扁平可折叠的面罩及其制造方法

专利名称：扁平可折叠的面罩及其制造方法
背景技术：
本发明一般涉及个人呼吸装置或面罩领域，特别是扁平可折叠的面罩及其制造方法。
个人的呼吸保护装置，也称为过滤呼吸器或面罩，被用于广泛的多种应用中，以保护佩戴者的呼吸系统免受悬浮在空气中的粒子和不良或有害气体的侵害。通常面罩设计成戴在鼻子和嘴上以保护佩戴者不受悬浮在空气中的不良物质影响。这些类型的口罩一般采用两种基本设计——模制杯状形式和扁平可折叠的形式。
已经发现，扁平可折叠的面罩能相当紧密地贴合佩戴者的脸，就是说，面罩内表面的大部分会接触到佩戴者的脸和脸颊。这样一来，扁平型口罩可能在使用中变得热并不舒适，尤其在戴了超过一定时间以后。另外面罩的内表面可能接触到佩戴者的嘴巴，所以面罩通常会变湿和磨损。这种情况发生的时候，内表面的磨损材料可能会刺激佩戴者。
传统的扁平可折叠形式的面罩典型地是通过加入一块矩形的、与佩戴者的嘴巴平行的织物来制造的。这种结构中可能有硬化的成分以使面罩不接触到佩戴者的脸。通过在分层结构中熔合一个横穿面罩宽边的褶皱，或者加上一个横穿面罩宽边的接缝也能达到硬化效果。在很多应用里，为了在戴上之前易于贮藏，提供这样一种有一般扁平外形的面罩，是尤其理想的。扁平可折叠形式的优点在于易于贮藏，比如装在佩戴者的口袋里。
杯状的面罩通常是模制面罩，其在使用时形成一个在面部上的空气室，这样就避免了某些扁平型面罩在舒适性上的缺陷。但是模制杯状的面罩不能折叠成扁平的以用于容易和方便的贮藏。
Aspelin等人的美国专利号3,971,369公开了一种非模制的杯状外科口罩。这项专利表明，因为口罩不是模制的，所以口罩主要部分的边并非刚性的而能贴合佩戴者的脸部轮廓。但是这种口罩生产工艺复杂，最后得到的样式是打褶的，口罩前面有搭接的材料。
Bostock等人的美国专利号6,536,434B1显示了一种扁平可折叠的个人呼吸装置。在此专利的描述中，这种装置包括一个扁平的中央部分、一个扁平的第一部件，其通过折线、接缝、焊接或粘合与中央部分连接，以及一个相连的第二部件，其能够折叠成扁平的用于贮藏，而且至少部分面对面的第一和第二部件与中央部分的共同表面接触，并且使用时能够在佩戴者的鼻子和嘴巴上方形成一个杯状的空气室。
根据世界健康组织出版物(1999，草木火灾事件的健康指导(HealthGuidelines for Vegetation Fire Events)，Lima，Peru，1998年10月6-9)的描述，只有当面罩和佩戴者的脸之间存在一个隔离区(goespiratory)密封时才能得到好的保护效果。
为了达到有效的呼吸密封，不同于模制的杯状面罩，以前公开的扁平可折叠型面罩充分覆盖了佩戴者超过鼻子和嘴巴的大片区域。为了提高呼吸密封的效果，佩戴者必须通过环绕头部的带子或弹性束头带或一对耳圈来固定面罩紧密地靠在脸上。在提高呼吸密封的同时，因为面罩内热度升高和带子、弹性束头带或耳圈产生的应力，佩戴变得不舒服，尤其是戴了超过一定时间以后。
另一个漏气的来源来自鼻子周围的区域。很多扁平可折叠型面罩带有一个使用者可调节的鼻夹以减少鼻子轮廓周围的漏气。然而，为了起到呼吸密封作用，并非每位使用者都能熟练的把鼻夹适当调节到紧贴状态。而且，这个附加的元件增加了制造的复杂程度和成本。
市场上提供的一次性的面罩通常附带集成的带子、弹性束头带或耳圈。
在使用后，这些集成的带子、弹性束头带或耳圈必须跟面罩一起扔掉。这从经济或环境上考虑都是不好的。
发明概述本发明的基本目的是提供一种易于携带和贮藏的扁平可折叠的面罩。
本发明的另一目的是提供一种配戴舒适的面罩。
本发明的另一目的是提供一种能覆盖佩戴者鼻子和嘴巴必要区域的口罩。
本发明的进一步的目的是提供呼吸周期中有效的呼吸密封。
