專利名稱：模制限流器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開(kāi)一般涉及流量傳感器，更具體地涉及用于提供在給定流速下通過(guò)流量傳感器的精確控制的壓力降的裝置和方法。
背景技術(shù)：
流量傳感器常用于感測(cè)流過(guò)流體通道的流體(例如，氣體或液體)的流速。這種流量傳感器常用于多種應(yīng)用中，包括例如醫(yī)學(xué)應(yīng)用、飛行控制應(yīng)用、工業(yè)處理應(yīng)用、燃燒控制應(yīng)用、天氣監(jiān)測(cè)應(yīng)用，以及許多其它應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本公開(kāi)一般涉及流量傳感器，更具體地涉及用于提供在給定流速下通過(guò)流量傳感器的壓力降的裝置和方法。在一個(gè)示例性實(shí)施例中，流量傳感器組件包括具有第一流端口和第二流端口的殼體。該殼體可限定在第一流端口和第二流端口之間延伸的流體通道，流量傳感器位于殼體內(nèi)且暴露于流體通道。流量傳感器可以感測(cè)與流過(guò)該流體通道的流體的流速相關(guān)的量。限流器可以設(shè)置于第一流端口和第二流端口中的至少一個(gè)內(nèi)并且與其一體模制。限流器可被構(gòu)造成精確地和/或可控制地提供在給定流速下通過(guò)流量傳感器的壓力降。在一些情況下，限流器可模制為具有形成在限流器上游和/或下游表面上的溢邊 (flash)。該溢邊可以被構(gòu)造和/或定向?yàn)槭沟迷撘邕叢荒懿糠值刈璧K限流器的設(shè)計(jì)開(kāi)口。上述概要用于幫助理解本公開(kāi)特有的一些創(chuàng)造性特征，但并不是完整的描述。本公開(kāi)的完整理解可從整個(gè)說(shuō)明書(shū)、權(quán)利要求書(shū)、附圖和摘要整體上得到。


參考下面的本公開(kāi)各種示例性實(shí)施例的詳細(xì)描述并聯(lián)系附圖，可以更好地理解本公開(kāi)，附圖中圖1是示例性殼體構(gòu)件的剖面圖，其具有沉積在流體通道內(nèi)的溢邊；圖2是示例性流量傳感器的示意圖，其用來(lái)測(cè)量流過(guò)流體通道的流體的流速；圖3是示例性熱流量傳感器組件的示意圖，其可用于測(cè)量流過(guò)流體通道的流體的流速；圖4是示例性流量傳感器組件的剖面圖；圖5是圖4的流量傳感器組件的底部保護(hù)蓋的剖面圖；圖6是圖5所示的底部保護(hù)蓋的底視圖；圖7和圖8是示例性模具的剖面圖，其用于模制圖5的底部保護(hù)蓋的流端口內(nèi)的限流器；以及
圖9和圖10是示例性感測(cè)系統(tǒng)的剖面圖，其包括圖4的流量傳感器組件。
具體實(shí)施例方式下面的描述應(yīng)當(dāng)參考附圖進(jìn)行閱讀，其中在全部幾幅視圖中相同的附圖標(biāo)記表示相同的元件。說(shuō)明書(shū)和附圖示出了用于說(shuō)明所請(qǐng)求保護(hù)的本公開(kāi)的幾個(gè)實(shí)施例。僅僅為了說(shuō)明的目的，引用相對(duì)性術(shù)語(yǔ)對(duì)本公開(kāi)進(jìn)行說(shuō)明，包括例如左、右、頂部、 底部、前、后、上面的、下面的、上和下，以及其它。可以理解的是，這些術(shù)語(yǔ)僅僅用于解釋說(shuō)明的目的，并不意圖以任何方式進(jìn)行限制。對(duì)于一些應(yīng)用，可能希望流體在給定流速下通過(guò)流量傳感器時(shí)具有特定的壓力降。在一些情況下，在給定流量下的壓力降可基于，至少部分基于流體通道的直徑。流量傳感器的制造(例如，模制)或其它工藝期間的流體通道直徑的變化可影響流量傳感器準(zhǔn)確并精確地實(shí)現(xiàn)在給定流體流速下通過(guò)流量傳感器的特定壓力降的能力。例如，圖1顯示了流量傳感器100的殼體102的一部分的剖面圖。如圖所示，殼體 102包括在殼體102的第一流端口 104內(nèi)的限流器108和在殼體102的第二流端口 106內(nèi)的限流器110。但是，在所示的例子中，溢邊112(或者多余的材料)可在殼體102的制造 (例如模制)期間沉積在限流器108和110內(nèi)。如圖所示，溢邊112可沿與限流器108和 110大體垂直的方向延伸，并且在一些情況下，可會(huì)產(chǎn)生直徑減小的區(qū)域，該區(qū)域具有比限流器108和110的直徑更小的直徑。