CN1681561A - 具有包裹过滤材料的热成型外套的过滤元件 - Google Patents

Abstract

适合连接到呼吸罩上的过滤筒(5)，它有一个外套，该外套包含进气口(27)、出气口(39)和过滤材料(17、19)，要过滤的空气从进口到出口时从其中通过。至少部分外套包含一种沿过滤材料侧面热成型的片材(23)。

Description

具有包裹过滤材料的热成型外套的过滤元件

技术领域

本发明涉及适用于呼吸器、空气过滤单元和其他过滤装置的过滤元件。

背景技术

过滤元件一般要求可以更换，这样当它到达使用寿命的终点时，就可以从使用它的过滤装置中取出来，并用新的过滤元件替换。过滤元件常常是圆筒形的，并用某种形式的连接机构安装一个外套，使圆筒可以固定在使用该元件的过滤装置中，也可以从中取出。在其他情况下——例如某些类型的呼吸面罩——当过滤元件的寿命结束时，可以将过滤装置抛弃，此时过滤元件可以是过滤装置整体的组成部分。

过滤筒通常这样组装，先形成外套，然后将过滤材料插入外套——例如，可参见美国专利4592350、5063926、5736041、6277178和6248280，以及DE-A-19700340。如上述某些文献所述，外套可以由两个部分构成，当过滤材料安装到位后，就将这两部分合起来。美国专利2922417、2922418、3861381和4790306以及EP-A-0218348还介绍了呼吸面罩，它们的过滤元件是面罩整体的组成部分。

呼吸器中常用吸附微粒，如活性炭作为气体或蒸汽过滤器。过滤器一般根据吸附材料在过滤器中负载的方式进行分类，包括堆积床过滤器、负载无纺过滤器、负载泡沫过滤器和粘结吸附剂过滤器。

在堆积床过滤器中，吸附剂微粒用压力压缩在容器中，压力通过覆盖进出口区域的刚性网格施加在微粒床上并经其传递。堆积床过滤器常做成圆柱形，厚度或床深恒定不变，进出口平坦。在装填过滤筒时，通常将吸附剂微粒倒过筛网，微粒在落下的过程中得到分散，得到几乎堆积到最大密度的水平床。来自约束网格的压力限制了微粒的运动，使经过堆积床的沟流最小。

堆积床过滤器的一个例子可见美国专利4543112。此专利介绍了一种吸附过滤装置，它是通过在罐式壳的圆柱部分依次安置第一弹性多孔板、第一延迟过滤器、吸附床、第二延迟过滤器、第二弹性多孔板和盖子来制备的。向下推盖子，压缩吸附床，并回弹加压或压迫第一弹性多孔板。各部分被压在一起的同时，圆柱形外壳的环形边缘部分卷起来，在圆罐盖子上形成周边向外延伸的槽，从而将圆罐密封起来，并且在机械作用下，各部分压到一起时保持它们组装和压缩时的关系。

由于需要这么多的组成部分和加工步骤，这种过滤器生产复杂，而且重量重，体积大，成本高。当堆积床呼吸器与微粒过滤器串起来用于既含有有害微粒又含有有害蒸汽的环境中，如在喷漆应用中，就会出现另一个问题。在这种情况下，约束网格将在微粒过滤器内部产生非均匀的气流通道，导致过滤介质的利用率下降，整个过滤器上的压力降增加。

在形成网的纤维之间含有吸附微粒的负载无纺网见于过滤性面罩领域。一个例子可参见美国专利3971373。对含有分散并粘结在泡沫结构中的吸附微粒的负载泡沫材料也有报道。美国专利4046939介绍了碳浸渍泡沫材料，用于保护衣物免受有毒化学物质影响。负载无纺网和负载泡沫结构都通过边缘密封到呼吸器组件上，防止未过滤的空气通过过滤器。已知的密封工具包括黏合剂和垫圈或密封环，前者如美国专利5063926所述，后者如美国专利5222488所述。负载结构的一般缺点是其吸附微粒密度小于堆积床。

