主动通气系统和包含主动通气系统的设备
技术领域
本公开内容总体涉及用于在覆盖穿戴者的鼻和脸的防护装备和呼吸设备(诸如,面罩、头盔等)中使用的主动通气系统(AVS)。更特别地,本发明涉及具有用于在每个呼吸周期内有效地移除呼出空气的主动通气系统的呼吸设备。
背景技术
覆盖穿戴者的鼻和脸的防护装备和呼吸设备(诸如,面罩、头盔等)在其运行期间需要通气系统以移除它们内部的温暖且潮湿的呼出空气。该通气系统可具有或不具有强制通气。
US 20110083255公开了一种用于具有空气通气开口的运动头盔的通气系统,其中至少一些所述通气开口具有至少部分地覆盖所述通气开口的盖。通过绕旋转轴的倾斜,所述盖部分地或完全地释放所述通气开口。当致动盖时,该盖的一端被提升到周围的头盔表面以上,同时该盖的另一端被降低到周围的头盔表面的水平面以下。因此,将运动头盔内部的空气排出是通过使用者致动该盖,而不是通过强制通气。
N95面罩和呼吸器被用作针对空气污染物(诸如,雾霾和流感)的防护装备。市面有售的不具有强制通气的产品被分类成两个主要类别:一次性使用的可弃置的呼吸器,以及具有可拆卸的过滤器暗盒的可重复使用的呼吸器。这些不具有强制通气的产品通常具有单向集成阀(被动阀)以允许呼出空气逸出。然而,这些被动阀在移除温暖且潮湿的呼出空气时的功效高度地依赖于呼吸深度和压力。
通常,由于单向阀的有限的窗口,呼出空气被强制通过过滤器离开。当温暖的呼出空气流经冷过滤器时,温暖的呼出空气中的水分冷凝,从而部分地或完全地阻塞过滤器中的空气通道。空气通道的尺寸的减少直接使空气阻力增加,空气阻力增加导致呼吸困难。此外,缺乏适当的呼出路径导致热且潮湿的呼出空气在呼吸器的主体内循环,因此引起使用者的不适。
为了克服此问题,具有强制通气或由风扇和/或鼓风机提供动力的空气供应的呼吸器是可用的。这些设备被设计成供应最高达800L/min的大的空气流以适合个人的呼吸需要。这些产品通常是体积大的且需要大的的动力供应以维持长时间的空气流和压力。为满足空气流高速率,该动力供应通常是外部的且不是呼吸器主体的一部分。因此,这些产品不适合于普通大众的日常使用。
因此,需要这样一种主动通气系统:当将该主动通气系统纳入到呼吸设备或防护装备中时,该主动通气系统可以被舒适地用于长时间的用途,且适合于普通大众。另外,要求这样的设备应当将热且潮湿的导致穿戴者不适的呼出空气对脸部的接触最小化,且具有在每个呼出周期内排出热和湿气的有效的装置。
发明内容
提供以下发明内容以便于理解所公开的实施方案独有的一些创新特征,且非旨在完整描述。通过将整个说明书、权利要求书、附图和摘要作为整体考虑,能够获得对本文公开的实施方案的多个方面的充分理解。
因此,公开的实施方案的一个目的是提供一种用于将空气从覆盖嘴和鼻的设备排出的主动通气系统,所述主动通气系统包括:电源;耦合到该电源的鼓风机;以及耦合到该鼓风机的电子设备或印刷电路板,其中该鼓风机通过该电子设备或印刷电路板接通或关闭,以将呼出空气从呼吸器主体排出。
因此,公开的实施方案的一个目的是提供主动通气,其中鼓风机是微型风扇。
因此,公开的实施方案的一个目的是提供主动通气系统,其中电子设备或印刷电路板触发用于该鼓风机的合适的控制信号,以调节空气流的速度和量。
因此,公开的实施方案的一个目的是提供主动通气系统,其中主动通气系统在整个使用时段维持接通。
因此,公开的实施方案的一个目的是提供主动通气系统,其中主动通气系统在使用后被手动关闭。
因此,公开的实施方案的一个目的是提供主动通气系统,其中电源是可拆卸的且可充电的电源。
因此,公开的实施方案的一个目的是提供主动通气系统,其中电源是借助于到电气主干线的电气线或电缆供应。
因此,公开的实施方案的一个目的是提供主动通气系统,其中电源能够在该主动通气系统仍运行时通过到移动电源(power bank)的USB微型电缆再充电。
因此,公开的实施方案的一个目的是提供主动通气系统,其中在该主动通气系统在使用中时能够对该电源充电。
