CN112426640A - 一种高原和应急救援用呼吸面罩 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高原和应急救援用呼吸面罩，属于面罩领域。包括本体、空气呼出组件、空气吸入组件和控制单元。空气呼出组件包括气体出口和出气阀，空气吸入组件包括吸气阀、气体入口、风机和过滤器，过滤器、风机和吸气阀按照风向依次安装在气体入口处，风机的外壳设有用于连接过滤器和/或外接氧气的扩展接口。本发明面罩通过微控制器与传感器的设定，能够实时感应面罩内的压力，并对风机的转速进行自动调整，使其更加适合人体呼吸，尤其是高原环境中对空气的大量需求。在风机外壳上增设扩展接口，可外接过滤器或氧气接口，能够过滤空气，同时进行氧气的输送，能够使口鼻均能呼吸，适用高原的稀氧环境和应急救援的情况。
Description
技术领域
本发明涉及面罩，具体涉及一种高原和应急救援用呼吸面罩。
背景技术
佩戴面罩以便保护呼吸器官或支气管远离大气中的有毒物质。而在特殊情况下，如高原或火灾等应急救援的情况下，尤其是患者不能自主呼吸的情况下，面罩除了要预防空气的有害物质从口腔和鼻腔中进入呼吸道以外，还需要为患者供氧或新鲜空气，提供正常的呼吸。
公开号CN106102839A公开了一种面罩，主要包括本体、空气净化器和控制单元。其中空气净化器中包括有过滤单元、空气入口、空气出口、鼓风扇和调节鼓风扇旋转速度的调节单元，鼓风扇主要是调节空气流。其中控制单元主要包括振动传感器或空气量传感器，其振动传感器主要是感测面罩的振动；而空气量传感器主要感测外部空气的空气量。该面罩的主要功能还是过滤空气。该技术只采用振动传感器或空气量传感器，滞后比较明显，不能及时反映佩戴者的呼吸情况，也不能准确进行调整。
公开号CN105582624A公开了一种气味抑制面罩，主要包括面具(主体)、空气入口阀组件和空气出口阀组件，其中在空气出口阀组件中增加了气味抑制过滤器，主要预防使用者的气味流出。
公开号CN110507018A公开了一种面罩，其中包括面部接触部分，空气流入部分(吸入口)、连接器和滤筒，滤筒中设有过滤构件。该面罩的技术方案主要是提供一种具有过滤功能的口罩。
综上所述，现有面罩主要是通过空气进口、空气出口和设置的过滤器，达到过滤空气的目的。高原空气压力低，氧量不足，从平原进入高原后容易缺氧导致一系列不良反应。而急救供氧主要为被动呼吸，摄入环境中氧气，如鼻塞供氧、高压氧疗和面罩供氧。而供氧面罩主要是在将氧气通过管道直接作用于口鼻处，而在需要加压的情况下需要采用加压泵增加压力，促进佩戴者呼吸。因此现有的过滤面罩和氧气面罩均为单一用途的面罩，使用范围局限大，且无法做到空气或氧气压力实时监控和按需调节。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出一种能够用于供氧的高原和应急救援用面罩。
为了实现上述目的，本发明是通过以下技术方案来实现的：
一种高原和应急救援用呼吸面罩，包括：
本体，用于与面部接触且能够佩戴在使用者的面部上；
至少一个安装在本体上的空气呼出组件，所述空气呼出组件包括气体出口和安装在所述气体出口上的出气阀，所述出气阀用于气体的呼出并防止气体的流入；和
至少一个安装在本体上的空气吸入组件；以及
控制单元；
其中所述空气吸入组件包括：
吸气阀，用于气体的吸入并防止气体的流出；
气体入口，用于气体通过；
风机，用于调节空气流；
风机和单向吸气阀按照风向依次安装在气体入口处，所述风机的扇叶间形成的空隙与所述气体入口相通，所述风机的外部设有外壳，所述外壳上设有用于连接过滤器和/或外接氧气的扩展接口；所述过滤器和/或外接氧气与外壳通过扩展接口连接固定；
其中所述控制单元包括：
