УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОТДЕЛЕНИЯ МЕЛКОДИСПЕРСНЫХ ЧАСТИЦ ВЛАГИ ИЗ ВОЗДУШНОГО ПОТОКА, ПРЕДНАЗНАЧЕННОЕ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ОТ ВОЗДУШНО-КАПЕЛЬНОЙ ИНФЕКЦИИ
DEVICE FOR SEPARATION OF FINE PARTICLES OF MOISTURE FROM AIR FLOW, INTENDED FOR PROTECTION FROM AIRBORNE INFECTION

Область техники
Изобретение относится к области медицины и предназначено для защиты человека от воздушно-капельной инфекции. Изобретение представляет собой устройство для задержки и отделения мелкодисперсных частиц жидкости из воздушного потока, при минимальном сопротивлении дыханию.
Уровень техники
Из уровня техники известны устройства, предназначенные для задержки влаги и пыли, принцип работы которых основан на использовании приспособлений в виде перегородок (отбойников), частично выступающих в полость корпуса устройства (маски) и задерживающих мелкодисперсные частицы воды и пыли в проходящем воздушном потоке. Причем, с целью снижения сопротивления дыханию, основная часть воздушного потока направляется в обход перегородок.
Так в патенте US1946744 (опубл. 13.02.1934) описан фильтр, имеющий корпус, в котором на пути воздушного потока установлен ряд элементов в виде перегородок, частично выступающих в просвет, каждый из которых представляет собой каркас с намоткой из металлической проволоки.
Подобная конструкция перегородок предназначена для улавливания твердых, пылеобразных частиц в технических устройствах и не рассчитана, например, на отделение частиц влаги из воздушного потока. Кроме того, перегородки (отбойники), выполняющие роль фильтрующих элементов, перекрывают воздушный поток лишь частично, в связи с чем часть загрязненного воздушного потока не взаимодействует с элементами фильтра. Существенным недостатком упомянутого устройства является невозможность его применения для защиты от воздушно-капельной инфекции.
В заявке WO2007012060 (опубл. 25.01.2007) предложено устройство для дополнительной защиты трахеи пациента во время проведения интубации, состоящее из корпуса с открытыми верхним и нижним концами, содержащее во внутреннем канале разделительную стенку с косой перегородкой, предназначенной для отведения мокро́ты.
Конструкция упомянутого устройства предназначена для отведения вязкой, гелеобразной жидкости (мокроты) при проведении эндотрахеального наркоза и не может быть применена, например, для отделения мелкодисперсных частиц слюны, содержащихся во вдыхаемом воздухе, обладающей принципиально иными физическими свойствами.
Конструктивно, наиболее близким к заявляемому является устройство для защиты органов дыхания человека, раскрытое в заявке WO2015131876 (опубл. 11.09.2015). Предложенная маска предназначена для очистки вдыхаемого воздуха от дыма и металлической пыли на промышленном производстве и выполнена в виде полой коробки. Коробка полностью заполнена фильтрующим материалом (хлопковым волокном), внутри которого расположены элементы в виде перегородок частично перекрывающие воздушный поток, основным назначением которых является дополнительная фиксация фильтра.
К существенным недостаткам известного устройства можно отнести предельно высокое сопротивление дыханию, существенно снижающее работоспособность человека. Кроме того, при непрофильном использовании данного устройства, например, для защиты от воздушно-капельной инфекции, уже через несколько минут хлопковый фильтр быстро забивается мелкодисперсной слюной, препятствуя прохождению воздуха, причем, встроенные перегородки только дополнительно увеличивают сопротивление дыханию.
Общим недостатком известных устройств является следующее.
Все известные устройства непосредственно не направлены на задержку мелкодисперсных частиц слюны. Тем не менее, воздушно-капельная инфекция передается от человека к человеку только посредством мелкодисперсных частиц слюны, по физическим свойствам принципиально отличающейся от воды и других стандартных жидкостей, являясь «неньютоновской жидкостью» и обладая высокой адгезией. По этой причине, известные методы удаления влаги (воды) из воздушного потока применительно к дисперсии слюны, практически, не эффективны, в том числе, из-за высокого сопротивления дыханию и быстрого выхода из строя, связанного с закупоркой фильтрующих элементов. Кроме того, побочное изменение содержания влажности во вдыхаемом воздухе, присущее известным устройствам, при оказании медицинской помощи - нежелательно и требует дополнительной коррекции.