因此,公开的实施方案的一个目的是提供呼吸设备,包括:呼吸器主体,其覆盖穿戴者的脸和嘴以形成与环境空气密封的相对封闭的区域;至少一个第一过滤器,被整合布置在该呼吸器主体内,用于过滤吸入空气;以及至少一个主动通气系统,在功能上被耦合到该呼吸器主体,其中该主动通气系统运行以将空气从该呼吸器主体排出,其中该主动通气系统包括:电源;鼓风机,被耦合到该电源;以及电子设备或印刷电路板,被耦合到该鼓风机,其中该鼓风机通过该电子设备或印刷电路板接通或关闭,以将呼出空气从呼吸器主体排出。
因此,公开的实施方案的一个目的是提供呼吸设备,还包括至少一个空气引导器(air guide),该空气引导器被放置在该主动通气系统的周围且围绕穿戴者的鼻和嘴区域以导引和分开呼出空气和吸入空气。
因此,公开的实施方案的一个目的是提供呼吸设备,其中该空气引导器以倾向于人体工程学面部轮廓倾斜的角度被定位,以移除过量的呼出空气。
因此,公开的实施方案的一个目的是提供呼吸设备,还包括在该空气引导器和该呼吸器主体的底座之间的至少一个间隙,以在过量的呼出空气未通过该主动通气系统被排出的情况下允许过量的呼出空气逸出。
因此,公开的实施方案的一个目的是提供呼吸设备,其中该主动通气系统被附接到具有膜的单向控制阀,以持续防止环境空气通过鼓风机入口或出口进入到该呼吸器主体内。
因此,公开的实施方案的一个目的是提供呼吸设备,其中该具有膜的单向控制阀被附接到该鼓风机的入口或出口。
因此,公开的实施方案的一个目的是提供呼吸设备,其中该主动通气系统被附接到第二过滤器以防止环境空气进入该呼吸器主体。
因此,公开的实施方案的一个目的是提供呼吸设备,其中第二过滤器被附接到该鼓风机的入口或出口。
因此,公开的实施方案的一个目的是提供呼吸设备,其中该主动通气系统被附接到一个闸(latch),以防止环境空气进入该呼吸器主体。
因此,公开的实施方案的一个目的是提供呼吸设备,其中该闸被附接到该鼓风机的入口或出口。
因此,公开的实施方案的一个目的是提供呼吸设备,其中该闸嵌有传感器,当该主动通气系统的动力耗尽时,该闸自动地关闭。
因此,公开的实施方案的一个目的是提供呼吸设备,其中该闸是通过使用者手动关闭的,以阻塞该鼓风机开口。
因此,公开的实施方案的一个目的是提供呼吸设备,其中该呼吸器主体、该主动通气系统和该空气引导器可一起折叠成口袋尺寸。
因此,公开的实施方案的一个目的是提供呼吸设备,其中该呼吸器主体是可弃置的或可重复使用的。
因此,公开的实施方案的一个目的是提供呼吸设备,其中该呼吸器主体是部分地或全部地覆盖穿戴者的脸的空气过滤呼吸器。
因此,公开的实施方案的一个目的是提供呼吸设备,其中该呼吸器主体是空气净化呼吸器。
因此,公开的实施方案的一个目的是提供呼吸设备,其中该呼吸器主体是逃生面罩。
因此,公开的实施方案的另一个目的是提供呼吸设备,该呼吸设备是特别轻重量的、紧凑的且廉价生产的,且利用超低功率的微型鼓风机。
结合以实施例的方式例示本发明的原理的附图,本发明的其他方面和优点将从以下详细描述变得明了。
附图说明
当结合附图阅读时,将更好地理解例示性实施方案的以上发明内容以及以下具体实施方式。出于例示本公开内容的目的,在附图中示出了本公开内容的示例性构造。然而,本公开内容不被限制于本文公开的特定方法和工具。在任何可能的情况下,相同的元件已经由同样的数字指示。
图1A-1B是呼吸设备的侧视图的示例性例示;
图2是图1的呼吸设备的侧视图的示例性例示,示出在呼出阶段空气流的方向;
图3是具有主动通气系统、空气引导器和过滤器的呼吸设备的俯视立体视图的示例性例示;
图4是呼吸设备内的空气引导器的立体视图的示例性例示。
图5是主动通气系统的立体视图的示例性例示;
图6是呼吸设备的俯视立体视图的示例性例示,示出在呼出期间热空气区的形成;
图7是呼吸设备的俯视立体视图的示例性例示,示出在吸入期间凉空气区的形成;
图8是呼吸设备的俯视立体视图的示例性例示,示出具有过滤器的鼓风机的一个实施方案;
图9是具有单向控制阀的鼓风机的另一个实施方案的侧视图的示例性例示;以及
图10是附接到闸的主动通气系统的另一个实施方案的侧视图的示例性例示。
具体实施方式
在这些非限制性实施例中讨论的特定配置可以被改变,且被引用只是为了例示至少一个实施方案且不旨在限制其范围。
