流量感測模塊的製作方法

2023-06-02 21:53:11

本公開內容一般來說涉及流量感測模塊，並且更特定來說涉及具有流量限制器的流量感測模塊。

背景技術：

流速控制機構用在多種流量系統中以控制行進通過該系統的流體、氣體或液體的量。例如，流速控制機構可用於通過幫助確保合適原料（例如催化劑和反應劑）以所期望流速進入處理單元來影響化學反應。在另一實例中，流速控制機構可用於調節系統（例如通風機和呼吸器）中的流速，其中（例如）可期望維持可呼吸空氣的足夠流量或在外科手術準備過程中為患者提供足夠麻醉氣體。在這些和其它應用中，流速控制機構通常檢測沿流動通道向下行進的流體的流量。期望降低與檢測流體的流動相關聯的噪聲，特別是在低流量應用中。

技術實現要素：

本公開內容一般來說涉及流量感測模塊，並且更特定來說涉及具有流量限制器的流量感測模塊。

在示例性實施例中，一種流量模塊可包含具有限定流動通道的壁的外殼，其中所述流動通道具有入口端和出口端。該流量模塊可還包含所述流動通道中的流量限制器。該流量限制器可具有入口側和出口側，其中多個孔口在入口側和出口側之間延伸。該流量模塊可進一步包含遠離所述外殼延伸並與所述流動通道流體連通的第一埠和第二埠。該第一埠可在所述流動通道的所述入口端的下遊並在所述流量限制器的所述入口側的上遊開到所述流動通道中。該第二埠可在所述流動通道的所述出口端的上遊並在所述流量限制器的所述出口側的下遊開到所述流動通道中。在一些情況下，從所述第一埠到所述流量限制器的所述入口側的距離在從1.0mm至3.0mm的範圍內，並且所述第一埠和所述第二埠之間的距離在從12.0mm至16.0mm的範圍內。在一些情況下，所述多個孔口中的至少一個沿著外殼的面向內的流動通道壁延伸，並在垂直於該向內延伸的流動通道壁的方向上具有孔口高度。在一些情況下，從所述第一埠到所述流量限制器的所述入口側的距離可在該孔口高度的從50%至200%的範圍內。這些僅是一些實例。

提供前述發明內容以有助於對本公開內容特有的一些創新特徵的理解並且並不打算成為完整描述。通過將整個說明書、權利要求書、附圖和說明書摘要視為整體可獲得對本公開內容的全面了解。

附圖說明

結合所附的附圖考慮各種示例性實施例的以下描述可更完整地理解本公開內容，其中：

圖1是流量模塊的等角視圖；

圖2是圖1中所示的流量模塊沿著線2-2截取的端部橫截面視圖；

圖3是可併入到例如圖1中所示的流量模塊中的示例性流量限制器的正視圖；

圖4是圖1中所示的流量模塊沿著線4-4截取的側面橫截面視圖；

圖5是顯示埠的區域中的模擬流動速度的流動速度標繪圖；

圖6是顯示埠的區域中的模擬壓力變化的壓力標繪圖；並且

圖7是可流體地耦接到流量模塊（例如圖1的流量模塊）的示例性傳感器模塊的示意圖。

雖然本公開內容可修改成各種改型和替代形式，但其具體詳情已通過附圖中的實例顯示並將詳細描述。然而，應理解，意圖不是將本公開內容的方面限於所述特定示例性實施例。相反，意圖是涵蓋落入本公開內容的精神和範圍內的所有改型、等效物和替代物。

具體實施方式

應參考附圖閱讀以下描述，其中貫穿數個視圖中同樣附圖標記指示同樣元件。該描述和附圖顯示了數個實施例，其本質上打算是示例性。

圖1顯示示例性流量模塊10，其在流體地耦接到傳感器模塊（例如參見圖7）時可用於感測與流體流有關的量度，諸如例如，流體流速和/或流體壓力。在許多情況下，圖1的流量模塊10可用在低流速和/或低壓力應用中。

