阅读说明：本技术 便携式空气处理设备和用于向人供给过滤的空气的方法 (Portable air treatment device and method for supplying filtered air to a person ) 是由 安东尼乌斯·威廉·维尔伯格 乔安妮·塞奥多斯·约瑟夫斯·范·沃尔库姆 于 2018-08-15 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种便携式空气处理设备,用于向人供给过滤的空气。该设备包括用于提供空气流的气泵、用于过滤空气流的过滤设备、构造用以向人供给空气流的呼吸面罩、以及构造用以控制泵来调节空气流的控制单元。控制单元被构造用以控制泵来调节空气流,以便维持呼吸面罩内部的压力与环境空气之间的期望压力差。本发明进一步提供一种利用便携式空气处理设备向人供给过滤的空气的方法,该方法包括以下步骤：检测呼吸面罩内部与环境空气之间的压力差；利用控制单元控制气泵以根据所述压力差提供空气流,以便维持期望的压力差；过滤空气流；以及将空气流引导向呼吸面罩的内部。(The present invention provides a portable air treatment device for supplying filtered air to a person. The apparatus includes an air pump for providing an air flow, a filtering device for filtering the air flow, a respiratory mask configured to supply the air flow to a person, and a control unit configured to control the pump to regulate the air flow. The control unit is configured to control the pump to regulate the air flow so as to maintain a desired pressure difference between the pressure inside the respiratory mask and the ambient air. The present invention further provides a method of supplying filtered air to a person using a portable air treatment device, the method comprising the steps of: detecting a pressure difference between the interior of the respiratory mask and ambient air; controlling the air pump with a control unit to provide an air flow in dependence of said pressure difference in order to maintain a desired pressure difference; filtering the air stream; and directing the flow of air toward an interior of the respiratory mask.)

便携式空气处理设备和用于向人供给过滤的空气的方法

技术领域

本发明涉及一种向人供给过滤的空气的便携式空气处理设备。该设备包括提供空气流的气泵、过滤空气流的过滤设备、构造用以向人供给空气流的呼吸面罩、以及构造用以控制气泵来调节空气流的控制单元。

这些便携式空气处理设备被构造用以清洁进入的空气流并将该空气流给送到使用该设备的人。这些设备通常供需要在受污染(例如被病毒污染)的空气中工作或生活的人使用。这些设备是可移动的，并且可以由人随身携带以提高其灵活性。

本发明进一步涉及一种用于利用便携式空气处理设备向人供给过滤的空气的方法，该方法包括以下步骤：利用过滤设备过滤空气流；和将空气流引导向呼吸面罩的内部。

背景技术

WO 2011/006206公开了一种具有面罩的呼吸装置，其构造用以向使用者供给过滤的空气。面罩适于基本上至少包围使用者的嘴或鼻孔。该装置包括颈部件，该颈部件附接到面罩并且包括气流发生器。该气流发生器构造用以接收未过滤的空气、过滤未过滤的空气并且向面罩提供过滤的空气。

利用该已知装置，所提供的空气的量响应于使用者的呼吸，并且响应性也是用户可调节的。为此，装置包括流量或压力传感器。在吸气开始时，气流的增加用于指示吸气开始，并且可以将气流发生器的目标马达速度设置为与呼吸努力相对应的值。

然而，该已知呼吸装置具有的缺点在于，由气流发生器提供的气流在呼吸周期期间变化。相应地，面罩中的气压也变化。在人的自然呼吸期间，不使用任何装置，这些值是恒定的。由于装置引起的波动，通过装置呼吸对于使用者而言会感觉不自然，并且会引起不适。

在FR 2 705 899 A1中，公开了一种呼吸面罩，其被构造为覆盖人的嘴和鼻子。这样的呼吸面罩具有的缺点在于，其佩戴不舒服，例如因为其阻碍人的任何交谈，或者因为其外观看起来令人生畏。

在US 2007/175473 A1中，公开了一种高流量治疗系统，用于将空气流输送到人的鼻孔以治疗睡眠呼吸暂停。该系统包括非密封的鼻罩，其例如允许在鼻孔与鼻罩的插管之间引入压力传感器，以便测量鼻孔中的压力。

然而，该非密封面罩带来的缺点是，其允许人吸入通过插管与鼻孔之间的间隙进入鼻子的引气。当人处于有毒的环境中并且将面罩与过滤设备结合使用时，该引气不被过滤，这意味着人仍会呼吸未经过滤且有毒的空气。

发明内容

本发明的目的是提供一种便携式空气处理设备，其缺乏或减少一个或多个上述缺点，或者至少提供了一种替代性的便携式空气处理设备。

本发明提供一种便携式空气处理设备，用以向人供给过滤的空气，该便携式空气处理设备包括：气泵，用于提供空气流；过滤设备，用于过滤空气流；呼吸面罩，构造用以向人供给空气流；和控制单元，构造用以控制泵来调节空气流。该空气处理设备包括压力传感器，用于传输表示呼吸面罩的内部与环境空气之间的压力差的信号，并且控制单元构造用以控制泵来调节空气流，以便维持呼吸面罩的内部中的压力与环境空气之间的期望压力差。

由于人的吸气，面罩的内部中的压力可能会降低。响应于面罩内部中的压力降低，控制单元确定需要增加朝向面罩的空气流，以增加面罩内部中的压力并达到面罩内部与环境空气之间的期望压力差。

