帶制冷與空氣過濾功能的醫用頭盔設計研究*

沈帥博，伍世華，李婷婷，徐佳明，張家煒，林小鬧

（廣東海洋大學機械與動力工程學院，廣東 湛江 524088）

2020年發生的新冠病毒疫情在全世界傳播，救治病患的前線醫護人員處在最危險的第一線，醫用防護設備對醫護人員的保護顯得尤其重要。醫護人員所攜帶的普通醫護面罩防疫性能一般，且攜帶過久會導致面部升溫，使人的舒適度下降。醫護人員長時間佩戴面罩時，臉部會被勒傷，或被汗液灼傷，并留下傷痕。頭盔內如果有適宜溫度的冷空氣對頭盔內部進行降溫，將大大提高人體舒適度，更適合長時間使用。進入頭盔的空氣經過過濾器過濾，去除病毒及微粒，這樣設計的頭盔能更好地保護醫護人員。

文獻《基于太陽能供電半導體制冷的新型頭盔設計》提出了半導體制冷的頭盔的設計，但沒有考慮空氣的過濾措施，在面對病毒傳播時，存在防護能力不足的問題。筆者試圖將半導體制冷頭盔和空氣過濾系統結合起來，提出來新型頭盔的設計。有制冷與空氣過濾功能的醫用頭盔的結構設計，應滿足人體工學的需要，并在防疫頭盔上設計風扇，引流空氣進入頭盔，經過空氣過濾器過濾，去除病毒及微粒，滿足衛生要求，同時，空氣經過半導體制冷片表面，受到冷卻，形成較好的舒適的微環境。

1 醫用頭盔結構設計

1.1 結構設計構思

頭盔的結構設計，應滿足人體工學的需要，結構設計需要確定防護頭盔的外形和各部件的布置，頭盔的外形應該美觀、不妨礙使用者的使用、方便脫帶；各部件的布置應該做到合理，要注意控制空間的使用和質量。考慮本醫用頭盔需要在內部營造一個正壓的呼吸環境和佩戴者呼氣的位置，頭盔送風的方式確定為上部進風下部排風，根據頭盔的外形，由送風方式考慮各部件的布置。

1.2 頭盔的外觀及內部設計

基于以上構思，醫用頭盔的外形設計三視圖如圖1所示，頭盔的內部結構設計如圖2 所示。

圖1 防護頭盔的三視圖

圖2 防護頭盔各部件布置圖

從圖1、圖2 中可以看出，頭盔由構架、半導體制冷裝置、電池、控制器等部件組成。頭盔頂部是半導體制冷裝置，冷端直接在頭盔內部制冷，熱端上增加散熱片。頭盔主體采用高強度工程塑料，電池放置于頭盔上部保證電量供應。空氣因為風扇的引流作用，經過進風處，通過一個過濾裝置，經過過濾器過濾后進入頭盔，風道出口有半導體制冷器，空氣與半導體表面接觸，空氣溫度降到適合的溫度同時制冷表面起到散流的作用，將干凈涼爽的空氣送入頭盔內。風機讓頭盔內部保持正壓，這樣既能保證未處理的空氣不能進入頭盔，也能及時排走人呼吸產生的污染物、濕氣和熱量，保證了頭盔的防護性能也保證了頭盔里面的潔凈。合理運用了頭盔內外表面的夾層，夾層用于安裝風機電池倉、通風風道、風機等，節省了空間。加裝玻璃眼罩與頭盔形成一個整體，不用額外佩戴護目鏡，減少了佩戴者臉上脆弱皮膚的負擔，避免了勒傷的可能。濾紙是可換的而制冷片也設計成可拆卸的設計，在結束使用的時候可以對頭盔進行清洗消毒，便于維護同時也可實現循環使用的目的。

