(57)【要約】粗悪流体、例えば腐食をもたらす流体、あるいは放射性汚染、生きた病原体、凍結温度、過熱、粒子付着又は凝縮性蒸気に晒される流体に露出されるセンサの劣化を防止するための方法及びシステムが開示される。比較的清浄な流体即ちパージ流体の補助パージ流が利用される。この補助パージ流は、粗悪流体に対向してセンサを通過して流れ、それにより粗悪流体とセンサの接触が防止され、延いてはセンサの劣化が防止される。清浄流体自体は、粗悪流体の組成物と適合する清浄で乾燥した空気などのパージガスあるいは液体からなっている。清浄流体の流量及び圧力は、１つ又は複数の供給調整器弁を利用して調整することができる。
2005508000.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
粗悪流体に露出されるセンサの汚染を、メインチャネル及びその拘束部分に統合されたバイパスチャネルを通して流体を流すことによって防止するための方法であって、
前記メインチャネル及び前記拘束部分を通して前記粗悪流体を導くステップであって、前記粗悪流体の一部が前記バイパスチャネルを通って前記センサと接触するステップと、
前記粗悪流体の組成物と適合するパージ流体の補助流を導入するステップであって、前記パージ流体が、前記粗悪流体に対向して前記センサを通過して流れ、それにより前記粗悪流体と前記センサの接触及び前記センサの劣化が防止されるステップとを含む方法。
【請求項２】
前記センサの汚染を防止するための補助パージ流を含むように前記パージ流体の補助流を構成するステップを更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記パージ流体が、前記粗悪流体の前記組成物と適合するパージガスからなる、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
少なくとも１つの調整器弁を利用して前記パージ流体の前記補助流を調整するステップを更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
少なくとも１つの調整器弁を利用して、前記パージ流体の前記流れに結合した圧力を調整するステップを更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記パージ流体の前記補助流を、前記粗悪流体に対向して前記センサを通過する流れに対して、前記パージ流体が対称をなして流れるように適用するステップを更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記センサが流量センサを含む請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記センサがマイクロセンサを含む請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記流量センサを単方向センサとして構成するステップと、
引き続いて、関連する複数のポートに非対称流バイアスを追加することによって前記単方向センサを双方向センサに変換するステップとを更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
粗悪流体に露出される流量センサの汚染を、メインチャネル及びその拘束部分に統合されたバイパスチャネルを通して流体を流すことによって防止するための方法であって、
前記メインチャネル及び前記拘束部分を通して前記粗悪流体を導くステップであって、前記粗悪流体の一部が前記バイパスチャネルを通って前記流量センサと接触するステップと、
前記粗悪流体の組成物と適合するパージガスの流れを導入するステップであって、前記パージガスが、前記粗悪流体に対向して前記センサを通過して流れるステップと、
少なくとも１つの調整器弁を利用して前記パージガスの流量及び圧力を調整するステップであって、それにより前記粗悪流体と前記流量センサの接触及び前記流量センサの劣化が防止されるステップとを含む方法。
【請求項１１】
粗悪流体に露出される流量センサの汚染を、メインチャネル及びその拘束部分に統合されたバイパスチャネルを通して流体を流すことによって防止するための方法であって、
前記メインチャネル及び前記拘束部分を通して前記粗悪流体を導くステップであって、前記粗悪流体の一部が前記バイパスチャネルを通って前記流量センサと接触するステップと、
前記粗悪流体の組成物と適合するパージガスの流れを導入するステップであって、前記パージガスが、前記粗悪流体に対向して前記センサを通過して流れるステップと、
前記パージガスの流れを流れに対称的に適用するステップと、
少なくとも１つの調整器弁を利用して前記パージガスの流量及び圧力を調整するステップであって、それにより前記粗悪流体と前記流量センサの接触及び前記流量センサの劣化が防止されるステップとを含む方法。
