帶制冷與空氣過濾功能的醫(yī)用頭盔設(shè)計研究*

沈帥博，伍世華，李婷婷，徐佳明，張家煒，林小鬧

（廣東海洋大學(xué)機械與動力工程學(xué)院，廣東 湛江 524088）

2020年發(fā)生的新冠病毒疫情在全世界傳播，救治病患的前線醫(yī)護人員處在最危險的第一線，醫(yī)用防護設(shè)備對醫(yī)護人員的保護顯得尤其重要。醫(yī)護人員所攜帶的普通醫(yī)護面罩防疫性能一般，且攜帶過久會導(dǎo)致面部升溫，使人的舒適度下降。醫(yī)護人員長時間佩戴面罩時，臉部會被勒傷，或被汗液灼傷，并留下傷痕。頭盔內(nèi)如果有適宜溫度的冷空氣對頭盔內(nèi)部進行降溫，將大大提高人體舒適度，更適合長時間使用。進入頭盔的空氣經(jīng)過過濾器過濾，去除病毒及微粒，這樣設(shè)計的頭盔能更好地保護醫(yī)護人員。

文獻《基于太陽能供電半導(dǎo)體制冷的新型頭盔設(shè)計》提出了半導(dǎo)體制冷的頭盔的設(shè)計，但沒有考慮空氣的過濾措施，在面對病毒傳播時，存在防護能力不足的問題。筆者試圖將半導(dǎo)體制冷頭盔和空氣過濾系統(tǒng)結(jié)合起來，提出來新型頭盔的設(shè)計。有制冷與空氣過濾功能的醫(yī)用頭盔的結(jié)構(gòu)設(shè)計，應(yīng)滿足人體工學(xué)的需要，并在防疫頭盔上設(shè)計風(fēng)扇，引流空氣進入頭盔，經(jīng)過空氣過濾器過濾，去除病毒及微粒，滿足衛(wèi)生要求，同時，空氣經(jīng)過半導(dǎo)體制冷片表面，受到冷卻，形成較好的舒適的微環(huán)境。

1 醫(yī)用頭盔結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計構(gòu)思

頭盔的結(jié)構(gòu)設(shè)計，應(yīng)滿足人體工學(xué)的需要，結(jié)構(gòu)設(shè)計需要確定防護頭盔的外形和各部件的布置，頭盔的外形應(yīng)該美觀、不妨礙使用者的使用、方便脫帶；各部件的布置應(yīng)該做到合理，要注意控制空間的使用和質(zhì)量?？紤]本醫(yī)用頭盔需要在內(nèi)部營造一個正壓的呼吸環(huán)境和佩戴者呼氣的位置，頭盔送風(fēng)的方式確定為上部進風(fēng)下部排風(fēng)，根據(jù)頭盔的外形，由送風(fēng)方式考慮各部件的布置。

1.2 頭盔的外觀及內(nèi)部設(shè)計

基于以上構(gòu)思，醫(yī)用頭盔的外形設(shè)計三視圖如圖1所示，頭盔的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2 所示。

圖1 防護頭盔的三視圖

圖2 防護頭盔各部件布置圖

從圖1、圖2 中可以看出，頭盔由構(gòu)架、半導(dǎo)體制冷裝置、電池、控制器等部件組成。頭盔頂部是半導(dǎo)體制冷裝置，冷端直接在頭盔內(nèi)部制冷，熱端上增加散熱片。頭盔主體采用高強度工程塑料，電池放置于頭盔上部保證電量供應(yīng)?？諝庖驗轱L(fēng)扇的引流作用，經(jīng)過進風(fēng)處，通過一個過濾裝置，經(jīng)過過濾器過濾后進入頭盔，風(fēng)道出口有半導(dǎo)體制冷器，空氣與半導(dǎo)體表面接觸，空氣溫度降到適合的溫度同時制冷表面起到散流的作用，將干凈涼爽的空氣送入頭盔內(nèi)。風(fēng)機讓頭盔內(nèi)部保持正壓，這樣既能保證未處理的空氣不能進入頭盔，也能及時排走人呼吸產(chǎn)生的污染物、濕氣和熱量，保證了頭盔的防護性能也保證了頭盔里面的潔凈。合理運用了頭盔內(nèi)外表面的夾層，夾層用于安裝風(fēng)機電池倉、通風(fēng)風(fēng)道、風(fēng)機等，節(jié)省了空間。加裝玻璃眼罩與頭盔形成一個整體，不用額外佩戴護目鏡，減少了佩戴者臉上脆弱皮膚的負擔(dān)，避免了勒傷的可能。濾紙是可換的而制冷片也設(shè)計成可拆卸的設(shè)計，在結(jié)束使用的時候可以對頭盔進行清洗消毒，便于維護同時也可實現(xiàn)循環(huán)使用的目的。