在压力差基本保持恒定的情况下，为使用该设备的人提供了高舒适度。提供的优点是，对于他来说，看起来他不是在通过带面罩的设备呼吸，而是看起来好像他在例如通过其鼻子正常呼吸。

然而，当人呼气时，面罩内部中的压力再次增加。控制单元还被构造用以检测该压力的增加并控制泵，以便减少空气向人的流动。当气流大幅减少时，气泵将消耗更少或甚至不消耗能量。有利地，电池寿命将增加。

通常，该设备被构造为用在其中人想要呼吸过滤的空气的环境中。因此，根据本发明的便携式空气处理设备可以应用在交通运输中，例如用在烟雾程度高的城市中。再一应用是在建筑工作中，其中人们需要在富粉尘环境中工作。

现有技术中已知的空气处理设备包括相对较大的泵，其具有较大的惯性矩。因此，泵的加速和减速将相对缓慢地发生。这些现有技术的泵在它们以固定速度运行时最佳地工作，从而它们恒定地供给气流。

根据本发明的设备中的气泵可以设计用以快速地加速和减速，并且以高的转速(例如在2.000至40.000rpm的范围内)运行。因此，降低了泵在提供低空气量和高空气量之间的响应时间。这样，可以更精确地控制泵，并且也可以更精确地控制压力差。

压力传感器可以布置在面罩的内部中，但是可以优选地布置在距面罩一距离处，这提供了优点：由于其中不存在压力传感器，因此可以使面罩更轻。利用压力传感器优选以连续方式测量面罩内部中的压力。控制单元被电子连接到压力传感器，被构造用于获得测量的压力值并基于这些测量的压力值确定呼吸面罩的内部中的压力。

该设备可以包括一个或多个测量头，用于测量相应量的压力差。

控制单元可以被构造为基于磁场定向控制来控制气泵，通过该磁场定向控制，基于转子相对于线圈的实际位置来控制通过泵的电马达的线圈的电流。这种磁场定向控制使得，只有在电流会最佳地在转子上产生磁力时，才施加线圈中的电流。因此，例如当控制单元控制泵以增加空气流时，马达的功率被最佳地释放。相对于已知呼吸设备中的气泵，该磁场定向控制可以用以降低气泵的噪声水平和能量消耗。

响应于人的吸气和呼气，控制单元被构造用于维持呼吸面罩内部中的压力与环境空气之间的期望压力差。泵的快速加速和减速由此可以提供可精确控制的压力差。

优选地，控制单元被构造为连续比较来自压力传感器的信号，以便将面罩内部和环境空气之间的实际压力差与面罩内部和环境空气之间的期望压力差进行比较。控制单元进一步被构造为连续地控制泵，以便将面罩内部与环境空气之间的压力差保持在期望水平。

利用根据本发明的设备，可以实现一种便携式呼吸装置，该便携式呼吸装置具有紧凑的设计，并且可以被人舒适地使用以供给过滤的空气来呼吸。

在一实施例中，控制单元被构造为设置期望的压力差，使得面罩内部中的压力高于环境空气的压力。由此，防止来自周围环境的可能被污染的空气被吸入到面罩的内部。

在一实施例中，该设备被构造用以将面罩内部的压力与环境空气之间的压力差保持在1-6hPa的范围内，优选在3-5hPa的范围内，例如为4hPa。

利用根据本发明的设备，吸气开始与气流被输送至人之间的时间可以小于0.1秒。该延迟时间足够短，以至于人不会注意到它。在人的吸气期间，由设备供给的空气流的典型的流速是为约每秒0.2升。然而，实际上基于压力差来控制空气流，并且最终的流速可以取决于人及其活动。

呼吸面罩适于由人佩戴，以便从设备接收空气流。呼吸面罩的示例是覆盖人的鼻子和嘴的面罩，这样他可以通过其鼻子或其嘴吸气。呼吸面罩可以进一步包括固定工具，以便将面罩固定到人的头部。

根据本发明的空气处理设备的过滤设备构造用以在将空气提供给人之前从空气流去除污染物。过滤设备可以布置在气泵的上游，使得被污染的空气在进入气泵之前被过滤，以防止泵的污染。然而，在替代实施例中，过滤设备可以布置在泵的下游。

该过滤设备包括一个或多个过滤元件，空气流被引导通过过滤元件。这种过滤元件的例子是活性炭过滤元件，其被构造用以从空气去除气态污染物，例如油蒸气或碳氢化合物。这种过滤元件的另一示例是HEPA过滤器(高效微粒截留)，其是一种空气过滤器，被构造用以从空气流除去固体和液体颗粒，例如颗粒物(PM)或油滴。

在空气处理设备的各种实施例中，取决于期望的过滤能力，可以使用各种类型的过滤元件，或者甚至可以将各种类型的过滤元件组合成单个过滤设备。在另一实施例中，过滤设备是可更换的，从而使用该设备的人可以根据其必须使用该空气处理设备的环境，而将适当的过滤元件安装在过滤设备中。

在一实施例中，过滤设备可以包括识别设备，例如QR扫描仪。利用识别设备、可以扫描过滤元件上的识别元件，例如QR码，并且可以识别过滤元件。通过识别过滤元件，控制单元可以确定在过滤设备中存在哪种类型的过滤元件，并且可以基于所识别的过滤元件的类型来调整对气泵的控制。

