IOSH98-H510

呼吸防護具呼氣閥性能測試方法探討

Study on the Test Method of Respirator Exhaust Value

行政院勞工委員會勞工安全衛生研究所

IOSH98-H510

呼吸防護具呼氣閥性能測試方法探討

Study on the Test Method of Respirator Exhaust Value

研究主持人：陳春萬 研究員 研究期間：中華民國 98 年 4 月至 98 年 12 月

中華民國 99 年 2 月 行政院勞工委員會勞工安全衛生研究所

i

摘 要 目前呼吸防護具呼氣閥的性能測試標準主要是依據澳洲（AS/NZS 1716-1994）與

美國（42 CFR part 84）的規範，兩者都規定在 25 mmH2O 的負壓條件之下，呼氣閥的

氣體洩漏率必須小於 30 ml/min。然而，固定吸引壓力的測試方式與呼吸防護具在實

際使用時的動態循環變化並不相同，因此，在本研究中藉著設計、組裝一套動態測試

系統，以評估在動態下的呼氣閥之性能，並與靜態洩漏測試系統的結果作一比較。

研究中所使用的動態系統包括一個活塞式的呼吸模擬器、氣膠微粒測試腔、乾淨

空氣補充系統、壓力轉換器、以及微粒計數器，而受測試的呼氣閥也利用靜態測試系

統量測其靜態洩漏率。進行動態洩漏測試時，使用 TSI 3076 定量輸出霧化器產生粒徑

約 0.3 微米的多粒徑分佈測試微粒，並分別使用 TSI 3010 與 TSI 3022CPC 量測呼氣閥

下游與上游的微粒濃度，而在測試過程中，呼氣閥下游的壓力變化則使用一個經過斜

背式壓力計校正過之壓力轉換器進行監測。另外，在進行動態微粒負載測試時，分別

利用 TSI 3076 產生固態（potassium sodium tartrate）或液態（oleic acid）次微米粒徑

微粒以及 Palas 粉體分散器（Palas powder disperser, RGB 1000）產生 10 微米粒徑之壓

克力微粒（polymethyl methacrylate）。

研究結果發現，呼氣閥靜態與動態洩漏測試結果之間有非常高的相關性

（R2=0.98），換句話說，靜態測試的結果是可以做為呼氣閥在動態運作模式下洩漏情

況的指標。雖然，動態測試系統比較具有多方面的用途，而且是改善或研發新型呼氣

閥的重要工具，但是卻有造價昂貴、操作耗費時間與人力等缺點。其次，研究結果也

顯示，閥片平整度的不同將造成呼氣閥洩漏率隨著負壓的增加而有上升或下降的不同

趨勢，因此現行的呼氣閥靜態洩漏率測試方法應該再增加一個負壓較小的測試條件

（>-25mmH2O），以更全面性地確保呼氣閥的性能。

摘要：呼氣閥、呼氣閥洩漏率、呼氣閥動態測試

ii

Abstract

Certification test currently employed by USA and Australia requires leakage into new exhalation valves should not exceed 30 mL/min at a constant suction head of 25 mmH2O. This static test method is simple and easy to use. However, the constant vacuum in respirator is different from the cyclic flow. Therefore, a dynamic leakage test system was designed, built and used to evaluate the performance of exhalation valve, and the results were compared with that of static leakage test method.

In this work, the dynamic system was composed of a piston-cylinder breathing simulator, an aerosol chamber, a clean air supply system, a pressure transducer, and a particle counter. Exhalation valves tested using the dynamic system, were also used in static system. For dynamic leakage test, the TSI 3076 constant output nebulizer was used to generate aerosol particles around 0.3 μm. Two condensation particle counters, TSI 3010 and TSI 3022, were used to measure the aerosol number concentrations inside and outside the respirator, respectively. Pressure drop within the respirator cavity was monitored by using a pressure transducer which was calibrated by an inclined manometer. For aerosol loading effect on the valve performance, submicrometer-sized polydisperse liquid oleic acid and/or solid potassium sodium tartrate aerosol particles were generated using the TSI 3076 nebulizer. The Palas powder dispersor (RGB 1000) was used to generate 10 μm-sized PMMA (Polymethyl Methacrylate) particles.

The results showed that the aerosol penetration through exhalation valve into respirator cavity correlated quite well (r2=0.98) with the leakage rate measured by the static leakage test meter. Therefore, the static leak test is predictive of exhalation valves leakage during dynamic flow conditions. Although dynamic test is more versatile and can help develop new design of exhalation valve, it is expensive, lengthy, and time-consuming. Moreover, the results also showed that the leakage rate could increase or decrease with increasing pressure drop, depending on the surface properties of the valve membrane. These observations led to the recommendation that the current test regulation on exhalation valves might have to be modified to cover a suitable range of suction heads, in order to assure that the leakage rate did not exceed 30 ml/ �min under a pressure drop

iii

目錄 摘 要 ....................................................................................................................................... i

Abstract .................................................................................................................................... ii

目錄 ......................................................................................................................................... iii

圖目錄 ..................................................................................................................................... iv

表目錄 ..................................................................................................................................... vi

第一章 計畫概述 .................................................................................................................... 1

第一節 緣起 ........................................................................................................................ 1

第二節 目的及工作項目 .................................................................................................... 4

第二章 實施方法與步驟 ........................................................................................................ 6

第一節 靜態呼氣閥洩漏測試系統建立 ............................................................................ 6

第二節 動態測試系統的建立 ............................................................................................ 6

第三節 氣膠產生裝置 ........................................................................................................ 8

第四節 氣膠量測儀器 ........................................................................................................ 8

第五節 壓力量測儀器 ........................................................................................................ 8

第六節 呼氣閥收集和實驗方法 ........................................................................................ 8

第七節 實驗儀器 ................................................................................................................ 9

第八節 系統中各氣流率的量測與控制 .......................................................................... 10

第三章 結果與討論 .............................................................................................................. 11

第一節 靜態呼氣閥洩漏測試系統建立 .......................................................................... 11

第二節 影響呼氣閥靜態洩漏因素測試 .......................................................................... 13

第三節 動態測試系統之建立與性能測試 ...................................................................... 18

第四節 靜態和動態洩漏結果比較 .................................................................................. 23

第五節 微粒負載測試 ...................................................................................................... 29

第四章 結論與建議 ............................................................................................................ 35

誌謝 ........................................................................................................................................ 37

參考文獻 ................................................................................................................................ 38

iv

圖目錄

圖 1 靜態洩漏系統圖（AS/NZS 1716：2003） .................................................................. 6

圖 2 動態洩漏系統設計圖 ..................................................................................................... 7

圖 3 靜態呼氣閥洩漏測試系統照片 ..................................................................................... 12

圖 4 靜態呼氣閥洩漏率測試系統細部說明 ......................................................................... 12

圖 5 呼氣閥在不同負壓下的靜態洩漏率 ............................................................................. 13

圖 6 S1 呼氣閥效能改善實例................................................................................................ 14

圖 7 S1 呼氣閥改善前、後靜態洩漏率測試結果................................................................ 14

圖 8 呼氣閥靜態洩漏率的兩種模式 ..................................................................................... 15

圖 9 不同的擺設方位對呼氣閥靜態洩漏率之影響 ............................................................. 16

圖 10 閥片厚度和直徑與靜態洩漏率的關係 ....................................................................... 17

圖 11 閥片厚度和直徑與靜態洩漏率的關係(厚度為 0.31MM 以上) ................................ 17

圖 12 閥片直徑與厚度組合下形變的狀態與靜態洩漏率 ................................................... 18

圖 13 動態呼氣閥洩漏測試系統照片 ................................................................................... 19

圖 14 動態測試系統中 2 個球閥裝置照片 ........................................................................... 19

圖 15 動態系統 8 個小時連續操作之穩定性測試結果 ....................................................... 20

