KR20210074359A - 흐름 방향을 모니터링하기 위한 장치, 시스템 및 방법 및 흐름 방향 센서를 제조하기 위한 방법 - Google Patents

Abstract

도관에서 유체의 하나 이상의 유체 흐름 특성들을 결정하는 데 사용하기 위한 장치 및 방법이 개시된다. 장치는 장벽을 포함하는 기판, 기판에 결합된 제1 흐름 센서 및 기판에 결합된 제2 흐름 센서를 포함한다. 제1 흐름 센서는 제1 장벽 표면으로부터 제1 센서 거리에 위치되고, 제2 흐름 센서는 제2 장벽 표면으로부터 제2 센서 거리에 위치된다. 제1 센서 거리는 제2 센서 거리와 실질적으로 동일하다. 작동 시, 제1 흐름 센서는 제1 센서 신호를 생성하고, 제2 흐름 센서는 제2 센서 신호를 생성한다. 유체의 흐름 방향은 제1 센서 신호와 제2 센서 신호를 비교하여 결정된다.

Description

흐름 방향을 모니터링하기 위한 장치, 시스템 및 방법 및 흐름 방향 센서를 제조하기 위한 방법

관련 출원에 대한 상호 참조

이 특허 출원은 35 U.S.C. § 119에 따라 2018년 10월 15일에 제출된 미국 가출원 번호 제62/745,954호 및 2019년 5월 14일에 제출된 미국 가출원 번호 제62/847,773호에 대한 우선권을 주장한다. 상기 참조된 출원들의 개시는 그 전체가 본원에 명백히 참고로 포함된다.

도관(conduit)에 제한된 유체의 흐름 방향을 결정하는 것은 일부 가스 흐름 모니터링 어플리케이션에서 중요하다. 예를 들어, 인공 호흡기(ventilator) 어플리케이션의 단일 흐름 센서는 기계(machine)의 안팎의 가스 흐름에 노출된다. 불행히도, 알려진 체적의 영역을 통하는 가스의 속도를 감지하는 가스 유량계(flow meter)는 흐름 방향을 감지할 수 없다. 일부 MEM(microelectromechanical system) 흐름 센서는 흐름 방향을 감지할 수 있지만, MEM 흐름 센서는 느린 응답 시간이라는 단점이 있다. 이러한 이유 및 다른 이유로, 본 개시의 주제가 필요하다.

개시된 실시 예들에 따라, 도관에서 흐르는 유체의 하나 이상의 유체 특성들을 결정하는데 사용하기 위한 장치가 개시된다. 장치는 제1 장벽 표면 및 제2 장벽 표면을 갖는 장벽을 포함하는 기판을 포함한다. 장치는 제1 속도 센서 신호를 생성하기 위한 제1 흐름 센서를 더 포함하고, 제1 흐름 센서는 제1 장벽 표면으로부터 제1 센서 거리에 위치한다. 그리고 장치는 제2 속도 센서 신호를 생성하기 위한 제2 흐름 센서를 더 포함하고, 제2 흐름 센서는 제2 장벽 표면으로부터 제2 센서 거리에 위치하며, 제1 센서 거리 및 제2 센서 거리는 제1 속도 센서 신호 및 제2 속도 센서 신호로부터 하나 이상의 유체 유동 특성들의 결정을 가능하게 하는 방식으로 도관에서 유동하는 유체를 방해하도록 선택된다. 일부 실시 예들에서, 장치는 한 쌍의 제3 센서 도전성 핀들을 포함하는 제3 센서를 더 포함하고, 한 쌍의 제3 센서 도전성 핀들은 장벽 및 기판에 내장된다.

개시된 실시 예들에 따라, 도관에서 흐르는 유체의 하나 이상의 유체 흐름 특성들을 결정하기 위한 방법이 개시된다. 방법은 도관에서 흐르는 유체의 상류 특성과 하류 특성 사이의 차이를 유발하기 위해 유체에 제1 장벽 표면 및 제2 장벽 표면을 갖는 장벽을 제공하는 단계를 포함한다. 방법은 제1 장벽 표면으로부터 제1 거리에 제1 센서 신호를 생성하기 위한 제1 흐름 센서를 위치시키는 단계를 포함한다. 방법은 제2 장벽 표면으로부터 제2 거리에 제2 센서 신호를 생성하기 위한 제2 흐름 센서를 위치시키는 단계를 포함한다. 그리고 방법은 도관에서 흐르는 유체의 하나 이상의 유체 흐름 특성들을 결정하기 위해 제1 센서 신호 및 제2 센서 신호를 처리하는 단계를 포함한다. 일부 실시 예들에서, 방법은 유체에 위치한 제3 센서로부터 제3 센서 신호를 생성함으로써 유체 흐름 방향의 계단 함수 변화에 응답하는 단계를 더 포함하고, 제3 센서 신호는 약 3 밀리 초와 약 5 밀리 초 사이의 제3 센서 신호 상승 시간을 갖고 제3 센서 신호는 유체 흐름 크기 신호를 제공하기 위한 것이다. 일부 실시 예들에서, 방법은 순차적인 복수의 유체 흐름 센서 판독 값들 및 제1 흐름 센서 신호로부터의 순차적인 복수의 유체 흐름 센서 판독 값들을 따르는 다음 유체 흐름 센서 판독 값을 기록하는 단계를 더 포함한다. 방법은 순차적인 복수의 유체 흐름 센서 판독 값들에 대한 최소 자승법(least squares fit)으로부터 곡선을 생성하는 단계, 곡선으로부터 예측된 다음 데이터 포인트를 생성하는 단계, 다음 유체 흐름 센서 판독 값을 예측된 다음 데이터 포인트와 비교하고 다음 유체 흐름 센서 판독 값과 예측된 다음 데이터 포인트 간의 차이를 생성하는 단계, 및 차이가 실질적으로 0보다 큰 경우 다음 유체 흐름 센서 판독 값을 무효화하는 단계를 더 포함한다.

