CN111278513A - 基于面罩的呼吸装置和控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了具有风扇的呼吸辅助面罩，风扇包括无刷DC电机。提供了启动电路，启动电路用于利用高压启动驱动电压、随后是稳态驱动电压来提供随时间变化的驱动电压作为电机的定子电磁体的供电电压。该高压启动信号(相对于稳态驱动电压为“高”)使得风扇能够以减少的时间延迟达到其操作速度。

Description

基于面罩的呼吸装置和控制方法

技术领域

本发明涉及面罩形式的呼吸装置，用于利用由风扇辅助的气流向呼吸装置的穿戴者提供经过滤的空气。

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。这个问题的一部分是城市的室外空气质量。同类中最差的是印度城市(例如，德里)，其年度污染水平超过建议水平的10倍。众所周知，北京的年平均安全水平是建议安全水平的8.5倍。但是，即使在伦敦、巴黎和柏林等欧洲城市，该水平也高于世界卫生组织的建议。

由于该问题在短期内不会显著改善，因此解决该问题的唯一方法是戴上可通过过滤提供更清洁空气的面罩。为了改进舒适度和有效性，可以为面罩添加一个或两个风扇。这些风扇在使用期间导通，并且通常在恒定电压下使用。出于效率和寿命的考虑，这些风扇通常是电子换向的无刷DC风扇。

使用动力面罩对穿戴者的益处是，针对常规非动力面罩中的过滤器的阻力，减轻了肺部因吸气而产生的轻微应变。由于面罩内部会积聚高的温度和高湿度，因此非动力面罩还会使面部不适。具有集成风扇的动力面罩可减轻这种不适。

此外，在常规的非动力面罩中，吸气还会在面罩内造成轻微的负压，从而导致污染物泄漏到面罩中，如果这些污染物是有毒物质，则泄漏可能被证明是危险的。动力面罩向面部输送稳定的空气流，并且可以例如提供可以通过呼气阀的阻力来确定的轻微正压，以确保任何泄漏都是向外的，而不是向内的。

添加风扇可以具有若干配置。进口或出口或两者处可以存在风扇，风扇可以与过滤器串联或不串联以及与止回阀串联或不串联。所有这些配置在成本和改进的舒适性方面都有优点和缺点。

如果调节风扇的操作(或仅调节速度)，则存在若干优点。该控制可用于通过在吸气和呼气序列期间进行更适当的通风来改进舒适度，或者可用于改进电效率。风扇操作的面罩是电池操作的设备，使得期望将功耗降低到最小，同时将成本保持到最小。

例如，GB 2032284公开了其中通过压力传感器来测量面罩内部的压力，并且根据传感器的测量值来改变风扇速度的呼吸器。

如果可以快速导通和/或关断一个或多个风扇，则可以在舒适度和配置选择自由度方面实现显著的改进。但是，风扇通常设计为连续操作，因此并未针对快速启动和停止功能进行优化。

仍然需要使得能够快速启动或停止风扇的风扇控制方法，使得可以精确地控制风扇操作的时序(timing)，并且因此风扇功能在最小的初始延迟内准备好。

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的示例，提供了面罩，包括：

空气室；

过滤器；

电池；

风扇，用于将空气从空气室外部汲取到空气室中和/或将空气从空气室内部汲取到外部，其中风扇包括无刷DC电机，无刷DC电机包括：

转子，具有转子磁体的集合；

定子电磁体装置；

磁场检测器，用于检测转子的旋转位置；以及

供电电路，用于以取决于磁场检测器的输出的时序为定子电磁体供电；以及

启动电路，适于以高压启动驱动电压、随后是稳态驱动电压的形式提供随时间变化的驱动电压作为用于定子电磁体装置的供电电压。

定子电磁体装置包括一个或多个定子磁体的集合。

该面罩设计通过在初始启动时间期间增加定子电磁体驱动电压来使得风扇能够以更高的速度启动。这样，因为可以快速接通和关断风扇，所以通过仅在需要时使用风扇，节省效率是可能的。因此，更容易实现时控(timed)的(例如，与用户的呼吸周期同步)风扇操作。