本发明涉及一种主动通气系统,包括:电源;鼓风机,被耦合到该电源;以及电子设备或印刷电路板,被耦合到该鼓风机,其中该鼓风机通过该电子设备或印刷电路板接通或关闭,以将呼出空气从呼吸器主体排出。
当佩戴该呼吸器主体时,呼出喷嘴被阻塞,且空气受到再循环,导致该呼吸器主体内的热量、水分和二氧化碳增加。本发明的主动通气系统通过模仿呼吸的自然方式解决了此问题。该主体通气系统具有足够的动力以将呼出物排出,最多达1m远。因此,防止失效的空气在呼吸器主体内再循环。
本发明的主动通气系统不仅移除热量和水分,而且还移除二氧化碳。该主动通气系统可被适配到所有种类的防护装备(诸如,头盔)内。该主动通气系统还可被适配到逃生面罩上。逃生面罩通常被用于紧急情况,且覆盖整个头或进入任何呼吸设备内。该呼吸设备具有用于容易存储和可便携性的折叠机构。
图1A中描绘的呼吸设备100的一个实施方案示出呼吸设备100的侧视图。呼吸设备100包括:呼吸器主体102,其伴有一个或多个过滤器104和主动通气系统108。图1B例示根据本发明的另一个实施方案的呼吸设备100的侧视图,其中呼吸设备100还包括空气引导器106。图1A-1B中描绘的呼吸设备100的侧视图仅示出了一个过滤器104。过滤器104整合布置在呼吸器主体102的表面上,以便过滤通过呼吸器主体102的吸入空气。过滤器104可以是例如可弃置的或可替换的空气过滤器,且不限于由纸、泡沫塑料或纺织玻璃纤维制成。过滤器104可具有许多穿孔,空气在进入呼吸器主体102以前通过所述许多穿孔从而被过滤。在描绘的实施方案中,随同呼吸器主体102设置有两个过滤器104、一个空气引导器106和主动通气系统108,然而,有可能用多个这样的元件应用本发明的教导。应指出的是,图2-10是图1B的多个视图的例示。
如在图1B、图2和图4中示出的,空气引导器106被放置在呼吸器主体102的底座110附近,以导引来自鼻孔的呼出空气且将呼出空气与在鼻孔区域附近的吸入空气分开。作为一个实施例,空气引导器106是环形式的圆形形状且例如是由硅胶或柔性聚合物制成的。空气引导器106通过模制或热接合附接到呼吸器主体102的内侧。
在如图1A-1B和图3中示出的描绘的实施方案中,主动通气系统108还被放置在呼吸器主体102的底座110附近,使得主动通气系统108在空气引导器106的周界内。主动通气系统108被附着到呼吸器主体102的内部表面且被用来将呼出空气从呼吸设备100移除。主动通气系统108连同空气引导器106的布置便于在呼出周期期间移除呼出空气。主动通气系统108可在其整个运行期间维持接通,或它能够被定时以仅在呼出周期期间运行。在后者情况下,通过嵌入的传感器激活主动通气系统108。通过使用合适的控制信号控制设置在主动通气系统108中的微型鼓风机(在图5中解释的)可以调节空气流的速度和量。过滤器104、空气引导器106和主动通气系统108被定位以创建独立的空气区,使得吸入空气流经与呼出空气分开的区域且吸入空气不会与呼出空气混合。
图3例示了呼吸设备100的俯视立体视图。在呼吸器主体102中示出过滤器104、空气引导器106和主动通气系统108的定位。在一个实施方案中,空气引导器106被定位成恰在鼻孔以下,使得呼出空气直接下降到由空气引导器106界定的空间内。由于此定位,空气引导器106将呼出空气有效地导引到主动通气系统108内(图2中示出的箭头302),从而防止温暖的呼出空气被引导到呼吸器主体102的其他部分。因此,空气引导器106沿着呼出流创建了与呼吸器主体102的剩余部分隔离的温暖空气区(在图6中进一步描绘)。然后,通过主动通气系统108移除呼出空气。此外,间隙112(在图2和图4中示出)被设置在空气引导器106和呼吸器主体102之间,用于在主动通气系统108的速度不足够快的情况下使呼出空气逸出。间隙112还允许一些温暖的呼出空气沿着呼吸器主体102的侧暂时地逸出,而不是在碰撞呼吸器主体102的表面以后反射回到该面。
因此,在吸入周期期间,来自呼吸器主体102外部的环境空气流经空气过滤器104进入呼吸器主体102内的相对封闭的区域。内部空气引导器106和主动通气系统108在每个呼出周期期间有效地移除通常热且潮湿的呼出空气。
