專利名稱：具有集成旁路通道的流量傳感器組件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開(kāi)一般地涉及流量傳感器，并且更具體地涉及構(gòu)造成感測(cè)流過(guò)流動(dòng)通道的流體流量的流量傳感器。
背景技術(shù)：
流量傳感器通常用于感測(cè)流過(guò)流體通道的流體(例如氣體或液體)的流率。這種流量傳感器通常使用在廣泛的應(yīng)用中，例如醫(yī)療應(yīng)用、飛行控制應(yīng)用、エ業(yè)過(guò)程應(yīng)用、燃燒控制應(yīng)用、天氣監(jiān)測(cè)應(yīng)用以及許多其他應(yīng)用。在一些情況下，流量傳感器的質(zhì)量體積流率可能受到限制，因?yàn)榱髁總鞲衅髟诒┞队谳^高質(zhì)量體積流率時(shí)可能會(huì)變得飽和。在一些應(yīng)用中，這是不希望出現(xiàn)的。

發(fā)明內(nèi)容
本公開(kāi)一般地涉及流量傳感器，并且更具體地涉及用于提高可被感測(cè)的流率范圍的方法和裝置。在一個(gè)示例性實(shí)施例中，ー種流量傳感器組件包括外売，其具有入口流端ロ和出口流端ロ以及在入口流端口和出口流端ロ之間延伸的流體通道、以及旁路通道。在一些情況中，所述外殼還可以包括ー個(gè)或多個(gè)隔板，其定位在流體通道中以幫助促進(jìn)流體通道中的層流。所述旁路通道可以包括與流體通道流體連通的兩個(gè)龍頭(tap)。上游龍頭可以在第一上游位置處(例如在一個(gè)或多個(gè)隔板(當(dāng)被提供吋)的上游和所述流體通道的入ロ流端ロ的下游)連接到所述流體通道。下游龍頭可以在第二下游位置處(例如在ー個(gè)或多個(gè)隔板(當(dāng)被提供吋)的下游和所述流體通道的出口流端ロ的上游)連接到所述流體通道。流量傳感器可以與所述旁路通道流體連通，并且可以感測(cè)關(guān)于流過(guò)所述旁路通道以及因此流體通道的流體的流率的測(cè)量值。在一些情況中，可以在上游龍頭、下游龍頭和/或旁路通道中提供一個(gè)或多個(gè)特征以限制通過(guò)旁路通道的流體流率，從而擴(kuò)展流量傳感器組件的有效流率范圍。在一些情況中，所述外殼可以是單件模制部件，并且可以限定入口和出ロ流端ロ、流體通道以及旁路通道的至少一部分。在一些情況中，根據(jù)需要，可以將蓋安裝到所述外殼以例如限定流體通道和旁路通道的剰余部分。在一些情況中，單件模制部件也可以限定所述ー個(gè)或多個(gè)隔板，當(dāng)被提供時(shí)。所提供的前述發(fā)明內(nèi)容有助于理解本公開(kāi)的ー些特征，并且不意圖是完整的描述。通過(guò)將整個(gè)說(shuō)明書、權(quán)利要求書、附圖以及摘要作為整體可獲得對(duì)本公開(kāi)的全面理解。


考慮本公開(kāi)的各種示例性實(shí)施例的以下詳細(xì)描述并結(jié)合附圖，可更全面地理解本公開(kāi)，附圖中圖I是用于測(cè)量流過(guò)流體通道的流體的流體流率的示例性流量傳感器的示意圖；圖2是用于測(cè)量流過(guò)流體通道的流體的流率的示例性熱式流量傳感器組件的示意圖；圖3是用于測(cè)量流過(guò)流體通道的流體的流率的示例性熱式流量傳感器組件的示意圖； 圖4是示例性封裝熱式流量傳感器組件的俯視圖；圖5是具有蓋的圖4的示例性封裝熱式流量傳感器組件的剖視圖；圖6是可以用在圖4的封裝熱式流量傳感器組件中的示例性限流器的剖視圖；圖7是可以用在圖4的封裝熱式流量傳感器組件中的示例性多孔插入件的剖視圖；圖8是封裝熱式流量傳感器組件的另ー示例性實(shí)施例的分解圖；圖9是圖8的示例性封裝熱式流量傳感器組件的外殼的俯視圖；圖10是圖8的示例性封裝熱式流量傳感器組件的仰視透視圖；以及圖11是圖8的示例性封裝熱式流量傳感器組件的剖視圖。
具體實(shí)施例方式應(yīng)該參考附圖來(lái)閱讀下面的描述，其中，在遍及幾幅附圖中，相同的附圖標(biāo)記指示相同的元件。該描述和附圖示出了幾個(gè)實(shí)施例，其g在是示例性的而不是限制性的。 圖I是用于測(cè)量流過(guò)流體通道12的流體流14的流體流率的示例性流量傳感器10的示意圖。如本文所使用的，術(shù)語(yǔ)“流體”根據(jù)應(yīng)用可以指氣體流或液體流。在一個(gè)示例性實(shí)施例中，流量傳感器10可暴露于流體通道12和/或設(shè)置成與流體通道12流體連通，以測(cè)量流體流14的ー個(gè)或多個(gè)特性。例如，流量傳感器10可根據(jù)需要利用一個(gè)或多個(gè)熱式傳感器(例如參見(jiàn)圖2)、壓カ傳感器、聲學(xué)傳感器、光學(xué)傳感器、皮托管、和/或其它適合的傳感器或傳感器組合來(lái)測(cè)量流體流14的質(zhì)量流量和/或速度。在一些情況下，流量傳感器10可以是可從本申請(qǐng)的受讓人獲得的微橋或Microbrick 傳感器組件(例如參見(jiàn)圖3)，但這不是必需的。一些被認(rèn)為適合于測(cè)量流體流14的質(zhì)量流量和/或速度的示例性方法和傳感器構(gòu)造已經(jīng)公開(kāi)在例如美國(guó)專利號(hào)4，478，076,4, 478，077,4, 501，144,4, 581，928、4，651，564,4,683，159,5,050，429,6, 169，965,6,223，593,6,234，016,6,502，459、7，278，309,7, 513，149和7，647，842中。