本发明的另一目的也是提供一种适合的并能舒适的贴合佩戴者鼻子轮廓而不必借助鼻夹或类似附件的面罩。
本发明的另一目的也是提供一种适用于大范围的脸部尺寸的面罩。
本发明的另一目的是提供一种用扁平的薄片材料制成的口罩。
本发明的另一目的是提供一种易于制造和低成本的口罩。
本发明的其它目的和优点将在以下描述和对应的图画明显表现出来，其中，通过图示和例子，公开本发明的具体实施例。
按照本发明优选实施例，其公开了扁平可折叠个人呼吸装置或面罩包括一个第一部件，其与一第二部件沿一个共用边相连，并且可以沿共用的边扁平折叠，固定装置，其是指固定上述面罩在佩戴者的脸上，而且在佩戴者吸气时能形成一个有效的呼吸密封，在所述佩戴者呼气时能释放呼吸密封。过滤装置，其是指从吸进的空气中过滤不需要的粒子。
按照本发明优选实施例，其公开了制造如A1中所要求的扁平可折叠个人呼吸装置或面罩的方法，其包括第一步是沿着薄片材料的长折叠一卷薄片材料；第二步是沿着预先确定的焊缝线焊缝折叠好的薄片材料；以及第三步是把一卷经过折叠和焊缝的薄片材料切割成扁平折叠结构面罩的预先确定的形状。


附图为本说明书的组成部分并包括本发明的示范实施例，本发明可以用多种不同形式实施例。应理解，在某些情况中，可放大或扩大展示本发明的不同方面，以便于对发明的理解。
图1是本发明的面罩的正视图。
图2是本发明的面罩的透视图。
图3是本发明的面罩的侧视图。
图4展示本发明中形成呼吸密封的关键区域。
图5是沿着图1中的AA方向的横截面的示意图。
图6说明本发明中的面罩能够适合大和小的脸部尺寸。
图7是比较传统扁平可折叠面罩与本发明中的面罩覆盖区域的差异的透视图。
图8a展示了本发明的面罩扁平折叠结构的侧视图。
图8b展示了本发明的面罩打开凸起结构的正视图。
图9a-9d展示了多个本发明面罩折叠结构的侧视图。
图10展示了本发明的面罩的示意性平面改进。
图11展示了固定用于本发明面罩弹性带子的细节。
图12a展示了带有加强板的本发明的面罩的侧视图。
图12b展示了带有加强板的本发明的面罩的正视图。
图13a展示了带有集成的过滤器和加强板的本发明面罩的侧视图。
图13b展示了有集成的过滤器和加强板的本发明的面罩的正视图。
图14a展示了带有用户可调过滤器插件的本发明的面罩的侧视图。
图14b展示了带有用户可调过滤器插件的本发明的面罩的正视图。
图14c展示了用户可调过滤器结构的具体横截面图(BB)。
图15展示了制造面罩方法的示意图。
图16展示一张在具有较大脸部尺寸的佩戴者脸上的原型面罩的照片。
图17展示了一张在较小脸部尺寸的佩戴者脸上的原型面罩的照片。
图18展示了一张在呼吸周期中原型面罩的叠加图片。
优选实施例详述这里是优选实施例的详细描述。然而应理解，本发明可以用多种不同形式具体体现。所以，这里提出的具体细节不能被解释为是局限于此，而是作为权利要求的基础，和作为用于教授本领域技术人员以实际任何适合的具体系统、结构或方式实现本发明的典型基础。
在本发明中，下述的术语是这样定义的“凸起打开结构”是指装置在使用中的一种结构，其中，主要部分实质上脱离佩戴者的面部而与面部仍然保持密封闭接合，这样在佩戴者的鼻子(33)和嘴巴(34)(35)上方形成空气室。
“焊缝线”是指2个或多个部分共用的边，其通过模压、粘合剂粘结、超声波焊缝、热焊、缝纫或其它本领域技术人员公知的工艺连接。
优选实施例在本发明优选实施例中，扁平可折叠个人呼吸装置或面罩的一个主要部分(31)能够被打开成为一个凸起打开结构。图1、2和图3分别代表所述面罩的正视图、透视图和侧视图。图3说明从侧面观察，对于佩戴者的鼻子和嘴巴有足够的间隙空间。
主要部分(31)优选用过滤介质制造，所述过滤介质能够过滤悬浮在空气中有害的粒子以保护佩戴者不受环境刺激。
