面罩

技术领域

本发明涉及面罩领域，特别涉及具有阀的面罩。

背景技术

面罩(或呼吸面罩)在多种应用中用于过滤佩戴者吸入的空气。

例如，在空气污染程度高的城市中，面罩通常被佩戴，以从用户吸入的空气中过滤颗粒物质。如果吸入，小的颗粒物质能够穿透肺，其中最小的颗粒能够进入血流，并且能够引起许多健康状况。世界卫生组织(WHO)估计，每年空气污染导致420万人过早死亡。

许多面罩包括用于调节通过面罩的气流的阀。这通常是止回阀，其在呼气期间打开，以减小呼吸阻力并提高佩戴面罩的舒适性，并且在吸气期间关闭，以确保仅吸入过滤的空气。

在面罩中使用的止回阀通常包括阀瓣，该阀瓣在有足够的空气压力时沿一个方向打开，而在空气压力下降到低于某一阈值时关闭。这些止回阀的缺点在于阀瓣没有完全打开，这意味着呼吸阻力没有降低到足以使通过面罩的呼吸变得容易和舒适。这些阀的阻力可以通过增大该阀的大小来进一步减小；然而，较大的阀瓣需要较大的间隙空间，使得面罩体积庞大。

一些面罩另外包括风扇以改善通过面罩的气流。在具有阀瓣止回阀的面罩中，止回阀的阻力降低了风扇通风的效率，并且增加阀的尺寸增加了阀和风扇之间的距离，因为需要较大的间隙空间，也降低了通风效率。除此之外，风扇拉动阀的阀瓣，防止阀完全关闭。

其中阀的操作是压力驱动的止回阀被称为被动止回阀；止回阀也可由功率源操作。功率止回阀被称为主动止回阀。目前的主动止回阀太大，不适于在面罩中使用并且消耗大量的电力，并且触发主动止回阀的操作所需的呼吸传感器是昂贵的并且还需要大量的电池功率。

这种止回阀例如在US 5325892和GB 2401668中公开。

因此，需要一种面罩，其包括具有减小的阻力的阀，其需要很少或不需要功率消耗来操作，并且适合于风扇辅助的面罩。

发明内容

本发明由权利要求限定。

根据依据本发明的一个方面的示例，提供了一种面罩，该面罩包括：气室；过滤器，该过滤器在该气室与该气室的外部之间形成一个边界；以及出口阀，该出口阀适于将气室通气到外部，所述出口阀包括：第一盘；以及第二盘，其中所述第一盘和所述第二盘被配置为相对于彼此旋转，其中每个盘包括至少一个开口，并且所述出口阀被配置为当第一盘和第二盘处于使得所述第一盘中的所述至少一个开口与所述第二盘中的所述至少一个开口对齐的相对位置时打开，并且当所述第一盘和所述第二盘处于使得每个盘中的所述至少一个开口被另一个盘阻挡的相对位置时关闭。

这种阀结构使得出口阀允许比使用未完全打开的阀瓣的止回阀更高的气流过出口阀。因此，这种结构减小了阀的阻力，使得通过面罩的呼出更容易和更舒适。

由于出口阀的打开机构不需要间隙空间，与包括阀瓣的阀结构不同，出口阀的尺寸可以增加以允许更多的空气通过而不增加出口阀在气流方向上的尺寸。这提高了呼出的容易性和舒适性，而不会使面罩更庞大。

当面罩还包括用于通风的风扇时，减小的阻力意味着风扇通风更有效。因为阀设计不需要用于阀瓣的间隙空间，所以风扇可以被放置得更靠近出口阀，进一步增加了风扇的通风效率。此外，与可通过风扇拉动阀瓣而防止阀瓣止回阀正确关闭不同，本发明的出口阀的操作不受风扇影响。

在一些实施例中，至少一个开口具有泪滴形状。对于给定的阀表面面积，该形状使开口面积最大化，从而减小出口阀的阻力。该形状还允许盘的最小相对旋转以打开和关闭出口阀，从而当电致动系统被用于打开和关闭阀时减少功率使用。

