[0001] 本发明涉及生物防护装备技术领域，具体涉及一种用于生物防护装备的供气装置及控制方法。

[0002] 随着正压防护装备的快速推广和使用，凸显了正压防护装备供气装置操作复杂及功能相对单一的缺点，亟需一种集供、排气、多级过滤、制冷功能于一体的智能供气装置，这种新式的智能供气装置具有更加可靠的防护效果，可快速地应用于医用、民用和军用，为应对未来病毒流感、生化等爆发性传染病疫情，起到安全防护，保障有生力量的作用。

[0003] 现有的正压防护装备不易实现内部压力的可控性，充气后穿戴臃肿不灵活，蹲起动作时气压瞬时升高及产生瞬时性负压，有可能引起装备损坏的风险，增加使用人员的感染风险，当前正压防护装备供气装置结构复杂且不具备一套集过滤、气压控制、温度控制于一体的智能控制系统。例如专利CN113304412B动力送风式核生化防护服的内环境反馈调节方法和装置，涉及到温度和空气流量两个变量参数，但两者都是使用风机的转速来控制，温度调节效果较差，不易形成控制闭环。

[0049] 为详尽本发明之技术内容、结构特征、所达成目的及功效，以下将结合说明书附图进行详细说明。

[0050] 本发明一种用于生物防护装备的供气装置，如图1‑15所示，其包括过滤模块1、制冷模块2、电源模块3、壳体模块4、背负模块6和控制模块7，过滤模块1设置在壳体模块4的下端，制冷模块2设置在壳体模块4的第一侧，且制冷模块2通过管道连接接头5与壳体模块4连通，电源模块3设置在壳体模块4的上端，且电源模块3通过电线与过滤模块1、制冷模块2以及控制模块7连接，两条背负模块6平行地设置在壳体模块4的第二侧，控制模块7的控制器设置在背负模块6上。

[0051] 过滤模块1包括过滤下壳体10、滤芯组件、过滤上壳体138、外罩12、过滤计时组件11和过滤锁紧组件，过滤下壳体10的第一端与壳体模块4连接，过滤上壳体138的第一端通过卡扣结构与过滤下壳体10的第二端连接，过滤组件设置在过滤下壳体10的内部，过滤下壳体10上设有螺纹接头、第一燕尾槽以及两侧对称分布的方形锁紧槽102，过滤上壳体138的第二端设置有挡板结构，挡板结构内设置有挡板，外罩12的第一端通过两侧的第一L型卡扣卡装在挡板结构的外侧，过滤计时组件11与外罩12的第二端连接，过滤锁紧组件设置在方形锁紧槽102内，过滤锁紧组件包括过滤锁紧按键141和第一弹簧142，第一弹簧142的第一端套设在方形锁紧槽102内的第一圆柱结构143上，第一弹簧142的第二端与过滤锁紧按键141的第二端连接，方形锁紧槽102的内壁设置有限制过滤锁紧按键141脱离方形锁紧槽
102的限位结构，过滤锁紧按键141的第一端的侧壁与壳体模块4的过滤支撑架417上的槽孔卡装连接。

[0052] 制冷模块2包括一级制冷组件和二级制冷组件，一级制冷组件和二级制冷组件通过锁紧挂钩29固定连接，一级制冷组件的进气口与壳体模块4的进气风机仓的出气口连通，一级制冷组件的出气口通过内嵌第一O型圈的管道与二级制冷组件的进气口连通，二级制冷组件的出气口与生物防护装备的进气口连通，一级制冷组件通过支撑结构与壳体模块4固定连接，二级制冷组件通过燕尾型凸台211与过滤模块1的燕尾槽结构101滑动连接，一级制冷组件和二级制冷组件的结构相同且均分别包括制冷下壳体21、制冷上壳体22、燕尾型凸台211以及制冷装置，制冷上壳体22与制冷下壳体21连接，制冷装置设置在制冷下壳体21的内部，制冷装置的进气端与制冷上壳体22的进气端连通，制冷装置的出气端与制冷下壳体21的出气端连通，燕尾型凸台211设置在制冷下壳体21的侧壁上，燕尾型凸台211上开设有供固定使用的安装槽。

