带制冷与空气过滤功能的医用头盔设计研究*

沈帅博，伍世华，李婷婷，徐佳明，张家炜，林小闹

（广东海洋大学机械与动力工程学院，广东 湛江 524088）

2020年发生的新冠病毒疫情在全世界传播，救治病患的前线医护人员处在最危险的第一线，医用防护设备对医护人员的保护显得尤其重要。医护人员所携带的普通医护面罩防疫性能一般，且携带过久会导致面部升温，使人的舒适度下降。医护人员长时间佩戴面罩时，脸部会被勒伤，或被汗液灼伤，并留下伤痕。头盔内如果有适宜温度的冷空气对头盔内部进行降温，将大大提高人体舒适度，更适合长时间使用。进入头盔的空气经过过滤器过滤，去除病毒及微粒，这样设计的头盔能更好地保护医护人员。

文献《基于太阳能供电半导体制冷的新型头盔设计》提出了半导体制冷的头盔的设计，但没有考虑空气的过滤措施，在面对病毒传播时，存在防护能力不足的问题。笔者试图将半导体制冷头盔和空气过滤系统结合起来，提出来新型头盔的设计。有制冷与空气过滤功能的医用头盔的结构设计，应满足人体工学的需要，并在防疫头盔上设计风扇，引流空气进入头盔，经过空气过滤器过滤，去除病毒及微粒，满足卫生要求，同时，空气经过半导体制冷片表面，受到冷却，形成较好的舒适的微环境。

1 医用头盔结构设计

1.1 结构设计构思

头盔的结构设计，应满足人体工学的需要，结构设计需要确定防护头盔的外形和各部件的布置，头盔的外形应该美观、不妨碍使用者的使用、方便脱带；各部件的布置应该做到合理，要注意控制空间的使用和质量。考虑本医用头盔需要在内部营造一个正压的呼吸环境和佩戴者呼气的位置，头盔送风的方式确定为上部进风下部排风，根据头盔的外形，由送风方式考虑各部件的布置。

1.2 头盔的外观及内部设计

基于以上构思，医用头盔的外形设计三视图如图1所示，头盔的内部结构设计如图2 所示。

图1 防护头盔的三视图

图2 防护头盔各部件布置图

从图1、图2 中可以看出，头盔由构架、半导体制冷装置、电池、控制器等部件组成。头盔顶部是半导体制冷装置，冷端直接在头盔内部制冷，热端上增加散热片。头盔主体采用高强度工程塑料，电池放置于头盔上部保证电量供应。空气因为风扇的引流作用，经过进风处，通过一个过滤装置，经过过滤器过滤后进入头盔，风道出口有半导体制冷器，空气与半导体表面接触，空气温度降到适合的温度同时制冷表面起到散流的作用，将干净凉爽的空气送入头盔内。风机让头盔内部保持正压，这样既能保证未处理的空气不能进入头盔，也能及时排走人呼吸产生的污染物、湿气和热量，保证了头盔的防护性能也保证了头盔里面的洁净。合理运用了头盔内外表面的夹层，夹层用于安装风机电池仓、通风风道、风机等，节省了空间。加装玻璃眼罩与头盔形成一个整体，不用额外佩戴护目镜，减少了佩戴者脸上脆弱皮肤的负担，避免了勒伤的可能。滤纸是可换的而制冷片也设计成可拆卸的设计，在结束使用的时候可以对头盔进行清洗消毒，便于维护同时也可实现循环使用的目的。

2 医用头盔风量的确定

医用头盔风量应满足人体呼吸量的需求。人体呼吸量是指人单位时间内呼入空气的体积，呼吸量包括短期呼吸量和长期呼吸量。影响呼吸量的因素有很多，包括年龄、性别、生活地域以及人体的活动强度等多种因素，都会影响到人体呼吸量[1]。

已知测试者体重和身高，依据人的身体能量代谢的计算方法，可以计算出人的短期和长期呼吸量。 人体能量代谢估算取决于各类活动单位时间内或各类人每天的能量消耗和耗氧量，其中人在需要氧气的同时所消耗的能量也参与其中，氧气在人的身体内发生生化反应，因此可以根据能耗的多少来计算耗氧量，再根据空气中氧气的浓度，计算出所需吸入的空气量[2]。人体呼吸量计算方法为[3]：

式（1）中：IR为人的呼吸量，L/min；E为每种类型活动强度下或每天消耗能量的单位时间所消耗的能量，kJ/d；H为消耗单位能量所消耗的氧气量，通常为0.05 L/kJ；VQ为通气的当量，即每分钟通气量与每分钟所吸氧气量的比，通常为27。

E的计算公式为：

式（2）中：BMR为基础的代谢率，基础的代谢是维持机体生命活动最基本的能量消耗，它的大小相当于人平躺休息时的活动强度水平，kJ/d，MJ/d；N为各类活动强度下的所消耗的能量，是基础代谢率的倍数，为无量纲，N随着活动强度的变化而变化。

在刘平等所著的《我国成人呼吸量研究》报告中，运用了SAS9.3 软件，采用统计学对调查结果进行分析，采用非参数检验的方法确定不同组别暴露参数检验水平α=0.05，其中，从中国居民的长期呼吸量结果得出，平均长期呼吸量为15.7 m3/d。

