KR20120051735A - 전동식 공기 정화 호흡기를 제어하는 방법 - Google Patents

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Abstract

사용자(6)에게 실질적으로 균일한 체적 공기 유동을 전달하도록 전동식 공기 정화 호흡기 송풍기 시스템을 제어하는 방법은 (a) 주위 공기 밀도 또는 (b) 주위 공기 온도와 주위 공기 압력 중 하나를 결정하는 단계, 및 상기 결정 및 상기 적어도 2개의 교정 값에 응답하여 전기 모터(22)의 전기적 특성을 조정하는 단계를 포함한다. 전동식 공기 정화 호흡기 송풍기 시스템은 전기 모터(22)에 의해 동력을 공급받는 팬(21)을 포함할 수 있고, 모터는 사용자(06)에게 여과된 공기의 강제 유동을 전달하기 위해 전자 제어 유닛(23)에 의해 제어된다. 전자 제어 유닛(23)은 내부에 저장된 전기 모터(22)의 전기적 특성에 대한 적어도 2개의 교정 값을 포함할 수 있다. 시스템은, 전자 제어 유닛과 통신하도록 구성되고 (a) 주위 공기 밀도 또는 (b) 주위 공기 온도와 주위 공기 압력 중 하나를 결정하도록 배열되는 적어도 하나의 센서(26)를 포함할 수 있다.

Description

전동식 공기 정화 호흡기를 제어하는 방법{METHOD OF CONTROLLING A POWERED AIR PURIFYING RESPIRATOR}
본 발명은 전동식 공기 정화 호흡기(powered air purifying respirator, PAPR)에 사용하기 위한 송풍기 시스템(blower system) 및 송풍기 시스템을 제어하는 방법에 관한 것이다.
잠재적으로 건강에 해롭거나 위험한 먼지, 연기 또는 가스가 있는 것으로 알려져 있거나 이들이 있을 위험이 있는 영역에서 작업할 때, 작업자가 호흡기를 사용하는 것이 일반적이다. 그러한 환경에서 사용되는 통상적인 유형의 호흡기는 전동식 공기 정화 호흡기(PAPR)이다. PAPR은 호흡기 사용자에게 공기의 강제 유동(forced flow)을 전달하기 위해 전기 모터에 의해 동력을 공급받는 팬을 포함하는 송풍기 시스템을 구비한다. 터보 유닛(turbo unit)이 전형적으로 송풍기 시스템을 포함하는 하우징이며, 필터를 송풍기 시스템에 연결하도록 구성된다. 공기가 송풍기 시스템에 의해 필터를 통해 흡인되어 터보 유닛으로부터 호흡 튜브를 통해 헤드피스(headpiece), 예를 들어 헬멧(helmet) 또는 헤드톱(headtop)으로 통과되며, 그에 따라 여과된 공기를 사용자의 호흡 구역(그들의 코 및 입 주위의 영역)에 제공한다. PAPR을 위한 송풍기 시스템은 또한 팬을 구동하는 전력을 조절하기 위한 전자 제어 유닛을 포함할 수 있다. 전형적으로, 단일 전원 장치, 예를 들어 배터리가 팬 및 전자 제어 유닛 둘 모두를 위한 전력을 제공한다.
전자 제어 유닛은, 예를 들어 송풍기로부터의 실질적으로 균일한 체적 공기 유동을 유지하는 것을 목적으로 전기 모터로의 전력을 제어하기 위해 사용될 수 있다. "체적 공기 유동"이라는 용어는 임의의 한 번에 사용자에게 제공되는 공기의 질량과는 대조적으로, 임의의 한 번에 사용자에게 제공되는 공기의 체적을 나타낸다. 지정된 수준의 호흡 보호가 유지되는 것을 보장하기 위해 충분한 공기 유동이 사용자에 의해 요구된다. 그러나, 너무 높은 공기 유동은 헤드피스 내측의 사용자의 머리에 불편함과 과도한 냉각을 유발할 수 있다. 너무 낮은 공기 유동은 사용자의 호흡 구역 내로의 오염물의 유입을 유발할 수 있다. 전자 제어 유닛은 또한, 예를 들어 공기 유동이 지정된 수준 아래로 떨어지는 경우 사용자에게 경고하거나, 필터가 먼지로 막혀서 교체될 필요가 있을 수 있음을 사용자에게 경고하도록, 사용자에 대한 경보를 개시하기 위해 사용될 수 있다. 모터 전압, 모터 전류 및 모터 속도의 조합에 의존하여 PAPR 송풍기 시스템의 팬 모터로의 전력을 제어하는 것이 이전에 제안되었다. 그러한 유형의 송풍기 제어 시스템의 예가 미국 특허 출원 제2008/0127979호 및 미국 특허 제7,244,106호에 기술되어 있다.
미국 특허 출원 제2008/0127979호는 특정 모터 속도 및 각각의 공기 유동을 발생시키기 위한 제어 변수로서 펄스 폭 변조(pulse width modulation, PWM) 비를 사용하는 전자 제어 시스템을 기술한다. PWM 비는 전자 제어 시스템 내에 저장된 교정 곡선(calibration curve)으로부터 판독된다.
미국 특허 제7,244,106호는 모터의 전력 소비 및 팬의 속도를 검출하고 이를, 팬으로부터의 주어진 공기 유동을 위한 모터에 대한, 메모리 내에 저장된, 특성 곡선과 비교하는 제어 유닛을 기술한다. 이러한 특성 곡선으로부터 편차가 있는 경우, 제어 유닛은 모터에 공급되는 전압의 변화를 조절하여 일정한 공기 유동을 유지한다.
