JP7665461B2 - Electronic Cooling Mask - Google Patents
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Description
本発明は、日常保護用品の技術分野に関し、特に呼吸のためのマスクに関するものである。
The present invention relates to the technical field of everyday protective equipment, in particular to respiratory masks.
マスクは、日常生活に広く適用され、鼻部と口部を遮り、花粉、微粒子、埃、ウィルスや病原菌などの空気における汚染物質を防いで健康維持のための保護機能を果たすものである。
Masks are widely used in daily life, covering the nose and mouth and preventing airborne contaminants such as pollen, fine particles, dust, viruses and pathogens, thereby providing a protective function for maintaining health.
これら特許文献によれば、電子冷却で身体を冷却する方法や大型冷媒循環を用いた呼吸冷却が提案されている。
These patent documents propose a method of cooling the body by electronic cooling and a method of respiratory cooling using a large-scale refrigerant circulation.
2020年、外で涼むなら首掛けクーラー!「ネッククーラーNeo」の冷却効果をチェック!
https://kaden.watch.impress.co.jp/docs/column_review/kdnreview/1259705.html
スポーツのお供にも。フィリップスから息がしやすい電動ファン内蔵マスクが登場
https://www.gizmodo.jp/2020/12/philips-face-mask.html
2020年12月03日調査
In 2020, if you want to cool down outside, use a neck cooler! Check out the cooling effect of the "Neck Cooler Neo"!
https://kaden.watch.impress.co.jp/docs/column_review/kdnreview/1259705.html
A great companion for sports: Philips releases a mask with a built-in electric fan that makes it easier to breathe
https://www.gizmodo.jp/2020/12/philips-face-mask.html
Survey conducted on December 3, 2020
非特許文献によれば、一つ目のリンクは首に直接ペルチェ素子の冷却面を接触させて、外部電源からの九電で猛暑を乗り切ろうとするための商品が開発されている。また、適当な先行特許文献は国内では検索できなかった。また、二つ目のリンクは呼吸を楽にするために電動ファンで空気の吸引を行い、呼吸を楽にする製品が開発されている。
According to non-patent literature, the first link is a product that has been developed to help people survive the heat by directly contacting the cooling surface of a Peltier element to the neck and using an external power source. No suitable prior patent literature could be found in Japan. The second link is a product that uses an electric fan to suck in air to make breathing easier.
昨今のコロナウイルスの蔓延により、真夏の暑い時期でもマスクをする必要が生じているが、呼吸における熱気がマスク内に滞留し、マスク内の気体が体温相当もしくはそれ以上の温度と高湿度となるため、呼吸による体内温度や温度の調整を目的とした熱排出ができないという課題が生じており、熱中症や熱射病などの健康被害が懸念されている。
Due to the recent spread of the coronavirus, it has become necessary to wear a mask even during the hot summer months. However, hot air from breathing becomes trapped inside the mask, and the gas inside the mask becomes as hot or humid as body temperature. This creates the problem that heat cannot be expelled through breathing to regulate internal body temperature, raising concerns about health hazards such as heatstroke and heat stroke.
真夏の屋外で、安定的に体温より低い気体の吸気を行わないことには、前記健康被害の懸念を払拭することはできない。このため、本課題を解決するために想到可能な方法として、上述の先行文献における非特許文献で参照されるサイト情報と同様に、ペルチェ素子を具備したマスクで内側と外側の熱交換を行い、内側にペルチェ素子の冷却面を備えるように構成することが検討できる。
更には、近年開発された特殊塗装による冷却効果などのある塗料を用いるなどの方法によって実現してもよい。
暑さ対策にも効果アリ、地球上で最も白い塗料ができました(2021.04.24確認)
https://www.gizmodo.jp/2021/04/white-paint-for-global-warming.html
Unless the breath is taken in steadily at a temperature lower than body temperature outdoors in midsummer, the health hazard concerns cannot be eliminated. Therefore, as a conceivable method for solving this problem, it can be considered to use a mask equipped with a Peltier element to exchange heat between the inside and outside, and to have a cooling surface of the Peltier element on the inside, as in the site information referenced in the non-patent literature in the above-mentioned prior art.
Furthermore, this may be achieved by using a paint having a cooling effect, such as a special coating that has been developed in recent years.
The whitest paint on earth has been created, which is also effective in beating the heat (verified on April 24, 2021)
https://www.gizmodo.jp/2021/04/white-paint-for-global-warming.html
しかしながら、発明者が実際に作成してみたところ、内側にペルチェ素子の冷却面を向けても、呼吸における十分な温度低下。特に呼吸において生じる気体の温度はどうしても体温相当となり、呼気排気に伴う蒸散効果による体の上昇温抑制を十分には行えないという課題がさらに見つかるという結果を得ることになった。 However, when the inventors actually created the device, they found that even with the cooling surface of the Peltier element facing inward, there was not enough temperature reduction during breathing. In particular, the temperature of the gas produced during breathing inevitably becomes equivalent to body temperature, and they found a further problem in that the evaporation effect associated with exhalation could not sufficiently suppress the rise in body temperature.