参照图4,公开了示出具有间隙112的空气引导器106的呼吸设备100的立体视图。空气引导器106被定位在呼吸器主体102的底座110附近,使得一个或多个间隙112被设置在呼吸器主体102和空气引导器106之间。在一个呼出周期期间,间隙112使空气改向到呼吸器主体102的其他区域。空气引导器106允许过量的温暖空气沿着呼吸器主体102的表面流动甚至快速地排出。空气引导器106创建了一个温暖的空气区,隔离于呼吸器主体102的剩余部分和皮肤。应注意的是,空气引导器106不接触脸且可以在呼吸器主体内成角度以捕获最多的呼出空气。此成角度的空气引导器106形成一个通道,用于使来自穿戴者的嘴和鼻的呼出空气进入主动通气系统108内。
已经在本发明的图5中公开了主动通气系统的一个实施方案。主动通气系统108具有壳体222,该壳体容纳电子设备或印刷电路板224、电源226、鼓风机228、以及任选地,传感器230。应注意,主动通气系统108的各个部件的其他放置方式是可能的且是在本发明的范围内的。电子设备224可以是处理单元,该处理单元控制主体通气系统108的各个部件的功能。替代地,仅对于鼓风机228一直接通的实施方案,电子设备224可以包括电池和电路。电子设备224被耦合到电源226、鼓风机228以及传感器230。鼓风机228是通过电源226(例如可再充电电池)运行的。可以以期望的时间间隔移除电源226和对电源226充电。根据本发明的一个实施方案,主动通气系统可以包括第二过滤器(未示出)。
鼓风机228通过电子设备或印刷电路板224接通或关闭,以将呼出空气排出。电子设备或印刷电路板224触发用于鼓风机228的合适的控制信号以调节空气流的速度和量。根据本发明的一个实施方案,主动通气系统108在整个使用时段内维持接通。主动通气系统108可以在使用后被手动关闭。
根据本发明的一个实施方案,电源226是可拆卸的且可充电的电源。
在一个实施方案中,供应电源226借助于到电气主干线的电气线或电缆。在另一个实施方案中,在主动通气系统仍运行时,通过到移动电源的通用串行总线(USB)微型电缆对电源226再充电。
在一个实施方案中,鼓风机228可以是提供例如0-25L/min的空气流的微型鼓风机或微型风扇。在一个呼出周期期间,鼓风机228允许呼吸器主体102内的主动空气交换。传感器230可以是例如压电传感器且被嵌入在呼吸器主体102的在鼻或嘴的前面的内部表面上以在每个呼吸周期期间感测呼出空气。传感器230进而与电子设备224通信,以控制鼓风机228的运行。此后,在每个呼吸周期期间,鼓风机228将呼吸器主体102有效地排空。在不存在传感器230的情况下,鼓风机228被设置为永久接通。
应注意的是,主动通气系统108中的鼓风机228可以是一系列不同的微型风扇,既可以是轴类型的又可以是离心类型的。在一个实施方案中,鼓风机228是轴类型的微型风扇,该轴类型的微型风扇从一个方向抽吸空气且在另一个方向沿着该风扇的轴排出。本发明的另一个实施方案使用离心类型的微型风扇。另一个实施方案使用鼓风机类型的离心微型风扇。离心微型风扇和鼓风机类型的离心微型风扇都从一个(或多个)方向抽吸空气,且通过另一个(或多个)方向排出。
在一个实施方案中,鼓风机228可以产生强制通气,以在每个呼吸周期内将过量的热量和湿气从鼓风机出口232排出。另外,用于鼓风机出路的开口234可以将呼出空气从呼吸器主体102排出。另外,在呼出空气离开呼吸器主体102以前,可将呼出空气通过任选的过滤器过滤。应注意的是,鼓风机228将由用户排放的空气(其为二氧化碳气体)连同热量和水分一起排出。
本发明在长时段期间大幅度提高了使用者的呼吸舒适度。传感器230驱动的鼓风机228是节能的,且消耗与常规系统相比显著更少的功率。此外,由于使用微型鼓风机/风扇,呼吸设备100是轻重量的、紧凑的且便携的。对于长时间逗留在具有空气污染或污化的恶劣环境中的使用者,本发明是理想的解决方案。
