Респиратор с оптически активным клапаном выдоха
RESPIRATOR WITH OPTICALLY ACTIVE EXHALATION VALVE

Настоящее изобретение относится к респиратору, имеющему клапан выдоха, который взблескивает при функционировании.
Уровень техники
Лица, работающие в загрязненных средах, обычно носят респираторы, чтобы защитить себя от вдыхания переносимых воздухом загрязнителей. Респираторы, как правило, имеют волокнистый или абсорбирующий фильтр, который удаляет из воздуха загрязнители в форме твердых частиц или газов. При ношении респиратора в загрязненной среде пользователи испытывают психологический комфорт, осознавая, что их здоровье защищено, но при этом они одновременно испытывают некоторый дискомфорт от того, что вокруг лица собирается теплый и влажный выдыхаемый воздух. Чем больше данный дискомфорт, тем выше вероятность, что пользователь снимет маску с лица, чтобы устранить данное неприятное состояние.
Чтобы уменьшить вероятность того, что пользователь снимет маску с лица в загрязненной среде, производители респираторов часто устанавливают на основу маски клапан выдоха, через который теплый и влажный воздух можно быстро вывести из внутреннего пространства маски. Быстрое выведение выдыхаемого воздуха способствует охлаждению внутреннего пространства маски, что, в свою очередь, повышает безопасность труда рабочего, потому что уменьшается склонность пользователя к снятию маски с лица для удаления горячего и влажного воздуха, собирающегося вокруг носа и рта.
Уже много лет к продаже предлагаются респираторные маски, имеющие клапаны выдоха «кнопочного» типа, предназначенные для выведения выдыхаемого воздуха из внутреннего пространства маски. В клапанах кнопочного типа, как правило, используется тонкая круглая гибкая створка в качестве динамического механического элемента, обеспечивающего выход выдыхаемого воздуха из внутреннего газового пространства маски. Створка расположена по центру седла клапана и прикреплена к центральном штоку. Примеры клапанов кнопочного типа описаны в патентах США 2,072,516, 2,230,770, 2,895,472 и 4,630,604. При выдыхании человеком воздуха периферийная часть створки приподнимается от седла клапана, в результате чего воздух может быстро выходить во внешнее газовое пространство.
Клапаны кнопочного типа в свое время были прорывом в решении проблемы повышения комфорта пользователя, но исследователи создали еще более совершенные конструкции, примером такой конструкции является клапан типа «бабочка», описанный в патенте США 4,934,362 (Braun). В клапане, описанном в данном патенте, используются параболическое седло и удлиненная гибкая створка, закрепленная, как бабочка.
После усовершенствования, предложенного Braun, еще одно усовершенствование клапана выдоха было предложено Japuntich с соавторами (см. патенты США 5,325,892 и 5,509,436). В предложенном ими клапане используется одна гибкая створка, закрепленная консольно со смещением от центра, что позволяет свести к минимуму давление, требующееся для открытия клапана. Сведение к минимуму давления, требующегося для открытия клапана, означает, что требуется меньшее усилие для срабатывания клапана, и соответственно, пользователю не требуется усиленно дышать для выведения воздуха из внутреннего пространства маски (см. также патент США 7,493,900 (Japuntich et al.)).
Консольно установленные створки используются также и в других клапанах, предложенных после Japuntich с соавторами (см., например, патенты США 5,687,767 и 6,047,698). Была также предложена конструкция, в которой уплотнительная поверхность седла клапана изготовлена из эластичного материала, что позволяет использовать более жесткую, но более плотно закрывающуюся створку, что также повышает эффективность работы клапана (см., например, патент США 7,188,622 (Martin et al.)).
Хотя развитие конструкции клапана выдоха шло в основном в направлении структурных изменений, касающихся седла клапана и крепления к нему створки, исследователями были также предложены структурные изменения самой створки, направленные на повышение эффективности работы клапана. Так, например, в патентах США 7,013,895 и 7,028,689 (Martin et al.) предложены многослойные створки, что позволяет использовать более тонкую, но более динамично работающую створку, обеспечивающую более легкое открытие клапана, то есть при меньшем падении давления. Предложены также створки, содержащие ребра, а также имеющие криволинейный профиль с переменной кривизной, что обеспечивает более плотное прижатие створки клапана к поверхности седла при закрытом положении клапана (см. патент США 7,302,951 (Mittelstadt et al.)). В патентной публикации США 2009/0133700 (Martin et al.) описаны пазы в створке клапана в местах ее шарнирного присоединения, улучшающие эффективность работы клапана. В патентной публикации США 2012/0167890 А (Insley et al.) описана створка клапана, содержащая участки поверхности с частично удаленным материалом для получения требуемой эффективности работы клапана.
Независимо от его конструкции, всегда существует вероятность того, что клапан выдоха останется открытым при использовании респиратора. Так, например, на створке клапана и на седле клапана может накапливаться влага из воздуха, выдыхаемого пользователем. Накоплению влаги могут способствовать частицы слюны и прочие субстанции. Наличие таких субстанций может привести к тому, что створка клапана застрянет в открытом или закрытом положении. Застревание клапана в открытом положении может привести к тому, что загрязнители из внешнего воздуха будут попадать во внутреннее газовое пространство респиратора, в то время как застревание клапана в закрытом положении вызовет дополнительное падение давления воздуха на основе маски, что в свою очередь будет вызывать дискомфорт у пользователя. Если пользователь заметит, что клапан стал застревать, следует заменить респиратор при первой же возможности, особенно если клапан застревает в открытом положении. Для этого пользователь, в свою очередь, должен заметить, что клапан не работает должным образом. В настоящем изобретении предлагаются одно или более воплощений клапана, позволяющих решить проблему своевременного оповещения пользователя.
Сущность изобретения
В одном из воплощений настоящего изобретения предлагается респиратор, включающий систему крепления, основу маски и клапан выдоха. Клапан выдоха включает седло клапана и гибкую створку, находящуюся в зацеплении с седлом клапана. Гибкая створка включает один или более материалов, обеспечивающих взблескивание створки при переходе из закрытого положения в открытое или наоборот.
В другом воплощении настоящего изобретения предлагается респиратор, включающий основу маски; систему крепления, прикрепленную к основе маски; и клапан выдоха, включающий седло клапана и гибкую створку, находящуюся в зацеплении с седлом клапана. Гибкая створка содержит пленку, обеспечивающую сдвиг спектральной полосы отраженного света.
Клапаны в соответствии с одним или более воплощениями настоящего изобретения при работе могут подавать сигнал в виде взблескивания. Сигнал может вырабатываться пассивно, от света, попадающего на материалы створки клапана из внешнего пространства. Материалы створки могут быть подобраны так, что наружное освещение отражается от них различным образом под различными углами. Благодаря этому, при движении створка клапана отражает переменное количество света, что воспринимается, как «взблескивание» или «взблескивающее изображение» человеком, смотрящим на створку клапана. Створка клапана может быть также выполнена таким образом, что при ее закрытии и открытии меняется ее цвет, что также может создавать или усиливать эффект взблескивающего изображения. Поскольку клапаны в соответствии с одним или более воплощениями настоящего изобретения могут быть более заметными для пользователя или работающих по соседству с пользователем такого респиратора, легко определить, работает ли клапан должным образом.
Глоссарий
Используемые в настоящем описании термины имеют следующее значение.
"Сдвиг спектральной полосы" означает заметное глазом человека изменение цвета при изменении угла, под которым рассматривается объект; сдвиг полосы спектра отраженного света может быть измерен с помощью метода, описанного в настоящей заявке.
"Чистый воздух" означает порцию атмосферного воздуха, которая была профильтрована для удаления из нее загрязнителей.
"Содержит" (или "содержащий") имеет значение, стандартное для патентной терминологии, и является открытым термином, в целом синонимичным терминам «включает» или «имеет». Несмотря на то, что термины «содержит», «имеет», «включает» и их вариации являются общеиспользуемыми открытыми терминами, в настоящем описании значение термина «содержит» может быть также определено более узким термином «состоит в сущности из», который является полуоткрытым термином, в том смысле, что он исключает только те элементы, которые ухудшали бы функционирование объекта, к которому данный термин относится.
"Дихроичный" означает материал, способный поглощать одну из двух ортогональных поляризаций падающего света эффективнее, чем другую.
"Клапан выдоха" означает клапан, который открывается, позволяя выдыхаемому воздуху выйти из внутреннего газового пространства респиратора.
"Выдыхаемый воздух" означает воздух, выдыхаемый пользователем респиратора.
"Наружное газовое пространство" означает наружное атмосферное газовое пространство, в которое попадает выдыхаемый газ после прохождения через основу маски и/или клапан выдоха и далее за их пределы.
"Фильтр" или "фильтрующий слой" означает один или более слоев материала, главным назначением которых является удаление загрязнителей (таких, как твердые частицы) из потока проходящего через них воздуха.
"Пленка" означает тонколистовой материал.
"Фильтрующая среда" означает воздухопроницаемый структурный компонент, предназначенный для удаления загрязнителей из проходящего через него воздуха.
"Створка" означает структурный компонент, изготовленный из тонколистового материала, который может открываться и закрываться во время работы клапана.
"Взблескивание" означает изменения объекта в диапазоне видимого спектра, происходящие быстро и переменным образом, так, чтобы это было легко заметно для глаза человека; характеристики взблескивания могут быть определены в соответствии со способом оценки взблескивания, описанным в настоящей заявке.
"Гибкая створка" означает элемент из листового материала, который может отгибаться или изгибаться под действием силы, действующей на него со стороны потока выдыхаемого газа.
"Система крепления" означает конструкцию или комбинацию из частей, участвующих в удержании основы маски на лице пользователя.
"Внутреннее газовое пространство" означает пространство между основой маски и лицом пользователя.
"Основа маски" означает воздухопроницаемую конструкцию, которая может быть надета по меньшей мере на нос и рот пользователя, и которая определяет внутреннее газовое пространство, отделяя его от наружного газового пространства.
"Основная поверхность" означает поверхность изделия или объекта, площадь которой существенно больше площади других (возможно, не всех) его поверхностей.
"Множественный" означает количество, превышающее 5.
"Оптическая пленка" означает пленку, зеркально отражающую часть света видимого спектра при некотором угле наблюдения.
"Наружная поверхность" в отношении створки означает основную поверхность, обращенную от поверхности седла клапана, когда створка находится в зацеплении с седлом клапана.
"Множество" означает два или более.
"Респиратор" означает устройство, носимое человеком и обеспечивающее его чистым воздухом для дыхания.
"Прозрачный" означает, что через структурный компонент, к которому данный термин относится (в частности, через крышку клапана), может проходить достаточное количество видимого света, чтобы было видно изображение, расположенное по другую сторону данного объекта.
"Тонкий" означает имеющий толщину менее 200 мкм.
"Седло клапана" или "основание клапана" означает монолитную часть клапана, имеющую отверстие для прохождения газообразной среды, и расположенную в непосредственной близости или в контакте с основой или изделием, на которое она установлена.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1. Аксонометрический вид респиратора 10, взблескивающего в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг. 2. Вид спереди респиратора 10, имеющего основу 12 маски, на которой расположен клапан выдоха 14, имеющий створку 22 с оптической пленкой в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг. 3. Сечение клапана выдоха 14, изображенного на фиг. 1.
