一種新型便攜式消毒呼吸面罩的設計

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，黑龍江 哈爾濱 150001）

引言

目前，在大型公共場合，醫護人員穿戴的傳統一次性防護服透氣弱、舒適性差，不利于醫護人員開展相關工作。因此急需設計一款產品，解決透氣難、舒適性差、不易穿戴、消毒殺菌能力缺失等問題，改善醫護人員工作內環境。

為解決上述問題，本研究設計了一款新型便攜式消毒呼吸面罩，改善了現有防護服不透氣的問題，提高了裝備的舒適性。該裝置可同時實現消毒與殺菌功能。本產品不僅做到了主動送風和消毒殺菌一體化，還具有較高實用價值和商業價值。

1 國內外現狀

國內廣泛應用的醫用防護面罩在排出濕熱氣體方面略顯不足。此外市場也開發出了自吸式防塵面罩、頭盔式空氣幕面罩等[1]。但是它們普遍應用于工業生產，結構簡單、密合性差且過濾效果不好，過濾裝置易堵塞。國外相關防護面罩的研究較少，大部分國家仍依托于中國的防護面罩、防護服等防護裝備的出口。目前國外最新的相關研究是墨西哥某公司研發的充氣式防護服，內部配備風扇保持涼爽，但影響醫務人員行動，也不具備殺菌消毒的功能。

2 產品研制

2.1 設計概述

基于實現本產品主動送風以及消毒功能一體化的目的，綜合考慮醫護人員工作環境的特殊性，使該面罩產品能夠有效改善醫護人員工作條件，提高舒適性。

圖1 為消毒送風裝置的結構示意圖。本裝置預結合束帶，佩戴于使用者腰間，并通過送風軟管與面罩連接，實現便攜功能，裝置內部有嵌入式小型風機與消毒裝置，二者協同配合，同時運行，向面罩內部主動輸送經過消毒殺菌作用后的清潔安全空氣。

圖1 消毒送風裝置結構示意

2.2 工作原理

由外接移動電源供電，接通開關，風機開始運行，將外界未凈化空氣吸入消毒裝置內部，經過充分消毒滅菌后得到凈化空氣，通過通氣導管將凈化后的安全空氣送入面罩內部。

2.3 整體結構

本產品面罩的整體結構見圖2，主要由面罩、換氣導管、主機和腰束帶四部分組成。主機內部包含消毒裝置和送風裝置，實現產品主要功能。

圖2 新型便攜式主動換氣消毒面罩

3 各零部件設計

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

3.1 電動送風裝置設計

送風裝置主要實現向面罩內部主動輸送空氣的功能。風機見圖3。

圖3 風機示意

設計不同檔位，可根據不同工作環境自主選擇檔位，以滿足人體對送風量的需求。檔位分為普通檔位和加強檔位兩類，分別對應的理想送風量為120 L/min 和150 L/min。在裝置工作狀態下，選擇上述兩檔位，在一定程度上能夠滿足人體在不同環境下對送風量的需求。

3.2 消毒裝置設計

消毒裝置主要實現對輸送的空氣進行實時、有效殺毒滅菌功能。

內部結構見圖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器。空氣賦能電離激發器是高能離子的直接來源，賦能電離激發器主體采用硼化玻璃制成，外徑與長度可以依據實際應用進行選擇和設計，經過實驗，激發器管壁厚度必須一致，在0.8～1 mm 之間。外電極金屬網采用不銹鋼絲網編制而成，其中孔眼的間距會影響到電離效果。內電極選用鍍銀不銹鋼網。內部的電極網表面鍍銀。一般的，鍍銀層厚度3-5 μm 效果較好，內部采用不銹鋼絲網，大大降低成本和工藝要求，可以達到凈化效率，滿足凈化要求。

3.3 其他零部件設計

電源采用充電式可拆卸更換電源，輕便易攜，具有較強的續航能力。同時備用電源，可使裝置適應長時間跨度的工作。

面罩主要分為呼吸器和防護罩兩部分。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。呼吸器設計貼合人體面部曲線，配合尺寸可調節頭帶，提高佩戴的舒適性[2]。防護罩采用聚碳酸酯材料制成，具有較強透光性、質硬不易損壞。

