DE102021001711A1 - protective mask - Google Patents
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Abstract
1.1 Die Schutzmaske soll sowohl den Träger als auch die Umgebung zuverlässig vor Schadstoffen schützen.1.2. Durch die Form des Maskenkörpers 101 mit der Begrenzung durch die druckdifferenzbetätigten Ventile 103, 104 und die Gestaltung der Dichtlippen wird die Menge an wieder eingeatmetem CO2 deutlich reduziert. Der Maskenkörper 101 ist aus elastischem, gasundurchlässigem und weitgehend transparentem Material aufgebaut. Er schließt an die Nase an und bedeckt die Mundpartie bis zum Kinn, optional sind ein Sichtfenster und eine Sprechmembran 102 vorgesehen. Die Schutzmaske ist mit einem oder zwei voneinander getrennten, auswechselbaren Filtern 111, 112 ausgestattet. Die Strömungswege beim Ein- und Ausatmen sind vollständig getrennt. Der Einatemfilter kann durch den beim Einatmen entstehenden Unterdruck leicht komprimiert werden. Der Ausatemfilter ist so aufgebaut, dass er durch den beim Ausatmen entstehenden Überdruck leicht vergrößert werden kann (Balloneffekt). Die Filtermaterialien haben keinen Hautkontakt mit dem Träger.1.3 Die Maske kann wahlweise eine zum Schutz des Trägers, der Umgebung oder zum Schutz von Träger und Umgebung konfiguriert werden. Dies ist hilfreich beim Einsatz in Reinräumen, staub- oder aerosolbelasteten Umgebungen sowie zum Schutz vor Krankheitserregern.1.1 The protective mask should reliably protect both the wearer and the environment from pollutants.1.2. The shape of the mask body 101 with the delimitation by the pressure difference-actuated valves 103, 104 and the design of the sealing lips significantly reduces the amount of CO2 that is inhaled again. The mask body 101 is made of elastic, gas-impermeable and largely transparent material. It connects to the nose and covers the mouth area up to the chin; a viewing window and a speech membrane 102 are optionally provided. The protective mask is equipped with one or two separate, replaceable filters 111, 112. The flow paths during inhalation and exhalation are completely separate. The inhalation filter can be slightly compressed by the negative pressure created when inhaling. The exhalation filter is designed in such a way that it can be slightly enlarged by the overpressure that occurs when exhaling (balloon effect). The filter materials do not have skin contact with the wearer.1.3 The mask can be configured either to protect the wearer, the environment or to protect the wearer and environment. This is helpful when used in clean rooms, dusty or aerosol-laden environments and to protect against pathogens.
Description
Anwendungsgebietfield of use
Die Erfindung betrifft eine Schutzmaske entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a protective mask according to the preamble of claim 1.
Stand der TechnikState of the art
Bei Schutzmasken können unterschieden werden in
- - Masken, die den Träger davor schützen, dass Verunreinigungen oder Krankheitserreger beim Atmen in seine Atemwege gelangen. Dieser Maskentyp wird oft als Atemschutzmaske bezeichnet
- - Masken, die andere Personen oder die Umgebung des Trägers vor Krankheitserregern oder Verunreinigungen schützt, welche der Maskenträger mit dem Atmen oder Sprechen ausscheidet. Dieser Maskentyp wird oft als Gesichtsmaske, chirurgische Maske oder Hygienemaske bezeichnet
- - Masken, die in beide Richtungen schützen und damit sowohl den Träger als auch die Umgebung schützen.
- - Masks that protect the wearer from contaminants or pathogens entering their airways when they breathe. This type of mask is often referred to as a respirator
- - Masks that protect other people or the wearer's environment from pathogens or contamination that the mask wearer excretes through breathing or speaking. This type of mask is often referred to as a face mask, surgical mask or hygiene mask
- - Masks that protect in both directions, protecting both the wearer and the environment.
Atemschutzmasken weisen zumeist eine Formgebung auf, welche den dichten Sitz am Gesicht des Trägers sicherstellen soll. Es kann unterschieden werden in Masken, deren Maskenkörper vorwiegend aus porösem Filtermaterial besteht und solchen, bei denen der Maskenkörper gasdicht ausgeführt ist. Die Formgebung ist so gestaltet, dass der Maskenkörper durch den Anpressdruck der Bebänderung möglichst dicht am Gesicht des Trägers anliegt. Ggf. unterstützt durch flexible Dichtlippen, welche sich der Anatomie des Trägers anpassen können. Teilweise bedeckt die Schutzmaske zusätzlich zu Mund und Nase auch die Augen bzw. ist als komplette Haube ausgeführt. Bei Masken mit gasdichtem Körper sind die Filter zumeist als Kartuschen oder Patronen ausgeführt und können vom Maskenkörper getrennt werden. Für beide Ausführungen sind Lösungen bekannt, welche zur leichteren Ausatmung und damit einhergehenden geringeren körperlichen Belastung des Trägers mit einem Ausatemventil ergänzt wurden. Dieses reduziert den Durchflusswiederstand für den Ausatemluftstrom und steigert dadurch den Komfort für den Träger, in dem es die körperliche Belastung vermindert.Respiratory protection masks usually have a shape that is intended to ensure a tight fit on the wearer's face. A distinction can be made between masks whose mask body consists primarily of porous filter material and those in which the mask body is gas-tight. The shape is designed in such a way that the mask body lies as close as possible to the face of the wearer due to the contact pressure of the harness. If necessary, supported by flexible sealing lips, which can adapt to the anatomy of the wearer. In addition to the mouth and nose, the protective mask sometimes also covers the eyes or is designed as a complete hood. In the case of masks with a gas-tight body, the filters are usually designed as cartridges and can be separated from the mask body. Solutions are known for both designs, which have been supplemented with an exhalation valve for easier exhalation and the associated lower physical stress on the wearer. This reduces the flow resistance for the exhaled air flow and thus increases the comfort for the wearer by reducing the physical strain.