[0053] 电源模块3包括电池36、电池仓31、第二弹簧32、电池锁紧组件、电池下壳体34以及电池上壳体35，电池上壳体35与电池下壳体34设置在电池仓31内，电池仓31的开口处设置有电池锁紧组件，电池36设置在电池下壳体34内，电池下壳体34与电池上壳体35连接，且电池下壳体34的内部侧壁上设置有与电池仓31侧壁的条形凸起相配合的定位结构341，电池下壳体34的侧壁上开设有多个条形凹槽，电池下壳体34的底部设置第二弹簧32，第二弹簧32的第一端缠绕在电池下壳体34的底部的第二圆柱结构的侧壁上，第二弹簧32的第二端与电池下壳体34的底部接触；电池仓31的开口处开设有电池锁紧凹槽，电池锁紧组件设置在电池锁紧凹槽内，电池锁紧组件包括锁舌331、第三弹簧332、拨动按键333以及锁舌盖334，锁舌盖334与电池仓31固定连接，第三弹簧332的第一端与锁舌盖334的侧壁接触，第三弹簧
332的第二端与锁舌331的第一端固定连接，锁舌331与第三弹簧332均设置在锁舌盖334的第一侧，且锁舌331的控制凸起穿过锁舌盖334后与拨动按键333连接，锁舌331能通过拨动按键333在锁舌盖334上移动，拨动按键333活动连接在锁舌盖334的第二侧。

[0054] 壳体模块4包括装置下壳体和装置上壳体，装置下壳体与装置上壳体固定连接，装置下壳体的内部设置有风机仓418和支撑架412，风机仓418内包括排气风机仓和进气风机仓，排气风机仓与进气风机仓之间呈相对密封状态，过滤组件的螺纹接头与进气风机仓的进风口连通，排气风机仓的排风进口414通过管道连接接头5与生物防护装备的出气口连通，排气风机仓的排风出口415与外界连通，电源模块3通过支撑架412设置在装置下壳体内。装置下壳体的第一侧开设有备用开关接口420和供风接口419，备用开关接口420处设置有备用开关82，供风接口419与风机仓418进行连通。电源模块3通过装置下壳体的通信接口413与制冷模块2、过滤模块1和控制模块7连接。装置下壳体的上端开设有供电源模块3放入的电池仓固定槽410，装置下壳体的下端设置有过滤支撑架417。装置下壳体的下端还开设有外部电源接口416，外置电源通过外部电源接口416与电池连接。装置下壳体的侧壁上设置有与背负模块6连接的背带夹块411。

[0055] 滤芯组件包括底层无纺布131、活性炭135、顶层无纺布132、隔板136、熔喷布137以及滤芯支撑架134，底层无纺布131、活性炭135、顶层无纺布132、隔板136、熔喷布137以及滤芯支撑架134依次平行地设置在过滤下壳体10的内部，且顶层无纺布132与隔板136固定连接，隔板136通过热熔胶133与熔喷布137的第一端连接，熔喷布137的第二端与过滤支撑架417的第一端连接，过滤支撑架417的第二端与过滤上壳体138的第一端卡装连接。

[0056] 制冷装置包括散热风机24、半导体制冷片26、保温棉28、散热型材251、散热风道外壳252、法兰连接件253、导冷风道外壳271以及导冷型材272，散热风机24的进风口通过法兰连接件253与散热型材251的第一端连通，散热风机24的出气口通过制冷下壳体21排至大气，散热型材251的外侧设置有散热风道外壳252，散热型材251的第二端与导冷型材272的第一端连通，散热型材251与导冷型材272连通处设置有半导体制冷片26，半导体制冷片26第一端与散热型材251通过导热硅脂接触连接，半导体制冷片26第二端与导冷型材272通过导热硅脂接触连接，导冷型材272的第二端与导冷风道外壳271的第一端连通，散热型材251和导冷型材272的外侧均设置有保温棉28，导冷风道外壳271的第二端与制冷下壳体21的出气端连通。