在该设备的一实施例中，呼吸面罩是构造为至少部分地插入人的鼻孔中的鼻罩，优选地是密封鼻罩。这种鼻罩不被构造成覆盖人的嘴部，因此比适于覆盖鼻子和嘴部两者的呼吸面罩小且轻得多。因此，密封鼻罩是被构造为邻接人的鼻孔的特定类型的鼻罩，从而可以在其间实现流体密封连接，而没有在罩与鼻孔之间泄漏的风险。

鼻孔和鼻罩之间的密封被构造用以防止其间的空气泄漏，并使得仅过滤的空气被输送到人。因此，任何未过滤的引气都不能进入人的鼻子，并且确保呼吸到过滤的清洁空气。

鼻罩具有的优点在于，由于嘴部是自由的，因此在人戴上罩的情况下允许该人讲话，而不会被覆盖其嘴部的罩覆妨碍。另外，鼻罩允许人在使用罩呼吸时进食和饮水。

另一优点在于以下事实：鼻罩由于其尺寸较小，因此当人们佩戴鼻罩时，其将不太会引起公众的关注。具有该鼻罩的空气处理设备因此可以更容易用在有其它人的空间中，而不会打扰到、吓到或恐吓到其它人。

除了更小之外，鼻罩还可以看起来像通信用头戴式耳机。这些头戴式耳机广为人知，这使得鼻罩具有微妙的外观，基本上是其它人看不见的。

鼻罩可包括中央腔，两个鼻塞布置在中央腔上，每个鼻塞被构造成用以插入人的鼻孔中。鼻罩的腔可以连接到导管的第一端并且用作歧管，将进入的空气流分成各个鼻孔的流。

导管可以适于沿着人的脸颊延伸，其中导管的第一端布置在人的鼻子附近，并且其中导管的第二相反端布置在人的耳朵附近。在导管的第二端处布置有固定元件，通过该固定元件可以将鼻罩固定到人的头部。

设备的软管可以在其第二端连接到导管，使得当面罩布置在人的头部上时，软管从气泵朝向人的头部的侧面延伸。

在一实施例中，该设备包括软管，以将来自泵的空气流引导向呼吸面罩。通过该软管，空气流可以输送跨越呼吸面罩和气泵之间的更大距离。因此，在该实施例中，可以将气泵布置成与呼吸面罩相距一定距离，以防止来自气泵的妨碍。

在另一实施例中，软管包括第一通道和第二通道，第一通道引导空气流，而第二通道平行于第一通道并且在呼吸面罩的内部与压力传感器之间延伸。因此，第一通道用于将来自气泵的空气流引导向呼吸面罩。第二通道例如在单个的共享软管壳体内沿着第一通道延伸。

当压力传感器被设置为距面罩一定距离时，例如设置在气泵和/或控制单元附近时，第二通道被构造用以将面罩的内部与压力传感器流体联通。第二通道使得面罩内部中的空气压力将被传递给压力传感器，并且用压力传感器测得的压力对应于面罩内部中的实际压力水平。

优选地，第一通道的横截面显著大于第二通道的横截面。利用第一通道的较大横截面，可以以低量的抵抗压力向呼吸面罩输送高的空气量。在一实施例中，第一通道的直径可以例如在8和20mm之间的范围内，而第二通道的直径在0.5和2mm之间的范围内。

然而，对于窄的第二通道，第二通道的体积相对较小。如果在第二通道的一端上，面罩内部中的压力降低，则由于第二通道中的空气的较小体积和相应的惯性，该压降会迅速传递至在第二通道的另一端处的压力传感器。

在另一实施例中，第二通道被结合在第一通道的壁中。第二通道由此可以围绕第一通道螺旋延伸，其中第二通道被合并在第一通道的壁中，或者其中第二通道围绕第一通道的外表面螺旋延伸，从而被固定连接到第一通道。

在替代实施例中，压力传感器可以布置在呼吸面罩中，以直接测量面罩内部中的压力。在这种情况下，不需要在压力传感器和面罩之间存在第二通道。因此，软管将包括第一通道，用于向人提供空气流，但是将缺少第二通道。但是，压力传感器和控制单元之间的电子连接，例如电线，可以沿着第一通道在软管内延伸。

在另一替代实施例中，压力传感器可以布置在第一通道的内部，优选地布置在气泵附近。在第一通道的直径足够大的情况下，已经发现遍布第一通道上的压力基本上对应于面罩内部的压力。这样，可能不再需要第二通道用于在面罩的内部于压力传感器之间提供流体联接。

在一实施例中，该空气处理设备包括加湿设备。加湿设备被构造成增加向人供给的空气流的湿度。加湿设备可以由此包括储水器和离开至软管中的喷嘴，以便在朝着呼吸面罩供给的空气中排放水。优选地，喷嘴构造用以将水喷射成多个微滴，以便将水散布遍布在空气中。

加湿设备可以例如邻近气泵布置，并且可以构造用以增加已经被泵送的空气的湿度。替代地，加湿设备可以邻近呼吸面罩布置，以便减小软管的与加湿的空气相接触的区段的长度。

在一实施例中，呼吸面罩包括出口阀，以根据呼吸面罩的内部与环境空气之间的压力差，而允许空气从面罩的内部流向环境空气。出口阀由此构造用以将人呼出的空气排出到面罩外。

通过出口阀，空气的再循环被最小化，并且也使得人吸入已经被吸入和呼出的空气的情形最小化。通过出口阀排出呼出的空气进一步使得不需要通过软管排出呼出的空气。由此使得任何呼出的气体将污染软管中存在的将由人吸入的新鲜空气的情形最小化。

