流量感测模块的制作方法

本公开内容一般来说涉及流量感测模块，并且更特定来说涉及具有流量限制器的流量感测模块。

背景技术：

流速控制机构用在多种流量系统中以控制行进通过该系统的流体、气体或液体的量。例如，流速控制机构可用于通过帮助确保合适原料（例如催化剂和反应剂）以所期望流速进入处理单元来影响化学反应。在另一实例中，流速控制机构可用于调节系统（例如通风机和呼吸器）中的流速，其中（例如）可期望维持可呼吸空气的足够流量或在外科手术准备过程中为患者提供足够麻醉气体。在这些和其它应用中，流速控制机构通常检测沿流动通道向下行进的流体的流量。期望降低与检测流体的流动相关联的噪声，特别是在低流量应用中。

技术实现要素：

本公开内容一般来说涉及流量感测模块，并且更特定来说涉及具有流量限制器的流量感测模块。

在示例性实施例中，一种流量模块可包含具有限定流动通道的壁的外壳，其中所述流动通道具有入口端和出口端。该流量模块可还包含所述流动通道中的流量限制器。该流量限制器可具有入口侧和出口侧，其中多个孔口在入口侧和出口侧之间延伸。该流量模块可进一步包含远离所述外壳延伸并与所述流动通道流体连通的第一端口和第二端口。该第一端口可在所述流动通道的所述入口端的下游并在所述流量限制器的所述入口侧的上游开到所述流动通道中。该第二端口可在所述流动通道的所述出口端的上游并在所述流量限制器的所述出口侧的下游开到所述流动通道中。在一些情况下，从所述第一端口到所述流量限制器的所述入口侧的距离在从1.0mm至3.0mm的范围内，并且所述第一端口和所述第二端口之间的距离在从12.0mm至16.0mm的范围内。在一些情况下，所述多个孔口中的至少一个沿着外壳的面向内的流动通道壁延伸，并在垂直于该向内延伸的流动通道壁的方向上具有孔口高度。在一些情况下，从所述第一端口到所述流量限制器的所述入口侧的距离可在该孔口高度的从50%至200%的范围内。这些仅是一些实例。

提供前述发明内容以有助于对本公开内容特有的一些创新特征的理解并且并不打算成为完整描述。通过将整个说明书、权利要求书、附图和说明书摘要视为整体可获得对本公开内容的全面了解。

附图说明

结合所附的附图考虑各种示例性实施例的以下描述可更完整地理解本公开内容，其中：

图1是流量模块的等角视图；

图2是图1中所示的流量模块沿着线2-2截取的端部横截面视图；

图3是可并入到例如图1中所示的流量模块中的示例性流量限制器的正视图；

图4是图1中所示的流量模块沿着线4-4截取的侧面横截面视图；

图5是显示端口的区域中的模拟流动速度的流动速度标绘图；

图6是显示端口的区域中的模拟压力变化的压力标绘图；并且

图7是可流体地耦接到流量模块（例如图1的流量模块）的示例性传感器模块的示意图。

虽然本公开内容可修改成各种改型和替代形式，但其具体详情已通过附图中的实例显示并将详细描述。然而，应理解，意图不是将本公开内容的方面限于所述特定示例性实施例。相反，意图是涵盖落入本公开内容的精神和范围内的所有改型、等效物和替代物。

具体实施方式

应参考附图阅读以下描述，其中贯穿数个视图中同样附图标记指示同样元件。该描述和附图显示了数个实施例，其本质上打算是示例性。

图1显示示例性流量模块10，其在流体地耦接到传感器模块（例如参见图7）时可用于感测与流体流有关的量度，诸如例如，流体流速和/或流体压力。在许多情况下，图1的流量模块10可用在低流速和/或低压力应用中。

示例性流量模块10包含限定流动通道18的外壳14，进入的流体可经由入口端22从流量系统流入流动通道18中，其中该流体在出口端26处离开流动通道18。流动通道18可具有与现有流量系统的横截面形状和大小兼容的横截面形状和大小，这可有助于其到各种装置（包含通风机、呼吸器、连续正空气压力(cpap)机器和/或类似装置，但不限于这些装置）的连接。可使用其它直径和变化直径，和/或可使用其它形状。在一些情况下，并且为帮助确保流量模块经校准以测量流体的精确流速和/或压力，并且使出口端26处的流速维持在与入口端22处的流速实质上相同速率，流动通道18可被设计成沿着其纵轴具有实质上相同横截面形状和大小。