該直徑減小的區(qū)域可影響在給定流速下流過(guò)殼體102 的流體的壓力降。因此，需要一種新的、改進(jìn)的系統(tǒng)和方法，用于精確地、可靠地和/或重復(fù)地提供流體在給定流體流速下通過(guò)流量傳感器的壓力降。圖2和圖3是示例性流量傳感器10和18的示意圖，其用于測(cè)量通過(guò)流體通道12 的流體流14的流速。取決于應(yīng)用場(chǎng)合，這里用到的術(shù)語(yǔ)“流體”可指氣體流體或液體流體。 如圖2所示，流量傳感器10可暴露于流體通道12和/或設(shè)置在流體通道12內(nèi)，以測(cè)量流體流14的一種或多種特性。例如，流量傳感器10可以按需要利用一個(gè)或多個(gè)熱傳感器(例如，參見(jiàn)圖幻、壓力傳感器、聲學(xué)傳感器、光學(xué)傳感器、皮托管、和/或任意其他合適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MicrobrickTM傳感器組件(例如，參見(jiàn)圖幻，但這不是必需的。一些認(rèn)為適于測(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)造在例如美國(guó)專利 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 以及 7，647，842中公開(kāi)。所構(gòu)想的是，流量傳感器10可按需要包括這些流量傳感器構(gòu)造和方法中任何一個(gè)。但是必須認(rèn)識(shí)到，流量傳感器10可以是按需要的任何合適的流量傳感器。在該示例性實(shí)施例中，流體通道12可以經(jīng)歷流體流14的一定流速范圍。例如，流體通道12可以包括高容量流體流、中容量流體流或低容量流體流。示例性的流體流應(yīng)用可包括但不限于醫(yī)學(xué)應(yīng)用(例如呼吸計(jì)、通風(fēng)機(jī)、肺活量計(jì)、氧濃縮器、光譜測(cè)定應(yīng)用、氣相色譜分析應(yīng)用、睡眠呼吸暫停機(jī)、噴霧器、麻醉輸送機(jī)，等等)、飛行控制應(yīng)用、工業(yè)應(yīng)用(例如空氣一燃料比、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，以及按需要的任何其它合適的流體流應(yīng)用。如圖3所示，流量傳感器18可以是用于測(cè)量流過(guò)流體通道12的流體14的流速的熱流量傳感器(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)。在該示例性實(shí)施例中，流量傳感器18可以包括襯底34，其限定用于接收流過(guò)流體通道12的至少一部分流體的傳感器通道26。在一些實(shí)施例中，襯底34可以是硅襯底或其它絕緣半導(dǎo)體襯底， 然而，任何合適的襯底都可以按需要使用。層觀可形成在襯底上并支撐一個(gè)或多個(gè)加熱器元件(例如加熱器元件2 和用于檢測(cè)通道沈內(nèi)的流體14的流速的一個(gè)或多個(gè)傳感器元件(例如傳感器元件20和M)。如圖所示，層觀可以制作成包括用于流體地連接傳感器通道沈和流體通道12的開(kāi)口 30和32。在其它實(shí)施方式中，(一個(gè)或多個(gè))加熱器元件和傳感器元件可直接設(shè)置于流體通道12的壁(或直接設(shè)置在流體通道12的壁上的另一個(gè)襯底)上，而沒(méi)有附加的傳感器通道26 (例如，如圖4所示)。如圖所示，熱流量傳感器18可以包括加熱器元件22、位于加熱器元件22上游的第一傳感器元件20、以及位于加熱器元件22下游的第二傳感器元件M。在這種情況下，當(dāng)流體通道12中存在流體流時(shí)，流體14的至少一些可以流過(guò)開(kāi)口 30進(jìn)入傳感器通道沈，通過(guò)一個(gè)或多個(gè)傳感器元件(例如傳感器元件20和以及一個(gè)或多個(gè)加熱器元件(例如加熱器元件22)，并通過(guò)開(kāi)口 32流回流體通道12中。盡管示出的第一傳感器元件20位于加熱器元件22的上游，以及示出的第二傳感器元件對(duì)位于加熱器元件22的下游，但這并不意味著是限制性的。所構(gòu)想的是，在一些實(shí)施例中，流體通道12和傳感器通道沈可以是雙向流體通道，使得在一些情況下，第一傳感器元件20在加熱器元件22的下游而第二傳感器元件M在加熱器元件22的上游。