2 醫用頭盔風量的確定

醫用頭盔風量應滿足人體呼吸量的需求。人體呼吸量是指人單位時間內呼入空氣的體積，呼吸量包括短期呼吸量和長期呼吸量。影響呼吸量的因素有很多，包括年齡、性別、生活地域以及人體的活動強度等多種因素，都會影響到人體呼吸量[1]。

已知測試者體重和身高，依據人的身體能量代謝的計算方法，可以計算出人的短期和長期呼吸量。 人體能量代謝估算取決于各類活動單位時間內或各類人每天的能量消耗和耗氧量，其中人在需要氧氣的同時所消耗的能量也參與其中，氧氣在人的身體內發生生化反應，因此可以根據能耗的多少來計算耗氧量，再根據空氣中氧氣的濃度，計算出所需吸入的空氣量[2]。人體呼吸量計算方法為[3]：

式（1）中：IR為人的呼吸量，L/min；E為每種類型活動強度下或每天消耗能量的單位時間所消耗的能量，kJ/d；H為消耗單位能量所消耗的氧氣量，通常為0.05 L/kJ；VQ為通氣的當量，即每分鐘通氣量與每分鐘所吸氧氣量的比，通常為27。

E的計算公式為：

式（2）中：BMR為基礎的代謝率，基礎的代謝是維持機體生命活動最基本的能量消耗，它的大小相當于人平躺休息時的活動強度水平，kJ/d，MJ/d；N為各類活動強度下的所消耗的能量，是基礎代謝率的倍數，為無量綱，N隨著活動強度的變化而變化。

在劉平等所著的《我國成人呼吸量研究》報告中，運用了SAS9.3 軟件，采用統計學對調查結果進行分析，采用非參數檢驗的方法確定不同組別暴露參數檢驗水平α=0.05，其中，從中國居民的長期呼吸量結果得出，平均長期呼吸量為15.7 m3/d。

綜合以上，為了保證人體的呼吸量，確定本頭盔的設計進風量為18 m3/d。

3 醫用頭盔制冷設計

3.1 醫用頭盔制冷原理

半導體制冷又稱電子制冷，或者溫差電制冷，是從20 世紀50年代發展起來的一門介于制冷技術和半導體技術邊緣的學科，它利用特種半導體材料構成的P-N 結，形成熱電偶對，產生珀爾帖效應，即通過直流電制冷的一種新型制冷方法[4-5]。半導體制冷原理如圖3 所示。半導體制冷片是一個熱傳遞的工具。當一塊N 型半導體材料和一塊P 型半導體材料聯結成的熱電偶對中有電流通過時，兩端之間就會產生熱量轉移，熱量就會從一端轉移到另一端，從而產生溫差形成冷熱端。半導體制冷器具有無噪聲、無振動、不需制冷劑、體積小、質量輕等特點，且工作可靠、操作簡便，易于進行冷量調節。但它的制冷系數較小，電耗量相對較大，因此它主要被用于耗冷量小和占地空間小的場合[6-7]。

圖3 半導體制冷原理圖

根據這種制冷原理，將熱電堆放置在合適的位置，便能夠方便地制造冷量。醫用頭盔的空間狹小，對比不同的制冷方式，此帶制冷與空氣過濾功能的醫用頭盔利用半導體的熱-電效應制冷是較為適合的一種方式。

3.2 醫用頭盔制冷量計算

上述人的呼吸量為Q=18 m3/d，取保證人體呼吸考慮1.1～1.2 的安全系數，則通風量為：Qv=1.2Q=1.2×18=21.6 m3/d=0.9 m3/h=0.015 m3/min。

醫用頭盔空氣處理過程焓濕圖如圖4 所示。根據室外空氣的設計參數，確定室外狀態點W（相對濕度，干球溫度），并根據降溫溫度和保持含濕量的前提下，確定頭盔內部狀態點E。同時注意降溫效果不能超過相對濕度90%，防止出現冷凝水。室外狀態點由于半導體的制冷，使空氣等濕降溫。