Фиг. 4. Вид спереди седла 20 клапана 14, изображенного на фиг. 2.
Фиг. 5. Сечение альтернативного воплощения клапана выдоха 14' в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг. 6. Вид спереди седла 20b клапана выдоха «кнопочного» типа.
Фиг. 7. Увеличенный аксонометрический вид крышки 40, используемой с клапаном выдоха в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг. 8. Схематический аксонометрический вид первого воплощения оптического тела 50, которое может использоваться в гибкой створке в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг. 9. Схематический аксонометрический вид второго воплощения оптического тела 50, которое может использоваться в гибкой створке в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг. 10. Схематический вид сбоку фрагмента многослойной оптической пленки 60, подходящей для использования в гибкой створке в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг. 11. Вид спереди гибкой створки 22, которая может использоваться в настоящем изобретении, и которая имеет индицирующие элементы 70 на передней ее поверхности 72.
Фиг. 12а-12с. Результаты измерения спектральных характеристик пленки, используемой в гибкой створке в примере 3.
Подробное описание предпочтительных воплощений изобретения
На фиг. 1 показан пример фильтрующей лицевой маски 10, которая может использоваться в настоящем изобретении. Фильтрующая лицевая маска 10 является полумаской (поскольку она закрывает нос и рот, но не закрывает глаза), имеющей чашеобразной формы основу 12, к которой прикреплены система 13 крепления и клапан выдоха 14. Клапан выдоха 14 может быть прикреплен к основе 12 маски различными способами, такими, как ультразвуковая сварка, приклеивание, адгезивное скрепление (см. патент США 6,125,849 (Williams et al.)), или механическое крепление зажимами (см. патент США 7,069,931 (Curran et al.)). Основа 12 маски выполнена так, что она садится на лицо пользователя поверх носа и рта пользователя таким образом, что между лицом пользователя и внутренней поверхностью основы маски образуется полость - внутреннее газовое пространство. Показанная основа 12 маски является проницаемой для газообразной среды, и как правило, имеет проем (не показан), расположенный в месте крепления клапана выдоха 14 к основе 12 маски, чтобы выдыхаемый воздух мог выходить из внутреннего газового пространства через клапан 14, не проходя через саму основу маски. Наиболее предпочтительным местом расположения проема в основе 12 маски является место, расположенное непосредственно напротив рта пользователя при ношении маски. Расположение проема, и соответственно клапана выдоха 14 в данном месте обеспечивает более легкое открытие клапана под действием силы или импульса со стороны потока выдыхаемого воздуха. В основе 12 маски, изображенной на фиг. 1, в сущности вся открытая поверхность основы 12 маски является проницаемой для вдыхаемого воздуха. Клапан выдоха 14 открывается в ответ на повышение давления внутри маски 10, что происходит, когда пользователь делает выдох. Между выдохами и во время вдохов клапан выдоха 14 предпочтительно остается закрытым. Для прочного удержания лицевой маски на лице пользователя система 13 крепления может содержать ремешки 16, завязки или любые другие подходящие средства, прикрепленные к основе маски и предназначенные для поддержки основы 12 маски на лице пользователя. Примеры систем крепления маски, которые могут использоваться в настоящем изобретении, описаны в патентах США 6,457,473 В1, 6,062,221 и 5,394,568 (Brostrom et al.), патенте США 6,332,465 В1 (Xue et al.), патентах США 6,119,692 и 5,464,010 (Byram) и патентах США 6,095,143 и 5,819,731 (Dyrud et al.).
На фиг. 2 показано также, что клапан 14 имеет седло 20 клапана, к которому прикреплена створка 22 в неподвижной ее части 24. Створка 22 может быть гибкой створкой, имеющей свободную часть 25, приподнимающуюся от седла 20 клапана во время выдоха. Когда клапан открывается и закрывается, он дает видимые взблескивания 26, которые могут быть видны рабочим, работающими совместно с носящим респиратор, или самому носящему, смотрящему на себя в зеркало. При рассмотрении створки под различными углами она может иметь различные цвета, что может еще более усиливать зрительный эффект. Клапан может, например, иметь синий цвет под первым углом и желтый цвет под вторым углом, или цвет может меняться с красного на зеленый, или наоборот. Когда свободная часть 25 створки 22 не находится в контакте с седлом 20 клапана, выдыхаемый воздух может проходить из внутреннего газового пространства в наружное газовое пространство. В данном положении створка может иметь цвет, отличный от ее цвета в закрытом положении, то есть когда створка находится в контакте с седлом клапана. Выдыхаемый воздух может выходить в наружное газовое пространство непосредственно через отверстия 27 (фиг. 1 и 7) в крышке клапана, когда клапан открыт.Основа 12 маски может иметь криволинейную, близкую к полусферической форму, как показано на фиг. 1 и 2 (см. также патент США 4,807,619 (Dyrud et al.)), или может иметь любую другую требуемую форму. Так, например, основа маски может иметь чашеобразную форму, подобную форме лицевой маски, описанной в патенте США 4,827,924 (Japuntich). Маска может иметь форму, при которой она может быть сложена до плоского состояния в три сложения, когда она не используется, после чего она может быть развернута до чашеобразной формы для ее ношения (см. патенты США 6,484,722 В2 и 6,123,077 (Bostock et al.), а также промышленные образцы США 431,647 (Henderson et al.) и 424,688 (Bryant et al.)). Лицевые маски в соответствии с настоящим изобретением могут иметь и многие другие конфигурации, такие, как, например, складываемая до плоского состояния в два сложения, раскрытая в промышленных образцах США 448,472S и 443,927S (Chen). Основа 12 маски может быть также непроницаема для газообразной среды, и к ней могут прикрепляться фильтрующие картриджи, как описано, например, в патентах США 6,277,178 В1 (Holmquist-Brown et al.) и 5,062,421 (Burns и Reischel). Кроме того, основа маски может быть также выполнена для работы с положительным (избыточным) давлением в воздухозаборнике, в противоположность маскам, упомянутым выше и работающим при отрицательном давлении воздуха в воздухозаборнике. Примеры масок с положительным давлением в воздухозаборнике приведены в патентах США 6,186,140 В1 (Hoague), 5,924,420 (Grannis et al.) и 4,790,306 (Braun et al.). Такие маски могут быть подключены к корпусу воздухоочистительного респиратора с электрическим питанием, носимого пользователем на поясе (см., например, промышленный образец США D464,725 (Petherbridge et al.)). Основа фильтрующей лицевой маски может быть также подключена к автономному дыхательному аппарату, подающему пользователю маски чистый воздух, как описано, например, в патентах США 5,035,239 и 4,971,052. Основа маски может иметь конструкцию, при которой она покрывает не только нос и рот пользователя (называемую обычно «полумаской»), но и глаза пользователя (в этом случае она обычно называется «полнолицевой маской»), то есть может обеспечивать защиту не только органов дыхания, но и органов зрения пользователя (см., например, патент США 5,924,420 (Reischel et al.)).
Основа маски может быть пространственно разнесена с лицом пользователя, или она может ложиться вплотную на лицо, или располагаться в непосредственной близости к лицу пользователя. В любом случае маска определяет внутреннее газовое пространство, в которое попадает выдыхаемый воздух перед тем, как выйти из внутреннего пространства маски через клапан выдоха. Основа маски может также иметь термохромное индицирующее качество посадки уплотнение по периферии, позволяющее пользователю легко определить наличие правильной посадки маски на лицо (см. патент 5,617,849 (Springett et al.)).
На фиг. 3 показана гибкая створка 22 в закрытом положении, когда она покоится на контактной поверхности 29 седла, и в открытом положении, когда она приподнята от поверхности 29, как показано пунктирной линией 22а. Поток выдыхаемого воздуха проходит через клапан 14 в направлении, обозначенном стрелкой 28. Газовая среда, проходящая через проем клапана, прилагает усилие (или придает импульс) гибкой створке 22, приподнимая незакрепленную часть 25 створки 22 от поверхности 29 седла, и клапан 14 открывается. Клапан 14 предпочтительно ориентирован на лицевой маске 10 таким образом, что незакрепленная часть 25 гибкой створки 22 расположена ниже закрепленной части 24, когда маска 10 расположена вертикально, как это показано на фиг. 1. Это позволяет направить выдыхаемый воздух вниз, чтобы предотвратить конденсацию влаги на очках пользователя. Человеком, смотрящим на клапан, такое движение клапана воспринимается, как взблескивание клапана. Гибкая створка 22 имеет по меньшей мере наружную поверхность, которая включает материал, вырабатывающий «взблескивающее» изображение для смотрящего. Когда створка переходит из открытого положения в закрытое, створка меняет ориентацию по отношению к смотрящему на нее. Изменение ориентации вызывает изменение угла отражения падающего на нее наружного освещения. Быстрое изменение угла отражения воспринимается смотрящим, как взблескивание и/или изменение цвета. Для создания такого эффекта взблескивания створка может содержать, например, оптическую пленку или отражающий материал на наружной поверхности створки. Примеры отражающих материалов включают металлизированные поверхности, в частности, металлизированные полимерные пленки, такие, как, например, пленка MYLAR™ производства DuPont. Слой оптически активной пленки может также содержать набор из множества зеркально отражающих слоев пленки с различными показателями преломления. Слои оптический пленки, подходящие для реализации настоящего изобретения, будут более подробно описаны ниже.
На фиг. 4 показан вид спереди седла 20 клапана без прикрепленной к нему створки. Проем 30 клапана является протяженным в радиальном направлении вовнутрь от уплотнительной поверхности 29, и может иметь поперечные элементы 32, стабилизирующие уплотнительную поверхность 29 и, в конечном итоге, клапан 14. Поперечные элементы 32 могут также препятствовать запрокидыванию гибкой створки 22 (фиг. 2) вовнутрь проема 30 при слишком сильном вдохе. Накопление влаги на поперечных элементах 32 может препятствовать открытию створки 22. Поэтому поверхности поперечных элементов 32, обращенные к створке, могут быть немного утоплены по отношению к уплотнительной поверхности 29. Уплотнительная поверхность 29 окружает (охватывает) проем 30 и предназначена для предотвращения прохождения загрязнителей через данный проем, когда клапан закрыт. Уплотнительная поверхность 29 и проем 30 клапана могут иметь в сущности любую форму на виде сверху. Так, например, уплотнительная поверхность 29 и проем 30 могут быть квадратной, прямоугольной, круглой, эллиптической или иной формы. Форма уплотнительной поверхности 29 не обязательно должна совпадать с формой проема 30, и наоборот. Так, например, проем 30 может быть круглым, а уплотнительная поверхность 29 может быть квадратной. Однако уплотнительная поверхность 29 и проем 30 предпочтительно имеют круглую форму на виде в направлении, противоположном направлению потока газообразной среды. Седло 20 клапана может также иметь штифты 36, обеспечивающие должное совмещения створки с седлом клапана при использовании респиратора. Частично светопропускающая вставка из оптической пленки на гибкой створке может отражать свет различных цветов, которые будут зависеть от цвета и близости пленки к поперечным элементам и седлу клапана (при этом поперечные элементы и/или седло клапана могут быть белыми, черными или металлизированными), или лежащего под ней непрозразрачного материала. На основании клапана может быть расположен крепежный фланец 38 для крепления клапана к основе маски. В той части седла 20 клапана, к которой крепится створка, расположена поверхность 39, удерживающая створку.
