CN105916538A - 小型化流体流量调节装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及小型化流体流量调节装置，其包括：流体流通道，该流体流通道具有入口部、出口部和在入口部和出口部之间的流量调节通路；长条梁元件，该长条梁元件设置在流通道中，使得入口部和出口部之间的压力差导致梁元件弯曲并且调节流量调节通路中的流体流量。本发明还涉及包括用于调节呼气流量的这种流量调节装置的呼吸分析装置。

Description

小型化流体流量调节装置
技术领域
本发明总体上涉及小型化流体流量调节装置，这种流体流量调节装置在呼吸分析装置中的应用，以及这种流体流量调节装置的制造方法。
背景技术
呼气诊断术作为临床方法在多种不同疾病中越来越受到认可。为了确保可再现的测量结果，病人的呼气应当符合规定物理参数(例如，流率、压力、温度等)的特定方案，应当在这些物理参数下进行试验。因此尽管施加的压力会变化，要争取在大体上恒定的呼气流量下进行测量。
在WO 2006/080885 A1中公开了用于维持流体的恒定流量的恒定流量调节器装置。该装置包括用于引入流体的入口管、壳体和面向入口管并且受到弹性力的可移动的分割部。可变截面积的流体通路形成在入口管和可移动的分割部之间。壳体和可移动的分割部形成与入口管流体连通的内室，用于在内室中建立近似等于入口管中的流体压力的流体压力。可移动分割部的尺寸明显大于入口管的尺寸，使得在使用中，当入口管中的流体压力增大时，分割部抵抗弹性力朝向入口管移动，以减小所述流体通道的截面积，反之亦然，由此，维持恒定的流体流量。
WO 9505208公开了用于施与吸入性药物的装置，其包括限定具有纵向轴线的空气通过路径的主体，空气入口和形成嘴口的空气出口，用于将药物分配到路径中的部件和空气流量调节部件，其特征在于，空气流量调节部件包括：可移动的阻挡部件，该可移动的阻挡部件被适配成在空气入口和用于分配药物的部件之间的位置减小路径的截面积；以及偏置部件，其中，阻挡部件被偏置到第一静止位置，在该第一静止位置，路径的截面积最小，并且阻挡部件被适配成响应于由吸气引起的嘴口处的压力下降抵抗偏置部件的偏置移动到第二位置，在该二位置，路径的截面积最大；并且阻挡部件被适配成响应于由吸气引起的嘴口处的较大的压降进一步移动到第三位置，在该第三位置，路径的截面积小于最大截面积。
WO 2008016698公开了被设计成特别地用于与所公开的雾化药剂给送装置一起使用的流体流量调节机构。该机构包括壳体、平面弹性元件、调节元件和定位组件。装置的元件被配置成通过壳体的通道根据通过流通道的流体的流率而打开或关闭。
WO 9214199公开了置于流路中的流量调节装置，其通过挠曲或移位来被动地补偿流体压力的波动。
当前的朝向手持式定点照顾装置的趋势需要小型化流量处理系统。前面公开的装置需要明显大的分割部尺寸。因此，期望找到可选方案以解决可以适当地小型化、并且可以用于调节相对大的呼吸流量的流体流量调节装置的问题。例如，在哮喘监测(呼出气一氧化氮，FENO)中，规章限定的指南规定一氧化氮浓度的测量应当在50±5ml/s的呼气流量下进行(ATS/ERS推荐：呼气低呼吸氧和鼻一氧化氮的在线和离线测量用标准程序(“ATS/ERS recommendations for standardized procedures for the online andoffline measurement of exhaled lower respiratory oxide and nasal nitric oxide"),2005.Am.J.Respir.Crit.Care.Med.2005；171:912-930)