圖 16 修改後的動態測試系統照片 ....................................................................................... 21

圖 17 修改後的動態測試系統穩定性測試 ........................................................................... 21

圖 18 市售 CPC 採樣流率受入口壓力變化率的影響 ......................................................... 22

圖 19 動態系統管路的洩漏測試結果 ................................................................................... 23

圖 20 平均動態洩漏率（PAD）的定義與計算方式 ............................................................. 24

圖 21 動態洩漏測試之壓力條件 ........................................................................................... 25

圖 22 呼氣閥之靜態洩漏率與平均動態穿透率的比較 ....................................................... 26

圖 23 呼氣閥動態洩漏率之兩種計算方式 ........................................................................... 27

圖 24 相同的呼氣閥之 PAD、LSTATIC、LAEROSOL 的比較....................................................... 27

圖 25 總流率和空氣平均動態洩漏率的關係 ....................................................................... 28

圖 26 相同的潮氣容積與吸氣負壓值下不同呼吸頻率之動態洩漏率 ............................... 28

圖 27 呼氣閥微粒負載測前的 2 次空白測試結果 ............................................................... 29

圖 28 10 微米壓克力微粒負載測試吸氣最大壓降變化情形 .............................................. 30

圖 29 壓克力微粒沉積在呼氣閥上之照片 ........................................................................... 31

v

圖 30 人為加工微粒負載模擬測試 ....................................................................................... 31

圖 31 固態微粒負載下氣膠平均動態穿透率的變化 ........................................................... 32

圖 32 液態微粒負載下氣膠平均動態穿透率的變化 ........................................................... 33

圖 33 混合微粒負載下氣膠平均動態穿透率的變化 ........................................................... 33

vi

表目錄

表 1 負載測試微粒種類與粒徑分佈特性 ............................................................................... 29

表 2 負載測試前、後呼氣閥靜態洩漏率值 ........................................................................... 34

