阅读说明：本技术 面罩和控制方法 (Face mask and control method ) 是由 石峻 苏伟 张秋实 陈伟忠 陈爽 张璇 于 2018-07-10 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种呼吸辅助面罩。提供了一种面罩,包含气室；过滤器、吸气风扇、呼气风扇、传感器以及控制器。吸气风扇通过过滤器来将空气引入面罩。呼气风扇将呼出的空气排出。控制器在面罩被佩戴时使吸气风扇和呼气风扇连续运行。控制器为风扇提供第一旋转速度和第二旋转速度,其中第一旋转速度为非零并且低于第二旋转速度。在吸气期间,所述呼气风扇以所述第一吸气速度运行,并且所述吸气风扇以所述第二吸气速度运行。在呼气期间,所述吸气风扇以所述第一吸气速度运行,并且所述呼气风扇以所述第二吸气速度运行。对所述吸气风扇和呼气风扇的控制确保了面罩中的气流与用户的呼吸同步,从而最终使在面罩中呼吸更舒适。(The invention provides a breathing auxiliary mask. A mask is provided comprising an air chamber; a filter, an inhalation fan, an exhalation fan, a sensor, and a controller. The suction fan introduces air into the mask through the filter. The exhalation fan exhausts the exhaled air. The controller causes the inspiratory fan and the expiratory fan to operate continuously while the mask is worn. The controller provides a first rotational speed and a second rotational speed to the fan, wherein the first rotational speed is non-zero and lower than the second rotational speed. During inhalation, the exhalation fan operates at the first inhalation speed and the inhalation fan operates at the second inhalation speed. During exhalation, the inhalation fan operates at the first inhalation speed and the exhalation fan operates at the second inhalation speed. The control of the inspiratory and expiratory fans ensures that the airflow in the mask is synchronized with the user's breathing, which ultimately makes breathing more comfortable in the mask.)

面罩和控制方法

技术领域

本发明涉及一种面罩和控制方法，特别地涉及一种用于利用由风扇辅助的流动来向面罩的佩戴者提供滤过的空气的面罩。

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。同级别中最差的是印度城市(如，德里)，其年度污染水平超过建议的水平的10倍。同样众所周知的是北京，年平均值是建议的安全水平的8.5倍。然而，即使在如同伦敦、巴黎和柏林的欧洲城市，水平也高于WHO所建议的水平。

造成空气污染的重要因素是悬浮在空气中的颗粒物。颗粒污染既来自自然资源(诸如火山、沙尘暴、森林和草原火灾、生物植被和海浪)，也来自人类活动(诸如燃烧燃料、运输、发电厂和各种工业过程)。除了这些主要的颗粒源之外，还存在次要的源，这些次要的源是通过气体污染物的复杂的大气化学反应而产生的细颗粒。次要的源包括无机的细颗粒(例如由SO₂、NO₂、NH₃产生的硫酸盐、硝酸盐和铵盐)和有机的细颗粒(通过挥发性有机气体的氧化而产生)。

官方的室外空气质量标准将颗粒物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(肺泡)的气体交换区域，并且非常小的颗粒(<100nm)可能穿过肺影响其他器官。

由于该问题在短期内不会显著改善，因此，处理该问题的唯一方式是：佩戴通过过滤来提供更清洁的空气的面罩。为了提高舒适度和有效性，可以向面罩添加风扇，该风扇通过过滤器引入空气。出于效率和寿命的原因，这些通常是电子换向的无刷DC风扇。

佩戴者使用动力面罩的益处在于：使肺的轻微负担得到缓解，这种负担是通过吸气来对抗传统的无动力面罩中的过滤器的阻力而引起的。

此外，在传统的非动力面罩中，吸气还在面罩内引起少量的负压，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，则泄漏可以证明是危险的。动力面罩向脸部输送稳定的空气流，并且可以例如，提供少量的正压(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。

