DE69633804T2

DE69633804T2 - Gesichtsmaske mit Filter

Info

Publication number: DE69633804T2
Application number: DE1996633804
Authority: DE
Inventors: John Lawrence Hazlemere Bowers
Original assignee: Minnesota Mining and Manufacturing Co
Current assignee: 3M Co
Priority date: 1995-08-04
Filing date: 1996-07-16
Publication date: 2005-11-03
Anticipated expiration: 2016-07-17
Also published as: AU6079196A; AU709637B2; EP0756881A3; DE69633804D1; GB9515986D0; ES2230223T3; US5687767A; CA2181878C; EP0756881A2; EP1203599A3; ES2171617T3; CA2181878A1; HK1013433A1; EP1203599A2; USRE37974E1; DE69620074T2; EP1203599B1; DE69620074D1; EP0756881B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ein-Richtungs-Fluidventil, das insbesondere als Ausatmungsventil für eine Filtermaske verwendet werden kann. Unter "Filtermaske" wird hier eine Vorrichtung verstanden, die zum Tragen über Nase und Mund eines Benutzers geeignet ist und aus einem Filtermaterial zum Entfernen einer oder mehrerer unerwünschter Komponenten aus der eingeatmeten Luft hergestellt oder in der das Material eingebaut ist. Zur Verbesserung von Komfort und Effizienz solcher Vorrichtungen ist gewöhnlich ein Ein-Richtungs-Ausatmungsventil an der Maske vorgesehen, das sich bei der Druckdifferenz infolge des Ausatmens des Benutzers öffnet, damit Exhalat aus der Maske relativ ungehindert ausströmen kann, sich aber unter anderen Bedingungen schließt. Beispiele für Ventilfiltermasken sind in der GB-A-2072516, DE-A-40 29 939, US-A-4414973, US-A-4630604, US-A-4838262, US-A-4873972, US-A-4934362, US-A-4958633, US-A-4974586, US-A-4981134 und US-A-5325892 gezeigt.
Ein üblicher Ausatmungsventiltyp weist eine runde Membran aus z. B. Silikonkautschuk und einen kooperierenden runden Ventilsitz auf, der die Öffnung umgibt, die das Exhalat des Benutzers durchlässt. Die Membran ist in ihrer Mitte eingespannt, und Randabschnitte biegen sich vom Sitz weg, wenn der Benutzer ausatmet. Bei einem weiteren bekannten Typ hat die Membran die Form einer flexiblen Klappe, die an einer kooperierenden Sitzstruktur an einem Ende, d. h. einseitig eingespannt, befestigt ist und die sich beim Ausatmen des Benutzers vom Rest des Sitzes wegbiegt. Bei der Gestaltung eines Ausatmungsventils ist es wichtig, die Querschnittfläche der offenen Öffnung zu maximieren, damit Exhalat frei durch das Ventil strömen kann, und ferner den Differenzluftdruck zu minimieren, der zum Öffnen des Ventils nötig ist (d. h. den "Öffnungs"-Druck des Ventils). Mittig eingespannte Membranventile erfordern eine größere Kraft zu ihrem Öffnen als einseitg eingespannte Klap penventile äquivalenter Größe, da ihr verfügbarer "Hebelarm" kleiner ist. Ferner behindert die Struktur eines einseitig eingespannten Klappenventils im offenen Zustand den Strom allgemein weniger als das mittig eingespannte runde Membranventil oder erzeugt anders ausgedrückt einen kleineren Druckabfall für eine bestimmte Öffnungsgröße. Jedoch besteht ein bei der Gestaltung eines einseitig eingespannten Klappenventils zu berücksichtigendes potentielles Problem darin zu gewährleisten, dass die Klappe in allen Orientierungen der Struktur geschlossen bleibt, während sie keiner Druckdifferenz beim Ausatmen ausgesetzt ist. Das heißt, während es zum Minimieren der Öffnungsdruckdifferenz des Ventils vorteilhaft ist, eine hoch flexible Klappe minimaler Dicke einzusetzen, kann genau diese Flexibilität der Klappe bedeuten, dass beim Umdrehen des Ventils im Gebrauch (d. h. mit dem Sitz über der Klappe liegend orientiert) die Klappe möglicherweise vom Sitz herabhängt, wenn der Benutzer nicht ausatmet. Natürlich ist das nicht erwünscht, da sich so ein Durchlassweg in die Maske für die Schmutzstoffe öffnen kann, die sie fernhalten soll.