粘结吸附剂的发明相对于堆积床技术和负载网和泡沫结构来说是一大进步。在粘结吸附技术中，吸附微粒用聚合物微粒模塑成单一结构，所述聚合物微粒将吸附剂微粒粘结在一起。粘结吸附结构不像堆积床，它不需要另外的支撑结构。粘结吸附结构的一个例子可参见美国专利5033465(还可参见美国专利6391429B1)。粘结吸附结构用黏合剂密封到呼吸器上——例如，可参见美国专利5078132；或者用注塑方法密封——例如，可参见美国专利4790306。

发明内容

本发明提供了一种新型过滤元件，简而言之，它包含以下部分或基本上由它们组成：(a)具有至少一个进口和至少一个出口的外套；(b)包含在外套中的一团过滤材料，这样要过滤的流体就流经至少一个进口、过滤材料和至少一个出口；其中至少部分外套包含在至少部分过滤材料周围热成型的片材，以阻止流体在过滤材料与片材之间通过，从而使流体流出外套之前通过过滤材料。

本发明还提供了制备过滤元件的方法，简而言之，它包括如下步骤：(i)提供一团过滤材料；(ii)提供热成型片材；(iii)使片材在至少部分过滤材料周围热成型，包封过滤材料，并防止流体从过滤材料和片材之间通过，由此防止流体不沿穿过过滤材料的过滤通道流经过滤元件。

与本领域已知的过滤元件和过滤筒相比，本发明可以用较少的组件生产过滤元件，如呼吸器用过滤筒。此外，这种过滤元件的生产步骤也较少。装过滤材料团的外套可通过热成型的步骤生产，这样可使外套壁与过滤材料接触，防止流体从过滤材料和外套侧壁之间通过。因此，外套的生产简单、廉价，同时提供密封装置，以确保在过滤元件用于呼吸器时，几乎所有的吸入空气都流经过滤元件。热成型片材还可用作制动装置，将过滤材料固定在外套内。这些特点使得为呼吸器生产的过滤筒成为可能，其中过滤筒重量轻、组件最少、生产相对容易。

术语“热成型”是指片材经过加热，并在仍处于高温时成型。片材可通过这样的方式成型：例如施用真空(称作真空成型)、加压(称作加压成型)、放置在成型模具之间(称作匹配模具成型)，或以任何其他合适的途径成型。

附图的简要说明

下面结合附图叙述本发明的一些实施方式，但仅仅是示例：

图1是半呼吸罩1的侧视图，它含有本发明的过滤筒5；

图2是图1所示呼吸罩1的前视图，面片2上没有示出过滤筒5和头带7、8；

图3是图1所示面罩用的一种过滤筒5的前视图；

图4是图3所示过滤筒5的后视图；

图5是过滤筒5从图3所示箭头5-5所指方向看去的侧视图；

图6是过滤筒5从图4所示线6-6所指方向看去的截面图；

图7是构成图3所示过滤筒5的底座的托盘组件21；

图8是图7所示托盘组件的内部结构图；

图9-12是制备本发明过滤筒的方法的各步示意图；

图13和14是类似于图6的改进型过滤筒的截面图；

图15和16是本发明另一种形式的过滤元件49A、49B各组件的截面图；

图17是由图15和16所示组件制成的过滤筒的截面图；

图18是图17所示过滤筒沿箭头18-18所指方向看去的连接面图；

图19和20分别是本发明另一种形式的过滤元件的透视图和截面图；

图21是含有本发明过滤元件的呼吸罩。

优选实施方式的详细说明

图1和2所示为一种形式的半呼吸罩，它用于覆盖佩戴者的鼻子、嘴和下巴。呼吸罩1包含面片2，所述面片可用柔顺性材料(例如橡胶材料)注塑而成，其边缘向内翻卷(图中未示出)。戴上呼吸罩后，翻边与佩戴者的皮肤形成密封。面片2的中央部分3覆盖佩戴者的鼻梁，其中装有呼气阀4。在呼气阀4反面，面片上装有吸气阀(看不见)，吸气阀上装有过滤筒5。面片两边是上下头带7、8的扣件6(只示出了用于上头带的扣件)，上下头带构成头套的一部分，头套还包括托架9，它套在佩戴者的头顶上。过滤筒5可用卡件连在呼吸罩上，并且容易取下来。卡件在图1中看不出，但一个卡件的一部分示于图2中的10。