在许多情况下，流量模块10可包含安置于流动通道18内的集成或非集成流量限制器30。同样，第一感测端口32和第二感测端口34可远离外壳14的外表面38延伸。第一端口32和第二端口34可与流动通道18流体连通，如图4中最佳所示。第一端口32和第二端口34可相对于流量限制器30定位于外壳14上，以使第一端口32相对于流量限制器30定位于外壳14的入口侧上，并且第二端口34相对于流量限制器30定位于外壳14的出口侧上。在一些情况下，外壳14连同流量限制器30以及第一端口32和第二端口34一起共同模制为整体的、一件式集成流量模块10。在一个实例中，整体的、一件式集成流量模块10可以是注入模制的。

在所示实例中，流量限制器30跨越流量限制器产生压力降，其依赖于行进通过流动通道18的流体的流速。这继而在第一端口32和第二端口34之间导致压力差。在一些情况下，由流量限制器30产生的压力差可有助于从流体通道并经由第一端口32和第二端口34到感测模块（图1中未显示）的相对小流体流。在第一端口32和第二端口34之间产生的压力差依赖于流量限制器30的几何形状，并随流速增加。

流过流动通道18的流体在流体的流速增加时可具有越来越湍流的流动，即，跨越正交于流动方向的给定平面的越来越不均匀的压力和速度。为应对此问题，除产生压力降以外，流量限制器30还可被配置成使流动通道18中的流体流变直和层化，从而减少湍流。流量限制器30可通过（例如）迫使流体流过一系列隔开的孔口40来减少湍流。跨越流量限制器30的压力降可还依赖于这些孔口40的大小和均匀性。在一些情况下，有时由蜂窝状图案结构形成的两个任选筛（入口筛和出口筛（未显示））可分别在流量限制器30的上游和下游定位于流动通道18中以进一步使流动通道18中的流体流变直和/或层化。

图2是图1中所示的流量模块10沿着线2-2截取的横截面视图，其更详细地显示示例性流量限制器30。如图2中所示，流量限制器30可包含孔口40，其为圆形并围绕法向于图2而延伸的中心轴线同心间隔。在许多情况下，孔口40为圆形以使流量限制器30适于限定流动通道18的壁的形状。该形状匹配可提供跨越流动通道18的湍流的更均匀减少。在一些情况下，每一孔口60可具有在从约0.203cm（0.080英寸）至约0.292cm（0.115英寸）的范围内的液力半径r。在一个实例中，每一孔口60具有为约0.274cm（0.108英寸）的液力半径r，但此仅为一个实例。

在所示实例中，每一孔口40关于流动通道壁46并关于中心轴线彼此同心安置。此外，示例性流量限制器30具有外孔口48，其由流动通道壁46部分限定并且在形状上均匀并与孔口40同心。若干支撑杆可跨越流量限制器30径向延伸以向安置于流动通道内的流量限制器30提供额外支撑。在一些情况下，如在图2中提供的实例中所示，流量限制器30可具有跨越流量限制器30径向延伸的四个主支撑杆52a-52d。然而，通常应理解，流量限制器30可视需要包含更少或更多支撑杆。然而，如果支撑杆并入到流量限制器中，则可期望孔口40各处具有实质上相同或类似液力直径和/或形成其中孔口40与具有实质上相同液力直径的其它孔口围绕中心轴线对称对准从而提供跨越流动通道18的实质上均匀流动速度的局部重复图案。

另一示例性流量限制器50显示于图3中。流量限制器50稍微类似于参考图2详细描述的流量限制器30之处在于流量限制器30,50中的每一者包含为圆形并围绕法向于该图延伸的中心轴线同心间隔的圆形孔口。如图3中所示，流量限制器50包含两个主支撑杆70,72，并且使用由彼此径向对准的两个较小支撑杆形成的许多支撑对（显示为对74a,74b,76a,76b,78a,78b以及80a,80b）。支撑对74a,74b至80a,80b向流量限制器50提供额外支撑，从而帮助防止孔口60在主支撑杆之间的那些部分在较高流速使用期间移动，而在无此类支撑对的情况下，流量限制器50可移动或颤动，从而导致流体的湍流的更少减少以及由传感器（诸如例如，流速传感器或压力传感器）测量的更多噪声。因此，此刚性可帮助降低系统中的噪声，由此允许使用更高灵敏度的传感器。在所示实例中，支撑对由这些较小支撑杆74a,74b至80a,80b以沿着给定径向距离在中心轴线的每一侧上形成相同的、镜像的孔口的方式形成，其中，孔口结构的均匀性和直径可期望来有助于使跨越流动通道18的流体流层化。即，通过以此对称方式使用主支撑杆70,72以及支撑对74a,74b至80a,80b，任何孔口60都与具有相等液力直径的相同孔口对称。如已知，当开口的宽度远大于跨越开口的距离(r)时，该液力直径大约等于2r。孔口60,68的对称且均匀的液力直径可帮助产生通过流动通道18的均匀流动速度。

