具有过滤呼气阀的面具的制作方法

专利名称：具有过滤呼气阀的面具的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具有一与呼气阀配合的过滤元件的面具。过滤元件能够使面具去除呼出气流中的污染物。
背景技术：
将面具戴在人的呼吸通道上是为了两个目的(1)防止污染物进入佩戴者的呼吸道；以及(2)保护其他人或物，避免他们暴露于面具佩戴者排出的病原体和其它污染物。在第一种情况，面具用在空气含有对佩戴者不利的物质的环境中，例如在汽车车身车间。在第二种情况，面具用在有可能传染疾病或污染其他人或物的环境中，例如在手术室或无尘室。
保护佩戴者的面具一般称为“呼吸器”，而做成在第二种情况下用的，即保护其他人和物的面具一般称为“面具”或“面罩”。
外科面罩是不能被认为是呼吸器的面具的一个很好的例子。外科面罩是宽松的面具，主要是用于保护其他人免遭佩戴者排出的污染物的污染。从佩戴者的嘴部排出的物质往往是含有细的固体或液体颗粒悬浮物的气体。外科面罩能过滤这些颗粒。授予Mayhew的美国专利3,613,678公开了宽松外科面罩的一个例子。
不密封住面部的面罩，诸如一些已知的外科面罩，通常不具有净化从面罩内排出的空气的呼气阀。这些面罩有时宽松地佩戴上，使呼出的空气能容易地从面罩侧面逸散出去，从而使佩戴者不会感到不舒服，尤其在呼吸急促的时候。但是，由于这些面罩是宽松地佩戴上的，它们不能完全保护佩戴者免于吸入污染物或流体飞溅物。鉴于在医院中存在种种污染物以及流体中存在着许多病原体，宽松佩戴这一特征是这些外科面罩的一个显著的缺陷。此外，不密封住面部的面罩能让呼出的气息从面罩的边缘逸出，称为“漏气”，这种面罩没有使用设置于面罩体上的呼气阀的优点或好处。
有些面具也设计成可以在佩戴者面部与面罩之间有一种比较紧、比较密封的配合。一些紧密配合的面罩有一无小孔的橡胶面块，它支承可取下地或永久性地连着的过滤芯子(filter cartridges)。面块还具有一呼气阀，以净化面罩内部的温暖的、湿润的、高CO2含量的呼出空气。具有这种构造的面罩一般被描述为呼吸器。授予Burns和Reischel的美国专利5,062,421公开了这样一种面罩的例子。市场上可买到的产品包括由明尼苏打州圣保罗的3M公司出售的5000和6000SeriesTM。
有的紧密配合的面具有做成适合于过滤吸入空气的多孔面罩体。通常，这些面罩也被称为呼吸器，并通常具有呼气阀，当佩戴者呼气时，这个阀能在内部空气压力增加的情况下打开，例如见授予Japuntich的美国专利4,827,924。
具有呼气阀的过滤面具的其它例子见授予Japuntich等人的美国专利5,509,436和5,325,892、授予Vicenzi的美国专利4,537,189，授予Rraun的美国专利4,934,362以及授予Scholey的美国专利5,505,197。
通常，呼气阀由一阀盖所保护，例如见美国专利Des.347,299和Des.347,298，这种覆盖件或阀盖能保护阀免遭例如因偶然的冲击而引起的损坏。
具有呼气阀的已知的紧密配合的面罩能防止佩戴者直接吸入有害颗粒，但当面罩要保护其他人或物避免暴露于佩戴者排出的污染物中时，它们就具有局限性。当佩戴者呼气时，呼气阀就打开而通向周围的环境空气中，这种暂时的打开提供了一从佩戴者的嘴部和鼻子到面罩外面的导管。这种暂时打开能够使佩戴者产生的含颗粒的气体从面罩内部经面罩到面罩外面。反过来，诸如飞溅流体的抛射物就有可能通过暂时打开而从面罩外部通到其内部。
在许多应用中，尤其是在手术室和无尘室，呼气阀暂时打开的畅通导管就有可能导致感染病人或污染精密部件。手术室护士协会建议，对于留住排出的能存活的颗粒，面罩应具有95％的有效性。对此，可参见“对手术室佩戴面具的建议”一文，刊载于AORN杂志．，v.33/n.l/第100-104,101页(1981年1月)，也可参见D.Vesley等人的外科面罩对于活性和总的颗粒留住效率的临床含义一文，载于外科感染，第531-536,533页(1983年7月)。因此，采用呼气阀的面具目前不推荐用于这种环境中。例如见防止保健设施中结核丝杆菌传播指南一文，载于美国健康与人类服务部门，发病率和死亡率每周报告，v.43/n.RR-13/第34和98页(1994年19月28日)。
已经制造出来一些能够保护佩戴者和其附近的人或物免遭污染的面具，其中可从市场上获得的产品包括由3M公司出售的1800TM,1812TM,1838TM,1860TM和8210TM牌号的面罩。授予Kroner等人的美国专利5,307,706、授予Dyrud的4,807,619和授予Berg的4,536,440公开了这类面罩的其它例子。这些面罩相当紧密地配合，以防止气体和液体污染物在面罩的周围进出面罩的内部，但这些面罩一般都没有能从面罩的内部快速净化呼出空气的呼气阀。因此，尽管面罩排除了吸入和呼出气流中的污染物并避免了流体飞溅，但面罩通常不能使佩戴者有最大程度的舒适感。
授予White的美国专利5,117,821公开了能去除呼出气体中的气味的面罩的一个例子。这种面罩用于打猎，防止被搜索的动物发觉打猎者。这种面罩有一能将周围环境空气抽吸到面罩内部的吸入阀，它具有一支承在佩戴者躯体上的接受呼出气体的净化罐。一长管将呼出空气引入一较远的净化罐。该装置具有设置在净化罐端部的呼气阀，以控制净化气息到大气的通道，并阻止净化罐的气息回吸。净化罐可含有木炭颗粒，以去除气息中的气味。
