(57)【要約】【課題】流量制御弁装置とその製造方法およびこれを用いた熱交換装置を提供する。【解決手段】本発明の流量制御弁装置は、上部流路管と下部流路管とからなり、流体を案内する流路管120と、流路管に垂直に取り付けられ、前記流体を通過させる開口が形成された密閉手段108と、前記開口の開閉を制御する開閉手段101と、前記流路管の外周面に沿って取付けられ、前記開口の開閉を制御するための電流を印加する印加手段107とを備える。この構成により、ソレノイドコイルに印加される電流を用いて永久磁石弁部材101の変位を変化させて開口105の開放面積を線形的に制御し、開口の開閉動作を行うことで、より安価で小型化した装置が可能である。また、熱交換装置に適用すれば、冷房効率を容易に調節することができる。【選択図】 図１
2004324886.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
上部流路管と下部流路管とからなり、流体を案内する流路管と、
前記流路管に垂直に取り付けられ、前記流体を通過させる開口が形成された密閉手段と、
前記開口の開閉を制御する開閉手段と、
前記流路管の外周面に沿って取り付けられ、前記開口の開閉を制御するための電流が印加される印加手段と、
を備えることを特徴とする流量制御弁装置。
【請求項２】
前記密閉手段は、前記下部流路管の内周面の周りに沿って取り付けられることを特徴とする請求項１に記載の流量制御弁装置。
【請求項３】
前記開閉手段は、
前記開口を開閉させる永久磁石弁部材と、
前記永久磁石弁部材を吊り下げるための支持部材と、
を有することを特徴とする請求項１に記載の流量制御弁装置。
【請求項４】
前記永久磁石弁部材は、予め磁化され、所定方向の磁気双極子モーメントが生成されていることを特徴とする請求項３に記載の流量制御弁装置。
【請求項５】
前記永久磁石弁部材は、前記印加手段に印加される電流の強さに比例して線形的に変化できる変位量を有することを特徴とする請求項３に記載の流量制御弁装置。
【請求項６】
前記永久磁石弁部材は、円筒形であり、一側がテーパ状となっていることを特徴とする請求項３に記載の流量制御弁装置。
【請求項７】
前記支持部材は、
前記永久磁石弁部材が挿入・固定される通孔が形成されたハブと、
前記永久磁石弁部材を支持すると共に前記永久磁石弁部材の変位の反対方向に弾性復元力を与える弾性たわみ部材と、
一側が前記下部流路管の内周面の周りに沿って固定され、他側が前記弾性たわみ部材と連結される固定部と、
を有することを特徴とする請求項３に記載の流量制御弁装置。
【請求項８】
前記ハブ、前記弾性たわみ部材および前記固定部は、同一の材質からなることを特徴とする請求項７に記載の流量制御弁装置。
【請求項９】
前記流体の流失を防止するために、前記固定部の上下に第１および第２のガスケットが挿入され、前記第１のガスケットの下面には、前記下部流路管が接触され、前記第２のガスケットの上面には、前記上部流路管が接触されることを特徴とする請求項７に記載の流量制御弁装置。
【請求項１０】
前記開閉手段の厚さが、前記開口の直径より少なくともさらに大きくなるように形成されることを特徴とする請求項１に記載の流量制御弁装置。
【請求項１１】
前記印加手段は、束にされた形状のソレノイドコイルであることを特徴とする請求項１に記載の流量制御弁装置。
【請求項１２】
前記ソレノイドコイルは、少なくとも１つ以上設けられていることを特徴とする請求項１１に記載の流量制御弁装置。
【請求項１３】
前記ソレノイドコイルは、ヨークハウジングで覆われていることを特徴とする請求項１１に記載の流量制御弁装置。
【請求項１４】
前記印加手段に印加される電流の方向に沿って永久磁石弁部材が上下に移動可能であることを特徴とする請求項１に記載の流量制御弁装置。
【請求項１５】
前記流体は、気体の状態、液体の状態または気体と液体とが混在された超臨界状態のいずれか１つであることを特徴とする請求項１に記載の流量制御弁装置。
【請求項１６】
上部流路管と下部流路管とからなり、流体を案内する流路管と、
前記流路管に垂直に取り付けられ、前記流体を通過させる開口が形成された密閉片と、
前記開口を開閉させる永久磁石弁部材と、
前記永久磁石弁部材を吊り下げるための支持部材と、
前記流路管の外周面に沿って取り付けられ、前記永久磁石弁部材の変位を線形的に変化させるための電流が印加されるソレノイドコイルと、
を備えることを特徴とする流量制御弁装置。
【請求項１７】
前記支持部材は、
前記永久磁石弁部材が挿入・固定される通孔が形成されたハブと、
前記永久磁石弁部材を支持すると共に前記永久磁石弁部材の変位の反対方向に弾性復元力を与える弾性たわみ部材と、
一側が前記下部流路管の内周面の周りに沿って固定され、他側が前記弾性たわみ部材と連結される固定部と、
を有することを特徴とする請求項１６に記載の流量制御弁装置
【請求項１８】
前記ハブ、前記弾性たわみ部材および前記固定部は、同一の材質からなることを特徴とする請求項１７に記載の流量制御弁装置。
【請求項１９】
前記ソレノイドコイルは、少なくとも１つ以上設けられていることを特徴とする請求項１６に記載の流量制御弁装置。