当佩戴动力面罩时，存在用于改善用户体验的许多方法。这些方法趋向于集中在对风扇速度的调节上，既提高用户舒适度，也提高风扇的电效率。

例如，GB 2 032 284公开了一种呼吸器，其中通过压力传感器来测量在面罩的内部的压力，并且根据传感器测量来改变风扇速度。

WO 2016/157159公开了一种呼吸面罩，其具有：不同的进气和出气路径，用于用户的呼吸。还公开了：风扇可以被用于进气和出气路径中的一条或者两条路径。

CN 104 548 406公开了一种呼吸面罩，其包括：通气孔；以及风扇，用于通过通气孔来引入空气。

JP 2008 295993公开了一种用于对用户呼吸的空气进行过滤的呼吸面罩，其包括光催化剂以及风扇。

然而，当使用面罩时，仍然需要进一步改善用户的舒适度。

发明内容

本发明由权利要求书限定。根据本发明的方面的示例，提供了一种面罩，包括：

气室；

过滤器；

吸气风扇，用于通过过滤器来将空气从气室的外部引入气室；

呼气风扇，用于将空气从气室的内部引到外部；

传感器，用于检测用户的吸气和呼气；以及

控制器，适于：在面罩由用户佩戴时使吸气风扇和呼气风扇连续运行；

经由传感器来确定用户正在吸气还是呼气；以及

在吸气开始时，相对于呼气风扇的旋转速度提高吸气风扇的旋转速度；以及

在呼气开始时，相对于吸气风扇的旋转速度提高呼气风扇的旋转速度。

本发明的面罩确保了吸气由吸气风扇所辅助，并且呼气由呼气风扇所辅助，同时使另一个风扇(在吸气的情况下，为呼气风扇，并且在呼气的情况下，为吸气风扇)保持处于合适的旋转速度，使得当存在吸气与呼气之间的转变时，可以更快地进行风扇速度调整。因此，吸气风扇和呼气风扇同时工作，并且仔细地控制吸气风扇和呼气风扇的旋转速度以将风扇之间的抵抗减到最少，并且促进面罩中的气流与用户的呼吸的同步，从而使在面罩中的呼吸更舒适。

对“在吸气开始时”和“在呼气开始时”的提及涉及传感器检测到吸气或者呼气已经开始的时间点。这可能不完全与用户的呼吸周期对应，因为将存在一定的感测时间滞后。然而，与用户的吸气循环和呼气循环的总持续时间相比较，这将是微不足道的。

在一个实施例中，传感器包括压差传感器，用于确定在气室的外部的空气与在气室的内部的空气之间的压力差。压差传感器是现成的，并且易于使用。

优选地通过具有占空比的脉冲宽度调制来提高旋转速度。脉冲宽度调制是允许简单旋转速度的常用技术。

在另一实施例中，吸气风扇和呼气风扇由电子换向的无刷马达驱动。出于效率和寿命的原因，电子换向的无刷马达是优选的。

更详细地考虑旋转速度，吸气风扇具有第一旋转速度和第二旋转速度，并且呼气风扇具有第一旋转速度和第二旋转速度，并且第二旋转速度高于第一旋转速度。这提供了较低的空转速度，该较低的空转速度使用最小的功率，但是减少了等待时间。例如，两个风扇的第一旋转速度通常为10rpm至500rpm，优选地，为50rpm至100rpm。第二旋转速度通常是第一旋转速度的5倍至50倍，优选地是10至30倍。这对辅助用户的呼吸提供了很大的帮助。进一步地，第二旋转速度可以适合于用户的呼吸(例如呼吸频率和潮气量)，并且可以被调整以考虑不同的呼吸场景(例如步行和跑步)。

优选地，吸气风扇的第一旋转速度与呼气风扇的第一旋转速度相同。在感觉和声音方面，这提供了一致的用户体验。吸气风扇的第二旋转速度可以与呼气风扇的第二旋转速度相同或者不同，这取决于面罩的进气流动路径和出气流动路径的设计以及在面罩的内部的由吸气风扇和呼气风扇产生的压差。例如，如果通过过滤器将空气引入面罩并且通过阀将空气引出面罩，则吸气风扇将需要产生比呼气风扇更高的压力。可以通过针对吸气风扇比呼气风扇使用更高的第二旋转速度来实现这一点。

