用于个体呼吸防护的射流空气幕

相关申请的交叉引用

本申请是PCT国际申请，并且本申请要求于2021年10月25日提交的第17/509,741号美国专利申请的优先权，还要求于2020年10月26日提交的第63/105,499号的美国临时申请的权益。上述申请的全部公开内容通过引用并入本文中。

技术领域

本公开涉及一种用于个人呼吸防护的射流空气幕(jet air curtain)，更特别地涉及一种用于个人呼吸防护的射流空气幕可穿戴面罩(visor)。

背景技术和发明内容

本部分提供与本公开有关的背景信息，这些背景信息不一定是现有技术。本部分提供了本公开的总体概述，而不是本公开的全部范围或所有特征的全面公开。根据本文提供的描述，更多的应用领域将变得显而易见。

空气中的生物污染物(诸如细菌、孢子和病毒)被统称为传染性气溶胶(infectious aerosol，IA)。IA有两个明确的特性：气溶胶传输和气溶胶传染性。IA可以在从生物恐怖主义到医疗保健再到农业的一系列背景下构成威胁。

高效颗粒捕集(High-Efficiency Particle Arresting，HEPA)过滤是一种非常成熟、广泛使用的呼吸防护手段(例如，呼吸口罩)。然而，由于仅根据过滤原理来运行，HEPA过滤器只能通过阻碍IA传输来提供防护。依赖于阻碍IA传输的呼吸防护会导致不期望的设计和运行参数，诸如低渗透性、高压差和受限的空气流速，以及需要永久更换过滤器和维持气密密封件的完整性。这些参数在建筑物或车辆通风系统的背景下并非不可克服。然而，为了保护个体，适应这些参数变得更加困难。例如，基于过滤的呼吸防护(例如，N95口罩)会对气流造成严重阻碍，导致呼吸受限。基于过滤器的呼吸防护需要定制适配的口罩，以在个体呼吸区域周围建立初始的气密密封。面部毛发和极端的面部运动、渗出的汗液和皮肤油脂、以及面部结构的突然变化(例如，血肿、极端的面部表情)都会损害这种密封。由于过滤器吸收了空气中的水分，因此呼吸阻力和口罩重量都随着使用而增加。最后，当穿戴基于过滤器的呼吸防护装置时，不能从事需要身体或视觉触及到鼻子和嘴巴的活动(例如，吃饭、喝水、牙科手术、读唇语)。

根据本教导的原理，用于个人防护的射流空气幕的使用提供了优于现有技术中现有解决方案的许多优点。也就是说，射流空气幕非常适合于保护个体免受空气传播的病原体的影响，并克服了现有技术的许多缺点。首先，射流空气幕溶液不是口罩，因此不会对个体通过鼻子或嘴呼吸的能力造成增加或额外的负担。如将在此讨论的，本教导的射流空气幕可穿戴设备防止了环境空气传播的病原体的侵害，同时不会对穿戴者造成呼吸阻力，并且维持身体和视觉触及到穿戴者的鼻子和嘴。其次，本教导的射流空气幕可穿戴设备为穿戴者提供防护，而不用考虑面部毛发的存在与否并且不需要物理地密封穿戴者的面部，否则该物理密封将表现出面部贴合或向内泄漏的弱点。因此，不需要物理密封，就可以为成人和儿童提供平等的防护，而不需要为每个穿戴者提供精确的贴合；不存在呼出气体通过不完美的密封泄漏的可能性，从而消除了眼镜起雾。

此外，本教导的射流空气幕可穿戴设备(其在一些实施例中类似于面罩)使得穿戴者能够就如他们戴着棒球帽一样轻松地工作、说话、吃饭和玩耍。在一些实施例中，本教导的射流空气幕可穿戴设备不会遮盖穿戴者的面部，这使得射流空气幕可穿戴设备成为处于非语言提示(例如嘴唇运动)对理解至关重要的环境下的演讲者、教师和其他人的理想解决方案--并且这对听力受损的人也是有益的。在一些实施例中，通过消除穿戴口罩的麻烦和不便，本教导的射流空气幕可穿戴设备可以对公共健康产生深远的影响。此外，在一些实施例中，本教导的射流空气幕可穿戴设备是一种耐用设备，消除了与一次性口罩相关的浪费。