在使用中，可调节头带7、8，使之适应佩戴者的头部，从而将呼吸罩扣在佩戴者的面部。当佩戴者吸气时，空气就经由过滤筒5被吸进呼吸罩1，然后通过面片2上脸颊部分的吸气阀。当佩戴者呼气时，空气就经由位于呼吸罩体2中央部分3的呼吸阀4从呼吸罩内排出。呼吸罩1的两个过滤筒5相同，其结构与下面结合附图3-8所介绍的相同。

特别如图3-6所示，过滤筒5包含含有过滤材料的外套15。过滤材料可包含一层微粒过滤材料17，它靠近一厚层蒸汽吸收过滤材料19(可以是吸附剂或吸收剂)的一个主表面。过滤材料17的外主表面可为保护性平纹棉麻织物材料17A覆盖。吸滤材料19的另一个主表面(也可为平纹棉麻织物材料19覆盖，以起保护作用)位于托盘形底座21中，所述底座构成过滤筒外套15的一个部分。构成过滤筒外套15剩余部分的片材23在周围成型，宜包封两层过滤材料17、19的两边和微粒过滤材料17外部盖有平纹棉麻织物的主表面的空白部分25。术语“包封”是指片材包住过滤材料，其程度足以完成生产过滤元件的目标，即防止未经过滤的流体穿过过滤元件。片材23黏着到微粒过滤材料17外主表面的空白边25以及底座21上，因而它不仅能够包封部分过滤材料17、19，还能将过滤材料19固定在底座21上。微粒过滤材料17外主表面的暴露部分27——即空白边25中未被片材23覆盖的部分——构成过滤筒5的外套15的进口，它上面覆盖着平纹棉麻织物材料，用来保护过滤材料。底座21将在下面图7和图8中作详细介绍，它为过滤筒5提供了出口39，以及出口与吸附过滤材料19之间的平面腔37。

空气经进口27进入过滤筒，通过横穿微粒过滤材料17和蒸汽吸附过滤材料19的过滤通道，然后进入腔37，由此通过出口39、与之相连的吸气阀，然后进入面片2所限定的内部气体空间。过滤筒外套15的热成型片材23与过滤材料17、19侧边之间的紧密接触防止了经进口27吸入过滤筒5的空气因从过滤材料周围泄漏而通过过滤材料(称作“空过”)，从而当它流过过滤筒时得不到过滤。本说明书所用术语“防止”是指热成型片材基本上排出了沿过滤材料侧边空过的情况。可以有一些空气的确在此位置从过滤材料通过，但空气与过滤材料充分接触，因而其量不大，不至于有很多空气没有得到过滤，从而对佩戴者的安全或健康造成威胁。在此吸气过程中，腔37的作用是使过滤材料19整个面积上的压力降均匀分布，避免吸入的空气很早就从过滤材料空过。当佩戴者呼气的时候，过滤筒5的出口39通过与之相连的吸气阀关闭，使得呼出的空气不会经由过滤筒离开面片2，而是通过呼吸罩1中央部分3中的呼吸阀4排出(见图1)。

在图3-6所示过滤筒中，进气口27可以是片材23中的孔42，出气口39可以位于预成型底座托盘21。作为改进形式，进气口27也可以在预成型外套组件中形成，热成型片材23紧贴过滤材料17、19的侧边。本发明基本上可以采用任何形式或结构的进口、出口和外套，只要空气能够通过过滤介质而不会发生空过现象。

图7和8示出了与过滤筒5相分离的外套底座21。底座21的侧壁29呈阶梯或层级排列，形成内架31，将吸收蒸汽的过滤材料19支撑在与底座内侧底表面33隔开一段距离的位置上。底表面33上竖立的肋条35对吸收蒸汽的过滤材料19提供了额外的支撑，确保底座中的腔37位于底表面33与过滤材料之间。底座21底部的孔39构成过滤筒5外套15的出口，它单独配有卡件(未示出)，使得过滤筒5能够连接到呼吸面罩的面片2上，并可以取下来(图1和2)。如图4所示，十字棒39A可位于孔39中——例如借助孔中的推拉件——当过滤筒5连接到面片2上时为面片中的吸气阀提供支撑。