개시된 실시 예들에 따라, 도관에서 속도, 크기 및 방향을 포함하는 하나 이상의 유체 흐름 특성들을 결정하기 위한 장치가 개시된다. 장치는 제1 장벽 표면 및 제2 장벽 표면을 갖는 장벽을 포함한다. 장치는 제1 장벽 표면으로부터 제1 센서 거리에 위치한 제1 센서를 더 포함한다. 그리고 장치는 제2 장벽 표면으로부터 제2 센서 거리에 위치한 제2 센서를 더 포함하고, 제2 센서 거리는 제1 센서 거리와 실질적으로 동일하다. 장치는 제1 센서 및 제2 센서에 전기적으로 결합된 전자 시스템을 더 포함하고, 전자 시스템은 하나 이상의 유체 흐름 특성들 중 적어도 하나를 나타내는 신호를 제공한다.

개시된 실시 예들에 따라, 도관에서 유체의 하나 이상의 유체 흐름 특성들을 결정하는 데 사용하기 위한 장치가 개시된다. 장치는 제1 장벽 표면 및 제2 장벽 표면을 갖는 장벽을 포함하는 기판을 포함한다. 장치는 기판에 결합된 제1 센서를 더 포함하고, 제1 센서는 제1 장벽 표면으로부터 제1 센서 거리에 위치한다. 장치는 기판에 결합된 제2 센서를 더 포함하고, 제2 센서는 제2 장벽 표면으로부터 제2 센서 거리에 위치하고, 제2 센서 거리는 제1 센서 거리와 실질적으로 동일하고 제1 장벽 표면은 제2 장벽 표면에 실질적으로 평행하다. 장치는 한 쌍의 제3 센서 도전성 핀들을 포함하는 제3 센서를 더 포함하고, 한 쌍의 제3 센서 도전성 핀들은 장벽과 기판에 내장된다. 용어 "도전성 핀"은 리드(lead) 및 기타 전기 도전성 구조를 포함한다. 장치는 제1 센서 유체 흐름 신호를 생성하기 위해 제1 센서에 결합된 휘트스톤 브리지(Wheatstone bridge)를 더 포함한다. 신호는 아날로그 및 디지털 회로를 통해 더 처리될 수 있다.

일부 다른 실시 예들에 따라, 유체의 흐름 방향을 결정하는 장치를 만드는 방법이 개시된다. 방법은 제1 장벽 표면, 제2 장벽 표면, 및 곡면을 포함하는 장벽 에지 표면을 갖는 장벽을 포함하는 기판을 형성하는 단계를 포함하고, 제1 장벽 표면은 제2 장벽 표면에 실질적으로 평행하다. 방법은 제1 장벽 표면 및 제2 장벽 표면에 대해 실질적으로 대칭적으로 제1 센서 및 제2 센서를 위치시키는 단계를 포함하고, 제1 센서는 한 쌍의 제1 센서 도전성 핀들을 포함하고, 제2 센서는 한 쌍의 제2 센서 도전성 핀들을 포함한다. 방법은 한 쌍의 제1 센서 도전성 핀들 및 한 쌍의 제2 센서 도전성 핀들을 기판에 내장시키는 단계를 더 포함한다. 방법은 제1 센서 및 제2 센서에 실질적으로 평행하게 제3 센서를 정렬시키는 단계를 더 포함하고, 제3 센서는 한 쌍의 제3 센서 도전성 핀들을 포함한다. 방법은 기판 및 장벽에 한 쌍의 제3 센서 도전성 핀들을 내장시키는 단계를 더 포함한다.

일부 다른 실시 예들에 따라, 도관에서 유체의 하나 이상의 유체 흐름 특성들을 결정하기 위한 방법이 개시된다. 방법은 유체에 위치한 제1 센서로부터 제1 센서 신호를 갖는 제1 센서 신호를 생성함으로써 유체 흐름 방향의 변화에 응답하는 단계를 포함한다. 방법은 유체에 위치한 제2 센서로부터 제2 센서 신호를 갖는 제2 센서 신호를 생성함으로써 유체 흐름 방향의 변화에 응답하는 단계를 더 포함한다. 방법은 흐름 방향을 결정하기 위해 제1 센서 신호를 제2 센서 신호와 비교하는 단계를 더 포함한다. 방법은 유체에 위치한 제3 센서로부터 제3 센서 신호를 생성함으로써 유체 흐름 방향의 변화에 응답하는 단계를 더 포함하고, 제3 센서 신호는 약 3 밀리 초와 약 5 밀리 초 사이의 제3 센서 신호 상승 시간을 갖고 제3 센서 신호는 유체 흐름 크기 신호를 제공한다.

일부 실시 예들에 따르면, 환자와 인공 호흡기 사이를 흐르는 유체에서 유체 흐름 방향을 모니터링하는 시스템이 개시된다. 시스템은 장벽을 포함하는 유체 흐름 방향 센서를 포함하고, 유체 흐름 방향 센서는 유체에서 유체 흐름 방향을 감지한다. 시스템은 유체 흐름 방향 센서에 연결된 도관을 더 포함하고, 도관은 환자 및 인공 호흡기에 연결된다. 시스템은 유체 흐름 방향을 모니터링하기 위해 유체 흐름 방향 센서에 결합하는 제어 시스템을 더 포함한다.

