WO2022143600A1 - 一种将呼气与吸气分开处置的方法及呼吸分通道 - Google Patents
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Abstract
一种将呼气与吸气分开处置的方法，属于口罩技术领域，该方法包括以下步骤：利用人体呼吸系统具有的动力与能量，将呼吸分为呼气通道与吸气通道；当所述人体呼吸系统呼气时，呼出的气体经过所述呼气通道排出；当所述人体呼吸系统吸气时，气体经过所述吸气通道吸入。该方法消除了呼出的二氧化碳滞留在口罩本体与人脸之间的空间内，由于呼气的快速排出，人脸与口罩本体之间为室间的气压较低，吸气时口罩本体外侧的空气经过滤后能快速进入，确保了吸气时有足够多的空气量，不会感觉吸入空气不足，对人体的安全与健康提供了有效保障。
Description
本发明属于口罩技术领域，具体涉及一种将呼气与吸气分开处置的方法及呼吸分通道。
新冠疫情的突然袭来，给全人类带来巨大的灾难。口罩本体成为防御新冠疫情的主要装备。但现有的口罩本体只考虑对吸入空气进行处置，把吸入空气中的污染物用高效过滤布进行过滤，去除吸入空气中的污染物，没有考虑人体呼吸时呼出的浊气如何能快速排至大气。
要解决人们佩戴口罩本体时的呼吸问题，首先要了解人体工学中呼吸系统的相关特点。主要特点如下：
一、人体呼吸可分成呼气与吸气，呼气的功能是排出体内的浊气(主要是二氧化碳)；人体吸气的功能是从吸入的气体中撷下氧气，通过血液流动把氧气提供给体内主要器官。
二、人体呼气与吸气是连续交替进行，每分钟约呼吸22次，每次的呼吸量约为500ml。
三、人体呼出气体的温度约为28℃～30℃，相对湿度约为85％，人体吸入气体的温度随所处环境而变化，约为-20℃～35℃，相对湿度约为20％～50％。人体呼气时的压力(正压力)约为30pa～50pa；吸气时的压力(负压力)约为-30pa～-50pa。
四、人体呼吸系统主要由下列器官组成：鼻、咽、喉、支气管、气管、肺，鼻是呼吸系统通往外界的主通道。
五、人体呼吸的变化范围大，会随着年龄的不同而不同，会随着身体运动量的不同而不同，会随着人体健康状况的不同而不同。
六、气候对人体呼吸的影响也很大，特别是戴口罩本体时，环境温度高， 会增加呼吸出口处的温度升高，使呼气感到困难。环境温度过低，会使呼吸在出口处形成凝结水，也非常不舒适。
由于人体呼吸时，呼气与吸气是连续交替进行，因为人体内的气压与大气中的气压是相同值，当人体呼气时呼吸器官产生收宿压力把人体的浊气从鼻孔排出，当人体吸气时呼吸器官产生扩张力，从鼻腔吸入的空气到鼻腔至肺部，人体呼吸系统从吸入的空气中撷下足够的氧气，通过血液提供给身体内的重要器官。由于现在市场上普遍使用的口罩本体都是高效过滤材质：熔喷无纺布或超细孔过滤布制作，其空气通过阻力大，约为150pa～250pa，而人体正常呼气时产生的压力小，约为30pa～50pa，若口罩本体四周边圈与人的脸部形成密闭，浊气会先行进入鼻腔至肺部，因呼出的浊气中二氧化碳含量很高，如此反复连续呼吸，吸入空气中的二氧化碳含量会越来越高，而吸入空气中的氧含量会越来越低，造成严重的缺氧呼吸，因而感觉闷堵，无法呼吸，对口罩本体佩戴者的身体造成极大的伤害。
从现代物理学中，空气动力学理论可知，空气流动是由空气之间存在的压差、温差而引起，由于人体呼气时的压力约为30pa～50pa，而口罩使用的高效过滤布的气体流通阻力约为150pa～250pa，由于呼气正压力小于口罩压力，所以戴口罩时，呼气时排出的浊气无法从口罩排至大气，排出的浊气(二氧化碳)会滞留在口罩与人脸之间的空腔中，吸气时会先行进入鼻腔，造成严重的缺氧呼吸，感觉闷堵。
