JP2002500345A - 可変オリフィス流量センサ - Google Patents

可変オリフィス流量センサ

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Abstract

(57)【要約】 可変オリフィス流量センサ（１０）は、フローオリフィスを画定するとともに第１の流体フローポート（１２）と第２の流体フローポート（１６）とを流体移動可能に連結するフロー導管要素と、磁化可能な金属薄板製のフラッパであって、ヒンジ部分によって導管要素に取り付けられて、導管要素を通じた流体の流れに応じてオリフィス（１８）を含む面から所定の角度をなして屈折することにより、導管要素を通じた流体の流速に比例してオリフィスの有効流体フロー断面積を変化させるフラッパと、該フラッパの両側に配される圧力検知栓とを備える。屈折制限面が導管要素内のヒンジ部分の近傍に配される。所定の値に少なくとも等しい流体の流速に応じて所定の角度に少なくとも等しい角度をなしてフラッパが屈折する際、ヒンジ部分が屈折制限面に当接する。これにより、ヒンジ部分に作用する過剰な応力が低減される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 （発明の背景） 本発明は流体流量センサの分野に一般に関する。より詳細には、本発明は、圧
力変換器とともに一般的に使用されて、導管内の流体（特に気体）の流れから差
圧信号を発生する、可変オリフィスすなわち可変遮断面積型の流体流量センサに
おける改良に関する。ここで、差圧信号の値は流速の値に相関しており、流速値
は体積値を得るために時間について積分することが可能である。
【０００２】 上記の種類の流量センサは、医療用途において、特に医療用ベンチレータにお
ける呼吸ガスの流速を測定するために一般的に使用されるようになった。こうし
た流量センサの具体的な例としては、米国特許第４，９８９，４５６号（スタペ
ッキー）（Ｓｔｕｐｅｃｋｙ）、同第４，９９３，２６９号（ギローム等）（Ｇ
ｕｉｌａｕｍｅ）ならびに、同第５，０３８，６２１号（スタペッキー）（Ｓｔ
ｕｐｅｃｋｙ）に開示されるものがある。これらの特許により例示される可変オ
リフィス流量センサは、既知の面積のフローオリフィス内に配されるヒンジ動作
可能な遮断要素すなわちフラッパを用いている。このフラッパは、流体を流すた
めにフラッパによって開放される、オリフィスの全面積の内の部分がオリフィス
を通じた流速に比例するように設けられる。オリフィスの両側における圧力落差
はオリフィスを通じた開口面積に比例する。すなわち、オリフィスの両側の差圧
はオリフィスを通じた流速に直接関係している。この差圧はオリフィスの上流及
び下流の圧力ポートによって検知される。検知された上流及び下流の差圧は差圧
変換器に送られると、差圧変換器はこの差圧を表す値を有するアナログ電気信号
を発生する。このアナログ信号はデジタル化されて、オリフィスを通じた瞬間的
な流体の体積流量を表す値を計算するようにプログラムされたマイクロプロセッ
サに入力される。
【０００３】 上記に述べられた種類の流量センサは、精度及び信頼性において許容可能な範
囲であったが、更なる改良が行われた。具体的には、医療用呼吸器、特に医療用
ベンチレータにおけるこうした流量センサの使用により、流量センサは、オート
クレーブで滅菌することが可能なステンレス鋼などの材料にて製造されることと
なった。しかし、ステンレス鋼にて形成されるフラッパは、長期の使用における
折り曲げの繰り返し、及び大きな流速に基づく過剰な応力のために疲労及び故障
しやすい（特にヒンジ連結された取り付け部において）。この問題は、フラッパ
のヒンジ取り付け部を強化し、フラッパの面積を大きくして、大きな流速におい
てもフラッパに過剰な応力が作用しないように構成することで解決が可能である
が、この解決策では、小さな流速における精度が低下する。
【０００４】 更に、ステンレス鋼製のフラッパの使用は、それ自体、低流速側の精度の低下
につながる。これは、製造工程において、ステンレス鋼製の薄板には「残留ひず
み」が生じ、これによりフラッパが正確な平面から若干反れてしまうことによる
。換言すれば、フラッパは若干湾曲していることがしばしばであり、オリフィス
内に設置される際に、フラッパの周縁とオリフィスを画定する環状面との間に間