微粒状过滤材料17基本上可以是任何已知类型的适合在呼吸器中除去吸入空气里的微粒物质的过滤材料。出于下述原因，过滤材料宜为自支撑型的。合适的微粒过滤材料的一个例子可以商品名“Filtrete”购自美国明尼苏达州St.Paul的3M公司。微粒过滤材料可由带电微纤维网，如熔喷微纤维网制备。例如，可参见美国专利6406657B1、6375886B1、6119691和5496507。所述纤维也可以是含有原纤维的带电纤维——可参见美国专利Re.30782和Re.31285。此外，所述纤维表面上可以含有氟原子，以提高它们的耐油腻性。例如，可参见美国专利5432175B1、6409806B1、6398847B1和6397458B1。

吸收蒸汽的过滤材料19可以是已知类型的适合用在呼吸器中除去吸入空气里的有害蒸汽的过滤材料。像微粒过滤材料一样，吸收蒸汽的过滤材料也宜为自支撑型的。合适的吸收蒸汽的材料的例子是粘结吸附材料和吸附剂负载网材料，前者如粘结碳，后者如碳负载无纺网材料。各种粘结吸附材料及其制备方法见述于美国专利5033465和6391429B1。各种吸附剂负载网材料及其制备方法见述于美国专利3971373。

过滤筒的底座21(图6-8)基本上可由任何已知类型的适合形成呼吸器过滤筒外套的材料形成。更一般的情况是，底座可用热成型(例如真空成型)或注塑等工艺由聚合物材料形成。适用于底座21的材料是聚丙烯膜或薄片材料。

用扣件将过滤筒5连接到呼吸器面片2上并不重要，如果必要的话，可以采用其他连接形式，然后改进底座底部中出气孔39的形式。将过滤筒连接到呼吸器面片上的各种结构见述于美国专利5579761，从该文献可得到更多的信息。

形成过滤筒外套15剩余部分的片材23基本上可以是任何已知适用于呼吸器过滤筒外套的热成型材料。更一般地，片材23是热成型聚合物膜或片(包括多层聚合物膜材料)，但它也可以是(例如)层合材料，该层合材料包含非聚合物膜材料的层，例如金属或无纺材料。合适的热成型材料是聚丙烯膜。市售热成型材料的例子包括：威尔士Llantrisant的Ensinger有限公司生产的“Simona 1mm PP-DWST”，英国North Shields的Bay Plastics有限公司生产的“Borealis 1mm BEC 5012”和“Borealis 1.5mm BEC 5012”。

图9-12示出了制备本发明过滤筒的方法，其中对应于图3-6中各组件的组件具有相同的标号。一片微粒过滤材料17和一片吸收蒸汽的过滤材料19均切成合适的形状，然后放在已经成型的底座托盘21中，接着放在真空成型机的平板40上，并且从开口41抽真空(图9A)。如图9B所示，从片材23中切出比过滤材料17的外主表面稍小的孔42，然后在孔上覆盖一片平纹棉麻织物材料43并沿孔的周缘焊接在片材上。然后将片材23放置到真空成型机的成型框架44上(图10)，先抬高压盘40，将过滤材料17的上表面拉到与片材相平，以保证片材23定位准确，使孔42位于过滤材料上。然后将板45放置在片23中的孔42上。此板的作用是在用成型工艺进行制备的过程中加热片23时保护过滤材料17，同时在抽真空时密封孔42。

图11示出了真空成型机中的一排加热器46，将这些加热器移动到板45上面。启动加热器46，加热片材，使之变成适合真空成型的柔软状态。在此阶段，如前面已经提及的，板45可保护过滤材料17，防止它经孔42直接受到加热器46影响。然后移走加热器46，稍向下移动压盘40，将平纹棉麻织物材料43压向板45，开动成型机的真空泵(未示出)，通过压盘40中的开口41抽走片23下面的空气(图12)。软片23上下面之间产生的压力差使得片沿着过滤材料侧边和底座托盘装置17、19、21向下移动。更具体地说，由于真空泵将空气从过滤材料17、19侧边抽出，如图12中箭头所示，软片材料23很容易与过滤材料17、19紧密接触。软片材料23宜粘着到底座托盘21侧边上(如上面结合图3-6所述及的)，而且为了保证实现这一点，必须要有一个通道，让空气从底座托盘21下面抽走，如箭头48所示。举例来说，这种通道可这样形成，即在底座托盘21底部和压盘40之间插入小间隔物(未示出)。

