ВОРОТНИК Российский патент 2000 года по МПК A62B18/00 

Изобретение относится к медицинской технике, а точнее к средствам индивидуальной защиты органов дыхания человека от воздействия низкотемпературного воздуха, и предназначено в основном для использования в бытовых северных условиях.

Известна теплорекуперирующая маска (ЕР 0255387 A2, кл. A 62 B 18/02, 03.02.1988), включающая корпус, охватывающий рот и нос человека, теплообменник, выполненный проницаемым для воздуха обтюратор, оголовье с элементами крепления и воздухопроводный патрубок.

Недостатками являются плохая рекуперация тепла, неполный подогрев вдыхаемого морозного воздуха до плюсовых температур, намерзание конденсата.

Наиболее близким по технической сущности является воротник (см., например: Максимова М.В. Азбука вязания. - М.: Легпромбытиздат, 1991, ч.2, стр. 56-57, рис. 228), выполненный вязанием в резинку в два слоя из теплоизоляционных нитей, облегающий шею, нижнюю часть головы, нос и рот человека.

Задачей данного изобретения является облегчение конструкции, приближенной к бытовым условиям потребления, полный подогрев вдыхаемого морозного воздуха до плюсовых температур, обеспечение удаления намерзающего конденсата во время использования, исключение порчи одежды конденсатом.

Общими признаками известного и заявленного решения являются: воротник, выполненный вязанием в резинку в два слоя из теплоизоляционных нитей, облегающий шею, нижнюю часть головы, рот и нос человека.

Признаки, отличающие заявленное изобретение от известного: в нижнем слое воротника в районе носа и рта выполнен проем, в котором закреплен воздухоподводящий канал из жесткого теплоизоляционного материала по форме в виде продолжения носа, причем торцевая часть воздухоподводящего канала, прилегающая к носу, и его нижняя часть в районе рта выполнены сеткой из теплоизоляционного материала, а внутренняя часть воздухоподводящего канала заполнена слоями воздухопроницаемого теплообменника, за пределами рта наружная поверхность нижнего слоя воротника покрыта водонепроницаемой пленкой и на ней закреплен связанный с воздухоподающим каналом воздухопроницаемый намораживающий каркас в виде путанки из нитеобразных теплопроводных материалов для намораживания конденсата, а в верхнем слое вязаного воротника в районе намораживающего каркаса выполнен проем для связи с атмосферой, что обеспечивает полный подогрев вдыхаемого морозного воздуха до плюсовых температур, обеспечение удаления намерзающего конденсата во время использования, а также исключение порчи одежды конденсатом.

Существенным отличием предлагаемого технического решения является следующее.

Данное техническое решение позволяет в бытовых условиях выполнить теплоизоляционную маску из доступных материалов, шерсти, пуха, синтетической объемной пряжи. Воротник, связанный в резинку, плотно облегает шею, нижнюю часть головы, рот и нос человека, создавая комфортные условия для тела и надежно защищая от холодного морозного воздуха. Воротник, связанный из шерсти, пуха, не изменяет своих свойств (не замерзает) на морозе и упруго деформируется при необходимости перемещения во время работы. Выполнение воротника связанным в два слоя обеспечивает предохранение воздухоподводящего канала от холодного наружного воздуха, предотвращает его обмерзание и прочно закрепляет на околоносовой поверхности. За счет второго слоя возможна некоторая регулировка теплообмена в районе намораживания конденсата. Упрощает конструкцию крепление намораживающего каркаса. Кроме того, второй слой обеспечивает более эстетический вид воротника. Воротник может быть выполнен совместно со шлемом, покрывающим всю голову человека.

В нижнем слое воротника в районе носа и рта выполнен проем, в котором закреплен воздухоподводящий канал, изготовленный из жесткого материала, например из теплоизоляционной жесткой пластмассы, по форме в виде продолжения носа, причем торцевая часть воздухоподающего канала, примыкающая к носу, и нижняя часть в районе рта выполнены сеткой из теплоизоляционного материала, что обеспечивает простоту изготовления элементов воздухоподводящего канала, снижает объем вредного "мертвого" пространства, обеспечивая при этом надежность работы. Простота конструкции и малые размеры снижают вес и создают удобство при использовании. Крепление воздухоподводящего канала непосредственно к воротнику, выполненное вязанием резинкой, обеспечивает надежное мягкое прилегание к частям лица без утечек и подсосов воздуха вне канала, что повышает эффективность и комфортные условия эксплуатации.