发明内容
本发明的目的在于提供一种将呼气与吸气分开处置的方法及呼吸分通道，以解决现有的口罩本体四周边圈与人的脸部密闭时，浊气会先行进入鼻腔至肺部，因呼出的浊气中二氧化碳含量很高，如此反复连读呼吸，吸入空气中的二氧化碳含量会越来越高，而吸入空气中的氧含量会越来越低，造成严重的缺氧呼吸，因而感觉闷堵，无法呼吸，对口罩本体佩戴者的身体造成 极大的伤害的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种将呼气与吸气分开处置的方法，包括以下步骤：
S100利用人体呼吸系统具有的动力与能量，将呼吸分为呼气通道与吸气通道；
S200当所述人体呼吸系统呼气时，呼出的气体经过所述呼气通道排出；
S300当所述人体呼吸系统吸气时，气体经过所述吸气通道吸入。
作为本发明一种将呼气与吸气分开处置的方法优选地，所述的利用人体呼吸系统具有的动力与能量，将呼吸分为呼气通道与吸气通道具体包括步骤：
S110以鼻呼吸为主导，利用人体呼吸时的呼气正压力与吸气负压力，将呼吸分为呼气通道与吸气通道。
作为本发明一种将呼气与吸气分开处置的方法优选地，所述的当所述人体呼吸系统呼气时，呼出的气体经过所述呼气通道排出具体包括步骤：
S210当所述人体呼吸系统呼气时，呼出的气体由鼻腔排出，经过鼻腔接头进入到呼吸导管的内部；
S220呼出的气体进入排气盒内，经由呼吸阀排出至口罩本体外部。
作为本发明一种将呼气与吸气分开处置的方法优选地，所述的呼出的气体进入排气盒内，经由呼吸阀排出至口罩本体外部具体包括步骤：
S221由于吸气口与口罩本体之间的压力小于呼吸道管内的压力，呼出的气体顶开由硬质薄膜制成的、与排气盒通过柔质薄膜制成的阀臂连接的阀板，由排气口排出。
作为本发明一种将呼气与吸气分开处置的方法优选地，所述的当所述人体呼吸系统吸气时，气体经过所述吸气通道吸入具体包括步骤：
S310当所述人体呼吸系统吸气时，吸入的气体压迫所述阀板，以及所述阀板的自身重力，使所述阀板与呼吸导管闭合，气体经过口罩本体过滤，由 吸气口进入至呼吸导管内，经过鼻腔接头进入鼻腔；
S320所述人体呼吸系统从吸入的气体中撷下氧气，通过血液流动把氧气提供给体内主要器官。
作为本发明一种将呼气与吸气分开处置的方法优选地，所述的当所述人体呼吸系统呼气时，呼出的气体由鼻腔排出，经过鼻腔接头进入到呼吸导管的内部与所述的呼出的气体进入排气盒内，经由呼吸阀排出至口罩本体外部之间包括步骤：
S211呼出的气体经过呼吸道管时，与呼吸导管内部设置的换热器进行换热，所述换热器将呼出的气体中的热能储存。
作为本发明一种将呼气与吸气分开处置的方法优选地，所述的当所述人体呼吸系统吸气时，气体经过口罩本体过滤，由吸气口进入至呼吸导管内，经过鼻腔接头进入鼻腔与所述人体呼吸系统从吸入的气体中撷下氧气，通过血液流动把氧气提供给体内主要器官之间包括步骤：
S311流经呼吸导管的气体经过换热器进行加热。
作为本发明一种将呼气与吸气分开处置的方法优选地，所述换热器为金属材质的构件，所述换热器为波纹板状，安装于所述呼吸导管上半部分的内壁中。
本发明还提供一种呼吸分通道，包括口罩本体，所述口罩本体的内部安装有呼吸导管，所述呼吸导管靠近鼻腔的一端设置有鼻腔接头，所述呼吸导管远离所述鼻腔的一端设置有吸气口和排气盒，所述排气盒内安装有呼吸阀，所述排气盒朝向口罩本体外部的一侧开有排气口，所述呼吸导管与排气盒之间形成呼气通道，所述呼吸导管与吸气口之间形成吸气通道。