Ein bekanntes Beispiel für eine Gesichtsmaske zum Schutz anderer Personen ist die sogenannte OP-Maske. Diese sitzt locker vor Mund und Nase des Trägers. Aufgrund des lockeren Sitzes sind solche Gesichtsmasken erheblich angenehmer zu tragen als Atemschutzmasken. Sowohl beim Einatmen als auch beim Ausatmen lässt der lockere Sitz Leckage an den Maskenrändern zu. Locker sitzende Masken haben üblicherweise kein Ausatemventil, da die Leckage den Durchflusswiederstand beim Ausatmen ohnehin geringhält.A well-known example of a face mask to protect other people is the so-called surgical mask. This sits loosely in front of the wearer's mouth and nose. Due to the loose fit, such face masks are significantly more comfortable to wear than respirators. On both inhalation and exhalation, the loose fit allows for leakage at the edges of the mask. Loose-fitting masks usually do not have an exhalation valve, since the leakage keeps the flow resistance during exhalation low anyway.
Masken, welche in beide Richtungen schützen sind zumeist dichtsitzende Masken, welche denselben Filter für das Ein- und Ausatmen verwenden. Diese sehr einfache Ausführung hat den Nachteil, dass die Feuchtigkeit der Ausatemluft teilweise im Filtermaterial verbleibt und dieses durchfeuchtet, was sowohl nachteilig ist in Bezug auf das Filtervermögen als auch auf den Tragekomfort. Aufwendigere Ausführungen sind um ein Ausatemventil mit separatem Filter ergänzt, beispielsweise gezeigt in
Abhängig von den Gefährdungen (chemische Stoffe, Stäube und Partikel, Viren und Bakterien etc.), vor denen der Maskenträger geschützt werden soll kommen unterschiedliche Filtermaterialien und Kombinationen von Filtermaterialien zum Einsatz. Atemschutzfilter gegen Partikel, Viren und Bakterien werden in der Regel aus mehreren Vlies-Lagen aus Polypropylen aufgebaut, welches gewoben oder mit sogenannten Melt-Blown-Verfahren hergestellt wird. Zumeist sind diese Filterlagen in ein Schutzgewebe eingebettet, welches vor mechanischen Beschädigungen schützt und eventuell sich lösende Fasern aus dem Filtervlies zurückhält. Besteht der Maskenkörper aus Filtermaterial können zudem noch formstabilisierende Lagen notwendig werden.Depending on the hazards (chemical substances, dust and particles, viruses and bacteria, etc.) against which the mask wearer is to be protected, different filter materials and combinations of filter materials are used. Respiratory protection filters against particles, viruses and bacteria are usually made up of several fleece layers made of polypropylene, which is woven or manufactured using the so-called melt-blown process. In most cases, these filter layers are embedded in a protective fabric, which protects against mechanical damage and holds back any loose fibers from the filter fleece. If the mask body consists of filter material, shape-stabilizing layers may also be necessary.
Die Filterwirkung dieser Filter ist - neben den Eigenschaften des zu filternden Mediums - von mehreren Faktoren des Filtermaterials abhängig. Dazu gehören die Porengröße, Mikrostruktur der Strömungsdurchlässe, Adhäsions- und elektrostatische Kräfte etc. Ein weiter, sehr wesentlicher Faktor für die Wirksamkeit der partikelfilternden Mechanismen ist die Strömungsgeschwindigkeit, mit der Schadpartikel durch den Maskenkörper geleitet werden. Grundsätzlich kann gesagt werden, dass die Durchlässigkeit eines Filtermaterials für Aerosole in etwa quadratisch mit der Strömungsgeschwindigkeit steigt (siehe z.B.
Nachteile des Standes der TechnikDisadvantages of the Prior Art
Der Strömungswiderstand des Filtermediums bedingt einen spürbar erhöhten Atemwiderstand und hat daher einen wichtigen Einfluss auf den Tragekomfort und die Eignung einer Maske bei körperlich belastenden Tätigkeiten. In der Praxis führt dies dazu, dass die Empfehlungen zur Tragedauer von Masken - abhängig von ihrer Filterleistung - zum Teil auf weniger als 2 Stunden begrenzt ist. The flow resistance of the filter medium causes a noticeably increased breathing resistance and therefore has an important influence on the wearing comfort and suitability of a mask for physically demanding activities. In practice, this means that the recommendations for wearing masks - depending on their filter performance - are sometimes limited to less than 2 hours.
Atmet ein Mensch ohne Maske, dann bildet sich beim Ausatmen ein räumlich begrenzter Luftstrahl, der sich mit ca. 1m/s von Mund bzw. Nase entfernt. Ein Rückatmen des ausgeatmeten Volumens ist damit praktisch ausgeschlossen. Mit Maske verändern sich die Strömungsverhältnisse dahingehend, dass die Strömungsgeschwindigkeit nach dem Durchtritt durch die Maske nur noch ca. 0,01m/s beträgt. Ohne relative Bewegung des Maskenträgers zur Umgebungsluft verbleibt das ausgeatmete Volumen dicht vor der Maske (vgl. Birgersson et.al, (2015) Reduction of Carbon Dioxide in Filtering Facepiece Respirators with an Active-Venting System: A Computational Study. PLoS ONE 10(6): e0130306. doi:10.1371/journal.pone.0130306)If a person breathes without a mask, a spatially limited jet of air forms when exhaling, which moves away from the mouth or nose at approx. 1m/s. A rebreathing of the exhaled volume is thus practically impossible. With the mask, the flow conditions change in such a way that the flow speed after passing through the mask is only approx. 0.01m/s. If the mask wearer does not move relative to the ambient air, the exhaled volume remains close to the mask (cf. Birgersson et.al, (2015) Reduction of Carbon Dioxide in Filtering Facepiece Respirators with an Active-Venting System: A Computational Study. PLoS ONE 10(6 ):e0130306.doi:10.1371/journal.pone.0130306)
In
Der Träger muss also mehr Luft einatmen als ohne Maske, um die gleiche Sauerstoffzufuhr zu erreichen. Dabei spielt das Verhältnis des Gasvolumens seines Atemzugs zu dem in der Maske verbleibenden Volumen 123 eine erhebliche Rolle. Bei geringer körperlicher Anstrengung, z.B. bei Büro und Lehrtätigkeiten, liegt der Anteil zurückgeatmeten CO2 erheblich über den Werten körperlich anstrengender Arbeiten. Smith et.al. belegen diese Zusammenhänge in einer praktischen Studie und zeigen die körperlichen Belastungssymptome im Zusammenhang mit dem Anteil rückgeatmeten CO2 wie z.B. erhöhte Herzfrequenz, Schwindel, Verminderung der Sehfähigkeit, Kopfschmerz etc. auf (vgl. Smith, C. L., Whitelaw, J. L. & Davies, B. 2013, ‚Carbon dioxide rebreathing in respiratory protective devices: influence of speech and work rate in full-face masks‘, Ergonomics: an international journal of research and practice in human factors and ergonomics, vol. 56, no. 5, pp. 781-790). Roberge et.al. bestätigen die beschriebenen Auswirkungen in einer weiteren praktischen Untersuchung und zeigen auf, dass die körperlichen Reaktionen auf das aus verschiedenen Masken rückgeatmete Gasvolumen unabhängig ist von deren Ausstattung mit einem Ausatemventil.