[0057] 进气风机仓内设置有供风风机和备用风机，排气风机仓内设置有排风风机。管道连接接头5包括接头母头53、接头公头55、螺帽520、固定环51和第二O型圈54，接头母头53的两端均设有螺纹结构，接头母头53的第一端通过固定法兰与装置下壳体固定连接，接头母头53的第二端通过螺帽520和固定环51与接头公头的第一端固定连接，第二O型圈54设置在接头公头的第一端的凹槽内。

[0058] 背负模块6包括肩带61、胸带62、织带63、背带夹块411和织带63夹块，肩带61的第一端与背带夹块411固定连接，肩带61的第二端与胸带62的第一端固定连接，且肩带61与胸带62连接处设置有走线通道64，胸带62的第二端与织带63的第一端固定连接，控制器设置在胸带62与织带63的连接处，织带63的第二端与装置下壳体的侧壁固定连接。

[0059] 控制模块7包括主控芯片、控制器、温度传感器和气压传感器，主控芯片设置在装置上壳体上，主动芯片通过电线与电池连接，装置上壳体与控制器通过电线连接，控制器包括控制器芯片、按键75、控制器下壳体71、控制器上壳体72和L型快拆接头74，按键75设置在装置控制器下壳体上，控制器芯片固定在控制器上壳体72内，操作者能通按压按键75从而操作控制芯片，控制器下壳体71与控制器上壳体72通过螺钉固定连接，L型快拆接头74固定连接在控制器下壳体71的侧壁上，温度传感器放置在壳体模块4的排风进口414中，气压传感器放置在生物防护装备中，气压传感器通过气管与L型快拆接头74固定连接。控制器上壳体72两端均设有半圆槽73，紧固装置穿过半圆槽73使得控制器上壳体72与背负模块6连接。

[0060] 支撑结构包括托板92、托板底座91及制冷锁紧件，一级制冷组件的燕尾型凸台211与托板92滑动连接，托板底座91的侧壁与装置上壳体的侧壁固定连接，托板底座91的端部与托板92的端部转动连接，托板92上开设有椭圆形通孔和锁紧槽，制冷锁紧件放置于锁紧槽内，制冷锁紧件包括制冷锁扣95、锁扣盖板94和第四弹簧93，锁扣盖板94与锁紧槽固定连接，制冷锁扣95设置在锁紧槽内，且制冷锁扣95的锁紧凸起穿过椭圆形通孔后与安装槽滑动连接，第四弹簧93设置在锁紧槽内，且第四弹簧93的第一端与锁紧槽内壁接触连接，第四弹簧93的第二端与制冷锁扣95接触连接。

[0061] 气体流动过程：外界气体首先通过过滤模块进行过滤，然后通过供气管道进入生物防护装备中，当生物防护装备中气体温度较高时，将一级制冷组件与壳体模块连接，同时将一级制冷组件与生物防护装备连通，过滤后的气体先经过一级制冷进行降温，后进入生物防护装备，当温度过高时，将二级制冷组件与壳体模块连接，同时将二级制冷组件与一级制冷组件连通，在将二级制冷组件的通风处与生物防护装备连通，从而对过滤后的气体进行二次降温，生物防护装备中的浊气以供气装置中的排风风机为动力排至大气。

[0062] 如图1和图2所示，其包括过滤模块1、制冷模块2、电源模块3、壳体模块4、供气与连接模块5、背负模块6和控制模块7，过滤模块1设置在壳体模块4底端，制冷模块2分为一级制冷和二级制冷，分别设置在壳体模块4和过滤模块1端面，电源模块3和供气与连接模块5大部分零部件均设置在壳体模块4内，背负模块6设置在壳体模块4背面，控制器7设置在背负模块6一端。

