專利名稱：文丘里流量傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大致涉及流量傳感器。本發(fā)明還涉及空氣流量和壓力的測(cè)量。本發(fā)明另外 涉及用于醫(yī)學(xué)應(yīng)用中的流量傳感器。
背景技術(shù)：
醫(yī)療設(shè)備諸如呼吸機(jī)和CPAP (持續(xù)氣道正壓)機(jī)器設(shè)計(jì)成向患者提供空氣以培養(yǎng) 正確的呼吸。例如，呼吸機(jī)設(shè)計(jì)成使空氣移動(dòng)入和移動(dòng)出人的肺部以機(jī)械地協(xié)助呼吸(例 如，生命維持機(jī)器)。類似設(shè)備為呼吸器，其用來(lái)協(xié)助或控制呼吸。其它類似機(jī)器有利于膈 肌功能受損的人員呼吸。這些和其它機(jī)械呼吸設(shè)備通常需要顯著的壓力變化以精確測(cè)量空 氣流量。然而，此類壓力變化對(duì)患者而言通常不舒適并且不會(huì)促進(jìn)最佳風(fēng)扇性能。流速控制是保持患者舒適以及機(jī)械呼吸設(shè)備的正確工序的關(guān)鍵。在此類機(jī)械設(shè)備 的操作期間，控制通向患者的流速的能力，不僅在外科手術(shù)期間而且在日常醫(yī)療工作和患 者臥床休息期間都是關(guān)鍵的，特別是對(duì)于患有肺部和/或心臟疾病的患者而言?？刹捎闷渌O(shè)備諸如電子流量控制器來(lái)保持流速控制。然而，這類設(shè)備通常是昂 貴的。許多醫(yī)院和醫(yī)療機(jī)構(gòu)買不起或沒(méi)有資格購(gòu)買此類昂貴的機(jī)器。一般而言，空氣流量 感測(cè)技術(shù)需要充足的壓降以感測(cè)空氣流量。因此相信，這些問(wèn)題的解決方案包含不昂貴卻 有效的用于檢測(cè)流量的設(shè)備和構(gòu)件的實(shí)現(xiàn)。本文所公開(kāi)的實(shí)施例通過(guò)提供改進(jìn)的流量傳感 器系統(tǒng)、方法和裝置而解決此問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
提供下面對(duì)本發(fā)明的概述以有利于理解對(duì)于本發(fā)明才有的一些創(chuàng)新型特征，但并 不意味著完整的說(shuō)明。對(duì)本發(fā)明的各個(gè)方面的完全理解可通過(guò)將全部說(shuō)明書、權(quán)利要求書、 附圖以及摘要作為一個(gè)整體來(lái)獲得。因此，本發(fā)明的一方面是提供一種改進(jìn)的流量傳感器方法和系統(tǒng)。本發(fā)明的另一方面是提供一種用于感測(cè)流量而不造成顯著的全局壓力變化的改 進(jìn)的方法和系統(tǒng)。本發(fā)明的再另一方面是提供一種改進(jìn)的方法和系統(tǒng)，其用于感測(cè)機(jī)械呼吸機(jī)器中 的流量而不會(huì)引起可能造成患者不適并且對(duì)機(jī)器的操作有害的壓力變化?，F(xiàn)在可如文中所述實(shí)現(xiàn)前述本發(fā)明的方面以及其它目的和優(yōu)點(diǎn)。本文公開(kāi)了文丘 里流量傳感器方法和系統(tǒng)，其提供通過(guò)腔室或管測(cè)量流速而不會(huì)造成顯著的系統(tǒng)寬泛的壓 力變化的性能。該文丘里流量傳感器大致由包括逐漸變細(xì)的文丘里區(qū)域的主腔室和通過(guò)分 接頭(tap)連接到主腔室的旁通流動(dòng)腔室構(gòu)造而成。文丘里區(qū)域引起流速的局部增加，其 又引起靜態(tài)壓力的局部變化。此變化可用來(lái)驅(qū)動(dòng)流通過(guò)旁通流動(dòng)腔室，其中使用流量傳感 器來(lái)測(cè)量流量。雖然引起局部壓力變化，但系統(tǒng)中的總壓降很低。


附圖中，貫穿單獨(dú)視圖的同樣的附圖標(biāo)記指示同樣的或功能相似的元件，且附圖 結(jié)合在說(shuō)明書中并形成說(shuō)明書的一部分，進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明，并且附圖與本發(fā)明的詳細(xì)說(shuō) 明一起用來(lái)解釋本發(fā)明的原理。