CN111315448A - 呼吸面罩 - Google Patents

Abstract

一种呼吸面罩，具有空气热交换器，该空气热交换器用于将来自从面罩室呼出的空气的热量转移至被吸入到面罩室中的空气。空气热交换器包括：第一组空气流动通道，与过滤器串联，以用于将过滤后的外部空气提供给面罩体积；以及不同的第二组空气流动通道，用于将空气从面罩体积排出到外部；以及在第一组空气流动通道与第二组空气流动通道之间的热耦合件。

Description

呼吸面罩

技术领域

本发明涉及呼吸面罩。

背景技术

空气污染是全世界关注的问题。世界卫生组织(WHO)估计每年有400万人死于空气污染。该问题的一部分是城市的室外空气质量。近300个烟雾重灾(smog-hit)城市未能达到国家空气质量标准。

官方的室外空气质量标准将颗粒物质浓度定义为每单位体积的质量浓度(例如，μg/m³)。特别令人关注的是直径小于2.5μm(被称为“PM2.5”)的颗粒的污染，因为它们能够渗透到肺部(肺泡)的气体交换区域，并且非常小的颗粒(<100nm)可能穿过肺部影响其他器官。

由于该问题在短期内将不会显著改善，因此，处理该问题的常用方式是佩戴面罩，面罩通过过滤来提供更清洁的空气，并且近年来，中国和其他地区的面罩市场已经历了激增。例如，据估计，到2019年，中国将有42亿个面罩。

然而，在使用期间，面罩内部的温度和相对湿度增加，再加上面罩内部相对于外部的压力差，使呼吸不舒服。为了改善舒适度和有效性，可以给面罩添加风扇，该风扇通过过滤器来吸入空气。出于效率和寿命的原因，这些风扇通常是电子换向的无刷直流风扇。

佩戴者使用动力面罩的益处在于：使肺部的轻微张力得到缓解，这种张力是由克服常规的无动力面罩中的过滤器阻力进行吸气所引起的。

此外，在常规的无动力面罩中，吸气还在面罩内引起轻微的负压，该负压导致污染物泄漏到面罩中，如果这些污染物是有毒物质，则该泄漏可能证明是危险的。动力面罩向脸部递送稳定的空气流，并且可以例如提供轻微的正压(可以通过呼气阀的阻力来确定该正压)，以确保任何泄漏都是向外的而不是向内的。

因此，风扇辅助面罩可以通过降低温度、湿度和呼吸阻力来改善佩戴舒适度。风扇辅助面罩可以设置有吸气风扇或呼气风扇或两者。吸气风扇辅助通过过滤器吸取空气，并且使得能够获得面罩正压力以防止污染物泄漏到面罩体积中。呼气风扇辅助面罩通风，并且确保呼出的二氧化碳被完全排出。

然而，在寒冷的天气，特别是当使用吸气风扇时，这种主动通风将直接引入处于环境温度的空气，该环境温度是相当低的。

第一个问题是，由于用户的呼吸，面罩内部的湿度水平通常是相对高的。在冷面罩中呼出的潮湿空气(37摄氏度下100％的相对湿度)将立即引起面罩内部的水蒸气冷凝。对于面罩的用户来说，这种冷凝可能是不舒服的或不愉快的。

第二个问题是，当呼入的空气温度低时，空气的寒冷和干燥会引起气道周围的肌肉紧绷，这是因为人体试图限制冷空气流入肺部中。这种气道变窄有时被称为运动性哮喘或冷空气诱发的哮喘，并且限制了在吸气中重新获得(retrieve)的正常空气体积。如果一个人已经患有肺部疾病或者如哮喘那样的病症，则冷空气对肺部的影响会进一步加剧呼吸困难。这可以导致进入肺部的气流更受限制。

