[发明专利]一种模拟真实人体呼吸装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及研究建筑室内人体污染物暴露水平以及呼吸污染物传播的重要模拟装置及方法，属于室内空气质量与污染物传播领域。

背景技术

现代人约90％的时间都是在建筑室内度过的，良好的室内环境能使人感到精力充沛，身体健康，工作效率高。但是最近三十年来，世界上不少国家室内空气质量出现了问题，很多人抱怨空气质量低劣。室内空气污染可以引发以下三种疾病：病态建筑综合症、与建筑有关的疾病、多种化学污染物过敏症。此外，低劣的室内空气质量还会引发哮喘甚至癌症。

与发达国家相比，我国室内空气质量问题更为严重且来源甚广。其由来和特点：(1)大量建筑装饰材料的使用，散发多种化学污染物，如甲醛、笨等有机挥发物；(2)室外空气污染严重，研究表明室内污染物与室外污染物存在正相关，I/O比例接近于1，甚至大于1；(3)传染病的空气传播，近年来传染性疾病频发，如2003年SARS,2009年H1NI；(4)中国目前是世界上最大的烟草生产及消费国，随之产生相应的空气污染。

为营造良好室内空气质量环境，应对各种可能的污染，进行室内环境污染物传播的实验研究是必不可少的。室内环境的主体是人，一方面人体是污染物传播的受体，另一方面人体也可能是污染源；另外由于人体散热会对室内流场以及污染传播产生影响，所以实验过程不可缺少人体。但是从安全、健康的角度来说，真实人体进行实验是不可行的，故需要开发一种能模拟真实人体呼吸功能的呼吸装置。目前国外使用的假人模型大都功能更为复杂，而且由于成本非常高，一般学术机构无力购买。

目前国内许多研究呼吸污染传播大多忽略了人体呼吸特征，如国内学者研究在病房内不同姿势以及不同呼吸方式的污染物分布时，忽略了人体呼吸的特征，以一个简单的装置代替人体呼吸过程[1]；另外国内学者研究飞机座舱内人员呼吸污染物传播规律也采用同样的简易装置[2]。这种装置为一个球形释放源，释放速度恒定而且非常小，均匀地向四周释放污染物。其主要缺点：1)忽略人体呼吸过程的瞬变性，同时也忽略了呼吸射流的方向性2)没有体现人体吸气的过程。目前国内基本很少采用模拟真实人体呼吸过程呼吸装置，国外学者[3]通过CFD模拟分析指出采用恒定的呼吸边界研究污染物传播时，在人体微环境内会产生比较大误差，故非常有必要研制一种能模仿人体正常呼吸过程的装置，特别是在当前空气污染严重的形势下。

参考文献：

[1]Yin Y,Gupta JK,Zhang X,Liu J,Chen Q.Distributions of respiratory contaminants from a patient with different postures and exhaling modes in a single-bed inpatient room.Building and environment.2011；46:75-81.

[2]Li F,Liu J,Pei J,Lin CH,Chen Q.Experimental study of gaseous and particulate contaminants distribution in an aircraft cabin.Atmospheric Environment.2014；85:223–33.

[3]Villafruela JM,Olmedo I,Ruiz de Adana M,Méndez C,Nielsen PV.CFD analysis of the human exhalation flow using different boundary conditions and ventilation strategies.Building and Environment.2013；62:191-200.

发明内容

本发明旨在开发一种能模拟真实人体呼吸过程的呼吸装置及方法，用于研究建筑室内人体污染物暴露水平，以及人体呼吸污染物的传播等。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种能模拟真实人体呼吸过程的呼吸装置；包括呼气泵、吸气泵和加热器系统；吸气泵的主体为一个密封的气缸，气缸内部装有密封的活塞，活塞与齿条通过螺栓连接；气缸外侧步进电机通过齿轮与齿条配合连接；DSP控制器通过控制线连接驱动器，驱动器与电机通过驱动导线连接；气缸的另一侧有两个通气孔，两个通气孔的通气管分别通过单向阀连接气缸；呼气泵和吸气泵结构相同，只是在在通气管末端部位装有加热元件，电源通过时间继电器与加热元件连接。