CN109794008B - 基于面罩的呼吸设备 - Google Patents

Abstract

本公开的实施例涉及基于面罩的呼吸设备。面罩基于用户的呼吸模式使用进口和出口流动控制。所述面罩壁具有一对间隔开的膜片的区域，在所述膜片之间的间隔中有过滤材料。所述流动控制装置中的至少一个在所述面罩的外部与所述间隔之间提供流体联接从而提供通过所述间隔的横向气流。极大地增加了经过所述过滤材料的流动距离，因此也极大地增加了与过滤材料的流动接触时间。

Description

基于面罩的呼吸设备

技术领域

本发明涉及一种采用面罩形式的呼吸设备，用于利用在诸如风扇等鼓风扇(airblower)辅助下的流动向该呼吸设备的配戴者提供空气。

背景技术

世界卫生组合(WHO)估计每年有四百万人死于空气污染。该问题一部分是因为城市中的室外空气质量。质量级别最差的是印度的城市，比如德里，其年度污染水平是建议水平的10倍以上。众所周知，北京的年度平均污染水平是建议安全水平的8.5倍。然而，即使是在欧洲城市，比如伦敦、巴黎和柏林，污染水平也比WHO建议的水平高。

由于该问题在短时间内不会明显改善，所以解决该问题的唯一方法就是配戴通过过滤提供更干净空气的面罩。

采用大块过滤材料形式的基础面罩会对用户的呼吸产生阻碍作用，并且也能在面罩容腔中引起高的温度和湿度。此外，在传统的无动力式面罩中，吸气也会在面罩内产生轻微的负压，这种负压会导致环境污染物泄漏到面罩中，如果这些环境污染物是有毒物质，那么这种泄漏可能证明会是危险的。因为需要薄的过滤层从而导致与过滤材料的接触时间和距离很短，所以基础面罩还具有较低的过滤性能。

为了改进舒适度和有效性，可以向面罩增设一个或者两个风扇。

在一种布置中，可以使用进气(即，吸气)风扇来提供空气的持续吸入。按照这种方式，为肺消除了在传统的无动力式面罩中由于克服过滤器的阻碍吸气而导致的轻微应力。然后可以向脸部提供稳定的空气流，并且例如可以提供轻微的正压，以确保任何泄漏是朝外的，而不是朝内的。然而，当呼气时，这对呼吸产生了另外的阻碍。

在另一种布置中，可以使用排气(即，呼气)风扇来提供空气的持续释放。这在呼气时虽然没有提供呼吸阻碍，但缺点在于可能会在面罩容腔中引起负压，从而使面罩边缘周围的泄漏使被污染的空气泄漏到面罩容腔中。

另一种备选方式是同时提供进气风扇和排气风扇，并且将对风扇的控制与用户的呼吸周期在时间上同步。可以基于压力(或者压差)测量来测量呼吸周期。这改进了对温度和湿度的控制，并且对于吸气和呼气都减小了呼吸阻力。

通过按照这种方式提供对风扇操作的调节(以及可选地对风扇速度的调节)，在吸气和呼气序列期间提供更恰当的换气，并且改进了电气效率。后者转化为更长的电池寿命或者增加的换气量。

由于用户的呼吸，面罩内部的湿度水平通常较高。当环境温度较低时(例如在冬天)，这就会出现问题。在冰冷的面罩中呼出的潮湿空气会在面罩内部立即导致水蒸气冷凝。这种冷凝对于面罩的用户而言可能不太舒适或者可能是令人讨厌的，和/或这种冷凝可能会损坏面罩或者减短面罩的使用寿命。冷凝可能会影响被用于检测用户的呼吸模式的任何传感器的操作。

动力式面罩设计使得可以使用更厚的过滤层，从而可以提高过滤效率。然而，可以过滤的污染物的范围受限于经过过滤器的短流动时间和距离。

因此，需要一种可以解决上述问题中的一些或者所有问题的面罩设计。

发明内容

本发明由权利要求书限定。

根据本发明的一个方面提供的示例，提供了一种面罩，包括：

面罩壁，该面罩壁限定空气腔室；

进口流动控制装置；

出口流动控制装置；

传感器布置，用于检测呼吸模式；以及

控制器，用于取决于检测到的呼吸模式控制进口流动控制装置和出口流动控制装置，

其中面罩壁包括具有一对间隔开的膜片的区域，膜片之间的间隔中有过滤材料，其中流动控制装置中的至少一个流动控制装置在面罩的外部与间隔之间提供流体联接，从而通过流动控制装置中的至少一个流动控制装置提供通过间隔的横向气流。

