JP2003523506A - 流量モジュールおよび一体化された流れ制限器 - Google Patents
流量モジュールおよび一体化された流れ制限器Info
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Abstract
Description
(flow restrictor)を有する流れセンサに関する。
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。
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。
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。
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
。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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(sen
sing 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。
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4
8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。
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5
4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。
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。
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、Ill
inois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700000
psi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。
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6
0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。
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。
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4
2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、8
0b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。
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。
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。
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。
2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、基板ベ
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。
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。
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3
2、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。
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。
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
。
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1
54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15
0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。
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1
62a、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16
4、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(ISO53
56)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。
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17
4、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、1
76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。
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。
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。
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5
0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4
2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。
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19
0(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。
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5
0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。
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。
体化されたモジュールの断面図である。
図3の流れセンサの断面図である。
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。
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。
いる、図1のハウジングの断面図である。
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。
る。
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 (34)
- 【請求項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流れ制限器にして、入口端部と出口端部とを有し、前記
出口端部で前記流路を横切る実質的に均一な流れを作るために、前記流路に適合
した複数のオリフィスをさらに有する流れ制限器と、 備える一体化されたモジュール。 - 【請求項2】 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
、前記外壁から実質的に等距離に存在し且つ前記流路の長さ方向に沿って延びる
軸の周りに同心に整列された円形のオリフィスである、請求項1に記載の一体化
されたモジュール。 - 【請求項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形オリフ
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。 - 【請求項4】 少なくとも1つの前記オリフィスが、前記オリフィスの少な
くとも別の1つと実質的に同じ水力学的直径を有する、請求項3に記載の一体化
されたモジュール。 - 【請求項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。 - 【請求項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。 - 【請求項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。 - 【請求項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。 - 【請求項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
記出力マウントが、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。 - 【請求項10】 前記ハウジングが、さらに、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
サを備える請求項1に記載の一体化されたモジュール。 - 【請求項11】 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10に記載
の一体化されたモジュール。 - 【請求項12】 前記検知タップが、入口端部と出口端部とを有し、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10に記載の一体化されたモジュール。 - 【請求項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12に記載の一体化された
モジュール。 - 【請求項14】 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12に記載の一体化され
たモジュール。 - 【請求項15】 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、入口
端部および出口端部を有し、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10に記載の一体化された
モジュール。 - 【請求項16】 前記センサが、熱的なマイクロ構造センサである、請求項
10に記載の一体化されたモジュール。 - 【請求項17】 前記センサが、圧力センサである、請求項10に記載の一
体化されたモジュール。 - 【請求項18】 前記検知タップが、入口および出口端部を有し、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10に記載の一体化
されたモジュール。 - 【請求項19】 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。 - 【請求項20】 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19に記載の一体化されたモジ
ュール。 - 【請求項21】 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。 - 【請求項22】 前記流路が、円形断面形状の外壁を有し、前記オリフィス
が円形オリフィスである、請求項1に記載の一体化されたモジュール。 - 【請求項23】 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、 流路に配置された流れ制限器と、 入口端部と出口端部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流路を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、前記流れセンサ、および前記検知流路が一体に形成されるハ
ウジングをさらに備える、モジュール。 - 【請求項24】 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23に記載のモジュール。 - 【請求項25】 前記流路が、熱的なマイクロ構造センサである、請求項2
3に記載のモジュール。 - 【請求項26】 前記流れ制限器が、前記流路の前後で実質的に均一な流れ
を作るようになされた複数のオリフィスを備える、請求項23に記載のモジュー
ル。 - 【請求項27】 前記流れ制限器が、ハニカム・パターンにされた構造であ
る、請求項23に記載のモジュール。 - 【請求項28】 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を備える流れ制限器。 - 【請求項29】 前記流路が、円形断面形状の外壁を有し、前記オリフィス
が円形オリフィスである、請求項28に記載の一体化されたモジュール。 - 【請求項30】 前記流路が、円形形状のチャネル壁を有し、前記オリフィ
スが、前記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形オリフィスである、請求項28に記載の流れ制限器。 - 【請求項31】 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30に記載の流れ制限器。 - 【請求項32】 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31に記載の流れ制限器。 - 【請求項33】 前記樹脂が、ナイロン樹脂である、請求項32に記載の流
れ制限器。 - 【請求項34】 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28に記載の一体化されたモジュール。
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