから構成してあり、複数の部品からなるものである。後述する複数の弁装置６を前記カバー５１とケース５２内に収容した上で、カバー５１とケース５２の嵌め合わされる外縁部を溶接等の接合手段により封止するようにしてある。なお、本実施形態ではケース５２に流入口ＩＰ及び流出口ＯＰが設けてあるが、カバー５１に対して設けても良いし、カバー５１とケース５２のそれぞれに流入口ＩＰあるいは流出口ＯＰを設けるようにしてもよい。本実施形態ではケース５２の外周側に流入口ＩＰが形成してあり、ケース５２の中央部において一段掘り下げられた凹部内に流出口ＯＰが形成してある。
【００３７】
図３及び図４に示すように前記外殻部５の内部底面に開口する流出口ＯＰの上にはそれぞれ複数組の弁装置６が設けてある。すなわち、図３に示すように、ケース５２の中央部にある凹部を塞ぐように複数の弁装置６が形成された基板が覆いかぶせてある。各弁装置６を通過した流体は凹部において合流した後に流出口ＯＰへと流れる。これらの弁装置６は例えば基板上にＭＥＭＳ加工により形成されたものである。より具体的には、Ｓｉ基板ＳＳに対してリソグラフィ技術や深堀加工が可能なドライエッチング装置を用いたドライエッチングによって後述する各形状が形成される。また、Ｓｉ基板ＳＳの上下面にはガラス基板ＧＳ１、ＧＳ２が接合され、３層構造となっている。なお、各基板の厚みはほぼ同程度で200〜500μmに設定されている。
【００３８】
図５に示すように１つのＳｉ基板ＳＳには、６つの弁装置６が構成されている。各弁装置６の開閉、及び、その開度については個別に制御可能に構成されている。すなわち、本実施形態では冷蔵庫において必要となる最大能力時の冷媒流量を１つの弁装置６で実現するのではなく、複数の弁装置６の開閉、及び、開度の組み合わせで実現するようにしてある。
【００３９】
したがって、１つの流出口ＯＰに対して複数の弁装置６を設けることによって各弁装置６で個別に流量が制御された流体がケース５２の凹部で合流し、最終的に流出口ＯＰから流出する流量を微小な単位で調整できる。より具体的には、１つの流出口ＯＰに対して６組の弁装置６がアレイ状に配置してある。
【００４０】
次に１つの弁装置６に注目してその構造について図６乃至図９を参照しながら説明する。１つの弁装置６はＳｉ基板ＳＳ内に形成された蓋体６２及び駆動機構６Ｍが上下に配置されているガラス基板ＧＳ１、ＧＳ２の間で所定平面に沿った方向へスライド移動することで孔部６１との隙間が調整されるようにしてある。
【００４１】
より具体的には弁装置６は、図６に示すように、ケース５２の流出口ＯＰと連通するように形成された孔部６１と、孔部６１を塞ぐ蓋体６２と、蓋体６２に対して所定平面に沿った駆動力を付与する駆動機構６Ｍと、を備えたものである。
【００４２】
図６に示すように蓋体６２及び駆動機構６Ｍは１つのＳｉ基板ＳＳ内に平面的に配置されており、各部材が一体的に構成されている。本実施形態では、例えば基板内において各部材がつながって、一連なりになっていることで一体的に構成されている。また、蓋体６２及び駆動機構６ＭのようＳｉ基板ＳＳの平板方向に沿って駆動できるようにエッチング等により貫通溝を形成することでその構造が形成されている。
【００４３】
孔部６１は、下側のガラス基板ＧＳ２においてＳｉ基板ＳＳにおける蓋体６２の位置に対応するように形成した貫通孔である。開口形状に制限はないが例えば図６及び７に示すように円形状の開口を有するものであり、その直径は蒸発器４において必要とされる冷媒量に応じて設定してある。なお、孔部６１の横断面形状は矩形状やトラック状等様々なものであっても構わない。
【００４４】
図６に示すように、下側のガラス基板ＧＳ２にはＳｉ基板ＳＳにおいて蓋体６２及び駆動機構６Ｍが配置されている位置、及び、その可動範囲に対応する領域については一部エッチングによってザグリ加工が施してあり、蓋体６２及び駆動機構６Ｍと接触しないように凹みが形成してある。なお、図６には図示しないが上側にあるガラス基板ＧＳ１の下側面にも同様にザグリ加工が施してあり、上側のガラス基板ＧＳ１と蓋体６２及び駆動機構６Ｍと接触しないようにしてある。
【００４５】
