一种适用于矿井的自清灰可代替颗粒床口罩
阅读说明：本技术 一种适用于矿井的自清灰可代替颗粒床口罩 (Self-cleaning dust-replaceable particle bed mask suitable for mine ) 是由 李小川 张德轲 何新建 桂夏辉 刘品味 李佳伟 常喜 白皓宇 姚勐 宋春晓 于 2021-07-05 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种适用于矿井的自清灰可代替颗粒床口罩,主要是利用泡沫颗粒床和口罩滤膜共同作用进行粉尘的除尘,具体包括泡沫盒、泡沫袋、气流通道、口罩滤膜、进气孔、出气孔、系带,泡沫袋外包装采用相应的轻质材料,疏水性及透气性较强的材料,外包装前后缝合,形成若干管状的空间,每一个管状空间内填充泡沫颗粒,通过泡沫袋过滤加大颗粒的粉尘,口罩滤膜是对更小的粉尘颗粒进行过滤,口罩滤膜由静电棉,熔喷层和纺粘布组成,泡沫盒上设置开关,可以打开泡沫盒,通过开关,可以随时方便打开更换泡沫袋和口罩滤膜。同时本发明还提供了确定泡沫袋大小及鼻孔到口罩滤膜的距离的方法,从而更好的设计口罩的相关尺寸,使得佩戴更加舒适。(The invention relates to a self-cleaning dust-replaceable particle bed mask suitable for mines, which mainly utilizes the combined action of a foam particle bed and a mask filter membrane to remove dust, and specifically comprises a foam box, a foam bag, an air flow channel, a mask filter membrane, an air inlet, an air outlet and a lacing, wherein the foam bag is externally packaged by adopting corresponding light materials and materials with stronger hydrophobicity and air permeability, the front and the back of the external package are sewn to form a plurality of tubular spaces, each tubular space is filled with foam particles, the foam bag is used for filtering large-particle dust, the mask filter membrane is used for filtering smaller dust particles, the mask filter membrane is composed of electrostatic cotton, a melt-blown layer and spun-bonded cloth, a switch is arranged on the foam box, the foam box can be opened, and the foam bag and the mask filter membrane can be conveniently opened and replaced at any time. Meanwhile, the invention also provides a method for determining the size of the foam bag and the distance from the nostrils to the mask filter membrane, so that the related size of the mask is designed better, and the mask is more comfortable to wear.)
技术领域
本发明涉及工业口罩技术领域，具体涉及一种适用于矿井的自清灰可代替颗 粒床口罩。
背景技术