尽管打猎面罩防止呼出的有机水汽传送到周围的空气中(从而为打猎者造成了不利条件)，但面罩没有做成能向佩戴者提供一清洁的空气源。它也没有装置吸入过滤器，而且使用时很累赘，因而不能用于其它场合中。
本发明概要鉴于上述情况，现在需要可以防止污染从佩戴者流到周围空气中以及可以防止飞溅液体进入面罩内部，同时可将热的、潮湿的、高CO2含量的空气迅速从面罩内部清除出去的过滤面罩。
本发明提供了这样一种面罩，简单地说，它包括(a)一面罩体；(b)一设置在面罩体上的呼气阀，此呼气阀至少有一个可以在呼气时让呼出空气从内部空间流到外部空间的孔；(c)一呼气过滤元件，它设置在过滤面罩上，并且在呼气气流中以防止污染随着呼出空气一起从内部空间流到外部空间。
本发明的面罩与已有技术的具有呼气阀的面罩不同之处在于，本发明首次地包括一呼气过滤元件，它可以防止呼气流中的污染从面罩的内部空间流到外部空间。这一特征可以使本发明的面罩特别适用于外科手术或用于无尘室，本发明的这种面罩过去从未在那里使用过。此外，不同于某些已有技术的面罩之处在于，本发明的面罩可以紧密配合的方式佩戴的面罩，它提供佩戴者以良好的保护，即保护不受空气中的污染物及飞溅液体的侵袭。由一发明的面罩具有一呼气阀，它可通过将热的、潮湿的、高CO2含量的空气迅速从面罩内部清除而为佩戴者提高舒适感。因此本发明是通过降低面罩内的温度，潮湿、CO2而增加佩戴者的舒适感的。与此同时，又能保护佩戴者及防止颗粒及其他污染物流入周围空气中。
作为本发明的这些以及其他优点和特征在下面将结合附图作详细的描述。
术语表本发明所引用的术语定义如下“含悬浮颗粒气体”指含有悬浮的固体和/或液体颗粒的气体；“洁净空气”指已被过滤掉污染物或者能安全呼吸的空气或氧气；“污染物”指不是通常意义上的颗粒和/或其他物质(例如有机水汽等等)但悬浮在空气中，包括在呼出气流中的空气；“呼气阀”指用在过滤面具上的、响应呼出气体的压力而打开，并在佩戴者吸气和呼吸之间保持关闭的阀；“呼出空气”指过滤面具佩戴者呼出的空气；“呼气过滤元件”指一种呼出空气能够通过的多孔结构，这种结构能够去除呼出气流中的污染物；“呼出气流”指通过呼气阀孔的气流；“外部气体空间”指呼出气体通过呼气阀之后所进入的周围环境空间；“过滤面具”指至少覆盖佩戴者的鼻子和嘴巴并能向佩戴者提供洁净空气的面罩；“吸气过滤元件”指吸入空气在被佩戴者吸入之前所经过的多孔结构，从而去除其中的污染物和/或颗粒；“内部气体空间”指洁净空气在被佩戴者吸入之前进入的和呼出空气在经过呼气阀小孔之前进入的空间；“面罩体”指至少能佩戴在人的鼻部和嘴部上的并能限定一与外部气体空间分开的内部气体空间的结构；“颗粒”指能够悬浮在空气中的任何液体和/或固体物质，例如病原体、细菌、病毒、粘液、唾液、血液等等；“多孔结构”指一定体积的实心材料和一定体积的空隙的混合体，构成气体能够通过的、有间隙而迂回曲折通道的三维系统。
附图简要说明请参阅附图，在所有视图中，相同的标号表示相同或相对应的结构

图1是装有呼气阀22的过滤面具20的立体图；图2是呼气阀22的剖面侧视图，它示出了本发明一呼气过滤元件31的第一实施例；图3是与阀22配合使用的一阀座30的正视图；图4是呼气阀22的剖面侧视图，它示出了本发明一呼气过滤元件32的第二实施例；图5是呼气阀22的剖面侧视图，它示出了本发明一呼气过滤元件33的第三实施例；图6是呼气阀22的剖面侧视图，它示出了本发明一呼气过滤元件34的第三实施例；图7是一类似于图1中所示的面罩20的一面罩20’的剖面侧视图，它示出了本发明呼气过滤元件35的第五实施例；图8是一类似于图1中所示的面罩20的一面罩20"的剖面侧视图，它示出了本发明呼气过滤元件36的第六实施例；图9是一类似于图1中所示的面罩20的一面罩20’"的剖面侧视图，它示出了本发明呼气过滤元件37的第七实施例；图10是一具有本发明的呼气过滤元件38的呼气阀22的剖面侧视图；图11是一具有本发明的可拆下的呼气过滤元件39的呼气阀22的剖面侧视图；图12是一具有本发明的呼气过滤元件40的过滤面具60的正视图；图13是一全面部过滤面罩70的正视图，它示出了一本发明的呼气过滤元件41；以及图14是一示意图，它示出了当进行阀流百分比测试时通过的气流。
较佳实施例的详细说明本发明可用于多种过滤面具，这些面具包括覆盖佩戴者的鼻部和嘴部的半面罩；覆盖佩戴者鼻部、嘴部和眼睛的全面呼吸器；向佩戴者提供洁净空气的全身套服和兜帽；用动力提供空气的面罩；独立的呼吸器；以及配有呼气阀的任何其它过滤面具。本发明尤其适用于具有一用作过滤器的多孔面罩体的过滤面具。
在本发明的多种实施例中，呼气过滤元件有的放置在面罩内部中呼气阀小孔的上游，使含在气息中的颗粒在经过呼气阀之前先被收集。在另一实施例中，呼气过滤元件设置在面罩体与呼气阀的开孔之间。在其它的实施例中，呼气过滤元件可设置在呼气阀的下游，使经过呼气阀的空气随后通过呼气过滤元件。另外的一些实施例包括不仅覆盖阀壳体、还覆盖面罩体大部分甚至面罩体整个外面的呼气过滤元件，以提供面积扩大的过滤表面从而降低呼气过滤元件呼气阻力或压降。本发明还包括面罩覆盖件织物或定形层用作呼气过滤元件或阀覆盖件本身是呼气过滤元件的一些实施例。