- - Die von den Probanden eingeatmete CO2-Konzentration liegt mit ca. 3% (vgl. Raymond J Roberge MD MPH, Aitor Coca PhD, W Jon Williams PhD, Jeffrey B Powell MSc, and Andrew J Palmiero: Physiological Impact of the N95 Filtering Facepiece Respirator on Healthcare Workers, RESPIRATORY CARE • MAY 2010 VOL 55 NO 5)
- - beim sechsfachen der gültigen Arbeitsplatzgrenzwerte nach TRGS900 (vgl. BArBl Heft 1/2006; Zuletzt geändert und ergänzt: GMBI 2020, S. 902 [Nr. 42] (v. 27.10.2020)) und
- - beim 15fachen der Empfehlung für die Raumluftkonzentration (vgl. Bundesgesundheitsbl - Gesundheitsforschung - Gesundheitsschutz 2008 • 51:1358-1369 DOI 10.1007/s00103-008-0707-2 © Springer Medizin Verlag 2008) .
- - The CO2 concentration inhaled by the subjects is around 3% (see Raymond J Roberge MD MPH, Aitor Coca PhD, W Jon Williams PhD, Jeffrey B Powell MSc, and Andrew J Palmiero: Physiological Impact of the N95 Filtering Facepiece Respirator on Healthcare Workers, RESPIRATORY CARE • MAY 2010 VOL 55 NO 5)
- - at six times the applicable workplace limit values according to TRGS900 (cf. BArBl issue 1/2006; last changed and supplemented: GMBI 2020, p. 902 [no. 42] (of October 27th, 2020)) and
- - at 15 times the recommendation for the room air concentration (cf. Federal Health Gazette - Health Research - Health Protection 2008 • 51:1358-1369 DOI 10.1007/s00103-008-0707-2 © Springer Medizin Verlag 2008) .
Die ausgeatmete Luft weist zudem einen hohen Feuchtegehalt auf und ist etwa 37° C warm. Dadurch findet Kondensation auf kälteren Flächen wie beispielsweise dem Filtervlies statt. Die abgeschiedene Feuchtigkeit nässt Maske und Filtervlies mit der Zeit durch. Abhängig von der Gestaltung der Auflageflächen und der Formstabilität Maske fängt sie bei Hautkontakt zu kleben an. Dies wird von Trägern als unkomfortabel empfunden, bei längerer Tragedauer kann es zu Hautreizungen kommen. Die Presseinformation des Fraunhoferinstituts ITWM vom 11. Mai 2020
(https://www.itwm.fraunhofer.de/de/presse-publikationen/presseinformationen/ 2020/2020_05_11_tragedauer-schutzmasken-corona-krise.html) erläutert, wie schnell mit zunehmender Feuchte im Material die Filtereffizienz nachlässt und dass bei einer Durchfeuchtung die Gefahr einer Infektionsbrücke zwischen tragender Person und der Umgebung besteht.The exhaled air also has a high moisture content and is around 37°C warm. As a result, condensation takes place on colder surfaces such as the filter fleece. The separated moisture soaks the mask and filter fleece over time. Depending on the design of the contact surfaces and the dimensional stability of the mask, it starts to stick when it comes into contact with the skin. This is perceived as uncomfortable by the wearer, and skin irritation can occur if the wearer wears it for a longer period of time. The press release of the Fraunhofer Institute ITWM from May 11, 2020
(https://www.itwm.fraunhofer.de/de/presse-publikationen/presseinformationen/ 2020/2020_05_11_tragedauer-schutzmasken-corona-kirche.html) explains how quickly the filter efficiency decreases with increasing moisture in the material and that with moisture penetration there is a risk of an infection bridge between the person carrying it and the environment.
Feuchtigkeit und Körperwärme begünstigen zudem die Verkeimung auf der Seite des Tragenden und limitieren die Gebrauchsdauer einer Maske, unabhängig von spezifischen Filteraufgaben.Moisture and body heat also promote contamination on the side of the wearer and limit the useful life of a mask, regardless of specific filter tasks.
Besonders relevant für die Schutzwirkung einer Maske ist neben der Filtereffizienz vor allem die Leckage. Bei hohen Filterklassen (FFP2 und höher) sorgen bereits wenige Prozent Leckage zwischen Maske und Gesicht des Trägers dafür, dass der Leckage-Anteil am Atemvolumen die Schutzwirkung der Maske insgesamt determiniert. Leckage ist dabei entweder gewollt (bei OP-Masken als Komfort-Gewinn) oder wird durch die Bauform bestimmt: bei FFP-Filtermasken durch die Formgebung und den durch die Haltebändern erzeugten Anpressdruck. Bei Masken mit gasdichten Maskenkörpern und Vollschutzmasken durch elastische Lippen im Kontaktbereich. Insbesondere bei Masken ohne Ausatemventil kommt es z.B. beim Niesen dazu, dass der Innendruck die Maske abhebt und ein Großteil des Ausatemvolumenstroms an der Maske vorbei entweichen kann.In addition to filter efficiency, leakage is particularly relevant for the protective effect of a mask. With high filter classes (FFP2 and higher), even a few percent of leakage between the mask and the face of the wearer ensures that the proportion of leakage in the respiratory volume determines the overall protective effect of the mask. leakage is either intentionally (in the case of surgical masks as a gain in comfort) or is determined by the design: in the case of FFP filter masks by the shape and the contact pressure generated by the straps. For masks with gas-tight mask bodies and full protective masks through elastic lips in the contact area. Especially in the case of masks without an exhalation valve, for example when sneezing, the internal pressure lifts the mask and a large part of the exhalation volume flow can escape past the mask.