根据本教导的原理，在一些实施例中，射流空气幕可穿戴设备还可以包括非热等离子体(non-thermal plasma，NTP)系统，该NTP系统可操作以处理或以其他方式灭活空气传播的传染物(例如但不限于病原体、病毒或其他物质)，该NTP系统包含有输入空气源，并且将处理后的空气输出以作为射流空气幕，如本文所述地那样。

本发明内容中的描述和具体示例仅用于说明的目的，并不旨在限制本公开的范围。

附图说明

本文描述的附图仅用于说明选定的实施例，而不是所有可能的实施方式，并且不旨在限制本公开的范围。

图1是个体穿戴根据本教导的一些实施例的射流空气幕可穿戴设备的图示。

图2是根据本教导的一些实施例的射流空气幕可穿戴设备的立体图。

图3是个体穿戴根据本教导的一些实施例的射流空气幕可穿戴设备的放大图。

图4是1um粒子围绕由射流空气幕面罩(圆锥形状)防护的人体头部(椭球体形状)的轨迹的计算流体动力学模型，其中，环境空气(含颗粒)以每小时3.7英里的速度从下方迎头流动，而射流空气幕以每小时10英里的速度从面罩释放。

图5是1um粒子围绕由无菌射流空气幕面罩(圆锥形状)防护的人体头部(椭球体形状)的轨迹的计算流体动力学模拟，其中，环境空气(含颗粒)以每小时3.7英里的速度从下方迎头流动，而射流空气幕以每小时47英里的速度从面罩释放。

图6是1um粒子围绕由无菌射流空气幕面罩(圆锥形状)防护的人体头部(椭球体形状)的轨迹的计算流体动力学模型，展示了由射流空气幕引起的弥散。

图7是从桌面控制台释放的射流空气幕的计算流体动力学模型，显示了在受试者头部呼吸区域(白色椭圆形)中的空气传播的病原体浓度降低。从左上角开始沿顺时针方向，喷射直径和初始喷射速度为：20cm，20m/s；20cm，2m/s；10cm，20m/s；10cm，10m/s。

图8A是受激励的非热等离子体填充床反应器的图像。

图8B显示了在NTP暴露之前和之后的MS2噬菌体的浓度(30kV AC，170LPM(升/分钟)的气流速度)。结果指示存活(噬菌斑测定(plaque assay))以及存活+非存活(qPCR基因拷贝(qPCR gene copy))的丰度。

图9是作为用于化学空气污染物(灰色符号；大小指示初始浓度)与空气中MS2(红色符号)的NTP灭活相比较的比能[J/L]的函数的所公开的NTP破坏效率。

图10是针对基于NTP的空气灭菌和选定的直接臭氧发生器的比能[J/L]的比较。

贯穿说明书附图的若干视图，相应的附图标记指代相应的部件。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例的实施例。提供示例的实施例，将使得本公开为彻底的，并且将范围充分地传递给本领域技术人员。阐述了许多具体细节(诸如具体部件、设备和方法的实施例)，来提供对本公开的实施例的透彻理解。对于本领域技术人员将是显而易见的是，不需要采用具体细节，示例的实施例可以以许多不同的形式来体现，且具体细节不应被理解为限制本公开的范围。在一些示例的实施例中，并未详细地描述公知的方法、公知的设备结构和公知的技术。

本文中使用的术语仅为了描述特定的示例实施例的目的，而不旨在是限制性的。如本文中所使用的，除非上下文另有明确指示，否则单数形式“一”、“一个”和“该”可以旨在包括复数形式。术语“包含(comprises，comprising)”、“包括(including)”和“具有(having)”是包含性的，因此，特指为所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除存在或增加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或它们的组合。除非明确地标识执行顺序，否则本文描述的方法步骤、过程和操作不应被解释为必须以所讨论或图示的特定顺序来执行。还应理解，可以采用附加或替代步骤。