Внутренняя часть воздухоподводящего канала заполнена слоями воздухонепроницаемого теплообменника. Известно, что выделяемый человеком воздух имеет температуру его тела 36 градусов, содержит большое количество паров воды.

Как показывают расчеты этого процесса, количество тепловой энергии, полученное за счет конденсации, соизмеримо с величиной энергии, высвобожденной из воздуха при понижении температуры.

Необходимо отметить, что количество энергии при "добротном" выполнении теплообменника выше, чем необходимо для подогрева морозного воздуха до положительных величин, близких к температуре выдыхаемого воздуха. В этом случае используется теплота конденсации выделяемых организмом паров воды, т.е. при идеальной работе теплообменника и если его масса рассчитана на аккумуляцию энергии, конденсацию паров, можно получить подогретый воздух на вдохе равным 36 градусам тепла.

В качестве теплообменника наиболее рационально использовать алюминий. Алюминий обладает большой проводимостью, что обеспечит быстрое и равномерное распределение поступающего тепла, а также отдачу тепла. Время в течение 2 секунд (время вдоха) достаточно, чтобы аккумулировать все выдыхаемое тепло.

Кроме того, алюминий обладает большой удельной теплоемкостью, что позволяет получить аккумулятор тепла одного выдоха до 6 грамм, т. е. небольшого веса. Алюминий не токсичен, широко доступен и легко обрабатывается, из него можно готовить теплообменник с любой структурой. Для того, чтобы был хороший теплообмен, необходимо создать пористость между частицами алюминия, который может быть выполнен в виде проволоки, уложенной рядами с зазорами сетки, путанки (хаотично спутанной проволоки), стружки, шаровидных тел, пористого прессованного материала. Чем меньше размеры пор и больше их длина, тем легче теплообмен, но при этом растет величина сопротивления дыханию. Для нормальной работы необходимо, чтобы сопротивление дыхательного аппарата не превышало 150 Па. В соответствии с этим экспериментально для массы алюминия 6 грамм в зависимости от формы (проволоки, стружки и т.д.) подбирается его структура, чтобы сопротивление не превышало 150 Па.

В теплообменнике за каждый период накапливается и остается определенное количество тепла, пульсирующее на отрезке воздухоподводящего канала теплообменника. Температура на концах теплообменника колеблется от 36 градусов тепла до минусовых, равных температуре наружного воздуха. Если произвести деление массы теплообменника на отдельные самостоятельные теплоизолируемые между собой элементы, то границы каждого отрезка (слоя) будут находиться в граничных условиях данного слоя, и в нем будет аккумулироваться определенное количество тепла, на начало каждого последующего слоя будут создаваться условия, такие же как на конце предыдущего.

На слоях, находящихся внутри воздухоподводящего канала, создаются условия положительных температур, близкие к температуре вдыхаемого воздуха, а на внешних слоях от низких, равных наружной температуре, до положительных в зависимости от того, сколько энергии приходится аккумулировать на этом участке воздухоподводящего канала.

Таким образом, деление теплообменника на отдельные самостоятельные температурные слои позволяет стабилизировать необходимую положительную температуру поступающего в организм человека воздуха. Кроме того, деление теплообменника на отдельные термоизолированные слои позволяет соответствующим подбором слоев использовать их при различных отрицательных температурах наружного воздуха.

За пределами рта наружная поверхность нижнего слоя воротника покрыта водонепроницаемой пленкой, и на ней закреплен воздухопроницаемый намораживающий каркас в виде путанки из нитеобразных теплоизолированных материалов для намораживания конденсата.

