СМЕННЫЙ ФИЛЬТР
REPLACEABLE FILTER

Изобретение относится к медицине, в частности к средствам защиты органов дыхания от проникновения в дыхательную систему различных аэрозолей (пыли, различных вирусов, бактерий и пр.).
В заявке на выдачу патента на изобретение №2008149933 представлено описание средства индивидуальной защиты дыхания. Данное средство состоит из верхней и нижней соединенных между собой частей. Средство имеет эластичные завязки и используется в виде маски, перекрывающей часть лица с органами дыхания. Средство содержит дополнительные пункты отличия, направленные на повышение его эксплуатационных и технологических характеристик, обеспечивает защиту органов дыхания от проникновения в них аэрозолей. Данное средство защиты не сможет обеспечить защиту от проникновения в органы дыхания малых субмикронных аэрозолей, так как его фильтрующие свойства определяются размерами пор фильтрующего материала и уменьшение их размеров, в том числе путем увеличения количества фильтрующих слоев ведет к увеличению сопротивления прохождения воздуха и затруднению дыхания.
Дыхательный фильтр, представленный в описании патента на полезную модель №96329, МПК А62В 23/06 (2006.01), опубликованном 27.07.2010, Бюл. №21, включает корпус со сквозной полостью. Фильтр выполнен с возможностью размещения в носовой пазухе человека и снабжен по крайней мере двумя каналами - впускным и выпускным; фильтрующий элемент, закрепленный во впускном канале; по крайней мере один обратный клапан, размещенный в выпускном канале. Данный фильтр также не обеспечивает защиту органов дыхания от проникновения субмикронных аэрозолей.
Известен фильтр носовой полости, имеющий по существу цилиндрическую несущую стенку, прилипающую к стенкам носовой полости, и внутреннюю поверхность, определяющую полость для прохода воздуха, вдыхаемого и выдыхаемого пользователем (патент РФ на изобретение №2418609, МПК А62В 23/06 (2006.01), опубликованный 20.05.2011 г.). Полость для прохода воздуха вмещает ряд пластин, создающих турбулентность в потоке протекающего воздуха, и поверхность, на которую воздействует воздух, удерживает частицы, присутствующие в воздухе. На указанной поверхности расположен слой геля, покрывающий ее и указанные пластины. В данном фильтре обеспечивается простота и надежность в эксплуатации. Вместе с тем фильтруются только частицы, которые вследствие турбулентности попадают на пластину. Известно, что мелкие субмикронные аэрозоли практически как бы вмерзают в воздушный поток и вместе с ним обтекают встречающиеся на его пути препятствия. Так как аэродинамические силы определяются площадью частицы (размер частицы в квадрате), а инерционные объемом частицы (размер частицы в кубе), то при стремлению размера частицы к нулю отношение аэродинамических сил к инерционным стремится к бесконечности. Поэтому отделяются лишь крупные частицы, способные отклониться и за счет инерционных сил и выйти из потока, преодолевая аэродинамические силы.
Сепарировать аэрозоли путем обеспечения их прилипания к специальным поверхностям предлагается и в фильтре, представленном в изобретении по патенту №2166341. Фильтр содержит полый корпус, имеющий один или несколько входных каналов и выходное отверстие. Внутренняя поверхность корпуса имеет форму, близкую к форме усеченного корпуса, и покрыта липким веществом, способным удерживать содержащиеся во вдыхаемом воздухе частицы пыли и аллергенов. Один или несколько входных каналов выполнены в большом основании конуса, а выходное отверстие выполнено в малом основании конуса. Направление осей каждого из каналов складывается из тангенциальной и осевой составляющих. Данный фильтр обладает низким аэродинамическим сопротивлением и незаметен при его использовании, вместе с тем, сепарация субмикронных аэрозолей также проблематична по описанным выше обстоятельствам.
