Патент на изобретение №2342963

(54) ПРИБОР НЕЗАВИСИМОГО ТЕПЛОВОГО КОМФОРТА ОРГАНИЗМА ЧЕЛОВЕКА

(57) Реферат:

Изобретение относится к средствам индивидуальной защиты организма человека в целом и органов дыхания в условиях теплового дискомфорта при низких и пониженных, повышенных и высоких температурах, а также для возврата теряемой с дыханием влаги с комплексной очисткой вдыхаемого воздуха от пыли, взвеси, пыльцы растений, бактерий, вирусов и газовых примесей при температуре окружающей среды от -64°С до +125°С и выше. Прибор независимого теплового комфорта организма человека имеет форму и размеры, повторяющие форму и соотношение размеров нижней части лица, и содержит секцию из имеющего на внутренней поверхности центральное отверстие для рабочего дыхания чехла из текстильного материала, не представляющего пневматического сопротивления потокам воздуха, в котором размещен вкладыш в виде внутренней секции из нескольких наложенных друг на друга перфорированных или сетчатых элементов. Сетчатые элементы пропитаны затвердевающим компаундом и образуют теплообменную поверхность в виде изогнутого наружу переменным радиусом пакета толщиной от единиц до десятков миллиметров. Радиус изгиба и площадь внешней поверхности элемента больше радиуса изгиба и площади ее внутренней поверхности. Прибор дополнительно содержит последовательно расположенные во вкладыше поверх внутренней секции и образующие с ней единый теплоблок среднюю самоувлажняющуюся секцию, которая выполнена из сетчатых элементов, и внешнюю секцию из нескольких наложенных друг на друга перфорированных или сетчатых элементов, пропитанных затвердевающим компаундом. Сетчатые элементы каждой из секций выполнены из натуральных тканей, каждая из секций образует теплообменную поверхность в виде изогнутого наружу переменным радиусом пакета толщиной от единиц до десятков миллиметров. Радиус изгиба и площадь внешней поверхности секции больше радиуса изгиба и площади ее внутренней поверхности, а площадь каждой последующей секции больше площади предыдущей. Толщина набора сетчатых элементов в каждой секции и воздушных промежутков между ними составляет несколько миллиметров. Параллельно рабочему каналу для дыхания, включающему центральное отверстие, имеется дополнительный регулятор снижения коэффициента полезного действия. Обеспечивается расширение эксплуатационных возможностей прибора. 6 з.п. ф-лы, 9 ил.

Изобретение относится к средствам индивидуальной защиты организма человека в целом и органов дыхания в условиях теплового дискомфорта при низких и пониженных, повышенных и высоких температурах, а также для возврата теряемой с дыханием влаги с комплексной очисткой вдыхаемого воздуха от пыли, взвеси, пыльцы растений, бактерий, вирусов и газовых примесей при температуре окружающей среды от -64°С до +125°С и выше.

Известна маска для защиты органов дыхания от холода, описанная в патенте РФ №2167689, кл. А62В 18/02, 7/10, з. 18.04.2000, оп. 27.05.01.

Известная маска содержит корпус из материала с низкой теплопроводностью, в котором выполнено отверстие для вдоха и выдоха, патрон с теплообменником из материала с высокой теплопроводностью, сообщенным с отверстием для вдоха и выдоха и теплоизолирующим элементом, размещенным на выходе теплообменника и выполненным в виде противопылевого фильтра.

Недостатками известной маски являются ее низкая эффективность, обусловленная отсутствием разделения потоков вдыхаемого и выдыхаемого потоков воздуха и двойной потерей тепла при теплообмене этих потоков с теплообменником, и связанные с этим ограниченные функциональные возможности и неудобство эксплуатации. Известна тепловая маска, описанная в финском патенте №49241, кл. А62В 7/00, 1975 г. Известная маска содержит эластичный (резиновый) корпус с носовым пазом и выступающей наружу частью с центральным отверстием, не менее чем одну перфорированную оболочку (сетку), выполненную в виде теплообменника из нескольких сетчатых элементов из теплоемкого материала, например металла, а также включающая ленточные элементы из теплоемкого материала, например металла, а также включающая ленточные элементы крепления маски.

К недостаткам маски относятся наличие стягивающего крепления, вызывающего повышенное локальное давление на кожу лица, что в сочетании с корпусом, выполненным из полимерного материала со значительной теплопроводностью, способствует обморожению лица в местах контакта.

Известна маска для защиты органов дыхания и лица от холода, описанная в одноименном патенте РФ №2039582, кл. А62В 7/00, 18/02, з. 09.06.92, оп. 20.07.95. Известная маска содержит корпус с носовым пазом и выступающей наружу частью с центральным отверстием, не менее чем одну перфорированную оболочку, выполненную в виде теплообменника из нескольких сетчатых элементов из теплоемкого материала, и ленточные элементы для крепления маски, при этом корпус выполнен из текстильного материала, по контуру центрального отверстия выполнен опорный буртик, а элементы крепления маски выполнены в виде двух ленточных пар, соединенных симметрично попарно и в одной плоскости с корпусом с обеих его сторон с возможностью соединения и разъединения свободных концов лент, их перегиба и образования крепления по типу пращевидной повязки.

Недостатком известного устройства является его невысокая эффективность, обусловленная тем, что нагрев вдыхаемого холодного воздуха происходит за счет тепла, аккумулированного перфорированной оболочкой при выдохе, количества которого явно недостаточно для заметного нагрева холодного воздуха, т.к. сетчатые элементы не скреплены между собой по всему объему и каналы для прохождения воздуха не совсем «организованы». Кроме того, она не очень удобна в эксплуатации из-за того, что крепление к лицу производится на верхней части головы и за шею.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является элемент для обеспечения теплового баланса организма, описанный в одноименном патенте РФ №2266765, кл. А62 В 18/02, 7/10, з. 11.10.04, оп. 27.12.05 и выбранный в качестве прототипа.

Известный прибор содержит имеющий форму и размеры, повторяющие форму и соотношение размеров нижней части лица, и содержащий на внутренней поверхности центральное отверстие для рабочего дыхания чехол из текстильного материала, не представляющего пневматического сопротивления потокам воздуха, в котором размещен вкладыш из нескольких наложенных друг на друга перфорированных или сетчатых элементов, образующих теплообменную поверхность в виде изогнутого наружу переменным радиусом пакета толщиной от единиц до десятков миллиметров, причем радиус изгиба и площадь внешней поверхности элемента больше радиуса изгиба и площади ее внутренней поверхности.

Недостатком известного прибора является то, что его эксплуатационные возможности несколько ограничены. Он обеспечивает только тепловое равновесие организма в условиях от минимальной до средней физической нагрузки и склонен к перегреву человека до потовыделения с увлажнением одежды на холоде.

Задачей заявляемого прибора является расширение его эксплуатационных возможностей.

Поставленная задача решается тем, что прибор независимого теплового комфорта организма человека, имеющий форму и размеры, повторяющие форму и соотношение размеров нижней части лица, и содержащий секцию из имеющего на внутренней поверхности центральное отверстие для рабочего дыхания чехла из текстильного материала, не представляющего пневматического сопротивления потокам воздуха, в котором размещен вкладыш в виде внутренней секции из нескольких наложенных друг на друга перфорированных или сетчатых элементов, пропитанных затвердевающим компаундом и образующих теплообменную поверхность в виде изогнутого наружу переменным радиусом пакета толщиной от единиц до десятков миллиметров, причем радиус изгиба и площадь внешней поверхности элемента больше радиуса изгиба и площади ее внутренней поверхности, согласно изобретению дополнительно содержит последовательно расположенные во вкладыше поверх внутренней секции и образующие с ней единый теплоблок среднюю самоувлажняющуюся секцию, которая выполнена из сетчатых элементов, и внешнюю секцию из нескольких наложенных друг на друга перфорированных или сетчатых элементов, пропитанных затвердевающим компаундом, при этом сетчатые элементы каждой из секций выполнены из натуральных тканей, каждая из секций образует теплообменную поверхность в виде изогнутого наружу переменным радиусом пакета толщиной от единиц до десятков миллиметров, причем радиус изгиба и площадь внешней поверхности секции больше радиуса изгиба и площади ее внутренней поверхности, а площадь каждой последующей секции больше площади предыдущей, толщина набора сетчатых элементов в каждой секции и воздушных промежутков между ними составляет несколько миллиметров, причем параллельно рабочему каналу для дыхания, включающему центральное отверстие, имеется дополнительный регулятор снижения коэффициента полезного действия (КПД).

При этом сетчатые элементы средней секции пропитаны компаундом в начале и в конце толщины теплоблока. Дополнительный регулятор снижения коэффициента полезного действия представляет собой канал для прямого сообщения органов дыхания с атмосферой. Дополнительный регулятор снижения коэффициента полезного действия представляет собой устройство подсоса. Внешняя поверхность внешней секции дополнена несколькими слоями плотной плохо продуваемой ткани. Между сетчатыми элементами средней секции размещены элементы из металлической сетки. Теплоблок в приборе расположен в нижней части чехла и сообщен плоским тонким газоходом с отверстием в чехле напротив рта, а также снабжен клапанами для входа и выхода воздуха, а наружная поверхность внешней секции выполнена теплоотражающей и дополнительно закрыта сверху мягкой тканью с низкой теплопроводностью. Средняя секция может быть выполнена из непропитанных компаундом сетчатых элементов и располагаться в пакете из параллельных секций теплоблока с воздушными промежутками между ними, заполненными не имеющими пневматического сопротивления движению воздушного потока тонкими слоями из редковолокнистого материала, либо средняя секция может быть выполнена из сетчатых элементов, которые выполнены из натуральных тканей, имеющих рыхлую структуру с пустотами между волокнами, круглые нити из которых, перекрывая просвет, оставляют прямые микроканалы разного сечения, а пересечения нитей внутри секции создают извилистые непросматриваемые микроканалы, количество и суммарная площадь которых в несколько раз превышает площадь прямых микроканалов.