所構(gòu)想的是，根據(jù)需要，流量傳感器10可包括這些流量傳感器構(gòu)造和方法中的任ー個(gè)。然而必須意識(shí)到，流量傳感器10根據(jù)需要可以是任何適合的流量傳感器。在該示例性實(shí)施例中，流體通道12可經(jīng)歷流體流14的一定范圍的流率。例如，流體通道12可包括高體積流體流、中體積流體流或低體積流體流。示例的流體流應(yīng)用可包括但不限于醫(yī)療應(yīng)用(例如呼吸計(jì)、通氣機(jī)、肺活量計(jì)、氧氣濃縮器、光譜測(cè)定應(yīng)用、氣相色譜應(yīng)用、睡眠呼吸暫停機(jī)、噴霧器、麻醉輸送機(jī)等)、飛行控制應(yīng)用、エ業(yè)應(yīng)用(例如空氣燃料比、光譜測(cè)定、燃料電池、氣體泄漏檢測(cè)、煤氣表、HVAC應(yīng)用)、燃燒控制應(yīng)用、天氣監(jiān)測(cè)應(yīng)用以及根據(jù)需要任何其他適合的流體流應(yīng)用。轉(zhuǎn)至圖2，它是用于測(cè)量流過(guò)流體通道12的流體流14的流率的示例性熱式流量傳感器組件的示意圖。在圖2的示例性實(shí)施例中，流量傳感器組件包括一個(gè)或多個(gè)加熱器元件(例如加熱器元件16)以及ー個(gè)或多個(gè)傳感器元件18和20，用于感測(cè)流體通道12中的流體流14的流率。如圖2所示，第一傳感器元件18可設(shè)置在加熱器元件16的上游，并且第二傳感器元件20可設(shè)置在加熱器元件16的下游。然而，這并不意味著限制并且所構(gòu)想的是，在一些實(shí)施例中，流體通道12可以是雙向的流體通道，使得在一些情況下，第一傳感器元件18在加熱器元件16的下游且第二傳感器元件20在加熱器元件16的上游。在一些情況下，可以只提供一個(gè)傳感器元件，而在其他實(shí)施例中，可提供三個(gè)或更多個(gè)傳感器元件。在一些情況下，傳感器元件18和20均可設(shè)置在加熱器元件16的上游(或下游)。在一些情況下，第一傳感器元件18和第二傳感器元件20可以是熱敏感的電阻，其 具有相對(duì)大的正或負(fù)溫度系數(shù)，使得電阻值隨溫度而變化。在一些情況下，第一和第二傳感元件18和20可以是熱敏電阻器。在一些情況下，第一傳感器元件18、第二傳感器元件20以及任何附加的傳感器元件可布置成惠斯通電橋結(jié)構(gòu)，但這并不是必需的。在所示的例子中，當(dāng)流體通道12中沒(méi)有流體流且加熱器元件16被加熱到高于流體流14中的流體的環(huán)境溫度的溫度時(shí)，可形成溫度分布，并且該溫度分布以圍繞加熱器元件16的大致對(duì)稱分布被傳遞至上游傳感器元件18和下游傳感器元件20。在該例子中，上游傳感器元件18和下游傳感器元件20可感測(cè)相同或相似的溫度(例如在25%、10%、5%、1^,0.001%等之內(nèi))。在一些情況中，這樣可以在第一傳感器元件18和第二傳感器元件20中產(chǎn)生相同或相似的輸出電壓。當(dāng)流體通道12中存在非零的流體流14并且加熱器元件16被加熱到高于流體流14中的流體的環(huán)境溫度的溫度時(shí)，対稱的溫度分布會(huì)被擾動(dòng)并且擾動(dòng)量可與流體通道12中的流體流14的流率有夫。流體流14的流率可導(dǎo)致上游傳感器元件18比下游傳感器元件20感測(cè)到更冷的溫度。換句話說(shuō)，流體流14的流率可導(dǎo)致上游傳感器元件18和下游傳感器元件20之間的溫度差，所述溫度差與流體通道12中的流體流14的流率有夫。上游傳感器元件18和下游傳感器元件20之間的溫度差可導(dǎo)致上游傳感器元件18和下游傳感器元件20之間的輸出電壓差。在另ー個(gè)示例性實(shí)施例中，流體流14的質(zhì)量流量和/或速度可通過(guò)在加熱器元件16中提供瞬態(tài)高溫條件來(lái)確定，其進(jìn)而在流體流14中引起瞬態(tài)高溫條件(例如熱脈沖)。當(dāng)流體流14中存在非零的流率吋，上游傳感器元件18可晚于下游傳感器元件20接收到瞬態(tài)響應(yīng)。然后，可使用上游傳感器元件18和下游傳感器元件20之間的時(shí)間間隔，或者加熱器被激勵(lì)的時(shí)間和相應(yīng)的高溫條件(例如熱脈沖)被其中一個(gè)傳感器(例如下游傳感器20)感測(cè)到的時(shí)間之間的時(shí)間間隔來(lái)計(jì)算流體流14的流率。圖3是用于測(cè)量流過(guò)流體通道12的流體流14的流率的示例性熱式流量傳感器組件的示意圖。在一些情況下，熱式流量傳感器組件可被表現(xiàn)為圖3(或圖2)所示的流量傳感器組件。如圖3所示，流量傳感器19可以是熱式流量傳感器(例如，微橋流量傳感器、熱風(fēng)速計(jì)傳感器、基于MEMS的傳感器等)，用來(lái)測(cè)量流過(guò)流體通道12的流體流14的流率。在所述示例性實(shí)施例中，流量傳感器19包括基底34，其限定傳感器通道26，用來(lái)接收流過(guò)流體通道12的流體中的至少ー些。在一些實(shí)施例中，根據(jù)需要，基底34可以是硅基底或其它基底。層28可形成在基底上或基底內(nèi)，其可支撐ー個(gè)或多個(gè)加熱器元件(例如加熱器元件22)以及ー個(gè)或多個(gè)傳感器元件(例如傳感器元件21和24)，用來(lái)感測(cè)通道26內(nèi)的流體流14的流率。如圖所示，層28可被制作成包括開(kāi)ロ 30和32，其用于將傳感器通道26流體連接到流體通道12。