Die US-A-5325892, auf der der Oberbegriff von Anspruch 1 basiert, offenbart ein Ausatmungsventil mit einer einseitig eingespannten Klappe, in dem der Ventilsitz einen Dichtungssteg hat, der in Längsrichtung der Klappe gekrümmt ist, wobei die Krümmung einer Verformungskurve entspricht, die die Klappe bei ihrem Biegen unter ihrem Eigengewicht. (ohne Druckdifferenz) zeigt. Anders ausgedrückt erkennt die Gestaltung dieses Ventils an, dass die Klappe nicht flach bleiben kann, wenn die Struktur umgedreht ist, und passt die Konfiguration des Sitzes der Klappenkrümmung in diesem Zustand an.
Die erfindungsgemäße Filtergesichtsmaske ist besonders durch die Merkmale der Ansprüche gekennzeichnet.
Erfindungsgemäß verfügt ein Ein-Richtungs-Fluidventil über eine flexible Klappe und einen kooperierenden Ventilsitz, der eine Öffnung umgibt, die geeignet ist, ein Fluid durchzulassen; wobei die Klappe am Sitz an einem Ende einseitig eingespannt befestigt und geeignet ist, sich von anderen Abschnitten des Sitzes wegzubiegen, wenn Fluid in der zulässigen Richtung fließt; und wobei eine Querkrümmung mindestens zu dem einen Ende der Klappe vorliegt, durch die die Klappe bei Fehlen einer Druckdifferenz über sie in jeder Orientierung des Ventils im Wesentlichen aufgesetzt bleibt.
Der Effekt der Klappenquerkrümmung in einem erfindungsgemäßen Ventil ist also, die Klappe genügend zu versteifen, so dass sie jedem Herabhängen weg vom Sitz widersteht, wenn keine anliegende Druckdifferenz vorliegt, und dies sogar in umgedrehter Orientierung der Struktur. Sobald aber die Klappe durch eine geeignete Druckdifferenz "geöffnet" wird, biegt sich das freie Klappenende schnell vom Sitz weg, und dieses Biegen setzt sich über die Länge der Klappe zu einer Position fort, die durch die momentane Fluidströmungsgeschwindigkeit bestimmt ist. Mindestens das Fußpunktende der Klappe behält an seiner Befestigungsposition am Sitz aber seine Querkrümmung bei, was eine Wiederherstellungskraft auf die gebogene Klappe ausübt, die dazu beiträgt, die Klappe wieder zum Sitz zu bringen, wenn die zulässige Fluidströmung aufhört. Somit ist der Versteifungseffekt dieser Querkrümmung von der Längskrümmung der Klappe in der US-A-5325892 zu unterscheiden.
Die Klappe für ein erfindungsgemäßes Ventil kann so hergestellt sein, dass sie die notwendige Querkrümmung in ihrem natürlichen Zustand zeigt, z. B. mittels Spritzgießen oder Warmformen. In der nachfolgend zu beschreibenden bevorzugten Ausführungsform ist die hergestellte Klappe aber flach und erhält ihre Krümmung im Gebrauch durch die Formgebung der Ventilstruktur, in der sie angeordnet ist.