Дополнительное введение во вкладыш средней и внешней секций позволяет непрерывно дополнительно увеличивать площадь теплообмена или снижать пневматическое сопротивление либо использовать эти возможности в желаемом сочетании. Площадь теплообмена каждой последующей секции из-за большего радиуса искривления превышает предыдущую и содержит больше микроканалов. Растущая площадь и проходное сечение каждого последующего слоя относительно предыдущего снижает пневматическое сопротивление секции и позволяет добавлять сетчатые элементы (поверхность теплообмена). Таким образом, поверхность теплопередачи с охлаждением выдыхаемого потока и снижением его теплосодержания постоянно увеличивается без прироста пневматического сопротивления.

Каждая секция сетчатых элементов состоит из укороченных в данной конструкции, а потому расширенных микроканалов с большим проходным сечением, чем у несекционированной конструкции прототипа. Достигая пространства (зазора) между секциями сетчатых элементов, микропотоки воздуха расформировываются и перемешиваются, создавая в объеме образовавшейся во вкладыше камеры единые, усредненные значения давления и температуры воздуха. В итоге любая секция оказывается между воздушными объемами выровненного давления и перепада по всей площади внутренней и внешней поверхности, или в условиях равномерно распределенного потока на микропорции с обеспеченными векторами движения для движения каждого микропотока.

Наличие большого числа микроканалов в поверхности теплообмена создает такую микроструктуру, которая характеризуется физикой микромира и обеспечивает следующие перечисляемые ниже возможные режимы работы прибора, физические основы которых заявитель считает необходимым пояснить более подробно.

Режим задержки и возврата влаги без ее конденсации, который обеспечивается следующими причинами.

Относительная влажность выдыхаемого воздуха стабильна и приближается к 100%, но количество воды на порцию выдоха в массовом соотношении ничтожно мало и составляет лишь доли процента от объема воздуха.

Выдыхаемый (или вдыхаемый) поток представляет собой непрерывную последовательность составляющих его объемов, находящихся в поступательном движении через теплоблок, т.е. в каждый момент времени в теплоблоке находится лишь малая часть от объема выдыхаемого или вдыхаемого воздуха, отделенная от остальных частей своего потока в пространстве и во времени.

Точно так для теплоблока разделено и ничтожное количество влаги, распределенное в объемно-временную последовательность выдыхаемого потока. В каждый момент времени теплоблок располагает только малой частью от микроколичества влаги в порции выдоха, которую он распределяет сначала на огромное количество микроканалов, а затем с микропотоками по огромной площади теплообмена (квадратные метры), то есть влага в микроскопических количествах равномерно распределяется на огромной площади, и этот процесс растянут во времени.

Отдельные молекулы воды в очень тонком продуваемом сечении микроканала способны перемещаться только по его длине и, разделенные друг от друга расстоянием, не могут соударяться, чтобы соединяться в микрочастицы (цепочки), необходимые для начала процесса конденсации или образования массы в другом агрегатном состоянии.

В основе возможности очистки вдыхаемого воздуха с помощью заявляемого прибора лежит метод отбора чистых газов с последующей доочисткой.

Заложенный в конструкцию прибора теплового комфорта организма принцип реализации высокоэффективного аккумулирования и возврата малых величин тепловой энергии на высоких скоростях реверсивного теплообмена осуществляет равномерное распределение общего потока на микропорции в таких соотношениях рабочих параметров, которые обеспечивают и высококачественную, сверхтонкую очистку вдыхаемого воздуха от всех видов примесей. Поэтому прибор теплового комфорта осуществляет полноценное кондиционирование вдыхаемого воздуха, совмещая возможности сразу всех средств индивидуальной защиты органов дыхания (СИЗОД), а его работоспособность не зависит от температуры среды обитания во всем диапазоне ее изменений, влажности и других условий взаимодействия.

Процедура очистки вдыхаемого воздуха от примесей в заявляемом приборе заменена на новый принцип работы – избирательный отбор из загрязненной среды чистых доминирующих газов (O₂ и N₂) с их последующей доочисткой в однородных ламинарных микропотоках путем отслоения включений молекул иной плотности в турбулентное пространство боковых ловушек с последующей самоочисткой микроканалов реверсивным выдыхаемым потоком чистого воздуха.

В объеме вдыхаемого потока через существующие СИЗОД содержатся механические, газовые примеси, аэрозоли и микроорганизмы. Такой способ подачи делает крайне неэффективным, громоздким, затратным и нелогичным любой способ очистки, поскольку заставляет выполнять ее в объеме, многократно превышающем необходимый (при отсутствии захвата загрязнений). Кроме того, через фильтр любой конструкции пропускается до 99÷99,5% полезных газов (азот и кислород). То есть из огромного объема газа приходится выделять и задерживать ничтожное количество содержащихся в нем примесей, а значит необходимо обеспечивать противоречивое требование – фильтр тонкой очистки должен иметь большую производительность, или приходится искать иголку в стоге сена. Подающий поток – это составная часть загрязненного объема среды, которая выделена из него границами движущегося потока вместе с примесями, которые подаются в фильтр для очистки от них. То есть при обычной подаче воздуха на очистку все примеси в полных пропорциях захватываются из загрязненного объема окружающей среды лишь для того, чтобы было от чего очищать воздух.

Суть эффективной защиты органов дыхания от любых примесей во вдыхаемом воздухе заключается не в его очистке с накоплением в фильтре загрязняющих веществ, а в их максимальном неучастии в процессе забора газа для дыхания из окружающей среды. Стабильность теплового режима и отсутствие конденсации влаги из выдыхаемого воздуха обеспечивает работа конструкции по основному назначению как прибора теплового комфорта организма человека. То есть тепловой режим работы самого прибора всегда стабилен и не зависит от температуры, давления, влажности и подвижности атмосферы. При этом не может отклониться от нормы и режим влажности прибора, который является составным в процессе теплообмена и основным при избирательном отборе с дальнейшей очисткой воздуха.

Конструкция теплоблока представляет собой универсальный, самоочищающийся фильтр сразу от всех и любых примесей. Критерием отделения вещества от потока как примеси является отличие его молекулярной массы в большую или меньшую сторону при условии его малого процентного содержания в объеме смеси доминирующих газов O₂ и N₂.

Избирательный отбор или первая ступень очистки воздуха основаны на следующем.

Исключая случаи сильной загазованности, кислород и азот в воздухе составляют более 99%, а все примеси от 0,5 до 1 процента и равномерно распределены в объеме среды.

В этом объеме находится внешняя поверхность прибора теплового комфорта, по которой равномерно распределено ничтожно малое разряжение в доли Па. Оно не способно создавать всасывающие потоки, а может лишь втягивать микрообъемы газа из тонкого слоя воздуха на своей поверхности или те его микропорции, что уже находятся во входах микроканалов. То есть здесь отсутствуют потоки воздуха или поток, захватывающий в загрязненной среде объем газа с примесями, которые обязательно попадут в фильтр как составная часть воздуха.

Ничтожно малое разряжение на поверхности прибора теплового комфорта не ограничивает непрерывное движение частиц и молекул примесей в примыкающем пространстве, что позволяет им не задерживаться во всасываемых микропорциях и не попадать в очищаемый микроканалами теплоблока объем воздуха, а продолжать свое хаотичное движение в атмосфере.

Таким образом, степень загрязнения поступающего в теплоблок воздуха оказывается значительно ниже без какой-либо очистки, исключительно за счет способа его подачи в устройство.

Работа поверхности прибора теплового комфорта по отбору газов объясняется следующим.

Представим куб, заполненный воздухом: азот+кислород=99% и 1% все остальные газы и примеси. Они равномерно распределены по всему объему. Если мысленно установить в середине проницаемую перегородку, то молекулы и частицы примесей будут пересекать ее в обоих направлениях в равных количествах, поскольку состав смеси в частях замкнутого объема измениться не может.

Итак, число частиц и молекул слева N (лев) в каждый момент времени равно их числу справа N (прав), то есть число молекул и частиц примесей, находящихся в момент времени в плоскости перегородки равно 2N. При нулевой толщине перегородки число 2N стремится к нулю, а с ростом толщины в реальном измерении (0,1; 0,2; 0,3 мм…) начнет расти в пропорциях соотношений объема куба и микрообъема толщины перегородки. Полученное число 2N, отнесенное к содержанию примесей в данном замкнутом объеме воздуха, составит ничтожный процент. Кроме того, внешняя поверхность прибора теплового комфорта не является проницаемой перегородкой и подвергается загрязнению только с одной стороны, то есть число 2N для его реального случая будет вдвое меньше. Кроме того, внешняя поверхность прибора состоит из выходных граней микроканалов, которые составляют до 20% ее площади (отражающая поверхность), заметно понижая возможность проникновения молекул и частиц примесей в поступающий воздух.