Это техническое решение обеспечивает защиту воротника и одежды от порчи водой (конденсатом) за счет ее замораживания на водонепроницаемой поверхности. После конденсации вода из теплообменника поступает на воздухопроницаемый намораживающий каркас, например, выполненный из стальной проволоки с антикоррозионным покрытием (например, цинком, серебром и др.), под воздействием поступающего морозного воздуха намерзнет на проволоку в виде тонких оболочек.

При этом поступающий морозный воздух отдает часть своего холода на замораживание воды, что также способствует повышению температуры воздуха, поступающего в теплообменник. После того, как намерзнет некоторое количество воды, каркас снимается, и в руках производят его обмятие. Этому способствует изготовление каркаса в виде путанки. И каркас готов к дальнейшему использованию. Изготовление каркаса в виде путанки из нитеобразного материала позволяет иметь большую площадь и хорошую воздухопроницаемость. Использование стальных посеребренных проволок способствует обеззараживанию поступающего воздуха в организм человека.

В качестве нитеобразного материала могут быть использованы и нити из синтетических материалов, а также композиции металлической проволоки и, например, капроновых нитей. Посредством синтетических нитей возможно эстетическое оформление воротника под общую раскраску, что немаловажно при использовании в бытовых условиях.

В верхнем слое вязаного воротника в районе намораживающего каркаса выполнен проем для связи с атмосферой. Это обеспечивает доступ атмосферного воздуха в намораживающий каркас, а затем и в воздухоподающий канал. При ограниченных размерах проема повышается степень загрязнения намораживающего каркаса на пленочном покрытии нижнего слоя. Создается возможность удаления намерзшего конденсата без съема намораживающего каркаса.

Сущность предлагаемого технического решения.

Для защиты органов дыхания от морозного воздуха предлагается воротник, выполненный вязанием в резинку в два слоя из теплоизолирующих нитей шерсти, пуха, синтетической объемной пряжи, облегающей шею, нижнюю часть головы, рот и нос человека. В нижнем слое вязаного воротника выполнен проем, в котором закреплен воздухоподводящий канал из жесткого материала по форме в виде продолжения носа. Торцевая часть канала, примыкающая к носу, и нижняя часть в районе рта выполнены сеткой из синтетического теплоизолирующего материала. За пределами рта наружная поверхность нижнего слоя воротника покрыта водонепроницаемой пленкой, и на ней закреплен связанный с воздухоподводящим каналом воздухопроницаемый намораживающий каркас в виде путанки из нитеобразных теплопроводных нитей для намораживания конденсата. В верхнем слое вязаного воротника в районе намораживающего каркаса выполнен проем для связи с атмосферой.

Пример выполнения воротника показан на принципиальной схеме.

Воротник изготавливается вязанием из теплоизоляционных нитей - шерсти, пуха, объемной синтетической пряжи и т.п. в виде кольца 1 сложной конфигурации, облегающей шею, нижнюю часть головы, рот и нос человека. Для обеспечения упругого облегания вязание ведут в "резинку" (известная технология вязания) в два слоя. Условно назовем верхнего 2 и нижнего 3 слоя с перегибом 4 в районе носа.

В нижнем слое 3 воротника в области носа и рта выполнен проем с кромками 5 в виде прямоугольника, в котором закреплен воздухоподводящий канал 6 из жесткого теплоизоляционного материала (теплоизоляционной жесткой пластмассы, прессованной кожи и т.п.) по форме в виде продолжения носа (в сечении треугольник с закругленным верхним углом). Торцевая часть, примыкающая к носу, и нижняя часть 7 воздухоподводящего канала выполнены сеткой 8 из синтетического теплоизоляционного материала.

Внутренность воздухоподводящего канала 6 заполнена слоями 9, 10, 11 воздухопроницаемого теплообменника. В качестве теплообменника наиболее рационально использовать алюминий. Алюминий обладает большой проводимостью, что обеспечивает быстрое и равномерное распределение поступающего тепла, а также отдачу тепла.