因此，需要一种动力(风扇辅助)面罩设计，该设计避免了将冷的环境空气吸入到面罩中的问题。

发明内容

本发明由权利要求限定。

根据依照本发明的方面的示例，提供了一种呼吸面罩，该呼吸面罩包括：

面罩本体，用于覆盖用户的鼻子和/或嘴部，由此限定面罩室；

过滤器；

空气泵，用于使面罩室通风；以及

空气热交换器，用于将来自从面罩室呼出的空气的热量转移至被吸入到面罩室中的空气，

其中空气热交换器包括：第一组空气流动通道，与过滤器串联，以用于将过滤后的外部空气提供给面罩体积/室，该外部空气被称为吸入的空气；以及不同的第二组空气流动通道，用于将空气从面罩体积/室排出到外部，该空气被称为呼出的空气；以及在第一组空气流动通道与第二组空气流动通道之间的热耦合件。

使用不同的数组空气流动通道以将过滤后的外部空气提供给面罩体积/室以及将空气从面罩体积/室排出到外部允许更简单的设计，借以不再需要面罩体积/室内部的附加过滤器结构。

根据实施例，第一组空气流动通道和第二组空气流动通道直接通达面罩室，以允许过滤后的外部空气进入面罩室，并且允许呼出的空气从面罩室排出。面罩室是这样一种室，在其中在呼气后，立即终止从用户呼出的空气。

这种面罩设计提供了吸入的空气与呼出的空气之间的热耦合。通过在不同的通道中提供流，防止了两种空气流之间的混合，并且使流动通道之间的热耦合更有效成为可能。因此，空气热交换器适于或被构造成使得不发生或以非常有限的量发生两种空气流的混合。对吸入的空气的加热减少了面罩体积中的冷凝物，并且还通过防止吸入非常冷的环境空气来改善用户的舒适度。

因此，空气热交换器被配置成使得防止吸入的空气和呼出的空气的混合。这通过以下方式来实现：提供用于将过滤后的外部空气提供给面罩体积的第一组空气流动通道、以及用于将空气从面罩体积排出到外部的单独的第二组空气流动通道。第一组空气流动通道和第二组空气流动通道被构造或制造成使得流过第一组空气流动通道的空气在流过第一组空气流动通道的同时，不到达或仅以非常有限的量到达第二组空气流动通道的内部的空气。进一步地，第一组空气流动通道和第二组空气流动通道被构造或制造成使得流过第二组空气流动通道的空气在流过第二空气流动通道的同时，不到达或仅以有限的量到达第一组空气流动通道内部的空气。第一组空气流动通道和第二组空气流动通道被构造或制造成使得发生热转移并且在空气流动通道之间不发生显著的空气转移。

热交换器可以不仅允许热量从一个流动通道传递到另一流动通道，而且还允许水分从一个流动通道传递到另一流动通道(潜热转移)。这取决于热交换器的构造材料。可以期望允许将来自呼出的空气的水分结合到进入的空气中，以改善所呼入的空气的舒适度。这些材料不应允许显著的二氧化碳跨膜运输，而应准许水蒸气的传输。

根据实施例，空气泵被联接到空气热交换器。在空气热交换器中第一空气流动通道和第二空气流动通道的存在可以限制用户的吸气和/或呼气。为了允许有效的热交换并减少对用户的吸气和/或呼气的限制，空气泵被联接到热交换器。空气泵确保足够的空气被引进面罩室中/从面罩室中被排出，以增加用户的舒适度并提高热交换效率。

根据实施例，空气泵被联接到第一组空气流动通道。

根据实施例，空气泵被联接到第二组空气流动通道。

根据实施例，空气泵包括两个泵，借以第一泵被连接到第一组空气流动通道并将空气引进到面罩中，并且借以第二泵被连接到第二组空气流动通道并将空气从面罩排出。

面罩本体是例如不可渗透的，并且具有用于过滤器和空气热交换器的开口。因此，得以使用从呼出的空气提取的热量来对被吸入到面罩体积中的所有空气进行热处理。

空气泵可以包括：

吸气型空气泵；或者

呼气型空气泵；或者

吸气型空气泵和呼气型空气泵。

吸气型空气泵使得能够在面罩体积内维持正压，并且在通过过滤器呼入时提供辅助。呼气型空气泵提供对面罩体积的有效通风。当两者都被提供时，可以使这两个空气泵的操作定时与用户的呼吸循环同步。可以提供压力传感器，以用于感测面罩内部的压力或内部与外部之间的压差，从而使得能够获得呼吸循环定时。