如本文所述，空气传播的传染物(诸如但不限于细菌、病毒气溶胶和病原体)具有两个明确的特性：i)气溶胶传输，和ii)气溶胶传染性。在这两个特性中，呼吸防护设备(诸如N95/KN95呼吸器、外科口罩和布面覆盖物)仅通过阻碍气溶胶传输而起作用。这些设备中最先进的N95/KN95呼吸器有几个棘手的特点：用户因显著的呼吸阻力而感到不适；基于脸型、面部表情或面部毛发的不完美密封；口罩长时间使用期间的变形和水分积累。目前的COVID-19(新冠肺炎)疫情证实了专家长期以来对N95呼吸器短缺的预测。本教导确定了对密集占用的室内工作环境中呼吸防护的新方法的需求。与N95/KN95呼吸器不同，本教导并不只依赖于一种对抗空气传播的传染物的行动模式。此外，本教导填补了在牙科手术或就餐期间(在不能穿戴呼吸器的情况下)呼吸防护的能力空白。

根据本教导的原理，在一些实施例中，射流空气幕可穿戴设备10被设置成具有克服现有技术的限制的有利构造。在一些实施例中，射流空气幕可穿戴设备10被配置并可操作为穿戴者(个体)的面部周围和/或呼吸区域周围的防护性无菌的气流幕，以保护穿戴者免受与空气传播的传染物相关的环境污染。在一些实施例中，射流空气幕可穿戴设备10的尺寸被设计成(较小)以集成到可穿戴附件中，这些可穿戴附件例如为但不限于护目镜、眼镜、帽子或面罩。与仅通过深度过滤空气传播的病原体来操作的传统口罩和电动空气净化呼吸器(powered air-purifying respirator，PAPR)不同，本教导的射流空气幕可穿戴设备10在没有HEPA过滤器的情况下同时去除和灭活空气传播的病原体。

参照附图，在一些实施例中，射流空气幕可穿戴设备10可以由穿戴者、使用者或个体1000使用。在一些实施例中，如图1至图3所示，射流空气幕可穿戴设备10可以被构造成帽子或面罩的形式。然而，应当理解，射流空气幕可穿戴设备10可以被构造成将射流空气幕200定位在穿戴者1000的面部周围和/或呼吸区域周围的任何形式。在一些实施例中，呼吸区域可以是包含穿戴者1000在吸气期间吸入的空气的区域或容积。应当理解，射流空气幕200通常可以被描述为气流层，该气流层通常防止外部(相对于穿戴者而言)的空气越过气流层到穿戴者的呼吸区域内。因此，在穿戴者的呼吸区域内，应当理解，本教导的射流空气幕200基本上防止和/或阻止空气传播的传染物从穿戴者的呼吸区域之外的位置向穿戴者的呼吸区域内的位置转移，从而将呼吸区域内的处理后的空气与呼吸区域之外的污染空气隔离开。因此，应当理解，射流空气幕可穿戴设备10被配置并可操作以通过形成通常位于穿戴者面部前面和周围的一层弧形移动空气(也称为空气幕)来为穿戴者提供呼吸防护，这在医疗保健、高密度和/或聚集的工作场所环境中特别有用。用无菌空气幕包围受试者的呼吸区域消除了使用N95/KN95呼吸器固有的问题，这些问题诸如是口罩的贴合性和密封性、呼吸阻力以及对水分和皮肤油脂的吸收。此外，无菌射流空气幕200在不能穿戴N95/KN95口罩的环境中(诸如在牙科手术期间和用餐时)提供了呼吸防护。

这种气流(射流空气幕200)的运动起到使环境空气中所存在和悬浮的气溶胶(即空气传播的传染物)偏离的作用。当空气传播的传染物遇到这种气流时，这些传染物会被夹带着并准确地随气流一起被带走；首先，准确地说，较小的气溶胶相比于较大的气溶胶会更准确地跟随气流。此外，由于环境气溶胶(包括诸如细菌和病毒等空气传播的病原体)没有用于自推进的装置，因此环境气溶胶在环境大气中的整体运动完全由a)重力以及b)由于它们遇到与射流空气幕200相关的气流而产生的阻力来决定。由于这些颗粒都很小且密度也不是特别高，到目前为止，决定颗粒运动的主要力量是气流引起的阻力。结果，呈空气传播的病毒和细菌大小的空气传播的病原体会准确地跟随着气流。

