CN108939337A - 防污染面罩和控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及防污染面罩和控制方法。本发明提供一种防污染面罩。在一个方面，实现了压力监测系统。风扇的旋转速度被用于获取耦接到风扇的面罩空气腔室中的压力或检测其中的压力变化。这避免了对单独的压力传感器的需求。面罩两端的压力用于确定面罩是否被佩戴。在另一方面，在风扇关闭时由因用户呼吸导致的风扇的机械运动引起的、由风扇电机产生的信号被检测，并且被用于开启风扇。

Description

防污染面罩和控制方法

技术领域

本发明涉及一种用于向呼吸装置的佩戴者提供过滤空气的防污染面罩，其中通过风扇辅助流动。

背景技术

世界卫生组织(WHO)估计每年有400万人死于空气污染。这个问题的一部分就是城市的户外空气质量。在德里这样的印度城市，最糟糕的年度污染水平超过推荐水平的10倍。众所周知，北京的年平均值是建议安全水平的8.5倍。但是，即使在伦敦、巴黎和柏林等欧洲城市，其水平也高于WHO建议的水平。

由于这个问题在短时间内不会显著改善，所以解决这个问题的唯一方法就是佩戴通过过滤提供更清洁空气的面罩。为了提高舒适度和效果，可以在面罩上添加一个或两个风扇。这些风扇在使用期间打开，通常在恒定电压下使用。出于效率和寿命的原因，这些风扇通常是电子换向无刷直流风扇。

佩戴者使用动力面罩的益处在于，减轻了肺部承受的由抵抗常规非动力面罩中的过滤器的阻力的吸气引起的轻微压力。

此外，在传统的无动力面罩中，吸气也会在面罩内引起轻微的负压，其导致污染物泄漏到面罩中，如果这些污染物是有毒物质，则泄漏可能是危险的。动力面罩向面部提供稳定的空气流，并且可以例如提供轻微的正压，其可以由呼气阀的阻力来确定，以确保任何泄漏向外的而不是向内的。

如果调节风扇运转或速度，则有几个优点。这可以用于在吸气和呼气过程中通过更合适的通风来提高舒适性，或者可以用于提高电气效率。后者意味着更长的电池寿命或增强的通风。在当前的设计中，这两方面都需要改进。

为了调节风扇速度，可以测量面罩内的压力，并且可以使用压力以及压力变化两者来控制风扇。

例如，面罩内的压力可以通过压力传感器测量，并且风扇速度可以根据传感器测量而变化。压力传感器的成本很高，因此会希望提供一种监测面罩内压力的替代方法。这样的压力信息可以用于控制动力面罩内的风扇，但是其可以用作需要压力信息的任何其他基于风扇的系统的一部分。

风扇操作的面罩是电池供电的装置，因此希望将功率消耗降至最低，并保持成本最低。一个问题是，当面罩没有被佩戴时，风扇可能保持开启，并且这导致不必要的功率消耗。可以提供专用于检测面罩何时被佩戴的传感器，但这会增加呼吸面罩的成本。

当佩戴面罩时，用户通常会启动开关来开启风扇。该开关增加了面罩的成本，占用空间，并且开启是不方便的。自动电子开启功能将避免这类缺点。但是，通常这也需要一个专用传感器来检测面罩的使用情况。

因此，希望找到一种检测面罩佩戴的更低成本的解决方案，以便能够检测从被佩戴到未被佩戴的转变、和/或从未被佩戴到被佩戴的转变。

发明内容

本发明由权利要求限定。

根据本发明的一个方面的示例，提供了一种防污染面罩，其包括：

空气腔室；

过滤器，直接在空气腔室与空气腔室的外部的周围环境之间形成边界；

风扇，用于从空气腔室的外部将空气吸入到空气腔室中、和/或将空气从空气腔室内抽吸到外部；

用于确定风扇的旋转速度的装置；和

控制器，其适用于：

根据风扇的旋转速度获取空气腔室内的压力或检测空气腔室内的压力变化；和

基于获取的压力或检测到的压力变化来确定面罩是否被佩戴。

本发明涉及一种防污染面罩。这意味着这样一种装置，其主要目的是过滤待由用户呼吸的环境空气。面罩不执行任何形式的患者治疗。特别地，由风扇操作产生的压力水平和流量仅旨在帮助(通过影响空气腔室中的温度或相对湿度)提供舒适度、和/或帮助提供通过过滤器的流量而不需要用户显着的额外呼吸努力。与用户不佩戴面罩的情况相比，面罩不提供总体呼吸辅助。

