KR20160086892A - 비원형 중심-장착 호기 밸브를 갖는 호흡기 - Google Patents

Abstract

마스크 본체(12) 및 하니스(16)를 갖는 호흡기(10)는, 밸브 시트(36) 및 가요성 플랩(42)을 포함하는 호기 밸브(23)를 갖는다. 밸브 시트(36)는 오리피스(38)를 갖고, 오리피스(38)를 둘러싸는 비원형 시일 표면(40)을 갖는다. 가요성 플랩(42)은 오리피스의 중심에서 밸브 시트(36)에 고정되고, 가변 강성 구조물을 갖는다. 가변 강성 구조물은 플랩이 비원형 시일 표면에서, 중심으로부터의 상이한 거리에 주어진 하중하에서, 균등하게 편향되도록 허용한다. 이러한 구성을 갖는 호기 밸브는 유익하게도 밸브 공간이 제한될 수 있는 응용에 대해 압력 강하 및 전체 밸브 성능을 최적화할 수 있다.

Description

비원형 중심-장착 호기 밸브를 갖는 호흡기{RESPIRATOR HAVING NONCIRCULAR CENTROID-MOUNTED EXHALATION VALVE}

본 발명은 호기 밸브(exhalation valve)가 비원형, 중심-장착 가요성 플랩(flap)을 갖는 호흡기(respirator)에 관한 것이다.

오염된 환경에서 작업하는 사람들은 보통 공기 중의 오염물을 흡기하는 것으로부터 그들 자신을 보호하기 위해 호흡기를 착용한다. 호흡기는 전형적으로 공기로부터 미립자 및/또는 기체 상태의 오염물을 제거할 수 있는 섬유질 또는 흡수흡착제 필터를 갖는다. 오염된 환경에서 호흡기를 착용하고 있을 때, 착용자들은 그들의 건강이 보호되고 있다는 인식으로 위안을 받지만, 그들은, 그러나, 동시에 그들의 안면 주위에 축적되는 따뜻하고 습한 호기된 공기에 의해 불편하다. 이러한 안면 불편함이 더 클수록, 불쾌한 상태를 완화시키기 위해 그들의 안면으로부터 호흡기를 제거할 수 있을 가능성이 더 크다. 이러한 발생의 가능성을 감소시키기 위해, 호흡기 제조자는 종종 따뜻하고 습한 호기된 공기가 마스크 내부로부터 신속하게 제거되도록 허용하기 위해 마스크 본체(mask body) 상에 호기 밸브를 설치한다. 호기된 공기의 신속한 제거는 마스크 내부를 더 시원하게 만들고, 이는 결과적으로 작업자 안전에 유익하다.

수년 동안, 상업용 호흡 마스크는 호기된 공기를 마스크 내부로부터 제거하기 위해 "버튼-스타일(button-style)" 호기 밸브를 사용하였다. 버튼-스타일 밸브는 전형적으로 호기된 공기가 내부 기체 공간으로부터 빠져나가게 하는 동적 기계식 요소로서 얇은 원형의 가요성 플랩을 채용하였다. 원형 플랩은 중심 포스트(post)를 통해 밸브 시트(valve seat)에 중심에 장착되었다. 버튼-스타일 밸브의 예가 미국 특허 제2,072,516호, 제2,230,770호, 제2,895,472호 및 제4,630,604호에 도시되어 있다. 사람이 호기할 때, 플랩의 원주 부분이 밸브 시트로부터 들어올려져, 공기가 내부 기체 공간으로부터 외부 기체 공간 내로 신속하게 통과할 수 있다.

버튼-스타일 밸브가 착용자 편안함을 개선하려는 시도에서 진전을 보여주었지만, 연구자들은 다른 개선을 이루었으며, 그것의 예가 브라운(Braun)의 미국 특허 제4,934,362호에 도시된 "나비-스타일(butterfly-style)" 밸브이다. 브라운 특허에 기술된 밸브는 포물선형 밸브 시트, 및 나비 방식으로 장착된 기다란 가요성 플랩을 사용한다.

브라운 개발 후에, 다른 혁신이 자펀티치(Japuntich) 등에 의해 호기 밸브 분야에서 이루어졌다 ― 미국 특허 제5,325,892호 및 제5,509,436호 참조. 자펀티치 등의 밸브는 밸브를 개방하는 데 필요한 호기 압력을 최소화하기 위해 캔틸레버 방식으로 중심에서 벗어나 장착된 단일의 가요성 플랩을 사용하였다. 밸브-개방 압력이 최소화되면, 밸브를 작동시키는 데 보다 적은 힘이 필요하며, 이는 착용자가 호흡 시에 호기된 공기를 마스크 내부로부터 방출하기 위해 열심히 노력할 필요가 없음을 의미한다 -- 또한, 자펀티치 등의 미국 특허 제7,493,900호 참조.

자펀티치 등의 밸브 후에 창안된 다른 밸브가 또한 캔틸레버식 장착 플랩을 사용하였다 ― 미국 특허 제5,687,767호 및 제6,047,698호 참조. 또 다른 개발에서, 밸브 시트의 시일 표면(seal surface)이, 보다 얇으면서도 보다 강성인 플랩이 사용되도록 허용하는 탄성 재료로부터 제조되었으며, 이는 밸브 효율을 개선한다 ― 마틴(Martin) 등의 미국 특허 제7,188,622호 참조.

호기 밸브 설계의 진전이 주로 밸브 시트에 대한 구조적 변화 및 그것에의 플랩의 장착에 집중하였지만, 연구자들은 또한 밸브 성능을 향상시키기 위해 플랩 그 자체에 대한 구조적 변화를 이루었다. 마틴 등의 미국 특허 제7,028,689호 및 제7,013,895호에서, 보다 얇고, 보다 동적인 플랩을 생성하기 위해 다수의 층이 플랩 내로 도입되었으며, 이는 밸브가 보다 작은 압력하에서 보다 용이하게 개방되도록 허용하였다. 양호한 성능을 제공하기 위해 리브(rib) 및 사전만곡된 비-균일한 구성이 또한 플랩 구조에 제공되었다 -- 미텔스태드(Mittelstadt) 등의 미국 특허 제7,302,951호 참조. 마틴 등의 미국 특허 공개 제2009/0133700호에서, 밸브 성능을 개선하기 위해 힌지에서 슬롯(slot)이 밸브 플랩에 제공되었다. 또한, 인슬리(Insley) 등의 미국 공개 출원 제2012/0167890A호에서, 플랩은 원하는 밸브 성능을 달성하기 위해 선택된 영역에서 제거되었다. 플랩은 또한 사용자가 적절한 밸브 작동을 쉽게 검출할 수 있도록 플랩으로 하여금 번쩍이게 하는 광학 필름으로 제조되었다 ― 마틴 등의 미국 특허 출원 제61/846456호 참조.

호흡기 설계는 다양한 형상 및 구성이 있고, 설계는 종종 마스크 본체 상에 배치되는 필터 카트리지 및 임의의 호기 밸브의 배향 및 배치에 의해 영향을 받는다. 예를 들어, 캔틸레버식 밸브는 보통, 플랩의 자유 단부가 아래쪽으로 향하는 상태로, 마스크 본체 상에 수직으로 배향된다. 달리 배향되는 경우, 호기된 공기가 사용자의 안경류(eyewear)를 흐릿하게 할 기회를 가질 수 있다. 따라서 고성능 호기 밸브를 위한 밸브 설계는 마스크 본체 설계에 제약을 가할 수 있다. 수직으로 배향되어야 함이 없이, 캔틸레버식 밸브와 같이, 특출한 밸브 성능을 낼 수 있는 신규한 밸브가 밸브 설계에 있어서의 제약을 완화시키는 데 도움을 줄 수 있다. 하기에 기술되는 본 발명은 그러한 밸브를 제공하기 위해 창출되었다.