该面罩设计利用了受到辅助的吸气和呼气。这使过滤材料能够对空气流提供明显的阻力。间隔被设计成使空气流不会像在传统过滤器设计中一样横向地流过面罩。相反，存在从环境周围物体到间隔的空气口(其可以是进气口或者排气口)，并且在空气口与空气腔室之间的空气流侧向地流过间隔。因此，极大地增加了经过过滤材料的流动距离，因此也极大地增加了与过滤材料的流动接触时间。如下面讨论的，这呈现出了多种可能性。在一些示例中，例如，这使得能够更有效地过滤更大范围内的污染物，而在其他实施例中，这使得能够降低湿度以减少冷凝。

注意，空气腔室是指在面罩壁与用户脸部之间的空间，其也可以被描述为面罩容腔，而间隔是指面罩壁的结构的一部分。“横向气流”是指在主要垂直于膜片的层厚方向(因此，主要垂直于间隔的厚度方向)的方向上的气流。因此，该气流不会流过膜片，而是流过间隔与膜片的表面平行。

“过滤材料”是指从空气流中去除组分的材料，但该组分可以是颗粒或者具体的化合物(包括水)。

在一组示例中，流动控制装置中的该至少一个流动控制装置是进口流动控制装置。按照这种方式，使待被吸入的空气侧向地经过过滤材料，以增加暴露于过滤材料的时间。

进口流动控制装置可以位于面罩壁区域的中间区中，并且该间隔在面罩壁区域的多个边缘区处被连通到空气腔室。该“中间区”旨在表示面罩壁区域的表面形状的中间，而不是面罩壁区域的厚度的中间。因此，空气被从环境周围物体驱动到面罩壁区域的中间中。空气从面罩壁区域的中间沿着径向流动路径朝着边缘区流动，因而确保流过过滤材料所需的流动长度。

这对于过滤和湿度降低都有益。如果使用间隔来降低湿度(如下面讨论的)，由于吸水功能通常是可逆的，所以可以将存储的水释放回到干燥的吸入空气中。吸入非常干燥的空气会引起刺激，所以使用从呼出空气中吸收的水来提供对干燥环境空气的润湿也是有利的。

在一种布置中，出口流动控制装置可以位于面罩壁区域的边缘区处。因此，呼出空气流过边缘区之间的过滤材料。这又可以提供较长的路径。这意味着，这两个流动控制装置被间隔开，使得组装和连接更容易。相反，也可以将两个流动控制装置设置在中间区中。

在另一布置中，出口流动控制装置可以位于面罩壁的远离面罩壁区域的部分处。在这种情况下，过滤材料仅用于处理待吸入的空气，并且出口流动控制装置仅用作排气阀。

进口流动控制装置可以替代地位于面罩壁区域的边缘区处，并且间隔在面罩壁区域的一个或者多个其他边缘区处被连通到空气腔室。这提供了边缘到边缘的流动路径，这可以确保流过过滤材料的最长流动距离和时间。

出口流动控制装置也可以位于面罩壁的远离面罩壁区域的部分处，从而使过滤材料仅用于处理待吸入的空气。

如上面提到的，面罩可以包括在间隔中的吸湿剂(干燥剂)。基于可逆吸收功能，该吸湿剂可以被用于降低呼出空气的相对湿度，也可以降低待吸入空气的干燥度。例如，吸湿剂包括一个或者两个膜片的改性表面层，该表面层面朝向该间隔。

例如，过滤材料包括颗粒过滤材料。这发挥了面罩的主要过滤功能。例如，过滤材料包括HEPA过滤材料。

过滤材料还可以包括挥发性有机化合物过滤材料。这拓展了面罩的过滤功能。

例如，传感器布置包括压力监测系统，并且控制器适于从压力监测系统确定呼吸周期。空气腔室中的绝对压力或者内部与外部之间的相对压力可以被用于提供信号，该信号使得能够推导出呼吸周期定时。