【請求項１２】
粗悪流体に露出されるセンサの汚染を、メインチャネル及びその拘束部分に統合されたバイパスチャネルを通して流体を流すことによって防止するためのシステムであって、
前記粗悪流体は前記メインチャネル及び前記拘束部分を通して導かれ、前記粗悪流体の一部が前記バイパスチャネルを通って前記センサと接触し、
前記粗悪流体の組成物と適合するパージ流体の補助流が、前記パージ流体が前記粗悪に対向して前記センサを通過して流れ、それにより前記粗悪流体と前記センサの接触及び前記センサの劣化が防止されるシステム。
【請求項１３】
前記パージ流体の補助流が、前記センサの汚染を防止するための補助パージ流からなる、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
前記パージ流体が、前記粗悪流体の前記組成物と適合するパージガスからなる、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１５】
少なくとも１つの調整器弁を利用して前記パージ流体の補助流を調整することができる、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１６】
少なくとも１つの調整器弁を利用して、パージ流体の前記流れに結合した圧力を調整することができる、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１７】
前記パージ流体の補助流が前記粗悪流体に対向して前記センサを通過する流れに対して、前記パージ流体が対称をなして流れるように導入される、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１８】
前記センサが流量センサからなる、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１９】
前記センサがマイクロセンサからなる、請求項１２に記載のシステム。
【請求項２０】
前記流量センサが単方向センサからなり、関連するポートに非対称流バイアスを追加することによって双方向センサに変換することができる、請求項１２に記載のシステム。
【請求項２１】
粗悪流体に露出される流量センサの汚染を、メインチャネル及びその拘束部分に統合されたバイパスチャネルを通して流体を流すことによって防止するためのシステムであって、
前記粗悪流体は前記メインチャネル及び前記拘束部分を通して導かれ、前記粗悪流体の一部が前記バイパスチャネルを通って前記流量センサと接触し、
前記粗悪流体の組成物と適合するパージガスの流れが、前記パージガスが前記粗悪に対向して前記センサを通過して流れ、
少なくとも１つの調整器弁を利用して、前記パージガスの流量及び圧力を調整することができ、それにより前記粗悪流体と前記流量センサの接触及び前記流量センサの劣化が防止されるシステム。
【請求項２２】
粗悪流体に露出されるマイクロセンサの汚染を、メインチャネル及びその拘束部分に統合されたバイパスチャネルを通して流体を流すことによって防止するためのシステムであって、
前記粗悪流体は前記メインチャネル及び前記拘束部分を通して導かれ、前記粗悪流体の一部が前記バイパスチャネルを通って前記マイクロセンサと接触し、
前記粗悪流体の組成物と適合するパージガスの流れが、前記パージガスが前記粗悪に対向して前記センサを通過して対称をなして流れ、
少なくとも１つの調整器弁を利用して、前記パージガスの流量及び圧力を調整することができ、それにより前記粗悪流体と前記マイクロセンサの接触及び前記マイクロセンサの劣化が防止されるシステム。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
流量センサは、ガス及び液体を始めとする流体の性質を検出するための様々な流体センシングアプリケーションに利用されている。流体の流れ即ち流体の特性を検出する、このような流体の熱センサは、例えば、超微小構造の形態のシリコン上センサとして実施することができる。以下、このような熱センサに対して、便宜上、非制限的に「流量センサ」という用語を総称的に利用する。このようなセンサを利用して、温度、熱伝導率、比熱などの主要な特性及びその他の特性を測定することもできること、及び強制的に、あるいは自然対流によって流れを生成することができることは、読者には理解されよう。
【０００２】