본 발명은 호기 밸브로서,

(a) 오리피스를 갖고, 오리피스를 둘러싸는 비원형 시일 표면을 갖는 밸브 시트; 및

(b) 오리피스의 중심에서 밸브 시트에 고정되고, 가변 강성 구조물(variable stiffness structure)을 갖는 가요성 플랩을 포함하는, 호기 밸브를 제공한다.

본 발명은 또한 호흡기로서,

(a) 하니스(harness); 및

(b) 호기 밸브를 포함하는 마스크 본체를 포함하고, 호기 밸브는,

(i) 오리피스를 갖고, 오리피스를 둘러싸는 비원형 시일 표면을 갖는 밸브 시트; 및

(ii) 오리피스의 중심에서 밸브 시트에 고정되고, 가변 강성 구조물을 갖는 가요성 플랩을 포함하는, 호흡기를 제공한다.

본 발명은, 비원형, 중심-장착된 밸브의 플랩이 플랩 주변부(perimeter)를 따른 본질적으로 임의의 지점에서 균등하게 편향되도록 허용하는 가변 강성 구조물을 본 발명의 밸브가 갖는다는 점에서, 공지된 호기 밸브와는 상이하다. 그렇게 균등하게 편향되는 능력은 밸브가 전체 플랩 주변부로부터 자유롭게 그리고 용이하게 개방되는 것을 가능하게 한다 ― 즉, 본질적으로 동일한 힘이 주변부 주위의 임의의 지점에서 플랩을 밸브 시트로부터 들어올릴 것이다. 가변 강성 구조물은 사용자가 호기하고 있지 않을 때 임의의 배향하에 밸브를 폐쇄 상태로 유지하면서, 동시에 호기 동안에 밸브를 개방하는 데 필요한 최소 힘을 제공하도록 만들어질 수 있다. 호기 압력에 있어서의 감소는, 특히 착용자가 격렬한 활동을 하고 있을 때, 착용자 편안함을 증가시킨다. 그리고, 상기에 나타낸 바와 같이, 보다 낮은 호기 압력은 착용자가 사용 동안에 그의 안면으로부터 호흡기를 제거할 가능성을 감소시킴으로써 착용자 안전을 개선한다. 따라서 본 발명은 작업자 안전을 향상시키면서, 또한 밸브 및 호흡기가 다양한 형상 및 구성으로 만들어지도록 허용할 수 있다. 밸브는 다양한 배향으로 마스크 본체 상에 장착될 수 있다. 따라서 본 발명은, 호흡기 착용자에 의해 요구되는 특출한 성능을 제공하는 추가 이익과 함께, 호기 밸브 및 호흡기에 대한 설계 윈도우(design window)를 확장시킬 수 있다.

용어 해설

아래에 기재된 용어는 다음과 같이 정의된 의미를 가질 것이다:

"정렬 요소"는 소정 부품으로서, 그 부품이 연관된 장치가 항상 사용 동안에 적절한 배향에 있는 것을 보장하는 데 도움이 되는, 상기 부품을 의미하고;

"청정 공기"는 여과되어 오염물을 제거한 다량의 대기 중의 주위 공기를 의미하고;

"중심"은 가변 강성 구조물을 갖거나 갖지 않는 질량체의 중심을 의미하고;

"포함하다(또는 포함하는)"는 특허 용어에서 표준인 것과 같은 그것의 정의를 의미하는데, "구비하다", "갖는", 또는 "함유하는"과 일반적으로 동의어인 개방형(open-ended) 용어이다. "포함하다", "구비하다", "갖는", 및 "함유하는"과 이들의 변형이 통상적으로 사용되는 개방형 용어이지만, 본 발명은 또한 본 용어가 적용되는 주제의 성능에 악영향을 미칠 것 또는 요소만을 배제한다는 점에서 반개방형(semi open-ended) 용어인 "~로 본질적으로 이루어지다"와 같은 보다 좁은 용어를 사용하여 적합하게 기술될 수 있고;

"균등하게 편향된다"는, 하기에 기재된 플랩 편향 시험(Flap Deflection Test)에 따라 시험될 때, 가요성 플랩이 보다 높은 하중을 갖는 위치에서 편향되게 하기 위해 가해지는 힘의, 플랩이 보다 낮은 하중을 갖는 위치에서 편향되게 하는 데 필요한 힘에 대한 비("플랩 편향비(flap deflection ratio)" 또는 FDR)가 2 미만임을 의미하고;

"호기 밸브"는 호기된 공기가 호흡기의 내부 기체 공간으로부터 빠져나가도록 허용하기 위해 개방되는 밸브를 의미하고;

"호기된 공기"는 호흡기 착용자에 의해 호기된 공기를 의미하고;

"외부 기체 공간"은 호기된 기체가 마스크 본체 및/또는 호기 밸브를 통해 이를 지나 통과한 후에 진입하는 주위 대기 기체 공간을 의미하고;

"필터" 또는 "여과층"은 그것을 통과하는 공기 스트림으로부터 (입자와 같은) 오염물을 제거하는 주된 목적을 위해 구성된, 재료의 하나 이상의 층을 의미하고;

"필터 매체"는 그것을 통과하는 공기로부터 오염물을 제거하도록 설계된 공기-투과성 구조물을 의미하고;

"가요성 플랩"은 사람의 호기된 공기 스트림으로부터 가해지는 힘에 응답하여 구부러지거나 휘어질 수 있는 물품을 의미하고;

"하니스"는 마스크 본체를 착용자의 안면 상에 지지하는 것을 보조하는 구조물 또는 부품들의 조합을 의미하고;

"내부 기체 공간"은 마스크 본체와 사람의 안면 사이의 공간을 의미하고;

"마스크 본체"는 적어도 사람의 코 및 입 위에 맞춰질 수 있고 외부 기체 공간으로부터 분리된 내부 기체 공간을 한정하는 것을 돕는 구조물을 의미하고;

"주 표면(major surface)"은 물품 또는 본체 내의 다른 표면들(그러나 모든 표면은 아님)보다 실질적으로 더 큰 표면적을 갖는 표면을 의미하고;

"비원형"은 밸브 시트 상으로 정면으로 투영된 평면을 통해 볼 때 원의 형상을 갖지 않음을 의미하고;

"오리피스"는 호기된 공기가 용이하게 통과하는 것을 허용하도록 크기설정된, 세분될 수 있거나 세분되지 않을 수 있는, 개구를 의미하고;

가요성 플랩에 관한 "외측 표면"은 플랩이 밸브 시트 상에 안착되거나 놓여 있을 때 시일 표면으로부터 멀어지는 쪽을 향하는 주 표면을 의미하고;

가요성 플랩에 관한 "주변부"는 플랩 에지 또는 그 부근, 전형적으로 플랩 에지의 3 밀리미터(mm) 이내를 의미하고;

"복수"는 2개 이상을 의미하고;

"호흡기"는 착용자가 호흡할 청정 공기를 제공하기 위해 사람에 의해 착용되는 장치를 의미하고;

"시일 표면"은 밸브가 폐쇄 위치에 있을 때 가요성 플랩이 그 상에 놓이는 표면을 의미하고;

"고정된"은 임의의 방식으로 부착됨을 의미하고;

"약간의 편의(slight bias)"는, 중력 이외에 힘이 플랩에 가해지지 않은 상태에서, 가요성 플랩을 임의의 배향하에 폐쇄 위치에 유지하는 데 필요한 최소 편의를 의미하고;

"둘러싸는"은 모든 방향으로부터 해당 물체 주위에 위치되는 것을 의미하고;

"밸브 시트" 또는 "밸브 베이스(valve base)"는 밸브의 중실 부분으로서, 유체가 그것을 통과하는 오리피스를 갖고, 그것이 장착되는 기재 또는 물품에 인접하게 또는 그것과 접촉하여 배치되는, 상기 밸브의 중실 부분을 의미하고;

"가변 강성 구조물"는 하기에 기재된 플랩 편향 시험에 따라 측정될 때 비원형 플랩이 주어진 하중하에서 균등하게 편향되게 하는 구조, 부품, 또는 부품들의 조합을 의미한다.