Раскрытие изобретения
Основной целью настоящего изобретения является создание устройства, обеспечивающего очистку вдыхаемого воздуха от воздушно-капельной инфекции.
Задачами, на которые направлено настоящее изобретение, являются: отделение мелкодисперсных частиц жидкости (слюны) из воздушного потока, проходящего внутри корпуса (например, лицевой маски)- без использования фильтрующих материалов: для обеспечения минимального сопротивления дыханию пользователя и увеличения сроков использования устройства.
Техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является избирательное отделение мелкодисперсных частиц жидкости(слюны) из воздушного потока, с сохранением его основных физических свойств, включая сопротивление дыханию и влажность.
Указанный технический результат достигается заявляемым устройством для отделения мелкодисперсных частиц жидкости (слюны) из воздушного потока, содержащее внутри корпуса элементы в виде кольцеобразных перегородок, расположенных последовательно на заданном расстоянии друг от друга, с образованием конуса, в совокупности, полностью перекрывающего воздушный поток.
Элементы располагаются на расстоянии друг от друга для свободного прохождения между ними воздушного потока. Принципиальным требованием к расположению элементов является обеспечение полного перекрытия полости канала, через который проходит воздушный поток, т.е. на пути воздушного потока не должно оставаться сквозных щелей подобно, например, известным аналогам. Благодаря наличию свободного пространства между элементами и их конфигурации, воздушному потоку не оказывается заметного сопротивления при дыхании.
Принцип защиты от воздушно-капельной инфекции устройством для отделения мелкой дисперсии жидкости (слюны) из воздушного потока основан на широко используемом в практике (например, в авиации) физическом законе Коанда («эффект Анри Коандэ»): «эффекте отрыва от воздушного потока и прилипания жидкости при обтекании ею твёрдого тела».
Весь объем воздушного потока, входящего при вдохе в полость корпуса (например, маски), в котором расположено заявляемое устройство, проходит сквозь последовательно расположенные элементы, переходя из ламинарного состояния в турбулентное. Инерция частиц слюны (жидкости высокой плотности), находящейся в турбулентном воздушном потоке, существенно отличается от инерции частиц самого потока (газа), благодаря чему и происходит их разделение. Частицы слюны сталкиваясь с твердыми элементами устройства теряют свою инерцию и, обладая (в отличии от воды) высокой адгезией, прилипают к их поверхности. Таким образом, по мере прохождения воздушного потока он освобождается от содержащейся в нем дисперсии слюны, а, следовательно, находящейся в ней, воздушно-капельной инфекции. Свободные пространства между элементами (в отличии от пор в фильтрующих тканях) не забиваются влагой, т.е. по мере использования устройства не возникает сопротивление дыханию пользователя.
С целью защиты от воздушно-капельной инфекции, содержащейся во вдыхаемом воздухе и благодаря незначительному сопротивлению при дыхании, заявляемое устройство может быть установлено на пути воздушных потоков в медицинских масках каркасного типа, в воздуховодах наркозных аппаратов и ИВЛ (искусственной вентиляции легких), в инфекционных отделениях для дополнительной защиты окружающей среды, противогазах и т.д.
В одном из предпочтительных вариантов выполнения изобретения элементы устройства имеют кольцеобразную форму и в совокупности образуют, по меньшей мере, одну трехмерную фигуру конусообразной формы, в которой внешняя окружность каждого последующего элемента больше внутренней окружности предыдущего элемента, что позволяет полностью перекрыть проходящий воздушный потоки. Один из элементов заявляемого устройства имеет такие размеры и форму, чтобы он полностью перекрывал центральное отверстие одного из кольцеобразных элементов. В частности, наименьший элемент, находящийся на вершине трехмерной фигуры не имеет внутреннего отверстия, т.е. выполнен в виде диска или конуса.
Наибольший по размеру элемент фигуры герметично прилегает всей своей внешней окружностью к внутренней поверхности корпуса, повторяя его форму.