综合以上，为了保证人体的呼吸量，确定本头盔的设计进风量为18 m3/d。

3 医用头盔制冷设计

3.1 医用头盔制冷原理

半导体制冷又称电子制冷，或者温差电制冷，是从20 世纪50年代发展起来的一门介于制冷技术和半导体技术边缘的学科，它利用特种半导体材料构成的P-N 结，形成热电偶对，产生珀尔帖效应，即通过直流电制冷的一种新型制冷方法[4-5]。半导体制冷原理如图3 所示。半导体制冷片是一个热传递的工具。当一块N 型半导体材料和一块P 型半导体材料联结成的热电偶对中有电流通过时，两端之间就会产生热量转移，热量就会从一端转移到另一端，从而产生温差形成冷热端。半导体制冷器具有无噪声、无振动、不需制冷剂、体积小、质量轻等特点，且工作可靠、操作简便，易于进行冷量调节。但它的制冷系数较小，电耗量相对较大，因此它主要被用于耗冷量小和占地空间小的场合[6-7]。

图3 半导体制冷原理图

根据这种制冷原理，将热电堆放置在合适的位置，便能够方便地制造冷量。医用头盔的空间狭小，对比不同的制冷方式，此带制冷与空气过滤功能的医用头盔利用半导体的热-电效应制冷是较为适合的一种方式。

3.2 医用头盔制冷量计算

上述人的呼吸量为Q=18 m3/d，取保证人体呼吸考虑1.1～1.2 的安全系数，则通风量为：Qv=1.2Q=1.2×18=21.6 m3/d=0.9 m3/h=0.015 m3/min。

医用头盔空气处理过程焓湿图如图4 所示。根据室外空气的设计参数，确定室外状态点W（相对湿度，干球温度），并根据降温温度和保持含湿量的前提下，确定头盔内部状态点E。同时注意降温效果不能超过相对湿度90%，防止出现冷凝水。室外状态点由于半导体的制冷，使空气等湿降温。

图4 医用头盔空气处理焓湿图

半导体的制冷量为：

式（3）中：Q为防护头盔的制冷量，kW；G为防护头盔的通风量，kg/s；hW为防护头盔外部的状态点焓值，kJ/kg；hE为防护头盔内部的设计状态点焓值，kJ/kg。

以广东地区为例，该地区夏季室外状态点W的干球温度为33 ℃，相对湿度为60%，而空调温度和室外相差为5 ℃时人体舒适性较好，选择头盔内部状态点E干球温度28 ℃，含湿量不变，为19.2 g/kg，则半导体制冷量Q=G（hW－hE）=0.03×1.293÷60（82.4－77.3）=0.0033 kW=3.3 W。

4 医用头盔的空气过滤系统设计

4.1 过滤材料的选择

过滤材料选用的N95，能过滤95%微细颗粒，由5 层口罩多用聚丙烯无纺布制成。医疗用口罩一般都是多层结构，采用聚丙烯材料。从口罩用料上来看，最佳选择无疑为聚丙烯高熔指无纺布专用料，达到卫材聚丙烯无纺布标准的聚丙烯产品，其生产生产熔体质量流动速率，一般在33～41 g/min。

4.2 空气过滤穿透率与过滤效率

目前对口罩的检测标准普遍采用以美国和欧盟为主的标准，参考的粒径范围为0.1～0.3 μm 的颗粒，作为最容易穿透口罩的粒径。中国主要参照美标，采用相同的粒子径度。0.1～0.3 μm 的粒径范围适用于采用机械过滤的传统的无纺布材料的口罩。而最新的采用静电吸附过滤机制的驻极体纤维作为滤材，其过滤效率得到很大的提高，同时，MPPS（最易渗透粒径）也发生了变化。目前，驻极体纤维口罩在市场上应用很广泛，过滤性能测试的粒径（0.1～0.3 μm）也大于其最容易穿透的粒径（0.04～0.1 μm），这样，容易造成对口罩过滤材料性能的错误估计。

颗粒物的穿透率和过滤效率计算公式为[8]：

式（4）中：Pd为某一粒径值颗粒物的穿透率；Ci为某一粒径颗粒物在口罩内部的数量浓度，个/m3；Co为单一粒径颗粒物在口罩外部的数量浓度，个/m3。

颗粒物过滤效率为：

与不同粒径的颗粒渗透率相似，无论是连续流量还是循环流量，总粒径范围的总渗透率也随着流量的增加而增加，循环流的颗粒渗透率流量明显高于连续流量。颗粒的渗透率越高，过滤效率越低。随着流量的增加，过滤效果会变弱，但一般都能保证过滤效率在95%以上[7]。

人咳嗽一次一般发菌量为70～700 个/（min·人），取平均值355 个/（min·人），设计头盔的过滤材料按过滤效率为95%计算，假设1 min 内1 个病毒穿透过滤器时，由式（4）和（5），可知吸气含菌浓度应为：Ci=24×60÷18÷（1－95%）=1600 个/m3。

以平均355 个/（min·人）的发菌量，散发在空气中，几乎无法达到1600 个/m3，因此，所选过滤材料能满足医用防护的要求，达到空气过滤功能的医用头盔设计目标。

5 结语

笔者将制冷半导体应用在头盔上，实现了头盔的制冷功能，提高人体的舒适性，同时在头盔内增加空气过滤器，对进入头盔的空气进行过滤，在疫情之下实现更高的安全防护效果。所设计带制冷与空气过滤功能的医用头盔可以使用在室外高温环境及空气浑浊的环境下，能够为医护人员提供舒适的呼吸环境，头盔采用半导体制冷的原理实现制冷，结构简便，质量更轻，佩戴更舒适。