在图1中，所示的面罩20具有一位于面罩体24中心的呼气阀22。面罩体24构造成当它贴紧地佩戴在人的鼻部和嘴部上时基本上呈杯子的形状。面罩20的周边21，面罩与佩戴者面部的接触是基本上没有泄漏的。当面罩被戴上时，面罩体24的周边21，通过在佩戴者头部和颈部后面延伸的带子26而被紧扣在佩戴者的面部上。面罩20在面罩体24与佩戴者面部之间形成一内部气体空间。内部气体空间通过面罩体24和呼气阀22而与周围环境空气或外部气体空间隔开。面罩体可有一安装在面罩体24里面(或外面或层之间)鼻部与面相遇处的舒适的鼻夹25(见图7-9)，以在鼻部上提供紧贴的配合。Bostock等人的美国专利申请08/612,527和Henderson等人的美国外观专利申请29/059,264、Bryant等人的29/059,265以及Currant等人的29/062,787描述了具有图1所示结构的面罩。本发明的面罩可以具有许多其它的构造，诸如在授予Dyrud等人的美国专利4,807,619中所描述的平的面罩和杯形面罩。鼻夹具有授予Castiglione的美国专利5,558,089的构造。面罩还可以具有指示其周边紧密配合程度的热致变色封条，使佩戴者能容易地确定是否佩带形成恰当的配合，对此，请参见授予Springett等人的美国专利5,617,849。
当佩戴者因面罩内的压力增加而呼气时，设置在面罩体24上的呼气阀22就打开，而在呼吸之间以及吸气期间应保持关闭。当一佩戴者吸气时，空气经过滤材料被吸入，过滤材料可包括纤维性的非织造过滤材料27(图2,4-9和12-13)。如图1中所示的呼吸器20，即负压半面罩呼吸器的过滤材料往往包括一种带电荷的熔喷法非织造微纤维(BMF)的凌乱织物。BMF纤维的平均纤维直径一般约为10微米(μm)或更小。当纤维在织物中随机凌乱设置时，它们具有像垫子那样的完整性或整体性。授予Baumann等人的美国专利5,706,804、授予Peterson的美国专利4,419,993、授予Mayhew的新版本专利Re28,102、授予Jones等人的美国专利5,472,481和5,411,576和Rousseau等人的美国专利申请08/514,866公开了可用作面罩体中的过滤器的纤维状材料的例子。纤维状材料可包括添加剂，以增加过滤性能，诸如公开在授予Crater等人的美国专利5,025,052和5,099,026中的添加剂，也可有较低程度的可抽出的碳氢化合物，以提高性能，例如见Rousseau等人的美国专利申请08/941,945。纤维状织物也可制成具有增强的抗油雾性能，如授予Reed等人的美国专利4,874,399和Rousseau等人的美国专利申请08/941,270和08/941,846中所示的。可用例如在授予Angadjivand等人的美国专利5,496,507、授予Kubik等人的美国专利4,215,682和授予Nakao的美国专利4,592,815中所描述的技术使非织造BMF纤维状织物带有电荷。
图2示出了安装在面罩体24上的呼气阀22的横截面。面罩体24用作一一吸气过滤元件，并包括过滤层27、一外覆盖织物29和一内覆盖织物29’。吸气过滤元件与面罩体24是一体的。即，它形成面罩体的一部分，而不是随后再装到面罩体的一部分。外和内覆盖织物29和29’保护过滤层27不受到磨擦力的损坏及使它不会留住可能从过滤层27中松脱下来的任何纤维。覆盖织物29、29’也可以具有过滤能力，尽管它的性能一般不可能像过滤层27那样好。覆盖织物可由含有聚烯烃和聚酯(见例如美国专利4,807,619和4,536,440和1997年6月24日申请的美国专利申请08/881,348)的非织造纤维状材料制成。呼气阀22包括一阀座30和一柔性阀瓣42。当柔性瓣闭合时，柔性阀瓣42靠在一密封表面43上，但在呼气过程中达到一足够大的压力时，其自由端44从表面43升起，从侧面看，阀的密封表面43的横截面通常是弯曲成凹形截面的。
图3用正视图示出了阀座30。阀座30有一径向朝内向密封表面43设置的小孔45。该孔45具有能稳定密封表面43并最终稳定阀22的十字形件47(图2)。十字形件47还可防止阀瓣42(图2)在吸气过程中倒过来进入孔45中。柔性阀瓣42的固定部分48(图2)在阀瓣保持表面49上固定于阀座30。图中所示的阀瓣保持表面49设置在被孔包围的区域的外面，并具有帮助将阀瓣安装在表面上的若干销51。可用声波焊接、粘结剂、机械夹紧和类似方法将柔性阀瓣42(图2)固定于表面49。阀座30还有在其基部从阀座30横向延伸的凸缘46，以提供一使呼气阀22(图2)可固定于面罩体24的表面。授予Japuntich等人的美国专利5,509,436和5,325,892较详细地描述了图2和3所示的阀22。与上述两个专利所描述的阀的不同之处在于，图2中所示的阀22具有一设置在呼出气流中的呼气过滤元件31。
图2中所示的呼气过滤元件31设置在面罩体24的过滤材料与呼气阀22基部46之间。因此，呼气过滤元件31位于在面罩体24的开口52的下游。佩戴者呼出的空气进入面罩的内部气体空间，图2中的该空间位于面罩体24的左侧。呼出的空气通过面罩体24的孔52而离开内部气体空间。开口52的周围是阀22的基部46。呼出空气在经过阀孔45之前先通过呼气过滤元件31。呼气过滤元件31去除呼出气流中的污染物，例如在佩戴者呼出气体中的悬浮颗粒。随后，呼出空气通过呼气过滤元件31之后，在柔性阀瓣的自由端44响应佩戴者呼出空气所产生的压力而从密封表面43升起时排出阀孔45。全部的呼出空气都应该经过面罩体的过滤材料27或经过呼气过滤元件31。在理想状况下，不允许呼出空气不经过滤就流出内部气体空间，除非它偶然地例如通过其周边21(图1)从面罩中漏出。