在這種情況下，當(dāng)流體通道12中存在流體流時(shí)，流體14的至少一些可以流過(guò)開(kāi)口 32進(jìn)入傳感器通道沈，通過(guò)一個(gè)或多個(gè)傳感器元件(例如傳感器元件20和24)以及一個(gè)或多個(gè)加熱器元件(例如加熱器元件22)，并通過(guò)開(kāi)口 30回到流體通道12中。所構(gòu)想的是，在一些實(shí)施例中，可僅僅提供一個(gè)傳感器元件，而在其它實(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，如果需要，傳感器元件20和M可以都位于加熱器元件22的上游(或下游)。在一些情況下，第一傳感器元件20和第二傳感器元件M可以是具有相對(duì)大的正或負(fù)溫度系數(shù)的熱敏感電阻，使得阻值隨溫度變化。在一些情況下，第一和第二感測(cè)元件20 和M可以是熱敏電阻。在一些情況下，第一傳感器元件20、第二傳感器元件M以及任何附加的傳感器元件可以布置成惠斯頓電橋構(gòu)造，但這不是在所有實(shí)施例都是必須的。在所示的例子中，當(dāng)在傳感器通道沈內(nèi)不存在流體流時(shí)，且當(dāng)加熱器元件22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)，可產(chǎn)生關(guān)于加熱器元件22到上游傳感器元件20和下游傳感器元件M大致成對(duì)稱分布的溫度分布。在該例子中，上游傳感器元件20和下游傳感器元件M可以感測(cè)相同的或相似的溫度(例如在25 %、10 %、5 %、1 %、 0. 001 %內(nèi)，等)。在一些情況下，這可在第一傳感器元件20和第二傳感器元件M中產(chǎn)生相同的或相似的輸出電壓。當(dāng)在傳感器通道沈內(nèi)存在流體流14并且加熱器元件22被加熱到高于流體流14 內(nèi)的流體的環(huán)境溫度的溫度時(shí)，溫度分布可以是不對(duì)稱的，并且不對(duì)稱的程度可與傳感器通道沈(并且在一些情況下，流體通道12)內(nèi)的流體流14的流速有關(guān)。流體流14的流速可以使上游傳感器元件20感測(cè)到比下游傳感器元件M相對(duì)更冷的溫度。也就是說(shuō)，流體流14的流速可以導(dǎo)致上游傳感器元件20和下游傳感器元件M之間的溫度差，該溫度差與傳感器通道沈和/或流體通道12內(nèi)的流體流14的流速有關(guān)。上游傳感器元件20和下游傳感器元件M之間的溫度差可導(dǎo)致上游傳感器元件20和下游傳感器元件M之間的輸出電壓差。在另一個(gè)示例性實(shí)施例中，流體流14的質(zhì)量流量和/或速度可以通過(guò)在加熱器元件22內(nèi)提供瞬時(shí)的升高溫度條件而確定，其進(jìn)而引起流體流14內(nèi)的瞬時(shí)升高溫度條件 (例如，熱脈沖)。當(dāng)流體流14中存在非零流速時(shí)，上游傳感器元件20可晚于下游傳感器元件M接收到瞬時(shí)響應(yīng)。然后，流體流14的流速可以用上游傳感器元件20和下游傳感器元件M之間的時(shí)滯來(lái)計(jì)算得到，或者用加熱器被激勵(lì)的時(shí)間和傳感器中的一個(gè)(例如下游傳感器24)感測(cè)到相應(yīng)的升高溫度條件(例如熱脈沖)的時(shí)間之間的時(shí)滯來(lái)計(jì)算得到。進(jìn)一步，可以理解的是，示例性加熱器元件22和感測(cè)元件20和M僅僅是示例性的，并且在一些實(shí)施例中，如果希望的話可以不存在。例如，一個(gè)或多個(gè)壓力傳感器、聲學(xué)傳感器、光學(xué)傳感器、皮托管和/或任何其它合適的傳感器或傳感器組合也可按需要用于感測(cè)與流體通道12內(nèi)的流體流相關(guān)的量。在圖2和圖3所示的實(shí)施例中，限流器16可位于流體通道12內(nèi)以提供在給定流速下通過(guò)流體通道12的流體流14中的預(yù)定壓力降(例如，通道12的相對(duì)端或進(jìn)入通道12 的端口上的壓力降)。在一些實(shí)施例中，限流器16可以是與流體通道12 —體形成或模制。 例如，限流器可以由模制工藝形成，該工藝還形成與限流器相鄰的流路徑的一些部分。在其它實(shí)施例中，可以先形成限流器16，隨后再將其插入并固定到流體通道12。如圖2和圖3所示，限流器16可以是以長(zhǎng)度“L”和具有直徑“d2”的開(kāi)口 17為特征的孔型限流器。