【請求項２０】
前記ソレノイドコイルに流れる電流の方向に沿って前記永久磁石弁部材が上下に移動可能であることを特徴とする請求項１６に記載の流量制御弁装置。
【請求項２１】
シリコン基板の上・下部面にそれぞれ施されたエッチングマスクパターンをエッチングマスクとして通孔が形成されたハブ、弾性たわみ部材および固定部からなる支持部材を形成するステップと、
前記通孔に永久磁石弁部材を挿入して固定させるステップと、
前記永久磁石弁部材が固定された支持部材を流路管の内周面に接合させるステップと、
前記流路管の外周面に沿って少なくとも１つ以上のソレノイドコイルを所定の位置に取り付けるステップと、
を含むことを特徴とする流量制御弁装置の製造方法。
【請求項２２】
前記ハブ、前記弾性たわみ部材および前記固定部は、同一の材質からなることを特徴とする請求項２１に記載の流量制御弁装置の製造方法。
【請求項２３】
圧縮装置で圧縮された冷媒が凝縮装置で液化されて弁に注入され、前記弁で断熱膨張され、気化装置で気化されて冷却が進行され、前記気化された冷媒が前記圧縮装置に再び注入されることで、繰り返して熱交換の過程が循環される熱交換装置において、
前記弁は、
前記凝縮装置で液化された冷媒を断熱膨張して出力させる流路管と、
前記流路管に垂直に取り付けられ、前記冷媒を通過させる開口が形成された密閉片と、
前記開口を開閉させる永久磁石弁部材と、
前記永久磁石弁部材を吊り下げるための支持部材と、
前記流路管の外周面に沿って取り付けられ、前記永久磁石弁部材の変位を線形的に可変させるための電流が印加されるソレノイドコイルと、
で構成されることを特徴とする熱交換装置。
【請求項２４】
前記永久磁石弁部材の変位量が、前記ソレノイドコイルに印加される電流の強さに比例して可変され、前記永久磁石弁部材の変位により前記開口を通過する冷媒の量が制御されることを特徴とする請求項２３に記載の熱交換装置。
【請求項２５】
前記永久磁石弁部材は、前記ソレノイドコイルに印加される電流の方向によって前記開口を開閉させることを特徴とする請求項２３に記載の熱交換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流量制御弁に関し、特に、電流による永久磁石弁部材の線形的な変位に応じて流量を制御することができる流量制御弁とその製造方法およびこれを用いた熱交換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
流路管を介して流れる流量を制御するための流量制御弁装置は、産業上の利用分野（例えば、冷蔵庫など）が広いため、近年、この流量制御弁装置に関する研究が盛んに行われている。
【０００３】
一般に、流量制御弁装置は、ピン形状の弁ロッドを開口から所定の変位分だけ移動して開口の開放面積を線形的に調節することで流量を制御する。即ち、従来の流量制御弁装置は、弁ロッドをステッピングモータの回転軸に連結されたギアに連結し、ステッピングモータに印加される駆動電源のパルス数に比例して弁ロッドの変位を可変することができる。
【０００４】
しかし、このような流量制御弁装置は、高価のステッピングモータを使用しているため、製造単価が高くなり、ステッピングモータの回転軸と弁ロッドが位置する流路管との間の気密接合の維持が困難であるという問題点があった。
また、他の流量制御弁装置は、弁ロッドの一部に薄板であるダイアフラムまたはメンブレンを装着し、このダイアフラムまたはメンブレンの裏面に圧力調節可能な加圧空間を設け、加圧空間に充鎮された所定流体の加熱による膨張圧力を用いてダイアフラムを変更させることにより、弁ロッドに変位を制御するようになる。しかし、このような流量制御弁装置は、別の加圧空間が追加されるために小型化が困難であり、加圧空間の加熱による膨張圧力を用いているために線形動作用の弁の応答速度が遅くなり、発熱による電力消耗が大きくなる等の問題点があった。
【０００５】
しかも、ソレノイドコイルを用いた流量制御弁は、弁ロッドが不安定で、流体に対する線形制御が難しく、構成部品が複雑で、開閉動作時の騒音が大きいという問題点があった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであって、本発明の目的は、コイルに印加される電流の量を調節することで、開口の開放面積を線形的に安定して制御できる流量制御弁装置を提供することにある。
【０００７】
本発明の他の目的は、半導体のバッチ工程およびマイクロマシニング技術を用いて永久磁石弁部材（弁蓋）を支持する支持手段を大量に安価で精度高く製造でき、これを流量制御弁に適用することで、構成部品の小型化および単純化な構成からなる流量制御弁装置の製造方法を提供することにある。
【０００８】
本発明のまた他の目的は、流量制御弁装置を熱交換装置の線形膨張弁に適用することで、冷房（または冷却）性能を容易に調節できる熱交換装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前述の目的を達成するための本発明の好適な第１の実施形態によれば、流量制御弁装置は、上部流路管と下部流路管とからなり、流体を案内する流路管と、前記流路管に垂直に取り付けられ、前記流体を通過させる開口が形成された密閉手段と、前記開口の開閉を制御する開閉手段と、前記流路管の外周面に沿って取り付けられ、前記開口の開閉を制御するための電流が印加される印加手段と、を備える。