术语“高压”旨在表示相对于稳态驱动电压的高电压(即，比稳态驱动电压更高)。稳态驱动电压是正常操作电压，即，可以随时间保持并满足风扇的驱动要求的电压。

面罩用于由用户穿戴在用户的面部，以向用户的鼻部和/或嘴部提供清洁的空气源。面罩包括全部集成到整体面罩设计中的空气室、过滤器和风扇。面罩是电池操作的独立单元。

启动电路例如适于针对小于0.25s的时段施加高压启动驱动电压。因此，它仅具有短期过载功能。高压启动驱动电压甚至可以持续不到0.1s的时段。每当风扇从无旋转状态被驱动到正常旋转状态，都可以使用启动功能。

再次通过使用随时间变化的驱动电压，还可以具有用于快速关断风扇的高速制动功能。这将涉及在定子电磁体装置上施加不同的(负)电压或不同的时序(异相)电压。

启动电路可以适于用于施加至少是稳态驱动电压的两倍或者是至少是稳态驱动电压的三倍的高压启动驱动电压。这提供了较短持续时间的相对高的电压驱动脉冲，以传递足够的能量来增加空气流并增加风扇叶片的旋转速度。

面罩优选地包括被恒定供电电压供电的控制电路。磁场检测器也可以由恒定的驱动电压驱动(即，供电)。因此，过驱动仅用于定子电磁体线圈，并且磁场检测器和控制电路不需要能够容忍波动的电压源。

面罩可以包括呈电机控制器集成电路形式的控制电路，并且供电电路包括由电机控制器集成电路控制的开关集。集成电路也可以由恒定的驱动电压驱动。

根据本发明的另一方面的示例提供了用于操作面罩的风扇的控制方法，其中面罩包括空气室、过滤器、电池和风扇，风扇用于将空气从空气室外部汲取到空气室中和/或将空气从空气室内部汲取到外部，其中风扇包括无刷DC电机，无刷DC电机包括具有转子磁体的集合的转子、定子电磁体装置、用于检测转子的旋转位置的磁场检测器以及供电电路，供电电路用于以取决于磁场检测器的输出的时序为定子电磁体装置供电，

其中方法包括：

当期望启动风扇时，以高压启动驱动电压、随后是稳态驱动电压的形式提供随时间变化的驱动电压作为用于定子电磁体的供电电压。

该方法可以快速启动面罩风扇。风扇可以快速导通和关断来节省功率，并且风扇可以快速做出反应来增加用户的舒适度。

该方法可以包括针对小于0.25s的时段(例如，小于0.1s的时段)施加高压启动驱动电压并且高压启动驱动电压可以是稳态驱动电压的至少两倍、例如是稳态驱动电压的至少三倍。

该方法可以包括通过恒定的驱动电压来驱动磁场检测器并且电机控制器集成电路还可以被驱动来控制形成供电电路的开关的集合。

本发明可以至少部分地以软件实现。

附图说明

现在将参考附图来详细描述本发明的示例，其中：

图1示出了可以应用本发明的面罩；

图2示意性地示出了风扇中使用的无刷DC电机；

图3示出了H桥电路，H桥电路用作逆变器，以从DC电源为定子电磁体线圈生成交流电压；

图4示出了根据本发明的一个示例的装置；

图5示出了由启动电路施加的电压波形的一个示例；

图6示出了使用控制集成电路的一个实现；以及

图7示出了根据本发明的示例的标准驱动方案和两个驱动方案的示意性时序图。

具体实施方式

本发明提供了具有风扇的呼吸辅助面罩，风扇包括无刷DC电机。提供了启动电路，启动电路用于提供随时间变化的驱动电压(具有高压启动驱动电压、随后是稳态驱动电压)作为电机的定子电磁体装置的供电电压。该高压启动电压(相对于稳态驱动电压为“高”)使得风扇能够以减少的时间延迟达到其操作速度。