该出口阀的另一优点在于，人可以通过他的鼻子吸入和呼出。对于其它类型的呼吸面罩，例如覆盖鼻子和嘴部两者的面罩，由于令人不适的空气压力增加，通过鼻子呼气将变得困难。

出口阀是止回阀，这意味着仅允许在一个流动方向上的通过其中的流体通道，而阻止在相反流动方向上的流体通道。出口阀由此被构造成用以：当压力差被引导成使得面罩内部中的压力高于周围环境压力时，出口阀打开流体通道。

在一实施例中，出口阀可在关闭位置和一个或多个打开位置之间移动，在关闭位置中，空气不能流过出口阀，而在一个或多个打开位置中，空气可以通过具有横截面积的流出开口流过出口阀。出口阀被偏压在关闭位置中。

当环境空气的压力高于面罩内部中的压力时，出口阀布置在关闭位置中，以防止来自环境空气的空气流入到面罩的内部。因为出口阀被偏压到该关闭位置，所以需要阈值压力差来克服该偏压关闭力，用于打开阀。只要出口阀上的压力差低于阈值压力差，则阀将保持在关闭位置。

因此，气泵和出口阀的组合操作足以维持面罩内部与环境空气之间的压力差基本恒定。如果压力差太大，则空气可通过出口阀排出和/或可以控制气泵以减少空气流。但是，当压力差变得太低时，可以控制泵以增加空气流，以便增加面罩内部中的压力。

在该设备的一实施例中，出口阀的尺寸被设定为使得：当面罩内部和环境空气之间的压力差朝着期望的压力差增加时，阀的流出开口的横截面积逐渐增加，直到切换点处的压力差为止。此外，阀的尺寸被设定为使得：在压力差高于期望的压力差，超过切换点的情况下，流出开口的横截面积急剧增加。出口阀的这种双重特性具有的优点在于，阀被构造成既允许通过低流量的流，又允许通过高流量的流。这些流的例子是正常呼吸期间的小流量和剧烈呼吸期间的大流量，例如在叹气期间或当人必须付出体力时。

在另一实施例中，阀包括阀元件和阀座，其中阀元件在其中央部分被固定地连接到阀座，并且其中阀元件在中央部分的相反侧上包括侧部分，该侧部分被构造成抵靠阀座布置。

在一实施例中，与阀座相比，阀元件是相对柔性的，并且构造成当在阀上施加压力差时弹性变形。在关闭位置中，阀元件布置在由阀座限定的开口上方，并由此覆盖该开口。在阀元件的中央部分中，阀元件固定至阀座，使得在阀元件的变形期间，该中央部分保持附接至阀座。

阀元件可以例如具有椭圆形的形状，其对应于阀座中的椭圆形的开口。阀元件具有比开口稍大的表面积，使得阀元件与阀座叠置。阀元件的中央部分沿着椭圆形阀元件的短轴延伸。在阀元件的短轴的端点处，阀元件连接到阀座。

在阀元件的长轴和阀元件的短轴的端点之间限定有侧部分。这些侧部分未附接到阀座，并可在出口阀两侧的压力差的影响下远离阀座移动。

当在出口阀上施加压力差时，压力可将阀元件的侧部分推离阀座。阀元件因此变形，因为阀元件的中央部分被固定到阀座，从而防止其移动。在阀元件的侧部分和阀座之间，引入有流出开口，面罩内部中的呼出空气可以通过该流出开口流向环境空气。流出开口具有投影横截面积，该横截面积是流出开口的大小的度量。该横截面积取决于阀元件的侧部分于阀座之间的间距，因为流出开口的大小随着它们之间的间距的增加而增加。

因此，在阀的关闭位置中，阀元件的侧部分抵靠阀座布置，从而防止空气流过阀。在阀的一个或多个打开位置中，阀元件的侧部分与阀座间隔开，从而允许空气流过出口阀。

在设备的运行期间，泵可以连续地向面罩供给小的空气流，以冲洗设备，尤其是冲洗其软管及呼吸面罩。因此，出口阀的尺寸被设定为使得阈值压力差小于面罩内部与环境空气之间的期望压力差。因此，在设备的正常运行期间，出口阀处于打开位置，以便允许冲洗空气流过面罩。

在一实施例中，阀包括具有两个互连的连杆臂的连杆元件，该连杆元件在阀元件的侧部分之间延伸，跨过阀元件的中央部分。因此，连杆元件在阀元件的相反的侧部分之间形成连接，但是不与阀元件的中央部分连接。

在出口阀的打开期间，侧部分变形并围绕中央部分弯曲。侧部分由此从阀座的它们各自的部分移开，但是在阀元件的中央部分上方朝向彼此移动。连杆元件布置在侧部分之间，并且因此在侧部分朝向彼此移动时被压缩。

连杆元件的目的在于使阀元件变硬，并且增大将出口阀从关闭位置移动到打开位置所需的力。连杆元件此外有助于实现前面提到的用于打开出口阀的阈值压力差，因为连杆元件构造成用以增加阀元件的刚度。

