JP5260817B2 - 流量モジュールおよび一体化された流れ制限器 - Google Patents

Description

（発明の背景）
発明の分野
本発明は、一般に、流れセンサに関し、より詳細には一体化された流れ制限器（ｆｌｏｗ ｒｅｓｔｒｉｃｔｏｒ）を有する流れセンサに関する。

関連技術の説明
流量制御機構は、システムを通って移動するガス状または液体の流体の量を制御する手段として、様々な流れシステムに用いられている。例えば、大規模な処理システムにおいて、流量制御は、触媒および反応剤などの適切な供給貯蔵物が、所望の流量で処理ユニットに入ることを確実にすることによって、化学的な反応に影響を及ぼすために使用されることがある。さらに、流量制御機構は、例えば、呼吸することができる空気の十分な流れを維持すること、または手術の準備において患者に十分な麻酔ガスを提供することが望ましい可能性がある、通気装置および人工呼吸装置などのシステムにおいて、流量を調整するために使用されることができる。

一般に、流量制御は、注意深く配置された流れセンサから得られる測定に応答する制御回路の使用によって行われる。そのような１つの流れセンサは、熱線風速計として知られる、流路を横切る径方向に延びる導電ワイヤを有する、熱的な風速計である。これらの風速計は、定電流源に接続され、定電流源は、ワイヤの温度を電流の増加に比例して増加させる。動作において、流体が流路を流れ、したがって風速計を通過するとき、ワイヤは、対流作用により冷却される。この冷却は、ワイヤの抵抗に影響を及ぼし、ワイヤの抵抗は、測定され、流体の流量を導き出すために用いられる。熱的な風速計流れセンサの別の形態は、流路の壁に配置される、マイクロブリッジ、マイクロメンブレン、またはマイクロブリックなどのマイクロ構造センサである。この形態において、センサは、流路の壁に沿って流体をサンプリングすることによって、流量を表面上測定する。どちらの適用においても、熱的な風速計流れセンサは、流量を測定するために流路内に配置される。

これらの流れセンサおよび他の知られている流れセンサには、多くの欠点がある。１つ欠点は、これらのセンサが動作する比例関係、すなわち導電ワイヤまたは要素が、強制された対流のために流体の流量の増加にともなって線形に冷却されることが、センサが飽和になる高い流れ速度では成立しなくなることである。この飽和は、例えば、マイクロ構造センサに応じて１０ｍ／ｓから３００ｍ／ｓより速い範囲を越えて発生することがある。その結果、高い流れ領域において、風速計の測定された抵抗または他のセンサは、もはや流量の正確な値に相関しない。さらに、これらのセンサが主流路にあるため、これらのセンサは、物理的損傷または汚染を受け易い。

これらの欠点に加えて、知られている流れセンサは、乱流作用のために、すなわち、全ての流れシステムにおいて両方ともある程度は存在する、流れ速度および圧力の不均一性のために、誤測定し易い。さらに、従来の熱線風速計は、遅い時間応答を有し、したがって流れ速度において急激に変化したときに、正確な流量値を作り出さない。さらに、それらは、ゼロ・フロー（ｚｅｒｏ ｆｌｏｗ）にて高められた温度をワイヤ全長に維持するために、高い入力電力を必要とする。

これに対して、壁に設けられる熱的なマイクロ構造は、比較的速い時間応答を有することができるが、熱線風速計に対してほとんど利点を提供しない。なぜなら、それらの応答時間があまりにも速く、そのような乱流に関係するノイズを除くために平均する代わりに、乱流状態で変動する流量値を生成する。したがって、流体の流量が増加するにつれ、乱流も増加し、壁に設けられるマイクロ構造は、それに応答して増加する誤差的な測定を生成する。

流路の外側に配置されたセンサから流量を測定し、かつ前述の欠点のいくつかを改善する間接的な流れセンサ測定技術が構成された。ある形態において、Ｐ圧力センサが、流れ制限器の前後で圧力低下を測定し、この流れ制限器は、流路内の径低減素子として作用し、それによって、流れ制限器の入口端部と出口端部との間の圧力差を作り出す。これらの流れ制限器は、ハニカム・パターンにされた流れ制限器、または多孔質金属板流れ制限器である。圧力センサは、流れ制限器のための圧力低下を測定するために、行き止まり流路に配置され、この圧力低下は、流体の流量に比例する。他の形態は、流路内の変化する流量状態とともに上昇および下降する、自由に動くボールまたはインジケータとともに流路近くに配置された透明チューブ、または風速を測定する風車のように動作する、小さなタービンまたはファンなどのロータメータ（ｒｏｔａｍｅｔｅｒ）を用いることができる。

これらは、流路に直接配置されたセンサに対していくつかの改善を提供するが、これら全ての間接的な流れセンサは、較正上の問題によって制約を受ける。間接的な流れセンサは、例えばハニカム・リストリクタなどの一般にあるタイプのリストリクタで作用するように較正されることができるが、不正確なリストリクタ幾何構成は、圧力変動、したがって測定された流量における変動を結果として生じる。さらに、センサは、他のタイプのリストリクタとの使用に関して較正されない。

