JP7274526B2 - 流体流れの圧力を測定するためのシステム及び方法 - Google Patents
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Description
流体室及び空気室の異なるサイズ、異なる膜(または薄膜)材料及び異なる組立方法が試験され、及び、32mm×15mmの楕円(21mmの円に相当する)形の流体室が設計されてPVCプラスチックを用いて射出成形された。0.015インチ(公称0.016インチ)のPVC膜がPVC基板に超音波溶接され、12mmの円形の穴が、主空気室としての1/16インチ厚のシリコーンガスケットを貫通して開けられた。空気マニホールドは、空気の体積を小さくするために円形の空気室内へと突き出したボスを有していた。空気の全体積は、空気マニホールド内の空気流路及びプラスチック製の通気管の一部を含み、約190μLであった。それらの部品は、互いに固定されて密閉(シール)された空気室を形成し、流体室は、外部の供給源(ソース)、及び/又は液体、及び/又は空気に接続(連絡)された。
図19A~図19Cは、不均等なダイヤフラム圧力検出インターフェース構成を示しており、該構成は、左側にある空気室キャビティと右側にある流体(液体)室キャビティで構成されており、それらの間にダイヤフラムがある。該空気室と該流体室の両方によって覆われている(該断面図中に線として示されている)ダイヤフラム領域が、直径daとdfの円形であると仮定すると、該空気室は、図に示されている深さでも断面積でもなく、該空気室が覆うダイヤフラム領域(たとえば、図19A~図19Cに示されているインターフェースの長さ)の点で、該流体室よりも小さい。該ダイヤフラムは、左側にある空気室開口及び右側にある流体室開口を覆う一枚(または一体)の膜(または薄膜)であって、流体室開口と同じ直径dfを有しており、そのエッジは、流体室基板に超音波溶接されるかまたは他の方法を使って固定される。所与の膜材料(材料の性質及び厚さ)について、空気室開口と流体室開口の最適なサイズ、並びに、許容できる空気室及び流体室の最小の深さ、空気室の最大初期体積、及び、膜の最大初期撓み(量)または空気体積の変化を決定するやり方については後述する。
が得られる。ここで、Rは気体定数であり、nは気体のモル質量(ある密閉体積に対して一定値)である。
と推定することができる。
である。
1例として、0.016インチ(0.406mm)厚のPVC膜がダイヤフラムとして選択され、それは、円形であり、弾性係数E=13.79MPaであり、ポアソン比は0.382であり、密度は1.21g/cm3であった。初期の空気圧P0を760mmHg(大気圧)、T0=22℃=295.15Kとし、空気室の底部は、湾曲して、変形した膜の形状に合致し(最小の空気体積)、空気室膜の最大予測撓み(量)の1.2倍の深さを有していると仮定する。対象(目標)とする圧力測定範囲は、(回転遠心分離機によって高HCT赤血球を除去して、遠心分離ベースの血液アフェレーシス機器でドナーに戻すために)-300mmHg~+600mmHgである。圧力検出インターフェース設計の要件として、変動及び公差を許容するために、100mmHgを両端に加える、すなわち、-400mmHg~+700mmHgの範囲とすることができる。フルスケール測定誤差は、2%未満であることが要求される。(たとえばこの例では)空気流路、センサー及び通気口、及びその他の構造体に起因する空気体積の部分は、Vch=24μlに固定されて変更できないと仮定する。空気室開口の直径da及び流体室開口の直径dfを決定し、その後、該膜の最大予測撓み(量)に基づいて、空気室及び流体室に必要とされる最小の深さを決定することができる。初期の全空気体積V0は、空気室の体積と空気流路の体積の和(この例では24μl)に等しい。
この例では、全てのものが完全であり、膜の初期の撓みはなく、温度変化もないと仮定する。該設計が最大圧力(+700mmHgまたは-400mmHg)を測定できる場合は、目標は、該装置が達成できる正確さを確かめることである。該設計が最大性能に達することができない場合は、目標は、該装置が2%のフルスケール誤差で測定できる圧力の大きさを確かめることである。空気室の体積は、該装置が測定できる最大の正圧下における該膜の最大撓み(量)fmによって決まる。不測の状態に対応するために、空気室の深さは、fmの1.2倍(δfm=fmの20%)に等しい。
上記の例では、初期の膜が完全に平坦な状態にあることが仮定された(たとえば、δV0=0が仮定されたが、これを実現するのは実際には困難でありうる)。δV0≠0のとき(たとえば、該膜が量fm0だけ予め撓んでいるとき)は、圧力の測定精度は影響を受ける。該膜が空気室に向かって予め撓んでいる(δV0<0)場合には、直観的により良い性能を期待することができる。なぜなら、空気の体積がより小さいために、理想気体の法則に基づいてより高い圧力を測定できるからである。しなしながら、これとは反対に、正圧の測定精度は低下する。なぜなら、膜のより大きくなった変形(量)に対して、膜を横断する圧力差としてより高い圧力差が必要とされるが、これは、同じ入力流体圧力Pfに対する空気圧の測定値Paがより小さいことを意味するからである。しかしながら、これは、負圧の測定の場合には有益である。なぜなら、同じPfに対して必要とされる最終的な膜変形(の量)がより小さいからである。他方、該膜が流体室に向かって予め撓んでいる(δV0>0)場合には、正圧の測定には有益であるが、負圧の測定には有益ではない。