随后，经阀孔45离开内部气体空间的呼出空气通过阀覆盖件54中的若干出口53进入外部气体空间。阀覆盖件54在阀座30的外面延伸，并包括在阀覆盖件54的侧面和顶部的若干出口53。授予Bryant等人的美国专利Des347,299示出了具有这种结构的一阀覆盖件。也可采用其它呼气阀和阀覆盖件的结构(另一种阀覆盖件可参见授予Japuntich等人的美国专利Des347,298)。
经过呼气过滤元件的阻力或压降最好小于经过面罩体的吸气过滤元件的阻力或压降。由于呼出空气沿阻力最小的路径流动，所以使用一压降比面罩体小的呼气过滤元件是很重要的，最好小于面罩体中的过滤媒质的压降，使大部分的呼气空气经过呼气过滤媒质，而不是经过面罩体的过滤媒质。为此，包括呼气过滤元件在内的呼气阀应具有小于面罩体过滤媒质的压降的压降。这样，大部分或基本上全部呼出空气从面罩体内部经呼气阀和呼气过滤元件流出。如果呼气过滤元件的气流阻力太大，使得空气不容易从面罩内部排出，那么面罩内的水汽和二氧化碳就要增加，从而使佩戴者感觉不舒服。
图4示出了设置在另一位置的呼气过滤元件32。在该实施例中，呼气过滤元件32位于面罩体24的里面，在过滤媒质的开口52的上游。与前面的实施例一样，呼出空气在排出孔45时使柔性阀瓣42升起，然后呼出空气流出阀覆盖件54中的诸出口53。呼出空气在经过过滤媒质开口52和阀孔45之前先通过呼气过滤元件32。与其它实施例一样，呼气过滤元件32可通过例如机械紧固(例如扣合或摩擦配合)、超声波焊接或使用粘结剂固定于面罩的这个部位。
图5示出了一呼气过滤元件33在呼气阀22的阀覆盖件54之上和周围延伸。呼气过滤元件44最好绷紧靠在阀覆盖件的外面，并保持在面罩体24、阀座30和阀覆盖件54之间。当呼气过滤元件33位于该部位时，呼出空气就在经过阀覆盖件54中的出口53之后通过呼气过滤元件33。诸如具有这种结构的实施例的优点在于呼气过滤元件33放置在阀孔45和阀瓣42的下游，使呼出气流没有阻碍地冲击阀瓣42。即，呼气过滤元件放置在下游可避免呼出气流的动量或冲力的下降，这种下降会影响阀打开的性能。呼气过滤元件放置在下游的优点还在于能为阀提供较好的预防性掩护，收集因阀瓣42和阀座30之间的凝固的弯月面的破裂而产生的颗粒。
图6示出一位于阀覆盖件54里面的呼气过滤元件34。呼气过滤元件34保持在阀座30与面罩体24之间和阀座30与阀覆盖件54之间。这样，呼出的空气在经过阀覆盖件54的出口53之前但在经过阀孔45之后经过呼气过滤元件34。在该实施例中设置在下游位置的呼气过滤元件34同样具有和结合图5所述的相同的优点。
图7也示出了位于阀瓣42下游的呼气过滤元件。该呼气过滤元件35的表面区域比其它实施例的为大。呼气过滤元件35延伸在整个呼气阀22和面罩体24的外面。因为呼气过滤元件35的表面面积略大于面罩体24(或在面罩体24中过滤媒质27)的表面面积，所以在呼气过滤元件35中的压降比面罩体24(使用相同的过滤媒质时)为低，因此，呼出的空气很容易从内部气体空间经面罩体24中的开口52和呼气阀孔45流到外部气体空间。用在面罩体中的过滤媒质27一般是颗粒渗透率极低的高性能媒质(见上述所引用的有关BMF过滤媒质、带电荷和纤维添加剂的讨论、专利和专利申请)。颗粒渗透性一般要足以满足42C.F.R．第84部分所述的NIOSH要求。颗粒渗透性和压降是成反比的(较低的渗透性一般带来较高的压降)。由于与面罩体24相比元件35具有较低的压降，所以图7所述的实施例的优点在于，呼气过滤元件35中使用的过滤媒质可以是与面罩体中一样的高性能媒质。
在图8中，呼气过滤元件36也设置在阀覆盖件54中的诸出口53的下游。但与图7所示实施例不同，呼气过滤元件36的表面面积小于面罩体24的表面面积。呼气过滤元件36固定于面罩体24的，面罩体的中心面板55与顶部面板56和下部面板57的相遇处。尽管面罩体呼气过滤元件36没有覆盖大于面罩体24的表面面积，但是与其它实施例相比它是一个大的表面面积。因此，呼气过滤元件36不一定要具有过滤媒质27所具有的渗透性和压降值，但尽管如此，它可以是一种具有低颗粒渗透性的、能很好进行过滤的过滤媒质。如果内外覆盖片29和29’显著地增加面罩体24的总压降，那么呼气过滤元件36就可以是一种象面罩体24中所用的过滤媒质27一样能很好工作的过滤媒质。
在图9中呼气过滤元件37是外覆盖织物29。该实施例的优点在于，它的制造相当容易。制造时可先在面罩体24的其它层27、29’上冲出通孔，随后加上外覆盖织物29。该实施例的好处是制造能在一连续的加工线上进行。或者，将内覆盖织物29’作为呼气过滤元件，外覆盖片29中可设置一个通孔。或者两层29、29’都作为呼气过滤元件。
在图10中，呼气阀22将呼气过滤元件作为过滤覆盖件38，此过滤覆盖件38是由具有足够刚度以及能提供过滤能力的多孔结构的烧结塑料或其它材料构成。能用于生产烧结阀覆盖件的材料的例子包括VYLON HP(1毫米粒度)、VYLON HP(2毫米粒度)、VYLON TT1/119和VYLON HP(2.5毫米粒度)，这些材料都是可从英国Wrexham,Clwyd,Wales的Porvair技术股份有限公司购买的聚丙烯基材料制成。烧结或多孔阀覆盖件可用颗粒生产的片材制成。这种片材材料可先被切割成小片然后组装成阀覆盖件。或者，可将颗粒在一合适的工具上加热和压制成覆盖件。阀覆盖件38没有象图2、5-9和11中所示的阀覆盖件50一样的出口53。而是使流过阀24的空气通过过滤阀覆盖件38的多孔结构。使用这种整体的结构时，就不需要独立于阀覆盖件的呼气过滤元件。