この流量制御弁装置によれば、前記開閉手段は、前記開口を開閉させる永久磁石弁部材と、前記永久磁石弁部材を吊り下げるための支持部材を有する。
【００１０】
本発明の好適な第２の実施形態によれば、流量制御弁装置は、上部流路管と下部流路管とからなり、流体を案内する流路管と、前記流路管に垂直に取り付けられ、前記流体を通過させる開口が形成された密閉片と、前記開口を開閉させる永久磁石弁部材と、前記永久磁石弁部材を吊り下げるための支持部材と、前記流路管の外周面に沿って取り付けられ、前記永久磁石弁部材の変位を線形的に変化させるための電流が印加されるソレノイドコイルと、を備える。
【００１１】
本発明の好適な第３の実施形態によれば、流量制御弁装置の製造方法は、シリコン基板の上・下部面にそれぞれ施されたエッチングマスクパターンをエッチングマスクとして通孔が形成されたハブ、弾性たわみ部材および固定部からなる支持部材を形成するステップと、前記通孔に永久磁石弁部材を挿入して固定させるステップと、前記永久磁石弁部材が固定された支持部材を流路管の内周面に接合させるステップと、前記流路管の外周面に沿って少なくとも１つ以上のソレノイドコイルを所定の位置に取り付けるステップと、を含む。
【００１２】
本発明の好適な第４の実施形態によれば、熱交換装置は、圧縮装置で圧縮された冷媒が、凝縮装置で液化されて弁に注入され、前記弁で断熱膨張され、気化装置で気化されて冷却が進行され、前記気化された冷媒が前記圧縮装置に再び注入されることで繰り返して熱交換の過程が循環され、前記弁は、前記凝縮装置で液化された冷媒を断熱膨張して出力させる流路管と、前記流路管に垂直に取り付けられ、前記冷媒を通過させる開口が形成された密閉片と、前記開口を開閉させる永久磁石弁部材と、前記永久磁石弁部材を吊り下げるための支持部材と、前記流路管の外周面に沿って取り付けられ、前記永久磁石弁部材の変位を線形的に可変させるための電流が印加されるソレノイドコイルと、で構成される。
【発明の効果】
【００１３】
本発明は、構成部品の数が少なく、加工および組み立てが容易であるため、低価格でかつ小型化が可能である。
特に、コイルに印加される電流の強さによる永久磁石弁部材の変位を線形的に調節することで、開口の開放面積も線形的に調節されるので、線形膨張弁として利用でき、コイルに印加される電流を用いて開口が開放または閉鎖されるようにする開閉弁としても利用できる。
【００１４】
また、本発明は、永久磁石弁部材を吊り下げる支持部材を半導体バッチ工程およびマイクロマシニング技術を用いて大量に安価で精密製作することにより、より低価格でかつ一様な弁を大量に製造することができる。
さらに、本発明の流量制御弁装置を線形膨張弁として用いて熱交換装置などに適用させると、冷媒または冷却効率を容易に調節することができ、熱交換装置をより低価格かつ小型化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、添付の図面を参照して本発明の好適な実施形態を説明する。
（実施形態）
図１は、本発明の好適な一実施形態に係る流量制御弁装置の一部を切り出して示す斜視図であり、図２は、図１に示された流量制御弁装置の概略的な断面図であり、図３は、図１に示された流量制御弁装置の分解斜視図である。
【００１６】
図１において、本発明の流量制御弁装置は、流体を案内する流路管１２０と、流路管１２０に垂直に取り付けられ、流体を通過させる開口１０５が形成された密閉片１０８と、開口１０５を開閉させる永久磁石弁部材１０１と、永久磁石弁部材１０１を吊り下げるための支持部材１０２と、流路管１２０の外周面に沿って取り付けられ、永久磁石弁部材１０１の変位を調節するための電流が印加されるソレノイドコイル１０７とで構成される。
【００１７】
流路管１２０は、上部流路管１２１と下部流路管１２２とからなる。ここで、上部流路管１２１の直径より下部流路管１２２の直径が大きくなるように製作することが好ましい。下部流路管１２２には、上部流路管１２１が収容される収容部（図３の１１２ａ）を形成することができる。このように、上部流路管１２１が下部流路管１２２に収まる時、上部流路管１２１の外面と下部流路管１２２の当接面との間は、溶接などによって気密接合が施されるようになる。
【００１８】
密閉片１０８は、下部流路管１２２の所定位置に流路管１２０の軸方向に垂直となるように取り付けられ、その中央に流体が通過できる開口１０５が形成される。換言すれば、密閉片１０８は、下部流路管１２２の内周面の周りに沿って取り付けられることが好ましい。なお、開口１０５の直径は、できるだけ小さくなるように形成されることが好ましい。即ち、開口１０５の直径は、密閉片１０８の厚さより小さくなるように形成される。なぜならば、高圧の流体が開口１０５を通過する時に断熱膨張原理により温度および密度が急に低くなりながら高圧の流体が粒状に気化されるためには、開口１０５の直径を密閉片１０８の厚さより小さくする必要があるからである。従って、本発明は、前述のような断熱膨張原理を用いて線膨張弁として利用することができる。