このような状況において、呼吸排気に伴う体温かかる廃熱において蒸散効果を含め、より呼吸に伴う廃熱効率を改善するためには、冷却部における呼気気体の接触面積をより広くする必要があると考えに至り、ペルチェ素子の冷却面に呼吸中の空気との接触面を広げることのできる櫛状の熱交換部品を更に設けることで、呼吸時の気体が口腔部とマスクの内側に滞留する部分を設けるとともに、冷却面と口腔部の間に櫛状の追加冷却部を設けることで、課題の効率的な解決を行った。 In this situation, we came to the conclusion that in order to improve the efficiency of waste heat associated with breathing, including the transpiration effect of body heat waste heat associated with breathing and exhalation, it is necessary to increase the contact area of the cooling part with the exhaled gas. By further providing a comb-shaped heat exchange part that can increase the contact area with the air being breathed on the cooling surface of the Peltier element, we have created a part where the gas during breathing stays inside the mouth part and the mask, and by providing an additional comb-shaped cooling part between the cooling surface and the mouth part, we have efficiently solved the problem.
加えて、呼気の湿気が呼気の冷却に伴い、本件の櫛状冷却部に結露するため、結露した水分をドレインホースなどにより外側に排出し、排出された水分を本件の発熱廃熱面に導出させることにより、廃熱面上の内部に結露した水分を蒸散させることで、放熱効率を結露水分の気化に伴う蒸散廃熱効果を利用し、より高性能な廃熱若しくは冷却効率の改善を実現できるようにしてもよい。 In addition, as the moisture in the breath cools, it condenses on the comb-shaped cooling section of the present invention. The condensed moisture can be discharged to the outside using a drain hose or the like, and the discharged moisture can be directed to the heat generating waste heat surface of the present invention, allowing the moisture condensed inside the waste heat surface to evaporate, thereby improving the heat dissipation efficiency by utilizing the evaporative waste heat effect that accompanies the evaporation of the condensed moisture, thereby achieving higher performance waste heat or improved cooling efficiency.
さらには、無線通信機能などによりウィルスや細菌、化学毒、粉塵などへの人体の暴露を減らすことで、呼吸を安全にできるように構成できる。
Furthermore, the device can be configured to reduce the human body's exposure to viruses, bacteria, chemical toxins, dust, etc. through wireless communication functions, making breathing safer.
上述の非特許文献1にあるネッククーラーのように単純な面冷却ではなく高さが0.3cm-5cm程度ある櫛状の熱交換部品をペルチェ素子の冷却面に具備することで、呼気及び吸気の温度を外気温や呼気温度より下げることができるという効果が確認された。 Instead of simple surface cooling like the neck cooler described in Non-Patent Document 1 above, it was confirmed that by providing a comb-shaped heat exchanger with a height of about 0.3 cm to 5 cm on the cooling surface of the Peltier element, it is possible to lower the temperature of the inhaled and exhaled air below the outside air temperature and the exhaled air temperature.
さらに、実用新案003227863に対しては、通常マスクにおけるマスク抗菌性に関し、“抗菌処理を施した布”と記載されている。本発明においては熱交換金属部などによる金属イオンによる抗菌設計がなされているため、一般的な抗菌処理をした布とは抗菌設計が根本的に異なるため特段の効果がある。 Furthermore, in the Utility Model No. 003227863, in regards to the antibacterial properties of regular masks, it is stated that the mask is "antibacterial treated fabric." In the present invention, antibacterial design is applied using metal ions from heat exchange metal parts, etc., so that the antibacterial design is fundamentally different from that of general antibacterial treated fabric, and therefore has a special effect.
さらに、実用新案003229764に対しては、ファンによる外気吸入による気体を電子冷却する。該当新案は本発明のような滞留した気体に熱交換を行うのではなく、ファンによる強制吸気と強制冷却を行っているため相対的に新案と本発明において同一時間あたりに冷却部と接触する空間における気体の滞留時間に差が生じ、本発明よりも新案の方の滞留時間が減少してしまうため冷却性能が著しく低下してしまう問題がある。本発明は強制吸気ファンによる動的吸気冷却ではなく人の自然呼吸若しくは単なるファン吸気でのマスク内に滞留した気体の温度を下げることが目的であり、体温相当温度でマスク内に滞留している気体を十分に冷却する特段の効果がある。 Furthermore, for utility model 003229764, the gas drawn in by the outside air using a fan is electronically cooled. The model does not perform heat exchange on the trapped gas as in the present invention, but instead performs forced intake and forced cooling using a fan, which results in a relative difference in the residence time of gas in the space in contact with the cooling part per unit time between the model and the present invention, resulting in a significantly reduced cooling performance due to a shorter residence time in the model than in the present invention. The present invention aims to lower the temperature of gas trapped in the mask due to a person's natural breathing or simple fan intake, rather than dynamic intake cooling using a forced intake fan, and has the special effect of sufficiently cooling the gas trapped in the mask at a temperature equivalent to body temperature.
