一種新型便攜式消毒呼吸面罩的設(shè)計(jì)

張浩天，謝思翔，李宏博，龍穎君，田浩冉，楊竣博

（哈爾濱工程大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150001）

引言

目前，在大型公共場(chǎng)合，醫(yī)護(hù)人員穿戴的傳統(tǒng)一次性防護(hù)服透氣弱、舒適性差，不利于醫(yī)護(hù)人員開展相關(guān)工作。因此急需設(shè)計(jì)一款產(chǎn)品，解決透氣難、舒適性差、不易穿戴、消毒殺菌能力缺失等問題，改善醫(yī)護(hù)人員工作內(nèi)環(huán)境。

為解決上述問題，本研究設(shè)計(jì)了一款新型便攜式消毒呼吸面罩，改善了現(xiàn)有防護(hù)服不透氣的問題，提高了裝備的舒適性。該裝置可同時(shí)實(shí)現(xiàn)消毒與殺菌功能。本產(chǎn)品不僅做到了主動(dòng)送風(fēng)和消毒殺菌一體化，還具有較高實(shí)用價(jià)值和商業(yè)價(jià)值。

1 國內(nèi)外現(xiàn)狀

國內(nèi)廣泛應(yīng)用的醫(yī)用防護(hù)面罩在排出濕熱氣體方面略顯不足。此外市場(chǎng)也開發(fā)出了自吸式防塵面罩、頭盔式空氣幕面罩等[1]。但是它們普遍應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、密合性差且過濾效果不好，過濾裝置易堵塞。國外相關(guān)防護(hù)面罩的研究較少，大部分國家仍依托于中國的防護(hù)面罩、防護(hù)服等防護(hù)裝備的出口。目前國外最新的相關(guān)研究是墨西哥某公司研發(fā)的充氣式防護(hù)服，內(nèi)部配備風(fēng)扇保持涼爽，但影響醫(yī)務(wù)人員行動(dòng)，也不具備殺菌消毒的功能。

2 產(chǎn)品研制

2.1 設(shè)計(jì)概述

基于實(shí)現(xiàn)本產(chǎn)品主動(dòng)送風(fēng)以及消毒功能一體化的目的，綜合考慮醫(yī)護(hù)人員工作環(huán)境的特殊性，使該面罩產(chǎn)品能夠有效改善醫(yī)護(hù)人員工作條件，提高舒適性。

圖1 為消毒送風(fēng)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。本裝置預(yù)結(jié)合束帶，佩戴于使用者腰間，并通過送風(fēng)軟管與面罩連接，實(shí)現(xiàn)便攜功能，裝置內(nèi)部有嵌入式小型風(fēng)機(jī)與消毒裝置，二者協(xié)同配合，同時(shí)運(yùn)行，向面罩內(nèi)部主動(dòng)輸送經(jīng)過消毒殺菌作用后的清潔安全空氣。

圖1 消毒送風(fēng)裝置結(jié)構(gòu)示意

2.2 工作原理

由外接移動(dòng)電源供電，接通開關(guān)，風(fēng)機(jī)開始運(yùn)行，將外界未凈化空氣吸入消毒裝置內(nèi)部，經(jīng)過充分消毒滅菌后得到凈化空氣，通過通氣導(dǎo)管將凈化后的安全空氣送入面罩內(nèi)部。

2.3 整體結(jié)構(gòu)

本產(chǎn)品面罩的整體結(jié)構(gòu)見圖2，主要由面罩、換氣導(dǎo)管、主機(jī)和腰束帶四部分組成。主機(jī)內(nèi)部包含消毒裝置和送風(fēng)裝置，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品主要功能。

圖2 新型便攜式主動(dòng)換氣消毒面罩

3 各零部件設(shè)計(jì)

新型便攜式消毒呼吸面罩主要零部件可分為三部分：電動(dòng)送風(fēng)裝置、消毒裝置、其他零部件。

3.1 電動(dòng)送風(fēng)裝置設(shè)計(jì)

送風(fēng)裝置主要實(shí)現(xiàn)向面罩內(nèi)部主動(dòng)輸送空氣的功能。風(fēng)機(jī)見圖3。

圖3 風(fēng)機(jī)示意

設(shè)計(jì)不同檔位，可根據(jù)不同工作環(huán)境自主選擇檔位，以滿足人體對(duì)送風(fēng)量的需求。檔位分為普通檔位和加強(qiáng)檔位兩類，分別對(duì)應(yīng)的理想送風(fēng)量為120 L/min 和150 L/min。在裝置工作狀態(tài)下，選擇上述兩檔位，在一定程度上能夠滿足人體在不同環(huán)境下對(duì)送風(fēng)量的需求。