在一些实施例中，第一盘和第二盘各自包括间隔在8度至30度范围内的开口。

这样，仅需要少量的相对转动来打开和关闭出口阀。这减小了当电致动系统用于打开和关闭出口阀时所需的电池的尺寸，使得面罩更轻并且佩戴更舒适，并且当盘的相对旋转是压力驱动时需要更小的压力，减小了呼出时所需的努力。

第一盘和第二盘可以各自包括以20度间隔的多个开口。

该间隔被设计为使打开或关闭出口阀所需的相对旋转最小化，同时允许每个开口足够大以使气流不受限制。这意味着，在盘的相对旋转是压力驱动的示例中，完全打开出口阀所需的压力较低，而在盘的相对旋转是电池供电的示例中，可以使用较小的电池。

在一些实施例中，每个盘的面向另一个盘的表面包括一组脊，每个盘上的脊的数量对应于每个盘中的开口的数量，并且其中第一盘上的至少一个脊被配置为与第二盘上的至少一个脊对齐，使得当出口阀关闭时，每对对齐的脊对在第一盘中的开口与相邻的第二盘中的开口之间提供屏障。

这样，当阀关闭时，防止空气通过出口阀泄漏。

对齐的脊可以互锁以限制相对旋转的范围。这防止了当出口阀打开或关闭时发生太多的相对旋转，确保当出口阀关闭时开口不会开始重新对齐，并且当出口阀打开时每个盘不会再次开始阻挡另一个盘中的至少一个开口。

在一些实施例中，第一盘和第二盘中的至少一个具有扇状结构，该扇状结构适于允许气流引起第一盘和第二盘的相对旋转。

这种结构意味着不需要电源来引起盘的相对旋转，使得面罩更轻并且降低了制造和使用面罩的成本。

在一些实施例中，面罩还包括流量传感器和控制器，该控制器用于响应于由流量传感器产生的信号来控制第一盘和第二盘的相对旋转。

这样，相对旋转的量不依赖于空气压力，减少了通过面罩呼出时所需的努力。

流量传感器可以包括瓣阀和电开关，并且控制器可以包括由电开关致动的电磁电路。

在一些实施例中，瓣阀具有形成电开关的触点的导电瓣部分。

当瓣阀打开时，导电瓣部分可以在电开关的第一触点和第二触点之间提供电接触。

这样，出口阀使用第二阀来快速检测气流何时处于特定方向。出口阀因此能够快速响应气流方向的变化，当气流在一个方向时打开，当气流在相反方向时关闭。

该检测系统具有另外的优点，即不需要昂贵和复杂的电路来检测气流的方向，保持了制造和使用面罩的低成本。

在一些实施例中，该控制器的电磁电路包括：螺线管；连接到所述螺线管的电源；以及永磁体，被附接至所述第一盘或所述第二盘，其中所述第一盘和第二盘之间的相对旋转由所述螺线管和所述永磁体之间的磁力引起。

这样，可以使用相对低的功率量来引起盘的相对旋转。这意味着可以使用小电池，保持面罩轻便和佩戴舒适。

在一些实施例中，该螺线管被配置为产生垂直于该第一盘和第二盘的线性运动，并且该控制器还包括：凹槽结构，所述凹槽结构垂直于所述第一盘和所述第二盘并且适于将线性运动转换成旋转运动并且旋转所述第一盘和所述第二盘中的一个；以及弹簧，所述弹簧适于使上述的第一盘和第二盘中的一个返回到其原始位置。