图1示出了穿戴面罩12的对象10，面罩覆盖了对象的鼻部和嘴部。面罩的目的是在空气被吸入对象之前先对空气进行过滤。为此，在该示例中，面罩主体本身用作空气过滤器16。通过吸气将空气汲取到由面罩形成的空气室18中。在吸气期间，由于空气室18中的较低压力(或恰好与此一致)，诸如止回阀的出口阀22闭合。

当对象呼气时，空气通过出口阀22排出。该阀打开以方便呼气，但在吸气期间闭合。风扇20辅助通过出口阀22的空气的去除。优选地，去除的空气多于呼出的空气，使得附加的空气被提供给面部。由于降低了相对湿度和冷却，因此增加了舒适度。

在吸气和呼气之间，因为新鲜空气被吸入到空气室中，从而对该空间进行了冷却，所以风扇操作增加了舒适度。

在吸气期间，通过闭合阀，防止了未过滤的空气被汲取。因此，出口阀22的时序取决于对象的呼吸周期。出口阀可以是通过跨过滤器16的压力差来操作的简单的被动止回阀。然而，它可以替代地是电子控制阀。

在最基本的实现中，风扇持续导通。以这种方式，通过面罩壁或通过内联(inline)过滤器连续向面罩容积供应清洁空气。

但是，在吸气期间，可以可选地关断风扇来节省功率，使得只有风扇辅助的呼气。这提供了依赖于检测呼吸周期的操作模式。对于风扇辅助呼气，需要在出口阀再次打开之前恢复供电。这也可以确保下一吸气-呼气周期保持适当的时序并其能够提供足够的压力和气流。

使用该方法很容易实现约30％的节电，从而延长了电池寿命。备选地，到风扇的功率可以增加30％，以提高效率。

这只是可能配置的一个示例。可以只有单个风扇在面罩内部保持正压，也可以是单独的风扇用于吸气和呼气。

当以不连续模式使用时，一个或多个风扇能够追踪用户的呼吸周期，从而使得面罩中的呼吸更加舒适。例如，面罩中存在的入口风扇可在吸气期间旋转，而出口风扇可在呼气期间旋转。入口风扇例如可以通过过滤器(而不是通过面罩的壁，面罩的壁然后可以是不透气的)将空气从空气室外部汲取到空气室中。入口风扇可以位于这样的过滤器之前或之后。出口风扇例如可以将空气从空气室内部汲取到外部并且也可以仅在呼气期间操作。

入口风扇或出口风扇可以以这种方式用于辅助用户的呼吸。如果同时提供入口风扇和出口风扇，则吸气/呼气循环可得到完全辅助，入口风扇和出口风扇与用户的呼吸周期同步。

当风扇操作与呼吸周期同步时，可以使用压差传感器来确定设备外部的空气与面罩内部的空气之间的压力差。这提供了对用户的呼吸周期的准确监控，并且在所检测的压差随时间的变化与用户的吸气和呼气时序之间具有最小的时间迟延(time lag)。

在所有情况下，无论是在初始启动(对于连续风扇)还是在每个时序瞬间(对于与呼吸周期同步旋转的风扇)而言，使风扇旋转达到速度都可能存在大量的时间延迟。

图2示意性地示出了风扇中使用的无刷DC电机。

它包括具有转子磁体321、322、323、324的集合的转子30。四个转子磁体的集合仅是一个示例，当然可以使用其他数量的转子磁体。定子电磁体34用于在其近端向转子磁体施加力。可以存在一个定子磁体或定子电磁体的集合。多个定子电磁体例如具有不同的相位诸如霍尔传感器的磁场检测器36用于检测转子磁体的接近度来生成时序信号，时序信号用于控制定子电磁体34的操作。特别地，在所示的简化示意图中，来自磁场检测器36的信号耦合到控制功率晶体管38的基极，控制功率晶体管38进而控制对定子电磁体34的驱动电压的供电。电磁体34通过晶体管38被耦合在高功率源(high power supply)和低功率源端子(例如，接地)之间。

