CN107106880A - 可穿戴空气净化设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种可穿戴空气净化设备，其主动地生成用于直接输运到邻近用户的嘴部或鼻部的区域的推进的净化空气流，以用于用户的直接吸入。空气腔室包括适于在两个极限位置间浮动的柔性膜片，从而改变腔室内的容积并交替地将空气吸入和吹出腔室。过滤元件被布置在所述空气腔室中。过滤元件被布置成与转移到空气腔室中的空气进行流体连通，与从所述腔室转移出的空气进行流体连通，使得当空气进入空气腔室和离开空气腔室两者时空气都被净化。过滤元件主动地去除颗粒或气态污染物。本发明的实施例可以包括多个这样的空气腔室组件，其被布置成共同将连续流动的空气输送到用户的呼吸区。

Description

可穿戴空气净化设备

技术领域

本发明涉及可穿戴空气净化或过滤设备，特别涉及避免用户需要重重地通过过滤器呼吸的电动设备。

背景技术

颗粒物(PM10及PM2.5)和有害气体(诸如SO₂、NO_x、CO及O₃)在全球范围被认定为周围城市环境中的主要污染物。近年来，这些污染物的浓度在许多大城市中频繁达到高危险水平，对居民产生严重的健康风险，并导致对具有日常室外活动的人进行呼吸防护的非常迫切的需要。

基于口罩的技术通常是被动呼吸防护的首选。虽然过滤式口罩非常轻质，并就作为可穿戴解决方案而言它们是有利的，但归因于用户所经历的高呼吸阻力，它们同时是穿戴不舒适的。

为避免呼吸阻力的问题，可穿戴空气净化的其他解决方案包括动力辅助颈戴式设备，其通过使用风扇元件将过滤空气从位于用户头部下方的净化器单元向上推进到他们的嘴部和鼻部。以这种方式，洁净空气被主动地输送给用户以用于吸入，而没有必须通过口罩呼吸的不适。

虽然这样的解决方案成功地消除了呼吸阻力问题，但是在效率方面它们远不能令人满意。特别是，当在许多普通室外情况下使用时，这样的“随时随用”颈戴式设备表现出严重受损的性能。例如，如果在速度大于1m/s(约3.6km/h)的风中使用，则设备不能将洁净的气流输送到用户的面部。这些设备甚至对室外温度的最柔和波动也高度敏感。

虽然通过实施更强力的风扇元件，对抗风干扰的更大的弹性是可能的，但是这将要求设备尺寸、重量及功耗的显著增加。然而，对于可穿戴设备，这些因素的最小化无疑是最优先的。

因此，期望可穿戴空气净化设备能够主动输送净化的空气，以用于用户的直接吸入—从而避免任何呼吸阻力问题—而其中输送机制基本上是抵抗风干扰，以及跨宽范围的环境温度是稳定地操作。

发明内容

本发明由权利要求限定。

根据本发明的一个方面，提供了一种可穿戴空气净化设备，用于将净化的空气输送到邻近于用户的嘴部和/或鼻部的区域，以用于他们直接吸入，这种可穿戴空气净化设备包括：

空气腔室，所述腔室包括开口，并且进一步包括适于在第一位置与第二位置间偏转的柔性膜片，以从而改变空气腔室内的容积，当膜片向所述第一位置偏转时容积的所述改变引起空气经由开口在进入空气腔室的第一方向上的转移，当膜片向所述第二位置偏转时容积的所述改变引起空气经由开口在离开腔室的第二方向上的空气转移；

位于所述空气腔室中的过滤元件，过滤元件被布置成与在所述第一方向上通过所述开口转移到空气腔室中的空气进行流体连通以及与在所述第二方向上通过所述开口从所述腔室转移出的空气进行流体连通，使得当空气进入空气腔室和离开空气腔室两者时空气都被净化。

当膜片至少在第一位置与第二位置之间移动时，空气被交替地吸入和吹出腔室。诸如例如颗粒或气体过滤器的过滤元件相对于腔室中的开口定位，使得进入和/或流出的空气与所述过滤器的活性表面进行接触，并且从而去除污染物。

在膜片适于在高频率下在两个位置之间摆动的情况下，当流出的空气被从腔室中排出时可以形成射流。这被称为合成射流生成，并允许使用紧凑、轻质且节能的布置形成高速气流。

本发明基于这种合成射流技术与空气净化功能的组合，以提供一种空气净化设备，其足够小且轻质以由用户在日常活动期间佩戴，但其足够强力以即使在大风条件下也提供全面功能。

使用合成射流方案意味着空气在过滤器中停留的时间可以得到增加。

在一些实施例中，柔性膜片可以至少部分地限定腔室的边界。

在这种情况下，腔室内侧容积的改变可以通过简单地改变膜片的偏心度来实现。例如，通过使膜片适于‘凹入式’地弯曲到腔室的主体容积中，腔室的容积减小。另一方面，通过移动膜片以使其‘凸出式’地从腔室主体中弯出，腔室容积因此增加。因此，在这种实施例中，合成射流作用可以通过简单地使膜片在向外‘凸出’位置与向内‘凹入’位置之间‘翻转’来实现。