1

第一章 計畫概述

第一節 緣起

呼吸防護具雖然是危害預防的最後一道防線，由於其具有使用方便、價錢

便宜（相較於工程改善費用）等優點，因此在一些緊急或臨時性的作業或是當

工程改善與行政管理無法有效地將污染物濃度控制在作業人員可接受的暴露限

值以下時，呼吸防護具即成為保護作業人員的主要手段。在一些濕熱或通風較

差的工作場所或勞動量較大的工作環境，配戴呼吸防護具時的悶熱感經常是人

員配戴意願低落的主要原因，而呼氣閥的運用則可以迅速將面體內高溫、高濕

的呼氣排出，減少呼吸防護具面體內部熱氣的累積，使呼氣時更感舒適。目前

市售呼吸防護具從最簡易的拋棄式防塵口罩到全面體面罩上都可裝配有呼氣

閥，對於等級越高的負壓式呼吸防護具其所產生的呼吸阻抗較高，因此越需要

依賴呼氣閥來降低配戴時的不舒適感，如此一來，呼氣閥的性能就必須隨著呼

吸防護具的等級越高而有越嚴格的要求。

一個合格的呼吸防護具必須能夠有效地降低污染物被配戴人員吸入的機

會，根據過去的經驗與文獻[1]指出，在配戴呼吸防護具時，空氣污染物主要可

透過三個途徑進到面體內，而依其貢獻大小的順序分別為：流經濾材、面體不

密合處、以及呼氣閥的洩漏，過去的文獻也分別針對上述的洩漏源進行探討：

在兩篇研究中[2, 3]指出，當使用一個不具有呼氣閥的呼吸防護具時，在正

確配戴的前提之下，面體內污染物濃度的高低僅與濾材的效率有關，以 N95 等

級（效率需達 95％以上）的濾材為例，空氣中污染物經由濾材進入面體內的濃

度值將低於環境中濃度的 5％。其他的研究也提到呼吸防護具使用者主要的暴

露來源為濾材洩漏和臉部不密合的洩漏[4]。其中微粒粒徑和流過濾材的氣體流

率是影響濾材洩漏量的主要因素；而決定臉部不密合洩漏量的主要因素為微粒

粒徑，而呼吸防護具在使用時面體內外所產生的壓力差則是次要影響因子。

由於粒狀污染物的過濾原理及其負載特性多年來已經累積有相當文獻資

料，再加上材料科學以及製造技術的進步，相較於過去傳統的機械式濾材，目

前用於呼吸防護具的濾材在比較低的空氣阻抗下同樣可以達到 HEPA（high

2

efficiency particular air filter）等級（對於最易穿透粒徑微粒至少達到 99.97%以

上的過濾效率），換句話說，濾材的洩漏量是可以被有效地控制。也由於有大

量的研究作為基礎，所以呼吸防護具在濾材性能的測試規範上相對的就比較嚴

謹。儘管各國在制訂相關的測試標準有不同的考量，但是對於影響濾材性能的

主要測試條件包括微粒粒徑、測試流率、壓降大小和微粒負載等的規範卻是一

致的，因此單就捕集效率而言，只要是取得檢驗合格的濾材，其本身在使用時

的洩漏量應可獲得相當的保障。然而，就單一纖維理論而言，增加濾材效率的

方法不外乎是增加濾材的厚度與填充密度或是減小濾材纖維的直徑，而這些改

變卻也同時增加濾材的空氣阻抗，因此有研究指出：當濾材的過濾效能提升

時，其所形成的高空氣阻抗會迫使程載著污染物的氣體分子流往其他阻抗較小

的洩漏如不密合處[2, 4]。所以對於呼吸防護具的等級要求越高時，濾材以外的

其他洩漏來源就越顯得重要。甚至有研究指出[5]，儘管只是拋棄式防塵口罩，

其在使用時面體內污染物的主要來源就有可能是不密合處洩漏而不是濾材洩

漏。換言之，密合度測試在呼吸防護具使用上是具有重要的意義[6]。

美國 OSHA（Occupational Safety and Health Administration）對於呼氣防護

具密合度測試有相當嚴謹的規範，也要求每一個呼吸防護具使用者都必須通過

密合度測試。因此當使用一個配備高效率濾材的呼吸防護具，且在通過密合度

測試的狀況下，理論上應可以提供很高的保護係數，但根據先前所述之壓力與

氣流重分配的觀點，此時呼吸防護具上呼氣閥的洩漏就會被突顯出來[7-9]。

呼氣閥的作用原理是呼氣時靠排出氣體的正壓將閥片吹開，以迅速將體內

廢氣排出，而吸氣時的負壓會自動將閥片緊閉，以避免吸進外界環境的污染

物。如前所述，雖然污染物經由一個良好的呼氣閥洩漏到面體之中的貢獻量相

較於其他兩個途徑雖然是最少的，但是在使用的過程中，一些狀況如微粒負

載、極端的側風條件、呼氣閥在製造時的缺陷、或是使用過程中材質的老化時

都有可能會造成呼氣閥膜片與閥座無法密合，而使得洩漏率顯著地增加。過去

的一些相關研究顯示[1, 7]，功能正常的呼氣閥其初始的靜態洩漏率是相當低，

然而呼氣閥是很容易受損壞的部份，而且一但損壞之後將造成顯著的洩漏[7]。

因此，一個好的呼氣閥設計以及嚴謹的測試規範是確保高等級呼吸防護具性能

3

的重要關鍵。

目前在呼氣閥洩漏量的測試規範以美國標準 42CFR part 84 以及紐西蘭和澳

州標準 AS/NZS 1716–2003 為主，而這兩種標準基本上屬於靜態的測試，規定新

的呼氣閥在 25 毫米水柱的壓力抽引下，每分鐘空氣的洩漏量不能超過 30 毫

升。至於歐洲所使用的方法並不特別針對呼氣閥做洩漏的測試而是使用總洩漏

（Total Inward Leakage, EN 13274-1）作為指標。然而靜態的呼氣閥洩漏測試，

與實際呼吸防護具在使用時的呼氣閥動態的閉合狀態並不相同，因此兩者之間

可能會有差異。

Burgess and Anderson [1] 曾經進行呼氣閥動態與靜態的洩漏研究。結果顯

示使用過的呼氣閥其洩漏率比新的呼氣閥來的低且不同廠牌的呼氣閥其洩漏特

性都不太相同，Burgess 認為動態測試的方法需要花大量時間，因此應發展相關

性高的靜態測試方法來測試呼氣閥的效能，不過從他同時監測呼氣閥的從 1.5

毫米水柱壓力逸失成 1 毫米水柱所需時間的結果與動態洩漏的相關性並不理

想。隨後 Bellin and Hinds [7] 在 1990 年研究呼氣閥動態和靜態洩漏的差異以及

其他變項對於呼氣閥洩漏的影響。結果顯示微粒粒徑和呼氣閥的洩漏有很大的

關係。Bellin 認為若是呼氣閥受到扭曲或損壞，會造成呼吸防護具有相當大的洩

漏，並且認為現行的靜態測試不能準確地反應出呼氣閥潛在的洩漏情形。

Brosseau et al. [11] 的研究指出不同的污染物會影響靜態測試和動態測試間的相

關性，且動態測試的洩漏量也大於靜態測試的洩漏量。文中作者指出呼氣閥在

動態的情況使用下，容易使得呼氣閥產生損壞而造成大量洩漏的產生。因此作

者認為評估呼氣閥的使用壽命週期的方法也應該被建立出來。而 Nelson et al. [8]

的研究認為靜態測試的洩漏並不能作為動態洩漏的指標，並且認為靜態測試的

方法是不公平的，因為它不能判別呼氣閥的損壞是在使用期間還是使用後形成

的。最近的一篇研究發現呼氣閥的洩漏量隨著負壓程度的大小有兩種截然不同

的趨勢，一種隨著壓降增加而洩漏增加，而另一種隨著壓降增加而洩漏減少，

顯示呼氣閥膜片與閥座的關係並不是想像中的簡單[12]。而先前的研究認為呼吸

防護具在高壓降的情況下使用會造成較高的洩漏的說法並不完全正確，此結果

點出了現有規範只測量壓降 25 毫米水柱下的洩漏情形並不嚴謹[1]。至於閥蓋方

4

面，過去的研究[13]指出有學者曾利用動態測試的方法進行研究，結果發現有閥

蓋的呼氣閥，其動態洩漏率會小於沒有蓋子的情況下，但是兩者的洩漏率都小

於 0.04%，除了再次顯示呼氣閥在運作良好的情況下，其洩漏率是相當低的之

外，也顯示閥蓋在設計上對於呼氣閥整體性能的改善上仍有操作的空間。

除了上述許多探討靜態測試的方法和實際使用的動態情形不同之外，現有

規範也沒有考慮到呼氣閥負載的情形。Brosseau et al[9]針對兩種微粒粒徑

（0.3、0.8 μm）以及兩種工作負荷量（415、622 kg-m/min）探討呼氣閥連續 8

小時操作的洩漏特性，研究結果指出較大粒徑的微粒有較大穿透率，不過對於

呼氣閥負載量和洩漏的特性之間的關係就沒有深入的探討。其次 Brosseau 認為

呼氣閥經過一段時間使用過後，靜態測試的方法對於微粒穿透呼氣閥的行為有

不錯的指標性，亦即靜態測試能有效低的偵測出呼氣閥是否有所損壞，不過在

實際執行上卻顯得窒礙難行。

第二節 目的及工作項目

過去有關呼吸防護具效能的研究大部分都是針對濾材進行評估與改善，而

本研究的目的則是針對呼吸防護具上的呼氣閥進行性能的評估與改善。研究中

先依據現行之測試標準建立呼氣閥測試系統，除了評估各類呼氣閥之性能以及

主要的影響因子之外，也進一步檢討現行標準可能潛在的問題並提出因應的建

議方法。其次，由於現行之測試方法屬於靜態的測試，為了模擬呼氣閥在實際

運作時的性能，研究中建立動態的測試系統，透過兩種測試系統的比較，以了

解靜態與動態呼氣閥測試方法與結果的差異。另外微粒負載對濾材性能的影響

過去也是研究的主軸之一，因此，本計畫也探討當呼氣閥上有微粒負載時在性

能上有何差異，而這一部份是靜態測試無法執行的項目之一。研究結果除了作

為呼氣閥性能改善的依據之外，也可提供呼吸防護具使用管理策略制訂時的參

考。實際進行項目有：

1. 建立靜態呼氣閥測試系統，測試影響因素。

2. 建立動態呼氣閥測試系統，測試影響因素。

5

3. 呼氣閥靜態與動態測試結果比較。

4. 探討呼氣閥受微粒負載之影響。

6

第二章 實施方法與步驟

第一節 靜態呼氣閥洩漏測試系統建立

研究中主要依據 AS/NZS 1716：2003 標準建立呼氣閥的靜態測試系統，圖 1 即是

該標準中所建議之裝置。其中包括一個直徑為 125mm 高度為 250mm 的圓桶本體以及

一個 30ml 的氣體收集裝置。在圓桶本體上方有 A、B、C、D 等四個連接管路，其中

A 與抽器幫浦連接，藉著調節閥控制抽氣的流率以調整負壓的大小；B 的一端與大氣

相通，另一端則沒入水中，其沒入水中的深度則與本體內能夠維持的負壓值大小有

關；C 則是連接到測試呼氣閥；而本體內部氣體收集裝置所收集的氣體則可由 D 排

空。

圖 1 靜態洩漏系統圖（AS/NZS 1716：2003）

第二節 動態測試系統的建立

動態系統如圖 2 所示，系統主要分成三個部份，第一部分是模擬呼吸防護具外環

境的垂直管道，包含高壓空氣源頭、氣膠產生裝置和排放口；第二部份是模擬呼吸防

7

護具實際配戴時的裝置，包含呼氣閥、模擬從濾材進來的乾淨空氣的管道，在管道口

使用一個球閥可以控制乾淨空氣進來的量進而改變呼吸防護具內壓力的變化、模擬呼

吸防護具內體積的空腔（cavity）和呼吸模擬器；第三部份是測量用的儀器，包含紀

錄壓力變化的壓力轉換器（Pressure Transducer）和量測微粒數目的凝結核微粒計數器

（Condensed Particle Counter, CPC）。

Clean air

Aerosol generator Neutralizer

Dryer

Exhaust

Breathing simulator

Ball valve

Exhaust

ΔP

ExhalationValve

Aerosolspectrometer

or counter

圖 2 動態洩漏系統設計圖

在呼氣閥的動態測試的相關研究中。過去研究[1, 7]所使用的研究方法是讓呼氣閥

在動態測試下進行一段時間，在呼氣閥後面使用濾紙收集微粒，所以所得的微粒濃度

是一段時間洩漏的平均值，然而本研究中所使用的動態測試方法是用 CPC 去即時的

量測，量測資料的頻率為 10Hz，因此可以得到即時的洩漏資料，有助於去瞭解呼氣

閥受到呼吸運動時洩漏的特性。Brosseau[9]的研究中所做的動態測試雖然在呼吸模擬

器部分加裝溼度產生器，用以模擬人體腔內的空氣濕度，但是 Burgess and Anderson[1]

