Респиратор с некруглым клапаном выдоха, установленным в центре масс
RESPIRATOR WITH NON-CIRCULAR EXHALATION VALVE MOUNTED IN THE CENTRE OF MASS

[0001] Настоящее изобретение относится к респиратору, клапан выдоха которого содержит некруглую эластичную створку, установленную в центре масс.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0002] Люди, работающие в загрязненных окружающих средах, обычно используют респираторы для защиты от вдыхания переносящихся по воздуху загрязняющих веществ. Респираторы, как правило, содержат волокнистый или сорбирующий фильтр, выполненный с возможностью удаления загрязняющих веществ в виде частиц и/или газа из воздуха. При использовании респиратора в загрязненной окружающей среде пользователи чувствуют себя комфортно, поскольку знают, что их здоровье защищено, однако в то же время они испытывают неудобство вследствие накопления вокруг их лиц теплого и влажного выдыхаемого воздуха. Чем больше этот дискомфорт в области лица, тем больше шансов, что пользователь может снять респиратор со своего лица для уменьшения неприятных ощущений. Для снижения вероятности такой ситуации производители респираторов часто устанавливают клапан выдоха на основе маски для обеспечения быстрого выпуска теплого и влажного выдыхаемого воздуха из внутренней части маски. Быстрое удаление выдыхаемого воздуха приводит к охлаждению внутренней части маски, что, в свою очередь, положительно влияет на безопасность рабочего.
[0003] Долгие годы в респираторных масках серийного производства использовались клапаны выдоха "кнопочного типа" для выпуска выдыхаемого воздуха из внутренних частей маски. В клапанах кнопочного типа, как правило, используется тонкая круглая эластичная створка в качестве подвижного механического элемента, которая обеспечивает выход выдыхаемого воздуха из внутреннего газового пространства. Круглая створка устанавливалась в седле клапана по центру посредством центрального стержня. Примеры клапанов кнопочного типа описаны в патентах США №2,072,516, 2,230,770, 2,895,472 и 4,630,604. Когда человек выдыхает, периферийная часть створки поднимается от седла клапана, так что воздух может быстро проходить из внутреннего газового пространства во внешнее газовое пространство.
[0004] Клапаны кнопочного типа обеспечивали преимущество в попытке увеличить удобство для пользователя, но исследователи реализовали другие улучшения, одним из примеров которых является "поворотный дисковый" клапан, описанный в патенте США №4,934,362 (Braun). В клапане, описанном в патенте Braun, используется параболическое седло клапана и продолговатая эластичная створка, установленная с возможностью поворота.
[0005] После разработки от Braun было реализовано другое улучшение в области клапанов выдоха и описано в патентах США №5,325,892 и 5,509,436 (Japuntich et al.). В клапане от Japuntich et al. используется одна эластичная створка, установленная не по центру и закрепленная консольно для сведения к минимуму давления выдоха, требуемого для открывания клапана. Когда давление для открывания клапана сведено к минимуму, требуется меньшее усилие для срабатывания клапана, что означает, что пользователю не требуется прикладывать значительное усилие для удаления выдыхаемого воздуха из внутренней части маски при осуществлении дыхания - см. также патент США №7,493,900 (Japuntich et al.).
[0006] В других клапанах, представленных после клапана Japuntich et al., также использовались консольно закрепленные створки - см. патент США №5,687,767 и 6,047,698. В еще одной разработке поверхность уплотнения седла клапана была выполнена из упругого материала, обеспечивающего возможность использования более тонкой, но более жесткой створки, улучшающей эффективность клапана - см. патент США №7,188,622 (Martin et al.).
[0007] Хотя развитие конструкции клапана выдоха было сосредоточено в основном на конструктивных изменениях седла клапана и крепления створки к нему, исследователи также внесли конструктивные изменения в саму створку для улучшения рабочих характеристик клапана. В патентах США №7,028,689 и 7,013,895 (Martin et al.) в створку было включено множество слоев для создания более тонкой и более подвижной створки, которая обеспечивала более простое открытие клапана под действием меньшего давления. В конструкции створки также были обеспечены ребра и предварительно изогнутая неодинаковая конфигурация для обеспечения хороших рабочих характеристик - см. патент США 7,302,951 (Mittelstadt et al.). В публикации на патент США №2009/0133700 (Martin et al.) в створке клапана обеспечены прорези на шарнирном соединении для улучшения рабочих характеристик клапана. Кроме того, в опубликованной заявке на патент США №2012/0167890A (Insley et al.) створка была подвергнута абляции в выбранных областях для достижения необходимых рабочих характеристик клапана. Створки также были изготовлены из оптической пленки, которая обеспечивала вспыхивание створки, вследствие чего пользователи могут просто определить соответствующее срабатывание клапана - см. заявку на патент США №61/846456 (Martin et al.).
[0008] Конструкции респиратора характеризуются разнообразием форм и конфигураций, причем на конструкцию часто влияет ориентация и расположение фильтрующих картриджей и любого клапана выдоха, расположенного на основе маски. Консольные клапаны, например, обычно вертикально ориентированы на основе маски, причем свободный конец створки направлен вниз. При иной ориентации выдыхаемый воздух потенциально может затуманивать очки пользователя. Таким образом, конструкции клапана для клапанов выдоха с высокими рабочими характеристиками могут накладывать ограничения на конструкцию основы маски. Новый клапан, который может обеспечить исключительные рабочие характеристики клапана, подобно консольному клапану, без необходимости в вертикальной ориентации, может способствовать уменьшению ограничений, накладываемых на конструкцию клапана. Целью описанного ниже настоящего изобретения является обеспечение такого клапана.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0009] Настоящее изобретение предлагает клапан выдоха, содержащий:
(a) седло клапана, содержащее отверстие и некруглую поверхность уплотнения, окружающую отверстие; и
(b) эластичную створку, которая прикреплена к седлу клапана в центре масс отверстия и содержит конструкцию с переменной жесткостью.
