具有非圓形的質心安裝的呼氣閥的呼吸器的制造方法
【專利說明】具有非圓形的質心安裝的呼氣閥的呼吸器
[0001] 本發明涉及一種呼吸器，其中呼氣閥具有非圓形的質心安裝的柔性閥瓣。
【背景技術】
[0002] 在污染環境中工作的人常常佩戴呼吸器來保護自己免于吸入空氣傳播的污染物。 呼吸器通常具有能夠從空氣中去除微粒和/或氣態污染物的纖維過濾器或吸附劑過濾器。 在污染環境中佩戴呼吸器時，佩戴者因知道他們的健康得到了保護而感到安慰，然而同時， 因為呼出的濕熱空氣在他們臉部周圍積聚，他們又會感到不適。面部越不適，佩戴者越有可 能從臉上取下呼吸器來緩解不適。為了減少該問題發生的可能性，呼吸器的制造商經常將 一種呼氣閥安裝在面罩主體上，以允許呼出的濕熱空氣快速從面罩內部清除。呼出空氣的 迅速去除使面罩內部更加涼爽，這繼而有益于工作者的安全。
[0003] 許多年來，市售的呼吸面罩使用"按鈕式"呼氣閥從面罩內部清除呼出的空氣。按 鈕式閥通常采用薄的圓形的柔性閥瓣作為動態機械元件，讓呼出的空氣從內部氣體空間逸 出。所述圓形的閥瓣在其中心處通過中心柱安裝到閥座上。按鈕式閥的示例在美國專利2， 072，516、2,230,770、2,895,472和4,630,604中示出。當人呼氣時，閥瓣的周邊部分從閥座 提升，使得空氣可快速從內部氣體空間進入外部氣體空間。
[0004] 按鈕式閥體現了在嘗試改善佩戴者舒適度方面的進步，但是研究人員已做出其他 改進，其中一個示例為在授予Braun的美國專利4，934，362中示出的"蝴蝶式"閥。Braun專利 中所述的閥使用拋物線型閥座和以蝶形方式安裝的細長柔性閥瓣。
[0005] 在Braun的研發工作以后，Japuntich等人在呼氣閥技術領域進行了另一項創新一 參見美國專利5，325，892和5，509，436。Japuntich等人發明的閥使用以懸臂方式偏心安裝 的單個柔性閥瓣，以使得打開所述閥所需的呼氣壓力最小化。當使閥打開壓力最小化時，操 作所述閥所需的力量減小，這意味著佩戴者在呼吸時，可以不費力地將呼出的空氣從面罩 內部排出一也參見授予Japuntich等人的美國專利7，493，900。
[0006] 在Japuntich等人發明的閥之后推出的其他閥也使用了懸臂安裝的閥瓣一參見美 國專利5，687，767和6，047，698。在另一項研發中，閥座的密封表面由彈性材料制成，所述彈 性材料允許使用更薄且更硬的閥瓣，這改善了閥效率一參見授予Martin等人的美國專利7， 188,622。
[0007] 雖然呼氣閥設計的演變主要以相對于閥座的結構變化和將閥瓣安裝到閥座為焦 點，但是研究人員也已對閥瓣本身做出了結構變化，以增強閥性能。在授予Martin等人的美 國專利7，028，689和7，013，895中，將多個層引入閥瓣中，以創建更薄、更動態的閥瓣，從而 允許閥在較低的壓力下更易打開。在閥瓣構造中也已提供了肋條和預彎曲的、非均勻的構 型，以提供良好的性能一參見授予Mittelstadt等人的美國專利7,302,951。在授予Martin 等人的美國專利公布2009/0133700中，在閥瓣中的鉸接處提供了狹槽，以改善閥性能。另 外，在授予Insley等人的美國已公布的專利申請2012/0167890A中，在選定區域中燒蝕閥瓣 以實現期望的閥性能。閥瓣也由光學膜制成，所述光學膜致使閥瓣閃光，使得使用者可容易 檢測到適當的閥操作一參見授予Martin等人的美國專利申請61/846456。
[0008] 呼吸器設計出多種形狀和構型，并且所述設計經常受過濾器濾筒以及放置在面罩 主體上的任一呼氣閥的取向和放置的影響。懸臂閥例如常常在面罩主體上垂直取向，其中 閥瓣的自由端指向下。如果以其他方式取向，則呼出的空氣可能會使使用者的眼鏡模糊。用 于高性能呼氣閥的閥設計因此可約束面罩主體設計。可提供特殊閥性能的新型閥如懸臂閥 在不必垂直取向的情況下可有助于緩解閥設計上的約束。下面描述的本發明已被創建以提 供這種閥。
【發明內容】
[0009] 本發明提供一種呼氣閥，所述呼氣閥包括：
[0010] (a)閥座，所述閥座具有孔并且具有圍繞孔的非圓形的密封表面;以及
[0011] (b)柔性閥瓣，所述柔性閥瓣在孔的質心處固定到閥座并且具有可變剛度結構。
[0012] 本發明也提供了一種呼吸器，所述呼吸器包括：
[0013] (a)帶具；以及