在一些實(shí)施例中，限流器16可以具有在大約0. 1到4. 0的范圍內(nèi)的長(zhǎng)度直徑比，但這不是必須的?？捎糜谙蘖髌?6的示例長(zhǎng)度直徑比可包括例如3. 5或更小、3. 2 或更小、2. 5或更小、2. 0或更小、1. 9或更小、1. 8或更小、1. 7或更小、1. 6或更小、1. 5或更小、1. 4或更小、1. 3或更小、1. 2或更小、1. 1或更小、1. 0或更小、0. 9或更小、0. 8或更小、 0. 7或更小、0. 6或更小、0. 5或更小、0. 4或更小的比例，或所期望的任何其它合適的長(zhǎng)度直徑比。在該示例性實(shí)施例中，限流器16可以被構(gòu)造成精確控制和/或平衡通過(guò)流體通道 12的流體流14的壓力降和質(zhì)量流速。對(duì)于流過(guò)孔型限流器(例如限流器16)的不可壓縮流體，通過(guò)流體通道12的流體流14的質(zhì)量流速“m”可以通過(guò)如下的伯努利方程得到m = CA^piPl -P2)其中C是孔流校正系數(shù)，其表征了孔的幾何形狀和孔在流體通道內(nèi)的設(shè)置，并且在一些情況下可以變動(dòng)，例如從0. 6到0. 95 ；A是限流器開(kāi)口 17的截面面積；ρ是流體流14的流體密度；P1是限流器16上游的流體壓力；以及P2是限流器16下游的流體壓力。進(jìn)一步，限流器16的開(kāi)口 17的截面面積由下式得到
. TT ,2A ^-^d2其中d2是開(kāi)口 17的直徑。
將限流器的截面面積公式代入質(zhì)量流量方程，我們可以得到如下的質(zhì)量流量方程
權(quán)利要求
1.一種流量傳感器殼體，包括殼體主體(37)，其包括入口流端口(3 和出口流端口(35)，所述殼體主體(37)限定在所述入口流端口(33)和所述出口流端口(35)之間延伸的流體通道G6)；限流器(39)，其位于所述殼體主體(37)的流體通道06)內(nèi)并與所述流體通道G6) — 體模制，所述限流器(39)被構(gòu)造成在所述流體通道G6)內(nèi)提供減小的直徑以產(chǎn)生在給定流速下通過(guò)所述流體通道G6)的預(yù)定壓力降；以及溢邊(47)，其與所述流體通道06)內(nèi)的限流器(39) —體形成，其中，所述溢邊G7)位于所述限流器(39)的上游表面或下游表面上，其中，所述溢邊07)具有等于或大于所述限流器(39)的所述減小的直徑的直徑。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的流量傳感器組件，進(jìn)一步包括暴露于所述流體通道G6)的流量傳感器(42)，所述流量傳感器0 被構(gòu)造成感測(cè)與流過(guò)所述流體通道G6)的流體的流速相關(guān)的量。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的流量傳感器組件，其中，當(dāng)所述限流器(39)位于所述流量傳感器 (42)的下游時(shí)，所述溢邊07)位于所述限流器(39)的上游表面上。
4.根據(jù)權(quán)利要求2的流量傳感器組件，其中，當(dāng)所述限流器(39)位于所述流量傳感器 (42)的上游時(shí)，所述溢邊07)位于所述限流器(39)的下游表面上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的流量傳感器組件，其中，所述溢邊G7)具有大體環(huán)形形狀并且從所述限流器(39)沿上游方向或下游方向延伸。
6.根據(jù)權(quán)利要求2的流量傳感器組件，其中，所述限流器(39)位于所述流量傳感器 (42)的下游，并且其中，當(dāng)所述流量傳感器組件運(yùn)行時(shí)，流體流過(guò)所述入口流端口(33)，流過(guò)所述流量傳感器(42)，流過(guò)所述限流器(39)，并流過(guò)所述出口流端口(35)。
7.根據(jù)權(quán)利要求2的流量傳感器組件(31)，其中，所述限流器(39)位于所述流量傳感器0 的上游，并且其中，當(dāng)所述流量傳感器組件運(yùn)行時(shí)，流體流過(guò)所述入口流端口(35)， 流過(guò)所述限流器(39)，流過(guò)所述流量傳感器(42)，并流過(guò)所述出口流端口(33)。