また、図６及び図７の部分拡大図に示すように、孔部６１はガラス基板ＧＳ２に対して単純に貫通孔を形成したものではなく、ガラス基板ＧＳ２の凹み領域から蓋体６２側と突出させた縁６１ａを形成してある。すなわち、蓋体６２は縁６１ａとだけ接触するようにしてあり、蓋体６２の下面全体がガラス基板ＧＳ２に対して接触しないように構成してある。また、この縁６１ａはこの部分だけ蒸着等によってメタライズ加工を施すことで、厚みを大きくして蓋体６２と接触するようにしてある。例えば、ガラス基板ＧＳ２の他の面と同じ高さに保たれるように縁６１ａを残してエッチングし、蓋体６２に接触するようにすると、Ｓｉ基板ＳＳとガラス基板Ｓ２を接合する際に、蓋体６２と縁６１ａが接合されてしまい、蓋体６２が駆動できなくなる恐れがある。本実施形態ではザグリ加工により孔部６１の周囲を凹ました後に孔部６１の開口周囲にのみ金属膜を蒸着させて、縁６１ａを別途形成している。このようにして金属の縁６１ａとすることで、ガラス基板ＧＳ２とＳｉ基板ＳＳとを接合する際に蓋体６２と縁６１ａが接合されてしまうのを防ぐことができる。
【００４６】
また、本実施形態の孔部６１は、従来の膨張弁では例えば通電され冷却が開始されるような最大能力が必要となる運転状態に必要とされる最大量の冷媒を単位時間当たりに流せるようにΦ０．４ｍｍ程度の開口面積が設定されている。また、冷蔵庫１００の蒸発器４において必要とされる冷媒量の変化は微小であるため、仮に弁装置６を１つだけ設けた構成にして孔部６１の径をΦ０．４ｍｍに設定していると、必要となる冷媒量の制御分解能を実現するには前記蓋体６２を一桁μｍ単位で移動させる必要がある。本実施形態では上記のような小さな単位で蓋体６２の移動量の制御を実現しなくてもよく、より簡単な制御で必要となる冷媒の流量制御を実現するために複数の弁装置６を流出口ＯＰに対して設け、各弁装置６の孔部６１の直径をΦ０．４ｍｍよりも小さくしてある。また、すべての弁装置６を全開にした場合にΦ０．４ｍｍ相当の開口面積が実現されるようにしてある。また、弁装置６の開放個数を変化させることで前記流出口ＯＰから流出する冷媒の量を微小に変化させられるようにしてある。
【００４７】
駆動機構６Ｍは、図７及び図８に示すように、概略Ｕ字状に形成された駆動部６３と、駆動部６３の端部に設けられ、当該駆動部６３に電流を流す動力部６４と、駆動部６３において所定平面に沿って変位する部分と前記蓋体６２の一端との間を接続する概略Ｌ字状に軽視えされた接続部６５と、を備えている。すなわち、図６に示すようにこの実施形態の弁装置６は、平面視において前記孔部６１を起点として、蓋体６２、接続部６５、駆動部６３がらせん状に平面的に配置されている。
【００４８】
図７及び図８に示すように駆動部６３は概略Ｕ字形状をなしているが、幅寸法はほぼ同じに設定してあり、延伸方向に対する伸縮が接続部６５に対して作用するようにしてある。また、駆動部６３はＵ字の先端部に前記動力部６４の電極が配置してある。駆動部上面又は全体は、電流が流れた際にヒータとして動作するように構成してある。本実施形態では例えば各梁の上面がヒータとして動作するようにしてあり、表面は所定の抵抗値を有した低抵抗部として形成してあり、それ以外の部分は前記低抵抗部よりも抵抗値の高い高抵抗部としてある。具体的には、駆動部６３の上面に対してＣｒやＰｔ等の金属膜をスパッタ等により形成する、あるいは、ＰやＢ等を前記駆動部６３の上面にイオンドーピングにすることによってＰ型或いはＮ型の高濃度層を形成することによって、低抵抗部が形成してある。このようにして、駆動部６３に電流が流れる部分を限定して消費電力が抑えられるようにしてある。
【００４９】
動力部６４は、図７及び図８に示すように、給電部６Ｖに接続されるものであり、駆動部６３の低抵抗部に電流を流すための電極である。この動力部６４に対しては上側のガラス基板ＧＳ１の対応する位置に形成された貫通孔Ｈを介して配線されるようにしてある。この動力部６４は前記駆動部６３の端部の上面に対してＡｌやＣｕ等の金属をスパッタ等により蒸着させて概略正方形状に形成してある。前記駆動部６３において前記動力部６４の周囲には金属膜又は絶縁膜が形成してあり、熱損失を低減するようにしてある。
【００５０】
また、駆動機構６Ｍは、接続部６５において駆動部６３の変位が梃子の原理により拡大されて出力され、蓋体６２においても接続部６５の変位が梃子の原理により拡大されるように２段の梃子で構成された変位拡大構造を有している。また、駆動部６３と蓋体６２との間には、それぞれの間を仕切る仕切り壁６６が形成されている。この仕切り壁６６は、ガラス基板ＧＳ１、ＧＳ２に対して接合されており、蓋体６２側から駆動部６３側へと冷媒が流入しにくくしてある。
【００５１】