여과된 공기의 미리설정된 체적 공기 유동이 일반적으로, 호흡 구역 내로의 입자 또는 가스의 유입으로부터 소정 수준의 보호를 제공하기 위해 PAPR의 사용자에게 전달되도록 의도된다. 현재 입수가능한 시스템은 흔히, 너무 적은 공기가 제공되는 상황의 위험을 무릅쓰기보다는, 실제로 필요한 것보다 훨씬 더 높은 체적 공기 유동을 제공한다. 더 높은 공기 유동은 일반적으로 더 높은 공기 유동을 제공하기 위해 더 많은 전력이 소비되기 때문에 충전들 간의 배터리 수명이 감소되거나 더 큰 배터리가 요구된다는 것을 의미한다. 과도한 오염된 공기가 필터를 통해 이동되어 불필요한 여과 및 필터의 조기의 막힘 또는 포화로 이어지기 때문에 더 높은 공기 유동을 제공함으로써 필터 수명이 또한 감소된다. 필터는 소모품이고 PAPR의 수명에 걸쳐 다수회 교체를 필요로 하기 때문에, 이는 더 높은 유지비로 이어질 수 있다. 추가의 문제점은 많은 PAPR에서, 사용자에게 공기 유동이 미리설정된 수준 아래로 떨어졌다는 사실을 경고하는 저 공기 유동 경보가 요구된다는 것이다. 부정확한 공기 유동 측정 또는 제어 시스템이 사용되는 경우, 사용자가 항상 안전한 것을 보장하기 위해 흔히 인위적으로 높은 수준으로 경보 수준이 설정된다. 이는 이어서 필터가 너무 빈번하게 교환되게 하거나 사용자가 작업장을 불필요하게 벗어나게 하는 것으로 이어질 수 있다. 따라서, 특정 체적 공기 유동에서 공기 유동의 더욱 정확한 제어는 충전들 간의 개선된 배터리 수명 또는 더 소형이고 더 경량인 배터리의 사용, 개선된 필터 수명 및 조기 저 공기 유동 경보의 감소로 이어질 수 있다는 것을 알 수 있다. 이들 모든 인자는 또한 사용자의 개선된 생산성으로 이어질 수 있다. 따라서, PAPR의 전체적인 기능성을 유지 또는 개선하면서 이러한 문제점을 최소화하는 PAPR을 제어하는 방법을 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명은 사용자에게 실질적으로 균일한 체적 공기 유동(volumetric airflow)을 전달하도록 전동식 공기 정화 호흡기 송풍기 시스템을 제어하는 방법을 제공함으로써 이들 문제점을 해결하는 것을 목적으로 하고, 시스템은 사용자에게 여과된 공기의 강제 유동을 전달하기 위해 전자 제어 유닛(electronic control unit)에 의해 제어되는, 전기 모터에 의해 동력을 공급받는 팬(fan)을 포함하며, 전자 제어 유닛은 내부에 저장된 전기 모터의 전기적 특성에 대한 적어도 2개의 교정 값(calibration value)을 갖고, 방법은 (a) 주위 공기 밀도 또는 (b) 주위 공기 온도와 주위 공기 압력 중 하나를 결정하는 단계; 및 상기 결정 및 상기 적어도 2개의 교정 값에 응답하여 전기 모터의 전기적 특성을 조정하는 단계를 포함한다.
송풍기를 제어할 때 하나 이상의 주위 공기 특성을 고려함으로써, 사용자에게 전달되는 체적 공기 유동이 더욱 정확하게 제어될 수 있고, 따라서 PAPR의 더욱 양호한 기능성이 제공될 수 있다.
본 발명은 또한 전기 모터에 의해 동력을 공급받는 팬, 및 팬으로부터의 선택된 실질적으로 균일한 체적 공기 유동에 대한 팬의 속도와 인가된 모터 전기적 특성 사이의 미리설정된 상관 관계에 따라 모터의 전기적 특성을 조정하도록 작동가능한 전자 제어 유닛을 포함하는 공기 정화 호흡기 송풍기 시스템을 제공하고, 시스템은, 전자 제어 유닛과 통신하도록 구성되고 (a) 주위 공기 밀도 또는 (b) 주위 공기 온도와 주위 공기 압력 중 하나를 결정하도록 배열되는 적어도 하나의 센서를 추가로 포함하며, 전자 제어 유닛은 (a) 주위 공기 밀도 또는 (b) 주위 공기 온도와 주위 공기 압력의 결정에 응답하여, 팬으로부터의 선택된 실질적으로 균일한 체적 공기 유동을 유지하도록 모터의 전기적 특성을 조정하도록 작동가능하다.
본 발명의 다른 특징들은 첨부된 종속 청구항들로부터 명백해질 것이다.
단지 예로서, 본 발명의 실시예들이 첨부 도면을 참조하여 이하에서 설명될 것이다.
<도 1>
도 1은 전동식 공기 정화 호흡기의 개략도.
<도 2>
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 송풍기 시스템의 블록 다이어그램.
<도 3>
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 송풍기 시스템의 전자 제어 유닛을 위한 교정 도표.
<도 4>
도 4는 본 발명의 제2 실시예를 위한 공기 밀도와 팬 압력 사이의 상관 관계를 도시하는 도면.
<도 5>
도 5는 본 발명의 제2 실시예를 위한 팬 압력 측정 센서를 갖는 송풍기의 블록 다이어그램.
본 발명은 PAPR이 높은 고도 또는 해수면 아래에서 사용될 때 겪게 되는 전술된 문제점이 주위 공기 밀도의 변화에 의해 유발된다고 하는 인식에 기초한다. 주위 공기 압력, 및 그에 따른 주위 공기 밀도는 높은 고도 또는 해수면 아래에서 작업할 때 상당하게 변할 수 있다. 주위 공기 밀도의 변화는 또한 주위 공기 온도 또는 주위 공기 압력의 정상적인 변동으로부터 유발될 수 있다. 본 발명은 PAPR 사용자에게 전달되는 체적 공기 유동이 주위 공기 밀도를 고려함으로써 더욱 정확하게 제어되게 하고 그에 따라 PAPR의 더 양호한 기능성을 제공하는 것을 가능하게 한다. 이는 미리설정된 교정 절차에 따라 PAPR을 운전시키는 전기 모터의 전압, 전류 또는 전력과 같은 전기적 특성을 변화시킴으로써 이루어진다.