【００１９】
永久磁石弁部材１０１は、予め磁化され、所定の方向に磁気双極子モーメントが形成される。本発明では、磁気双極子モーメントが下部流路管１２２の方向から流路管１２１の方向に形成されるものと仮定して説明するが、これに限定されるものではなく、磁気双極子モーメントの方向は、いずれの方向にしても良い。なお、永久磁石弁部材１０１は、円筒形であり、一側がテーパー状となり、このテーパー形状によって開口１０５の開閉が可能となる。
【００２０】
永久磁石弁部材１０１は、希土類磁性体物質を溶融してモールドとして成形した後、表面を研磨して製作することができる。または、永久磁石弁部材１０１は、シリンドリカルロッド状の磁性体を回転旋盤加工などでテーパー状に加工し、外形寸法を精密加工し、支持部材１０２の通孔１０２ｄに整列組み立てた後、所定の磁界を印加して磁化させて製造することができる。
【００２１】
支持部材１０２は、永久磁石弁部材１０１を吊り下げるもので、固定部１０２ｃ、弾性たわみ部材１０２ａおよびハブ１０２ｂからなる。このとき、固定部１０２ｃ、弾性たわみ部材１０２ａおよびハブ１０２ｂは、同一の材質で作ることが好ましい。ハブ１０２ｂには、永久磁石弁部材１０２が挿入・固定される通孔１０２ｄが形成されている。弾性たわみ部材１０２ａは、ハブ１０２ｂを支持する一方、永久磁石弁部材１０１の変位に比例して変位の反対方向に弾性復元力を与えるバネとして作用する。弾性たわみ部材１０２ａは、一側がハブ１０２ｂに連結され、他側が固定部１０２ｃに連結されるようになる。固定部１０２ｃは、一側が流路管１２０、具体的には、下部流路管１２２の内面に固定され、他側が弾性たわみ部材１０２ａに連結されることで、弾性たわみ部材１０２ａを経由してハブ１０２ｂを支持する。
【００２２】
このとき、上部流路管１２１と下部流路管１２２との間に流体が流失するのを防止するため、下部流路管１２２の取付部１１２ａに第１のガスケット１３１が取り付けられて固定される。そして、第１のガスケット１３１上に固定部１０２ｃが収容され、固定部１０２ｃ上に第２のガスケット１３２が収容され、第２のガスケット１３２上に上部流路管１２１が収容される。換言すれば、固定部１０２ｃの上下への流体の流失を防止するための第１および第２のガスケット１３１、１３２が挿入される。
【００２３】
ソレノイドコイル１０７は、永久磁石弁部材１０１が開口１０５を開閉することができるように流路管１２０の外周面に沿って取り付けられた、束にされた形状のコイルであり得る。なお、ソレノイドコイル１０７に流れる電流により誘導される磁束密度が流路管１２０内で多く発生されるようにするため、ソレノイドコイル１０７は、ヨークハウジングが覆われていることが好ましい。
【００２４】
また、ソレノイドコイル１０７は、流路管１２０の外部面に少なくとも１つ以上取り付けることができる。例えば、１つのソレノイドコイルが使用される場合は、支持部材１０２の位置に相応する流路管１２０の外周面に取り付けることができる。ソレノイドコイルが２つである場合は、支持部材１０２の上下位置に相応する流路管１２０の外周面にそれぞれ取り付けることができる。
流路管１２０内に流れる流体は、気体の状態、液体の状態、または、気体と液体とが混在された超臨界（Super critical）の状態のいずれか１つとなり得る。
【００２５】
図４Ａ及び図４Ｂは、好適な一実施形態に係る単一コイルが取り付けられた時における流量制御弁装置の動作原理を説明するための概略図である。即ち、図４Ａは、開口が開放される様子を示す図であり、図４Ｂは、開口が閉鎖される様子を示す図である。ここで、開口１０５から永久磁石弁部材１０１が移動されるように、永久磁石弁部材１０１の中心点は、ソレノイドコイル１０７の中心点より上方または下方に位置付けられることができる。図４Ａ及び図４Ｂでは、永久磁石弁部材１０１の中心点がソレノイドコイル１０７のそれより下方に位置し、永久磁石弁部材１０１が流路管１２０の軸に沿って上向きに磁化されており、永久磁石弁部材１０１の磁化の強さは、Ｍと仮定する。
【００２６】
図４Ａに示すように、流路管１２０の外周面に取り付けたコイル１０７に流れる電流が流路管１２０の中心軸を基準にして時計反対方向に印加されると、磁気誘導法則で流路管１２０の内部に上向きの磁束密度Ｂｕが誘導される。このとき、磁束密度は、ソレノイドコイル１０７に印加される電流の強さに比例する。即ち、電流の強さが小さくなる場合は、磁束密度は、小さくなり、それとは反対に、電流の強さが大きくなる場合は、磁束密度は、大きくなる。
【００２７】
ここで、永久磁石弁部材１０１も上向きに磁化され、磁束密度も上向きに誘導されることで、永久磁石弁部材１０１の両端は、全て反発力が作用するようになる。しかし、永久磁石弁部材１０１の中心点がソレノイドコイル１０７の中心点より下方に位置しているため、永久磁石弁部材１０１の上端部よりは、下端部においてより大きな反発力が作用する、これにより、永久磁石弁部材１０１は、上向きの駆動力Ｆｕを受けて上向きに移動するようになり、これにより、開口１０５が開放される。