发明内容
本发明的目的在于减少上述装置的缺点。
特别地，本发明的一个目的在于提供一种可以集成到手持式分析装置中的流体流量调节装置。本发明的另一目的在于提供能够被动地调节与其尺寸相比相对大流体流量的流体流量调节装置。还寻求提供一种可以以减小的成本生产的流体流量调节装置。
在第一方面，提供一种小型化流体流量调节装置1，其包括：流体流通道2，该流体流通道2具有入口部3、出口部4和在入口部和出口部之间的流量调节通路5；长条梁元件10，该长条梁元件10设置在流通道中，使得入口部和出口部之间的压力差导致梁元件弯曲并且调节流量调节通路中的流体流量，
其中，长条梁具有第一端部13和第二端部14并且从流通道的入口部延伸到流通道的出口部，
其中，所述装置包括支撑部件19a、19b、20a、20b，并且
其中，第一端部和第二端部中的至少一者在所述装置中由支撑部件支撑。
在第二方面，提供一种呼吸分析装置，其包括上述小型化流量调节装置，用于将呼气的流量调节为维持在10-300ml/s范围内的流量，优选维持50±5ml/s的流量，优选大于1000Pa的压力范围。
在第三方面，提供上述小型化流体流量调节装置在呼吸分析装置中的应用，用于将呼气的流量调节为维持在10-300ml/s范围内的流量，优选维持50±5ml/s的流量，优选大于1000Pa的压力范围。
因而，本发明涉及小型化流体流量调节装置，其包括：流体流通道，该流体流通道具有入口部、出口部和在入口部和出口部之间的流量调节通路；长条梁元件，该长条梁元件设置在流通道中，使得入口部和出口部之间的压力差导致梁元件弯曲并且调节流量调节通路中的流体流量。
由此，实现了简单的流体流量调节装置，其可以以低成本生产，并集成到手持式分析装置中。其能够被动地调节与其尺寸相比相对大的流体流量。
长条梁可以包括第一面和第二面，其中长条梁的第一面受到与流体流通道的入口部连通的流体压力，使得作用在长条梁的第一面和第二面的压力差导致梁元件弯曲并调节流量调节装置中的流体流量。
由此，可以通过简单的手段实现调节，以有效地提供被动的自调整流量调节，其中，梁的弹簧力平衡梁上的压力差。
装置可以包括与流通道分离、与流体流通道的入口部连通的流体空间，其中长条梁的第一面限定流体空间的壁。由此，入口部的压力可以用于使梁挠曲，以调节流量。
长条梁可以被设置成使得，存在与流通道分离的流体空间形成的泄漏通路，以从流体空间朝向出口部引出流体。
泄漏通路可以小型化或配置成提供一定的泄漏流量特性。
第二面可以限定流量调节通路的壁。由此，梁的弯曲可以直接调节流量调节通路中的流量。
流量调节通路可以被配置成提供从流体流通道的入口部到出口部的压降。由此，在入口部和出口部之间实现压力差，因而在长条梁元件上实现压力差。
长条梁可以被设置成具有沿着流体流通道的长度方向。由此，梁的弯曲可以导致流量调节通路的截面积的均匀调节。
长条梁具有第一端部和第二端部并且从流通道的入口部向出口部延伸。
长条梁的第一端部可以在装置中被支撑。第一端部可以在装置中被夹持，由此长条梁形成悬臂。第二端部可以是自由的。因而，可以实现梁的大挠曲。
长条梁的第一端部可以指向流体流通道的出口部。因而，可以由第一端部在装置中的附接限定流体空间。
第二端部可以在装置中被支撑，因而，例如，增大梁的共振频率。
装置包括支撑部件，其中，由支撑部件在装置中支撑第一端部和第二端部中的至少一者。通过提供简单的支撑件，对于给定压力差，可以实现梁的较大挠曲。
支撑部件可以被配置成沿着简单地支撑的一个或多个端部的整个长度、沿着简单地支撑的一个或多个端部的长度在中间位置和/或在一个或多个端部的角部提供支撑。由此，支撑部件可以被配置成依赖于长条梁的各种尺寸提供支撑。
