一种具有双腔结构的气体过滤及交换装置的制作方法

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。

技术实现要素：

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。

根据本发明，其包括：

一种具有双腔结构的气体过滤及交换装置，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)通过进气单向阀(7)与交换腔(8)连通，清气腔中的气体只能通过进气单向阀(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，吸气时进气单向阀(7)打开，出气单向阀(9)闭合；呼气时，进气单向阀(7)闭合，出气单向阀(9)打开。

进一步，该装置在于，清气腔(3)的体积比交换腔与面部形成的密闭空间大。

进一步，该装置所述清气腔支架(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，随着进气单向阀(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。

进一步，该装置滤网(1)与清气腔支架(4)之间为活动连接，可进行滤网的更换。

进一步，该装置清气腔支架(4)与交换腔支架(5)为一体设计。

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，该密闭空间通过出气单向阀(9)与外面空气相通，在呼气时，出气单向阀(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进气单向阀(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，出气单向阀(9)闭合(防止外面脏空气进入交换腔)，同时进气单向阀(7) 打开，使清气腔中清洁空气进入交换腔，进而进入呼吸系统，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，进气单向阀(7) 迅速闭合(防止浊气进入清气腔)，同时，出气单向阀(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系统，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。由于呼气过程中进气单向阀(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，可以将出气单向阀(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，进而进入呼吸系统，从而提高呼吸系统空气交换的效率。

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，由于在呼气过程中进气单向阀(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，进气单向阀(7)打开，清气腔随着其中气体的减少而收缩；当呼气时，进气单向阀(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，而在本发明中由于进气单向阀(7)的作用合，在呼气时进气单向阀(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2为图3的右视图。

图3为具体实施方式的主剖视图。

图4为图3沿A-A向的剖视图。

具体实施方式

以下结合附图2～图4，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，通过进气单向阀(104)连通，通过进气单向阀 (104)气体只能从清气腔一侧进入到交换腔一侧。交换腔上还装有出气单向阀 (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，进气单向阀(104)打开，出气单向阀(106)闭合，清气腔(109) 中的空气通过进气单向阀(104)进入交换腔(105)，进而进入人的呼吸系统。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，进气单向阀(104)闭合，出气单向阀(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，进气单向阀(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。