作为本发明一种呼吸分通道优选地，所述呼吸阀包括阀板和阀臂，所述阀板与所述排气盒的内壁通过阀臂连接，所述阀板为硬质薄膜制成，所述阀臂为柔质薄膜制成。
作为本发明一种呼吸分通道优选地，所述呼吸导管上半部分的内壁安装有换热器，所述换热器为金属材质的构件，所述换热器为波纹板状结构。
作为本发明一种呼吸分通道优选地，所述呼吸导管伸入排气盒内部的一端为呼吸导管端部，所述呼吸导管端部倒角设置。
本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
(1)本发明通过采用呼吸分通道，呼出的气体约95％能从第一呼吸阀和第二呼吸阀中快速排至大气，消除了呼出的二氧化碳滞留在口罩本体与人脸之间的空间内，由于呼气的快速排出，人脸与口罩本体之间为室间的气压较低，吸气时口罩本体外侧的空气经过滤后能快速进入，确保了吸气时有足够多的空气量，不会感觉吸空气不足，对人体的安全与健康提供了有效保障；人体运动量的变化会引起呼吸空气量的变化，呼吸分通道技术，可满足人体各种正常工作状态下的呼吸要求，解决了人们带口罩本体时闷堵的问题，对人体的安全与健康提供了有效保障。
(2)在呼吸导管内设有换热器，呼气时换热器把热能储存在换热器内，吸气时把热能释放到吸入空气中，这种换热方式，属单通道换热，热空气和冷空气在同一通道流通，利用呼气与吸气之间的时间差，在同一位置进行热湿交换。
图1为本发明一种呼吸分通道的吸气时的结构示意图。
图2为本发明一种呼吸分通道的吸气时的结构示意图。
图3为图1中A处的局部放大图；
图4为图2中B处的局部放大图；
图中：1、口罩本体；2、鼻腔；3、鼻腔接头；4、呼吸导管；5、换热器；6、排气口；7、排气盒；8、吸气口；9、呼吸导管端部；10、阀板；11、阀臂。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供如下技术方案：一种将呼气与吸气分开处置的方法，包括以下步骤：
S100利用人体呼吸系统具有的动力与能量，将呼吸分为呼气通道与吸气通道；
S200当所述人体呼吸系统呼气时，呼出的气体经过所述呼气通道排出；
S300当所述人体呼吸系统吸气时，气体经过所述吸气通道吸入。
具体地，所述的利用人体呼吸系统具有的动力与能量，将呼吸分为呼气通道与吸气通道具体包括步骤：
S110以鼻呼吸为主导，利用人体呼吸时的呼气正压力与吸气负压力，将呼吸分为呼气通道与吸气通道。
具体地，所述的当所述人体呼吸系统呼气时，呼出的气体经过所述呼气通道排出具体包括步骤：
S210当所述人体呼吸系统呼气时，呼出的气体由鼻腔排出，经过鼻腔接头3进入到呼吸导管4的内部；
S220呼出的气体进入排气盒内，经由呼吸阀排出至口罩本体外部。
具体地，所述的呼出的气体进入排气盒内，经由呼吸阀排出至口罩本体外部具体包括步骤：
S221由于吸气口与口罩本体之间的压力小于呼吸道管内的压力，呼出的气体顶开由硬质薄膜制成的、与排气盒通过柔质薄膜制成的阀臂连接的阀板，由排气口排出。
具体地，所述的当所述人体呼吸系统吸气时，气体经过所述吸气通道吸入具体包括步骤：
S310当所述人体呼吸系统吸气时，吸入的气体压迫所述阀板，以及所述阀板的自身重力，使所述阀板与呼吸导管闭合，气体经过口罩本体过滤，由吸气口8进入至呼吸导管4内，经过鼻腔接头3进入鼻腔2；