間接的な流れセンサのこれらの欠点に加えて、知られている流れ制限器は、さらに、知られている流れ制限器が流体の均一な層流を作り出さないので、流れ測定機構の妨害する。知られている流れ制限器におけるオリフィスの断面積および位置の不均一性は、そのような不均一な流れを結果として生じるものであり、その不均一な流れの一例は、流路の外壁に当接するオリフィスが、壁の円形形状にリストリクタを従わせるために先端を切られたハニカム・リストリクタにおいて発生する。さらに、その不均一性のために圧力と流量の非線形な関係が、特に高い流量で生ずる。

したがって、前述の欠点を解消するために、較正誤差を低減し、流路外側端部での乱流作用のために生成される、流量測定誤差を低減するように較正され、妥当な価格でこのようにできる、流れセンサおよび一体化された流れ制限器を有することが望ましい。

（発明の概要）
本発明の一態様によれば、流れシステムの流体の流量を測定するための一体化されたモジュールは、流体の一部が通って流れる流路を画定するハウジングと、入口端部と出口端部を有し流路に配置された流れ制限器とを有する。流れ制限器は、出口端部で流路を横切る実質的に均一な流れを作り出すために、流路に適合された複数のオリフィスを備える。

本発明の他の態様によれば、流れシステム内の流体の流量を測定するためのモジュールは、流路内に配置された流れ制限器と、流れ制限器が、流路内の流体の一部を検知流路内に流すことを可能にする検知流路の前後で圧力低下を生じさせるように、入口端部と出口端部を有する検知タップを介して、流路と連絡する検知流路内に配置された流れセンサと、流れ制限器、流れセンサ、および検知流路が一体に形成されたハウジングとを備える。

本発明のさらに他の態様によれば、流路で使用する流れ制限器は、流れ制限器の出口端部で流路を横切る実質的に均一な流れを作り出すために、流路に適合された複数のオリフィスを備える。

（好ましい実施形態の詳細な説明）
図１には、流れシステム内の流体の流量を測定するために、流れシステムに用いられる一体化されたモジュール３０が備えられる。前述の説明から明らかなように、一体化されたモジュール３０は、流量測定が必要な、通気装置または人工呼吸装置などの様々な流れシステムで使用されることができる。さらに、一体化されたモジュール３０は、一体化された流れ制限器を備える流路と、較正された流量測定を可能にする流れセンサとを有し、上述したモジュールの１つまたは複数の問題を対処する従来技術に対して改善されている。

一体化されたモジュール３０は、流路３４を画定するハウジング３２を備え、流路３４内に入ってくる流体は、流体が出口端部３８で流路３４に存在する状態で、入口端部３６を介して流れシステムから流れることができる。流路３４は、好ましくは、通気装置および人口呼吸装置で使用されるように２２ｍｍの円錐状コネクタに嵌るように、既存の流れシステムの断面形状およびサイズに適合する断面形状およびサイズを有し、入ってくる流体のほぼ２００Ｌ／ｍｉｎの流量を可能にする。他の径および様々な径を用いることができる。しかしながら、一体化されたモジュール３０が、流体の正確な流量を測定し、かつ入口端部３６と実質的に同じレートで出口端部３８での流量を維持するために較正されることを確実にするために、流路３４は、軸４０に沿って延びる長さ全体に、実質的に同じ断面形状およびサイズを有するように設計される。

一体化されたモジュール３０は、流路３４に平行なバイパス検知流路４４に配置された流れセンサ４２を有する。センサ４２は、好ましくは、例示的に図３に示され以下に議論されるマイクロブリッジ・センサである。動作において、流体が、示された方向に流路３４を通って流れるとき、流体の一部が、検知流路４４を通って流れ、流れセンサ４２は、一般的な流路に存在する損傷または変動状態を被ることなく、間接的に流路３４内の流体の流量を測定することができる。図１において、検知流路４４は、それと連絡する流路３４内の検知タップ（ｓｅｎｓｉｎｇ ｔａｐ）４８の上方に流管４６を配置することによって形成され、入ってくる流体の一部が、検知流路４４内を流れることを可能にする。一般に、検知流路４４内の流体の流量は、流路３４内の流体の流量の一部である。

図１の実施形態の検知タップ４８は、円形断面形状で成形された入口タップ（ｉｎｌｅｔ ｔａｐ）５０および出口タップ（ｏｕｔｌｅｔ ｔａｐ）５２から形成され、流れ制限器５４の入口端部（入口端部３６に最も近い）および出口端部（出口端部３８に最も近い）の対向する側に配置される。円形入口および出口タップ５０、５２は、それぞれ配置用くぼみ５６、５８で終端し、配置用くぼみ５６、５８は、流体のタップされた部分の漏洩を低減するために、検知タップ４８に流管４６を密封して搭載するためのＯリングを受容するように備えられる。検知タップ４８は、２つのタップ５０、５２を有して示されているが、他の数のタップを用いることができ、チャネル３４からチャネル４４への流れの、他の連絡方法を用いることができる。そのような他の方法は、本発明の範囲内で考慮することができる。