Um diese Nachteile zu kompensieren gibt im Bereich der Vollschutzmasken und teilweise auch im Bereich der Atemschutzmasken vereinzelt Lösungen mit aktiven Lüftern. Nachteilig daran sind die erhöhten Kosten, das Zusatzgewicht einschließlich Energieversorgung und der entstehende Geräuschpegel.In order to compensate for these disadvantages, there are isolated solutions with active fans in the area of full protective masks and in some cases also in the area of respiratory masks. The disadvantages of this are the increased costs, the additional weight including energy supply and the resulting noise level.
Generell bedecken Schutzmasken einen Großteil des Gesichts des Trägers. Dies hat zur Folge, dass vom Gegenüber ein großer Teil der nonverbalen Kommunikation nicht wahrgenommen werden kann. Da die Mimik bleibt verdeckt, ist das Ausdrücken und Lesen von Emotionen erschwert bis unmöglich. Dies macht beispielsweise das Arbeiten für Therapeuten und Logopäden schwierig bis unmöglich. Aus demselben Grund fällt für Menschen mit Hörschäden das Lippenlesen als kommunikationsunterstützende Technik ebenfalls weg. Dasselbe gilt für Kommunikation in Umgebungen mit lauten Nebengeräuschen.In general, protective masks cover a large part of the wearer's face. As a result, a large part of the non-verbal communication cannot be perceived by the other person. Since the facial expressions remain hidden, expressing and reading emotions is difficult or even impossible. This makes working for therapists and speech therapists, for example, difficult or even impossible. For the same reason, people with hearing impairments no longer use lip reading as a communication-supporting technique. The same applies to communication in environments with loud background noise.
Als weiterer Nachteil zeigt sich, dass die Sprachqualität leidet, wenn durch Masken gleich welchen Typs gesprochen wird. Einerseits führt die Reduzierung des Schalldrucks zu verminderter Lautstärke, andererseits führt die Dämpfung über Maskenkörper und Filtermaterial zu Veränderungen im Frequenzgang. Wer durch eine Schutzmaske spricht, wird daher schwerer verstanden. Die Veränderung des Frequenzgangs kann dazu führen, dass moderne Hörgeräte den Sprecher komplett ausblenden.Another disadvantage is that the voice quality suffers when speaking through masks of any type. On the one hand, the reduction of the sound pressure leads to reduced volume, on the other hand, the damping via the mask body and filter material leads to changes in the frequency response. Anyone who speaks through a protective mask is therefore more difficult to understand. The change in frequency response can lead to modern hearing aids completely blocking out the speaker.
Im weiteren wird vor allem auf Masken Bezug genommen, welche sowohl den Träger als auch die Umgebung schützen, so wie sie beispielsweise während einer von einer Atemwegserkrankung ausgelösten Pandemie in hohen Stückzahlen benötigt werden. Eine solche beispielhaft in
- - das Volumen innerhalb der Maske ist im Vergleich zum Volumen eines Atemzugs groß
- - die CO2-Anreicherung in der Atemluft beim Einatmen hat nachteilige Effekte auf Komfort und Leistungsfähigkeit des Trägers und ist bei entsprechenden Risikofaktoren ggf. gesundheitsschädlich
- - die Filterfläche für Einatmung ist klein. Dies führt zu einem hohen Druckverlust und damit zu einem hohen Atemwiederstand bei gleichzeitig großen Strömungsgeschwindigkeiten durch das Filtermaterial
- - Die bei der Ausatmung durchströmte Filterfläche außerhalb des Ausatmungsventils ist noch kleiner als die Einatemfilterfläche. Ein zur Entlastung des Trägers niedriger Ausatemwiederstand lässt sich nur über eine erheblich reduzierte Filterwirkung erreichen, der Schutz für die Umgebung wird schlechter
- - die Innen- und/oder Außenseite der Maske wird bei der Verwendung kontaminiert (z.B. mit Viren), damit ist das Absetzen und wieder Aufsetzen mit Übertragungsrisiken für den Träger verbunden.
- - die Masken ist für den Einmalgebrauch vorgesehen. Selbst ohne Kontamination wird der häufige Austausch der kompletten Maske erforderlich, weil sich in durchfeuchteten Filter Bakterien und Keime vermehren können. Der massenhafte Einsatz solcher Masken zum Bevölkerungsschutz während einer Pandemie erzeugt eine immense Menge an Müll und entsprechenden Entsorgungsaufwänden.
- - Die Maske feuchtet bei längerem Tragen durch und verliert ihre Filtereffizienz. Dieser Effekt ist umso stärker, je kälter die Umgebung ist in der die Maske getragen wird.
- - the volume inside the mask is large compared to the volume of one breath
- - the accumulation of CO2 in the breathing air when inhaled has adverse effects on the comfort and performance of the wearer and may be harmful to health if the risk factors are appropriate
- - the filter surface for inhalation is small. This leads to a high pressure loss and thus to a high breathing resistance with high flow speeds through the filter material at the same time
- - The filter surface outside of the exhalation valve through which air flows during exhalation is even smaller than the inhalation filter surface. A low exhalation resistance to relieve the wearer can only be achieved with a significantly reduced filter effect, the protection for the environment becomes worse
- - the inside and/or outside of the mask becomes contaminated during use (e.g. with viruses), so taking it off and putting it on again is associated with transmission risks for the wearer.
- - the masks are intended for single use. Even without contamination, the entire mask has to be replaced frequently because bacteria and germs can multiply in a damp filter. The massive use of such masks for civil protection during a pandemic generates an immense amount of waste and the corresponding disposal costs.
- - The mask becomes wet when worn for a long time and loses its filter efficiency. This effect is stronger the colder the environment in which the mask is worn.