通常、熱タイプの流量センサは、一般的には、加熱エレメント及び１又は２の近接受熱エレメント（proximate heat-receiving element）を備えた基板からなっている。このようなセンシングエレメントを２つ使用する場合、それらは、測定すべき流体（液体又はガス）の流れ方向に対して、加熱エレメントの上流側及び下流側に配置されることが好ましい。流体が基板に沿って流れると、加熱エレメントによって上流側で流体が加熱され、加熱エレメントの両側の受熱エレメントに非対称的に熱が伝達される。非対称性の程度はガスの流量によって決まり、かつ、その非対称性を電気的にセンスすることができるため、このような流量センサを使用して、流量及び流体の流れの累積量を測定することができる。
【０００３】
このような流量センサは、一般的に、腐食、放射性汚染又はバクテリア汚染、過熱あるいは凍結を介してセンサに「ストレス」を付与するガスあるいは液体を含む粗悪（汚染、汚れ、凝縮等）流体に露出されると劣化するという潜在的な問題を抱えている。センシングエレメントを腐食させ、凍結させ、あるいは過熱させる「粗悪」ガス又は液体の流量あるいは圧力（差圧又は絶対圧）の感度の高い測定は、多大な出費に見合うにせよ、あるいは見合わないにせよ、大きな課題である。既に提案されている解決法には、センサの感度を鈍化させるパッシベーション、凝縮又は凍結を回避するための、センサ信号の劣化、コストの増加及び流体が劣化する可能性を犠牲にしたヒータ（あるいは、過熱を防止するためのクーラ）、あるいは好ましくない微粒物質を除去するためのフィルタなどがある。
【０００４】
センサの頻繁な洗浄あるいは交換も解決法の１つであるが、コストの掛かる解決法である。高感度ダイヤフラムベース差圧センサの場合、流れを必要としないため、汚染から保護することができるが、それらは、過剰圧力に耐えることができないばかりでなく、熱マイクロセンサと比較すると感度が極めて鈍く、かつ、極めて高価である。
【０００５】
従って、本発明により、粗悪（harsh）流体又はガスに露出される流量センサに対する「ストレス」を回避するための方法及びシステムのニーズが実現される。本明細書において開示する本発明により、流体を診断している間、流量センサが露出される粗悪流体による腐食及び劣化の影響に対処する独自のパージ流方式の実施態様及びセンシングアプリケーションを通して上記ニーズが解決される。
【０００６】
以下に示す本発明の要約は、本発明に固有の革新的な特徴のいくつかを理解しやすくするために提供したものであり、本発明を余すところなく説明することを意図したものではない。本発明の様々な態様の完全なアプリケーションについては、本明細書のすべて、特許請求の範囲の各請求項、図面及び全体をまとめた要約書を参照することによって明らかになるであろう。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の一態様により、センサ及びマイクロセンサの汚染を防止するための方法及びシステムが提供される。本発明の他の態様により、１つ又は複数の差圧センサと相俟って機能するセンサ及びマイクロセンサの汚染を防止するための方法及びシステムが提供される。本発明の更に他の態様により、このようなセンサのセンシングエレメントにストレスを付与し得る（腐食、放射性汚染又はバクテリア汚染、過熱、凍結、粒子の付着あるいは凝縮等を介して）粗悪ガス又は液体と接触するセンサの汚染を防止するための方法及びシステムが提供される。
【０００８】
本発明の更に他の態様により、粗悪流体の流れに対向する強制パージ流即ち補助流体流を提供することによって、粗悪流体と接触するセンサの汚染を防止するための方法及びシステムが提供される。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
以下、上記態様及び他の態様の達成方法について説明する。本発明により、パージ流を利用した、流量センサの較正を妨害することのない方法及びシステムが開示される。開示する方法及びシステムは、粗悪流体に露出されるセンサの汚染を、メインチャネル及びその拘束部分に統合（integrated）されたバイパスチャネルを通して流体を流すことによって防止するための方法及びシステムである。通常、メインチャネル及びその拘束部分を通して粗悪流体が導かれ、粗悪流体の一部がバイパスチャネルを通ってセンサと接触する。従って、粗悪流体の組成物と適合（compatible）する比較的清浄な流体の補助流（本明細書においては、清浄流体、パージ流、補助流体あるいはパージ流体は、交換可能に使用されている）が、清浄流体が粗悪流体に対向してセンサを通過して流れるように導かれ、それにより粗悪流体とセンサの接触が防止され、延いてはセンサの劣化が防止される。清浄流体の補助流は、センサの汚染を防止するための補助パージ流からなるように構成することができる。
【００１０】