在其它的實(shí)施方式中，(ー個(gè)或多個(gè))加熱器元件和傳感器元件可直接設(shè)置在流體通道12的壁(或者直接設(shè)置在流體通道12的壁上的其它基底)上，而不需要附加的傳感器通道26 (例如，如圖4所示)。當(dāng)流體通道12中存在流體流時(shí)，流體流14中的至少ー些可穿過(guò)開(kāi)ロ 30流入傳感器通道26，經(jīng)過(guò)ー個(gè)或多個(gè)加熱器元件(例如加熱器元件22)以及ー個(gè)或多個(gè)傳感元件(例如傳感元件21和24),并且穿過(guò)開(kāi)ロ 32回到流體通道12中。圖4和圖5是流量傳感器組件38的頂視圖和剖視圖。在該示例性實(shí)施例中，流量傳感器組件38可構(gòu)造成具有提高的或增強(qiáng)的流量范圍，同時(shí)在不經(jīng)歷傳感器飽和的情況下仍然具有來(lái)自流量傳感器的穩(wěn)定、可靠且可重復(fù)的輸出信號(hào)。在流體動(dòng)力學(xué)中，質(zhì)量體積流率通常規(guī)定為SLPM (標(biāo)準(zhǔn)升每分鐘)、SCCM (標(biāo)準(zhǔn)立方厘米每分鐘)或者SCFH (標(biāo)準(zhǔn)立方英尺每小吋)，其通常與流動(dòng)速度和流動(dòng)通道的截面積有夫。増加流動(dòng)通道的截面積能夠增 加流量傳感器組件38的質(zhì)量體積流率(例如范圍和/或靈敏度)。而且，將傳感元件(例如流量傳感器19)定位在流量傳感器組件38的旁路通道中使得傳感元件僅暴露于流體流率的一部分(基于旁路通道上的壓カ差)可以進(jìn)ー步提高流量傳感器組件38的質(zhì)量體積流率范圍和/或靈敏度。通過(guò)將傳感器設(shè)置在這種旁路通道中，根據(jù)流量傳感器組件38的具體設(shè)計(jì)和幾何結(jié)構(gòu)，流量傳感器組件38的質(zhì)量體積流率范圍可以以例如10或更大的系數(shù)、15或更大的系數(shù)、20或更大的系數(shù)、20或更大的系數(shù)、30或更大的系數(shù)或其他系數(shù)來(lái)有效地提聞。在該示例性實(shí)施例中，流量傳感器組件38可以包括入口端ロ 42和出ロ端ロ 44、在入口端ロ 42和出口端ロ 44之間延伸的流動(dòng)通道46、以及與流動(dòng)通道46流體連通的旁路通道62。如圖所示，旁路通道62包括將旁路通道62流體連接到流動(dòng)通道46的上游龍頭64和下游龍頭66。在一些情況中，上游龍頭64和下游龍頭66可以定位成大致垂直于流動(dòng)通道46，但根據(jù)需要也可以使用其它朝向。在一些情況下，流體通道的幾何結(jié)構(gòu)可影響流體流的穩(wěn)定性。雷諾數(shù)(Re)是涉及流體通道內(nèi)的湍流的指數(shù)，其由下式給出Re = P *V*d/ U其中P是流體密度；V是平均流動(dòng)速度；d是特征長(zhǎng)度(水力半徑的直徑)；并且U是粘度。通常，層流在低雷諾數(shù)時(shí)出現(xiàn)，其中，粘性力可占主導(dǎo)且特征在于平穩(wěn)恒定的流體運(yùn)動(dòng)，而湍流在高雷諾數(shù)時(shí)出現(xiàn)并且由慣性カ主導(dǎo)，其傾向于產(chǎn)生混沌的渦流、漩渦以及其它流動(dòng)不穩(wěn)定性。對(duì)穿過(guò)流體通道的流體流的層流化可通過(guò)調(diào)整流體次級(jí)通路的幾何結(jié)構(gòu)(例如水力半徑的直徑)以降低流體流的雷諾數(shù)(Re)來(lái)實(shí)現(xiàn)。在一些情況中，流量傳感器組件38可包括流動(dòng)通道46中的一個(gè)或多個(gè)隔板(例如隔板48和50)，以至少部分地限定ー個(gè)或多個(gè)流體次級(jí)通路或腔室，示作為次級(jí)通路52，54和56。在所示的例子中，提供了兩個(gè)隔板48和50。然而所構(gòu)想的是，根據(jù)需要也可以使用其它數(shù)量的隔板，例如，零個(gè)、一個(gè)或更多個(gè)隔板、兩個(gè)或更多個(gè)隔板、三個(gè)或更多個(gè)隔板、四個(gè)或更多個(gè)隔板、五個(gè)或更多個(gè)隔板、六個(gè)或更多個(gè)隔板、七個(gè)或更多個(gè)隔板、或任何其他數(shù)量的隔板。隔板48和50顯示為限定三個(gè)流體次級(jí)通路52、54和56。然而所構(gòu)想的是，根據(jù)需要也可以提供其他數(shù)量的流體次級(jí)通路，例如兩個(gè)或更多個(gè)次級(jí)通路、三個(gè)或更多個(gè)次級(jí)通路、四個(gè)或更多個(gè)次級(jí)通路、五個(gè)或更多個(gè)次級(jí)通路、六個(gè)或更多個(gè)次級(jí)通路、七個(gè)或更多個(gè)次級(jí)通路、八個(gè)或更多個(gè)次級(jí)通路、或任何其他數(shù)量的流體次級(jí)通路。在該示例性實(shí)施例中，每個(gè)隔板48和50都可構(gòu)造成具有沿平行于流動(dòng)通道46的方向延伸的長(zhǎng)度，所述長(zhǎng)度可大于沿垂直于流動(dòng)通道46的方向延伸的寬度。在一些情況下，每個(gè)隔板48和50的長(zhǎng)度和寬度可相同，但在其他情況下，所構(gòu)想的是，隔板48和50可具有不同的長(zhǎng)度和/或?qū)挾?。在所示?shí)施例中，每個(gè)次級(jí)通路52，54和56均在隔板48和50的上游和下游被流體連接至其它次級(jí)通路，但這并不是必需的。而且，隔板48和50可以或可以不構(gòu)造成使次級(jí)通路52，54和56沿著隔板48和50的長(zhǎng)度彼此流體隔離。