隙が形成されてしまう。これにより、流速が０である場合に、オリフィスの面積
が０でなくなり、低流速における精度の低下につながる。更に、オートクレーブ
の高温に曝されることによる精度の低下を防止するため、フラッパは焼き鈍しす
ることが有利である。しかし、この焼き鈍し工程によりステンレス鋼は軟化し、
その結果、固さすなわち剛性が低下することによりフラッパは測定可能な応答性
を失ってしまう。これは流速が小さい場合に顕著である。すなわち、この焼き鈍
し工程は、精度低下の要因の１つ（高温への露曝）を解消する一方で別の要因（
フラッパの剛性の低下）を導入する。
【０００５】 したがって、大きな流速に繰返し曝される場合においても、疲労や故障を生ず
ることなく長期の使用における繰り返しの折り曲げに耐え得るような金属（好ま
しくはステンレス鋼）製フラッパを備えた可変オリフィス流量センサが求められ
ている。更に、低域の感度及び精度の良好な値を得ることが可能なこうした流量
センサが求められている。更に、時間の経過にともなって精度が低下せずまた応
答性を犠牲にすることのない、繰り返しのオートクレービングに耐え得るこうし
た流量センサが求められている。
【０００６】 （発明の概要） 広義において、本発明は、第１の流体フローポートと、第２の流体フローポー
トと、フローオリフィスを画定するとともに第１の流体フローポートと第２の流
体フローポートとを流体移動可能に連結するフロー導管要素と、磁化可能な金属
薄板製のフラッパであって、ヒンジ部分によって導管要素に取り付けられて、導
管要素を通じた流体の流れに応じてオリフィスを含む面から所定の角度をなして
屈折することにより、導管要素を通じた流体の流速に比例してオリフィスの有効
流体フロー断面積を変化させるフラッパと、該フラッパの両側に配される圧力検
知栓とを備える可変オリフィス流量センサであって、その改良点は、導管要素内
のヒンジ部分の近傍に配される屈折制限面であって、所定の値に少なくとも等し
い流体の流速に応じて所定の角度に少なくとも等しい角度をなしてフラッパが屈
折する際にヒンジ部分が当接する屈折制限面を含むことにより、ヒンジ部分に作
用する過剰な応力が低減される流量センサに関するものである。改良点としては
更に、導管要素内のフラッパの近傍に配される少なくとも１個の磁石が含まれる
。この場合、磁石は、オリフィスを通じた流体の流れがないときに、フラッパと
流体フローオリフィスを画定する導管要素の部分との間に存在するゼロフロー間
隙が最小化される位置にフラッパを強制移動させるようにフラッパに作用する磁
場を発生する。
【０００７】 特定の好ましい実施形態においては、フラッパのヒンジ部分は、ピン、リベッ
トやこれらに相当する要素などの回動要素に取り付けられる。回動要素は導管要
素の中心軸にほぼ平行な軸を有する。互いに所定の角度の切り欠きにて分離され
た２個の支持プレートが、回動要素から導管内へと径方向内側に延びる。この切
り欠きは回動要素の中心軸に直交する直線に沿った頂部を有するため、切り欠き
によって各支持プレート上に互いに対向する２つの屈折制限面が形成される。こ
れら２つの屈折制限面は回動要素から径方向内側に延びるにしたがって互いに所
定の角度をなして離間する。すなわち、プレートの屈折制限面によってフラッパ
のヒンジ部分の移動角度が限定される。
【０００８】 更に、特定の好ましい実施形態では、第１及び第２のディスク形状の磁石が、
フラッパの近傍において導管要素の外側壁に形成される第１及び第２の凹部内に
それぞれ収容される。フラッパは、良好な磁性を与えるために冷間圧延したステ
ンレス鋼の薄板から、切り抜き、スタンピング、または化学エッチングにより形
成される。磁石によって形成される磁場によって、フラッパの縁と導管要素のオ
リフィスを画定する部分との間に存在する間隙が、流れがない状態において最小
となる位置にフラッパが強制移動すなわち引っ張られるように磁石の位置及び磁
場の強さは選択される。この磁場の強さは、（上述したように）焼き鈍し工程に
おいて失われる固さすなわち剛性を、模倣、ひいては補償するうえで充分に強い
が、高流速においてフラッパに大きな付勢を与えるほどは強くない。したがって
高域での精度を犠牲とすることなく低域での応答性が向上する。