图12a显示了一个加强板(39)，它可以被插入或者焊缝在适当的位置以形成主要部分(31f)的一个集成部分。
如图13a所示，在本发明的第二个优选实施例中，主要部分(31n)优选用非过滤性的材料制造，焊缝一个由过滤材料制造的过滤器部分(40)，并形成主要部分(31n)的一个集成部分。优选的过滤器部分(40)能够具有加强板的功能，或者可选择地，可以将加强板层和过滤器部分一起焊缝到主要部分(31n)上。
图14a、14b和14c显示本发明的第三个优选实施例。主要部分(31n)优选是由非过滤性的材料制造，粘贴或焊缝至少一个过滤器固定器(41)，并形成主要部分的集成部分。一个使用者可更换的过滤材料(43)能通过一个可卸除的过滤器保护装置(42)而固定在位置上。
过滤材料在本发明所有优选实施例中，过滤材料可以包括许多纺织的或非纺织的材料，单层或多层的，带有或不带有一个内或外保护层的。
美国专利号6394090B1里指出，合适的过滤材料例子包括微纤维织物、原纤维膜织物、纺织的或非纺织的织物(例如气流纤(airlaid)或粗疏短纤维(carded staple fibers))、溶液吹制纤维织物或上述的组合。例如，形成这种织物的有用纤维包括，聚烯烃类，比如聚丙烯、聚乙烯、聚丁烯、聚(4-甲基-1-戊烯)和上述的混合，卤代聚烯烃类，例如带有一个或多个氯乙烯基团、或四氟乙烯基团的，并且也包含丙烯腈基团、聚酯、聚碳酸酯、聚氨酯、松香羊毛(rosin-wool)、玻璃丝、纤维素或上述的组合。
过滤层纤维的选择取决于要过滤的粒子类型。纤维的适当选择也会影响佩戴者呼吸装置的舒适性，例如通过提供柔软和湿度控制。本发明中使用的熔合吹制微纤维织物可以如描述的那样制备，例如，在Wente，Van A.所著，1956年出版的《工业工程化学》(Industrial Engineering Chemistry)48卷1342页及以下等“超细的热塑塑料纤维(Superfine ThermoplasticFibers)”以及1954年5月25日出版的Naval研究实验室的4364号报告里Van A..Wente等人所著，题目为“超细有机纤维的制造(Manufacture of SuperFine Organic Fibers)”里的描述。本发明中过滤介质所用有效的吹制微纤维优选是有效纤维直径为3-30微米，更优选地是约7-15微米，其为根据1952年伦敦出版的机械工程师学会进展1B(Institution of Mechanical Engineers，London，Proceedings 1B)中Davies，C.N.的“大气灰尘颗粒的分离(TheSeparation of Airborne Dust Particles)”里提出的方法所计算的。
人造短纤维也能作为可选用的材料应用在过滤层中。与含有单独吹制的微纤维的织物相比，添加有波纹的和膨胀的人造短纤维使得织物更加高级和较少厚重。优选地，人造短纤维在介质中一般不超过90重量％，更优选不要超过70重量％。美国专利号4,118,531(Hauser)里描述了这样的含有人造短纤维的织物。
双组分的人造短纤维也能用于过滤层或者过滤介质中的一或多个其它层。双组分人造短纤维通常包括一个熔点低于核心部分的外层，并能够在纤维交叉点形成粘结在一起的弹性成型层，例如，通过加热该层以使双组分纤维的外层与邻近纤维汇合接触，所述邻近纤维为双组分或其它人造短纤维。成型层也能用含有人造短纤维的热流动聚酯的粘合纤维制备，，并且通过加热成型层，粘合纤维熔化、流向并包围纤维交叉点。冷却后，在纤维交叉点处形成粘结，控制纤维质量以符合需要的形状。同样，粘合剂材料如丙烯酸胶乳或粉状热活化粘合树脂也能用于织物以提供纤维的结合。