根据实施例，吸气泵(用于将空气引进到面罩室中)被联接到第一组空气流动通道。本发明的优点是，空气热交换器被构造成使得防止第一空气流动通道与第二空气流动通道之间的空气混合，因为这允许吸气泵的有效操作，从而导致较低的消耗。由于空气热交换器的这种构造，可以确保仅第一组空气流动通道内部的空气传播穿过第一组空气流动通道并被供应给用户，而没有压力损失或压力损失很小或者被来自第二组空气流动通道的空气所污染。

根据实施例，呼气泵(用于将空气从面罩室排出)被联接到第二组空气流动通道。本发明的优点是，空气热交换器被构造成使得防止第一空气流动通道与第二空气流动通道之间的空气混合，因为这允许呼气泵的更有效操作，从而导致较低的功耗。由于空气热交换器的这种构造，可以确保第二组空气流动通道内部的空气传播穿过第二组空气流动通道并从面罩排出，而没有压力损失或压力损失很小。

根据实施例，吸气泵(用于将空气引进到面罩室中)被联接到第一组空气流动通道，并且呼气泵(用于将空气从面罩室排出)被联接到第二组空气流动通道。本发明的优点是，空气热交换器被构造成使得防止第一空气流动通道与第二空气流动通道之间的空气混合，因为这允许吸气泵和呼气泵的有效操作，从而导致两个泵的较低的功耗。由于空气热交换器的这种构造，可以确保第一组空气流动通道内部的空气传播穿过第一组空气流动通道并被供应给用户，而没有压力损失或压力损失很小或者被来自第二组空气流动通道的空气所污染。而且，由于空气热交换器的这种构造，可以确保第二组空气流动通道内部的空气传播穿过第二组空气流动通道并从面罩排出，而没有压力损失或压力损失很小。进一步地，由于空气热交换器的构造，吸气泵的操作不受呼气泵的操作的影响或受其影响很小。在两个泵在呼吸循环的某些阶段期间在较低功率下保持作用的情况下，这可能是有利的。

根据实施例，第一组空气流动通道和第二组空气流动通道被包括在堆叠式布置中。第一组空气流动通道可以被堆叠到第二组空气流动通道上，反之亦然。第一组空气流动通道和第二组空气流动通道可以存在多个层。

根据实施例，第一组空气流动通道的方向不同于第二组空气流动通道的方向。这允许间隔地放置面罩的入口和出口，所述入口和出口被连接到第一空气流动通道和第二空气流动通道。

在一种布置中，空气流动通道全部都彼此平行，从而形成通道的阵列。一些通道可以被分成一组，以提供吸气流，并且其他通道可以被分成一组，以提供呼气流。

在另一种布置中，第一组空气流动通道正交于第二组空气流动通道。这使流布置更容易形成，因为这些流动通道终止于不同的空间位置处。因此，过滤器可以仅被设置在入口侧处，并且更容易形成与空气泵装置(arrangement)的连接，因为可以将任何位置处的所有通道连接在一起。

例如，空气热交换器可以包括：

第一外面和平行的第一内面，其中第一组流动通道是在第一外面与第一内面之间；以及

第二外面和平行的第二内面，其中第二组流动通道是在第二外面与第二内面之间，所述第一面垂直于所述第二面。

然后，过滤器可以被设置在第一外面处。

空气泵可以包括：

在第一外面处的空气泵；或者

在第二外面处的空气泵；或者

在第一外面处的第一空气泵和在第二外面处的第二空气泵。

一个空气泵或两个空气泵可以例如包括一个或多个风扇。

空气热交换器例如包括导热壁的网，空气流动通道被限定在这些导热壁之间。这些壁例如由改性纸或凝胶或非常薄的金属层制成。改性金属层可以与聚合物涂层一起使用，或者可以使用石墨。