[0010] Настоящее изобретение также предлагает респиратор, содержащий:
(a) крепежный узел; и
(b) основу маски, содержащую клапан выдоха, который включает:
(i) седло клапана, содержащее отверстие и некруглую поверхность уплотнения, окружающую отверстие; и
(ii) эластичную створку, которая прикреплена к седлу клапана в центре масс отверстия и содержит конструкцию с переменной жесткостью.
[0011] Настоящее изобретение отличается от известных из уровня техники клапанов выдоха тем, что клапан согласно настоящему изобретению содержит конструкцию с переменной жесткостью, которая обеспечивает возможность одинакового отклонения створки некруглого установленного по центру клапана в сущности в любой точке по периметру створки. Способность к такому одинаковому отклонению позволяет клапану легко и свободно открываться по всему периметру створки - то есть, по существу одинаковое усилие приводит к подъему створки от седла клапана в любой точке по периметру. Конструкция с переменной жесткостью может быть выполнена таким образом, чтобы удерживать клапан закрытым в любой ориентации, когда пользователь не выдыхает, при этом, в то же время, обеспечивая, что для открытия клапана во время выдыхания требуется минимальное усилие. Снижение давления выдоха повышает удобство пользователя, в частности, когда пользователь занимается физической активностью. И, как указано выше, более низкое давление выдоха повышает безопасность пользователя вследствие снижения вероятности того, что пользователь снимет респиратор со своего лица во время использования. Таким образом, настоящее изобретение может повысить безопасность рабочего, при этом также обеспечивая возможность выполнения клапана и респиратора в различных формах и конфигурациях. Клапан может быть установлен на основе маски в различных ориентациях. Таким образом, настоящее изобретение может увеличить разнообразие конструкций клапанов выдоха и респираторов с обеспечением дополнительного преимущества, заключающегося в обеспечении исключительной производительности, необходимой для пользователей респиратора.
Глоссарий
[0012] Приведенные далее термины имеют следующие значения:
[0013] термин "элемент выравнивания" означает деталь, которая способствует тому, чтобы устройство, с которым связана указанная деталь, всегда находилось в правильной ориентации во время использования;
[0014] термин "чистый воздух" означает объем атмосферного окружающего воздуха, который был отфильтрован с целью удаления загрязняющих веществ;
[0015] термин "центр масс" означает центр инерции с конструкцией с переменной жесткостью или без нее;
[0016] термин "содержит (или содержащий)" означает его определение как стандартного в патентной терминологии открытого термина, который является, по сути, синонимичным терминам "включает", "имеющий" или "вмещающий". Несмотря на то, что термины "содержит", "включает", "имеющий" и "вмещающий", а также их варианты являются широко применимыми открытыми терминами, настоящее изобретение также может быть соответствующим образом описано с применением более узких терминов, таких как "состоит в основном из", которые являются полуоткрытыми терминами, исключающими лишь те объекты или элементы, которые оказывают отрицательное воздействие на рабочие характеристики объекта, к которому относится термин;
[0017] термин "одинаково отклоняется" означает, что отношение усилия, прикладываемого для обеспечения отклонения эластичной створки в месте с более высокой нагрузкой, к усилию, необходимому для обеспечения отклонения створки в месте с более низкой нагрузкой ("соотношение усилий отклонения створки" или FDR), при испытании в соответствии с испытанием для определения отклонения створки, раскрытым ниже, составляет менее 2;
[0018] термин "клапан выдоха" означает клапан, который открывается для обеспечения выхода выдыхаемого воздуха из внутреннего газового пространства респиратора;
[0019] термин "выдыхаемый воздух" означает воздух, выдыхаемый пользователем респиратора;
[0020] термин "внешнее газовое пространство" означает газовое пространство внешней атмосферы, в которое выдыхаемый газ попадает после прохождения через и за пределы основы маски и/или клапана выдоха;
[0021] термин "фильтр" или "фильтрующий слой" означает один или более слоев из материала, при этом один или более слоев являются пригодными для осуществления основной цели, заключающейся в удалении загрязняющих веществ (таких как частицы) из потока воздуха, проходящего через них;
[0022] термин "фильтрующий материал" означает воздухопроницаемую конструкцию, предназначенную для удаления загрязняющих веществ из проходящего через нее воздуха;
[0023] термин "эластичная створка" означает элемент, который может отклоняться или изгибаться под действием усилия, оказываемого потоком воздуха, выдыхаемого человеком;
[0024] термин "крепежный узел" означает конструкцию или комбинацию деталей, способствующие поддержанию основы маски на лице пользователя;
[0025] термин "внутреннее газовое пространство" означает пространство между основой маски и лицом человека;
[0026] термин "основа маски" означает конструкцию, которая может быть размещена по меньшей мере поверх носа и рта человека и способствует образованию внутреннего газового пространства, отделенного от внешнего газового пространства;
[0027] термин "основная поверхность" обозначает поверхность, имеющую площадь поверхности, которая существенно больше, чем у других поверхностей (но не всех поверхностей) в изделии или компоненте;
[0028] термин "некруглый" означает, что элемент не имеет формы круга, если смотреть через плоскость, проецируемую фронтально на седло клапана;
[0029] термин "отверстие" означает проход, который может быть или может не быть разделен, а также выполнен соответствующего размера для обеспечения свободного прохождения выдыхаемого воздуха через него;
[0030] термин "наружная поверхность" относительно эластичной створки означает основную поверхность, которая направлена в сторону от поверхности уплотнения, когда створка установлена или расположена на седле клапана;
[0031] термин "периметр" относительно эластичной створки означает место на кромке створки или возле нее, как правило, в пределах расстоянии в 3 миллиметра (мм) от кромки створки;
[0032] термин "множество" означает два или более;
[0033] термин "респиратор" означает устройство, которое человек носит для обеспечения пользователя чистым воздухом для дыхания;
[0034] термин "поверхность уплотнения" означает поверхность, на которой расположена эластичная створка, когда клапан находится в закрытом положении;
[0035] термин "прикреплен" означает присоединение любым образом;
[0036] термин "небольшое смещение" обозначает минимальное смещение, необходимое для удерживания эластичной створки в закрытом положении при любой ориентации, когда на створку не действуют никакие усилия, кроме силы тяжести.