通常应理解，流量限制器30,50可包含比图2和图3中所示更少或更多数目的孔口。另外，可采用适于任何合适横截面形状并实质上平行于流动通道18的中心轴线延伸的其它几何形状的孔口。这些可具有各处具有实质上相同液力直径的孔口的均匀重复图案或其中孔口与具有实质上相同液力直径的其它孔口围绕中心轴线对称对准的局部重复图案。还涵盖其它变型。

如本文中所述，通过具有流量限制器30,50的流动通道18的均匀流动速度的维持和/或增加可有助于使用耦接到流量模块10的第一端口和第二端口的合适传感器模块测量的任何压力或流速测量结果的精度增加，特别是对于低流速和/或低压力应用。

如上文参考图1所述，流量模块10可包含与第二端口34间隔开的第一端口32，端口32,34中的每一者远离外壳14的外表面38延伸并与流动通道18流体连通。在所示实例中，第一端口32和第二端口34可各自具有限定与流动通道18流体连通的导管84的大致圆柱形主体82。在一些情况下，圆柱形主体82可具有从第一端90a到在远离外壳的外表面38的方向上移动的第二端90b减小的外径。在其它情况下，端口32,34中的每一者的圆柱形主体82可从第一端90a到第二端90b实质上恒定。端口32,34中的每一者的可进入端88可被配置成耦接到另一装置，其包含用于感测与流体流有关的量度（诸如例如，流速和/或压力）的感测模块。在一些情况下，可使用合适管子（诸如例如，微管）来将流量模块放置成与另一装置（诸如例如，呼吸器、通风机或cpap机器）的感测模块流体连通。在其它情况下，包含感测模块的装置可包含被配置成与流量模块的第一端口32和第二端口34配合的连接器。如图4中所示，压力端口32,34可包含倒钩或法兰92。倒钩或法兰92可有助于管子的附接和/或保持和/或另一装置（诸如例如，耦接到流量模块10或与流量模块10流体连通的传感器装置）的附接和保持。在其它情况下，管子（例如微管）可使用紧密配合、滑动配合或其它摩擦配合连接至第一端口32和第二端口34中的每一者。根据端口32,34和管子的整体大小，如果需要，还可使用软管夹来将管子紧固到端口32,34。

如在图4中可更清楚地看到，第一端口32和第二端口34可相对于安置于外壳的流动通道18内的流量限制器30定位，以使第一端口32相对于流量限制器30定位于外壳14的入口侧22上，并且第二端口34相对于流量限制器30定位于外壳14的出口侧26上。第一端口32和第二端口34可相对于流量限制器30（并且还相对于彼此）定位，以便可实现跨越第一端口32和第二端口34测量的稳定压力差，由此降低测量结果的噪声。一般来说，第一端口32和第二端口34越远离流量限制器30并且还越远离彼此定位，则跨越第一端口32和第二端口34的压力差变得越稳定。然而，端口32,34中的每一者之间以及端口32,34相对于流量限制器30的距离可由流量模块外壳14的总体长度限制。因此，在端口32,34中的每一者之间相对于彼此的距离和端口32,34中的每一者相对于流量限制器30的距离之间存在平衡。在一些情况下，第一端口32和第二端口34可尽可能靠近于流量限制器30的其相应侧并且因此靠近于彼此定位，而同时在跨越第一端口32和第二端口34测量时维持稳定压力差。在一些情况下，第一端口32和第二端口34可各自距流量限制器30的其相应侧（入口侧22或出口侧26）等距定位。例如，第一端口32和流量限制器30之间的距离d1可从延伸穿过第一端口32和流量限制器的入口侧106的中心线102测量（参见图4）。类似地，第二端口34和流量限制器30之间的距离d2可从延伸穿过第二端口34和流量限制器30的出口侧112的中心线108测量，其中d1等于d2。在一些情况下，距离d1,d2在从大约1.0mm至大约3.0mm；从大约1.0mm至大约2.00；从大约1.25mm至大约1.5mm的范围内；并且更通常可为约1.35mm。

第一端口32和第二端口34之间的距离d3可在第一端口32的中心线102和第二端口的中心线108之间测量。在一些情况下，距离d3可在从大约7.0mm至大约20.0mm；从大约11.0mm至大约18.0mm；从大约12.0mm至大约16.0mm；从大约12.5mm至大约14.0mm的范围内；并且更通常，距离d3为约12.7mm。