【００２８】
なお、永久磁石弁部材１０１の移動につれて支持部材のハブ１０２ｂおよび弾性たわみ部材１０２ａが共に移動する。これにより、弾性たわみ部材１０２ａにより屈伸変形が起こり、このような変形に比例する復元力が永久磁石弁部材１０１の移動方向の反対方向（開口１０５側方向）に作用する。このとき、復元力は、永久磁石弁部材１０１の変位に比例して増加する。また、開口１０５が開放されて流体が流れると、流体の移動方向に圧力降下が発生し、これによって永久磁石弁部材１０１の移動方向の反対方向に所定の力が加えられるようになる。
【００２９】
従って、永久磁石弁部材１０１の変位は、誘導磁界による駆動力Ｆｕ、弾性たわみ部材１０２ａによる復元力、流体の圧力降下による力が、平衡となる地点と決定される。結局、誘導磁界による駆動力から弾性たわみ部材１０２ａによる復元力および流体の圧力降下による力を減じた値だけ永久磁石弁部材１０１に変位が発生する。このとき、弾性たわみ部材１０２ａによる復元力と流体の圧力降下による力は、固定される値であるため、結局、永久磁石弁部材１０１は、誘導磁界による駆動力で変位の程度が決定される。そして、誘導磁界による駆動力は、ソレノイドコイル１０７に印加される電流の強さに比例するため、電流の強さを調節することで、永久磁石弁部材１０１の変位を任意に可変できる。また、永久磁石弁部材１０１の変位が変わることで流体が通過する開口の有効面積が調節され、流量の自由な制御が可能となる。
【００３０】
図４Ｂに示すように、流路管１２０の外周面に取り付けられたコイル１０７に流れる電流が流路管１２０の中心軸を基準にして時計方向に印加されると、磁気誘導法則で流路管１２０内に下向きの磁束密度Ｂｄが誘導される。
【００３１】
このとき、永久磁石弁部材１０１は、上向きに磁化され、磁束密度は、下向きに誘導されることで、永久磁石弁部材１０１の両端は、全て引力（attractive force）が作用するようになる。しかし、永久磁石弁部材１０１の中心点がコイルの中心点より下方に位置しているため、永久磁石弁部材１０１の上端部よりは下端部において大きな引力が作用するようになり、結局、永久磁石弁部材１０１は、下向きの駆動力Ｆｄを受けて下向きに移動する。これにより、開口１０５が閉鎖される。
【００３２】
このような場合においても、弾性たわみ部材１０２ａの復元力は、永久磁石弁部材１０１の移動方向に反対の復元力を永久磁石弁部材１０１に加え、流路管１２０内の流体による圧力降下による力も、永久磁石弁部材１０１に加えられるようになる。
このとき、永久磁石弁部材１０１が下向きに移動する程度は、ソレノイドコイル１０７に印加される電流の強さによって決定される。
【００３３】
なお、流路管１２０に注入される流体の圧力を十分高くすると、初期電流が印加されていなくとも、十分高い流体圧力により永久磁石弁部材１０１が開口１０５を閉鎖することができる。しかし、このような場合でも、永久磁石弁部材１０１が開口１０５を徐々に閉鎖できるようにソレノイドコイル１０７に印加される電流の強さを徐々に減少させることで、永久磁石弁部材１０１が開口１０５に急激にぶつかって永久磁石弁部材１０１を破損する可能性や騒音などを防止することが好ましい。
【００３４】
図５Ａ及び図５Ｂは、本発明の好適な一実施形態に係る２つのコイルが装着された時における流量制御弁装置の動作原理を説明するための概略図である。即ち、図５Ａは、開口が開放される様子を示す図であり、図５Ｂは、開口が閉鎖される様子を示す図である。図５Ａ及び図５Ｂでは、永久磁石弁部材１０１が流路管１２０の軸に沿って上向きに磁化されており、永久磁石弁部材１０１の磁化の強さは、Ｍと仮定する。
このように２つのソレノイドコイル１１０ａ、１１０ｂが装着されると、誘導磁界による駆動力の線形性および安定度がより向上される。
【００３５】
図５Ａ及び図５Ｂに示す流量制御弁装置の構成は、図４Ａ及び図４Ｂにおける単一ソレノイドコイルを用いた流量制御弁装置と同様である。但し、図５Ａ及び図５Ｂでは、２つのソレノイドコイル１１０ａ、１１０ｂが支持部材の上下位置に相応する流路管１２０の外周面にそれぞれ取り付けられる点から異なっている。
なお、ソレノイドコイル１１０ａ、１１０ｂの位置は、流路管１２０の中心軸上に位置する永久磁石弁部材１０１に誘導磁界による駆動力が最大に作用するように設計することが好ましい。
【００３６】
図５Ａに示すように、上部ソレノイドコイル１１０ａには、反時計方向に電流が印加され、これに対し、下部ソレノイドコイル１１０ｂには、時計方向に電流が印加される。
先ず、上部ソレノイドコイル１１０ａに印加された電流により上向きに磁束密度Ｂｌｕが誘導され、この時の磁束密度Ｂｌｕの大きさは、上部ソレノイドコイル１１０ａに印加される電流の強さに比例して増加することができる。従って、磁束密度Ｂｌｕと永久磁石弁部材１０１に形成された磁極との反発力により永久磁石弁部材１０１に上向きの駆動力が作用する。
【００３７】