[0037] термин "окружающий" означает размещение вокруг рассматриваемого предмета со всех направлений;
[0038] термин "седло клапана" или «корпус клапана» означает цельную часть клапана, которая содержит отверстие, через которое протекает текучее вещество, и которая расположена вблизи или в контакте с основанием или изделием, к которому она прикрепляется; и
[0039] термин "конструкция с переменной жесткостью" означает конструкцию, часть или комбинацию частей, которая обеспечивает одинаковое отклонение некруглой створки под заданной нагрузкой при измерении в соответствии с испытанием для определения отклонения, указанным ниже.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0040] На чертежах:
[0041] фиг. 1 - вид спереди в перспективе респиратора 10 согласно настоящему изобретению;
[0042] фиг. 2 - вид спереди в перспективе основы 12 маски респиратора согласно настоящему изобретению, на котором показана эластичная створка 42 клапана и закрывающая пластина 14, отделенные от нее;
[0043] фиг. 3 - вид спереди в перспективе клапана 23 выдоха;
[0044] фиг. 4 - вид в поперечном сечении клапана 23 выдоха, выполненном вдоль линий 4-4 согласно фиг. 3;
[0045] фиг. 5 - вид в поперечном сечении клапана 23 выдоха, выполненном вдоль линий 5-5 согласно фиг. 3; и
[0046] фиг. 6 - вид в поперечном сечении вертикально рассеченной пополам центральной части 32 основы 12 маски.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВОПЛОЩЕНИЙ
[0047] При осуществлении на практике настоящего изобретения установленная в центре масс эластичная створка, прикрепленная к седлу клапана, содержащему некруглое отверстие, обеспечена конструкцией с переменной жесткостью, которая, несмотря на то, что секции створки имеют различные значения длины от точки крепления, может открываться в сущности одинаково в любой точке или сегменте по периметру створки. В известных клапанах выдоха створки с большей длиной, как правило, поднимаются более свободно от поверхности уплотнения вследствие более высокого момента силы. Поскольку настоящее изобретение содержит конструкцию с переменной жесткостью, которая придает большую жесткость створке на более длинных радиальных сегментах, требуется большее усилие или нагрузка для открытия створки на указанном радиусе в том же самом месте. Увеличенная жесткость на указанном радиусе подразумевает больший момент силы, который обеспечивает одинаковое отклонение эластичной створки на различных радиусах, протяженных от центра масс, при измерении в точке, где различные радиусы пересекаются с поверхностью уплотнения. Клапан выдоха, имеющий данную конструкцию, может обеспечивать оптимальный перепад давления и общие рабочие характеристики клапана для некруглых клапанов выдоха. Некруглому клапану, имеющему данную конструкцию, также может быть придана предпочтительная форма для различных конфигураций, в которых аналогично выполненные консольные клапаны имеют ограниченные возможности.
[0048] На фиг. 1 показан респиратор 10, содержащий основу 12 маски и закрывающую пластину 14, расположенную на передней стороне основы 12 маски. Респиратор 10 также включает крепежный узел 16, который содержит ремни 18а, 18b для удержания респиратора 10 на голове пользователя во время использования. Верхние ремни 18а могут быть прикреплены к расположенному на макушке элементу 18 с, который находится на макушке головы пользователя во время использования. Нижний набор ремней 18b выполнен протяженным за шею пользователя во время использования и может включать съемную пряжку для обеспечения простоты прикрепления и снятия. Примеры крепежных узлов, которые могут быть подходящими для использования в настоящем изобретении, описаны в патентах США №6,732,733 (Brostrom et al.) и 6,715,490 (Byram). Закрывающая пластина 14 может быть снабжена одной или более прорезями 19, через которые проходят ремни 18а, 18b. Пара фильтрующих картриджей 20 прикреплена к основе 12 маски для обеспечения подачи чистого воздуха пользователю для дыхания. Картриджи 20 содержат один или более слоев фильтрующего материала, которые удаляют загрязняющие вещества из окружающего воздуха, когда пользователь осуществляет вдох. Фильтрующий материал может удалять загрязняющие вещества в виде частиц и/или загрязняющие вещества в виде газа в зависимости от применения. Фильтрующие картриджи 20 могут быть вставлены в гнезда 21 для картриджа с помощью устройства, описанного в заявке на патент США 2013/0125896 (Dwyer et al.). Респиратор 10 также может быть снабжен устройством 22 для голосовой передачи, которое обеспечивает для пользователя респиратора возможность связываться с другими лицами. Клапан 23 выдоха (фиг. 2-6) может быть расположен под крышкой 24 клапана выдоха, расположенной на закрывающей пластине 14. В крышке 24 клапана может быть выполнена группа отверстий 26, которые обеспечивают возможность прохождения выдыхаемого воздуха из расположенного под ней клапана в окружающее воздушное пространство. Кнопка 28 проверки отрицательного давления может быть установлена по центру на основе 12 маски для обеспечения возможности для пользователя респиратора быстро определять, что лицевое уплотнение 30 основы маски не протекает. Для осуществления такого определения пользователь просто нажимает на кнопку 28 и делает вдох. Нажатие кнопки приводит к закрытию клапана 31 вдоха (фиг. 6). Если обнаруживается, что воздух входит во внутреннюю часть основы маски во время осуществления попытки вдоха, значит лицевое уплотнение неправильно расположено на лице пользователя. Респиратор может быть слишком большим или маленьким, или же хорошему прилеганию к лицу может мешать какое-либо препятствие. Кнопка проверки давления, подходящая для такого использования, описана в совместно рассматриваемой заявке на патент США №13/757373 (Mittelstadt et al.). Лицевое уплотнение 30 может быть выполнено из гибкого или эластомерного материала, такого как силикон, для обеспечения плотного прилегания лицевого уплотнения к различным лицам. Лицевое уплотнение 30 крепится к жесткой центральной части 32 основы 12 маски для обеспечения более легкого при ношении конечного изделия. Основа 12 маски, в которой используется такая жесткая центральная часть описана в патенте США №5,062,421 (Burns и Reischel), см. также патент США №7,650,884 (Flannigan et al.).
