ОСИПОВ, Олег Игоревич (Мичуринский проспект, 11/3-89 Москв, 2 Moscow, 119602, RU)
ОСИПОВ, Олег Игоревич (Мичуринский проспект, 11/3-89 Москв, 2 Moscow, 119602, RU)
| Формула изобретения 1. Способ защиты органов дыхания и глаз от аэрозольных частиц окружающего воздуха, заключающийся в том, что создают потоки (2) воздуха в виде воздушной завесы перед защищаемыми участками лица, включая одновременно или по отдельности ноздри, рот, глаза, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что создают указанные потоки (2) из окружающего воздуха без предварительной очистки, направляют указанные потоки (2) таким образом, чтобы линии тока не пересекали плоскости защищаемых участков лица и уносили аэрозольные частицы мимо этих участков, выбирают конфигурацию указанных потоков (2) таким образом, чтобы любой вектор, проведенный из окружающего пространства через воздух в плоскость защищаемых участков лица, пересекался, по меньшей мере, одним из указанных потоков (2), а также выбирают такие скорость и поперечное сечение каждого потока (2), чтобы ускорение, приобретаемое аэрозольными частицами, попадающими в каждый поток (2) из окружающего пространства, было достаточно для отклонения их от защищаемых участков лица. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что направляют указанные потоки (2) вдоль линии губ (10) в направлении от щек (1 1) к носу (12). 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что направляют указанные потоки (2) перпендикулярно линии рта сверху вниз. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что указанные потоки (2) создают за счет нагнетания воздуха через воздушные магистрали (4, 4а, 7) с помощью компрессора с носимым источником питания. 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что указанные потоки (2) создают за счет откачки воздуха из области перед указанными участками лица через воздушные магистрали (4, 4а, 7) с помощью насоса (3, За) с носимым источником питания. 6. Способ по п.п. 4-5, отличающийся тем, что указанные воздушные магистрали (4, 4а, 7) прикрепляют к оправе очков. 7. Способ по п.п. 4-5, отличающийся тем, что указанные воздушные магистрали (4, 4а, 7) крепят к заушной гарнитуре (8, 8а). 8. Способ по п.п. 4-5, отличающийся тем, что указанные воздушные магистрали (4, 4а, 7) крепят на одежде. 9. Способ по п.п. 4-5, отличающийся тем, что указанные воздушные магистрали (4, 4а, 7) крепят на головном уборе. 10. Устройство для защиты органов дыхания и глаз от аэрозольных частиц окружающего воздуха, включающее средства крепления указанного устройства относительно лица, а также, по меньшей мере, один насос (3, За) с носимым источником питания и соединенные с насосом (3, За) воздушные магистрали (4, 4а, 7), выполненные с возможностью формирования потоков (2) воздуха в виде воздушной завесы перед защищаемыми участками лица, включая одновременно или по отдельности ноздри, рот, глаза, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что насос (3, За) выполнен с возможностью формирования указанного потока (2) непосредственно из окружающего воздуха, выходы воздушных магистралей (4, 4а, 7) направлены относительно лица таким образом, что линии тока воздушной завесы не пересекают плоскости входных отверстий защищаемых участков лица, при этом форма указанных потоков (2) такова, что любой вектор, проведенный из окружающего пространства через воздух в плоскость входных отверстий защищаемых участков лица, пересекается, по меньшей мере, одним из указанных потоков (2), а поперечное сечение и скорость потоков (2) с учетом производительности насоса (3, За) выбраны так, что ускорение, приобретаемое аэрозольными частицами, попадающими в каждый поток (2) из окружающего пространства, достаточно для отклонения их от защищаемых участков лица. 1 1. Устройство по п.10, отличающееся тем, что в качестве насоса (3, За) оно имеет вакуумное устройство для откачки воздуха. 12. Устройство по п.10, отличающееся тем, что в качестве насоса (3, За) оно имеет компрессор для нагнетания окружающего воздуха. 13. Устройство по п. 12, отличающееся тем, что в качестве компрессора оно имеет осевой вентилятор. 14. Устройство по п. 12, отличающееся тем, что в качестве компрессора оно имеет центробежный вентилятор. 15. Устройство по п.п. 1 1-14, отличающееся тем, что указанные воздушные магистрали (4, 4а, 7) расположены так, что направляет воздушные потоки (2) вдоль линии губ (10) в направлении от щек (1 1) к носу (12). 16. Устройство по п.п. 1 1-14, отличающееся тем, что указанные воздушные магистрали (4, 4а, 7) расположены так, что направляют воздушные потоки (2) перпендикулярно линии рта сверху вниз. 17. Устройство по п.