特開2008-031581に対しては、半導体素子により冷媒を冷却し衣服との接触部で熱交換することで衣服に装着された冷却部品を冷却し、体温を下げることが記載されている。本発明は呼気に対し冷媒等を使わず直接冷却することにより、体表ではなく体内の肺に吸引される気体の温度を下げることで、体内からの冷却を促し肺におけるガス交換と同時に血液の熱交換に伴う血液冷却によって生じる身体の血液循環に伴った身体冷却効率などの改善という効果がある。 JP 2008-031581 A describes a method of cooling a refrigerant using a semiconductor element and exchanging heat at the contact point with the clothing to cool a cooling component attached to the clothing and lower body temperature. The present invention directly cools exhaled air without using a refrigerant, thereby lowering the temperature of the gas that is inhaled into the lungs inside the body, rather than on the body surface, promoting cooling from within the body, and improving the efficiency of body cooling associated with the blood circulation in the body, which occurs due to blood cooling associated with heat exchange in the blood as well as gas exchange in the lungs.
特開2012-533327に対しては、出願内容の0053セクションによるとマスク内洗浄を水で行う際にファンなどの電気的可動部品に悪影響を与える可能性が指摘されている。本発明は洗浄部に電気的可動部などがないため記載されているような問題は起きないという特段の効果がある。 In JP 2012-533327, section 0053 of the application points out the possibility that cleaning the inside of the mask with water may have a detrimental effect on electrically moving parts such as fans. This invention has the special advantage that the cleaning section does not have any electrically moving parts, so the problems described do not occur.
国際出願WO/2010-047382に対しては、冷媒を冷やすことにより身体に装着するパッド内に冷媒を循環させて身体冷却を行う。本発明は冷却媒体を使わないためポンプなどが必要なくなり電力効率が改善するとともに肺における血液の熱交換によって体温を下げる効果がある。 In international application WO/2010-047382, the body is cooled by cooling a refrigerant and circulating the refrigerant in a pad attached to the body. As the present invention does not use a cooling medium, pumps and other devices are not required, improving power efficiency and lowering body temperature through heat exchange with blood in the lungs.
国際出願WO/2017-057168に対しては、水による冷却媒体により口部と鼻孔部を覆う部品で部品内の気体を冷却し呼吸気体の温度を下げるとともに、弁を用いた部品により呼気を排気することで部品内の呼気による熱が留まらないように構成されている。本発明は国際出願のような冷媒を用いないため冷媒循環ポンプなどが必要なくなり電力効率が改善するとともに、非常にコンパクトな構成となる。
この際、口唇部前部と鼻孔下部というマスクと身体の隙間という非常に狭い空間に熱交換部を構成し収めることが可能な小型熱交換部を具備することで、従来品と比較して非常に小さな単位容積あたりの空気冷却を可能とするとともに、特に体温で上昇した呼気を効率的に冷却することにより、周辺温度が体温程度もしくはそれ以上に高い場所であっても身体への悪影響を回避することを可能とする。
特に本国際先願に関し冷媒が水であるため氷点下以下への冷却が事実上不可能な構成(食塩水であっても-4℃程度)であるため、冷媒を用い冷媒循環を行う冷却部と比較して、本発明においては直接熱交換を行う電子冷却部により十分に低いマイナス温度を提供することができるが、冷媒に安全のために水などを用いる冷却マスクでは吸気気体温度を十分に下げることは不可能という課題を解決する効果がある。
In contrast to the international application WO/2017-057168, the present invention uses a water-based cooling medium to cool the gas inside the part that covers the mouth and nostrils, lowering the temperature of the respiratory gas, and uses a part that uses a valve to exhaust the exhaled air so that heat from the exhaled air does not remain inside the part. Since the present invention does not use a refrigerant as in the international application, a refrigerant circulation pump is not required, improving power efficiency and resulting in a very compact configuration.
In this case, by providing a small heat exchange unit that can be configured and contained in the very narrow space between the mask and the body, namely the front of the lips and the lower nostrils, it is possible to cool the air per unit volume that is very small compared to conventional products, and in particular, by efficiently cooling the exhaled air that has risen due to body temperature, it is possible to avoid adverse effects on the body even in places where the surrounding temperature is at or above body temperature.
In particular, in the case of this international prior application, since the refrigerant is water, it is virtually impossible to cool to below freezing (even saline solution is about -4°C). Therefore, compared to a cooling section that uses a refrigerant and circulates the refrigerant, the present invention can provide a sufficiently low negative temperature by using an electronic cooling section that performs direct heat exchange. However, this invention has the effect of solving the problem that it is impossible to sufficiently lower the temperature of the inhaled gas with a cooling mask that uses water or the like as a refrigerant for safety reasons.