微控制器、电路板、空气调节单元、位置传感器和呼吸压力传感器，所述微控制器与所述位置传感器、所述呼吸压力传感器电信号连接并收集呼吸强度和呼吸切换时间数据，得出使用者的呼吸频率和吸呼比；所述微控制器通过电路板与风机电性控制连接，微控制器利用算法计算出风机工作提前量从而得出风机自动通断电频率和最高转速；
所述呼吸压力传感器设置本体内表面，所述位置传感器设置在吸气阀上，所述空气调节单元与风机电性连接。
进一步的，所述出气阀和吸气阀为单向阀。
进一步的，还包括无线通讯模块，所述无线通讯模块与微控制器无线通讯连接。
进一步的，所述空气调节单元包括调速开关，所述调速开关设置在所述本体的外表面。
进一步的，所述调速开关用于调整风机的转速、自动转速和/或供气压力。
进一步的，还包括电力供给单元和开关单元；
所述电力供给单元为将电力供给到所述风机和控制单元的电池；
所述开关单元为控制电池与风机、控制单元之间电路连通或断开的电源开关。
进一步的，还包括头带，所述头带的两端分别连接电力供给单元和本体。
进一步的，所述头带内设有连接线，所述连接线连通所述电力供给单元、风机和控制单元并形成电路供电。
进一步的，所述本体的外表面设有用于显示面罩工作状态的指示灯，所述指示灯与微控制器电连。
进一步的，所述过滤器上设有卡扣，所述过滤器与扩展接口卡接。
本发明高原和应急救援用呼吸面罩，其有益效果在于：
(1)通过微控制器与传感器的设定，能够实时感应面罩内的压力，并对风机的转速进行自动调整，使其更加适合人体呼吸，尤其是高原环境中对空气的大量需求。通过微控制器对位置传感器和呼吸压力传感器的综合控制和调节，解决了风机控制落后于呼吸节律，满足高原和被救援使用者的呼吸舒适度要求，且还能节省能耗。
(2)在风机外壳上有扩展接口，扩展接口可外接过滤器或氧气瓶，能够在有害环境中过滤环境空气，或应急情况下直接接入氧气瓶供氧，更好地适用高原的稀氧环境和应急救援的情况。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的爆炸图；
1本体，2空气呼出组件，3空气吸入组件，4调速开关，5电池，6头带
201气体出口，202出气阀；
301吸气阀，302气体入口，303风机，304过滤器，305外壳，306扩展接口，307指示灯。
具体实施方式
下面结合具体实施例及附图来进一步详细说明本发明。
实施例1
一种高原和应急救援用呼吸面罩，如图1和图2所示，包括本体1、空气呼出组件2、控制单元、电力供给单元、开关单元和头带6；
本实施例中，本体1用于与面部接触且能够佩戴在使用者的面部上；本体1主要采用弧形的合成树脂形成，且与面部采用人体工学贴合设计，与面部之间的密封性好，面罩中间凸起并与口鼻之间形成供气体停留的容纳呼吸腔。
本实施例中，空气呼出组件2为一个且安装在本体1，空气呼出组件2的位置与口鼻相对，便于气体的快速呼出。所述空气呼出组件2包括气体出口201和安装在所述气体出口201上的出气阀202，所述出气阀202用于气体的呼出并防止气体的流入。出气阀202为单向阀，通过呼出使空气向外流通，带动出气阀202的开启；吸气时通过压力的变化，外部的空气促使出气阀202关闭，避免未过滤的空气从出气阀202进入口鼻。
本实施例中，设置有两个空气吸入组件3，且两个空气吸入组件3安装在本体1上，且在空气呼出组件2的两侧对称设置。空气吸入组件3主要是引入空气或氧气。每个空气吸入组件3包括一个气体入口302、吸气阀301、风机303。吸气阀301为单向阀，通过吸气造成的气压差使外部气压增加，面罩内部气压减小，使空气向内单方向流通，带动吸气阀301的开启，并防止气体的流出。
风机303主要用于调节空气流，即吸入的空气浓度，风机303转速大，则空气流量较大；风机303转速小，则空气流量相对较小。通过对风机303的空气流量的调节，能够满足不同地区以及佩戴者不同的呼吸情况。