[0063] 如图3、图4所示，过滤模块1，其包括过滤下壳体10、滤芯组件、过滤上壳体138、外罩12、过滤计时组件11和过滤锁紧组件，过滤下壳体10设有螺纹接头、第一燕尾槽及两侧对称分布的方形锁紧槽，滤芯组件又包括底层无纺布132、活性炭135、顶层无纺布132、隔板136、熔喷布137以及滤芯支撑架134，底层无纺布132与过滤下壳体10通过热焊连接，顶层无纺布132与隔板136胶接，熔喷布137放置在滤芯支撑架134上并与过滤上壳体138通过卡扣和热熔胶连接，滤芯组件均设置在过滤下壳体10内，过滤上壳体138设有挡板、第二燕尾槽以及卡扣结构，过滤上壳体138的第一端通过卡扣结构与过滤下壳体连接，通过卡扣结构保证过滤下壳体10与过滤上壳体138连接后的密封，过滤上壳体138的第二端设置有挡板结构，挡板结构内设置有挡板，挡板用来阻挡大颗粒灰尘，外罩12的第一端通过第一L型卡扣套设在挡板结构的外侧，外罩12的第二端的中间位置设有矩形槽及螺纹孔，过滤计时组件
11放置在矩形槽内，其包括过滤计时板和玻璃屏，过滤计时板与外罩螺钉连接，玻璃屏与外罩胶接，过滤锁紧组件设置在方形锁紧槽内，过滤锁紧组件包括过滤锁紧按键141和第一弹簧142，第一弹簧142固定在方形锁紧槽内的第一圆柱结构143上，过滤锁紧按键141通过第二L型卡扣与壳体模块4连接。

[0064] 第一燕尾槽和第二燕尾槽组成燕尾槽结构101。

[0065] 如图5、图6所示，制冷模块分2为一级制冷组件和二级制冷组件，一级制冷组件通过两侧对称分布的托板92、托板底座91及制冷锁紧件与壳体模块4固定连接，二级制冷组件的燕尾型凸台211与过滤模块的燕尾槽结构101滑动连接，一级制冷组件和二级制冷组件之间通过一对锁紧挂钩29螺钉连接，一级制冷组件和二级制冷组件的结构相同均包括制冷下壳体21、制冷上壳体22、散热风道外壳252、导冷风道外壳271、保温棉28、散热风机24、硅胶帽254、第一O型弹簧、第一通信接头、小型过滤器23、散热型材251、导冷型材272、半导体制冷片26和法兰连接件253，制冷下壳体21底端外侧设有燕尾型凸台211，左右侧均设有矩形槽分别与小型过滤器23和第一通信接头螺钉连接，小型过滤器23能过滤外来风进入制冷模块时沾染的有害物质，四周和底端内侧均匀设置螺柱，右侧设有散热风机24出气口并与硅胶帽254嵌套连接，制冷上壳体22通过螺钉连接与制冷下壳体21固定，散热风道外壳252用来放置散热型材251，外壳上设有通孔，导冷风道外壳271用来包裹导冷型材272，外壳进出气口设有带螺纹的管道接头，导冷风道外壳271与散热风道外壳252通过螺栓固定连接，半导体制冷片26设于散热型材251和导冷型材272之间，保温棉粘接在散热型材251和导冷型材272表面，散热型材251出气口一侧通过法兰连接件253与散热风机24连接，散热风机24底端与制冷下壳体21内部挡板连接，一级制冷组件导冷风道出风口与二级制冷组件导冷风道进风口通过内嵌有第一O型弹簧的管道进行螺纹连接。