流れ制限器５４は、検知流路４４への流体の流れを容易にする、検知流路の入口５０および出口５２の前後で圧力低下を生じさせる。この圧力低下または圧力差は、リストリクタ幾何構成に依存し、流量とともに増加する。さらに、流路内の流体は、流体の流量が増大するとき、増大する乱流、すなわち流れの方向に対して所定の垂直平面を横切る不均一な圧力および速度の増加を有する。応答して、圧力低下を生じさせることに加えて、流れ制限器５４は、流路３４における流れを直線状にしてかつ層流にして、それによって乱流を低減する。流れ制限器５４は、流体を一連の等しく離間されたオリフィス６０を通して流させることによって、乱流を低減する。流れ制限器５４の前後での圧力低下は、同様に、これらオリフィス６０のサイズおよび不均一性に依存する。流路３４内の流体の流れをさらに直線状にしてかつ層流にするために、２つの任意のスクリーン、すなわち、好ましくは現在入手可能なハニカム・パターン構造に似て形成された入力スクリーン６２および出力スクリーン６４は、それぞれ流れ制限器５４の上流側および下流側に配置されることができる。

例えば、図２の流れ制限器５４では、オリフィス６０は、円形でありかつ図２に対して垂直に延びる軸４０の周りに同心的に離間される。流れ制限器５４内の多数のオリフィス６０のために、少しだけが、図２において参照符号が設けられる。各オリフィス６０は、ほぼ０．０８５インチの径Ｒを有する。好ましい形態において、オリフィス６０は、流れ制限器５４を流路３４の形状に適合するために円形である。この形状マッチングは、流路３４全体を横切る乱流のより均一な低減を結果として生じる。それにもかかわらず、流路３４の任意の断面形状に適合し、かつそれらの軸４０に実質的に平行に延びるオリフィスの他幾何構成を用いることができる。オリフィスは、始めから終わりまで実質的に同一の流体径の均一な繰り返しパターン、またはオリフィスが、実質的に同一の流体径の他のオリフィスと軸４０の周りに対称的に整列された部分的な繰り返しパターンを有することができる。他の変形例は、本開示から明らかであろう。

流れ制限器５４は、６０００Ｌ／ｍｉｎを越える高い流量に耐えるのに十分な強度の材料から作られ、互いに取り付けられた複数の部品、または単一のモールド成形された構造から作られることができる。高い弾性率の温度に耐える材料で形成された流れ制限器５４を有することが望ましい。さらに、高い濃度の損傷を与える可能性がある化学薬品が使用される麻酔装置などの適用において使用するために、または一般に損傷を与える可能性がある洗浄剤が使用される医療適用において使用するために、流れ制限器５４は、同様に化学的な耐性がある材料から作られるべきである。さらに、流れ制限器５４は、乱流を最小化するために薄い壁を必要とする。このために、流れ制限器５４は、好ましくは、例えば、ＩｌｌｉｎｏｉｓのＲＴＰ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから入手できるＲＴＰ２０１（商標）樹脂などのナイロン６／６樹脂で作られる。ナイロン樹脂は、射出成形、フォーム成形、または押し出し技術によって処理でき、高負荷の下に最小のクリープ欠陥を示す。したがって、この樹脂の使用は、流れ制限器５４が、容易に製造されることができ、かつ重い負荷条件の下で非常に長い有用な寿命を達成することを可能にする。特に、ナイロン樹脂は、最終的な構造に硬化する前に、流れ制限器５４および／または一体化されたモジュール３０を形成するために使用される型の全ての複雑な細部に均一に充填するその能力のために、他の材料より製造可能であることが証明されている。１０％のガラスで充填されたＲＴＭ２０１（商標）樹脂は、ほぼ１４０００ｐｓｉの引っ張り強度、およびほぼ７０００００ｐｓｉの弾性率を有する。当業者には、他の同様な材料が、流れ制限器５４を形成するために使用されることができることは理解されよう。例えば、重量で２０％のガラスを有する、Ｇｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏ．から入手可能なＵｌｔｅｍ（登録商標）２２１０樹脂などのポリエーテルイミド樹脂が使用されることができる。このポリエーテルイミド樹脂は、構造をわずかに反らせる型内の不均一な収縮を作る半結晶性のプラスチックよりも、より非結晶性の材料を作る。さらに、流れ制限器５４は、上述の材料と同様の特性を示す、様々な金属、プラスチック、樹脂、セラミックス、または液晶ポリマーで作られることができる。

上述のように、流れ制限器５４のオリフィス６０は、流路３４の外壁６６の曲率に合うように形成される。実質的に同じ円形形状のオリフィスを作るために、外壁の形状を用いることによって、流れ制限器５４は、従来知られている流れ制限器で外壁に存在した不均一な速度作用を低減するために、流路に適合される。各オリフィス６０は、互いに、外壁６６に、および軸４０に対して同心に配置される。さらに、流れ制限器５４は、外側オリフィス６８を有し、この外側オリフィス６８は、流路壁６６によって部分的に形成され（図１）、かつオリフィス６０と形状および同心性において均一である。２つの主支持体ロッド７０、７２が、流れ制限器５４を横切って径方向に延び、流れ制限器５４を支持し、必要であれば、流路３４に堅固に流れ制限器５４を取り付けるための接触点を与える。

代わりにおよび好ましくは、流れ制限器５４は、全体構造に関する単一の成形金型を使用することによって、ハウジング３２および外壁６６と一体にモールド形成されることができる。この形態において、一体化されたモジュール３０が、成形可能なナイロン樹脂、または上述で参照された他の材料で全体を成形されることができる。実際、一体化されたモジュール３０は、好ましくは、全体をナイロン樹脂で形成される。この材料の使用は、また、低減された乱流の量で、流体が流路３４を通って移動することを可能にするために十分な平滑性を、外壁６６に与える。