支撑部件可以被配置成沿着长条梁提供支撑，支撑位置沿着梁、依赖于梁的挠曲。
通过使支撑位置依赖于梁的挠曲，调节的压力与流量的关系可以适应于所追求的性能。
支撑位置沿着梁可以连续地依赖于梁的挠曲程度。由此，调节的压力与流量的关系可以连续地适应于所追求的性能。
支撑部件可以被配置成使得，梁的支撑在梁挠曲时朝向流量调节通路移动。由此，流量调节通路进一步由梁的挠曲节流，梁的支撑的位置与梁的挠曲配合，以减小流量调节通路的截面积，以调节流量。
支撑部件因而被配置成在梁的挠曲增加时有效地缩短长条梁的未被支撑的长度，由此使梁变硬。流量越大，梁的未被支撑的长度越短，由此改进调节。
支撑部件可以包括沿着梁的长度方向延伸的脊和/或一个或多个离散的支撑件。
支撑部件可以包括沿着梁的长度方向延伸、设置在梁的第一和第二侧边(侧与边有关)处的第一脊和第二脊。由此可以提供梁的侧边的稳定支撑
第一脊和第二脊可以是弯曲的，使得支撑的位置沿着长条梁、依赖于梁的挠曲程度从脊连续。
支撑部件可以关于长条梁的第一端部和第二端部对称。
长条梁的长度可以在5-20mm的范围，优选在5-15mm的范围，和/或宽度可以在2-10mm的范围，优选在4-6mm的范围，和/或厚度可以在10-500μm的范围，优选在30-300μm的范围。
流通道的宽度可以在2-10mm的范围，优选在4-6mm的范围，和/或高度可以在0.1-2mm的范围，优选在0.5-1mm的范围。
长条梁可以包括硅、锗、碳化硅、金属或具有高疲劳强度的聚合物材料(例如，聚酰亚胺、PEEK等)。由此，梁可以在最小损坏风险的情况下重复弯曲。
本发明还涉及呼吸分析装置，其包括本文公开的流量调节装置，用于将呼气的流量调节为维持在10-300ml/s范围内的流量，优选维持50±5ml/s的流量，大于1000Pa的压力范围，优选为大于2000Pa。
该呼吸分析装置可以包括用于分析呼气中的一氧化氮，即NO的浓度的传感器。
本发明还涉及本文公开的流量调节装置在呼吸分析装置中的应用，用于将呼气的流量调节为维持10-300ml/s的范围的流量，优选维持50±5ml/s的流量，大于1000Pa的压力范围，优选为大于2000Pa。
如本文所使用的，不带数量词的名词形式旨在也包括多个的情况，除非上下文清楚地作出相反的表示。术语“大约”用于描述范围在±10％以内的变化。
附图说明
现在，参照附图借助于实施例描述本发明。
图1以剖切立体图示出根据一个实施方式的小型化流体流量调节装置。
图2以立体图示出根据一个实施方式的小型化流体流量调节装置的一部分。
图3以截面图示出根据一个实施方式的小型化流体流量调节装置。
图4以立体图示出根据一个实施方式的小型化流体流量调节装置的一部分。
图5以截面图示出根据一个实施方式的小型化流体流量调节装置。
图6示出梁元件的挠曲。可以看到，随着压力增大，梁元件的挠曲变小，即梁元件变得越来越硬。开始，5000Pa导致大约202μm的挠曲，然后，+5000Pa导致+106μm挠曲，之后，+5000Pa导致+51μm挠曲，再之后，+5000Pa导致+12μm挠曲。上方曲线示出以μm表示的挠曲，下方曲线示出以ml/s表示的产生的流量。标度与左侧相同。
具体实施方式
下面，参照附图给出小型化流体流量调节装置的实施方式的详细说明。
在图1中示出了切成一半的小型化流体流量调节装置1。该装置包括流体流通道2，流体流通道2具有入口部3、出口部4和位于入口部和出口部之间的流量调节通路5。装置由形成该装置的壳体的材料的第一部分6和第二部分7组装而成。材料可以例如是聚合物材料。该装置可以包括用于将装置连接到例如配管的第一连接器8和第二连接器9。