比較的清浄な流体即ちパージ流体自体は、パージ液又はパージガス、例えば粗悪流体の組成物と適合する清浄で乾燥した空気などからなっている。清浄流体の流量及び圧力は、１つ又は複数の供給調整器弁を利用して調整することができる。清浄流体の補助流は、通常、粗悪流体に対向してセンサを通過する流れに対して、清浄流体が対称をなして流れるように適用される。センサ自体は、１つ又は複数の熱マイクロセンサから構成されているか、あるいは１つ又は複数の差圧マイクロセンサから構成されていることが好ましい。従って、粗悪流体の組成物と適合する清浄流体の補助流を、清浄流体が粗悪流体に対向してセンサを通過して流れるように導入することにより、粗悪流体とセンサの接触を防止し、延いては、腐食、放射性汚染又はバクテリア汚染、過熱、凍結、粒子の付着あるいは凝縮によるセンサの劣化を防止することができ、あるいはセンサの動作を妨害する他の要因からセンサを保護することができる。
【００１１】
また、本発明により、粗悪流体に露出されるセンサの汚染を防止するための多数の新規な特徴が開示される。高感度流量センサの、腐食、放射性汚染又はバクテリア汚染、過熱、凍結、凝縮及び微粒物質の付着による汚染を防止するための補助パージ流の使用は、本発明の主要な特徴である。また、センサによる双方向の流れに対する応答を可能にするための、バイパス流量センサの２本の脚に対する対称パージ流の使用も、本発明の特徴の１つである。更に、本発明により、単方向センサのポートに非対称流バイアスを追加することによって単方向センサを双方向センサに変換する能力が開示される。また、高感度流動ベース差動センサの汚染を防止するための補助パージ流の使用についても、本明細書において開示される。本発明は、更に、高感度流量センサの汚染防止に加えて、微小絶対圧変化の高感度測定を可能にするための補助パージ流の使用を特徴としている（差圧をセンスすることもできる）。
【００１２】
本明細書に組み込まれ、かつ、本明細書の一部をなす添付の図は、本発明を詳細に図解したものであり、全図を通して、同一参照数表示は、同一構成要素あるいは機能的に類似した構成要素を表し、本発明についての詳細な説明と相俟って本発明の原理を説明する役割を果たす。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
何ら制限されることのない実施例で考察する特定の値及び構成は変更が可能であり、単に本発明の一実施形態を示すべく記載したものに過ぎず、本発明の範囲を制限するものではない。
【００１４】
本発明により、粗悪流体に露出されるセンサの汚染を防止するための多数の新規な特徴が開示される。高感度流量センサの、腐食、放射性汚染又はバクテリア汚染、過熱、凍結、凝縮及び微粒物質の付着による汚染を防止するための補助パージ流の使用は、本発明の主要な特徴である。また、センサによる双方向の流れに対する応答を可能にするための、バイパス流量センサの脚に対する対称パージ流の使用も、本発明の特徴の１つである。更に、本発明により、単方向センサのポートに非対称流バイアスを追加することによって単方向センサを双方向センサに変換する能力が開示される。また、高感度流動ベース差動センサの汚染を防止するための補助パージ流の使用についても、本明細書において開示される。本発明は、更に、高感度流量センサの汚染防止に加えて、微小絶対圧変化の高感度測定を可能にするための補助パージ流の使用を特徴とする。
【００１５】
本発明を流量センサアプリケーションのコンテキストの中で実施することによって多くの利点が実現される。本明細書において実例で示す流動ベースセンサ構成は、とりわけ図１を参照すると、より低いコスト、より広い流量範囲、より長く、かつ、より信頼性の高い有効寿命、センサ自体の感度の向上、例えばシリコーンオイルなどの緩衝液を含有するために利用される今日の鋼ダイヤフラムによって付与される力が小さい、流れの拘束が小さい等、差圧ダイヤフラムセンサ手法による複数の利点を提供している。また、センサエレメントへの凝縮を防止するためのヒータ又はヒータラインが不要である。
【００１６】
図１は、本発明の好ましい実施形態による、粗悪流体を含んだ流量センサ手法を略図１０で示したものである。本発明により、流量センサのセンシングエレメントを腐食、凍結又は過熱させ、あるいはセンシングエレメントに粒子を付着させるかもしくは凝縮し、さもなければ流量センサの動作を妨害する粗悪ガス又は液体などの「粗悪流体」に露出されるセンサの汚染を防止するための方法及びシステムが開示される。本明細書に利用されているように、「流体」という用語は、ガス又は液体のいずれかを意味することに留意されたい。本発明には、流体の組成が「粗悪」流体のメイン流の組成物と適合するように、補助流体流即ちパージ流が利用されている。清浄流体のこの補助流体流即ちパージ流により、粗悪流体が流量センサに到達することができないよう、バイアスすべき流れ即ち差圧がバイアスされる。従って、補助バイアス流は、測定する必要のある、即ち所望する流量信号の複製をもたらす変数を表す微小圧力信号を伝送することができる。
【００１７】