8.根據(jù)權(quán)利要求2的流量傳感器組件，其中，所述流體通道06)包括兩個(gè)或更多個(gè)大約90°的彎曲，其中，第一彎曲位于所述入口流端口(3 和所述流量傳感器0 之間，第二彎曲位于所述流量傳感器0 和所述出口流端口(3 之間。
9.一種制造模制殼體構(gòu)件(37)的方法，所述模制殼體構(gòu)件(37)限定流量傳感器組件的流體通道G6)的至少一部分，所述方法包括將兩個(gè)配合的模具部件放在一起，所述兩個(gè)配合的模具部件共同限定所述模制殼體構(gòu)件(37)的所述流體通道06)內(nèi)的限流器(39)，其中，所述配合的模具部件被構(gòu)造成將所述限流器處產(chǎn)生的任何溢邊G7)定向成平行于通過(guò)所述限流器(39)的預(yù)期流動(dòng)方向；將材料注入所述配合的模具部件以模制所述模制殼體構(gòu)件(37)；以及將所述兩個(gè)配合的模具部件分開(kāi)以釋放所述模制殼體構(gòu)件(37)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中，所述限流器(39)限定具有第一直徑的第一開(kāi)口，并且所述溢邊G7)限定具有第二直徑的第二開(kāi)口，其中，所述第二直徑等于或大于所述第一直徑。
11.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中，所述兩個(gè)接合的模具部件包括第一模具部件(50)，其具有第一部分(51)和第二部分64)，所述第二部分(54)相對(duì)所述第一部分(51)具有減小的直徑以便形成所述限流器(39)；第二模具部件(52)，其具有被構(gòu)造成與所述第一模具部件(50)的第二部分(54)配合的開(kāi)口。
12.一種流量傳感器組件，包括 第一殼體構(gòu)件GO)；第二殼體構(gòu)件(37)，所述第二殼體構(gòu)件(37)包括第一流端口(3 和第二流端口 (35)，其中，所述第一殼體構(gòu)件00)和所述第二殼體構(gòu)件(37)限定在所述第一流端口(33) 和所述第二流端口(3 之間延伸的流體通道G6)；流量傳感器(42)，其位于所述第一殼體構(gòu)件00)和所述第二殼體構(gòu)件(37)之間，鄰近所述流體通道(46)，所述流量傳感器0 被構(gòu)造成感測(cè)與流過(guò)所述流體通道G6)的流體的流速相關(guān)的量；以及限流器(39)，其與所述第一流端口(3 —體模制且被構(gòu)造成提供在給定流速下通過(guò)所述流體通道G6)的預(yù)定壓力降，其中，所述限流器(39)完全由所述第二殼體構(gòu)件(37) 限定，以包括具有直徑的開(kāi)口(41)，其中，所述限流器(39)包括長(zhǎng)度并具有大約4. 0或更小的長(zhǎng)度直徑比。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的流量傳感器組件，進(jìn)一步包括與所述流體通道06)內(nèi)的限流器 (39) 一體形成的溢邊(47)，其中，所述溢邊07)定向成具有等于或大于所述限流器(39) 的直徑的直徑。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的流量傳感器組件，其中，所述溢邊G7)被構(gòu)造成從所述限流器 (39)沿平行于所述限流器(39)的方向延伸。
全文摘要
本公開(kāi)提供一種模制限流器，并且一般涉及流量傳感器，更具體地涉及用于提供在給定流速下通過(guò)流量傳感器的壓力降的裝置和方法。在一個(gè)實(shí)施例中，傳感器組件包括具有第一流端口(33)和第二流端口(35)的殼體(37)。殼體(37)可限定在第一流端口(33)和第二流端口(35)之間延伸的流體通道(46)，傳感器(42)位于殼體(37)內(nèi)并暴露于流體通道(46)。示例性傳感器可被構(gòu)造成感測(cè)與流過(guò)流體通道(46)的流體的流速相關(guān)的量。限流器(39)可位于第一流端口(33)和第二流端口(35)的至少一個(gè)中并與其一體模制。限流器(39)可被構(gòu)造成精確地提供在給定流速下通過(guò)流量傳感器的壓力降。
文檔編號(hào)G01F1/40GK102288232SQ20111012625
公開(kāi)日2011年12月21日 申請(qǐng)日期2011年4月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月9日
發(fā)明者J·斯佩爾德里奇 申請(qǐng)人:霍尼韋爾國(guó)際公司