一种新型便携式消毒呼吸面罩的设计

张浩天，谢思翔，李宏博，龙颖君，田浩冉，杨竣博

（哈尔滨工程大学，黑龙江 哈尔滨 150001）

引言

目前，在大型公共场合，医护人员穿戴的传统一次性防护服透气弱、舒适性差，不利于医护人员开展相关工作。因此急需设计一款产品，解决透气难、舒适性差、不易穿戴、消毒杀菌能力缺失等问题，改善医护人员工作内环境。

为解决上述问题，本研究设计了一款新型便携式消毒呼吸面罩，改善了现有防护服不透气的问题，提高了装备的舒适性。该装置可同时实现消毒与杀菌功能。本产品不仅做到了主动送风和消毒杀菌一体化，还具有较高实用价值和商业价值。

1 国内外现状

国内广泛应用的医用防护面罩在排出湿热气体方面略显不足。此外市场也开发出了自吸式防尘面罩、头盔式空气幕面罩等[1]。但是它们普遍应用于工业生产，结构简单、密合性差且过滤效果不好，过滤装置易堵塞。国外相关防护面罩的研究较少，大部分国家仍依托于中国的防护面罩、防护服等防护装备的出口。目前国外最新的相关研究是墨西哥某公司研发的充气式防护服，内部配备风扇保持凉爽，但影响医务人员行动，也不具备杀菌消毒的功能。

2 产品研制

2.1 设计概述

基于实现本产品主动送风以及消毒功能一体化的目的，综合考虑医护人员工作环境的特殊性，使该面罩产品能够有效改善医护人员工作条件，提高舒适性。

图1 为消毒送风装置的结构示意图。本装置预结合束带，佩戴于使用者腰间，并通过送风软管与面罩连接，实现便携功能，装置内部有嵌入式小型风机与消毒装置，二者协同配合，同时运行，向面罩内部主动输送经过消毒杀菌作用后的清洁安全空气。

图1 消毒送风装置结构示意

2.2 工作原理

由外接移动电源供电，接通开关，风机开始运行，将外界未净化空气吸入消毒装置内部，经过充分消毒灭菌后得到净化空气，通过通气导管将净化后的安全空气送入面罩内部。

2.3 整体结构

本产品面罩的整体结构见图2，主要由面罩、换气导管、主机和腰束带四部分组成。主机内部包含消毒装置和送风装置，实现产品主要功能。

图2 新型便携式主动换气消毒面罩

3 各零部件设计

新型便携式消毒呼吸面罩主要零部件可分为三部分：电动送风装置、消毒装置、其他零部件。

3.1 电动送风装置设计

送风装置主要实现向面罩内部主动输送空气的功能。风机见图3。

图3 风机示意

设计不同档位，可根据不同工作环境自主选择档位，以满足人体对送风量的需求。档位分为普通档位和加强档位两类，分别对应的理想送风量为120 L/min 和150 L/min。在装置工作状态下，选择上述两档位，在一定程度上能够满足人体在不同环境下对送风量的需求。

3.2 消毒装置设计

消毒装置主要实现对输送的空气进行实时、有效杀毒灭菌功能。

内部结构见图4。

图4 消毒零件示意

消毒装置核心部件是空气赋能电离激发器。空气赋能电离激发器是高能离子的直接来源，赋能电离激发器主体采用硼化玻璃制成，外径与长度可以依据实际应用进行选择和设计，经过实验，激发器管壁厚度必须一致，在0.8～1 mm 之间。外电极金属网采用不锈钢丝网编制而成，其中孔眼的间距会影响到电离效果。内电极选用镀银不锈钢网。内部的电极网表面镀银。一般的，镀银层厚度3-5 μm 效果较好，内部采用不锈钢丝网，大大降低成本和工艺要求，可以达到净化效率，满足净化要求。

3.3 其他零部件设计

电源采用充电式可拆卸更换电源，轻便易携，具有较强的续航能力。同时备用电源，可使装置适应长时间跨度的工作。

面罩主要分为呼吸器和防护罩两部分。呼吸器采用可塑性较高、具有一定弹性能力的材料制成，如硅树脂。呼吸器设计贴合人体面部曲线，配合尺寸可调节头带，提高佩戴的舒适性[2]。防护罩采用聚碳酸酯材料制成，具有较强透光性、质硬不易损坏。