每个空气吸入组件3上可增设一个过滤器304，所述过滤器304、风机303和吸气阀301按照风向依次安装在气体入口302处，所述风机303的扇叶间形成的空隙与所述气体入口302相通，所述风机303的外部设有外壳305，外壳305卡接或螺接在气体入口302的通道上。所述外壳305上设有用于连接过滤器304的扩展接口306；而过滤器304上设有卡扣，所述过滤器304的卡扣卡入扩展接口306中进行固定连接。过滤器304一般为小型过滤盒，如3M生产的6001炭盒+5N11滤棉，能够有效防护有机气体及蒸汽，如苯及同系物，丙酮，二氧化碳。醚等有害气体。理论上可连续使用200小时，配5N11滤棉使用，鼓包也就是吸附饱和时可及时更换；不可水洗。过滤器304的快速且方便的更换，有利于面罩的长期使用，提高寿命。
此外，过滤器304还可为其他型号的过滤盒，如对灰尘、氮氧化物、硫氧化物等的黄色灰尘过滤盒，或对沙尘、颗粒物质的过滤盒。
此外，过滤器304内还增设有不同的过滤单元，可根据实际情况增加相同或不同的过滤层，使过滤器304达到不同的过滤功能。
空气从过滤器304中过滤后，通过风机303的运作将过滤后洁净的气体带入面罩与口鼻之间形成的供气体停留的容纳呼吸腔中，再被口鼻呼吸进入人体。
在高原和应急救援需要供氧的情况下，可直接将过滤器304从扩展接口306取下，再将带有氧气瓶的氧气接口接入至扩展接口306中，为面罩内口鼻腔供氧，均可按使用者的呼吸进行压力自适应工作。
本发明中，微控制器为现有的控制设备，如CPU，单片机等。微控制器是将微型计算机的主要部分集成在一个芯片上的单芯片微型计算机。主要具有指令、储存、电源、中断和信号发送等功能。本发明中的微控制器型号优选为树莓派zero wh+或阿里云IoT HaaS600kit。
本发明中，位置传感器为现有传感器位置传感器能感受被测物的位置并转换成可用输出信号的传感器，反映某种状态的开关，和位移传感器不同，位置传感器有接触式和接近式两种。本实施例中不限制使用的种类，主要是能够感应吸气阀301的阀片位置，反应吸气阀301的开关信息即可。
此外，设定两个空气吸入组件3，能够增加空气的流量，尤其适用于高原缺氧环境和应急状态下的呼吸。
本实施例中，控制单元包括微控制器、电路板、空气调节单元、位置传感器和呼吸压力传感器。
所述微控制器与所述位置传感器，所述位置传感器设置在吸气阀301上。通过位置传感器的设置，可感应吸气阀301的开关，以便微控制器控制风机303的供电和关闭，提高电力供给单元的使用寿命。本申请中位置传感器可为位置反馈电路，只要能够通过位置反应及时监测吸气阀301的开关即可。
呼吸压力传感器设置本体1内表面，微控制器与呼吸压力传感器电信号连接，呼吸压力传感器设置在本体1的内，主要感知容纳呼吸腔中的气压和呼吸频率变化情况，并据此自动调整直流风机303的转速，从而提高或者降低供气压力。
电路板与风机303电性控制连接，电路板上存在大量的电路，能够通过微控制器对电路板的开关和闭合的控制，来达到对风机303的开关或关闭的电性控制。
空气调节单元包括调速开关4，调速开关4设置在所述本体1的中部。空气调节与风机303电性连接，调速开关4用于调整风机303的转速、自动转速和/或供气压力。
空气调节单元可设置为自动模式和手动模式。
在自动模式时，调速开关4用于设定风机303的自动转速或者自动供气压力设定值。当使用者吸气时，根据微控制器对呼吸压力传感器获知面罩呼吸压力和呼吸频率变化情况，并据此自动调整直流风机303的转速，从而提高或者降低供气压力。
在手动模式时，可以通过直接调速开关4，手动调整风机303的转速或者设定自动操作时的供气压力。使面罩内的气压更加适合不同情况的佩戴者。
本实施例中，所述电力供给单元为将电力供给到风机303和控制单元的电池5；