[0049] На фиг. 2 показана основа 12 маски, содержащая закрывающую пластину 14, отделенную от нее. Клапан 23 выдоха расположен под закрывающей пластиной 14. Клапан 23 выдоха содержит седло 36 клапана, имеющее отверстие 38 и некруглую поверхность 40 уплотнения, окружающую отверстие 38. Клапан 23 выдоха также включает эластичную створку 42, которая крепится к седлу 36 клапана в центре 44 масс створки 42 и которая содержит конструкцию 46 с переменной жесткостью (фиг. 3), обеспечивающую одинаковое отклонение эластичной створки 42 относительно поверхности 40 уплотнения седла клапана под действием усилия, оказываемого воздухом, выдыхаемым пользователем. Эластичная створка 42 также содержит первый элемент 46 выравнивания, а седло 36 клапана содержит второй элемент 48 выравнивания, выполненный сопряженным с первым элементом 46 выравниванием. Первый и второй элементы 46 и 48 выравнивания обеспечивают возможность правильной ориентации эластичной створки 42 на седле 36 клапана. Установление правильной ориентации особенно важно в некруглой створке, поскольку незначительный поворот створки 42 относительно центра 44 масс может привести к выходу нижней стороны 50 створки 42 из контакта с поверхностью 40 уплотнения. Клапаны кнопочного типа, например, требуют только выравнивания по центру, поскольку поворот створки клапана не представляет проблемы. Первый и второй элементы 46 и 48 выравнивания соответственно не только обеспечивают выравнивание центра 44 масс створки с центром 52 масс седла клапана, но они также предотвращают поворот створки 42 относительно центра 52 масс в плоскости створки. Для осуществления этого первый элемент 46 выравнивания включает один или более предотвращающих вращение элементов 53 а, которые сопрягаются с предотвращающими вращение элементами 53b аналогичного размера во втором элементе 48 выравнивания. Седло 36 клапана также может быть снабжено одной или более поперечинами 54, которые выполнены протяженными в радиальном направлении от второго элемента 48 выравнивания до внутренней кромки 56 отверстия (фиг. 2). Поперечины 54 поддерживают второй элемент 48 выравнивания в отверстии 38 клапана в правильном месте.
[0050] На фиг. 3 показан клапан 23 выдоха с эластичной створкой 42, находящейся на седле 36 клапана (фиг. 4 и 5) в закрытом положении. Створка 42, как правило, смещена в направлении седла 36 клапана, когда она находится в закрытом положении. Смещение предпочтительно выполнено "небольшим", то есть, смещение выполнено для удерживания створки 42 в закрытом положении при минимальном усилии, независимо от ориентации клапана, когда вызванные воздушным потоком усилия не воздействуют на створку 42. Небольшое смещение может быть достигнуто путем проектирования конструкции 46 с переменной жесткостью таким образом, чтобы она обеспечивала удержание створки 42 закрытой во всех точках по периметру 58 створки, когда она перевернута и на нее воздействует только сила тяжести. Эластичная створка 42 также приспособлена для одинакового отклонения под действием давления выдоха. Конструкция 46 с переменной жесткостью обеспечивает для любого сегмента периметра 58 створки по существу одинаковую возможность подъема относительно поверхности 40 уплотнения (фиг. 2, 4 и 5) во время выдоха. Изображенная створка 42 и расположенная под ней поверхность 40 уплотнения имеют продолговатую форму, если смотреть через плоскость, спроецированную на наружную основную поверхность 60 эластичной створки 42. По существу все другие некруглые формы находятся в пределах объема настоящего изобретения. Створка 42 и поверхность 40 уплотнения не обязательно должны иметь одинаковую форму, хотя это обычно является предпочтительным для лучших рабочих характеристик. Створка 42 и поверхность 40 уплотнения могут иметь, например, прямоугольную, квадратную, треугольную, эллиптическую, шестиугольную, восьмиугольную, неправильную или другую форму. Седло 36 клапана крепится к материалу 62 основания при использовании. Материал 62 основания может представлять собой один или более материалов, которые содержит основа 12 маски (фиг. 1). Если клапан прикреплен к фильтрующей лицевой маске - см., например, патенты США №7,131,442 (Kronzer et al.) и 6,923,182 (Angadjivand et al.) -седло клапана может быть прикреплено к нетканым волокнистым материалам фильтрующей конструкции основы маски. Если основа маски содержит фильтрующие картриджи или вставляемые формованные фильтрующие элементы - см, например, патенты США №6,883,518 (Mittelstadt et al.) и 4,790,306 (Braun) - седло клапана может быть сформовано в основе маски или может быть прикреплено к ней. Седло клапана также может быть прикреплено к раме, которая опирается на опорную конструкцию основы маски - см., например, заявку на патент США №2009/0078264 (Martin et al.). Конструкция 46 с переменной жесткостью может включать множество ребер 64, которые выполнены протяженными в радиальном направлении от центра 44 масс. Смежные ребра могут быть расположены относительно друг друга под углом приблизительно от 10 до 45 градусов, более часто приблизительно от 15 до 30 градусов. Более длинные ребра 64а, протяженные от центра 44 масс до более длинных концов 66, выполнены более жесткими, чем более короткие ребра 64b, протяженные от центра 44 масс створки до более коротких концов 68 створки 42. Различные степени жесткости могут быть достигнуты путем выполнения более жестких ребер 64а с большей высотой или шириной, чем у менее жестких ребер 64b. Таким образом, поперечное сечение более жестких ребер 64а может быть больше, чем поперечное сечение менее жестких ребер 64b. Разница площадей поперечного сечения может находиться в диапазоне приблизительно от 10 до 50%. Альтернативно, более жесткие ребра 64а могут быть выполнены из более жесткого материала, чем менее жесткие ребра 64b, и при этом иметь аналогичное поперечное сечение. Другим способом обеспечения конструкции с переменной жесткостью является выполнение створки 42 с большей толщиной в секциях, которые характеризуются большей длиной или моментом силы. Створки, которые имеют ребра и неравномерные толщины описаны в патенте США №6,883,518 (Mittelstadt et al.). Эластичная створка может характеризоваться неравномерной толщиной, причем более длинные секции створки имеют большую толщину, чем более короткие секции створки. Створка с переменными толщинами может быть обеспечена путем абляции различных частей створки с помощью, например, лазера - см. заявки на патент США №2012/0167890 и 2012/0168658 (Insley et al.). Эластичная створка также может быть предварительно изогнута, причем указанный предварительный изгиб распрямляется, когда створка крепится к седлу клапана - см. патент '518 (Mittelstadt et al.).