また、下部ソレノイドコイル１１０ｂに印加された電流により下向きに磁束密度Ｂ２ｄが誘導されると、この時の磁束密度Ｂ２ｄの大きさも、下部ソレノイドコイル１１０ｂに印加される電流の強さに比例して増加する。従って、磁束密度Ｂ２ｄと永久磁石弁部材１０１に形成された磁極との引力により永久磁石弁部材１０１に上向きの駆動力が作用される。即ち、下部ソレノイドコイル１１ｂが永久磁石弁部材１０１より一定程度下方に位置するようになり、これにより、永久磁石弁部材１０１の上端部の引力が下端部より大きくなり、永久磁石弁部材１０１は、反発力より大きな方向、即ち、上向きに駆動力を受けるようになる。
従って、上部ソレノイドコイル１１０ａによる上向きの駆動力に下部ソレノイドコイル１１０ｂによる上向きの駆動力が加えられるようになり、この２つの駆動力Ｆｕにより永久磁石弁部材１０１は、より大きな駆動力をもって上向きに移動するようになる。
【００３８】
このとき、単一ソレノイドコイルの場合と同様に、永久磁石弁部材１０１の変位は、誘導磁界による駆動力Ｆｕ、弾性たわみ部材１０２ａによる復元力、流体の圧力降下による力が、平衡となる地点と決定される。
【００３９】
図５（Ｂ）に示されたように、上部ソレノイドコイル１１０ａには、時計方向に電流が印加され、これに対し、下部ソレノイドコイル１１０ｂには、時計反対方向に電流が印加される。
【００４０】
先ず、上部ソレノイドコイル１１０ａに印加された電流により下向きに磁束密度Ｂ１ｄが誘導され、この時の磁束密度Ｂ１ｄの大きさは、上部ソレノイドコイル１１０ａに印加される電流の強さに比例して増加する。従って、磁束密度Ｂ１ｄと永久磁石弁部材１０１に形成された磁極との引力により永久磁石弁部材１０１に下向きの駆動力が作用される。
【００４１】
また、下部ソレノイドコイル１１０ｂに印加された電流により上向きに磁束密度Ｂ２ｕが誘導されると、この時の磁束密度Ｂ２ｕの大きさも、下部ソレノイドコイル１１０ｂに印加される電流の強さに比例して増加する。従って、磁束密度Ｂ２ｕと永久磁石弁部材１０１に形成された磁極との引力により永久磁石弁部材１０１に上向きの駆動力が作用される。
従って、上部ソレノイドコイル１１０ａによる下向きの駆動力に下部ソレノイドコイル１１０ｂによる下向きの駆動力が加えられるようになり、この２つの駆動力Ｆｄにより永久磁石弁部材１０１は、より大きな駆動力をもって下向きに移動するようになる。
このとき、単一ソレノイドコイルの場合と同様に、永久磁石弁部材１０１の変位は、誘導磁界による駆動力Ｆｕ、弾性たわみ部材１０２ａによる復元力、流体の圧力降下による力が、平衡となる地点と決定される。
【００４２】
図６Ａないし図６Ｇは、本発明の好適な一実施形態に係る流量制御弁装置において永久磁石弁部材を吊り下げるための支持部材を製造する工程を説明するための図である。即ち、図６Ａないし図６Ｇの右側の図は、工程段階別の加工形状を示す斜視図であり、左側の図は、右側の図のＡ−Ｂ線に沿って切断した工程断面図である。図６Ａないし図６Ｇでは、便宜のため、支持部材を１つ示しているが、実際の製造工程では複数の支持部材が１つのウェハ状の基板から大量製造されることができる。
【００４３】
従って、前述のような製造工程を介して固定部３０２ｃ、弾性たわみ部材３０２ａおよびハブ３０２ｂからなる支持部材は、シリコンマイクロマシニング技術および半導体バッチ製造工程を用いることで、大量に製造することが可能になる。
【００４４】
先ず、ウェハ状のシリコン基板３２１の上・下部面のそれぞれにエッチングマスク用薄膜３２２、３２３が形成される（図６Ａ）。
このとき、エッチングマスク用薄膜３２２、３２３は、シリコンエッチング工程におけるエッチング方向とエッチング反応を起こす化学物質によって、シリコン基板３２１とのエッチング選択度が高い物質からなることが好ましい。即ち、エッチングマスク用薄膜３２２、３２３としては、アルミニウム、クロム、金などの種々の金属物質が使用できる。そして、エッチングマスク用薄膜３２２、３２３は、塗布、蒸着またはメッキのうちのいずれか１つを用いてシリコン基板３２１上に形成することができる。
【００４５】
シリコン基板３２１の上面に形成されたエッチングマスク用薄膜３２２上に上部感光膜３２４が塗布された後、フォトリソグラフィ法を用いて上部感光膜３２４がパターニングされる。次いで、パターニングされた上部感光膜３２４間にさらされた上部エッチングマスク用薄膜３２２が選択的にエッチングされた後、上部感光膜３２４が除去され、最終に、シリコン基板３２１の上部面エッチング用の上部エッチングマスクパターン３２２'が形成される（図６Ｂ）。
ここで、上部エッチングマスクパターン３２２'は、支持部材をなす固定部、弾性たわみ部材およびハブに対するパターンである。
【００４６】
シリコン基板３２１の下部面に形成されたエッチングマスク用薄膜３２２上に下部感光膜３２５が塗布された後、上部エッチングマスク薄膜パターン３２２'と整列されるように両面整列（Double side alignment）フォトリソグラフィ法を用いて下部感光膜３２５がパターニングされる。次いで、パターニングされた下部感光膜３２５の間にさらされた下部エッチングマスク用薄膜３２３が選択的にエッチングされた後、下部感光膜３２５が除去される。最終に、シリコン基板の下部面エッチング用の下部エッチングマスクパターン３２３'が形成される（図６Ｃ）。