Ничтожно малое разряжение воздуха на внешней поверхности прибора теплового комфорта обеспечивает:

– значительное кратное расширение проходного сечения газохода, который представляет собой внутренний объем теплоблока;

– организованную в объеме теплоблока структуру расширяющихся микроканалов, обеспечивающую равномерное распределение расхода среды по всему внутреннему объему и площадям внутренней и внешней поверхностей прибора;

– комфортный режим дыхания, исключающий повышение объема вентиляции легких в условиях теплового дискомфорта.

По отдельности длинные и сверхтонкие извилистые микроканалы имеют для своих микропотоков огромное пневматическое сопротивление, и поэтому, даже при малом общем или суммарном пневматическом сопротивлении всех параллельно расположенных микроканалов (теплоблока в целом) и заметном перепаде давления на нем до 300 Па и выше, разряжение у внешней поверхности (состоящей из окончаний микроканалов) может достигать лишь отличных от нуля, ничтожно малых величин. Этот эффект объясняется одновременным проявлением следующих конструктивных особенностей и свойств теплоблока в сочетании:

– большая длина микроканалов;

– ничтожно малое проходное сечение и пропускная способность микроканалов;

– малозаметная скорость движения газа в микроканалах;

– способность к изменению давления газа при изменении объема (Закон Бойля-Мариотта P₁V₁=P₂V₂ сжимаемость газа);

– наличие буферного внутреннего объема теплоблока в жестких, параллельных микрообъемах микроканалов с общим входом внутри и выходом снаружи;

– наличие внутренней воздушной камеры как буферной емкости для сглаживания пульсаций;

– наличие большей наружной и меньшей внутренней поверхности;

– наличие сухих и увлажненных участков микроканалов;

– разница плотности и скорости воздуха по длине микропотоков, а также при вдохе и выдохе.

Работа микроканалов

В ничтожно малом объеме микроканала находится микропорция воздуха, которая не может перемещаться с заметной скоростью из-за быстрого роста силы трения или пневматического сопротивления, сопутствующего ускорению движения.

При вдохе грудная диафрагма создает разряжение в легких и воздухоносных путях внешних органов дыхания, а также в дополняющей этот объем внутренней камере теплоблока. То есть при вдохе разряжение по нарастающей создается в объеме порции вдоха, которая может достигать ЖЕЛ (жизненная емкость легких) 3-х и более литров.

Во внутренней камере теплоблока создается разряжение, которое в однородной среде равномерно распределяется на внутренней поверхности теплоблока или узких окончаниях микроканалов. Их количество может достигать 1 миллиона и более, поэтому разряжение на каждом из них в отдельности очень мало.

По длине микроканалов давление еще не изменилось и равно атмосферному, поэтому на ограниченных начальных участках микроканалов создается перепад давления, под действием которого прилегающие отрезки микропотоков начинают перемещаться во внутреннюю камеру.

В каждом микроканале образуется движущийся участок микропотока, давление газа в котором с удалением вглубь теплоблока падает, а внешний участок микропотока под атмосферным давлением постоянно укорачивается до исчезновения.

Процесс “разгона” микропотоков происходит плавно и занимает некоторое время в зависимости от текущих параметров дыхания человека.

Когда разряжение достигает внешней поверхности теплоблока, то оно компенсируется подсосами из тонкого поверхностного слоя воздуха однородных по молекулярной массе газов – азота (28 г/моль) и кислорода (32 г/моль), которые и определяют плотность поверхностного слоя в силу своей подавляющей массы в составе воздуха.

Огромное количество микроканалов с высоким пневматическим сопротивлением расположено и работает параллельно, поэтому суммарное сопротивление теплоблока дыханию невелико и не превышает значений, допустимых для типовых и широко распространенных противопылевых респираторов.

В данной конструкции прибора чистый воздух для дыхания поступает увлажненным до 100% и прогретым до комфортной температуры +25°С и выше, то есть он проходит полный цикл кондиционирования, что позволяет внешним органам дыхания организма полноценно усваивать кислород и избегать в любых условиях среды обитания необходимости усиления дыхания от воздействия холода или недостатка кислорода.

Вторая ступень очистки.

Внешнюю поверхность теплоблока составляют кромки большего сечения огромного числа микроканалов, противоположные и меньшие торцы которых образуют внутреннюю поверхность теплоблока. Ничтожно малая, стремящаяся к нулю, пропускная способность каждого отдельного микроканала объясняется огромной по отношению к его “диаметру” длиной, большой поверхностью трения – высоким пневматическим сопротивлением микроканала. Отдельный микроканал имеет извилистую траекторию и состоит из продуваемого канала и окружающих его тупиковых пустот. В продуваемой трассе движется ламинарный микропоток, состоящий из кислорода или азота. Этот микропоток имеет плотность 32 или 28 г/моль и в нем нет легких частиц, поскольку они еще на поверхности не смогли проникнуть в плотную для них среду более тяжелых молекул. Движущийся ламинарный слой окружен слоем более тяжелого углекислого газа, который и заполняет пространство боковых лабиринтов – пустот.

Чем тяжелее частица и длиннее цепочка молекул вещества проникшей в микроканал примеси, тем труднее ей перемещаться по стенкам лабиринтов за ограниченное время вдоха. Продвижение по микроканалу тяжелых молекул и частиц примеси – это их перемещение с некоторыми задержками из одной ловушки в следующую, расположенную в векторе движения.

Таким образом, очистка воздуха здесь заменена на отделение от потока попавших в него примесей, которые на время вдоха “запираются” микропотоками в многочисленных боковых ловушках, а при выдохе обратными микропотоками возвращаются в атмосферу. В процессе работы происходит самоочистка прибора теплового комфорта.

Возможность процесса самоочищения ловушек микроканалов обеспечивается за счет разницы плотности и скоростей микропотоков при вдохе и выдохе. Микроканалы теплоблока представляют собой сужающиеся к внутренней поверхности длинные конусы.

Поэтому при вдохе из-за постоянного уменьшения проходного сечения микроканала скорость микропотока и его плотность растут, а этот процесс усиливает прогрев воздуха секциями теплоблока и соответственно его объемное расширение при продвижении по микроканалу к внутренней, наиболее нагретой поверхности теплоблока. Разницу скоростей микропотоков в реверсе увеличивает и дыхание человека. Вследствие физиологических особенностей газообмена организма вдох всегда короче выдоха, или скорость вдыхаемого потока выше, чем выдыхаемого, то есть необходимые для процесса самоочищения теплоблока параметры, обусловленные его конструкцией, синхронизированы с дыханием.

Итак, при выдохе проходное сечение микроканала постоянно увеличивается и растет его физический объем, что приводит к снижению скорости и плотности микропотока. Кроме того, теплый выдыхаемый воздух при продвижении по микроканалам теплоблока отдает тепло в поверхности теплообмена, то есть охлаждается и сжимается, что вместе с физиологической составляющей дыхания дополнительно и значительно снижает плотность и скорость микропотока при выдохе. Вследствие этих причин, ослабляющих микропотоки особенно сильно в последней трети длины микроканалов, при реверсивном движении микропоток уже не способен удерживать в боковых ловушках более тяжелые молекулы газовых примесей и микрочастиц, поскольку продуваемый микроканал и боковые ловушки-пустоты теперь представляют единый объем для турбулентного микропотока низкой, равномерно снижающейся плотности и давления среды. Поэтому микровключения и примеси активно перемешиваются с общим микропотоком всего объема микроканала и вместе с ним, как составная часть, продвигаются к выходу.

Описанный механизм отделения загрязнений от очищаемого потока, их задержка и удаление с реверсивным потоком, относится к сухой части микроканалов теплоблока, то есть от трети до половины толщины теплоблока с внешней стороны (наружной секции). Здесь задерживается и сбрасывается назад в атмосферу от наибольшего до подавляющего количества примесей, проникших в микроканалы с внешней поверхности теплоблока при заборе воздуха для дыхания. Эта часть теплоблока является сухим отделителем и работает (в привычном понимании) как самоочищающийся фильтр тонкой очистки. В этой внешней части теплоблока влага в выдыхаемом воздухе уже отсутствует, поскольку она задерживается и возвращается при вдохе благодаря соответствующему режиму работы внутренней трети (до половины толщины) части микроканалов или секций теплоблока. Внешняя половина длины микроканалов и должна быть сухой, так как на увлажненной поверхности неизбежно проявление свойств поверхностного натяжения воды, и микровключения, попавшие в боковые ловушки, прилипнут к их поверхностям, и тогда самоочищение микроканалов при выдохе будет невозможно.

Третья ступень очистки.

Окончательная или полная очистка вдыхаемого воздуха происходит во внутренней половине объема теплоблока. Эта его часть (по возврату тепла) работает с использованием влаги выдыхаемого воздуха. То есть сетчатые элементы увлажнены и тем сильнее, чем ближе они расположены к внутренней поверхности теплоблока, которая постоянно находится в среде теплого воздуха со 100%-ной относительной влажностью. Здесь та же структура микроканалов с обилием ловушек, но эта часть теплоблока образована сетчатыми элементами меньших радиусов искривлений, имеющих поэтому меньшую площадь поверхности, чем в секциях внешней части. Но здесь значительно меньшее количество и “диаметры” микроканалов, а воздух уже прогрет и его температура на описываемом участке поднимается до +20 ÷ +25 градусов и выше. То есть при вдохе во внутренней половине теплоблока значительно выше скорость и плотность микропотоков, а поверхности микроканалов увлажнены. Кроме того, в течение вдоха в этой части теплоблока осуществляется возврат влаги, то есть сухой подогретый воздух омывает турбулентными микропотоками увлажненные поверхности микроканалов и забирает у них влагу, не допуская излишнего увлажнения.