すなわち、上述されるすべての先行事例はマスク単体の内側と外側とがフィルタにより確実に分離された設計における熱交換において、冷媒を用いずに直接熱交換を行う構成にはなっておらず、冷媒を介してマスク内側の熱を別段の設置による専用の冷媒冷却装置部で冷却する構成であり、特に冷媒の搬送にポンプなどを用いる形となっているため電力効率が非常に悪いという課題がある。もしくは強制吸入される気体を直接冷却する構成となっているため熱交換構造が非常に非効率であるものばかりとなっている。更には冷媒を用いずに大型ファンを駆動するため電力効率や容積率が大幅に悪化しているものもある。加えて、フィルタが冷却部とフェイスラインの間にある冷却構造となっていることで、呼気がフィルタ通過後に冷却され、使用者が罹患している場合でも外排気に対しても充分に汚染された呼気を輩出しない構成となっている。更には、右に吸気ファン、中央に冷却部、左側に排気ファンという構成にすることで、呼気の循環性を上げるようにすることもできる。 In other words, all of the above-mentioned prior art examples are designed to ensure that the inside and outside of the mask are separated by a filter, and are not configured to directly exchange heat without using a refrigerant, but rather to cool the heat inside the mask via a refrigerant using a dedicated refrigerant cooling device installed separately. In particular, there is a problem that the power efficiency is very poor because a pump or the like is used to transport the refrigerant. Or, since the forced inhalation gas is directly cooled, the heat exchange structure is very inefficient. Furthermore, some devices have a significantly poorer power efficiency and volume ratio because they drive a large fan without using a refrigerant. In addition, since the cooling structure is such that the filter is located between the cooling part and the face line, the exhaled air is cooled after passing through the filter, and even if the user is ill, the exhaled air is not sufficiently contaminated for exhaust to the outside. Furthermore, by configuring the intake fan on the right, the cooling part in the center, and the exhaust fan on the left, the circulation of the exhaled air can be improved.
本発明は容積率や電力効率を改善し、ポンプなどの機械系の故障の生じる可能性の低減や、ファンによる強制吸引で多量の空気を強制的に冷却している訳ではないので、大型吸気ファンによる強制吸気において単位時間当たりの冷却性能を極端に上げる必要がなくなり、十分に低い電力で呼吸に必要な量の空気の温度を下げることが可能となるばかりではなく、呼気のフィルタリングも充分に行うことができ、ファンの循環によりマスクの外側のメッシュが荒くても罹患者の呼気をフィルタリングして排気できるという特徴がある。 The present invention improves volume ratio and power efficiency, reduces the possibility of mechanical failures such as pumps, and because it does not forcibly cool large volumes of air by forcibly sucking in with a fan, there is no need to drastically increase the cooling performance per unit time when using a large intake fan for forced intake. This not only makes it possible to lower the temperature of the amount of air needed for breathing with sufficiently low power, but also allows for sufficient filtering of the exhaled air, and the fan circulation allows the infected person's exhaled air to be filtered and exhausted even if the outer mesh of the mask is coarse.
このように従来の条件と比較して、本発明はマスク内に滞留する体温を帯びた呼気を冷却するとともに、容積の少ない冷却部を用いて呼吸に伴うマスク内に滞留する体温を帯びた気体を冷却することで、温度の高いマスク内の気体の冷却を実現し、呼吸に伴う呼気の滞留時間内に呼吸に必要な気体に充分な冷却を行うことを可能とする効果がある。
In this way, compared to conventional conditions, the present invention cools the exhaled air carrying body temperature that is retained in the mask, and also uses a cooling section with a small volume to cool the gas carrying body temperature that is retained in the mask due to breathing, thereby realizing cooling of the hot gas in the mask and enabling sufficient cooling of the gas necessary for breathing within the retention time of the exhaled air associated with breathing.
まず、図1に基づいて、外観側から説明する。この写真にあるマスクはウレタン製で多少の厚みがあるものの、冷却部品をマスクに固定するには、十分な強度が無いという課題があり、その課題を解決するために、マスクにスペーサー若しくはフレームとして樹脂などで構成された部品をマスクに具備させることで、冷却ユニットを保持できる強度を保てるように構成する。なお、ウレタンマスクに限らず適当なメッシュ素材で構成されたそれなりの強度のある繊維でマスクを構成してもよい。更には電子冷却部に電動ファンを適宜具備することで、冷却効率を改善できるように構成してもよい。 First, the exterior will be described based on Figure 1. The mask in this photo is made of urethane and is somewhat thick, but there is an issue that it is not strong enough to fix the cooling parts to the mask. To solve this issue, the mask is equipped with parts made of resin or the like as spacers or frames, so that it is strong enough to hold the cooling unit. Note that the mask is not limited to urethane masks, and may be made of a suitable mesh material with a reasonable strength. Furthermore, the cooling efficiency may be improved by appropriately equipping the electronic cooling section with an electric fan.
外観としては、図1のように外部からUSB給電などにより冷却素子が動作するように構成され、電子冷却素子によってマスク一体型の冷却部を備えることができる。この給電は太陽電池などであってもよく、この冷却ユニットにはペルチェ素子などの電子熱交換部が具備され、簡便な構造にすることを可能としている。更には画像の様な空冷ではなく、より大きな、液冷などの熱交換部を備えてもいいが、重量的には軽量なペルチェ素子などが好ましい。 In terms of appearance, as shown in Figure 1, the cooling element is configured to operate from an external USB power supply, and a cooling section integrated into the mask can be provided using an electronic cooling element. This power supply can be a solar cell, and the cooling unit is equipped with an electronic heat exchanger such as a Peltier element, allowing for a simple structure. Furthermore, instead of air cooling as in the image, a larger heat exchanger such as liquid cooling can be provided, but a lightweight Peltier element is preferable.