流量调节装置包括设置在流通道2中的长条梁元件10，长条梁元件10具有沿着流体流通道的长度方向。长条梁具有第一端部13和第二端部14，并且在流通道的入口部和出口部之间延伸。
长条梁包括第一面11和第二面12。长条梁的第二面12限定流量调节通道的壁。梁的第一端部13被夹持在装置中，例如，通过在与装置自身相同的材料件中一体地形成长条梁，或者通过刚性地附接到装置的材料。梁的第二端部14不被支撑，形成自由端。因而，在本实施方式中，梁形成为悬臂。流体空间15形成在装置中，并且与流体流通道的入口部连通。长条梁的第一面11限定流体空间的壁。通过长条梁的第一端部13的附接而进一步界定流体空间。
在图1中，未示出支撑第一端部和第二端部中的至少一者的支撑部件。
在图2中，示出了形成流体调节装置的一部分的材料的第一部分6。现在，长条梁10被示出为第二面12面对观察者。在该实施例中，通过在与第一部分6相同的材料件中一体地形成而在装置中支撑长条梁。因而，梁在第一端部13处被夹持。梁的侧边(垂直于梁的长度方向)自由移动，因而沿着长条梁的两边形成狭缝16a和16b。这些狭缝提供受控但最小化的从流体空间到流通道并且朝向流通道的出口部的泄漏流量。可以通过设计狭缝，例如通过在长条梁下方和/或上方提供脊来增加狭缝上的压降来限制该泄漏流量。
在图2中，未示出支撑第一端部和第二端部中的至少一者的支撑部件。
材料的第一部分6可以设置有突起17和/或凹陷18，以提供材料的第一部分和第二部分的对准和紧密嵌合。
图3进一步示出装置的流体调节功能。示出了流通道的入口部3、出口部4和流量调节通路5。从该图中显而易见的是，流体空间15被设置成使得梁10的第一面11受到与流体流通道的入口部3连通的流体压力。因而，作用在长条梁的第一面11和第二面12的压力差使梁元件弯曲，调节流量调节通道中的流体流量。特别地，入口部(因而流体空间15)的压力比流体调节通道5压力高导致长条梁朝向流量调节通道弯曲，以减小流量调节通道的截面积。由此，流量调节通道中的流阻增大，限制通过流量调节通道的流体的流速。
在图3中，未示出支撑第一端部和第二端部中的至少一者的支撑部件。
在图4中示出了小型化流体流量调节装置的实施方式。在图4中示出了长条梁的构造和支撑件。图4示出装置的部分7，该部分7具有入口部3、出口部4和位于入口部和出口部之间的流量调节通道5。在流量调节通道处设置有几个支撑部件，以支撑置于其上的长条梁元件(未示出)。支撑部件包括设置在流通道的中央、分别朝向入口部和出口部的第一离散支撑件19a和第二离散支撑件19b。此外，支撑部件包括沿着流通道的各边设置的第一脊20a和第二脊20b，以提供沿着长条梁的侧边的支撑。脊也形成为通过形成在长条梁和流通道的侧壁之间的狭缝限制泄漏流量。
脊支撑件可以设置有在梁挠曲时提供沿着长条梁的支撑的形状。脊的形状可以使得支撑位置沿着梁连续地依赖于梁的挠曲，由此在梁的挠曲增加时，有效缩短长条梁的未被支撑的长度。这具有在挠曲时逐渐地(或台阶式地)使梁变得硬的效果。
在图5a和5b中示出装置的动作。流体空间15被设置成使得梁10的第一面11受到与流体流通道的入口部连通的流体压力。长条梁简单地支撑在包括脊20的支撑部件上。作用在长条梁的第一面11和第二面12上的压力差使梁元件弯曲，从而调节流量调节通道中的流体流量。
在所示的实施例中，脊是V形的。这具有如下效果：长条梁初始地简单地支撑在第一端部和第二端部，直到梁的挠曲使得它们接触V形支撑件(如图5b所示)。其后，进一步挠曲将导致支撑件的位置朝向V形脊的中央移动。通过使支撑件的位置朝向V形脊的中央移动，挠曲的梁的有效长度将减小，由此增加梁的刚性。