例如，面罩壁区域所占的面积是面罩壁的面积的至少50％，诸如至少75％。面罩壁的剩余部分是无孔的，从而基本上所有的进口气流和/或出口气流都流过间隔中的过滤材料。

面罩壁区域可从面罩的剩余部分拆卸，用于更换或者维护。其中一些过滤功能可能具有有限的使用寿命，因此过滤材料可能需要再生或者更换。

附图说明

现在将参照附图详细描述本发明的示例，在图中：

图1示出了佩戴已知面罩的对象；

图2示出了从上面看时面罩的第一示例；

图3示出了面罩的第二示例；

图4示出了第三示例，作为对图3的细微修改；

图5示出了图2所示普通类型的设计的面罩壁的透视图；

图6示出了图2所示普通类型的布置的在呼气(上图)和吸气(下图)期间的流动路径；以及

图7示出了面罩的电气组件。

具体实施方式

将参照附图来描述本发明。

应该理解，所详细描述的说明和具体示例在指示设备、系统和方法的示例性实施例的同时仅仅是旨在进行图示，不旨在限制本发明的范围。本发明的设备、系统和方法的这些和其他特征、方面和优点将通过以下说明、随附权利要求书和附图变得更好理解。应该理解，这些图仅仅是示意性的，并非按照比例绘制。还应该理解，在这些图中，使用相同的附图标记来表示相同或者相似的部分。

本发明提供了一种基于用户的呼吸模式使用进口流动控制和出口流动控制的面罩。面罩壁具有一对间隔开的膜片的区域，在膜片之间的间隔中有过滤材料。流动控制装置中的至少一个流动控制装置在面罩的外部与间隔之间提供流体联接，从而提供通过间隔的横向气流。经过过滤材料的流动距离得以极大地增加，与过滤材料的流动接触时间因此也得以极大地增加。

首先将讨论已知面罩的基本操作以及各种设计选择。

图1示出了佩戴已知面罩12的对象10，该面罩12盖住了对象的鼻子和嘴巴。面罩的目的是在空气被对象吸入之前对空气进行过滤，并且对流入空气腔室18(即，面罩容腔)中的空气流(可选地，还有流出空气腔室的空气流)提供主动控制。空气流动控制布置20提供主动流动控制。空气流动控制布置通常是风扇布置，但是可以使用任何合适的流体流动控制装置，诸如微型泵。

在一些已知的示例中，面罩主体本身用作空气过滤器16。在备选布置中，面罩主体是不透气的，并且过滤器21被设置成与风扇布置20串联。

在风扇布置提供的辅助下，通过吸气将空气抽到空气腔室18中。在吸气期间，由于空气腔室18中存在低压，所以出气阀22(诸如止回阀)被关闭。

当对象呼气时，空气被从出气阀22排出。该阀被打开，以便于呼气，但在吸气期间该阀被关闭。

风扇布置20的设置至少是为了在吸气期间使空气流入空气腔室18中，从而提供辅助的呼吸。风扇布置还可以在呼气期间提供流动(出气阀打开)。在呼气期间，从空气腔室18中移除的空气可能比呼出的空气更多，从而向脸部提供另外的空气。由于降低了相对湿度和冷却，这会增加舒适度。例如，可以设置最小排气流率来降低空气腔室内部的相对湿度。

在吸气期间，通过关闭阀22，防止抽入未过滤的空气。因此，出气阀22的定时取决于对象的呼吸周期。出气阀可以是通过面罩内的压差来操作的简单的被动止回阀。然而，其可以是电子控制型阀。

已知的是，也需要利用用户的呼吸周期来对风扇布置的操作进行定时。为此，设置压力传感器24，用于测量空气腔室18内部的压力，或者用于测量在空气腔室内部与外部之间的压差。

还已知的是设置单独的进气风扇和排气风扇，在这种情况下，出气阀是第二风扇。因此，存在受到辅助的吸气和呼气。

本发明具体涉及一种同时具有进口和排口流动装置(例如，风扇或者其他泵)的面罩设计，并且本发明涉及一种面罩壁的具体设计。该面罩可以是如图1所示的嘴巴和鼻子面罩，或者其可以是全面罩。

