CN106621099A - 一种具有双腔结构的气体过滤及交换装置 - Google Patents
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Abstract
针对以上问题,本发明提出了一种双腔结构设计,适用于口罩、防毒面具等,可以在实现空气过滤净化的同时,提高气体交换效率,降低呼吸时的窒息感。当吸气时,单向阀(7)打开,单向阀(9)闭合,清气腔(3)中的气体通过单向阀(7)进入交换腔(8),进而进入人的呼吸***。当呼气时,单向阀(7)闭合,单向阀(9)打开,使呼出的气体快速、几无保留地排出交换腔。呼气过程中,单向阀(7)是闭合的,吸气过程中在清气腔中产生的负压将使外面的空气继续通过滤网(1)进入清气腔,补充清洁空气,为下一次吸入做准备,如此往复。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有双腔结构的气体过滤及交换装置,适用于对气体进行过滤及交换的场合,如口罩、防毒面具等装置,解决其在交换过程中,气体交换性差,窒息感强的问题。
背景技术
社会在飞速发展的同时也带来了一些环境问题,如空气的污染。人们在越来越认识到空气污染给人们的健康所带来危害的同时,却鲜有手段加以克服。目前,人们在雾霾等恶劣的天气出行时,一般都会采取戴上口罩等防护措施。市面上的类似产品也很多,原理也大体相似,即通过吸气时使污浊空气通过口罩中过滤层,过滤掉其中的有害物质,如PM2.5等。但由于这些有害物质的体积非常小,所以需要滤网密度足够大,否则根本起不到过滤的作用。增加滤网密度会带来了一个直接的问题,就是使得呼吸变得困难,窒息感强烈。所以一般要求戴口罩时间不宜过长,否则就会给身体带来不利影响。早一些的产品,呼出和吸入的气体都要经过滤网,窒息感强烈。最近的一些产品中,在呼气过程中采用了单向阀设计,呼气时,单向阀打开,呼出的气体可直接通过单向阀排出,而不再经过滤网;吸气时,单向阀闭合,口罩外的空气在负压下通过滤网进入呼吸道。这样做的好处是呼气过程变顺畅了,但对吸气过程没有任何影响,特别是在滤网比较致密的情况下,窒息感依然存在。造成窒息感的另一个原因是,由于鼻腔附近较大空间的存在,呼气时将充满呼出的气体(以下简称为“浊气”),当再次吸气时,这些含有高浓度二氧化碳的浊气又会被吸入呼吸道,由于呼吸不到新鲜的空气,造成人体呼吸困难。
发明内容
针对以上问题,本发明提出了一种双腔结构设计,可以在实现空气过滤净化的同时,提高气体交换效率,使呼吸时的窒息感大大降低。
该装置交换腔(8)一侧与面部紧密贴合,经密封装置(6)在鼻腔附近形成一个小的密闭空间,该密闭空间通过单向阀(9)与外面空气相通,在呼气时,单向阀(9)打开,使浊气排出;紧临交换腔外部是用于存储过滤后清洁空气的清气腔(3),清气腔与换气腔之间设有单向阀(7)。一次完整呼吸动作过程中,两个单向阀的动作为:吸气时,交换腔(8)产生负压,在负压作用下,单向阀(9)闭合(防止外面脏空气进入交换腔),同时单向阀(7)打开,使清气腔中清洁空气进入交换腔,进而进入呼吸***,同时使清气腔产生一定的负压;呼气时,在交换腔正压和清气腔负压共同作用下,单向阀(7)迅速闭合(防止浊气进入清气腔),同时,单向阀(9)打开,使浊气迅速排出交换腔。清气腔的外表面(与空气接触的面)为透气支架结构,外敷滤网,用以过滤空气中有害成分。吸气时,由于清气腔中部分气体被吸入交换腔及呼吸***,使清气腔产生负压,在负压的作用下,外面的空气通过滤网进入到清气腔。由于呼气过程中单向阀(7)是闭合的,呼出的气体并不会使清气腔中负压减弱或消失,所以该负压会继续促使外面的空气通过滤网进入清气腔,直至清气腔中压力与外气压相平衡。
为了提高气体交换效率,交换腔的体积应尽可能地小一些。使得呼出的浊气尽可能多的排出交换腔。为了方便浊气排出,优选地,可以将单向阀(9)安装在鼻孔的正下方。由于交换腔与面部所形成的密闭空间体积小,呼气时残存在交换腔的浊气体积也小,这样吸气时就会有更多的清洁空气由清气腔进入交换腔,进而进入呼吸***,从而提高呼吸***空气交换的效率。
为了降低吸气过程中产生的窒息感,清气腔应尽可能的大一些。理论上讲,清气腔越大,从中吸取同等体积的空气所产生的负压就越小,也就是说,吸起来越省力,吸气就会越顺畅。同时,清气腔变大,也会增大清气腔与外面空气的接触面积,即可增加滤网的面积,提高气体过滤的效率,有利于空气的过滤;另一方面,由于在呼气过程中单向阀(7)是闭合的,所以此时如果清气腔中还处于负压状态,则可以继续使外面空气通过滤网进入其内,也就是说,过滤空气的时长可以为整个呼吸过程。而现有产品过滤气体的过程只能发生在一个呼吸周期的吸气阶段。
为进一步降低窒息感,优选地,清气腔支架为弹性结构。当吸气时,单向阀(7)打开,清气腔随着其中气体的减少而收缩;当呼气时,单向阀(7)关闭,清气腔在弹性力的作用下恢复,恢复的过程中,外面空气通过滤网进入清气腔,如此往复。