在该系统中，风扇速度(对风扇而言其用于将空气驱动到腔室中、和/或从腔室中排出)被用作压力测量的代表。为了测量风扇速度，可以使用风扇本身，以便不需要额外的传感器。在正常使用情况下，空气腔室可以是封闭的，因此气体腔室内的压力波动会影响风扇的负载条件，从而改变风扇的电气特性。类似地，风扇电气特性可以确定腔室的性质，例如其容积，以及它是开放的或封闭的容积。

通过确定面罩是否被佩戴，面罩设计可以在面罩未被佩戴时节省功率，但不需要任何额外的传感器。特别是，如果在面罩两侧没有检测到压差，则表明两侧都处于大气压力下并且面罩没有被佩戴。实际上，不再有一个封闭的或部分封闭的腔室，因此空气腔室对大气开放。如果检测到面罩没有被佩戴，则风扇可以关闭。

过滤器形成直接介于空气腔室和空气腔室的外部的周围环境之间的边界。这提供了紧凑的布置，其避免了对流动输送通道的需要。这意味着用户能够通过过滤器进行呼吸。过滤器可能有多个层。例如，外层可以形成面罩的主体(例如织物层)，并且内层可以用于去除更微细的污染物。内层然后可以被移除用于清洁或替换，但是两个层可以一起被认为构成过滤器，因为空气能够穿过该结构，并且该结构执行过滤功能。

过滤器因此优选地包括空气腔室的外壁，并且可选地包括一个或多个另外的过滤层。这提供了特别紧凑的布置，并且由于面罩主体执行过滤功能而能够实现大的过滤面积。因此，当用户吸气时，通过过滤器将环境空气直接提供给用户。

使用的空气腔室中的最大压力例如高于空气腔室的外部的压力4cm H₂O以下，例如2cm H₂O以下，例如1cm H₂O以下。如果风扇用于在空气腔室中提供增加的压力(例如在吸气期间流入空气腔室)，则仅需要提供小的增加的压力，例如用于辅助使用者的吸气。

风扇可以仅用于从空气腔室内向外部抽吸空气。通过这种方式，即使在呼气期间也可以促进新鲜过滤空气向空气腔室的供应，这提高了用户的舒适度。在这种情况下，空气腔室内的压力始终可以低于外部(大气)压力，因此新鲜空气始终供应给面部。

在一个示例中，风扇由电子换向无刷电机驱动，并且用于确定旋转速度的装置包括电机的内部传感器。内部传感器已经安装在这种电机中，以使电机旋转。电机甚至可以有一个输出端口，其上提供内部传感器输出。因此，具有携载适合用于确定旋转速度的信号的端口。

替代地，用于确定旋转速度的装置可以包括用于检测驱动风扇的电机的电源上的纹波的电路。纹波由于转换通过电机线圈的电流而产生，由于输入电压源的有限阻抗，电流转换引起电源电压中的感应变化。

风扇可以是双线风扇，并且用于检测纹波的电路包括高通滤波器。尚没有合适的风扇速度输出的电机所需的附加电路可以保持在最低限度。

面罩可以进一步包括用于使空气腔室可控地向外部排气的排气阀。排气阀可以包括被动压力调节止回阀或主动驱动电动可控阀。这可以用来使面罩更舒适。在吸气过程中，通过关闭阀门(主动或被动)，防止未经过滤的空气被吸入。在呼气过程中，阀门打开，使呼出的空气被排出。

控制器可以适用于根据压力监测系统来确定呼吸周期，并且根据呼吸周期的阶段来控制可控制阀。因此，压力监测提供了一种确定吸气阶段的简单方法，其然后可以用于控制面罩的排气阀的定时、或确定面罩是否被佩戴并因此在使用中。

控制器可适于在吸气时间期间关闭风扇。这可以用来节省功率。对于通过过滤器呼吸没有困难的用户来说，在吸气期间关闭风扇可能是期望的，如果以这种方式进行配置，则可以节省功率。