2 醫(yī)用頭盔風(fēng)量的確定

醫(yī)用頭盔風(fēng)量應(yīng)滿足人體呼吸量的需求。人體呼吸量是指人單位時間內(nèi)呼入空氣的體積，呼吸量包括短期呼吸量和長期呼吸量。影響呼吸量的因素有很多，包括年齡、性別、生活地域以及人體的活動強度等多種因素，都會影響到人體呼吸量[1]。

已知測試者體重和身高，依據(jù)人的身體能量代謝的計算方法，可以計算出人的短期和長期呼吸量。 人體能量代謝估算取決于各類活動單位時間內(nèi)或各類人每天的能量消耗和耗氧量，其中人在需要氧氣的同時所消耗的能量也參與其中，氧氣在人的身體內(nèi)發(fā)生生化反應(yīng)，因此可以根據(jù)能耗的多少來計算耗氧量，再根據(jù)空氣中氧氣的濃度，計算出所需吸入的空氣量[2]。人體呼吸量計算方法為[3]：

式（1）中：IR為人的呼吸量，L/min；E為每種類型活動強度下或每天消耗能量的單位時間所消耗的能量，kJ/d；H為消耗單位能量所消耗的氧氣量，通常為0.05 L/kJ；VQ為通氣的當(dāng)量，即每分鐘通氣量與每分鐘所吸氧氣量的比，通常為27。

E的計算公式為：

式（2）中：BMR為基礎(chǔ)的代謝率，基礎(chǔ)的代謝是維持機體生命活動最基本的能量消耗，它的大小相當(dāng)于人平躺休息時的活動強度水平，kJ/d，MJ/d；N為各類活動強度下的所消耗的能量，是基礎(chǔ)代謝率的倍數(shù)，為無量綱，N隨著活動強度的變化而變化。

在劉平等所著的《我國成人呼吸量研究》報告中，運用了SAS9.3 軟件，采用統(tǒng)計學(xué)對調(diào)查結(jié)果進行分析，采用非參數(shù)檢驗的方法確定不同組別暴露參數(shù)檢驗水平α=0.05，其中，從中國居民的長期呼吸量結(jié)果得出，平均長期呼吸量為15.7 m3/d。

綜合以上，為了保證人體的呼吸量，確定本頭盔的設(shè)計進風(fēng)量為18 m3/d。

3 醫(yī)用頭盔制冷設(shè)計

3.1 醫(yī)用頭盔制冷原理

半導(dǎo)體制冷又稱電子制冷，或者溫差電制冷，是從20 世紀50年代發(fā)展起來的一門介于制冷技術(shù)和半導(dǎo)體技術(shù)邊緣的學(xué)科，它利用特種半導(dǎo)體材料構(gòu)成的P-N 結(jié)，形成熱電偶對，產(chǎn)生珀爾帖效應(yīng)，即通過直流電制冷的一種新型制冷方法[4-5]。半導(dǎo)體制冷原理如圖3 所示。半導(dǎo)體制冷片是一個熱傳遞的工具。當(dāng)一塊N 型半導(dǎo)體材料和一塊P 型半導(dǎo)體材料聯(lián)結(jié)成的熱電偶對中有電流通過時，兩端之間就會產(chǎn)生熱量轉(zhuǎn)移，熱量就會從一端轉(zhuǎn)移到另一端，從而產(chǎn)生溫差形成冷熱端。半導(dǎo)體制冷器具有無噪聲、無振動、不需制冷劑、體積小、質(zhì)量輕等特點，且工作可靠、操作簡便，易于進行冷量調(diào)節(jié)。但它的制冷系數(shù)較小，電耗量相對較大，因此它主要被用于耗冷量小和占地空間小的場合[6-7]。

圖3 半導(dǎo)體制冷原理圖

根據(jù)這種制冷原理，將熱電堆放置在合適的位置，便能夠方便地制造冷量。醫(yī)用頭盔的空間狹小，對比不同的制冷方式，此帶制冷與空氣過濾功能的醫(yī)用頭盔利用半導(dǎo)體的熱-電效應(yīng)制冷是較為適合的一種方式。

3.2 醫(yī)用頭盔制冷量計算

上述人的呼吸量為Q=18 m3/d，取保證人體呼吸考慮1.1～1.2 的安全系數(shù)，則通風(fēng)量為：Qv=1.2Q=1.2×18=21.6 m3/d=0.9 m3/h=0.015 m3/min。

醫(yī)用頭盔空氣處理過程焓濕圖如圖4 所示。根據(jù)室外空氣的設(shè)計參數(shù)，確定室外狀態(tài)點W（相對濕度，干球溫度），并根據(jù)降溫溫度和保持含濕量的前提下，確定頭盔內(nèi)部狀態(tài)點E。同時注意降溫效果不能超過相對濕度90%，防止出現(xiàn)冷凝水。室外狀態(tài)點由于半導(dǎo)體的制冷，使空氣等濕降溫。