在一个实施例中，该面罩还包括：开关，用于启动吸气风扇和呼气风扇以及使吸气风扇和呼气风扇停止。这将允许用户完全控制启动吸气风扇和呼气风扇以及使吸气风扇和呼气风扇停止的时间。例如，当面罩未在使用中时，用户可以确保始终关断吸气风扇和呼气风扇。

可以替代的是，检测佩戴面罩的时间，以提供对风扇的自动控制。

过滤器包括与吸气风扇串联的过滤器构件。气室的外壁可以限定过滤器，或者可以仅在吸气风扇的位置处提供过滤器。按照这种方式，对进入面罩的空气进行了过滤。

在本发明的另一方面中，提供了一种控制面罩的方法，包括：

在面罩由用户佩戴时，使吸气风扇和呼气风扇连续运行；

通过使用吸气风扇和呼气风扇来将空气引入和引出面罩的气室；

检测用户的吸气和呼气；

确定用户正在吸气还是呼气；以及

在吸气开始时，相对于呼气风扇的旋转速度提高吸气风扇的旋转速度，以及

在呼气开始时，相对于吸气风扇的旋转速度提高呼气风扇的旋转速度。

附图说明

现在将参照附图详细地描述本发明的示例，其中：

图1示出了包括吸气风扇和呼气风扇的面罩；

图2示出了面罩的组件的示例；

图3示出了在使用中的吸气风扇和呼气风扇的相对旋转速度；

图4a和图4b示出了在使用期间吸气风扇和呼气风扇的脉冲宽度调制，这些脉冲宽度调制与图3所示第一旋转速度和第二旋转速度对应；

图5示出了面罩操作方法。

具体实施方式

本发明提供了一种呼吸辅助面罩。提供了一种面罩，其包含：气室、过滤器、吸气风扇、呼气风扇、传感器以及控制器。吸气风扇通过过滤器来将空气引入面罩。呼气风扇将呼出的空气排出。控制器在面罩被佩戴时使吸气风扇和呼气风扇连续运行。控制器为风扇提供第一旋转速度和第二旋转速度，其中第一旋转速度为非零并且低于第二旋转速度。在吸气期间，呼气风扇以第一吸气速度运行，并且吸气风扇以第二吸气速度运行。在呼气期间，吸气风扇以第一吸气速度运行，并且呼气风扇以第二吸气速度运行。对吸气风扇和呼气风扇的控制确保了面罩中的气流与用户的呼吸同步，从而最终使在面罩中呼吸更舒适。

吸气风扇和呼气风扇同时工作，以产生穿过面罩的气流。然而，已经发现它们彼此抵抗，从而破坏了穿过面罩的气流。具体地，由本申请人进行的调查已经发现在使用期间在吸气风扇和呼气风扇之间进行切换时的等待时间问题。已经发现，这是与用户的呼吸的同步较差的因素，从而使呼吸不舒服。

在本发明的面罩中，使吸气风扇和呼气风扇连续运行，使得其旋转速度从不回落到零。这减少了风扇的启动等待时间，并且将面罩中的气流与用户的呼吸同步所花费的时间减到了最少。使吸气风扇和呼气风扇至少在最低水平时连续运行确保：当在吸气与呼气之间的转变期间将吸气风扇的操作切换到呼气风扇时，以及当在呼气与吸气之间的转变期间将呼气风扇的操作切换到吸气风扇时，存在最小的延迟。因此，减少了在使用期间改变风扇速度所需的脉冲，使得可以更快地进行所需的风扇速度改变。因此，可以更容易地使面罩中的气流与用户的呼吸同步，从而最终使在面罩中的呼吸更舒适。

通过经由传感器确定用户正在吸气还是呼气，控制器能够调整吸气风扇的旋转速度和呼气风扇的旋转速度。控制器适于：在用户开始吸气周期时，相对于呼气风扇的旋转速度提高吸气风扇的旋转速度，以及在用户开始呼气周期时，相对于吸气风扇的旋转速度提高呼气风扇的旋转速度。这减少了吸气风扇和呼气风扇之间的干扰，同样使得面罩中的气流与用户的呼吸同步，从而最终使在面罩中的呼吸更舒适。