继续参照图1至图3，在一些实施例中，射流空气幕可穿戴设备10包括可由穿戴者1000穿戴的框架系统12、被配置为接收环境空气的进口系统14、空气处理系统16和被配置为输出如本文所述的射流空气幕200的出口系统18。在一些实施例中，框架系统12可以包括身体支承结构，该身体支承结构被配置成将射流空气幕可穿戴设备10安装到或以其他方式附连到穿戴者1000。为此，框架系统12可以包括头罩、帽子、面罩、帽舌(bill)、或被配置成将射流空气幕可穿戴设备10支承在穿戴者头部上的其他系统。如本文所述，框架系统12可以包括眼镜、或适合于支承和允许形成射流空气幕200的任何其他结构。在一些实施例中，框架系统12通过条带、钩环紧固件、织物、弹力件或其他装置被紧固到穿戴者1000或由穿戴者1000穿戴。

在一些实施例中，框架系统12被配置成将出口系统18定位在预定取向上，使得来自出口系统18的输出空气以射流空气幕200的形式分布，该射流空气幕具有大致连续的幕结构，以安全地包含穿戴者的呼吸区域。为此，在一些实施例中，框架系统12可以包括偏离穿戴者面部的向外导向部分20，该向外导向部分允许射流空气幕200在距离穿戴者面部预定距离A处形成。在一些实施例中，如图所示，向外导向部分20可以包括帽子或面罩的帽舌或帽檐。

在一些实施例中，进口系统14可以包括进口孔22，该进口孔被配置成将环境空气接收或吸入到空气处理系统16中。在一些实施例中，如本文将讨论的，进口系统14和/或空气处理系统16可以包括吸气泵、风扇、或用于接收环境空气并处理空气处理系统16中的环境空气的其他装置。在一些实施例中，进口系统14和/或空气处理系统16可以包括系统，该系统被配置成在足够高的压力和体积流速下提供无害空气以形成射流空气幕200。在一些实施例中，进口系统14和/或空气处理系统16可以被包含在用户头部上可穿戴的单个设备内，该设备结合了用于引导必要气流的泵或风扇、以及用于去除或以其他方式中和环境空气中的空气污染物的过程。在一些实施例中，进口系统14和/或空气处理系统16可以设置为独立单元，该独立单元穿戴在穿戴者身体的其他地方并通过系带连接到框架系统12。

在一些实施例中，进口系统14和/或空气处理系统16可以包括控制系统24，该控制系统用于控制进口系统14、空气处理系统16和/或出口系统18的运行。

在一些实施例中，空气处理系统16被配置成在将从进口系统14接收的环境空气进行处理，之后再将处理后的空气输送到出口系统18以作为射流空气幕200进行分配。如图2和图3所示，出口系统18可以包括出口孔26，该出口孔用于输出处理后的空气，该出口孔可以包括长形孔(如图所示)和/或一个或多个喷嘴，该长形孔和/或一个或多个喷嘴从穿戴者头部的第一侧的位置(即太阳穴区域)连续地延伸到穿戴者头部的第二侧的位置(即太阳穴区域)；第一侧与第二侧相对，以形成延伸并围绕穿戴者面部的连续幕。向外导向部分20和出口孔26可以被设计和定向成使得射流空气幕200围绕穿戴者面部的任一侧延伸、终止于在穿戴者的头部的表面，从而尽可能地存在大致从穿戴者的一只耳朵延伸到另一只耳朵的连绵不断的弧形流动空气，从而针对环境空气传播的病原体提供连绵不断的流体动态防护。