示例性流量模塊10包含限定流動通道18的外殼14，進入的流體可經由入口端22從流量系統流入流動通道18中，其中該流體在出口端26處離開流動通道18。流動通道18可具有與現有流量系統的橫截面形狀和大小兼容的橫截面形狀和大小，這可有助於其到各種裝置（包含通風機、呼吸器、連續正空氣壓力(cpap)機器和/或類似裝置，但不限於這些裝置）的連接。可使用其它直徑和變化直徑，和/或可使用其它形狀。在一些情況下，並且為幫助確保流量模塊經校準以測量流體的精確流速和/或壓力，並且使出口端26處的流速維持在與入口端22處的流速實質上相同速率，流動通道18可被設計成沿著其縱軸具有實質上相同橫截面形狀和大小。

在許多情況下，流量模塊10可包含安置於流動通道18內的集成或非集成流量限制器30。同樣，第一感測埠32和第二感測埠34可遠離外殼14的外表面38延伸。第一埠32和第二埠34可與流動通道18流體連通，如圖4中最佳所示。第一埠32和第二埠34可相對於流量限制器30定位於外殼14上，以使第一埠32相對於流量限制器30定位於外殼14的入口側上，並且第二埠34相對於流量限制器30定位於外殼14的出口側上。在一些情況下，外殼14連同流量限制器30以及第一埠32和第二埠34一起共同模製為整體的、一件式集成流量模塊10。在一個實例中，整體的、一件式集成流量模塊10可以是注入模製的。

在所示實例中，流量限制器30跨越流量限制器產生壓力降，其依賴於行進通過流動通道18的流體的流速。這繼而在第一埠32和第二埠34之間導致壓力差。在一些情況下，由流量限制器30產生的壓力差可有助於從流體通道並經由第一埠32和第二埠34到感測模塊（圖1中未顯示）的相對小流體流。在第一埠32和第二埠34之間產生的壓力差依賴於流量限制器30的幾何形狀，並隨流速增加。

流過流動通道18的流體在流體的流速增加時可具有越來越湍流的流動，即，跨越正交於流動方向的給定平面的越來越不均勻的壓力和速度。為應對此問題，除產生壓力降以外，流量限制器30還可被配置成使流動通道18中的流體流變直和層化，從而減少湍流。流量限制器30可通過（例如）迫使流體流過一系列隔開的孔口40來減少湍流。跨越流量限制器30的壓力降可還依賴於這些孔口40的大小和均勻性。在一些情況下，有時由蜂窩狀圖案結構形成的兩個任選篩（入口篩和出口篩（未顯示））可分別在流量限制器30的上遊和下遊定位於流動通道18中以進一步使流動通道18中的流體流變直和/或層化。

圖2是圖1中所示的流量模塊10沿著線2-2截取的橫截面視圖，其更詳細地顯示示例性流量限制器30。如圖2中所示，流量限制器30可包含孔口40，其為圓形並圍繞法向於圖2而延伸的中心軸線同心間隔。在許多情況下，孔口40為圓形以使流量限制器30適於限定流動通道18的壁的形狀。該形狀匹配可提供跨越流動通道18的湍流的更均勻減少。在一些情況下，每一孔口60可具有在從約0.203cm（0.080英寸）至約0.292cm（0.115英寸）的範圍內的液力半徑r。在一個實例中，每一孔口60具有為約0.274cm（0.108英寸）的液力半徑r，但此僅為一個實例。

在所示實例中，每一孔口40關於流動通道壁46並關於中心軸線彼此同心安置。此外，示例性流量限制器30具有外孔口48，其由流動通道壁46部分限定並且在形狀上均勻並與孔口40同心。若干支撐杆可跨越流量限制器30徑向延伸以向安置於流動通道內的流量限制器30提供額外支撐。在一些情況下，如在圖2中提供的實例中所示，流量限制器30可具有跨越流量限制器30徑向延伸的四個主支撐杆52a-52d。然而，通常應理解，流量限制器30可視需要包含更少或更多支撐杆。然而，如果支撐杆併入到流量限制器中，則可期望孔口40各處具有實質上相同或類似液力直徑和/或形成其中孔口40與具有實質上相同液力直徑的其它孔口圍繞中心軸線對稱對準從而提供跨越流動通道18的實質上均勻流動速度的局部重複圖案。