图6描绘了呼吸设备100在呼气阶段期间的功能。由于空气引导器106的有角度的定位,呼出空气集中在由空气引导器106围绕的区域内。空气引导器106将来自鼻孔的呼出空气导引在此区域中,且热空气区136被产生于呼吸器主体102的内部。图5中描绘的传感器230感测呼出空气,基于该感测,电子器件224激活鼓风机228。然后鼓风机228将呼出空气排出到大气,如箭头138描绘。
应注意到的是,呼出空气的大部分通过主动通气系统108而被排出。然而,排出的空气中的一些可以从间隙112选出,如箭头140描绘。当主动通气系统108的速度不足以将呼出空气完全排出时,间隙112允许过量的呼出空气逸出到呼吸器主体102侧面。
在吸入期间,如图7中示出的,洁净的空气通过过滤器104进入呼吸器主体102,如空气流144所描绘。这产生了呼吸器主体102内部的凉空气区146。在吸入期间,空气大多不通过鼓风机出口232进入,因为鼓风机228运行以将空气排出,从而不管怎样都防止灰尘颗粒通过鼓风机出口232进入。然而,在一个任选的实施方案中,为了防止外部灰尘颗粒通过鼓风机出口232(在图5中描绘)进入呼吸器主体102,如空气流142所描绘,可使用过滤器和单向阀,如图8-9中所描述。
图8描绘了一个实施方案,其中第二过滤器154被放置成横跨鼓风机吸入入口。当在吸入期间在反向方向148上正通过鼓风机出口232吸入空气时,第二过滤器154捕捉颗粒且防止颗粒进入呼吸器主体102。此实施方案具有的额外优点是,尽量减少呼吸器主体102内部的潮湿的空气被抽吸入鼓风机马达中,且尽量减少电子设备224在呼出期间的老化。应注意,第二过滤器154可被附接到鼓风机入口或出口,而不受限制。
在未使用第二过滤器154的情况下,鼓风机甚至在吸入期间排放空气。因此,因为鼓风机持续地排放空气,所以环境空气不进入到呼吸器主体102内。
图9示出了第二实施方案,其使用膜152运行单向控制阀。膜152允许空气通过鼓风机出口232流出,但是防止空气在相反的方向上进入。通过利用紧固件150将膜152附接到鼓风机出口232。应理解的是,多种机械装置允许膜被保持在鼓风机出口232的上方。应注意的是,具有膜的单向控制阀可被附接到鼓风机入口或出口,而不受限制。
图10示出另一个实施方案,其中主动通气系统108借助闸保持器161而被附接到闸160,以防止环境空气进入呼吸器主体102。闸160嵌有传感器,当主动通气系统108的动力耗尽时,该闸自动关闭。另外,如果需要,用户可以手动运行闸160以关闭从而阻塞鼓风机开口。应指出的是,闸160可以被附接到鼓风机入口或出口,而不受限制。
从上文,应注意的是,定位在呼吸器主体102的底部处的空气引导器106连同主动通气系统108产生用于将呼出空气从呼吸器主体102有效地排出的专用路径。事实上,由于过滤器104、空气引导器106和主动通气系统108所描述的定位而形成专用路径。吸入空气流经与呼出空气分开且不与呼出空气混合的区域,该区域形成独立的空气区。
另外,主动通气系统108可以被适配且被附接到任何呼吸器或防护装备。呼吸器主体可以使用,例如可弃置的N95呼吸器。在N95呼吸器的呼吸器主体中,可以切割一个开口且主动通气系统108可被附接到该开口。类似地,主动通气系统108可以被安装到其他呼吸器(可弃置的或非可弃置的两者均可)的呼吸器主体102上。可弃置的呼吸器可以是例如且不限于硅胶/橡胶呼吸器,全脸的或半脸的、具有过滤器或滤毒罐等的呼吸器。
通过以上描述,可以理解的是,具有主动通气系统和内部空气引导器的此呼吸设备可以为穿戴者提供经过滤的净化的空气,在每个呼吸周期内将呼出空气排放掉且排空呼吸器主体。由于呼吸器主体内的主动的空气交换,因此所有这些特征将为使用者提供改善的呼吸体验。
应理解的是,上文所讨论的变体以及其他特征和功能或其替代方案可以根据期望组合成许多其他不同的系统或应用。同样地,所附权利要求也应包含各种目前无法预料或无法预期且可以由本领域技术人员随后作出的替代方案、改型、变体或改进。
尽管已经非常详细地全面描述了当前公开内容的实施方案,以涵盖可能的方面,但是本领域技术人员将意识到本公开内容的其他版本也是可能的。