전술한 일반적인 설명 및 다음의 상세한 설명은 단지 예시적이고 설명적인 것이며 청구된 바와 같이 본 발명을 제한하지 않는다는 것을 이해해야 한다.

본원에 포함되고 그 일부를 구성하는 첨부 도면은 본 발명의 실시 예를 예시하고 설명과 함께 본 발명의 원리를 설명하는 역할을 한다.

도 1은 본 개시의 일부 실시 예들에 따른 도관 내의 유체의 하나 이상의 유체 흐름 특성들을 결정하는데 사용하기 위한 장치의 예시를 도시한다;
도 2는 본 개시의 일부 실시 예들에 따른 도관에서 왼쪽에서 오른쪽으로 흐르는 유체에 삽입된 장벽(barrier)에 대한 전산 유체 역학 모델(computational fluid dynamics model)로부터의 흐름 프로파일을 도시한다;
도 3a는 본 개시의 일부 실시 예들에 따른 박막 흐름 센서의 예시를 도시한다;
도 3b는 본 개시의 일부 실시 예들에 따른 도 3a에 도시된 박막 센서 요소의 예시를 도시한다;
도 3c는 본 개시의 일부 실시 예들에 따른 도 3a 및 도 3b에 도시된 박막 센서 요소의 단면도의 예시를 도시한다;
도 4는 본 개시의 일부 실시 예들에 따른 유체의 흐름 방향을 결정하기 위한 장치를 제조하기 위한 방법의 흐름도를 도시한다;
도 5는 본 개시의 일부 실시 예들에 따른 도관에서 유체의 하나 이상의 유체 흐름 특성들을 결정하기 위한 방법의 흐름도를 도시한다;
도 6은 본 개시의 일부 실시 예들에 따른 환자와 인공 호흡기 사이를 흐르는 유체에서 유체 흐름 방향을 모니터링하기 위한 시스템의 블록도를 도시한다;
도 7은 본 개시의 일부 실시 예들에 따른 도관에서 흐르는 유체의 하나 이상의 유체 흐름 특성들을 결정하기 위한 방법의 흐름도를 도시하고; 그리고
도 8은 본 개시의 일부 실시 예들에 따른 유체에서 흐름 방향을 결정하기 위한 장치를 제조하기 위한 방법의 흐름도를 도시한다.

이하에 설명되고 첨부된 도면에 도시된 본 개시의 예시적인 실시 예들에 대한 참조가 이제 상세하게 이루어질 것이다. 가능한 한 동일하거나 유사한 부분을 지칭하기 위해 동일한 참조 번호가 사용된다.

본 발명은 특정 어플리케이션들에 대한 예시적인 실시 예들을 참조하여 본원에서 설명되지만, 본 발명은 이에 제한되지 않는다는 것을 이해해야 한다. 본 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자 및 본원에 제공된 교시에 대한 접근은 추가적인 수정, 응용, 실시 예 및 등가물의 대체를 인식할 것이며, 이는 모두 본 개시의 범위에 포함된다. 따라서, 본 개시는 전술한 또는 다음의 설명에 의해 제한되는 것으로 간주되어서는 안 된다.

도 1은 본 개시의 일부 실시 예들에 따른 도관 내의 유체의 하나 이상의 유체 흐름 특성들을 결정하는데 사용하기 위한 장치(100)의 예시를 도시한다. 예시적인 유체는 기체 및 액체를 포함한다. 장치(100)는 기판(102), 기판(102)에 결합된 제1 센서(104), 및 기판(102)에 결합된 제2 센서(106)를 포함한다. 기판(102)은 제1 장벽 표면(110) 및 제2 장벽 표면(112)을 갖는 장벽(108)을 포함한다. 제1 센서(104)는 제1 장벽 표면(110)으로부터 제1 센서 거리(114)에 위치된다. 제2 센서(106)는 제2 장벽 표면(112)으로부터 제2 센서 거리(116)에 위치된다. 일부 실시 예에서, 제1 센서 거리(114)는 제2 센서 거리(116)와 실질적으로 동일하고 제1 장벽 표면(110)은 제2 장벽 표면(112)에 실질적으로 평행하다. 일부 실시 예에서, 제3 센서(113)는 기판(102)에 결합된다. 일부 실시 예에서, 제1 센서(104) 및 제2 센서(106)는 유체 흐름 센서들이다.

일부 실시 예들에서, 도관을 흐르는 유체의 하나 이상의 유체 특성들을 결정하는 데 사용하기 위한 장치(100)는 제1 장벽 표면(110) 및 제2 장벽 표면(112)을 갖는 장벽(108)을 포함하는 기판(102), 제1 속도 센서 신호를 생성하기 위해 속도 센서, 흐름 센서 또는 다른 유체 특성을 검출하기 위한 기타 센서와 같은 제1 센서(104)로, 제1 배리어 표면(110)으로부터 제1 센서 거리(114)에 위치한 상기 제1 센서, 및 제2 속도 센서 신호를 생성하기 위해 속도 센서, 흐름 센서 또는 다른 유체 특성을 검출하기 위한 기타 센서와 같은 제2 센서(106)로 제2 배리어 표면(112)으로부터 제2 센서 거리(116)에 위치한 상기 제2 센서(106)를 포함하고 여기서 제1 센서 거리(114) 및 제2 센서 거리(116)는 제1 속도 센서 신호 및 제2 속도 센서 신호로부터 하나 이상의 유체 유동 특성들의 결정을 가능하게 하는 방식으로 도관에서 흐르는 유체를 방해하도록 선택된다.