【００４７】
異方性エッチングが可能な反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法を用いて上部エッチングマスクパターン３２２'間にさらされたシリコン基板３２１が所定の深さだけエッチングされる（図６Ｄ）。
【００４８】
図６Ｅにおいて、異方性エッチングが可能な反応性イオンエッチング法を用いて下部エッチングマスクパターン３２３'の間にさらされたシリコン基板３２１が所定の深さだけエッチングされる。
【００４９】
図６Ｄおよび図６Ｅに示されたように、上・下部エッチングマスクパターン３２２'、３２３'に対するエッチングによって永久磁石弁部材が挿入される通孔の厚さと弾性係数を決定づける弾性たわみ部材の厚さがそれぞれ決定される。
上・下部エッチングマスクパターン３２２'、３２３'が除去されることで、永久磁石弁部材が挿入される通孔が形成されたハブ３０２ｂ、弾性たわみ部材３０２ａおよび固定部３０２ｃからなる支持部材ができ上がる（図６Ｆ）。
【００５０】
なお、図６Ｇに示すように、永久磁石弁部材１０１が通孔に挿入された後、組立面３２８に接着剤３５０が塗布されることで、支持部材と永久磁石弁部材１０１とが結合されるようになる。このように、支持部材と永久磁石弁部材１０１は、の単品の部品（即ち、開閉手段）として製造され、流路管に装着されることで、流量制御弁装置ができ上がる。
【００５１】
流量制御弁装置の製造方法については、先ず、用意した下部流路管の取付部に第１のガスケットを取付け、第１のガスケット上に前述のような製造工程ででき上がった開閉手段を取付させると共に下部流路管の内壁に気密接合させ、開閉手段上に第２のガスケットを取付させ、第２のガスケット上に上部流路管を取付させると共に下部流路管と溶接などを用いて気密シールさせる。このとき、上部流路管と下部流路管との連結部位にねじ加工が施されている場合は、ねじ締結でシールすることもできる。
上部流路管および下部流路管からなる流路管の外周面に沿ってソレノイド状の１つ以上のコイルを所定の位置に取り付けることで、流量制御弁装置ができ上がる。
【００５２】
図７は、本発明の好適な一実施形態に係る流量制御弁が設けられた熱交換装置を示す構成図である。同図において、流量制御弁装置の流路管の外周面には２つのコイルが巻かれているが、先に述べたように１つのコイルが流路管の外周面に巻かれることも可能である。
【００５３】
図７を参照して熱交換装置の動作を説明する。先ず、圧縮装置５０１で高圧に圧縮された気体状態の冷媒が流路管５０５を介して凝結装置５０２に流れ込み、液体状態に凝結される。このとき、冷媒から発生する潜熱は、凝結装置５０２を介して外部へ発散される。
凝結装置５０２を通って液化された冷媒５０６は、貯蔵容器５０３を経て膨張弁として使用できる流量制御弁装置１００に注入される。このとき、図７には示されていないが、貯蔵容器５０３は、冷媒に混入されるか冷媒から生成される粒子を濾過するろ過装置と、冷媒に混入される水分などの不純物成分を除去するための蒸発装置などを備えることができる。
【００５４】
流量制御弁装置１００の上部流路管１２１に注入された冷媒は、永久磁石弁部材１０１の変位によって異なった冷媒量が開口１０５から下部流路管１２２に流れるようになる。このとき、永久磁石弁部材１０１の変位は、上部流路管１２１および下部流路管１２２の各外周面に沿って取り付けられたソレノイドコイル１１０ａ、１１０ｂに印加された電流の強さによって調節することができる。そして、上部流路管１２１に注入された冷媒は、高圧のもので、狭い開口１０５を介して低圧の下部流路管１２２に流れることで、流体の断熱膨張原理で温度が急に低くなり、密度の低い粒子となる。このような断熱膨張作用は、前述のように永久磁石弁部材１０１の変位を線形的に調節することにより、冷却効率を容易に線形的に制御することができる機能を与える。
【００５５】
断熱膨張により粒子化した冷媒は、下部流路管１２２に連結された気化装置５０４に移動される。次に、気化装置５０４では、粒子化した冷媒が、気化装置５０４周辺の環境から奪った熱を用いて気化されることで、冷却機能を果たすようになる。
気化装置５０４で気化した冷媒は、流路管５０５を介して再び圧縮装置５０１に入り、前述の過程が繰り返して循環される冷却装置用の流体閉回路ができ上がる。
前述のような循環過程を経て本発明の流量制御弁装置１００で制御を行うと、冷媒または冷却効率を容易に調節することが可能となる。
【００５６】
以上、前述のように、本発明は、構成部品の数が少なく、加工および組み立てが容易であるため、低価格でかつ小型化が可能となる。
特に、コイルに印加される電流の強さによる永久磁石弁部材の変位を線形的に調節することで、開口の開放面積も線形的に調節することで、線形膨張弁として利用でき、コイルに印加される電流を用いて開口が開放または閉鎖される開閉弁としても利用できる。