[0066] 如图7所示，电源模块3包括电池36、电池仓31、第二弹簧32、电池锁紧组件、电池下壳体34、电池上壳体35，以电池36为例，其设置在电池下壳体34内，电池仓31设置在壳体模块4内部支撑架412上，顶端四周设有螺孔并与壳体模块4螺钉连接，顶端两侧设有锁紧槽用来放置电池锁紧组件，底端内侧设有带槽凸起空心圆柱，用来固定第二弹簧32，空心圆柱底部设有通孔，内部四周均匀设置多条细长定位结构341，电池下壳体34放置在电池仓31内，其外部四周均匀设置多条细长凹槽并与电池仓31滑动连接，两侧设有走线通孔，内部四周均匀设置多条细长定位结构341，电池上壳体35通过螺钉连接与电池下壳体34固定，电池锁紧组件又包括锁舌331、锁舌盖334、第三弹簧332和拨动按键333，第三弹簧332与锁舌331内孔圆柱固定连接，拨动按键333上侧设有凸起，下侧设有固定卡扣并与锁舌盖334连接，锁舌331在拨动按键333和第三弹簧332的带动下与电池31仓进行滑动连接。

[0067] 如图8所示，壳体模块4包括装置下壳体、装置上壳体，装置下壳体与装置上壳体通过四周的凸起、凹槽和螺钉固定连接，装置下壳体设有电池仓固定槽410和支撑架412，设有一字排布的风机仓418，风机仓418与风机仓盖板螺钉连接，装置下壳体四周分别设有通信接口413、供风接口419、备用开关接口420、外部电源接口416、排风进口414及排风出口415，内部多处设有固定加强筋，底端设有过滤支撑架417，过滤支撑架417和装置下壳体背侧均设有与背负模块6固定连接的弧形凹槽，装置上壳体设有启动开关81、主控板固定孔和托板底座固定槽。

[0068] 如图9所示，供气与连接模块5，其包括供风风机、备用风机、排风风机和管道连接接头，风机依次固定在风机仓418内，管道连接接头包括接头母头53、接头公头55、螺帽52、固定环51、第二O型圈54，接头母头53第一端设有螺纹和固定法兰并与装置下壳体固定连接，接头母头53第二端设有外螺纹，接头公头55第一端设有凹槽，用来放置第二O型圈54，接头公头55与接头母头53进行插接，并通过螺帽52进行固定连接，螺帽52设有内螺纹，接头公头55第二端设有外螺纹，固定环51与接头公头55连接。

[0069] 如图2所示，背负模块6，其包括肩带61、胸带62、织带63、背带夹块411和织带夹块，肩带61内设有走线通道64，其通过背带夹块411与弧形凹槽螺钉连接，织带63通过织带夹块与弧形凹槽螺钉连接。

[0070] 如图12所示，控制模块7，其包括主控芯片、控制器、温度传感器和气压传感器，主控芯片与装置上壳体72固定连接，控制器又包括控制器芯片、控制器下壳体71、控制器上壳体72和L型快拆接头74，控制器芯片固定在控制器上壳体72内，控制器下壳体71与控制器上壳体72通过螺钉固定连接，L型快拆接头74与控制器下壳体71胶接，温度传感器放置在壳体模块4的排风进口414中，气压传感器放置在生物防护设备中，并通过气管与L型快拆接头74固定连接。

[0071] 如图10所示，支撑结构，即托板92、托板底座91及制冷锁紧件，托板92与托板底座91，托板底座91与托板底座固定槽螺钉固定连接，托板92与托板底座91转动连接，托板92开设有椭圆形通孔和锁紧槽，制冷锁紧件放置于锁紧槽内，其又包括制冷锁扣95、锁扣盖板94和第四弹簧93，第四弹簧93与制冷锁扣95内部的圆柱固定连接，制冷锁扣95上端圆柱通过椭圆形通孔与制冷下壳体21底端燕尾型凸台211滑动连接，锁扣盖板94设有第三L型卡扣并与制冷锁扣95滑动连接。

[0072] 如图13所示，其中R1、R2代表生物防护设备内温度、气压目标值，Y1、Y2代表温度、气压实际值，e1、e2代表实际与目标值的偏差，ec1、ec2代表偏差变化率，O1、O2代表模糊器输出值。此系统是两参数二输入三输出结构，输出是参数增量Δkp、Δki、Δkd，其随工况实时调整，降温过程模糊PID控制输出0‑12V电压改变制冷片输入功率；调压过程模糊PID控制输出0、12V电压改变回抽风机PWM占空比，传感器实时检测生物防护装备内环境，直至达到稳定状态。