另一示例性流量限制器50顯示於圖3中。流量限制器50稍微類似於參考圖2詳細描述的流量限制器30之處在於流量限制器30,50中的每一者包含為圓形並圍繞法向於該圖延伸的中心軸線同心間隔的圓形孔口。如圖3中所示，流量限制器50包含兩個主支撐杆70,72，並且使用由彼此徑向對準的兩個較小支撐杆形成的許多支撐對（顯示為對74a,74b,76a,76b,78a,78b以及80a,80b）。支撐對74a,74b至80a,80b向流量限制器50提供額外支撐，從而幫助防止孔口60在主支撐杆之間的那些部分在較高流速使用期間移動，而在無此類支撐對的情況下，流量限制器50可移動或顫動，從而導致流體的湍流的更少減少以及由傳感器（諸如例如，流速傳感器或壓力傳感器）測量的更多噪聲。因此，此剛性可幫助降低系統中的噪聲，由此允許使用更高靈敏度的傳感器。在所示實例中，支撐對由這些較小支撐杆74a,74b至80a,80b以沿著給定徑向距離在中心軸線的每一側上形成相同的、鏡像的孔口的方式形成，其中，孔口結構的均勻性和直徑可期望來有助於使跨越流動通道18的流體流層化。即，通過以此對稱方式使用主支撐杆70,72以及支撐對74a,74b至80a,80b，任何孔口60都與具有相等液力直徑的相同孔口對稱。如已知，當開口的寬度遠大於跨越開口的距離(r)時，該液力直徑大約等於2r。孔口60,68的對稱且均勻的液力直徑可幫助產生通過流動通道18的均勻流動速度。

通常應理解，流量限制器30,50可包含比圖2和圖3中所示更少或更多數目的孔口。另外，可採用適於任何合適橫截面形狀並實質上平行於流動通道18的中心軸線延伸的其它幾何形狀的孔口。這些可具有各處具有實質上相同液力直徑的孔口的均勻重複圖案或其中孔口與具有實質上相同液力直徑的其它孔口圍繞中心軸線對稱對準的局部重複圖案。還涵蓋其它變型。

如本文中所述，通過具有流量限制器30,50的流動通道18的均勻流動速度的維持和/或增加可有助於使用耦接到流量模塊10的第一埠和第二埠的合適傳感器模塊測量的任何壓力或流速測量結果的精度增加，特別是對於低流速和/或低壓力應用。

如上文參考圖1所述，流量模塊10可包含與第二埠34間隔開的第一埠32，埠32,34中的每一者遠離外殼14的外表面38延伸並與流動通道18流體連通。在所示實例中，第一埠32和第二埠34可各自具有限定與流動通道18流體連通的導管84的大致圓柱形主體82。在一些情況下，圓柱形主體82可具有從第一端90a到在遠離外殼的外表面38的方向上移動的第二端90b減小的外徑。在其它情況下，埠32,34中的每一者的圓柱形主體82可從第一端90a到第二端90b實質上恆定。埠32,34中的每一者的可進入端88可被配置成耦接到另一裝置，其包含用於感測與流體流有關的量度（諸如例如，流速和/或壓力）的感測模塊。在一些情況下，可使用合適管子（諸如例如，微管）來將流量模塊放置成與另一裝置（諸如例如，呼吸器、通風機或cpap機器）的感測模塊流體連通。在其它情況下，包含感測模塊的裝置可包含被配置成與流量模塊的第一埠32和第二埠34配合的連接器。如圖4中所示，壓力埠32,34可包含倒鉤或法蘭92。倒鉤或法蘭92可有助於管子的附接和/或保持和/或另一裝置（諸如例如，耦接到流量模塊10或與流量模塊10流體連通的傳感器裝置）的附接和保持。在其它情況下，管子（例如微管）可使用緊密配合、滑動配合或其它摩擦配合連接至第一埠32和第二埠34中的每一者。根據埠32,34和管子的整體大小，如果需要，還可使用軟管夾來將管子緊固到埠32,34。