研究結果指出呼氣閥在濕度較高的情況下其動態洩漏情況較小，因此在我們的研究中

為了考慮比較極端的狀況，所以是在相對溼度較低的條件下進行測試 (RH=10%)。

8

第三節 氣膠產生裝置

不同粒徑的微粒在呼吸道內各個部份沈積的效率不同，一般是使用最易穿透粒徑

進行測試。因此為了評估呼氣閥的最易穿透粒徑，氣膠的產生主要使用下面兩台儀器

來產生：定量輸出霧化器（Constant Output Atomizer, Model 3075, TSI Inc., St. Paul,

MN, U.S.A.）來產生次微米多粒徑的氣懸微粒（微粒粒徑小於 1 μm）；至於較大粒徑

範圍（微粒粒徑大於 1 μm）的微粒的產生方式，利用微粒分散及微量供給器( Solid

Particle Disperser, REG-1000, PALAS GmbH, Karlsruhe, Germany)

第四節 氣膠量測儀器

氣膠量測儀器會因為所要量測微粒的粒徑而有所不同。因此在量測氣膠產生源的

粒徑分佈時，會使用微粒電移動度掃瞄分徑器（Scanning Mobility Particle Sizer, SMPS,

Model 3934, TSI Inc.）和氣動微粒分徑器（Aerodynamic Particle Sizer, Aps, Model APS

3321, TSI Inc.）。SMPS 的粒徑量測範圍約在 0.005 μm 至 0.8 μm；APS 則涵蓋由 0.5

μm 至 20 μm。然而量測洩漏至呼氣閥內的氣膠則用凝結核計數器 （Condensed

Particle Counter, CPC, Model 3010, TSI Inc.）去量測微粒的數目濃度。

第五節 壓力量測儀器

呼吸模式下的壓力變化快速且會在正壓負壓之間變換，因此壓力轉換器要能夠

量測正壓和負壓。本實驗所使用的壓力轉換器為 Omega 的 Differential Pressure

Transmitter （Model PX653-2.5BD5V, Omega engineering, Inc., Stamford, USA）其壓

力量測範圍為正負二點五個英吋水柱(±2.5 inch-H2O)。壓力轉換器連接電腦需要數位

訊號擷取卡 (Analog signal transmitter, Model PCI-1710HG-A, Model PCLD-8710,

Advantech., Taipei, Taiwan），搭配軟體使用才能顯示壓力並且紀錄數據。

第六節 呼氣閥收集和實驗方法

靜態測試部分選擇了兩個廠牌的呼氣閥，呼氣閥代號分別為 S 廠和 J 廠。S 廠的

呼氣閥代號為 S，其中 J 廠有兩種款式的呼氣閥，分別稱為 Ja 和 Jb。然而動態測試的

部份只使用 Jb 的呼氣閥。進行靜態測試和動態測試的實驗時，分別選擇 Jb 呼氣閥四

9

到五個不同靜態洩漏率的閥來做實驗，洩漏率的範圍要有合格（小於 30 ml/min）以

及不合格（大於 30 ml/min）的洩漏量，較大洩漏率的呼氣閥為本研究所改造的，製

造閥片和閥座接觸的不平整的程度即可製造出不同洩漏率的呼氣閥

每一個呼氣閥都先進行靜態測試實驗，量測不同壓降下的洩漏率，每個壓降測量

五次取其平均作為洩漏率，量測完不同壓降下的洩漏率才進行動態洩漏的實驗。由於

本實驗的動態測試為即時偵測呼吸防護具內微粒的濃度，所以使用呼吸模擬一段時間

其洩漏率的平均作為呼氣閥的動態洩漏值，量測時間為一分鐘至五分鐘或至一小時，

依實際實驗的情況而做調整。動態測試除了可做呼氣閥定量的洩漏之外，也可從它即

時的濃度變化做定性的研究，進而了解呼氣閥洩漏的特性。呼氣閥的負載效應也和動

態洩漏實驗大同小異，將測試的時間拉長至數個小時或至一天，利用電腦記錄濃度和

壓力的關係來探討呼氣閥洩漏和負載的特性。

第七節 實驗儀器

（1）定量輸出霧化器（Constant Output Atomizer, Model 3075, TSI Inc.）：

定量輸出霧化器為一種多粒徑分佈的氣膠產生器。利用高壓空氣衝擊直徑

0.343 mm 的小孔（orifice）形成高速的空氣，根據白努利定律，速度快的空氣形成

壓力較小的區域使得壓力較大的溶液被抽起來，經過高速空氣打碎形成許多小的微

粒，經過九十度的轉彎被高壓空氣載送出去，形成一氣膠產生源。因為氣流有九十

度的轉彎，所以較大的顆粒會衝擊在壁上在流回溶液中。所產生的氣膠粒徑範圍約

為 10 到 1000 奈米，其產生的氣膠分佈和溶液所配製的不揮發性溶質濃度也有關。

（2）微粒分散及微量供給器 ( Solid Particle Disperser, REG-1000.)：

儀器內部有一微粒填充管(powder reservoir)，管徑依大小分為 7, 14, 28 mm，已

知微粒填充管徑下，填入微粒後，即可知填充管中所含有之挑戰氣膠固定體積與重

量，而於填充管下方有一粉塵推進器(transportation piston)，我們可調節其推進速度

(feed rate, mm/hour)控制粉塵在單位時間輸出的量，且粉塵由刷輪(brush)及固定之分

散空氣(dispersion air)送出，因此如固定粉塵推進速度、高壓空氣量，則測試腔內濃

度固定，而改變濃度時，改變粉塵推進速度或高壓空氣量即可。

（3） 凝結核微粒計數器（Condensation Particle Counter Model 3010, TSI Inc.）：

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凝結核微粒計數器主要用來量測次微米以下，空氣中微粒的數目濃度，其原理