[0073] 如图15所示，简化后的制冷模块2温度云图分布，两个流体域的入口温度均为26℃，即室温环境温度，空气在导冷流体域中经过半导体制冷片上方时发生热对流交换，空气温度降低，空气在散热流体域中经过半导体制冷片下方时发生热对流交换，空气温度增高，整个制冷模块中最低温度为9℃，最高温度为42℃左右，其中散热型材251尺寸、导冷型材272尺寸及半导体制冷片26型号和布局方式均通过实验和Fluent流体仿真确定。

[0074] 具体地，托板92、托板底座1之间可实现转动，当供气装置无需制冷功能时，可将托板92旋转收起，以减小体积重量，便于携带，当需要制冷功能时，再将其托板92展开。

[0075] 具体地，第二弹簧32和电池锁紧组件配合可实现电池36及其外壳的自动弹起，可实现锂电池36的快速更换拆装。

[0076] 具体地，装置下壳体与装置上壳体，制冷下壳体21与制冷上壳体22等所有上下壳体结构之间均设有密封结构，例如制冷下壳体21端面设有环形凸起，制冷上壳体22端面设有环形凹槽，两者配合连接加之灌胶/超声波焊接等工艺，可实现密封。

[0077] 具体地，散热型材251上表面与保温棉28粘接，保温棉28中间位置开设矩形槽，使得半导体制冷片26第一端与散热型材251通过导热硅脂接触连接，半导体制冷片26第二端与导冷型材272通过导热硅脂接触连接，散热型材251上表面均匀分布两对但不仅限于两对半导体制冷片26和导冷型材272。

[0078] 具体地，控制器上壳体71上下两端设有半圆槽73，控制器通过魔法带但不仅限于此与背负模块6固定连接。

[0079] 以下结合实施例对本发明一种用于生物防护设备的供气装置及气压、温度控制方法做进一步描述，其包括以下步骤：

[0080] S1、用户穿戴生物防护装备之前，开启供气装置启动开关81，系统进行初始化设置。

[0081] S2、系统首先对过滤计时组件11进行通信，当寿命时间大于0.5h时，进行语音播报，系统可正常使用；当寿命时间小于0.5h时，过滤计时组件会驱动蜂鸣器进行报警，同时控制器7的语音播报模块也会进行相应的提醒。

[0082] S3、系统会对电源模块3的锂电池36进行电量检测并反馈到控制器7的显示数码管上，当剩余电量小于10％时，系统也会报警提醒及时更换电池，当电量充足时，方可进行下一步。

[0083] S4、供风风机以相对于排风风机多倍的功率进行工作，直至生物防护装备内气压到达设定的阈值内，系统启动常温自动供风模式，供风风机默认以最小风档输出，此时用户可通过控制器7设置舒适的温度值和供风风机风量，系统每隔一段时间控制模块就会进行一次检测，当气压值小于设置的下限阈值时，排风风机会自动减小功率进行输出以减少生物防护装备内气体的排出，当气压值大于设置的上限阈值时，排风风机会自动增大功率进行输出。

[0084] S5、当控制器7检测到有按键按下时，控制模块7会接收到指令并对执行元件进行控制，用户可根据体感自行调节供风风机的风量，排风风机会根据模糊PID算法随着供风风机风档的调整自动调节，气压控制传递函数见下式：

[0085]

[0086] 其中：G2(s)为气压控制的传递函数；s为时间；e为常数；

[0087] S6、当用户开启制冷功能时，控制模块7会通过温度传感器读取实时温度，制冷模块会根据模糊PID算法自动进行温度调节，保持生物防护装备内的温度在设定的阈值范围内，温度控制传递函数见下式：

[0088]

[0089] 其中：G1(s)为温度控制的传递函数；s为时间；e为常数；

[0090] S7、当过滤倒计时结束时，制冷功能停止工作，此时控制模块7默认供风风机以最小的风档工作，直至更换过滤模块1或使用完毕。

[0091] 以上的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。