具体的に変位拡大機構は、蓋体６２と駆動部６３との間に設けられる接続部６５と、接続部６５において駆動部６３側の一部を固定し、当該接続部６５における支点を形成する第１固定部６５１と、蓋体６２において接続部６５側の一部を固定し、蓋体６２における支点を形成する第２固定部６５２と、駆動部６３と接続部６５との間を接続し、当該接続部における力点を形成する第１梁６５３と、接続部６５と蓋体６２との間を接続し、当該接続部６５における作用点を形成する第２梁６５４と、を備えている。
【００５２】
ここで、第１固定部６５１、第２固定部６５２、第１梁６５３、第２梁６５４は、駆動部６３、接続部６５、蓋体６２と比較して細く形成して、剛性を低く設定してある。すなわち、接続部６５、及び、蓋体６２の所定平面内における姿勢変化を各部材が弾性変形により許容するように構成されている。
【００５３】
すなわち、図８に示すように第１固定部６５１、第１梁６５３は、駆動部６３により接続部６５の一端が押引きされると、この第１固定部６５１を起点にして所定平面内において反時計回りに回転するようにしてある。
【００５４】
さらに言い換えると、接続部６５は、第１梁６５３の近傍にある第１固定部６５１を支点、第１梁６５３の接続点を力点、第２梁６５４の蓋体６２への接続点を作用点とする第３種梃子として作用するようにしてあり、駆動部６３で発生する伸縮の変位が、第２梁６５４の接続点において拡大される。
【００５５】
蓋体６２は、駆動部６３と同じ方向に延びる長方形状の部分と、長方形状の部分において接続部６５側の端部と、孔部６１側の端部に対称となるように配置された直角三角形状の部分とを備えた形状の概略Ｚ字状の部材である。接続部６５側の直角三角形状部分の斜辺に対して第２梁６５４が垂直に接続してある。また、この直角三角形状部分には第２固定部６５２が設けてあり、蓋体６２を所定平面内に固定保持するようにしてある。このため接続部６５が孔部６１から見て反時計回りに回転すると第２固定部６５４に接続されている点を基点として、蓋体６２は、時計回りに回転することになる。言い換えると、蓋体６２は、第２梁６５４の近傍にある第２固定部６５２を支点、第２梁６５４の接続点を力点、蓋体６２において孔部６１の近傍部分を作用点とする第３種梃子として作用するようにしてあり、第２梁６５４で発生する変位が、蓋体６２の孔部６１の近傍においてさらに拡大されるように構成してある。
【００５６】
次にフィルタＦを通過する２０μｍ以下の微小なゴミが蓋体６２と孔部６１との間に詰まってしまわないように、蓋体６２の移動により孔部６１に対して２０μｍ以上の隙間を形成できるようにするための寸法設定について説明する。本実施形態では、第１固定部６５１から前記第２梁６５４までの距離と、第１固定部６５１から前記第１梁６５３までの距離との比の値が５以上であり、第２固定部６５２から蓋体６２において孔部６１を塞ぐ先端部までの距離と、第２固定部６５２から第２梁６５４までの距離までの距離の比の値が５以上に設定してある。すなわち、駆動部６３の変位は、接続部６５の蓋体６２側の端部において５倍以上に拡大され、さらに、接続部６５の変位は蓋体６２においてさらに５倍以上に拡大されるようにしてある。したがって、蓋体６２の孔部６１近傍で生じる変位は、駆動部６３の変位の２５倍以上となるように構成されている。なお、駆動部６３の変位量は印加される電圧により制御でき、駆動部６３に印加される電圧が約６．２Ｖの時に電流値が２８０ｍＡの場合に蓋体６２の変位量は約６６μｍ程度となる。
【００５７】
このように、駆動部６３で所定平面に沿って発生する変位をまず接続部６５において拡大し、蓋体６２においてさらに拡大するように２段階の梃子を作用させることができる。この結果、駆動部６３の小さい変位を拡大して、図９に示すように蓋体６２を孔部６１の半径方向に対してスライド移動させて孔部６１を蓋体６２により開閉できる。また、この蓋体６２により孔部６１が覆われている面積は適宜制御でき、この隙間の大きさを変更することで、流入口から流出口へと通過する冷媒の流量を微小に制御することができる。本実施形態では図７に示すように全閉状態である孔部開度０の状態と、半開状態である孔部開度０．５の状態と、全開状態である孔部開度１の状態の少なくとも３つの状態を実現できるように構成してある。
【００５８】