3.2 消毒裝置設(shè)計(jì)

消毒裝置主要實(shí)現(xiàn)對(duì)輸送的空氣進(jìn)行實(shí)時(shí)、有效殺毒滅菌功能。

內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 消毒零件示意

消毒裝置核心部件是空氣賦能電離激發(fā)器?？諝赓x能電離激發(fā)器是高能離子的直接來源，賦能電離激發(fā)器主體采用硼化玻璃制成，外徑與長(zhǎng)度可以依據(jù)實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行選擇和設(shè)計(jì)，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，激發(fā)器管壁厚度必須一致，在0.8～1 mm 之間。外電極金屬網(wǎng)采用不銹鋼絲網(wǎng)編制而成，其中孔眼的間距會(huì)影響到電離效果。內(nèi)電極選用鍍銀不銹鋼網(wǎng)。內(nèi)部的電極網(wǎng)表面鍍銀。一般的，鍍銀層厚度3-5 μm 效果較好，內(nèi)部采用不銹鋼絲網(wǎng)，大大降低成本和工藝要求，可以達(dá)到凈化效率，滿足凈化要求。

3.3 其他零部件設(shè)計(jì)

電源采用充電式可拆卸更換電源，輕便易攜，具有較強(qiáng)的續(xù)航能力。同時(shí)備用電源，可使裝置適應(yīng)長(zhǎng)時(shí)間跨度的工作。

面罩主要分為呼吸器和防護(hù)罩兩部分。呼吸器采用可塑性較高、具有一定彈性能力的材料制成，如硅樹脂。呼吸器設(shè)計(jì)貼合人體面部曲線，配合尺寸可調(diào)節(jié)頭帶，提高佩戴的舒適性[2]。防護(hù)罩采用聚碳酸酯材料制成，具有較強(qiáng)透光性、質(zhì)硬不易損壞。

呼吸器外接送風(fēng)管道采用尼龍材料，具有高強(qiáng)度耐磨、抗拉性質(zhì)，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。將連通管管徑設(shè)計(jì)為5 cm 左右，能夠保證送風(fēng)量大小。

束帶設(shè)計(jì)貼合人體腰身曲線，同時(shí)設(shè)有等間距鎖扣，可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整束帶松緊程度。

4 技術(shù)基礎(chǔ)及參數(shù)

4.1 產(chǎn)品技術(shù)基礎(chǔ)

4.1.1 消毒技術(shù) 該裝置消毒裝置基于等離子消毒技術(shù)，采用空氣賦能電離激發(fā)器實(shí)現(xiàn)消毒目的。主要原理是通過交流電放電使空氣中的氧分子被特殊的電離管加載正電荷與負(fù)電荷，形成高能量的氧離子，這些極具流動(dòng)性又微小的高能氧離子具備極強(qiáng)的氧化性[3]，和微生物接觸，立即破壞細(xì)菌的細(xì)胞壁以及病毒的蛋白質(zhì)衣殼等使其中和、分解，從而達(dá)到滅活的作用。

4.1.2 送風(fēng)技術(shù) 該裝置送風(fēng)裝置為嵌入式小型風(fēng)機(jī)，通過風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)主動(dòng)送風(fēng)功能。送風(fēng)過程中需要考慮在不同工作條件及工作環(huán)境下，送風(fēng)量參數(shù)參考標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)收集數(shù)據(jù)得到表1。

表1 送風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)、工作時(shí)間與殺毒標(biāo)準(zhǔn)

4.2 風(fēng)機(jī)各項(xiàng)參數(shù)的設(shè)計(jì)

小型風(fēng)機(jī)在接通電源條件下，與送風(fēng)管道配合工作，實(shí)現(xiàn)面罩的換氣功能。需設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)各項(xiàng)參數(shù)保證氣流以預(yù)設(shè)額定送風(fēng)量實(shí)現(xiàn)向面罩送風(fēng)的要求。

4.2.1 送風(fēng)管道流量參數(shù)的設(shè)計(jì) 送風(fēng)管道在輸送過程中，氣體體積流量計(jì)算式為

式中：v=Const，即dv=0。

設(shè)定管徑為5 cm，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測(cè)定一定范圍內(nèi)送入面罩內(nèi)的風(fēng)量對(duì)于面罩內(nèi)假人面部感受到的風(fēng)速的影響，獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并繪制風(fēng)速- 風(fēng)量曲線。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。