２つの主支持体ロッド７０、７２に加えて、互いに径方向に整列された２つのより小さい支持体ロッドで形成された多くの支持体対が使用される（対７４ａ、７４ｂ、７６ａ、７６ｂ、７８ａ、７８ｂ、および８０ａ、８０ｂ）。支持体対７４ａ、７４ｂから８０ａ、８０ｂは、流れ制限器５４に追加の指示を提供し、主支持体ロッド間のオリフィス６０のこれらの部分が、高い流量の使用時に移動することを防ぎ、一方、そのような支持体対なしに、流れ制限器５４は、移動してまたはがたがたして、流体の乱流におけるより少ない低減、およびセンサ４２によって測定されるより多いノイズを結果として生じる。したがって、この剛性は、システムにおけるノイズを低減し、それによって、より高い感度のセンサ４２の使用を可能にする。支持体対は、オリフィス構造における均一性および径が、流体の流れを層流化するために重要であり、所定の径方向距離に沿って軸４０の各側に同一で鏡像のオリフィスを形成するように、これらのより小さい支持体ロッド７４ａ、７４ｂから８０ａ、８０ｂで形成される。すなわち、この対称的な方法で主支持体ロッド７０、７２と、支持体対７４ａ、７４ｂから８０ａ、８０ｂとを用いることによって、任意のオリフィス６０は、等しい水力学的直径の理想的なオリフィス６０と対称である。知られているように、開口の幅が、開口を横切る距離（ｒ）よりも非常に大きいときには、水力学的直径はほぼ２ｒに等しい。対称的なおよび均一なオリフィス６０、６８の水力学的直径は、出口端部３８での均一な流れ速度を作り出す。

流れセンサ４２は、例示的な目的だけで図３に示されている。なぜなら、当業者には明らかなように、多くのタイプの流れセンサが、光学的な流れセンサ、オリフィス・ベースのＰセンサ、およびピトー管を含み、Ｂｏｈｒｅｒの米国特許第４４７８０７６号およびＪｏｈｎｓｏｎらへの米国特許第４６５１５６４号に示される流れセンサに加えて使用されることができる。センサ４２の熱的なマイクロ構造形態が例示的だけである、流れセンサ４２の動作が、単に一般的に以下に記載される。

マイクロブリッジ構造であるとき、センサ４２は、空気空間を規定するマイクロチャネル８８を備え、この空気空間内で、検知流路４４内に流れる流体の一部が、示された方向に流れる。流体は、上流側センサ９０、ヒータ９２、および下流側センサ９４を横切って流れる。実際に、ヒータ９２は、２つのヒータ・リード９６ａ、９６ｂを通る導電ワイヤまたはパターンへの電流の印加によって、周囲温度よりほぼ１６０℃高く加熱される。流体の流れが無い状態では、上流側センサ９０および下流側センサ９４は、ヒータ９２のために両方とも同じ温度を読み取る、すなわち、両方のセンサは、両方ともヒータ９２から等しく離間されているため、同じ測定された抵抗値を有する。センサ９０、９４の抵抗値は、定電流の適用からセンサ９０、９４を形成する導電ワイヤまたはパターンまで測定される。流体が、流路３４に入るとき、流体の一部は検知流路４４に入り、流体のより少ない同一の部分はマイクロチャネル８８（図４）に入り、ヒータ９２およびセンサ９０、９４の上面および底面を横切る流れの経路を作り出す。流体の流れからの対流が、上流側のセンサ９０からのヒータ９２によって生成される熱を、下流側のセンサ９４に向かって動かし、結果として、上流側のセンサ９０の温度を低下させ、下流側のセンサ９４の温度を高くする。温度における変化は、各センサの抵抗値における対応する変化を作り出し、上流側のセンサ９０は、より低くなった温度したがってより低くなった抵抗を感知し、下流側のセンサ９４は、より高くなった温度したがってより高くなった抵抗を感知する。２つのセンサ９０、９４に関する抵抗値間の差異は、回路（図示せず）によって測定され、検知流路４４内の流体の流量を決定するために使用され、それからチャネル３４における流体の流量を決定することができる。

センサ４２全体は、シリコンまたは他の絶縁半導体の基板９８上に形成されることができ、その基板９８上に、センサ４２の加熱および検知機能を制御するために使用される、入力、出力、および接地リードを有する、図５に例示的な３ワイヤ・リード１０４などのワイヤ・リードによって、制御またはバイアス回路（図示せずに）接続するための、ヒータ・リード９６ａ、９６ｂ、上流側センサ・リード１００ａ、１００ｂ、および下流側センサ・リード１０４ａ、１０４ｂが配置される。

センサ４２は、検知流路４４を形成するために、ハウジング３２上にセンサ４２を固定的に搭載することによって、流れ制限器５４を含む流路３４に一体化される。好ましくは、センサ４２は、まず、リード１０４を支持しかつそこへのワイヤ・ボンド接続を提供する基板ベース１０６に接着剤で取り付けられ、基板べース１０６は、その後、図４の構造を作り出す流管４６へ接着剤で取り付けられる。基板１０６は、例えばアルミニウム・セラミックスで形成されることができる。エポキシは、接着剤での取り付けに用いられる。センサ４２から延びるワイヤ・ボンド１０８、１１０は、基板が、流管４６（図５）内に開口する上部に搭載される前に、基板１０６上の導電パッドに取り付けられる。これらのワイヤ・ボンド１０８、１１０は、センサ４２および基板１０６の設計に応じて、導電パッドを介してワイヤ・リード１０４に直接接続する。