为简单起见，图2示出了简单的单相设计并且仅示出了简单的控制晶体管。实际上，存在控制集成电路，例如确保旋转方向固定。

图2示出了转子的三个顺序旋转位置。

在图2A中，磁体321靠近霍尔传感器36，因此传感器36将信号发送到功率晶体管38的基极。晶体管打开(open)并允许大的集电极电流流过电磁体34并流过晶体管而到达低功率源端子。电磁体将磁体323推开，以引起顺时针旋转。

在图2B中，转子30已翻转，使得磁体322停止影响霍尔传感器36。由于到功率晶体管的基极的信号已被去除，因此其被关断(turned off)。这禁用了电磁体34。

在图2C中，转子由于其惯性而继续旋转，直到磁体322移动到霍尔传感器36的工作范围内。霍尔传感器将信号发送到晶体管38的基极。晶体管打开，并允许集电极电流流过电磁体。电磁体34将磁体324推开。该过程将继续进行，直到断开功率连接。

实际上，控制电路更复杂。例如，图3示出了H桥电路，H桥电路用作逆变器，以从DC电源VDD、GND为定子电磁体线圈34生成交流电压。逆变器具有开关S1至S4的集合，以跨线圈34生成交流电压。因此，图2中的信号晶体管38用作开关S1至S4中的一个，并且开关例如由控制器集成电路控制。H桥电路使得能够双向控制流过电磁体的电流，使得可以在转子旋转期间提供吸引和排斥的相位。控制器IC从磁场检测器接收所感测的信号。

电机以及因此的风扇要花费一些时间才能达到其操作速度。空气开始移动需要能量(平移动能)并且风扇叶片旋转需要能量(旋转动能)。当向风扇电机供给恒定功率时，该过程可能花费大量时间。

为了加速启动过程，本发明提供了装置，通过该装置，在启动阶段期间向电机供给更多的功率。为了启动时间的显著且可用的减少，可将定子电流增加例如多于2倍、例如增加多于5倍、例如增加多于8倍的因子。因为在很短的时间段内允许通过线圈的峰值功率远高于可以施加到线圈的连续功率，因此，电机电路可以承受较大的电流峰值。

在图2所示的示例中，定子电磁体线圈34始终连接到与霍尔传感器36(和实际实现中的控制IC)相同的功率源(电压为V+)。

图4示出了根据本发明的一个示例的装置。一般而言，晶体管38是用于利用取决于磁场检测器36的时序为定子电磁体34供电的供电电路的一部分。如上所述，供电电路可以包括多个晶体管(或其他开关)来实现双向控制。

电路附加地包括启动电路40，启动电路40适于以高压启动驱动电压和随后的稳态驱动电压的形式向定子电磁体线圈34提供随时间变化的驱动电压。

因此，定子电磁体线圈不再连接至恒定功率源V+，而是连接至可变功率源。磁场检测器36和控制器IC(图4中未示出)保持连接到恒定电压源。

图5示出了由启动电路40施加的电压波形的一个示例。曲线图50是电压波形，曲线图52是常规的恒压供电。

在风扇初始启动时，在施加5V的稳态驱动电压之前，施加15V的高压启动驱动电压0.15s。因此，电压在启动阶段期间增加3倍。这导致电流增加近3倍，这将启动时间减少了将近3倍。电压峰值的精确长度和高度取决于风扇电机和针对启动时间的要求。

对于其中风扇将与吸气或呼气同步启动的应用，启动时段足够短，仅在吸气或呼气持续时间的一小部分时间后即可达到风扇速度。作为示例，启动电路在其期间施加高压启动驱动电压的启动时段优选地小于0.25s、更优选地小于0.1s。

高压启动驱动电压优选为稳态驱动电压的至少两倍、更优选为稳态驱动电压的至少三倍。它甚至可以高达稳态驱动电压的5至10倍。

图6示出了使用控制集成电路60的一个实现，控制集成电路60从霍尔传感器36接收信号(并向霍尔传感器提供稳定的静态功率源)并为开关S1至S4生成控制信号。它还生成可变电压供电，可变电压供电通过开关S1至S4而被耦合到定子电磁体装置34。然而，控制电路被提供有恒定电压。