该设备可以进一步包括用于驱动膜片在两个或更多个位置间摆动的驱动机构。

在要实现合成射流作用的情况下，设备可以包括用于控制膜片的移动的驱动机构。例如，驱动器单元可以包括用于引起膜片的电动转移的元件，诸如那些例如在常规扬声器设备中所使用的元件。然而，在备选实施例中，驱动器可以包括一种或多种压电元件，以引起在与所施加的电流或电压成比例的频率下的振动。在另外的实施例中，驱动器可以包括一种或多种电机元件，以用于膜片的机械操纵。

膜片的表面区域可以大于一个或多个开口/通路中的任何一个的截面面积。

在这样的实施例中，通过膜片位置的‘反转’而离开腔室的气体的转移可以自然地导致射流形成的生成，因为由膜片的移动生成的压力波具有面积比出口开口的截面面积大的波前。当过量的空气被迫通过狭窄开口时，这可以然后自然地导致涡流的生成。

该设备可以包括通过至少部分地共用的边界互相分隔的两个或更多个空气腔室，其中所述边界至少部分地由至少一个柔性膜片限定。

根据这种实施例，边界共用的两个腔室彼此互相对立地工作：当第一腔室处于其抽吸阶段中时，第二腔室处于其吹送阶段，反之亦然。部分地分隔两个腔室的膜片有效地在两个腔室间共用，并且可以在‘左侧’进入第一腔室的主体容积中与‘右侧’进入到第二腔室的主体容积中之间摆动。以这种方式，当膜片来回移动时，两个腔室的容积彼此相呼应地交替增加和减小。

这种实施例具有降低能耗的优点，因为可以使用单个膜片来同时生成两个射流。

至少一个开口中的一个或多个可以包括用于控制通过开口的气流的阀。

在这种实施例中，阀或开关可以用在入口处或出口处，以控制射流流动。阀可以例如包括非常薄的金属叶片或板，其可以单独地通过产生的压力差而容易地打开或关闭。

这样的实施例允许在单个腔室内使用多个开口，因为各个开口可以在不同阶段期间打开或关闭，允许一个开口例如纯粹用作入口而第二开口纯粹用作出口。这在应用中可能是有价值的，例如对于进气要从周围环境内的不同相关源被抽到流出空气的目的区是有利的或必要的。例如，如果设备要接近于嘴部佩戴，那么可能期望从不直接在用户的呼吸区中的源抽取空气。

根据这种实施例，空气净化出现在抽吸阶段期间和射流吹送阶段期间两者，从而提高净化过程的效率。当转移到腔室中的空气在抽吸阶段期间进入腔室时其与过滤元件连通。当阶段切换及空气方向反转时，已经穿过/经过过滤器的(一个或多个)表面的过滤空气部分当其返回离开腔室时将再一次与过滤器的活性表面进行接触。在切换时刻与横向扩散过滤器接触或驻留在横向扩散过滤器的内部通道内的任何空气将继续其扩散过程，但在相反的方向上。因此，这种实施例允许‘双向’净化，以延长污染物与过滤元件的活性表面的接触时间。

一个或多个过滤元件可以定位在至少一个空气腔室之外，并与至少一个开口对准，使得从腔室转移出的空气当其离开时与过滤元件进行流体连通。

根据本发明的另一方面，提供了一种可穿戴空气净化设备，用于将净化的空气输送到邻近于用户的嘴部和/或鼻部的区域，以用于他们直接吸入，这种可穿戴空气净化设备包括：

空气腔室，所述腔室包括开口，并进一步包括适于在两个或更多位置间偏转的膜片，从而改变空气腔室内的容积，容积的所述改变引起空气经由开口进入和离开腔室的转移；

过滤元件，被布置成与转移到空气腔室中和/或从空气腔室转移出的空气进行流体连通；

流量分配板，限定用于进入腔室的空气的流动的气流抽吸区，所述气流抽吸区包括通向入口开口的入口通道，所述入口通道被配置为使得它们变窄并加速空气向入口开口的流动，所述流量分配板还限定气流喷射区，以引导离开腔室的空气，以及