[0051] На фиг. 4 и 5 показано, что более длинные ребра 64а имеют большую высоту, чем более короткие ребра 64b. Увеличение высоты ребра с аналогичной шириной приводит к созданию большего поперечного сечения и, таким образом, увеличивает жесткость ребра. Более жесткое ребро 64а удерживает свободный конец 66 створки 42 смещенным в направлении поверхности 40 уплотнения, вследствие чего она остается закрытой независимо от ориентации клапана 23. Более короткий свободный конец 68 створки 42, таким образом, имеет такую же вероятность отклонения, что и более длинный свободный конец 66. Соотношение усилий отклонения створки (FDR) для эластичных створок, используемых в соответствии с настоящим изобретением, составляет менее 2, предпочтительно менее 1,5, и более предпочтительно менее 1,4 при испытании в соответствии с испытанием для определения отклонения створки, приведенным ниже. FDR предпочтительно насколько это возможно близко к 1. Также может быть достигнуто FDR менее 1,3, 1,2 и 1,1. Как правило, любая точка, измеренная по периметру 58 створки на любом радиусе, протяженном от центра масс, с применением испытания для определения отклонения створки, характеризуется нагрузкой не более 10 миллиньютон (мН), предпочтительно не более 5 мН, предназначенной для отклонения створки на 1 миллиметр (мм). Каждая точка по периметру створки, измеренная для определения нагрузки, предназначенной для отклонения створки на указанное расстояние в 1 мм, предпочтительно не отличается от любой другой точки, измеренной таким образом, более чем на 100%, более предпочтительно более чем на 50%, и еще более предпочтительно более чем на 25%.
[0052] На фиг. 6 показана центральная часть 32 основы 12 маски (фиг. 2) в поперечном сечении. При использовании респиратора 10 (фиг. 1) основа 12 маски отделяет внутреннее газовое пространство от внешнего газового пространства. Чистый воздух, поступающий во внутреннее газовое пространство через проход 70, проходит в центральную камеру 72 перед прохождением через клапан 31 вдоха, где его может вдохнуть пользователь респиратора. Чистый воздух создается при первом прохождении через фильтрующий картридж 20 (фиг. 1). Картридж 20 вставлен в гнездо 21 (фиг. 2) при использовании респиратора. Основа маски, имеющая указанную конфигурацию, описана в заявке на патент США №13/757,068 (Dwyer et al.). Воздух, выдыхаемый пользователем, проходит из внутреннего газового пространства во внешнее газовое пространство через клапан 23 выдоха. Поток выдыхаемого воздуха или давление воздуха обеспечивает поднятие свободного конца эластичной створки 42 от поверхности 40 уплотнения, чтобы позволить воздуху проходить через отверстие 38 клапана и отверстия 26 в закрывающей пластине 14. Вместо закрывающей пластины 14 может использоваться крышка клапана для защиты клапана и направления выдыхаемого воздуха вниз. Пример крышки клапана показан в описании патента США №347.299 (Japuntich et al.).
ПРИМЕРЫ
Испытание для определения отклонения створки
[0053] В данном испытании измеряют нагрузку или усилие, необходимое для поднятия эластичной створки от поверхности уплотнения седла клапана на высоту 1 мм.
[0054] Для осуществления этого испытания клапан выдоха сначала размещают в соответствующим образом откалиброванном испытательном устройстве. Три координатных стола с передачей линейного перемещения от Zaber (модель T-LSR 150) применяют для трехмерного позиционирования образца. Их собирают таким образом, чтобы зажимное приспособление с прикрепленным образцом могло перемещаться в трех координатах для позиционирования образца и приложения нагрузки с помощью потенциометров с ручным управлением на каждом координатном столе. Зажимное приспособление выполнено с возможностью удержания седла клапана. Тензодатчик от Transducer Techniques (модель GS0-10) располагают под образцом в рассматриваемой области с неподвижным приспособлением и прикрепленным плоским пуансоном размером 0,5 мм. Плоский пуансон имеет диаметр 0,5 мм на головке со стволом диаметром 1 мм и длиной 16 мм, который крепится к резьбовой шпильке, которая, в свою очередь, ввинчивается в тензодатчик. Длина плоского пуансона составляет 1,25 дюйма. USB-микроскоп (USB - универсальная последовательная шина) Dinolite™ устанавливают на расстоянии 2,75 дюйма от чувствительного элемента/образца для наблюдения сбоку за тем, как пуансон поднимает створку. Тензодатчик подключен к источнику питания на 10 В постоянного тока с помощью формирователя сигналов от Transducer Techniques модели ТМО-1, в котором коэффициент усиления установлен на максимальное значение. Тензодатчик крепится к стенду для статических испытаний, причем пуансон направлен вверх в направлении рассматриваемой области. Тензодатчик настраивают с помощью потенциометра на формирователе сигналов ТМО-1. Тензодатчик и USB-микроскоп соединены с компьютером с помощью платы сбора данных с USB от Measurement Computing FS1408 и соответствующего программного обеспечения Tracer DAQ и Instacal. Плата сбора данных выбрана и испытана с помощью программного обеспечения Instacal™. Тензодатчик калибруют с помощью гирек с граммовым весом, после чего вычисляют линейное приближение зависимости усилия (мН) от выходного напряжения в милливольтах. Образец прижимают к приспособлению координатного стола, причем створка установлена на седле клапана. Поршень размещают под подлежащими испытанию участками с помощью координатного стола. Измерение расстояния осуществляют путем размещения градуированной линейки рядом со створкой, которая должна быть поднята. Итоговое изображение сохраняют с градациями 0,5 мм.