口罩广泛应用于日常生活，特别是在粉尘浓度很高的矿井。在无防尘措施的 情况下,矿井中的粉尘浓度最低可达到300-500mg/m3,最高可达到 4000-8000mg/m3，几乎是空气粉尘浓度的500倍以上(空气的粉尘浓度大约在 0.2-4mg/m3)，严重影响煤矿工人的正常工作与健康。除此之外，矿井下不仅有 煤尘，岩尘对人体的破坏也很大。尘肺病为我国的头号职业病，根据卫生部发布 的数据，2019年全国共报告各类职业病新病例19428例，职业性尘肺病及其他 呼吸系统疾病15947例(其中职业性尘肺病15898例)。
现阶段的井下防尘口罩主要采用较厚的口罩滤膜和空气滤芯或活性炭盒两 种方式来提高除尘率。其中较厚的口罩滤膜在佩戴后，通常在短时间内集满灰。 此口罩在使用2个小时候除灰效果大大降低，而煤矿工人在井下连续工作8个小 时，需要更换4个口罩，造成很大的不便。而空气滤芯或活性炭盒口罩可以大大 提高使用的时间并且保持良好的除灰效果，但由于活性炭和空气滤芯的质量较大， 呼吸阻力较大，对持续工作的煤矿工人来说会造成工作不舒适。
于此同时，现阶段的井下防尘口罩，吸气呼气的全过程都要经过口罩滤膜， 呼出的气体携带大量水汽，造成口罩滤膜的湿润。在连续工作1个小时以后，呼 出的湿气将显著增加口罩的呼吸阻力与口罩的总体质量，对于煤矿工人这种高强 度运动的人群佩戴并不舒适。
泡沫颗粒床作为刚刚兴起的技术，具有质量轻，带电效果好的优点，在高浓 度的粉尘浓度下有很好的除灰效果，可以作为代替空气滤芯或活性炭盒的优质材 料。但现有的很多泡沫颗粒床口罩中的泡沫颗粒是散装在口罩容器内的，由于泡 沫颗粒本身带有的静电，在包装、更换泡沫颗粒床会造成泡沫颗粒飞溅，在大规 模罐装过程中不方便，不利于工业化生产。于此同时，泡沫颗粒本身流动的不确 定性会造成泡沫颗粒流入大气，可能会被人体吸入，危害人体健康，造成环境的 污染。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的一个 目的在于提供一种利用泡沫颗粒床和口罩滤膜共同除尘的方法，发明研究了一种 适用于矿井的自清灰可代替颗粒床口罩，使用可代替泡沫颗粒袋，实现口罩的清 灰特性，保证口罩在呼吸舒适下的长期使用。
根据本发明第一方面实施例的一种适用于矿井的自清灰可代替颗粒床口罩， 包括：泡沫盒、泡沫袋、气流通道、口罩滤膜、进气孔、出气孔、系带，进气孔 与泡沫盒相连，保证外界气体通过气流通道过滤后进入人体呼吸系统，出气孔与 泡沫盒相隔离，直接与外界大气相通，防止人体呼出的带有水汽的气体与泡沫袋、 口罩滤膜接触，造成泡沫颗粒、口罩滤膜的湿润，从而增加口罩的呼吸阻力与口 罩的总体质量，造成煤矿工人这种高强度运动的人群佩戴并不舒适。
作为改进，在出气孔与泡沫盒之间的距离为10-20mm，保证呼气过程气流直 接流入大气，并且减少呼出气体时的阻力。
其中泡沫袋外包装采用相应的轻质材料，疏水性及透气性较强的材料，外包 装前后缝合，形成若干管状的空间，每一个管状空间内填充泡沫颗粒，泡沫颗粒 直径约为1-2mm，泡沫颗粒的材料选取市场上常用材料，例如聚氨酯(PU)泡沫 颗粒，聚苯乙烯(PS)泡沫颗粒，聚丙烯(PP)泡沫颗粒,聚氯乙烯(PVC)泡沫 颗粒，聚乙烯(PE)泡沫颗粒等。泡沫袋中的泡沫颗粒密集分布，在泡沫袋中的 占比达到95％以上，几乎达到100％。泡沫袋结构通过相关的缝合变成若干管状的 空间，管状的空间的高度约为15-20mm，泡沫袋的撑开后厚度小于15mm，减少口 罩的整体质量，由于泡沫颗粒直径约为1-2mm，在装入泡沫颗粒后，泡沫袋内可 以形成5-7层泡沫颗粒。在缝合处增加相应的丝状布料结构，也可以在缝合处增 加相应的非透气材料，减少缝合处过滤效果差的缺点。泡沫袋主要作用是阻挡大 量的粉尘，当人体吸气时，气体最先流进泡沫袋，在空气的带动下，空气充分流 经泡沫袋。此时，含尘气流中粒度较大的粉尘，由于惯性作用力大，容易与泡沫 颗粒发生碰撞，碰撞后大颗粒随气流流动的动能降低，而沉降下来。对于粒度较 小的粉尘，惯性作用力小，但在流过泡沫颗粒时，由于泡沫颗粒的静电吸引作用， 使小颗粒更容易黏附于泡沫颗粒上，实现小粒度粉尘的捕捉。未被泡沫颗粒捕获 的微细粉尘随着气流经过口罩滤膜过滤而进一步净化。