图2示出了从上方看时的第一示例。

面罩包括面罩壁30，该面罩壁30限定空气腔18。存在进气风扇20a(或者其他流动控制装置，诸如微型泵)和出气风扇20b(或者其他流动控制装置)。如在图1的示例中，传感器布置24用于检测呼吸模式，并且控制器(图2中未示出)设置用于取决于检测到的呼吸模式控制进气风扇和出气风扇。

面罩壁30包括具有一对间隔开的膜片34、36的区域32。外膜片34形成面罩的外表面(虽然可以存在另外的外遮盖物)，并且内膜片36形成空气腔室18的边界。在膜片之间的间隔中设置有过滤材料38。

在优选示例中，过滤材料38是用于过滤待吸入的空气。然而，从最广义来讲，过滤材料可以被设置用于吸入空气流动(用于过滤)，或者用于呼出空气流动(用于去除，即过滤掉水)，或者两种情况都有。因此，在一些示例中，可以将进气风扇与串联过滤器相关联，并且不将其与间隔中的过滤材料相关联。

图2示出了进气风扇20a在面罩的外部与间隔之间提供流体联接的优选示例。上图示出了吸入空气流动，并且该图示出了通过进气风扇20a提供经过间隔的横向气流。

进气风扇提供受到辅助的吸气，从而使间隔中的过滤材料38可以为空气流提供明显的阻力。通过在平行于膜片的方向上提供气流，极大地增加了经过过滤材料的流动距离，因此极大地增加了与过滤材料的流动接触时间。

进气风扇20a被示出为位于面罩壁区域32的中间区中。该间隔在面罩壁区域32的多个边缘区处被连通到空气腔室18，即使在图2中仅示出了一个流动路径。空气从环境周围物体被驱动到面罩壁区域32的中间中，并且然后沿着径向流动路径朝着边缘区流动。

进气风扇20b被设置在面罩壁区域32的边缘区处。在图2的下图中示出了呼出空气的流动，并且呼出空气流过边缘区之间的过滤材料，这又提供了流过过滤材料的较长路径。

例如，图2的示例尤其是针对用于在更凉的天气中进行标准颗粒过滤的面罩，从而应该避免水冷凝。在许多地区，冬天的温度会降到冰点以下，在呼出的相对湿度较高的空气碰到冰冷的面罩的情况下，普遍会在面罩的内表面上出现冷凝现象。这种冷凝通常向下流到面部与面罩之间的接口处，这会导致不舒服。在活性面罩中，冷凝可能会损坏面罩或者减短面罩的使用寿命。

为了解决冷凝问题，在间隔中(尤其是在一个或者两个膜片34、36的内表面上)设置吸湿剂。存在许多可能的吸湿材料，诸如水凝胶、干燥剂、以及诸如聚丙烯酰胺共聚物、乙烯马来酸酐共聚物、交联羧甲基纤维素、聚乙烯醇共聚物、交联聚氧化乙烯和聚丙烯腈的淀粉接枝共聚物等高吸水性聚合物。

吸湿剂可以被设置为改性内表面层。吸湿剂被设计用于快速地降低周围湿空气中的湿度并且当周围空气较干燥时释放水蒸气。

呼出的空气经过两个膜片之间的间隔，因此从膜片上方经过，膜片减少了呼出空气中的水分。

作为示例，膜片之间的间隔通常小于5mm，例如，在0.1mm与1mm之间。优选的间隔取决于吸湿材料的能力和待被吸收的目标组分的浓度。

双壁区域32通常在中央呼吸区(即，鼻子和嘴巴)的前方。将取决于进气风扇和/或出气风扇的位置来设计形状和大小，以便在所有方向上实现均衡的风阻。典型的表面积可在50cm²到150cm²的范围内。

膜片和面罩外壳的其他部分通常是不透气的。可在间隔之间填充功能性材料，或者提供该功能性材料作为膜片的改性表面。

例如，过滤材料可由HEPA(高效颗粒空气)过滤器、棉、或者例如被设计用于过滤PM2.5颗粒的其他材料制成。厚度可以为几μm到1mm。

将进气风扇定位在区域32的中间区具有多种益处。通常，在寒冷的天气里，绝对湿度相对较低，所以当在吸气期间通过吸湿剂驱动环境空气时，一些水分被更干燥的气流吸收。该水分是从材料中释放的。这提供了在吸气之前的润湿功能，可以改进用户的舒适度。