撞击器，气流喷射区包括出口通道，以将离开腔室的空气引向撞击器。

根据这种实施例，过滤元件被布置为使得流出的射流在其已经离开腔室后与活性过滤器表面进行接触。这种实施例可能特别适用在过滤器元件中的至少一个是撞击板的示例中。在此，流出的射流在碰撞撞击板时突然改变方向，经由惯性力引起射流中所携带的任何小颗粒从射流的分离。这些颗粒然后可以由板的表面捕获。

该设备包括一个或多个流量分配元件，限定用于正在转移到至少一个腔室中的气体的虚拟撞击的一个或多个入口通道。

通道被限定在腔室的一个或多个入口开口之前。在这些通道被限定地足够狭窄时，在抽吸阶段期间实现‘虚拟撞击’，其中经由入口通道抽到腔室中的空气通过流动变窄而加速，使得某些较大的颗粒从空气流中分离，并留在周围环境中。

空气腔室可以在外腔室内限定内腔室，其中内腔室与外腔室之间的空间限定到至少一个开口的入口通路。这可以限定具有进入和离开腔室的更连续的流动流的喷射泵。

可以提供隔热层，以用于最小化设备与环境之间的热交换。

对于某些类型的过滤元件，诸如用吸附剂/催化活化的碳或金属有机骨架浸渍的混合式气体过滤器，净化效率由周围环境的温度和湿度严格限制。那么，对于一些实施例，期望设备包括热防护元件，以便最大化过滤部件的性能。这些元件可以包括隔绝层，并且在一些示例中可能包括用于在设备内维持特定范围的最佳温度的加热元件。

根据本发明的另一实施例，提供了包括如上文所限定的过滤器设备的阵列的过滤器口罩结构，其中所述阵列被布置为使得从空气腔室转移出的气体向接近于用户脸部的公共区域推进，以使得转移的空气可以由所述用户吸入。

通过利用设备的阵列，可以跨较宽的区域提供净化空气，以允许更舒适和自然的呼吸。另外，这样的布置可以更好地抵抗风干扰的影响，因为特定方向性的风将不同程度地与不同角度的流动干扰。因此，在不同方向的风中，可以维持高功率流动。

根据本发明的另一方面，提供了一种通过使用包括至少一个空气腔室的可穿戴过滤器设备而生成净化的空气并将净化的空气输送到用户的嘴部和/或鼻部以用于他们直接吸入的方法，所述腔室包括开口并进一步包括柔性膜片，该方法包括：

使膜片在第一位置与第二位置之间偏转，以从而改变空气腔室内的容积，当膜片向所述第一位置偏转时容积的所述改变引起空气经由开口在进入空气腔室的第一方向上的转移以及当膜片向所述第二位置偏转时容积的所述改变引起空气经由开口在离开腔室的第二方向上的经由开口的转移，并引导所述转移的空气以便与位于空气腔室中的一个或多个过滤元件进行流体连通，以使得过滤元件与在所述第一方向上通过所述开口转移到空气腔室中的空气进行流体连通、与在所述第二方向上通过所述开口从所述腔室转移出的空气进行流体连通，使得当空气进入空气腔室和离开空气腔室两者时空气都被净化。

此外，在这种方法中所利用的过滤元件可以包括一个或多个撞击板，并且该方法包括将从至少一个空气腔室转移出的空气引向所述撞击板，并从而从所述转移的空气中捕获特定污染物。

在某些实施例中，该方法可以进一步包括经由一个或多个通道抽吸要转移到至少一个空气腔室中的空气，从而引起升高的流入速度，并因此通过惯性力来过滤特定污染物。

附图说明

现在将参考随附的附图详细描述本发明的示例，其中：

图1用于说明已知的合成射流流体泵机制；

图2示出了过滤器设备的第一示例；

图3示出了具有单孔的设备可以如何从被污染的区域抽取空气并将新鲜空气输送到期望的洁净空气区；

图4示出了过滤器设备的第二示例；

图5示出了过滤器设备的第三示例；

图6示出了过滤器设备的第四示例；

图7示出了过滤器设备的第五示例；

图8示出了过滤器设备的第一示例；

图9示出了过滤器设备的第六示例；

图10示出了利用合成射流的已知喷射泵；

图11示出了过滤器设备的第七示例，其利用以参考图10所说明的方式操作的喷射泵；以及

图12示出了应用于面罩的过滤器设备集。

具体实施方式

本发明提供了一种可穿戴空气净化设备，其主动地生成用于直接输运到邻近用户的嘴部或鼻部的区域的推进的净化空气流，以用于用户的直接吸入。空气腔室包括适于在两个极限位置间浮动的柔性膜片，从而改变腔室内的容积并交替地将空气吸入和吹出腔室。过滤元件被布置在空气腔室中或空气腔室周围，并被对准为与由在腔室入口上或腔室出口上的膜片转移的空气连通，以用于颗粒和/或气体污染物的主动去除。本发明的实施例可以包括多个这样的空气腔室组件，其被布置成共同将连续流动的空气输送到用户的呼吸区。