如在圖4中可更清楚地看到，第一埠32和第二埠34可相對於安置於外殼的流動通道18內的流量限制器30定位，以使第一埠32相對於流量限制器30定位於外殼14的入口側22上，並且第二埠34相對於流量限制器30定位於外殼14的出口側26上。第一埠32和第二埠34可相對於流量限制器30（並且還相對於彼此）定位，以便可實現跨越第一埠32和第二埠34測量的穩定壓力差，由此降低測量結果的噪聲。一般來說，第一埠32和第二埠34越遠離流量限制器30並且還越遠離彼此定位，則跨越第一埠32和第二埠34的壓力差變得越穩定。然而，埠32,34中的每一者之間以及埠32,34相對於流量限制器30的距離可由流量模塊外殼14的總體長度限制。因此，在埠32,34中的每一者之間相對於彼此的距離和埠32,34中的每一者相對於流量限制器30的距離之間存在平衡。在一些情況下，第一埠32和第二埠34可儘可能靠近於流量限制器30的其相應側並且因此靠近於彼此定位，而同時在跨越第一埠32和第二埠34測量時維持穩定壓力差。在一些情況下，第一埠32和第二埠34可各自距流量限制器30的其相應側（入口側22或出口側26）等距定位。例如，第一埠32和流量限制器30之間的距離d1可從延伸穿過第一埠32和流量限制器的入口側106的中心線102測量（參見圖4）。類似地，第二埠34和流量限制器30之間的距離d2可從延伸穿過第二埠34和流量限制器30的出口側112的中心線108測量，其中d1等於d2。在一些情況下，距離d1,d2在從大約1.0mm至大約3.0mm；從大約1.0mm至大約2.00；從大約1.25mm至大約1.5mm的範圍內；並且更通常可為約1.35mm。

第一埠32和第二埠34之間的距離d3可在第一埠32的中心線102和第二埠的中心線108之間測量。在一些情況下，距離d3可在從大約7.0mm至大約20.0mm；從大約11.0mm至大約18.0mm；從大約12.0mm至大約16.0mm；從大約12.5mm至大約14.0mm的範圍內；並且更通常，距離d3為約12.7mm。

由於流量模塊可根據所期望應用定大小，因此距離d1,d2和d3可還相對於流量限制器的同心環之間的間隙和流量限制器的寬度描述。例如，在一些情況下，距離d1,d2在從間隙「r」的約50%至約200%的範圍內；從間隙「r」的約75%至該間隙的約150%的範圍內；並且更通常為間隙「r」的約90%。d1,d2和d3之間的相對距離可依賴於多個變量，包含流量模塊10的總體長度、流量限制器30,50的寬度和入口形狀、流速和/或所期望應用。不管流量模塊的整體大小如何，第一埠32和第二埠34可相對於流量限制器30（並且還相對於彼此）定位，以便可實現跨越第一埠32和第二埠34測量的穩定壓力差。

在一些情況下，並且如上文所指示，示例性流量限制器30可具有由流動通道壁46部分限定的外孔口48。這些外孔口48可具有在垂直於向內延伸的流動通道壁46的方向上限定的孔口高度49。在一些情況下，此孔口高度49可對應於上述同心環之間的間隙「r」。在任何情況下，可以考慮，第一埠32可在流動通道18的入口端22的下遊並在流量限制器30,50的入口側106的上遊開到流動通道18中，並且第二埠34可在流動通道18的出口端26的上遊並在流量限制器30,50的出口側的下遊開到流動通道18中，其中從第一埠32到流量限制器30,50的入口側106的距離d1在孔口高度49的從50%至200%的範圍內。同樣地，從第二埠34到流量限制器30,50的出口側的距離d2可在孔口高度49的從50%至200%的範圍內。在一些情況下，從第一埠32到流量限制器30,50的入口側106的距離d1在孔口高度49的從90%至150%的範圍內，和/或從第二埠34到流量限制器30,50的出口側的距離d2可在孔口高度49的從90%至150%的範圍內。