圖4 醫(yī)用頭盔空氣處理焓濕圖

半導(dǎo)體的制冷量為：

式（3）中：Q為防護頭盔的制冷量，kW；G為防護頭盔的通風(fēng)量，kg/s；hW為防護頭盔外部的狀態(tài)點焓值，kJ/kg；hE為防護頭盔內(nèi)部的設(shè)計狀態(tài)點焓值，kJ/kg。

以廣東地區(qū)為例，該地區(qū)夏季室外狀態(tài)點W的干球溫度為33 ℃，相對濕度為60%，而空調(diào)溫度和室外相差為5 ℃時人體舒適性較好，選擇頭盔內(nèi)部狀態(tài)點E干球溫度28 ℃，含濕量不變，為19.2 g/kg，則半導(dǎo)體制冷量Q=G（hW－h(huán)E）=0.03×1.293÷60（82.4－77.3）=0.0033 kW=3.3 W。

4 醫(yī)用頭盔的空氣過濾系統(tǒng)設(shè)計

4.1 過濾材料的選擇

過濾材料選用的N95，能過濾95%微細顆粒，由5 層口罩多用聚丙烯無紡布制成。醫(yī)療用口罩一般都是多層結(jié)構(gòu)，采用聚丙烯材料。從口罩用料上來看，最佳選擇無疑為聚丙烯高熔指無紡布專用料，達到衛(wèi)材聚丙烯無紡布標(biāo)準的聚丙烯產(chǎn)品，其生產(chǎn)生產(chǎn)熔體質(zhì)量流動速率，一般在33～41 g/min。

4.2 空氣過濾穿透率與過濾效率

目前對口罩的檢測標(biāo)準普遍采用以美國和歐盟為主的標(biāo)準，參考的粒徑范圍為0.1～0.3 μm 的顆粒，作為最容易穿透口罩的粒徑。中國主要參照美標(biāo)，采用相同的粒子徑度。0.1～0.3 μm 的粒徑范圍適用于采用機械過濾的傳統(tǒng)的無紡布材料的口罩。而最新的采用靜電吸附過濾機制的駐極體纖維作為濾材，其過濾效率得到很大的提高，同時，MPPS（最易滲透粒徑）也發(fā)生了變化。目前，駐極體纖維口罩在市場上應(yīng)用很廣泛，過濾性能測試的粒徑（0.1～0.3 μm）也大于其最容易穿透的粒徑（0.04～0.1 μm），這樣，容易造成對口罩過濾材料性能的錯誤估計。

顆粒物的穿透率和過濾效率計算公式為[8]：

式（4）中：Pd為某一粒徑值顆粒物的穿透率；Ci為某一粒徑顆粒物在口罩內(nèi)部的數(shù)量濃度，個/m3；Co為單一粒徑顆粒物在口罩外部的數(shù)量濃度，個/m3。

顆粒物過濾效率為：

與不同粒徑的顆粒滲透率相似，無論是連續(xù)流量還是循環(huán)流量，總粒徑范圍的總滲透率也隨著流量的增加而增加，循環(huán)流的顆粒滲透率流量明顯高于連續(xù)流量。顆粒的滲透率越高，過濾效率越低。隨著流量的增加，過濾效果會變?nèi)?，但一般都能保證過濾效率在95%以上[7]。

人咳嗽一次一般發(fā)菌量為70～700 個/（min·人），取平均值355 個/（min·人），設(shè)計頭盔的過濾材料按過濾效率為95%計算，假設(shè)1 min 內(nèi)1 個病毒穿透過濾器時，由式（4）和（5），可知吸氣含菌濃度應(yīng)為：Ci=24×60÷18÷（1－95%）=1600 個/m3。

以平均355 個/（min·人）的發(fā)菌量，散發(fā)在空氣中，幾乎無法達到1600 個/m3，因此，所選過濾材料能滿足醫(yī)用防護的要求，達到空氣過濾功能的醫(yī)用頭盔設(shè)計目標(biāo)。

5 結(jié)語

筆者將制冷半導(dǎo)體應(yīng)用在頭盔上，實現(xiàn)了頭盔的制冷功能，提高人體的舒適性，同時在頭盔內(nèi)增加空氣過濾器，對進入頭盔的空氣進行過濾，在疫情之下實現(xiàn)更高的安全防護效果。所設(shè)計帶制冷與空氣過濾功能的醫(yī)用頭盔可以使用在室外高溫環(huán)境及空氣渾濁的環(huán)境下，能夠為醫(yī)護人員提供舒適的呼吸環(huán)境，頭盔采用半導(dǎo)體制冷的原理實現(xiàn)制冷，結(jié)構(gòu)簡便，質(zhì)量更輕，佩戴更舒適。