В другом предпочтительном варианте устройство выполнено в виде двух усеченных конусов с общей вершиной или общим основанием. Такой вариант выполнения устройства позволяет достичь одинакового воздействия на воздушные потоки как на вдохе, так и на выдохе.
Количество элементов заявляемого устройства, а также расстояние между ними зависят от требуемых характеристик устройства и определяется опытным путем.
Элементы устройства могут быть расположены перпендикулярно или под некоторым углом по отношению к направлению воздушного потока, но во всех случаях с частичным перекрытием друг друга.
Каждый элемент может иметь поверхность различной формы, например, плоской, изогнутой и более сложной для обеспечения, например, необходимой аэродинамики.
Элементы заявляемого устройства, в зависимости от конструкции и назначения, могут быть выполнены из медицинского пластика, ткани (например, хлопка), бумаги или картона, силикона или металла (например, тонкой фольги).
Поверхность элементов может быть дополнительно покрыта различными материалами, бактерицидными средствами, адсорбентами и т.п.
Поскольку элементы имеют две противоположных стороны, то на пути вдоха и выдоха стороны могут быть покрыты разными по свойствам материалами. Так поверхность элемента со стороны входа воздушного потока может быть покрыта клейким веществом (например, клей БФ-2) для дополнительной задержки пыли, а со стороны выхода (выдоха) покрыта адсорбентом (например, слоем микрофибры), предназначенным для дополнительной задержки дисперсии слюны, содержащейся в выдыхаемом воздухе.
Заявляемое устройство может быть выполнено способом литья или собираться из отдельных элементов.
В одном предпочтительном варианте выполнения устройства элементы соединены между собой, образуя единую конструкцию, например, посредством крепежного элемента, в частности, по меньшей мере одной или более штанг. Оптимальное количество подобных штанг - три.
В другом предпочтительном варианте устройства по меньшей мере один из элементов соединен с каркасом, в частности, прикреплен непосредственно к стенке каркаса с помощью клея или крепежного материала.
При необходимости, возможна комбинация креплений, т.е. по меньшей мере один элемент фигуры может быть прикреплен непосредственно к внутренней поверхности корпуса устройства, например, при помощи клея, а по меньшей мере два элемента соединены между собой при помощи штанги.
Краткое описание чертежей
На Фиг. 1 представлен общий вид устройства согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения, выполненного в виде усеченного конуса. Вид сбоку. Все элементы соединены между собой.
На Фиг. 2 - вид сверху устройства, показанного на Фиг. 1.
На Фиг. 3 показана принципиальная схема работы устройства, показанного на Фиг.1 и размещенного в корпусе.
На Фиг.4 представлен вариант выполнения устройства в виде двух усеченных конусообразных фигур с общей вершиной и расположенных в корпусе. Каждый элемент прикреплен к корпусу.
Осуществление изобретения
На Фиг. 1 представлен один из вариантов выполнения заявляемого устройства для отделения мелкодисперсных частиц жидкости (слюны) из воздушного потока.
Как видно на Фиг. 1, устройство выполнено в виде трехмерной фигуры (в данном варианте - конуса), составленной из отдельных элементов (1) и (4), расположенных последовательно и на расстоянии друг от друга и размещенной в корпусе (2).
В рассматриваемом варианте выполнения изобретения элементы (1) выполнены кольцеобразной формы, с отверстиями (3) в центре. Показано, что элементы кольцеобразной формы расположены таким образом, чтобы каждый последующий элемент своим внешним диаметром был больше диаметра отверстия предыдущего кольца.
Вершиной фигуры, выполненной в виде конуса, является диск (4) или любая иная фигура, имеющая соответствующие размеры и проекцию, чтобы обеспечивалось полное перекрытие центрального отверстия предшествующего ему кольцеобразного элемента устройства.
В данном варианте выполнения все элементы фигуры соединены между собой при помощи штанг (5). Фигура удерживается в полости корпуса благодаря плотному и герметичному прилеганию наибольшего элемента к корпусу. При необходимости, любой элемент также может иметь собственное независимое крепление к корпусу.