Aufgabe der Erfindungobject of the invention
Aufgabe der Erfindung ist es,
- • sowohl den Maskenträger als auch seine Umwelt vor Schadstoffen wie Stäuben, Aerosolen, Krankheitserregern etc. zu schützen
- • die zusätzlichen körperlichen Belastungen für den Maskenträger durch erhöhte Ein- und Ausatemwiederstände sowie durch die Menge an rückgeatmeten CO2 zu minimieren
- • den Tragekomfort so weit zu verbessern, so dass der Träger seine Atemschutzmaske auch über einen Zeitraum von mehreren Stunden im Alltagsbetrieb nutzen kann
- • das Durchfeuchten des Einatemfilters effektiv zu verhindern
- • die akustische Sprachqualität beim Tragen von Masken zu verbessern
- • das Lippenlesen auch beim Tragen einer Maske zu ermöglichen
- • die Müllmenge zu reduzieren
- • den Kostenaufwand für die Träger zu reduzieren
- • den Komfort und die Filtereffizienz beim Tragen in kälteren Umgebungen zu verbessern
- • to protect both the mask wearer and their environment from pollutants such as dust, aerosols, pathogens, etc
- • to minimize the additional physical strain on the mask wearer due to increased inhalation and exhalation resistance and the amount of rebreathed CO2
- • to improve the wearing comfort to such an extent that the wearer can also use his respirator mask over a period of several hours in everyday operation
- • to effectively prevent the inhalation filter from becoming wet
- • to improve the acoustic speech quality when wearing masks
- • enable lip reading even when wearing a mask
- • reduce the amount of waste
- • to reduce the costs for the carriers
- • Improve comfort and filter efficiency when worn in colder environments
Lösung der Aufgabesolution of the task
Gegenüber der Stand der Technik hat die Erfindung folgende Vorteile:
- • Durch die ausgeführte Gestaltung des Maskenkörpers und seine Begrenzung durch Ventile in Richtung der Filter wird das beim Einatmen zurückgeatmeten Volumen erheblich verringert. Während Schutzmasken ähnlich
B1ein Rückatemvolumen in der Größenordnung 150 ml aufweisen, kann mit dem beschriebenen Ansatz dieses auf weniger als 55 ml, im besten Fall sogar auf weniger als 40 ml reduziert werden. Die Menge an wieder eingeatmetem CO2 reduziert sich um etwa 64 bis 74 %.EP 1100 592 - • Der Maskenkörper ist aus elastischem, gasundurchlässigem Material aufgebaut. Seine Formgebung weist eine spezielle Dichtlippenkontur auf, welche zum einen das zuvor angesprochene Restvolumen begrenzt und andererseits Leckage verhindert. Die Schutzwirkung der Maske wird damit alleine durch die Filtereffizienz bestimmt.
- • Der Maskenkörper ist weitgehend aus transparentem Material hergestellt. Dies ermöglicht eine gute Belichtung der Mundpartie des Maskenträgers und ermöglicht vorteilhaft das Lippenlesen durch den volltransparenten Bereich vor dem Mund.
- • Der Maskenkörper kann auf einfache weise gereinigt und desinfiziert werden. Vorgesehen ist eine Reinigung durch Seifenlauge oder handelsübliche Flächendesinfektionsmittel auf Alkoholbasis. Der Maskenkörper kann vollständig wiederverwendet und dauerhaft eingesetzt werden.
- • Der Maskenkörper schließt an die Nase an und bedeckt die Mundpartie bis zum Kinn. Die insgesamt abgedeckte Gesichtsfläche ist klein. Der Maskenkörper ist elastisch ausgeführt und kann den Gesichtsbewegungen insbesondere beim Reden folgen.
- • Je ein durch Druckdifferenz betätigtes Ventil trennt den Maskenkörper vom Ein- und vom Ausatemkanal. Dadurch entstehen vollständig voneinander getrennte Strömungswege für das Ein- und Ausatmen. Die Ventile sind so ausgeführt, dass durch ihre Formgebung die Geräuschentwicklung beim Betätigen auf ein Minimum reduziert wird. Die Ventile sind Bestandteil des Maskenkörpers und werden mit diesem zusammen gereinigt und desinfiziert.
- • Der Maskenkörper trägt optional ein Sichtfenster, eine Sprechmembran oder beide Elemente. Dieses Bauteil besteht aus einer vorzugsweise vollständig transparenten, vorgespannten Kunststoffmembran auf einem mit dem Maskenkörper auf einfache Art verbindbaren Rahmen. Die Sprechmembran ist unter akustischen Gesichtspunkten so ausgelegt, dass sie Resonanzfrequenzen wirkungsvoll in einen Frequenzbereich oberhalb 2500 Hz verschiebt und einen Sprachübertragungsindex gem. IEC 60268-16 über 0,6 aufweist
- • Das Beschlagen des Sichtfensters bzw. der Spechmembran wird wirksam vermieden, dadurch dass der Einatemfilter trocken bleibt und es zu keiner Anfeuchtung der Frischluft kommt. Zusätzlich ist durch das geringe Volumen im Maskenkörper der absolute Wasseranteil gering und der Frischluftanteil beim Einatmen hoch, so dass Niederschlag an der Innenseite des Sichtfensters bzw. der Sprechmembran effektiv und schnell abtrocknet.
- • Am Maskenkörper befinden sich die Befestigungen für die Bebänderung der Schutzmaske. Vorzugsweise wird die Maske mit zwei Haltebändern über den Hinterkopf des Trägers befestigt. Diese Bänder sind elastisch und können in der Länge verstellt werden. Die Bänder sind mit einem Verschluss ausgeführt, welcher ein leichtes Öffnen und Schließen ermöglicht, beispielsweise mit einem magnetischen oder einem Druckknopf. Die Bebänderung ist ebenfalls waschbar.
- • Die Schutzmaske ist ausgestattet mit einem oder zwei voneinander getrennten, auswechselbaren Filtern. Damit kann wahlweise eine Konfiguration zum Schutz des Trägers, zum Schutz der Umgebung oder zum Schutz von Träger und Umgebung aufgebaut werden. Die Filter sind durch einen trennbaren Verschluss mit dem Maskenkörper verbunden und können bei Bedarf ausgetauscht werden. Ein- und Ausatemfilter können situationsbedingt unterschiedliche Filtereffizienzen bzw. Filtergrade aufweisen.