例如，如圖5所示，隔板48和50可以是翅片型分隔器，其高度沿垂直于流體流的方向僅部分地延 伸跨過(guò)流動(dòng)通道46。而且，在一些實(shí)施例中，流體次級(jí)通路52，54和56可構(gòu)造成具有相同或基本相似的截面積，使得流過(guò)每個(gè)流體次級(jí)通路52，54和56的流體體積可相同或基本相同。然而所構(gòu)想的是，根據(jù)需要也可以使用截面積不同的流體次級(jí)通路52，54和56。在該示例性實(shí)施例中，隔板48和50可通過(guò)降低水力半徑的直徑并因此降低流體次級(jí)通路的雷諾數(shù)來(lái)幫助減少流過(guò)流動(dòng)通道46的流體的湍流。在一些情況下，ー個(gè)或多個(gè)隔板48和50可構(gòu)造成通過(guò)生成更一致的流并減輕流體流的湍流效應(yīng)來(lái)幫助層流化流動(dòng)通道46中的流體流。在一些情況下，層流可以減少流量傳感器19所遇到的噪音，提供流量傳感器組件38的更一致、可靠、可重復(fù)且穩(wěn)定的輸出。如圖4所示，流量傳感器組件38可以具有在上游龍頭64處的第一靜態(tài)壓力P1和在下游龍頭66處的第二靜態(tài)壓力P2。在上游龍頭64和下游龍頭66之間的壓力差可以驅(qū)動(dòng)流體流的一部分通過(guò)旁路通道62。在一些情況中，流體的該部分可以是進(jìn)入入口端ロ 42的流體流的例如五分之一、十分之一、十五分之一、二十分之一、或任何其他合適的部分。在一些實(shí)施例中，可以設(shè)置旁路通道62的尺寸和/或構(gòu)造以便對(duì)于通過(guò)流動(dòng)通道46的給定流率或流率范圍提供經(jīng)過(guò)流量傳感器19的期望流率或流率范圍。通過(guò)旁路通道并經(jīng)過(guò)流量傳感器19的過(guò)大的流體流可導(dǎo)致例如傳感器飽和。通過(guò)旁路通道的過(guò)小流體流可導(dǎo)致傳感器輸出信號(hào)沒(méi)有足夠的動(dòng)態(tài)范圍和/或分辨率。在任ー情況下，流量傳感器19會(huì)不精確地測(cè)量流過(guò)流量傳感器組件38的流體的流率。在一些情況中，可以在旁路通道中提供一個(gè)或多個(gè)特征以限制通過(guò)旁路通道的流體流率。這種特征可以包括例如形成在上游龍頭、下游龍頭、和/或上游龍頭和下游龍頭之間的旁路通道自身中的一個(gè)或多個(gè)限流器。這種特征也可以包括定位在上游龍頭、下游龍頭、和/或上游龍頭和下游龍頭之間的旁路通道中的ー個(gè)或多個(gè)多孔插入件。在一些情況中，可以相對(duì)于旁路通道的截面積來(lái)設(shè)置旁路通道自身的長(zhǎng)度，從而對(duì)于通過(guò)流動(dòng)通道46的給定流率或流率范圍提供經(jīng)過(guò)流量傳感器19的期望流率或流率范圍。在一些情況中，流量傳感器組件38可包括外殼40和蓋60(如圖5所不)。蓋60可安裝到外殼40上或者以其他方式密封地接合到外殼40。通過(guò)這樣的構(gòu)造，外殼40和蓋60可限定流動(dòng)通道46和/或保護(hù)流量傳感器19和/或任何相關(guān)聯(lián)的信號(hào)處理電路，所述電路可提供在流量傳感器組件38中。在一些實(shí)施例中，蓋60可以是其上安裝有流量傳感器19的電路板(例如印刷電路板)或其他基底。然而，可使用任何其他適當(dāng)?shù)纳w60。
在一些實(shí)施例中，外殼40可限定入口端ロ 42、出口端ロ 44、流動(dòng)通道46的三個(gè)或更多個(gè)側(cè)面、旁路通道62的三個(gè)或更多個(gè)側(cè)面、以及隔板48和50 (當(dāng)被提供時(shí))，但這不是必需的。在一些情況中，入口端ロ 42、出口端ロ 44、流動(dòng)通道46的三個(gè)或更多個(gè)側(cè)面、旁路通道62的三個(gè)或更多個(gè)側(cè)面、以及隔板48和50 (當(dāng)被提供吋)可由單個(gè)部件形成(例如單個(gè)模制部件)形成。在這種實(shí)施例中，蓋60可限定流動(dòng)通道46的第四個(gè)側(cè)面或頂側(cè)并限定旁路通道62的第四個(gè)側(cè)面或頂側(cè)。如圖5所示，隔板48和50(當(dāng)被提供時(shí))可構(gòu)造成具有一定高度使得隔板48和50不接合蓋60。然而所構(gòu)想的是，如果需要，隔板48和50也可構(gòu)造成具有一定高度使得隔板48和50接合蓋60。在一些情況下，所構(gòu)想的是，根據(jù)需要，蓋60可構(gòu)造成限定入口端ロ 42、出口端ロ 44、流動(dòng)通道46的三個(gè)或更多個(gè)側(cè)面、旁路通道62的三個(gè)或更多個(gè)側(cè)面、和/或隔板48和50中的所有或一部分。在該示例性實(shí)施例中，包括外殼40和蓋60的外殼可形成為復(fù)合件。在一些情況下，這有助于外殼40和蓋60的模制。然而所構(gòu)想的是，根據(jù)設(shè)計(jì)條件，外殼40也可由塑料、陶瓷、金屬或任何其它適合的材料模制為單件。還構(gòu)想的是，外殼可通過(guò)注射模制來(lái)形成，或根據(jù)需要由任何其它合適的方法和材料形成。在一些實(shí)施例中，入口端ロ 42和/或出口端ロ 44可以以相對(duì)于流動(dòng)通道46的一定角度進(jìn)入。如圖4所示，例如，入口端ロ 42和出口端ロ 44可大致垂直于(角度=90度)流動(dòng)通道46。