本発明にはバイアス化手法が使用されており、１つ又は複数の流量センサ又は圧力センサが、流量センサを通過する比較的「清浄」な流体の強制流即ち補助流を介してバイアスされ、それによりセンサへの粗悪流体の接近を阻止する。流量センサ及び圧力センサには、いずれもセンスすべき流体と物理的に接触する必要があり、従って流量センサ及び圧力センサは、共に本明細書で説明する解決法による利点を共有する。
【００１８】
図１を参照すると、高感度ではあるが汚染の影響を受けやすいマイクロセンサ２４、２６及び２８と共に流量センサ３６及び差圧センサ１４、１６を備えた代表的な流量及び圧力センシングアプリケーションが示される（これらのセンサは、図１に示す位置以外の他の位置に配置することもできる）。図１では、流量センサ３６は「Ｆ１」で示され、差圧センサ１６及び１４は、それぞれ「Δｐ１」及び「Δｐ２」で示される。また、マイクロセンサ２４、２６及び２８は「μＳ」で示される。本発明と共同した使用に適したマイクロセンサの実施例は、概ね図５に示されることに留意されたい。
【００１９】
図１を参照すると、メイン流２０がメインチャネル１９及び拘束（restriction）１８（即ち拘束チャネル）を通過すると、メイン流体の微小部分（譲受人の特定のセンシングアプリケーションの場合、例えば約０．１％〜５％）がバイパス３８中に強制され、流量センサ３６のマイクロセンサ２８を通過する。メイン流体の微小部分がマイクロセンサ２８を通過すると、メイン流２０の方向に応じて正又は負の信号が生成される。図１では、メイン流２０が同じく「Ｍ」で表され、また、拘束１８が同じく「Ｒ」で表されていることに留意されたい。拘束１８の設計は任意であり、例えばオリフィス、ベンチュリ、ハニカム、層流エレメント等を使用することができる。未知流２２は、拘束１８を通過した後、メインチャネル１９を介して導かれている。本発明と共同した使用に適した差圧センサの実施例は、Illinois州FreeportにあるHoneywellから入手することができ、Honeywell S&C カタログ番号１５に「２０ＰＣ」としてリストされ、また、Ｂｏｎｎｅらによる共有米国特許第５，６８４，２５３号に記載されている。これらはいずれも参照により本明細書に組み込まれる。
【００２０】
流れＭに、腐食性、放射性、凝縮性の高温沈殿性物質あるいは微粒物質を帯びた流体が含まれる場合、マイクロセンサの好ましい「フェースダウン」設置にもかかわらず、最終的にはこの物質即ち流体の一部がマイクロセンサ３６（Ｆ１）のセンシング表面の腐食、汚染、沈殿、過熱、付着及び／又は粘着の原因になる。センサの寿命を短くし、また、信頼性を損なう危険を排除するべく、清浄流体の微小流がダクト３０、３２及び３４（図１のダッシュ線で示す）を介して注入即ち導かれている。（本明細書において利用されるように、「ダクト」という用語は、「チャネル」という用語と交換可能に利用されることに留意されたい。）
（空気又はガスもしくは他の流体）サプライ１２からのこのパージ流体の流量及び圧力は、供給調整器弁４０、４２及び４４（同じくＶ１、Ｖ２及びＶ３でそれぞれ示されている）を介して、通常はマイクロセンサ２４、２６及び２８を通して流体を流すメイン流Ｍからの流体の最大流に対抗するだけの十分な流量及び圧力に調整することができる。腐食性のプロセス流流体を制御する必要がある場合、図１の矢印５２及び５４で示すように逆止め弁を追加することによって、プロセスが逆転した場合においても望ましくない流れを確実に防止することができることに留意されたい。
【００２１】
「清浄」な流体即ちパージ流体３０、３２及び３４の補助流を導入することにより、流量センサ３６を再較正する必要はない。また、パージ流体がメイン流２０に対して十分に小さい流量で対称的に適用され、メイン流２０に対するパージ流体の寄与を無視することができる限り、パージ流３０及び３４を安定した既知の流れにする必要はない。しかし、圧力センシングアプリケーションの場合は、通常、パージ流を一定にする必要がある。清浄な乾燥した空気を単純にパージガス流に使用して、例えば医療アプリケーションにおける吐出流量を測定することができる。
【００２２】
また、例えば再燃料補給オペレーションにおいて、パージガス流を利用して、ガソリン蒸気が飽和した空気を測定することができる。他の例としては、本発明によるパージガス流を利用して、毒性ガスの存在あるいは好ましくない燃焼生成物成分の存在を指示する毒性ガスマイクロセンサの汚染を防止することができる。一般的には、本発明によるパージ流体流を利用して、「粗悪」流体のメイン流を測定することができる。絶対条件ではないが、パージ及びメイン流流体は、同じ相（ガスあるいは液体）の流体であることが好ましい。また、ガス状パージ流体を使用して液体のメイン流量を測定することができる。
【００２３】