本发明基于将合成射流发生器技术并入可穿戴空气净化设备内的构思，以便提供能够将高度推进的洁净空气流输送到用户的嘴部和/或鼻部而同时足够紧凑和轻质以由用户在日常活动期间舒适地佩戴的净化器。合成射流发生器正越来越多地用在在广泛的技术领域中，最显著地是LED设备冷却领域。归因于优于常规基于风扇技术的许多显著优点，包括更低的噪声水平、更高的可靠性、更长的寿命、更好的效率、更低的成本及紧凑而灵活的形式因素，合成射流的使用是有前景的。注意，鉴于合成射流技术的广泛应用(特别是在LED设备中)，合成射流发生器在大规模生产中的实施已经是可行的。

图1中，示出了如本领域中所已知的合成射流发生器概念的一个简单示例。合成射流发生器包括形成空腔4的振动膜2(最常见地，正弦振动)，空腔4经由孔或管6连接到周围环境。该膜可以通过例如电动(如在常规扬声器中)、压电或机械的任何手段驱动，膜的摆动使得空气以某一频率交替地被抽吸到空腔中和从空腔中吹出。在进入(抽吸)阶段期间，空气8被从各种方向抽到空腔中。在流出(吹送)阶段期间，射流形式10可以出现，其中当空气被迫通过狭窄的开口6时生成涡流。膜振动频率可以通过控制单元来调节，例如，高射流速度一般而言可实现从几m/s到几十m/s的范围。

如上文所讨论的，当这样的设备用在许多典型的室外环境中时，现有的“随时随用”(例如颈戴式)空气净化产品的性能和效率严重受损。仿真已发现，在1m/s的迎面而来的风中，无论空气源置于头部之上或之下，现有设备都不能将洁净空气输送到脸部。即使空气源可以被重新定位成更靠近佩戴者的鼻部/嘴部，仍然将要求更高的流速，从而需要设备内的更强力的风扇单元，这将因此将导致整个单元的附加体积和重量。

本发明的实施例将合成射流技术与现有空气净化及过滤技术组合，以提供一种在装置中以高达几十m/s(例如约50m/s)的流速输送洁净空气的高效方式，该装置紧凑而轻质(相比于具有等同的流动能力的基于风扇的设备)。

图2中，示出了简单的第一示例的示意性图示。空气腔室12包括在一个端部处的开口或通路14，以及在另一端部处的柔性膜片16，膜片16适于在两个极限位置间翻转或反转，第一位置图示在图2的最左边的示图中，以及第二位置图示在图2的最右边的示图中。膜片部分地限定腔室的外边界，从而将其内部由空气腔18占据的下部分从外部的周围环境中隔离。腔室的上部分由两个堆叠的过滤元件占据，这两个堆叠的过滤元件是颗粒过滤器层24和气体过滤器层26，这两个中的每一个跨腔室的整个宽度，并一起形成腔室顶部处的开口14与填充腔室的剩余部分的空气腔18之间的边界。

通过示例的方式，过滤器可以包括以下各项中的一项或多项：

微波纹状MERV 12(最低效率报告值12)HEPA(高效颗粒吸附)过滤器(其可以去除超过90％的PM2.5)；

活性炭纤维过滤器，用于去除气体污染物；或者

混合式活性炭纤维和玻璃纤维过滤器(用于颗粒物质和气体两者)；或者

活性炭泡沫；

驻极体泡沫(electret foam)。

当膜片在其第一位置与第二位置之间来回移动时，将空气交替地吸入和吹出腔室。图2的最左边示图中示出了抽吸阶段。当膜片从其面向上的(第二)位置移动到面向下的(第一)位置时，空气腔18的容积被对应地改变，从右图中所示的较小容积增加到左图中所示的较大容积。容积的这种改变引起真空效应，从而将空气20通过入口开口14吸到腔室中。向内部转移的空气被迫通过过滤器元件24、26，在此期间污染物(颗粒及有害气体)随后被吸附。注意，过滤器中污染物的运输在一些实施例中至少部分地区通过扩散来完成，并且空气净化/过滤通常是不可逆过程。

图2的示图不是按比例示出的，因此通常过滤元件可能占据的腔室容积仅是由空气腔18占据的小比例。在这种情况下，由膜片16到其第一位置的移动引起的容积改变可能通常大于两个过滤器元件组合的容积，因此在抽吸阶段期间，一些空气被迫通过过滤器层并进入腔18。然而，在一些其他示例中，膜片尺寸和过滤元件体积可以被校准为使得由膜片的反转引起的容积改变基本上匹配过滤元件的体积，以使得抽到腔室中的空气填充内部空间及过滤器元件的空腔，而不渗透到下侧腔18中。