[0055] После размещения соответствующим образом испытательного образца в устройстве выполняют следующие этапы для измерения нагрузки, необходимой для подъема эластичной створки от поверхности уплотнения:
1. Пуансон размещают под эластичной створкой в месте, где створка соприкасается с поверхностью уплотнения. Пуансон почти касается клапана. Начинают осуществлять сбор данных для канала нагрузки для программного обеспечения Tracerdaq™. Для получения данных используется частота семплирования 100 замеров/сек и продолжительность выборки 3 минуты.
2. Сразу после того, как канал нагрузки начинает собирать данные, оператор переключается на видеоэкран для просмотра того, что чувствительный элемент находится практически в контакте с образцом. Запускают запись видео.
3. С применением регулирования перемещения по оси z координатного стола, образец опускают на чувствительный элемент, причем на видео демонстрируется, что створка клапана поднимается от корпуса вследствие зацепления с чувствительным элементом.
4. При значении подъема приблизительно 1 мм, контроллер задержки удерживает чувствительный элемент на месте в течение периода времени продолжительностью 2-3 секунды.
5. После завершения этапа с задержкой, нагрузку отводят от створки с помощью контроллера перемещения по оси z координатного стола.
6. Задержку при нулевой нагрузке выдерживают в течение 5 секунд.
7. Этапы 3-6 повторяют еще два раза.
8. Зависимость нагрузки от времени сохраняют в программном обеспечении Tracerdaq™; видео сохраняют в программном обеспечении Dinolite.
9. Видео рассматривают на кадре с максимальной величиной подъема во время испытания. Затем расстояние подъема 1 мм измеряют и проверяют с применением калибровки относительно градуированной линейки.
[0056] Выходные значения из системы представлены в милливольтах. Линейное приближение используют для определения нагрузки, которую затем указывают в миллиньютонах (мН). Нагрузку при отклонении в 1 мм измеряют в двух местах. Место 1 представляет собой точку, где самый короткий радиус, проходящий от центра масс, пересекается с внутренней поверхностью отверстия клапана, а место 2 представляет собой точку, где самый длинный радиус пересекается с внутренней поверхностью отверстия клапана. Место 1 указано на фиг. 4 номером 74, а место 2 указано на фиг. 5 номером 76.
Пример E1
2
2
[0057] Конструировали клапан выдоха, подобный клапану, показанному на фиг. 2-6. Эластичную створку формовали с применением силиконового каучука Wacker Elastosil 3001-60. Седло клапана и его поверхность уплотнения изготавливали посредством процесса стереолитографии (SLA) с применением материала для быстрого прототипирования Accura™ 60. Эластичная створка имела длину длинной оси 41 миллиметр (мм) (20,5 мм от центра масс) и длину короткой оси 25 мм (12,5 мм от центра масс). Эластичная створка была выполнена таким образом, чтобы оставаться закрытой под действием гравитационной нагрузки при любой ориентации. Ребра были ориентированы так, как показано на фиг. 3. Ребра были выполнены протяженными в радиальном направлении от центра масс таким образом, что смежные ребра были расположены относительно друг друга под углом приблизительно 24 градуса. Угловой интервал был одинаковым для каждого из ребер. Сплошной лист створки, присоединенный к ребрам, имел толщину приблизительно 0,28 мм. В предыдущей конструкции, в которой ребра не были прикреплены к листу створки, было обнаружено, что створка не оставалась закрытой во всех ориентациях при гравитационной нагрузке. Площадь поперечного сечения ребер варьировалась. Ребра на длинной оси имели максимальную площадь поперечного сечения приблизительно 0,25 мм. Ребра на короткой оси имели максимальную площадь поперечного сечения приблизительно 0,13 мм. Было обнаружено, что ребра, имевшие такую площадь поперечного сечения, выгибались, когда на створку воздействовало усилие, приводившее к изгибу створки. Длина самого длинного ребра составляла 18,5 мм. Длина самого короткого ребра составляла 10,2 мм. Высота ребра в центре масс самого длинного ребра составляла 0,82 мм. Высота ребра в центре масс самого короткого ребра составляла 0,42 мм. Самое высокое ребро уменьшалось до высоты приблизительно 0,4 мм на периметре. Ширина ребра составляла 0,31 мм и была одинаковой для всех ребер. Все ребра пересекали выступ, расположенный в центре масс створки. Выступ имел диаметр 4,5 мм. Элемент выравнивания был симметричным относительно центра масс и имел ширину 3 мм и длину 10,2 мм. Элемент выравнивания уменьшался от мембраны створки до плоскости, расположенной на максимальном расстоянии 2,8 мм от створки.