図１に示す差圧センサ１４及び１６は、通常、それらが線形差圧対流量のレジームで動作しない限り、そのバイアスはセンサの較正に影響を及ぼしている。差圧センサ１４は、例えば拘束と置き換えることができ、それにより注入されるパージガス（即ち「清浄」な流体）を「Ｔ」ジャンクション部分に一様に分布させることができる。図１に示すように、差圧センサ１４及び１６は、いずれも双方向汚染保護差圧センサとして機能している。上記差圧センサ１４の開ポートを閉じることにより、差圧センサ１６は、流体供給調整器４０、４２及び４４のうちの１つ又は複数を使用して設定される圧力レベルに対する高感度絶対圧変化モニタとして機能することができる。
【００２４】
メイン流Ｍの絶対圧の上昇は、並流及び差圧センサ１６の信号の減少として現われる。また、図１には拘束Ｒ３及びＲ４が示されている。Ｒ３に生じる流れは、例えば「ゼロガバナ」を利用することによって、受動的かつ正確に安定して本質的にゼロに平衡させることができ、あるいはＦ１の許容誤差の範囲内で単純に極めて微小な流れにすることができる。従って、本明細書において説明する本発明を実施することにより、図１に示すマイクロセンサ２４、２６及び２８（流量センサ３６の）などのマイクロセンサを含んだ流量センサの汚染を防止することができる。
【００２５】
本発明を図１に示す流量センサ３６などの流量センサと共同して最適に動作させるためには、いくつかの条件を満足しなければならない。Ｒ３及びＲ４における圧力降下は、３６（Ｆ１）で示す拘束と比較して小さくしなければならない。次の式１は、概ねこの条件を表している。
【００２６】
Δｐ（Ｒ２、Ｒ３）＜＜Δｐ（Ｆ１）        （式１）
このような公式化は、Ｒ３とＲ４の間の接続配管中に存在するわずかな非対称性が、センサ３６（即ちＦ１）における重大な流量オフセットの原因にはならないことを概ね保証する。
【００２７】
また、Ｆ１における圧力降下は、式２で示すように、Ｒ２と結合した（Ｒ１＋Ｒ２）場合のＲ１における拘束と比較して概ね無視し得る程度でなければならない。
【００２８】
Δｐ（Ｆ１）＜＜Δｐ（Ｒ１＋Ｒ２）        （式２）
これは、メイン流チャネル１９からの「粗悪」流体によるＦ１の「汚染」を防止するために使用されるパージガスの量及びパージガスの圧力が最小であることを保証している。Ｒ１及びＲ２を通る経路は、Ｆ１に対して潜在的にシャントされているが、この第２の条件をサポートしている「所望の」パージ流がＲ２及びＲ４に維持される限りにおいては有効ではない。
【００２９】
図１の流量センサの代替実施形態即ち変形形態では、差圧センサ１４及び１６は、流量センサ３６の置換えとみなすことができ、当分野の技術者には明らかであるように、流量センサの広範囲のダイナミックレンジ及び圧力の独立性が重要ではない場合、流量センサの必要性が除去されることに留意されたい。差圧センサ１４の高感度センサダイヤフラムと差圧センサ１６の高感度センサダイヤフラムの間に維持される緩衝流体及びメイン流２０を通って流れる粗悪流体は、通常、「粗悪」流体と接触しているステンレス鋼ダイヤフラムと差圧センサダイヤフラムの間に保持されているシリコーン液を利用して達成されるが、本発明の様々な実施形態によれば、ステンレス鋼ダイヤフラムには、流体圧の力に対する望ましくないスプリングエレメントが余分に必要である。
【００３０】
図２は、本発明の代替の実施形態による、双方向の流れを示す、粗悪流体を含んだ流量センサ手法を代替略図１１で示したものである。図１〜図４を通して、類似の部品あるいは構成要素は、概ね同じ参照番号表示で示されていることに留意されたい。従って、図２に示すように、マイクロセンサ４９は、流量センサ３６（「Ｆ１」で示されている）の一部である。ダクト３４、３５及び４７は、サプライ１２に接続された流体供給調整器４３、４４、４６及び４０とリンクしている。また、ダクト３７は、とりわけ流体供給調整器４２とリンクし、一方、ダクト６９は、とりわけ流体供給調整器４４に接続されている。拘束Ｒ３のポイント３は、ダクト４７とリンクし、拘束Ｒ３のポイント２は、ダクト４１とリンクしている。また、ダクト４１、４７及び６９は、圧力調整器４３に接続されている。
【００３１】
圧力調整器４３は、意図するパージ機能の動作を保証するべく、拘束Ｒ３のポイント２とポイント３の間の一定の最小圧力降下を維持する（微小誤差範囲内で）。チャネル４１は、図２のＵＰＳＴＲＥＡＭのラベルが振られた上流側の脚と常時リンクすることが好ましい。ダクト４７内の圧力がその設定値を超えてダクト４１内（及び流体流２０）の圧力を上回る値まで上昇すると、関連する、スプリング４５の下方の調整器ダイヤフラム９が移動し、Ｒにおける流れの拘束が大きくなる。この逆についても真であり、それにより上記圧力降下が回復する。圧力調整器４３内に、このようなダイヤフラム９がスプリング４５と共に示される。従って、図２に示す略図１１には、最少量のパージガスが利用される代替流量センシング手法が示される。