由于流量模块可根据所期望应用定大小，因此距离d1,d2和d3可还相对于流量限制器的同心环之间的间隙和流量限制器的宽度描述。例如，在一些情况下，距离d1,d2在从间隙“r”的约50%至约200%的范围内；从间隙“r”的约75%至该间隙的约150%的范围内；并且更通常为间隙“r”的约90%。d1,d2和d3之间的相对距离可依赖于多个变量，包含流量模块10的总体长度、流量限制器30,50的宽度和入口形状、流速和/或所期望应用。不管流量模块的整体大小如何，第一端口32和第二端口34可相对于流量限制器30（并且还相对于彼此）定位，以便可实现跨越第一端口32和第二端口34测量的稳定压力差。

在一些情况下，并且如上文所指示，示例性流量限制器30可具有由流动通道壁46部分限定的外孔口48。这些外孔口48可具有在垂直于向内延伸的流动通道壁46的方向上限定的孔口高度49。在一些情况下，此孔口高度49可对应于上述同心环之间的间隙“r”。在任何情况下，可以考虑，第一端口32可在流动通道18的入口端22的下游并在流量限制器30,50的入口侧106的上游开到流动通道18中，并且第二端口34可在流动通道18的出口端26的上游并在流量限制器30,50的出口侧的下游开到流动通道18中，其中从第一端口32到流量限制器30,50的入口侧106的距离d1在孔口高度49的从50%至200%的范围内。同样地，从第二端口34到流量限制器30,50的出口侧的距离d2可在孔口高度49的从50%至200%的范围内。在一些情况下，从第一端口32到流量限制器30,50的入口侧106的距离d1在孔口高度49的从90%至150%的范围内，和/或从第二端口34到流量限制器30,50的出口侧的距离d2可在孔口高度49的从90%至150%的范围内。

在一些情况下，从第一端口32到流量限制器30,50的入口侧106的距离d1在第一端口32和第二端口34之间的距离d3的5%和15%之间。在一些情况下，从第一端口32到流量限制器的入口侧106的距离d1在1mm和3mm之间，并且第一端口32和第二端口34之间的距离d3在12mm和16mm之间。在一些情况下，从第一端口32到流量限制器的入口侧106的距离d1在1mm和2mm之间，并且第一端口32和第二端口34之间的距离d3在12.5mm和14mm之间。在一些情况下，从第一端口32到流量限制器的入口侧106的距离d1在1mm和2mm之间，并且第一端口32和第二端口34之间的距离d3在10mm和15mm之间。

在一些情况下，根据所期望应用，流量模块的总体长度l可在从约20mm至约50mm的范围内；从约20mm至约40mm；从约20mm至约30mm的范围内，并且在一些情况下，为约27mm。流量限制器30,50的宽度w可以是小于总体长度l的任何合适宽度，并且在一些情况下，在从流量模块10的总体长度l的约35%至约40%的范围内。例如，在一些情况下，流量限制器30,50的宽度w可在从约5.0mm至约15.0mm的范围内，并且更特定来说从约5.0mm至约12.0mm的范围内。在一些情况下，流量限制器30,50的宽度w为约10.0mm。

图5是显示端口32,34的区域中的模拟流动速度的流动速度标绘图。图6是显示端口32,34的区域中的模拟压力变化的压力标绘图。如图5中可见，最小流动速度变化展示在端口的区域中。而且，如图6中可见，最小压力变化展示在端口的区域中。

虽然如本文中所述的流量模块10可用于低流量和/或低压力应用中，但流量限制器30和/或包含外壳14、流量限制器30以及第一端口32和第二端口34的流量模块10可由强度足以承受高流速（例如超过6000l/min）的材料制作，并且可由附接在一起的多个零件或由单个模制件形成。另外，流量限制器30可由具有高弹性模量的温度耐受材料形成。此外，为了在例如其中使用高浓度潜在的腐蚀性和/或破坏性化学品的麻醉装置的应用中或在其中使用潜在破坏性清洁剂的通常医疗应用中使用，流量限制器30可由化学惰性、耐腐蚀和/或非反应性材料制成。另外，流量限制器30的壁并且更特定来说限定多个孔口的肋可足够薄从而最小化湍流。