图1示出了本发明的、包括吸气风扇和呼气风扇的面罩。

用户10被示出为戴着面罩11，该面罩11至少覆盖用户的鼻子和嘴。面罩的用途是在用户呼吸空气之前对空气进行过滤。为此，在图1中，面罩主体本身充当空气过滤器12。通过吸气来将空气引入由面罩形成的气室13。吸气风扇14帮助通过过滤器12来将空气从气室13的外部引入气室13。吸气风扇14被定位在过滤器12之前或者之后。

当对象进行呼出时，通过呼气来将空气排出气室13。呼出风扇15帮助将空气从气室13的内部引到外部。排出的空气不需要穿过过滤器，但是呼气风扇也可以通过过滤器来引出排出的空气。

在使用中，吸气风扇14和呼气风扇15连续运行。这避免了启动等待时间。使吸气风扇和呼气风扇连续运行意味着：减少了在使用期间改变风扇速度设定所需的脉冲，使得面罩中的气流与用户的呼吸同步，从而最终使在面罩中的呼吸更舒适。

图2示出了面罩的组件的一个示例。给予与图1中相同的组件相同的附图标记。

除了在图1中示出的组件之外，图2还示出了控制器20、本地电池21和用于检测用户的吸气或者呼气的传感器22。

吸气风扇14包括风扇叶片14a和风扇马达14b。呼气风扇15包括风扇叶片15a和风扇马达15b。在一个示例中，风扇马达14b和15b是电子换向的无刷马达。电子换向的无刷DC风扇具有内部传感器，该内部传感器测量转子的位置，并且按照转子旋转的方式来切换穿过线圈的电流。

用于检测用户的吸气和呼气的传感器22可以是压差传感器，用于确定在气室的外部的空气与在气室的内部的空气之间的压力差。例如，对于在吸气风扇和呼气风扇的一侧的已知压力(例如大气压力)，压力监测使得能够确定在吸气风扇和呼气风扇的另一侧上的压力，或者使得至少能够确定在吸气风扇和呼气风扇的另一侧上的压力变化。例如，该另一侧是封闭的室，该封闭的室因此具有不同于大气压力的压力。按照这种方式，可以检测吸气和呼气。

通过在吸气风扇和呼气风扇的每一侧上检测到相等的压力，可以确定室不是封闭的，而是两侧都与大气压力相连。按照这种方式，未检测到吸气和呼气。这还可以表示未佩戴面罩，并且因此，面罩可以被用于切断风扇以节省功率。

压力差信息被传输给控制器20。该控制器20然后确定用户正在吸气还是呼气。例如，相对于在气室的外部的空气，在气室的内部的空气中的压力的降低将与吸气对应，并且相对于在气室的外部的空气，在气室的内部的空气中的压力的降低将与呼气对应。

合适的压差传感器是Sensirion(商标)SPD60x系列中的一种传感器。在另一实施例中，传感器包括具有-500Pa至500Pa的测量范围的压差传感器。这覆盖了呼吸压力范围。还可以使用其他传感器来确定用户正在吸气还是呼气。例如，可以使用温度传感器、湿度传感器、二氧化碳传感器、氧气传感器或者上述传感器中的任何传感器的组合。

如果确定了从呼气到吸气的转变，则控制器20向吸气风扇马达14b发送提高吸气风扇叶片14a的旋转速度的信号，并且向呼气风扇马达15b发送降低呼气风扇叶片15a的旋转速度的信号。按照这种方式，吸气风扇的旋转速度相对于呼气风扇的旋转速度提高。相反，如果确定了从吸气到呼气的转变，则控制器20向呼气风扇马达15b发送提高呼气风扇叶片15a的旋转速度的信号，并且向吸气风扇马达14b发送降低吸气风扇叶片14a的旋转速度的信号。按照这种方式，呼气风扇的旋转速度相对于吸气风扇的旋转速度提高。