【００３２】
図３は、本発明の代替実施形態による、単方向の流れを示す、粗悪流体を含んだ流量センサ手法を代替略図１５で示したものである。図３に示すように、ダクト６９及び３７は、空気又はガスのサプライ１２に接続された流体供給調整器４４及び４２とそれぞれリンクする。ダクト３４及び３５は、圧力調整器４３に接続されたダクト４７とリンクしている。拘束Ｒ３はポイント３でダクト３４とリンクし、拘束Ｒ３のポイント２は、ダクト４１とリンクしている。また、ダクト４１、４７及び６９は、圧力調整器４３に接続されている。
【００３３】
圧力調整器４３は、意図するパージ機能の動作を保証するべく、拘束Ｒ３の両端間の比較的一定の最小圧力降下を維持している。図３には単方向の流れが示されているため、チャネル即ちダクト３５は、図３に示すように、図２に示す拘束と共に開放されているが、代価は、メイン流がゼロにおける流量信号バイアスの形で支払われている。これは、図２に示す構成に対しては当てはまらない。また、図２及び３のいずれにおいても、弁８０の調整運動を示すべく、圧力調整器４３の弁８０の部分に矢印が示されていることに留意されたい。
【００３４】
図４は、本発明の代替実施形態による、粗悪流体を含んだ流量センサ手法を代替略図１３で示したものである。この場合も、図１から図４を通して、類似の部品あるいは構成要素は、概ね同じ参照番号表示で示されていることに留意されたい。図４に示す構成では、複数の流量センサ６０、３６及び６２が複数のマイクロセンサ５７、４９及び５９とそれぞれ結合している。従って図４に示す構成は、パージ機能を制御するべく２つの流量センサが追加されている点で、図１ないし図３に示す構成とは異なっている。また、流量センサ６０と６２（つまり、それぞれＦ２及びＦ３）の間の出力の差を流量センサ３６（つまりＦ１）の出力に置き換えることができる。更に、図４に示す構造の場合、Ｖ３（４４）の圧力を電子制御することにより、上流側の流量センサ６０又は６２を本質的に「ゼロ流量」に保持することができる。
【００３５】
従って、マイクロセンサ５７、４９及び５９は、流量センサ６０、３６及び６２とそれぞれ結合している。粗悪流体、例えばバクテリア／ウィルス性感染剤を運ぶ流体（例えば、本発明を利用した医療アプリケーションの場合）から、図４に示すセンサＦ２あるいはＦ３を交換あるいは洗浄することなくマイクロセンサ及び流量センサの両方を確実に保護するためには、パージ流を提供することが有利である。上記式１で示す条件を満たすためには、Ｆ２及びＦ３を、図１におけるその位置に示す拘束から上流側の位置に設置することができる。また、質量コントローラを利用して、Ｆ２を可能な限り確実に小さく、かつ、実際的なものにし、また、Ｆ１より小さくすることにより、パージガス消費の最小化を促進することができる。この構造により、必要な最少パージガスのみが上流側（メイン流に対して）センサＦ２から確実に流出し、かつ、合計流量Ｍ＋Ｆ２に相当するセンサＦ１の出力をＭによって確実に近似することができる。
【００３６】
図５は、粗悪環境から保護することができるセンサの実例実施例を示したものである。図５は、本発明の好ましい実施形態あるいは代替実施形態と共同して利用することができるマイクロダイヤフラム加熱エレメント及びセンシングエレメントを示すシリコン流量マイクロセンサダイの上面図を示したものである。図５を参照すると、シリコン基板即ちボディ１１３の上に流体流量センサ１１１が実施されている。シリコン基板１１３の上にはセンサエレメント１１５、１１７が配置され、白金などの適切な金属から構成された中央加熱エレメント１１９を取り囲んでいる。このタイプの超微小構造流体流量センサの構造及び動作理論は、当分野の技術者に知られており、本明細書においてはこれ以上の説明は省略する。Honeywellから入手することができるカタログ番号ＡＷＭ２０００−５０００のMass Air Flow Sensorは、適切な超微小構造センサである。このような超微小構造流体流量センサに関する詳細な情報については、U.Bonne及びA.Padmanabhanによる「Rugged Fluid Flow and Property Microsensor」という名称の米国特許第６，１８４，７７３号を参照されたい。この米国特許第６，１８４，７７３号は、２００１年２月６日付けでHoneywellに譲渡され、参照により本明細書に組み込まれている。
【００３７】
本発明は、流量センサを使用する必要がある医療アプリケーションにおいてとりわけ有用である。例えば、流量センサは、患者が吸い込むためのエーロゾル化化合物及び薬物の自動投与に使用するべく適合されている。本明細書における本発明の方法及びシステムによってこのような流量センサの汚染を防止することにより、特定の薬物を正確かつ自動的に患者に投与するために極めて重要なこのような医療アプリケーション流量センサの感度が向上するばかりでなく、その動作寿命をより長くすることができる。