带电的纤维，如美国专利号4,215,682(Kubik等)和美国专利号4,588,537(Klasse等)里公开的，或者通过常规的极化或电介体充电方法得到的，例如通过美国专利号4,375,718(Wadsworth等)或美国专利号4,592,815(Nakao)的方法，或者通过美国专利号5,496,507(Angadjivand等)里的氢化充电(hydrocharging)方法，都可特别应用在本发明中。带电的纤化薄膜纤维如美国专利号RE.31,285(van Turnhout)里提到的也是可用的。
过滤层里也可以包含吸附颗粒材料(例如活性碳和矾土)和/或吸附纤维(例如活性碳纤维)。这种颗粒载荷的织物在例如美国专利号3,971,373(Braun)、美国专利号4,100,324(Anderson)和美国专利号4,429,001(Kolpin等)等中有描述。带有颗粒载荷过滤层的面罩对防护气体物质尤其有效。如前所述，本发明里一个为了过滤大气粒子的呼吸装置必须在至少一个部分包含一个过滤层。根据本发明，优选地整个呼吸装置包含一个过滤层。
呼吸密封本发明的一个重要方面包括，固定装置，其是指固定面罩在佩戴者的脸上，在佩戴者吸气时能形成一个有效的呼吸密封，并且在所述佩戴者呼气时能释放呼吸密封。。工作原理将在下面提出的非限制性例子中详细解释。
参考图4和图5，根据本发明，面罩(31)优选由一个附加在面罩上并远离周边的弹性的束头带(32)固定，合力(F)提供一个正向的压力以保持面罩(32)靠在佩戴者的脸上。合力(F)被分区，在区域(33)提供一个正向的压力和呼吸密封。由于佩戴者鼻子周围面罩主要部分的牢固三角形引起的两个因素进一步加强了分区密封的效果。主要部分的三角形沿着力(F)的方向提供一个相对刚性的结构，优选地，这种刚性结构由集成的加强板(39或40)增强，这样就能把力(F)的实质部分以极小损失传递到佩戴者的脸上，尤其在(33)的下部形成牢固的密封。沿着面罩的表面，区域(33)覆盖了佩戴者的鼻子，薄片材料在与力(F)方向近似垂直的方向相对有弹性，并易于调适和舒适贴合不同佩戴者的不同鼻子形状。沿着力(F)的方向的刚性和垂直于力(F)的方向的柔韧性的结合结果提供了在佩戴者鼻子周围区域(33)的一致有效的呼吸密封。
在正常的佩戴状态下，本发明中面罩的大部分外围(34)(45)都可自由移动，尽管只是在小范围里。这是跟现有技术的扁平可折叠的面罩(美国专利号6394090B1、6332465B1、6536434B1、6336459B1、5706803、6474336B1、3971369)不同的地方，它们都是在面罩外围连接了一个束头带或耳圈所以限制了外围的移动。
佩戴者吸气的时候，由面罩形成的空气室的气压降低，外部的大气压向内推动面罩的表面和外围(34)(45)(图18)，加强了呼吸密封而且迫使吸进的空气通过面罩的过滤材料部分，这样确保佩戴者的呼吸系统的保护。
可选择地，当佩戴者呼气的时候，空气室内的气压升高，高于外部大气压，面罩的表面和外围就被向外推动，导致呼吸密封的释放而促使呼出的气体方便地快速释放。
脸的尺寸本发明的扁平可折叠的面罩能用于大范围内脸部尺寸的呼吸密封。图6说明了本发明的面罩适用于两种不同的脸部尺寸，所述脸部尺寸由眼睛到下巴的尺寸(d’)和(d’)来确定。当戴在较短脸上时(眼睛到下巴的尺寸为d’)，下巴的接合区域(35’)要比戴在较长脸上(眼睛到下巴的直径为d’)的相应接合区域(35’)高。任何眼睛到下巴的尺寸介于d’和d’之间的脸都能在35’和35’的间隔内找到下巴的接合区域。
原型实验表明，本发明的适当尺寸的面罩能够对以下脸部尺寸提供呼吸密封短脸(眼睛到下巴的尺寸)d’＝94mm长脸(眼睛到下巴的尺寸)d’＝114mm实验包括以下步骤1.佩戴者戴上面罩。