综上所述,由于采用双腔结构,首先实现了清洁空气与呼出浊气之间的隔离,加之大小腔的设计(交换腔密闭空间小,清气腔大),保证了浊气尽可能的排出,使人呼吸到的绝大部分为清气腔中清洁空气,避免了呼出的浊气被再次吸入,过多的二氧化碳所导致的头晕、头痛问题。其次,在单腔下,气体过滤过程只能发生在吸气过程,作用时间短,而要在如此时间短的条件下完成吸入所需的空气,特别是在滤层致密的情况下,就会使吸气十分费力,而在本发明中由于单向阀(7)的作用合,在呼气时单向阀(7)是闭合的,清气腔与外部空气的过滤交换过程可以继续进行,从而可以大大延长空气过滤的时间(约增加一倍),使得清气腔有足够的时间与外面空气进行交换,来补充清气腔中被吸入交换腔中的清洁空气。第三,对于一般口罩,如果在鼻腔附近不留有太多空间,则吸气时所需的空气量都要在吸气过程中通过过滤完成,特别是在滤网致密的情况下,吸入非常费力;如果在鼻腔附近留有太多空间,则会造成浊气填充,呼出浊气再次被吸入的问题,本发明很好地解决了这一问题,由于交换腔小,所以呼气时绝大部分浊气被排出,而吸气时,绝大部分清洁空气来自清气腔,同时由于清气腔的体积相对较大,从中获取一定量的气体时产生的负压相对也较小,也就是说,使吸气变得顺畅。所以,本发明一方面提高了气体的交换效率,另一方面使得呼吸整个过程都变得十分顺畅,从而消除了窒息感。
附图说明
图1为本发明的原理图。
图2A为具体实施方式的主剖视图。
图2B为图2A的右视图。
图2C为图2A延A-A向的剖视图。
具体实施方式
以下结合附图2,对本发明做详细介绍。装置支架(103)采用一体化设计,中间分隔为两个腔:清气腔(109)和交换腔(105),作为选择方式之一,两个腔也可采用分体设计,在保证气密性的前提下拼接为一个整体。清气腔(109)与交换腔(105)之间,通过单向阀(104)连通,通过单向阀(104)气体只能从清气腔一侧进入到交换腔一侧。交换腔上还装有单向阀(106),使气体只能从交换腔流出,而不能流入。
本实施例中,清气腔支架部分为圆柱结构,作为可选方式,该部分支架也可以为长方形、球形等形式。支架的侧面开有许多进气孔(102),使得支架在起到支撑滤网(101)作用的同时,提高气体交换效率。清气腔的左端面为开口设计,上面安装弹性元件(108),滤网(101)附在清气腔支架外侧并与弹性元件(101)相接触。优选地,滤网与支架之间可拆卸,以便更换滤网。
工作时,支架装置的交换腔部分通过一定的外力(可由皮筋等弹性体产生)与人脸相贴合,并形成一个小的密封空间,所以优选的,该部分支架采用仿人脸形设计,以保证与人脸贴合时密封性更好,形成的密封空间更小(但应保证两个单向阀与鼻孔之间的互通),有利于呼出气体的排出。密封条(107)在支架与人脸之间,起到密封的作用。
当吸气时,单向阀(104)打开,单向阀(106)闭合,清气腔(109)中的空气通过单向阀(104)进入交换腔(105),进而进入人的呼吸***。为了使吸气更顺畅,在清气腔的左端面上安装了弹性元件(108),由于吸气过程中清气腔产生负压,在外面大气压的作用下,弹性元件以及和其接触的滤网部分将向清气腔内部收缩,使清气腔变小,这部分变形可以减少吸气时吸力,使吸气更顺畅。
当呼气时,单向阀(104)闭合,单向阀(106)打开,使呼出的气体快速、几无保留地排出交换腔。为了确保大部分呼出的气体排出而不滞留在交换腔,交换腔的体积应尽可能小,优选地,以不阻碍吸气通道和吸气通道为宜。
呼气过程中,单向阀(104)是闭合的,吸气过程中在清气腔中产生的负压将使外面的空气继续通过滤网(101)进入清气腔,补充清洁空气,同时清气腔的体积在弹性元件恢复力的作用下恢复。
Claims (6)
1.一种气体交换装置,其特征在于该装置具有两个腔:清气腔(3)和交换腔(8),清气腔由清气腔支架(4)支撑,外部附有滤网(1),空气只能通过滤网(1)经进气孔(2)进入清气腔;清气腔(3)通过单向阀(7)与交换腔(8)连通,清气腔中的气体只能通过单向阀(7)进入交换腔(8),交换腔(8)与面部之间经密封装置(6)形成密闭空间,该密闭空间通过两个单向阀(7,9)分别与清气腔和外部空气之间连通,吸气时单向阀(7)打开,单向阀(9)闭合;呼气时,单向阀(7)闭合,单向阀(9)打开。
2.权利要求1所要求的装置,其特征在于,清气腔(3)的体积比交换腔与面部形成的密闭空间大。
3.权利要求1所要求的装置,其特征在于所述清气腔支架(4)为弹性材料,当吸气时,整个清气腔体积可以适量收缩,当呼气时,随着单向阀(7)闭合,外部空气在负压下进入清气腔,清气腔的体积在弹性力的作用下恢复。
4.权利要求1所要求的装置,其特征在于滤网(1)与清气腔支架(4)之间为活动连接,可进行滤网的更换。
5.权利要求1所要求的装置,其特征在于清气腔支架(4)与交换腔支架(5)为一体设计。
6.如权利要求1所述装置的用途,可用于口罩、防毒面具等气体过滤及交换的场合。
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