このようにして構成された冷却部は、呼吸における気体を一時的に滞留するだけの容積が冷却部と顔面との間の隙間に存在する構成となっており、顔面部と冷却部の構造は側面から観察した場合、図4においてフェイスライン4000と櫛状冷却部3001の間にある隙間の構造が想定される。そして、マスクのフェイスライン4000に伴う口腔・鼻腔部と櫛状熱交換冷却部3001の間に、マスクに用いられるフィルタ部3002が構成されている。このフィルタ部の素材の違いによりマスクの性能自体は任意に設計できるものと考えることが好ましい。
The cooling section thus constructed is configured so that there is a volume in the gap between the cooling section and the face that is large enough to temporarily retain the gas produced by breathing, and when the structure of the face section and cooling section is observed from the side, the structure of the gap between the
前述のように構成された櫛状冷却部によって、呼吸気体の滞留する容積を十分に確保することができる。この構成により、一呼吸の呼吸のタイミングの短い時間で、冷却に伴う熱交換に十分な容積を確保することができるため、呼吸に伴う身体的熱交換における吸気を十分に冷却できるようになり、呼気によって温度の上昇したままの気体を再度吸い込むという可能性が激減し、マスクを常用することによって呼吸に伴う廃熱効率が悪化しないようにすることが可能なフィルタ付きマスクを構成することができる。更には、通気性を改善するための構成として、マスク素材をメッシュ状の素材を用いたり、電動ファンを用いて内部を陽圧にしたりすることで呼吸における負荷が軽減されるように構成してもよい。 The comb-shaped cooling section configured as described above can ensure a sufficient volume for the respiratory gas to remain. This configuration can ensure a sufficient volume for the heat exchange associated with cooling in the short time it takes to breathe, making it possible to sufficiently cool the inhaled air in the physical heat exchange associated with breathing, greatly reducing the possibility of re-inhaling gas whose temperature has increased due to exhalation, and can configure a filter-equipped mask that can prevent the efficiency of heat waste associated with breathing from worsening due to regular use of the mask. Furthermore, as a configuration for improving breathability, the mask may be made of a mesh material or an electric fan may be used to create positive pressure inside, thereby reducing the strain caused by breathing.
図2は本発明の外観を表示している。マスクの構成として、通常のゴムひもなどによるマスクより強度のあるマスクと、必要であれば、それなりに重量のある電子クーラー1001を支えるために、樹脂などで構成された固定具1002(電子クーラーを固定することでクーラー付きマスクを実現する)と、によって電子冷却マスク1000は構成されており、マスク素材の強度が充分にあるならば、固定具1002は具備しない構成であってもよい。
Figure 2 shows the appearance of the present invention. The
図3の(a)は本発明のマスクの内側に、櫛状熱交換冷却部3001が構成されている様子を示している。さらに、(b)は櫛状熱交換部の上にマスクの主たる機能であるフィルタが構成され固定されている。また、それぞれの図3(a)(b)の中央から見て左右に具備された円状の部分は、呼気(排気)する際に、弁状の構造物を持たせることで、呼気(排気)を楽に排出できるように構成されてるものと考えてもよい。また、マスクの性能は(b)に図示されるフィルタの性能によって、変化するものと考えてもよい。
Figure 3(a) shows a comb-shaped heat
さらに、本発明の冷却部は結露することも十分考えられるため、外部に排水するためのドレインホースや、結露に伴う湿度上昇によって生じるカビや雑菌の増殖などへの対策のために、銀や銅などのイオンコートなどをはじめとする適切な抗菌・殺菌素材を用いることで、本発明に用いられる呼吸に伴う感染などのリスクを下げるように構成されたり、電気的なプラズマやイオンによる消臭や殺菌といった機能を、更に具備したりする構成であってもよい。 Furthermore, since it is quite possible that the cooling section of the present invention will condense, the device may be configured to reduce the risk of infection associated with breathing by using a drain hose for draining water to the outside, or by using appropriate antibacterial and germicidal materials such as ion coatings of silver or copper to prevent the growth of mold and bacteria caused by the increase in humidity due to condensation, or may be further equipped with functions such as deodorization and sterilization using electrical plasma or ions.
なお、冷却部の気体接触面積を広げるための櫛状熱交換金属部分は熱伝導率の高いモノであることがより効果的であり、接触面積を広げるために3mm程度の起伏による熱交換部から5cm程度の起伏による熱交換部といった、幅の広い設計が可能であり、熱力学的に、より、熱交換効率を高めるための工夫がなされていることが好まく、発明者は3mmから15mm程度の高さを持つ櫛状・フィン状・刺状・柱状とそれらの林立形状の熱交換部を用いて実験をしている。更には電子冷却素子を二枚重ねにするなど複数枚重ねることで、より利用者にとって効率的に十分な冷却を実現できるように構成することも可能である。 It is more effective if the comb-shaped heat exchange metal part for expanding the gas contact area of the cooling part has a high thermal conductivity, and a wide design is possible, such as a heat exchange part with undulations of about 3 mm to a heat exchange part with undulations of about 5 cm in order to expand the contact area, and it is preferable that some ingenuity is used to improve the heat exchange efficiency from a thermodynamic perspective, and the inventor has conducted experiments using comb-shaped, fin-shaped, thorn-shaped, columnar, and forest-shaped heat exchange parts with heights of about 3 mm to 15 mm. Furthermore, it is possible to configure the electronic cooling element so that multiple sheets are stacked, such as two sheets, to provide more efficient and sufficient cooling for the user.