【００３８】
従って、本発明により、凝縮には無関係に、患者の呼吸流量のセンシングに関わる問題が解決される。流量センサが利用されている他の医療アプリケーションには、選択された薬物を計画的に、あるいはプログラム方式で患者に投与するために使用される薬物注入ポンプがある。このようなデバイスにコンパクト流量センサを組み込むことにより、ポンプの動作に応答して流出する薬物をモニタし、確認することができる。従って、このようなセンサの汚染を防止することにより、本明細書において説明した本発明による方法及びシステムの実施態様を通して浄化コスト及びエネルギーが節約される。
【００３９】
以上、本明細書において、粗悪流体に露出されるセンサの汚染を、メインチャネル及びその拘束部分に統合されたバイパスチャネルを通して流体を流すことによって防止するための方法及びシステムを開示した。通常、メインチャネル及びその拘束部分を通して粗悪流体が導かれ、粗悪流体の一部がバイパスチャネルを通ってセンサと接触する。従って、粗悪流体の組成物と適合する比較的清浄な流体の補助流が、清浄流体が粗悪流体に対向してセンサを通過して流れるように導かれ、それにより粗悪流体とセンサの接触が防止され、延いてはセンサの劣化が防止される。清浄流体の補助流は、センサの汚染を防止するための補助パージ流からなるように構成することができる。
【００４０】
パージ流体自体は、パージ液又はパージガス、例えば粗悪流体の組成物と適合する清浄で乾燥した空気及び乾燥した窒素などからなっている。清浄流体の流量及び圧力は、１つ又は複数の供給調整器弁を利用して調整することができる。清浄流体の補助流は、通常、粗悪流体に対向してセンサを通過する流れに対して、清浄流体が対称をなして流れるように適用される。センサ自体は流量センサであることが好ましく、この流量センサにはマイクロセンサを使用することができる。このような流量センサは、１つ又は複数の差圧センサを備えた構成で実施することができる。従って、粗悪流体の組成物と適合する比較的清浄な流体の補助流を、清浄流体が粗悪流体に対向してセンサを通過して流れるように導入することにより、粗悪流体とセンサの接触を防止し、延いては、腐食、放射性汚染又はバクテリア汚染、過熱、凍結、粒子の付着あるいは凝縮によるセンサの劣化を防止することができる。
【００４１】
本明細書において示した実施形態及び実施例は、本発明及びその実践的アプリケーションを最も良好に説明し、それにより当分野の技術者による本発明の実践及び利用を可能にするべく提供したものである。しかしながら、以上の説明及び実施例が実例による説明を目的としたものであり、単なる実施例に過ぎないことは、当分野の技術者には認識されよう。当分野の技術者には、本発明の他の様々な変形形態及び改変が明らかであろう。従って、特許請求の範囲の各請求項は、このような変形形態及び改変を包含することを意図としている。
【００４２】
本明細書において示した説明は、本発明を余すところなく説明することを意図したものではなく、あるいは本発明の範囲を制限することを意図したものではない。本発明の教示に照らして、特許請求の範囲の各請求項の範囲を逸脱することなく、多くの改変及び変形形態が可能である。本発明の使用に際しては、特性が異なるコンポーネントが包含されているものとする。本発明の範囲は、特許請求の範囲の各請求項によって定義され、等価物に対して、すべての点において完全な認知を与えるものとする。以上、本発明について説明したが、排他的に所有権を主張する本発明の実施形態は、特許請求の範囲の各請求項に定義されている通りである。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の好ましい実施形態による、粗悪流体を含んだ流量センサを示す略図である。
【図２】本発明の代替実施形態による、双方向の流れを示す、粗悪流体を含んだ流量センサを示す他の略図である。
【図３】本発明の代替実施形態による、単方向の流れを示す、粗悪流体を含んだ流量センサを示す他の略図である。
【図４】本発明の代替実施形態による、粗悪流体を含んだ流量センサを示す他の略図である。
【図５】本発明の好ましい実施形態あるいは代替実施形態と共同して利用することができる、マイクロダイヤフラム加熱エレメント及びセンシングエレメントを示すシリコンマイクロセンサダイの上面図を示す、粗悪環境から保護することができるセンサの実例実施例を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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