Теперь в микропотоках с более высокой скоростью и плотностью среды присутствует влага, молекулы которой могут соударяться с остатками примесей непосредственно в воздушной среде, представляя дополнительное сопротивление их продвижению по микроканалу и заставляя их чаще касаться увлажненной поверхности, способной из-за свойств поверхностного натяжения воды удерживать остатки микрочастиц из микропотока. Таким образом, внутренняя половина теплоблока является фильтром сверхтонкой или полной очистки вдыхаемого воздуха. Она улавливает остатки примесей в ничтожно малых количествах и удерживает их во время применения прибора.

Наличие здесь влаги делает невозможной функцию самоочистки, что не может быть существенно для работы самого прибора в целом или в пользовании им.

Технический результат применения заявляемого прибора – это полноценное кондиционирование вдыхаемого воздуха, то есть его одновременный прогрев, увлажнение и очистка без загрязнения самого прибора благодаря непрерывной самоочистке микроканалов при каждом выдохе.

Заявляемое техническое решение обладает новизной в сравнении с прототипом, отличаясь от него такими существенными признаками как дополнение вкладыша двумя последовательно расположенными секциями, предварительно собранными из сетчатых элементов в образующие теплоблок параллельные секции с воздушными промежутками между ними, выполнение площади каждой последующей секции больше площади предыдущей при толщине набора сетчатых элементов в каждой секции и воздушных промежутков между ними в несколько миллиметров, выполнение сетчатых элементов из натуральных тканей, имеющих рыхлую структуру с пустотами между волокнами, круглые нити из которых, перекрывая просвет, оставляют прямые микроканалы разного сечения, а пересечения нитей внутри секции создают извилистые непросматриваемые микроканалы, количество и суммарная площадь которых в несколько раз превышает площадь прямых микроканалов, наличие параллельно рабочему каналу для дыхания, включающему центральное отверстие, дополнительного регулятора коэффициента полезного действия (КПД), обеспечивающими в совокупности достижение заданного результата.

Заявителю неизвестны технические решения, обладающие указанной совокупностью отличительных признаков, обеспечивающих в совокупности достижение заданного результата, поэтому он считает, что заявляемый прибор соответствует критерию “изобретательский уровень”.

Заявляемый прибор независимого теплового комфорта человека может найти широкое применение в армии, МВД, МЧС, в быту, в других отраслях народного хозяйства, где человеку длительное время приходится находиться на жаре или на холоде, а также в условиях загрязненной вредными примесями атмосферы, и потому соответствует критерию «промышленная применимость».

Изобретение иллюстрируется чертежами, где показаны на:

– фиг.1 – общий вид прибора в сборе с условно прозрачным чехлом;

– фиг.2 – вид секций в поперечном разрезе;

– фиг.3 – выполнение секций с пропиткой сетчатых элементов компаундом и условно увеличенными воздушными зазорами между сетчатыми элементами – вид в разрезе сбоку;

– фиг.4 – возможное выполнение средней секции 5 с пропиткой внешнего слоя, непропитанными сетчатыми элементами и увеличенными воздушными зазорами между ними – вид в разрезе сбоку;

– фиг.5 – вид в разрезе сбоку секции 5 с чередованием непропитанных сетчатых элементов и редковолокнистым материалом, заполняющим воздушные зазоры между ними;

– фиг.6 – вид в разрезе сбоку секции 5 с наличием между сетчатыми элементами металлических элементов для режима с аккумулированием избытка тепловой энергии;

– фиг.7 – вид сбоку секции 6 с дополнительными слоями снаружи из плотной непродуваемой ткани;

– фиг.8 – схематичный вид увеличенных микроканалов;

– фиг.9 – схематичный вид прибора для режима работы со сбросом избыточного тепла под одежду при вдохе (а) и выдохе (б).

Заявляемый прибор выполнен следующим образом.

Заявляемый прибор теплового комфорта организма человека имеет форму и размеры, повторяющие форму и соотношение размеров нижней части лица.

Он (фиг.1) содержит чехол 1 из текстильного материала, не представляющий пневматического сопротивления потокам воздуха, имеющий на внутренней поверхности отверстие 2 для дыхания и содержащий вкладыш 3 с теплоблоком, использующим для высокоэффективного теплообмена влагу выдыхаемого воздуха, который состоит из трех и более секций:

– внутренней или укрепляющей секции 4 с функцией теплового резерва;

– средней секции 5 из набора непропитанных пористых сетчатых элементов;

– наружной (внешней) секции 6 из набора пропитанных элементов, и имеющих некоторую теплоемкость, теплопроводность, и необходимую для длительной эксплуатации прочность.

Секции 4-6 последовательно расположены одна за другой и каждая из них состоит из сетчатых элементов 7. Сетчатые элементы 7 в каждой секции предварительно собраны в единый пакет.

При этом внутренняя секция 4 (фиг.2) имеет механическую прочность и выполнена из пропитанных тканевых сетчатых элементов 7, поры нитей которых заполнены гигиеническим клеящим компаундом 8 и поэтому не представляют поверхность для “запыления” влагой.

Средняя секция 5 выполнена из тонкой неплотной ткани и/или марли и представляет собой набор (от единиц до десятков) пористых сетчатых элементов 7, хорошо впитывающих и удерживающих влагу, с толщиной набора от единиц до десятков мм. Поскольку сама самоувлажняющаяся секция 5 (далее СуС) не может иметь механической прочности, то конструкция в ее габаритах упрочняется со всех сторон:

а) по периметру, как и прежде, пропиткой (фиг.4);

б) площадь внешней поверхности непропитанной и неплотной средней секции упрочняется наложенной на нее внешней пропитанной и прочной секцией;

в) площадь внутренней поверхности СуС 5 упрочняется секцией пропитанных элементов или набором из нескольких сетчатых элементов 7 из пластика толщиной до 0,5 мм или специально изготовленной пластмассовой решеткой, толщина которой определяется механической прочностью и может достигать 1 мм и более (на чертежах не показано).

В зависимости от предполагаемого режима работы секция 5 может быть выполнена по-разному. В одном случае (фиг.4) параллельные подсекции 5′ из сетчатых элементов 7 в секции 5 чередуются с воздушными промежутками 9 между ними, заполненными не имеющими пневматического сопротивления движению воздушного потока тонкими слоями 10 из редковолокнистого материала (фиг.5). Толщина набора сетчатых элементов 7 в каждой секции 5 и воздушных промежутков 9 между ними составляет несколько миллиметров. В другом случае (фиг.6 – в режиме работы с аккумулированием избытка тепловой энергии) между непропитанными тканевыми сеточными элементами 7 (через один или несколько) размещают сетчатые металлические элементы 11 (2-10 шт. толщиной 0,1-1,0 мм). Элементы 11 дополнительной емкости теплового аккумулятора выполнены из тонкой металлической сетки (нержавеющая сталь), применяемой в приспособлениях для приготовления пищи, например дуршлаг, сито для просеивания муки, ситечко для чайника и т.п.

В третьем случае сетчатые элементы 7 в секции 5 также пропитаны компаундом 8 (см. фиг.3). Наружная секция 6 также состоит из тканевых сетчатых элементов 7, пропитанных компаундом 8 (также фиг.2). Кроме того, для работы в режиме комфортной ликвидации глубокого дыхания наружная поверхность внешней секции 6 дополнена несколькими слоями 13 из плотной непродуваемой ткани – натуральной или синтетической: саржи, сукна, трикотажа, продуваемой бумаги и т.п (см. фиг.7). Допускается применение электростатической ткани, продуваемых сортов бумаги и других плотных материалов. При этом площадь каждой последующей секции 4, 5, 6 больше площади предыдущей секции, толщина набора сетчатых элементов 7 в каждой секции 5 и воздушных промежутков 6 между ними составляет несколько миллиметров. Сами сетчатые элементы 7 выполнены из натуральных тканей (например, марли), имеющих рыхлую структуру с пустотами между волокнами. Круглые нити 14 из этих тканей, перекрывая просвет, оставляют прямые микроканалы разного сечения, а пересечения нитей 15 внутри секции 5 создают извилистые непросматриваемые микроканалы, количество и суммарная площадь которых в несколько раз превышает площадь прямых микроканалов (фиг.8).

Для режима сброса избытка тепла под одежду прибор выполнен в форме облегающей полумаски для дыхания через рот (рот и нос), укрывающей (утепляющей) нижнюю часть лица и подбородок до шеи. Теплоблок (фиг.9) расположен внизу возле шеи. Его внутренняя (теплая) камера сообщается утепленным (снаружи), широким и тонким газоходом 16 с отверстием 2 напротив рта. Воздушное пространство над внешней поверхностью теплоблока имеет отделенные клапанами вход и выход для отделения потоков холодного и теплого воздуха при вдохе и выдохе. Внешняя поверхность прибора выполнена из теплоотражающей ткани 17 и дополнительно покрыта мягкой, декоративной тканью 18 с низкой теплопроводностью – флисом. Для крепления на голове сверху прибора предусмотрена тесьма (на чертежах не показана), а снизу он хорошо удерживается обычной укладкой шарфа и дополнительного крепежа не требует.

Заявляемый прибор работает следующим образом.

Человек надевает на себя прибор-маску так, чтобы центральное отверстие 2 располагалось напротив рта, и дает возможность организму частично или полностью дышать через нее.

Теплообмен в конструкции теплоблока 3 с зазорами происходит следующим образом.