在一些实施例中，面罩还包括印刷电路板，其中出口阀被配置为具有与印刷电路板可拆卸的接口。

这样，过滤器和出口阀可以与更昂贵的印刷电路板分开制造和销售。这降低了更换过滤器的成本，并通过避免在需要更换过滤器时需要更换印刷电路板而减少了浪费。

参考下面描述的实施例，本发明的这些和其它方面将变得显而易见。

附图说明

为了更好地理解本发明，并且为了更清楚地示出如何实现本发明，现在将仅通过示例的方式参考附图，其中：

图1是根据本发明实施例的面罩的图；

图2是根据本发明实施例的处于打开位置的面罩的阀的图；

图3是根据本发明实施例的处于关闭位置的面罩的阀的图；

图4是根据本发明实施例的用于面罩的阀的图；

图5是根据本发明实施例的用于面罩的打开阀的图，其中阀的盘的相对旋转由流量传感器和控制器控制；

图6是根据本发明实施例的用于面罩的关闭阀的图，其中阀的盘的相对旋转由流量传感器和控制器控制；

图7是根据本发明实施例的将线性运动转换为旋转运动并旋转面罩的阀的盘的机构的图；

图8是根据本发明实施例的面罩的另一示意图；以及

图9示出了磁电路和一种可能的磁体布置结构。

具体实施方式

将参照附图描述本发明。

应当理解，具体描述和特定示例，虽然指示了装置的示例性实施例，但仅仅是为了说明的目的，而不是为了限制本发明的范围。本发明的装置的这些和其他特征、方面和优点将从以下描述、所附权利要求和附图中变得更好理解。应当理解，在所有附图中使用相同的附图标记来表示相同或相似的部件。

根据本发明的概念，提出了一种具有出口阀的面罩，该出口阀包括被配置为相对于彼此旋转的第一盘和第二盘。每个盘包括至少一个开口。出口阀被配置为当第一盘和第二盘之间的相对旋转使得第一盘中的至少一个开口与第二盘中的至少一个开口对齐时打开，并且当相对旋转使得每个盘中的至少一个开口被另一个盘阻挡时关闭。

实施例至少部分地基于这样的认识，即包括两个盘的出口阀提供比当前在面罩中使用的止回阀设计更小的阻力，所述两个盘彼此相对旋转以允许或阻挡气流过盘中的开口。较低的阻力使得通过面罩呼吸更容易和更舒适。

例如，说明性实施例可以在佩戴的面罩中被采用，以从具有高水平空气污染的地方吸入的空气中过滤颗粒物质。

图1示出了根据本发明实施例的面罩10。面罩10包括气室12，形成气室12和气室的外部之间的边界的过滤器14，以及出口阀16。

面罩10被配置为允许空气通过出口阀16从气室12流出到外部，但仅允许空气通过过滤器14从外部进入气室12。这确保了吸入的空气被过滤，例如以去除污染物，同时快速地对呼出的空气进行通风以减小呼吸阻力并且减小气室12内的空气的湿度和温度。

图2示出了根据本发明实施例的处于打开位置的出口阀16的示例。

出口阀包括第一盘20和第二盘(图2中不可见)，其中第一盘和第二盘被配置为相对于彼此旋转。图2中的盘是圆形的，但也可使用其它形状的盘。

每个盘包括开口25：在图2中，在每个盘中有18个开口25，但是可以使用任何数量的开口。开口25可以围绕每个盘以规则的间隔放置；可以选择这些间隔的大小，以便使打开和关闭阀所需的旋转最小化。在一些实施例中，设置开口25的间隔在8度至30度的范围内，但是可以使用至多180度的任何间隔角。

在一些实施例中，开口25以20度间隔，使得仅需要10度的旋转来打开或关闭阀。在图2中，开口25是泪滴形的，从盘20的中心伸出，但是也可以使用其它形状，例如切片形(slice shape)或三角形。

如图2所示，当阀处于打开位置时，盘处于相对位置使得第一盘20中的开口25与第二盘中的开口对齐，允许空气通过开口。

图3示出了根据本发明实施例的处于关闭位置的出口阀16的示例。

当出口阀处于关闭位置时，第一盘20中的开口25被第二盘30阻挡。第二盘30中的开口在图3中未示出，因为它们被第一盘20阻挡。出口阀可以通过旋转第一盘20和第二盘30中的一个来打开和关闭，以对齐或阻挡开口25。

盘20和30可以由轻质材料制成，例如聚合物或多孔材料，以便使引起盘相对旋转所需的力最小化。

图4示出了根据本发明实施例的出口阀16的另一示例。出口阀16包括第一盘20和第二盘30，所述第一盘20和第二盘30包括如上所述的开口25，并且还包括在每个盘的面向另一盘的表面上的一组脊40。每个盘上的脊40的数量可以对应于每个盘中的开口25的数量，使得每个脊40在两个开口之间。每个脊40可以从盘的中心径向向外延伸。