更には、前述の結露で生じる水分をドレインホースでマスクの内側から外側に排出するとともに、外側に具備される電子部品などで構成される熱交換部の放熱部にドレインホースなどにより排出された結露に伴う水分を流入させることで、放熱部上で前記水分を蒸散させることにより、外側の放熱効率を改善させることにより本発明のマスクにおける全体的な冷却性能の改善を行ってもよい。 Furthermore, the moisture resulting from the condensation described above can be discharged from the inside of the mask to the outside using a drain hose, and the moisture from the condensation discharged by the drain hose or the like can be made to flow into the heat dissipation section of the heat exchanger section, which is composed of electronic components or the like provided on the outside, thereby evaporating the moisture on the heat dissipation section, thereby improving the heat dissipation efficiency on the outside and improving the overall cooling performance of the mask of the present invention.
更には、半導体冷却素子1004を挟む形で構成された冷却部と廃熱部の熱交換部の構造を図5のように内側から外側へ向けたドレインホース5001を用いて、熱交換部品の内側冷却面で結露した水分をマスク外側蒸散廃熱部5002に流すことで、結露水分の蒸散に伴う気化熱としての吸熱により廃熱効率をより改善することができるように構成することも可能である。
Furthermore, the heat exchanger structure of the cooling section and waste heat section, which are configured by sandwiching the
更に、本発明におけるフィルタ部3002を任意の固定手段を用いてPM2.5対応やN95相当に交換可能とすることで利用目的に応じて性能を変化させたり、クーラー固定具1002部分にスプリングやラチェット機構などで取外し可能な機能を具備する固定機構を備えさせることによって電動ファン部や電動ファン付き冷却部1001を取り外し可能としたりすることで、本発明による製品の洗浄をより容易に行ったりすることができるようにしてもよい。
Furthermore, the
更に、マスクフィルタやマスク製品の口腔よりの内側、例えばマスク外側の部品とフィルタの間やフィルタの内側、マスクにフィルタを固定するためのパーツの内側などの音を拾いやすい任意の場所にマイクを、マスク外側にスピーカを具備し、マスク内の声を外部に伝達したり、マイクで拾った音声信号とスピーカやイヤホンと連携した無線通信機能(より具体的にはWi-FiやBluetoothなど※登録商標含む)によって遠隔通話を実現したりしてもよく、マイク内で得た音声にボイスチェンジャーやイコライザー、ノイズキャンセラのような音及び若しくは音質を変化・改善させる回路やプログラムを通して、図4の4011、4012、4013といった部品構成により外部に聞こえる音声を最適に構成したり、ノイズリダクションを行ったりしてもよい。 Furthermore, a microphone may be provided in any location that is easy to pick up sound, such as the inside of the mask filter or mask product closer to the mouth, for example, between the parts on the outside of the mask and the filter, the inside of the filter, or the inside of the parts for fixing the filter to the mask, and a speaker may be provided on the outside of the mask to transmit voices inside the mask to the outside, or remote calls may be realized using wireless communication functions (more specifically, Wi-Fi, Bluetooth, etc. *including registered trademarks) linked to the voice signal picked up by the microphone and a speaker or earphones. The voice audible to the outside may be optimized or noise reduction may be performed using a component configuration such as 4011, 4012, and 4013 in Figure 4 through circuits or programs that change or improve the sound and/or quality of the voice obtained through the microphone, such as a voice changer, equalizer, or noise canceller.
そして、このような機能をマスクに具備することにより、隔離状態の患者に本マスクを提供することで、患者との音声コミュニケーションの改善及び若しくは円滑化を図ることが可能となる。加えて、スマートフォンとの連動をするように構成してもよい。更には、電源供給用のUSB接続にデータリンク機能を持たせ、Bluetooth(登録商標)やWi-Fi(登録商標)などのコンピュートモジュールを外部に持たせたり、バッテリーと合わせて持たせたりするように構成してもよい。 By providing the mask with such functions to patients in an isolated state, it is possible to improve and/or facilitate voice communication with the patient. In addition, the mask may be configured to link with a smartphone. Furthermore, the USB connection for power supply may be provided with a data link function, and a compute module such as Bluetooth (registered trademark) or Wi-Fi (registered trademark) may be provided externally or together with a battery.
更に、電子的殺菌デバイス(イオンやプラズマクラスタ、金属イオン発生器、オゾン発生器、次亜塩素酸などの発生器類※登録商標含む)により、吸気や呼気の殺菌を行えるように構成してもよい。そのような消毒された空気が適切に循環するように電動ファンを具備したり、前述のごとくマスク内が適切な陽圧になるような電動ファンを具備したり、排気性を高めるファンを具備するようにしてもよいし、湿度による雑菌の増加を回避するためにマスクに用いる部品類に抗菌処理を行ってもよい。このような電子殺菌デバイス類は、例えば排気弁側に持たせることで、患者の呼気をできるだけ消毒する構造にすることにより、患者からの呼気による感染リスクを低減するように構成してもよい。 Furthermore, the mask may be configured to sterilize inhaled and exhaled air using an electronic sterilization device (including ion, plasma cluster, metal ion generator, ozone generator, hypochlorous acid generator, etc. *registered trademarks). An electric fan may be provided to properly circulate such sterilized air, an electric fan may be provided to create an appropriate positive pressure inside the mask as described above, or a fan may be provided to improve exhaust performance, and the components used in the mask may be antibacterial treated to prevent the increase of germs due to humidity. Such electronic sterilization devices may be provided, for example, on the exhaust valve side, to reduce the risk of infection from the patient's exhaled air by creating a structure that sterilizes the patient's exhaled air as much as possible.