Основная масса седла 20 клапана предпочтительно изготовлена из относительно легкой пластмассы. Седло предпочтительно сформовано в виде единого целого корпуса, например, способом инжекционного формования, к которому может быть прикреплена эластичная уплотнительная поверхность 29. Уплотнительная поверхность 29, входящая в контакт с гибкой створкой 22, может быть выполнена однородной и гладкой, чтобы обеспечить хорошее уплотнение. Уплотнительная поверхность 29 может опираться на верх уплотнительного гребня 34 (фиг. 3), или она может лежать в одной плоскости с самим седлом клапана. Область контакта уплотнительной поверхности 29 может иметь ширину, достаточно большую, чтобы образовать хорошее уплотнение с гибкой створкой 22, но не слишком большую, поскольку при слишком большой ширине могут возникать адгезивные силы, вызванные конденсацией влаги или попаданием слюны в выдыхаемом воздухе, и которые бы значительно осложнили открывание гибкой створки 22. Область контакта уплотнительной поверхности 29 может иметь выгнутый криволинейный профиль в тех областях, где она касается створки, для лучшего контакта между створкой и уплотнительной поверхностью по всему периметру уплотнительной поверхности. Клапан 14 и его седло 20 более подробно описаны в патентах США 5,509,436 и 5,325,892 (Japuntich et al.). Клапан выдоха, имеющий эластомерную уплотнительную поверхность, описан в патенте США 7,188,622 (Martin et al.). Такая уплотнительная поверхность может быть особенно полезна при использовании относительно жесткого материала для изготовления створки, и такими жесткими материалами являются оптические пленки, описанные в настоящей заявке.
На фиг. 5 показано еще одно воплощение клапана выдоха 14'. В отличие от воплощения, изображенного на фиг. 2, данный клапан выдоха 14' имеет плоскую уплотнительную поверхность 29', которая расположена в одной плоскости с поверхностью 39', удерживающей створку, что видно на данном разрезе. Поэтому створка клапана, изображенная на фиг. 5, не прижата к уплотнительной поверхности 29' какой-либо механической силой, приложенной к гибкой створке 22, или за счет внутреннего напряжения в ней. Поскольку створка 22 не имеет предварительного натяга, или не смещена к уплотнительной поверхности 29' в «нейтральном» положении, то есть, когда через клапан не проходит газообразная среда или к створке не приложены какие-либо другие внешние силы, кроме силы тяжести, створка 22 будет легче открываться во время выдоха. При использовании оптической пленки в соответствии с настоящим изобретением может не требоваться предварительный натяг или смещение створки для приведения ее в контакт с уплотнительной поверхностью 29', хотя в некоторых случаях такая конструкция может быть целесообразна. Поэтому оптические пленки могут позволять использовать гибкую створку, более жесткую, чем створки на изделиях, предлагаемых к продаже в настоящее время. Створка может быть настолько жесткой, что она не будет значительно провисать и отклоняться от уплотнительной поверхности 29', не будучи при этом смещаемой, под действием силы тяжести даже при такой ориентации клапана, при которой створка находится под уплотнительной поверхностью. То есть, клапан выдоха 14', изображенный на фиг. 5, может быть изготовлен таким образом, что створка 22 будет находиться в хорошем контакте с уплотнительной поверхностью при любой ориентации клапана, даже когда пользователь наклоняет голову к полу, и при этом не требуется, чтобы створка была смещаемой (или в сущности смещаемой) к уплотнительной поверхности. То есть, жесткая створка может обеспечивать герметичный контакт с уплотнительной поверхностью 29' в любой ориентации клапана при очень малом предварительном напряжении или очень малой силе, смещающей ее к уплотнительной поверхности седла клапана, или вообще без предварительного напряжения или смещения. Отсутствие значительного предварительного напряжения или значительной смещающей силы, приложенной к створке (для обеспечения хорошего ее прижатия к уплотнительной поверхности при закрытии клапана и в нейтральном положении) обеспечивает более легкое открытие створки при выдохе, и снижает затраты энергии при дыхании, необходимые для работы клапана. Плотность прилегания створки к седлу клапана может быть дополнительно улучшена при использовании эластичной уплотнительной поверхности, (см., например, патент США 7,188,622 (Martin et al.)).
На фиг. 6 показано седло 20b клапана, подходящее для использования в «кнопочных» клапанах в соответствии с настоящим изобретением. В отличие от седла 20 (фиг. 4), предназначенного для использования в клапанах с консольными створками, на седло 20b клапана гибкая створка устанавливается по центру и закрепляется в точке 32'. Благодаря этому при выдохе створка отходит от седла в сущности в любой части своего периметра, в то время как в при консольных створках во время выдоха от уплотнительной поверхности отходит только конец створки, противоположный закрепленному ее концу. В противоположность этому, в клапанах кнопочного типа при выдохе все части периметра створки отходят от уплотнительной поверхности седла клапана. Настоящее изобретение может быть также реализовано с клапанами типа «бабочка» (см., например, патент США 4,934,362 (Braun)).
На фиг. 7 показана крышка 40 клапана, которая может использоваться с клапанами выдоха в соответствии с настоящим изобретением. Крышка 40 клапана образует внутреннюю камеру, в которую может перемещаться гибкая створка при переходе из закрытого положения в открытое положение. Крышка 40 клапана может защищать гибкую створку от повреждений и может способствовать направлению выдыхаемого воздуха вниз и от очков пользователя. Как показано на данном чертеже, крышка 40 клапана может иметь множество отверстий 27, позволяющих выдыхаемому воздуху выходить из внутренней камеры, образуемой крышкой 40 клапана. Воздух, выходящий из внутренней камеры через отверстия 27, попадает в наружное газовое пространство, будучи направлен вниз и в сторону от очков пользователя. Крышка 40 клапана может быть прикреплена к седлу клапана с использованием различных способов, включая посадку с натягом, крепление зажимами, приклеивание, адгезивное скрепление, сварку и прочие. В одном или более воплощениях крышка клапана является прозрачной, благодаря чему по меньшей мере на ее верхней поверхности 42 будут более заметны взблескивания створки, происходящие внутри крышки.
Гибкая створка в соответствии с настоящим изобретением может отражать свет различного цвета или различной интенсивности при рассмотрении ее под различными углами. Когда створка открывается и закрывается, угол, под которым видит ее неподвижный оптический прибор или человек, меняется. Данное изменение угла, под которым человек видит наружную поверхность открывающейся и закрывающейся створки, приводит к тому, что наблюдатель видит изменение цвета или интенсивности отраженного ей света. На наружную поверхность створки могут быть помещены (в виде пленки) один или более материалов, вызывающих «взблескивание» створки при ее переходе из открытого положения в закрытое (или, наоборот, из закрытого в открытое). В качестве альтернативы, вся створка может быть изготовлена из материалов, вызывающих взблескивание створки, или может включать один или более таких материалов. Если материал, вызывающий взблескивание створки клапана, является относительно жестким, то лежащий под ним материал створки может иметь меньший модуль упругости, чем модуль упругости материала, вызывающего взблескивание створки. Лежащим под ним слой будет входить в уплотнительную поверхность седла клапана при закрытии створки. Более низкий модуль упругости может обеспечивать более плотный контакт, исключающий утечки газообразной среды, когда клапан находится в закрытом положении. Модуль упругости слоя, вступающего в контакт с уплотнительной поверхностью, может составлять примерно от 0,15 до 10 МПа, или, что более типично, от 1 до 7 МПа, при изготовлении седла клапана из материалов, жесткость которых находится в обычных для этого диапазонах, в частности, из твердых пластмасс. В патенте США 7,028,689 (Martin et al.) описано применение многослойной створки, у которой слой, вступающий в контакт с уплотнительной поверхностью, имеет более низкий модуль упругости, чем расположенные над ним слои. Если вся створка изготовлена из относительно жестких материалов, то для более плотного контакта между створкой и седлом клапана может использоваться более эластичная уплотнительная поверхность седла (см. патент США 7,188,622 (Martin et al.)). Эластичная уплотнительная поверхность может иметь модуль упругости, составляющий менее, чем 0,015 ГПа, и, более предпочтительно, менее, чем 0,013 ГПа. В одном или более воплощениях взблескивания створки при ее открытии и закрытии могут быть созданы за счет использования пленки, обеспечивающей сдвиг спектральной полосы отраженного света.
Пленка, обеспечивающая сдвиг спектральной полосы отраженного света может включать многослойную полимерную пленку, работающую, как цветное зеркало или поляризатор. Слои пленки могут включать чередующиеся слои первого и второго полимеров, в результате чего получается многослойная двулучепреломляющая пленка, обеспечивающая сдвиг спектральной полосы отраженного света. В частности, могут использоваться многослойные двулучепреломляющие пленки с определенным отношением показателей преломления последовательных слоев для света, поляризованного вдоль взаимно ортогональных осей в плоскости слоя (осей x и y)и света, поляризованного вдоль оси, перпендикулярной плоскости слоя (оси z). В одном или более воплощениях разности показателей преломления вдоль осей x, y и z (Δx, Δy и Δz соответственно) таковы, что абсолютное значение Δz меньше, чем примерно одна десятая абсолютного значения по меньшей мере одной из абсолютных величин Δx, Δy (|Δz|<0,1k, k=max{|Δх|, |Δу|}). Для пленок, обладающих таким свойством, ширина и интенсивность пиков спектров пропускания или отражения p-поляризованного света (как функция частоты или 1/λ.) может оставаться в сущности постоянной в широком диапазоне углов наблюдения. Кроме того, в таких пленках с изменением угла наблюдения спектральные характеристики p-поляризованного света сдвигаются в сторону синей области спектра в большей степени, чем соответствующие характеристики в многослойных конструкциях из тонких изотропных пленок.