流管４６は、流路に平行な空気が漏れない検知流路を形成するために、検知タップ４８への取り付けと適合する。流管４６は、ナイロン樹脂、セラミックス、または他の上述した材料で作られることができる。基板１０６に流管４６をエポキシで接着することによって、マイクロチャネル８８は、検知流路４４内に流れる流体の一部を受容するために露出される。基板１０６をハウジング３２上に搭載する前に、流管４６を基板１０６に直接取り付ける利点は、マイクロチャネル８８の敏感な整列をすでに行った状態で組み合わせられた構造を整列された位置で一体化されたモジュール３０により容易に取り付けることができることである。この方法は、また、アセンブリ中のワイヤ・ボンド１０８、１１０保護を助ける。

上述したように、一体化されたモジュール３０は、既存の流れシステムへ設置されるように設計され、また、一体化されたモジュール３０が、図５に示されるように成形された入口および出口マウント１２０、１２２を有するハウジングで形成される一実施形態にこの設置を容易にするように設計される。入口および出口マウント１２０、１２２は、好ましくは、流れシステムでの使用に容易に適合される２２ｍｍの円錐状コネクタである。この全体構造、すなわちハウジング３２、入口マウント１２０、および出口マウント１２２を含む全体構造は、ナイロン樹脂、または他の上記に参照された材料で形成されることができる。代わりに、円錐状マウント１２０、１２２は、既存の流れシステムと密封して接続するために、ねじ切られたねじマウントまたはゴムＯリング接続で置き換えられることができる。さらに、入口および出口マウント１２０、１２２は、図１の上流側の入口スクリーン６２および下流側の出口スクリーン６４を任意に配置するために、スクリーン用凹部空間１２４を有することができる。

図５の一体化されたモジュール３０は、さらに、矩形に形状形成された検知タップ用凹部１２６とともに描かれており、検知タップ用凹部１２６に、流管４６が密封され、凹部１２６は、検知タップ４８の入口端部５０（図示せず）から出口端部５２へ延びる。出口端部５２のための配置用くぼみ５８も、入口端部５０のための配置用くぼみ５６とともに同様に描かれ、凹部１２６へ流管４６を密封取り付けのためのゴムＯリングを受容するようなサイズにされる。

センサ４２の反対側の基板１０６の後側（破線で示されている）に対して配置されたカバー１２８は、センサ４２を周囲の作用から保護し、ハウジング３２の検知タップ４８に対してセンサ４２および流管４６を締め付ける。締め付けは、主に２つの方法で行われる。第１は、カバー１２８上のノッチ１３０が、ハウジング３２のペグ１３２上の所定場所にスナップ留めするために配置される。第２は、カバー１２８が、ばねのように可撓性である２つの反対側に配置された馬蹄形のタブ１３４、１３６を有する。カバー１２８が、ペグ１３２上の所定場所にスナップ留めされたとき、２つのタブ１３４、１３６は、基板１０６の上面と接触し、それによって基板１０６に復元する下向きの力を印加するとき、わずかに上方へ突出する。カバー１２８は、他の構成部品と同様な樹脂で作られることができる。さらに、カバー１２８は、ハウジング３２の下側接続部分１４０を有する電気的なレセプタクルを形成する上部接続部分１３８も有し、その両方は、リード１０４を外部回路に接続するために電気的なレセプタクルを形成するように、カバーを所定場所にスナップ留めたときに、ワイヤ・リード１０４を収容する。

一体化されたモジュール１４６の代わりの実施形態が、図６に示されており、流路３４を画定するハウジング１５０は、それぞれアダプタ１５６、１５８に取り付けられる、入口マウント１５２および出口マウント５４とともに形成される。したがって、ハウジング１５０、入口マウント１５２、および出口マウント１５４は、図５の実施形態のそれらのような単一のモジュール化された構造では形成されない。一体化されたモジュール１４６は、センサ４２を使用する。しかしながら、図６の実施形態は、代わりのセンサの搭載手段を示し、それによって流管４６は、基板１０６が流管４６にエポキシで接着される前に、ハウジング１５０に取り付けられる。図５の搭載ステップも使用可能である。

一体化されたモジュール１４６は、より少ない製造費用しか必要とせず、より小さな形態にパッケージされ、図５の実施形態よりも搭載におけるより広い用途を顧客に可能にする。例えば、マウント１５２および１５４が、様々なサイズのどちらかの、アダプタ１５６、１５８、またはテーパー付けられねじ切られたねじマウントに置かれることができる、ゴムＯリングの形態をとることを、顧客が好むことがある。代わりに、顧客は、マニホールドにモジュール１４６を締め付けるように選択することができる。ねじ搭載貫通孔１６０ａ、１６０ｂおよび１６２ａ、１６２ｂは、製造設備でハウジング１５０に、それぞれアダプタ１５６、１５８に取り付けるために使用されることができる。エポキシ、ヒート・ステーキ、または他の方法を、代わりに用いることができる。さらに、Ｏリング１６４、１６８は、アダプタ１５６、１５８とハウジング１５０との間のより良好な接触を形成するために使用されることができる。任意のスクリーン６２、６４は、流路３４の入口端部、または出口端部、あるいは両方に配置されることができる。さらに、さらに、アダプタ１５６、１５８は、通気装置または人工呼吸装置に使用されるコネクタなどの、標準的な２２ｍｍの円錐状コネクタ（ＩＳＯ５３５６）を受容することができる、工業標準端部接続部を有する。カバー１７０は、ノッチ１７２が、カバー１７０を所定場所に固定するために使用されることを除いて、カバー１２８と同様である。示されていないが、カバー１７０は、図５のカバーと同様のタブを有する。