口罩滤膜是对更小的粉尘颗粒进行过滤，口罩滤膜由静电棉，熔喷层和纺粘 布组成。静电棉采用静电纤维非织造的过滤材料，厚度较厚，可以容积大量的灰 尘；熔喷层为口罩滤膜的主要部分，主要由聚丙烯(PP)纤维作为材料制作熔喷非 织造布，也可以用天然纤维材料、纳米纤维材料、石墨烯材料来代替。纺粘布由 聚丙烯(PP)纤维材料制作，进一步阻挡相应的粉尘。这能阻隔大量的未被泡沫颗 粒去除的灰尘，在高浓度的灰尘下过滤效果达到95％左右，满足国家KN95标准， 满足国标GB2626-2019。
泡沫盒上设置开关，可以打开泡沫盒，通过开关，可以随时方便打开更换泡 沫袋和口罩滤膜。泡沫袋在长时间使用后集灰较多，通过替代泡沫袋来解决。当 泡沫袋在集灰许多后，更换泡沫袋。对于更换后泡沫袋，用水冲洗去除集灰，晾 干后可以继续使用，实现除灰的高效性。口罩滤膜的静电棉，熔喷层和纺粘布为 一体式结构，能够整体从泡沫盒内取出，方便更换。
作为改进，口罩的前部进气孔处设计口鼻支架，防止口罩与人体紧紧贴住， 造成呼吸阻力增大，佩戴者不舒适等问题。设计口鼻支架的作用让口鼻与进出气 孔之间留有一定空间，流经面积增大，并且减少呼吸阻力。整体支架大小与人体 面部相适应，便于保证人体的视线。在支架与鼻梁处，设计与鼻梁相适宜的结构， 并采用相应贴合物，例如可以采用软质橡胶等，保证口罩与人体面部紧密接触， 防止气体不通过进气孔而直接进入人体呼吸系统。
作为改进，进气孔、出气孔采用三角形结构，与面部口鼻的结构相适应。进 气孔与出气孔设计成一个半径为20-22mm的进气孔和两个半径为10-18mm的出气 孔。这样三角形的设计，可以充分利用整个空间。并且进气孔面积与两个出气孔 面积和相当，让呼气吸气的阻力几乎相等，保证呼吸的平稳。对于进气，整个气 流经过泡沫层，使气流从进气孔流入。而呼气，从呼气孔流出。由于呼出气体中 含有大量的水分，为此设计呼出气体不经过泡沫袋和口罩滤膜，从而让泡沫袋和 过滤膜保持干燥，保持泡沫袋和口罩滤膜的除灰效果，同时保持呼吸的舒适度。
作为改进，进气孔处安装塑料挡板和进气孔挡风板，塑料挡板位于外侧，进 气孔挡风板位于内侧，进气孔挡风板为软质材料，当气体通过时能够发生形变， 出气孔处安装塑料挡板和出气孔挡风板，塑料挡板位于内侧，出气孔挡风板位于 外侧，出气孔挡风板为软质材料，当气体通过时能够发生形变，进出气孔挡风板 的具体结构如图5所示，在吸气时，进气孔挡风板能够发生形变，进气孔挡风板 位置会达到虚线位置，而出气孔的塑料挡板位于内侧，出气孔挡风板位于外侧， 由于塑料挡板支撑力，阻止出气孔挡风板发生形变，从而保证气流只从进气孔进 入，气流不会从出气孔进入人体，保证呼入的气体全部流经泡沫袋。在呼气时， 出气孔挡风板能够发生形变，出气孔挡风板位置会达到虚线位置，而进气孔的塑 料挡板位于外侧，进气孔挡风板位于内侧，由于塑料挡板支撑力，阻止进气孔挡 风板发生形变，气流只从出气孔流出，气流不会从进气孔流出进入泡沫盒内，避 免水分等因素影响泡沫袋的除尘效果。
进气孔和出气孔周边形成面罩，面罩和系带采用亲和皮肤的材料，形变性强， 可塑性高，当人体佩戴后不会勒住面部，防止佩戴不适。并且系带和面罩边缘要 紧紧与人面贴合，提高口罩的密合性，防止口罩边缘与人体接触不紧密，造成粉 尘从面罩边缘进入，危害井下工人身体健康。
根据本发明第二方面实施例的一种确定上述自清灰可代替颗粒床口罩中泡 沫袋的长和宽的方法，根据实际矿工的呼吸阻力曲线，借助如下半经验公式模拟 相关曲线，计算设计合理的泡沫袋的长和宽。
其中r为泡沫颗粒半径；a和b分别为泡沫袋的长和宽；ρ为气体密度；v为 气体流速，t为呼吸时长；a1,b1,c1,d1为不同环境下的系数，经过相应的实验得 出采掘机操作司机，锚杆、打钻操作人员，岩巷作业人员，煤巷作业人员在普通 环境下以及在高温高湿环境下a1,b1,c1,d1的数值，具体如下表：
其中，上表中所说的高温高湿环境具体是指，高温为超过28℃，高湿为湿 度超过80％。根据上述公式以及实验测量的相关参数的数值，就能计算出ab的 乘积数值，该乘积就是泡沫袋面积，可以根据不同工种及工种环境，选择适应的 泡沫袋面积，在确定面积的情况下，可以调整a和b的数值大小。
根据本发明第三方面实施例的一种确定上述自清灰可代替颗粒床口罩中鼻 孔到口罩滤膜的距离的方法，依据计算公式(1),根据不同环境下的泡沫袋大小， 设计得到口鼻支架的计算公式，从而计算出鼻孔到口罩滤膜的距离：
其中P表示呼吸阻力；a和b分别为泡沫袋的长和宽；c为鼻孔到口罩滤膜 的距离；ρ为气体密度；v为气体流速；t为呼吸时长；d微分运算符号，dv代 表速度的微分，dt代表时间的微分，表示气流的加速度。