流动通道中的至少一些可以包括干燥剂。这用于从呼出的空气提取水分，并且由此为热耦合产生附加的热量。

代替使用一个或多个风扇，空气泵可以包括微型泵，该微型泵包括泵通道的阵列。与风扇装置相比，这提供了更紧凑的空气泵。

然后可以提供控制器，该控制器适于控制泵通道以沿可选择的方向提供泵通道流，其中该控制器适于将第一泵通道配置为具有第一流动方向以形成第一组空气流动通道并将第二泵通道配置为具有第二流动方向以形成第二组空气流动通道。

以这种方式，第一泵通道和第二泵通道是可以动态控制的。然后，单个微型泵设计既可以充当吸气泵，又可以充当呼气泵。

在一种构型中，控制器将第一泵通道布置成包围第二泵通道。以这种方式，获得了从第二泵通道到被包围的第一泵通道的最大热转移。

空气热交换器例如包括波纹层的堆叠。交替层可以彼此正交。这提供了简单的低成本的空气热交换器设计。

泵通道中的至少一些泵通道可以包括干燥剂(如上文所提到的)，并且然后控制器可以适于控制流动方向以实现干燥剂的再生。微型泵和空气热交换器可以包括共享的通道阵列，因此形成了单个单元。

本发明的这些和其他方面将从下文中所描述的(多个)实施例变得清楚，并且参考下文中所描述的(多个)实施例得以阐述。

附图说明

现将参考附图来详细描述本公开的示例，在附图中：

图1以示意形式示出了根据本发明的一个示例的面罩；

图2绘制了当室外空气处于10摄氏度和60％相对湿度时相对于干燥空气的湿度比与面罩内部的温度的关系；

图3绘制了当使用增加的通风时相对于干燥空气的湿度比与面罩内部的温度的关系；

图4绘制了当使用热交换功能时相对于干燥空气的湿度比与面罩内部的温度的关系；

图5更详细地示出了面罩设计的一个示例；

图6示出了空气热交换器的一种可能的设计；

图7示出了空气热交换器的另一种可能的设计；

图8以泵通道的蜂窝状阵列形式示出了另一种空气泵装置；以及

图9示出了平行通道以及热交换器的布置，这些平行通道可以形成微型泵装置。

具体实施方式

将参考附图来描述本发明。

应理解，详细描述和特定的示例虽然指示了设备、系统和方法的示例性实施例，但是它们仅旨在用于说明的目的，而并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、方面和优点将从以下描述、所附权利要求书和附图变得被更好地理解。应理解，附图仅仅是示意性的，并且没有按比例绘制。还应理解，贯穿附图使用相同的附图标记来指示相同或相似的部分。

本发明提供一种具有空气热交换器的呼吸面罩，该空气热交换器用于将来自从面罩室呼出的空气的热量转移至被吸入到面罩室中的空气。空气热交换器包括：第一组空气流动通道，其与过滤器串联，以用于将过滤后的外部空气提供给面罩体积；以及不同的第二组空气流动通道，其用于将空气从面罩体积排出到外部；以及在第一组空气流动通道与第二组空气流动通道之间的热耦合件。

图1示出了佩戴面罩12的对象10，该面罩覆盖对象的鼻子和嘴部。面罩的目的是：在对象呼入空气之前对所述空气进行过滤，并对进入空气室18(即，面罩体积)和/或从空气室出来的空气流提供主动控制。空气泵装置20提供主动流动控制。空气泵装置可以是(一个或多个风扇的)风扇装置，或者它可以是形成微型泵的泵通道的装置，如下文所解释的。

