JP4462797B2 - 安定ガスフロー制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
（技術分野）
本発明は、入口チャンバと出口チャンバを有する安定したフローを制御する装置に関する。
【０００２】
（背景技術）
人間の呼気内に含まれる、例えば、一酸化窒素などの物質の濃度を調べることにより、数多くの疾病を診断することができる。しかし、呼気の圧力が人によって変わるので、単位時間当たりに、試験管またはそれに類するものを通って流れる空気の体積が相当に変化してしまう。したがって、呼気の圧力に関係なく、試験管などに安定した呼気フローを供給する装置に対する要請がある。本発明の目的は、こうした装置を提供することにある。
【０００３】
（発明の要約）
この目的は、入口チャンバと、出口チャンバと、入口および出口チャンバの境界を定める可動壁とを備えた安定フロー制御装置により実現される。この装置は、可動壁がこれらのチャンバ間における連通を可能にする開口部を有し、細長い部材が可動壁の開口部の中央において移動方向に延び、可動壁の開口部が第１位置において細長い部材の第１端部に隣接して配置され、細長い部材が第１位置から第２位置に向かって徐徐に増大する断面の大きさを有し、可動壁の開口部の大きさが細長い部材の断面の大きさよりも大きく、さらに可動壁を第１位置に向かって付勢するための螺旋ばねを有し、可動壁に固定され、細長い部材の一部を包囲する開口部を含む本体部が、可動壁の移動方向を規定する細長いガイド部材と滑動可能に接続されることを特徴とする。
【０００４】
こうした装置によれば、細長い部材の外側周辺と、壁に設けた内側周辺との間の空間が、入口チャンバ内の圧力が増大するのに伴って減少し、その結果、入口チャンバ内の圧力に関係なく、出口チャンバ内の圧力を一定にする。
【０００５】
好適な実施形態においては、細長い部材が、入口チャンバ内に配置された第１端部と、出口チャンバ内に配置された第２端部とを有する。細長い部材の断面形状が、開口部の断面形状と対応している。可動壁に設けた開口部の断面形状と、細長い部材の断面形状が円形である。細長い部材が円錐台形状を有する。可動壁はダイアフラムであってもよい。好適には、安定フローは０．５ないし４．５リットル／分で、より好適には０．６ないし３．０リットル／分の範囲内にある。
【０００６】
（実施形態の詳細な説明）
添付した図１を参照しながら、本発明を以下に説明する。図１の装置は、ハウジング１を備え、このハウジングの内部空間は、例えば、シリコンゴムまたはラテックスなどのフレキシブル材料からなるダイアフラム４により、入口チャンバ２と出口チャンバ３に分割される。円筒状の中空本体部５は、ダイアフラム４に固定され、ダイアフラムから図１の下方向に延びている。本体部５は、入口チャンバ２内に配置された第１の端部と、出口チャンバ３内に配置された第２の端部とを有する。
【０００７】
実質的に円筒状の本体部の形態を有するガイド部材６は、ハウジング１内において、チューブ形状の上端７から図１の下方向に延びている。ガイド部材６は、チューブ上端７を介してハウジング１の内部空間へ空気が通過できるようにした適当な手段を用いて、ハウジング１により支持されている。ガイド部材６は、ハウジング１の上側壁から距離を隔てて配置された、環状フランジの形態を有する台座部８をさらに有する。
【０００８】
中空の管状本体部５は、ガイド部材６の外径よりも大きい内径を有するので、ガイド部材６の外側表面と本体部５の内側表面の間には環状の空間が形成される。さらに、本体部５の第１の端部は、例えば、３つのガイドピンまたは環状スリーブのように、本体部５をガイド部材６に滑動可能に接続するための手段を有する。環状スリーブを用いた場合、半径方向に向いた接続ピンなどを用いて、環状スリーブを本体部５の主要部に接続する必要があり、その結果、空気が本体部と環状スリーブの間を通過することができる。
【０００９】
本体部５の第２の端部は、本体部５の内径より小さい寸法を有し、出口チャンバ３に至る円形開口部１０を有する。開口部１０が鋭い端部を有し、開口部１０を形成する本体部５の複数の壁部が互いに対して端部から分岐している。
【００１０】
細長い部材１１は、ガイド部材６の第２端部の中央部分から下方向に延びている。この部材１１は、円形の断面形状を有し、その寸法は図１の下方向に沿って大きくなっている。図示された実施形態において、円錐台の形態を有する。部材１１とガイド部材６は、好適には同じ材料で、単一の材料部品として一体に構成されている。
【００１１】
螺旋ばね１２は、ダイアフラム４とハウジング１の下側壁の間で延びている。本体部５は、このばね１２により、本体部の第１端部がガイド部材６の環状フランジ８に載置される第１の位置に向かって付勢される。ダイアフラム４は、中央領域において、硬い環状プレート１４により補強され、その結果、ばね１２は環状プレート１４に作用する。