任意の前述の実施形態において、流路３４を、非常に高い流量の流体を通過するために使用することができる。例えば、５５００Ｌ／ｍｉｎを越える流量は、３インチ径の流路で達成されることができる。しかしながら、高い流動状態の下で、検知タップ４８の入口端部５０および出口端部５２へ延長部を配置することが望ましい。図７において、例示的な延長部は、それぞれ狭い中空チューブ１７４、１７６として示されている。これらのチューブ１７４、１７６は、検知流路４４を横切る圧力差を拡大し、さらに、損傷を防ぎ、かつ高い流量の結果であるノイズを低減するために、検知流路に入る流れを制限する。チューブ１７４、１７６は、端部５０、５２の径とほぼ等しい径を有する中空コアを有し、各それぞれの端部からチャネル３４へ同じ距離で延びるように整列されている。

図５から図７に描かれる実施形態の利点は、所定の流れ制限器に関する正確な流量測定をするためにセンサ４２を較正することができることである。一体化されたモジュール３０または１４６を較正するために、第１に、センサ４２のゼロ出力を測定するために、流れが無い状態で試験が行われる。利得増幅器の利得段のフィードバック抵抗器（示されていないが、センサ４２または基板９８に接続された制御回路に配置されている）は、センサ出力が、１Ｖなどの所定の電圧になるまで調整される。第２に、２００Ｌ／ｍｉｎなどの知られている流量で流れる流体は、センサ４２からの電圧出力を生成するために流路３４を通過される。センサ４２の利得段は、６Ｖなどの所定の電圧にこの動作出力にさらに調整される。このように、センサは、任意の接続回路の動作電圧入力範囲と適合する所定範囲にわたる出力電圧を作るために較正される。さらに、このように出力範囲を較正することによって、敏感な流れセンサは、したがって、ガスの流量が容易に測定されることを可能にするように用いられることができる。

好ましい実施形態において、流れ制限器５４は、図２の流れ制限器であるが、図５から図７の任意の実施形態において、オリフィス・ベースの流れ制限器、またはハニカム・流れ制限器などの他の知られている流れ制限器を用いることができる。しかしながら、これらの流れ制限器は、検知流路の前後で圧力低下を生じさせることができ、特定の流路との使用に適合されず、同心の開口された流れ制限器５４で行うとき、流路３４全体を横切る不均一な乱流を低減しない。

さらに、任意の前述の実施形態において、流れ制限器５４と同一であるがより長い流れ制限器１８０は、図８に示されるように、検知タップ４８の入口端部５０および出口端部５２を越えて延びることができる。そのような実施形態において、センサ４２（図示せず）は、検知流路４４の入口端部５０と出口端部５２との間の圧力低下に基づき流量を測定する。これらの２つの端部５０、５２は、流れ制限器１８０の外側に配置されていないが、センサ４２が流量を測定することができる２つ（流れの層流化と同様に）の間に圧力低下が存在する。圧力低下、すなわち圧力差は、流れ制限器によって主に３つの方法で起こる。第１に、流体がリストリクタに入るときに、圧力低下が起きる。第２に、流体がリストリクタを出るときに、さらなる圧力低下が起きる。第３に、流体がリストリクタを通って流れるときに、さらなる圧力低下が起きる。図１の実施形態において、入口タップ５０および出口タップ５２は、流れ制限器５４の反対側に配置されるために、センサ４２は、全て３つの要因から検知流路４４の前後での圧力低下に基づき流量を測定する。一方、より長い流れ制限器１８０で、流れ制限器１８０がタップ５０、５２を越えて延びるために、上述の第１および第３の要因による圧力における低下を含むより小さい圧力低下に基づき、センサ４２は流量を測定する。このより長い流れ制限器構成を用いる利点は、より長い流れ制限器が、センサ４２によって測定されるより少ないノイズで、さらなる層流を作る。

図１、図５、および図６に例によって示されるように、入口スクリーン６２および出口スクリーン６４は、流路３４におけるレイノズル数を低減すると同様に、流れをさらに直線状にしてかつ層流化するために用いることができる。入口および出口スクリーン６２、６４は、ハニカム・パターンにされたスクリーン１９０（図９）、織られたポリエステル、または流れ制限器５４、１８０と同様の構造を含む、任意のタイプの層流化装置であることができる。

前述の実施形態において、熱的なマイクロ構造の形態の流れセンサが使用される。代わりに図１０に示されるように、差動圧力（Ｐ）センサ１９２は、流れる流体の圧力を測定するためにチャネル１４４に展開されることができる。入口５０と出口５２との間の流れ制限器５４によって作られる圧力差は、流体の流量が導き出されるセンサ１９２によって測定される。センサ１９２は、検知流路４４を横切って配置され、したがってチャネル４４を横切る流体の流れを妨げる。