圖4 醫用頭盔空氣處理焓濕圖

半導體的制冷量為：

式（3）中：Q為防護頭盔的制冷量，kW；G為防護頭盔的通風量，kg/s；hW為防護頭盔外部的狀態點焓值，kJ/kg；hE為防護頭盔內部的設計狀態點焓值，kJ/kg。

以廣東地區為例，該地區夏季室外狀態點W的干球溫度為33 ℃，相對濕度為60%，而空調溫度和室外相差為5 ℃時人體舒適性較好，選擇頭盔內部狀態點E干球溫度28 ℃，含濕量不變，為19.2 g/kg，則半導體制冷量Q=G（hW－hE）=0.03×1.293÷60（82.4－77.3）=0.0033 kW=3.3 W。

4 醫用頭盔的空氣過濾系統設計

4.1 過濾材料的選擇

過濾材料選用的N95，能過濾95%微細顆粒，由5 層口罩多用聚丙烯無紡布制成。醫療用口罩一般都是多層結構，采用聚丙烯材料。從口罩用料上來看，最佳選擇無疑為聚丙烯高熔指無紡布專用料，達到衛材聚丙烯無紡布標準的聚丙烯產品，其生產生產熔體質量流動速率，一般在33～41 g/min。

4.2 空氣過濾穿透率與過濾效率

目前對口罩的檢測標準普遍采用以美國和歐盟為主的標準，參考的粒徑范圍為0.1～0.3 μm 的顆粒，作為最容易穿透口罩的粒徑。中國主要參照美標，采用相同的粒子徑度。0.1～0.3 μm 的粒徑范圍適用于采用機械過濾的傳統的無紡布材料的口罩。而最新的采用靜電吸附過濾機制的駐極體纖維作為濾材，其過濾效率得到很大的提高，同時，MPPS（最易滲透粒徑）也發生了變化。目前，駐極體纖維口罩在市場上應用很廣泛，過濾性能測試的粒徑（0.1～0.3 μm）也大于其最容易穿透的粒徑（0.04～0.1 μm），這樣，容易造成對口罩過濾材料性能的錯誤估計。

顆粒物的穿透率和過濾效率計算公式為[8]：

式（4）中：Pd為某一粒徑值顆粒物的穿透率；Ci為某一粒徑顆粒物在口罩內部的數量濃度，個/m3；Co為單一粒徑顆粒物在口罩外部的數量濃度，個/m3。

顆粒物過濾效率為：

與不同粒徑的顆粒滲透率相似，無論是連續流量還是循環流量，總粒徑范圍的總滲透率也隨著流量的增加而增加，循環流的顆粒滲透率流量明顯高于連續流量。顆粒的滲透率越高，過濾效率越低。隨著流量的增加，過濾效果會變弱，但一般都能保證過濾效率在95%以上[7]。

人咳嗽一次一般發菌量為70～700 個/（min·人），取平均值355 個/（min·人），設計頭盔的過濾材料按過濾效率為95%計算，假設1 min 內1 個病毒穿透過濾器時，由式（4）和（5），可知吸氣含菌濃度應為：Ci=24×60÷18÷（1－95%）=1600 個/m3。

以平均355 個/（min·人）的發菌量，散發在空氣中，幾乎無法達到1600 個/m3，因此，所選過濾材料能滿足醫用防護的要求，達到空氣過濾功能的醫用頭盔設計目標。

5 結語

筆者將制冷半導體應用在頭盔上，實現了頭盔的制冷功能，提高人體的舒適性，同時在頭盔內增加空氣過濾器，對進入頭盔的空氣進行過濾，在疫情之下實現更高的安全防護效果。所設計帶制冷與空氣過濾功能的醫用頭盔可以使用在室外高溫環境及空氣渾濁的環境下，能夠為醫護人員提供舒適的呼吸環境，頭盔采用半導體制冷的原理實現制冷，結構簡便，質量更輕，佩戴更舒適。