圖1示出了按照優(yōu)選實(shí)施例的文丘里流量傳感器的側(cè)視圖，且該文丘里流量傳感器 具有文丘里流動(dòng)腔室和經(jīng)文丘里區(qū)域回排到文丘里流動(dòng)腔室中的相關(guān)的旁通流動(dòng)腔室；圖2示出了按照備選實(shí)施例的文丘里流量傳感器的側(cè)視圖，且該文丘里流量傳感 器具有文丘里流動(dòng)腔室和在文丘里區(qū)域中排放到文丘里流動(dòng)腔室中的相關(guān)的旁通流動(dòng)腔 室；圖3示出了按照備選實(shí)施例的文丘里流量傳感器的備選實(shí)施例，且該文丘里流量 傳感器具有文丘里流動(dòng)腔室和在文丘里區(qū)域下游排放的相關(guān)的旁通流動(dòng)腔室；圖4示出按照備選實(shí)施例的文丘里流量傳感器的側(cè)視圖，且該文丘里流量傳感器 具有文丘里流動(dòng)腔室和相關(guān)的死端(dead-ending)壓力腔室，其在文丘里區(qū)域的上游和下 游接入(tap)到文丘里流動(dòng)腔室中；圖5示出按照備選實(shí)施例的文丘里流量傳感器的側(cè)視圖，且該文丘里流量傳感器 具有文丘里流動(dòng)腔室和相關(guān)的死端壓力腔室；圖6示出按照備選實(shí)施例的文丘里流量傳感器的側(cè)視圖，且該文丘里流量傳感器 具有文丘里流動(dòng)腔室和相關(guān)的死端壓力腔室，該壓力腔室在文丘里區(qū)域的上游和文丘里區(qū) 域中接入到文丘里流動(dòng)腔室中。圖7示出按照備選實(shí)施例的文丘里流量傳感器的側(cè)視圖，且該文丘里流量傳感器 具有文丘里流動(dòng)腔室和相關(guān)的死端壓力腔室，該壓力腔室在文丘里區(qū)域的上游和下游接入 到文丘里流動(dòng)腔室中。
具體實(shí)施例方式這些非限定示例中所討論的具體值和構(gòu)造可以變化，且它們僅被引用來(lái)說(shuō)明本發(fā) 明的至少一個(gè)實(shí)施例，且并不意味著限定本發(fā)明的范圍。圖1示出了可按照優(yōu)選實(shí)施例實(shí)現(xiàn)的文丘里流量傳感器100的一個(gè)實(shí)施例的側(cè)視 圖。文丘里流量傳感器100由圓柱形封閉流動(dòng)腔室118以及經(jīng)由分接頭108和110連接到 圓柱形封閉流動(dòng)腔室118的旁通流動(dòng)腔室114組成。圓柱形封閉流動(dòng)腔室118可由三個(gè)單 獨(dú)的區(qū)間組成。流動(dòng)腔室118的第一區(qū)間102具有大于最后區(qū)間104的直徑。在區(qū)間102 與104之間的是逐漸變細(xì)的文丘里區(qū)域106，其從區(qū)間102的較大直徑至區(qū)間106的較小直 徑逐漸變細(xì)。當(dāng)流體流經(jīng)該腔室時(shí)，該區(qū)間在圓柱形封閉流動(dòng)腔室118中產(chǎn)生文丘里效應(yīng)。 另外，在旁通流動(dòng)腔室114內(nèi)的是流量傳感器116。注意，在此實(shí)施例中，分接頭108在文丘 里區(qū)域106下游排放到圓柱形封閉流動(dòng)腔室118中。文丘里是管道、管或腔室內(nèi)的區(qū)域，其中管道的直徑從較大的直徑縮小為較小的 直徑。管道中的收縮致使局部流速增加并且引起局部壓力變化。因此，流速的增加引起的 壓力變化可用來(lái)驅(qū)動(dòng)流經(jīng)過(guò)旁通通道。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，將使用微電子機(jī)械系統(tǒng)空氣流量傳感器作為流量傳感 器116。微電子機(jī)械系統(tǒng)或“MEMS”設(shè)備的規(guī)模超小并且以各種方式使用。大部分MEMS構(gòu)件的尺寸范圍介于數(shù)微米至數(shù)毫米之間。MEMS構(gòu)件可用作陀螺儀、加速計(jì)以及各種物理現(xiàn) 象的傳感器。MEMS構(gòu)件大部分通常由硅、聚合物或金屬構(gòu)成并且一般通過(guò)薄膜沉積的沉積 物構(gòu)成。在備選實(shí)施例中，流量傳感器116可作為任何其它足夠小的空氣流量傳感器實(shí) 現(xiàn)?？蓾M足這種目的的傳感器的示例為葉片計(jì)量傳感器、熱絲傳感器或膜傳感器。這些僅 意味著能夠滿足預(yù)期目的的空氣流量傳感器的示例。也可使用任何其它充分配置的空氣流 量傳感器。圖2示出了文丘里流量系統(tǒng)200，其可按照備選實(shí)施例實(shí)現(xiàn)。文丘里流量系統(tǒng)200 包括經(jīng)由分接頭Iio和202連接到旁通腔室114的圓柱形封閉流動(dòng)腔室406。圓柱形封閉 流動(dòng)腔室406可由三個(gè)單獨(dú)的區(qū)間組成。第一區(qū)間102具有一致的直徑。