도면에서:
도 1은 본 발명에 따른 호흡기(10)의 정면 사시도.
도 2는 본 발명에 따른 호흡기 마스크 본체(12)의 정면 사시도이며, 그것으로부터 제거된 밸브 가요성 플랩(42) 및 커버 플레이트(14)를 도시함.
도 3은 호기 밸브(23)의 정면 사시도.
도 4는 도 3의 선 4-4를 따라 취해진 호기 밸브(23)의 단면.
도 5는 도 3의 선 5-5를 따라 취해진 호기 밸브(23)의 단면.
도 6은 마스크 본체(12)의 중심 부분(32)을 통해 취해진 수직 이등분 단면도.

본 발명을 실시함에 있어서, 비원형 오리피스를 갖는 밸브 시트에 고정된 중심-지지된 가요성 플랩에는, 고정점으로부터의 상이한 길이의 플랩 섹션들을 가짐에도 불구하고, 플랩 주변부를 따른 임의의 지점 또는 세그먼트에서 본질적으로 균등하게 개방될 수 있는 가변 강성 구조물이 제공된다. 공지된 호기 밸브에서, 보다 긴 길이 플랩은 전형적으로 모멘트가 더 크기 때문에 시일 표면으로부터 보다 용이하게 들어올려진다. 본 발명은 보다 긴 반경 세그먼트에서 플랩에 보다 큰 강성을 부여하는 가변 강성 구조물을 갖기 때문에, 동일한 위치에서 그 반경 상의 플랩을 개방하기 위해 증가된 힘 또는 하중이 필요하다. 그 반경에서의 증가된 강성은 보다 큰 모멘트에 대항하며, 이는 다양한 반경이 시일 표면과 교차하는 지점에서 측정될 때 가요성 플랩이 중심으로부터 연장되는 상이한 반경들에서 균등하게 편향되는 것을 가능하게 한다. 이러한 구조를 갖는 호기 밸브는 비원형 호기 밸브에 대한 압력 강하 및 전체 밸브 성능을 최적화할 수 있다. 이러한 구조를 갖는 비원형 밸브는 또한 유익하게도 유사하게 수행하는 캔틸레버식 밸브가 제한되었던 다양한 구성으로 형상화될 수 있다.

도 1은 마스크 본체(12) 및 마스크 본체(12)의 정면에 위치된 커버 플레이트(14)를 갖는 호흡기(10)를 도시한다. 호흡기(10)는 또한 사용 동안에 호흡기(10)를 착용자의 머리 상에 지지하기 위한 스트랩(strap)(18a, 18b)을 갖는 하니스(16)를 포함한다. 상부 스트랩(18a)은, 사용 동안에 착용자의 머리의 정수리 상에 놓이는 정수리 부재(18c)에 부착될 수 있다. 스트랩(18b)의 하부 세트는 사용 동안에 착용자의 목 뒤로 연장되고, 부착 및 제거의 용이함에 부응하기 위해 해제가능 버클을 포함할 수 있다. 본 발명에 사용하기에 적합할 수 있는 하니스의 예가 브로스트롬(Brostrom) 등의 미국 특허 제6,732,733호 및 바이램(Byram)의 미국 특허 제6,715,490호에 기술되어 있다. 커버 플레이트(14)에는 스트랩(18a, 18b)을 수용하는 하나 이상의 슬롯(19)이 제공될 수 있다. 한 쌍의 필터 카트리지(20)가 착용자가 호흡할 청정 공기를 제공하기 위해 마스크 본체(12)에 부착된다. 카트리지(20)는 착용자가 흡기할 때 주위 공기로부터 오염물을 제거하는 필터 매체의 하나 이상의 층을 포함한다. 필터 매체는, 응용에 따라, 미립자 오염물 및/또는 기체 상태의 오염물을 제거할 수 있다. 필터 카트리지(20)는 드위어(Dwyer) 등의 미국 특허 출원 제2013/0125896호에 기술된 장치를 사용하여 카트리지 리셉터클(receptacle)(21) 내로 꽂힐 수 있다. 호흡기(10)에는 또한 호흡기 착용자가 다른 사람과 보다 용이하게 의사 소통하는 것을 가능하게 하는 음성 전달 장치(22)가 제공될 수 있다. 호기 밸브(23)(도 2 내지 도 6)는 커버 플레이트(14) 상에 위치된 호기 밸브 커버(24) 아래에 배치될 수 있다. 밸브 커버(24)는 그것 내에 일련의 개구(26)를 가질 수 있으며, 이러한 개구는 호기된 공기가 밑에 있는 밸브로부터 주위 공기 공간 내로 통과하도록 허용한다. 마스크 본체 안면 시일(30)에서 누설 없는 시일이 제공되는지 여부를 호흡기 착용자가 신속하게 평가하도록 허용하기 위해 음압-체크 버튼(negative-pressure check button)(28)이 마스크 본체(12) 상에 중심에 설치될 수 있다. 그러한 평가를 하기 위해, 착용자는 단지 버튼(28)을 누르고 흡기한다. 버튼 누름은 흡기 밸브(31)(도 6)가 폐쇄되게 한다. 시도된 흡기 동안에 공기가 마스크 본체 내부에 진입하는 것으로 검출되는 경우, 안면 시일은 착용자의 안면 상에 적절히 안착되지 않았다. 호흡기는 너무 크거나 너무 작을 수 있거나, 양호한 안면 맞춤을 거부하는 장애물이 있을 수 있다. 그러한 용도에 적합한 압력-체크 버튼이 미텔스태드 등의 공계류 중인 미국 특허 출원 제13/757373호에 기술되어 있다. 안면 시일(30)은 안면 시일이 다양한 안면에 꼭 맞도록 허용하기 위해 실리콘과 같은 유연한 또는 탄성중합체 재료로 제조될 수 있다. 안면 시일(30)은 생성되는 제품이 착용하기에 보다 가볍게 만들기 위해 마스크 본체(12)의 강성 중심 부분(32)에 고정된다. 그러한 강성 중심 부분을 사용하는 마스크 본체(12)가 번스(Burns) 및 레이첼(Reischel)의 미국 특허 제5,062,421호에 기술되어 있다 - 또한 플랜니건(Flannigan) 등의 미국 특허 제7,650,884호 참조.