因此，将进气风扇放置在区域32的中间区中在其需要被再生以供将来使用之前还延长了组件的使用寿命。

按照这种方式，每当环境湿度不是非常高时，与流动方向逆向的循环引起再生。

图3示出了面罩被设计用于过滤更大范围内的污染物的第二示例。为此，在间隔中设置另外的功能材料。

进气风扇20a位于区域32的一个边缘处，并且在相对的边缘区域处或者附近开设有连通空气腔室18的一个或者多个开口。这使流过过滤材料的流动距离最大化。例如，为了过滤挥发性有机化合物，将活性碳过滤器集成到过滤材料中。出气风扇20b位于面罩壁30中并且远离区域32。因此，该示例不利用湿度降低，而是将重点放在改进过滤效率上。

图4示出了第三示例，作为对图3的细微修改，在该示例中，进气风扇20a也位于中间区域(见图2)中，并且该一个或者多个开口被开设在边缘区域周围连通空气腔室18。这使流过过滤材料的流动距离更均匀并且使用了过滤材料的全部体积。出气风扇20b也位于面罩壁30中并且远离区域32。

在这两个示例中的横向气流也意味着提供了长得多的接触时间和距离，而不是直接流经过滤层(例如，其厚度可以为2mm)。

对于在基础无动力式面罩中直接流过厚度为2mm的过滤层这种情况，可以假设通常平均潮汐呼吸量为500ml且呼吸时间为2s。通常的基本面罩的表面积大约为180cm²。吸入空气流动的线性速度大约为2.1cm/s，这意味着与过滤层的接触时段大约为0.09s。

如果使用活性面罩，例如，最大流动速度为18L/min。例如，风扇的横截面是直径为4cm的圆，所以吸入空气流动的线性速度大约为24cm/s。空气留在过滤层中的时间仅约为0.008s。

在一个示例中，用活性炭填充间隔。作为示例，面罩面积的80％可以被区域32占用，并且可以将进气风扇放置在间隔的中间(见图4)，在进气风扇与周围开口之间的距离为6.7cm。吸入空气流动的线性速度24cm/s使得时段为约0.3s。

空气与过滤材料接触的时间越长，净化效率越好。在传统的基础面罩中，0.09s的暴露时间就足以去除低浓度的污染物，但是当使用活性面罩来降低呼吸阻力时，0.008s的暴露于传统过滤层的时间可能不足以去除污染物。

本发明的面罩设计使暴露于过滤材料的时间能够更长，这会提高过滤效果，当采用活性面罩方案时，这会尤其明显。

活性炭过滤器也能发挥可逆功能。因此，也可以通过呼出空气来再生活性炭。

图5示出了图2的设计的面罩壁的透视图。该图示出了在间隔与空气腔室之间在区域32的边缘周围存在一组开口50。该示例示出了三个开口50。

图6示出了对于具有六个开口50的布置在呼气(上图)期间和吸气(下图)期间的流动路径。

图7示出了面罩的电气组件。面罩具有用于检测呼吸模式的压力传感器24或者任何其他传感器布置(例如，气流传感器)。控制器60接收传感器输入并且控制这两个风扇20a、20b。如图所示，各个风扇包括驱动扇叶的马达。

控制器和两个风扇由本机电池62供电。

例如，面罩壁区域所占的面积是面罩壁的面积的至少50％，诸如至少75％。

面罩壁区域可从面罩的剩余部分拆卸，用于更换或者维护。其中一些过滤功能可能具有有限的使用寿命，因此过滤材料可能需要再生或者更换。

如上面讨论的，实施例利用了控制器，可以利用用于执行所需各种功能的软件和/或硬件采用多种方式来实施该控制器。处理器是控制器采用一个或者多个微处理器的一个示例，可以使用用于执行所需功能的软件(例如，微代码)来编程该一个或者多个微处理器。然而，可以采用或者不采用处理器来实施控制器，并且还可以将控制器实施为用于执行一些功能的专用硬件和用于执行其他功能的处理器(例如，一个或者多个编程的微处理器和关联的电路系统)的组合。