在一些情况下，流量限制器30和/或包含外壳14、流量限制器30以及第一端口32和第二端口34的流量模块10可由尼龙树脂制成。尼龙树脂可通过注入模制、泡沫模制或挤出技术处理，并且在高负载下展现最小蠕变缺陷。因此，尼龙树脂的使用可允许流量限制器30容易制造，并且在重负载条件下实现极长使用寿命。特定来说，已经证明尼龙树脂比其它材料更可制造，这是因为它们在硬化成最终结构之前均匀填充用于形成流量限制器30和/或包含外壳14、流量限制器30以及第一端口32和第二端口34的集成流量模块10的模具的所有复杂细节的能力。在一些情况下，流量限制器30和/或包含外壳14、流量限制器30以及第一端口32和第二端口34的流量模块10可由尼龙6/6树脂（诸如例如，可购自伊利诺斯州的rtp公司的rtp201™树脂）制成。具有10％玻璃填充物的rtp201™树脂具有大约14,000psi的拉伸强度和大约700,000psi的弹性模量。所属领域的技术人员将了解，可使用其它材料来形成流量限制器30和/或包含外壳14、流量限制器30以及第一端口32和第二端口34的集成流量模块10。例如，还可使用聚醚酰亚胺树脂（例如可购自通用电气公司的具有以重量计20%玻璃的ultem®2210树脂）来制造流量限制器30和/或包含外壳14、流量限制器30以及第一端口32和第二端口34的集成流量模块10。此聚醚酰亚胺树脂形成比半结晶塑料更非晶的材料，其在模具中产生不均匀收缩，从而导致轻微翘曲结构。另外，流量限制器30可由各种金属、塑料、树脂、陶瓷或液晶聚合物(lcps)形成，其展示与如上文论述的那些材料类似的性质。可用于制造流量限制器30的聚碳酸酯材料的实例包含makrolon®2458（可购自拜耳材料科技）和lexan™hp1（可购自沙伯基础创新塑料）。

如本文中所述，流量模块10可流体地耦接到传感器模块。该传感器模块可包含一个或多个感测元件，例如压力传感器、热传感器和/或流速传感器。在一些情况下，可使用微管来将流量模块10耦接到传感器模块。例如，第一管子可将第一端口32连接至传感器模块的入口侧，并且第二管子可将第二端口34连接至传感器模块的出口侧。该传感器模块可测量（例如）第一端口32和第二端口34之间的压力差，其中该压力差可指示在流量模块的流动通道18内流动的流体的流速。在一些情况下，该传感器模块可包含流量传感器，其被配置成测量从流动通道18流动、通过第一端口32、通过管子到达传感器模块、经过流量传感器、离开传感器模块到达连接至第二端口32的管子并返回到流体通道18中的流体的流动。此流量传感器显示于图7中。

图7是包含如本文中所述可流体地耦接到流量模块10的传感器142的示例性传感器模块的示意图。在一个实例中，作为微桥结构，传感器142可包含微通道188，其限定流入感测通道144中的一些流体将在所指示方向上流入其中的空气空间。流体将流过上游传感器190、加热器192和下游传感器194。原则上，加热器192可通过向加热器192施加电流而被加热到高于环境温度大约160°c。在无流动条件下，上游传感器190和下游传感器194将因加热器192而都读取相同温度，即，两个传感器二者将具有相同测量电阻值，因为两者均与加热器192等距隔开。传感器190,194的电阻值可从恒定电流到形成传感器190,194的具有高热阻系数的电阻线或图案的施加来测量。当流体进入流动通道18时，其一部分进入感测通道144，而其甚至更小部分进入微通道188，从而跨越加热器192和传感器190,194的顶表面和底表面产生流动路径。流体的流动使由加热器192产生的热量远离上游传感器190并朝向下游传感器194移动，从而导致前者的温度降低和后者的温度升高。温度的变化在传感器中的每一者的电阻值中产生对应变化。两个传感器190,194的电阻值之间的差由电路系统（未显示）测量并用于确定感测通道144中流体的流速，根据该流速可确定通道18中流体的流速。

在一些情况下，并非提供流量传感器，而是可以设想，可在感测通道144中提供压力差传感器。该压力差传感器可感测由流过限制器30,50的流体在第一端口32和第二端口32之间产生的压力差。可然后根据该压力差确定通道18中流体的流速。在一些情况下，该感测模块可包含其它传感器（例如温度传感器、热导率传感器等），其可用于帮助校准所感测参数（例如流体流量和/或压力差）和/或使其与流体通道18中流体的流速关联。

由此已描述本公开内容的数个示例性实施例，所属领域的技术人员将容易了解，在所附权利要求的范围内可进行和使用其他实施例。在前述描述中已阐述由此文档涵盖的本公开内容的许多优点。然而，应理解，本公开内容在许多方面仅是示例性的。可在不超出本公开内容的范围的情况下详细做出改变，特别是在部件的形状、大小和布置方面。当然，本公开内容的范围用表达所附权利要求的语言限定。