В техническом решении, описание которого представлено в патенте на изобретение №2217176 по МПК А61М 15/08, опубликованном 27.11.2003, сменный фильтр представляет собой фильтрующий элемент в виде усеченного конуса. Новым в известном изобретении является то, что усеченный конус снабжен круговыми насечками, при этом нижнее и верхнее основания конуса имеют вогнутые конусообразные полые воронки. В данном фильтре обеспечено максимальное упрощение конструкции. Однако обеспечить сепарацию субмикронных аэрозолей с помощью известной конструкции также проблематично. Как и в конструкции средства индивидуальной защиты для дыхания, представленной в заявке на выдачу патента на изобретение №2008149933, размер сепарируемых аэрозолей определяется проходным сечением пор фильтрующего материала. А чем меньше размер пор, тем больше сопротивление прохождению воздушного потока, что приводит к затруднению дыхания.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому техническому решению является фильтр, описание которого представлено в патенте 2506960 Ru. Сменный фильтр выполнен в виде тампона. Фильтр содержит фильтрующий материал с элементами его установки в носовой полости пользователя и снабжен источником электропитания, соединенным с коронирующим электродом, электрически изолированно смонтированным с зазором относительно установленной на фильтрующем материале электропроводной поверхности, электрически соединенной с корпусом источника питания. Данный фильтр успешно решает задачу по защите от проникновения в организм аэрозольных частиц широкого диапазона их размеров, включая частицы субмикронного диапазона. Вместе с тем, известное техническое решение основано на генерации в очищаемом воздухе коронного разряда. Как выяснилось в результате проведенных с участием автора изобретения экспериментов, коронный разряд сам является источником генерации аэрозольных частиц нанометрового диапазона. См., Толпыгин Л.И. и др. О перспективах возможности очистки воздуха от аэрозольных частиц посредством неоднородного электрического поля. Журнал «Экология и промышленность России». Октябрь, 2014 г., стр. 48-51. Размеры частиц настолько малы, что практически не влияют на эффективность очистки по массовой концентрации загрязняющих веществ. Известно, что эффективность воздействия аэрозольных частиц нанометрового размера на 3-5 порядков выше, чем эффективность веществ в массе. См., например, Бакланов A.M. Свойства наноаэрозоля, образующегося при нагреве органических соединений. Диссертация на соискание ученой степени к.ф.-м.н. Новосибирск. 2014 г. Добиться высокой степени очистки по численной концентрации содержащихся в очищенном воздухе аэрозольных частиц в известном устройстве без увеличения сопротивления продвижения потоку очищаемого воздуха затруднительно. Для достижения высокой степени очистки по численной концентрации аэрозольных частиц в известном фильтре требуется уменьшение размеров пор фильтрующего материала, что повышает сопротивление для прохождения очищаемого потока и затрудняет дыхание пользователя.
Целью предлагаемого изобретения является повышение эффективности сепарации аэрозолей.
Для достижения заявленной цели в известном сменном фильтре, выполненном в виде тампона, корпус которого, представляющий собой форму усеченного корпуса с круговыми насечками для удержания в носовой полости пользователя, заполнен
фильтрующим материалом с электропроводной поверхностью, на которую заземлен корпус источника электропитания, соединенный с электрически изолированным относительно электропроводной поверхности электродом, электропроводная поверхность выполнена в виде оболочки по внутренней поверхности корпуса, а электрод установлен по оси корпуса внутри фильтрующего материала;
фильтрующий материал выполнен из диэлектрического материала со значением диэлектрической проницаемости не менее 1.3.
2
Технический результат достигается за счет того, что в предлагаемом устройстве фильтрующий материал установлен между электродами, подключенными к различным полюсам источника электропитания. В порах фильтрующего материала формируется электрическое поле. Так как фильтр выполнен в виде тампона, то электроды, охватывающие фильтрующий материал, имеют криволинейную поверхность, и формирующееся ими электрическое поле будет неоднородным. Под действием неоднородного электрического поля на частицах индуцируется дипольный момент, вследствие чего частицы движутся в сторону увеличения градиента электрического поля и отклоняются от линий тока воздушного потока. Отклонившиеся от линий тока воздушного потока аэрозольные частицы зацепляются за стенки пор пористой перегородки и сепарируются. В порах, таким образом, задерживаются частицы, размер которых значительно меньше, чем размер пор. Применение диэлектрических волокон в качестве фильтрующего материала позволяет повысить электрическую прочность пространства между электродами и обеспечить высокое значение напряженности электрического поля в порах фильтрующего материала. Как показали эксперименты, проведенные автором предлагаемого изобретения, величина напряженности электрического поля, которое заметно влияет на движение аэрозольных частиц, должна быть не менее 0,1 кВ/см, градиент которой не менее 0,01 кВ/см. Значение диэлектрической проницаемости фильтрующих волокон сказывается на степени ослабления электрического поля в порах волокон при удалении от электрода. Чем выше значение диэлектрической проницаемости, тем меньше ослабление электрического поля, тем менее мощный источник электрического питания может быть использован. Минимальное значение диэлектрической проницаемости фильтрующих волокон может быть рекомендовано не менее 1,3.