是讓微粒通過有正丁醇飽和蒸氣的管子，在 37℃下與飽和正丁醇蒸汽混合，接著此

混合氣體通過一溫度為 10℃的冷凝區，使正丁醇凝結於微粒表面，微粒因此粒徑增

大至可偵測的範圍，再利用光偵測器可得知微粒的數目。市售 CPC 種類有很多，

其微粒數目濃度所能偵測的極限不同， CPC3010 所能偵測的範圍為 104

particles/cm3。

（4） 微粒電移動度掃瞄分徑器（Scanning Mobility Particle Sizer, Model 3934, TSI

Inc.）：

SMPS 包括靜電分徑儀（ Electrostatic Classifier Model 3080, TSI Inc.）和凝結核

微粒計數器（Condensation Particle Counter Model 3022A, TSI Inc.）兩個部分。靜電

分徑儀利用微粒電移動度的不同，來區分微粒的粒徑，利用靜電分徑儀分徑的特性

搭配凝結核微粒計數器計算微粒的數目濃度即可得到不同粒徑的濃度分佈。其偵測

的粒徑範圍約為 5 至 1000 奈米，微粒濃度量測最高值依據不同型號的 CPC 可以從

104~107 particles/cm3。

（5） 氣動微粒分徑器（Aerodynamic Particle Sizer , Model 3321 , TSI Inc.）：

氣動微粒分徑器主要用來量測微米粒徑的微粒濃度分佈，其測量原理是利用不

同粒徑的微粒經過一加速流場加速後產生不同的速度，計算其通過兩道雷射光之時

間（Time of Flight, TOF），而求得微粒的氣動粒徑。其所能測量的粒徑範圍在 0.5

~ 20 μm。

（6） 呼吸模擬器（breathing simulator, Model 607, Harvard apparatus）：

可用來模擬人的呼吸，可以調整呼吸的潮氣容積（tidal volume）和呼吸頻率，

因此可以模擬不同工作量之下的情況，潮氣容積最大可調整至 1000 ml，呼吸頻率

可到每分鐘四十次。

第八節 系統中各氣流率的量測與控制

為了增加實驗系統的穩定性，系統中所有的氣體流率均以質式流量控制器（Mass

Flow Controller, Hastings Instrument, Hampton, VA）來控制與監視，並以紅外線皂泡計

（Gilian Instrument Co. west caldcoell, Clearwater, Florida, USA）做流率的校正。

11

第三章 結果與討論

第一節 靜態呼氣閥洩漏測試系統建立

根據AS/NZS 1716：2003標準所設計、組裝完成的呼氣閥靜態洩漏測試系統實體

如圖3所示，細部的說明則參考圖4。主要的裝置包括：氣體收集裝置、抽器幫浦、壓

力錶與調節閥、呼氣閥holder、乾淨空氣實驗箱。氣體收集裝置本體為一直徑120

mm、高250 mm的壓克力圓桶，在圓筒內加入約1.5公升的水，使位於圓桶中央的集氣

玻璃管在充滿水的情況下，其下緣仍可沒入水中，玻璃管上劃有40ml體積刻度線，最

小刻度為1 ml。在每次測試結束之後，玻璃管內所收集的氣體可由其上方的針筒抽

除，同時讓玻璃管內的水位回到零點的位置。測試系統的另一端連接抽氣幫浦，在幫

浦之前裝設一個調節閥以調整系統所需要的負壓值，調節閥之前則有一除水裝置，用

來保護抽氣幫浦。由於呼氣閥並沒有統一的規格，因此需要針對不同的呼氣閥製作

holder，該holder以軟管連接至氣體收集裝置本體，再以不繡鋼管連接至氣體收集裝置

的正下方，因此，從呼氣閥所洩漏的氣體即可排入玻璃管內。Holder上有一個開口連

接至壓力計，用來監測呼氣閥下游的負壓值。雖然每次測試的時間並不長（約1～2分

鐘），但為了避免呼氣閥在測試過程中因為環境中微粒的沈積而影響結果，因此在測

試的過程中呼氣閥和其holder是放在一個充滿乾淨空氣的實驗箱之中。測試呼氣閥洩

漏率時是使用碼錶測量時間並且計算量筒水位刻度的變化，即可算出每分鐘空氣的平

均洩漏率。上述的測試方法在此研究中為了和另外一套「動態測試系統」作區別，因

此簡稱為「靜態測試」。

12

圖 3 靜態呼氣閥洩漏測試系統照片

VacuumPump

Clean air

Syringe

Air release valve

Regulator

Water trap

∆P

Exhalation valve

圖 4 靜態呼氣閥洩漏率測試系統細部說明

13

第二節 影響呼氣閥靜態洩漏因素測試

測試系統中的負壓值是影響呼氣閥洩漏率的重要因素，圖5的結果是取4個相同款

式（Valve Jb）但是靜態洩漏率不同的呼氣閥，分別量測在負壓值為5、15、25、35、

及45mmH2O下的靜態洩漏率。對於這一款呼氣閥而言，其洩漏率值均隨著抽氣負壓越

大而增加，這樣的趨勢並不會因為洩漏率值的大小而有所不同。另外，在現行測試方

法中所要求的-25mmH2O條件下，上述4個呼氣閥的靜態洩漏值分別為2、8、16和32

ml/min，其中1個大於洩漏率值小於30ml/min的要求。

Pressure drop, mm H2O0 10 20 30 40 50

Qs,

mL/

min

0

10

20

30

40

50

2

Static leakage rate (Qs)ID Qs @ -25 mmH2O

8

16

32A 2B 8C 16D 32

圖 5 呼氣閥在不同負壓下的靜態洩漏率

呼氣閥閥座的設計也是決定其效能的重要因素，圖6是國內某廠商所開發的產品

（Valve S1），測試的結果發現該呼氣閥的性能並不理想，不過只要將呼氣閥經過稍

微的修改，即可使其性能獲得顯著的改善。以其中的一個呼氣閥為例，原始的呼氣閥

（original）在-25mmH2O條件下的靜態洩漏率約為32ml/min（圖7），若將閥座修改成

圖6中所示（modified）時，其洩漏率即降為約2ml/min。此款呼氣閥修改前、後的靜

態洩漏率值均隨隨著負壓值增加而增加。

14

OriginalModifier

Valve S1

圖 6 S1 呼氣閥效能改善實例

Pressure Drop, mmH2O

10 15 20 25 30 35 40 45 50

Leak

age

Rat

e, m

l/min

0

20

30

40

50

Vavle S1 (Original)

Valve S1 (Modified)

4

2

圖 7 S1 呼氣閥改善前、後靜態洩漏率測試結果

到目前為止，所量測之呼氣閥的靜態洩漏率均隨著抽氣負壓值增加而增加，然而

15

根據先前的研究指出：呼氣閥的靜態洩漏率亦可能隨著負壓增加而減小（Kuo et al.,

2005）。因此，在實驗室中做了許多的模擬測試以釐清上述兩種截然不同的呼氣閥洩

漏趨勢。然而，測試的結果發現，不論是在閥座上刻畫出凹槽或是在閥片與閥座接觸

的地方置入不同直徑的纖維等，均無法改變現有呼氣閥之靜態洩漏率隨負壓增加而增

加的趨勢，但是如果改變閥片的平整狀態，則可能製造出另一個相反的洩漏模式。以

valve Ja為例（圖8），原始（original）的洩漏率在-15與-45mmH2O下分別為5與8

ml/min，而修改後的（modified）呼氣閥之洩漏率值在-15mmH2O時則增加為約290

ml/min，並隨著負壓增加而降低，當抽氣壓力在-45mmH2O時，其洩漏率則降為約40

ml/min。

Pressure drop, mm H2O10 15 20 25 30 35 40 45 50

Sta

tic le

akag

e ra

te, m

l/min

0

5

10

15

100

200

300

Original

Modified

Valve Ja

圖 8 呼氣閥靜態洩漏率的兩種模式

理論上，當呼氣閥向下擺放時，由於閥片受到重力的影響，因此閥片與閥座之間

的距離增加，以致於靜態洩漏測試的瞬間會有較大的洩漏。圖9為呼氣閥在三種不同

的擺設方位（向上−0°、垂直−90°、向下−180°）下實際所量測之靜態洩漏率，由結果

可知，儘管呼氣閥在向上擺放的位置有最低的洩漏率的趨勢，但是三者之間的差異並

不顯著。

16

Pressure drop, mmH2O10 15 20 25 30 35 40

Leak

age

rate

, ml/m

in

15

20

25

30

35

40

45

50

55

0o

90o

180o

Orientation

圖 9 不同的擺設方位對呼氣閥靜態洩漏率之影響

圖10為不同直徑與厚度組合之矽膠材質閥片搭配相同閥座（有效直徑為23.4mm）

下的靜態洩漏率。當閥片的厚度較薄時，不但洩漏率值較高而且品質比較不穩定，而

當閥片的厚度增加至0.31mm以上時，不論閥片的直徑為何，其洩漏率值均（抽氣壓

力-25mmH2O）在14 ml/min以下（圖11）。而在測試的過程中所觀察的狀態如圖12所

示：較薄的閥片（0.25mm）在較大的直徑（29mm）時容易形成如波浪狀的縐折，因

此有較大的洩漏率，但如果將閥片直徑裁剪至適當的尺寸（24mm）時，則可有效地

提升呼氣閥的性能，儘管如此，較薄的閥片在外觀上比較容易有不平整的現象，因此

在品質上的變異較大。相對地，較厚的閥片（0.35mm）由於結構的強度夠，因此不論

是直徑29mm或是24mm對洩漏率的影響並不大。

17

Membrane thickness, mm

0.24 0.26 0.28 0.30 0.32 0.34 0.36

Leak

age

rate

, mL/

min

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

Membrane diameter, mm

Valve Ja3

28.628.829.029.229.4

Blowup

圖 10 閥片厚度和直徑與靜態洩漏率的關係

Membrane thickness, mm0.30 0.31 0.32 0.33 0.34 0.35 0.36

Leak

age

rate

, mL/

min

0

2

4

6

8

10

12

14

28.628.829.029.229.4

Membrane diameter, mm

Valve Ja3

圖 11 閥片厚度和直徑與靜態洩漏率的關係(厚度為 0.31mm 以上)