도 2는 본 개시의 일부 실시 예들에 따른 도관에서 왼쪽에서 오른쪽으로 흐르는 유체에 삽입된 장벽에 대한 전산 유체 역학 모델(computational fluid dynamics model)에 대한 흐름 프로파일을 도시한다. 장벽에서 흐름 라인들을 비교하여 알 수 있듯이, 장벽 왼쪽(상류)의 유속은 장벽 오른쪽(하류)의 유속보다 크다. 장벽의 "그림자(shadow)"에있는 유선(streamline)들은 소용돌이(vortex)를 형성한다. 장벽 오른쪽의 하류 유선들과 비교할 때 장벽 왼쪽의 상류 유선들은 유속이 장벽 오른쪽의 유속보다 장벽의 왼쪽에서 더 크다는 것을 나타낸다.

다시 도 1을 참조하면, 작동 중에, 장치(100)는 제1 센서(104), 제2 센서(106) 및 제3 센서(113)가 유체와 접촉하도록 도관에 결합된다. 유체가 제1 센서(104)에서 제2 센서(106) 로의 방향으로 흐르는 것에 따라, 유체는 제1 센서(104), 장벽(108) 및 제2 센서(106)와 만난다. 장벽(108)은 제2 센서(106) 상에 "그림자"를 투사한다. 도 2를 참조하면, 그리고 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 센서(104)(장벽으로부터의 상류)에서의 유량(flow rate)은 제2 센서(106)(장벽으로부터의 하류)에서의 유량보다 크다. 따라서, 특정 시점에서 제1 센서(104)가 제1 센서 신호를 생성하고, 제2 센서(106)가 제2 센서 신호를 생성하고, 유량이 제2 센서(106)에서보다 제1 센서(104)에서 더 크기 때문에 제1 센서 신호 제2 센서 신호보다 크다. 따라서, 유체의 흐름 방향이 결정될 수 있다. 제3 센서(113)는 제3 센서(113)에서 유량 또는 흐름 크기를 나타내는 신호를 생성한다. 일부 실시 예들에서, 제1 센서(104) 또는 제2 센서(106)와 조합된 제3 센서(113)는 유체의 흐름 방향을 검출하기 위해 사용된다. 장치(100)는 분당 약 .05 리터 내지 분당 약 300 리터의 동적 범위(dynamic range)를 갖는다.

기판(102)은 제1 센서(104), 제2 센서(106) 및 제3 센서(113)를 장착하기 위한 베이스를 제공한다. 제1 센서(104)는 한 쌍의 제1 센서 도전성 핀들(118)을 포함한다. 일부 실시 예들에서, 한 쌍의 제1 센서 도전성 핀들(118)은 약 .7 인치 및 .12 인치 사이의 한 쌍의 제1 센서 도전성 핀들(118) 사이의 거리(120)를 포함한다. 제2 센서(106)는 한 쌍의 제2 센서 도전성 핀들(122)을 포함한다. 제3 센서(113)는 한 쌍의 제3 센서 도전성 핀들(119)을 포함한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 한 쌍의 제1 센서 도전성 핀들(118)은 제1 센서 요소(126)에 결합되고 기판(102)에 내장된다. 한 쌍의 제1 센서 도전성 핀들(118)은 기판(102)을 통해 연장되고 전기적 연결을 위해 이용 가능하다. 또한, 도 1에 도시된 바와 같이, 한 쌍의 제2 센서 도전성 핀(122)은 제2 센서 요소(128)에 결합되고 기판(102)에 내장된다. 한 쌍의 제2 센서 도전성 핀들(122)은 기판(102)을 통해 연장되고 전기적 연결을 위해 이용 가능하다. 또한, 도 1에 도시된 바와 같이, 한 쌍의 제3 센서 도전성 핀들(119)은 제3 센서 요소(121)에 결합되고 기판(102) 및 배리어(108)에 내장된다. 한 쌍의 제3 센서 도전성 핀들(119)은 기판(102)을 통해 연장되고 전기적 연결을 위해 이용 가능하다.

기판(102)은 또한 장벽(108)을 포함한다. 장벽(108)은 제1 장벽 표면(110) 및 제2 장벽 표면(112)을 포함한다. 일부 실시 예들에서, 제1 장벽 표면(110)은 제2장벽 표면(112)에 실질적으로 평행하다. 일부 실시 예들에서, 제1 센서(104) 및 제2 센서(106)는 제1 장벽 표면(110) 및 제2 장벽 표면(112)에 대해 실질적으로 대칭적으로 위치된다. 제1 센서(104)와 제2 장벽 표면(112) 사이의 거리와 제2 센서(106)와 제1 장벽 표면(110) 사이의 거리가 실질적으로 동일할 때, 제1 센서(104) 및 제2 센서(106)는 제1 장벽 표면(110) 및 제2 장벽 표면(112)에 대해 실질적으로 대칭적으로 위치한다.

일부 실시 예들에서, 기판(102) 및 장벽(108)은 제1 센서(104), 제2 센서(106) 및 제3 센서(113)를 포함하는 단일 구조를 형성하기 위해 폴리카보네이트와 같은 비-도전성 성형 가능한 플라스틱을 성형(molding)함으로써 형성된다. 한 쌍의 제1 센서 도전성 핀들(118), 한 쌍의 제2 센서 도전성 핀들(122), 및 한 쌍의 제3 센서 도전성 핀들(119)도 기판(102)에 내장된다. 성형 공정은 제1 장벽 표면(110)에 대한 제1 센서(104), 제2 장벽 표면(112)에 대한 제2 센서(106), 및 일부 실시 예들에서 곡면을 포함하는 장벽 에지 표면(117)에 대한 제3 센서(113)의 위치 설정에 대한 엄격한 공차로 장치(100)의 제조를 가능하게 한다. 성형 공정은 또한 제2 장벽 표면(112)에 실질적으로 평행한 제1 장벽 표면(110)을 갖는 장치(100)의 제조를 가능하게 한다.