测量不同环境下的呼吸阻力，并根据相应泡沫袋的具体设计大小，综合呼吸阻力计算公式(1)和口鼻支架计算公式(2)，计算鼻孔到口罩滤膜的距离c。从而 设计更加适合矿工人员的自清灰可代替颗粒床口罩尺寸。
与现有技术相比，本发明是针对井下高浓度的粉尘环境，井下口罩工作时间 短，容尘量小，质量重等现状。同时针对泡沫颗粒床口罩中，泡沫不好装，泡沫 颗粒流动不稳定，质量大，泡沫长时间使用后带电量减少等问题，提出的一种新 型口罩，使用可代替泡沫颗粒袋，利用泡沫颗粒床和口罩滤膜共同作用提高除尘 效果，同时实现质量轻，成本低，干燥性保持好，呼吸阻力小等特点，大大提高 矿井下口罩的除尘效果。并根据实际矿工的呼吸阻力曲线，借助半经验公式模拟 相关曲线，计算设计合理的口罩相关参数，实现质量轻，过滤效果好，成本低， 干燥性保持好，适于煤矿工人佩戴的优点。此外，相关隔离的进气孔和出气孔， 提高口罩的清灰效果，减少呼吸阻力。
附图说明
：图1为口罩剖面结构图
图2为泡沫袋结构
图3为进出气流示意图
图4为进气孔、出气孔的三角形结构
图5为进出气孔挡风板结构
图6为普通环境的拟合曲线
图7为高温高湿环境的拟合曲线
附图标记：
1-泡沫盒，2-泡沫袋，3-气流通道，4-口罩滤膜，5-进气孔，6-出气孔，7- 系带,8-口鼻支架，9-开关，10-进气孔挡风板，11-出气孔挡风板，12-塑料挡板
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始 至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下 面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对 本发明的限制。
实施例1：
下面参考附图1-3描述本发明第一方面实施例的一种适用于矿井的自清灰 可代替颗粒床口罩,如图1-图3所示，本发明的一种适用于矿井的自清灰可代替 颗粒床口罩，包括：泡沫盒1、泡沫袋2、气流通道3、口罩滤膜4、进气孔5、 出气孔6、系带7，进气孔5与泡沫盒1相连，保证外界气体通过气流通道3过 滤后进入人体呼吸系统，出气孔6与泡沫盒1相隔离，直接与外界大气相通，防 止人体呼出的带有水汽的气体与泡沫袋2、口罩滤膜4接触，造成泡沫颗粒、口 罩滤膜4的湿润。为了保证呼气过程气流直接流入大气，并且减少呼出气体时的 阻力，在出气孔6与泡沫盒之间，增加15mm的距离。泡沫袋2外包装采用相应 的轻质材料，疏水性及透气性较强的材料，外包装前后缝合，形成若干管状的空 间，每一个管状空间内填充泡沫颗粒，泡沫颗粒直径约为1-2mm，泡沫颗粒的材 料选取市场上常用材料，例如聚氨酯(PU)泡沫颗粒，聚苯乙烯(PS)泡沫颗粒， 聚丙烯(PP)泡沫颗粒,聚氯乙烯(PVC)泡沫颗粒，聚乙烯(PE)泡沫颗粒等。 泡沫袋2中的泡沫颗粒密集分布，在泡沫袋2中的占比达到95％以上，泡沫袋2 结构通过相关的缝合变成若干管状的空间，管状的空间的高度约为15-20mm，泡 沫袋的撑开后厚度小于15mm，减少口罩的整体质量，泡沫颗粒在装入泡沫袋2 后，在泡沫袋2内可以形成5-7层泡沫颗粒。在缝合处增加相应的丝状布料结构， 也可以在缝合处增加相应的非透气材料，减少缝合处过滤效果差的缺点。泡沫袋 2主要作用是阻挡大量的粉尘，当人体吸气时，气体最先流进泡沫袋2，在空气 的带动下，空气充分流经泡沫袋2。此时，含尘气流中粒度较大的粉尘，由于惯 性作用力大，容易与泡沫颗粒发生碰撞，碰撞后大颗粒随气流流动的动能降低， 而沉降下来。对于粒度较小的粉尘，惯性作用力小，但在流过泡沫颗粒时，由于 泡沫颗粒的静电吸引作用，使小颗粒更容易黏附于泡沫颗粒上，实现小粒度粉尘 的捕捉。未被泡沫颗粒捕获的微细粉尘随着气流经过口罩滤膜过滤而进一步净化。 口罩滤膜4由静电棉，熔喷层和纺粘布组成，口罩滤膜是对更小的粉尘颗粒进行 过滤，静电棉采用静电纤维非织造的过滤材料，厚度较厚，可以容积大量的灰尘； 熔喷层为口罩滤膜的主要部分，主要由聚丙烯(PP)纤维作为材料制作熔喷非织造 布，也可以用天然纤维材料、纳米纤维材料、石墨烯材料来代替。纺粘布由聚丙 烯(PP)纤维材料制作，进一步阻挡相应的粉尘。