Кроме того, алюминий обладает большой удельной теплоемкостью, что позволяет получить аккумулятор тепла, одного вдоха в массе шести грамм, т.е. небольшом весе. Алюминий не токсичен, широко доступный и легко обрабатываемый металл, из него можно готовить теплообменник любой структуры.

Для того, чтобы был хороший теплообмен, необходимо создать пористость между частицами алюминия. Частицы алюминия в теплообменнике могут быть выполнены в виде проволоки, уложенный рядами в двух противоположных направлениях с зазором, сетки, путанки (хаотично спутанной проволоки), стружки, шаровидных тел, пористого прессованного материала. Чем меньше размеры пор и больше их длина, тем производительней теплообмен, но при этом растет величина сопротивления дыханию. Для нормальной работы необходимо, чтобы сопротивление дыхательного аппарата не превышало 150 Па (из инструкции по дыхательным аппаратам - самоспасателям). В соответствии с этим в зависимости от вида частиц алюминия для массы алюминия шесть грамм экспериментально подбирается структура теплообменника.

В теплообменнике за каждый период накапливается и остается определенное количество тепла, пульсирующее на отрезке воздухоподводящего канала теплообменника. Температура на концах теплообменника колеблется от 36 градусов тепла до минусовых, равных наружному воздуху. Если произвести деление массы теплообменника на отдельные самостоятельные теплоизолирующие слои, то границы каждого слоя будут находиться в граничных условиях данного слоя, и в нем будет аккумулироваться определенное количество тепла, на начало каждого последующего слоя будут создаваться условия, такие же как на конце предыдущего.

На слоях, находящихся внутри воздухоподводящего канала, создаются условия положительных температур, близкие к температуре вдыхаемого воздуха, а на внешних слоях - от низких, равных наружной температуре, до положительных в зависимости от того, сколько энергии приходится аккумулировать на этом участке воздухоподводящего канала.

Деление теплообменника, например, на отдельные самостоятельные температурные слои 9, 10, 11 позволяет стабилизировать необходимую положительную температуру поступающего в организм человека воздуха.

Каждый слой теплообменника, например, выполнен из нескольких рядов алюминиевой сетки, объединенных общей оболочкой из сетчатого материала на основе лавсано-(капроно) теплоизоляционного материала.

Алюминий внутри слоя термоизолирован. И при монтаже нескольких слоев, например три штуки (9, 10, 11), каждый работает самостоятельно.

Деление теплообменника на отдельные термоизолированные слои позволяет соответствующим подбором слоев использовать воротник при различных отрицательных температурах наружного воздуха.

За пределами рта наружная поверхность нижнего слоя 3 покрыта водонепроницаемой пленкой 12. На водонепроницаемой пленке 12 закреплен воздухопроницаемый намораживающий каркас 13, примыкающий торцевой частью к воздухоподводящему каналу 6.

Воздухопроницаемый каркас 13 служит для намораживания конденсата и выполнен в виде путанки из нитеобразного теплоизолированного материала, например тонкой стальной проволоки, покрытой серебром, цинком и др. Кроме того, часть нитеобразной путанки может быть выполнена из капрона или лавсана по эстетическим соображениям.

В верхнем слое 2 вязаного воротника, в районе воздухопроницаемого намораживающего каркаса 13, выполнен проем с торцевыми кромками 14 прямоугольной формы для связи с атмосферой. Для защиты головы воротник может быть связан совместно с головным убором - шапочкой, шлемом.

Воротник работает следующим образом. Рассмотрим установившийся цикл после нескольких вдохов и выдохов морозного воздуха.

При вдохе морозный воздух проходит через намораживающий каркас 13, на проволоку которого осели капельки конденсированной воды предыдущего выдоха воздуха из легких. Холодный морозный воздух замораживает капельки воды на проволоках, при этом затрачивает часть холода, т.е. повышается его температура. При дальнейшем движении по воздухоподводящему каналу 6, проходя термоизолированные между собой слои теплообменников 11, 10 и 9 (укладка слоев теплообменников в воздухоподводящем канале обеспечивает последовательность прохождения независимо от дыхания через нос или рот).