18

閥片直徑（mm）

閥片

厚度

（m

m）

29 24

0.25

0.35

洩漏率：547±850 ml/min 洩漏率：3.4±1.1 ml/min

洩漏率：2.4±2.2 ml/min 洩漏率：0.9±0.2 ml/min

圖 12 閥片直徑與厚度組合下形變的狀態與靜態洩漏率

第三節 動態測試系統之建立與性能測試

為了模擬呼氣閥在實際使用時的狀態，因此在本研究中設計、組裝、並測試一套

動態呼氣閥洩漏測試系統。初步組裝完成如圖13中所示，整個系統主要包括一台呼吸

模擬器、呼氣閥holder、測試腔、乾淨空氣調節閥等裝置：呼吸模擬器主要用來調整

呼吸頻率與潮氣容積；受測試的呼氣閥則裝設於呼吸模擬器前端的holder上，而呼氣

閥的下游端設有3個管道，分別連接至壓力轉換器與氣膠微粒計數器以量測呼氣閥下

游（意即面體內）之壓力與洩漏微粒濃度的變化，而另一個管道則可提供乾淨的空氣

用來模擬實際佩戴口罩時流經濾材的乾淨空氣，並藉著管道上的2個球閥裝置可以調

整並模擬不同濾材所造成的吸氣阻力（圖14）。

19

微粒計數器（CPC） 呼吸模擬器

壓力轉換器

圖 13 動態呼氣閥洩漏測試系統照片

Clean air chamber

Valve holderBall valves

圖 14 動態測試系統中 2 個球閥裝置照片

由於動態測試不僅要用來評估呼氣閥在動態運作下的洩漏狀況，而且也要用來測

20

試呼氣閥在較長時間的使用過程中，是否會受到微粒的負載而造成性能的改變，因

此，該系統的長時間穩定性便顯得格外的重要。圖15是8個小時連續操作的測試結

果，圖中右上角所示為該系統運作時，呼氣閥下游壓力隨著時間的變化，當呼吸模擬

器未開啟時，壓力顯示為0，而當啟動呼吸模擬器之後，壓力顯示正值表示是呼氣，

相反地，壓力負值則表示吸氣。由於呼氣閥的作用，因此使得呼氣時面體內的壓力小

於吸氣時的壓力。若將吸氣期間，面體內所造成的最大負壓值依時間順序擷取作圖則

可獲得圖15中的曲線。由於這8個小時的測試期間，整著系統是置於乾淨的環境之

下，而且呼氣閥的部分是以適當大小的孔口片取代，而由圖中的結果顯示，最大負壓

值不僅隨著時間逐漸增加，而且其數值在-12～-18 mmH2O之間呈現不穩定的變化，表

示該系統的性能並不理想。因此，整個系統在呼吸模擬器部分做了大幅的修改，項目

包括更換一個新的2公升calibration syringe（A-M systems Inc., USA）、增加2個線性軸

承以及2個萬向軸承，修改後的系統如圖16，而修改前、後系統的穩定性比較則如圖

17，明顯地，系統的穩定性有明顯的改善。

Time period, hr0 2 4 6 8M

ax p

ress

ur d

rop

of in

hala

tion,

mm

H2O

-20

-18

-16

-14

-12

-10Breathing simulator blank test

Time, sec

5 10 15 20 25 30

Pre

ssur

e, m

mH

2O

-50-40-30-20-10

010

圖 15 動態系統 8 個小時連續操作之穩定性測試結果

21

Calibration syringe 線性軸承 萬向軸承

圖 16 修改後的動態測試系統照片

0 2 4 6 8Max

pre

ssur

dro

p of

inha

latio

n, m

m H

2O

-20

-18

-16

-14

-12

-10Breathing simulator blank test

Elapsed time, hr

Modified

0 2 4 6 8-20

-18

-16

-14

-12

-10Breathing simulator test under clean air

Original

圖 17 修改後的動態測試系統穩定性測試

22

根據過去的經驗指出，市售CPC的採樣流率會受到入口壓力變化的影響，進而造

成微粒濃度計算上的偏差，因此為了能夠搭配該動態系統使用，研究中測試了TSI

3010、TSI 3022、以及TSI 3025等3型市售CPC的性能，結果如圖18。測試的條件（上

方所顯示的曲線）是使用一個比較嚴苛的狀態（+20～-55mmH2O）。結果顯示TSI

3010在上述測試條件下，採樣流率的變化量最小（約±2％）、TSI 3022變異量約±5

％、而TSI 3025變異量約±8％，因此，選擇TSI 3010CPC為微粒濃度量測之儀器，而

搭配TSI AIM軟體之使用，其採樣的頻率可達10Hz。圖19為整個系統管路的洩漏測試

結果，在抽氣負壓最大為45 mmH2O下，試腔內放入計數中位粒徑（CMD）為0.1

μm、幾何標準差為1.8、總數目濃度為3×105 particles/cm3之多粒徑分布微粒，而整個

過程中，CPC並沒有量到顯著的微粒濃度。

Time, sec0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Qre

al-ti

me / Q

setti

ng

0.0

0.5

1.0

1.5

Pre

ssur

e dr

op, m

mH

2O

-60

-40

-20

0

20

40

3025

3022

3010

Pressure pattern generated by breathing simulator

圖 18 市售 CPC 採樣流率受入口壓力變化率的影響

23

Time, sec0 10 20 30 40 50 60

Par

ticle

con

cent

ratio

n, #

/cm

3

0

2

4

6

8

Pre

ssur

e dr

op, m

mH

2O

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

Pressure

Aerosolconcentration

breathing machine on

圖 19 動態系統管路的洩漏測試結果

第四節 靜態和動態洩漏結果比較

為了能夠把呼氣閥動態與靜態洩漏作一比較，因此在研究嘗試建立2個新指標：

平均動態穿透率（average dynamic penetration, pad）以及動態洩漏率（dynamic leakage,

L）。pad的定義與計算方式如圖20所示，圖中左上角所示為動態測試時，呼氣閥下游

壓力與微粒濃度的變化，呼吸模擬器開啟前，壓力與微粒濃度皆為0，而在吸氣期

間，微粒濃度隨著負壓的增減而改變，若先將吸氣期間的微粒濃度變化作時間的加權

（time-weighted average concentration, Cavg）之後（右下圖），再除以呼氣閥上游微粒

之濃度（Cup），即為pad：

ionconcentrat particle Upstream:C

ionconcentrat average weighted-TimeC

up

avg

up

avgad 100%

C

C)(p npenetratio dynamic Average

:

×=

24

Time, sec0 2 4 6 8 10 12

Aero

sol c

once

ntra

tion,

#/c

m3

0

100

200

300

400

500

Pre

ssur

e dr

op, m

mH

2O

-50

-40

-30

-20

-10

0

10Pressure

Leakage

Breathing simulator on

7.8 8.0 8.2 8.4 8.6 8.8 9.0 9.2

Aer

osol

con

cent

ratio

n, #

/cm

3

0

50

100

150

200

250

A8.1A8 A8.2 A8.3 A8.4 A8.5 A8.6 A8.7 A8.8 A8.9

Time, sec

1

9.8

8∑== i

i

avg

AC

ionconcentrat particle Upstream:C

ionconcentrat average weighted-TimeC

up

avg

up

avgad 100%

C

C)(p npenetratio dynamic Average

:

×=Blow up

ExhalationInhalation

eg:

圖 20 平均動態洩漏率（pad）的定義與計算方式

藉著系統中2個球閥的調整，在相同的呼吸模式之下：潮氣容積0.7公升、呼吸頻

率每分鐘15次，可以改變吸氣時的最大負壓值。圖21是研究中所使用的4個條件，最

大負壓值分別為5、15、25、以及35mmH2O。

25

Time, sec0 2 4 6 8 10 12

Pres

srue

dro

p, m

m H

2O

-40

-30

-20

-10

0

10

Pinhale, max:5 mmH2O

15

25

35

圖 21 動態洩漏測試之壓力條件

圖22為相同的呼氣閥之靜態洩漏率（與圖5相同）與平均動態穿透率的比較。整

體而言，雖然靜態洩漏率與pad值都隨著抽氣負壓增加而增加，但是pad對於具有不同

洩漏程度之呼氣閥的監別度上並不如靜態測試。其次，pad在計算上是取呼氣閥上、下

游微粒濃度的比率，而下游微粒濃度由於經過乾淨空氣稀釋的影響，因此所得的pad數

值均偏小，以編號D呼氣閥為例，在壓力條件為-5～-45mmH2O時，其靜態洩漏率約在

15～45 ml/min的範圍，而pad在吸氣最大負壓為5～35 mmH2O時，其值約為0.02～0.04

％。另外，兩者在壓力條件的定義上並不相同，因此可比性並不好。

26

(B) 動態洩漏測試(A) 靜態洩漏測試

Pinhale, max, mm H2O0 5 10 15 20 25 30 35 40

p ad,

%

0.00

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

Valve

Jb1Jb2

Jb3

Jb4

VT: 700 mLBf: 15 bpm

Pressure drop, mm H2O0 10 20 30 40 50

Qs,

mL/

min

0

10

20

30

40

50

Jb1 2Jb2 8Jb3 16Jb4 32

2

Static leakage rate (Qs)Test at 25 mm H2O

ID Qs, mL/min

8

16

32

圖 22 呼氣閥之靜態洩漏率與平均動態穿透率的比較

為了解決上述的問題，因此重新定義呼氣閥的動態洩漏率（圖23）。在作法上，

首先從圖5的靜態測試結果可以得到呼氣閥在不同抽氣壓力下的氣體洩漏率函數X(p)，

再將此函數對動態測試時的吸氣壓力作積分，即可利用靜態測試的結果推算出動態測

試下應有的洩漏率（Lstatic）。其次，在動態測試的過程中，由於呼氣閥上（Cout）、

下（Cin）游微粒的濃度可以利用CPC直接量測，再加上動態呼吸的模式是受到控制

的，因此在吸氣過程的每個時間點之總吸氣流率已知的條件下，由上、下游微粒濃度

的比值即可算出另一個動態洩漏率值（Laerosol），換言之，Lstatic與Laerosol是在相同的基

準下，應有較佳的可比性。圖24即為相同的呼氣閥之pad、Lstatic、Laerosol的比較，雖然

三者之間呈現相同的趨勢，但如前所述，由於pad在定義上與其他兩者並不相同，因此

在使用時必須格外注意。除此之外，圖24中的表示方式使得Lstatic與Laerosol仍受到呼吸

頻率與潮氣容積的影響，因此相同的資料再作進一步的整理如圖25，雖然Laerosol值因

為受到微粒沈積損失的影響，所以均比Lstatic低（Lstatic與Laerosol之間的差異仍需要作進

一步的確認），但兩者之間的相關性極佳（R2＝0.98）。另外，若在相同的潮氣容積

與吸氣負壓值下，利用不同呼吸頻率做為動態測試的條件，所測得呼氣閥動態洩漏率

結果（圖26）則與上述的趨勢一致。

27

B. 從氣膠濃度回推空氣的動態洩漏率（Laerosl）:假設上游濃度為Cout, cavity裡面濃度為Cin,從呼氣閥洩漏率進的為L，假設微粒沒有損失，則：

A. 從靜態洩漏推算空氣每分鐘的平均理論動態洩漏率 (Lstatic) :

( )為不同壓降下的洩漏率)(

60

1.0)min(

pX

dt pXL mLstatic ∫=Clean air

Aerosol spectrometers

Aerosol

Exhaust

ΔP

Cover

Cout

Cin

minuteper times, :

breathper mL ,:

min)/(

呼吸頻率

潮氣體積

f

T

Tout

inmLaerosol

B

V

BfVC

CL ××=

圖 23 呼氣閥動態洩漏率之兩種計算方式

Bf, bpm8 10 12 14 16 18 20 22

Dyn

amic

air

leak

age

rate

, mL/

min

0

1

2

3

4

5

p ad,

%

0.00

0.01

0.02

VT=700mL

VT=500mL

Laerosol

Lstatic

VT, mL Type of leakage 700 Laerosol (based on aerosol penetration)