【０００９】 以下の詳細な説明からより良く理解されるように、本発明によって従来技術と
比較して大きな利点が与えられる。詳細には、屈折制限面によってフラッパのヒ
ンジ部分の屈折角度が限定されるため、限界移動角度に達するとヒンジ部分に作
用する応力はほとんどあるいは全く増大しない。フラッパは高流速では支持プレ
ートの縁を越えて弾性的に屈折し、これによりヒンジ部分に応力に基づく顕著な
疲労を生ずることなく測定を行うことが可能である。これにより、センサが高流
速に曝される場合においても、低流速での精度すなわち感度に大きな影響を与え
ることなくセンサの耐用寿命は延びることになる。更に、磁石による間隙の最小
化によって低流速における精度が向上する。すなわち、本発明に基づくセンサは
、より長い耐用寿命を有するとともに、測定される流速範囲の最大及び最小値の
いずれにおいても高い精度を与える。
【００１０】 （好ましい実施形態の詳細な説明） 図１〜図８を参照すると、本発明の好ましい一実施形態に基づく可変オリフィ
ス流体流量センサ１０が示されている。図１及び図２に最も分かりやすく示され
るように、センサ１０は、第１の流体フローポート１４を画定する第１の管状要
素１２と、第２の流体フローポート１８を画定する第２の管状要素１６とを備え
る。第２の管状要素１６は内側が螺刻された開口部２０を有する。開口部２０は
、第１の管状要素１２の、外側が螺刻された端部２２を受容する第２の流体フロ
ーポート１８に対向している。すなわち、第１及び第２の管状要素１２，１６は
、螺刻された開口部２０と螺刻された端部２２とを螺合することにより、互いに
着脱可能に連結することが可能である。センサ１０は双方向センサであるため、
流体フローポート１４，１８のそれぞれは、流入ポートまたは流出ポートのいず
れとしても機能することが可能である。
【００１１】 第２の管状要素１６の内部の、螺刻された開口部２０から若干の距離だけ内側
の位置において環状肩部２４が形成されている。肩部２４は短い管状導管要素２
６のための係止部を形成するが、これについては後に詳述する。環状ワッシャ２
７を肩部２４と導管要素２６との間に有利に配することが可能である。第２の管
状要素１６には、螺刻された開口部２０から直ぐ内側の位置に内側に螺刻が施さ
れた第１のラジアルボア２８が設けられている。第２の管状要素１６内で、肩部
２４の、第１のラジアルボア２８とは反対側において、肩部２４から若干の距離
だけ内側の位置には、内側に螺刻が施された第２のラジアルボア３０が設けられ
る。第１及び第２のラジアルボア２８，３０はそれぞれ第１及び第２の圧力検知
栓３２，３４を受容する。第１及び第２の圧力検知栓３２，３４のそれぞれは、
対応するラジアルボアの内側の螺刻に螺合する、外側に螺刻が施された部分を有
する。圧力検知栓３２，３４は、柔軟な導管３５により、電気的に消去可能なプ
ログラム可能読み取り専用メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）チップ３９（図１０）が収納
された電子モジュール３６の入力側にそれぞれ連結される。モジュール３６をオ
ートクレーブにかけることが可能なプラスチックにて形成し、ＥＥＰＲＯＭ３９
を耐熱エポキシ樹脂に埋め込むことにより、モジュール３６全体をセンサ１０と
ともにオートクレーブで滅菌することが可能である。モジュール３６は、ＥＥＰ
ＲＯＭ３９の適当な入力及び出力端子（図に示されていない）に電気的に接続さ
れた、図１に示されるような複数の導電ピン４１を有し、後述するようにＥＥＰ
ＲＯＭ３９にデータを保存したり、これからデータを取り出すことが可能である
。
【００１２】 導管要素２６は、アルミニウムやオートクレーブにかけることが可能なプラス
チックなどの耐腐食性の非磁性材料にて好ましくは形成される。導管要素２６に
より第１の流体フローポート１４と第２の流体フローポート１８との間の流体連
通が与えられる。導管要素２６は螺刻を有する開口部の内径よりも若干小さい外
径を有するため、導管要素２６を、ワッシャ２７に対して係止するまで第２の管
状要素１６内に螺刻された開口部２０を通じて挿入することが可能である。第１
の管状要素１２に対向する導管要素２６の辺縁には、第２の管状要素１６の第１
のラジアルボア２８に整合して第１の圧力検知栓３２を受容する切り欠き３７が