2.佩戴者调节面罩，使之舒适的贴合鼻子和嘴巴。
3.佩戴者尝试呼气以检查呼出的空气是否能轻松释放(如果轻松呼气＝通过)。
4.佩戴者尝试吸气以感觉空气室里是否有负向压力增大而且目视检查面罩主要部分和外围是否有表面陷下的迹象。(负向压力感+表面陷下的迹象＝通过)。
对眼睛到下巴尺寸的美国人群要素数据的进一步调查(MIT出版社，Henry Dreyfuss联合公司1991humanscale版权所有头部的高处到眼部的尺寸(head height-head to eye dimension))表明，94mm-114mm的范围能够覆盖至少99％的美国女性人群和97.5％的美国男性人群，如下表所示

本发明的扁平可折叠的面罩覆盖的区域比现有技术的扁平可折叠面罩(美国专利号6394090B1、6332465B1、6536434B1、6336459B1、5706803、6474336B1、3971369、6308330B1)显著减小。图7显示了与传统的扁平可折叠面罩相比，本发明中的面罩覆盖区域(36)明显减少。覆盖区域的减少改善了换气并且促进更好的冷却从而使佩戴者感到舒适，尤其是在温暖气候的国家。
形状本发明的面罩进一步由下列提出的非限制性例子作说明。在每个例子里，两个相似的部分都通过共用的边相连以形成面罩的扁平可折叠主要部分，并且能够改变到打开-凸起结构。
图9a展示了本发明的一种带有一条弯曲焊缝线的面罩。
图9b展示了本发明的一种带有一条直焊缝线和一条弯曲焊缝线的面罩。
图9c展示了本发明的一种带有三条直焊缝线的面罩。
图9d展示了本发明的一种带有五条直焊缝线的面罩。
或者，本发明的面罩也可以通过折叠一种特殊形状的薄片材料而制造。
图10展示了一种能够通过连接边x’至x’以及边y’至边y’而折叠的特殊形状的薄片材料。折叠得到的形状跟图9c相似。
附件组件本发明的装置优选也包括附件组件，比如一个束头带(32)或一个耳圈(未显示)。更优选地，附件组件是使用者可更换的和可重复使用的。
图11显示了弹性束头带(32)附件组件的使用者可更换的和可重复使用的方法的一个非限制性的例子。束头带通过沿焊缝线(37)上的一个狭缝(38)可拆除地固定在面罩上。为不同使用者的舒适，沿着焊缝线的边可以有多于一个的狭缝孔(38)以提供不同的固定点。
如美国专利号6394090B1所述，本发明中可用的弹性绳子或带子可以由热塑性弹性体、弹性聚氨酯、聚异戊二烯、丁烯-苯乙烯共聚物等材料制成。一个这种例子是由美国德克萨斯州休斯敦.的Shell化学公司生产的，市场上可买到的贸易编号为KRATOND1101的一种苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物。绳子或带子也能用弹性橡胶或涂覆的弹力丝制成，例如美国特拉华州威尔明顿.的Dupont公司生产的，市场上可买到的贸易编号为LYCRA的产品。本发明里绳子或带子可用的材料还可是有拉伸活性的弹性体的合成材料。一种这样的材料是一个非粘性的多层弹性体薄片，它包括至少一个弹性体核心和至少一个相对非弹性体的外壳层。外壳层被拉伸到超过它的弹性限度，与核心一起放松就形成一个微结构的外壳层。微结构意味着表面包括峰和谷的不规则或者折皱，其大到能用独立肉眼捕捉到，因为合成物的不透明性比形成微结构之前增强，且其不规则小到人类皮肤能感受到光滑或柔软。不规则变化需要放大才能看到微结构质地的细节。这种弹性体合成物的例子在美国专利号5,501,679(Krueger)里有描述。