因此，该系统可以使面罩在不同的模式下操作，并且在不被佩戴时关闭。

该面罩可以进一步包括：

检测电路，用于检测在风扇未被电驱动时由风扇旋转引起的感应电流或电压峰值；和

启动电路，响应于来自检测电路的输出而启动风扇的电驱动，

此功能通过检测由风扇手动旋转引起的电气峰值使得能够在面罩被佩戴时启动风扇。例如，当风扇未被电驱动时，这种旋转是由用户佩戴面罩并通过风扇呼吸引起的。然后检测这些动作，以便自动开启风扇。这种方法不需要主动感测面罩的佩戴，而是用户的呼吸为感测功能提供能量。感应可以低开销和低功率消耗集成到风扇电路中。

以这种方式，风扇可以用作用于检测面罩的从被佩戴状态到未被佩戴状态、以及从面罩的未佩被戴状态到被佩戴状态的转变的传感器。

控制器也可以适用于确定过滤器的流动阻力。这可以用来评估过滤器的使用寿命。

根据本发明另一方面的示例提供了一种控制防污染面罩的方法，包括：

使用风扇将气体吸入空气腔室中、和/或排出面罩的空气腔室，所述过滤器形成直接在空气腔室和空气腔室的外部的周围环境之间的边界，；

确定风扇的旋转速度；

根据风扇的旋转速度获取空气腔室内的压力或检测空气腔室内的压力变化；和

基于获取的压力或检测到的压力变化来确定面罩是否被佩戴。

如果检测到面罩没有被佩戴，则风扇可以关闭。

风扇速度因此被用作测量压力或相对压力的代表，并且这种代表测量被用于检测面罩是否被佩戴。

该方法可以包括使用电子换向无刷电机驱动风扇，并且旋转速度由电机的内部传感器确定。或者，可以通过检测驱动风扇的电机的电源上的纹波来获得旋转速度。这可以应用于任何类型的电机，例如具有电刷的传统直流电机。

面罩可以包括用于使空气腔室向外部可控地排气的电控阀。然后可以从压力监测系统确定呼吸循环，并且该方法可以包括根据呼吸循环的阶段来控制可控阀。替代地，该面罩可以简单地具有压力调节释放阀。

附图说明

现在将参考附图详细描述本发明的示例，其中：

图1显示了作为面部面罩的一部分实施的压力监测系统；

图2显示了压力监测系统的部件的一个示例；

图3显示了吸气期间和呼气期间的旋转信号；

图4显示了用于控制通过无刷直流电机的定子之一的电流的电路；

图5显示了应用于图4的电路的检测电路和启动电路；

图6显示了第一面罩操作方法；和

图7显示了第二面罩操作方法。

具体实施方式

本发明提供了一种防污染面罩。在一个方面中，实现压力监测系统。风扇的旋转速度被用于获取耦接到风扇的面罩空气腔室中的压力、或检测面罩空气腔室中的压力变化。这避免了对单独的压力传感器的需求。面罩两端的压力用于确定面罩是否被佩戴。在另一方面，检测由风扇电机产生的信号，该信号因风扇的在风扇关闭时由用户呼吸导致的机械运动引起，并且该信号用于开启风扇。

下面参考具有两种不同检测功能的防污染面罩系统来描述本发明。第一种检测功能(其构成本发明的基础)是提供压力监测，并使用该压力监测来检测面罩是否被佩戴，特别是其能够检测从被佩戴到未被佩戴的转变。第二种检测功能是能够检测从未被佩戴(并且关闭面罩风扇)到被佩戴的转变。

这两种检测功能都旨在避免任意传感器需要的大量功率消耗，并且不需要额外增加的硬件复杂性。

图1显示了作为面部面罩的一部分实施的压力监测系统。

示出了对象10佩戴着覆盖对象的鼻部和口部的面部面罩12。面罩的目的是在空气被对象吸入前过滤空气。为此目的，面罩主体本身用作空气过滤器16。通过吸气将空气吸入由面罩形成的空气腔室18中。在吸气期间，由于空气腔室18中的低压，诸如止回阀的排气阀22关闭。