在一些情況下，從第一埠32到流量限制器30,50的入口側106的距離d1在第一埠32和第二埠34之間的距離d3的5%和15%之間。在一些情況下，從第一埠32到流量限制器的入口側106的距離d1在1mm和3mm之間，並且第一埠32和第二埠34之間的距離d3在12mm和16mm之間。在一些情況下，從第一埠32到流量限制器的入口側106的距離d1在1mm和2mm之間，並且第一埠32和第二埠34之間的距離d3在12.5mm和14mm之間。在一些情況下，從第一埠32到流量限制器的入口側106的距離d1在1mm和2mm之間，並且第一埠32和第二埠34之間的距離d3在10mm和15mm之間。

在一些情況下，根據所期望應用，流量模塊的總體長度l可在從約20mm至約50mm的範圍內；從約20mm至約40mm；從約20mm至約30mm的範圍內，並且在一些情況下，為約27mm。流量限制器30,50的寬度w可以是小於總體長度l的任何合適寬度，並且在一些情況下，在從流量模塊10的總體長度l的約35%至約40%的範圍內。例如，在一些情況下，流量限制器30,50的寬度w可在從約5.0mm至約15.0mm的範圍內，並且更特定來說從約5.0mm至約12.0mm的範圍內。在一些情況下，流量限制器30,50的寬度w為約10.0mm。

圖5是顯示埠32,34的區域中的模擬流動速度的流動速度標繪圖。圖6是顯示埠32,34的區域中的模擬壓力變化的壓力標繪圖。如圖5中可見，最小流動速度變化展示在埠的區域中。而且，如圖6中可見，最小壓力變化展示在埠的區域中。

雖然如本文中所述的流量模塊10可用於低流量和/或低壓力應用中，但流量限制器30和/或包含外殼14、流量限制器30以及第一埠32和第二埠34的流量模塊10可由強度足以承受高流速（例如超過6000l/min）的材料製作，並且可由附接在一起的多個零件或由單個模製件形成。另外，流量限制器30可由具有高彈性模量的溫度耐受材料形成。此外，為了在例如其中使用高濃度潛在的腐蝕性和/或破壞性化學品的麻醉裝置的應用中或在其中使用潛在破壞性清潔劑的通常醫療應用中使用，流量限制器30可由化學惰性、耐腐蝕和/或非反應性材料製成。另外，流量限制器30的壁並且更特定來說限定多個孔口的肋可足夠薄從而最小化湍流。

在一些情況下，流量限制器30和/或包含外殼14、流量限制器30以及第一埠32和第二埠34的流量模塊10可由尼龍樹脂製成。尼龍樹脂可通過注入模製、泡沫模製或擠出技術處理，並且在高負載下展現最小蠕變缺陷。因此，尼龍樹脂的使用可允許流量限制器30容易製造，並且在重負載條件下實現極長使用壽命。特定來說，已經證明尼龍樹脂比其它材料更可製造，這是因為它們在硬化成最終結構之前均勻填充用於形成流量限制器30和/或包含外殼14、流量限制器30以及第一埠32和第二埠34的集成流量模塊10的模具的所有複雜細節的能力。在一些情況下，流量限制器30和/或包含外殼14、流量限制器30以及第一埠32和第二埠34的流量模塊10可由尼龍6/6樹脂（諸如例如，可購自伊利諾斯州的rtp公司的rtp201™樹脂）製成。具有10％玻璃填充物的rtp201™樹脂具有大約14,000psi的拉伸強度和大約700,000psi的彈性模量。所屬領域的技術人員將了解，可使用其它材料來形成流量限制器30和/或包含外殼14、流量限制器30以及第一埠32和第二埠34的集成流量模塊10。例如，還可使用聚醚醯亞胺樹脂（例如可購自通用電氣公司的具有以重量計20%玻璃的ultem®2210樹脂）來製造流量限制器30和/或包含外殼14、流量限制器30以及第一埠32和第二埠34的集成流量模塊10。此聚醚醯亞胺樹脂形成比半結晶塑料更非晶的材料，其在模具中產生不均勻收縮，從而導致輕微翹曲結構。另外，流量限制器30可由各種金屬、塑料、樹脂、陶瓷或液晶聚合物(lcps)形成，其展示與如上文論述的那些材料類似的性質。可用於製造流量限制器30的聚碳酸酯材料的實例包含makrolon®2458（可購自拜耳材料科技）和lexan™hp1（可購自沙伯基礎創新塑料）。