当片23冷却时，将压模盘40自板45降下，然后从底座托盘21周围除去多余的片材，得到过滤筒5成品，只需要添加十字棒39A(图4)和将过滤筒连接到呼吸器面片上的组件。

在用上述方法制备的过滤筒5(图1，3-6)中，使片23在过滤材料17、19周围热成型的步骤可能引起片材粘结到过滤材料上(当然这并不要紧)。如果需要，可以在热成型步骤之前在片材23上涂布黏合剂材料或柔性密封材料，使它在过滤元件或过滤筒完成之时固定在片材和过滤材料之间。

图13和14示出了图9-12所示方法的改进形式。在此方法中，片材23可以在两层过滤材料17、19侧面和微粒过滤材料17外主表面的空白区25周围进行热成型，但底座托盘21排出在外。热成型步骤之后，可以切去多余的片材23，留下向外伸的凸缘23a，一个合适成型的底座22可以固定到该凸缘上(例如通过超声波焊接)，以提供腔37和过滤筒出口39。图13具体示出了一个盘形的底座22，它具有侧壁22A和向外伸出的凸缘22B，凸缘22B焊接到片材23的凸缘23A上。图14所示为一种改进形式，其中底座22包含通过边缘焊接到凸缘23A的平板，在23B所示热成型步骤中，片材23延伸到过滤材料19外面，形成腔37。

在图9-12所示方法的另一种改进形式中，吸收蒸汽的过滤材料19和底座托盘21可以是曲面而不是平面，因而所得过滤筒5也具有类似的曲线形式。

上面结合图9-12所介绍的方法还可用来制备其结构不同于图3-6所示结构的过滤筒。示意图15和16所示为两个环形过滤件49A、49B，它们可通过在过滤材料53环形片周围使片材51热成型来制备，然后用来形成图17和18所示环形过滤筒(两图中的比例不同)。

图15所示过滤件49A包含过滤材料层53，它有一个平纹棉麻织物盖53A，聚合片材51在其周围热成型后，与过滤材料一个主表面的侧面55和空白区57接触，得到靠近另一个主表面的外伸凸缘59。图16所示过滤件49B类似于图15所示过滤件，不同之处是过滤材料层53含有中央孔61，它的壁在热成型步骤中也覆盖了聚合片材51。

如图17所示，过滤件49A、49B可通过(例如)位于它们之间的适当间隔材料63在凸缘59上结合在一起，形成的过滤件在过滤件49A、49B的外主表面上有进口65，在过滤件49B中央孔61上有出口。如图18所示，连接组件67(例如扣件的一部)可在孔61处连接，得到的过滤筒能永久性或非永久性连接到呼吸罩的面片上。

图19和20所示为适合用作舱室或房间空气过滤器的过滤元件，所述过滤元件也可这样制备，即在过滤材料周围使片材热成型，形成至少一部分过滤元件外套。在此情况下，过滤材料是微粒过滤材料69，该材料钉在折叠结构上，然后放在真空成型机中热成型材料片73里盖有平纹棉麻织物的孔71上(类似于图9)。然后如图20所示，在折叠过滤材料69侧面周围对片材进行真空成型，切去多余的片材，留下靠近过滤材料底座的外伸凸缘75。

图21所示为本发明的过滤元件100，将所述过滤元件100置入呼吸罩101中，呼吸罩可用来罩住佩戴者的头部。在使用中，呼吸罩宜通过颈部密封带103罩住佩戴者的颈部。过滤元件100可类似于图15所示元件，但可以是矩形，而不是环形。过滤元件100可固定在呼吸罩一个开口中的吸气阀上，其方法是直接将热成型片材51(见图15)的外伸凸缘59焊接到呼吸罩材料上。呼气阀(未示出)可安装在其他地方，一般让呼出的气体离开呼吸罩。类似地，本发明的过滤元件可置入其他防护服中。

在图19所示过滤元件的一种改进形式中，用于过滤元件的可热成型片材51也可以是形成呼吸罩自身的材料。这样，过滤元件可以成为呼吸罩的一个整体部件。

虽然上面提到在本发明的过滤元件和过滤筒中使用微粒过滤材料和吸收蒸汽的过滤材料，但应当理解，也可以采用其他过滤材料，只要它们具有可让片材在其周围进行热成型的形式。例如，网材上可以负载一定量的颗粒，这些颗粒能通过化学反应或融合作用而不是吸附将某种组分从流体中清除，或者可催化有毒物质向无害物质的转化过程，或者能将某种组分转移到流体中而不是从流体中除去。用上述方法制备的过滤元件不限于用作空气或气体过滤器，还可用于过滤液体。过滤元件可以是刚性的，也可以是弹性的，而且如上面已经指出的，它们可以具有曲线形式。