"주위"라는 용어는 사용자가 겪게 되는 공기 밀도, 온도, 압력 또는 습도를 설명하기 위해 본 명세서에서 사용된다. 주위 공기 밀도는, 예를 들어 주위 공기 압력, 주위 공기 온도 및 주위 공기 습도에 의해 영향을 받는다. 이들 인자 각각이 주위 공기 밀도에 영향을 주는 정도는 상이한데, 공기 압력이 일반적으로 가장 큰 영향을 갖는다. 공기 온도 및 습도가 더 적은 영향을 갖는 것으로 여겨지지만, 이들 인자가 주위 공기 밀도 및 체적 공기 유동을 결정할 때 여전히 고려될 수 있다.
"습도"라는 용어는 절대 습도, 비습도(specific humidity) 또는 상대 습도 중 임의의 것을 의미하도록 취해질 수 있다. 절대 습도는 특정 체적의 공기 중의 물의 양으로서 정의된다. 비습도는 공기에 대한 수증기의 비로서 정의된다. 상대 습도는 주어진 온도에서 물의 포화 증기압에 대한 공기 및 수증기의 기체 혼합물 중에서의 수증기의 분압의 비로서 정의된다. 절대 습도, 비습도 또는 상대 습도 값 중 임의의 것의 측정은 사용자의 선호도 및 주위 조건에 따라 적절하게 수행될 수 있다.
단지 예로서, PAPR이 예측가능하게 사용될 수 있는 범위에 대한 주위 공기 압력, 온도 및 습도의 영향은 다음을 포함한다:
주위 압력 - 대기압을 예컨대 해수면에서의 1100 mbar로부터 예컨대 해수면 위 2500 미터에서의 750 mbar로 변화시키는 것은 초기 공기 밀도의 대략 68%까지로의 공기 밀도의 감소를 일으킬 것이다.
주위 온도 - 공기 온도를 0℃로부터 최대 50℃까지 변화시키는 것은 초기 공기 밀도의 대략 84%까지로의 공기 밀도의 감소를 일으킬 것이다.
주위 습도 - 주위 습도, 즉 상대 습도(RH)를 0℃에서 0 %RH로부터 100 %RH까지 변화시키는 것은 초기 공기 밀도의 대략 99.7%까지로의 공기 밀도의 감소를 일으킬 것이고, 25℃에서는 초기 공기 밀도의 대략 98.8%까지로의 공기 밀도의 감소를 일으킬 것이며, 50℃에서는 초기 공기 밀도의 대략 96.5%까지로의 공기 밀도의 감소를 일으킬 것이다.
따라서, 단지 주위 공기 압력에 기초하여 공기 밀도 보상을 적용하는 것이 상당한 편차 및 부정확성을 보상할 수 있다. 압력 및 온도 둘 모두에 기초한 보상은 정확성을 한층 더 개선한다. 습도, 온도 및 압력에 기초한 보상은 최상의 가능한 정확성을 제공하지만, 온도 및 압력보다 단지 근소하게 양호하다.
이하에 기술되는 각각의 실시예는 도 1에 도시된 바와 같은 터보를 채용한다. 도 1은 전동식 공기 정화 호흡기의 개략도이다. PAPR은 헤드피스(1), 터보 유닛(2), 호흡 튜브(3), 필터(4) 및 벨트(5)를 포함한다. 헤드피스(1)는 사용자(6)의 머리에 착용된다. 이것은 호흡 구역(7), 즉 사용자의 코 및 입 주위의 영역을 형성하도록 적어도 부분적으로 사용자(6)의 머리를 에워싸서, 여과된 공기가 이러한 호흡 구역(7) 내로 지향되게 한다. 터보 유닛(2)은 벨트(5)에 부착되어 사용자의 몸통 주위에 고정되는 것을 가능하게 할 수 있다. 터보 유닛(2)은 송풍기 시스템(도시 안됨)을 수용하며, 이는 팬(역시 도시 안됨)을 사용하여 PAPR 시스템을 통해 공기를 흡인한다. 터보 유닛(2)은 터보 유닛(2)의 출구(8)와 헤드피스(1)의 입구(9) 사이에 연결된 호흡 튜브(3)를 통해 공기를 헤드피스(1)에 공급한다. 터보 유닛(2)에는 필터(4)가 설치되며, 이는 필터(4)가 공기 유동 경로 내에 있도록, 바람직하게는 송풍기의 팬 개구의 상류에 배치되도록 터보 유닛 내측에 있거나 도 1에 도시된 것과 같이 터보 유닛에 부착될 수 있다. 필터(4)를 제공하는 목적은 공기가 사용자(6)에게 전달되기 전에 주위 공기로부터 입자 및/또는 가스 및/또는 증기를 제거하는 것이다. 터보 유닛(2)에 설치되는 배터리 팩(10)은 전자 제어 유닛(23) 및 모터(22)(이하에 논의되는 바와 같이 둘 모두 도 2에 도시됨)에 전력을 제공한다.