然而，也構(gòu)想了其它角度，包括零角度(與流動(dòng)通道46在平面內(nèi))。在ー些實(shí)施例中，入口端ロ 42和出口端ロ 44可流體地耦合至更大系統(tǒng)(例如呼吸機(jī))的主流動(dòng)通道(未示出)，但這不是必需的。在一些情況下，入口端ロ 42和/或出口端ロ 44可具有相對(duì)于旁路通道62減小的直徑或截面積。然而所構(gòu)想的是，根據(jù)需要，入口端ロ 42和/或出口端ロ 44也可具有與旁路通道62大約相同或更大的直徑和/或截面積。在該示附性實(shí)施例中，流量傳感器19設(shè)置成與流量傳感器組件38的旁路通道62流體連通。當(dāng)在流動(dòng)通道46中存在非零流體流時(shí)，流體可以流過(guò)入口端ロ 42、流動(dòng)通道46、流體次級(jí)通路52、54和56 (當(dāng)存在時(shí))以及出ロ端ロ 44。該流體流可以在旁路通道62的上游龍頭64處建立第一靜態(tài)壓力P1并且在下游龍頭66處建立第二靜態(tài)壓力P2。該壓カ差(P1-P2)將會(huì)導(dǎo)致流體的一部分穿過(guò)上游龍頭64 (在一些情況中，隔板48和50的上游)、通過(guò)旁路通道62、并且經(jīng)過(guò)流量傳感器19，并且從下游龍頭66流出并回到流動(dòng)通道46中(在一些情況中，隔板48和50的下游)。在該示例性實(shí)施例中，流過(guò)旁路通道62的流體中的至少ー些可進(jìn)入流量傳感器開(kāi)ロ 30，流過(guò)上游傳感元件21、加熱器元件22和下游傳感元件24，并且流出流量傳感器開(kāi)ロ 32并回到旁路通道62中。當(dāng)加熱器元件22被加熱到高于流體流中的流體的環(huán)境溫度的溫度時(shí)，対稱的溫度分布被擾動(dòng)并且擾動(dòng)量可與流過(guò)旁路通道62的流體流的流率有夫，其與流過(guò)流動(dòng)通道46的流體流有夫。流體流的流率可導(dǎo)致示例性流量傳感器19的上游傳感器元件21比下游傳感器元件24感測(cè)到相對(duì)更低的溫度。換句話說(shuō)，流體流的流率可導(dǎo)致上游傳感器元件21和下游傳感器元件24之間的溫度差，其可與旁路通道62中的并因而與流動(dòng)通道46中的流體流的流率有夫。上游傳感器元件21和下游傳感器元件24之間的溫度差可導(dǎo)致上游傳感器元件21和下游傳感器元件24之間的輸出電壓差。在一些情況下，流量傳感器19可不包括從旁路通道62分離的獨(dú)立流動(dòng)通道。相反，在一些情況下，流量傳感器19可將加熱器元件22以及ー個(gè)或多個(gè)傳感器元件21和24直接暴露于流體旁路通道62，以直接測(cè)量旁路通道62 (而非獨(dú)立傳感器通道)內(nèi)的流率。在其它情況下，所構(gòu)想的是，根據(jù)需要，流量傳感器19可使用熱式傳感器、壓カ傳感器、聲學(xué)傳感器、光學(xué)傳感器、皮托管和/或任何其它適當(dāng)?shù)牧髁總鞲衅鱽?lái)測(cè)量旁路通道62中的流體流14的質(zhì)量流量和/或速度。盡管未示出，流量傳感器組件38可包括電連接到流量傳感器19的一條或多條電引線，其可延伸至外殼的外部。在一些情況下，一條或多條電引線可包括金屬，然而根據(jù)需要可使用任何合適的導(dǎo)電材料。
在一些實(shí)施例中，旁路通道62的上游龍頭64和/或下游龍頭66可以被確定尺寸或構(gòu)造為限流器，如圖6最佳所示。對(duì)于通過(guò)流動(dòng)通道46的給定流率，這些限流器可以幫助降低經(jīng)過(guò)流量傳感器19的流體的流率。在圖6中，對(duì)于旁路通道62上的給定壓力降，龍頭64可以具有比旁路通道62的直徑更小的直徑以幫助限制進(jìn)入旁路通道62的流體流率。通過(guò)精確和/或準(zhǔn)確地確定龍頭64和66和/或旁路通道62的直徑和/或長(zhǎng)度的大小，更普遍地，流量傳感器組件38可以更好地控制和/或平衡流量傳感器19處將要被感測(cè)的質(zhì)量流率范圍和由流過(guò)流動(dòng)通道46的流體產(chǎn)生的壓カ差(P1-P2)之間的關(guān)系。雖然圖6示出了上游龍頭64和下游龍頭66兩者均被構(gòu)造為限流器(例如，更普適地，相對(duì)于旁路通道的減小的直徑)，但是根據(jù)需要，上游龍頭64或下游龍頭66中的僅ー個(gè)可構(gòu)造為限流器(或都不構(gòu)造為限流器)。此外，所構(gòu)想的是，如果需要，減小的直徑部分的長(zhǎng)度可以延伸龍頭64和66的整個(gè)長(zhǎng)度,或者僅延伸龍頭64和66的長(zhǎng)度的一部分。在一些實(shí)施例中，多孔插入件(例如多孔插入件70和72)可以定位在上游龍頭64和/或下游龍頭66中，如圖7所示。多孔插入件70和72可以幫助使流體流層流化和/或控制流量傳感器19上的壓カ降并因此控制經(jīng)過(guò)流量傳感器19的流率。在圖7的示例性實(shí)施例中，多孔插入件70設(shè)置在龍頭64中并且多孔插入件72設(shè)置在龍頭66中。然而所構(gòu)想的是，如果需要，也可以僅提供多孔插入件70和72中的ー個(gè)(或都不提供)。在一些實(shí)施例中，多孔插入件70可以被插入、按壓、或者以其他方式定位在上游龍頭64中或附近。多孔插入件72可以被插入、按壓、或者以其他方式定位在下游龍頭66中或附近。在一些實(shí)施例中，多孔插入件70和72在形狀方面可以大體上是圓柱形的。然而所構(gòu)想的是，根據(jù)插入件將要插入的龍頭的形狀，也可以使用任何合適的形狀。