第一盘上的至少一个脊40被配置为与第二盘上的至少一个脊对齐，使得每对对齐的脊在第一盘20中的开口25与第二盘中的开口之间提供屏障。

在一些实施例中，第一盘20和第二盘30被定位成彼此足够接近，使得对齐的脊40能够互锁。这限制了第一盘20和第二盘30的相对旋转范围：盘仅能够沿任一方向旋转，直到一个盘上的脊40与另一盘上的脊接触。

在一些实施例中，第一盘20和第二盘30中的至少一个具有扇状结构，该扇状结构适于允许气流引起第一盘和第二盘的相对旋转。

因此，逆着阀的气流被扇状结构转换成旋转扭矩，然后旋转扭矩使一个盘相对于另一个盘旋转。与气流方向成角度偏移的风扇叶片可用于产生该扭矩。

在其它实施例中，面罩10包括流量传感器和控制器，该控制器用于响应于由流量传感器产生的信号来控制第一盘20和第二盘30的相对旋转。

在一些实施例中，流量传感器包括瓣阀和电开关，并且控制器包括由电开关致动的电磁电路。瓣阀可以具有形成电开关的触点的导电瓣部分。其它类型的流量传感器和控制器对于本领域技术人员来说是显而易见的。

图5示出了根据本发明实施例的出口阀16的示例，其中第一盘20和第二盘30的相对旋转由流量传感器和控制器控制。出口阀16处于打开位置。

图6示出了处于关闭位置的同一出口阀16。

流量传感器包括电开关51和瓣阀52。瓣阀52具有导电瓣部分，当瓣阀52接触电开关51时，通过在电开关51的第一触点和第二触点之间提供电接触，该导电瓣部分形成电开关51的触点。

瓣阀52被配置为由呼气产生的空气压力致动，使得当面罩10的佩戴者呼出时瓣阀52打开。当瓣阀52打开时，导电瓣部分形成电开关51的触点。当面罩10的佩戴者吸气时，瓣阀52关闭，从而不再提供电开关51的第一和第二触点之间的接触。

控制器包括由电开关51致动的电磁电路，以及连接到第一盘或第二盘的永磁体53。电磁电路包括螺线管和连接到螺线管的电源。可以对螺线管增加铁芯以增加螺线管磁场的强度而不增加功耗。螺线管被配置为使得螺线管与永磁体53之间的磁力引起第一盘20与第二盘30之间的相对旋转。例如，永磁体53可以被附接到第一盘20，如图5和图6所示，并且螺线管可以被定位在第二盘30上，或者永磁体可以被附接到第二盘30，并且螺线管可以被定位在第一盘20上。

在一些实施例中，电开关51是电磁电路的一部分，使得螺线管在开关闭合时产生磁场。在其它实施例中，电开关可以是电路的一部分，当闭合时，电开关用作切断电磁电路的触发器。

弹簧可以向关闭状态提供偏置，使得当电磁电路闭合时，偏置关闭阀。备选地，可以使用(永磁体的)磁偏置来关闭该阀，并且该磁偏置被产生更强的磁力的电磁电路克服。

在又一实施例中，当瓣阀52打开以接触电开关51时形成第一闭合电磁电路，并且当瓣阀52关闭时形成具有到第一电磁电路的反向电流的第二闭合电磁电路。这意味着螺线管和永磁体53之间的磁力在瓣阀52打开时沿第一方向作用，而在瓣阀52关闭时沿第二方向作用。

在一些实施例中，由螺线管和永磁体53之间的磁力产生的运动是第一盘20或第二盘30的旋转；在其它实施例中，螺线管被配置为产生垂直于第一盘和第二盘的线性运动，并且控制器适于将线性运动转换成旋转运动并旋转第一盘和第二盘中的一个。例如，垂直于第一盘和第二盘的凹槽结构可用于将螺线管产生的线性运动转换为旋转运动并旋转第一盘和第二盘中的一个。然后可以使用诸如弹簧之类的机构将由凹槽结构旋转的盘返回到其原始位置。用于将线性运动转换为旋转运动以及用于将旋转的盘返回到其原始位置的其它机构对于本领域技术人员来说是显而易见的。

图7示出了用于将线性运动转换为旋转运动以旋转盘并且用于将旋转的盘返回到其原始位置的示例性机构70。

该机构包括凹槽结构72、线性滑块74和弹簧76。在图7中，凹槽结构被连接到第一盘20，但是也可以被连接到第二盘30，并且垂直于第一盘和第二盘。在图7中，凹槽结构是具有螺旋凹槽的筒体，但也可以使用其它形状。