하기는 본 발명의 제1 실시예에 따른 송풍기 시스템이 어떻게 작동될 수 있는지를 예시한다. 하기의 예에서, PAPR의 구조적 구성요소는 도 1 및 도 2를 참조하여 전술된 바와 같은 것으로 간주될 수 있다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 송풍기 시스템의 블록 다이어그램을 도시한다. 이러한 송풍기 시스템은 도 1에 예시된 터보 유닛(2) 내에 수용된다. 본 발명의 이러한 실시예에 따르면, 송풍기(20)는 입구(18) 및 출구(19)를 갖는 하우징(17)을 포함한다. 송풍기(20)는 모터(22)에 의해 구동되는, 복수의 블레이드(16)를 갖는 팬(21)을 추가로 포함한다. 송풍기(20)는 모터(22)에 제공되는 전력을 조절하는 전자 제어 유닛(23)에 의해 제어된다.
사용자(6)가 흡입할 때 사용자(6)가 쉽게 정상적으로 호흡하기 위해 충분한 여과된 공기가 이용가능하도록, 그리고 잠재적으로 오염된 주위 공기가 흡입되지 않도록, 미리설정된 실질적으로 균일한 체적 공기 유동이 사용자의 호흡 구역(7)에 공급되는 것이 바람직하다. 실질적으로 균일한 체적 공기 유동은 바람직하게는, 원하는 또는 미리설정된 공기 유동으로부터의 편차가 -5 내지 +15 리터/분의 범위인 공기 유량이지만, 이에 제한되지 않는다.
특정 체적 공기 유량에서 실질적으로 균일한 체적 공기 유동을 달성하기 위해, 공기 유동이 알려져 있어야 하거나 다양한 작동 파라미터와 요구되는 공기 유동 사이의 상관 관계가 알려져 있어야 한다. 별도의 공기 유동 센서를 사용함으로써 체적 공기 유동을 모니터링하는 것이 가능하다. 그러나, 본 발명에서, 팬 또는 모터 속도, 모터 전압, 모터 전류 및 모터 전력을 포함하는 팬(21)과 모터(22)의 다양한 작동 파라미터가 이하에 기술되는 것과 같이 체적 공기 유동을 결정하는 데 사용될 수 있다는 것이 인식되었다.
도 2를 추가로 참조하면, 송풍기 시스템은 헤드피스(1)로의 실질적으로 균일한, 바람직하게는 일정한 체적 공기 유동을 유지하는 기능을 하는 전자 제어 유닛(23)을 포함한다. 전자 제어 유닛(23)은 정보를 계산하기 위한, 단일 칩 마이크로컨트롤러(single chip microcontroller)와 같은 마이크로프로세서 소자(24); 정보, 예를 들어 교정 데이터를 저장하기 위한, 플래시(flash) RAM과 같은 메모리 소자(25); 모터 전류 센서 및 팬 속도 센서와 같은 센서로부터 데이터를 수신하기 위한 센서 입력 수신기(26a, 26b, 26c); 및 PAPR 내에 포함될 수 있는, 버저(buzzer) 또는 발광 다이오드와 같은 임의의 경보 또는 상태 표시기 및 모터(22)에 전력을 제공하기 위한, 펄스 폭 변조 제어기 칩과 같은 출력 제어기(27)를 포함한다. 전자 제어 유닛(23)의 메모리 소자(25)는 2개의 부분, 즉 고정 메모리 및 임시 메모리를 갖는다. 고정 메모리는, 마이크로프로세서(24)가 그의 계산 및 절차를 수행하는 것을 가능하게 하기 위한 알고리즘과 프로그램, 및 공장 교정 절차로부터의 교정 정보를 포함하는, 예를 들어 제조 시의 데이터로 채워져 있다. 임시 메모리는 터보 유닛(2)의 시동 및 운전 동안 수집되는 센서 판독치 및 팬 작동 파라미터 데이터와 같은 데이터 및 정보를 저장하는 데 사용된다. 필요할 경우, 이러한 데이터는 터보 유닛(2)의 전원이 꺼질 때 지워질 수도 있다.
3상 방형파 무브러시 직류 모터(three-phase square-wave, brushless, direct current motor)(22)가 송풍기(20)의 팬(21)을 구동하는 데 사용될 수 있다. 이하의 방정식들, 즉 수학식 1, 수학식 2 및 수학식 3은 잘 알려져 있으며, 그러한 모터의 주요 파라미터들 사이의 관계를 나타낸다.
[수학식 1]
Figure pct00001
[수학식 2]
Figure pct00002
[수학식 3]
Figure pct00003
Figure pct00004
전술된 바와 같이, 송풍기(20)는 필터(들)(4)를 통해 공기를 이동시키고 이를 사용자(6)에게 전달하는 데 사용되는 팬(21)을 포함한다. 도면에 예시된 팬(21)은 원심 또는 레이디얼(radial) 팬으로 흔히 알려진 유형의 것이고, 이는 공기가 팬 축의 방향으로 팬에 진입하여 팬에 대해 반경 방향으로 진출하는 것을 의미한다.
이하의 팬 법칙 방정식들은 팬 속도 및 공기 밀도가 변화될 때 팬(21)의 성능이 어떻게 변화하는지를 나타낸다.
[수학식 4]
Figure pct00005
[수학식 5]
Figure pct00006
[수학식 6]
Figure pct00007
[수학식 7]
Figure pct00008
Figure pct00009
실질적으로 균일한 체적 공기 유동을 유지하기 위해 교정 지점의 팬 속도 성분은 변화되지 않고 유지되어야만 한다는 것을 방정식, 즉 수학식 4로부터 알 수 있다.
[수학식 8]
Figure pct00010
또한, 방정식들, 즉 수학식 1, 수학식 2, 수학식 3 및 수학식 6을 조합하는 것은 공기 밀도가 변화할 때 교정 지점의 인가된 모터 전압 성분이 어떻게 이동하는지를 나타낸다.