[0058] Седло клапана было выполнено с конфигурацией, показанной на фиг. 2, 4 и 5. Седло клапана было создано путем быстрого прототипирования.
[0059] Эластичная створка была присоединена к седлу клапана путем введения центрального выступа и компонента выравнивания в соответствующий сопряженный компонент на седле клапана. Сопряженный компонент содержал отверстие, предназначенное для размещения в нем выступа/компонента выравнивания и удержания клапана на седле клапана.
[0060] Полученный в результате клапан выдоха испытывали согласно испытанию эластичной створки, и результаты указаны ниже в таблице 1.
[0061] В таблице 1 указано FDR для E1, которое составило 1,40 (2,45/1,74). Указанные данные демонстрируют, что полученный в результате клапан выдоха имеет FDR, находящийся в пределах объема настоящего изобретения. Таким образом, эластичная створка может одинаково отклоняться, обеспечивая возможность подъема любого сегмента на периметре створки от седла клапана во время выдоха.
Имитация отклонения/усилия
[0062] Программное обеспечение для анализа методом конечных элементов может быть использовано для сравнения характеристик отклонения эластичной створки, которая содержит конструкцию с переменной жесткостью, с эквивалентной створкой, не содержащей такую конструкцию. Компьютерная модель системы клапана состоит из сетки конечных элементов, которая представляет геометрическую форму створки. Конечные элементы представляют собой небольшие области целой конструкции. С помощью этих элементов осуществляется численное решение определяющих дифференциальных уравнений. Каждый элемент ограничен узлами, между которыми проходят прямые линии. Количество узлов может представлять собой часть от количества соседних конечных элементов. Все элементы, соединенные вместе, образуют сетку. Указанная сетка обеспечивает точную аппроксимацию геометрической формы анализируемой конструкции.
[0063] Эластичные створки представляют собой тонкостенные конструкции, для которых могут использоваться оболочечные конечные элементы для аппроксимации толщины створки. Оболочечные элементы обычно представляют собой треугольные плоские элементы с 3 узлами. Оболочечная модель имеет соответствующую толщину, применяемую к элементам в качестве атрибута. Затем указанная толщина учитывается при проведении вычислений. При необходимости также могут быть использованы трехмерные элементы для моделирования толщины. Указанные 3D элементы обычно имеют четыре грани и три узла.
[0064] Для уменьшения размера модели может быть использована симметрия. Соответствующие граничные условия должны быть применены к модели на плоскостях симметрии. Узлы, которые лежат в указанной плоскости, ограничены тем, что обеспечивают вращение только в пределах этой плоскости. Они также ограничены тем, что они обеспечивают отсутствие отклонения за пределами этой плоскости.
[0065] Поскольку створка ограничена на опорном элементе в центре масс, модель может быть дополнительно упрощена при необходимости. Для имитации узлы на мембране уплотнения и ребрах могут быть зафиксированы в месте пересечения с центральной опорой, вместо моделирования всей опоры.
[0066] Должна быть создана оболочечная сетка с достаточным количеством элементов для точного моделирования геометрической формы створки и контакта с поверхностью уплотнения. Поверхность уплотнения должна быть смоделирована с жесткими контактными элементами. Для предварительного нагружения створки элементы поверхности уплотнения поднимают до сетки створки, что создает предварительную нагрузку.
[0067] К модели применяются типовые модуль упругости и коэффициент Пуассона. Модель створки без гравитационной нагрузки теперь готова.
[0068] Для имитации один из узлов в необходимом месте поднимают относительно жестких элементов, которые представляют поверхность уплотнения. Узлы поднимают с небольшими шагами приращения до достижения конечного отклонения. В указанной имитации отклонение ограничено, вследствие чего жесткость соседнего участка не оказывает преобладающего влияния на результаты. Данная методика может воспроизводить испытание для определения отклонения створки. Результатами анализа является усилие при заданном отклонении в указанном месте.
Имитированный клапан выдоха - пример SE1
[0069] Клапан выдоха, выполненный согласно данному примеру, представлял собой клапан, который содержал такую же эластичную створку, что и в примере E1, то есть, это была компьютерная имитация клапана согласно примеру E1, имеющего такую же эластичную створку. Программным обеспечением для анализа методом конечных элементов, которое применялось в данном примере, было ABAQUS. В имитационном примере применяли модуль упругости 350 фунтов на квадратный дюйм (фунт/кв. дюйм) и коэффициент Пуассона 0,5, характеризующие силиконовый материал 3001-60. Анализ проводили в каждом из двух мест, указанных в испытании для определения отклонения створки (место 1 и место 2). В каждом месте створку поднимали относительно контактных элементов, представляющих поверхность уплотнения в одном месте. Максимальное применяемое отклонение составляло 1 мм. Отклонение осуществляли за десять шагов приращения до открытия створки на максимальное значение отклонения. На каждом шаге приращения силу реакции рассчитывали с помощью программного обеспечения.
[0070] Для максимального улучшения эффективности работы створки при заданном открытии вокруг периметра нагрузки должны быть "эквивалентными". Другими словами, отклонение створки должно быть одинаковым при заданной нагрузке. Для определения этого рассчитывают FDR на основании выходных данных анализа между местами 1 и 2 на поверхности уплотнения клапана. FDR между самым длинным и самым коротким радиусами использовали в качестве репрезентативного показателя указанной эквивалентности. В таблице 2 указаны полученные в результате усилие и FDR для каждого шага приращения отклонения, например, SE1.
[0071] При отклонении на 1 мм, FDR SE1 составляет 1,23, что демонстрирует хорошую корреляцию с FDR Е1, составляющую 1,4, учитывая вариативность моделирования и испытания.
Имитационный сравнительный пример - SCE1
[0072] SCE1 представляет собой имитацию сеанса испытания в Е1 с применением такой же створки, что и в Е1, за исключением отсутствия ребер. Аналогичный имитационный подход был воспроизведен из SE1, но ребра были удалены из сетки. В таблице 3 указаны полученные в результате усилие и FDR для каждого шага приращения отклонения.