图2的最右边示图图示了吹出阶段。当膜片从其第一位置移动到其第二位置时，空腔的容积减小，并且如由箭头22所示的，空气被排出。

在这一示例中，膜片部分地限定了腔室的边界，使得膜片的位置和形状确定了腔室容积。

在这一示例中，膜片适于在至少两个极限位置间移动。在优选的实施例中，膜片适于在这两个位置间摆动或振动，从而促进合成射流作用。为了这一目的，设备另外包括用于驱动膜片摆动或振动的驱动单元。驱动单元可以例如包括用于引起膜片的电动移位的元件，诸如那些例如在常规扬声器设备内使用的元件。然而，在备选的示例中，驱动器可能包括一个或多个压电元件，以引起处于与所施加的电流或电压成比例的频率下的振动。在另外的示例中，驱动器可能包括一个或多个电机元件，以用于膜片的机械操纵。包括不同驱动器机构的其他实施例也是可以想到的。

图3用于说明可能的驱动器布置。在图3的左图中，用户的嘴部在位置U处。这处于离合成射流孔的距离H处。然而，由用户的吸入导致深度h的空气层的吸入，深度h小得多。合成射流的高速度使得射流能够以比空气被抽到腔18中的距离大得多的距离达到用户的嘴部。作为结果，被抽到空腔中的空气与被排出的用于呼吸的空气之间的干扰可以通过合成射流与用户嘴部之间的距离的适当设计而得以避免。

图3中的右图示出孔板23可以放置在合成射流出口的下游，使得空气从板23的喷嘴侧被抽入而从板的另一侧由用户吸入。

以这种方式，单孔可以用作入口和出口两者，同时使得污染的空气能够从一个位置被抽到空气净化器中，以及洁净空气能够被排到用于由用户呼吸的另一位置。

取决于膜片的结构和组成(可以根据不同实施例而变化)，膜片在其第一位置与第二位置间的移动可以包括平滑、连续的过渡，其中当膜片在两个位置间相对平滑地移动时，膜片占据所有中间位置，或备选地可以包括随机的或不连续的移动，其中膜片突然从一个位置‘翻转’到另一位置。

在图2的特定示例中，过滤元件24、26定位在空气腔室12之内，并与一个开口14对准，使得转移到腔室中的空气20当其进入时与过滤元件进行流体连通。通过这种实施例，空气不仅在其到腔室中的通路期间被净化，而且另外地在其返回的通路期间再一次被净化，因为在行程的两个阶段期间空气必须穿过相同的单个开口14，并因此通过邻近的过滤元件。当阶段切换且空气方向反向时，已经穿过/经过过滤器的(一个或多个)表面的过滤的空气部分当其返回离开腔室时将再一次与过滤器的活性表面进行接触。在切换时刻与横向扩散过滤器接触或驻留在横向扩散过滤器的内部通道内的任何空气将继续其扩散过程，但在相反的方向上。

因此，这种实施例将允许‘双向’净化，以延长污染物与过滤元件的活性表面的接触时间。

振动膜频率(f)可通过控制单元调节。洁净空气的高喷出速度(几十m/s)可以通过选择f及其对应的空腔和孔的尺寸来实现。

合成射流发生器的频率是例如几十kHZ，诸如26kHz。为避免噪声，频率通常选择为高于超声波的低频下限(～20kHz).

对于所有室内/室外空气净化器，气体及颗粒过滤器将需要维护。合成射流空腔应当被设计成使得可以容易地更换这些过滤器。

图4示出了第二示例。对于相同的部件，使用与图2相同的参考标记。图4还示出腔18可以仅包含气体过滤器；颗粒过滤器和气体过滤器的使用不是必需的。

该设备包括由共用边界互相分隔的两个空气腔室18，共用边界由柔性膜片16限定。实质上，图4的设备包括两个并排的图2的设备，其中柔性膜16形成两者间的连接。这两个设备的耦合部分地通过膜16并部分地通过刚性壁部分32而实现。

边界共用的两个腔室18彼此互相对立地工作：当第一腔室处于其抽吸阶段中时，第二腔室处于其吹送阶段中，反之亦然。部分地分隔两个腔室的膜片有效地在两个腔室间共用，并且可以在‘左侧’进入第一腔室的主体容积中与‘右侧’进入到第二腔室的主体容积中之间摆动。以这种方式，当膜片来回移动时，两个腔室的容积彼此相呼应地交替增加和减小。