設けられている。導管要素２６を設置または取り外すためには、第１の圧力検知
栓３２を、導管要素２６のための間隙が与えられるような充分な距離だけ、第１
のラジアルボア２８から少なくとも部分的に引き出さなければならない。
【００１３】 導管要素２６は、それぞれ第１及び第２の取り付けピン３８ａ，３８ｂによっ
て、互いに正反対となる位置に互いに隣り合うように取り付けられる２個のリン
グ２６ａ，２６ｂから構成される。また、リベット、ロッド、ネジ、やこれらに
類する取り付け手段（接着剤など）を用いてリング２６ａと２６ｂとを互いに取
付けて導管要素２６を構成することも可能である。リング２６ａとリング２６ｂ
との間には、良好な磁性を与えるために冷間圧延したステンレス鋼の薄板から、
切り抜き、スタンピング、または化学エッチングにより形成された薄いダイアフ
ラム４０が挟持されている。図６に最も分かりやすく示されるように、ダイアフ
ラム４０は、リング２６ａと２６ｂとの間に挟持されてピン３８ａ，３８ｂによ
ってリングに固定される外側の固定環状部分４２を有する。すなわち環状部分４
２は、導管要素２６の、センサ１０の流体フローオリフィスを画定する部分とな
る。ダイアフラム４０の中央部は、ダイアフラム４０の外側環状部分４２によっ
て画定される流体フローオリフィスを可変的に遮断するフロー応答フラッパ４４
として構成される。フラッパ４４はヒンジ部分４６によって外側環状部分４２に
連結されているため、フラッパ４４は、流体フローオリフィスの面すなわち外側
環状部分４２により画定される平面に対して、いずれの方向にも、所定の角度に
て屈折することが可能である。流体フローオリフィスの有効流体フロー断面積は
、後述するようにフラッパ４４の屈折角に比例する。
【００１４】 図３及び図４に最も分かりやすく示されているように、フラッパ４４のヒンジ
部分４６は、第１の取り付けピン３８ａによって導管要素２６に連結される。す
なわち第１の取り付けピン３８ａは回動軸要素として機能する。第１の取り付け
ピン３８ａの下方において、リング２６ａ，２６ｂのそれぞれには屈折制限面５
０を有する下垂プレート４８が設けられている。屈折制限面５０同士は互いに所
定の角度をなし、第１の取り付けピン３８ａの軸線に直交する直線に沿った頂端
を有する、角度切り欠きを形成する。好ましい特定の一実施形態では、約３０°
の所定の角度をなす。屈折制限面５０の目的については後述する。
【００１５】 図６，７及び８を参照すると、導管要素２６の外側壁面には、下側取り付けピ
ン３８ｂの両側において２個の浅いポケット５４が形成されている。ポケット５
４は、ダイアフラム４０の外側環状部分４２が挟持される、リング２６ａと２６
ｂとの接合部に配される。したがって、ダイアフラム４０の環状部分４２はポケ
ット５４と整合する２個の凹部を有するため、ポケット５４はリング２６ａ，２
６ｂ内かつダイアフラム４０の環状部分４２内に形成されることとなる。各ポケ
ット５４はディスク形の永久磁石５６を受容する。磁石５６はダイアフラム４０
に引き付けられ、室温にて周囲雰囲気に曝されると速やかに固化する液体シリコ
ーンゴム接着封緘剤５７（図８）によって所定位置に封入される。このセンサが
医療用途で使用される場合（例 医療用ベンチレータ）、封緘剤は２１ＣＦＲ１
７７．２６００に述べられる米国食品医薬品局の規定に見合ったものでなければ
ならない。この規定に見合った適当な材料として、ゼネラルエレクトリック（Ｇ
ｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｍｐａｎｙ）社（ウォーターフォード、
ニューヨーク州）（Ｗａｔｅｒｆｏｒｄ，ＮＹ）から「ＲＴＶ１１０」の製品名
にて市販されているものがある。この封緘剤は、磁石５６をポケット５４内に保
持するのみでなく、磁石を腐食から保護する。
【００１６】 次にセンサ１０の動作について述べる。流体の流速が（いずれの方向において
も）０であるとき、静的フロー状態が定義される。フラッパ４４の面は、管状要
素１２，１６及び導管要素２６の長手方向軸に沿った流体の流路にほぼ直交する
。ダイアフラム４０のフラッパ４４と外側環状部分４２との間の間隙は最小（例
成人用医療用ベンチレータで１ｍｍ未満）となるため、環状部分４２によって
画定されるフローオリフィスの有効流体フロー断面積は最小となる。流体フロー