Пленки, обеспечивающие сдвиг спектральной полосы отраженного света, которые могут использоваться в настоящем изобретении, могут быть оптически анизотропными многослойными полимерными пленками, изменяющими цвет при изменении угла зрения. Такие пленки могут быть изготовлены таким образом, что они будут отражать свет одной или обеих поляризаций по меньшей мере в одной полосе спектра, причем они могут иметь резкий край полосы по одну или обе стороны от пика полосы спектра отражения, благодаря чему будет обеспечиваться высокая степень насыщенности цвета при отражении под острыми углами. Толщина и показатели преломления слоев многослойных оптических пленок, обеспечивающих сдвиг полосы спектра отраженного света в соответствии с настоящим изобретением могут быть подобраны таким образом, чтобы обеспечивалось отражение определенных длин волн (при определенном угле падения) света по меньшей мере одной поляризации, и прозрачность пленки на других длинах волн. За счет тщательного подбора толщины и показателей преломления слоев для света, поляризованного вдоль различных осей, могут быть изготовлены пленки, работающие, как зеркала или поляризаторы в одной или более областях спектра. Так, например, могут быть изготовлены пленки, отражающие обе поляризации света в инфракрасной области или в видимой области спектра, будучи при этом прозрачными в других частях спектра. Кроме того, что они обладают высокой отражающей способностью, такие многослойные пленки могут иметь ширину полосы и значения коэффициента отражения/пропускания p-поляризованного света, которые являются в сущности постоянными в широком диапазоне углов падения света. Благодаря таким свойствам может быть изготовлена зеркальная пленка, имеющая узкую полосу спектра пропускаемого света с пиком, например, на 650 нм, и такая пленка будет казаться темно-красной при нормальном падении света, а по мере увеличения угла падения ее цвет будет последовательно меняться на красный, желтый, зеленый и синий. Такое свойство аналогично разложению пучка света на спектральные цвета в узкой щели спектрофотометра.
В клапанах в соответствии с настоящим изобретением могут использоваться любые подходящие оптические пленки. Так, например, на фиг. 8-9 показана диффузно отражающая оптическая пленка 50, включающая двулучепреломляющую матрицу (сплошную фазу) 52 и прерывистую (дисперсную) фазу 54. Показатель двулучепреломления сплошной фазы, как правило, составляет по меньшей мере примерно 0,05, более предпочтительно - по меньшей мере примерно 0,1, еще более предпочтительно - по меньшей мере примерно 0,15, и еще более предпочтительно - по меньшей мере примерно 0,2.
Для поляризационных пленок в соответствии с настоящим изобретением показатели преломления сплошной и дисперсной фаз в сущности совпадают (то есть, отличаются менее, чем примерно на 0,05) вдоль первой из трех взаимно перпендикулярных осей, и в сущности не совпадают (то есть, отличаются более, чем примерно на 0,05) вдоль второй из трех взаимно перпендикулярных осей. Как правило, показатели преломления для сплошной и дисперсной фаз отличаются друг от друга менее, чем примерно на 0,03 в направлении совпадения, более предпочтительно - отличаются менее, чем примерно на 0,02, и наиболее предпочтительно - отличаются менее, чем примерно на 0,01. Показатели преломления сплошной и дисперсной фаз в направлении их отличия, как правило, отличаются по меньшей мере примерно на 0,07, более типично - по меньшей мере примерно на 0,1, и наиболее предпочтительно - по меньшей мере примерно на 0,2.
Значительное отличие показателей преломления вдоль определенной оси обеспечивает то, что падающий свет, поляризованный вдоль данной оси, будет в сущности рассеян, что приведет к тому, что значительная его часть будет отражаться. И наоборот, падающий свет, поляризованный вдоль оси, для которой показатели преломления близки, пройдет или отразится со значительно меньшей степенью рассеяния. Данный эффект может использоваться для изготовления разнообразных оптических устройств, включая отражающие поляризаторы и зеркала.
В настоящем изобретении предлагаются практичные и простые оптическое тело и способ изготовления отражательного поляризатора, а также предлагается способ получения требуемых оптических характеристик материала в непрерывном диапазоне, в соответствии с принципами, описанными в настоящей заявке. Кроме того, могут быть получены очень эффективные поляризаторы, характеризующиеся малыми потерями света и высоким коэффициентом экстинкции. Прочими преимуществами являются возможность использования широкого спектра материалов для дисперсной фазы и сплошной фазы и получения из них оптических тел, имеющих требуемые свойства, стабильное качество и высокую эффективность. Материалы по меньшей мере одной из сплошной или дисперсной фаз являются материалами, претерпевающими изменение показателя преломления после их ориентирования. В результате этого после ориентирования пленки в одном или более направлениях достигаются совпадение или несовпадение показателей преломления по одной или более осям. Путем тщательного подбора параметров ориентирования и прочих условий обработки материала может быть получено положительное или отрицательное двулучепреломление матрицы, обеспечивающее диффузное отражение или пропускание света вдоль одной или более поляризаций вдоль заданной оси. Отношение количеств пропускаемого и диффузно отраженного света зависит от концентрации включений в дисперсной фазе, толщины пленки, квадрата разности показателей преломления сплошной и дисперсной фаз, размера и геометрической формы включений дисперсной фазы, а также длины волны или ширины полосы спектра падающего света. Величина совпадения или несовпадения показателей преломления вдоль той или иной оси прямым образом влияет на степень рассеивания света, поляризованного вдоль данной оси. В целом рассеивающая способность изменяется в зависимости от квадрата разности показателей преломления. А именно, чем больше несовпадение показателей преломления вдоль той или иной оси, тем сильнее рассеивание света, поляризованного вдоль данной оси. И, наоборот, если несовпадение показателей преломления вдоль той или иной оси невелико, то свет, поляризованный вдоль данной оси, рассеивается меньше, проходя с отражением через всю толщину оптического тела.
На фиг. 10 показан фрагмент одного из воплощений многослойной оптической пленки 60, а именно, представлен схематический вид сбоку, отображающий структуру пленки, включая ее внутренние слои. На чертеже отмечена локальная система декартовых координат x-y-z. Пленка является протяженной параллельно осям x и y, а ось z перпендикулярна плоскости пленки и образующих ее слоев, и параллельна направлению толщины пленки. Отметим, что вся пленка 60 не обязательно должна быть плоской, а может иметь криволинейный профиль или иным образом выходить из плоскости, но даже в таких случаях небольшие участки пленки могут быть аппроксимированы плоскостью, и для них может быть определена локальная прямоугольная система координат, как показано на данном чертеже.
Многослойные оптические пленки могут включать отдельные слои, имеющие различные показатели преломления, благодаря чему некоторая часть света будет отражаться на границах раздела соседних слоев. Данные слои, иногда именуемые «микрослоями», являются достаточно тонкими, в результате чего порции света, отражающиеся от множества границ раздела слоев, претерпевают взаимно усиливающую или гасящую интерференцию, и таким образом многослойной оптической пленке могут быть приданы требуемые свойства прохождения или пропускания света. В многослойных оптических пленках, которые должны отражать свет в ультрафиолетовой, видимой или ближней инфракрасной области спектра, каждый из микрослоев, как правило, имеет оптическую толщину (определяемую, как физическая толщина, умноженная на показатель преломления), составляющую менее, чем примерно 1 мкм. В многослойную оптическую пленку могут быть, однако, включены и более толстые слои, например, покровные слои на наружных поверхностях пленки, или защитные граничные слои (PBLs), располагаемые внутри многослойной оптической пленки для разделения когерентных «пакетов» микрослоев. На фиг. 10 микрослои обозначены, как "А" или "В", где слои "А" выполнены из одного материала, а слои "В" выполнены из другого материала, и данные слои уложены чередующимся образом друг на друга, в результате чего образуется система из оптических повторяющихся элементов или одиночных ячеек ORU 1, ORU 2, … ORU 6. На практике многослойная оптическая пленка, полностью изготовленная из полимерных оптических материалов, может включать гораздо больше, чем шесть оптических повторяющихся элементов, особенно если требуется высокая отражающая способность. Обратим внимание, что все микрослои "А" и "В" являются внутренними слоями пленки 60, за исключением самого верхнего слоя "А", верхняя поверхность которого в данном примере совпадает с наружной поверхность 62 пленки 60. Значительно более толстый слой 64 - самый нижний на данном чертеже - может быть наружным покровным слоем, или защитным граничным слоем, разделяющим пакет микрослоев, показанных на данном чертеже, от еще одного пакета микрослоев (на данном чертеже не показан). При необходимости две или более многослойных оптических пленок могут быть ламинированы друг с другом, например, с использованием между ними одного или более толстых слоев адгезива, или с использованием давления, тепла или прочих средств для формирования ламината или композитной пленки.
1
2
В некоторых случаях микрослои могут иметь толщину и значения показателя преломления, при которых оптическая толщина каждого микрослоя в пакете будет равна  длины волны, то есть, микрослои уложены с образованием оптических повторяющихся элементов, каждый из которых имеет два прилегающих друг к другу микрослоя одинаковой оптической толщины (отношение f=50%, где отношение f определяется, как отношение оптической толщины слоя "А" к оптической толщине всего оптического повторяющегося элемента), и такой оптический повторяющийся элемент за счет усиливающей интерференции эффективно отражает свет, длина волны которого λ вдвое превышает суммарную оптическую толщину оптического повторяющегося элемента, где под оптической толщиной тела понимается его физическая толщина, умноженная на его показатель преломления. В других воплощениях оптическая толщина микрослоев, образующих оптический повторяющийся элемент, может отличаться друг от друга, и соответственно отношение f будет большим или меньшим 50%. В воплощении, показанном на фиг. 10, слои "А" показаны для примера, как более тонкие, чем слои "В". Каждый из оптических повторяющихся элементов (ORU1, ORU2 и так далее) имеет оптическую толщину (OT, ОТ, и так далее), равную сумме оптических толщин составляющих его слоев "А" и "В", и каждый оптический повторяющийся элемент отражает свет, длина волны X которого вдвое превышает его оптическую толщину. Пакеты микрослоев, используемые в многослойных оптических пленках в общем, и в многослойных пленках с выполненной внутренней структурой в соответствии с настоящим изобретением, в частности, по своей природе, как правило, являются в большей степени зеркально отражающими, чем рассеивающими, благодаря наличию гладких и четко определенных границ раздела между микрослоями, а также малой дымчатости материалов, как правило, используемых в таких конструкциях. В некоторых случаях, однако, готовое изделие может давать некоторую степень рассеяния света, например, за счет использования рассеивающих материалов в одном или обоих наружных слоях и/или в защитных граничных слоях, и/или за счет использования одной или более рассеивающих структур на поверхностях слоев или текстурированных поверхностей слоев.
В некоторых воплощениях оптическая толщина всех оптических повторяющихся элементов в пакете одинакова, в результате чего достигается высокая отражающая способность в виде узкой полосы спектра отражения, центр которой расположен на длине волны, равной двойной оптической толщине каждого из оптических повторяющихся элементов. В других воплощениях оптическая толщина оптических повторяющихся элементов может быть различной, образуя градиент толщины по оси z, то есть, в направлении толщины пленки, при этом оптическая толщина оптических повторяющихся элементов может увеличиваться, уменьшаться или изменяться в виде некоторой функции от одной стороны пакета (например, сверху) к другой стороне пакета (например, вниз). Такие градиенты толщины могут использоваться для формирования расширенной полосы спектра отражения, например, в сущности плоской верхушки пика спектра пропускания и отражения света в требуемом расширенном диапазоне длины волны, а также для всех требуемых углов наблюдения. Могут также использоваться специально подобранные градиенты толщины для получения спектральных полос с более резкими краями на шкале длины волны, то есть, более резких переходов между интенсивным отражением и интенсивным пропусканием, например, как описано в патенте США 6,157,490 (Wheatley et al.) «Оптическая пленка с резким краем спектральной полосы». Конструкция полимерных многослойных оптических пленок может быть подобрана таким образом, что полосы их спектров отражения могут иметь резкие края, и при этом быть плоскими, то есть, интенсивность отражения будет в сущности постоянна по всему диапазону длины волны в данной полосе спектра. Рассматриваются также и другие комбинации слоев, в частности, многослойные оптические пленки с двухслойными оптическими повторяющимися элементами, у которых отношение f отлично от 50%, а также пленки, в которых оптические повторяющиеся элементы включают более, чем два микрослоя. Такие альтернативные конструкции оптических повторяющихся элементов могут обеспечивать ослабление или усиление отражений тех или иных более высоких порядков, что может быть полезно, если требуемая полоса спектра отражения расположена в ближней инфракрасной области или заходит в данную область (см., например, патенты США 5,103,337 (Schrenk et al.) «Оптическая интерференционная пленка со спектром отражения в инфракрасной области»; 5,360,659 (Arends et al.) «Двухкомпонентная интерференционная пленка со отражением в инфракрасной области»; 6,207,260 (Wheatley et al.) «Многокомпонентное оптическое тело»; 7,019,905 (Weber) «Многослойный отражатель с подавляемыми отражениями высших порядков».