Секция 4 не задерживает заметного количества влаги, но имеет теплоемкость и теплопроводность и в теплообмене дополняет теплоемкость начальных элементов секции 5.

Поскольку каждая из секций 4-6 сетчатых элементов 7 состоит из укороченных в данной конструкции с большим проходным сечением микроканалов, чем в несекционированной конструкции прототипа, то они оказывают микропотокам меньшее пневматическое сопротивление и имеют меньшую разницу величин сопротивления, то есть в секционированной конструкции теплоблока 3 с зазорами распределение расходов микропотоков или тепловой нагрузки по площади теплообмена происходит более равномерно.

Достигая пространства между секциями 4-6 сетчатых элементов 7 (зазор), микропотоки расформировываются и перемешиваются, создавая в объеме этой камеры единые, усредненные значения давления, влажности и температуры воздуха. Иначе говоря, в процессе теплообмена несколько раз происходит промежуточное выравнивание давления между секциями 4-6, что исключает саму возможность перекоса расходов в микропотоках как на участках отдельных секций, так и всего объема теплоблока, заставляя работать всю поверхность теплопередачи, увеличивая эффективность теплообмена и не допуская образования плохо продуваемых либо непродуваемых зон.

Любая из секций 4-6 оказывается между воздушными объемами выровненного давления и перепада по всей площади внутренней и внешней поверхности, или в условиях равномерно распределенного потока на микропорции с обеспеченными векторами движения для каждого микропотока. Выделенные промежуточные перепады стабилизируют работу каждой секции 4-6 в отдельности, исключая дополнительно и перераспределение тепловой нагрузки между ними (на сей раз по толщине теплоблока), что гарантирует устойчивость процесса теплообмена во времени в любых условиях, обеспечивает стабильность соответствия рабочих и расчетных режимов, а также увеличивает срок службы (без такой необходимости). Кроме того, пневматическое сопротивление теплоблока дыханию снижается в несколько раз и достигает самых минимальных значений.

При толщине пакета непропитанных сетчатых элементов 7 с крупными ячейками (например, бинт, марля) в несколько миллиметров его можно рассматривать как технологический зазор между секциями теплообмена для промежуточного выравнивания давления и температуры. В слое из непропитанных тканевых сеточных элементов 7 нити сеточных элементов из натуральных тканей и марли имеют рыхлую структуру с пустотами между волокнами, из которых свиты. Не пропитанная компаундом, пористая, с пустотами нить допускает сквозь свою толщину движение воздуха и имеет в сечении большую длину окружности (сумму длин окружностей, составляющих ее волокон), чем пропитанная со стянутыми вовнутрь после высыхания волокнами с заполненными компаундом порами между ними. Кроме того, не подвергнутая механическому и термическому воздействиям, нить обладает свойством некоторой упругости. Пакет сетчатых элементов 7 из непропитанной, неплотной ткани или марли имеет малое пневматическое сопротивление, соизмеримое со слоем редковолокнистого материала, но превосходит его по плотности, прочности и упругости, а, кроме того, уложенные друг на друга отдельные тканевые сетчатые элементы 7 образуют ровный пакет одинаковой толщины и не искажают геометрические пропорции в толщине пакета. Равноупругий по всей площади он повышает механическую прочность конструкции теплоблока.

Секция непропитанных элементов с крупными ячейками не может оказывать заметного сопротивления пересекающему потоку в поперечном направлении, но оказывает его в параллельных плоскости направлениях, поскольку в этом случае длина становится толщиной. Если рассмотреть небольшой участок между секциями теплообмена (где установлен такой “зазор”), то давление и температура воздуха в нем будут выровнены, поскольку на малом расстоянии продольное пневматическое сопротивление “зазора” невелико. Пусть этот участок мал и выравнивает параметры всего у сотен или даже десятков микроканалов, но такие участки расположены по всей площади и толщине секции.

Значит, непропитанный слой, как зазор, обеспечивает локальное выравнивание параметров микропотоков на тех участках, где между ними появляется перепад давления. Следовательно, при значительной толщине непропитанной секции 5 в любом месте перекоса давления между микропотоками по всей площади и толщине будет осуществляться его локальная ликвидация за счет боковых микроперетоков воздуха через поры непропитанных нитей.

Такая секция не нуждается в дополнении технологическим зазором и обеспечивает в своем объеме и на поверхностях равномерное распределение тепловой нагрузки, а также низкое пневматическое сопротивление дыханию. В конструкции теплоблока с такой секцией 5 теплообмена отпадает необходимость в применении технологических зазоров для ее стыковки с соседними секциями 4 и 6, поскольку она сама является для них элементом выравнивания параметров теплообмена.

Теплообмен в слое непропитанных сетчатых элементов 7 происходит следующим образом.

Теплоблок из неплотных тканевых, марлевых или иных, непропитанных сетчатых элементов 7 отличается от пропитанного гораздо большей площадью теплообмена, наличием по всему объему воздушных промежутков между нитями и волокнами нитей – большей площади теплообмена при равной или меньшей массе.

Конструкция обеспечивает полную продуваемость всей поверхности теплообмена во всем внутреннем объеме при равномерно распределенном и низком пневматическом сопротивлении теплоблока дыханию.

Пористая структура непропитанных нитей создает наибольшее количество боковых пустот, что особенно важно для высокоэффективной работы секции в режиме задержки и возврата влаги.

Большая поверхность теплообмена при низкой теплоемкости эффективна при работе с малыми перепадами температур во внешней половине теплоблока, что дополняет целесообразность применения непропитанной секции как СуС.

Задержка и возврат влаги в организм при дыхании через заявляемый прибор происходит следующим образом.

Неизбежная и привычная конденсация влаги в виде пара при непосредственном дыхании в холодной атмосфере создает иллюзию невозможной без нее теплопередачи между выдыхаемым и вдыхаемым воздухом. Но с прибором теплового комфорта организма разница условий теплообмена настолько велика, что позволяет не только исключить конденсацию как процесс, но и использовать влагу для роста эффективности теплопередачи при любых отрицательных температурах по принципу – что мешает, то поможет.

Порция выдоха представляет поток изначально цилиндрической формы, который, преодолевая сопротивление атмосферного воздуха, теряет энергию движения, скорость и приобретает форму конуса. Для его ничтожной теплой массы поверхность контакта с холодной атмосферой огромна, а теплообмен происходит в однородной среде с одинаковой теплоемкостью и теплопроводностью, когда по всей поверхности теплообмена и одновременно в наличии полный перепад температур – идеальные условия для мгновенной конденсации даже при положительных температурах, что мы и наблюдаем.

Выдыхаемый воздух омывает большую (квадратные метры) поверхность теплообмена, которая не может оставаться абсолютно сухой, как и любое тело в атмосфере.

Относительная влажность выдыхаемого воздуха стабильна и приближается к 100%. Но количество воды на порцию выдоха в количественном или объемном соотношении ничтожно мало и составляет лишь доли процента.

Выдыхаемый (или вдыхаемый) поток представляет собой замкнутую последовательность составляющих его объемов, находящихся в поступательном движении через внутреннюю камеру, а затем микроканалы теплоблока, то есть в каждый момент времени в объеме теплоблока находится лишь малая часть от объема выдоха, который разделен для него в пространстве и во времени. Точно так для теплоблока разделено и ничтожное количество влаги, распределенное в объемно-временную последовательность выдыхаемого потока.

В каждый момент времени теплоблок располагает только малой частью от микроколичества влаги в порции выдоха, которую он распределяет сначала на огромное число микроканалов, а затем с микропотоками по огромной площади теплообмена (квадратные метры), то есть влага в микроскопических количествах равномерно распределяется на огромной площади, и этот процесс растянут во времени.

Отдельные молекулы воды в очень тонком продуваемом сечении микроканала способны перемещаться только по его длине и, разделенные друг от друга расстоянием, не могут соударяться, чтобы соединяться в микрочастицы (цепочки), необходимые для начала процесса конденсации или образования массы в другом агрегатном состоянии.

Масса молекулы воды превышает молекулярные массы кислорода и азота, из которых состоят микропотоки. Плотности микропотока недостаточно, чтобы удерживать молекулу воды в границах своего движения, и она перемещается по всему окружающему, в основном лабиринтовому, непродуваемому пространству микропотока, то есть из одного тупика в другой с некоторым продвижением в направлении микропотока.

Из-за большей массы молекулы влаги для движущегося микропотока являются неоднородными микровключениями, транспортировать которые он не может, поскольку не в состоянии удержать их в границах своего движущегося объема.

Поскольку способность воздуха удерживать в своем объеме влагу зависит от его давления и температуры, которые изменяются по длине микроканала и при выдохе понижаются, то все большая часть влаги сбрасывается на поверхность теплопередачи.

Выше описано состояние молекул воды, которые остаются в воздухе в данной точке микроканала при данных для нее давлении и температуре.

Переместившись по микроканалу дальше, эта молекула попадает в другие параметры среды, становится в ней лишней и оседает на поверхности.

В итоге при продвижении микропотока по микроканалу часть молекул воды на каждом отрезке, оставаясь в газообразном состоянии, задерживается в многочисленных боковых тупиках, часть осаждается на стенках микроканалов, и только небольшая часть продвигается на следующий отрезок микроканала.

Новые поступления воздуха продолжают этот процесс в каждой точке на протяжении всего времени выдоха.

Дальше рассмотрим более значительный отрезок длины микроканала, где уже проявляется расширение его сечения.