如本文中所述，流量模塊10可流體地耦接到傳感器模塊。該傳感器模塊可包含一個或多個感測元件，例如壓力傳感器、熱傳感器和/或流速傳感器。在一些情況下，可使用微管來將流量模塊10耦接到傳感器模塊。例如，第一管子可將第一埠32連接至傳感器模塊的入口側，並且第二管子可將第二埠34連接至傳感器模塊的出口側。該傳感器模塊可測量（例如）第一埠32和第二埠34之間的壓力差，其中該壓力差可指示在流量模塊的流動通道18內流動的流體的流速。在一些情況下，該傳感器模塊可包含流量傳感器，其被配置成測量從流動通道18流動、通過第一埠32、通過管子到達傳感器模塊、經過流量傳感器、離開傳感器模塊到達連接至第二埠32的管子並返回到流體通道18中的流體的流動。此流量傳感器顯示於圖7中。

圖7是包含如本文中所述可流體地耦接到流量模塊10的傳感器142的示例性傳感器模塊的示意圖。在一個實例中，作為微橋結構，傳感器142可包含微通道188，其限定流入感測通道144中的一些流體將在所指示方向上流入其中的空氣空間。流體將流過上遊傳感器190、加熱器192和下遊傳感器194。原則上，加熱器192可通過向加熱器192施加電流而被加熱到高於環境溫度大約160°c。在無流動條件下，上遊傳感器190和下遊傳感器194將因加熱器192而都讀取相同溫度，即，兩個傳感器二者將具有相同測量電阻值，因為兩者均與加熱器192等距隔開。傳感器190,194的電阻值可從恆定電流到形成傳感器190,194的具有高熱阻係數的電阻線或圖案的施加來測量。當流體進入流動通道18時，其一部分進入感測通道144，而其甚至更小部分進入微通道188，從而跨越加熱器192和傳感器190,194的頂表面和底表面產生流動路徑。流體的流動使由加熱器192產生的熱量遠離上遊傳感器190並朝向下遊傳感器194移動，從而導致前者的溫度降低和後者的溫度升高。溫度的變化在傳感器中的每一者的電阻值中產生對應變化。兩個傳感器190,194的電阻值之間的差由電路系統（未顯示）測量並用於確定感測通道144中流體的流速，根據該流速可確定通道18中流體的流速。

在一些情況下，並非提供流量傳感器，而是可以設想，可在感測通道144中提供壓力差傳感器。該壓力差傳感器可感測由流過限制器30,50的流體在第一埠32和第二埠32之間產生的壓力差。可然後根據該壓力差確定通道18中流體的流速。在一些情況下，該感測模塊可包含其它傳感器（例如溫度傳感器、熱導率傳感器等），其可用於幫助校準所感測參數（例如流體流量和/或壓力差）和/或使其與流體通道18中流體的流速關聯。

由此已描述本公開內容的數個示例性實施例，所屬領域的技術人員將容易了解，在所附權利要求的範圍內可進行和使用其他實施例。在前述描述中已闡述由此文檔涵蓋的本公開內容的許多優點。然而，應理解，本公開內容在許多方面僅是示例性的。可在不超出本公開內容的範圍的情況下詳細做出改變，特別是在部件的形狀、大小和布置方面。當然，本公開內容的範圍用表達所附權利要求的語言限定。