- • Die Filter sind seitlich am Kopf des Trägers positioniert und werden durch die Bebänderung gehalten. Das erlaubt zum einen ein uneingeschränktes Sichtfeld für den Träger. Weiter ist es von Vorteil, dass der Gesamtschwerpunkt nach hinten verlagert wird, was die nötige Spannung in den Haltebändern reduziert und den Tragekomfort verbessert. Eine Kollision mit einer Brille oder einem Gesichtsschild kann so wirksam verhindert werden. Die seitliche Position erlaubt die Verwendung von im Verhältnis zu bekannten Maskentypen Filtereinheiten mit großen Wirkflächen. Bei Bedarf kann die Filterfläche durch Falten und Plissieren weiter erhöht werden. Die große Filterfläche führt zu geringen Durchströmungs- bzw. Atemwiederständen und geringen Strömungsgeschwindigkeiten im Filter mit entsprechend positiven Auswirkungen auf die körperliche Belastung des Trägers, den Tragekomfort und die Filtereffizienz.
- • Die Gasvolumen in den Filtern sind durch die eingesetzten Ventile nicht Teil des rückgeatmeten Restvolumens
- • Durch die vollständig getrennten Strömungswege beim Ein- und Ausatmen wird der Einatemfilter zu keinem Zeitpunkt von feuchter Ausatem-Luft durchströmt, eine Durchnässung mit den aufgezeigten Nachteilen für den Träger wird vermieden.
- • Ein und Ausatemfilter können bedarfsgerecht zu unterschiedlichen Zeitpunkten getauscht werden.
- • Der Einatemfilter ist so aufgebaut, dass er durch den beim Einatmen entstehenden Unterdruck leicht komprimiert werden kann. Nur ein Teil des Einatemvolumens wird mit dem Atemzug durch die Filtermembran gezogen. Nach dem Ende des Einatemzugs sorgt die mechanische Struktur des Filters dafür, dass dieser sich in die Ausgangslage und -größe zurückbewegt. Dadurch wird ein Teil des für den nächsten Einatemzugs notwendigen Volumens bereits zum Zeitpunkt des Ausatmens ohne Muskelarbeit des Trägers gefiltert und bereitgestellt.
- • Der Ausatemfilter ist so aufgebaut, dass er durch den beim Ausatmen entstehenden Überdruck leicht vergrößert werden kann (Balloneffekt). Nur ein Teil des Ausatemvolumens wird mit dem Atemzug durch die Filtermembran gedrückt. Nach dem Ende des Ausatemzugs sorgt die mechanische Struktur des Filters dafür, dass dieser sich in die Ausgangslage und -größe zurückbewegt. Dadurch wird ein Teil des Ausatemvolumens noch zum Zeitpunkt des Einatmens ohne Muskelarbeit des Trägers gefiltert und an die Umgebung abgegeben.
- • Die Filtermaterialien haben keinen Hautkontakt mit dem Träger
- • Die Schutzmaske wird durch einen im Ausatemkanal befindlichen Lüfter auch nach dem Ende des Ausatmens weiter aktiv belüftet. Dabei wirkt das Lüfterrad beim Ausatmen als Turbine und treibt ein mechanisch verbundenes Schwungrad an. Dessen gespeicherte Energie treibt für einen Zeitraum nach dem Ausatmen weiterhin das Lüfterrad an, welches nun als aktives Gebläse verbrauchte Atemluft aus dem Maskenkörper in Richtung Ausatemfilter fördert und frische Luft durch den Einatemfilter nachzieht. Damit kann der CO2-Gehalt vor Beginn des Einatmens reduziert werden.
- • Due to the design of the mask body and its limitation by valves in the direction of the filters, the rebreathed volume during inhalation is significantly reduced. While protective masks similar
B1 have a rebreathing volume of the order of 150 ml, this can be reduced to less than 55 ml, in the best case even to less than 40 ml, using the approach described. The amount of rebreathed CO2 is reduced by about 64 to 74%.EP 1100 592 - • The mask body is made of elastic, gas-impermeable material. Its shape has a special sealing lip contour, which on the one hand limits the residual volume mentioned above and on the other hand prevents leakage. The protective effect of the mask is therefore determined solely by the filter efficiency.
- • The mask body is largely made of transparent material. This enables good exposure of the mouth area of the mask wearer and advantageously enables lip reading through the fully transparent area in front of the mouth.
- • The mask body can be easily cleaned and disinfected. Cleaning with soapy water or standard alcohol-based surface disinfectants is planned. The mask body can be completely reused and used permanently.
- • The mask body connects to the nose and covers the mouth area up to the chin. The total facial area covered is small. The mask body is elastic and can follow facial movements, especially when speaking.
- • A valve actuated by the pressure difference separates the mask body from the inhalation and exhalation channels. This creates completely separate flow paths for inhalation and exhalation. The valves are designed in such a way that the noise generated when they are actuated is reduced to a minimum due to their shape. The valves are part of the mask body and are cleaned and disinfected together with it.
- • The mask body optionally carries a viewing window, a speech membrane or both elements. This component consists of a preferably completely transparent, prestressed plastic membrane on a frame that can be easily connected to the mask body. From an acoustic point of view, the speech membrane is designed in such a way that it effectively shifts resonance frequencies to a frequency range above 2500 Hz and has a speech transmission index of over 0.6 in accordance with IEC 60268-16
- • The fogging up of the viewing window or the speech membrane is effectively avoided because the inhalation filter remains dry and the fresh air is not humidified. In addition, due to the small volume in the mask body, the absolute water content is low and the fresh air content when inhaling is high, so that precipitation on the inside of the viewing window or speech membrane dries effectively and quickly.
- • The fastenings for the straps of the protective mask are located on the mask body. The mask is preferably fastened with two straps over the back of the wearer's head. These straps are elastic and can be adjusted in length. The straps are designed with a closure that allows easy opening and closing, for example with a magnetic or snap button. The harness is also washable.