【００１２】
上述の装置は次のように機能する。使用前、入口チャンバ２と出口チャンバ３内の圧力は等しく、本体部５は第１位置に配置されている。人が吐出した空気は、入口チューブ７を介して入口チャンバ２内に流れ、入口チャンバ２内の圧力は、出口チャンバ３内の圧力より大きくなる。その圧力差は、ばねの力に逆らって、ダイアフラム４と本体部５を下方向に移動させる。呼気は、部材１１の外側表面と、本体部５の第２端部における開口部１０の端部との間の空間を通って、出口チャンバ３内に流れ込むことができる。
【００１３】
しかし、入口チャンバ２と出口チャンバ３の間を通過している間に圧力低下が生じるため、２つのチャンバ間において、圧力差が常に形成され、出口チャンバ内の圧力は入口チャンバ内の圧力よりも小さい。図において、本体部５は、第１位置から台座８に向かって下方向に移動し、入口チャンバ２内に流れる呼気は、開口部１０の端部と細長い部材１１の外側表面との間の通路を通って、出口チャンバ３へ流れ、図中の矢印で示すように、このチャンバに設けた開口部１３から抜ける。
【００１４】
入力チャンバ２内の圧力が大きいほど、本体部５は、より長い距離だけ図１の下方向に並進移動する。しかし、本体部５の並進移動がより長いほど、開口部１０の端部と、細長い部材１１の外側表面との間の空間はより小さくなる。すなわち、入口チャンバ２内の圧力が高いほど、入口チャンバ２と出口チャンバ３との間の通路が小さくなる。部材１１の外側表面と開口部１０の端部との間の空間は、入口チャンバ２内の圧力に依存して変化する大きさを有する環状の制御開口部を形成することになる。
【００１５】
入口チャンバ内の圧力を変化させて、安定した空気フローがこの制御開口部を通過するように、部材１１の下方向における断面の大きさにおける増加量を適正に計量することにより、この制御開口部における圧力降下を増大させる。この制御開口部における圧力降下は、出口チャンバ内の安定した圧力を維持するために必要であって、こうした圧力降下を得るための制御開口部の大きさは、比較的に簡単に計算することができる。同様に、入力チャンバの圧力を変化させるために、入力チャンバと出口チャンバとの圧力差に依存して、そして螺旋ばね１２の力に依存して、本体部５の移動距離を計算することも容易である。これにより、部材１１の大きさの断面形状の増加量が比較的に簡単に計算することができる。
【００１６】
本体部５に設けた開口部の直径が３．５ｍｍで、直線的な螺旋ばねのばね定数が２５０Ｎ／ｍで、細長い部材１１の円錐角度が１／７０である安定フロー制御装置は、５００ないし２０００Ｐａの間で変化する入口チャンバ２内の圧力に対して、ハウジング１内の開口部１３を通って出口チャンバ３から吐出される空気の安定フローを維持するために、入口チャンバ２内の圧力変化に関係なく、必要な精度で、出口チャンバ３内の圧力を上述の限界値の範囲内に収める。
【００１７】
螺旋ばねは、入口チャンバ２内の５００Ｐａの圧力に相当する力で事前に付勢されており、本体部５は、入口チャンバ２内の圧力が５００Ｐａを超えるまで動かない。入口チャンバ２内の圧力が２０００Ｐａを超えると、本体部５は、細長い部材１１に沿って所定位置まで並進移動し、このとき部材の断面の大きさは、開口部１０の直径と等しく、入口チャンバ２と出口チャンバ３の間の通路が閉じる。
【００１８】
上述の実施形態に対して、上述の計算によれば、細長い部材１１の断面の大きさが直線的に増加することが算出される。しかし、他のパラメータを考慮すると、細長い部材の断面の大きさが曲線に沿って徐徐に大きくなると導出されることもある。ダイアフラムおよび細長い部材に設けた開口部の断面形状は、必ずしも、互いに対応させたり、円形であったりする必要はない。しかし、これらの形状が互いに対応し、円形である場合、計算が容易で、制御開口部を通る空気フローが妨害されなくなる。さらに、ダイアフラムの開口部と細長い部材の断面形状が互いに異なる場合、入口チャンバの圧力が最大許容圧力を超えたとき、入口チャンバと出口チャンバの間の通路を閉じることができなくなる。したがって、ダイアフラムに設けた開口部が円形形状を有し、かつ細長い部材の断面形状が円形であることが好ましい。
【００１９】
（優先的な間隔で導入される具体例）
フロー制御装置のもう１つの具体例は、３．２ｍｍの開口部を有する４４ｍｍのダイアフラムと、ばね定数が６６Ｎ／ｍの直線的な螺旋ばねとを備える。細長い部材はね、１／４２．５の円錐角度を有し、圧力が５００ないし２０００Ｐａの間で変わるとき、ダイアフラムと細長い部材の間の間隔は、０．１７ないし０．１０ｍｍの間で変化する。これにより、２．７リットル／分の安定したフローが得られる。
【００２０】
細長い部材を製造しやすくし、必要な精度を得るために、円筒状の本体部は、細長い部材の最小直径の少なくとも２倍の距離だけ並進移動できるようにする必要がある。