オリフィスを通じた流れがないため、圧力栓３２，３４間の圧力落差は０である
。
【００１７】 流体の流速が０でない場合、フラッパは流体フローオリフィスの面の外に所定
の角度にて屈折される。屈折の角度は流体の流速に比例し、流体フローオリフィ
スの有効流体フロー断面積は屈折の角度に比例している。すなわち、流体フロー
オリフィスの有効流体フロー断面積は、オリフィスを通じた流速に比例して増大
する。
【００１８】 固定オリフィスを通じて流れる流体の圧力落差は流速の２乗に比例している。
本発明においては、オリフィスの断面積は流速とともにほぼ直線的に増加するた
め、圧力落差は、流速の、より線形に近い関数となる。この現象の１つの結果は
、高流速における圧力落差が固定オリフィス流量センサの場合と比較して小さく
なっているのに対し、低流速における圧力落差が、固定オリフィスの両側で生じ
る圧力落差と比較して大きくなっている点である。
【００１９】 図１０に示されるように、オリフィスの両側での圧力落差は、圧力栓３２，３
４によって検知され、可撓性の管３５を介してモジュール３６の入力側に伝えら
れる。モジュール３６は、検知される圧力落差を対応する２個の流出ポート５８
（図１）に伝える２本の内部通路（図に示されていない）を有する。流出ポート
５８は可撓性を有する管（図に示されていない）によって、当該技術分野におい
て知られる任意の適当な差圧変換器６０に接続することが可能である。圧力変換
器６０は圧力落差を反映した値を有するアナログ電気信号を発生する。このアナ
ログ信号は、アナログデジタル変換器６２によってデジタル化され、オリフィス
を通じた瞬間的な体積流量を表す値を生成するようにプログラムされたマイクロ
プロセッサ６４に入力される。この機能を実行するうえで必要とされるプログラ
ムは関連技術分野の熟練者にとっては日常的なものである。例として、流速に対
する圧力の値を示した、経験的に作成された参照表をＥＥＰＲＯＭ３９に保存す
ることが可能であり、このＥＥＯＲＯＭに所定の間隔でマイクロプロセッサ６４
によってアドレスする。マイクロプロセッサ６４が生成する瞬間的な体積流量値
は表示装置６６に出力される。表示装置６６としては、計器または英数字表示装
置（例 ＬＥＤ、ＬＣＤ、ガス放電ディスプレイ）を使用することが可能である
。
【００２０】 ＥＥＰＲＯＭ３９に保存された参照表は、公知の度盛り技術により、流量セン
サを予め度盛りすることによって生成することが可能である。例として、センサ
１０の想定される使用範囲の全体にわたって正確な値の既知の流速を与える可変
エアフロー源を使用することが可能である。
【００２１】 低流速における精度及び感度は、フラッパ４４とオリフィスを画定する環状部
分４２との間の間隙を最小化することに依存している。一般に、約１ｍｍ以下の
（好ましくはこれよりも若干小さい）間隙が望ましい。ステンレス鋼製ダイアフ
ラム４０の製造における制限のため、フラッパ４４を含めたダイアフラム４０は
、厳密に平面的な形状から外れてしまう。この形状の偏りにより、センサ毎に異
なる、望ましい最大値である１ｍｍよりも大幅に大きい間隙が形成される。
【００２２】 この問題を解決するため、磁石５６が用いられる。磁石５６は、これにより形
成される磁場によって、フラッパ４４と環状部分４２との間の間隙が最小となる
ような所定の位置に向けてフラッパ４４が引っ張られるように構成、配置される
。この磁場の強さは、焼き鈍し工程において失われる固さすなわち剛性を、模倣
、ひいては補償するうえで充分に強いが、高流速においてフラッパに大きな付勢
を与えるほどは強くない。これらの制約の範囲内で、磁場の強度はフラッパ４４
を屈折させるうえで必要とされる流速の閾値が（一般に１ＬＰＭよりも小さい）
許容可能な最小値に維持されるように選択される。
【００２３】 図９は、上記の改良をとりいれることにより、磁石５６を有さない従来の流量
センサと比較して向上した流量センサの低域での性能を示したものである。図９
は、−７ＬＰＭ〜＋７ＬＰＭの範囲において（双方向の流れを意味する）、測定
された圧力差と流速との関係を示したグラフである。図９において、四角いデー
タ点で表される曲線Ａは、磁石５６のない従来の流量センサについて、圧力落差
の測定値を流速の関数として示したものであり、ひし形のデータ点で表される曲