S320所述人体呼吸系统从吸入的气体中撷下氧气，通过血液流动把氧气提供给体内主要器官。
具体地，所述的当所述人体呼吸系统呼气时，呼出的气体由鼻腔排出，经过鼻腔接头3进入到呼吸导管4的内部与所述的呼出的气体进入排气盒内，经由呼吸阀排出至口罩本体外部之间包括步骤：
S211呼出的气体经过呼吸道管时，与呼吸导管内部设置的换热器进行换热，所述换热器将呼出的气体中的热能储存。
具体地，所述的当所述人体呼吸系统吸气时，气体经过口罩本体过滤，由吸气口8进入至呼吸导管4内，经过鼻腔接头3进入鼻腔2与所述人体呼吸系统从吸入的气体中撷下氧气，通过血液流动把氧气提供给体内主要器官之间包括步骤：
S311流经呼吸导管的气体经过换热器进行加热。
具体地，所述换热器为金属材质的构件，所述换热器为波纹板状，安装于所述呼吸导管上半部分的内壁中。
本实施例中，要解决好人们佩戴口罩时的呼吸问题，首先要了解人体工学中呼吸系统的相关特点，并根据现代物理科学与人体工学的相关特点紧密结合。要实现呼吸分通道，首先要利用人体呼吸时自身具有的动力与能量。首先用鼻呼吸为主导，充分利用人体呼吸时的呼气正压力与吸气负压力，结合现代物理学中，流体力学，材料力学理论，确定呼吸分通道的总体方案。所述呼吸分通道系统，是指把呼吸分为呼气通道与吸气通道分别流通，呼吸 分通道系统主要应包含有鼻腔通气导盘，呼吸导管，呼吸阀，排气盒，过滤布(或口罩)。所述呼吸分通道系统，根据人体工学中，呼吸交替连续进行的特点，对呼吸阀的设计要做到如下几点：一，由于从呼气转化为吸气，只有1～3秒的时间，呼气的排出要快速，排出量大，呼吸阀打开的速度应快，打开的空间要大，呼吸阀采用摇臂式开启结构，其中硬性薄膜为阀板，柔性薄膜为阀臂，阀板坐落在呼吸导管排出口上，阀臂固定在一边的阀座件上，阀板开启与闭合呈扇形运动。阀臂的设置长度可决定阀板的开启高度，有较大的开启高度，才可在瞬间把浊气排至大气，滞留的浊气很少，可达到呼气畅快。呼气排出越快越干净，吸气越有利，可达到呼气畅快。二，由于从呼气转换到吸气，呼气正压力约为30pa～50pa，呼吸阀的重量应轻，利用高分子材料薄膜制作的呼吸阀(厚度0.1～0.15mm)可达到要求。三，由于从呼气快速转换为吸气，呼吸阀关闭时应达到密闭，吸气时，鼻腔内产生负压(约-30pa～-50pa)，呼气导管内，口罩与人脸之间的空腔内为负压，呼吸阀板在地球引力作用下会自动下行关闭，在呼吸导管内负压力作用下，阀板会关闭严密。由于口罩与人脸之间的空腔内为负压(约-30pa～-50pa)，口罩外侧的空气会通过过滤布过滤后进入口罩内侧的空腔，并由吸气口进入呼吸导管并进入鼻腔。大气中的空气不会从呼吸阀关闭时逆向进入，呼吸阀的安装方式为水平设置，垂直方向呈扇形运动，呼吸阀设置在排气盒内，排气盒设置有排气口，排气口可直通大气。排气盒为内外压力的缓冲区，可阻止大气中的空气逆向进入。四，由于从呼气快速转化为吸气，呼吸阀的位置应设置在人脸的两侧，呼吸阀的方向设置为向人佩戴时的正前方开启，可满足人体工作或生活中的多种姿势。五，由于从呼气快速转化为吸气，当室外气温5℃以下时，呼吸阀的排气口会产生凝结水，会把阀板粘连在出口，影响呼吸阀开启，因此排气出口设置有倒角，缩小粘连接触面积，可满足呼气阀的正常使用。