【００５７】
また、本発明は、永久磁石弁部材を吊り下げる支持部材を半導体バッチ工程およびマイクロマシニング技術を用いて大量に安価で精密製作することにより、より低価格でかつ一様な弁を大量に製造することができる。
さらに、本発明の流量制御弁装置を線形膨張弁として用いて熱交換装置などに適用すると、冷媒または冷却効率を容易に調節することができ、熱交換装置をより低価格かつ小型化することが可能となる。
【００５８】
以上、図面を参照して本発明の好適な実施形態について説明してきたが、本発明の保護範囲は、前述の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物にまで及ぶものである。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明の好適な一実施形態に係る流量制御弁装置の一部を切り出して示す斜視図である。
【図２】図１に示された流量制御弁装置の概略的な断面図である。
【図３】図１に示された流量制御弁装置の分解斜視図である。
【図４Ａ】図４Ａは、本発明の好適な一実施形態に係る単一コイルが装着された時における流量制御弁装置の動作原理を説明するための概略図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、本発明の好適な一実施形態に係る単一コイルが装着された時における流量制御弁装置の動作原理を説明するための概略図である。
【図５Ａ】図５Ａは、本発明の好適な一実施形態に係る２つのコイルが装着された時における流量制御弁装置の動作原理を説明するための概略図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、本発明の好適な一実施形態に係る２つのコイルが装着された時における流量制御弁装置の動作原理を説明するための概略図である。
【図６Ａ】図６Ａは、本発明の好適な一実施形態に係る流量制御弁装置において永久磁石弁部材を吊り下げるための支持部材の第１製造工程を説明するための図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、本発明の好適な一実施形態に係る流量制御弁装置において永久磁石弁部材を吊り下げるための支持部材の第２製造工程を説明するための図である。
【図６Ｃ】図６Ｃは、本発明の好適な一実施形態に係る流量制御弁装置において永久磁石弁部材を吊り下げるための支持部材の第３製造工程を説明するための図である。
【図６Ｄ】図６Ｄは、本発明の好適な一実施形態に係る流量制御弁装置において永久磁石弁部材を吊り下げるための支持部材の第４製造工程を説明するための図である。
【図６Ｅ】図６Ｅは、本発明の好適な一実施形態に係る流量制御弁装置において永久磁石弁部材を吊り下げるための支持部材の第５製造工程を説明するための図である。
【図６Ｆ】図６Ｆは、本発明の好適な一実施形態に係る流量制御弁装置において永久磁石弁部材を吊り下げるための支持部材の第６製造工程を説明するための図である。
【図６Ｇ】図６Ｇは、本発明の好適な一実施形態に係る流量制御弁装置において永久磁石弁部材を吊り下げるための支持部材の第７製造工程を説明するための図である
【図７】本発明の好適な一実施形態に係る流量制御弁が設けられた熱交換装置を示す構成図である。
【符号の説明】
【００６０】
１００      流量制御弁装置
１０１      永久磁石弁部材
１０２      支持部材
１０２ａ    弾性たわみ部材
１０２ｂ    ハブ
１０２ｃ    固定部
１０２ｄ    通孔
１０５      開口
１０７      ソレノイドコイル
１０８      密閉片
１２０      流路管
１２１      上部流路管
１２２      下部流路管
３０２ａ    弾性たわみ部材
３０２ｂ    ハブ
３０２ｃ    固定部
３２１      シリコン基板
３２２、３２３    エッチングマスク用薄膜
３２４      上部感光膜
３２５      下部感光膜
５０１      圧縮装置
５０２      凝結装置
５０３      貯蔵容器
５０４      気化装置
５０５      流路管
【図１】
2004324886.tif 000003
【図２】
2004324886.tif 000004
【図３】
2004324886.tif 000005
【図４Ａ】
2004324886.tif 000006
【図４Ｂ】
2004324886.tif 000007
【図５Ａ】
2004324886.tif 000008
【図５Ｂ】
2004324886.tif 000009
【図６Ａ】
2004324886.tif 000010
【図６Ｂ】
2004324886.tif 000011
【図６Ｃ】
2004324886.tif 000012
【図６Ｄ】
2004324886.tif 000013
【図６Ｅ】
2004324886.tif 000014
【図６Ｆ】
2004324886.tif 000015
【図６Ｇ】
2004324886.tif 000016
【図７】
2004324886.tif 000017