进气孔5和出气孔6周边形成面罩，面罩和系带7采用软橡胶材质，形变性 强，可塑性高，当人体佩戴后不会勒住面部，防止佩戴不适。并且系带7和面罩 边缘要紧紧与人面贴合，提高口罩的密合性，防止口罩边缘与人体接触不紧密， 造成粉尘从面罩边缘进入，危害井下工人身体健康。
实施例2：
根据实施例1中的一种适用于矿井的自清灰可代替颗粒床口罩，为了实现质 量轻，成本低，过滤效果好，就需要对泡沫袋2的尺寸进行相应的选择，如果尺 寸过大，就会增加口罩的治疗，佩戴不舒适，如果尺寸过小，就无法达到预期的 过滤效果，本实施例根据实际矿工的呼吸阻力曲线，借助半经验公式模拟相关曲 线，计算设计合理的泡沫袋2相关参数，使得口罩具有质量轻，成本低，过滤效 果好的优点，适于煤矿工人佩戴的优点。
本实施例根据实际矿工的呼吸阻力曲线，借助如下半经验公式模拟相关曲线， 从而计算设计合理的泡沫袋的长和宽。
其中r为泡沫颗粒半径；a和b分别为泡沫袋的长和宽；ρ为气体密度；v为气 体流速，t为呼吸时长；a1,b1,c1,d1为不同环境下的系数，经过相应的实验得出 采掘机操作司机、锚杆、打钻操作人员、岩巷作业、煤巷作业在普通环境下以及 在高温高湿环境下a1,b1,c1,d1的数值，根据实验，相应的拟合曲线见图6、图 7。
经过相应的实验以及上述拟合曲线图，得出采掘机操作司机，锚杆、打钻操 作人员，岩巷作业人员，煤巷作业人员在普通环境下以及在高温高湿环境下 a1,b1,c1,d1的数值具体如下表：
其中，上表中所说的高温高湿环境具体是指，高温为温度超过28℃，高湿 为湿度超过80％。
以采掘机操作司机为例，在普通环境下，根据呼吸阻力的拟合曲线，可知
以采掘机操作司机连续工作2个小时，其呼吸时长t＝2h，其呼吸阻力约为 218Pa。并根据r＝1.5mm，气体密度ρ＝1.293g/L，流速v＝85L/min,带入公式计 算可得，ab＝738.214。从而设计泡沫袋的长a＝50mm，宽b＝14.76mm。
事实例3：
下面参考附图1描述本发明的一种适用于矿井的自清灰可代替颗粒床口罩, 根据实施例1中的一种适用于矿井的自清灰可代替颗粒床口罩，口罩的前部进气 孔5处设计口鼻支架8，防止口罩与人体紧紧贴住，造成呼吸阻力增大，佩戴者 不舒适等问题。设计口鼻支架8的作用让口鼻与进出气孔之间留有一定空间，流 经面积增大，并且减少呼吸阻力。整体支架大小与人体面部相适应，并于保证人 体的视线。在支架与鼻梁处，设计与鼻梁相适宜的结构，并采用软质橡胶材料， 保证口罩与人体面部紧密接触，防止气体不通过进气孔而直接进入人体呼吸系统。
口鼻支架8大小对于佩戴舒适度及过滤效果有很大的影响，依据计算公式 (1),根据不同环境下的泡沫袋2大小，设计得到口鼻支架的计算公式，从而计算 出鼻孔到口罩滤膜的距离：
其中P表示呼吸阻力；a和b分别为泡沫袋的长和宽；c为鼻孔到口罩滤膜 的距离；ρ为气体密度；v为气体流速；t为呼吸时长；d微分运算符号，dv代 表速度的微分，dt代表时间的微分，表示气流的加速度。
以采掘机操作司机为例，在普通环境下，采掘机操作司机连续工作2个小时 其呼吸阻力约为218Pa，泡沫袋的长a＝50mm，宽b＝14.76mm，气体密度 ρ＝1.293g/L，气体流速为85L/min，呼吸时长t＝2h，带入公式计算得，c＝20mm。 可得鼻孔到口罩滤膜的距离c＝20mm。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而 且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其它的具体形式实现本发 明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性 的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要 求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的 任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡是依据本发 明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同替换和改进，均应包含在 本发明技术方案的保护范围之内。
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