[0014] (b)面罩主體，所述面罩主體包括呼氣閥，所述呼氣閥包括：
[0015] (i)閥座，所述閥座具有孔并且具有圍繞孔的非圓形的密封表面;以及
[0016] (ii)柔性閥瓣，所述柔性閥瓣在孔的質心處固定到閥座并且具有可變剛度結構。
[0017] 本發明與已知的呼氣閥不同之處在于本發明的閥具有可變剛度結構，其允許非圓 形的中心安裝的閥的閥瓣基本上在沿閥瓣周邊的任何點處同等偏轉。如此同等偏轉的能力 使閥能夠從整個閥瓣周邊自由且容易打開一即，在周邊周圍的任何點處，基本上相同的力 將使閥瓣從閥座提升。可變剛度結構可被制成當使用者不呼氣時使閥在任何取向下保持關 閉，同時在呼氣過程中提供打開閥所需的最小力。呼氣壓力的減少增加佩戴者舒適度，尤其 當佩戴者正經歷劇烈活動時。而且，如上所指出的那樣，較低的呼氣壓力通過減少在使用過 程中佩戴者將從他們的面部移去呼吸器的可能性來改善佩戴者安全性。因此本發明可以提 高工作者的安全性，同時也允許閥和呼吸器被制成多種形狀和構型。閥可以以多種取向安 裝在面罩主體上。因此本發明可以擴大用于呼氣閥和呼吸器的設計窗口，其額外益處是提 供呼吸器佩戴者所需的特殊性能。
[0018] 術語表
[0019] 下面陳述的術語具有如下所定義的含義：
[0020] "對準元件"意指部件，其有助于確保與所述部件相關聯的設備在使用過程中一直 處于適當的取向中；
[0021] "清潔空氣"意指已濾除污染物的一定體積的大氣環境空氣；
[0022] "質心"意指帶有或不帶有可變剛度結構的質心；
[0023] "包含/包括"意指其如專利術語中的標準的定義，是通常與"涵蓋"、"具有"或"含 有"同義的開放式術語;雖然通常使用"包含"、"包括"、"具有"和"含有"及其變型等開放式 術語，但也可以使用較封閉的術語來適當描述本發明，諸如"基本上由…組成"，其為半開放 式術語，因為該術語僅僅排除那些將會對術語所屬主題的性能具有有害影響的事物或元 件；
[0024] "同等偏轉"意指當根據下面陳述的閥瓣偏轉測試進行測試時，致使柔性閥瓣在帶 有較高負荷的位置處偏轉所施加的力對致使閥瓣在帶有較低負荷的位置處偏轉所需的力 的比率（"閥瓣偏轉比"或FDR)小于2;
[0025] "呼氣閥"意指打開以允許呼出的空氣離開呼吸器的內部氣體空間的閥；
[0026] "呼出的空氣"意指呼吸器佩戴者呼出的空氣；
[0027] "外部氣體空間"意指呼出的氣體在穿過且離開面罩主體和/或呼氣閥后所進入的 環境大氣氣體空間；
[0028] "過濾器"或"過濾層"意指一個或多個材料層，該一個或多個層主要適用于從穿過 它的氣流中去除污染物(諸如顆粒）；
[0029] "過濾介質"意指透氣的結構，該結構被設計成去除穿過它的空氣中的污染物；
[0030] "柔性閥瓣"意指可隨著人的呼出氣流所施加的力而彎曲或撓曲的制品；
[0031] "帶具"意指有助于將面罩主體支撐在佩戴者的面部上的結構或部件組合；
[0032] "內部氣體空間"意指面罩主體與人面部之間的空間；
[0033] "面罩主體"意指至少能與人的鼻部和口部貼合、并且有助于限定與外部氣體空間 分開的內部氣體空間的結構；
[0034] "主表面"意指具有基本上比制品或主體中的其他表面(但不是所有表面)大的表 面區域的表面；
[0035] "非圓形的"意指從通過正面投影到閥座上的平面觀察，不具有圓形形狀；
[0036] "孔"意指開口，所述開口可以被或可以不被細分、設定大小，以準許呼出的空氣容 易從其中穿過；
[0037] 相對于柔性閥瓣的"外表面"意指當閥瓣安置或擱置在閥座上時背向密封表面的 主表面；
[0038] 相對于柔性閥瓣的"周邊"意指在閥瓣邊緣處或附近，通常在閥瓣邊緣3毫米(mm) 以內；
[0039] "多個"意指兩個或更多個；
[0040] "呼吸器"意指人佩戴上以向佩戴者提供清潔空氣以供呼吸的裝置；
[0041] "密封表面"意指閥處于關閉位置時柔性閥瓣擱置到其上的表面；
[0042] "固定"意指以任何方式附接；
[0043] "輕微偏置"意指在除了重力之外沒有力施加在閥瓣上的情況下，使柔性閥瓣在任 何取向下保持在關閉位置中所需的最小偏置；
[0044] "圍繞"意指從所有方向位于討論中的物體的周圍；
[0045] "閥座"或"閥基座"意指閥的固體部分，其具有用于流體穿過的孔并且被設置為與 其所安裝到的基