제1 센서(104)는 제1 장벽 표면(110)으로부터 제1 센서 거리(114)에 위치된다. 일부 실시 예들에서, 제1 센서 거리(114)는 약 .020 인치와 약 .100 인치 사이이다. 일부 실시 예들에서, 제1 센서 거리(114)는 약 .030 인치와 약 .050 인치 사이이다. 일부 실시 예들에서, 제1 센서 거리는 약 .035 인치와 약 .045 인치 사이이다. 일부 실시 예들에서, 제1 센서 거리(114)는 약 .040 인치이다. 일부 실시 예들에서, 제1 센서(104) 및 제2 센서(106)는 각각 장벽(108)에 의해 생성된 소용돌이에 위치한다.

제2 센서(106)는 제2 장벽 표면(112)으로부터 제2 센서 거리(116)에 위치한다. 일부 실시 예들에서, 제2 센서 거리(116)는 약 .020 인치와 약 .100 인치 사이이다. 일부 실시 예들에서, 제2 센서 거리(116)는 약 .030 인치와 약 .050 인치 사이이다. 일부 실시 예들에서, 제2 센서 거리(116)는 약 .035 인치와 약 .045 인치 사이이다. 일부 실시 예들에서, 제2 센서 거리(116)는 약 .040 인치이다.

일부 실시 예에서, 제1 센서 거리(114) 및 제2 센서 거리(116)는 유체 흐름 방향의 계단 함수 변화(step function change)에 응답하여 제1 센서(104)에서 생성된 제1 센서 신호와 제2 센서(106)에서 생성된 제2 센서 신호 간의 차이를 최대화하도록 선택된다.

제3 센서(113)는 장벽 에지 표면(117)으로부터 제3 센서 거리(115)에 위치된다. 일부 실시 예들에서, 제3 센서 거리(115)는 최대 약 .180 인치이다. 일부 실시 예들에서, 제3 센서 거리(115)는 약 .180 인치이다.

제1 센서(104), 제2 센서(106) 및 제3 센서(113)는 유체 흐름 센서들이다. 유체 흐름 센서는 유체 흐름의 크기를 감지할 수 있다. 제1 센서(104), 제2 센서(106) 및 제3 센서(113)는 특정 유형의 유체 흐름 센서에 제한되지 않는다. 빠른 응답, 고감도 및 넓은 동적 범위는 유체 흐름 센서에서 바람직한 특성이다. 넓은 동적 범위는 측정 가능한 흐름 분해능(flow resolution)을 향상 시키며 특히 낮은 흐름 어플리케이션에서 유용하다. 특히 호흡 어플리케이션(respiratory application)들에서는, 소형 폼 팩터(form factor)가 바람직합니다.

일부 실시 예들에서, 제1 센서(104), 제2 센서(106) 및 제3 센서(113)는 열 분산(thermal dispersion) 흐름 센서들이다. 열 분산 흐름 센서는 흐름 튜브 내부에 가열된 센서를 배치하고 흐르는 유체에 의해 센서에서 제거된 열의 양을 전자적으로 측정하는 방식으로 작동한다. 저 유량에서는 센서에서 제거되는 열이 낮다. 더 높은 유량에서는 센서에서 제거되는 열이 더 높다.

도 3a는 본 개시의 일부 실시 예들에 따른 박막 흐름 센서(300)의 예시를 도시한다. 일부 실시 예들에서, 제1 센서(104), 제2 센서(106) 및 제3 센서(113)(모두 도 1에 도시됨)는 박막 흐름 센서들이다. 박막 흐름 센서(300)는 박막 센서 요소(304)에 결합된 한 쌍의 도전성 핀들(302)을 포함한다. 한 쌍의 도전성 핀들(302)은 박막 센서 요소(304)에 전기적으로 결합된다. 한 쌍의 도전성 핀들(302)의 제조에 사용하기에 적합한 예시적인 재료는 인청동(phosphor bronze) 및 금을 포함한다. 일부 실시 예들에서, 한 쌍의 도전성 핀들(302)은 금으로 도금된 인청동 베이스를 포함한다. 한 쌍의 도전성 핀들(302)은 핀 간격(305)을 포함한다. 일부 실시 예들에서, 핀 간격(305)은 약 .070 인치와 약 .120 인치 사이에 있다. 일부 실시 예에서, 핀 간격은 약 .070 인치이다.

도 3b는 본 개시의 일부 실시 예들에 따른 도 3에 도시된 박막 센서 요소(304)의 예시를 도시한다. 박막 센서 요소(304)는 비 도전성 기판(306)을 포함한다. 비 도전성 기판(306)의 제조와 관련하여 사용하기에 적합한 예시적인 재료는 유리, 유리-중합체 및 중합체를 포함한다. 비 도전성 기판(306)은 특정 형상을 갖는 것으로 제한되지 않는다. 원통, 원통 섬유 및 정사각형 섬유는 비 도전성 기판(306)의 제조에 사용하기에 적합한 예시적인 형상이다. 일부 실시 예들에서, 비 도전성 기판(306)은 직경(308), 금속 코팅(310) 및 원통형 축(312)을 갖는 실질적으로 원통형이다. 실질적으로 원통형인 비 도전성 기판은 직선 평행 측면들과 원형 단면을 갖는다. 일부 실시 예들에서, 직경(308)은 약 .002 인치이다. 일부 실시 예에서, 금속 코팅(310)은 금, 구리 또는 백금과 같은 도전성 금속을 포함한다. 일부 실시 예들에서, 금속 코팅(310)은 백금이다.