[수학식 9]
Figure pct00011
[수학식 10]
Figure pct00012
Figure pct00013
결론으로서, 주위 공기 밀도의 변화를 보상하기 위해 교정 지점의 팬 속도 성분이 변화될 필요가 없다는 것을 알 수 있다(방정식, 즉 수학식 8 참조). 그러나, 방정식들, 즉 수학식 9 및 수학식 10에 따르면, 교정 지점의 인가된 모터 전압 성분은 주위 공기 밀도가 변화할 때 변화될 필요가 있다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 송풍기 시스템의 전자 제어 유닛을 위한 교정 도표를 도시한다. 이는 실질적으로 균일한 체적 공기 유동을 결정하기 위한 절차 동안 사용된다. 전자 제어 유닛(23)은 팬 속도와 인가된 모터 전압 사이의 직접적으로 비례하는 관계를 나타내는 교정 도표(30)를 참조한다. 미리설정된 실질적으로 균일한 체적 공기 유동이 2개의 교정 지점, 즉 높음(high)(31) 및 낮음(low)(32)에 의해 표시된다. 각각의 교정 지점은 인가된 모터 전압 및 팬 속도에 대한 정보를 포함한다. 실질적으로 균일한 체적 공기 유동을 유지하기 위해, 예를 들어 필터(들)(4)가 점진적으로 먼지와 연기로 막히고 그에 따라 송풍기(20)의 성능이 변화함에 따라, 전자 제어 유닛(23)은 2개의 교정 지점들(31, 32) 사이의 선(33)을 따라 추적한다. 이는 룩 업 테이블(look up table) 또는 다른 데이터 어레이를 사용하여 행해질 수 있다. 전자 제어 유닛은 미리설정된 체적 공기 유동을 유지하기 위해, 센서(28)를 사용하여 팬 속도를 측정하고, 이를 교정 선과 비교하고, 이어서 적절한 모터 전압(29)을 인가한다.
본 발명에서, 교정 지점 및 그에 따른 추적 선이 하나의 특정 공기 밀도에 대해 최적이라는 인식이 이용된다. 공기 밀도를 측정함으로써, 교정 지점은 실제 공기 밀도를 고려하여 실질적으로 균일한 체적 공기 유동을 유지하도록 적절하게 이동될 수 있다.
팬 속도는 주어진 시간에서의 팬(21)의 회전수를 측정하는, 송풍기(20)에 설치된 센서(28)에 의해 측정된다. 다른 유형의 센서가 사용될 수 있지만, 팬 속도를 측정하기 위한 적합한 유형의 센서는 홀 효과(Hall effect) 소자일 것이다. 팬 속도 정보는 전자 제어 유닛(23)의 마이크로프로세서 소자(24)에 의해 수신된다. 전기 모터(22)에 인가된 전압(27)은 전자 제어 유닛(23)의 마이크로프로세서(24)에의 입력(26)에 의해 직접 모니터링된다.
주위 온도와 주위 압력을 측정하기 위한 센서가 주위 공기 밀도를 결정하는 데 사용될 수 있다. 주위 압력과 온도 둘 모두를 측정하기 위한 적합한 저가의 센서는 핀란드 FI-01621 반타 소재의 브이티아이 테크놀로지스 오와이(VTI Technologies Oy)에 의해 제조된 SCP1000 시리즈의 센서로부터의 고상(solid state) 유형 센서이다. 그러한 온도 및 압력 센서는 별개의 공기 유동 센서보다 저렴하고 더 광범위하게 이용가능하며 더 신뢰성 있고 위치설정하기에 쉽다. 대안적으로, 필요할 경우 분리된 온도 및 압력 센서가 또한 사용될 수 있고; 대기 온도 또는 압력을 측정할 수 있는 대부분의 고상 온도 및 압력 센서가 적합할 것이다.
온도 및 압력 센서(29)는 바람직하게는 터보 유닛(2) 내에 배치된다. 센서가 대기에 대해 개방되도록 하우징이 밀봉되지 않는 것이 중요하다. 센서(29)의 위치는 송풍기(20) 또는 전자 제어 유닛(23)의 임의의 다른 부분에 의해 심각하게 영향을 받지 않도록 선택되어야 한다. 이는 다른 송풍기 구성요소의 작동에 의해 유발되는 사용 동안의 온도의 변동을 방지하기 위한 것인데, 그 이유는 이러한 것이 잘못된 주위 온도 측정치를 제공할 수도 있기 때문이다. 센서(29)는 사용 동안 가압되거나 감압되는 터보 유닛(2)의 영역 내에 위치되지 않아야 하는데, 그 이유는 이러한 것이 또한 틀린 측정치를 발생시킬 것이기 때문이다.
하기의 단계는 터보 유닛(2)이 제조 동안 처음으로 교정될 때 수행된다. 각각의 미리설정된 실질적으로 균일한 체적 공기 유동에 대한 높음(31) 및 낮음(32) 교정 지점이 결정된다. 각각의 교정 지점에 대한 팬 속도 및 인가된 모터 전압(32)이 또한 측정되고 전자 제어 유닛의 고정 메모리(25) 내에 저장된다. 교정 시에 주위 압력과 온도 중 적어도 하나가 전자 제어 유닛(23)을 통해 센서(들)(29)에 의해 측정되고 고정 메모리(25) 내에 저장된다. 공기 밀도는 적절한 알고리즘을 사용하여 마이크로프로세서(24)에 의해 계산되고 공칭 공기 밀도로서 고정 메모리 내에 저장된다. 대안적으로, 공기 밀도는 직접 측정되고, 동일한 교정 과정이 수행된다.