線Ｂは、磁石５６を使用した改良された流量センサについて、圧力落差の測定値
を流速の関数として示したものである。曲線Ａと曲線Ｂとの比較により、本発明
に基づく改良されたセンサでは、低流速において感度が向上している（流速の関
数としての圧力落差の絶対値がより大きい）ことが示される。感度がこのように
向上していることにより、磁石５６を備えた改良流量センサでは低流速における
精度が向上している。
【００２４】 本発明の特定の試作品において、±０．７Ｌ／分（ＬＰＭ）の度盛りされた低
い流速を用いて、磁石５６を有さない点を除いて本発明と同じ構成を有する流量
センサを通じた同様な流速の場合との比較を行った。本発明の試作品では、−０
．７ＬＰＭにおける圧力落差は約−０．０２６水柱ｃｍ（ｃｍＨ2Ｏ）であり、 ＋０．７ＬＰＭでは約０．０１８８ｃｍＨ2Ｏであった。これは、−０．７ＬＰ Ｍにおいて約−０．００８ｃｍＨ2Ｏの圧力落差を、＋０．７ＬＰＭにおいて約 ０．００２ｃｍＨ2Ｏの圧力落差を有する改良されていないセンサと比較して対 照的である。
【００２５】 第２の取り付けピン３８ｂから等距離の位置に配される２個のディスク形磁石
（図６に示される）により、最適の結果が得られ、（第２の取り付けピン３８ｂ
の位置を変える必要がないため）組み立てが容易となるが、他の磁石の形状及び
配置によって許容可能な結果を得ることも可能である。例として、第２の取り付
けピン３８ｂを移動する（または除去する）ことにより、１個の磁石を使用して
良好な結果を得ることが可能である。
【００２６】 図４は、高流速におけるフラッパ４４の動作を示したものである。所定の流速
以下では、フラッパ４４は一様な角度にて屈折し、ヒンジ部分４６により上部取
り付けピン３８ａを中心として回動する。ここで、ヒンジ部分４６の更なる回動
は、図４の実線部にて示されるように、屈折制限面５０の１つに対してヒンジ部
分４６が当接することによって制限される。図４の破線部にて示されるように、
所定の流速よりも大きい流速では、フラッパ４４は隣接する当接プレート４８の
底部を中心として弾性的に屈折する。この屈折動作により、フラッパはオリフィ
スの有効流体フロー断面積を大きくする機能を引き続き行うことが可能であり、
比較的壊れやすいヒンジ部分４６に更なる応力が作用することはない。これによ
り、ヒンジ部分４６を変形または破壊することなく、従来可能であったよりも高
い流速を測定することが可能であり、またセンサの耐用寿命が延びる。
【００２７】 上述したように、本発明の特定の好ましい一実施形態において切り欠き５２の
なす角度は３０°である。すなわち、いずれの方向においてもヒンジ部分４６の
最大屈折角度は、切り欠き５２のなす角度の１／２、すなわちここに述べられる
例示的実施形態においては１５°である。センサ１０によって測定される任意の
与えられた流速に対し、また、フラッパ４４によって遮断されるオリフィスの、
任意の与えられたフロー断面積に対し、許容される性能を与える切り欠きの角度
の範囲は非常に小さい。切り欠きの角度が大きすぎる場合、ヒンジ部分４６の屈
折が過剰となり、早期の故障につながる。この角度が小さすぎる場合、ヒンジ部
分４６の動きに対する制限に基づくフラッパ４４の抵抗により、高流速において
圧力落差が大きくなりすぎる。大きすぎる圧力落差は、患者の呼吸を妨げる背圧
となり得るため、医療用ベンチレータなどの用途においては避けられるべきであ
る。最大で約１００ＬＰＭの流速を測定するように構成された、約１６ｍｍの流
体フローオリフィス径（フラッパ径）を有する本発明の試作品においては、上述
した３０°の角度によって最適の結果が得られる。この角度は、最高流速（例
最大約９００ＬＰＭ）または最低流速（例 最低で約３０ＬＰＭ）のいずれかを
測定する必要がある場合には変えなければならない場合がある。
【００２８】 以上より、本発明は従来技術と比較して大きな利点を有することが理解される
であろう。詳細には、所定の角度をなす屈折制限面５０によりフラッパ４４のヒ
ンジ部分４６の屈折角度が制限され、移動限界角度に達するとヒンジ部分４６に
作用する応力はほとんどまたは全く増加しない。フラッパ４４は高流速では支持
プレート４８の縁を越えて弾性的に屈折し、これによりヒンジ部分４６に応力に
基づく顕著な疲労を生ずることなく測定を行うことが可能である。これにより、