在其他情況中，所構(gòu)想的是，多孔插入件70和72可以是任何形狀，并且當(dāng)被插入龍頭64和66時(shí)，多孔插入件70和72是可變形的以適應(yīng)龍頭64和66的形狀。多孔插入件70和72可以構(gòu)造成具有一定長(zhǎng)度和密度，從而產(chǎn)生期望或預(yù)定的壓力降，使得對(duì)于流動(dòng)通道46中的給定流率或流量范圍，在流量傳感器19處經(jīng)歷期望的流率或流率范圍。例如，増加多孔插入件70和72的長(zhǎng)度和/或増加多孔插入件70和72的密度(例如減小孔徑尺寸)可以增大多孔插入件上的壓カ降，而減小多孔插入件70和72的長(zhǎng)度和/或減小多孔插入件70和72的密度可以降低壓カ降。在一些情況中，増加上游多孔插入件70的密度(例如減小孔徑尺寸)和/或提供相對(duì)均勻的孔徑尺寸可以幫助提供流過(guò)流量傳感器19的更層流化的流體。所構(gòu)想的是，根據(jù)旁路通道62中的流體流的期望的層流化和/或壓カ降，多孔插入件70和72可以使用任何適合的長(zhǎng)度和/或密度。在一些實(shí)施例中，所構(gòu)想的是，圖6所示的實(shí)施例可以與圖7所示的實(shí)施例結(jié)合。換句話說(shuō)，所構(gòu)想的是，多孔插入件70和/或72可以被插入龍頭64和/或66中，其可以構(gòu)造為具有減小的直徑的限流器。圖8-11是流量傳感器組件80的另ー個(gè)示例性實(shí)施例的視圖。如圖所示,流量傳感器組件80可包括外殼82和蓋84，用于容納流量傳感器114。蓋84構(gòu)造成安裝在外殼82上或者以其它方式密封地接合到外殼82。通過(guò)這樣的構(gòu)造，外殼82和蓋84可限定流動(dòng)通道86和/或保護(hù)流量傳感器114和/或任何相關(guān)聯(lián)的信號(hào)處理電路，其可被提供在流量傳感器組件80中。如圖9和圖10所示，外殼82包括入口端ロ 88和出口端ロ 90，以便使流動(dòng)通道86暴露于流體流。流量傳感器組件80可包括流量傳感器114，其可與流量傳感器19相似，放置在流動(dòng)通道86中或附近且構(gòu)造成感測(cè)通過(guò)流動(dòng)通道86的流體流率。流量傳感器組件可以還包括與流動(dòng)通道86流體連通的旁路通道92。如圖所示， 旁路通道92包括將旁路通道92流體地連接到流動(dòng)通道86的上游龍頭100和下游龍頭102。在一些情況中，流量傳感器組件80可包括流動(dòng)通道86中的一個(gè)或多個(gè)隔板(例如隔板94)，以至少部分地限定ー個(gè)或多個(gè)流體次級(jí)通路或腔室，示作為次級(jí)通路96和98。在所示的例子中，提供了隔板94。然而可構(gòu)想的是，根據(jù)需要，可以使用其它數(shù)量的隔板，例如零個(gè)隔板、一個(gè)或更多個(gè)隔板、兩個(gè)或更多個(gè)隔板、三個(gè)或更多個(gè)隔板、四個(gè)或更多個(gè)隔板、五個(gè)或更多個(gè)隔板、六個(gè)或更多個(gè)隔板、七個(gè)或更多個(gè)隔板、或者任何其他數(shù)量的隔板。所示的隔板94限定兩個(gè)流體次級(jí)通路96和98。然而所構(gòu)想的是，根據(jù)需要，也可以提供其它數(shù)量的流體次級(jí)通路，例如兩個(gè)或更多個(gè)次級(jí)通路、三個(gè)或更多個(gè)次級(jí)通路、四個(gè)或更多個(gè)次級(jí)通路、五個(gè)或更多個(gè)次級(jí)通路、六個(gè)或更多個(gè)次級(jí)通路、七個(gè)或更多個(gè)次級(jí)通路、八個(gè)或更多個(gè)次級(jí)通路、或者任何其他數(shù)量的次級(jí)通路。在該示例性實(shí)施例中，隔板94可構(gòu)造成具有沿平行于流動(dòng)通道86的方向延伸的長(zhǎng)度，所述長(zhǎng)度可大于沿垂直于流動(dòng)通道86的方向延伸的寬度。在所示的實(shí)施例中，每個(gè)次級(jí)通路96和98均在隔板94的上游和下游流體地連接到其它次級(jí)通路，但這并不是必需的。而且，隔板94可以或可以不構(gòu)造成使次級(jí)通路96和98的每ー個(gè)沿著隔板94的長(zhǎng)度互相流體地隔離。例如，如圖11所示，隔板94可以是翅片型分隔器，其高度在垂直于流體流的方向上僅部分地延伸跨過(guò)流體通道46。也就是說(shuō)，隔板94可以從蓋84間隔開(kāi)。而且，在一些實(shí)施例中，流體次級(jí)通路96和98可以構(gòu)造成具有相同或基本相似的截面積，使得流過(guò)每個(gè)流體次級(jí)通路96和98的流體的體積可以相同或基本相同。然而所構(gòu)想的是，根據(jù)需要，流體次級(jí)通路96和98也可以使用不同的截面積。在該示例性實(shí)施例中，隔板94可通過(guò)降低水力半徑的直徑并因此降低流體次級(jí)通路的雷諾數(shù)來(lái)幫助減少流過(guò)流動(dòng)通道86的流體中的湍流。在一些情況下，ー個(gè)或多個(gè)隔板94可構(gòu)造成通過(guò)生成更一致的流動(dòng)并減輕流體流的湍流效應(yīng)來(lái)幫助層流化流動(dòng)通道86中的流體流。在一些情況下，層流可以減少流量傳感器114所遇到的噪音，提供流量傳感器組件80的更一致、可靠、可重復(fù)且穩(wěn)定的輸出。在該示例性實(shí)施例中，流量傳感器組件80可以具有在上游龍頭100處的第一靜態(tài)壓カP1和在下游龍頭102處的第二靜態(tài)壓力P2。