교정 지점은 이하에 기술되는 공기 밀도 보상 절차에 의해 공기 밀도가 변화함에 따라 이동되어야 할 것이다. 주위 공기 압력과 온도가 교정 과정의 일부로서 측정된 때, 하기의 단계가 사용된다. 터보 유닛의 시동 시에, 즉 터보 유닛의 스위치가 켜질 때, 센서(29)는 공장 교정 시에 측정된 것과는 상이하게 되기 쉬운 실제 주위 압력과 온도 둘 모두를 측정할 수 있다. 실제 공기 밀도가 이어서 마이크로프로세서(24)에 의해 이들 값으로부터 계산되고 임시 메모리 내에 저장된다. 고정 메모리 내에 저장된 모든 교정 지점(31, 32)의 공칭 인가 모터 전압 성분이 마이크로프로세서(24)에 의해 판독된다. 각각의 성분은 이어서 방정식, 즉 수학식 10의 표현과, 공장 교정 시에 고정 메모리 내에 사전에 저장된 공기 밀도 정보 및 임시 메모리 내에 저장된 실제 공기 밀도 정보를 사용하여 수정된다. 수정된 값은 보정된 교정 지점으로서 임시 메모리에 있고 저장된다. 교정 절차에서와 같이, 상부(35) 및 하부(36) 보정된 교정 지점이 저장된다.
교정 지점(31, 32)의 공칭 팬 속도 부분은 변화되지 않는다. 이제 새로운 보정된 교정 지점이 실질적으로 균일한 체적 공기 유동 유지 절차에서 사용될 수 있다. 예를 들어, 필터(들)(4)가 예컨대 먼지 및/또는 연기로 점진적으로 막히고 송풍기(20)의 성능이 변화함에 따라, 전자 제어 유닛(23)은 2개의 보정된 교정 지점들(35, 36) 사이의 선(34)을 따라 추적한다. 공기 밀도 보상 절차는 규칙적인 간격으로, 예를 들어 매 10분 또는 매 시간마다 반복되고, 필요할 경우 공기 유동이 그에 따라 조정된다.
따라서, 상기 절차는 터보 유닛(2)이 공기 밀도 변동에 대해 보상된, 실질적으로 균일한 체적 공기 유량을 전달하는 것을 가능하게 할 수 있다.
실질적으로 균일한 체적 공기 유동의 보다 정확한 제어의 이점은 공기 유동이 공기 밀도의 변화 또는 변동을 고려하기 위해 인위적으로 높게 설정될 필요가 없다는 것이다. 반대로, 실질적으로 균일한 체적 공기 유동은 요구되는 호흡 보호가 초과되지만 충전들 간의 배터리(10)의 수명 및 필터(들)(4)의 예상 수명이 최대화되는 수준으로 설정될 수 있다. 따라서, 충전들 간의 배터리(10) 수명이 더 길고 필터(들)(4)이 덜 빈번하게 교체되도록 요구받기 때문에, PAPR의 유지비가 감소될 수 있고 사용자(6)에 대한 정지 시간의 양이 또한 감소될 것이다.
전형적으로, 공기는 미리설정된 실질적으로 균일한 체적 공기 유동으로 사용자(6)에게 전달되어야 한다. 그러나 소정의 상황에서, 사용자(6)는 공기 유동을 상이한 수준으로 조정할 수 있는 것이 필요할 수 있다. 예를 들어, 사용자(6)가 특히 힘들게 일하고 있어서 더욱 깊이 또는 평소보다 더 빠른 속도로 호흡하고 있는 경우, 이들은 공기 유동을 증가시키기를 원할 수 있다. 이를 가능하게 하기 위해, 전자 제어 유닛에는 바람직하게는 2개, 3개 또는 그 이상의 상이한 미리-설정된 공기 유동 값의 개별 범위, 예컨대 160 리터/분 또는 180 리터/분이 제공된다. 그러나, 제어 유닛은 일반적으로 사용자(6)가 부주의하게 최소 보호가 주어지는 수준 아래로 공기 유동을 감소시키는 것이 가능하지 않도록 설정된다.
대안적인 공기 밀도 보상 절차를 사용하는 본 발명의 추가의 실시예가 이제 설명될 것이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예를 위한 공기 밀도와 팬 압력 사이의 상관 관계를 도시한다. PAPR 송풍기 시스템에 사용되는 레이디얼 팬의 경우, 미리설정된 팬 속도 및 미리설정된 모터 전압에서 공기 밀도와 팬 압력 사이에 상관 관계(40)가 있다. 도 5는 본 발명의 실시예를 위한 팬 압력 측정 센서를 갖는 송풍기의 블록 다이어그램을 도시한다. 팬 압력은 도 5에 도시된 바와 같이 팬의 입구(51)와 팬의 출구(52) 사이의 차압의 측정치이다. 따라서 팬 압력은 송풍기에 설치된 차압 변환기(53)에 의해 측정될 수 있다. 공기 밀도 계산은 미리설정된 팬 속도 및 모터 전압 조건에서 짧은 기간 동안 송풍기 시스템을 운전시킴으로써 PAPR의 시동 시에 수행될 수 있으며, 이 기간 동안 팬 압력이 측정되고 주위 공기 밀도가 결정될 수 있다. 상관 관계 정보는 전자 제어 유닛의 메모리 내에 저장될 수 있고, 공기 밀도의 계산은 마이크로프로세서 내의 프로그램에 의해 수행될 수 있다.