过滤器16可以仅由面罩的主体形成，或者可以有多个层。例如，面罩主体可以包括由多孔织物材料形成的外罩，其起到预过滤器的作用。在外罩内部，更细的过滤层可逆地连接到外罩上。更细的过滤层可以随后被移除以进行清洁和更换，而外罩可以例如通过擦拭来清洁。外罩还执行过滤功能，例如保护所述更细的过滤器免受较大的碎屑(例如泥)影响，而该更细的过滤器执行对细颗粒物质的过滤。可以具有多于两层。多层一起作为面罩的整体过滤器。

当对象呼气时，空气通过排气阀22排出。该阀打开以使呼出容易，但在吸气过程中关闭。风扇20帮助通过排气阀22去除空气。优选地，比呼出的空气更多的空气被去除，以便额外的空气提供给面部。由于降低了相对湿度和冷却，这增加了舒适性。在吸气过程中，通过关闭阀，防止了未经过滤的空气被吸入。排气阀22的定时因此取决于对象的呼吸周期。排气阀可以是由过滤器16两端的压差操作的简单被动止回阀。然而，它也可以是电子控制阀。

如果面罩被佩戴，空气腔室内将只有升高的压力。特别地，该腔室被使用者的面部封闭。当面罩被佩戴时，封闭的腔室内部的压力也将随着对象的呼吸周期变化。当对象呼气时，会有轻微的压力增大，当对象吸气时，会有轻微的压力减小。

如果风扇以恒定的驱动电平(即电压)被驱动，则不同的主导压力将表现为对风扇的不同的负载，因为在风扇上存在不同的压降。这种改变的负载将导致不同的风扇速度。

第一种检测功能部分基于以下认识：风扇的旋转速度可用作风扇两侧压力的测量的代表。它也部分基于这样的认识，即，压力水平可以用来确定面罩是否被佩戴。本发明结合了这些考虑因素来创建一种面罩，该面罩在没有被佩戴时能够通过关闭来节省电力，并且不需要复杂或昂贵的附加传感器。

针对风扇的一侧的已知压力(例如大气压力)，压力监测能够确定风扇的另一侧的压力或至少压力变化。这个另一侧例如是封闭的腔室，该封闭的腔室因此具有与大气压力不同的压力。然而，通过检测到风扇两侧的相等压力，能够确定该腔室并未封闭，而是在两侧与大气压力连通。

因此，可以利用不存在这种风扇速度变化来确定面罩未被佩戴并因此未被使用。该信息可用于关闭风扇以节省电力。

因此，压力监测系统具有用于确定风扇的旋转速度的装置、和用于从风扇的旋转速度获取压力或检测压力变化的控制器。

用于确定旋转速度的装置可以包括来自风扇电机的已经存在的输出信号，或者可以提供单独的简单感测电路作为风扇的附加部分。然而，在任何情况下都使用风扇本身，使得不需要额外的传感器。

图2显示了压力监测系统的部件的一个示例。与图1中相同的部件被赋予相同的附图标记。

除了图1中所示的部件之外，图2还示出了控制器30，本机电池(local battery)32，以及用于确定风扇旋转速度的装置36。

风扇20包括风扇叶片20a和风扇电机20b。在一个示例中，风扇电机20b是电子换向无刷电机，并且所述用于确定旋转速度的装置包括电机的内部传感器。电子换向无刷直流风扇具有内部传感器，用于测量转子的位置，并以使转子旋转的方式转换通过线圈的电流。内部传感器因此已经被提供在这样的电机中，以实现对电机速度的反馈控制。

电机可具有输出端口，其上提供内部传感器输出34。因此，存在携带适合于确定旋转速度的信号的端口。

替代地，用于确定旋转速度的装置可以包括用于检测电机20b的电源上的纹波的电路36。纹波是由于转换通过电机线圈的电流而产生的，由于电池32上的有限阻抗，这引起电源电压的感应变化。电路36例如包括高通滤波器，使得只有风扇旋转的频带中的信号被处理。这提供了非常简单的附加电路，并且比传统压力传感器的成本低得多。

这意味着电机可以是任何设计，包括没有内置传感器输出端子的双线风扇。它也将与有刷DC电机一起使用。

控制器可以基于相应的压力信息来使用旋转速度信息以确定呼吸周期。

如果排气阀22是电子切换阀，则呼吸循环定时信息然后可以用于根据呼吸循环的阶段来控制排气阀22。因此，压力监测提供了一种简单的方式来确定吸气阶段，然后可以使用该阶段来控制面罩的排气阀22的定时。