因此，支撑部件的形状可以被适配成在挠曲时增加刚性，因而，将流量调节通道中的流量调节适配于期望的压力-流量性能。支撑部件可以是V形、鸥翼形、弯曲形、正弦曲线形等形状的脊的形式，或者可以是适于在增加挠曲时提供支撑的不同高度的、分布式离散支撑件的形式。
梁的材料可以选自不同于形成壳体的部分的材料，例如，单晶硅、金属等。该材料优选地选自具有高疲劳强度的材料的组。
装置包括构成流量调节通道的壁中的一个壁的悬臂，如可以从图1中看到的。当压力施加在入口时，入口压力将沿着悬臂的第一面的整个长度作用。悬臂下方的窄流量调节通道中的流量将导致压降，该压降导致沿着悬臂的长度的净力分布，使悬臂向下弯曲，限制通道中的流量，如能够从图3中看到的。
悬臂(长条梁)的弹簧力有效地与作用在其上的流量导致的向下弯曲的力平衡，导致在任何入口压力下可预测的挠曲。除了主要的受悬臂控制的流，也发生泄漏流，这可以用于避免太大的流阻。
装置中的总压降可以近似和分成三个区域：突然收缩区域，其中，流与悬臂的顶端相遇；扩散体区域，其沿着悬臂的长度；突然膨胀区域，其位于出口处，如图3所示。因而，由悬臂限制和沿着悬臂的底部的流通道引起的总压降可以由如下表达式描述：
pc＝Δpi+Δpd+Δpo
其中，Δpi是由流通道的突然收缩引起的入口压降，Δpd是沿着悬臂的长度的扩散体区压降，Δpo是由流通道的突然膨胀引起的出口压降。
这些区域的压降可以由下列表达式近似：
ξi≈0.4
Δp d = ξ d ρv i 2 ; ξ d = 1 - ( A i A 0 ) 2 - C p
Δp o = ξ o ρv i 2 ; ξ o = ( A i A 0 ) 2
其中，ρ是流体的密度，vi是收缩的入口的平均流速，ξi、ξd和ξo是压力损失系数，Ai和Ao分别是收缩入口和非收缩通道的截面积，Cp是压力恢复系数。
使用伯努利方程，然后可以示出可以通过下述表达式近似主流：
φ c = p B ( 1 - C B 2 p )
其中，常数B和C为：
B = ( 1.4 - C p ) ρ 2 A o 2
C = L 4 ρ ( 21 - 4 C p ) 20 Eb 2 t 3 h 0 3
其中，L是悬臂的长度，E是弹性模量，b和t分别是悬臂的宽度和厚度，h0是悬臂零挠曲时的通道高度。
可以使用如下表达式，在两个压力水平为特定流率优化常数B和C。
B = P 2 P 1 - 1 φ 1 φ 2 ( P 2 P 1 ) 3 / 2 - 1 · P 2 φ 2
C = B 2 ( 1 - Bφ 1 P 1 ) 1 P 1
其中，P1和分别是第一目标点的压力和流率，P2和分别是第二目标点的压力和流率。
假设理想压力源且在连接装置的配管中没有损失，通过装置的总流量可以近似为：
φ＝φc+φl；
其中，是泄漏流量，D是由泄漏间隙的几何形状限定的常数。

Claims (21)

1.一种小型化流体流量调节装置(1)，所述小型化流体流量调节装置(1)包括：流体流通道(2)，所述流体流通道(2)具有入口部(3)、出口部(4)和在所述入口部和所述出口部之间的流量调节通路(5)；长条梁元件(10)，所述长条梁元件(10)设置在所述流通道中，使得所述入口部和所述出口部之间的压力差导致所述梁元件弯曲并且调节所述流量调节通路中的流体流量，
其中，长条梁具有第一端部(13)和第二端部(14)并且从所述流通道的所述入口部延伸到所述流通道的所述出口部，
其中，所述装置包括支撑部件(19a、19b、20a、20b)，并且
其中，所述第一端部和所述第二端部中的至少一者在所述装置中由所述支撑部件支撑。
2.根据权利要求1所述的小型化流体流量调节装置，其中，所述长条梁的所述第一端部在所述装置中被支撑。
3.根据权利要求2所述的小型化流体流量调节装置，其中，所述长条梁的所述第一端部朝向所述流体流通道的所述出口部。