这种设计实现了能耗的降低，因为可以使用单个膜片来同时生成两个射流。特别地，合成射流的抽吸阶段(抽吸半周期)及吹送阶段(喷射半周期)两者都用于空气净化和过滤。

上文的示例是高频设备。低频设备也是可以的。图5示出了用于在较低频率下操作的第三示例。同样地，对于相同的部件，使用与图2相同的参考标记。

这一示例具有分离的进气口14a和出气口14b。进气口14a具有入口阀42a而出气口14b具有出口阀42b。

阀42a、42b可以是瓣阀，其取决于其两端的压力差而打开和关闭。瓣阀可以是薄的金属叶片或板。可以使用其他阀，并且它们可以是被动的(诸如瓣阀)或主动的(即切换阀)。阀控制射流流动。

在这一示例中，气体过滤器26在入口侧处，而颗粒过滤器24在出口侧处。腔室12被限定在过滤器24与过滤器26之间的空间。

当使用阀时，可以期望相对低的频率来实现通过合成射流而及时打开和关闭阀的期望的机械响应。例如，振动膜频率可以小于10Hz，例如在1Hz到5Hz的范围中。

在图5左侧所示的抽吸阶段中，入口阀42a打开而出口阀42b关闭。随后，空气被抽到入口孔14a中，穿过颗粒过滤器24，并进入腔18。在图5右侧所示的射流吹送阶段中，入口阀42a关闭而出口阀42b打开。空气在被吹出前被迫穿过气体过滤器26。

图6示出了第四示例。这与图5的示例的不同之处仅在于：过滤器24和过滤器26两者都被提供在腔室12的出口侧处。

通常，气态污染物的去除通过浸渍有针对目标气体的特定吸附剂的过滤器来实施。存在诸如活性炭和金属有机骨架(MOF)的一些吸附剂或催化剂，其可以浸渍在混合气体过滤器中，并从而可以过滤掉多于一种类型的气态污染物。然而，这些过滤器的净化效率由空气净化器工作的周围环境的温度和湿度严格地限制。对于“随时随用”应用，温度波动对净化性能的负面影响应当最小化。

对于室内空气净化器，存在18℃～30℃的狭窄的典型温度范围。对于室外面罩应用，空气净化器需要在冬季和夏季两者都正常工作，为此温度范围应当延伸至0℃-40℃。

图7示出了对图3的变形，并示出了当工作在严苛环境中时保护空气净化器的热变更。在冬季中，隔热层44(例如，塑料外盖)被添加，以最小化净化设备与环境间的热交换。小型热源45(例如，电阻器加热器)也可以被提供在空气净化器之内。当佩戴者外出时，电池源46的部分能量然后可以用于保持净化器温暖。

在夏季中，隔热层44可以被去除而加热器45是空闲的。如果环境温度过高，替代加热，也可以提供冷却或通风的手段。电池可以使用安装在空气净化器外侧的太阳能(光伏)板47来充电。电池还提供用于驱动膜的电力。

电池可以如所示的那样是设备的一部分，但也可以是连接空气净化器设备以接收电力的另一设备(诸如，智能电话)的一部分。

可以使用的另一类型的过滤方案是撞击器。这是用于从气体流中分离一定大小的颗粒的过滤技术。

图8示出了过滤器设备的一个示例，其利用上文所描述的合成射流方案，并且还实现了用于去除污染的大气中颗粒物的两阶段撞击。

如在上文的示例中，存在具有容积(容积取决于膜片16的位置)的腔室12。如由气流20所示的，空气被横向地抽到入口/出口14中。颗粒54夹带在气流中。

板56用作简易流量分配器，并且它将流动分离成进入腔室12的抽吸区及在入口/出口14正下方的喷射区。高速空气射流被引导出入口/出口14，且射流速度可以通过改变振动频率来控制。该设备进一步包括撞击板50。

在图8左侧所示的抽吸半周期期间，空气被抽到腔室12中。虚拟撞击器自然地形成在腔室12与板56之间，这意味着大颗粒54将如示意性地示出的那样留在设备之外。仅有小颗粒跟随抽吸的空气流而进入腔室12。

在图7右侧所示的喷射半周期期间，先前抽吸到空腔中的空气被迅速推出，以形成高速射流。在它碰撞撞击板50而改变方向之后，射流中的小颗粒经由惯性力而分离并由撞击板50捕获。因为射流的最大速度足够大(几m/s到几十m/s)，具有非常小的空气动力学直径的颗粒也可以得以去除。

因此，设备的每个半周期执行颗粒过滤操作。在抽吸半周期期间，具有高惯性的大颗粒经由第一虚拟撞击从空气流中分离。在喷射半周期期间，剩余的小颗粒通过高速射流流动在撞击器上的第二撞击得以进一步去除。因此，实现了两阶段撞击器过滤功能。