应当理解，射流空气幕200的形状、位置和运行显著增强了其性能和防护。也就是说，在一些实施例中，使射流空气幕200向下流动减少了将夹带的气溶胶引导到穿戴者的(通常向下)鼻孔的可能。射流空气幕200的尺寸、形状、厚度和/或取向可以防止或至少最小化环境气溶胶对穿戴者呼吸区域的侵入。这种侵入不仅可以因环境气流本身具有的动量而由具有足够动量的环境气流驱动以进入穿戴者的受防护呼吸区域，而且这种侵入可以作为从受防护呼吸区域内的泵送和抽吸的结果而发生，这种泵送或抽吸动作响应于射流空气幕200的受限气流的存在而发生。这种泵送作用可以在有射流和尾流的情况下发生，并且通过被称为喷射器的设备来产生积极的效果。

还应当理解，射流空气幕可穿戴设备10通过利用射流空气幕200与穿戴者的躯干之间的相互作用，进一步提高用于个人呼吸防护的射流空气幕200的性能。如前所述，作为射流作用的结果，可以形成较低压力的区域，该较低压力的区域与附近较高环境压力的区域相互作用时，导致朝向较低压力的区域泵送或抽吸流体。如果不加以处理，这种抽吸或泵送可能会促使环境空气和悬浮气溶胶进入受防护呼吸区域。射流空气幕200构思是通过设计射流空气幕200的速度和构造以确保射流冲击穿戴者的躯干，从而防止受防护呼吸区域、特别是在离喷射源(即出口孔26)最远的喷射的远侧位置的这种污染。以此方式，穿戴者的躯干提供了受防护呼吸区域的坚固边界和闭合，以防止例如受污染的环境空气通过射流空气幕200的开口端再循环进入到受防护呼吸区域中。根据同样的推理，由于例如面罩构造用作坚固边界，防止受污染的环境空气和悬浮气溶胶通过射流空气幕200的作用从穿戴者上方的区域吸入或泵入受防护呼吸区域，因此射流空气幕可穿戴设备10本身是为穿戴者建立受防护呼吸区域的重要部件。

特别参照图4和图5，计算流体动力学(computational fluid dynamic，CFD)模拟已经详细地展示了1微米大小的气溶胶的聚集物在1m/s或3m/s的环境室外气流中遇到通用射流空气幕200时的分散和偏离，该通用射流空气幕从配备有向下定向的狭缝喷嘴的面罩发出，该狭缝喷嘴位于眼睛上方、位于被设计成代表人体头部的椭圆形形状上。从狭缝喷嘴喷出的空气速度在0.3m/s至10m/s之间变化，所有结果都显示出与典型空气传播的病原体(诸如病毒和细菌)相似的颗粒的高效分散和偏离。此外，如图7所示，利用数值模拟结果展示了射流空气幕构思，其中，未充分膨胀的无菌空气射流通过包围穿戴者头部周围的呼吸区域(明亮区)提供了针对环境空气传播的病原体的屏障(阴影区)。

在一些实施例中，空气处理系统16可以包括至少解决气溶胶传染性的系统。为此，在一些实施例中，空气处理系统16可以包括非热等离子体系统30。在一些实施例中，非热等离子体系统30可以包括小型化的非热等离子体反应器，该小型化的非热等离子体反应器从小到足以集成到可穿戴附件(诸如护目镜、眼镜或面罩等)中的小平台安静地且不引人注目地在面部周围或呼吸区域周围供应射流空气幕200的防护性的无菌气流幕。与仅通过深度过滤空气传播的病原体运行的传统口罩和PAPR不同，非热等离子体系统30可以同时去除和灭活空气传播的病原体，而不需要HEPA过滤器。

非热等离子体(NTP)是稳定的放电(electrical discharge)，能够解决气溶胶传输问题和气溶胶传染性问题。作为一个技术平台，通过按照两个防护原则(气溶胶传输和气溶胶传染性)运行，NTP可以对呼吸防护采取灵活和平衡的方法。根据本教导的原理，当NTP以包围个人呼吸区域的无菌射流空气幕200的形式实施时，NTP避免了N95/KN95呼吸器的所有不良特点。

一般而言，关于气溶胶传染性，空气中的NTP产生带电的自由基和活性自由基(reactive radical，RR)，活性自由基主要是活性氧和氮物质(nitrogen species，RONS)，如O·、OH-、OH·，它们比臭氧(O