除了控制排气阀之外，控制器还可以在吸气时间或呼气时间内关闭风扇。如果检测到风扇没有被佩戴，则控制器也可以关闭风扇。这赋予了面罩不同的操作模式，可以用来节省电力。

对于给定的驱动电平(即电压)，由于风扇叶片上的降低的负载，风扇速度在风扇两侧的较低压力下增加。这导致流量增加。因此，风扇速度和压力差之间存在反比关系。

该反比关系可以在校准过程中获得，或者可以由风扇制造商提供。例如，校准过程包括分析一段时间内的风扇速度信息，在该一段时间内，指示对象以正常呼吸规律地吸气和呼气。然后可以将所捕获的风扇速度信息与呼吸循环相匹配，然后可以据此设置阈值以区分吸气和呼气。

图3示意性地显示了转子位置(作为测量的传感器电压)与时间的关系。

旋转速度可以从施加到风扇上的直流电压的交流分量的频率(由电机内的转换动作引起)测量。该交流分量源自风扇抽吸的电流变化，施加在电源的阻抗上。

图3将吸气期间的信号示出为曲线40，并且将呼气期间的信号示为曲线42。在呼气期间，存在由于增加的压力梯度而导致的风扇上的增加的负载所引起的频率降低。因此观察到的频率变化由呼吸周期中不同的风扇性能引起。

在呼气期间，风扇操作将空气从面部和面罩之间的区域中排出。这增强了舒适性，因为呼气更容易。它还可以将额外的空气抽吸到面部上，这降低了温度和相对湿度。在吸气和呼气之间，风扇操作增加了舒适性，因为新鲜空气被吸入到介于面部和面罩之间的空间中，从而冷却该空间。

在吸气过程中，排气阀(主动或被动地)关闭，并关掉风扇，以节省电力。这提供了基于检测呼吸周期的操作模式。

如果风扇在呼吸周期的某些部分被关掉，并且因此不提供压力信息，则可以从之前的呼吸周期推断吸气阶段和呼气阶段的精确定时。

对于风扇辅助呼气，需要刚好在排气阀再次打开之前恢复供电。这也确保了下一个吸气-呼气循环适当地保持定时，并且使足够的压力和流量可用。

使用这种方法可以轻松实现大约30％的功率节省效果，从而延长电池寿命。替代地，为了提高效力，提供给风扇的功率可以增加30％。

通过不同的风扇和阀配置，风扇旋转速度的测量能够实现用于达到增强的舒适度的控制。

在过滤器与风扇串联的风扇配置中，压力监测可用于测量过滤器的流动阻力，特别是基于风扇和过滤器两端的压降。当面罩不在面部上一段时间时，这可以在开启时完成。该阻力可以用作过滤器使用寿命的代表。

如上所述的第一种检测功能使用风扇来提供代表压力测量，然后该代表压力测量用于检测面罩未被佩戴。压力信息也可以用于如上所述的许多其他功能。该第一种检测功能需要风扇处于活动状态，以便能够检测从被佩戴(风扇开启)到未被佩戴的转变。当再次佩戴面罩(或第一次佩戴面罩)时，用户可以操作手动开关以再次启动风扇。

但是，当第一次佩戴面罩时，或者在任何先前的自动关闭之后，能够自动开启风扇会是理想的。这可以使用专用传感器来实现，但这需要它们永久活动，或者至少进行周期性的感测操作。这将重新引入面罩的复杂性，并导致不希望的功率消耗。

上述第二种检测功能避免了对主开关或任何传感器的需要。事实上，风扇本身又被用作传感器。通过特殊的电子仪器，即使关闭风扇，也可以执行这种感测任务。

当带有风扇的面罩放在面部上并且使用者开始呼吸时，即使没有开启风扇，风扇也将旋转，因为空气被迫通过风扇。速度检测功能基于确定该旋转，而无需在风扇关闭的情况下使用附加传感器。该信号随后用于开启风扇以正确操作面罩。