表2 送風(fēng)量對(duì)應(yīng)的風(fēng)速值

將表2 中送風(fēng)量與對(duì)應(yīng)風(fēng)速的關(guān)系擬合成曲線，見圖5。

圖5 不同送風(fēng)量下面部實(shí)際感受風(fēng)速

由圖及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，當(dāng)送風(fēng)量在120～150 L/min 時(shí)，面部實(shí)際感受風(fēng)速在0.20～0.35 m/s 范圍內(nèi)，對(duì)于人體來說較舒適，故將送風(fēng)量確定為兩檔，普通檔對(duì)應(yīng)120 L/min，加強(qiáng)檔對(duì)應(yīng)150 L/min。

4.2.2 風(fēng)機(jī)電源參數(shù)的設(shè)計(jì) 電源選取12 V 可拆卸更換電源，同時(shí)保證風(fēng)機(jī)滿足最小送風(fēng)量Qv，最低工作時(shí)間限度t，則風(fēng)機(jī)的參數(shù)應(yīng)滿足以下要求

式中：Cf為送風(fēng)管道內(nèi)氣體的流速（m/s）；α 為修正系數(shù)，校正在一定溫度范圍變化對(duì)氣體體積影響的作用；ρ 為空氣密度。

5 產(chǎn)品樣機(jī)實(shí)驗(yàn)及驗(yàn)證

5.1 消毒技術(shù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模簷z測(cè)消毒裝置對(duì)污染空氣中所含各類微生物的消毒效果。

實(shí)驗(yàn)用具：紙箱若干個(gè)、各種類微生物培養(yǎng)皿、熒光細(xì)菌檢測(cè)儀、取樣拭子、設(shè)備主機(jī)。

實(shí)驗(yàn)步驟：（1） 將設(shè)備主機(jī)安裝進(jìn)封閉箱中。（2）按微生物種類數(shù)設(shè)置分組。在每組紙箱表面涂抹該種微生物，用取樣拭子和熒光檢測(cè)儀檢測(cè)微生物密度，并根據(jù)檢測(cè)儀示數(shù)調(diào)整微生物涂抹量，使各組微生物濃度適宜且相近，并記錄最終數(shù)據(jù)。（3）每組實(shí)驗(yàn)設(shè)置五組參照組，重復(fù)實(shí)驗(yàn)。主機(jī)運(yùn)行完后取出紙箱，用拭子在紙箱上取樣，用熒光檢測(cè)儀檢測(cè)微生物濃度，并記錄數(shù)據(jù)。（4）重復(fù)上述步驟，并記錄數(shù)據(jù)。計(jì)算各種類微生物的滅菌率，并與技術(shù)要求比對(duì)。

消殺率=（微生物初始濃度- 消殺后微生物濃度）/初始微生物濃度×100%

實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3、表4。

表3 大腸桿菌實(shí)驗(yàn)組

表4 真菌實(shí)驗(yàn)組

5.2 送風(fēng)技術(shù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模貉芯扛黜?xiàng)參數(shù)指標(biāo)，并查閱相關(guān)資料，確定各項(xiàng)參數(shù)使人體舒適的實(shí)際范圍。

實(shí)驗(yàn)用具：封閉箱若干、風(fēng)機(jī)。

實(shí)驗(yàn)步驟：（1）將風(fēng)機(jī)安裝進(jìn)封閉箱中，完成調(diào)試。（2）通過調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)功率實(shí)現(xiàn)對(duì)送風(fēng)量大小的控制，測(cè)定不同功率條件下，風(fēng)機(jī)送風(fēng)量大小的變化，繪制風(fēng)量- 功率曲線。（3）通過改變環(huán)境溫度，測(cè)定不同環(huán)境溫度條件下裝置整體運(yùn)行狀況，繪制風(fēng)量- 溫度曲線。（4）根據(jù)實(shí)驗(yàn)曲線，確定各項(xiàng)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值，設(shè)置好風(fēng)機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合成曲線見圖6、圖7。

圖6 不同功率下實(shí)際送風(fēng)量

圖7 不同溫度下實(shí)際送風(fēng)量

6 結(jié)論

為解決現(xiàn)有醫(yī)用防護(hù)服難題，改善醫(yī)護(hù)人員在防護(hù)服內(nèi)部封閉空間的工作環(huán)境及舒適性問題，本研究設(shè)計(jì)了一款集送風(fēng)功能和消毒功能一體化的新型便攜式消毒呼吸面罩。

本設(shè)計(jì)具有以下優(yōu)勢(shì)：（1）解決了現(xiàn)有傳統(tǒng)的一次性醫(yī)用防護(hù)服透氣難、舒適性差、不易穿戴、消毒殺菌能力缺失等問題。（2）該裝置通過不斷設(shè)計(jì)優(yōu)化，簡(jiǎn)化操作、方便攜帶，適用范圍廣泛。（3）該裝置適用于多種環(huán)境溫度，對(duì)于不同地區(qū)的不同環(huán)境溫度都體現(xiàn)出良好的工作狀態(tài)。