提供与空气泵装置20串联的过滤器21。面罩12的本体16优选地是不可渗透的(不透气)，使得通过过滤器来吸取所有外部空气。面罩具有用于控制空气泵装置的控制器28。

所示的示例具有双向空气泵送。

空气通过吸气并在由空气泵装置所提供的辅助下被吸入到空气室18中。

在呼气期间，空气从空气室18被排出。在该示意性示例中，呼气穿过相同的空气泵装置并因此还穿过过滤器21(即使排出的空气不需要过滤)。

空气泵装置的操作优选地还与用户的呼吸循环一起定时。为此目的，提供压力传感器24，其用于测量空气室18内部的压力抑或用于测量空气室的内部与外部之间的压差。

在辅助吸气和/或辅助呼气以及不同的过滤器设计的情况下，各种面罩设计是可能的。当存在辅助吸气和辅助呼气两者时，可以存在单个空气泵装置，或者可以存在分开的吸气型空气泵和呼气型空气泵。

当用户呼出时，呼出的空气流通常具有37摄氏度的体温和100％相对湿度。当冷的环境空气被吸入时，这导致冷凝。

本发明提供一种空气热交换器26，其用于将来自从面罩室呼出的空气的热量转移至被吸入到面罩室中的空气。如下文进一步解释的，空气热交换器包括：第一组空气流动通道，其与过滤器21串联，以用于将过滤后的外部空气提供给面罩体积；以及不同的第二组空气流动通道，其用于将空气从面罩体积排出到外部。排出的空气也可以穿过过滤器，或者第二组空气流动路径可以不穿过过滤器。两组流动路径被热耦合。通过在不同的通道中提供流，防止了两种空气流之间的混合，并且使流动通道之间的热耦合更有效成为可能。对吸入的空气的加热减少了面罩体积中的冷凝物，并且还通过防止吸入非常冷的环境空气来改善用户的舒适度。

过滤器和热交换器被设置在面罩本体的开口中。如上文所提到的，空气泵可以包括吸气型空气泵或呼气型空气泵或两者。

在冬季或甚至春季和秋季期间，由于温暖和潮湿的呼出的空气与进入的冷空气混合，在常规面罩中防止冷凝是不可能的。放出的空气充满水蒸气，水蒸气然后在面罩体积18内冷凝。

图2绘制了当室外空气处于10摄氏度和60％相对湿度(RH)(这是春季和秋季的典型温度条件)时相对于干燥空气的湿度比(kg/kg da)与温度的关系。三条图形线针对三个相对湿度值(60％、80％和100％)而示出了空气湿度作为温度的函数。

图线(plot)30示出了在单次吸气和呼气呼吸循环期间的不同时间的面罩内部条件，点32示出了加权平均值，其中加权基于针对呼吸循环中的每个点而穿过面罩腔的空气量。因此，它代表了面罩体积中的整体条件。点34示出了室外条件，且点36示出了人呼吸条件。

图2示出了面罩中的点32的加权平均条件是高于导致冷凝的100％饱和度(即，图表实线)的。

已知通过如下方式来力图解决这个问题：使用风扇系统将附加的通风提供到面罩中，以将空气吹进面罩中或者将空气从面罩中吸出。然而，这种通风存在问题，因为寒冷的通风的空气对于用户来说是不舒适的(因此只适用于夏天)，并且通风可能仍然不足以防止冷凝。

图3示出了通风不能彻底地减轻冷凝问题。就图2来说，图线30示出了在呼吸循环期间的面罩内部条件，点32示出了加权平均值，点34示出了室外条件，且点36示出了人呼吸条件。

面罩内部的空气的加权平均条件是偏向室外空气条件的。然而，即使是在风扇通风的这种水平下(设定为3倍于用户的呼吸量)，面罩内部的空气的加权平均条件也仍是高于100％RH饱和点的。如果室外条件更冷，例如在冬天，则问题甚至更加严重。

这种冷凝对于用户来说是不舒服的，并且阻止了用户佩戴面罩历时延长的时间。

在进入的空气进入面罩之前，空气热交换单元通过对其进行预加热来克服这个缺点。这通过从放出的空气中提取热量来实现。

图4示出了执行热交换功能的影响。首先，呼出的热空气将使进入到冷的热交换器中的水分冷凝。当热交换器26在面罩外部时，可以安全地处理掉水分。其次，热交换器26现在是温暖的，并且呼入的空气将通过可以感觉到的热转移(即，物相不变)被加热，因此降低了其相对湿度和其使残留于面罩体积中的湿热空气冷凝的能力。取决于热交换器的设计，还可以存在潜热转移(即，与相变相关联)。