在这一示例中，不需要过滤器(也没有与上文示例共同的风扇)，并且合成射流发生器可以非常紧凑。空气净化系统因此可以非常小、轻质且节能。它也是可洗且易于维护的。通过使用惯性力去除颗粒，存在二次污染。

该设计包括含在空气净化系统内的合成射流生成部分及一个或多个撞击部分。物理撞击器50在喷射区中而虚拟撞击器(其产生自流动方向)在抽吸区中。流量分配器56将合成射流分离成抽吸区和喷射区。它还在形成抽吸区中的虚拟撞击器中起作用。

如上文所说明及图3中所示的，两个(或更多)设备可以通过共用的膜而耦合在一起。图9示出了两个图8的设计可以如何以类似的方式耦合在一起。同样地，这可以降低能耗，因为合成射流的抽吸阶段(抽吸半周期)和吹送阶段(喷射半周期)两者都用于空气净化。第二撞击阶段中小颗粒的去除可以进一步通过撞击板50的表面改性来完善。

合成射流布置的一些示例的实际限制可能是空气在过滤器中的可用驻留时间对充分的净化来说过短。可以通过降低合成射流频率来增加驻留时间，例如，如上文针对使用阀来控制入口和出口的示例所说明的。然而，这可能损害空气净化器的流动速度。

另一方案是使用如图10中所示的合成射流驱动的喷射泵。泵同样具有腔18，其具有由柔性膜16限定的壁。合成射流发生器的空腔由附加的包围件57包围。入口14a由合成射流发生器与泵的一侧上的包围件57之间的空间限定，而出口14b与合成射流出口对准且在泵的相反侧上。由合成射流发生器生成的流体流的动量使得空气被连续地从泵包围件的一侧吸入，并在包围件的另一侧处被连续地排出。这样的泵是商业上可得的，例如来自村田公司(Murata)的被称为“微型鼓风机”的产品。

图10示出了作为用于提供膜16的摆动的设备的压电元件58.

图11示出了基于合成射流喷射泵的空气净化设备，对于相同的部件使用与图10相同的参考标记。通过入口抽进的空气在经过外部包围件57与由合成射流泵腔室12的外侧形成的内部包围件之间前穿过过滤器24、26。在这种设计中，在维持高合成射流频率的同时，空气在过滤器中的驻留时间得以增加，因为驻留时间独立于频率。排出的净化空气再一次形成到达远处的射流。

外部包围件用于限定通向合成射流的入口的通道装置。因此，空气腔室12在外腔室57内限定了内腔室，其中内腔室12与外腔室57之间的空间限定了到开口14的入口通路。这一入口通路比由离开空气净化设备的出口空气流所采用的更直接的路径长。

图12示出了可以如何经由MEMS技术在薄板上制作合成射流撞击器12的阵列。这种板然后可以用作可以‘呼吸’并将洁净空气输送到佩戴者66的口罩。阵列也可以被制作在条上。

该设备可以佩戴在用户的脸部上，以输送待呼吸的、连续流的新鲜空气。在呼吸之间，空气流可以填充口罩体积，其中之前的体积被转移并泄漏到外面。因此，口罩不密封到用户的脸部。

因此，本发明的可穿戴空气净化设备的优选实施方式形成为在用户的嘴部或用户的鼻部和嘴部上佩戴的口罩的一部分。合成射流布置形成在口罩内或形成口罩的结构的一部分，使得其可以由用户佩戴而不是由用户携带。如上文所说明的，它可以由其自身电源供电，或者可以从另一设备分接电力。在它具有其自身的电力供应的情况下，它可以使用太阳能集成采集而是可再充电的。它可以代之将用户的运动用作生成用于为系统充电的能量的机制。

所公开的实施例的其他变化可以由本领域的技术人员在实践所要求保护的发明中从对附图、公开及所附权利要求的学习中理解和实现。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元素或步骤，以及不定冠词“一”不排除多个。某些措施记载在互相不同的独立权利要求中的纯事实不指示这些措施的组合不可以被有利地使用。权利要求中任何参考记号不应当被解释为限制范围。

Claims (13)

1.一种可穿戴空气净化设备，用于将净化的空气输送到邻近于用户的嘴部和/或鼻部的区域，以用于他们直接吸入，所述可穿戴空气净化设备包括：

空气腔室(12)，所述腔室包括开口(12)，并且进一步包括适于在第一位置与第二位置间偏转的柔性膜片(16)，以从而改变所述空气腔室内的容积(18)，当所述膜片(16)向所述第一位置偏转时，容积的所述改变引起空气经由所述开口(14)在进入(20)所述空气腔室(12)的第一方向上的转移，以及当所述膜片(16)向所述第二位置偏转时，容积的所述改变引起空气经由所述开口(14)在离开所述腔室(12)的第二方向上的转移；