Как упоминалось выше, соседние микрослои многослойной оптической пленки имеют различные показатели преломления, в результате чего на границах раздела соседних слоев отражается часть света. Для дальнейшего описания обозначим показатели преломления одного из микрослоев (например, слоев "А" на фиг. 10) для света, поляризованного вдоль основных осей x, y и z, как nix, n1y и n1z соответственно. Оси x, y и z могут, например, соответствовать главными направлениям тензора диэлектрической проницаемости материала. Как правило (хотя в общем случае это не обязательно), главные направления для различных материалов в составе пленки совпадают, и этого предположения мы будем придерживаться в дальнейшем описании. Обозначим показатели преломления соседнего микрослоя (слои "В" на фиг. 10) вдоль тех же самых осей, как n2x, n2y и n2z соответственно. Обозначим также разности показателей преломления между двумя данными слоями, как Δnx(=n1x-n2x) - вдоль оси x, Δny(=n1y-n2y)-вдоль оси y, и Δnz (=n1z-n2z) - вдоль оси z. Природа этих разностей показателей преломления, количество микрослоев в пленке (или в пакете в составе пленки), а также распределение слоев по толщине определяют характеристики отражения и пропускания света для пленки (или пакета в составе пленки), или данного участка пленки. Так, например, если соседние микрослои характеризуются большой разностью показателей преломления вдоль одной из осей в плоскости слоя (например, большим значением Δnx) и малой разностью показателей преломления вдоль перпендикулярной ей оси в плоскости слоя (Δny≈0), то пленка или пакет для нормально падающего света могут работать как отражающий поляризатор. В контексте настоящего описания отражающим поляризатором считается оптическое тело, сильно отражающее свет, падающий на него нормально и поляризованный вдоль одной из осей в плоскости тела (именуемой «осью блокировки»), если длина волны падающего света находится в полосе отражения пакета, и сильно пропускающее свет, поляризованный вдоль перпендикулярной ей оси в плоскости тела (именуемой «осью пропускания»). Термины «сильно отражающий» и «сильно пропускающий» могут иметь разное значение в различных областях применения, но в большинстве случаев отражающий поляризатор характеризуется отражением по меньшей мере 70, 80 или 90% для оси блокировки и пропусканием по меньшей мере 70, 80 или 90% для оси пропускания. «Двулучепреломляющим» может считаться материал, имеющий анизотропный тензор диэлектрической проницаемости в интересующем диапазоне длины волны, например, на той или иной длине волны или в той или иной полосе в ультрафиолетовой, видимой и/или инфракрасной частях спектра. Иными словами, материал считается двулучепреломляющим, если не все из показателей преломления материала вдоль его главных осей (n1x, n1y, n1z) одинаковы между собой. Соседние микрослои могут иметь сильное расхождение показателей преломления вдоль обеих осей в плоскости пленки (иметь большое значение Δnx и большое значение Δny), и в таком случае пленка или пакет будут работать, как осевое зеркало. В контексте настоящего описания зеркальной (зеркальноподобной) пленкой считается оптическое тело, сильно отражающее нормально падающий на него свет и имеющий любую поляризацию и длину волны в диапазоне полосы спектра отражения пакета. Термин «сильно отражающий» может иметь разное значение в различных областях применения, но в большинстве случаев зеркало отражением по меньшей мере 70, 80 или 90% для нормально падающего света, имеющего любую поляризацию на интересующей длине волны. Во всех описанных выше воплощениях соседние слои могут иметь совпадение показателя преломления по оси z (Δnz≈0) или несовпадение данного показателя (большая величина Δnz), и разность показателей преломления может иметь тот же знак или противоположный знак по сравнению с разностью показателей преломления по одной или обоим осям в плоскости пленки. Подбор Δnz по данному признаку будет определять, будет ли коэффициент отражения косо падающего света, поляризованного вдоль одной из осей в плоскости пленки, увеличиваться, уменьшаться или оставаться постоянным с увеличением угла падения. Еще в одном примере соседние микрослои могут иметь в сущности совпадающие показатели преломления по обеим осям в плоскости (Δnx≈Δny≈0), но не совпадающие показатели преломления по оси z (большое значение Δnz), и в данном случае пленка или пакет могут работать, как так называемый «p-поляризатор», сильно пропускающий нормально падающий свет любой поляризации, но тем более сильно отражающий p-поляризованный свет, чем больше угол падения, если длина волны падающего света находится в пределах полосы отражения пакета.
Ввиду значительного числа возможных комбинаций разностей показателей преломления слоев вдоль различных осей, суммарного числа слоев и их распределения по толщине, а также количества и типов пакетов микрослоев, включенных в многослойную оптическую пленку, соответственно возможно большое разнообразие формируемых пакетов и оптических пленок 60. Некоторые из микрослоев по меньшей мере одном в пакете многослойной оптической пленки являются двулучепреломляющими по меньшей мере в одной зоне пленки. Так, например, первый слой оптических повторяющихся элементов может быть двулучепреломляющим (n1x≠n1y, или n1x≠n1z, или n1y≠n1z), или второй слой оптических повторяющихся элементов может быть двулучепреломляющим (n2x≠n2y, или n2x≠n2z, или n2y≠n2z), или как первый, так и второй слои могут быть двулучепреломляющими. Кроме того, двулучепреломление одного или более таких слоев может быть уменьшено по меньшей мере в одной зоне по отношению к соседней зоне. В некоторых случаях двулучепреломление таких слоев может быть сведено до нуля, в результате чего они станут оптически изотропными (n1x=n1y=n1z, или n2x=n2y=n2z) в одной зоне, но останутся двулучепреломляющими в соседней зоне. В случаях, когда оба слоя являются изначально двулучепреломляющими, что обусловлено выбором материалов и условиями их обработки, они могут быть обработаны таким образом, что будет значительно уменьшено двулучепреломление только одного из слоев, или будет уменьшено двулучепреломление обоих слоев.
Примеры многослойных оптических пленок, подходящих для использования в настоящем изобретении, описаны в патентах США 5,217,794 и 5,486,949 (Schrenk et al.); 5,825,543 (Ouderkirk et al.); 5,882,774, 6,045,894 и 6,737,154 (Jonza et al.); 6,179,948, 6,939,499 и 7,316,558 (Merrill et al.); 6,531,230 (Weber et al.); 7,256,936 (Hebrink et al.) и 6,506,480 (Liu et al.); см. также патентные публикации США 2011/0255163 (Merrill et al.) и 2013/0095435 (Dunn et al.). В одном или более воплощениях оптические пленки в соответствии с настоящим изобретением могут включать пленку, обеспечивающую изменение цвета, которая включает отражающий пакет, расположенный на подложке, при этом данный пакет включает по меньшей мере частично прозрачный пространственно-разделительный слой, расположенный между частично отражающим первым слоем и отражающим вторым слоем, как описано, например, в патенте США 8,120,854 (Endle et al.) «Интерференционные пленки, имеющие акриламидный слой, и способы их получения».
Многослойные оптические пленки, подходящие для использования в настоящем изобретении, могут быть изготовлены способами, описанными в патентах, цитируемых в настоящем документе. Оптические пленки могут быть также изготовлены с использованием технологических процессов соэкструдирования, литья и ориентирования (см., например, патенты США 5,882,774 (Jonza et al.) «Оптическая пленка»; 6,179,949 (Merrill et al.) «Оптическая пленка и способ ее изготовления» и 6,783,349 (Neavin et al.) «Устройство для изготовления оптических пленок». Многослойная оптическая пленка может быть сформирована соэкструдированием полимеров, как описано в любой из цитируемых выше публикаций. Полимеры, образующие различные слои, могут быть подобраны таким образом, что они будут иметь близкие реологические свойства, например, вязкость расплава, чтобы их можно было совместно экструдировать без значительных турбулентностей потока расплава. Условия экструзии подбирают таким образом, чтобы обеспечить должную подачу исходных компонентов, их плавление, смешение и подачу расплава в экструдер в виде непрерывных и устойчивых потоков материалов. Температуры, при которых формируются и поддерживаются каждый из потоков расплавленного материала, могут быть подобраны таким образом, чтобы они находились в диапазонах, нижняя граница которых исключает застывание, кристаллизацию или чрезмерно большой перепад давления, а верхняя граница которых исключает деградацию материала.
На фиг. 11 показана гибкая створка 22, которая может быть изготовлена из «взблескивающей» оптической пленки, подобной тем, что описаны в настоящем документе. В данном примере оптическая пленка имеет видимые индицирующие элементы 70, расположенные на наружной поверхности 72 незакрепленной части 25 створки 22. Индицирующие элементы 70 могут отображать торговый знак (бренд) производителя створки или торговый знак (бренд) производителя всего клапана. В качестве альтернативы, индицирующие элементы 70 могут быть изображением какого-либо предмета или животного, например, самолета или орла. Индицирующие элементы 70 могут быть выполнены таким образом, чтобы можно было легко обнаружить поддельный продукт. Оптическая пленка может быть сформирована из сотен или тысяч чередующихся слоев с различным показателем преломления. Только зная точный порядок чередования слоев в готовом изделии, можно воспроизвести индицирующие элементы 70, имеющие цвет, отличный от цвета наружной поверхности 72. Таким образом могут быть сформированы индицирующие элементы 70, служащие для проверки изделия на подлинность и защиты его от подделок. Во внутренней структуре области или зоны индицирующих элементов могут быть сделаны изменения, благодаря которым область индицирующих элементов будет отражать свет, заметно отличающийся по цвету для человека, смотрящего одновременно на индицирующие элементы 70 и окружающую их область 73 на наружной поверхности 72. Гибкая створка может быть изготовлена из чередующихся слоев с различными показателями преломления. Такое чередование слоев может создавать усиливающую интерференцию порций света, отражающихся от внутренних поверхностей пленки. Пленка может быть растянута для ориентирования ее молекул таким образом, чтобы еще более повысить показатель преломления материала, и так имеющего более высокий показатель преломления, и такой способ обработки иногда называется ориентированием с целью усиления двулучепреломления материала. Ориентированный материал имеет более высокий показатель преломления, вследствие чего он может иметь более высокую отражательную способность. Слой с более высоким показателем преломления может быть обратно превращен в слой с более низким показателем преломления с использованием процесса плавления. Плавление может осуществляться с помощью лазера. При этом во внутренней структуре пленки могут быть сделаны прецизионные изменения, которые могут вызывать изменения цвета наружной поверхности 72 по сравнению со слоями, не подвергнутыми такой обработке.