Claims (19)
- 流体管路内の圧力を監視するための装置の作動方法であって、この装置が流体流れシステムに流体的に接続された圧力監視装置を含み、
前記流体流れシステムが流体管路内の流体流れを制御するよう構成されたコントローラを含み、前記圧力監視装置は、
(a)前記圧力監視装置の構造を画定するハウジングであって、前記流体管路が前記ハウジングを少なくとも部分的に通って延びると共に流体が前記ハウジングを通ることができるように構成され、この流体が前記流体管路内に圧力を生成するハウジングと、
(b)前記流体管路と流体連絡し、第1の容積室開口を有する第1の容積室と、
(c)第2の容積室開口を有する第2の容積室であって、前記第2の容積室開口は前記第1の容積室開口よりも小さく、前記第1の容積室開口の前記第2の容積室開口に対するサイズの比が1.4:1と100:1の間にある、第2の容積室と、
(d)前記第2の容積室から前記第1の容積室を分離するダイヤフラムであって、前記第1の容積室開口および前記第2の容積室開口を横切って延び、前記第2の容積室を前記流体管路から流体的に分離するダイヤフラムと、
(e)前記流体管路内の圧力を前記コントローラに伝達するよう構成された圧力センサーと、および
(f)前記圧力センサーに接続されたインターフェースであって、前記第2の容積室と流体連絡しているインターフェース
を備え、
ここで前記第1の容積室は第1の体積を有し、前記第2の容積室は第2の体積を有し、
(i)前記流体管路内の負圧は、前記ダイヤフラムを前記第1の容積室内へと変形させ、そして
(ii)前記流体管路内の正圧は、前記ダイヤフラムを前記第2の容積室内へと変形させて前記第2の体積を圧縮するものにおいて、
前記方法は:
前記圧力センサーが前記流体管路内の圧力を測定し、前記流体管路内の圧力は、前記第2の体積の圧縮または膨張の量の関数であり、
前記圧力センサーが前記流体管路内の圧力を前記コントローラに伝達し、そして
前記流体管路内で測定された圧力に基づいて前記コントローラが前記流体管路内の流体流れの量を制御すること
を含む方法。 - 前記ハウジングは、第1の部分及び第2の部分を備え、前記第1の容積室は前記第1の部分内に配置され、前記第2の容積室は前記第2の部分内に配置され、前記ダイヤフラムは、前記第1の部分と前記第2の部分の間に配置される、請求項1の方法。
- 前記第2の部分は空気マニホールドである、請求項2の方法。
- 前記第1の部分は使い捨て可能であり、前記第1の部分は前記第2の部分から分離されるように構成される、請求項2の方法。
- 前記第1の部分と前記第2の部分の間を延びるガスケットをさらに備え、前記ガスケットは、前記第1の部分と前記第2の部分が結合されているときに空気の漏れを防ぐように構成される、請求項2の方法。
- 前記ガスケットは、前記ガスケットを貫通する開口を有し、この開口は前記第2の容積室の少なくとも一部を画定する、請求項5の方法。
- 前記流体管路は、前記ハウジングの前記第1の部分を少なくとも部分的に通って延びる、請求項2の方法。
- 前記ダイヤフラムは、前記第1の部分に超音波溶接される、請求項2の方法。
- 前記ハウジングは、通気路を介して前記第2の容積室と流体連絡する通気口を有し、前記通気口及び前記通気路は、前記ダイヤフラムが変形したときに前記第2の容積室が排気することができるように構成される、請求項1の方法。
- 前記通気口に配置された通気弁をさらに備える、請求項9の方法。
- 前記第2の容積室の壁は湾曲した表面を有しており、前記ダイヤフラムは、前記流体管路内の最大圧力下で前記湾曲した表面に合致するように変形すべく構成される、請求項1の方法。
- 前記ハウジングは、前記第2の容積室と前記インターフェースの間に空気路を備える、請求項1の方法。
- 前記第2の容積室は、該第2の容積室の壁内に配置されたくぼみを有し、この該くぼみは前記ダイヤフラムが前記空気路を塞ぐのを防止するように構成される、請求項12の方法。
- 前記ハウジングは、前記第1の容積室と前記流体管路の間に配置された壁を有し、この壁は前記第1の容積室と前記流体管路を流体的に接続するよう前記壁を貫通する1以上の穴を有する、請求項1の方法。
- 前記壁は、前記流体管路からの液体が前記第1の容積室に入るのを防ぐように構成される、請求項14の方法。
- 前記第2の体積は前記第1の体積よりも小さい、請求項1の方法。
- 前記第1の容積室は液体室であり、前記第1の体積は、前記流体管路を通る液体で満たされるように構成される、請求項1の方法。
- 前記第2の容積室は空気室である、請求項1の方法。
- 前記流体流れシステムが血液処理装置である。請求項1の方法。
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