在本发明的上述实施方式中用来形成至少部分过滤件外套的可热成型片材，基本上可以是任何可热成型材料，只要它能够与过滤材料接触，防止它们之间的流体发生明显泄漏，从而防止有过多的未过滤流体到达过滤元件的出口。如前面已经介绍的，可热成型材料可以是无渗透聚合物膜，它在热成型过程中与邻近的过滤材料形成某种形式的键、连接等。举例来说，这可通过采用多层膜来实现，其内层(靠近过滤材料)的熔点低于其他层。但是，根据过滤元件的结构，要防止未经过滤的流体到达过滤元件的出口，未必总要采用与过滤材料形成实际连接的无渗透可热成型材料，或者可热成型材料。在某些情况下，只要可热成型材料与过滤材料紧密接触，或者它压迫后者的边缘(例如，如图15所示的环形过滤元件)就足够了。

上面引用的所有专利和专利申请都以其整体形式引入本专利。

本发明未具体介绍的任何元件都可用于本发明的合适实施方式。

Claims (15)

1.一种过滤元件，它包含：

(a)具有至少一个进口和至少一个出口的外套；

(b)包含在外套中的一团过滤材料，这样，要过滤的流体就流经至少一个进口、过滤材料和至少一个出口；

其中至少部分外套包含在至少部分过滤材料团周围热成型的片材，以阻止流体在过滤材料与片材之间通过，从而使流体流出外套之前流经过滤材料。

2.权利要求1所述的过滤元件，其特征在于所述片材是不能渗透流体的聚合物材料。

3.权利要求1所述的过滤元件，其特征在于所述片材连接到过滤材料上。

4.权利要求3所述的过滤元件，其特征在于它还包含位于片材和过滤材料之间的密封材料。

5.权利要求1所述的过滤元件，其特征在于过滤元件的至少一个进口和至少一个出口当中的至少一个形成于片材内。

6.权利要求1所述的过滤元件，其特征在于所述过滤材料团是自支撑的。

7.权利要求6所述的过滤元件，其特征在于所述过滤材料团包含一个或多个层，进口的位置靠近过滤材料团的外主表面，片材沿所述一个或多个层的侧面周围热成型。

8.权利要求7所述的过滤元件，其特征在于所述片材固定在进口周围过滤材料团的外主表面上。

9.权利要求1所述的过滤元件，其特征在于所述过滤材料团包括吸收蒸汽的过滤材料，该过滤材料是粘结有吸附剂的材料或负载吸附剂的网材。

10.权利要求1所述的过滤元件，其特征在于所述过滤材料团包含一层微粒状的过滤材料，排布在一层吸收蒸汽材料的附近，其中沿过滤元件进口和出口之间的过滤通道通过的空气，同时流经微粒状过滤材料层和吸收蒸汽材料层。

11.用于呼吸罩的过滤筒，它包含权利要求1所述过滤元件，和一个使所述过滤元件固定在呼吸罩上的结构。

12.一个呼吸罩，它包含面片和至少一个权利要求1所述的过滤元件，其中所述面片的形状是使它适合装到至少人的鼻子和嘴巴上，滤过的空气通过所述过滤元件能够被吸入呼吸罩内。

13.一个呼吸罩，它包含面片和至少一个权利要求11所述的过滤筒，其中所述面片的形状是使它适合装到至少人的鼻子和嘴巴上。

14.一种制备过滤元件的方法，它包括如下步骤：

(i)提供一团过滤材料；

(ii)提供可热成型的片材；

(iii)使片材在至少部分过滤材料团周围热成型，包封过滤材料，并防止流体从过滤材料和片材之间流过，由此防止流体不沿穿过过滤材料的过滤通道流经过滤元件。

15.权利要求14所述的方法，其特征在于所述材料团以一层或多层的形式提供，所述片材在所述层的侧面周围热成型。

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