在最简化的示例中，吸气风扇和呼气风扇的旋转速度在两个设定值之间交替，具有在吸气与呼气之间的检测转变时实施的旋转速度变化。

图3示出了在使用中的吸气风扇和呼气风扇的相对旋转速度。在本发明的面罩中，吸气风扇14具有第一旋转速度(“1”)和第二旋转速度(“2”)。同样，呼气风扇15具有第一旋转速度(“1”)和第二旋转速度(“2”)。在两种情况下，第二旋转速度都高于第一旋转速度。

在图3中，吸气风扇14和呼气风扇15在水平1与水平2之间交替。水平1表示第一旋转速度，并且水平2表示第二旋转速度。第一旋转速度是最小的非零旋转速度。在使用中，风扇将不会在第一旋转速度以下操作，即，它们连续运行。

对于吸气风扇14和呼气风扇15，第二旋转速度都高于第一旋转速度。

图3开始于呼气。在呼气时，呼气风扇15处于水平2，并且吸气风扇14处于水平1。按照这种方式，呼气风扇15的旋转速度高于吸气风扇14的旋转速度。当检测随后的吸气时，吸气风扇14的速度提高到水平2，并且呼气风扇15的速度降低到水平1。

当确定了吸气时，吸气风扇14的旋转速度相对于呼气风扇15的旋转速度而增加。当确定了呼气时，呼气风扇15的旋转速度相对于吸气风扇14的旋转速度而增加。按照这种方式，面罩中的气流与用户的呼吸同步，从而最终使在面罩中的呼吸更舒适。通过改变供应的电压来改变吸气风扇和呼气风扇的旋转速度。

优选地，相较于呼出空气，更多地去除空气，使得向面部供应额外的空气。由于相对湿度的降低以及冷却，这增加了舒适。

通常，吸气风扇14的第一旋转速度与呼气风扇15的第一旋转速度相同。例如，吸气风扇14的第一旋转速度和呼气风扇15的第一旋转速度可以是10rpm至500rpm，更优选地，是50rpm至100rpm。

吸气风扇14的第二旋转速度和呼气风扇15的第二旋转速度可以是第一旋转速度的5倍至50倍，更优选地是10倍至30倍。第二旋转速度可以适合于用户的呼吸(例如呼吸频率和潮气量)，并且可以被调整以考虑不同的呼吸场景(例如步行和跑步)。

因此，在吸气时，优选地通过控制器，使吸气风扇14以其第二旋转速度运行，并且使呼气风扇15以其第一旋转速度运行，来提供吸气风扇14的旋转速度相对于呼气风扇15的旋转速度的提高。相反，在呼气时，优选地通过控制器，使吸气风扇14以其第一旋转速度运行，并且使呼气风扇15以其第二旋转速度运行，来提供呼气风扇15的旋转速度相对于吸气风扇14的旋转速度的提高。

可以在校准过程期间确定要使用的旋转速度，或者可以由风扇制造商提供要使用的旋转速度。例如，校准过程涉及在指示用户以正常的呼吸规律地进行吸气和呼气的时段内，对风扇速度信息进行分析。然后，可以使用捕获到的风扇速度信息来确定第一旋转速度、第二旋转速度和任何中间旋转速度。控制器还可以为用户提供用于调节第一旋转速度、第二旋转速度和任何中间旋转速度的设定。

还可以存在若干中间旋转速度，在这些若干中间旋转速度下，吸气风扇和呼气风扇可以在第一旋转速度和第二旋转速度之间运行。然而，第一旋转速度通常设置最小旋转速度。最小速度理想地提供在滞后时间与功率效率之间的最佳平衡。第二旋转速度通常依赖于用户的呼吸(例如呼吸频率和潮气量)，并且可以被调整，以考虑不同的呼吸场景(例如步行和跑步)。在一个简单的实施例中，第二旋转速度设置最大旋转速度。按照这种方式，一方面，第二旋转速度理想地提供在滞后时间与功率效率之间的最佳平衡，并且另一方面，提供给予用户的帮助。