Im Folgenden wird die Erfindung exemplarisch anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
1 eine Perspektivansicht einer Filtermaske mit einem eingebauten erfindungsgemäßen Ein-Richtungs-Ventil als Ausatmungsventil;
2 eine auseinanderegezogene Isometrie der Komponenten einer bevorzugten Ausführungsform des Ausatmungsventils für die Maske von 1;
3 eine Isometrie des Inneren des oberen Gehäuseteils von 2;
4 einen Längsschnitt durch das aus den Komponenten von 2 zusammengebaute Ventil an der Linie IV-IV von 5 im geschlossenen Zustand, und
5 einen Schnitt an der Linie V-V von 4.
Gemäß 1 ist die gezeigte Maske 1 aus einer oder mehreren Schichten aus flexiblem Bahnenfiltermaterial hergestellt, das aus einem Rohling ausgeschnitten, gefalzt und verschweißt ist, um eine über Nase und Mund des Benutzers zu tragende napfförmige Struktur zu bilden. Insbesondere ist sie gemäß der Erfindung der GB-A-2046102 geformt, auf die für eine umfassendere Beschreibung des Verfahrens zum Ausbilden der Maske aus einem flachen Rohling verwiesen sei. Im Gebrauch bildet die Umfangskante der Maske eine Dichtung am Gesicht des Trägers und wird durch elastische Kopfbänder 2 und eine verformbare Drahtnasenklemme 3 an Ort und Stelle gehalten, was in der Technik bekannt ist.
An einer geeigneten Stelle in der Seitenwand der Maske 1 ist eine Öffnung hergestellt, in die ein Ausatmungs ventil 4 eingebaut ist, dessen Struktur in 2 bis 5 näher dargestellt ist.
Das gezeigte Ventil 4 verfügt über zwei ineinanderpassende geformte Kunststoffgehäuseteile 5 und 6 sowie eine elastomere Klappe 7, die im zusammengebauten Ventil an einem Ende zwischen den Gehäuseteilen eingeschlossen ist. Das obere Gehäuseteil 5 gemäß 2 ist auch von seiner gegenüberliegenden Seite in 3 zu sehen. Es hat Einlassöffnungen 8, die es durchlaufen und auf der Stromabwärtsseite von einem Dichtungssteg 9A/9B/9C mit allgemein trapezförmiger Form in Draufsicht umgeben sind. Das untere Gehäuseteil 6 gemäß 2 ist schalenförmig mit einer Reihe von Auslassöffnungen 10 und rastet am Teil 5 durch ein Paar einteilige Seitenlaschen 11 ein, die in Schlitze 12 eingreifen, die im Teil 5 gebildet sind. Die Klappe 7 ist in Draufsicht allgemein trapezförmig und so bemessen, dass sie über den Dichtungssteg passt, sowie aus einem dünnen und hoch flexiblen Elastomerstück hergestellt, z. B. aus 0,5 mm dickem Naturlatexkautschuk mit einer Shore-Mikrohärte von etwa 30.
Im Ventil ist die Klappe 7 durch eine Kerbe 13 an einem Ende positioniert, das einen Block 14 im Gehäuseteil 5 umfasst, und beim Einrasten der Gehäuseteile wird dieses Ende der Klappe zwischen dem benachbarten Abschnitt 9A des Dichtungsstegs und einem Profilblock 15 eingeschlossen, der vom Gehäuseteil 6 nach oben steht. Das heißt, sie wird im Ventil einseitig eingespannt angeordnet. Hält man die Klappe 7 in ihrem natürlichen Zustand an einem Ende waagerecht, neigt sie dazu, sich unter der Schwerkraft längs durchzubiegen, d. h. so, dass ihr entgegengesetztes Ende von der Ebene ihres fixierten Endes stark herabhängt. Sowohl der Block 15 als auch der zu ihm weisende Abschnitt 9A des Dichtungsstegs sind aber so gekrümmt, dass sie der Klappe eine quer gewölbte Konfiguration im zusammengebauten Ventil verleihen, was insbesondere 4 und 5 zeigen. In der dargestellten Ausführungsform ist die Wölbung für den Mittelteil der Klappe durch einen zweiten Profilblock 16 verstärkt, der vom Gehäuseteil 6 vor dem Block 15 und in etwas größerer Höhe als dieser nach oben steht, obwohl dies nicht in allen Ausführungsformen der Erfindung wesentlich ist. Die Wölbung der Klappe versteift sie genügend, um zu verhindern, dass sie von einem Teil des Dichtungsstegs unter Bedingungen einer Druckdifferenz von null herabfällt, egal wie das Ventil orientiert ist. Tatsächlich ist die bevorzugte Ventilorientierung so, dass die Auslassöffnungen 10 mit einer Abwärtskomponente gemäß 1 ausgerichtet sind, so dass eine zugehörige Brille nicht durch das Exhalat des Benutzers beschlägt, und senkt der Benutzer seinen Kopf, kann das Ventil so orientiert sein, dass die Klappe 7 vollständig unter dem Gehäuseteil 5 liegt.
