Нагревательное устройство для электроприводного воздухоочистительного блока
HEATING FOR POWERED AIR UNIT

[0001] Изобретение относится к электроприводным воздухоочистительным блокам, а конкретнее к электроприводным воздухоочистительным респираторам (PAPR). Более конкретно, изобретение относится к нагревательному устройству для нагрева воздуха, фильтруемого посредством PAPR.
Уровень техники
[0002] Системы, в которых для подачи чистого воздуха пользователю задействован электроприводной источник воздуха, обычно именуются электроприводными воздухоочистительными респираторами, известными под аббревиатурой "PAPR". PAPR обычно включают электроприводной компонент для нагнетания воздуха, соединенный с лицевой маской посредством шланга. Лицевая маска надевается по меньшей мере на нос и рот пользователя (она также может закрывать глаза и уши или в некоторых случаях всю голову целиком), а электроприводной компонент для нагнетания воздуха обычно носится на поясе пользователя. В некоторых случаях лицевая маска может представлять собой иное устройство, такое как сварочная маска. PAPR часто содержит фильтры, корпус, вентилятор и приводящий в действие вентилятор электрический мотор. Воздух из окружающей среды фильтруется путем нагнетания через фильтры, состоящие из фильтрующих элементов, содержащихся внутри фильтрующих картриджей. Этот отфильтрованный воздух затем доставляется в лицевую маску посредством шланга. Электроприводной вентилятор протягивает воздух через фильтрующие картриджи, через шланг и внутрь лицевой маски. Поскольку вентилятор выполняет работу, требуемую для движения воздуха через систему PAPR, пользователь без особых усилий может комфортно получать приток чистого воздуха. Наглядные примеры известных PAPR описаны в следующих патентах США: 6,796,304 (Odell et al.), 6,575,165 (Cook et al.) и 6,666,209 (Bennett et al.).
[0003] Как было описано, PAPR протягивает воздух из окружающей среды через различные элементы, такие как фильтр, а затем этот воздух проходит непосредственно в область лица пользователя PAPR. В зависимости от температуры окружающей среды достигающий лица пользователя воздушный поток может казаться холодным или неприятным из-за скорости воздушного потока или температуры окружающей среды.
Постоянный приток холодного воздуха также может быть опасным для пользователя PAPR. Он может вызвать затуманивание стекла внутри лицевой маски или сварочной маски и также может вызвать болезненное состояние.
Сущность изобретения
[0004] Изобретение обеспечивает системы предотвращения притока излишне холодного воздуха к лицу пользователя. Кроме того, изобретение обеспечивает подходящие системы управления для предотвращения перегрева системы с целью повышения степени безопасности.
[0005] В одном из воплощений изобретение включает электроприводной воздухоочистительный респиратор (PAPR), содержащий активную нагревательную систему. PAPR содержит электроприводной компонент для нагнетания воздуха, сконструированный для ношения пользователем PAPR, при этом указанный электроприводной компонент для нагнетания воздуха содержит вентилятор и фильтр, причем вентилятор протягивает воздух из окружающей среды пользователя и через фильтр. Фильтр PAPR дополнительно содержит электронно-управляемый активный нагревательный элемент и систему управления. Система управления изменяет мощность, подаваемую на нагревательный элемент, а также деактивирует нагревательный элемент при обнаружении потенциального перегрева нагревательного элемента.
[0006] В еще одном воплощении изобретение обеспечивает автономный нагревательный модуль для использования с PAPR. Указанный нагревательный модуль содержит электронно-управляемый активный нагревательный элемент, выполненный с возможностью расположения ниже по потоку относительно фильтра в PAPR. Нагревательный модуль также содержит систему управления, содержащую датчик. Датчик отслеживает вращение вентилятора в PAPR. Система управления деактивирует нагревательный элемент, если вентилятор не вращается.
[0007] В третьем аспекте изобретение обеспечивает автономный нагревательный модуль для использования с электроприводным воздухоочистительным респиратором (PAPR). Указанный нагревательный модуль содержит электронно-управляемый активный нагревательный элемент, выполненный с возможностью расположения ниже по потоку относительно фильтра в PAPR. Нагревательный модуль дополнительно содержит коммуникационный модуль.
Коммуникационный модуль обменивается данными с PAPR для определения того, вращается ли вентилятор в PAPR, при этом коммуникационный модуль посылает системе управления сигнал, указывающий на состояние вращения вентилятора. Система управления деактивирует нагревательный элемент, если вентилятор не вращается.