Существуют способы создания внутренних структур в диффузно отражающих оптических пленках, в результате чего могут быть сформированы индицирующие элементы 70, без селективного приложения давления и без селективного уменьшения толщины пленки. Такие способы предусматривают создание внутренних структур путем уменьшения величины двулучепреломления по меньшей мере одного из полимерных материалов, отчетливо разделенных на первую и вторую фазы в смешанном слое оптической пленки. Такое уменьшение может производиться во второй зоне пленки (которой может быть, например, область индицирующих элементов 70), но не производиться в соседней первой зоне (которой может быть окружающая их область 73). В других случаях создание внутренних структур может сопровождаться значительным изменением толщины, то есть, ее увеличением или уменьшением, в зависимости от используемых условий обработки.
В диффузно отражающих пленках может использоваться смешанный слой, в котором по меньшей мере одна фаза из первой и второй фазы является сплошной фазой, и первый и/или второй полимерные материалы, ассоциированные со сплошной фазой, являются двулучепреломляющими в первой зоне. Селективное уменьшение величины двулучепреломления может производиться путем подачи достаточного количества энергии во вторую зону, так, чтобы выборочно нагреть имеющийся в ней по меньшей мере один из полимерных материалов, смешанных друг с другом, до температуры, достаточно высокой для того, чтобы в материале произошла релаксация, уменьшающая или полностью снимающая двулучепреломление, которым материал до этого обладал. В некоторых случаях повышение температуры материала в результате такого нагревания может быть достаточно малым и/или может производиться в течение достаточно короткого промежутка времени, так, чтобы сохранить физическую целостность морфологической структуры смеси в составе пленки. В результате такой селективной обработки морфология смеси во второй зоне существенно не изменится, несмотря на то, что будет снижена величины двулучепреломления. Снижение величины двулучепреломления может быть частичным или полным. В последнем случае один или более полимерных материалов, которые являются двулучепреломляющими в первой зоне, становятся оптически изотропными во второй зоне. Селективное нагревание может быть достигнуто, по меньшей мере частично, путем селективной подачи света или другой энергии излучения, во вторую зону пленки. Свет может включать излучение в ультрафиолетовой, видимой или инфракрасной области спектра, или представлять собой их комбинацию. По меньшей мере часть подаваемого света может быть поглощена пленкой, в результате чего может быть обеспечена требуемая степень нагрева, при этом количество поглощенного света может быть функцией интенсивности и продолжительности облучения, распределения спектра излучения по длине волны, а также свойств поглощения пленки. Такой метод создания внутренней структуры в смешанной пленке может быть реализован с помощью известных источников света высокой эффективности и электронно-управляемых систем наведения пучка, позволяющих создать практически любую требуемую структуру в пленке или любое требуемое изображение на пленке путем соответствующего управления световым пучком, и устраняющих необходимость в более сложном инструментарии, таком, как штампы для тиснения, выполняемые индивидуально под требуемое изображение, или фотомаски.
Индицирующие элементы 70, выполненные на наружной поверхности 72 гибкой заслонки 22, могут быть торговым знаком или брендом производителя клапана. В пленки, используемые для изготовления створки, могут быть включены поглощающие вещества, например, красители или пигменты, обладающие подходящими свойствами поглощения, для селективного поглощения энергии излучения на требуемой длине волны или в требуемой полосе спектра. Если пленка формируется способом соэкструдирования нескольких слоев, такие поглощающие вещества могут быть селективно включены в те или иные слои для управления процессом их нагревания и соответственно уменьшения величины двулучепреломления внутренних слоев пленки. При совместном экструдировании нескольких смешанных слоев по меньшей мере один слой может включать поглощающее вещество, в то время как еще один слой может не включать поглощающего вещества, или в сущности каждый соэкструдированный смешанный слой может включать абсорбирующее вещество. В конструкцию пленки могут быть также включены дополнительные слои, например, внутренние вспомогательные слои или наружные покровные слои.
1
2
1
2
2
1
1
2
1
2
1
2
2
1
Оптические пленки, используемые в гибких створках в соответствии с настоящим изобретением, могут включать смешанный слой, протяженный от окружающей области 73 до области 70 индицирующих элементов пленки. Смешанный слой может включать первый и второй полимерные материалы, разделенные на четко различимые первую и вторую фазы соответственно, и при этом смешанный слой может иметь в сущности один и тот же состав и ту же толщину как в области индицирующих элементов, так и в области вне индицирующих элементов. По меньшей мере одна фаза из первой и второй фаз может быть сплошной фазой, и первый и/или второй полимерные материалы, ассоциированные со сплошной фазой, могут быть двулучепреломляющими в окружающей области или зоне, например, они могут иметь показатель двулучепреломления, составляющий по меньшей мере 0,03, или 0,05, или 0,10, на длине волны 633 нм или на любой другой требуемой длине волны. Слой может иметь первую характеристику диффузного отражения в окружающей области 73 и вторую характеристику диффузного отражения в области 70 индицирующих элементов. Разность между первой и второй характеристиками диффузного отражения может быть в сущности не связана с какими-либо различиями по составу и толщине слоя между первой и второй зонами. Напротив, разность между первой и второй характеристиками диффузного отражения может быть в сущности связана с различиями в двулучепреломлении по меньшей мере одного полимерного материала, из первого или второго полимерных материалов, между первой и второй зонами. В некоторых случаях смешанный слой может иметь в сущности одинаковую морфологию в области индицирующих элементов и в области вне индицирующих элементов. Так, например, морфология несмешиваемой смеси в области индицирующих элементов и вне области индицирующих элементов может отличаться (например, на микрофотографиях смешанного слоя) не более, чем на среднюю величину разброса морфологии несмешиваемой смеси в различных местах окружающей области, обусловленной допусками на изготовление смеси. Первую характеристику R диффузного отражения и вторую характеристику R диффузного отражения сравнивают при одинаковых условиях освещения и наблюдения. При этом под условиями освещения может подразумеваться точная характеристика падающего света (включая, например, направление падения, поляризацию и длину волны, например, это может быть нормально падающий неполяризованный видимый свет, или нормально падающий видимый свет, поляризованный вдоль определенного направления в плоскости пленки. Под условиями наблюдения может подразумеваться, например, полусфера отражения (весь свет, отраженный в полусферу, опирающуюся на сторону пленки, с которой падает свет). Если величины R и R выражены в процентах, то R может отличаться от R по меньшей мере на 10%, или по меньшей мере на 20%, или по меньшей мере на 30%. Так, например, R может быть равна 70%, и R может составлять 60%, 50%, 40% или менее. В качестве альтернативы, R может быть равна 10%, a R может составлять 20%, 30%, 40% или более. Величины R and R могут быть также сравнены по их отношению. Так, например, R/R (или обратное отношение) может составлять по меньшей мере 2 или по меньшей мере 3 Примеры оптических пленок, которые могут использоваться для изготовления створок клапанов с индицирующими элементами в соответствии с настоящим изобретением, включают пленки, описанные в патентных публикациях США 2011/0255163, 2011/0286095, 2011/0249332, 2011/0255167 и 2013/0094088 (Merrill et al.).
Свет, падающий на гибкую створку, может отразиться от гибкой створки, может поглотиться внутри гибкой створки (то есть, его энергия перейдет в тепловую), или может пройти насквозь через гибкую створку. Сумма количеств отраженного, проходящего и поглощенного света, в виде процентных долей от количества падающего света, равна 100%. В целом, благодаря такому закону сложения, пики отражения соответствуют провалам в пропускании света. Цвет, воспринимаемый смотрящим на гибкую створку, может быть цветом отраженного света или цветом, дополнительным к проходящему свету, в зависимости от внешних условий (например, способа крепления створки или освещения), в которых находятся гибкая створки и смотрящий. Поэтому для охарактеризования оптических свойств гибкой створки могут проводиться измерения как пропускания, так и отражения света. Для изучения сдвига полосы (изменения цвета) в зависимости от угла падения подходят оба данных способа измерения. «Взблескивание» в целом происходит потому, что смотрящий видит сильное зеркальное отражение света от гибкой створки при некоторых углах наблюдения, зависящих от условий освещения, в то время как при других углах наблюдения сильного зеркального отражения не происходит. Доля зеркального компонента отражающей способности поверхности может характеризовать способность поверхности «взблескивать». «Взблескивание», то есть резкое повышение интенсивности света, отражаемого от поверхности гибкой створки, будет тем более выраженной, чем выше зеркальный компонент в свете, отраженном от гибкой створки. Поверхность, отражение от которой в целом носит диффузный характер, по мере ее отклонения от источника света, как правило, будет казаться все более темной. Очень низкая интенсивность «взблескивания» может свидетельствовать о низком уровне зеркальности (зеркальный компонент отражающей способности поверхности составляет примерно 5-10%), поэтому для получения «взблескивания» среднего или более лучшего качества более предпочтительным является 20%-ное зеркальное отражение света. Для получения сильного взблескивания предпочтительным является 40%-ное зеркальное отражение света, и еще более предпочтительным - по меньшей мере 60%-ное зеркальное отражение. В обоих данных случаях зеркальное отражение должно происходить по меньшей мере в основной части видимого спектра (то есть, хотя бы в части диапазона от 400 нм до 700 нм).
Примеры
Испытание на взблескивание
Спектры отражения и пропускания исследовали с помощью спектрофотометра Lambda 950 производства Perkin-Elmer (Волтэм, штат Массачусетс, США) с геометрией измерения 0/D и интегрирующей сферой диаметром 150 мм, в соответствии с рекомендациями стандартов AST, DIN и CIE. Для измерения светопропускания образец гибкой створки устанавливали перед диафрагмой интегрирующей сферы. Перед измерением светопропускания измерительное устройство калибровали на 100%-ное пропускание в отсутствие образца, а затем на 0% пропускания при полностью перекрытом пучке света. Для измерения отражения света под углом, близким к углу падения (8°), образец устанавливали у заднего окна интегрирующей сферы со снятой с него крышкой. Перед измерением отражающей способности устройство калибровали с помощью эталонной отражающей поверхности из полированного алюминия NIST (Национального института стандартизации США) NBS 2024 - Second Surface Mirror Standards of Spectral Specular Reflectance (Эталонные зеркала с отражением от задней поверхности спектральной отражательной способности), установленной вместо образца в заднем окне сферы, а затем также проводили вторую калибровку (на ноль) с полностью перекрытым пучком света. Сначала измеряли полную отражающую способность образца. Затем на том же образце проводили второе измерение, закрыв выход светового пучка, зеркально отражающегося от образца. Тем самым определяли рассеянную составляющую отражающей способности, исключив из полного отражения зеркальную составляющую, соответствующую отражению света в пределах ±6° от идеального угла отражения светового пучка, равного 8°. Зеркальную составляющую отражательной способности по всему спектральному диапазону определяли, как разность между измеренными значениями полной отражающей способности и ее диффузной составляющей.