点34再次示出了室外条件，且点36示出了人的呼吸条件。区域40是热交换器中存在对进入的空气进行加热的情形。

图4示出了外部空气通过热交换器被加热至最多37摄氏度。然而，随着热交换器冷却下来，进入面罩的最终的空气将处于室外条件。因此，进入的空气的平均温度(点32)将在37摄氏度与室外环境温度之间的中间位置(mid-way)。当该空气与呼出气(exhaledbreath)混合时，在面罩内部中的加权平均条件处于远低于可以防止冷凝的相对湿度下。

图5更详细地示出了面罩设计的一个示例。

图5更详细地示出了空气热交换器26。它包括3维平板，例如长方体。它具有第一外面21a和平行的第一内面21b，其中第一组流动通道是在第一外面21a与第一内面21b之间。在内侧面处存在吸气止回阀50。

存在第二外面21c和平行的第二内面21d，其中第二组流动通道是在第二外面21c与第二内面21d之间。在内侧面处存在呼气止回阀52。

第一面21a、21b垂直于第二面21c、21d。这种正交布置实现了用于热交换的最大接触。

该设计中的空气泵20是具有本地电池、风扇马达、风扇叶片和控制PCB的呼气风扇。

图5还示出了用于固持住面罩的带54和面罩密封件56。

图5的设计避免了空气直接流入脸部。入口空气将始终从侧面或从上方或从下方被引导到鼻子，这也改善了佩戴舒适度。

图6示出了空气热交换器的一种可能的设计。它包括导热壁60的网，空气流动通道被限定在这些导热壁之间。如图所示，网形成了正交的隔离通道，使得形成两个正交的流动路径62、64。

图7示出了备选热交换器设计，其被形成为以90度定向的波纹板65、66的堆叠并且经堆叠以形成正交的热交换通路62、64。顶部图像示出了两种类型的波纹层，且底部图像示出了堆叠可以包含许多个这样的层。存在通过这些层的壁的可以感觉到的热转移。通过允许H₂O潜热渗透(但阻挡CO₂通过)，还可以存在H₂O潜热转移。

用以形成热交换部件的多个层的结构材料优选地非常薄并且具有高的热容量，从而可以将热量从呼气通道转移到吸气通道。它还可以提供吸水性以减少可能的冷凝物，或者它还可以具有多孔结构以容纳冷凝水。例如，可以使用改性纸或凝胶，其可以将湿气以及热量从呼出的空气转移到供吸入的空气。可以使用例如用聚合物涂层改性的薄金属层。可以使用薄的材料(例如，数十或数百μm)，并且整个结构甚至可以是柔性的或可以折叠的，并且可以例如被固定在面罩上的框架上。

在这些设计中，第一组空气流动通道正交于第二组空气流动通道。这使流布置更容易形成，因为这些流动通道终止于不同的空间位置处。它还提供了改善的热耦合。可以利用空气热交换器与一个或多个风扇相组合的这种设计来形成图5中所示的装置。因此，热交换器包括形成一组通道的薄层。

代替正交通道的是，可以存在平行通道。例如，奇数通道可以被连接到一个空气泵(它可以再次是风扇)，且偶数通道可被连接到另一个空气泵(它可以再次是风扇)。备选地，可以仅存在一个风扇。然后，入口空气流和出口空气流可以是沿相反的方向。热量将从呼出的空气转移到相邻通道中的供吸入的空气，而没有直接接触和污染。

图8以泵通道80的蜂窝状阵列形式示出了备选空气泵装置20。这提供了紧凑的微型泵装置。泵通道80可以是可以独立控制的或分组控制的。通道80被示为平行的，并且它们可以再次被分组为行和列。