位于所述空气腔室(12)中的过滤元件(24、26、50)，所述过滤元件(24、26、50)被布置成与在所述第一方向上通过所述开口(14)转移到所述空气腔室(12)中的空气(20)进行流体连通，以及与在所述第二方向上通过所述开口(14)从所述腔室(12)转移出的空气进行流体连通，使得当空气进入所述空气腔室(12)和离开所述空气腔室(12)两者时空气都被净化。

2.根据权利要求1所述的空气净化设备，其中所述柔性膜片(16)至少部分地限定所述腔室(12)的边界。

3.根据前述权利要求中的任一项所述的空气净化设备，进一步包括用于驱动所述膜片(16)在两个或更多位置间摆动的驱动机构。

4.根据前述权利要求中的任一项所述的空气净化设备，其中所述膜片(16)的表面面积大于一个或多个所述开口(14)中的任何一个开口的截面面积。

5.根据前述权利要求中的任一项所述的空气净化设备，包括通过至少部分地共用的边界(32)互相分隔的两个或更多个所述空气腔室(12)，其中所述边界至少部分地由至少一个柔性的所述膜片(16)限定。

6.根据前述权利要求中的任一项所述的空气净化设备，其中至少一个所述开口(14)中的一个或多个开口(14)包括用于控制通过所述开口的气流的阀(42)。

7.根据前述权利要求中的任一项所述的空气净化设备，其中所述空气腔室(12)在外腔室(57)内限定内腔室，其中所述内腔室(12)与所述外腔室(57)之间的空间限定到至少一个所述开口的入口通路。

8.一种可穿戴空气净化设备，用于将净化的空气输送到邻近于用户的嘴部和/或鼻部的区域，以用于他们直接吸入，所述可穿戴空气净化设备包括：

空气腔室(12)，所述腔室包括开口(14)，并且进一步包括适于在两个或更多位置间偏转的柔性膜片(16)，以从而改变所述空气腔室内的容积，容积的所述改变引起空气经由所述开口进入(20)和离开(22)所述腔室的转移；

过滤元件(24、26、50)，被布置成与转移进入(20)所述空气腔室中的空气和/或从所述空气腔室转移离开(22)的空气进行流体连通；

流量分配板(56)，限定用于空气进入所述空气腔室的流动的气流抽吸区，所述气流抽吸区包括通向入口开口(14)的入口通道，所述入口通道被配置为使得它们变窄并加速空气向所述入口开口(14)的流动，所述流量分配板(56)还限定气流喷射区，以引导离开所述腔室(12)的空气，以及

撞击器(50)，所述气流喷射区包括出口通道，以将离开所述腔室(12)的空气引向所述撞击器(50)。

9.根据前述权利要求中的任一项所述的空气净化设备，进一步包括用于最小化所述设备与环境间的热交换的隔热层。

10.一种过滤器口罩结构(62)，包括：

根据前述权利要求中的任一项所述的过滤器设备的阵列，其中所述阵列被布置为使得从所述空气腔室转移出的气体向接近于用户脸部的公共区域(66)推进，以使得转移的空气可以由所述用户吸入。

11.一种生成并输送净化的空气到用户的嘴部和/或鼻部的方法，通过使用包括至少一个空气腔室(12)的可穿戴过滤器设备来生成并输送净化的空气，用于用户直接吸入，所述腔室包括开口(14)并进一步包括柔性膜片(16)，所述方法包括：

使所述膜片在第一位置与第二位置间偏转，从而改变所述空气腔室(12)内的容积(18)，当所述膜片(16)向所述第一位置偏转时，容积的所述改变引起空气经由所述开口(14)在进入(20)所述空气腔室(12)的第一方向上的的转移，以及当所述膜片(16)向所述第二位置偏转时，容积的所述改变引起空气经由所述开口(14)在离开所述腔室(12)的第二方向上的转移，并引导所述转移的空气以便与位于所述空气腔室(12)中的一个或多个过滤元件(24、26、50)进行流体连通，以使得所述过滤元件(24、26、50)与在所述第一方向上通过所述开口(14)转移到所述空气腔室(12)中的空气进行流体连通以及与在所述第二方向上通过所述开口(14)从所述腔室(12)转移出的空气进行流体连通，使得当空气进入所述空气腔室(12)和离开所述空气腔室(12)两者时空气都被净化。

12.根据权利要求11所述的方法，其中所述过滤元件包括一个或多个撞击板(50)，所述方法包括将从至少一个所述空气腔室转移出的空气(22)引向所述撞击板并从而从所述转移的空气中捕获特定污染物。

13.根据权利要求12所述的方法，进一步包括经由一个或多个通道抽吸要转移到至少一个所述空气腔室中的空气，从而引起流入速度的升高，并因此通过惯性力来过滤特定污染物。