п. 1 1-14, отличающееся тем, что в качестве средства крепления указанных воздушных магистралей имеется оправа очков. 18. Устройство по п.п.11-14, отличающееся тем, что в качестве средства крепления указанных воздушных магистралей (4, 4а, 7) имеется заушная гарнитура (8, 8а). 19. Устройство по п.п. 11-14, отличающееся тем, что средства крепления указанных воздушных магистралей (4, 4а, 7) имеют средства их фиксации на воротнике одежды или головном уборе. 20. Устройство по п.п.11-14, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что на указанных воздушных магистралях (4, 4а, 7) установлены один или несколько датчиков скорости движения воздуха для автоматического регулирования скорости каждого потока (2) воздушной завесы и гарантированного перехвата аэрозольных частиц при увеличении скорости набегающего извне воздуха. |
Область техники
Заявляемое изобретение относится к средствам гигиены и медицинской профилактики, а более конкретно - к способу защиты органов дыхания и глаз от аэрозолей и устройству для его осуществления.
Предшествующий уровень техники
Известно множество способов и устройств для защиты органов дыхания и глаз от аэрозолей. Например, в патенте РФ No 2030191 и патенте США N° 4055173 описаны способы и устройства, представляющие собой различные виды противогазов, включающих маску, герметично надеваемую на лицо, а также воздушные магистрали и насос для подачи чистого воздуха под маску для дыхания. Однако наличие герметичной маски создает гигиенические проблемы и дискомфорт для пользователя, а именно: раздражение кожи лица и повышенное выделение пота в местах контакта с маской, ограничения по визуальному наблюдению окружающей обстановки и звуковым коммуникациям. Особенно ясно это проявляется при длительном (несколько часов) ношении такого устройства. Также пользователи, как правило, избегают ношения подобных устройств с маской по эстетическим причинам.
Известны также различные варианты способов для защиты органов дыхания и глаз от аэрозолей и устройств, представляющих собой защитные шлемы (патент РФ N° 2022579, патенты США N° 3736927, 6250299), включающие прозрачный щиток, закрывающий лицо, а также фильтры для очистки воздуха, вентилятор с носимым источником питания и воздушные магистрали для подачи очищенного от аэрозолей воздуха под щиток в область лица. Однако при использовании данных способов и устройств наличие щитка приводит к ограничению визуального обзора и звуковых коммуникаций, а также к дискомфорту для пользователя в связи с значительными габаритами и весом указанных устройств. Наличие шлема также нарушает эстетику внешнего вида пользователя, закрывая значительную часть прически и часть лица, и нарушает мимические коммуникации при общении с другими людьми. Наличие защитного щитка также может приводить к конденсации влаги на его поверхности, что, в свою очередь, приводит к потере его прозрачности. Кроме того, устройство не исключает попадания аэрозолей в органы дыхания, так как конструкция воздушных магистралей не создает направленного потока воздуха в области ноздрей и рта и скорость движения воздуха в этой области мала из-за наличия лицевого стекла, что позволяет аэрозолям проникать в зону дыхания при вдохе.
Известны также способы и устройства для защиты органов дыхания и глаз от аэрозолей (патент РФ N° 2070823 и европейская патентная заявка ЕР 0368916), включающие средства крепления устройства на голове, насос с носимым источником питания и фильтрами в качестве источника очищенного воздуха и воздушные магистрали для формирования воздушной завесы из очищенного от аэрозолей воздуха в области органов дыхания (ноздрей и рта). Однако при использовании данных способов и устройств имеется необходимость предварительной очистки воздуха, из которого формируется воздушная завеса, что требует дополнительного расхода энергии и увеличивает стоимость, габариты и вес устройства. Повышенные вес и габариты устройства также уменьшают комфортность и удобство пользования этим устройством. Кроме того, пассивные системы очистки воздуха (фильтры) не обеспечивают полное удаление бактериальных и вирусных аэрозолей при длительной работе, а все известные активные средства биологической очистки (плазменный разряд, УФ облучение, озонирование и тому подобное) содержат высоковольтные элементы, что может снижать электро-безопасность этих устройств. Также все активные средства биологической очистки создают при своей работе вредные молекулы и радикалы, которые при вдыхании могут оказывать токсическое воздействие на организм пользователя.