도 3c는 본 개시의 일부 실시 예들에 따른 도 3a 및 도 2b에 도시된 박막 센서 요소(304)의 단면 뷰(315)의 예시를 도시한다. 일부 실시 예들에서, 박막 센서 요소(304)는 백금 코팅된 유리 필라멘트이다. 단면 뷰(315)는 직경(308) 및 금속 코팅(310)을 도시한다. 일부 실시 예들에서, 직경(308)은 약 .001와 약 .010 인치 사이이다. 일부 실시 예들에서, 직경(308)은 약 .001와 약 .005 인치 사이이다. 일부 실시 예들에서, 직경(308)은 약 .001와 약 .003 인치 사이이다. 일부 실시 예들에서, 직경(308)은 약 .002 인치이다.

도 4는 본 개시의 일부 실시 예들에 따른 유체의 흐름 방향을 결정하는 장치를 제조하기 위한 방법(400)의 흐름도를 도시한다. 방법(400)은 제1 장벽 표면, 제2 장벽 표면 및 곡면을 포함하는 장벽 에지 표면을 갖는 장벽을 포함하는 기판을 형성하는 단계로, 여기서 제1 장벽 표면은 제2 장벽 표면에 실질적으로 평행한, 상기 기판을 형성하는 단계(블록 402), 제1장벽 표면 및 제2 장벽 표면에 대해 실질적으로 대칭적으로 제1 센서 및 제2 센서를 위치시키는 단계로, 여기서 제1 센서는 한 쌍의 제1 센서 도전성 핀들을 포함하는 제2 센서는 한 쌍의 제2 센서 도전성 핀들을 포함하는, 상기 제1 센서 및 제2 센서를 위치시키는 단계(블록 404), 및 한 쌍의 제1 센서 도전성 핀들과 한 쌍의 제2 센서 도전성 핀들을 기판에 내장하는 단계(블록 406)를 포함한다. 일부 실시 예들에서, 방법(400)은 제1 센서 및 제2 센서에 실질적으로 평행하게 제3 센서를 정렬하는 단계로, 여기서 제3 센서는 한 쌍의 제3 센서 도전성 핀들을 포함하는, 제3 센서를 정렬하는 단계 및 기판과 장벽에 한 쌍의 제3 센서 도전성 핀들을 내장하는 단계를 더 포함한다. 일부 실시 예들에서, 방법(400)에서, 기판을 형성하는 단계는 단일 구조를 형성하기 위해 폴리카보네이트와 같은 비 도전성 성형 가능한 플라스틱으로부터 기판을 성형하는 단계를 포함한다.

도 5는 본 개시의 일부 실시 예들에 따른 도관에서 유체의 하나 이상의 유체 흐름 특성들을 결정하기 위한 방법(500)의 흐름도를 도시한다. 방법(500)은 유체에 위치한 제1 센서로부터 제1 센서 신호를 생성함으로써 유체 흐름 방향의 변화에 응답하는 단계(블록 502), 유체에 위치한 제2 센서로부터 제2 센서 신호를 생성함으로써 유체 흐름 방향의 변화에 응답하는 단계(블록 504), 및 흐름 방향을 결정하기 위해 제1 센서 신호를 제2 센서 신호와 비교하는 단계(블록 506)를 포함한다.

일부 실시 예들에서, 유체에 위치한 제1 센서로부터 제1 센서 신호를 생성하고 유체에 위치한 제2 센서로부터 제2 센서 신호를 생성함으로써 유체 흐름 방향의 계단 함수 변화에 응답하는 단계는 약 3 밀리 초와 약 5 밀리 초 사이의 상승 시간을 갖는 제1 센서 신호를 생성하고 약 3 밀리 초와 약 5 밀리 초 사이의 상승 시간을 갖는 제2 센서 신호를 생성하는 단계를 포함한다. 일부 실시 예들에서, 방법(500)에서, 유체에 위치한 제1 센서로부터 제1 센서 신호를 생성하고 유체에 위치한 제2 센서로부터 제2 센서 신호를 생성함으로써 유체 흐름 방향의 계단 함수 변화에 응답하는 단계는 약 4 밀리 초의 상승 시간을 갖는 제1 센서 신호를 생성하고 약 4 밀리 초의 상승 시간을 갖는 제2 센서 신호를 생성하는 단계를 포함한다.

일부 실시 예들에서, 방법(500)은 유체에 위치한 제3 센서로부터 제3 센서 신호를 생성함으로써 유체 흐름 방향의 계단 함수 변화에 응답하는 단계를 더 포함하고, 제3 센서 신호는 약 3 밀리 초와 약 5 밀리 초 사이의 제3 센서 신호 상승 시간을 갖고 제3 센서 신호는 유체 흐름 크기 신호를 제공하기 위한 것이다.

일부 실시 예들에서, 빠른 제1 센서 신호 상승 시간을 갖는 제1 센서 신호를 생성하고 빠른 제2 센서 신호 상승 시간을 갖는 제2 센서 신호를 생성하는 단계는 유체 흐름의 계단 함수 변화가 제1 센서 및 제2 센서에 적용되는 빠른 제2 센서 신호 상승 시간과 대략 동일한 빠른 제1 센서 신호 상승 시간을 생성하는 단계를 포함한다.