700 Lstatic (based on static leakage test) 500

500

aerosol

static

圖 24 相同的呼氣閥之 pad、Lstatic、Laerosol 的比較

28

Flow rate, lpm4 6 8 10 12 14 16

Dyn

amic

air

leak

age

rate

, ml/m

in

0

1

2

3

4

5

Laeorosl

Lstatic

Average loss rate: 47%

R2 of Laerosol and Lstatic: 0.98

圖 25 總流率和空氣平均動態洩漏率的關係

0 5 10 15 20

Pre

ssur

e dr

op, m

mH

2O

-15

-10

-5

0

5

201510

Bf, bpm

Inference from static leakage rateDynamic lekage rate

Time, sec

Dynamic leakage

VT : 500 ml

Bf, bpm8 10 12 14 16 18 20 22

Dyn

amic

air

leak

age

rate

, mL/

min

0

2

4

6

p ad,

%

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20VT : 500 mL

Lstatic

Laerosol

pad

Pinhale, max: 12 mm H2O

圖 26 相同的潮氣容積與吸氣負壓值下不同呼吸頻率之動態洩漏率

29

第五節 微粒負載測試

微粒負載測試的目的主要想探討呼氣閥在實際使用時，是否會因為微粒在呼氣閥

上沈積而造成洩漏量有明顯的增加。表1為負載測試實驗所使用之微粒種類與分佈特

性。

表 1 負載測試微粒種類與粒徑分佈特性

2.32.12.11.3GSD

9.0×105

167

Oleic acid

微粒種類

1.8 ×1068.9×105100Number

concentration, #/cm3

955510000CMD, nm

PST +

Oleic acidPST壓顆粒粉末

為了避免呼氣閥不會因為長時間的使用造成本身性能的改變進而影響測試的結

果，因此在負載測試之前，先進行呼氣閥在乾淨的環境之下連續兩次各約7小時的空

白運轉，結果如圖27中所示，由最大負壓值顯示，呼氣閥在約14小時的運作過程並無

顯著的改變，而且前、後兩次測試有相當好的一致性。

Time period, hr0 1 2 3 4 5 6 7

Pin

hale, m

ax, m

m H

2O

-17.0

-16.5

-16.0

-15.5

-15.0

-14.5

-14.0

Time period, hr0 2 4 6 8

Pin

hale, m

ax, m

m H

2O

-17.0

-16.5

-16.0

-15.5

-15.0

-14.5

-14.0Valve Jb5Static leakage rate(Qs at 25 mm H2O): 3 mL/minBlank test

第一次空白測試 第二次空白測試

圖 27 呼氣閥微粒負載測前的 2 次空白測試結果

30

在確認呼吸模擬器和呼氣閥本身的穩定性之後，即進行呼氣閥的微粒負載測試。

首先為了比較明顯看出微粒負載的效應，因此將一個呼氣閥（valve Jb6）改造成洩露

率為200ml/min，並利用10微米的壓克力粉末進行負載實驗。測試結果如圖28所示，

在經過約10小時的負載測試後，雖然吸氣最大負壓值無顯著的改變，但是其靜態洩漏

率卻由原先的200ml/min減少為180ml/min，儘管該結果與預期的情況相反，不過由此

可知，監測呼氣閥下游的壓力變化在微粒負載測試中並不是一個靈敏的指標。另外，

根據觀察負載實驗後微粒在呼氣閥上的沈積狀況（圖29），壓顆粒粉末由於粒徑較

大，因此大部分都沈積在閥片與閥座所形成的洩漏孔洞的外側，由於微粒逐漸累積的

結果，反而使呼氣閥的洩漏率降低，換句話說，只有當微粒沈積在閥片與閥座的接觸

點上才可能觀察到洩漏率增加的現象。為了驗證上述的說法，因此將閥片沾滿壓顆克

力末，並測試前、後靜態洩漏率的差異，結果發現，呼氣閥的靜態洩漏率處理前為

2.8ml/min，處理後則增加為4.8ml/min，而再經過約7小時的負載測試之後，靜態洩漏

率雖然有稍微增加（約5.8 ml/min），但壓力仍無顯著的改變（圖30）。

Time period, hr0 2 4 6 8 10

Pin

hale, m

ax, m

m H

2O

-17

-16

-15

-14

-13

-12

Qs, mL/minOriginal 200After loading 180

Valve Jb6, acrylic powder loading test

圖 28 10 微米壓克力微粒負載測試吸氣最大壓降變化情形

31

圖 29 壓克力微粒沉積在呼氣閥上之照片

Time period, hr0 2 4 6 8

P inh

ale,

max

, mm

H2O

-17

-16

-15

-14

-13

Original 2.75Modifed 4.75After loading 5.75

Qs, mL/min

20090915Gray 45 aerosol loadingOriginal

Modified

After loading

圖 30 人為加工微粒負載模擬測試

32

為了進一步確認呼氣閥受微粒負載的影響，因此利用粒徑較小的固態、液態以及

兩者混合的微粒進行測試，並直接監測呼氣閥pad值的變化，結果如圖31～33。每一個

圖是同一個呼氣閥重複3次的結果。由趨勢來看，固態微粒的負載效應對呼氣閥洩漏

率的影響與其對傳統濾材穿透率的影響類似，均使微粒穿透率降低。相反地，液態微

粒負載後卻使得呼氣閥的pad值增加，而關於這個部分目前並沒有合理的解釋。而固、

液微粒同時存在下，則與固態微粒的負載趨勢較類似。然而不論固、液態微粒對呼氣

閥有不同的負載效應，以絕對洩漏率的角度而言，不論微粒種類為何，負載前後的呼

氣閥洩漏率的改變量並不大。

Time period, hr0 2 4 6 8

Nor

mai

lized

pad

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4Valve Jb8, PST loading testCMD(GSD): 55 nm (2.1)Concentration: 8.9 x 105 #/cm3

圖 31 固態微粒負載下氣膠平均動態穿透率的變化

33

Time period, hr0 2 4 6 8

Nor

mai

lized

pad

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

2.0

2.2Valve Jb9, Oleic acid loading testCMD(GSD): 167 nm (2.06)Concentration: 9 x 105 #/cm3

圖 32 液態微粒負載下氣膠平均動態穿透率的變化

Time period, hr0 2 4 6 8

Nor

mai

lized

pad

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

Valve Jb10, PST mixed with Oleic acid loading test

圖 33 混合微粒負載下氣膠平均動態穿透率的變化

34

表 2 負載測試前、後呼氣閥靜態洩漏率值

2.5

2.7

Oleic acid

微粒種類

3.73.0180負載後

(ml/min)

3.13.0200負載前

(ml/min)

PST +

Oleic acidPST壓顆粒粉末

(在-25 mmH2O下)

35

第四章 結論與建議 計畫已完成呼氣閥靜態與動態洩漏測試系統的設計、組裝、與測試，並進一步探

討影響呼氣閥洩漏率的因素，此外也比較靜態與動態洩漏測試的差異，並利用動態系

統評估呼氣閥受到微粒負載的影響，以下幾個主要的結論與建議：

1. 依據 AS/NZS 1716–2003 的方法所建立呼氣閥靜態洩漏率測試系統，可以調整

不同的測試壓力（目前的設定在 0～-45mmH2O）以評估呼氣閥在不同的抽氣

負壓下的洩漏率，而該系統最小可準確至 1ml。

2. 大部分呼氣閥的靜態洩漏率均隨著抽氣負壓增加而增加，但是當閥片不平整

時，則其洩漏率則可能隨著負壓增加而降低。

3. 呼氣閥擺放的角度對於靜態洩漏率測試的結果並無顯著的影響。

4. 對於矽膠材質的閥片而言當厚度達 0.31mm 以上時，閥片直徑的大小並不顯著

改變其靜態洩漏率，但是對於較薄的閥片而言，應盡量減小閥片的直徑，否則

不僅洩漏率較大，而且變異量也較高。

5. 研究中所完成的呼氣閥動態洩漏測試系統包括呼吸模擬器、呼氣閥 holder、測

試腔、乾淨空氣調節閥、壓力、微粒濃度監測等裝置。呼吸模擬器的潮氣容積

最大可調整至約 1000 ml、呼吸頻率可到每分鐘 40 次，而在固定的呼吸模式

下，可以藉著球閥裝置調整呼氣閥下游的負壓值（目前最大設定在約-50

mmH2O）。

6. 研究所建立之平均動態穿透率(pad）以及二種動態洩漏率 Lstatic、Laerosol 雖然三

者之間呈現相同的趨勢，但由於 pad 在定義上與其他兩者並不相同，因此在使

用時必須格外注意。此外，Laerosol 值因為受到微粒沈積損失的影響，因此均比

Lstatic值低，但兩者之間的相關性極佳（R2＝0.98）。

7. 監測呼氣閥下游的壓力變化在微粒負載測試中並不是一個靈敏的指標，而觀察

微粒濃度的變化雖然可以看出不同特性微粒的負載效應，但整體而言，八小時

的負載測試對呼氣閥的洩漏特性影響有限。

8. 建議現行的呼氣閥靜態洩漏率測試方法除了所規定的-25mmH2O 的條件之外，

再增加一個負壓較小的測試條件，更能確保呼氣閥的性能。

36

9. 整體而言，呼氣閥靜態洩漏率測試的結果足以保障其在動態下的洩漏狀況，因

此，除非有其他的目的，否則動態測試系統不僅花費昂貴而且操作技術需求較

高。

37

誌謝

本研究計畫參與人員為陳春萬研究員、曹智超助理研究員等，研究進行過程

中，承蒙台灣大學陳志傑教授、黃盛修教授協助設計呼氣閥性能測定系統及評估方

法，楊哲銘、徐啟紘二位同學協助測定，謹此敬表謝忱。

38

參考文獻

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39

呼吸防護具呼氣閥性能測試方法探討 著（編、譯）者：陳春萬 研究員 出版機關：行政院勞工委員會勞工安全衛生研究所

221 台北縣汐止市橫科路 407 巷 99 號 電話：02-26607600 http://www.iosh.gov.tw/

出版年月：中華民國 99 年 2 月 版（刷）次：1 版 1 刷 定價：200 元 展售處：

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會勞工安全衛生研究所同意或書面授權。 【版權所有，翻印必究】

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摘要中文英文

目錄圖目錄表目錄

第一章 計畫概述第一節 緣起第二節 目的及工作項目

第二章 實施方法與步驟第一節 靜態呼氣閥洩漏測試系統建立第二節 動態測試系統的建立第三節 氣膠產生裝置第四節 氣膠量測儀器第五節 壓力量測儀器第六節 呼氣閥收集和實驗方法第七節 實驗儀器第八節 系統中各氣流率的量測與控制

第三章 結果與討論第一節 靜態呼氣閥洩漏測試系統建立第二節 影響呼氣閥靜態洩漏因素測試第三節 動態測試系統之建立與性能測試第四節 靜態和動態洩漏結果比較第五節 微粒負載測試

第四章 結論與建議誌謝參考文獻