图11示出了具有一可取下和可更换的呼气过滤元件39的呼气阀22。用传统的或其它紧固装置可将可取下的过滤元件39延伸和扣合在阀覆盖件54上。可将不能渗透的一层(未示出)设置在阀覆盖件54与面罩体24之间，以防止呼出的水汽的再进入。可取下的过滤元件39可构造成能扣合于阀覆盖件54上并形成紧密密封，或以其它的已有技术中的方式进行装接，例如压敏或可改变位置的粘结剂粘接。可取下过滤元件39可具有多孔结构，诸如热粘合非织造纤维织物，或由上述的烧结或多孔材料制成。该实施例允许在面罩的使用寿命终止之前更换呼气过滤元件。
图12示出了总的用60表示的杯形面具的第二实施例。面具60包括若干带子62，它们连接于面罩体64并围绕佩戴者头部和颈部的后面延伸，以将面罩系在面部上。面罩体64用作一吸气过滤元件并可由上述的含纤维的过滤材料制成，也可包括内和/或外覆盖织物层，例如可参见授予Kronzer等人的美国专利5,307,796、授予Dyrud的美国专利4,807,619以及授予Berg的美国专利4,536,440。与图1-7中所示的实施例相类似，面具60可包括类似于其它实施例的阀的呼气阀。可采用一覆盖阀覆盖件(未示出)外面的呼气过滤元件40，以防止污染物进入外部气体空间。呼气过滤元件可如上述图5所示那样装接。呼气过滤元件也可如上述结合其它附图描述的那样定位。面具也可构造成杯形而不是像图12和上述附图中所示的那些实施例那样。面罩例如可具有授予Japuntich的美国专利4,827,924中所描述的结构。
图13示出了一包括一面罩体72的全面部呼吸器70，它一般包括一非多孔塑料和/或橡胶面部密封件73和一透明护罩74。面罩体72构造成能覆盖佩戴者的眼睛、鼻部和嘴部并在佩戴者的面部上形成密封。面罩体72包括诸吸气口76，它们被构造成能接受可取下的过滤芯子(未示出)，诸如1993年4月1日出版的3M公司的健康与环境安全小册子70-0701-5436-7(535)BE中所描述的那样。诸吸气口76应该包括一能使空气流入面罩的单向吸气阀。过滤芯子过滤在通过吸气口76之前被吸入面罩的空气。面罩70包括在佩戴者头部的顶部或佩戴者头部和颈部的后面延伸的带子或绳子(未示出)，以将面罩70固定于佩戴者的面部上。Reischel等人的美国专利申请08/727,340,授予Grannis等人的美国专利Des388,872和授予Reischel等人的Des378,610中也示出和描述了这种构造的面具。
面罩体72包括一基本在面罩70下部的中心的呼气阀78。呼气阀78可包括一圆形的阀瓣类的隔膜(未示出)，在其中心用一穿过阀瓣中心的孔延伸的倒钩(barb)保持住。例如在美国专利5,062,421中描述了这种呼气阀。本发明也包括一置于阀壳体外部上的呼气过滤元件41。呼气过滤元件41可置于沿呼出气流的和靠近呼气阀的类似于其它附图中所示位置的其它位置中。呼气过滤元件41可做成可拆下和可更换的。呼气过滤元件最好是这样的，它在呼出气流中的位置可使得呼气过滤元件处在阻力最少的路径中，使呼气过滤元件基本上不会阻碍气流通过呼气阀。
在所示的所有的实施例中，在正常情况下，基本上所有的呼出空气都通过面罩体或呼气过滤元件31-41。尽管空气可能在不同的呼出气流位置处接触呼气过滤元件，但不管位于什么地方，呼气过滤元件都能将污染物从呼出气流中排除掉，在一定程度上达到保护其他人或物的目的，而同时，提高了佩戴者的舒适感，并使佩戴者戴上紧配合的面罩。呼气过滤元件不一定要去除呼出气流中的全部污染物，但当按下述的细菌过滤效率测试进行测试时较好的能去除至少95％，更好些至少是97％，最好至少是99％。
为了使佩戴者在戴上本发明的面罩时具有舒适的感觉，面罩最好能够使进入内部气体空间的至少50％的空气通过呼气过滤元件。更好的是，呼出空气的至少75％、最好的是至少90％能通过呼气过滤元件，而不是通过过滤媒质或可能在面罩周边逸出。当呼吸器中使用授予Japuntich的美国专利5,509,436和5,325,892中描述的阀且呼气过滤元件的压降低于面罩体中的压降时，100％以上的空气能够通过呼气过滤元件。如Japuntich等人的专利中所述，当空气在通过阀的呼出空气的百分比测试(下文描述)中以至少8米/秒的速度流入过滤面具时就会出现这种现象。由于100％以上的呼出空气经阀流出，就有一净空气流入量经过过滤媒质流入。经过滤媒质进入内部气体空间的空气不太湿润，也不太冷，因此，使佩戴者的舒适感提高了。
覆盖面罩体较大部分的过滤器的呼气过滤元件的实施例具有增加的表面面积，使通过呼气过滤元件的阻力有效下降。呼出气流的阻力降低提高了通过呼气阀而不是通过面罩体的呼出空气的百分率。用于面罩体和呼气阀过滤器的不同材料和尺寸可以形成不同的流动方式和压降。
业已发现有许多种可从市场上获得的过滤媒质、诸如上述的熔喷法非织造微纤维的织物或纺粘型非织造含纤维媒质可适用于呼气过滤元件的过滤媒质。一较佳的呼气过滤元件包括一种聚丙烯纺粘型非织造织物。可从Waynesboro,Virginia的PolyBond有限公司获得这样一种织物，产品号是87244。呼气过滤元件也可以是一种有孔泡沫(open cell foam)。此外，如果面罩使用若干定形层，以为过滤媒质(例如见授予Kronzer的美国专利5,307,796和授予Dyrud的美国专利4,807,619以及授予Berg的美国专利4,536,440)提供支承，定形层(也称为模制的面罩外壳材料)可用作呼气过滤元件。或者，呼气过滤元件可由一般用于形成定形层的那些材料制成。这种材料一般包括具有使纤维在其交叉点彼此粘合的粘合成分的纤维。这种热粘合纤维一般呈单丝或双组份形式。定形层的非织造含纤维构造使它具有过滤能力，尽管其能力一般不如过滤层那么强，这样使得定形层能筛出诸如佩戴者的唾液的较大颗粒。由于这些含纤维织物由热粘合纤维制成，它能将织物模制成三维结构形式，以例如阀覆盖件的形式配合在呼气阀上。总的来讲，能够过滤污染物的任何多孔结构都能用作本发明的呼气过滤元件。