Измерение сдвига спектральной полосы
Измерения отражательной способности при наклонном отражении света проводили с помощью спектрофотометра Lambda 950 производства Perkin-Elmer (Волтэм, штат Массачусетс, США), оборудованного универсальной приставкой для измерения свойств отражения. Применяемый в приборе способ измерения абсолютной отражательной способности позволяет получить воспроизводимые результаты для различных углов падения в пределах примерно 60° от нормали без каких-либо ручных подстроек оптической системы спектрофотометра и без изменения положения образца.
Сдвиг спектральной полосы может быть также измерен для движущейся створки. Для этого использовали специально изготовленную систему, которая включала вращающуюся подставку для образца, способную удерживать гибкую створку под различными углами по отношению к источнику света и детектору. Специально изготовленная система была оборудована кварцевой вольфрам-галогенной лампой, запитываемой от стабилизованного источника напряжения и содержала изготовленную по индивидуальному заказу сферу Spectralon™ диаметром 4 дюйма производства Labsphere, Inc. (Норт-Саттон, штат Нью-Гэмпшир, США) в качестве источника света, позволявшего измерять светопропускание образца при геометрии D/0. Использовали два детектора: кремниевый детектор с зарядовой связью (CCD) для видимой и ближней инфракрасной областей спектра, и диодную матрицу на основе InGaAs (арсенида индия-галлия) для остальной части спектра. Для измерения рассеиваемого света, попадающего на каждый из детекторов, использовали простой спектрограф с оптической схемой Черни-Тернера (Czerny-Turner) и единственной решеткой. Такая система позволяла производить измерения светопропускания образцов гибкой створки при различных углах падения в пределах от 0° до 60° в диапазоне длины волны от 380 нм до 1700 нм. Для проведения измерений при s- и p-поляризации падающего света и при различных ориентациях гибкой створки использовали поляризатор Глана-Томпсона (Glan-Thompson). Пленки, использовавшиеся в гибких створках, устанавливали таким образом, что одно из основных направлений протяженности пленки (так называемых направлений "x" и "y") было совмещено с осью вращения (составляло угол 0°), а второе направление было перпендикулярно данной оси (составляло угол 90°). Таким образом, прохождение s-поляризованного света через пленку гибкой створки измерялось в направлении у пленки, а прохождение p-поляризованного света через пленку гибкой створки измерялось в направлении x пленки. Пленки гибких створок в описанных ниже примерах были практически изотропными в плоскости пленки, поэтому результаты измерений в целом отражали свойства пропускания s- и p-поляризованного света образцами пленок гибких створок. Соответственно, средняя величина для данных значений отражает характеристики прохождения неполяризованного света через данную пленку, то есть показывает, что увидит обычный наблюдатель при обычных окружающих условиях.
Сдвиг спектральной полосы выражается в процентах изменения длины волны края полосы, находящегося в видимом спектре. Как правило, требуется по меньшей мере 4%-ный относительный сдвиг края полосы в видимом спектре при некотором доступном угле зрения, чтобы человек мог заметить явное изменение цвета. Так, например, если край полосы находится на длине волны 561 нм при наблюдении по нормали к поверхности и на длине волны 532 нм при наблюдении под углом 30°, то относительный сдвиг полосы составляет 5,1% при изменении угла наблюдения на данную величину в 30°. В некоторых случаях, и в зависимости от формы полосы, ее глубины (определяемой, как процент изменения пропускания или отражения цветной полосы по сравнению с базисной линией) и положения края полосы в видимом спектре, более желателен относительный сдвиг полосы, составляющий 10% или даже 15% при некотором доступном угле наблюдения (например, 45° или 60°).
Оценка эффективности работы клапана выдоха
Эффективность работы клапана выдоха является ключевым фактором, определяющим комфортность пользования респиратором. Эффективность работы клапана выдоха может быть определена, как количество воздуха, проходящее через клапан, в процентах от всего количества воздуха, выдыхаемого человеком за один цикл дыхания.
Для проведения таких измерений сначала получали кривую зависимости расхода воздуха от падения давления при закрытом клапане для респиратора 3М™ 8511. На основании этих данных изготавливали модель, позволявшую создать аналогичные значения перепада давления на фильтрующем элементе HD-2583 диаметром 13,97 см из стекловолокна производства Hollingsworth&Vose (США), который помещали в держатель вертикально ориентированной камеры диаметром 13,97 см и глубиной 3,81 см. Концентрично по отношению к данной камере была расположена труба с внутренним диаметром 3,81 см и длиной 8,9 см, которая обеспечивала пневматическое сообщение данной камеры (через Т-образное соединение) со второй камерой высотой 7,62 см и диаметром 10,16 см. Верхняя поверхность второй камеры была выровнена по горизонту, и в центре диска, образующего ее верхнюю поверхность, имелось отверстие диаметром 21 мм. К основанию второй камеры была концентрично присоединена труба длиной 13,34 см и с внутренним диаметром 5,08 см. Внутри трубы находилась алюминиевая сетка с шестиугольными ячейками с расстояниями 3 мм между противоположными сторонами и длиной 5 см. Такая сетка коллимирует поток воздуха, проходящий через данную трубу, делая параллельными линии его тока на входе во вторую камеру. Верхний торец данной впускной трубы был расположен на 5 см ниже верхней поверхности второй камеры, концентрично по отношению к имевшемуся в верхней поверхности камеры отверстию диаметром 21 мм. Данный метод обеспечивает испытание каждого клапана в точности с одной и той же фильтрующей средой, поэтому единственной переменной величиной в данном способе испытания является сам клапан.
F
F
T
V
V
T
F
На отверстие диаметром 21 мм устанавливали клапан, и поверхность соприкосновения основания с камерой уплотняли так, чтобы не было утечек воздуха по основанию клапана. Коллимированный поток воздуха проходил по впускной трубе и выходил через клапан и/или фильтрующую среду. Измерения проводили путем задания падения давления (ΔР) и измерения полученного расхода воздуха (Q, л/мин) через систему «клапан + фильтрующая среда». Была известна зависимость расхода воздуха (Q) через фильтрующую среду без клапана от падения давления, которая была аппроксимирована, как Q=15,333x+1.263, где x - падение давления в мм водного столба. После этого была получена зависимость расхода воздуха (Q) от падения давления для системы «клапан + фильтрующая среда», и по разности между соответствующими значениями можно было определить расход воздуха (Q) через клапан при любом заданном значении падения давления: Q=Q-Q. На основании этих данных составляли таблицу зависимости расхода воздуха, проходящего через клапан (в л/мин), от суммарного расхода воздуха через систему «клапан + фильтрующая среда», и рассчитывали их процентное соотношение.
В отчете EPA/600/R-06/129F (май 2009, стр. 4-3 и 4-4), представлены данные по среднесуточному расходу воздуха при дыхании для мужчин и женщин. Максимальный среднесуточный расход воздуха, на основании этих данных, составляет 14,54 л/мин и имеет место у мужчин возраста от 41 до 51 года. Все остальные группы населения характеризуются более низкими среднесуточными значениями расхода воздуха. Данное значение для упрощения расчетов округлили до 15 л/мин. С помощью публикации Gupta, J.К., Lin, С.-Н., and Chen, Q. 2010, "Characterizing exhaled airflow from breathing and talking," Indoor Air, 20, 31-39, определили, что темп дыхания при расходе воздуха 15 л/мин составляет 19 вдохов в минуту. Для дыхания с расходом 15 л/мин и темпом 19 вдохов в минуту может быть составлена следующая формула зависимости расхода воздуха от времени:
Расход (л/мин) = 47,12389 sin (19t/(60×2π)),
T
V
где 47,12389 - пиковое значение расхода, равное π × среднесуточный расход (15 л/мин), a t - время в секундах. По этой формуле может быть составлена таблица значений расхода воздуха при дыхании, как функции времени, с шагом 0,01 с, от нуля до 0,79 с (пик синусоиды). Полученную ранее зависимость процентного соотношения между расходом воздуха через клапан и расходом воздуха через систему «клапан + фильтрующая среда» от расхода воздуха через систему «клапан + фильтрующая среда» аппроксимировали полиномиальной функцией. На основании этих данных было получено однозначное соответствие между расходом воздуха через клапан и временем. А именно для каждого момента времени с шагом 0,01 секунды суммарный расход воздуха через систему «клапан + фильтрующая среда», задаваемый уравнением синусоиды, умножали на процентное соотношение между расходом воздуха, проходящего через клапан, и расходом через систему «клапан + фильтрующая среда», вычисляемое с помощью полученной полиномиальной функции, в результате чего получали зависимость расхода воздуха, проходящего через клапан, в л/мин, от времени. Интеграл зависимости суммарного расхода воздуха при дыхании от времени по половине дуги синусоиды, умноженный на два, дает суммарный объем воздуха (Q'), проходящий через систему «клапан + фильтрующая среда» за один выдох. Интеграл зависимости расхода воздуха через клапан от времени, от момента времени 0 до момента времени, на котором наступает пик синусоиды, умноженный на два, дает суммарный объем воздуха (Q'), проходящего через клапан за один выдох. На основании этих данных может быть определено процентное соотношение между объемом воздуха, проходящим через клапан, и суммарным объемом воздуха, проходящим через систему «клапан + фильтрующая среда»:
V
T
% объема воздуха, проходящего через клапан = (Q'/Q')×100%
Примеры 1 и 1С
В примерах 1 и 1С испытывали две различные гибкие створки с одним и тем же корпусом клапана, описанным в патенте 5,325,892 (Japuntich et al.). Гибкая створка в Примере 1 включала оптическую пленку суммарной толщиной 35,6 мкм, которая в свою очередь включала 112 пар слоев из полиэтилен терефталата и со-полиметилметакрилата.
В суммарной толщине 35,6 мкм по 6,1 мкм давали два покровных слоя из полиэтилен терефталата, в то время как остальные 23,4 мкм давали 224 оптических слоя. В сравнительном примере 1С использовали обычную изопреновую гибкую створку толщиной 457, то есть из того же материала, что и створка в упомянутом выше патенте 5,325,892. В обоих примерах 1 и 1С определяли процент воздуха, проходящего через клапан, способом оценки эффективности работы клапана, описанным выше. Клапан испытывали также на взблескивание и сдвиг спектральной полосы. Результаты испытаний приведены в таблице 1 ниже.