도 2는 마스크 본체(12) - 그것으로부터 분리된 커버 플레이트(14)를 가짐 - 를 도시한다. 호기 밸브(23)가 커버 플레이트(14) 아래에 위치된다. 호기 밸브(23)는 오리피스(38) 및 오리피스(38)를 둘러싸는 비원형 시일 표면(40)을 갖는 밸브 시트(36)를 갖는다. 호기 밸브(23)는 또한 가요성 플랩(42)을 포함하며, 이러한 가요성 플랩은 플랩(42)의 중심(44)에서 밸브 시트(36)에 고정되고, 가요성 플랩(42)이 착용자의 호기된 공기에 의해 가해지는 힘에 응답하여 밸브 시트 시일 표면(40)에서 균등하게 편향되도록 허용하는 가변 강성 구조물(46)(도 3)을 갖는다. 가요성 플랩(42)은 또한 제1 정렬 요소(46)를 갖고, 밸브 시트(36)는 제1 정렬 요소(46)와 정합하는 제2 정렬 요소(48)를 갖는다. 제1 및 제2 정렬 요소(46, 48)는 가요성 플랩(42)이 밸브 시트(36) 상에 적절하게 배향되는 것을 가능하게 한다. 적절한 배향을 확립하는 것은 비원형 플랩에서 특히 중요한데, 왜냐하면 중심(44)을 중심으로 한 플랩(42)의 약간의 회전이라도 플랩(42)의 밑면(50)이 시일 표면(40)과의 접촉으로부터 벗어나 머무르게 할 수 있기 때문이다. 밸브 플랩 회전은 문제가 아니기 때문에 버튼 밸브는 예를 들어 오직 중심에 정렬될 필요만 있다. 따라서 제1 및 제2 정렬 요소(46, 48)는 플랩 중심(44)과 밸브 시트 중심(52)의 정렬을 제공할 뿐만 아니라, 그것들은 또한 플랩 평면 내에서의 중심(52)을 중심으로 한 플랩(42)의 회전을 방해한다. 그렇게 하기 위해, 제1 정렬 요소(46)는 제2 정렬 요소(48) 내의 유사한 크기의 회전-방지 요소(53b)와 정합하는 하나 이상의 회전-방지 요소(53a)를 포함한다. 밸브 시트(36)에는 또한 제2 정렬 요소(48)로부터 오리피스 내측 에지(56)(도 2)까지 반경방향으로 연장되는 하나 이상의 조이스트(joist)(54)가 제공될 수 있다. 조이스트(54)는 제2 정렬 요소(48)를 밸브 오리피스(38) 내에 그것의 적절한 위치에 지지한다.

도 3은 가요성 플랩(42)이 폐쇄 위치에서 밸브 시트(36)(도 4 및 도 5) 상에 놓여 있는 호기 밸브(23)를 도시한다. 플랩(42)은 전형적으로 그것의 폐쇄 위치에 있을 때 밸브 시트(36)를 향해 편의된다. 이러한 편의는 바람직하게는 "약간"이도록 조정되는데, 즉 편의는 공기 유동 힘이 플랩(42)에 가해지고 있지 않을 때 밸브 배향에 무관하게 플랩(42)을 최소 힘하에서 폐쇄 위치에 유지하도록 조정된다. 약간의 편의는 뒤집어지고 중력에만 노출된 때 플랩(42)이 플랩 주변부(58) 주위의 모든 지점을 따라 폐쇄되어 유지되게 하도록 가변 강성 구조물(46)를 구성함으로써 달성될 수 있다. 가요성 플랩(42)은 또한 호기 압력에 응답하여 균등하게 편향되도록 구성된다. 가변 강성 구조물(46)는 플랩 주변부(58)의 임의의 세그먼트가 호기 동안에 시일 표면(40)(도 2, 도 4 및 도 5)으로부터 들어올려질 본질적으로 동등한 가능성을 갖는 것을 가능하게 한다. 예시된 플랩(42) 및 밑에 있는 시일 표면(40)은 둘 모두가 가요성 플랩(42)의 외측 주 표면(60) 상으로 투영된 평면을 통해 볼 때 장타원형 형상을 갖는다. 본질적으로 모든 다른 비원형 형상이 본 발명 내에서 고려된다. 플랩(42) 및 시일 표면(40)은 반드시 동일한 형상을 가져야 할 필요는 없지만, 동일한 형상을 갖는 것이 전형적으로 보다 나은 성능을 위해 바람직하다. 플랩(42) 및 시일 표면(40)은 예를 들어 직사각형, 정사각형, 삼각형, 타원형, 육각형, 팔각형, 불규칙형, 또는 다른 형상을 가질 수 있다. 밸브 시트(36)는 사용 시에 기재 재료(62)에 고정된다. 기재 재료(62)는 마스크 본체(12)(도 1)를 구성하는 재료들 중 하나 이상의 재료일 수 있다. 밸브가 여과 안면 마스크 ― 예를 들어 크론저(Kronzer) 등의 미국 특허 제7,131,442호 및 앙가드지반트(Angadjivand) 등의 미국 특허 제6,923,182호 참조 ― 에 부착되는 경우, 밸브 시트는 마스크 본체 여과 구조물의 부직 섬유질 재료에 고정될 수 있다. 마스크 본체가 필터 카트리지 또는 인서트 성형된 필터 요소 ― 예를 들어 미텔스태드 등의 미국 특허 제6,883,518 호 및 브라운의 미국 특허 제4,790,306호를 참조 ― 를 포함하는 것인 경우, 밸브 시트는 마스크 본체 내로 성형될 수 있거나 밸브 시트는 그것에 고정될 수 있다. 밸브 시트는 또한 마스크 본체 지지 구조물에 의해 지지되는 프레임 ― 예를 들어 마틴 등의 미국 특허 출원 제2009/0078264호 참조 ― 에 고정될 수 있다. 가변 강성 구조물(46)는 중심(44)으로부터 반경방향으로 연장되는 복수의 리브(64)를 포함할 수 있다. 인접한 리브들은 약 10 내지 45도, 보다 전형적으로는 약 15 내지 30도의 각도로 서로 분리될 수 있다. 플랩 중심(44)으로부터 보다 긴 단부(66)까지 연장되는 보다 긴 리브(64a)는, 플랩 중심(44)으로부터 플랩(42)의 보다 짧은 단부(68)까지 연장되는 보다 짧은 리브(64b)보다 강성이도록 구성된다. 상이한 강성 정도는 더 강성인 리브(64a)를 덜 강성인 리브(64b)보다 더 높게 또는 더 넓게 만드는 것에 의해 달성될 수 있다. 따라서, 더 강성인 리브(64a)의 단면이 덜 강성인 리브(64b)의 단면보다 클 수 있다. 단면적에 있어서의 차이는 약 10 내지 50%일 수 있다. 대안적으로, 더 강성인 리브(64a)는 유사한 단면을 가지면서 덜 강성인 리브(64b)보다 더 강성인 재료로부터 제조될 수 있다. 가변 강성 구조물을 제공하는 다른 방식은 보다 큰 길이 또는 모멘트를 갖는 섹션에서 플랩(42)을 보다 두껍게 만드는 것이다. 리브 및 불균일한 두께를 갖는 플랩이 미텔스태드 등의 미국 특허 제6,883,518호에 기술되어 있다. 가요성 플랩에는, 보다 긴 플랩 섹션이 보다 짧은 플랩 섹션보다 더 큰 두께를 갖는 불균일 두께가 제공될 수 있다. 가변 두께를 갖는 플랩은 예를 들어 레이저를 사용하여 플랩의 상이한 부분들을 어블레이팅(ablating)함으로써 제공될 수 있다 ― 인슬리 등의 미국 특허 출원 제2012/0167890호 및 제2012/0168658호 참조. 가요성 플랩은 또한 사전만곡될 수 있으며, 이러한 사전곡률은 플랩이 밸브 시트에 고정될 때 평평하게 된다 ― 미텔스태드 등의 '518호 특허 참조.