每个泵通道80可以具有可控制的泵流动方向。因此，单个泵通道装置既充当吸气(入口)泵，又充当呼气(排气)泵。可以仅存在被控制为在呼气期间提供外向流(如由控制器28所确定的)的泵通道以及仅存在被控制为在吸气期间提供内向流的泵通道，但在不同的流动通道处也可以同时存在外向流和内向流。

如图8中示意性地所示，蜂窝的每个小室(cell)包括单独的泵小室，并且它们可以分开地控制或被连接以便于简单实现。一个简单的示例是，用于小室的控制端子在每一行中被连接在一起，并且分开控制不同的行。例如，可以同时控制第1、2、3和4行，以使这些行用作进气单元，而可以同时控制第5、6、7和8行作以作为排放单元。每一行将具有连接到控制器28的若干条线(例如，3条)。

通常，一个端子被连接到正电压，另一个端子被连接到负电压，且第三端子被连接到控制电压，该控制电压可以是正的或负的。

通过切换第三端子，每个单一小室的隔膜通过静电吸引和静电排斥而朝向第一端子或第二端子移动。这产生了期望的微流。通过控制被施加到第三端子的信号序列，得以控制流速，并且通过切换第一端子和第二端子，还可以控制流的方向。

为获得完整的实现，每个小室可以存在多于三个的端子，以实现更好的性能。每个通道之间存在绝缘层。

举例来说，每个小室是六边形的，其中第一端子和第二端子在相对的面上，且第三端子被布置成在它们之间移动。

在该示例中，泵通道全部是平行的，但是代替地可以存在具有不同方向的泵通道。微型泵和热交换器可以形成为组合单元，其中通道用于微型泵操作以及用于热交换。

流动通道中的至少一些可以包括干燥剂，特别是至少在一些时间点用于呼出流的流动通道。这用于从呼出的空气提取水分并由此为热耦合产生附加的热量。也可以使用其他功能层来进一步净化空气。特别地，在非常寒冷的天气，将总是发生冷凝，因为从呼出的空气转移的热量不足以使供吸入的空气变热。干燥剂从呼出的空气中吸收湿气并产生热量，该热量可以更好地使供吸入的空气变热，而没有任何额外的能量输入，且进一步减少了来自呼出的空气的冷凝物。

如果环境空气非常干燥，则供吸入的空气可以是潮湿的。如果存在来自呼出的空气的冷凝物，并且各层之间的结构材料吸水，则所泵入的环境空气的湿度将增加，这也可以减少来自干燥空气的刺激。

当使用微型泵设计时，可以将热交换部件制得更小且热交换效率更高。单个微型泵通道具有非常小的尺寸(例如，50μm)，并且可以使用数百个或数千个单个微型泵通道的阵列来为人呼吸提供足够的空气流。单个微型泵通道可以形成为任何图案，并且可以通过切换泵送方向而在两个空气流方向之间交替。

热交换部件可以在相同的阵列结构中被结构化，或者与微型泵阵列集成在一起(或者微型泵通道可以利用热交换材料而扩展)。由于通道的尺寸小，因此与平行层的结构相比，极大地扩大了较热空气与较冷空气之间的接触面积。

图9示出了平行通道以及热交换器的布置，这些平行通道可以形成微型泵装置。浅阴影的通道被配置成用于呼气流(即，从热到冷)，且深阴影的通道被配置成用于吸气流(从冷到热)。两个通道组中的流动是沿相反的方向。在图9A中，包含较热空气的通道被冷通道包围，使得热量以较高的效率从一个热通道转移到一组进行包围的较冷通道。

由于微型泵的双向功能，在某些条件下可以采用另一种选项，特别地通过反转所选通道的泵送方向以实现更好的性能。

例如，当使用干燥剂或其他功能层来吸收冷凝物并产生热量时，该层可能在饱和时需要再生。例如，如果图9A中的深阴影的通道达到吸附饱和，则可以将泵送方向改变为图9B中所示的构型，在该构型中，呼出的空气通道穿过先前形成吸气通道的两个通道。待再生的通道用于吸取供吸入的空气。以这种方式，通道7和通道9中的化学物质可以继续具有水分减少功能，并且通道1、通道3、通道5、通道11、通道12中的化学物质可以通过较冷和较干燥的空气进行再生。