更には、太陽電池を用いることで、屋外などにおける使用中同時充電を可能としたり、電子熱交換部品の外側に液冷用の熱交換媒体循環部を更に備えることで冷却構造を二重化といった多重化構造を用いることで、核燃料再処理炉などで用いられるような二重媒体冷却構造での高温度熱交換効率化を実現したりすることも可能である。この二重媒体は、電子熱交換素子から液冷却やガス冷却の構造、電子熱交換素子からガス冷却、さらに加えて液冷却を行うような三重化などの多次冷却構成で実現されてもよい。なお、電源としてのバッテリーは内蔵しても、優先無線を問わず外部配線接続であっても、任意の方法で実装することが可能である。 Furthermore, by using solar cells, it is possible to charge the device while it is in use outdoors, or by using a multiplexed structure such as a double cooling structure by further providing a heat exchange medium circulating section for liquid cooling on the outside of the electronic heat exchange component, it is possible to achieve high-temperature heat exchange efficiency in a dual medium cooling structure such as that used in nuclear fuel reprocessing reactors. This dual medium may be realized by a multi-stage cooling configuration such as a liquid cooling or gas cooling structure from the electronic heat exchange element, or a triplex structure in which gas cooling from the electronic heat exchange element is performed in addition to liquid cooling. The battery as the power source can be built-in or can be implemented in any way, whether it is connected via external wiring regardless of priority wireless.
更に図6の(a)及び(b)によれば、吸気部孔6001からファンなどで吸引した空気を冷却部6002の櫛状冷却部を経由して排気部孔6003からファンなどで排気する構造とし、フィルタを別途6004などの固定具で冷却部などを覆うように固定するなどといった方法で、呼吸におけるフィルタ処理されている空気と強制循環されている空気とを分離することにより、利用者が罹患している場合であっても細菌類やウィルスなどが外排気されないように構成することもできる。もちろん、吸排気孔が無く強制的なファンによる強制循環なしでも、本発明の構成は実施可能と考えてもらいたいし、吸排気孔なしで、かつ、排気弁の無い状態での実施も可能であると考えてもらいたい。
Furthermore, according to (a) and (b) of FIG. 6, the air sucked in from the intake hole 6001 by a fan or the like passes through the comb-shaped cooling part of the
また、吸排気ファンとして記載されている仕様を両方とも吸気のみにしたり、排気のみにしたりする構成であってもよいし、マスク外装部としてのクーラー付きマスク(1001・3009)と交換可能な内側フィルタ部(3002)との間に冷却部3001が構成されていることは、冷却部がフィルタ部に対して非侵襲であるため、フィルタと冷却部の隙間などを考慮する必要がなくなるためフィルタ交換に影響を与えず、フィルタ交換を容易にするとともにマスクの安全性を担保・維持できる構成となるので、本発明の利用時において好ましい構造となると考えて良い。なお、吸排気孔の穴は必ずしも必要なわけではない。
In addition, the specifications described as an intake and exhaust fan may be configured so that both are intake only or exhaust only, and the
更には、図7のようにいくつかのバリエーションが考えられ、(a)であれば専用のフィルタを用いずに通常の市販マスク(7001)を内側のフィルタとして用いることによりフィルタ部を容易に調達できるようにしたり、(b)であれば、冷却部をマスクの内側に金属などの高熱伝導率の部品を用いて延長させた口部周辺冷却部品(7002)を装備することで、体表冷却部品としての口部周辺冷却部品を具備し、体表をじかに冷却することを可能とし、マスク装着時の冷感を改善したりすることも可能である。更には前述の口部周辺冷却部品をメッシュ状のパネルにすることで呼吸用の隙間面積を確保したり、半導体冷却部品からパイプ状の冷媒循環部品を用いて口唇部周辺を直接冷却したりすることも可能である。
Furthermore, as shown in Fig. 7, several variations are possible, such as (a) using a normal commercially available mask (7001) as the inner filter without using a dedicated filter, making it easy to obtain the filter part, and (b) equipping the mouth area cooling part (7002) that extends the cooling part to the inside of the mask using a part with high thermal conductivity such as metal, providing the mouth area cooling part as a body surface cooling part, making it possible to directly cool the body surface and improve the feeling of coolness when wearing the mask. Furthermore, it is also possible to secure a gap area for breathing by making the mouth area cooling part a mesh panel, or to directly cool the area around the lips using a pipe-shaped refrigerant circulating part from the semiconductor cooling part.