上游龍頭100和下游龍頭102之間的壓力差可以驅(qū)動(dòng)流體流的一部分通過(guò)旁路通道92。在一些情況中，流體的該部分可以是進(jìn)入入口端ロ 88的流體流的例如五分之一、十分之一、十五分之一、二十分之一、或任何其他合適的部分。例如，如圖9所示，上游龍頭100可以定位在隔板94的上游端的下游并且下游龍頭102可以定位在隔板94的下游端的上游。也就是說(shuō)，上游龍頭100和下游龍頭102可以定位在流體次級(jí)通路96中。然而所構(gòu)想的是，上游龍頭100也可以定位在隔板94的上游和/或下游龍頭102也可以定位在隔板94的下游。在一些實(shí)施例中，可以設(shè)置旁路通道92的尺寸和/或構(gòu)造以便對(duì)于通過(guò)流動(dòng)通道86的給定流率或流率范圍提供經(jīng)過(guò)流量傳感器114的期望流率或流率范圍。通過(guò)旁路通道并經(jīng)過(guò)流量傳感器114的過(guò)大的流體流可導(dǎo)致例如傳感器飽和。通過(guò)旁路通道的過(guò)小流體流可導(dǎo)致傳感器輸出信號(hào)沒(méi)有足夠的動(dòng)態(tài)范圍和/或分辨率。在任ー情況下，流量傳感器114會(huì)不精確地測(cè)量流過(guò)流量傳感器組件80的流體的流率。在一些情況下，可以在旁路通 道中提供一個(gè)或多個(gè)特征以限制通過(guò)旁路通道的流體流率。這種特征可以包括例如形成在上游龍頭、下游龍頭、和/或在上游龍頭和下游龍頭之間的旁路通道自身中的ー個(gè)或多個(gè)限流器。這種特征也可以包括定位在上游龍頭、下游龍頭、和/或在上游龍頭和下游龍頭之間的旁路通道中的ー個(gè)或多個(gè)多孔插入件。在一些情況中，可以相對(duì)于旁路通道的截面積來(lái)設(shè)置旁路通道自身的長(zhǎng)度，從而對(duì)于通過(guò)流動(dòng)通道86的給定流率或流率范圍提供經(jīng)過(guò)流量傳感器114的期望流率或流率范圍。在ー些情況中并且如圖9所示，旁路通道92可以構(gòu)造成具有鄰近于上游龍頭100和/或下游龍頭102的大致S形(或部分S形)彎曲部104和106。例如，鄰近于上游龍頭100的大致S形彎曲部104可以首先彎曲回來(lái)朝向入口端ロ 88并且然后彎曲回去朝向出ロ端ロ 90和流量傳感器114。相似地，鄰近于下游龍頭102的大致S形彎曲部可以首先彎曲朝向出ロ端ロ 90并且然后彎曲回去朝向入口端ロ 88和流量傳感器114。在一些實(shí)施例中，旁路通道92可包括構(gòu)造成引導(dǎo)流體通過(guò)流量傳感器114的凸臺(tái)(boss) 108或其它特征。例如，凸臺(tái)108可包括第一錐形部和第二錐形部，第一錐形部減少旁路通道92的截面積，第二錐形部増加旁路通道92的截面積。在一些情況下，流量傳感器114可位于第一錐形部和第二錐形部之間，但這不是必需的。在一些實(shí)施例中，外殼82可限定入口端ロ 88、出口端ロ 90、流動(dòng)通道86的三個(gè)或更多個(gè)側(cè)面、旁路通道92的三個(gè)或更多個(gè)側(cè)面、以及隔板94，但這不是必需的。在ー些情況下，入口端ロ 88、出口端ロ 90、流動(dòng)通道86的三個(gè)或更多個(gè)側(cè)面、旁路通道92的三個(gè)或更多個(gè)側(cè)面、以及隔板94 (當(dāng)被提供吋)可由單個(gè)部件(例如，單個(gè)模制部件)形成。在這種實(shí)施例中，蓋84可限定流動(dòng)通道86的第四個(gè)側(cè)面或頂側(cè)并限定旁路通道92的第四個(gè)側(cè)面或頂側(cè)。如圖11所示，隔板94可構(gòu)造成具有一定高度使得隔板94不接合蓋84，或者隔板94從蓋84間隔開(kāi)。然而所構(gòu)想的是，根據(jù)需要，隔板94也可構(gòu)造成具有一定高度使得隔板94接合蓋84。在該示例性實(shí)施例中，外殼82和蓋84可形成為復(fù)合件。在一些情況下，這有助于外殼82和蓋84的模制。然而所構(gòu)想的是，根據(jù)設(shè)計(jì)條件，外殼82和蓋84也可由塑料、陶瓷、金屬或任何其它適合的材料模制為單件。還可構(gòu)想的是，外殼可通過(guò)注射模制來(lái)形成，或者根據(jù)需要可由任何其它適當(dāng)?shù)姆椒ê筒牧闲纬?。在一些情況下，蓋84可以是用于在其上安裝流量傳感器114的印刷電路板或者其它適當(dāng)?shù)幕?。在一些?shí)施例中，入口端ロ 88和/或出口端ロ 90可以以相對(duì)于流動(dòng)通道86的一定角度進(jìn)入。如圖9所示，例如，入口端ロ 88和出口端ロ 90可大致垂直于流動(dòng)通道86 (角度=90度)。然而，也可以構(gòu)想其它角度，包括零角度(與流動(dòng)通道86在平面內(nèi))。在一些實(shí)施例中，入口端ロ 88和出ロ端ロ 90可流體地耦合至更大系統(tǒng)(例如呼吸機(jī))的主流動(dòng)通道(未示出)，但這不是必需的。在該示例性實(shí)施例中，流量傳感器114可以設(shè)置成與流量傳感器組件80的旁路通道92流體連通。當(dāng)在流動(dòng)通道86中存在非零流體流時(shí)，流體可以流過(guò)入口端ロ 88、流過(guò)流動(dòng)通道86、流過(guò)流體次級(jí)通路96和98 (由隔板94限定)以及流過(guò)出ロ端ロ 90。該流體流可以在旁路通道86的上游龍頭100處建立第一靜態(tài)壓力P1并且在下游龍頭102處建立第ニ靜態(tài)壓力P2。