Im Gebrauch sitzt daher die Klappe 7 auf dem Dichtungssteg, um den Luftdurchtritt in die Maske durch das Ventil 4 zu verhindern, während der Benutzer nicht ausatmet. Sobald bei Ausatmungsbeginn die minimale "Öffnungs"-Druckdifferenz auf die Klappe 7 aus dem Maskeninneren ausgeübt wird, hebt sich das freie Klappenende vom Dichtungssteg in Pfeilrichtung X in 4 ab, und die Biegung der Klappe setzt sich schnell über ihre Länge zum fixierten (Fußpunkt-)Ende zu einer Position fort, die durch die momentane Strömungsgeschwindigkeit von Exhalat durch die Öffnungen 8 und 10 bestimmt wird. Hört das Ausatmen auf, bewirkt der Wiederherstellungseffekt der gewölbten Klappenanordnung, dass die Klappe insgesamt schnell wieder auf dem Dichtungssteg zum Sitzen kommt, um die Eindringgefahr von Schmutzstoffen durch das Ventil in der Zeit zwischen Ausatmungsende und Einatmungsbeginn zu minimieren. Insbesondere hängt die Klappe 7 für ihr Schließen nicht vom anschließenden Ausüben einer Einatmungsdruckdifferenz ab.
Aus 3 wird deutlich, dass während der Abschnitt 9A des Dichtungsstegs am Fußpunktende der Klappe eine kon kave Krümmung hat, der Rest 9B/9C des Stegs eine flache Oberfläche hat. Aus 3 und 4 geht auch hervor, dass sich der Abschnitt 9C des Dichtungsstegs am freien Ende der Klappe weiter von der Ebene des Teils 5 als der Abschnitt 9A des Fußpunktendes erhebt und die beiden Seitenabschnitte 9B gerade, aber im Aufriss geneigt sind. Der kombinierte Effekt dieser Konfiguration ist, dass die Querkrümmung der Klappe 7 zu ihrem freien Ende abnimmt, das flach am Dichtungsstegabschnitt 9C anliegt, während ein Grad von Längskrümmung auch dem Mittelteilstück der Klappe verliehen wird (aber nicht ihren Seitenkanten, die flach an den Stegabschnitten 9B anliegen). Festgestellt wurde, dass dies die Stabilität der Klappe in ihrem geschlossenen Zustand erhöht, während es die Öffnungsdruckdifferenz für die spezielle dargestellte Ausführungsform minimiert. In anderen Ausführungsformen kann aber keine Längskrümmung der Klappe vorliegen, und/oder ihre Querkrümmung kann sich über ihre gesamte Länge erstrecken, wobei im letztgenannten Fall der Dichtungsstegabschnitt 9C zu einer konkaven Form abgewandelt ist, was 3 mit einer Strichlinie zeigt.