- • The protective mask is equipped with one or two separate, replaceable filters. This allows a configuration to be set up to protect the wearer, to protect the environment, or to protect the wearer and the environment. The filters are connected to the mask body by a separable fastener and can be replaced if necessary. Inhalation and exhalation filters can have different filter efficiencies or filter grades depending on the situation.
- • The filters are positioned on the side of the wearer's head and are held in place by the harness. On the one hand, this allows an unrestricted field of vision for the wearer. It is also an advantage that the overall center of gravity is shifted backwards, which reduces the necessary tension in the straps and improves wearing comfort. A collision with glasses or a face shield can thus be effectively prevented. The lateral position allows the use of in relation to well-known mask types filter units with large effective areas. If necessary, the filter surface can be further increased by folding and pleating. The large filter surface leads to low flow and breathing resistance and low flow velocities in the filter with correspondingly positive effects on the physical strain on the wearer, the wearing comfort and the filter efficiency.
- • The gas volumes in the filters are not part of the rebreathed residual volume due to the valves used
- • Due to the completely separate flow paths during inhalation and exhalation, the inhalation filter is never flowed through by moist exhaled air, soaking with the disadvantages for the wearer shown is avoided.
- • Inhalation and exhalation filters can be exchanged at different times as required.
- • The inhalation filter is constructed in such a way that it can be slightly compressed by the negative pressure that occurs when you inhale. Only part of the inhaled volume is drawn through the filter membrane with the breath. After the end of the inhalation, the mechanical structure of the filter ensures that it returns to its original position and size. As a result, part of the volume required for the next inhalation is already filtered and made available at the time of exhalation without any muscle work on the part of the wearer.
- • The exhalation filter is constructed in such a way that it can be slightly enlarged by the excess pressure that occurs when exhaling (balloon effect). Only part of the exhaled volume is pushed through the filter membrane with the breath. After the end of the exhalation, the mechanical structure of the filter ensures that it returns to its original position and size. As a result, part of the exhaled volume is filtered and released into the environment at the time of inhalation without the wearer having to do any muscle work.
- • The filter materials have no skin contact with the wearer
- • The protective mask continues to be actively ventilated by a fan located in the exhalation channel even after exhalation has ended. The fan wheel acts as a turbine when you exhale and drives a mechanically connected flywheel. Its stored energy continues to drive the fan wheel for a period of time after exhalation, which now acts as an active blower and pumps used breathing air out of the mask body in the direction of the exhalation filter and draws fresh air through the inhalation filter. This allows the CO2 content to be reduced before inhalation begins.
Beschreibung von AusführungsbeispielenDescription of exemplary embodiments
In
Wenn der Träger einatmet entsteht in dem Volumen 113 ein Unterdruck, die Druckdifferenz zur Umgebung schließt das Ausatemventil 104 und öffnet das Einatemventil 103. Luft wird aus dem Volumen 107 in das Volumen 113 gezogen und strömt durch den Filter 111 nach.When the wearer inhales, a negative pressure is created in the
Wenn der Träger ausatmet entsteht Überdruck in dem Volumen 113, das Einatmungsventil 103 bleibt geschlossen, das Ausatmungsventil 104 öffnet und Luft strömt durch den Volumen 108 und weiter durch den Filter 112.When the wearer exhales, overpressure is created in
Insbesondere bei ausschließlicher Verwendung eines Einatemfilters oder eines Ausatemfilters ist es notwendig, den Schließvorgang der Ventile selbsttätig auszuführen. Dies kann beispielsweise durch Federkraft oder Elastizität des Bauteils erreicht werden.In particular, if only an inhalation filter or an exhalation filter is used, it is necessary for the valves to close automatically. This can be achieved, for example, by the spring force or elasticity of the component.
Der Filter 111 befindet sich räumlich von dem Filter 112 entfernt. Somit ist sichergestellt, dass keine ausgeatmete Luft von außerhalb der Schutzmaske wieder eingeatmet wird.
Aerosole und Krankheitserreger, welche der Träger mit ausatmet werden von dem Filter 112 aufgefangen und gelangen damit nicht in die Umgebung des Trägers. Aerosole und Schadstoffe aus der Umgebung werden von dem Filter 111 aufgefangen und gelangen nicht in die Atemwege des Trägers.Aerosols and pathogens that the wearer breathes out are caught by the
Die Schale 101 des Maskenkörpers ist bevorzugt aus einem elastischen, transparenten und gasdichten Material ausgeführt, beispielsweise aus einem hautverträglichen Silikonwerkstoff. Zur optischen Gestaltung der Maske kann die Schale ganz oder teilweise eingefärbt werden. Das Sichtfenster 102 bzw. in einer funktional erweiterten Bauform die Sprechmembran 102 ist bevorzugt aus einem klaren, volltransparenten Werkstoff, beispielsweise aus einer PEEK, PET- oder PTFE-Folie hergestellt. Optional kann dieses Sichtfenster bzw. die Sprechmembran durch eine Antifog-Beschichtung ergänzt werden.The
In
In
Bei Ausatmung ist der Speicher 110 im drucklosen Zustand klein. Steifigkeit und Elastizität des Aufbaus sind so angepasst, dass sich beim Ausatmen die Wände schon bei geringem Überdruck erweitern. Ist der Ausatemzug abgeschlossen schießt das Ventil 104, der elastische Aufbau zieht sich zusammen und reduziert das Volumen, wodurch unabhängig vom Träger verbrauchte Luft durch den Filter 112 an die Umgebung abgegeben wird. Dadurch werden sowohl der Ausatemwiederstand verringert, was den Tragekomfort erhöht, als auch die Strömungsgeschwindigkeit durch den Filter reduziert und somit die Filterwirksamkeit erhöht.When exhaling, the