본 발명에 따른 제3 실시예는 공기 밀도 보상을 결정하는 대안적인 방법을 사용한다. 사용자(6)는 공기 밀도 측정이 달성되는 것을 가능하게 하기 위한 소정의 조건을 생성할 것을 요구받는다. PAPR의 제조 동안 공장 교정 시에, 알려진 부하 조건이 생성된다. 알려진 부하 조건은 필터의 부분적인 막힘과 같은 알려지지 않은 압력 영향에 의해 영향을 받지 않는, 송풍기에 가해지는 사전에 측정된 압력이다. 알려진 부하 조건은, 필터 또는 호흡 튜브(3)가 터보 유닛(2)에 연결되지 않은 최저 부하, 또는 터보 유닛(2)의 출구(8)가 차단된 때인 최대 부하 중 하나일 수 있다. 선택되는 이들 조건 중 어느 조건 하에서도, 모터 전압은 고정되고 팬 속도가 측정되며, 두 값이 교정 시의 주위 공기 밀도와 함께 전자 제어 유닛 메모리 내에 저장된다. 사용 동안, 사용자(6)는 동일한 부하 조건을 생성하고 교정 순서를 시작할 것을 요구받는다. 전자 제어 유닛은 이어서 공장 교정과 동일한 모터 전압에서 운전되도록 송풍기(20)를 시동시킬 것이다. 팬 속도가 이어서 측정되고, 교정 동안의 팬 속도와 비교되며, 교정 시의 공기 밀도와 함께 현재의 공기 밀도를 결정하기 위해 사용된다. 사용자(6)는 이어서 사용을 위해 PAPR을 설정하고, 공기 밀도 보상 절차가 적용될 수 있다.
제3 실시예에 따른 방법은 최대 또는 최소 부하 조건과 조합하여 하나의 파라미터를 일정하게 유지하고 다른 하나를 측정함으로써 모터 전압, 모터 전류 또는 팬 속도 중 임의의 2개의 파라미터를 사용할 수 있다.
공기 밀도는 또한 이전에 설명된 것에 대한 대안으로서의 다양한 수단에 의해 결정될 수 있다. 본 발명의 제4 실시예에 따르면, 공기 밀도는 PAPR과 독립적으로 측정 또는 계산될 수 있다. 이는 예컨대 별도의 전용 공기 밀도 측정 기구에 의해 이루어질 수 있다. PAPR은 사용자(6)가 키패드 또는 터치 스크린과 같은 인간-기계-인터페이스(man-machine-interface)를 통해 공기 밀도를 입력하는 것을 허용하도록 될 수 있다. 이러한 실시예에서, 전자 제어 유닛은 공기 밀도 보상 절차를 적용할 때 임의의 공기 밀도 계산을 수행할 필요가 없을 것이다.
본 발명의 이러한 실시예에 따른 PAPR은 또한 대기압, 주위 온도 또는 주위 습도 또는 바람직하게는 이들 파라미터의 조합이 적합한 인터페이스를 통해 전자 제어 유닛 내로 입력되는 것을 허용하도록 될 수 있다. 전자 제어 유닛은 공기 밀도 보상 절차를 수행하기 전에 주위 공기 밀도를 계산하도록 될 수 있다. 이러한 방법은 사용자(6)가 적합한 측정 기구를 사용하여 PAPR로부터 독립적으로 파라미터를 측정하는 것을 요구할 것이다.
공기 밀도 보상은 사용자(6)가 전자 제어 유닛 내로 고도를 입력함으로써 달성될 수 있다. 고도는 사용자(6)가 적절한 기구로 측정을 행함으로써, 또는 지도 또는 GPS 시스템을 참조함으로써 얻어질 수 있다. 전자 제어 유닛은 그의 메모리 내에 저장된 미리-프로그래밍된 정보를 사용함으로써 주어진 고도에서 주위 압력 및 그에 따른 공기 밀도의 근사치를 추정할 수 있게 될 수 있다.
본 발명의 전술된 예 및 실시예에서 체적 공기 유동을 제어하는 데 사용되는 전기 모터(22)의 전기적 특성은 전압이지만, 전기 모터(22)의 전류 또는 전력 출력이 교정 과정 및 사용 동안 둘 모두에서 대안으로서 사용될 수 있다는 것이 용이하게 이해된다.
헤드피스(1)는 다양한 구성을 가질 수 있다. 후드(hood)가 도 1에 예시되어 있지만, 헤드피스(1)는, 그것이 사용자의 얼굴의 적어도 입과 코의 영역을 덮어서 공기를 사용자의 호흡 구역(7)으로 지향시킨다면, 헬멧, 마스크 또는 전신 의상(full suit)일 수 있다. 전면형(full face) 호흡기 또는 반면 마스크형(half face mask) 호흡기가 본 발명의 실시예와 함께 헤드피스로서 사용될 수 있다. 터보 유닛(2)을 사용자의 신체(6) 상에 또는 달리 지지하는 대안적인 방식이 또한 본 개시 내용의 범주 내에 있다. 예를 들면, 백팩(backpack) 유형의 지지가 터보 유닛(2)을 위해 제공될 수 있다.
일반적으로, PAPR에 헬멧 또는 후드를 사용할 때, 마스크가 사용될 때보다 더 높은 일정한 공기 유동이 요구된다. 사용자(6)가 헬멧과 마스크 간에 변경할 수 있는 경우, 또는 터보 유닛(2)이 다수의 사용자 사이에서 공유되는 경우, 소정 범위의 실질적으로 균일한 체적 공기 유동을 갖는 것이 바람직하다. 실질적으로 균일한 체적 공기 유동의 범위는 제1 공기 유량과 제2 공기 유량 사이에서 연속적으로 가변적일 수 있거나, 제1 공기 유량과 제2 공기 유량 사이의 일련의 개별 단계일 수 있다. 예를 들어, 시스템은 PAPR과 함께 사용하기 위한 제1의 미리설정된 공기 유동 값 및 마스크와 함께 사용하기 위한 제2의 보다 낮은 미리설정된 공기 유동 값으로 설정될 수 있다.