呼吸に伴う廃熱を阻害する要因となるマスク内の気体の温度を下げるために、接触面積を広げた櫛状の冷却部を備えることにより、十分冷却することを可能とし、夏季の口腔・鼻腔部に用いるマスクによる体温上昇を回避することで、熱射病や熱中症といった健康面での問題が生じないように配慮できるとともにフィルタ素材の性能によってはサージカルマスクレベルの電動電子冷却マスクを実現し、コロナなどのウィルス環境下であっても人の活動・運動環境をより快適化することが期待できるとともに電気回路を構成可能とすることで従来では、なしえなかった遠隔通話などが可能な利便性と安全性の高いマスクを実現することができる。更には、太陽電池を用いることで、屋外などにおける使用中同時充電を可能としたり、電子熱交換部品の外側に液冷用の熱交換媒体循環部を更に備えることで冷却構造を二重化するといった任意の多重化構造を用いることで、核燃料再処理炉などで用いられるような二重媒体冷却構造での高温度熱交換効率化を実現したりすることも可能である。また、呼気に対する電子消毒デバイスにより呼気を無毒化するように構成されていてもよい。
In order to lower the temperature of the gas inside the mask, which is a factor that inhibits waste heat associated with breathing, a comb-shaped cooling part with an expanded contact area is provided, making it possible to sufficiently cool the mask, and by avoiding the rise in body temperature caused by a mask used in the oral and nasal cavities in summer, it is possible to take care not to cause health problems such as heatstroke and heat stroke. Depending on the performance of the filter material, an electric electronic cooling mask at the level of a surgical mask can be realized, and it is expected that the environment for people's activities and exercise can be made more comfortable even in a virus environment such as corona. In addition, by making it possible to configure an electric circuit, it is possible to realize a mask with high convenience and safety that allows remote calls that were not possible in the past. Furthermore, by using a solar cell, it is possible to charge the mask while using it outdoors, and by using an arbitrary multiplexing structure such as further providing a heat exchange medium circulation part for liquid cooling on the outside of the electronic heat exchange component to double the cooling structure, it is also possible to realize high-temperature heat exchange efficiency in a dual medium cooling structure such as that used in nuclear fuel reprocessing reactors. In addition, it may be configured to detoxify the breath by an electronic disinfection device for the breath.
1000 クーラー付きマスク外側
1001 電動ファン付き電子クーラー
1002 クーラー付きマスク固定具
1003 電子クーラー電源ケーブル
1004 半導体冷却素子
3000 クーラー付きマスク内側
3001 クーラー付きマスク内側櫛状熱交換部
3002 クーラー付きマスク内側防塵・防疫フィルタ
3003 排気弁
4000 フェイスライン
4011 マイク部
4012 スピーカ部
4013 コンピュータ及びWiFi部
5001 ドレインホース
5002 マスク外側蒸散廃熱部
6001 吸気部孔
6002 電子冷却部
6003 排気部孔
6004 フィルタ固定具
7001 市販マスク
7002 口部周辺冷却部品
1000: Outside of mask with cooler 1001: Electronic cooler with electric fan 1002: Fixing device for mask with cooler 1003: Power cable for electronic cooler 1004: Semiconductor cooling element 3000: Inside of mask with cooler 3001: Comb-shaped heat exchanger part inside mask with cooler 3002: Dustproof and disease-prevention filter inside mask with cooler 3003: Exhaust valve 4000: Face line 4011: Microphone part 4012: Speaker part 4013: Computer and Wi-Fi part 5001: Drain hose 5002: Outside of mask, transpiration heat dissipation part 6001: Intake hole 6002: Electronic cooling part 6003: Exhaust hole 6004: Filter fixing device 7001: Commercially available mask 7002: Cooling part around mouth
Claims (2)
健康を維持するための呼吸安全に用いる鼻腔及び口腔に用いるマスクであって、
マスクの内側とマスクの外側の熱交換を直接行う熱交換部品を具備し、
前記熱交換部品の内側に具備された冷却部において、
呼吸における呼気がマスク内に体温の影響を受けた状態で残存し、
残存した体温の影響下にある呼気を前記冷却部で冷却することにより、
体温を帯びたままの呼気の再吸引を回避する構造で構成されるとともに、
前記マスクの内側に具備される櫛状及び若しくは柱状に林立した熱交換部品を、
鼻孔下及び口唇前部における身体とマスクとの隙間空間に具備することを特徴とする、
鼻腔及び口腔に用いる電子冷却マスク
In the field of everyday protection products,
A mask for use in the nasal and oral cavity for respiratory safety to maintain health,
The mask is provided with a heat exchanger that directly exchanges heat between the inside and outside of the mask.
In the cooling section provided inside the heat exchange component,
The air you breathe remains in the mask under the influence of body heat.
By cooling the exhaled air under the influence of the remaining body temperature with the cooling unit,
It is constructed to prevent the re-inhalation of exhaled air while still warm,
The heat exchange parts provided inside the mask are arranged in a comb-like and/or column-like shape,
It is characterized by being provided in the gap space between the body and the mask under the nostrils and in front of the lips,
Electronic cooling mask for nasal and oral cavity
健康を維持するための呼吸安全に用いる鼻腔及び口腔に用いるマスクであって、
外側のマスク部と内側のフィルター部の間に、
櫛状をはじめとする任意の凹凸のある熱交換部を、
具備することを特徴とする、
鼻腔及び口腔に用いる電子冷却マスク
A mask according to claim 1 in the technical field of everyday protective products,
A mask for use in the nasal and oral cavity for respiratory safety to maintain health,
Between the outer mask part and the inner filter part,
The heat exchanger can be made with any irregularities, including comb-like.
The present invention is characterized by comprising:
Electronic cooling mask for nasal and oral cavity
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