[0008] В еще одном аспекте изобретение содержит автономный нагревательный модуль. Указанный нагревательный модуль содержит электронно-управляемый активный нагревательный элемент, выполненный с возможностью расположения ниже по потоку относительно фильтра в электроприводном воздухоочистительном респираторе (PAPR), и датчик для отслеживания воздушного потока через канал в нагревательном модуле. Нагревательный элемент деактивируется, если воздушный поток не обнаружен.
Краткое описание чертежей
[0009] Следующие чертежи иллюстрируют изобретение. Они предназначены для дальнейшего описания и пояснения изобретения, но при этом не ограничивают объем и суть изобретения.
[0010] Фиг. 1 - один из примеров PAPR, соединенного со сварочной маской.
[0011] Фиг. 2 - покомпонентный вид PAPR с нагревательным модулем.
[0012] Фиг. 3 - функциональная схема PAPR с нагревательным элементом.
[0013] Фиг. 4 - функциональная схема нагревательного модуля с датчиком для использования с PAPR.
[0014] Фиг. 5 - функциональная схема нагревательного модуля с коммуникационным модулем для использования с PAPR.
[0015] Сходные номера, как правило, использованы для обозначения сходных элементов. Чертежи выполнены без соблюдения масштаба и только для иллюстрации.
Подробное описание
[0016] На фиг. 1 показан один из примеров PAPR 10 с активной нагревательной системой, соединенный со сварочной маской. PAPR 10 фильтрует воздух посредством протягивания воздуха из окружающей среды через впускное отверстие 11 для воздуха с помощью вентилятора. Фильтр расположен ниже по потоку относительно впускного отверстия 11 для воздуха, и вентилятор втягивает воздух через фильтр. Электронно-управляемый активный нагревательный элемент, в котором температура или мощность нагревательной системы управляется контроллером или системой управления, нагревает воздух после того, как он проходит через фильтр. Затем отфильтрованный и нагретый воздух направляется через выпускное отверстие 14 для воздуха, через шланг 16 и к области вблизи лица пользователя внутри сварочной маски 17. Система управления изменяет мощность, подаваемую на нагревательный элемент, и деактивирует нагревательный элемент, если обнаружен потенциальный перегрев нагревательного элемента.
[0017] Один из существенных моментов, связанных с нагревательным элементом, состоит в важности предотвращения перегрева. Потенциальный перегрев PAPR 10 может быть определен различными способами. Например, PAPR 10 может содержать датчик, измеряющий температуру на нагревательном элементе или вблизи него для определения потенциального перегрева. Потенциальный перегрев также может быть определен посредством измерения скорости вентилятора. Скорость вентилятора может быть измерена с помощью оптического, емкостного или индуктивного датчика или путем определения скорости вентилятора, обеспечиваемой мотором вентилятора. Альтернативно скорость вентилятора может быть определена посредством измерения воздушного потока, проходящего через любую заданную точку в PAPR, например воздушного потока, выходящего из выпускного отверстия 14 для воздуха. Скорость воздушного потока может быть измерена с помощью массового расходомера. Скорость воздушного потока также может быть измерена с использованием откидного элемента, прикрепленного где-либо внутри PAPR, например, вблизи выпускного отверстия 14 для воздуха, так, чтобы заслонка сдвигалась или смещалась воздухом, проходящим через устройство. В некоторых случаях датчик может отслеживать скорость воздушного потока путем определения перепада давления воздуха между входом в канал в нагревательном модуле и выходом из канала в нагревательном модуле. По прочтении настоящего раскрытия специалисту в данной области техники станут очевидны другие способы определения или измерения скорости воздушного потока. Когда скорость воздушного потока или скорость вентилятора определены или измерены, при обнаружении недостаточной скорости воздушного потока система управления, связанная с электронно-управляемым активным нагревательным элементом, может снижать или отключать мощность, подаваемую на нагревательный элемент, для предотвращения перегрева.
[0018] В некоторых воплощениях PAPR 10 также может содержать пассивный нагревательный элемент. Пассивный нагревательный элемент обычно содержит нагреваемое тело, генерирующее тепло в воздухе, проходящем через область вблизи или вокруг нагреваемого тела. Пассивные нагревательные элементы также могут именоваться элементами аккумулированного тепла. Пассивный нагревательный элемент может применяться в дополнение к активному нагревательному элементу. Поскольку пассивный нагревательный элемент аккумулирует тепло, он может позволять пользователю отключать устройство PAPR или нагревательный элемент, и все еще пользоваться нагретым воздухом без нагревательного элемента, требующего какого-либо дополнительного питания.