开关单元为控制电池5与风机303、控制单元之间电路连通或断开的电源开关。电池5可为充电电池，也可为干电池，方便不同环境下的使用。
本实施例中，还包括头带6，头带6的两端分别连接电力供给单元和本体1。头带6一般由带有弹性的材料制成，如橡胶、硅胶等材质。头带6内设有连接线，所述连接线连通所述电力供给单元、风机303和控制单元并形成电路供电。头带6内可设定为空心，连接线在头带6内设有预留长度，可根据头带6的拉升进行延展，以便适合不同佩戴者。
在本体1的中心设有带孔的固定件，固定件与本体1固定连接，而头带6则设置在固定件的四角。而固定件中心的孔则为气体出口201。出气阀202则固定在固定件上。
头带6一般为四个，则分别沿固定件的四角设定，使头带6在上下左右四个方向均匀分布，便于面罩在面部的贴合。
本实施例中，本体1的外边面设有用于显示面罩工作状态的指示灯307，所述指示灯307与微控制器电连。微控制器主要对面罩的工作状态，以及面罩内的空气压力和呼吸频率进行监控。当电池5电量异常，或佩戴者呼吸频率异常，或面罩内气体压力异常时，微控制器会控制指示灯307进行颜色变化，提醒使用者或以外的人员，以便即使更换面罩电池，或取下面罩，防止危机情况发生。
本实施例中，还设有无线通讯模块，所述无线通讯模块与微控制器无线通讯连接。主要将微控制器中检测气压信号和呼吸情况通过无线通讯协议，或蓝牙传送到通讯中心，以便进行远程提醒和报警等。
本实施例中面罩的工作原理为：
呼吸压力传感器、直流风机303、微控制器及电路板、出气阀202和吸气阀301等部件装在面罩内，而电池通过头带6外接。由于面罩内气压变化，使用者吸气的时候，吸气阀301打开，而出气阀202关闭；呼气的时候，吸气阀301关闭，而出气阀202打开；吸气阀301带有位置反馈到微控制器，当吸气阀301打开时，微控制器通过电路板控制风机303供电，为面罩内持续输入洁净的空气或氧气；当呼气时，吸气阀301关闭，位置反馈到微控制器，微控制器通过电路板控制风机303断电，而关闭风机303的运转。
优选的，微控制器、电路板、空气调节单元、位置传感器和呼吸压力传感器，所述微控制器与所述位置传感器、所述呼吸压力传感器电信号连接并收集呼吸强度和呼吸切换时间数据，得出使用者的呼吸频率和吸呼比；所述微控制器通过电路板与风机电性控制连接，微控制器利用算法计算出准确的风机工作提前量从而得出风机自动通断电频率和最高转速。
在自动模式下，结合位置传感器与呼吸压力传感器，得到使用者呼吸强度和呼吸切换时间数据，控制器利用快速傅里叶变换FFT或余弦法等算法计算出使用者的呼吸频率和吸呼比，再通过PID算法计算出风机工作提前量，从而最终计算出风机自动通断电频率和最高转速，解决了风机控制落后于呼吸节律，满足高原和被救援使用者的呼吸舒适度要求，还可省电，提高面罩内各元器件的使用寿命，延长待机时间。
快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform)是信号处理与数据分析领域里最重要的算法之一，能将满足一定条件的某个函数表示成三角函数(正弦和/或余弦函数)或者它们的积分的线性组合。在不同的研究领域，傅里叶变换具有多种不同的变体形式，如连续傅立叶变换和离散傅立叶变换。且快速傅里叶变换算法是计算机内常规的算法。
PID算法是在过程控制中，按偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)进行控制的PID控制器(亦称PID调节器)是应用最为广泛的一种自动控制器。它具有原理简单，易于实现，适用面广，控制参数相互独立，可对增量和位置进行简单，快速的计算。
在自动模式时，调速开关4用于设定风机303的自动转速或者自动供气压力设定值。当使用者吸气时，根据微控制器对呼吸压力传感器获知面罩呼吸压力和呼吸频率变化情况，并据此自动调整直流风机303的转速，从而提高或者降低供气压力。