전술된 바와 같은 공기 밀도 보상을 갖는 PAPR은 또한 더 작고 더 가벼운 배터리, 및 더 작고 더 가볍거나 더 낮은 프로파일의 필터를 갖도록 설계될 수 있다. 터보 유닛(2)에는, 공기가 사용자(6)에게 전달되기 전에 주위 공기로부터 입자 및/또는 가스 및 증기를 제거하기 위해 공기 유동 경로 내에 하나 초과의 필터(4)가 설치될 수 있다. 필터 또는 필터들(4)은 터보 유닛(2) 내측에 있거나 터보 유닛(2)의 외측에 설치될 수 있다. 배터리(10)는 도 1에 예시된 바와 같이 터보 유닛(2)에 부착될 수 있거나, 터보 유닛(2)으로부터 이격되어 적합한 케이블에 의해 연결될 수 있다.
전술된 실시예에 사용되는 모터는 3상 방형파 무브러시 직류 모터이다. 대안적으로, 분할 정류자 브러시형 직류 모터(segmented commutator brushed direct current motor)가 사용될 수 있다. 방정식들, 즉 수학식 1, 수학식 2 및 수학식 3은 브러시형 및 무브러시 유형의 모터 둘 모두에 대해 적용되는 것으로 알려져 있다. 결과적으로, 호흡기 산업계에 알려진 대부분의 유형의 직류 모터가 본 발명의 송풍기(20)에 사용될 수 있다. PAPR 응용에 대한 기술 분야에 알려진 다른 비-직류 유형의 모터가 전술된 실시예의 것에 대한 대안으로서 사용될 수 있다. 펄스 폭 변조와 같은 대안적인 모터 제어 방법이 또한 본 발명의 범주 내에 있는 것으로 이해된다.

Claims (15)

  1. 사용자에게 실질적으로 균일한 체적 공기 유동(volumetric airflow)을 전달하도록 전동식 공기 정화 호흡기 송풍기 시스템(powered air purifying respirator blower system)을 제어하는 방법 - 상기 시스템은 사용자에게 여과된 공기의 강제 유동(forced flow)을 전달하기 위해 전자 제어 유닛(electronic control unit)에 의해 제어되는, 전기 모터에 의해 동력을 공급받는 팬(fan)을 포함하며, 전자 제어 유닛은 내부에 저장된 전기 모터의 전기적 특성에 대한 적어도 2개의 교정 값(calibration value)을 가짐 - 으로서,
    (a) 주위 공기 밀도 또는 (b) 주위 공기 온도와 주위 공기 압력 중 하나를 결정하는 단계; 및
    상기 결정 및 상기 적어도 2개의 교정 값에 응답하여 전기 모터의 전기적 특성을 조정하는 단계를 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 주위 공기 밀도 또는 주위 공기 온도와 주위 공기 압력은 측정되는 것인 방법.
  3. 제1항에 있어서, 주위 공기 밀도 또는 주위 공기 온도와 주위 공기 압력은 사용자 입력으로부터 결정되는 것인 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 주위 공기 밀도는 주위 공기 온도, 주위 공기 압력 및 주위 습도 중 적어도 2개의 조합인 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 팬으로부터의 선택된 실질적으로 균일한 체적 공기 유동은 가변적인 방법.
  6. 제5항에 있어서, 팬으로부터의 선택된 실질적으로 균일한 체적 공기 유동은 가변적이며, 제한된 수의 미리선택된 값들 중 임의의 하나로부터 선택되는 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 팬의 속도 및 전기 모터에 인가된 전기적 특성을 검출하는 단계를 추가로 포함하며, 상기 단계는 전자 제어 유닛에 연결된 센서를 사용하여 팬의 속도 및 인가된 모터 전기적 특성을 검출하는 것을 포함하는 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 주위 공기 온도와 주위 공기 압력을 측정하는 단계는 팬과 함께 하우징 내에 포함된 적어도 하나의 센서를 사용하여 주위 공기 온도와 주위 공기 압력을 측정하는 것을 포함하는 방법.
  9. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 주위 공기 온도와 주위 공기 압력을 측정하는 단계는 터보 유닛(turbo unit) 외부에 배열된 적어도 하나의 센서를 사용하여 주위 공기 온도와 주위 공기 압력을 측정하는 것을 포함하는 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 전기적 특성은 전압인 방법.
  11. 전기 모터에 의해 동력을 공급받는 팬, 및 팬으로부터의 선택된 실질적으로 균일한 체적 공기 유동에 대한 팬의 속도와 인가된 모터 전기적 특성 사이의 미리설정된 상관 관계에 따라 모터의 전기적 특성을 조정하도록 작동가능한 전자 제어 유닛을 포함하는 공기 정화 호흡기 송풍기 시스템으로서,
    상기 시스템은, 전자 제어 유닛과 통신하도록 구성되고 (a) 주위 공기 밀도 또는 (b) 주위 공기 온도와 주위 공기 압력 중 하나를 결정하도록 배열되는 적어도 하나의 센서를 추가로 포함하며, 전자 제어 유닛은 (a) 주위 공기 밀도 또는 (b) 주위 공기 온도와 주위 공기 압력의 결정에 응답하여, 팬으로부터의 선택된 실질적으로 균일한 체적 공기 유동을 유지하도록 모터의 전기적 특성을 조정하도록 작동가능한 시스템.
  12. 제11항에 있어서, 하우징은 팬의 공기 유동 경로 내에 위치되는 적어도 하나의 필터를 추가로 포함하는 시스템.
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서, 하우징은 모터를 위한 전원 장치를 추가로 포함하는 시스템.
  14. 제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 모터는 3상 방형파 무브러시 직류 모터(three-phase square-wave brushless direct-current motor)인 시스템.
  15. 제11항 내지 제14항 중 어느 한 항에 청구된 송풍기 시스템, 및 송풍기 시스템과 유체 연통하는 호흡기 헤드피스(headpiece) 또는 전면형(full-face) 호흡기 중 어느 하나를 포함하는 전동식 공기 정화 호흡기.
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