Исследования зеркального отражения наклонно падающего света проводили с помощью спектрофотометра Lambda 950 от Perkin-Elmer (Волтэм, штат Массачусетс, США), оборудованного универсальной приставкой для измерения отражающей способности. При падении света под небольшим углом отклонения от нормали (8°) гибкая створка в примере 1 имела спектральную полосу отражения с краями 599 нм и 697 нм. На данных длинах волн, именуемых коротковолновым и длинноволновым краями полосы спектра отражения соответственно, зеркальное отражение составляло 54%. При значениях длины волны между указанными краями зеркальное отражение возрастало до 97%. На длинах волн вне указанной полосы зеркальное отражение падало примерно до 10%. Оба края полосы сдвигались в сторону более коротких длин волн по мере отклонения пучка падающего света от нормали. Так, коротковолновой край полосы падал до значений 561 нм, 524 нм и 489 нм при углах отражения 30°, 45° и 60° соответственно. То есть относительное уменьшение длины волны коротковолнового края полосы составляло 6,3%, 12,5%) и 18,3%) при углах отражения 30°, 45° и 60° соответственно. Отражение гибкой створки в сравнительном примере 1С составляло менее 2% в диапазоне видимого спектра; то есть, полоса спектра зеркального отражения не имела четко выраженных краев.
Пример 2
Используемое седло клапана имело эластомерную уплотнительную поверхность, описанную в патенте США 7,188,622 (Martin et al.). Твердость уплотнительной поверхности составляла 30 по шкале Шора «А». Седло клапана имело слабоискривленную форму профиля уплотнительной поверхности, а именно, в виде плавной кривой, которая обеспечивала разность по высоте между краем, наиболее удаленным от установочной платформы, и краем, наиболее близким к установочной платформе, составлявшую 254 мкм, что в точности равнялось высоте установочной платформы. В клапане использовалась гибкая створка из оптической пленки толщиной 58,42 мкм, и кроме того, клапан имел крышку, как описано в патентах США 8,365,771 и D676,527 S. Клапан испытывали на взблескивание, сдвиг полосы и эффективность работы при дыхании. Результаты измерений, проведенных для клапана в примере 2, представлены в Таблице 2.
Пример 3
В данном примере была изготовлена пространственно модифицированная оптическая пленка, которая может использоваться для изготовления гибкой створки в соответствии с настоящим изобретением. Пленка была изготовлена, как описано в общем в публикации WO 2010/075357 (Merrill et al.), из многослойной оптической пленки, отражающей в красном свете, далее именуемой пленкой «D». Пленку D формировали способом совместной экструзии примерно 300 чередующихся слоев двух полимерных материалов, один из которых содержал поглощающий в инфракрасном свете краситель в требуемой концентрации, литья эструдата, быстрого охлаждения получаемого полотна и растяжения полученного полотна по двум осям, в результате чего формировалась пленка D, отражающая в красном свете.
Для изготовления слоев с высоким показателем преломления пленки D использовали первый сополимер - так называемый "90/10 coPEN", включавшего, в качестве субъединиц, 90 моль % полиэтилен нафталин дикарбоксилата и 10 моль % полиэтилен терефталата, как описано в примере 1 патента США 6,352,761 (Hebrink et al.)). Для изготовления оптических слоев с низким показателем преломления использовали второй сополимер - Eastman™ Copolyester SA115B от Eastman Chemicals (Кингспорт, штат Теннесси, США). Суспензию красителя Amaplast IR-1050, поглощающего в инфракрасном диапазоне, от ColorChem (Атланта, штат Джорджия, США), гомогенизировали с поверхностно-активным веществом Solplus R730 от Lubrizol (Кливленд, штат Огайо, США), и полученную сложную суспензию добавляли в реакционный сосуд, в результате чего получали маточную смесь из полимера 90/10 coPEN с красителем Amaplast в количестве 1% по весу. Полученную маточную смесь вводили в подаваемую смолу полимера 90/10 coPEN в весовой пропорции 1:3 по отношению к чистому полимеру, для последующего экструдирования слоев с высоким показателем преломления. Из полимера coPEN изготавливали примерно 150 слоев с высоким показателем преломления, которые чередовались с еще примерно 150 слоями из полимера SA115B, имевшими низкий показатель преломления; таким образом, оптическая пленка включала материалы с высоким и низким показателями преломления в пропорции примерно 9:10. Наружные слои соэкструдированных слоев (защитные граничные слои) также включали SA115B. Таким образом, примерно 300 описанных выше слоев образовывали оптический пакет. Защитные граничные слои составляли примерно 15 весовых % данного оптического пакета. И наконец, совместно экструдировалась пара покровных слоев пленки из полимера 90/10 coPEN, в весовом соотношении примерно 6:5 к весу оптического пакета. Экструдированное полотно быстро охлаждали, нагревали до температуры, превышающей температуру стеклования первого сополимера, растягивали на валиках в длину до получения коэффициента вытяжения примерно 3,9, после чего нагревали до температуры примерно 125°С и растягивали в поперечной ориентации на ширильной машине до получения коэффициента вытяжения примерно 4. После охлаждения пленку подвергали термической усадке при температуре примерно 238°С и сматывали в рулон. Полученная оптическая пленка D имела толщину примерно 53 мкм.
На просвет при наблюдении по нормали пленка D в целом имела голубой цвет, который по мере отклонения угла наблюдения от нормали постепенно менялся на пурпурный и, при самых больших углах наблюдения, на лиловый. Соответственно, в отраженном под определенными углами свете пленка взблескивала металлическим («медным») блеском красного цвета. Зеркальное отражение света от пленки D исследовали с помощью спектрофотометра Lambda 950 от Perkin-Elmer (Волтэм, штат Массачусетс, США), как описано выше. Спектры суммарного отражения, а также диффузной составляющей отражения и зеркальной составляющей отражения в диапазоне видимого света представлены кривыми 9001, 9002 и 9003 на фиг. 12а. Измерения проводили при отражении света от обеих сторон пленки, и были получены очень сходные между собой результаты. Результаты, представленные на фиг. 12а, соответствуют измерениям, при которых более толстые слои оптического пакета обращены к источнику света. Результаты, представленные на фиг. 12а, показывают, что отражение от данного материала носит преимущественно зеркальный характер. В представленном на графике диапазоне отражение более чем на 60% является зеркальным, а в некоторой части видимого спектра зеркальное отражение превышает 90%.
1
2
На фиг. 12b и 12с соответственно представлены результаты измерений сдвига спектральной полосы p- и s-поляризованного света при его прохождении под углом 0°, 30° и 60° от нормали, в соответствии со способом испытания на сдвиг полосы, описанным выше. Кривая 9004 на фиг. 12b соответствует прохождению света под углом 0°, кривая 9005 - прохождению света под углом 30°, и кривая 9006 - под углом 60°. На фиг. 12 с кривая 9007 прохождению света под углом 0°, кривая 9008 - прохождению света под углом 30°, и кривая 9009 - под углом 60°. Для данной пленки положение спектральных полос в зависимости от угла прохождения света практически одинаково для обеих поляризаций. Края полос, как правило, определяются, как края пиков отражения (соответственно провалов прохождения), то есть, как значения длин волн, при которых пропускание света является средним между базовым уровнем и средним остаточным пропусканием в центральной части полосы. Остаточное пропускание s-поляризованного света в центральной части данной полосы (от 580 нм до 660 нм) составляло примерно 6%. Соответственно, коротковолновой (λ) и длинноволновой (λ) края спектральной полосы пленки D равны 554 нм и 725 нм соответственно. Альтернативно, для полос сильного отражения, и соответственно, полос поглощения, у которых уменьшение пропускания света составляет не менее 50% базового уровня, может использоваться и иной порог отсечения полосы, например, для сравнения свойств отражения одной и той же пленки под разными углами. В данном примере был выбран 20%-ный порог отсечения полосы спектра пропускаемого света. В результате края спектральной полосы пропускания как s-поляризованного, так и p-поляризованного света составляли 561 и 701 нм соответственно.
Коротковолновой и длинноволновой края спектральной полосы пропускания p-поляризованного света при 20%-ном пороге отсечения для данной пленки составляют 561 нм и 701 нм при угле наблюдения 0°, 532 нм и 673 нм при угле наблюдения 30° и 473 нм и 609 нм при угле наблюдения 60°. То есть, при угле наблюдения 30° сдвиг коротковолнового края полосы составляет 5,1%.
Пленку D в отдельности, то есть, не ламинированную с другими материалами, подвергали лазерному структурированию. Для уменьшения образования на пленке морщин в процессе лазерной обработки, а также для обеспечения теплоотвода, роль которого выполняют покрытия, с которыми ламинируется пленка, пленку укладывали на зеркально полированную металлическую пластину, и металлическую пластину вместе с пленкой укладывали на вакуумную подставку от Thorlabs, Inc (Ньютон, штат Нью-Джерси, США), обеспечивавшую плотное прижатие пленки D на поверхности металлической пластины. После этого для дополнительного уменьшения образования морщин на пленку укладывали стеклянную пластину (может, например, использоваться предметное стекло микроскопа). После этого пленку D подвергали облучению импульсным волоконным лазером мощностью 20 Вт от SPI Lasers, (Саутгемптон, Великобритания) с длиной волны 1064 нм. Излучение лазера направлялось гальванометрическим сканером hurrySCAN //14 от SCANLAB AG (Германия) и фокусировалось f-θ объективом, разработанным для длины волны 1064 нм, производства Sill Optics GmbH (Германия). Экспонируемая структура соответствовала требуемому изображению, а именно, символам "3М" и "N95", написанным в две строчки. Изображение подвергалось растровому сканированию, а именно, лазерный луч начинал сканирование с верхнего левого угла изображения и линейно перемещался в правый верхний угол; после этого мощность лазера была установлена на нуле, пока сканирующая головка не переместится на левый край, немного ниже только что отсканированной строки; после этого мощность лазера устанавливалась на прежнем уровне, и так далее, пока не было отсканировано все изображение. Максимальная средняя мощность лазера при сканировании составляла 3,5 Вт, по результатам измерения с помощью термоэлектрического датчика LabMax-TOP от Coherent Inc. (Санта-Клара, штат Калифорния, США). Прочие условия обработки составляли: частота повторения импульсов 500000 Гц, длительность импульса 9 не и линейная скорость сканирования 250 мм/с. Для уменьшения образования поверхностных дефектов пленки, таких, как расслоение и обугливание, подставку устанавливали так, чтобы поверхность контакта металла с пленкой D располагалась примерно на 5,5 мм ближе фокальной плоскости f-θ объектива, в результате чего эффективный диаметр пучка лазерного света составлял примерно 130 мкм.
В результате такой обработки лазером структурированные места были преимущественно прозрачными с небольшим остаточным цветом. В частности, на структурированных частях была видна надпись "3М N95" легкого остаточного голубого оттенка по сравнению с более интенсивным голубым цветом неструктурированных частей пленки.
Настоящее изобретение допускает различные модификации и изменения без отхода от его идеи и объема. Поэтому настоящее изобретение не ограничено описанными выше воплощениями, а определяется прилагаемыми ниже пунктами формулы изобретения, и их эквивалентами.
Настоящее изобретение может быть реализовано в отсутствие любого элемента, не упомянутого специально в настоящем описании.
Все патенты и патентные заявки, на которые приводятся ссылки в настоящем описании, включая ссылки в разделе «Уровень техники», включены в настоящий документ целиком посредством ссылки. Если какое-либо значение или определение понятия в настоящем документе не совпадает со значением или определением данного понятия в документе, на который дается ссылка, следует руководствоваться значением или определением данного понятия, содержащимся в настоящем документе.