[0019] PAPR 10 также может содержать термостат для управления мощностью, подаваемой на нагревательный элемент. Нагревательный элемент в PAPR 10 может обеспечивать различные виды обогрева. Это может быть электрический нагревательный элемент, например нагревательная система Пельтье, резистивная нагревательная система, химический или экзотермический нагревательный элемент, или нагревательная система с измененяемым фазовым состоянием.
[0020] Нагревательный элемент может располагаться в различных местоположениях относительно PAPR 10. Например, он может быть встроен в корпус PAPR 10 так, чтобы он нагревал воздух выше по потоку относительно вентилятора. Альтернативно он может быть встроен в шланг 16 для нагревания воздуха ниже по потоку относительно вентилятора до того, как воздух достигает лица пользователя.
[0021] PAPR 10 можно носить с использованием пояса 15, который может быть закреплен на талии пользователя, при этом устройство PAPR 10 располагается прилегающим к спине пользователя. PAPR 10 может запитываться от батареи, и индикатор 13 состояния батареи может обеспечивать визуальную индикацию оставшегося заряда батареи. В еще одном варианте осуществления питание PAPR 10 может осуществляться соединением с розеткой питания или с помощью иных средств.
[0022] На фиг. 2 показан покомпонентный вид PAPR 20 с автономным нагревательным модулем 24. В другом случае автономный нагревательный модуль 24 может быть выполнен с возможностью встраивания в PAPR 20 таким образом, чтобы он был несъемно встроен в PAPR 20. Автономный нагревательный модуль 24 также может быть выполнен с возможностью пристегивания или прикрепления иным способом к PAPR 20, образуя, таким образом, неотъемлемую, но съемную часть PAPR 20. В конфигурации на фиг. 2 автономный нагревательный модуль 24 выполнен с возможностью закрепления между крышкой 22 PAPR и корпусом 23 PAPR.
[0023] Когда автономный нагревательный модуль 24, как показанный на фиг. 2, встроен в PAPR 20, воздух проходит через впускное отверстие 21 для воздуха в крышке 22 PAPR и протягивается через фильтр, расположенный в крышке 22 PAPR. Затем воздух протягивается через отверстия в корпусе автономного нагревательного модуля 24 и нагревается содержащимся в нем нагревательным элементом. Вентилятор, расположенный в корпусе 23 PAPR, протягивает воздух из окружающей среды через фильтр в крышке 22 PAPR и нагревательный модуль 24, а затем воздух проходит через выпускное отверстие 26 для воздуха для направления по шлангу к области лица пользователя.
[0024] Питание автономного нагревательного модуля 24 может осуществляться с помощью отдельного источника питания, не являющегося источником питания PAPR 20, например, через шнур 28 электропитания. Автономный нагревательный модуль 24 также может иметь свою собственную батарею или другой источник питания или может иметь общий источник питания с PAPR 20, при этом такой источник питания встроен либо в автономный нагревательный модуль 24, либо в PAPR 20. Автономный нагревательный модуль 24 также может иметь отдельный выключатель 29 электропитания и ручку 27 регулировки температуры. Ручка 27 регулировки температуры позволяет пользователю настраивать уровень нагревания, которому подвергается отфильтрованный воздух, проходящий через автономный нагревательный модуль 24.
[0025] В некоторых вариантах осуществления автономный нагревательный модуль 24 может содержать датчик, отслеживающий вращение вентилятора в PAPR 20. Датчик может быть датчиком любого типа, например светодиодным, емкостным или индуктивным датчиком. Датчик обеспечивает обратную связь с системой управления, управляющей работой автономного нагревательного модуля 24. Например, в случае, когда датчик является светоотражательным датчиком, содержащим фотодиод, датчик может использоваться для отслеживания детали из светоотражающего материала на вентиляторе для определения того, движется ли вентилятор. В такой конфигурации свет направляется на вращающийся вентилятор. Когда свет отражается от отражающей части вентилятора, отраженный свет обнаруживается фотодиодом, указывая на то, что вентилятор вращается. Частота, с которой обнаруживается отраженный свет, указывает на частоту, и, следовательно, на скорость, с которой вращается вентилятор. Система управления может быть сконфигурирована для работы так, чтобы в случае обнаружения датчиком отсутствия вращения вентилятора система управления деактивировала нагревательный элемент в автономном нагревательном модуле 24.
[0026] Нагревательный элемент в автономном нагревательном модуле может быть элементом из множества нагревательных элементов различных типов. Например, это может быть электронно-управляемый активный нагревательный элемент, пассивный нагревательный элемент, или он может содержать оба типа нагревательных элементов.