На таком участке воздух заметно охлаждается, и объем его (при расширении микроканала) уменьшается. То есть расширяющийся объем участка микропотока заполняет все более сжимающийся микрообъем газа, давление которого интенсивно падает. Он активно теряет способность удерживать остатки влаги и сбрасывает ее на поверхность теплообмена, площадь которой быстро растет.

Здесь заметно увеличивается площадь теплопередачи, а скорость продвижения микропотока постоянно снижается, вследствие чего время конвективного контакта на теплоотдачу у газа увеличивается, и, несмотря на уменьшение перепада температур теплоносителя и поверхности, коэффициент полезного действия (КПД) теплообмена не снижается.

Эта тенденция (высокий КПД) благодаря условиям в растущих пропорциях соблюдается вплоть до снижения градиента температур до единиц градусов на выходе теплоблока, что позволяет избежать заметных тепловых потерь при аккумулировании малых количеств тепловой энергии из малого объема малоемкого теплоносителя с низкой теплопроводностью.

В таких условиях теплообмена при интенсивном падении давления и температуры, воздух быстро теряет способность удерживать влагу и сбрасывает ее на начальном отрезке (до трети) длины микроканалов или толщины теплоблока. Поскольку влажность воздуха постоянно снижается, то и увлажнение удаляющихся сетчатых элементов уменьшается.

Отдельные молекулы воды распределяются по боковым тупикам-ловушкам на начальных участках микроканалов. Так же распределятся и любые другие микровключения с молекулярной массой большей, чем у воздуха, поэтому термин “Увлажнение ” является здесь условным и, поскольку речь идет о воде, приводится как привычный. Более точными являются определения “Осаждение” молекул воды или “Запыление” поверхности молекулами воды.

С точки зрения процессов в теплоблоке процедуре задержки молекул воды при выдохе нужно дать другое, соответствующее ей название “Очистка выдыхаемого воздуха от примесей”, поскольку на выходе конструкция прибора сбрасывает сухой чистый воздух без каких-либо включений, в том числе бактерий и даже вирусов.

Возврат влаги при вдохе происходит следующим образом.

При вдохе микроканалы сужаются, а микропотоки прогреваются и расширяются, поэтому их скорость и давление в них быстро растут. Процесс возврата влаги надо называть процессом очистки микроканалов от задержанных в них микровключений или процедурой “Самоочистки”.

При вдохе те же процессы идут в противоположном направлении, а вместо “влажного” теплого воздуха через противоположную внешнюю поверхность поступает относительно “сухой” и холодный. Теперь большее давление на внешней и большей поверхности теплоблока, то есть микропотоки движутся по сужающимся микроканалам, нагреваясь запасенной при выдохе энергией.

Воздух в уменьшающемся объеме расширяется и давление в микропотоке интенсивно растет, а поэтому быстро увеличивается его плотность и скорость движения. Воздух становится способным удерживать все большее количество влаги.

Движущийся микропоток в каждой точке своего присутствия создает соответствующее ее параметрам давление во всем объеме микроканала, то есть и в окружающем проток тупиковом пространстве с молекулами воды. Теперь они находятся в среде турбулентного потока повышенной плотности, часть которого перемещается через узкий проток. Молекулы воды “растворяются” в воздухе, перемешиваются с ним и вновь становятся составной частью газа, восстанавливая соответствующую его сиюминутным параметрам относительную влажность воздуха.

Полный объем микроканала превышает объем его протока и поэтому тупиковые участки не могут быть полностью провентилированы, следовательно, часть молекул воды в концентрации своих микроучастков остается в микроканалах и определяет остаточное “Увлажнение” или “Запыление” соответствующих сеточных элементов самоувлажняющейся секции (СуС) 5.

Существенное положительное воздействие на интенсивность роста плотности и скорости микропотоков оказывает учтенная в конструкции физиологическая особенность дыхания человека.

Вдох всегда короче выдоха, то есть порция воздуха заполняет легкие быстрее, чем покидает их. Отсюда очевидна разная скорость движения потока в реверсе, или воздух при вдохе через теплоблок прокачивается быстрее, чем при выдохе.

В состоянии теплового комфорта объем вентиляции легких всегда минимален, а в теплоблок поступает минимум влаги и меньше, чем он возвращает. Это режим наибольшего времени вентиляции микроканалов при незначительном поступлении молекул воды, когда условная граница “увлажнения” элементов СуС смещается ближе к внутренней поверхности. С ростом физической нагрузки, когда растет объем вентиляции легких, в теплоблок поступает больше влаги, и граница (в пределах СуС) перемещается в противоположную сторону.

Любой из режимов дыхания является допустимьм для теплоблока по “влажности”, поскольку она просто плавно перемещается или колеблется в противоположных направлениях синхронно с границей средней температуры и не способна достичь порога конденсации – начала смачивания поверхностей нагрева.

Вода является продуктом горения сурфактанта в легочных альвеолах, то есть ее количество в выдыхаемом воздухе напрямую зависит от текущего значения теплопродукции. Поскольку с прибором теплового комфорта температура вдыхаемого воздуха всегда находится в комфортном диапазоне +20°С ÷ +25°С и выше, то необходимость в интенсивном тепловыделении легких отпадает, а низкое тепловыделение сопровождается и малым производством продукта горения – воды.

Вода для организма – это наиважнейший ресурс, который постоянно расходуется и должен регулярно восполняться. Возврат с тепловой энергией в организм чистейшей воды, непрерывно производящейся в самом организме, является источником оперативного пополнения ресурса и замедляет дегидратацию (потерю влаги).

Работа секций 4-6 в режиме задержки и возврата в организм влаги происходит следующим образом.

Для обеспечения высокого КПД на высоких для теплообмена скоростях ритмов дыхания человека тепловой аккумулятор должен иметь большую площадь теплопередачи (квадратные метры) из материала с ничтожно малыми теплоемкостью и теплопроводностью. При этом для рационального распределения тепловой нагрузки по толщине теплоблока и уменьшения его объема целесообразно во внутренней секции 4 (расположенной в зоне максимальной температуры) обеспечивать больший теплоперепад. Для достижения этой цели во внутренней секции 4 нужно применять сеточные элементы из материала, имеющего теплоемкость и теплопроводность.

Но первая секция 4 расположена непосредственно в зоне выдыхаемого теплого потока со 100%-ной относительной влажностью воздуха. Интенсивный теплообмен на минимальной из всех секций площади проходного сечения неизбежно вызовет активную конденсацию и образование воды внутри теплоблока.

Увеличение теплоемкости внутренней секции 4 теплоблока имеет существенное значение, поскольку она расположена в зоне наибольшей температуры и позволяет иметь тепловой резерв.

Время вдоха всегда короче, чем выдоха, а это время теплопередачи в реверсивных полуциклах. Тепловой резерв в зоне максимальной температуры – это неохлаждающийся участок толщины секции для компенсации разницы времени теплообмена в реверсе.

Решением по перераспределению тепловой нагрузки в толщине теплоблока является применение самоувлажняющейся секции 5 (СуС).

По массе, теплопроводности и теплоемкости СуС 5 после увлажнения превышает сухую равноценную секцию, и поэтому на ней срабатывается больший теплоперепад в обоих направлениях теплообмена.

Тепловая емкость СуС 5 превышает теплосодержание одной порции выдоха, и поэтому для ее прогрева до рабочей температуры требуется несколько циклов дыхания.

Неравномерное за счет самоувлажнения выдыхаемым потоком и самовысушивания вдыхаемым потоком увлажнение секции 5 позволяет получить уменьшающиеся значения теплоемкости и теплопроводности удаляющихся от внутренней поверхности сетчатых элементов 7. Этот процесс устанавливается и поддерживается автоматически. Он позволяет получить:

– устойчивый, эффективный и самоустанавливающийся (адекватный дыханию) режим задержки влаги и ее возврата;

– снижение увлажнения удаляющихся сетчатых элементов 7 со снижением их теплоемкости и теплопроводности, то есть плавно распределить в толщине СуС 5 тепловую нагрузку и организовать перемещаемую границу увлажнения в зависимости от ритма дыхания (или физической нагрузки организма). Чем она выше, тем больше объем вентиляции легких и тем больше влажного воздуха за единицу времени проходит через СуС 5, и тогда она увлажняется на большую глубину.

Механизм увлажнения и высушивания воздуха следующий.

Всякий раз в первые минуты применения прибора теплового комфорта с непропитанной секцией 5 она начинает задерживать влагу из выдыхаемого воздуха и накапливать ее в порах нитей сетчатых элементов 7. Наиболее интенсивно этот процесс происходит во внутренних элементах 7, расположенных в зоне теплого воздуха со 100-процентной относительной влажностью. Первые сетчатые элементы 7 понижают влажность потока и препятствуют быстрому увлажнению других. То есть скорость и степень увлажнения следующих элементов 7 быстро падают и на удалении в несколько миллиметров несущественны. Глубина увлажнения непропитанной секции 5 с течением времени увеличивается, но скорость продвижения увлажнения секции 5 все время снижается, и, наконец, увлажнение прекращается, поскольку первые элементы 7 начинают со вдыхаемым потоком возвращать влагу в органы дыхания.