连杆臂中的第一个连杆臂的第一端连接到侧部分中的一个。第一连杆臂的相反的第二端连接到连杆臂中的第二个连杆臂的第一端。最后，第二连杆臂的相反的第二端连接到侧部分中的另一个。

连杆元件的连杆臂可以基本平行于阀的镜像轴线对准。在具有椭圆形阀元件的实施例中，连杆臂平行于阀元件的长轴且垂直于阀元件的短轴延伸。连杆臂优选地布置在阀元件的延伸通过长轴的镜像平面中。

在一实施例中，连杆元件的连杆臂彼此一体地形成，且与阀元件一体地形成。优选地，在第一连杆臂和第二连杆臂之间的连接处至少布置有变薄区段。通过这样做，意图使得连杆臂之间的任何相对旋转在该变薄区段处发生。

优选地，阀元件与连杆元件一起通过注塑成型方法制造，并且由弹性体材料制成。这些弹性体提供了良好的可变形性，并能够承受大量的应变。

在替代实施例中，连杆元件可以包括在侧部分之间延伸的单个连杆臂，但是也可以包括多于两个的连杆臂，以便允许在阀元件的侧部分之间的更刚性连接。

在一实施例中，连杆元件可在基本笔直定向和弯曲定向之间移动，在基本笔直定向中，连杆臂基本对齐，并且其中连杆元件具有刚度，而在弯曲定向中，连杆臂大幅弯曲，并且其中连杆元件具有显著更低的刚度，其中当阀处于关闭位置时，连杆元件处于基本笔直定向中。

在阀的关闭位置中，阀元件的侧部分抵靠阀座布置，并且侧部分之间的距离最大。在阀的该关闭位置中，连杆臂成直线对齐，使得连杆臂在两个侧部分之间形成基本笔直连接。在连杆元件的中间，在阀元件的中央部分上方，布置有连杆元件的变薄区段，从而形成两个连杆臂之间的连接。

在连杆元件的该位置，连杆臂为阀元件提供附加的刚度。为了阀的打开，当在阀元件两侧施加压力差时，连杆元件必须变形，连杆臂必须相对于彼此旋转。连杆元件在连杆臂之间的连接处的偏转小，这意味着，在连杆臂的该位置中，连杆元件具有高的刚度。

当阀两侧的压力差增加时，连杆元件上的力相应地增加，从而使其变形，并且连杆臂将围绕变薄区段相对于彼此旋转。一旦连杆元件已经变形，则变薄区段的偏转迅速增加，这迅速减小了连杆元件的刚度，从而减小了整个阀元件的刚度。

在该设备的一实施例中，具有连杆元件的出口阀的尺寸被设定为使得，随着面罩内部与环境空气之间的压力差渐增，流出开口的横截面积逐渐增大，直到在切换点处的压力差为止，并且在压力差超过切换点时，流出开口的截面积急剧增加。

由此，切换点被定义为这样的点：在该点处，连杆元件的刚度大幅降低，并且由此在该点处，阀的打开和关闭行为在渐进和急剧之间切换。

当阀两侧的压力差增大时，首先，阀元件的侧部分弹性变形并与阀座间隔开。在阀的关闭位置中，以及在阀的打开位置中，连杆元件处于基本笔直定向。当阀两侧的压力差进一步增大时，侧部分变形至更大程度，但是连杆元件将保持所述基本笔直定向。

当增大的压力差达到切换点的压力差时，侧部分变形到一定程度，以至于作用在连杆元件上的力使其切换向弯曲定向。连杆元件在弯曲定向中的刚度大幅低于在基本笔直定向中的刚度，因此，当压力差高于切换点时，阀元件的整体刚度也变得显著更低。

因此，阀元件的侧部分将随着压力差增大而变形至更大程度。这样，与连杆元件处于基本笔直定向的情况相比，实现了在连杆元件处于弯曲定向的情况下，对于阀两侧的压力差的类似增加，流出开口的横截面积增加至更大程度。

连杆元件的这种切换具有的优点在于，阀具有双重打开特性。对于阀两侧的低压力差，流出开口略微打开，而对于阀两侧的高压力差，流出开口被进一步更多地打开。

阀的尺寸被设定为使得切换点在人的正常呼吸过程中所达到的压力差以上。当人必须沉重呼吸时，例如在进行较大努力时，压力差会在切换点以上，并且较大的空气流可以在相对较低的反压下通过出口阀排出。

因此，该阀提供了另一优点，因为由于流经打开的阀的空气的阻力相对较小，因此人在呼气过程中体验的阻碍感较小。因此，与本领域中已知的面罩相比，该面罩的佩戴的不舒适感变得较小。

该阀的构造以及通过该阀的低压损失进一步使得内部面罩中的压力积累被大幅减少。这进一步降低了因为压力积聚使得面罩被从人的面部吹走的风险，特别是当用于鼻罩中时。

在一实施例中，阀的尺寸被设定为使得用于将阀从关闭位置打开的阈值压力差选择为在期望压力差以下，例如在期望压力差以下0-2hPa的范围中。在人的正常呼吸期间，至少当呼出空气流的流速大约是每秒0.1升的典型人类值时，阀两侧的压力差保持低于切换点的压力差，并且保持足够低以允许人舒适地呼气。