センサが高流速に曝される場合においても、低流速での精度すなわち感度に大き
な影響を与えることなく、センサの耐用寿命は延びることになる。更に、磁石５
６による間隙の最小化によって低流速における精度が向上する。すなわち、本発
明に基づくセンサは、より長い耐用寿命を有するとともに、測定される流速範囲
の最大及び最小値のいずれにおいても高い精度を与える。
【００２９】 以上本発明の好ましい一実施形態について述べてきたが、当業者にとって多く
の改変及び変更が可能である点は理解されるであろう。例として、オリフィスを
画定する環状部分４２を含むダイアフラム要素４０、ヒンジ部分４６、ならびに
フラッパ４４の形状は、異なる形状を有することが可能であり、それらの幾つか
は上述の米国特許第４，９９３，２６９号に示されている。ダイアフラム要素４
０の形状及び寸法はセンサ１０の用途によって決められるが、その際、予想され
る測定流速範囲、必要とされる感度及び精度、望ましい耐用寿命（フラッパの最
大またはほぼ最大の変位角度における）などが考慮される。すなわち、ここに述
べた実施形態はあくまで例示的なものとして解釈されるべきであり、示唆される
変更例及び改変例は、特許請求の範囲において定義される発明の精神及び範囲に
含まれるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好ましい一実施形態に基づく流体流量センサを示す斜視図
。
【図２】図１の２−２線に沿った縦断面図。
【図３】図２の破断囲み線３内の領域の細部を示す図であって、流量が０と
なる位置にあるフラッパを示す図。
【図４】図３によく似ているが、流体の大きな流速に対し移動角度の一方の
限界にあるフラッパを示す図。
【図５】図２の５−５線に沿った断面図。
【図６】図２の６−６線に沿った断面図。
【図７】図６の７−７線に沿った断面図。
【図８】図７の８−８線に沿った断面図。
【図９】フローオリフィスの両側における圧力落差を流速の関数として示し
たグラフであって、本発明の磁石により与えられる改良がある場合と、ない場合
の、低流速におけるセンサの性能を比較したグラフ。
【図１０】本発明に基づく流量センサを組み込んだ流量測定システムを示す
概略図。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 シェフェール、ドナルド アメリカ合衆国 92505 カリフォルニア 州 リバーサイド ドノバン コート 2845 Ｆターム(参考） 2F030 CA04 CE02 CE22 CE24 CF08 4C066 AA00

Claims (18)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 フローオリフィスを画定するとともに第１の流体フローポー
    トと第２の流体フローポートとを流体移動可能に連結するフロー導管要素と、ヒ
    ンジ部分によって前記導管要素内に取り付けられることにより導管要素を通じた
    流体の流れに応じてオリフィスの面から所定の角度をなして屈折し、導管要素を
    通じた流体の流速に比例してオリフィスの有効流体フロー断面積を変化させるフ
    ラッパと、フラッパの両側に設けられた圧力検知栓とを備えた可変オリフィス流
    量センサにおいて、改良点は、 導管要素内のヒンジ部分近傍に設けられる屈折制限面であって、所定の値に少
    なくとも等しい流体の流速に応じて、所定の角度に少なくとも等しい屈折角度に
    てフラッパが屈折する際に、ヒンジ部分が当接する屈折制限面である可変オリフ
    ィス流量センサ。
  2. 【請求項２】 前記屈折制限面は、前記ヒンジ部分の近傍において導管要素
    から垂下する支持プレートによって画定される請求項１に記載の流量センサ。
  3. 【請求項３】 前記屈折制限面は、ヒンジ部分の近傍において導管要素から
    垂下する２個の支持プレートによって画定される２つの屈折制限面を含み、該屈
    折制限面同士は所定の角度をなす切り欠きにて分離される請求項２に記載の流量
    センサ。
  4. 【請求項４】 前記ヒンジ部分は、軸方向に所定の長さを有する回動要素に
    よって前記導管要素に連結され、前記切り欠きは前記回動要素の軸方向の長さに