呼吸器外接送风管道采用尼龙材料，具有高强度耐磨、抗拉性质，化学性质稳定。将连通管管径设计为5 cm 左右，能够保证送风量大小。

束带设计贴合人体腰身曲线，同时设有等间距锁扣，可以根据实际情况进行调整束带松紧程度。

4 技术基础及参数

4.1 产品技术基础

4.1.1 消毒技术 该装置消毒装置基于等离子消毒技术，采用空气赋能电离激发器实现消毒目的。主要原理是通过交流电放电使空气中的氧分子被特殊的电离管加载正电荷与负电荷，形成高能量的氧离子，这些极具流动性又微小的高能氧离子具备极强的氧化性[3]，和微生物接触，立即破坏细菌的细胞壁以及病毒的蛋白质衣壳等使其中和、分解，从而达到灭活的作用。

4.1.2 送风技术 该装置送风装置为嵌入式小型风机，通过风机运转实现主动送风功能。送风过程中需要考虑在不同工作条件及工作环境下，送风量参数参考标准。根据国家标准收集数据得到表1。

表1 送风标准、工作时间与杀毒标准

4.2 风机各项参数的设计

小型风机在接通电源条件下，与送风管道配合工作，实现面罩的换气功能。需设计风机各项参数保证气流以预设额定送风量实现向面罩送风的要求。

4.2.1 送风管道流量参数的设计 送风管道在输送过程中，气体体积流量计算式为

式中：v=Const，即dv=0。

设定管径为5 cm，进行实验，测定一定范围内送入面罩内的风量对于面罩内假人面部感受到的风速的影响，获得实验数据并绘制风速- 风量曲线。

实验数据见表2。

表2 送风量对应的风速值

将表2 中送风量与对应风速的关系拟合成曲线，见图5。

图5 不同送风量下面部实际感受风速

由图及实验数据可知，当送风量在120～150 L/min 时，面部实际感受风速在0.20～0.35 m/s 范围内，对于人体来说较舒适，故将送风量确定为两档，普通档对应120 L/min，加强档对应150 L/min。

4.2.2 风机电源参数的设计 电源选取12 V 可拆卸更换电源，同时保证风机满足最小送风量Qv，最低工作时间限度t，则风机的参数应满足以下要求

式中：Cf为送风管道内气体的流速（m/s）；α 为修正系数，校正在一定温度范围变化对气体体积影响的作用；ρ 为空气密度。

5 产品样机实验及验证

5.1 消毒技术实验设计

实验目的：检测消毒装置对污染空气中所含各类微生物的消毒效果。

实验用具：纸箱若干个、各种类微生物培养皿、荧光细菌检测仪、取样拭子、设备主机。

实验步骤：（1） 将设备主机安装进封闭箱中。（2）按微生物种类数设置分组。在每组纸箱表面涂抹该种微生物，用取样拭子和荧光检测仪检测微生物密度，并根据检测仪示数调整微生物涂抹量，使各组微生物浓度适宜且相近，并记录最终数据。（3）每组实验设置五组参照组，重复实验。主机运行完后取出纸箱，用拭子在纸箱上取样，用荧光检测仪检测微生物浓度，并记录数据。（4）重复上述步骤，并记录数据。计算各种类微生物的灭菌率，并与技术要求比对。

消杀率=（微生物初始浓度- 消杀后微生物浓度）/初始微生物浓度×100%

实验结果见表3、表4。

表3 大肠杆菌实验组

表4 真菌实验组

5.2 送风技术实验设计

实验目的：研究各项参数指标，并查阅相关资料，确定各项参数使人体舒适的实际范围。

实验用具：封闭箱若干、风机。

实验步骤：（1）将风机安装进封闭箱中，完成调试。（2）通过调节风机功率实现对送风量大小的控制，测定不同功率条件下，风机送风量大小的变化，绘制风量- 功率曲线。（3）通过改变环境温度，测定不同环境温度条件下装置整体运行状况，绘制风量- 温度曲线。（4）根据实验曲线，确定各项参数标准值，设置好风机的标准转速。

实验结果：将实验数据拟合成曲线见图6、图7。

图6 不同功率下实际送风量

图7 不同温度下实际送风量

6 结论

为解决现有医用防护服难题，改善医护人员在防护服内部封闭空间的工作环境及舒适性问题，本研究设计了一款集送风功能和消毒功能一体化的新型便携式消毒呼吸面罩。

本设计具有以下优势：（1）解决了现有传统的一次性医用防护服透气难、舒适性差、不易穿戴、消毒杀菌能力缺失等问题。（2）该装置通过不断设计优化，简化操作、方便携带，适用范围广泛。（3）该装置适用于多种环境温度，对于不同地区的不同环境温度都体现出良好的工作状态。