本発明の教示は、ある実施形態に関して示されたが、そのような実施形態に本発明を限定することを意図するものではないことは、当業者には明らかであろう。反対に、本発明の範囲は、文字通りにまたは均等物の原則の下に、請求の範囲内に公正ある全ての修正および実施形態を含む。

流れ制限器、流れセンサ、およびハウジングが示されている、本発明による一体化されたモジュールの断面図である。 本発明の好ましい実施形態における流れ制限器の前面図である。 本発明に用いられることができる例示的な流れセンサの上面図である。 本発明の実施形態による流れセンサに配置された一体化された流管を有する、図３の流れセンサの断面図である。 モジュールが単一構造で形成された、本発明の第１の実施形態による事前にアセンブリされ成形され一体化されたモジュールの斜視図である。 モジュールが、既存の流れシステムに接続するためのアダプタで形成された、本発明の第２の実施形態による事前にアセンブリされ一体化されたモジュールの斜視図である。 モジュールが高い流量で使用されることを可能にするための延長チューブを用いる、図１のハウジングの断面図である。 第１および第２の実施形態と同様な方法で実施されることができる、本発明の第３の実施形態による流路の検知タップの入口および出口タップを越えて延びる流れ制限器の断面図である。 ハニカム・パターン構造を示す図１の入口および出口スクリーンの斜視図である。 圧力センサが、一体化されたモジュールの流路と連絡するチャネルに配置された、図５から８に示される任意の実施形態の変形例の断面図である。

Claims (37)

1. 流れシステムにおける流体の流量を測定するための一体化されたモジュールであって、
   前記流体が通って流れる流路を画定するハウジングと、
   前記流路に配置された、入口端部と出口端部とを有する流れ制限器とを備え、
   前記流れ制限器が、前記流路に適合した複数のオリフィスを含み、該複数のオリフィスは、前記出口端部で前記流路の断面において流れが実質的に均一となるように前記流路の中心軸から前記流路の外壁まで延びる線に沿って均一に分布されており、
   前記流路が、円形断面形状の外壁を有し、前記オリフィスが、前記流路の前記外壁の輪郭に倣う円弧状オリフィスであり、
   前記ハウジングが前記流体の一部が流れる少なくとも１つの検知タップを含み、前記一体化されたモジュールが、さらに、前記流量に対応する前記流体の特性を測定する前記検知タップに設けられているセンサを備える、一体化されたモジュール。
   
2. 前記流路が、前記中心軸に沿って延びており、前記複数のオリフィスが前記流路の前記外壁の輪郭に倣っている、請求項１に記載の一体化されたモジュール。
   
3. 前記流れ制限器が、一対が２つの支持体から形成されるところの複数の支持体対をさらに有しており、該２つの支持体は、前記中心軸の両側で径方向に沿って整列され、かつ実質的に同一の形状および径方向位置の円弧状オリフィスの対を画定するために配置されている、請求項２に記載の一体化されたモジュール。
   
4. 前記流れ制限器が、前記流路の長手方向軸に直交して延びる線に沿って互いに平行に分布する少なくとも３つのオリフィスを含み、該オリフィスのそれぞれが、前記出口端部で前記流路の断面において流れが実質的に均一となるように、前記流路の外壁の形状と一致する、前記長手方向軸の周りに延びる形状を有する、請求項１に記載の一体化されたモジュール。
   
5. 前記流れ制限器が樹脂で形成されている、請求項１に記載の一体化されたモジュール。
   
6. 前記樹脂がナイロン樹脂である、請求項５に記載の一体化されたモジュール。
   
7. 前記ハウジングが、入口マウントを有する入口端部と、出口マウントを有する出口端部とをさらに備え、前記入口マウントおよび前記出口マウントが、前記流れシステムで使用するようになされている、請求項１に記載の一体化されたモジュール。
   
8. 前記ハウジング、前記入口マウントおよび前記出口マウントが、モールド成形構造となるように一体に形成されている、請求項７に記載の一体化されたモジュール。
   
9. 前記入口マウントが、前記入口端部に固定して設けられ、前記出口マウントが、前記出口端部に固定して設けられている、請求項７に記載の一体化されたモジュール。
   
10. 前記センサが、前記検知タップと実質的に液密なシールを形成するために、前記ハウジングに固定して設けられている、請求項１に記載の一体化されたモジュール。
    
11. 前記検知タップが、検知入口と検知出口とを有し、それにより、前記センサが、検知流路を画定するために前記検知タップに設けられるようにした、請求項１に記載の一体化されたモジュール。
    
12. 前記検知入口および前記検知出口が、前記入口端部および前記出口端部における互いに隣接しない反対側の位置に配置されるようにして、前記流れ制限器が前記流路に配置されている、請求項１１に記載の一体化されたモジュール。
    
13. 前記検知入口および前記検知出口が、前記入口端部および前記出口端部における互いに隣接しない反対側の位置間に配置されるようにして、前記流れ制限器が前記流路に配置されている、請求項１１に記載の一体化されたモジュール。
    
14. 前記センサが、前記センサおよび前記検知タップに固定して設けられた流管を通して前記検知タップに設けられ、前記検知タップが、検知入口および検知出口を有し、それにより、前記流管が、前記検知入口と前記検知出口との間の検知流路を画定するようにした、請求項１に記載の一体化されたモジュール。
    