도 4 및 도 5는 보다 긴 리브(64a)가 어떻게 보다 짧은 리브(64b)보다 더 큰 높이를 갖는지를 도시한다. 유사한 폭과 함께의, 리브 높이에 있어서의 증가는 보다 큰 단면을 생성하며, 이에 의해 리브 강성을 증가시킨다. 보다 강성인 리브(64a)는 플랩(42)의 자유 단부(66)를 시일 표면(40)을 향해 편의된 상태로 유지하여, 그것은 밸브(23)의 배향에도 불구하고 폐쇄되어 유지된다. 따라서 플랩(42)의 보다 짧은 자유 단부(68)는 보다 긴 자유 단부(66)와 비교해 동등한 편향될 가능성을 갖는다. 본 발명과 관련하여 사용되는, 가요성 플랩에 대한 플랩 편향비(FDR)는 하기에 기재된 플랩 편향 시험에 따라 시험될 때 2 미만, 바람직하게는 1.5 미만, 그리고 보다 바람직하게는 1.4 미만이다. FDR은 바람직하게는 가능한 한 1에 가깝다. 1.3, 1.2 및 1.1 미만의 FDR이 또한 달성될 수 있다. 전형적으로 플랩 편향 시험을 사용하여 중심으로부터 연장되는 임의의 반경에서 플랩 주변부(58)를 따라 측정된 임의의 지점은 플랩을 1 밀리미터(mm) 편향시키기 위해 10 밀리뉴턴(mN) 하중 이하, 바람직하게는 5 mN 이하를 나타낸다. 플랩을 이러한 1 mm 거리만큼 편향시키기 위한 하중에 대해 측정된 플랩 주변부를 따른 각각의 지점은 바람직하게는 그렇게 측정된 임의의 다른 지점과 100% 초과만큼, 보다 바람직하게는 50% 초과만큼, 그리고 더욱 더 바람직하게는 25% 초과만큼 상이하지 않다.

도 6은 마스크 본체(12)(도 2)의 중심 부분(32)을 단면으로 도시한다. 호흡기(10)(도 1)가 사용 중에 있을 때, 마스크 본체(12)는 외부 기체 공간으로부터 내부 기체 공간을 분리한다. 포트(70)를 통해 내부 기체 공간에 진입하는 청정 공기는 그것이 흡기 밸브(31) - 여기서 그것은 이어서 호흡기 착용자에 의해 흡기될 수 있음 - 를 통과하기 전에 중심 플리넘(plenum)(72) 내로 들어간다. 청정 공기는 필터 카트리지(20)(도 1)를 먼저 통과함으로써 생성된다. 카트리지(20)는 호흡기가 사용되고 있을 때 리셉터클(21)(도 2) 내로 꽂힌다. 이러한 구성을 갖는 마스크 본체가 드위어 등의 미국 특허 출원 제13/757,068호에 기술되어 있다. 착용자에 의해 호기된 공기는 호기 밸브(23)를 통해 내부 기체 공간으로부터 외부 기체 공간으로 나간다. 호기된 공기 스트림 또는 공기 압력은 가요성 플랩(42)의 자유 단부를 시일 표면(40)으로부터 들어올려 공기가 밸브 오리피스(38) 및 커버 플레이트(14) 내의 개구(26)를 통과하도록 허용한다. 커버 플레이트(14) 대신에, 밸브 커버가 밸브를 보호하는 데 그리고 호기된 공기를 하향으로 지향시키는 데 사용될 수 있다. 밸브 커버의 예가 자펀티치 등의 미국 디자인 특허 제347.299호에 도시되어 있다.

예

플랩 편향 시험

이 시험은 가요성 플랩을 밸브 시트 시일 표면으로부터 높이로 1 mm 들어올리는 데 필요한 하중 또는 힘을 측정한다.

이 시험을 수행하기 위해, 먼저 호기 밸브를 적절하게 보정된 시험 장치 내에 위치설정한다. 쓰리제이버(ThreeZaber) 이동 선형 병진 이동 스테이지(모델 T-LSR 150)들을 3D 샘플 위치설정에 사용한다. 그것들은, 샘플이 부착된 클램핑 고정구가 각각의 스테이지 상의 수동 조작식 포트(pot)를 통한 샘플 위치설정 및 로딩을 위해 3차원으로 병진될 수 있도록 조립된다. 클램핑 고정구는 밸브 시트를 유지하도록 만들어진다. 트랜스듀서 테크닉스(Transducer Techniques) 로드 셀(load cell)(모델 GS0-10)을 정지 고정구로 그리고 0.5 mm 부착 플랫 펀치(flat punch)로 관심 대상의 영역 내에 샘플 아래에 위치설정한다. 플랫 펀치는 팁(tip)에서 0.5 mm의 직경과 함께, 나사형성된 스터드(threaded stud) - 이는 이어서 로드 셀 내로 들어감 - 에 부착된 길이 16 mm의 1 mm 직경 섕크(shank)를 갖는다. 플랫 펀치의 길이는 1.25 인치이다. 유니버설 시리얼 버스(USB) 디노라이트(Dinolite)™ 현미경을, 플랩을 들어올리는 펀치의 측면 관찰을 위해 프로브(probe)/샘플로부터 2.75 인치에 설정한다. 로드 셀을 게인(gain)이 최대값으로 설정된 트랜스듀서 테크닉스 모델 TMO-1 컨디셔너(conditioner)를 통해 10 볼트 DC 전원에 연결한다. 로드 셀을 펀치가 관심 대상의 영역을 향해 위쪽을 향하는 상태로 정지 스탠드에 부착한다. 로드 셀을 TMO-1 컨디셔너 상의 포트를 사용하여 조정한다. 로드 셀 및 USB 현미경을 메저먼트 컴퓨팅(Measurement Computing) FS1408 USB 데이터 획득 보드 및 관련 트레이서 디에이큐(Tracer DAQ) 및 인스타칼(Instacal) 소프트웨어를 통해 컴퓨터에 접속시킨다. 데이터 획득 보드를 선택하고 인스타칼(Instacal)™ 소프트웨어로 시험하였다. 로드 셀을 그램 중량으로 보정하고, 이어서 힘(mN) 대 밀리볼트 출력의 선형 핏(linear fit)이 계산된다. 샘플을 플랩이 밸브 시트 상에 설치된 상태로 이동 스테이지 고정구에 클램핑한다. 펀치를 이동 스테이지를 통해 시험할 구역 아래에 위치시킨다. 거리 측정은 플랩이 들어올려질 곳 바로 옆에 눈금자를 배치함으로써 가능하게 된다. 결과적인 이미지가 0.5 mm 눈금에 대해 저장된다.

일단 시험 샘플이 장치 내에 적절하게 위치설정되면, 가요성 플랩을 시일 표면으로부터 들어올리는 데 필요한 하중을 측정하기 위해 다음의 단계들을 수행한다:

1. 펀치를 플랩이 시일 표면과 만나는 위치에서 가요성 플랩 아래에 위치설정한다. 펀치는 거의 밸브와 접촉하고 있다. 하중 채널에 대한 데이터 획득을 트레이서닥(Tracerdaq)™ 소프트웨어에 대해 개시한다. 100개 샘플/초의 샘플 속도 및 3분 샘플 길이를 데이터를 얻는 데 사용한다.