在一个实施例中，通过脉冲宽度调制信号来控制吸气风扇和呼气风扇的旋转速度，由此，占空比控制旋转速度。

图4a和图4b示出了可以被用于提高吸气风扇和呼气风扇的旋转速度的脉冲宽度调制的示例。在图4a中示出的脉冲宽度调制与图3中的水平1(第一旋转速度)对应，并且在图4b中示出的脉冲宽度调制与图3中的水平2(第二旋转速度)对应。如从图4a和图4b可以了解到的，第一旋转速度比第二旋转速度具有更低的占空比。

当面罩未在使用中时，可以关断面罩。在一个实施例中，面罩包括用于启动吸气风扇和使吸气风扇停止的开关。当接通面罩时，两个风扇都可以按照第一旋转速度开始操作。备选地，风扇可以在面罩由用户佩戴时启动。在该实施例中，可以使用面罩中的传感器，来确定佩戴面罩并且启动风扇的时间。然后，面罩可以直接进入其操作模式，其中通过用户的吸气/呼气周期中的点来确定风扇速度。

图5示出了面罩操作方法。该方法包括：

在步骤50中，在面罩由用户佩戴时，使吸气风扇和呼气风扇连续运行；

在步骤51中，通过使用吸气风扇和呼气风扇来将空气引入和引出面罩的气室；

在步骤52中，检测用户的吸气和呼气；

在步骤53中，确定用户正在吸气还是呼气；以及

在步骤54中，在吸气时，相对于呼气风扇的旋转速度提高吸气风扇的旋转速度，以及

在呼气时，相对于吸气风扇的旋转速度提高呼气风扇的旋转速度。

因此，穿过面罩的强迫空气的流动与用户的呼吸同步，从而使在面罩中的呼吸更舒适。

面罩可以用于只覆盖鼻子和嘴(如在图1中示出的)，或者面罩可以是全面罩。

所示出的示例是用于对环境空气进行过滤的面罩。然而，可以与来自外部供应(例如呼吸辅助设备，诸如持续正压通气(CPAP)系统)的呼吸气体一起使用面罩。

上面所描述的面罩设计具有由过滤器材料形成的主气室，用户通过该主气室吸入空气。

如上所述，备选面罩设计具有与同样在上面提到的风扇串联的过滤器，但是具有不可渗透的外壳。在这种情况下，吸气风扇帮助用户通过过滤器来引入空气，从而降低了用户的呼吸强度。可以在吸气风扇附近设置进气阀，并且可以在呼气风扇附近设置排气阀。

将了解到的是，本发明可以被应用于许多不同的面罩设计，这些设计具有风扇辅助的吸气和呼气、并且具有由过滤器膜形成的气室、或者具有密封的气密气室。

如上面讨论的，实施例利用控制器来执行所需的各种功能，可以利用软件和/或硬件按照许多方式来实施该控制器。处理器是采用可以通过使用软件(例如微代码)来编程，以执行所需功能的一个或者多个微处理器的控制器的一个示例。然而，控制器可以在采用或者不采用处理器的情况下被实施，并且还可以被实施为用于执行一些功能的专用硬件和用于执行其他功能的处理器(例如一个或者多个编程的微处理器和相关联的电路系统)的组合。

可以在本公开的各个实施例中被采用的控制器组件的示例包括但不限于：传统的微处理器、专用集成电路(ASIC)和现场可编程门阵列(FPGA)。

在各种实施方式中，处理器或者控制器可以与一种或者多种存储介质(诸如易失性和非易失性计算机存储器，诸如RAM、PROM、EPROM和EEPROM)相关联。可以用一个或者多个程序来对存储介质进行编码，该一个或者多个程序在一个或者多个处理器和/或控制器上被执行时执行所需的功能。各种存储介质可以被固定在处理器或者控制器内，或者可以是可移动的，使得被存储在其上的一个或者多个程序可以被加载到处理器或者控制器中。

通过研究附图、公开内容和所附权利要求书，本领域的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。在权利要求书中，词语“包括”不排除其他要素或者步骤，并且不定冠词“一”或者“一个”不排除多个。在相互不同的从属权利要求中叙述了某些测量这一事实并不表示不能使用这些测量的组合来获益。权利要求书中的任何附图标记都不应该被解释为限制范围。