呼吸器外接送風管道采用尼龍材料，具有高強度耐磨、抗拉性質，化學性質穩定。將連通管管徑設計為5 cm 左右，能夠保證送風量大小。

束帶設計貼合人體腰身曲線，同時設有等間距鎖扣，可以根據實際情況進行調整束帶松緊程度。

4 技術基礎及參數

4.1 產品技術基礎

4.1.1 消毒技術 該裝置消毒裝置基于等離子消毒技術，采用空氣賦能電離激發器實現消毒目的。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電荷，形成高能量的氧離子，這些極具流動性又微小的高能氧離子具備極強的氧化性[3]，和微生物接觸，立即破壞細菌的細胞壁以及病毒的蛋白質衣殼等使其中和、分解，從而達到滅活的作用。

4.1.2 送風技術 該裝置送風裝置為嵌入式小型風機，通過風機運轉實現主動送風功能。送風過程中需要考慮在不同工作條件及工作環境下，送風量參數參考標準。根據國家標準收集數據得到表1。

表1 送風標準、工作時間與殺毒標準

4.2 風機各項參數的設計

小型風機在接通電源條件下，與送風管道配合工作，實現面罩的換氣功能。需設計風機各項參數保證氣流以預設額定送風量實現向面罩送風的要求。

4.2.1 送風管道流量參數的設計 送風管道在輸送過程中，氣體體積流量計算式為

式中：v=Const，即dv=0。

設定管徑為5 cm，進行實驗，測定一定范圍內送入面罩內的風量對于面罩內假人面部感受到的風速的影響，獲得實驗數據并繪制風速- 風量曲線。

實驗數據見表2。

表2 送風量對應的風速值

將表2 中送風量與對應風速的關系擬合成曲線，見圖5。

圖5 不同送風量下面部實際感受風速

由圖及實驗數據可知，當送風量在120～150 L/min 時，面部實際感受風速在0.20～0.35 m/s 范圍內，對于人體來說較舒適，故將送風量確定為兩檔，普通檔對應120 L/min，加強檔對應150 L/min。

4.2.2 風機電源參數的設計 電源選取12 V 可拆卸更換電源，同時保證風機滿足最小送風量Qv，最低工作時間限度t，則風機的參數應滿足以下要求

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

5 產品樣機實驗及驗證

5.1 消毒技術實驗設計

實驗目的：檢測消毒裝置對污染空氣中所含各類微生物的消毒效果。

實驗用具：紙箱若干個、各種類微生物培養皿、熒光細菌檢測儀、取樣拭子、設備主機。

實驗步驟：（1） 將設備主機安裝進封閉箱中。（2）按微生物種類數設置分組。在每組紙箱表面涂抹該種微生物，用取樣拭子和熒光檢測儀檢測微生物密度，并根據檢測儀示數調整微生物涂抹量，使各組微生物濃度適宜且相近，并記錄最終數據。（3）每組實驗設置五組參照組，重復實驗。主機運行完后取出紙箱，用拭子在紙箱上取樣，用熒光檢測儀檢測微生物濃度，并記錄數據。（4）重復上述步驟，并記錄數據。計算各種類微生物的滅菌率，并與技術要求比對。

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%

實驗結果見表3、表4。

表3 大腸桿菌實驗組

表4 真菌實驗組

5.2 送風技術實驗設計

實驗目的：研究各項參數指標，并查閱相關資料，確定各項參數使人體舒適的實際范圍。

實驗用具：封閉箱若干、風機。

實驗步驟：（1）將風機安裝進封閉箱中，完成調試。（2）通過調節風機功率實現對送風量大小的控制，測定不同功率條件下，風機送風量大小的變化，繪制風量- 功率曲線。（3）通過改變環境溫度，測定不同環境溫度條件下裝置整體運行狀況，繪制風量- 溫度曲線。（4）根據實驗曲線，確定各項參數標準值，設置好風機的標準轉速。

實驗結果：將實驗數據擬合成曲線見圖6、圖7。

圖6 不同功率下實際送風量

圖7 不同溫度下實際送風量

6 結論

為解決現有醫用防護服難題，改善醫護人員在防護服內部封閉空間的工作環境及舒適性問題，本研究設計了一款集送風功能和消毒功能一體化的新型便攜式消毒呼吸面罩。

本設計具有以下優勢：（1）解決了現有傳統的一次性醫用防護服透氣難、舒適性差、不易穿戴、消毒殺菌能力缺失等問題。（2）該裝置通過不斷設計優化，簡化操作、方便攜帶，適用范圍廣泛。（3）該裝置適用于多種環境溫度，對于不同地區的不同環境溫度都體現出良好的工作狀態。