도 6은 환자(602)와 인공 호흡기(604) 사이를 흐르는 유체에서 유체 흐름 방향을 모니터링하기 위한 시스템(600)의 블록도를 도시한다. 시스템(600)은, 도 1에 도시된 장벽(108)과 같은, 장벽을 갖는 유체 흐름 방향 센서(606)를 포함한다. 유체 흐름 방향 센서(606)는 도관(608)에 결합된다. 작동 시, 도관(606)은 환자(602) 및 인공 호흡기(604)에 유체 결합된다(fluidically coupled). 일부 실시 예들에서, 시스템(600)은 흐름 방향을 모니터링하기 위해 유체 흐름 방향 센서(606)에 결합하기 위한, 전자 제어 시스템과 같은, 제어 시스템(610)을 포함한다. 시스템(600)과 관련하여 사용하기에 적합한 예시적인 센서는 도 1에 도시되고 위에서 설명된 센서를 포함한다. 일부 실시 예들에서, 도관(608)은 유체 흐름 방향 센서(606)가 도관(608)의 가장 좁은 지점에 위치하는 모래 시계 형태(hour glass shape)를 갖는다.

도 7은 본 개시의 일부 실시 예들에 따른 도관에서 흐르는 유체의 하나 이상의 유체 흐름 특성들을 결정하기 위한 방법(700)의 흐름도를 도시한다. 방법(700)은 도관에서 흐르는 유체의 상류 특성과 하류 특성 사이의 차이를 유발하기 위해 제1 장벽 표면 및 제2 장벽 표면을 갖는 장벽을 유체에 제공하는 단계(블록 702), 제1 센서 신호를 생성하기 위해 제1 장벽 표면으로부터 제1 거리에 제1 센서를 위치시키는 단계(블록 704), 제2 센서 신호를 생성하기 위해 제2 장벽 표면으로부터 제2 거리에 제2 센서를 위치시키는 단계(블록 706), 및 도관에서 흐르는 유체의 하나 이상의 유체 흐름 특성들을 결정하기 위해 제1 센서 신호 및 제2 센서 신호를 처리하는 단계(블록 708)를 포함한다.

도 8은 본 개시의 일부 실시 예들에 따른 유체에서 흐름 방향을 결정하는 장치를 제조하기 위한 방법(800)의 흐름도를 도시한다. 방법(800)은 제1 장벽 표면 및 제2 장벽 표면을 갖는 장벽을 포함하는 기판을 형성하는 단계(블록 802), 제1 장벽 표면으로부터 제1 거리에 제1 센서 신호를 생성하기 위한 제1 센서를 위치시키는 단계(블록 804), 제2 장벽 표면으로부터 제2 거리에 제2 센서 신호를 생성하기 위한 제2 센서를 위치시키는 단계(블록 806), 및 제1 센서 및 제2 센서를 기판에 결합하는 단계를 포함하고(블록 808), 제1 센서 신호 및 제2 센서 신호는 유체의 흐름 방향을 결정하기 위해 처리된다.

본원의 전체에서 "실시 예", "일부 실시 예들" 또는 "일 실시 예"에 대한 언급은 실시 예와 관련하여 설명된 특정 특징, 구조, 재료 또는 특성이 본 개시의 적어도 하나의 실시 예에 포함된다는 것을 의미한다. 따라서, 본원의 전반에 걸쳐 다양한 곳에서 "일부 실시 예에서", "일 실시 예에서" 또는 "실시 예에서"와 같은 문구의 출현은 반드시 본 개시의 동일한 실시 예를 지칭하는 것은 아니다. 또한, 특정 특징, 구조, 재료 또는 특성은 하나 이상의 실시 예에서 임의의 적절한 방식으로 결합될 수 있다.

설명적인 실시 예들이 도시되고 설명되었지만, 상기 실시 예들은 본 개시를 제한하는 것으로 해석될 수 없으며, 본 개시의 사상, 원리 및 범위를 벗어나지 않고 실시 예에서 변경, 대안 및 수정이 이루어질 수 있음을 당업자는 이해할 수 있을 것이다.

Claims (15)