如上所述，使用电子换向无刷直流电机的风扇具有内部传感器，该内部传感器测量转子的位置，并以转子旋转的方式切换通过线圈的电流。

但是，当风扇关闭时，即使风扇机械旋转，也不再有与风扇的旋转速度有关的信号。

图4示出H桥电路，该H桥电路用作逆变器，以从DC电源VDD、GND向定子线圈50产生交流电压。逆变器具有一组开关S1至S4以在线圈50的两端产生交流电压。

当风扇关闭时，不能从电源线VDD、GND获得电信号。然而，电信号由于电磁感应而产生，因为当风扇被迫旋转时，定子线圈50相对于转子中的磁体移动。

这些感应信号不能在电源线上被测量，因为线圈连接到电子电路，当没有驱动风扇旋转时，该电子电路通常是停用的。只有当电子开关以正确方式连接时，才能在电源线上测量这些信号。

这个问题可以通过使用直接在定子线圈的一个极上产生的脉冲来解决。

参考图5解释这种方法。

H桥电路设置在高电压轨VDD和虚拟接地之间。虚拟接地GND通过晶体管装置Q1连接到低电压轨VDD-。

根据电路的工作状态，虚拟接地可以在VDD+和VDD-之间变化。

风扇具有开关控制电路52，并且包括开关、线圈和控制电路的风扇电路作为电源电压线连接到VDD+和GND。控制电路向开关提供开关信号，但为了避免图5的混乱，这些控制信号线未示出。控制电路例如包括用于转子位置感测的霍尔传感器。

一个线圈端子Co1向检测电路54提供输出。由于存在叠加的DC电压，所以在检测电路54和线圈端子Co1之间使用电容器C1和电阻器R1的高通滤波器。来自高通滤波器的脉冲由二极管D2整流，并使电荷存储在存储电容器C2中。

存储电容器为晶体管装置(显示为一对达林顿双极晶体管)Q1建立了一个基极电压。存储电容器可以防止晶体管装置与脉冲同相地快速开启和关闭。

一旦在电容器C2上存储了足够的电荷，晶体管装置Q1将导通(形成闭合电路)，并且风扇将开始运行，因为电源电压然后增加到从VDD+到VDD-的完整电压摆幅。该运行产生足够的脉冲来保持风扇运转。

这提供了一个非常简单的实现方案。

为了使用图5的电路关闭风扇，例如基于如上所述的面罩未被佩戴的检测，可以将晶体管装置Q1的基极驱动到接地足够长的时间以停止风扇旋转。这可以使用诸如放电电容器C2的晶体管的关闭电路51来实现。

针对超低功率，开关Q1可以用MOSFET和可选的门极放大器来代替。数字逻辑电路可用于将线圈旋转信号以及面罩被佩戴或未被佩戴信号传递到门驱动器。

当图5中风扇关闭时，所有开关S1至S4打开(未启动)。完全没有电力供应。

给电容器C2充电的脉冲将升高Q1的基极的电压，并最终将其打开。然后将虚拟接地GND的电平拉低至VDD-。此时，电流可以从VDD+流向VDD-。这给风扇的线圈和控制电路52提供了电力，只要有足够的电压，风扇随后开始运行。

当C2被充电并且Q1被接通时，关闭电路51被用于使电容器C2放电以停止风扇。例如，可以使用npn晶体管或FET晶体管来短路电容器C2。短路信号可以来源于呼吸模式。如果没有测量到的频率波动，则电容器C2被短路以关闭晶体管装置，并由此降低电源电压，因为GND-朝向电压VDD+返回上升。