Проходя через поры в теплообменниках, морозный воздух подогревается, отбирая накопленное тепло от предыдущего выдоха. Проходя через каждый из очередных слоев, морозный воздух нагревается на некоторую величину. В приведенном примере показаны три слоя теплообменников, три фазы подогрева морозного воздуха. Количество тепла, полученного в каждом слое, в основном, зависит от количества алюминия в данном слое. Подогретый воздух в человека поступает через нос или рот. Желательно с точки зрения физиологии человека, чтобы дыхание велось через нос.

Воздух при выдохе насыщен водяными парами, имеет температуру 36 градусов. Проходя последовательно в обратном порядке слои 9, 10 и 11 теплообменника, он нагревает охлажденный алюминий при вдохе воздуха. При этом понижается температура выдыхаемого воздуха, начинает конденсироваться пар, превращаясь в капельки воды. Переходный процесс от пара к капелькам воды - это энергоемкий процесс, при этом выделяется основное количество энергии выдыхаемого воздуха. За счет этой энергии подогревается алюминий, запасается тепло. Количество алюминия в теплообменниках рассчитано на полное погашение энергии в одном выходе.

Отдав тепло, охлажденный воздух с капельками воды из теплообменника поступает в намораживающий каркас 13. Капельки воды оседают на проволочный каркас и лед (от предыдущего вдоха). Охлажденный и отдавший воду выдыхаемый воздух выходит в атмосферу. Начинается вдох новой порции воздуха, и цикл повторится.

По мере накопления льда в виде тонких оболочек на проволоке и хлопьев производится его удаление. Удаление возможно простым обмятием каркаса пальцами без его съема. Конструкцией также предусмотрены съем и обмятие пальцами для удаления льда, с последующей установкой. Для намораживающего каркаса, выполненного в виде путанки, эта операция не трудоемка и не сложна.

Воротник может быть использован для защиты органов дыхания человека от воздействия низкотемпературного воздуха. Воротник выполнен вязанием в резинку в два слоя из теплоизоляционных нитей и облегает шею, нижнюю часть головы, рот и нос человека. В нижнем слое воротника в районе носа и рта выполнен проем, в котором закреплен воздухоподводящий канал из жесткого теплоизоляционного материала по форме в виде продолжения носа. Торцевая часть воздухоподводящего канала, прилегающая к носу, и его нижняя часть в районе рта выполнены сеткой из теплоизоляционного материала, а внутренняя часть воздухоподводящего канала заполнена слоями воздухопроницаемого теплообменника. За пределами рта наружная поверхность нижнего слоя воротника покрыта водонепроницаемой пленкой, и на ней закреплен связанный с воздухоподающим каналом воздухопроницаемый намораживающий каркас в виде путанки из нитеобразных теплопроводных материалов для намораживания конденсата. В верхнем слое вязаного воротника в районе намораживающего каркаса выполнен проем для связи с атмосферой. Конструкция воротника обеспечивает полный подогрев вдыхаемого морозного воздуха до плюсовых температур, обеспечение удаления намерзающего конденсата во время использования, исключение порчи одежды конденсатом. 1 ил.

Воротник, выполненный вязанием в резинку в два слоя из теплоизоляционных нитей, облегающий шею, нижнюю часть головы, рот и нос человека, отличающийся тем, что в нижнем слое воротника в районе носа и рта выполнен проем, в котором закреплен воздухоподводящий канал из жесткого теплоизоляционного материала по форме в виде продолжения носа, причем торцевая часть воздухоподводящего канала, прилегающая к носу, и его нижняя часть в районе рта выполнены сеткой из теплоизоляционного материала, а внутренняя часть воздухоподводящего канала заполнена слоями воздухопроницаемого теплообменника, за пределами рта наружная поверхность нижнего слоя воротника покрыта водонепроницаемой пленкой и на ней закреплен связанный с воздухоподающим каналом воздухопроницаемый намораживающий каркас в виде путанки из нитеобразных теплопроводных материалов для намораживания конденсата, а в верхнем слое вязаного воротника в районе намораживающего каркаса выполнен проем для связи с атмосферой.