在文丘里區(qū)間 402中，第一區(qū)間102的初始較大直徑向下逐漸變細(xì)為最小直徑并且然后回升為第一區(qū)間 102的初始直徑。第三區(qū)間404因此回到第一區(qū)間102的初始較大直徑。注意，在圖2中，分接頭202可使旁通流動(dòng)腔室114在文丘里區(qū)域402排放到圓柱 形封閉流動(dòng)腔室406中。注意，這里在圖2-6中，同樣或相似零件或元件一般通過(guò)同樣的附 圖標(biāo)記指示。圖3示出文丘里流量系統(tǒng)300，其可按照本發(fā)明的備選示例實(shí)現(xiàn)。文丘里流量系 統(tǒng)300由圓柱形封閉流動(dòng)腔室406以及經(jīng)由分接頭108和110連接到圓柱形封閉流動(dòng)腔室 406的旁通腔室114組成。旁通腔室114裝設(shè)有流量傳感器116。注意，分接頭108在文丘 里區(qū)間402下游排放到旁通腔室114。在優(yōu)選實(shí)施例中，流量傳感器116作為MEMS流量傳 感器實(shí)現(xiàn)，但可采用任何合適的流量傳感器。圖4示出了按照備選實(shí)施例的文丘里流量傳感器400的側(cè)視圖。文丘里流量傳感 器400由圓柱形封閉流動(dòng)腔室118以及經(jīng)由分接頭108和110連接到圓柱形封閉流動(dòng)腔室 118的壓力腔室414組成。注意，如圖4所示，分接頭108使壓力腔室114在文丘里區(qū)域106下游排放到圓柱 形封閉流動(dòng)腔室118中。另外，文丘里流量傳感器400的此實(shí)施例包括收容在壓力腔室414 中的壓力傳感器204。這允許用戶通過(guò)將壓差與流速關(guān)聯(lián)而測(cè)量系統(tǒng)的空氣流量。可使用 任何數(shù)量可商購(gòu)到的壓力傳感器作為壓力傳感器204。圖5示出了可按照備選實(shí)施例實(shí)現(xiàn)的文丘里流量傳感器500的側(cè)視圖。文丘里流 量傳感器500包括圓柱形封閉流動(dòng)腔室118以及均具有死端的壓力腔室414和502。壓力 傳感器204和206被收容在壓力腔室414和502中，允許測(cè)量系統(tǒng)中的空氣流量。圖6示出了可按照備選實(shí)施例實(shí)現(xiàn)的文丘里流量系統(tǒng)600的側(cè)視圖。文丘里流量 傳感器600由圓柱形封閉流動(dòng)腔室406以及在壓力傳感器204處具有死端的壓力腔室414 和602組成。再一次，壓力傳感器204被收容在壓力腔室414和602中，允許測(cè)量系統(tǒng)的空 氣流量。圖7示出可按照備選實(shí)施例實(shí)現(xiàn)的文丘里流量系統(tǒng)700的側(cè)視圖。圖7是文丘里 流量系統(tǒng)600的改造，其中壓力腔室602已由壓力腔室702代替。文丘里流量系統(tǒng)700設(shè)計(jì) 成使得服務(wù)壓力腔室702的分接頭108位于文丘里流動(dòng)區(qū)域402下游。與文丘里流量系統(tǒng) 600中一樣，壓力傳感器204被收容在壓力腔室414和702中，允許測(cè)量系統(tǒng)的空氣流量。提供文中闡述的實(shí)施例和示例以最好地解釋本發(fā)明及其實(shí)踐應(yīng)用，并從而使本領(lǐng)
6域技術(shù)人員能夠制造和利用本發(fā)明。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員會(huì)認(rèn)識(shí)到，前述說(shuō)明書和示例僅 基于說(shuō)明和舉例的目的而提出。本發(fā)明的其它變型和改型對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)將是顯 而易見(jiàn)的，所附權(quán)利要求書的意圖在于涵蓋這些變型和改型。 所闡述的說(shuō)明書無(wú)意窮舉或限制本發(fā)明的范圍。在不脫離以下權(quán)利要求范圍的情 況下可根據(jù)以上教導(dǎo)作出許多改型和變型?？梢栽O(shè)想的是，本發(fā)明的使用可包括具有不同 特征的構(gòu)件。其目的是將通過(guò)在此附上的權(quán)利要求來(lái)限定本發(fā)明的范圍，其在各個(gè)方面提 供可充分理解的等同物。
權(quán)利要求