尽管弹性带子是优选的，非弹性的带子在本发明中也能应用，非弹性带子包括例如由湿制或干制方法制造的非纺织的材料，包括人造丝、聚酯或类似纤维、聚丙烯织物、聚乙烯或聚酯的分类纺粘织物(calendaredspun-bonded webs)及强化纸。带子可以绑、扣或拉长以使袋子环绕佩戴者的头部，从而使面罩与佩戴者的面部有密封的接合。
制造方法本发明中面罩的优选制造方法在图15有详细示例。优选方法包括至少3个必要步骤，第一步是折叠，第二步是焊缝，第三步是切割。过滤介质以薄片卷的形式被运送向折叠装置(45)以把薄片卷材料沿着长的方向对半折叠。折叠好的薄片卷接着被送到焊缝区，在这里薄片卷的两个面对面的层被焊缝装置以预先设定的间距焊缝到一起。焊缝好的薄片卷接着被送到切割装置(48，50)，然后面罩(31)被切割装置从薄片材料上切下。
本发明的面罩能够用任何标准方法灭菌，如伽马辐射、环氧乙烷处理或高压灭菌。
虽然本发明是以优选实施例进行描述的，但本发明并不限定于描述的特定形式，相反，所有这样的替换、改良和等同物都包括在本发明的精神和范围内，如附带的权利要求所确定的。
权利要求
1.扁平可折叠的个人呼吸装置或面罩，其包括一个第一部件和一个第二部件，相互沿至少一个共用边相连，可沿着共用边折叠成扁平状；固定装置，其是固定所述面罩贴在佩戴者的脸上，而且在佩戴者吸气时能形成一个有效的呼吸密封，在佩带者呼气时能释放呼吸密封；以及过滤装置，其是指过滤吸进的空气。
2.如权利要求1中所述的扁平可折叠的呼吸面罩，其中所述有效呼吸密封覆盖鼻子(33)、下巴(35)和两个连接(33)和(35)的对称边(34)的最小基本范围。
3.如权利要求2中所述的扁平可折叠的呼吸面罩，其中所述基本范围适用于脸部尺寸的广泛范围，其以眼睛到下巴的尺寸在至少94mm-104mm的范围确定，如图16和图17。
4.如权利要求1中所述的扁平可折叠的呼吸面罩，其中所述固定装置是指包括一个能在远离面罩外围位置提供矫顽力(F)的弹性束头带。
5.如权利要求1中所述的扁平可折叠的呼吸面罩，其中所述过滤装置是指包括一个由过滤薄片材料制成的呼吸面罩的主要部分。
6.如权利要求1中所指的扁平可折叠的呼吸面罩，其中所述过滤装置是指包括一个集成在面罩主要部分里的过滤器部分。
7.如权利要求1中所指的扁平可折叠的呼吸面罩，其中所述过滤装置是指包括一个使用者可更换的过滤器部分。
8.一种用于制造如权利要求1中所述扁平可折叠的个人呼吸装置或面罩的方法，其包括第一步是把薄片材料卷沿着薄片材料长的方向折叠；第二步是沿着预先设定的边焊缝折叠好的薄片材料；以及第三步是从薄片材料上以扁平可折叠结构切下所述面罩的形状。
9.一种用于制造如权利要求6中所述的扁平可折叠的个人呼吸装置或面罩的方法，其中所述的薄片材料卷包括至少两层结构。
10.一种用于制造如权利要求1中所述的扁平可折叠的个人呼吸装置或面罩的方法，其包括第一步是折叠扁平的薄片材料；第二步是沿着预先设定的边焊缝折叠好的薄片材料；第三步是从薄片材料上以扁平可折叠结构切下所述面罩的形状。
11.一种用于制造如权利要求8中所述的扁平可折叠的个人呼吸装置或面罩的方法，其中所述的薄片材料卷包括至少两层结构。
全文摘要
扁平可折叠个人呼吸装置或面罩，其具有一第一部件和一第二部件(31)，相互沿至少一个共用边相连，可沿着共用边折叠成扁平状，一固定装置(32)，其对呼吸周期作出响应，在佩带者吸气时形成有效的呼吸密封，并在佩带者呼气时释放呼吸密封，以及一过滤装置(40)，其用于过滤吸入的空气。一个优选的实施例包括一固定装置，其包括包括一个能在远离面罩外围位置提供矫顽力(F)的弹性束头带。
文档编号A62B23/00GK1774282SQ200480009823
公开日2006年5月17日 申请日期2004年4月16日 优先权日2003年4月17日
发明者朱桦 申请人:朱桦