本実施形態の給電部６Ｖの構成についてさらに説明する。給電部６Ｖは、図１０に示すように各弁装置６の動力部６４に電力を供給するために、外殻部５に設けられた接続端子ＴＭを具備する。この接続端子ＴＭは前記外殻部５の外部にある電力供給側から外殻内部の給電部６Ｖに電気的に接続するものであり、前記外殻部５に対して絶縁してある。前記接続端子は前記動力部６４に対して電気配線により接続することで、冷媒回路内外を隔離しつつ給電する。前記接続端子は冷媒回路内の冷媒による圧力に耐えられる必要があるので、接続端子はハーメチックシールにより気密封止してある。ハーメチックシールが施された端子は外殻部５に対して大きくなり、端子数によっては複数の弁装置６に対して個別に電気配線を直接接続しにくい場合がある。このような場合には、前記外殻部５内に中継基板を設けて、前記外殻部５に設けられる外部からの給電のための接続端子をまとめて端子数を減らしてもよい。この中継基板は電流の分配のためだけでなく、例えば弁装置６に設けられたセンサと組み合わせて外殻部５の内部において演算処理等も行い、各種制御を実行するように構成してもよい。
【００５９】
次に各弁装置６が全閉、全開、その中間の開度に制御される場合における、６組の弁装置６による冷媒流量制御について表１及び図１１を参照しながら説明する。
【００６０】
例えば６つの均一な同形状の弁装置６において、６つの蓋体６２の開度が全開である状態で流れる冷媒量が１００%とすると、表１に示すように１つの蓋体６２が全開である状態は約１７%となる。また、その１つの蓋体６２の開度が全開と全閉の中間である場合は約８%となり、１つの弁体が全開かつ、さらにもう一つの弁体の開度が全開と全閉の中間である場合は２５％となり、全てを組み合わせると、図９に示すように冷媒流量０〜１００％の中で１２段階の制御が可能となる。加えて、弁装置６の開度変化の微細化や開閉弁の数量とその組み合わせによって、冷蔵庫１００の実用上においてはほぼ無段階に近い変化を作り出すことも可能である。
【００６１】
【表１】
2019120303.tif 000003
【００６２】
このように本実施形態によれば、１つの弁装置６における蓋体６２の変位量を大きくしなくてもよく、冷媒流量の制御分解能を高くしつつ、蒸発器４において必要とされる冷媒の最大流量も十分に流せるように構成することができる。
【００６３】
以上のように、本実施形態の弁装置６によれば、ＭＥＭＳ加工により形成された複数の弁装置６によって、冷媒流量の制御分解能を冷蔵庫１００の蒸発器４において必要とされる微細なものにできる。したがって、従来であれば膨張弁であればオンオフ制御となってしまい、微細な冷媒流量の変化を与えることができなかったところ、本実施形態では冷蔵庫１００の使用状況等に応じた最適な冷媒流量を前記蒸発器４で実現でき、冷凍効率を向上させることができる。また、従来の構造で本実施形態のような制御分解能を実現しようとすると、膨張弁の製造コストが上昇したり、大型化してしまったりしていたが、本実施形態であれば安価で高分解能な膨張弁として構成できる。
【００６４】
その他の実施形態について説明する。
【００６５】
冷凍サイクルについては蒸発器４が複数並列に設けられているものであってもよい。このようなもの場合には、外殻部５内に１つの流入口ＩＰと複数の流出口ＯＰを設けておき、各流出口ＯＰをそれぞれ個別の蒸発器４に接続するとともに、各流出口ＯＰにそれぞれ弁装置６を設ければよい。このようなものであれば、各流出口ＯＰに設けられたそれぞれの弁装置６の開度を個別に制御することで、各蒸発器４への冷媒の供給量を独立に制御し、さらに冷凍効率を高めることができる。
【００６６】
冷凍サイクルの適用例としては、冷蔵庫に限られるものではなく、その他の用途であってもよい。また、本発明の電気機器は冷凍サイクルに限られるものではなく、流体の流量を制御する部分を有する電気機器であれば様々なものに適用可能である。
【００６７】
その他、本発明の趣旨に反しない限りにおいて様々な実施形態の組み合わせや変形を行っても構わない。
【符号の説明】
【００６８】
１００・・・冷蔵庫
１    ・・・圧縮機
２    ・・・凝縮器
３    ・・・冷媒流量調整弁
４    ・・・蒸発器
５    ・・・外殻部
６    ・・・弁装置
６１  ・・・孔
６２  ・・・蓋体
６３  ・・・駆動部
６４  ・・・動力部
６Ｖ  ・・・給電部
ＴＭ・・・接続端子
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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