一種方法，其包括迫使流體通過(guò)從較大初始直徑至較小直徑逐漸變細(xì)而形成逐漸變細(xì)的文丘里區(qū)域的圓柱形封閉流動(dòng)腔室；在所述逐漸變細(xì)的文丘里區(qū)域的逐漸變細(xì)部分上游經(jīng)由至少一個(gè)分接頭將所述圓柱形封閉流動(dòng)腔室連接到平行的旁通流動(dòng)腔室和位于所述旁通流動(dòng)腔室內(nèi)的流量傳感器；以及在不造成所述圓柱形封閉流動(dòng)腔室中不希望有的全局壓力變化的情況下，通過(guò)對(duì)比局部壓力變化而使用所述旁通流量傳感器測(cè)量所述物質(zhì)的流量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括使所述至少一個(gè)分接頭之一構(gòu)造成在所述逐漸變細(xì)的文丘里區(qū)域?qū)⑺銎叫械呐酝?流動(dòng)腔室和所述流量傳感器重新連接到所述圓柱形封閉流動(dòng)腔室。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括使所述至少一個(gè)分接頭之一構(gòu)造成在所述逐漸變細(xì)的文丘里區(qū)域下游將所述平行的 旁通流動(dòng)腔室和所述流量傳感器重新連接到所述圓柱形封閉流動(dòng)腔室。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括將所述平行的旁通流動(dòng)腔室構(gòu)造成為壓力腔室。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，進(jìn)一步包括將所述壓力腔室構(gòu)造成包括壓力傳感器。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，進(jìn)一步包括將所述至少一個(gè)分接頭之一構(gòu)造成具有死端并密封所述壓力腔室封閉的一端。
7.一種文丘里流量系統(tǒng)，其包括從較大初始直徑至較小直徑逐漸變細(xì)而形成逐漸變細(xì)的文丘里區(qū)域的圓柱形封閉流動(dòng)腔室；在所述文丘里區(qū)域上游連接到所述圓柱形封閉流動(dòng)腔室的分接頭；平行的旁通流動(dòng)腔室和位于所述旁通流動(dòng)腔室內(nèi)的流量傳感器，所述旁通流動(dòng)腔室經(jīng) 由所述分接頭連接到所述圓柱形封閉流動(dòng)腔室，從而允許測(cè)量流量而不會(huì)造成全局系統(tǒng)壓 力的顯著變化。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的文丘里流量系統(tǒng)，進(jìn)一步包括第二分接頭，其在所述逐漸變細(xì)的文丘里區(qū)域?qū)⑺銎叫械呐酝鲃?dòng)腔室連接到所述 圓柱形封閉流動(dòng)腔室。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的文丘里流量系統(tǒng)，進(jìn)一步包括第二分接頭，其在所述逐漸變細(xì)的文丘里區(qū)域下游將所述平行的旁通流動(dòng)腔室連接到 所述圓柱形封閉流動(dòng)腔室。
10.一種文丘里流量感測(cè)裝置，其包括從較大初始直徑至較小最終直徑逐漸變細(xì)從而形成逐漸變細(xì)的文丘里流量區(qū)域的圓 柱形封閉流動(dòng)腔室；在所述逐漸變細(xì)的文丘里流動(dòng)區(qū)域上游連接到所述圓柱形封閉流動(dòng)腔室的分接頭；圓柱形封閉旁通流動(dòng)腔室和流量傳感器，所述圓柱形封閉旁通流動(dòng)腔室經(jīng)由所述分接 頭平行地連接到圓柱形封閉流動(dòng)腔室，從而允許測(cè)量流量而不會(huì)造成所述裝置內(nèi)全局壓力的不希望有的變化。
全文摘要
本發(fā)明涉及文丘里流量感測(cè)方法、系統(tǒng)和裝置。管或腔室可從較大直徑至較小直徑逐漸變細(xì)以在管或腔室內(nèi)形成文丘里區(qū)域。該文丘里區(qū)域造成局部流速增加。流速的變化引起局部壓力變化，其又用來(lái)驅(qū)動(dòng)流通過(guò)平行的旁通管或腔室。流量傳感器以及在某些情況下還有壓力傳感器可位于該旁通內(nèi)。流然后回排到原始管中或旁通管可備選地具有死端。在任一情形中，可測(cè)量流量而不會(huì)造成系統(tǒng)中顯著的整體壓降。
文檔編號(hào)G01F1/44GK101910801SQ200880125222
公開(kāi)日2010年12月8日 申請(qǐng)日期2008年11月13日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月16日
發(fā)明者J·W·斯佩爾德里奇 申請(qǐng)人:霍尼韋爾國(guó)際公司