На рис. 1 представлена схема сменного фильтра. Фильтр включает в себя корпус 1 с круговыми насечками 2. Корпус 1 заполнен фильтрующим материалом 3 с диэлектрическими волокнами, которые могут быть выполнены, например, из стекловолокна (см. http://www.luxfilter.ru/filtermediapolyester.html). Форма корпуса
сменного фильтра представляет собой близкую форму усеченного конуса. Основание 4 и верхушка 5 усеченного конуса могут быть выполнены в виде конусообразных воронок. При этом нижнее более широкое основание усеченного конуса 4 может иметь кривизну, направленную снизу вверх от основания усеченного конуса к центру. Малое верхнее основание усеченного конуса 5 также имеет кривизну, направленную сверху вниз к центру. Внутри корпуса 1, между волокнами фильтрующего материала 3, установлен источник питания 6, корпус которого «заземлен» на электропроводную оболочку 7, выполненную по внутренней поверхности корпуса 1. В качестве источника питания 6 может быть использован источник питания типа миниатюрного источника питания. См., например, http://gizmobi.ru/2007/04/11/sozdan_nanogenerator_dlja_pitanija_mikrostruktur/
По оси корпуса, между фильтрующими волокнами, электрически изолированно, например, путем покрытия слоем электроизоляционного материала 8, установлен электрод 9, электрически соединенный с источником питания 6. Сменный фильтр вставляется в каждую пазуху носа пациента независимо друг от друга, поэтому возможен вариант, когда пациент может устанавливать фильтр только в одну пазуху носа. Круговые насечки по окружностям 2 усеченного конуса обеспечивают надежное удержание сменного фильтра в полости носовой пазухи и его плотное прилегание к стенкам пазух носа.
Основание усеченного конуса, как нижнее 4, так и верхнее 5, имеют форму некоторой кривизны. В нижней широкой части конуса кривизна имеет направление вверх к центру (см. рис. 1) и выполняет две функции: первая заключается в том, что благодаря этой кривизне фильтрующий элемент углублен внутрь носовых пазух и тем самым обеспечивает надежную эстетическую сторону, т.е. этой кривизной обеспечивается совершенная невидимость фильтра. Вторая функция кривизны, не менее важная, заключается в том, что эта кривизна увеличивает площадь соприкосновения входящего потока воздуха с фильтрующим элементом и тем самым помогает более полно очистить поступающий в носоглотку поток воздуха. В верхней части усеченного конуса фильтрующего элемента также имеется кривизна, которая, наоборот, направлена сверху вниз, благодаря чему при установке сменного фильтра в пазухах носа образуется воздушное пространство. Благодаря наличию такого воздушного шарика пользователю фильтром будет более комфортно преодолеть первоначальную адаптацию присутствия в пазухах носа постороннего предмета. Кроме того, если у пользователя "сменным фильтром" образуется излишняя жидкость, она (эта жидкость) может свободно адсорбироваться фильтрующим элементом, попадая предварительно в это углубление.
Фильтр работает следующим образом. Перед установкой в нос активизируется источник питания 6 и подается напряжение на электрод 9. Между электродом 9 и
электропроводной оболочкой, соединенной с корпусом источника питания 6, в объеме волокон и пор фильтрующего материала 3, возникает электрическое поле. В период вдыхания воздушный поток проходит через фильтрующие волокна и попадает в дыхательную область пациента. Проходя через каналы фильтрующего элемента, аэрозольные частицы отклоняются от линий тока действующим на них неоднородным электрическим полем и осаждаются на поверхности пор фильтрующих волокон. Таким образом, в предложенной конструкции фильтра на поверхности фильтрующего элемента осаждаются не только те аэрозоли, которые вышли из потока под действием инерционных сил, но и мелкодисперсные аэрозоли, дрейфующие к поверхности фильтрующего элемента под действием электрического поля. Что позволяет, не уменьшая значений проходного сечения пор, без дополнительного аэродинамического сопротивления потоку, обеспечить сепарации мелких аэрозолей, включая нанометровый диапазон их размеров, а также повысить вероятность осаждения на поверхности фильтра и крупных частиц. Описанный выше механизм в целом обеспечивает повышение эффективности работы фильтра по сепарации аэрозольных частиц от воздушного потока. Для индикации заполнения фильтра аэрозольными частицами и информации пациента о необходимости его замены в конструкции фильтра может быть использованы различные метода. Например, пациент заменяет фильтр при заполнении пор и затруднении дыхания либо путем замыкания источника питания на корпус, при заполнении пор фильтрующего элемента и пр. Ресурс источника питания подбирается из условия его одноразового использования на период заполнения пор фильтрующего элемента. Электрод установлен электрически изолированно относительно электропроводной оболочки, и электрическое воздействие источника питания проявляется только лишь в формировании в порах фильтрующего материала электрического поля и не предусматривает в электрической цепи электрического тока. Потребление электрической энергии в предлагаемом фильтре незначительно и определяется лишь технологическими потерями вследствие некачественной электрической изоляции электрода.
Таким образом, благодаря совокупности новых отличительных признаков с известными предложенное техническое решение позволяет повысить эффективность фильтрации и достичь цели предлагаемого изобретения.