На фиг. 2 изображен вид сверху устройства, показанного на Фиг.1, на котором видно, что все элементы (кольца) перекрывают друг друга таким образом, чтобы в проекции сверху не оставалось сквозных щелей.
Заявляемое устройство устанавливают на пути прохождения воздушных потоков внутри корпуса, например, трубы или каркаса, по которому подводится атмосферный воздух к органам дыхания человека, например, в аппарате искусственного дыхания, специальной маске, противогазе и т.п.
На вдохе воздух входит в корпус со стороны А (фиг. 3). При выдохе - со стороны В.
На фиг. 3 схематично показан принцип работы заявляемого устройства. Штрихпунктирными стрелками обозначено направление движения воздушного потока, проходящего через элементы (1), огибая каждый элемент и частично проходя сквозь его внутреннее отверстие (3).
Проходя через элементы устройства, ламинарный воздушный поток образует вокруг каждого элемента (выполняющего роль отбойника) турбулентность, в результате которой более тяжелые мелкодисперсные капли слюны резко меняют свою скорость и направление. Благодаря эффекту Коанда и адгезии, сталкиваясь с элементами устройства, мелкие частицы слюны задерживаются на их поверхности. В стандартных условиях (во время спокойного дыхания человека), т.е. при относительно небольшой скорости движения воздушного потока и соответствующем количестве элементов, он успевает практически полностью освободиться от мелкодисперсной слюны.
Таким образом происходит очистка вдыхаемого воздуха от воздушно-капельной инфекции, например, от вируса гриппа, туберкулезной палочки и т.п. При этом воздушный поток, не содержащий мелкодисперсную слюну, практически не взаимодействует с устройством, т.е. не загрязняет его, продлевая срок службы.
Степень очистки воздушного потока зависит от количества, размера и формы элементов, входящих в устройство. Чем больше суммарная площадь элементов, входящих в состав устройства, тем эффективнее процесс очистки.
Ввиду того, что элементы устройства (например, кольцеобразной формы) только частично меняют направление воздушного потока, сопротивление дыханию практически не оказывается.
Как упоминалось ранее, расстояние между кольцами зависит от конкретных условий и поставленных задач и определяется опытным  или расчетным, т.е. заданным путем. Например, минимальное расстояние между элементами будет определятся допустимым для потребителя увеличением сопротивления дыханию или техническими параметрами воздухоочистительных устройств. Возможно, это доля миллиметра. Максимальное расстояние обусловлено габаритами каркаса. Например, если каркасом является труба, то расстояние между первым и последним элементом может достигать метра и более. Расстояния между разными парами элементов и их взаимное расположение может существенно различаться, что может быть обусловленно конфигурацией каркаса и условиями аэродинамики. Минимальное количество элементов может быть два. Например, кольцо и диск, перекрывающий центральное отверстие кольца.
Чем больше расстояние между элементами, тем меньше сопротивление дыханию, но тем ниже эффект очистки.
Чем меньше расстояние между элементами, т.е. чем плотнее расположены элементы и чем больше их количество, тем эффективнее защита от воздушно-капельной инфекции, но и тем сильнее оказывается сопротивление дыханию.
Форма и размеры элементов и, соответственно, образованная ими трехмерная фигура, зависят от формы (сечения) полости корпуса, для которого они предназначены.
С целью получения заявленного результата, обязательными условиями для устройства являются:
• отсутствие каких-либо щелей для свободного (не задевая элементы) прохождения воздушного потока в корпусе и
• расположение элементов последовательно на расстоянии друг от друга с образованием между ними свободных пространств (не заполненных, например, фильтрующим материалом), достаточных для беспрепятственного прохождения воздушного потока.
Для обеспечения воздействия на воздушные потоки в обоих направлениях (на вдохе и выдохе) с целью усиления степени очистки воздуха и расширения функциональных возможностей, устройство может быть составлено из двух усеченных конусов, например, путем совмещения дисков, как показано на фиг. 4.
В зависимости от технологии производства, это могут быть склеенные между собой диски (4) разных усеченный конусов или же диск (4) может быть общим для двух усеченных конусов.
Подобная конструкция обеспечивает большую жесткость и прочность, за счет фиксации большего количества колец.