用于破坏化学空气污染物的早期几代NTP受到高功率要求的困扰，但我们对生物空气污染物的实验表明，在化学空气污染物所需功率的十分之一至百分之一的情况下可以达到相当的功效，这表明病原体的灭活不受决定化学反应平衡的相同动力学和热力学的限制。

臭氧的产生也是用于处理通风空气的NTP的一个问题。我们发现，通过安装一个普通的激光打印机臭氧过滤器，NTP根据气流速度将残余臭氧减少了1到2个数量级，而总体ΔP仅增加了20Pa。在某些情况下，仅单层臭氧过滤器就能将残余臭氧浓度降低到加利福尼亚州空气资源委员会(California Air Resources Board，CARB)规定的室内空气净化器允许的50ppb容许极限以下。化学反应工程原理指出，可以通过增加臭氧过滤器的空间速度(即表面积与体积流速的比值)，例如通过使用双过滤层，来进一步降低臭氧浓度。图10展望了用于生物应用的NTP的臭氧生成潜力。在五项以空气为原料的直接臭氧发生器的研究中，比能(J/L)需求比我们展示的空气灭菌高出3个数量级。如前所述，很明显，生物应用的NTP运行体系与化学应用的NTP运行体系有很大的不同，对前者(生物应用的NTP运行体系)的大多数批评都是错误的。

此外，已经发现，在170LPM的流速下，暴露于NTP小于400毫秒的气流使传染性噬菌体MS2的丰度减少了2.3log以上。事实上，MS2的灭活是如此彻底，以至于存活的病毒浓度是无法检测到的(图8A和图8B)，即在NTP暴露后测量的PFU/ml低于量化限值以下。进一步发现，同样的NTP方法在空气中对引起猪生殖与呼吸综合征(respiratory syndrome，PRRS)的高传染性PRRS病毒取得了相当的灭活效果。这些结果首次证明了一种已知的可引起人类或动物疾病的空气传播病毒被NTP灭活。

一般而言，关于气溶胶传输，可以理解的是，即使在商用飞机的密集座位布置中，向下喷射的空气也有助于防止传染病的传输和/或传播。然而，根据设计，飞机机舱空气处理系统提供的加压气流足以承受由高效空气过滤器(而不是NTP)引起的压力下降(ΔP)，并仍能产生足够的动量在喷嘴出口处形成空气射流。相比之下，传统的室内空气净化器不能将环境空气加压到相同的程度，因此在高效空气过滤器的ΔP之后，气流的动量很低。相比之下，空气处理系统16的NTP反应器的渗透性更强的填充床施加了在气流速度为170升每分钟(liter per minute，LPM)的情况下<45Pa(<0.2英寸水柱)的ΔP。这种低流动阻碍与快速灭活(<400毫秒的NTP暴露)和低功耗(23W)相结合，是紧凑型、便携式或分布式、无过滤器的呼吸防护装置免受环境空气中的空气传播的病原体影响所需的性能特征。

在化学合成应用中使用的NTP因其高功耗而受到批评。然而，用于生物应用的NTP似乎在不同的体系下运行。图9比较了针对九种化学合成和两种生物灭活研究的、作为比能耗(J/L)的函数的NTP过程效率(％)。比较表明，基于NTP的空气传播的病原体灭活每升空气所需的能量比一系列基于NTP的化学合成过程低了10倍至1000倍。我们假设病毒表面蛋白的部分氧化破坏了与宿主细胞受体的附着和结合，从而阻止了宿主细胞的渗透。这种破坏更容易，而且较少受化学反应热力学极限的限制。

为了说明和描述的目的，已经提供了实施例的前述描述。并不旨在穷举或限制本公开。特定实施例的各个元件或特征通常不限于该特定实施例，而是在适用的情况下是可互换的，并且即使未具体示出或描述，也可以用于所选择的实施例。同样也可以以许多方式变化。这样的变体不应被认为是脱离本公开，并且所有这样的修改旨在包括在本公开的范围内。