    直交する直線に沿った頂部を有する請求項３に記載の流量センサ。
  5. 【請求項５】 オリフィスを通じた流体の流れがない場合、前記フラッパと
    導管要素との間に所定のゼロフロー間隙が形成され、フラッパは磁化可能な金属
    にて形成される請求項１乃至４のいずれか１項に記載の流量センサにおいて、改
    良点は、 導管要素内でフラッパの近傍に配される磁石要素であって、前記ゼロフロー間
    隙を最小化する位置にフラッパを強制移動させる磁場を発生するように配置及び
    形成された磁石要素を更に含む流量センサ。
  6. 【請求項６】 フラッパを屈折させるうえで必要とされる流速の閾値が所定
    の最小流速よりも小さくなるように前記磁場は選択される請求項５に記載の流量
    センサ。
  7. 【請求項７】 前記磁石要素は２個の永久磁石を含む請求項５に記載の流量
    センサ。
  8. 【請求項８】 前記導管要素は、ポケットが形成される外側壁面を有し、前
    記磁石要素は該ポケット内に保持される永久磁石を含む請求項５に記載の流量セ
    ンサ。
  9. 【請求項９】 前記導管要素は、２個のポケットが形成される外側壁面を有
    し、前記磁石要素は該ポケットのそれぞれの内部に保持される永久磁石を含む請
    求項５に記載の流量センサ。
  10. 【請求項１０】フローオリフィスを画定するとともに第１の流体フローポー
    トと第２の流体フローポートとを流体移動可能に連結するフロー導管要素と、磁
    化可能な金属製フラッパであって、ヒンジ部分によって前記導管要素内に取り付
    けられることにより、オリフィスを通じた流体の流れがない場合にフラッパと導
    管要素との間に所定のゼロフロー間隙が形成されるとともに、導管要素を通じた
    流体の流れに応じてオリフィスの面から所定の角度をなして屈折し、導管要素を
    通じた流体の流速に比例してオリフィスの有効流体フロー断面積を変化させるフ
    ラッパと、フラッパの両側に設けられた圧力検知栓とを備えた可変オリフィス流
    量センサにおいて、改良点は、 導管要素内でフラッパの近傍に配される磁石要素であって、前記ゼロフロー間
    隙を最小化する位置にフラッパを強制移動させる磁場を発生するように配置及び
    形成された磁石要素を含む流量センサ。
  11. 【請求項１１】フラッパを屈折させるうえで必要とされる流速の閾値が所定
    の最小流速よりも小さくなるように前記磁場は選択される請求項１０に記載の流
    量センサ。
  12. 【請求項１２】前記磁石要素は２個の永久磁石を含む請求項１０に記載の流
    量センサ。
  13. 【請求項１３】前記導管要素は、ポケットが形成される外側壁面を有し、前
    記磁石要素は該ポケット内に保持される永久磁石を含む請求項１０に記載の流量
    センサ。
  14. 【請求項１４】前記導管要素は、２個のポケットが形成される外側壁面を有
    し、前記磁石要素は該ポケットのそれぞれの内部に保持される永久磁石を含む請
    求項１０に記載の流量センサ。
  15. 【請求項１５】改良点は更に、 導管要素内のヒンジ部分近傍に設けられる屈折制限面であって、所定の値に少
    なくとも等しい流体の流速に応じて、所定の角度に少なくとも等しい屈折角度に
    てフラッパが屈折する際に、ヒンジ部分が当接する屈折制限面を含む請求項１０
    乃至１４に記載の流量センサ。
  16. 【請求項１６】前記屈折制限面は、前記ヒンジ部分の近傍において導管要素
    から垂下する支持プレートによって画定される請求項１５に記載の流量センサ。
  17. 【請求項１７】前記屈折制限面はヒンジ部分の近傍において導管要素から垂
    下する２個の支持プレートを含み、該屈折制限面同士は所定の角度をなす切り欠
    きにて分離される請求項１６に記載の流量センサ。
  18. 【請求項１８】前記ヒンジ部分は、軸方向に所定の長さを有する回動要素に
    よって前記導管要素に連結され、前記切り欠きは前記回動要素の軸方向の長さに
    直交する直線に沿った頂部を有する請求項１７に記載の流量センサ。
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