对呼吸导管的设计要做到如下几点，由于从呼气快速转化为吸气，从鼻腔到鼻腔接头到呼吸导管到呼吸阀，达到密闭。由于从呼气快速转化为吸气，冬季室外气温较低时(5℃以下)，室外冷空气经过滤后进入鼻腔，会使鼻腔感觉不舒适，在呼吸导管内设计有升温装置，呼气时换热器把热能储存在换热器内，吸气时把热能释放到吸入空气中。这种换热方式，属单通道换热，热空气和冷空气在同一通道流通，利用呼气与吸气之间的时间差，在同一位置进行热湿交换，在传热学领域，属罕见的储热与释放换热过程。在传热学领域属非常特有的换热过程，是全球首例，有研究价值。
所述呼吸分通道，是对人体呼吸防护措施的一项创新探索。全球首次公开，利用高分子材料薄膜制作呼吸阀，为全球首例。采用鼻腔接头，呼吸导管，呼吸阀，排气盒，过滤布(或口罩)换热器组合成的呼吸分通道系统，利用人体呼吸时的呼气正压力与吸气负压力，实现了呼气与吸气分通道流通。呼气时，可把呼出的浊气快速的排入大气，吸气时可把过滤后的空气快速足量的进入鼻腔，可感到呼气通畅，爽快，吸气清新舒适。
有几种不同的分通道方式：
用内置式分通道呼吸装置及口罩组合成呼吸分通道呼吸过滤装置。
用外饰面罩与分通道呼吸装置和过滤袋组合成呼吸分通道过滤装置。
用外饰面罩与分通道呼吸装置和过滤盒组合成呼吸分通道过滤装置。
用外饰面罩与分通道呼吸装置与过滤袋组合，排气盒的排气口设置过滤器而组合而成的呼吸分通道过滤装置(可用于医疗行业)。
如图1-4所示：
图1为本发明一种呼吸分通道的吸气时的结构示意图。
图2为本发明一种呼吸分通道的吸气时的结构示意图。
图3为图1中A处的局部放大图；
图4为图2中B处的局部放大图；
本发明提供一种呼吸分通道，包括口罩本体1，所述口罩本体1的内部安装有呼吸导管4，所述呼吸导管4靠近鼻腔2的一端设置有鼻腔接头3，所述呼吸导管4远离所述鼻腔2的一端设置有吸气口8和排气盒7，所述排气盒7内安装有呼吸阀，所述排气盒朝向口罩本体1外部的一侧开有排气口6，所述呼吸导管4与排气盒7之间形成呼气通道，所述呼吸导管4与吸气口8之间形成吸气通道。
具体地，所述呼吸阀包括阀板10和阀臂11，所述阀板10与所述排气盒7的内壁通过阀臂11连接，所述阀板10为硬质薄膜制成，所述阀臂11为柔质薄膜制成。
具体地，所述呼吸导管4上半部分的内壁安装有换热器5，所述换热器5为金属材质的构件，所述换热器5为波纹板状结构。
具体地，所述呼吸导管伸入排气盒内部的一端为呼吸导管端部，所述呼吸导管端部倒角设置，减小阀板与呼吸导管端部的接触面积，使得阀板能够轻易打开。
本实施例中，排气盒设置于口罩本体的两侧，避免设置在口罩本体中部，在佩戴者低头工作时遮挡视线。
本发明的工作原理及使用流程：人们佩戴呼吸分通道装置及口罩进行呼吸，当呼气时，人体鼻腔内形成正压，从鼻腔排出的浊气经鼻腔接头到呼吸导管到呼吸阀到排气盒到排气盒出口至大气；当吸气时，鼻腔内为负压，呼吸导管内及口罩与人体脸部之间的空腔内为负压。污染空气从口罩外侧经口罩过滤后进入口罩与人体脸部之间的空腔内，再经呼吸导管的吸口进入呼吸导管到鼻腔。按此顺序交替进行，即可完成呼气与吸气的循环过程，实现呼吸分通道流通，实现将呼气与吸气分开处置的目的。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行 多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (12)
- 一种将呼气与吸气分开处置的方法，其特征在于，包括以下步骤：S100利用人体呼吸系统具有的动力与能量，将呼吸分为呼气通道与吸气通道；S200当所述人体呼吸系统呼气时，呼出的气体经过所述呼气通道排出；S300当所述人体呼吸系统吸气时，气体经过所述吸气通道吸入。