【００２１】
ばねおよびダイアフラムを除いて、上述のフロー制御装置のすべての部品が、好適には、ポリアミド、ポリプロピレン、ポリエテンなどのプラスチック材料からなる。しかし、金属材料も同様に用いることができる。
【００２２】
この装置が図１に示されており、このとき、可動壁４の移動方向は上下方向である。しかし、上述の装置は、ハウジングの配置位置に関係なく同様に機能にする。
【００２３】
これまで説明した実施形態は、本発明の範疇内において、当然に変更することができる。螺旋ばねが省略された場合、ダイアフラムは、例えば、弾性材料で構成される。こうした場合、ダイアフラムが弾性的に伸縮する間、開口部の大きさが変化しないように、ダイアフラムの材料が開口部の周囲領域において強化される。可動壁４がダイアフラムである必要はないが、ハウジング内で滑動可能に支持される固定壁であってもよい。しかし、ダイアフラムの外側端部とハウジングの壁との間の気密性が得られやすいことから、ダイアフラムであることが好ましい。さらに、図示された実施形態のようにダイアフラムの固い部分に対して押圧するのではなく、ばねを円筒状本体部５の第２の端部上に載置してもよい。ハウジングは、図１とは別の形状を有していてもよく、本体部５をガイドするために、他のガイド手段を用いることができる。例えば、他のガイド手段は、本体部５の周りで、出口チャンバ内に配置された孔のあいたガイドスリーブであってもよい。このとき、本体部の第１位置を規定する台座部材は、ガイド部材から分離し、入口チャンバ内に配置される。しかし、細長い部材、円筒状本体部の台座部材、およびそのガイド部材は、単一の部品材料で一体に構成できるので、図示されたガイド部材は好適である。したがって、本発明の権利範囲は、添付されたクレームの内容によってのみ限定される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、本発明に係る好適な実施形態の安定フロー制御装置を示す断面図である。
【符号の説明】
１…ハウジング、２…入口チャンバ、３…出口チャンバ、４…ダイアフラム、５…円筒状中空本体部、６…ガイド部材、７…上端、８…台座部、１０…円形開口部、１１…細長い部材、１２…螺旋ばね、１３…開口部、１４…環状プレート。

Claims (8)

1. 入口チャンバ（２）と、出口チャンバ（３）と、入口および出口チャンバ（２，３）の境界を互いに定める可動壁（４）とを備えた安定フロー制御装置であって、
   可動壁（４）がこれらのチャンバ間における連通を可能にする開口部（１０）を有し、
   細長い部材（１１）が可動壁（４）の開口部（１０）の中央において移動方向に延び、
   可動壁（４）の開口部（１０）の大きさが細長い部材（１１）の断面の大きさよりも大きく、さらに
   可動壁（４）を第１位置に向かって付勢するための螺旋ばね（１２）を有し、
   可動壁（４）に固定され、細長い部材の一部を包囲する開口部（１０）を含む本体部（５）の内側表面が、可動壁（４）の移動方向を規定する細長い部材（１１）の外側表面と滑動可能に接続され、
   細長い部材（１１）が可動壁（４）の移動方向に向かって徐々に増大する断面の大きさを有してなり、可動壁（４）が第１位置から移動方向に向かって移動するにつれて、本体部（５）の内側表面と細長い部材（１１）の外側表面との間の空間がより小さくなることを特徴とする安定フロー制御装置。
2. 請求項１に記載の装置であって、
   細長い部材（１１）が、入口チャンバ内に配置された第１端部と、出口チャンバ内に配置された第２端部とを有することを特徴とする装置。
3. 請求項１または２に記載の装置であって、
   細長い部材（１１）が、可動壁（４）に設けた開口部の断面形状と対応する断面形状を有することを特徴とする装置。
4. 請求項３に記載の装置であって、
   可動壁（４）に設けた開口部の断面形状と、細長い部材（１１）の断面形状が円形であることを特徴とする装置。
5. 請求項１ないし４のいずれか１に記載の装置であって、
   細長い部材（１１）が円錐台形状を有することを特徴とする装置。
6. 請求項１ないし５のいずれか１に記載の装置であって、
   可動壁（４）がダイアフラムであることを特徴とする装置。
7. 請求項１ないし６のいずれか１に記載の装置であって、
   可動壁（４）の移動をガイドするガイド部材（６）が入口チャンバ（２）内に配置され、
   細長い部材（１１）がガイド部材（６）から延びることを特徴とする装置。
8. 請求項７に記載の装置であって、
   ガイド部材（６）と細長い部材（１１）が単一の部品材料で一体に形成されることを特徴とする装置。

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