如上所述，本发明的方法允许风扇旋转更快地达到速度。附加地，如果施加高电压脉冲长于针对风扇达到其期望的最终速度所需的时段，则可能会在短的时间段内使风扇速度达到比标称风扇速度更高的水平。然后可以使用极高旋转速度的短的时段来使气流更快地达到其期望水平。除了风扇转子的旋转惯性之外，在风扇提供所需的空气流速之前，还必须克服移动空气质量的平移惯性。

在图7中示意性地图示了该方法。定子电磁体装置电压被示出为“S”、风扇旋转速度被示出为“F”并且空气流速被示出为“A”。

图7A示出了常规的驱动方案。

图7B示出了根据本发明的、提供更高的电压直到风扇速度达到其期望水平的驱动方案的第一示例。达到期望空气流速的时间被减少。

图7C示出了根据本发明的、提供更高的电压直到空气流速如上所述达到其期望水平的驱动方案的第二示例。达到该期望的空气流速的时间进一步被减少(如下所述，但减少相对较少的量)。

较高电压脉冲的持续时间(包括克服空气惯性的附加持续时间)取决于风扇配置。基于风扇转子的重量与必须被设置为运动的空气的重量相当的假设，被加速的质量具有相当的数量级。然而，风扇转子惯性占主导地位，因为与线性空气流速(例如，0.1m/s)相比，风扇速度(例如，风扇以5000rpm旋转)大得多。

因此，需要被传递到旋转风扇转子的动能占主导地位，并且仅需要很小的附加时间段(如果存在)即可达到期望的空气流速。

可能需要附加的保护电路来控制反电动势(EMF)，由于更高的电压，反电动势将更强。

根据需要，可以通过类似的方法，通过使用较短持续时间的较高驱动电压，利用供给给线圈的电压的适当相位来执行风扇的快速停止。可以通过使用具有适当电流方向和时序的定子电磁体线圈的主动制动来实现停止风扇。

可以利用时序变化(例如，在到达定子电磁体线圈位置之前推动转子磁体，或者通过在吸引和排斥之间切换定子，从而排斥正在接近的转子线圈并吸引正在移开的转子线圈)来实现制动。这些措施可以组合。实际上，正常的风扇驱动功能可以使用排斥以及吸引，或其中之一。H桥启用的双向控制允许针对吸引和排斥的控制。

图5示出了只有两个水平(level)的用于定子的供电电压。当然，可以使用更复杂的供电电压波形。可以在不对控制器IC所实现的时序进行任何修改的情况下施加启动电压波形，使得系统易于实现。

在启动阶段，转子将以较低的速度旋转。控制脉冲将具有取决于该转子速度的时序，但这是由霍尔传感器和控制器电路实现的正常反馈控制的一部分。

定子供电电压不作为风扇速度的正常控制的一部分进行控制。相反，风扇速度控制基于开关信号而被实现。因此，定子供电的控制仅用于实现快速启动功能。

如上所述，实施例利用可以利用软件和/或硬件以多种方式实现的控制器来执行所需的各种功能。处理器是采用一个或多个微处理器的控制器的一个示例，一个或多个微处理器可以使用软件(例如，微代码)进行编程来执行所需的功能。然而，可以在采用或不采用处理器的情况下实现控制器，并且还可以将控制器实现为执行某些功能的专用硬件与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)。

在各种实现中，处理器或控制器可以与一个或多个存储介质(例如，诸如RAM、PROM、EPROM和EEPROM的易失性和非易失性计算机存储器)相关联。可以利用一个或多个程序对存储介质进行编码，一个或多个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。各种存储介质可以固定在处理器或控制器内，或者可以是可传输的，使得可以将存储在其上的一个或多个程序加载到处理器或控制器中。