- 根据权利要求1所述的一种将呼气与吸气分开处置的方法，其特征在于，所述的利用人体呼吸系统具有的动力与能量，将呼吸分为呼气通道与吸气通道具体包括步骤：S110以鼻呼吸为主导，利用人体呼吸时的呼气正压力与吸气负压力，将呼吸分为呼气通道与吸气通道。
- 根据权利要求1所述的一种将呼气与吸气分开处置的方法，其特征在于，所述的当所述人体呼吸系统呼气时，呼出的气体经过所述呼气通道排出具体包括步骤：S210当所述人体呼吸系统呼气时，呼出的气体由鼻腔排出，经过鼻腔接头进入到呼吸导管的内部；S220呼出的气体进入排气盒内，经由呼吸阀排出至口罩本体外部。
- 根据权利要求3所述的一种将呼气与吸气分开处置的方法，其特征在于，所述的呼出的气体进入排气盒内，经由呼吸阀排出至口罩本体外部具体包括步骤：S221由于吸气口与口罩本体之间的压力小于呼吸道管内的压力，呼出的气体顶开由硬质薄膜制成的、与排气盒通过柔质薄膜制成的阀臂连接的阀板，由排气口排出。
- 根据权利要求1所述的一种将呼气与吸气分开处置的方法，其特征在于，所述的当所述人体呼吸系统吸气时，气体经过所述吸气通道吸入具体包括步骤：S310当所述人体呼吸系统吸气时，吸入的气体压迫阀板，以及所述阀板的自身重力，使所述阀板与呼吸导管闭合，气体经过口罩本体过滤，由吸气口进入至呼吸导管内，经过鼻腔接头进入鼻腔；S320所述人体呼吸系统从吸入的气体中撷下氧气，通过血液流动把氧气提供给体内主要器官。
- 根据权利要求3所述的一种将呼气与吸气分开处置的方法，其特征在于，所述的当所述人体呼吸系统呼气时，呼出的气体由鼻腔排出，经过鼻腔接头进入到呼吸导管的内部与所述的呼出的气体进入排气盒内，经由呼吸阀排出至口罩本体外部之间包括步骤：S211呼出的气体经过呼吸道管时，与呼吸导管内部设置的换热器进行换热，所述换热器将呼出的气体中的热能储存。
- 根据权利要求5所述的一种将呼气与吸气分开处置的方法，其特征在于，所述的当所述人体呼吸系统吸气时，气体经过口罩本体过滤，由吸气口进入至呼吸导管内，经过鼻腔接头进入鼻腔与所述人体呼吸系统从吸入的气体中撷下氧气，通过血液流动把氧气提供给体内主要器官之间包括步骤：S311流经呼吸导管的气体经过换热器进行加热。
- 根据权利要求6或7所述的一种将呼气与吸气分开处置的方法，其特征在于，所述换热器为金属材质的构件，所述换热器为波纹板状，安装于所述呼吸导管上半部分的内壁中。
- 一种呼吸分通道，其特征在于，包括口罩本体，所述口罩本体的内部安装有呼吸导管，所述呼吸导管靠近鼻腔的一端设置有鼻腔接头，所述呼吸导管远离所述鼻腔的一端设置有吸气口和排气盒，所述排气盒内安装有呼吸阀，所述排气盒朝向口罩本体外部的一侧开有排气口，所述呼吸导管与排气盒之间形成呼气通道，所述呼吸导管与吸气口之间形成吸气通道。
- 根据权利要求9所述的一种呼吸分通道，其特征在于，所述呼吸阀包 括阀板和阀臂，所述阀板与所述排气盒的内壁通过阀臂连接，所述阀板为硬质薄膜制成，所述阀臂为柔质薄膜制成。
- 根据权利要求9所述的一种呼吸分通道，其特征在于，所述呼吸导管上半部分的内壁安装有换热器，所述换热器为金属材质的构件，所述换热器为波纹板状结构。
- 根据权利要求9所述的一种呼吸分通道，其特征在于，所述呼吸导管伸入排气盒内部的一端为呼吸导管端部，所述呼吸导管端部倒角设置。
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