С ростом степени увлажнения элементов 7 и их количества (толщины увлажнения секции 5) растет теплопроводность и теплоемкость секции 5, а соответственно она оказывает выдыхаемому потоку растущее тепловое сопротивление, то есть аккумулирует при выдохе все больше тепловой энергии и соответственно все больше тепла возвращает при вдохе. Это приводит к перераспределению теплоперепада по толщине теплоблока, то есть перепад температур на внешней секции 6 понижается. Она за счет больших и растущих радиусов искривления по толщине имеет значительно большую поверхность теплопередачи, а скорости микропотоков в ней значительно меньше и постоянно снижаются, поскольку их количество постоянно растет. То есть внешняя секция 6, рассчитанная на эффективную работу при малом перепаде температур в единицы градусов, имея огромную площадь теплообмена при незначительных теплоемкости и теплопроводности, попадает в расчетные условия работы, обеспечивая возможность теплоблоку в целом аккумулировать все тепло порции выдоха и возвращать его без потерь.

В конструкции работает естественный механизм самовыравнивания или автоматического снижения влаги внутри теплоблока, не допускающий значительного увлажнения поверхности теплообмена.

По мере увлажнения поверхностей нитей и волокон они слипаются из-за поверхностного натяжения воды и уменьшают продуваемый объем теплоблока. Суммарная площадь проходного канала падает, а скорость растет, то есть растет интенсивность вентиляции или увеличивается эффективность высушивания за равные промежутки времени вдоха.

Кроме того, проходя при вдохе сквозь все более теплые секции, вдыхаемый воздух нагревается, и его способность удерживать влагу постоянно растет.

Таким образом, в процессе задержки и возврата влаги реализован режим автоматического самовыравнивания степени увлажнения поверхности теплообмена на эффективном и безопасном для теплоблока уровне независимо от температуры.

Максимальное накопление влаги на поверхности в несколько квадратных метров СуС 5 не превышает 2 грамм, то есть наитончайшие короткие нити воды разбросаны по огромной площади и при замерзании могут лишь несколько увеличить механическую прочность секции 5, но не способны заметно поднять ее пневматическое сопротивление или повредить элементы 7.

В режиме комфортной ликвидации глубокого дыхания (КЛГД) прибор работает следующим образом.

Наибольшая теплопродукция организма происходит в легких, а основной тепловой сброс осуществляется с дыхательной вентиляцией внешних органов дыхания.

При работе прибора теплового комфорта с максимальным (при вдохе) возвратом запасенной при выдохе тепловой энергии и влаги вдыхаемый воздух при 100%-ной влажности поступает в легкие прогретым до температуры +36°С и ликвидирует условия теплообмена или возможность их охлаждения дыхательной вентиляцией – сброса текущей теплопродукции.

Тепловыделение легких остается в организме и, распределяясь по всему объему, повышает температуру тела на 1-2°С, что зафиксировано актом клинических испытаний от 20 апреля 2005 г., проведенных под руководством зав. кафедры отоларингологии ЧГМА, доктора медицинских наук, профессора Р.В.Кофанова.

Для предотвращения дальнейшего роста температуры терморегулятор организма – гипоталамус понижает уровень теплопродукции в легких, а значит в них сжигается меньше сурфактанта. Понижается и потребность в кислороде на окисление топлива, а соответственно уменьшается объем вентиляции легких или МОД (минутный объем дыхания). На одну часть кислорода в воздухе приходится четыре азота, поэтому эффект получается пятикратным.

В итоге, возврат тепловой энергии или снижение (до ликвидации) тепловых потерь организма с дыхательной вентиляцией приводит к гиперемии (повышение температуры тела с равномерным прогревом всей массы организма), понижению АД (артериального давления) и объема вентиляции легких или ликвидации их гипервентиляции.

Известен метод ВЛГД (волевой ликвидации глубокого дыхания) академика К.П.Бутейко принудительным снижением объема вентиляции. Он восстанавливает до нормы содержание диоксида углерода С0₂ в крови и ее кислотность, ликвидирует кислородное голодание тканей организма и поэтому излечивает множество заболеваний.

Но освоение ВЛГД неизбежно сопровождается удушающим эффектом, то есть требует больших волевых усилий, и поэтому несмотря на прекрасные, доказанные результаты не нашел широкого распространения.

Клинические испытания подтвердили следующее.

Прибор теплового комфорта организма с максимальным возвратом тепловой энергии в сочетании с высоким пневматическим сопротивлением ликвидирует гипервентиляцию легких без удушающего эффекта и дискомфорта.

Поскольку возврат тепла ликвидирует потребность легких в кислороде для сжигания топлива, то снимается и необходимость в недополученной части воздуха, то есть в данном случае нет того, что и не надо.

Основу модификации КЛГД представляет собой теплоблок с максимальным возвратом тепловой энергии, поскольку ее наиболее частое применение целесообразно в помещении (в наихудших условиях теплообмена) с комфортной температурой +20°С, то есть при малом температурном градиенте (+36°С)-(+20°С)=16°С, – максимальной потребности предельно высокого КПД.

Величина суммарного пневматического сопротивления внешних слоев 13 может изменяться от единиц до десятков кПа и зависит от текущего значения МОД (минутный объем дыхания) конкретного пользователя, то есть изменяется в широких пределах или постепенно увеличивается самим пользователем установкой дополнительных внешних накладок для снижения коэффициента полезного действия.

В этой модификации для теплоблока применена (без изменений) 3-секционная конструкция, на внешнюю поверхность которой устанавливаются дополнительные элементы сопротивления 13.

Процесс теплообмена при КЛГД происходит следующим образом.

Высокое пневматическое сопротивление внешней накладки значительно ограничивает пропускную способность теплоблока для потоков в обоих направлениях, и это изменяет условия теплообмена. Изначально давление воздуха в микроканалах по всей длине равно атмосферному. При выдохе, перемещение грудной диафрагмы создает избыточное давление воздуха в легких, воздухоносных путях и внутренней камере прибора, которое определяет перепад (между внутренней и внешней поверхностью) для теплоблока в целом. Этой энергии недостаточно для преодоления высокого пневматического сопротивления проходного канала теплоблока (трения) или быстрого продвижения через него сжатого объема воздуха.

Поэтому идет процесс повышения давления воздуха по длине микроканалов (перемещение границы присутствия избыточного давления). В зависимости от ритма дыхания и объема вентиляции МОД он продолжается от ˜0,2-0,3 сек до ˜0,9-1,2 сек. Это время (Тз.выд.) запаздывания выдоха (аналогично для вдоха Тз.вд.) необходимо на приведение в движение или разгон микропотоков по всей длине микроканалов (толщине теплоблока). Эффект имеет особое значение.

Процесс усвоения кислорода из воздуха (в легких) происходит в момент максимального сжатия – между вдохом и выдохом. С прибором КЛГД давление воздуха несколько увеличивается, а время его максимального сжатия становится значительным, то есть организм получает возможность усваивать больший процент кислорода из каждой порции вдоха.

В итоге, несмотря на значительное понижение МОД (минутный объем дыхания) поступление кислорода в организм не снижается и даже вырастает за счет более глубокого его усвоения.

В режиме аккумулирования избытка тепловой энергии (АИТЭ) работа прибора (АИТЭ)/обязательного теплового сброса организма/ происходит следующим образом.

Логической версией прибора независимого теплового комфорта организма человека с максимальным возвратом тепловой энергии является конструкция с элементами 11 дополнительного аккумулирования тепловой энергии, имеющими высокую теплоемкость и теплопроводность (фиг.6). Они представляют собой запасную емкость для аккумулирования избытка тепловой энергии, которая является обязательным сбросом организма для предотвращения его перегрева. То есть подлежащая обязательному сбросу в атмосферу, текущая теплопродукция организма в модификации АИТЭ накапливается в элементах дополнительной емкости теплоблока.

Конструкция, из-за присущей всем модификациям функции возврата влаги, не боится ее конденсации при значительном или резком охлаждении воздуха на малом участке длины микроканалов.

Изначально, имея большие для порции выдоха массу, теплопроводность и теплоемкость, уже первый (или единственный) металлический сетчатый элемент 11 не может быстро прогреться, поэтому между ним и теплоносителем при выдохе образуется значительный перепад температур. То есть в ячейках МСЭ (металлический сетчатый элемент 11 теплообмена) происходит интенсивное охлаждение воздуха с уменьшением его объема и способности удерживать влагу. Она выделяется из воздуха на металлической поверхности элемента 11, которая с обеих сторон находится в контакте с непропитанными, пористыми, хорошо впитывающими влагу, тканевыми сетчатыми элементами 7 (НПЭ).

В этой модификации основное увлажнение НПЭ 7 происходит в местах их прилегания к металлическим элементам 11, то есть оно ступенчатое и заранее определяется конструкцией.

Увлажненные участки НПЭ 7, находящиеся в контакте с МСЭ 11, имеют одинаковую с ней температуру и теперь представляют собой ее дополнительную поверхность теплопередачи (с несколько меньшими теплоемкостью и теплопроводностью), то есть увеличивают тепловое сопротивление МСЭ, чем компенсируют уменьшение температурного градиента при прогреве металлического элемента, препятствуя снижению КПД процесса теплообмена.

Поскольку масса металлического элемента 11 значительно превосходит массу (теплосодержание) порции дыхания, на ее прогрев требуется некоторое время, по истечении которого температура МСЭ в течение полуцикла вдоха (выдоха) меняется несущественно. Температура вдыхаемого воздуха здесь всегда постоянна и равна выдыхаемому.

При увеличении физической нагрузки организма растет его (подлежащая сбросу в атмосферу) теплопродукция, которая будет накапливаться уже в следующих за первым, дополнительных элементах аккумулирования избытка тепловой энергии, и теплоблок (до температуры тела +36,5°С) прогревается на все большую глубину, то есть прогревается все больший его объем.