[0073] В таблице 2 и таблице 3 указаны результаты для SE1 и SCE1 соответственно. Как ожидалось, вариант без ребер характеризовался более низкими нагрузками. Это было ожидаемо, поскольку толщина мембраны сохранялась на уровне 0,28 мм. Однако толщина створки не была достаточной для удержания клапана закрытым во всех ориентациях под действием силы тяжести.
[0074] В обеих таблицах указано FDR в местах 1 и 2 для каждого случая. Полностью оптимизированная система имела бы соотношение, равное 1. SE1 характеризуется средним соотношением, равным 1,25, при отклонении с шагами приращения от 0,2 мм до 1 мм. Пример с "эквивалентной" жесткостью (SCE1) без ребер имел намного более высокое среднее соотношение, равное 3,76. При отклонениях на 1 мм, соотношения FDR были равны 1,23 и 2,34 соответственно.
Имитированный клапан выдоха - пример SE2
2
2
[0075] Анализировали другой клапан выдоха с меньшим соотношением сторон. Эластичная створка имела длину длинной оси 35,5 миллиметра (мм) (17,75 мм от центра масс) и длину короткой оси 32 мм (16 мм от центра масс). Эластичная створка была выполнена таким образом, чтобы оставаться закрытой под действием гравитационной нагрузки при любой ориентации. Ребра выполнены протяженными в радиальном направлении от центра масс таким образом, что смежные ребра были расположены относительно друг друга под углом приблизительно 24 градуса. Угловой интервал был одинаковым для каждого из ребер. Сплошной лист створки, присоединенный к ребрам, имел толщину приблизительно 0,28 мм. Площадь поперечного сечения ребер варьировалась. Ребра на длинной оси имели максимальную площадь поперечного сечения приблизительно 0,23 мм. Ребра на короткой оси имели максимальную площадь поперечного сечения приблизительно 0,19 мм. Было обнаружено, что ребра, имевшие такую площадь поперечного сечения, выгибались, когда на створку воздействовало усилие, приводившее к изгибу створки. Длина самого длинного ребра составляла 16,9 мм. Длина самого короткого ребра составляла 14,0 мм. Высота ребра в центре масс самого длинного ребра составляла 0,77 мм. Высота ребра в центре масс самого короткого ребра составляла 0,68 мм. Самое высокое ребро уменьшалось до высоты приблизительно 0,4 мм на периметре. Самое короткое ребро уменьшалось до высоты приблизительно 0,25 мм на периметре. Ширина ребра составляла 0,31 мм и была одинаковой для всех ребер. Выступ и компонент выравнивания были такими же, как описано в SE1.
[0076] Программным обеспечением для анализа методом конечных элементов, которое применялось в данном примере, было ABAQUS. В имитационном примере применяли модуль упругости 350 фунтов на квадратный дюйм (фунт/кв. дюйм) и коэффициент Пуассона 0,5, представляющие силиконовый материал 3001-60. Анализ проводили в каждом из двух мест, указанных в испытании для определения отклонения створки (место 1 и место 2). В каждом месте створку поднимали относительно контактных элементов, представляющих поверхность уплотнения в одном месте. Максимальное применяемое отклонение составляло 1 мм. Отклонение осуществляли за десять шагов приращения до открытия створки на максимальное значение отклонения. На каждом шаге приращения силу реакции рассчитывали с помощью программного обеспечения.
[0077] Результаты имитации указаны в таблице 4.
Имитационный сравнительный пример - SCE2
[0078] Для SCE2 аналогичный имитационный подход был воспроизведен из SE2, но ребра были удалены из сетки. В таблице 5 указаны полученные в результате усилие и FDR для каждого шага приращения отклонения.
[0079] В таблице 4 и таблице 5 указаны результаты для SE2 и SCE2 соответственно. В обеих таблицах указано FDR в местах 1 и 2 для каждого случая. SE2 характеризуется средним соотношением, равным 1,32, при отклонении с шагами приращения от 0,2 мм до 1 мм. Пример с "эквивалентной" жесткостью (SCE2) без ребер имел более высокое соотношение, равное 1,71. При отклонении на 1 мм, соотношения FDR были равны 1,32 и 1,51 соответственно.
[0080] Соотношения FDR были ближе к друг другу вследствие приближения соотношения сторон к 1. Преимущество створки с переменной жесткостью уменьшается при схожести радиуса самой меньшей длины и радиуса самой большой длины. Однако преимущество по-прежнему присутствует, при условии, что радиусы имеют различные значения длины.
[0081] Клапаны с переменной жесткостью SE1 и SE2 характеризовались «эквивалентной нагрузкой» для одинаковых отклонений, при сравнении места на периметре на самом большом расстоянии от центра масс с местом на самом меньшем расстоянии до центра масс. Это приводит к тому, что поднятая створка открыта по всему периметру при заданном давлении выдоха. При большем подъеме периметра створки на большее расстояние от поверхности уплотнения, перепад давления уменьшается на отверстии клапана, что повышает удобство для пользователя путем снижения давления выдоха при заданной скорости потока.
[0082] Настоящее изобретение допускает различные модификации и изменения, не выходящие за рамки его объема и сути. Следовательно, данное изобретение не ограничивается вышеописанным, и определяется ограничениями, заявленными в пунктах формулы и любыми их эквивалентами.
[0083] Настоящее изобретение также может быть реализовано должным образом на практике при отсутствии любого элемента, не раскрытого отдельно в данной заявке.
[0084] Все вышеперечисленные патенты или патентные заявки, включая приведенные в разделе «Уровень техники», полностью включены в настоящий документ посредством ссылки. В случае противоречия или разночтения между раскрытием в таком включенном документе и вышеприведенным описанием, вышеприведенное описание должно иметь главенствующее значение.