1. 도관에서 흐르는 유체의 하나 이상의 유체 특성들을 결정하는 데 사용하기 위한 장치로서, 상기 장치는:
   제1 장벽 표면 및 제2 장벽 표면을 갖는 장벽을 포함하는 기판;
   제1 속도 센서 신호를 생성하기 위한 제1 흐름 센서로서, 상기 제1 장벽 표면으로부터 제1 센서 거리에 위치하는 상기 제1 흐름 센서; 및
   제2 속도 센서 신호를 생성하기 위한 제2 흐름 센서로서, 상기 제2 장벽 표면으로부터 제2 센서 거리에 위치하는 상기 제2 흐름 센서를 포함하고, 상기 제1 센서 거리 및 상기 제2 센서 거리는 상기 제1 속도 센서 신호 및 상기 제2 속도 센서 신호로부터 상기 하나 이상의 유체 흐름 특성들의 결정을 가능하게 하는 방식으로 상기 도관에서 흐르는 상기 유체를 방해하도록 선택되는, 장치.
2. 제1항에 있어서, 한 쌍의 제3 센서 도전성 핀(pin)들을 포함하는 제3 센서를 더 포함하고, 상기 한 쌍의 제3 센서 도전성 핀들은 상기 장벽과 상기 기판에 내장되는, 장치.
3. 제2항에 있어서, 상기 제1 흐름 센서는 약 .025 인치와 약 .035 인치 사이의 한 쌍의 제1 센서 도전성 핀들 사이의 거리를 포함하는 상기 한 쌍의 제1 센서 도전성 핀들을 포함하는, 장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 제1 흐름 센서는 상기 제1 장벽 표면에 실질적으로 평행하게 배향된 비 도전성 섬유 축을 갖는 비 도전성 섬유를 포함하는 박막 흐름 센서를 포함하는, 장치.
5. 제4항에 있어서, 상기 제2 흐름 센서는 약 .070 인치와 약 .120 인치 사이의 직경을 갖는 비 도전성 섬유를 포함하고, 상기 비 도전성 섬유는 도전성 필름을 포함하는, 장치.
6. 유체의 흐름 방향을 결정하기 위한 장치를 제조하는 방법으로서, 상기 방법은:
   제1 장벽 표면 및 제2 장벽 표면을 갖는 장벽을 포함하는 기판을 형성하는 단계;
   상기 제1 장벽 표면으로부터 제1 거리에 제1 센서 신호를 생성하기 위한 제1 흐름 센서를 위치시키는 단계;
   상기 제2 장벽 표면으로부터 제2 거리에 제2 센서 신호를 생성하기 위한 제2 흐름 센서를 위치시키는 단계; 및
   상기 제1 흐름 센서 및 상기 제2 흐름 센서를 기판에 결합하는 단계를 포함하고, 상기 제1 센서 신호 및 상기 제2 센서 신호는 상기 유체의 상기 흐름 방향을 결정하기 위해 처리되는, 방법.
7. 제6항에 있어서,
   상기 제1 흐름 센서 및 상기 제2 흐름 센서에 실질적으로 평행하게 제3 센서를 정렬하는 단계-상기 제3 센서는 한 쌍의 제3 센서 도전성 핀들을 포함 함-; 및
   상기 기판과 상기 장벽에 상기 한 쌍의 제3 센서 도전성 핀들을 내장시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
8. 제6항에 있어서, 기판을 형성하는 단계는 단일 구조를 형성하기 위해 폴리카보네이트(polycarbonate)로부터 상기 기판을 성형(molding)하는 단계를 더 포함하는, 방법.
9. 도관에서 흐르는 유체의 하나 이상의 유체 흐름 특성들을 결정하기 위한 방법으로서, 상기 방법은:
   상기 도관을 흐르는 상기 유체의 상류 특성(upstream)과 하류(downstream) 특성 사이의 차이를 유발시키기 위해 상기 유체에 제1 장벽 표면 및 제2 장벽 표면을 갖는 장벽 제공을 제공하는 단계;
   상기 제1 장벽 표면으로부터 제1 거리에 제1 센서 신호를 생성하기 위한 제1 흐름 센서를 위치시키는 단계;
   상기 제2 장벽 표면으로부터 제2 거리에 제2 센서 신호를 생성하기 위한 제2 흐름 센서를 위치시키는 단계; 및
   상기 도관에서 흐르는 상기 유체의 상기 하나 이상의 유체 흐름 특성들을 결정하기 위해 상기 제1 센서 신호 및 상기 제2 센서 신호를 처리하는 단계를 포함하는, 방법.
10. 제9항에 있어서, 상기 유체에 위치한 제1 흐름 센서로부터 제1 센서 신호를 생성함으로써 유체 흐름 방향의 계단 함수 변화(step function change)에 응답하는 단계는 약 3 밀리 초와 약 5 밀리 초 사이의 상승 시간(rise time)을 갖는 상기 제1 센서 신호를 생성하는 단계를 포함하는, 방법.
11. 제9항에 있어서, 상기 유체에 위치한 제3 센서로부터 제3 센서 신호를 생성함으로써 상기 유체 흐름 방향의 상기 계단 함수 변화에 응답하는 단계를 더 포함하고, 상기 제3 센서 신호는 약 3 밀리 초와 약 5 밀리 초 사이의 제3 센서 신호 상승 시간을 갖고 상기 제3 센서 신호는 유체 흐름 크기 신호를 제공하는, 방법.
12. 제9항에 있어서,
    순차적인 복수의 유체 흐름 센서 판독 값들 및 상기 제1 흐름 센서 신호로부터의 상기 순차적인 복수의 유체 흐름 센서 판독 값들을 따르는 다음 유체 흐름 센서 판독 값을 기록하는 단계;
    상기 순차적인 복수의 유체 흐름 센서 판독 값들에 대한 최소 자승법(least squares fit)으로부터 곡선을 생성하는 단계;
    상기 곡선으로부터 예측된 다음 데이터 포인트를 생성하는 단계;
    상기 다음 유체 흐름 센서 판독 값을 상기 예측된 다음 데이터 포인트와 비교하고 상기 다음 유체 흐름 센서 판독 값과 상기 예측된 다음 데이터 포인트 간의 차이를 생성하는 단계; 및
    상기 차이가 실질적으로 0보다 큰 경우, 상기 다음 유체 흐름 센서 판독 값을 무효화하는 단계를 더 포함하는, 방법.
13. 환자와 인공 호흡기(ventilator) 사이를 흐르는 유체에서 유체 흐름 방향을 모니터링 하는 시스템으로서, 상기 시스템은:
    장벽을 포함하고, 상기 유체의 상기 유체 흐름 방향을 검출하기 위한, 유체 흐름 방향 센서; 및
    상기 유체 흐름 방향 센서에 결합된 도관을 포함하고, 상기 도관은 상기 환자와 상기 인공 호흡기에 결합되는, 시스템.
14. 제13항에 있어서, 상기 유체 흐름 방향을 모니터링하기 위해 상기 유체 흐름 방향 센서에 결합되는 제어 시스템을 더 포함하는, 시스템.
15. 제14항에 있어서, 상기 유체 흐름 방향 센서는 장벽에 의해 분리된 제1 센서 및 제2 센서를 포함하는, 시스템.

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