該壓カ差(P1-P2)將導(dǎo)致流體的一部分通過(guò)上游龍頭100(在一些情況中，流過(guò)次級(jí)通路96的流體的一部分)、流過(guò)旁路通道92并經(jīng)過(guò)流量傳感器114、從下游龍頭102流出并且回到流動(dòng)通道86中(在一些情況中，回到次級(jí)通路96中)。 盡管未示出，流量傳感器組件80可包括電連接到流量傳感器114的一條或多條電引線，其可延伸至外殼的外部。在一些情況下，一條或多條電引線可包括金屬，然而根據(jù)需要也可使用任何適當(dāng)?shù)膶?dǎo)電材料。已經(jīng)描述了本公開(kāi)的幾個(gè)示例性實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)容易地領(lǐng)會(huì)在本文所附的權(quán)利要求的范圍內(nèi)還可制造和使用其它實(shí)施例。本文件所覆蓋的本公開(kāi)的眾多優(yōu)點(diǎn)已由前面的描述闡明。然而將會(huì)理解的是，本公開(kāi)在許多方面都僅是示例性的。在不超出 本公開(kāi)的范圍的情況下，可在細(xì)節(jié)上，特別是形狀、尺寸和部件的布置方面作出改變。當(dāng)然，本公開(kāi)的范圍由所附權(quán)利要求中表述的文字來(lái)限定。
權(quán)利要求
1.ー種流量傳感器組件(38)，包括 模制外殼(40),所述模制外殼(40)限定下列中的至少一部分 入口流端ロ (88)； 出口流端ロ(90)； 流體通道(12)，所述流體通道(12)在所述入口流端ロ(88)和所述出口流端ロ(90)之間延伸；和 旁路通道(62)，所述旁路通道￠2)包括上游龍頭(100)和下游龍頭(102)，所述上游龍頭(100)在所述入口流端ロ(88)下游的第一位置處與所述流體通道(12)流體連通，所述下游龍頭(102)在所述出口流端ロ(90)上游的第二位置處與所述流體通道(12)流體連 通，其中，所述第二位置位于所述第一位置的下游；以及 流量傳感器(10)，所述流量傳感器(10)定位成與所述旁路通道￠2)流體連通，并且構(gòu)造成感測(cè)關(guān)于流過(guò)所述旁路通道￠2)的流體的流率的測(cè)量值，其與流過(guò)所述流體通道(12)的流體的流率相關(guān)。
2.如權(quán)利要求I所述的流量傳感器組件，還包括 一個(gè)或多個(gè)隔板(48，50)，其定位在所述流體通道(12)中以幫助促進(jìn)所述流體通道(12)中的層流。
3.如權(quán)利要求I所述的流量傳感器組件(38)，其中，通過(guò)所述流量傳感器組件(38)的流體流(14)產(chǎn)生沿著所述流體通道(12)并沿著所述旁路通道￠2)的壓カ差。
4.如權(quán)利要求3所述的流量傳感器組件(38)，其中，所述壓カ差驅(qū)動(dòng)流過(guò)所述流體通道(12)的流體的至少一部分通過(guò)所述旁路通道(62)。
5.如權(quán)利要求I所述的流量傳感器組件(38)，其中，所述旁路通道￠2)的上游龍頭(100)和下游龍頭(102)定位成垂直于所述流體通道(12)。
6.如權(quán)利要求I所述的流量傳感器組件(38)，其中，所述外殼(40)包括模制部件，其限定所述流體通道(12)的三個(gè)或更多個(gè)側(cè)面以及所述旁路通道￠2)的三個(gè)或更多個(gè)側(cè)面。
7.如權(quán)利要求6所述的流量傳感器組件(38)，還包括蓋(60)，其定位在所述模制部件上以限定所述流體通道(12)的第四側(cè)面以及所述旁路通道￠2)的第四側(cè)面。
8.如權(quán)利要求I所述的流量傳感器組件(38)，其中，所述上游龍頭(100)和所述下游龍頭(102)中的至少ー個(gè)構(gòu)造為用于所述旁路通道(62)的限流器。
9.如權(quán)利要求I所述的流量傳感器組件(38)，還包括定位在所述上游龍頭(100)和所述下游龍頭(102)中的至少ー個(gè)中的多孔材料。
10.如權(quán)利要求I所述的流量傳感器組件(38)，其中，以基本垂直于所述流體通道(12)的角度設(shè)置所述入口流端ロ(88)和所述出口流端ロ(90)。
全文摘要
本發(fā)明涉及具有集成旁路通道的流量傳感器組件，具體公開(kāi)了具有提高的流量范圍能力的流量傳感器組件(38)。在一個(gè)示例性實(shí)施例中，流量傳感器組件(38)包括外殼(40)，其具有入口流端口(88)、出口流端口(90)、在入口流端口和出口流端口之間延伸的流體通道(12)、以及旁路通道(62)，旁路通道具有在分開(kāi)的位置流體地連接到流體通道的一對(duì)龍頭(64)。流量傳感器(10)可以定位在旁路通道中，用于感測(cè)關(guān)于流過(guò)流體通道的流體的流率的測(cè)量值。旁路通道的兩個(gè)龍頭之間的壓力差驅(qū)動(dòng)流過(guò)流體通道的流體的一部分通過(guò)旁路通道。流量傳感器組件可以構(gòu)造成實(shí)現(xiàn)、控制和/或平衡通過(guò)旁路通道和經(jīng)過(guò)流量傳感器的流體流的期望部分。
文檔編號(hào)G01F15/00GK102645249SQ20121008791
公開(kāi)日2012年8月22日 申請(qǐng)日期2012年1月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月31日
發(fā)明者C·S·貝克, J·斯佩爾德里奇, L·F·里克斯, W·馮 申請(qǐng)人:霍尼韋爾國(guó)際公司