图6示出了用于检测从被佩戴到未被佩戴的转变的面罩操作方法。该方法可以可选地在步骤56中通过自动开启风扇而开始。

该方法然后包括：

在步骤60中，使用风扇将空气抽入和/或抽出面罩空气腔室；

在步骤62中，确定风扇的旋转速度；和

在步骤64中，从风扇的旋转速度获取空气腔室中的压力或检测空气腔室中的压力变化。

在步骤68中，该方法包括基于获取的压力或压力变化来确定面罩是否被佩戴。如果面罩未被佩戴，基于图3的呼吸周期变化不明显，风扇可以关闭以节省功率。

这实现了上面解释的第一种检测功能。

风扇速度因此被用作压力的测量的代表。

该方法可以包括使用电子换向无刷电机驱动风扇，并且旋转速度由电机的内部传感器确定。替代地，可以通过检测驱动风扇的电机的电源上的纹波来获得旋转速度。

该方法可以包括通过压力监测系统确定呼吸循环，如步骤66所示。当使用电子受控排气阀时，可以根据呼吸循环的阶段来控制它。

图7示出了用于检测从未被佩戴到被佩戴的转变的面罩操作方法。该方法包括：

在步骤70中，检测当风扇未被电驱动时由风扇旋转引起的感应电流或电压峰值；和

在步骤72中，响应于检测到的感应电流或电压峰值开始风扇的电驱动。

如果检测到面罩未被佩戴，则该方法还可以包括(随后)在步骤74中关闭风扇。该检测可以基于图6的步骤60至68。

类似地，可以基于图7的方法的步骤70和72来执行图6中开启风扇的初始步骤56。

面罩可以仅用于覆盖鼻部和口部(如图1所示)，或者可以是全面部面罩。

所示示例是用于过滤环境空气的面罩。

上述面罩设计具有由过滤材料形成的主空气腔室，使用者通过过滤材料吸入空气。

如上所述，替代的面罩设计具有与风扇串联的过滤器。在这种情况下，风扇帮助用户通过过滤器抽入空气，从而减少了用户的呼吸作用。排气阀能够排出被呼出的空气，并且可以在进气处设置进气阀。

本发明可以再次应用于检测由呼吸引起的压力变化以控制进气阀和/或排气阀。此示例中的风扇需要在吸气过程中打开，以帮助用户通过串联过滤器抽入空气，但风扇在排气阀打开而呼气期间可以关闭。因此，当不需要风扇操作时，获取的压力信息可以再次用于控制风扇以节省功率。也可以实施对面罩是否佩戴的检测。

将会看到，本发明可应用于许多不同的面罩设计，它们具有风扇辅助的吸气或呼气，并且具有由过滤膜形成的空气腔室或者具有气密的空气腔室。

因此，如上所述的一种选择是风扇仅用于例如在排气阀打开时将空气从空气腔室内部抽吸到外部。在这种情况下，面罩容积内的压力可以通过风扇来维持在低于外部大气压力，使得在呼气期间具有净化的过滤空气的净流进入面罩容积内。因此，可以在呼气期间由风扇引起低压，以及在吸气期间(当风扇关闭时)由用户引起低压。

另一种替代的选择是仅使用风扇将空气从周围环境吸入空气腔室内部。在这种情况下，风扇运行以增加空气腔室中的压力，但是使用中的空气腔室中的最大压力保持在比空气腔室外部的压力高4cm H₂O以上，特别是不期望存在高压辅助呼吸。因此，可以使用低功率风扇。

在所有情况下，空气腔室内的压力优选保持在高于外部大气压力2cm H₂O以下，或甚至1cm H₂O以下，或甚至0.5cm H₂O以下。因此，防污染面罩不用于提供持续的气道正压，并且不是用于向患者提供治疗的面罩。

面罩优选是电池操作的，因此低功率操作特别受益。

呼吸周期的检测是额外使用压力监测功能的优选特征，但它是可选的。

如上所述，实施例利用控制器来执行所需的各种功能，控制器可以用多种方式用软件和/或硬件来实现。处理器是采用一个或多个微处理器的控制器的一个例子，所述微处理器可以使用软件(例如，微码)来编程以执行所需的功能。然而，控制器可以在使用或不使用处理器的情况下实现，并且还可以实现为用于执行某些功能的专用硬件和用于执行其他功能的处理器(例如，一个或多个编程的微处理器和相关电路)的组合。

可以在本发明公开的各种实施例中采用的控制器组件的示例包括但不限于常规微处理器、专用集成电路(ASIC)和现场可编程门阵列(FPGA)。

在各种实现方案中，处理器或控制器可以与一个或多个存储介质相关联，诸如易失性和非易失性计算机存储器，诸如RAM，PROM，EPROM和EEPROM。存储介质可以用一个或多个程序编码，所述程序在一个或多个处理器和/或控制器上执行时执行所需的功能。各种存储介质可以被固定在处理器或控制器内，或者可以是可移动的，使得其上存储的一个或多个程序可以被加载到处理器或控制器中。