当电磁电路接通时，螺线管和永磁体53之间的磁力使线性滑块74朝向或远离第一盘20移动。线性滑块74的一部分位于凹槽结构72的凹槽中，使得线性滑块74的线性运动引起凹槽结构72和连接到凹槽结构72的第一盘20旋转。

弹簧76被附接到线性滑块74并且位于凹槽结构72和线性滑块74之间，使得如果线性滑块74朝向第一盘20移动，则线性滑块的运动压缩弹簧76。如果线性滑块74移动远离第一盘20，则伸展弹簧。当电磁电路断开时，螺线管和永磁体53之间的磁力不再存在，并且弹簧76返回到其原始长度，从而将线性滑块74移动远离第一盘20。线性滑块74的运动使凹槽结构72和第一盘20旋转回到它们的原始位置。

图8示出了包括印刷电路板80的面罩10的示例。印刷电路板80使用上述任何方法控制出口阀16的打开和关闭，并且可以包括功率控制模块。功率控制模块可以包括放大器、电容器和电阻器。印刷电路板80的设计对本领域技术人员来说是显而易见的。印刷电路板80可以使用与出口阀16相同的电源。

在一些实施例中，印刷电路板80具有与出口阀16可拆卸的接口，并且出口阀16与过滤器14集成。这允许过滤器14和出口阀16与印刷电路板80分开销售。在出口阀16和印刷电路板80之间构造可拆卸的接口的方法对于本领域技术人员来说是显而易见的。

在其它实施例中，印刷电路板80与出口阀16的一个盘集成在一起，而出口阀16的另一个盘与过滤器14集成在一起，并且出口阀16的两个盘可以彼此分离。这允许过滤器14和出口阀16的一个盘与印刷电路板80和出口阀16的另一个盘分开出售。

在其他实施例中，印刷电路板80与出口阀16集成，并且印刷电路板80和出口阀16可以从过滤器14分离。这允许过滤器14与印刷电路板80和出口阀16分开销售。

存在可用于提供旋转控制的各种磁体配置。

图9示出了附接到待被旋转的一个盘(例如第一盘20)的永磁体53。第二永磁体54将盘保持在用于关闭阀的位置。电磁电路包括实现电磁体的螺线管80和电源82。螺线管通过开关51被耦合到电源。开关51由如上所述的瓣阀形成。这个瓣阀可以是小阀，因为它不需要允许大的气流；它仅用于检测压差，从而检测气流的方向，即检测吸气或呼气。

在左图中，开关51打开，因此螺线管不通电。永磁体53、54对齐(因为它们具有相反的磁极)以将阀保持在关闭状态。打开的开关51可以对应于关闭的瓣阀(即，没有流动来打开瓣阀，如上所述)。这在图9中示意性地示出。

在右图中，开关51闭合(瓣阀打开)，因此螺线管通电。磁力克服永磁体54的磁力，并且盘转动以引起新的对齐。在一些实施例中，永磁体53和它所附接到的盘被配置为相对于永磁体54旋转10度。

代替使用永磁体来限定默认的关闭阀位置，可以使用扭转弹簧或线性弹簧(例如，推动控制片)。

永磁体可以在盘的中心(例如，围绕旋转轴安装)或在外围。

作为替代，可以有第一电磁体和第二电磁体，一个用于盘的每个位置。

为了降低功耗，可以将轻质材料用于阀，例如聚合物或多孔材料。

本发明仅涉及流量的检测和作为响应的阀的打开。本发明可以与任何已知的口罩控制方案结合使用。其可用于有源口罩(具有风扇)或无源口罩。当与有源口罩一起使用时，可以使用任何已知的风扇控制方法。

通过研究附图、公开内容和所附权利要求，本领域技术人员在实践所要求保护的本发明时可以理解和实现所公开实施例的变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。

在相互不同的从属权利要求中叙述某些措施的事实并不表示不能有利地使用这些措施的组合。

如果在权利要求或说明书中使用术语“适于”，则应注意，术语“适于”旨在等同于术语“被配置为”。

权利要求中的任何附图标记不应解释为限制范围。