In
In
Die bevorzugte Ausführung 162 kann mittels Haltebändern 114 sowohl hinter dem Kopf und Nacken als auch alternativ hinter den Ohren gut kombiniert werden. Selbst mit einer begrenzten Außenfläche kann durch Plissieren des Filtermaterials innerhalb des gezeigten Volumens 162 eine ausreichend große Wirkfläche des Filters, bevorzugt 250 cm2, noch bevorzugter 500 cm2, erreicht werden. Die Volumenänderung des Filters wird, abhängig vom verwendeten Vliesstoff bzw. Filtermaterial, durch geeignete Auslegung der Plissierung und/oder eine zusätzliche Federfunktion erreicht.The
BezugszeichenlisteReference List
- 101101
- Maskenkörper, nicht luftdurchlässigMask body, not permeable to air
- 102102
- Sichtfenster, SprechmembranViewing window, speech membrane
- 103103
- Einatemventilinhalation valve
- 104104
- Ausatemventilexhalation valve
- 105,106105,106
- Kanalchannel
- 107, 108107, 108
- Volumen zwischen Ventil und FilterVolume between valve and filter
- 109109
- Speichervolumen Einatmung, drucklos großStorage volume inhalation, unpressurized large
- 110110
- Speichervolumen Ausatmung, drucklos kleinStorage volume exhalation, pressureless small
- 111, 112111, 112
- Wechselbare FilterChangeable filters
- 113113
- Volumen begrenzt durch Gesicht, Maskenkörper und VentileVolume limited by face, skirt and valves
- 114114
- Haltebänderretaining straps
- 115115
- Hauptrichtung, AusströmöffnungMain direction, outflow opening
- 116116
- Hauptrichtung, EinströmöffnungMain direction, inflow opening
- 117117
- Winkel zwischen HauptrichtungenAngles between principal directions
- 118118
- Mindestabstand zwischen Einström- und AusströmöffnungMinimum distance between inflow and outflow opening
- 120120
- Maskenkörper aus FiltermaterialMask body made of filter material
- 121121
- Volumen ausgeatmeter Luft, welches nahe der Maske verbleibt und beim nächsten Einatmen wieder durch den Filter zurück in die Maske gesogen wirdVolume of exhaled air that remains near the mask and is drawn back through the filter back into the mask on the next inhalation
- 122122
- Fiktive Grenze zwischen ausgeatmeter Luft und UmgebungsluftFictitious boundary between exhaled air and ambient air
- 123123
- Volumen begrenzt durch Maskenkörper und GesichtVolume limited by mask body and face
- 124, 125124, 125
- Trennstelle von Maske und FilterelementSeparation point of mask and filter element
- 130130
- Gesamtvolumen Ausatmungtotal exhalation volume
- 131131
- Volumenanteil, der beim Ausatmen innerhalb des durch Ventile begrenzten Maskenvolumens vor Mund und Nase des Trägers verbleibtPercentage of volume that remains in front of the wearer's mouth and nose when exhaling within the mask volume limited by valves
- 132132
- Volumenanteil, der nach dem Ausatmen nicht wieder eingeatmet wirdVolume fraction that is not inhaled again after exhalation
- 134134
- Gesamtvolumen Einatmungtotal volume inhaled
- 135135
- Volumenanteil verbleibender, ausgeatmeter Luft, die vor dem Einatmen innerhalb des durch Ventile begrenzten Maskenvolumens vor Mund/Nase des Trägers verbleibtVolume fraction of remaining, exhaled air that remains before inhalation within the mask volume limited by valves in front of the wearer's mouth/nose
- 136136
- Volumenanteil an Frischluft, der durch das Ventil eingeatmet wirdVolume fraction of fresh air that is inhaled through the valve
- 140140
- Gesamtvolumen Ausatmungtotal exhalation volume
- 141141
- Volumenanteil, der beim Ausatmen innerhalb der Maske verbleibtPercentage of volume that remains inside the mask during exhalation
- 142142
- Volumen ausgeatmeter Luft, welche beim nächsten Einatmen wieder durch den Filter zurück in die Maske gesogen wirdVolume of exhaled air that is drawn back through the filter and back into the mask the next time you breathe in
- 143143
- Volumenanteil, der nach dem Ausatmen nicht wieder eingeatmet wirdVolume fraction that is not inhaled again after exhalation
- 144144
- Gesamtvolumen Einatmungtotal volume inhaled
- 145145
- Volumenanteil verbleibender, ausgeatmeter Luft, die nach dem Ausatmen innerhalb des Filters verbleibtVolume fraction of residual exhaled air that remains inside the filter after exhalation
- 146146
- Volumenanteil außerhalb des Filters, der wieder zurückgeatmet wirdPercentage of volume outside the filter that is rebreathed
- 147147
- Volumenanteil Frischluft, die eingeatmet wirdVolume fraction of fresh air that is inhaled
- 151151
- Schwerkraftrichtungdirection of gravity
- 152152
- Lage des Ventils (Ausatmungsseite)Location of the valve (exhalation side)
- 153153
- Lage des Ventils (Einatmungsseite)Location of the valve (inhalation side)
- 154154
- Drainage-Winkel Strömungskanal (Ausatmungsseite)Drainage Angle Flow Channel (Exhalation Side)
- 155155
- Drainage-Winkel Strömungskanal (Einatmungsseite)Drainage Angle Flow Channel (Inhalation Side)
- 156156
- Winkel zur Dichtlippe im MaskenkörperbereichAngle to the sealing lip in the mask body area
- 157157
- Winkel zur Dichtlippe im unteren MaskenkörperbereichAngle to the sealing lip in the lower mask body area
- 158158
- Horizontalehorizontal
- 159159
- Dichtlippesealing lip
- 162162
- Angestrebter Einbauraum für FiltereinheitenDesired installation space for filter units
- 170170
- Innere MaskenkörperInner skirt
- 171171
- Innere DichtlippeInner sealing lip
- 172172
- Volumen mit minimiertem LuftaustauschVolume with minimized air exchange
- 180180
- ZungeTongue
- 181181
- Konventioneller VentilsitzConventional valve seat
- 182182
- Gewellter DichtkanteWavy sealing edge
- 183183
- Sperrrichtungblocking direction
- 184184
- Lüfterradfan wheel
- 185185
- Schwungmasseflywheel
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
- DE 69921660 T2 [0005]DE 69921660 T2 [0005]
- EP 1100592 [0018, 0020]EP 1100592 [0018, 0020]
Claims (36)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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|---|---|---|---|---|
| EP1100592A1 (en) | 1998-07-24 | 2001-05-23 | Minnesota Mining And Manufacturing Company | Face mask that has a filtered exhalation valve |
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