为了降低通过呼气过滤元件的压降，可构造成表面面积扩展的形式。例如，可以形成波纹或打褶，或是制成可取下地连接的薄煎饼形的过滤器。
呼气过滤元件最好含有氟化物的添加剂，以较好地保护面罩免遭飞溅流体的侵害。授予Crater等人的美国专利5,025,052和5,099,026、授予Baumann等人的美国专利5,706,804以及Klun等人于1997年7月28日申请的美国专利申请08/901,363中都描述了可用于这种用途的氟化物添加剂。氟化物添加剂可混合到存在于呼气过滤元件的多孔结构中的实心固体材料中，和/或施加于多孔结构的表面。当多孔结构含纤维时，氟化物添加剂最好至少混合进呼气过滤元件中的部分纤维或全部纤维中。
可用于呼气过滤元件以抑制液体通过它的氟化物添加剂可包括例如氟化合物恶唑烷酮类(fluorochemical oxazolidinones)、氟化合物哌嗪(fluorochemical piperazines)、含氟代脂肪族自由基化合物(fluoroaliphatic radicl-containing compounds)、氟化合物脂(fluorochemicalester)及其组合物。较佳氟化合物添加剂包括诸如C8F17SO2N(CH3)CH2CH(CH2Cl)OH(见Crater等人的专利的例子1)和氟化合物二聚酸酯(fluorochemical dimer acid ester)(见Klun等人专利申请的例子1)的氟化合物恶唑烷酮类。一种较佳的可从市场上可获得的氟化合物添加剂是明尼苏达州圣保罗的3M公司的商标为FX-1801 ScotchbanTM的保护剂。
除了上述的氟化合物添加剂之外，也可采用其它材料来阻止诸如蜡或硅氧烷的液体渗透。基本上不以显著增加通过呼气过滤元件的压降为代价就能阻止液体渗透的任何产品都可用于本发明。最好添加剂是可以熔化加工的，从而可将它直接用于呼气过滤元件的多孔结构中。添加剂最好对水状流体具有排斥性，从而提高拒油性和拒水性，或是表面能量减少剂。
呼气过滤元件不仅可用于去除污染物和阻止液体渗透，还可用于去除不想要的水汽。因此，呼气过滤元件可具有去除这种污染物的吸附作用。呼气过滤元件可用诸如由聚合体微粒粘合在一起的活性碳制成，以形成一种也可包括上述的具有水气去除特性以及满意的微粒过滤能力的非机织微粒过滤器的过滤元件。授予Braun等人的美国专利5,656,368和5,033,465以及授予Senkus等人的美国专利5,696,199中公开了粘合微粒过滤器的一个例子。授予Braun和Steffen的美国专利5,763,078中公开了将气体和颗粒过滤能力组合在一起的过滤元件的一个例子。呼气过滤元件也可构造成由例如具有诸如授予Braun的美国专利3,971,373中描述的活性颗粒的熔喷法非织造微纤维制成的非机织织物。活性颗粒也可经过局部处理而去除水汽，例如见授予Abler的美国专利5,496,785和5,344,626。
业已发现，具有本发明呼气过滤元件的面具在诸如流体阻力、过滤效率和佩戴者的舒适感方面的特性可以满足或超过工业标准。在医学领域中，一般用面罩去除颗粒，即去除由佩戴者排出的细菌的细菌过滤效率(BFE)来评价面罩。BFE测试是测试从面罩内部逸出的颗粒的百分率。国防部规定的和在MIL-M-36954C军用规格中公布的测试对象有三个，即对面罩、外科用的、一次性的制品的BFE的测试(1975年6月12日)。作为最低的工业标准，外科制品在这些测试中应具有至少95％的效率。
从100％中减去渗透百分数得出BFE。渗透百分数则是面罩下游的颗粒数与面罩上游的颗粒数之比。使用聚丙烯BMF带电荷的织物和具有本发明呼气过滤元件的过滤面具可超过最低工业标准，其效率甚至大于97％。
面具也应满足合成血液在5磅/英寸2(psi)压力下五次加到面罩中的流体阻力。如果合成血液没有通过面罩，那它就通过测试，如果测试到任何合成血液，那就不及格。当本发明呼气过滤元件放置在阀的外面或周围环境空气侧以及在呼气阀里面或面部侧时，具有本发明呼气阀和呼气过滤元件的面罩能够通过这种测试。因此，本发明的过滤面具在使用时具有良好的保护性而能抵御飞溅流体。
当呼出空气通过呼气阀而不是面罩体或面罩周边自由流出的百分比越大，佩戴者越感舒适。对本发明进行了测试，这些测试是在压缩气流直接进入面罩的内部气体空间同时测量面罩体的压降的情况下进行的。尽管测试结果随用于吸气过滤元件的过滤材料而变化，也随本发明的呼气过滤元件的放置位置和类型变化，但业已发现，如果使用可从市场上获得的聚丙烯纺粘织物材料(来自维吉尼亚Waynesboro的PolyBond公司的87244)，流速在约79公升/分时，95％以上的空气通过阀离开内部气体空间，而只有5％以下的空气通过面罩体中的过滤材料离开。