通过研究附图、公开内容和所附权利要求，本领域技术人员在实践所要求保护的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”不排除其他元素或步骤，并且不定冠词“一(a)”或“一个(an)”不排除多个。在互不相同的从属权利要求中记载某些措施的事实并不表示不能有利地使用这些措施的组合。权利要求中的任何附图标记都不应被解释为限制范围。

Claims (15)

1.一种面罩，包括：

空气室(18)；

过滤器(16)；

电池；

风扇(20)，用于将空气从所述空气室(18)的外部汲取到所述空气室中和/或将空气从所述空气室的内部汲取到所述外部，其中所述风扇包括无刷DC电机，所述无刷DC电机包括：

转子(30)，具有转子磁体(321、322、323、324)的集合；

定子电磁体装置(34)；

磁场检测器(36)，用于检测所述转子的旋转位置；以及

供电电路(36，S1-S4)，用于以取决于所述磁场检测器的输出的时序为所述定子电磁体供电；以及

启动电路(40)，适于以高压启动驱动电压、随后是稳态驱动电压的形式提供随时间变化的驱动电压作为用于所述定子电磁体装置的供电电压。

2.根据权利要求1所述的面罩，包括入口风扇和出口风扇以及控制器，所述控制器适于使所述入口风扇和所述出口风扇与所述面罩的穿戴者的呼吸周期同步。

3.根据权利要求1或2所述的面罩，其中所述启动电路(40)适于针对小于0.25秒的时段、例如小于0.1秒的时段施加所述高压启动驱动电压。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的面罩，其中所述启动电路(40)适于施加至少是所述稳态驱动电压的两倍的高压启动驱动电压。

5.根据权利要求4所述的面罩，其中所述启动电路(40)适于施加至少是所述稳态驱动电压的三倍的高压启动驱动电压。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的面罩，包括控制电路(60)，所述控制电路(60)被提供有恒定的供电电压。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的面罩，其中所述磁场检测器(36)被提供有恒定的供电电压。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的面罩，包括呈电机控制器集成电路(60)形式的控制电路，并且所述供电电路包括开关(S1-S4)的集合，所述开关(S1-S4)的集合由所述电机控制器集成电路控制。

9.一种用于操作面罩的风扇的控制方法，其中所述面罩包括空气室(18)、过滤器(16)、电池和风扇(20)，所述风扇(20)用于将空气从所述空气室(18)的外部汲取到所述空气室中和/或将空气从所述空气室的内部汲取到所述外部，其中所述风扇包括无刷DC电机，所述无刷DC电机包括具有转子磁体(321、322、323、324)的集合的转子(30)、定子电磁体装置(34)、用于检测所述转子的旋转位置的磁场检测器(36)、以及供电电路(38，S1-S4)，所述供电电路(38，S1-S4)用于以取决于所述磁场检测器的输出的时序为所述定子电磁体装置供电，

其中所述方法包括：

当期望启动所述风扇时，以高压启动驱动电压、随后是稳态驱动电压的形式提供随时间变化的驱动电压作为用于所述定子电磁体的供电电压。

10.根据权利要求9所述的方法，包括使入口风扇和出口风扇与所述面罩的穿戴者的呼吸周期同步。

11.根据权利要求9或10所述的方法，包括针对小于0.25秒的时段，例如小于0.1秒的时段，施加所述高压启动驱动电压。

12.根据权利要求9至11中任一项所述的方法，包括施加至少是所述稳态驱动电压的两倍的高压启动驱动电压、例如施加至少是所述稳态驱动电压的三倍的高压启动驱动电压。

13.根据权利要求9至12中任一项所述的方法，包括通过恒定的驱动电压来驱动所述磁场检测器。

14.根据权利要求9至13中任一项所述的方法，包括：驱动电机控制器集成电路以控制形成所述供电电路的开关的集合。

15.一种包括计算机程序代码装置的计算机程序，当所述程序在计算机上运行时，所述计算机程序代码装置适于执行根据权利要求9至14中任一项所述的方法的步骤。

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