在一实施例中，阀的尺寸可以设定为使得切换点被布置在一压力差，该压力差在期望压力差以上0-2hPa的范围中、优选0.5-1hPa的范围中。因此，在呼吸面罩中呼气可以保持舒适，在其内部不会积累压力。

上述出口阀不限于用在根据本发明的空气处理设备中。该阀也可用于需要这种双重打开特性的其它应用中。

因此，本发明还提供了一种阀，该阀包括阀元件和阀座，其中阀元件在其中央部分被固定地连接到阀座，并且其中阀元件在中央部分的相反侧上包括侧部分，该侧部分被构造用以抵靠阀座布置。

在阀的一实施例中，其包括具有两个互连的连杆臂的连杆元件，该连杆元件在阀元件的侧部分之间延伸，跨过阀元件的中央部分。

在阀的另一实施例中，连杆元件可在基本笔直定向和弯曲定向之间移动，在基本笔直定向中，连杆臂基本对齐并且连杆元件具有刚度，而在弯曲定向中，连杆臂大幅弯曲，并且其中连杆元件具有显著更低的刚度，其中当阀处于关闭位置时连杆元件处于基本笔直定向。

本发明进一步提供了一种利用便携式空气处理设备向人供给过滤的空气的方法，该方法包括以下步骤：

利用压力传感器检测呼吸面罩内部与环境空气之间的压力差；

利用控制单元控制气泵，以根据所述压力差提供空气流，以便维持面罩内部与环境空气之间的期望压力差；

利用过滤设备过滤空气流；以及

将空气流引导向呼吸面罩的内部。

利用根据本发明的方法，当实际压力差低于期望压力差时，例如当人吸气时，则增加空气流。当实际压力差处于期望水平或甚至高于该水平时，控制单元被构造为控制气泵以减少空气流。通过这种方法，实现了该设备对于人来说更舒适并且使用更少的能量。

附图说明

下面将参考附图中示出的实施例更详细地说明根据本发明的便携式空气处理设备的其它特征和优点，其中：

图1示意性描绘了根据本发明的便携式空气处理设备的实施例。

图2A示意性描绘了显示为处于关闭位置中的根据本发明的设备的出口阀的实施例，

图2B示意性描绘了处于第一打开位置中的图2A的出口阀，

图2C示意性描绘了处于第二打开位置中的图2A的出口阀，

图2D示意性描绘了图2A的出口阀的阀元件，并且

图3示意性描绘了图2A-2C的阀的打开特性。

具体实施方式

在图1中，示意性地示出了根据本发明的便携式空气处理设备的实施例，其总体上用附图标记1表示。设备1被构造为用以向人提供过滤的空气流以进行呼吸。

设备1包括壳体2，在壳体2中布置有气泵3和过滤设备4。气泵3构造成通过设备1的入口5吸入空气，该入口5面对壳体2的环境中的环境空气。在图1中，空气流用实心箭头显示。

在本实施例中，气泵3是离心泵。已知这些泵是用于泵送空气的可靠泵，并且被构造为以足够大流量并以期望压力水平供给气流。

在空气流中，在入口5和气泵3之间提供有过滤设备4。过滤设备4构造用以过滤空气流，并从中去除可能的污染物。有利地，如在本实施例中一样，过滤设备4被布置在气泵3的上游。通过这样做，空气流在进入气泵3之前被过滤，从而防止气泵3被空气流中的污染物污染。

在本实施例中，过滤设备4包括两个可更换的过滤元件6，空气流被引导通过过滤元件。第一过滤元件6’是HEPA过滤器(高效微粒截留)。该空气过滤器被构造成用以从空气流去除固体颗粒和液体颗粒或微滴。第二过滤元件6”是活性炭过滤元件，其构造成用以从空气流去除气态物质。

除本实施例中的两个过滤元件6之外，在该设备的其它实施例中，可以使用其它类型的过滤元件6或不同数量的过滤元件6。由于过滤元件6是可更换的，因此人可以基于进入的空气流中的特定污染物来选择适当的过滤元件6，并将其放置在过滤设备4中。

气泵3被构造用以将空气流送出壳体2，并送向人。因此，设备1包括管状软管7，管状软管7具有第一通道8，空气流被引导通过该第一通道8。利用其第一端8’，第一通道8被连接到设备1的壳体2，用于接收来自气泵3的空气流。

第一通道8的与第一端8’相反的第二端8”被连接到设备1的呼吸面罩9。呼吸面罩9构造用以将空气流供给到人的鼻孔中，并且因此被构造为布置在人的头部。

第一通道8被构造成将来自其第一端8’附近的气泵3的空气流引导向其第二端8”处的呼吸面罩9。此外，软管7在其两端之间的长度被选取为使得设备1的壳体2可以被布置成距人的头部足够的距离。例如，软管7的长度被选取为使得设备1的壳体2可以布置在人的腰部区域附近。

呼吸面罩9包括歧管10，歧管10连接至第一通道8的第二端8”。在歧管10内，限定呼吸面罩9的内部11，空气流从第一通道8被给送到内部11。

在歧管10上，安装有两个鼻塞12，它们各自适于插入到人的鼻孔中。塞12被流体连接到面罩9的内部11，并且可以在它们的前端中包括一个或多个开口，以便允许空气流被输送到人的鼻子中。在图1中，鼻塞12显示为圆柱形元件。然而，在替代实施例中，塞可包括夹持工具，以便将塞夹紧在人的鼻孔内。