在手动模式时，可以通过直接调速开关4，手动调整风机303的转速或者设定自动操作时的供气压力。使面罩内的气压更加适合不同情况的佩戴者。
通过面罩的扩展接口306，既可以接入氧气瓶，也可以直接外吸空气或者通过过滤器304吸入空气，均可按使用者的呼吸进行压力自适应工作。
无线通讯模块可以把使用者的呼吸情况传输到通讯中心，并以此进行远程提醒和报警等。
以上对本发明实施例所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明实施例的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本发明实施例的原理；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例，在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种高原和应急救援用呼吸面罩，其特征在于：包括：
本体，用于与面部接触且能够佩戴在使用者的面部上；
至少一个安装在本体上的空气呼出组件，所述空气呼出组件包括气体出口和安装在所述气体出口上的出气阀，所述出气阀用于气体的呼出并防止气体的流入；和
至少一个安装在本体上的空气吸入组件；以及
控制单元；
其中所述空气吸入组件包括：
吸气阀，用于气体的吸入并防止气体的流出；
气体入口，用于气体通过；
风机，用于调节空气流；
风机和吸气阀按照风向依次安装在气体入口处，所述风机的扇叶间形成的空隙与所述气体入口相通，所述风机的外部设有外壳，所述外壳上设有用于连接过滤器和/或外接氧气的扩展接口；所述过滤器和/或外接氧气与外壳通过扩展接口连接固定；
其中所述控制单元包括：
微控制器、电路板、空气调节单元、位置传感器和呼吸压力传感器，所述微控制器与所述位置传感器、所述呼吸压力传感器电信号连接并收集呼吸强度和呼吸切换时间数据，得出使用者的呼吸频率和吸呼比；所述微控制器通过电路板与风机电性控制连接，微控制器利用算法计算出风机工作提前量从而得出风机自动通断电频率和最高转速；
所述呼吸压力传感器设置本体内表面，所述位置传感器设置在吸气阀上，所述空气调节单元与风机电性连接。
2.根据权利要求1所述高原和应急救援用呼吸面罩，其特征在于：所述出气阀和吸气阀为单向阀。
3.根据权利要求1所述高原和应急救援用呼吸面罩，其特征在于：还包括无线通讯模块，所述无线通讯模块与微控制器无线通讯连接。
4.根据权利要求3所述高原和应急救援用呼吸面罩，其特征在于：所述空气调节单元包括调速开关，所述调速开关设置在所述本体的外表面。
5.根据权利要求4所述高原和应急救援用呼吸面罩，其特征在于：所述调速开关用于调整风机的转速、自动转速和/或供气压力。
6.根据权利要求1所述高原和应急救援用呼吸面罩，其特征在于：还包括电力供给单元和开关单元；
所述电力供给单元为将电力供给到所述风机和控制单元的电池；
所述开关单元为控制电池与风机、控制单元之间电路连通或断开的电源开关。
7.根据权利要求6所述高原和应急救援用呼吸面罩，其特征在于：还包括头带，所述头带的两端分别连接电力供给单元和本体。
8.根据权利要求7所述高原和应急救援用呼吸面罩，其特征在于：所述头带内设有连接线，所述连接线连通所述电力供给单元、风机和控制单元并形成电路供电。
9.根据权利要求1-8任一项所述高原和应急救援用呼吸面罩，其特征在于：所述本体的外表面设有用于显示面罩工作状态和电源状态的指示灯，所述指示灯与微控制器电连。
10.根据权利要求1所述高原和应急救援用呼吸面罩，其特征在于：所述过滤器上设有卡扣，所述过滤器与扩展接口卡接。
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