2. 하중 채널이 데이터를 축적하기 시작한 직후에, 조작자는 샘플과 거의 접촉하는 프로브를 보기 위해 비디오 스크린으로 전환한다. 비디오 녹화를 개시한다.

3. z-스테이지 제어를 사용하여, 비디오가 프로브와의 맞물림으로 인해 베이스로부터 들어올려지는 밸브 플랩을 보여주는 동안 샘플을 프로브 상으로 내린다.

4. 대략 1 mm의 들어올림 값에서, 드웰 제어기(dwell controller)가 프로브를 2 내지 3초 기간 동안 제자리에 유지한다.

5. 드웰 세그먼트(dwell segment)가 완료된 후에, z-스테이지 제어기를 사용하여 플랩으로부터 하중을 제거한다.

6. 이어서 0 하중에서의 드웰을 5초 동안 유지한다.

7. 단계 3 내지 단계 6을 2회 더 반복한다.

8. 하중 대 시간을 트레이서닥™ 소프트웨어에 저장하고; 비디오를 디노라이트 소프트웨어에 저장한다.

9. 비디오를 시험 동안 최대 들어올림을 프레이밍(framing)하도록 검토한다. 이어서 1 mm 들어올림 거리를 측정하고 눈금자로부터의 보정을 사용하여 검증한다.

시스템으로부터 출력은 밀리볼트 단위이다. 선형 핏을 사용하여 하중을 결정하고, 이 하중은 이어서 밀리뉴턴(mN) 단위로 보고된다. 1 mm 편향에서 하중을 2개의 위치에서 측정한다. 위치 1은 중심으로부터 연장되는 가장 짧은 반경이 밸브 오리피스의 내측 표면과 교차하는 지점이고, 위치 2는 가장 긴 반경이 밸브 오리피스의 내측 표면과 교차하는 지점이다. 위치 1은 도 4에서 도면 부호 74에 의해 식별되고, 위치 2는 도 5에서 도면 부호 76에 의해 식별된다.

예 E1

도 2 내지 도 6에 도시된 밸브를 닮은 호기 밸브를 구성하였다. 가요성 플랩은 웩커 엘라스토실(Wacker Elastosil) 3001-60 실리콘 고무를 사용하여 성형하였다. 밸브 시트 및 그것의 밀봉 표면은 아큐라(Accura)™ 60 신속 프로토타입 재료를 사용하여 스테레오리소그래피(stereolithography, SLA) 공정으로부터 제조하였다. 가요성 플랩은 41 밀리미터(mm)의 긴 축 길이(중심으로부터 20.5 mm)를 가졌고 25 mm의 짧은 축 길이(중심으로부터 12.5 mm)를 가졌다. 가요성 플랩을 임의의 배향에서 중력 하중하에서 닫혀 유지되도록 설계하였다. 리브를 도 3에 도시된 바와 같이 배향하여 위치시켰다. 리브들은 인접한 리브들이 약 24도로 서로 이격되도록 중심으로부터 반경방향으로 연장되었다. 각도 간격은 리브들 각각에 대해 동일하였다. 리브에 결합된 연속 플랩 시트는 약 0.28 mm의 두께를 가졌다. 이러한 플랩 시트에 부착된 리브가 결여된 이전의 구조에서, 플랩은 중력 하중하에 모든 배향에서 닫혀 유지되는 것은 아닌 것으로 확인되었다. 리브의 단면적은 달랐다. 긴 축의 리브는 약 0.25 ㎟의 최대 단면적을 가졌다. 짧은 축의 리브는 약 0.13 ㎟의 최대 단면적을 가졌다. 그러한 단면적을 갖는 리브는 플랩이 구부러지게 하는 힘에 플랩이 노출될 때 좌굴되는 것으로 확인되었다. 가장 긴 리브의 길이는 18.5 mm였다. 가장 짧은 리브의 길이는 10.2 mm였다. 가장 긴 리브의 중심에서의 리브 높이는 0.82 mm였다. 가장 짧은 리브의 중심에서의 리브 높이는 0.42 mm였다. 가장 높은 리브는 주변부에서 대략 0.4 mm 높이로 테이퍼 형성된다. 리브 폭은 0.31 mm였고 모든 리브에 대해 동일하였다. 모든 리브는 플랩 중심에 위치된 보스(boss)와 교차한다. 보스는 4.5 mm 직경을 가졌다. 정렬 요소는 중심을 중심으로 대칭이고 3 mm 폭 및 10.2 mm 길이이다. 정렬 요소는 플랩 멤브레인(membrane)으로부터, 플랩으로부터의 2.8 mm의 최대 거리를 갖는 평면까지 테이퍼 형성된다.

밸브 시트를 도 2, 도 4 및 도 5에 도시된 구성을 갖도록 제조하였다. 밸브 시트를 신속 프로토타이핑(rapid prototyping)에 의해 생성하였다.

가요성 플랩을, 중심 보스 및 정렬 특징부를 밸브 시트 상의 대응하는 정합 특징부 내로 밀어넣음으로써 밸브 시트에 결합하였다. 정합 특징부는, 보스/정렬 특징부를 수용하고 밸브를 밸브 시트 상에 유지하는 구멍을 갖는다.

생성된 호기 밸브를 가요성 플랩 시험(Flexible Flap Test)에 따라 시험하였고, 그 결과가 아래 표 1에 기재된다.

[표 1]

표 1은 E1에 대한 FDR을 보여주며, 이는 1.40(2.45/1.74)이었다. 이 데이터는 생성된 호기 밸브가 본 발명의 범주 내의 FDR을 갖는다는 것을 보여준다. 따라서 가요성 플랩은 균등하게 편향되어, 플랩 주변부의 임의의 세그먼트가 호기 동안에 밸브 시트로부터 들어올려지도록 허용할 수 있다.

편향/힘 시뮬레이션

유한 요소 분석 소프트웨어가, 가변 강성 구조물을 갖는 가요성 플랩의, 그러한 구조물이 결여된 등가 플랩에 비한 편향 특성을 비교하는 데 사용될 수 있다. 밸브 시스템의 컴퓨터 모델은 플랩 기하학적 구조(geometry)를 나타내는 유한 요소들의 메시(mesh)로 이루어진다. 유한 요소는 전체 구조물의 작은 도메인(domain)이다. 지배 미분 방정식은 이들 요소에 걸쳐 수치적으로 계산된다. 각각의 요소는 그들 사이에 직선을 갖는 노드(node)들에 의해 경계지어진다. 노드는 다수의 이웃하는 유한 요소의 일부일 수 있다. 함께 연결된 요소들 모두는 메시를 나타낸다. 이러한 메시는 분석하고 있는 구조물의 기하학적 구조에 밀접하게 근사한다.

가요성 플랩은 플랩 두께에 근사하도록 쉘(shell) 유한 요소를 사용할 수 있는 박벽 구조물이다. 쉘 요소는 전형적으로 3개의 노드를 갖는 삼각형의 평평한 요소이다. 쉘 모델은 속성으로서 요소에 적용된 적절한 두께를 갖는다. 두께는 이어서 계산에서 고려된다. 원하는 경우, 3차원 요소가 또한 두께를 모델링하는 데 사용될 수 있다. 이들 3D 요소는 전형적으로 4개의 면(face) 및 3개의 노드를 갖는다.

모델 크기를 감소시키기 위해, 대칭이 사용될 수 있다. 적절한 경계 조건이 대칭 평면들을 가로질러 모델에 적용될 필요가 있다. 이러한 평면 상에 놓여 있는 노드들은 그 평면 내에서만 회전을 허용하도록 제약된다. 이들은 또한 평면을 벗어나 편향이 없는 것을 보장하도록 제약된다.