15. 前記センサが、熱的なマイクロ構造センサである、請求項１に記載の一体化されたモジュール。
    
16. 前記センサが、圧力センサである、請求項１に記載の一体化されたモジュール。
    
17. 前記検知タップが、検知入口および検知出口を有し、前記センサが、前記検知タップ入口と前記検知タップ出口との間に検知流路を画定するために前記検知タップに設けられた流れセンサである、請求項１に記載の一体化されたモジュール。
    
18. 前記ハウジングが、さらに、前記流路の上流側に配置された乱流低減用入口スクリーンと、前記流路の下流側に配置された乱流低減用出口スクリーンとを含む、請求項１に記載の一体化されたモジュール。
    
19. 前記入口スクリーンおよび前記出口スクリーンが、ハニカム・パターンにされた積層構造を備える、請求項１８に記載の一体化されたモジュール。
    
20. 前記オリフィスが、前記流路の長さに沿って延びる前記流路の軸に平行に整列されている、請求項１に記載の一体化されたモジュール。
    
21. 流れシステムにおける流体の流量を測定するモジュールであって、
    ハウジングと、
    前記ハウジングによって画定された流路に配置された流れ制限器と、
    検知入口と検知出口とを有する検知タップを介して、前記流路と連絡する検知流路に配置された流れセンサと、を備え、
    それにより、前記流れ制限器が、前記検知流路の前後で圧力低下を生じさせ、前記流路の流体の一部が前記検知入口から前記検知流路に入り前記検知出口を通って出るように流れることを可能にするようにしており
    前記流れ制限器、前記流路、および前記検知流路が一体に形成され、
    前記流れ制限器が、前記流路に適合した複数のオリフィスを含み、
    前記流路が、円形断面形状の外壁を有し、前記オリフィスが、前記流路の前記外壁の輪郭に倣う円弧状オリフィスを備える、モジュール。
    
22. 入口マウントおよび出口マウントをさらに備え、両方のマウントが、前記モジュールを前記流れシステムに接続するようになされている、請求項２１に記載のモジュール。
    
23. 前記流路が、熱的なマイクロ構造センサである、請求項２１に記載のモジュール。
    
24. 前記流路が、外壁および中心軸を有しており、前記複数のオリフィスが前記流路の前記外壁の輪郭に倣い、且つ、前記流路の前記中心軸から前記外壁まで延びる線に沿って均一に分布されている、請求項２１に記載のモジュール。
    
25. 前記流れ制限器が、前記流路の長手方向軸に直交して延びる線に沿って互いに平行に分布する少なくとも３つのオリフィスを含み、該オリフィスのそれぞれが、前記流路の外壁の形状と一致する、前記長手方向軸の周りに延びる形状を有する、請求項２１に記載のモジュール。
    
26. 流路に使用する流れ制限器であって、
    流れ制限器の出口端部で、前記流路の前後で実質的に均一な流れを生じさせるために前記流路に適合された複数のオリフィスと、
    流体が通って流れる流路を画定するハウジングとを備え、
    前記流路が、円形断面形状の外壁を有し、前記オリフィスが、前記流路の前記外壁の輪郭に倣う円弧状オリフィスであり、
    前記ハウジングが前記流体の一部が流れる少なくとも１つの検知タップを含み、前記流れ制限器が、さらに、流量に対応する前記流体の特性を測定する前記検知タップに設けられているセンサを備える、流れ制限器。
    
27. 前記流路が、円形断面形状の外壁を有し、前記オリフィスが、前記流路の前記外壁の輪郭に倣う円弧状前記オリフィスである、請求項２６に記載の流れ制限器。
    
28. 前記流路が、円形形状の外壁を有し、前記オリフィスが、前記外壁から等距離に存在し且つ前記流路の長さに沿って延びる軸の周りに同心に整列された円弧状オリフィスである、請求項２６に記載の流れ制限器。
    
29. 前記流れ制限器が、複数の径方向支持体をさらに備える、請求項２８に記載の流れ制限器。
    
30. 前記流れ制限器が、前記流路の長手方向軸に直交して延びる線に沿って互いに平行に分布する少なくとも３つのオリフィスを含み、該オリフィスのそれぞれが、前記出口端部で前記流路の断面において流れが実質的に均一となるように、前記流路の外壁の輪郭に倣うようにして前記長手方向軸の周りに延びる形状を有する、請求項２６に記載の流れ制限器。
    
31. 前記流れ制限器が、樹脂またはプラスチックで形成されている、請求項２６に記載の流れ制限器。
    
32. 前記オリフィスが、前記流路の長さに沿って延びる前記流路の軸に平行に整列されている、請求項２６に記載の流れ制限器。
    
33. 前記流れシステムにおける前記流体がガスである、請求項１に記載の一体化されたモジュール。
    
34. 前記流れ制限器が、前記出口端部で前記流路の断面において流れが均一な層流を作るようになされている、請求項１に記載の一体化されたモジュール。
    
35. 前記流れ制限器が、前記流路の外壁により少なくとも一部が規定される外側が円弧状のオリフィスを有する、請求項１に記載の一体化されたモジュール。
    
36. 前記流れ制限器が、前記流路の外壁により少なくとも一部が規定される外側が円弧状のオリフィスを有する、請求項２１に記載の一体化されたモジュール。
    
37. 前記流れ制限器が、前記流路の外壁により少なくとも一部が規定される外側が円弧状のオリフィスを有する、請求項２６に記載の流れ制限器。

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