Claims

Filtergesichtsmaske, die Folgendes aufweist: (a) einen Maskenkörper (1), der geeignet ist, über Nase und Mund eines Trägers zu passen, und (b) ein Ausatmungsventil (4), das am Maskenkörper (1) angeordnet ist, wobei das Ausatmungsventil (4) eine flexible Klappe (7), einen Ventilsitz (5) und einen Ventildeckel (6) umfasst, wobei der Ventilsitz (5) eine oder mehrere Einlassöffnungen (8) umfasst, die von einer Dichtungsfläche (9A/9B/9C) umgeben sind, wobei der Ventildeckel (6) eine oder mehrere Auslassöffnungen (10) umfasst und mit dem Ventilsitz (5) verbunden ist, wobei die flexible Klappe (7) einen feststehenden Abschnitt, einen freien Abschnitt und eine Umfangskante hat, die ein feststehendes und ein freies Segment umfasst, wobei das feststehende Segment der Umfangskante der Klappe dem feststehenden Abschnitt der flexiblen Klappe derart zugeordnet ist, dass es während eines Ausatemvorgangs feststehend bleibt, und wobei das freie Segment der Umfangskante der Klappe dem freien Abschnitt der Klappe (7) derart zugeordnet ist, dass es während eines Ausatemvorgangs beweglich ist, dadurch gekennzeichnet, dass die flexible Klappe (7) eine Querkrümmung hat, die der flexiblen Klappe (7) durch die Anordnung der Klappe (7) am feststehenden Abschnitt verliehen wird, wobei durch die Anordnung der Klappe (7) am feststehenden. Abschnitt der freie Abschnitt der Klappe unter neutralen Bedingungen zur Dichtungsfläche (9C) hin vorgespannt wird, während sich auch der freie Abschnitt der Klappe (7) während eines Ausatemvorgangs von der Dichtungsfläche (9C) abheben kann.
Filtergesichtsmaske nach Anspruch 1, wobei das Anordnen der flexiblen Klappe (7) bewirkt, dass sich mindestens ein Abschnitt des feststehenden Abschnitts der flexiblen Klappe (7) bei Betrachtung des Ventils (4) in Seitenansicht unter der Dichtungsfläche (9A) des Ventilsitzes (5) befindet.
Filtergesichtsmaske nach Anspruch 1 oder 2, wobei die flexible Klappe (7) am Ventil (4) angeordnet ist, indem sie zwischen jeweiligen Oberflächen am Ventilsitz (5) und am Ventildeckel (6) eingeschlossen ist.
Filtergesichtsmaske nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Auslassöffnungen (10) auf dem Ventildeckel (4) so bezüglich des Biegens der Klappe (7) ausgerichtet sind, dass ausgeatmete Luft eines Trägers aus dem Ausatmungsventil (4) mit einer nach unten gehenden Komponente austritt, die das Exhalat von den Augen eines Trägers weglenkt.
Filtergesichtsmaske nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Dichtungsfläche (9A/9B/9C) mehrere Abschnitte aufweist, die einen ersten und einen zweiten Seitenabschnitt (9B) und einen freien Endabschnitt (9C) umfassen, wobei das freie Segment der Umfangskante der Klappe über dem ersten und dem zweiten Seitenabschnitt und dem freien Endabschnitt eine flache Konfiguration hat.
Filtergesichtsmaske nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Querkrümmung der Klappe zu einem Ende des freien Abschnitts der Klappe (7) hin abnimmt.
Filtergesichtsmaske nach Anspruch 6, wobei die flexible Klappe (7) flach an der Dichtungsfläche (9B, 9C), die unter dem freien Ende der Klappe (7) angeordnet ist, anliegt.
Filtergesichtsmaske nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Ventilsitz (5) und der Ventildeckel (6) zusammenpassende Kunststoffteile sind.
Filtergesichtsmaske nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der feststehende Abschnitt der Klappe (7) so ausgelegt ist, dass er ein Element (14) am Ventilsitz (5) umfasst.