플랩이 중심에서 지지 특징부에서 제약되기 때문에, 모델은 원하는 경우 더욱 단순화될 수 있다. 시뮬레이션을 위해, 시일 멤브레인 및 리브 상의 노드가 전체 지지부를 모델링하는 대신에 중심 지지부와의 교차점에 고정될 수 있다.

쉘 메시는 플랩 기하학적 구조 및 시일 표면에 대한 접촉을 정확하게 모델링하기 위해 충분한 수의 요소로 생성될 필요가 있다. 시일 표면은 강성 접촉 요소로 모델링되어야 한다. 플랩을 프리로드(preload)하기 위해, 시일 표면 요소가 플랩 메시 내로 상승되며, 이는 프리로드를 생성한다.

대표적인 탄성 계수 및 푸아송의 비가 모델에 적용된다. 중력 하중을 갖지 않는 플랩의 모델이 이제 완성된다.

시뮬레이션을 위해, 원하는 위치에 있는 노드들 중 하나가 밀봉 표면을 나타내는 강성 요소로부터 상승된다. 노드는 최종 편향에 도달할 때까지 작은 증분으로 상승된다. 이러한 시뮬레이션을 위해, 편향은 이웃하는 구역의 강성의 영향이 결과를 좌우하지 않도록 제한된다. 이러한 기술은 플랩 편향 시험을 모사할 수 있다. 분석으로부터의 결과는 언급된 위치에서 주어진 편향에서의 힘이다.

시뮬레이션된 호기 밸브 - 예 SE1

본 예에 따라 제조된 호기 밸브는 예 E1과 동일한 가요성 플랩을 갖는 밸브였는데, 즉 그것은 동일한 가요성 플랩을 갖는 E1 밸브의 컴퓨터 시뮬레이션이었다. 이 예에 사용한 유한 요소 분석 소프트웨어는 아바쿠스(ABAQUS)(등록상표)였다. 시뮬레이션된 예는 3001-60 실리콘 재료를 나타내기 위해 350 파운드/제곱인치(psi)의 계수 및 0.5의 푸아송의 비를 사용하였다. 플랩 편향 시험에서 지정된 2개의 위치(위치 1 및 위치 2) 각각에서 분석을 수행하였다. 각각의 위치에서, 플랩을 하나의 위치에서 시일 표면을 나타내는 접촉 요소로부터 상승시켰다. 사용된 최대 편향은 1 mm였다. 편향은 플랩이 최대 편향값으로 개방될 때까지 10 증분으로 적용하였다. 각각의 증분에서, 반작용 하중을 소프트웨어에 의해 계산하였다.

플랩 효율을 최대화하기 위해, 주변부 주위의 규정된 개구에서, 하중은 "등가"이어야 한다. 달리 말하면, 플랩 편향은 주어진 하중에서 동일하여야 한다. 이를 결정하기 위해, FDR을 밸브 시일 표면에서의 위치 1과 위치 2 사이의 분석의 출력으로부터 계산한다. 가장 긴 반경과 가장 짧은 반경 사이의 FDR을 이러한 등가성의 대표적인 척도로서 사용하였다. 표 2는 예 SE1에 대한 각각의 편향 증분에 대한 결과적인 힘 및 FDR을 보여준다.

[표 2]

1 mm 편향에서, SE1 FDR은 1.23인데, 이는 모델링 및 시험 가변성을 감안하면 1.4의 E1 FDR에 대한 양호한 상관관계를 보여준다.

시뮬레이션 비교예 - SCE1

SCE1은 리브를 제거한 것을 제외하고는 E1과 동일한 플랩을 사용한, E1에서 수행된 시험의 시뮬레이션이다. 동일한 시뮬레이션 접근법을 SE1로부터 모사하였지만, 리브를 메시로부터 제거하였다. 표 3은 각각의 편향 증분에 대한 결과적인 힘 및 FDR을 보여준다.

[표 3]

표 2 및 표 3은 각각 SE1 및 SCE1에 대한 결과를 보여준다. 예상된 바와 같이, 비-리브형 버전은 보다 낮은 하중을 가졌다. 이는 멤브레인 두께가 0.28 mm로 유지되었기 때문에 예상되었다. 그러나, 이러한 플랩 두께는 중력하에 모든 배향에서 밸브를 닫힌 상태로 유지하기에 적절하지 않았다.

둘 모두의 표가 각각의 경우에 대해 위치 1 및 위치 2에서의 FDR을 보여준다. 완전히 최적화된 시스템은 1의 비를 가질 것이다. SE1은.2 mm 내지 1 mm의 증분으로 편향될 때 1.25의 평균 비를 갖는다. 리브를 갖지 않는 "등가" 강성 예(SCE1)는 3.76의 훨씬 더 높은 평균 비를 가졌다. 1 mm 편향에서, FDR은 각각 1.23 및 2.34였다.

시뮬레이션된 호기 밸브 - 예 SE2

보다 낮은 종횡비(aspect ratio)를 갖는 다른 호기 밸브를 분석하였다. 가요성 플랩은 35.5 밀리미터(mm)의 긴 축 길이(중심으로부터 17.75 mm)를 가졌고 32 mm의 짧은 축 길이(중심으로부터 16 mm)를 가졌다. 가요성 플랩을 임의의 배향에서 중력 하중하에서 닫혀 유지되도록 설계하였다. 리브들은 인접한 리브들이 약 24도로 서로 이격되도록 중심으로부터 반경방향으로 연장되었다. 각도 간격은 리브들 각각에 대해 동일하였다. 리브에 결합된 연속 플랩 시트는 약 0.28 mm의 두께를 가졌다. 리브의 단면적은 달랐다. 긴 축의 리브는 약.23 ㎟의 최대 단면적을 가졌다. 짧은 축의 리브는 약.19 ㎟의 최대 단면적을 가졌다. 그러한 단면적을 갖는 리브는 플랩이 구부러지게 하는 힘에 플랩이 노출될 때 좌굴되는 것으로 확인되었다. 가장 긴 리브의 길이는 16.9 mm였다. 가장 짧은 리브의 길이는 14.0 mm였다. 가장 긴 리브의 중심에서의 리브 높이는 0.77 mm였다. 가장 짧은 리브의 중심에서의 리브 높이는 0.68 mm였다. 가장 높은 리브는 주변부에서 대략.4 mm 높이로 테이퍼 형성된다. 가장 짧은 리브는 주변부에서 대략.25 mm 높이로 테이퍼 형성된다. 리브 폭은 0.31 mm였고 모든 리브에 대해 동일하였다. 보스 및 정렬 특징부는 SE1에서 기술된 것과 동일하였다.

이 예에 사용한 유한 요소 분석 소프트웨어는 아바쿠스(등록상표)였다. 시뮬레이션된 예는 3001-60 실리콘 재료를 나타내기 위해 350 파운드/제곱인치(psi)의 계수 및 0.5의 푸아송의 비를 사용하였다. 플랩 편향 시험에서 지정된 2개의 위치(위치 1 및 위치 2) 각각에서 분석을 수행하였다. 각각의 위치에서, 플랩을 하나의 위치에서 시일 표면을 나타내는 접촉 요소로부터 상승시켰다. 사용된 최대 편향은 1 mm였다. 편향은 플랩이 최대 편향값으로 개방될 때까지 10 증분으로 적용하였다. 각각의 증분에서, 반작용 하중을 소프트웨어에 의해 계산하였다.