[0027] На фиг. 3 показана функциональная схема PAPR 30 с нагревательным элементом 35. Как обсуждалось, PAPR 30 содержит электроприводной компонент 32 для нагнетания воздуха, содержащий вентилятор 34, протягивающий воздух из окружающей среды сначала через фильтр 33, а затем через нагревательный элемент 35. Нагревательный элемент 35 может быть электронно-управляемым активным нагревательным элементом, пассивным нагревательным элементом, или может включать оба типа нагревательных элементов. Система 36 управления управляет работой нагревательного элемента 35 и также может управлять работой электроприводного компонента 32 для нагнетания воздуха. Система управления 36 может быть выполнена с возможностью деактивации работы нагревательного элемента 35 или отключения питания нагревательного элемента 35, когда вентилятор 34 в электроприводном компоненте 32 для нагнетания воздуха не вращается.
На фиг. 4 показана функциональная схема нагревательного модуля 40 с датчиком для использования с PAPR. Нагревательный модуль 40 может быть автономным и быть прикрепленным в каком-либо месте на PAPR, например к корпусу PAPR или к шлангу. В некоторых воплощениях нагревательный модуль 40 выполнен с возможностью встраивания в шланг. В некоторых дополнительных случаях нагревательный модуль содержит крепежный элемент, выполненный с возможностью стыковки со шлангом.
[0028] В еще одной конфигурации нагревательный модуль 40 может быть несъемно прикреплен к PAPR, чтобы для пользователя PAPR и нагревательный модуль 40 представляли собой единый узел. Нагревательный модуль 40 может содержать систему 46 управления, датчик 47 и нагревательный элемент 45. Нагревательный элемент 45 может быть электронно-управляемым активным нагревательным элементом, пассивным нагревательным элементом или содержать оба типа нагревательных элементов. В некоторых воплощениях нагревательный элемент 45 может быть теплообменным элементом. Теплообменный элемент может быть выполнен с возможностью соединения с внешним элементом. Внешний элемент нагревает текучее вещество и поддерживает его при необходимой температуре. Внешний элемент после соединения с нагревательным элементом 45 осуществляет циркуляцию теплого текучего вещества через нагревательный элемент 45 для нагревания воздуха, фильтруемого PAPR.
[0029] Система 46 управления управляет работой нагревательного элемента 45. Датчик 47 отслеживает, вращается ли вентилятор в PAPR. Датчик 47 может быть датчиком любого типа, например фотодиодным, емкостным или индуктивным датчиком. Система 46 может быть выполнена с возможностью деактивации работы нагревательного элемента 45 или отключения питания нагревательного элемента 45, когда датчик 47 обнаруживает, что вентилятор в PAPR не вращается.
[0030] На фиг. 5 показана функциональная схема нагревательного модуля 50 с коммуникационным модулем 57 для использования с PAPR. Нагревательный модуль 50 может быть автономным и прикрепленным в каком-либо месте на PAPR, например к корпусу PAPR или к шлангу. В еще одной конфигурации нагревательный модуль 50 может быть несъемно прикреплен к PAPR, чтобы для пользователя PAPR и нагревательный модуль 50 представляли собой единый узел. Нагревательный модуль 50 может содержать систему 56 управления, коммуникационный модуль 57 и нагревательный элемент 55. Нагревательный элемент 55 может быть электронно-управляемым активным нагревательным элементом, пассивным нагревательным элементом, или он может содержать оба типа нагревательных элементов. Система 56 управления управляет работой нагревательного элемента 55. Коммуникационный модуль 57 обменивается данными с коммуникационным модулем в PAPR, вместе с которым используется нагревательный модуль 50. Коммуникационный модуль 57 может обмениваться данными с PAPR разными способами, например посредством радиосвязи или проводного соединения. Коммуникационный модуль 57 может получать различную информацию от PAPR, например информацию, указывающую на прекращение вращения вентилятора или на наличие риска перегрева устройства. Система 56 управления может затем деактивировать нагревательный элемент 55 или отключить его от питания для предотвращения перегрева нагревательного модуля 50.
[0031] В то время как в настоящем раскрытии описано конкретное воплощение изобретения, по прочтении настоящего раскрытия специалисту в данной области техники станут изменения, применимые к изобретению. Например, нагревательный модуль может быть присоединен к или встроен в PAPR различными способами, или для отслеживания вращения вентилятора могут использоваться различные датчики. Также, существует множество способов деактивации нагревательного элемента при обнаружении потенциального перегрева. По прочтении настоящей заявки специалисту в данной области техники станут очевидны другие изменения. Подразумевается, что такие изменения войдут в объем настоящего раскрытия.