设备1的软管7包括第二通道13，该第二通道13也在壳体2和呼吸面罩9之间延伸。第二通道13的第一端13’从壳体2内延伸，并且第二通道13的相反的第二端13”被流体连接至面罩9的内部11。第二通道13被构造为将面罩9的内部11与壳体2中的压力传感器14流体地连接，使得面罩9的内部11中的空气压力也存在于压力传感器14处。

第一通道8的横截面积显著大于第二通道13的横截面积。第一通道13的尺寸因此可最佳地设定为沿着通道8以相对低的压降引导相对大的空气流。然而，第二通道13的尺寸被设定为沿其长度快速地传递压力梯度，使得在其第一端13’和其第二端13”之间的气压差最小化。

压力传感器14被构造为测量呼吸面罩9的内部11与环境空气之间的气压差，并且被构造为传输表示面罩内部的压力的电子信号。在图1中，电子信号示意性地显示为虚线箭头。

在本实施例中，压力传感器14布置在壳体2内。这样，呼吸面罩9保持没有电子部件并且仅包括机械元件。然而，在替代实施例中，压力传感器也可以布置在呼吸面罩的内部。由此可以就地测量压力，并且可以将压力作为电子信号传递向壳体。这样，该设备将不再需要在呼吸面罩和壳体之间的第二通道。

在设备1的本实施例中，压力传感器14被构造为向设备1的控制单元15传送压力信号。控制单元15由此被构造为根据在面罩9的内部11和环境空气之间压力差来控制气泵3。通过控制泵3，控制单元15被构造为调节由泵3提供的空气流。

设备1被构造为维持面罩9的内部11与环境空气之间的期望压力差。这样，该压力差保持基本恒定，其中控制单元15被构造成控制泵以调节空气流，用于补偿人的吸气或呼气。

设备1进一步包括出口阀16，该出口阀16布置在呼吸面罩9的歧管10中。阀16被构造为根据阀16两侧的压力差来提供面罩9的内部11与环境空气之间的流体连接。

设备1进一步包括加湿设备17，该加湿设备17布置在壳体2中并且邻近第一通道8的第一端8’。加湿设备17包括流体储存器、泵和在第一通道8中存在的喷嘴。加湿设备17构造成将水供给到通过第一通道8给送的空气流中。由此，泵构造成将水从流体储存器向喷嘴泵送，在喷嘴处，水被喷射进入第一通道8中的空气流中，以便增加朝着呼吸面罩9给送的空气的湿度。

在图2A-2C中示意性地示出阀的另一实施例，其中为清楚起见，阀以基本隔离的状态被示出。在此实施例中，出口阀总体上以附图标记100表示。

在图2A中，出口阀100显示为处于其关闭位置。阀100包括柔性阀元件101，该柔性阀元件101至少在阀100的关闭位置中被构造成关闭内部11’(例如呼吸面罩9的内部11)与外部(诸如环境空气)之间的流体通道。在所显示的阀100的关闭位置中，阀元件101布置为抵靠阀的阀座102。

阀100是止回阀，并且构造成在一个流动方向上提供从中通过的流体路径，而阻止在相反的第二流动方向上的流体路径。当阀100布置在一个或多个打开位置时，提供该流体路径，而在阀100的关闭位置中阻止该流体路径。

阀100的本实施例构造成允许空气从内部11F流向外部。当内部11’中的压力高于外部中的压力时，将发生该外流。

在阀座102中提供有椭圆形的开口103，该椭圆形的开口至少在阀100的所示的关闭位置中被阀元件101封闭。阀座102的固定部分104延伸横穿开口103，并且包括狭槽，阀元件101的弦柄105布置在该狭槽中。借助弦柄105，阀元件101的中央部分106固定地连接至阀座102，从而防止了它们之间的相对运动。

阀元件101包括在中央部分106的相反侧上的侧部分107。侧部分107至少在阀100的关闭位置中被构造成抵靠阀座101布置，以防止空气流过阀100。

阀100包括在阀的侧部分107之间延伸的连杆元件108。连杆元件108包括两个连杆臂109，两个连杆臂被互连，并且一起跨过阀元件101的中央部分106。

在图2D中，显示了出口阀100的阀元件101上的俯视图。在图中，阀元件101是椭圆形元件，其长轴(L—L)限定阀元件101的长镜像平面，短轴(S—S)限定阀元件101的短镜像平面。在短轴(S—S)的两侧上，布置有阀元件101的侧部分107。

如图2A所示，在阀100的关闭位置中，连杆臂109相对于彼此基本对齐，并且连杆元件108处于基本笔直定向中。在该实施例中，臂109彼此一体地连接并且与侧部分107一体连接。在连杆臂109之间的连接处，提供有变薄区段，其中臂109具有的横截面显著小于臂109的正常横截面。

当阀100两侧没有施加压力差时，出口阀100被偏压在关闭位置中，如图2A所示。当打开阀100时，需要阀100两侧的阈值压力差以克服偏压关闭力。如果在出口阀100上存在的压力差低于阈值压力差，则阀100将保持在关闭位置。

在图2B中，阀100显示为处于第一打开位置中。在第一打开位置中，阀的侧部分107与阀座102间隔开，并且在各侧部分107处在它们之间提供有流出开口(O')。流出开口(O')具有取决于侧部分107与阀座102之间的间隔距离的横截面积。