实例具有呼气过滤元件的面罩是按如下方式制备的所用的呼气阀是在授予Japuntich等人的美国专利5,325,892中描述的呼气阀，并可从3M公司购得(3M Cool FlowTM呼气阀)。在3M的牌号为1860TM呼吸器的中心加工出一个直径为2厘米的孔以容纳呼气阀。用来自Branson(Danbury,Connecticut)的声波焊接机将阀安装到呼吸器上。也使用了已经具有一阀的3M的牌号为8511TM的面具呼吸器。可用多种方法将过滤元件安装到阀上。在一个实施例中，过滤元件焊接在图2所示的阀座与面罩体之间，在另一个实施例中，呼气过滤元件放置在阀覆盖件上，并切割成大小可以超出阀所有侧面约半英寸。然后用来自Branson(Danbury,Connecticut)的声波焊接机用超声波将呼气过滤元件焊接到阀覆盖件的外唇缘上，如图5所示。也可用粘结剂以这样一种方式连接于呼气过滤元件。在另一个实施例中，呼气过滤元件放置在阀座上和阀覆盖件之下，如图6所示。然后，将延伸超过阀座的织物材料折塞到阀座的下面，而被包裹的阀置于面罩体的开口上。然后用超声波将呼吸器、过滤织物和阀焊接在一起成组件。从面罩的里面切割掉多余的过滤织物，让阀孔畅通，过滤织物覆盖阀并密封阀的周边。在另一个实施例中，用声波焊接或粘结剂将呼气过滤元件连接于过滤面罩的外边缘，使过滤元件能够基本上覆盖整个面罩的外面，包括呼气阀，如图7所示。
细菌过滤效率测试根据国防部标准MIL-M-36954C的军用规格略作改变对上述的面具进行细菌效率测试，所述方法载于“环境科学杂志”中第33-40页(1998年11月/12月)由小William H.Friedrichs所描述的面罩、外科、一次性面罩(1975年6月12日)4.4.1.1.2测试方法Ⅱ。
表1中所列的面具密封在一气密腔室中、用真空吸尘器通过一高效率微粒空气(HEPA)过滤器将空气抽入腔室中，然后通过呼吸器从内部气体空间到外部气体空间，以28.3公升/分的恒定流速模拟呼气的恒定状态。这使得阀保持打开。用一喷雾器(从明尼苏达州圣保罗的3M公司的职业健康和环境安全部购得，零件号为FT-13)在呼吸器内侧或面侧产生一聚苯乙烯乳胶(PSL)微珠体(来自加利福尼亚Palo Alto的Duke Scientific公司)的喷雾气体，微珠体的尺寸与喷雾空气动力学直径在2.92微米的金黄色葡萄状球菌(Staphylococcus aureus)所产生的气体中的颗粒尺寸相类似。对喷雾气体没有进行电的中性化。以每秒钟挤压一次的速度挤压喷雾器来产生喷雾气体，并用一空气动力学的颗粒筛选器(明尼苏达州圣保罗的TSI公司的APS 3310)在内部气体空间的上游、然后在外部气体空间的下游采样。用在阀下游的颗粒浓度除以在阀上游的颗粒浓度再乘以100来得出渗透百分比。只有在2.74-3.16微米范围内的颗粒浓度被用于计算渗透率。用100减去渗透率来计算BFE。业已发现，在体外进行的这种方法比诸如Donald Vesley,Ann C.Langhotz和James L.Lauer在“外科中的感染”第531-536(1983年7月)中所描述的经修改的Greene和Vesley的那些在体内的测试方法为强。因此，可以预计，用上述的方法获得的95％BFE实际上将等于或大于用有所修改的Greene和Vesley测试所获得的95％BFE。用上述测试方法计算的结果如表1所示。
表1具有安装在3M1860TM呼吸器的呼气过滤元件的3MTMCool FlowTM呼气阀的BFE测试结果
*所有的1.25盎司聚丙烯87244纺粘织物都是从维吉尼亚Waynesboro的Poly Bond公司获得。
**在这些例子中，百分比除另有说明之外都是重量百分比。
***请参见Klun等人的美国专利申请08/901,363号有关这种添加剂说明的例子1。在这些例子中用的氟化合物二聚酸酯请继续参阅Klun等人申请的例子1所述的化合物。例子中的所有添加剂是熔化加工到纤维中的。
表1中的数据表示具有呼气过滤元件的呼气阀在模拟的细菌过滤效率测试中可获得大于95％的效率。
流体阻力测试为了模拟病人破裂动脉的血液飞溅，根据在澳大利亚Crescent,Homebush,NSW 2140澳大利亚标准协会出版的有关外科面具的澳大利亚标准AS 4381-1996(附录D)，以一已知速度将血液挤到阀上。
所进行的测试类似于略有改变的澳大利亚方法。具体方法是先混合1000毫升的去离子水、25.0克Acrysol G110(来自宾夕法尼亚州费城的Rohm和Haas)以及10.0克(gm)红081染料(来自威斯康星州密尔沃基的AldrichChemical公司)来制备合成血液溶液。然后测量和通过加入Brij30TM，一种来自特拉华州Wilmington的ICI的非离子表面活性剂，调整表面张力，使得表面张力在40与44达因/厘米之间。
具有被推开的阀隔膜的阀被放置在距离一0.33英寸(0.084厘米)的小孔(18规格的阀)18英寸(46厘米)处。合成血液从小孔中喷出，并直接对准在阀座与孔的阀隔膜之间的开口。时间设定为一2毫升体积的合成血液以5PSI(34,000牛顿/米2)容器压力(reservoir pressure)从小孔中释放。将一片吸墨纸放置在阀的靠近阀座下面的内侧上，以探测通过阀渗透到呼吸器体的面部侧的任何合成血液。合成血液喷击阀五次。五次喷击之后，在吸墨纸上或在呼吸器的面部侧中的任何地方如果探测到有任何合成血液则不及格；五次之后如果没有在呼吸器的面部侧中探测到有任何血液通过则表示合格。对呼吸器体没有进行测试。
表2中示出了对材料不同和安装位置不同的各呼气过滤元件的结构根据上述方法测试所测得的流体阻力的结果。