4.根据权利要求3所述的小型化流体流量调节装置，其中，所述第一端部在所述装置中被夹持，由此所述长条梁形成悬臂。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的小型化流体流量调节装置，其中，所述第二端部是自由的。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的小型化流体流量调节装置，其中，所述第二端部在所述装置中被支撑。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的小型化流体流量调节装置，其中，所述支撑部件被配置成沿着简单地支撑的一个或多个端部的整个长度、沿着所述简单地支撑的一个或多个端部的长度在中间位置和/或在所述一个或多个端部的角部提供支撑。
8.根据权利要求1至6中任一项所述的小型化流体流量调节装置，其中，所述支撑部件被配置成沿着所述长条梁提供支撑，支撑位置沿着所述梁、依赖于所述梁的挠曲。
9.根据权利要求8所述的小型化流体流量调节装置，其中，所述支撑位置沿着所述梁连续地依赖于所述梁的挠曲程度。
10.根据权利要求8或9所述的小型化流体流量调节装置，其中，所述支撑部件被配置成使得，所述梁的支撑在所述梁挠曲时朝向所述流量调节通路移动。
11.根据权利要求8至10中任一项所述的小型化流体流量调节装置，其中，所述支撑部件被配置成在所述梁的挠曲增加时有效地缩短所述长条梁的未被支撑的长度，由此使所述梁变硬。
12.根据权利要求8至11中任一项所述的小型化流体流量调节装置，其中，所述支撑部件包括沿着所述梁的长度方向延伸的脊(20a、20b)。
13.根据权利要求8至12中任一项所述的小型化流体流量调节装置，其中，所述支撑部件包括一个或多个离散的支撑件(19a、19b)。
14.根据权利要求8至13中任一项所述的小型化流体流量调节装置，其中，所述支撑部件包括沿着所述梁的长度方向延伸、设置在所述梁的第一和第二侧边处的第一脊和第二脊。
15.根据权利要求14所述的小型化流体流量调节装置，其中，所述第一脊和第二脊是弯曲的，使得所述支撑的位置从脊沿着所述长条梁、连续地依赖于所述梁的挠曲程度。
16.根据权利要求1至15中任一项所述的小型化流体流量调节装置，其中，所述长条梁的长度在5-20mm的范围，优选在5-15mm的范围，和/或宽度在2-10mm的范围，优选在4-6mm的范围，和/或厚度在10-500μm的范围，优选在30-300μm的范围。
17.根据权利要求1至16中任一项所述的小型化流体流量调节装置，其中，所述流通道的宽度在2-10mm的范围，优选在4-6mm的范围，和/或高度在0.1-2mm的范围，优选在0.5-1mm的范围。
18.根据权利要求1至17中任一项所述的小型化流体流量调节装置，其中，所述长条梁包括硅、锗、碳化硅、金属或聚合物材料。
19.一种呼吸分析装置，所述呼吸分析装置包括根据权利要求1至18中任一项所述的小型化流量调节装置，用于将呼气的流量调节为维持在10-300ml/s范围内的流量，优选维持50±5ml/s的流量，优选大于1000Pa的压力范围。
20.根据权利要求19所述的呼吸分析装置，所述呼吸分析装置包括用于分析呼气中的一氧化氮，即NO的浓度的传感器。
21.根据权利要求1至18中的任一项所述的小型化流体流量调节装置在呼吸分析装置中的应用，用于将呼气的流量调节为维持在10-300ml/s范围内的流量，优选维持50±5ml/s的流量，优选大于1000Pa的压力范围。
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