通过研究本发明的附图、公开内容和所附权利要求，本领域技术人员在实现要求保护的本发明时可以理解和实现所公开的实施例的其他变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其他部件或步骤，并且不定冠词“一”不排除多个。在相互不同的从属权利要求中记载了某些措施这一事实并不表示这些措施的组合不能被有利地使用。权利要求中的任何参考符号不应被解释为限制范围。

Claims (15)

1.一种防污染面罩，包括：

空气腔室(18)；

过滤器(16)，形成直接介于所述空气腔室与所述空气腔室外部的周围环境之间的边界；

风扇(20)，用于将空气从所述空气腔室(18)外部抽吸到所述空气腔室中、和/或将空气从所述空气腔室内部抽吸到外部；

用于确定所述风扇的旋转速度的装置(34，36)；和

控制器(30)，其适于：

根据所述风扇的所述旋转速度来获取所述空气腔室内的压力、或检测所述空气腔室内的压力变化；以及

基于所获取的压力或压力变化来确定所述面罩是否被佩戴。

2.根据权利要求1所述的面罩，其中所述过滤器包括所述空气腔室的外壁(16)。

3.根据权利要求1或2所述的面罩，其中在使用中所述空气腔室中的最大压力高于所述空气腔室外部的压力4cm H₂O以下，例如2cm H₂O以下，例如1cm H₂O以下。

4.根据前述权利要求中任一项所述的面罩，其中所述风扇仅用于将空气从所述空气腔室内部抽吸到外部。

5.根据前述权利要求中任一项所述的面罩，还包括用于使所述空气腔室(18)向外部可控地排气的排气阀(22)，其中所述排气阀(22)包括被动压力调节止回阀或主动驱动电子可控阀。

6.根据前述权利要求中任一项所述的面罩，其中如果确定所述面罩未被佩戴，则所述控制器适于关掉所述风扇。

7.根据前述权利要求中任一项所述的面罩，其中所述风扇(20)由电子换向无刷电机驱动，并且所述用于确定旋转速度的装置包括所述电机的内部传感器。

8.根据权利要求1至6中任一项所述的面罩，其中所述用于确定旋转速度的装置(36)包括用于检测驱动所述风扇的电机的电源上的纹波的电路。

9.根据权利要求9所述的面罩，其中所述控制器(30)适于根据所获取的压力或压力变化来确定呼吸周期，并且适于：

根据所述呼吸周期的阶段来控制所述排气阀(22)；和/或

在吸气时间期间关闭所述风扇。

10.根据前述权利要求中任一项所述的面罩，还包括：

检测电路，用于检测在所述风扇未被电驱动时由所述风扇的旋转引起的感应电流或电压峰值；和

启动电路，用于响应于来自所述检测电路的输出而启动所述风扇的电驱动。

11.根据前述权利要求中任一项所述的面罩，其中所述控制器(30)适于确定所述过滤器的流动阻力。

12.一种用于控制防污染面罩的方法，包括：

(60)使用风扇将气体抽吸到所述面罩的空气腔室中、和/或抽吸出所述面罩的空气腔室，所述风扇形成直接介于所述空气腔室与所述空气腔室外部的周围环境之间的边界；

(62)确定所述风扇的旋转速度；

(64)根据所述风扇的旋转速度来获取所述空气腔室内的压力、或检测所述空气腔室内的压力变化；以及

(68)基于所获取的压力或检测到的压力变化来确定所述面罩是否被佩戴。

13.根据权利要求12所述的方法，包括如果检测到所述面罩未被佩戴则关闭所述风扇。

14.根据权利要求12或13所述的方法，包括：

使用电子换向无刷电机驱动所述风扇，并且通过所述电机的内部传感器来确定所述旋转速度；或者

使用电机驱动所述风扇，并且通过检测所述电机的电源上的纹波来确定所述旋转速度。

15.根据权利要求11至14中任一项所述的方法，所述方法在面罩内实施，所述面罩包括用于使气体腔室向外部排气的排气阀(22)，并且所述方法包括：(66)根据所获取的压力或检测到的压力变化来确定呼吸周期，以及根据所述呼吸周期的阶段来控制所述排气阀和/或控制所述风扇。