시뮬레이션에 대한 결과가 표 4에 나타나 있다.

[표 4]

시뮬레이션 비교예 - SCE2

SCE2에 대해, 동일한 시뮬레이션 접근법을 SE2로부터 모사하였지만, 리브를 메시로부터 제거하였다. 표 5는 각각의 편향 증분에 대한 결과적인 힘 및 FDR을 보여준다.

[표 5]

표 4 및 표 5는 각각 SE2 및 SCE2에 대한 결과를 보여준다. 둘 모두의 표가 각각의 경우에 대해 위치 1 및 위치 2에서의 FDR을 보여준다. SE2는.2 mm 내지 1 mm의 증분으로 편향될 때 1.32의 평균 비를 갖는다. 리브를 갖지 않는 "등가" 강성 예(SCE2)는 1.71의 더 높은 비를 가졌다. 1 mm 편향에서, FDR은 각각 1.32 및 1.51이었다.

FDR은 1에 접근하는 종횡비로 인해 더 근접하였다. 가변 강성 플랩의 이점은 가장 짧은 길이 반경 및 가장 긴 길이 반경이 유사해짐에 따라 감소된다. 그러나, 반경들이 상이한 길이를 갖는 한 여전히 이점이 존재한다.

가변 강성 밸브 SE1 및 SE2는 중심으로부터 가장 긴 거리에 있는 주변부 위치를 중심으로부터 가장 짧은 거리에 있는 위치와 비교할 때 동일한 편향에 대해 "등가 하중"을 가졌다. 이는 플랩이 주어진 호기 압력하에 전체 주변부 주위에서 들어올려져 개방되는 결과를 가져온다. 보다 많은 플랩 주변부가 시일 표면으로부터 더 큰 거리만큼 들어올려지면, 밸브 오리피스를 가로지른 압력 강하는 감소하며, 이는 주어진 유량에서 호기 압력을 감소시킴으로써 사용자 편안함을 증가시킨다.

본 발명은 그것의 사상 및 범주로부터 벗어남이 없이 다양한 수정 및 변경을 취할 수 있다. 따라서, 본 발명은 상기에 기술된 것으로 제한되는 것이 아니라, 하기의 특허청구범위에 기재된 한계 및 그것의 임의의 등가물에 의해 좌우되어야 한다.

본 발명은 또한 본 명세서에 구체적으로 개시되지 않은 임의의 요소의 부존재하에서 적합하게 실시될 수 있다.

'배경기술' 단락에서의 것을 비롯해 상기에 인용된 모든 특허 및 특허 출원은 전체적으로 본 명세서에서 참고로 포함된다. 그러한 포함되는 문헌과 상기 명세서에서의 개시 내용 간에 상충 또는 모순이 존재하는 경우, 상기 명세서가 우선할 것이다.

Claims (20)

1. 호기 밸브(exhalation valve)로서,
   (a) 오리피스를 갖고, 상기 오리피스를 둘러싸는 비원형 시일 표면(seal surface)을 갖는 밸브 시트(valve seat); 및
   (b) 상기 오리피스의 중심에서 상기 밸브 시트에 고정되고, 가변 강성 구조물(variable stiffness structure)을 갖는 가요성 플랩(flap)을 포함하는, 호기 밸브.
2. 제1항에 있어서, 상기 가요성 플랩은 상기 가요성 플랩의 중심에서 상기 밸브 시트에 고정되는, 호기 밸브.
3. 제2항에 있어서, 상기 가요성 플랩은 제1 정렬 요소를 갖는, 호기 밸브.
4. 제3항에 있어서, 상기 밸브 시트는 상기 제1 정렬 요소와 정합하는 제2 정렬 요소를 갖는, 호기 밸브.
5. 제4항에 있어서, 상기 제1 정렬 요소 및 상기 제2 정렬 요소는 플랩 평면 내에서의 상기 오리피스의 중심을 중심으로 한 상기 가요성 플랩의 회전을 방해하는, 호기 밸브.
6. 제5항에 있어서, 상기 제1 정렬 요소는 상기 제2 정렬 요소 내의 유사한 크기의 회전-방지 요소(들)와 정합하는 회전-방지 요소(들)를 포함하는, 호기 밸브.
7. 제4항에 있어서, 상기 밸브 시트는 상기 제2 정렬 요소로부터 상기 오리피스의 내측 에지까지 반경방향으로 연장되는 하나 이상의 조이스트(joist)를 갖는, 호기 밸브.
8. 제7항에 있어서, 상기 조이스트는 상기 제2 정렬 요소를 상기 밸브 오리피스 내에 상기 밸브 오리피스의 중심에서 지지하는, 호기 밸브.
9. 제7항에 있어서, 상기 플랩은, 상기 플랩이 폐쇄 위치에 있을 때, 상기 밸브 시트를 향해 편의되는, 호기 밸브.
10. 제1항에 있어서, 상기 가변 강성 구조물은 상기 가요성 플랩의 중심으로부터 반경방향으로 연장되는 복수의 리브(rib)를 포함하는, 호기 밸브.
11. 제12항에 있어서, 상기 리브 중 적어도 일부는 상이한 길이를 갖고, 보다 긴 리브는 보다 짧은 리브보다 더 강성이도록 구성되는, 호기 밸브.
12. 제2항에 있어서, 가요성 플랩 시험(Flexible Flap Test)에 따라 측정될 때 플랩 주변부(perimeter)를 따른 임의의 지점에서 상기 가요성 플랩을 상기 시일 표면으로부터 1 mm 들어올리기 위해 5 mN 이하의 힘이 필요한, 호기 밸브.
13. 호흡기(respirator)로서,
    (a) 하니스(harness); 및
    (b) 호기 밸브를 포함하는 마스크 본체(mask body)를 포함하고, 상기 호기 밸브는,
    (i) 오리피스를 갖고, 상기 오리피스를 둘러싸는 비원형 시일 표면을 갖는 밸브 시트; 및
    (ii) 상기 오리피스의 중심에서 상기 밸브 시트에 고정되고, 가변 강성 구조물을 갖는 가요성 플랩을 포함하는, 호흡기.
14. 제13항에 있어서, 상기 가요성 플랩은 상기 가요성 플랩의 중심에서 상기 밸브 시트에 고정되는, 호흡기.
15. 제13항에 있어서, 상기 가요성 플랩은 제1 정렬 요소를 갖는, 호흡기.
16. 제15항에 있어서, 상기 밸브 시트는 상기 제1 정렬 요소와 정합하는 제2 정렬 요소를 갖는, 호흡기.
17. 제16항에 있어서, 상기 제1 정렬 요소 및 상기 제2 정렬 요소는 플랩 평면 내에서의 상기 오리피스의 중심을 중심으로 한 상기 가요성 플랩의 회전을 방해하는, 호흡기.
18. 제17항에 있어서, 상기 제1 정렬 요소는 상기 제2 정렬 요소 내의 유사한 크기의 회전-방지 요소(들)와 정합하는 회전-방지 요소(들)를 포함하는, 호흡기.
19. 제16항에 있어서, 상기 밸브 시트는 상기 제2 정렬 요소로부터 상기 오리피스의 내측 에지까지 반경방향으로 연장되는 하나 이상의 조이스트를 갖는, 호흡기.
20. 제19항에 있어서, 상기 조이스트는 상기 제2 정렬 요소를 상기 밸브 오리피스 내에 상기 밸브 오리피스의 중심에서 지지하는, 호흡기.

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