以这种方式，面罩的控制器可以控制泵通道，以利用可动态控制的第一泵通道和第二泵通道沿可选择的方向来提供泵通道流。控制器控制流动方向以实现所需的干燥剂再生。

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”不排除其他要素或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。在互不相同的从属权利要求中叙述某些措施的仅有事实并不指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均不应被解释为限制范围。

Claims (15)

1.一种呼吸面罩，包括：

面罩本体(12)，用于覆盖用户(10)的鼻子和/或嘴部，由此限定面罩室(18)；

过滤器(21)；

空气泵(20)，用于使所述面罩室(18)通风；以及

空气热交换器(26)，用于将来自从所述面罩室(18)呼出的空气的热量转移至被吸入到所述面罩室(18)中的空气，

其中所述空气热交换器(26)包括：第一组空气流动通道，与所述过滤器(21)串联，以用于将过滤后的外部空气提供给所述面罩体积(18)；以及不同的第二组空气流动通道，用于将空气从所述面罩体积(18)排出到外部，并且借以防止两种空气流之间的混合；以及在所述第一组空气流动通道与所述第二组空气流动通道之间的热耦合件。

2.根据权利要求1所述的呼吸面罩，其中所述面罩本体(12)是不可渗透的，并且具有用于所述过滤器(21)和所述空气热交换器(26)的开口。

3.根据权利要求1或2所述的呼吸面罩，其中所述空气泵(20)包括：

吸气型空气泵；或者

呼气型空气泵；或者

吸气型空气泵和呼气型空气泵。

4.根据前述权利要求中的任一项所述的呼吸面罩，其中所述第一组空气流动通道中的通道正交于所述第二组空气流动通道中的通道。

5.根据权利要求4所述的呼吸面罩，其中所述空气热交换器(26)包括：

第一外面和平行的第一内面，其中所述第一组流动通道是在所述第一外面与所述第一内面之间；以及

第二外面和平行的第二内面，其中所述第二组流动通道是在所述第二外面与所述第二内面之间，所述第一面垂直于所述第二面。

6.根据权利要求5所述的呼吸面罩，其中所述过滤器(21)被设置在所述第一外面处。

7.根据权利要求5或6所述的呼吸面罩，其中所述空气泵(20)包括：

在所述第一外面处的空气泵(20)；或者

在所述第二外面处的空气泵(20)；或者

在所述第一外面处的第一空气泵和在所述第二外面处的第二空气泵。

8.根据前述权利要求中的任一项所述的呼吸面罩，其中所述空气热交换器(26)包括导热壁的网，所述空气流动通道被限定在所述导热壁之间。

9.根据权利要求8所述的呼吸面罩，其中所述空气热交换器(26)包括波纹层的堆叠。

10.根据前述权利要求中的任一项所述的呼吸面罩，其中所述空气泵(20)被联接到所述空气热交换器(26)。

11.根据前述权利要求中的任一项所述的呼吸面罩，其中所述空气泵(20)包括微型泵，所述微型泵包括泵通道的阵列。

12.根据权利要求11所述的呼吸面罩，还包括控制器，所述控制器适于控制所述泵通道以沿可选择的方向提供泵通道流，其中所述控制器适于将第一泵通道配置为具有第一流动方向，以形成所述第一组空气流动通道，并将第二泵通道配置为具有第二流动方向，以形成所述第二组空气流动通道。

13.根据权利要求12所述的呼吸面罩，其中所述控制器适于将所述第一泵通道配置成包围所述第二泵通道。

14.根据前述权利要求中的任一项所述的呼吸面罩，其中所述泵通道中的至少一些包括干燥剂，并且其中所述控制器适于控制所述流动方向以实现所述干燥剂的再生。

15.根据权利要求11至14中任一项所述的呼吸面罩，其中所述微型泵和所述空气热交换器(26)包括共享的通道阵列。

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