表2具有安装在3M8511TM呼吸器的呼气过滤元件的3MTMCool FlowTM呼气阀的流体阻力
****用在这些例子中的模制的外壳材料重约4至6.5克/英尺2并具有如下的成分70％来自Hoechst-Celanese公司(美国北卡罗来纳州Salisbury)的型号为254,65/35的芯线/护套CellbondTM白色聚酯人造短纤维，尺寸4旦尼尔×2英寸。
30％来自Hoechst-Celanese公司(美国北卡罗来纳州Salisbury)其型号为259的商标为TreviraTM的70107精制白色聚酯人造短纤维，尺寸为3.0旦尼尔×1英寸。
表2中数据示出了本发明的呼气阀能够为飞溅流体提供良好的阻力。
通过阀的呼出空气的百分比测试测试了具有呼气过滤元件的呼气阀，以评价通过呼气阀排出与通过呼吸器过滤部分排出的呼出气流的百分比。这个参数用在美国专利5,325,892的例子8-13中描述的测试方法来评价，为了参考方便，在此进行简单的描述。
用于净化呼吸的呼气阀的效率是影响佩戴者舒适感的一个主要因素。
过滤面具呼吸器安装在一金属板上，使得呼气阀直接放置在一0.96平方厘米的压缩空气通过的小孔上，压缩空气具有象呼出空气一样的朝面罩里面流的气流。将一压力计的探测头放在过滤面具的里面来测定经过面罩过滤媒质的压降。
为便于更好地理解，用参照图14在下面描述的方法测定总气流的百分比。首先，确定描述面罩过滤媒质体积流(Qf)与经过面具的压降(ΔP)的关系的线性方程式，此时阀关闭。然后，在一特定的呼气体积流(QT)下来测量阀打开时的面具的压降。通过面具过滤媒质的气流(Qf)是以测得的压降从线性方程式得出的。用Qv=QT-Qf来计算只通过阀的流量Qv。用100(QT-Qf)/QT计算通过阀的总呼气流的百分比。
如果通过面具的压降在给定的QT是负的，则通过面罩过滤媒质进入面罩内部的气流将也是负的，给出通过阀孔的流量Qv大于呼气流QT的条件。因此，当Qf是负的时，在呼气过程中，空气实际上是通过过滤器朝内抽进，而通过阀送出的。其结果是总呼气流的百分比大于100％。这是所谓的抽气(aspiration)现象，并为佩戴者提供冷却。表3中示出了对具有材料不同和安装位置不同的各呼气过滤元件的结构的测试结果。
表3在具有安装在3M1860TM呼吸器中的呼气过滤元件的42与79升/分(LPM)3MTMCool FlowTM呼气阀的通过阀的呼出空气百分比
表3中数据证明了本发明的面具能获得较好的气流通过呼气阀的百分比。
以上所引用的所有专利和专利申请均援引在此以作为本申请文本的参考。
权利要求
1．一种过滤面具，它包括(a)一面罩体；(b)一呼气阀，它设置在面罩体上，并至少有一个在呼气时使呼出空气能够从内部气体空间流到外部气体空间的小孔；以及(c)一个呼气过滤元件，它设置在过滤面具上并在呼出的气流中，以防止污染物随呼出气体从内部气体空间进入外部气体空间中。
2．如权利要求1所示的过滤面具，其特征在于，还包括一过滤吸入空气的吸气过滤元件。
3．如权利要求2所述的过滤面具，其特征在于，吸气过滤元件一体地设置在面罩体中，其中，当佩戴者呼气时，呼气过滤元件具有压降，该压降小于呼气时经过吸气过滤元件的压降。
4．如权利要求2所述的过滤面具，其特征在于，吸气过滤元件不是一体地设置在面罩体中，其中，在呼出气流中的呼气过滤元件放在佩戴者呼气时阻力最小的路径中。
5．如权利要求3所述的过滤面具，其特征在于，过滤面具具有一杯形的面罩体。
6．如权利要求3所述的过滤面具，其特征在于，面罩体中有一开口，呼气阀设置在面罩体的开口处。
7．如权利要求6所述的过滤面具，其特征在于，面罩体包括一层过滤材料，其中，呼气过滤元件设置在过滤材料与呼气阀基部之间，或呼气过滤元件设置在过滤材料的开口的上游，或呼气阀包括一阀覆盖件，呼气过滤元件在阀覆盖件外面之上和周围延伸，或呼气阀包括一阀覆盖件，呼气过滤元件位于阀覆盖件的里面，或呼气过滤元件在呼气阀的外面和面罩体上延伸，呼气过滤元件的表面面积大于面罩体中的过滤材料的表面面积，或呼气过滤元件设置在呼气阀的下游，并连接于面罩体，其表面面积小于面罩体中的过滤材料的表面面积。
8．如权利要求3所述的过滤面具，其特征在于，吸气过滤元件包括一层过滤材料和一覆盖织物，其中覆盖织物用作呼气过滤元件。
9．如权利要求1所述的过滤面具，其特征在于，呼气阀具有一设置在其上的阀覆盖件，该阀覆盖件是一能够使它作为呼气过滤元件的多孔结构。
10．如权利要求1所述的过滤面具，其特征在于，当根据细菌过滤效率测试法进行测试时，呼气过滤元件能去除至少95％的污染物。
全文摘要
一种至少覆盖佩戴者鼻部和嘴部的过滤面具,包括一呼气阀。当佩戴者呼气时呼气阀响应增大的压力而打开,使呼出的空气从面罩里面迅速清除。一呼气过滤元件设置在呼出气流的几个部位中的一个位置上,以去除呼出空气中的污染物。面具的优点是,它通过使温暖的、湿润的、二氧化碳含量高的空气迅速经阀排泄出面罩内部使佩戴者感到舒适,并保护佩戴者免遭飞溅流体和污染的空气的污染,同时,保护其他人或物使之不暴露于呼出气流的污染物中。
文档编号B01D46/10GK1311705SQ99809183
公开日2001年9月5日 申请日期1999年1月7日 优先权日1998年7月24日
发明者D·A·杰蓬蒂奇, N·V·麦卡洛, J·K·彼得森, N·R·鲍曼, J·W·布赖恩特, C·P·亨德森, B·E·彭宁 申请人:美国3M公司