При массе АИТЭ от 300 до 500 г максимальное время его прогрева дыханием без сброса (до начала сброса) тепловой энергии в атмосферу может достигать десятков минут.

Если человек будет одет в теплоотражающую одежду, то с прибором модификации АИТЭ у него не будет теплового сброса в атмосферу, и по тепловому излучению в инфракрасных лучах он будет невидим, поскольку весь тепловой сброс организма осуществляется в аккумулятор. После полного прогрева или заполнения аккумулятора, во избежание перегрева организма на морозе, его надо заменить на следующий, холодный.

В режиме работы прибора со сбросом избыточного тепла под одежду его функционирование осуществляется следующим образом.

Модификация прибора независимого теплового комфорта организма со сбросом избыточного тепла под одежду (СпО) (фиг.9) предназначена для:

– облегчения и удешевления одежды;

– устранения противоречий системы человек-одежда;

– перераспределения теплового сброса организма (на холоде) в конечности путем устранения тепловых потерь (условий теплообмена) с поверхности туловища.

Прибор независимого теплового комфорта (без сброса под одежду) устраняет избыточные (охлаждающие) тепловые потери организма и сохраняет обязательный сброс тепловой энергии. Основной тепловой сброс организма человека осуществляется с дыханием и дополняется потерями тепла с поверхности тела через одежду. Защищая от охлаждения воздушно-паровой слой на кожных покровах, одежда увлажняется, ее тепловое сопротивление падает, и кожа начинает интенсивно охлаждаться от испарения накопленной в одежде воды.

Функционально зимняя одежда вообще не способна быть тепловой защитой всего организма. Ее реальные возможности значительно скромнее и ограничены защитой только кожных покровов или верхнего слоя поверхности тела (толщиной меньше 1 мм), да и то лишь до тех пор, пока организм имеет тепловой ресурс – возможность для их обогрева. Вместе с тем зимняя одежда является избыточной теплоизоляцией. Ее тепловое сопротивление не может изменяться (снижаться) для компенсации (дополнительного сброса) тепловыделения организма в динамике его физической активности, что создает противоречия системы человек-одежда. В итоге одежда эффективна лишь в узком диапазоне условий теплового взаимодействия организма со средой обитания, а вне его или не мешает человеку мерзнуть, либо перегревает до потовыделения и увлажняется. В этом случае из тепловой защиты наша одежда на холоде превращается в средство охлаждения кожных покровов.

Базовый прибор независимого теплового комфорта прогревает вдыхаемый воздух до комфортной температуры +25°С ÷ +36°С, а избыток тепла сбрасывает в атмосферу. Сброс – это сухой теплый воздух с температурой +20°С ÷ +25°С. В помещении с такой средой (микроклиматом) человеку неограниченное время комфортно в самой легкой одежде или без одежды. Сброс сухого теплого воздуха под одежду создает человеку на холоде полноценные условия теплого помещения, включая и тепловое взаимодействие со средой поверхности тела.

Непрерывный сброс избытка тепла из прибора в продуваемое пространство под одеждой (сухого теплого воздуха) создает вокруг тела тепловой экран или тепловой занавес, в котором приток дополнительного тепла превышает существующие тепловые потери через одежду. Таким образом, вместо изолирующего воздушно-парового слоя с подогревом от кожных покровов (их тепловыми потерями) тепловой защитой кожных покровов становится слой сухого теплого воздуха от дополнительного источника тепловой энергии и вентиляции со стабильной и комфортной температурой, как в теплом помещении. То есть человек значительной частью поверхности тела взаимодействует через теплоизоляцию не с холодной атмосферой, а с теплым микроклиматом под одеждой и дышит теплым же воздухом, прогретым в том же приборе теплового комфорта.

В этом случае верхняя одежда изолирует от холода не кожные покровы человека, а тепловой занавес, и требования к ней как к теплоизоляции резко снижаются.

Постоянное поступление под одежду сухого теплого воздуха устраняет в продуваемом пространстве повышенную влажность, не допускает увлажнения одежды и высушивает ее в сырую погоду, поэтому высокая степень ее теплоизоляции не снижается.

В пределах площади своего присутствия (грудь, спина) тепловой занавес ликвидирует возможность теплообмена или устраняет тепловые потери с кожных покровов – площадь для тепловых потерь с поверхности тела резко снижается.

В организме отсутствуют избыточные (охлаждающие) тепловые потери, он имеет полный тепловой ресурс (нормальную температуру тела) и текущее тепловыделение, которое надо сбрасывать для предотвращения перегрева. Для обязательного теплового сброса у организма остается лишь не защищенная тепловым занавесом поверхность ног, рук и головы. Чтобы осуществлять обязательный тепловой сброс на морозе (с прибором со сбросом тепла под одежду), организм вынужден интенсивно отапливать конечности, поскольку другой возможности для охлаждения у него нет.

При вдохе холодный атмосферный воздух через впускной клапан (выпускной при вдохе закрыт) поступает в пространство над поверхностью теплоблока или внешнюю камеру.

Ее наличие обеспечивает равномерное распределение давления на внешней поверхности теплоблока, что необходимо для равномерного распределения расходов по микропотокам и тепловой нагрузки в объеме теплоблока. В теплоблоке воздух нагревается до температуры тела +36°С и из внутренней (теплой) камеры через плоский утепленный газоход подается в органы дыхания. При выдохе теплый воздух прогревает (охлажденный при вдохе) теплоблок, а сам остывает до +25°С и с такой температурой из внешней камеры через выпускной клапан (теперь закрыт входной), сбрасывается в основании шеи под одежду. В этой модификации применен теплоблок с максимальным возвратом тепловой энергии и увлажняющейся секцией для задержки выдыхаемой влаги и возврата ее при вдохе в органы дыхания. Внешняя поверхность прибора выполнена из теплоотражающей ткани и дополнительно покрыта мягкой, декоративной тканью с низкой теплопроводностью – флисом. Таким образом, плоский газоход из теплой камеры в органы дыхания защищен от тепловых потерь снаружи, а его внутренняя поверхность лежит на теплой коже лица и в теплоизоляции не нуждается.

Для крепления на голове сверху прибора предусмотрена тесьма, а снизу он хорошо удерживается обычной укладкой шарфа и дополнительного крепежа не требует. Вес прибора – 106 грамм.

В сравнении с прототипом заявляемый прибор обеспечивает улучшенный теплообмен, увлажнение воздуха при вдохе и осушку его при выдохе, его очистку от всякого рода примесей, а также позволяет ликвидировать глубокое дыхание, обеспечивает аккумулирование избытка тепла и сброс избытка тепла под одежду.

Формула изобретения

1. Прибор независимого теплового комфорта организма человека, имеющий форму и размеры, повторяющие форму и соотношение размеров нижней части лица, и содержащий секцию из имеющего на внутренней поверхности центральное отверстие для рабочего дыхания чехла из текстильного материала, не представляющего пневматического сопротивления потокам воздуха, в котором размещен вкладыш в виде внутренней секции из нескольких наложенных друг на друга перфорированных или сетчатых элементов, пропитанных затвердевающим компаундом и образующих теплообменную поверхность в виде изогнутого наружу переменным радиусом пакета толщиной от единиц до десятков миллиметров, причем радиус изгиба и площадь внешней поверхности элемента больше радиуса изгиба и площади ее внутренней поверхности, отличающийся тем, что прибор дополнительно содержит последовательно расположенные во вкладыше поверх внутренней секции и образующие с ней единый теплоблок среднюю самоувлажняюшуюся секцию, которая выполнена из сетчатых элементов, и внешнюю секцию из нескольких наложенных друг на друга перфорированных или сетчатых элементов, пропитанных затвердевающим компаундом, при этом сетчатые элементы каждой из секций выполнены из натуральных тканей, каждая из секций образует теплообменную поверхность в виде изогнутого наружу переменным радиусом пакета толщиной от единиц до десятков миллиметров, причем радиус изгиба и площадь внешней поверхности секции больше радиуса изгиба и площади ее внутренней поверхности, а площадь каждой последующей секции больше площади предыдущей, толщина набора сетчатых элементов в каждой секции и воздушных промежутков между ними составляет несколько миллиметров, причем параллельно рабочему каналу для дыхания, включающему центральное отверстие, имеется дополнительный регулятор снижения коэффициента полезного действия.

2. Прибор по п.1, отличающийся тем, что сетчатые элементы средней секции пропитаны компаундом в начале и в конце толщины теплоблока.

3. Прибор по п.1, отличающийся тем, что дополнительный регулятор снижения коэффициента полезного действия представляет собой канал для прямого сообщения органов дыхания с атмосферой.

4. Прибор по п.1, отличающийся тем, что дополнительный регулятор снижения коэффициента полезного действия представляет собой устройство подсоса.

5. Прибор по п.1, отличающийся тем, что внешняя поверхность внешней секции дополнена несколькими слоями плотной плохо продуваемой ткани.

6. Прибор по п.1, отличающийся тем, что между сетчатыми элементами средней секции размещены элементы из металлической сетки.

7. Прибор по п.1, отличающийся тем, что теплоблок в нем расположен в нижней части чехла и сообщен плоским тонким газоходом с отверстием в чехле напротив рта, а также снабжен клапанами для входа и выхода воздуха, а наружная поверхность внешней секции выполнена теплоотражающей и дополнительно закрыта сверху мягкой тканью с низкой теплопроводностью.

РИСУНКИ