本公开的各个实施例中可以采用的控制器组件的示例包括，但不限于，传统微处理器、专用集成电路(ASIC)和现场可编程门阵列(FPGA)。

在各种实施方式中，可以将处理器或者控制器与一种或者多种存储介质相关联，诸如易失性和非易失性计算机存储器(诸如RAM、PROM、EPROM和EEPROM)。可以用一个或者多个程序来编码存储介质，当在一个或者多个处理器和/或控制器上执行该一个或者多个程序时，该一个或者多个程序执行所需的功能。可以将各种存储介质固定在处理器或者控制器内或者各种存储介质可以是可运输的，从而使得可以将其上存储的一个或者多个程序加载到处理器或者控制器中。

通过学习附图、公开内容、和所附权利要求书，本领域的技术人员在实践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。在权利要求书中，措辞“包括”不排除其他元件或者步骤，并且不定冠词“一”或者“一个”不排除多个。在相互不同的从属权利要求中叙述某些测量这一事实并不表示不能有利地使用这些测量的组合。权利要求书中的任何附图标记都不应该被解释为是对范围的限制。

Claims (16)

1.一种面罩，包括：

面罩壁(30)，所述面罩壁限定空气腔室(18)；

进口流动控制装置(20a)；

出口流动控制装置(20b)；

传感器布置(24)，用于检测呼吸模式；以及

控制器(60)，用于取决于检测到的所述呼吸模式控制所述进口流动控制装置和出口流动控制装置，

其中所述面罩壁(30)包括具有一对间隔开的膜片(34、36)的区域(32)，所述膜片之间的间隔中有过滤材料(38)，其中所述流动控制装置中的至少一个流动控制装置在所述面罩的外部与所述间隔之间提供流体联接，从而通过所述流动控制装置中的所述至少一个流动控制装置提供通过所述间隔的横向气流，并且

其中所述面罩壁(30)还包括多个开口(50)，所述多个开口(50)位于所述间隔与所述空气腔室(18)之间并且位于所述区域(32)的边缘周围。

2.根据权利要求1所述的面罩，其中所述流动控制装置中的所述至少一个流动控制装置是所述进口流动控制装置(20a)。

3.根据权利要求2所述的面罩，其中所述进口流动控制装置位于所述面罩壁区域的中间区中，并且所述间隔在所述面罩壁区域的多个边缘区处被连通到所述空气腔室。

4.根据权利要求3所述的面罩，其中所述出口流动控制装置位于所述面罩壁区域的边缘区处。

5.根据权利要求3所述的面罩，其中所述出口流动控制装置位于所述面罩壁的远离所述面罩壁区域的部分处。

6.根据权利要求2所述的面罩，其中所述进口流动控制装置位于所述面罩壁区域的边缘区处，并且所述间隔在所述面罩壁区域的一个或者多个其他边缘区处被连通到所述空气腔室。

7.根据权利要求6所述的面罩，其中所述出口流动控制装置位于所述面罩壁的远离所述面罩壁区域的部分处。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的面罩，包括在所述间隔中的吸湿剂。

9.根据权利要求8所述的面罩，其中所述吸湿剂包括一个或者两个膜片的改性表面层，所述表面层面朝向所述间隔。

10.根据权利要求1至7中任一项所述的面罩，其中所述过滤材料包括颗粒过滤材料。

11.根据权利要求1至7中任一项所述的面罩，其中所述过滤材料包括HEPA过滤材料。

12.根据权利要求1至7中任一项所述的面罩，其中所述过滤材料包括挥发性有机化合物过滤材料。

13.根据权利要求1至7中任一项所述的面罩，其中所述传感器布置包括压力监测系统，其中所述控制器适于从所述压力监测系统确定呼吸周期。

14.根据权利要求1至7中任一项所述的面罩，其中所述面罩壁区域所占的面积是所述面罩壁的面积的至少50％。

15.根据权利要求1至7中任一项所述的面罩，其中所述面罩壁区域所占的面积是所述面罩壁的面积的至少75％。

16.根据权利要求1至7中任一项所述的面罩，其中所述面罩壁区域能够从所述面罩的剩余部分拆卸，用于更换或者维护。

Images