在阀100的第一打开位置中，侧部分107已经相对于其在阀100的关闭位置中的形状发生弹性变形。在阀100两侧的压力差的影响下，侧部分107弹性弯曲，使得在侧部分107与阀座102之间产生流出开口(O')。

在第一打开位置中，就像在关闭位置中一样，连杆臂109基本对齐。在臂109的该定向中，阀的侧部分107之间的连杆元件108构造成用以向阀元件101提供相对大量的刚度。因此，出口阀100的流出开口(O')主要是由于侧部分107本身的变形的结果。

当阀100两侧的压力差相对于图2B中示出的阀100的值进一步增大时，侧部分107将进一步远离阀座102弯曲，流出开口(O')随着增大的压力差而逐渐增大。

在图2C中，阀100显示处于第二打开位置中。在第二打开位置中，侧部分107已经与阀座102进一步间隔开。因此，第二打开位置中的流出开口(O”)显著大于图2B中的第一打开位置中的流出开口(O')。

在第二打开位置中，不仅侧部分107本身已经弹性变形，而且，阀元件101的中央部分106已经变形，导致侧部分107围绕中央部分106相对于阀座102旋转。

侧部分107之间的连杆元件108也已经由于旋转而变形。在第二打开位置中，连杆元件108处于弯曲定向中，其中连杆臂109相对于彼此大幅弯曲。连杆元件108被适配成使得由于局部应力集中，臂109之间的弯曲发生变薄部分中。

在弯曲定向中，连杆元件108具有的刚度大幅低于在对应于如图2A所示的阀100的关闭位置的其基本笔直定向中的刚度。由于连杆元件108在弯曲定向中的减小的贡献，整个阀元件101的刚度将大幅低于在连杆元件108处于基本笔直定向中的阀元件101的刚度。更低的刚度的结果是，流出开口(O”)将随着阀100两侧的压力差的增加而从阀100的所示的第二打开位置向外急剧增加。

在图3中，示意性示出了图2A-2C的阀100的打开特性曲线，以附图标记200表示。在打开特性曲线200中，出口阀100的打开行为被显示为施加在阀100的两侧的压力差(ΔP)的函数。

在特性曲线200的x轴上，显示了阀100两侧的压力差(ΔP)。正压力差(ΔP)因此对应于其中当阀100安装在呼吸面罩9中面罩的内部11中的压力高于外部压力时的压力差。

在图3中的特性曲线200的y轴上，显示了阀的流出开口(O'，O”)的横截面积，用(A)表示。横截面积(A)对应于通过阀100的最大可能流量。在特性曲线200中，显示出阀100的两侧的压力差(ΔP)与流出开口(O'，O”)的横截面积(A)之间存在相互关系。

特性曲线200被分成三个竖直分开的区域(C，I，II)。对于低压力差(ΔP)，打开特性曲线200在左侧区域(C)中，该区域对应于如图2A所示的阀100的关闭位置。至少在阀100两侧的压力差(ΔP)等于零时，阀100被偏压到关闭位置。在压力差(ΔP)增加时，阀100保持在关闭位置中，直到已经达到阈值压力差201。

如图2B所示，在阈值压力差201处，阀100两侧的压力差(ΔP)变得足够高以克服偏压关闭力，并使阀100处于第一打开位置中。

当阀100处于第一打开位置中时，如特性曲线200的中间区域(I)所示，流出开口(O')的横截面积(A)逐渐增大直到特性曲线200中的切换点202中的压力差(ΔP)。横截面(A)的这种逐渐增加是由于侧部分107的弹性变形导致流出开口(O')的逐渐增加而引起的。

只要阀100的两侧的压力差(ΔP)低于切换点202中的压力差，则打开特性曲线200处于左侧区域(C)中或中间区域(I)中，并且在侧部分107之间延伸的阀的连杆元件108处于其基本笔直定向。

当阀100的两侧的压力差(ΔP)增加超过切换点202中的压力差时，连杆元件108将弯曲并且将朝其弯曲定向移动。由连杆元件108在其基本笔直定向中提供的阀元件101的附加刚度因此丧失，并且阀的中央部分106将变形，从而引起侧部分107的旋转。

在本实施例中，设备被构造为用以将呼吸面罩内部中的压力与环境空气之间的期望压力差203维持在1-6hPa的范围中，优选在3-5hPa的范围中，例如4hPa。

在本实施例中，阀100的尺寸被设定为使得将阀100朝向其第一打开位置驱动所在的阈值压力差201低于期望压力差，例如在期望压力差203以下0-2hPa的范围中，使得少量空气通过阀100连续排出，由此，可以冲洗设备，特别是设备的软管和呼吸面罩，以防止污染。

阀100的尺寸被设定为使得切换点被布置在期望压力差203以上0-2hPa的范围中，优选0.5-1hPa的范围中，例如0.7hPa的压力差。

当压力差(ΔP)在切换点202中的压力差以上时，打开特性曲线200处于右侧区域(II)中，并且流出开口(O”)的横截面积(A)随着压力差(ΔP)增加而急剧增加。此外，特性曲线200中的右侧区域(II)对应于在图2C中显示的阀100的第二打开位置。

应当指出，出口阀的上述实施例的应用不限于呼吸面罩，而是出口阀可应用于用于控制流出的各种不同设备。