Наиболее близким по решению технической задачи к настоящему изобретению является техническое решение (патент РФ N° 2255778), выбранное за прототип. Согласно прототипу, предложены способ и устройство для защиты органов дыхания и глаз от аэрозолей с помощью потока предварительно очищенного (стерильного) газа для дыхания, направление оси которого совпадает с направлением касательной к воображаемой поверхности, образуемой кончиком носа, подбородком и челюстями, указанный поток создают с помощью насоса с носимым источником питания и фильтрами для очистки, а также воздушных магистралей. Однако, согласно прототипу, воздух для формирования воздушной завесы необходимо подвергать предварительной очистке. Это требует дополнительного расхода энергии от носимого источника питания и увеличивает стоимость, габариты и вес устройства. Повышенные вес и габариты устройства также уменьшают комфортность и удобство пользования устройством. Кроме того, пассивные системы очистки воздуха (фильтры) не обеспечивают полное удаление бактериальных и вирусных аэрозолей при длительной работе, а все известные активные средства биологической очистки (плазменный разряд, УФ облучение, озонирование и тому подобное) содержат высоковольтные элементы, что снижает электробезопасность данного устройства. Также, все активные средства биологической очистки воздуха создают при своей работе активные молекулы (озон, радикалы, ионы), которые при вдыхании могут оказывать токсическое воздействие на организм пользователя.
Раскрытие изобретения
В основу изобретения поставлена задача создать такие способ и устройство для защиты органов дыхания и глаз от аэрозолей, которые бы позволили избежать контакта средств защиты органов дыхания от вредных аэрозольных частиц с кожей лица для достижения высокого гигиенического и эстетического эффекта при длительном ношении, не блокировали звуковой канал при разговоре, а также имели бы малые габариты, вес и потребление энергии для высокого уровня удобства и комфортности при использовании.
Эта задача решена созданием способа защиты органов дыхания и глаз от аэрозольных частиц окружающего воздуха, заключающийся в том, что создают потоки воздуха в виде воздушной завесы перед защищаемыми участками лица, включая одновременно или по отдельности ноздри, рот, глаза, при этом, согласно изобретению, создают указанные потоки из окружающего воздуха без предварительной очистки, направляют указанные потоки таким образом, чтобы линии тока не пересекали плоскости защищаемых участков лица и уносили аэрозольные частицы мимо этих участков, выбирают конфигурацию указанных потоков таким образом, чтобы любой вектор, проведенный из окружающего пространства через воздух в плоскость защищаемых участков лица, пересекался, по меньшей мере, одним из указанных потоков, а также выбирают такие скорость и поперечное сечение потоков, чтобы ускорение, приобретаемое аэрозольными частицами, попадающими в потоки из окружающего пространства, было достаточно для отклонения их от защищаемых участков лица.
Таким образом, если аэрозольная частица пытается влететь в дыхательное отверстие (ноздри, рот), то она будет вынуждена пересечь воздушный поток, сформированный в виде завесы перед дыхательным отверстием (ноздри, рот, глаза). При определенном соотношении между массой частицы, ее поперечным размером и скоростью потока, частица захватывается (отклоняется и ускоряется) потоком и дальше продолжает движение со скоростью этого потока прочь от защищаемого дыхательного отверстия.
Целесообразно направлять указанные потоки вдоль линии губ в направлении от щек к носу.
Желательно направлять указанные потоки перпендикулярно линии рта сверху вниз.
Благоприятно указанные потоки создавать за счет нагнетания воздуха через воздушные магистрали с помощью компрессора с носимым источником питания.
Возможно воздушные указанные потоки создавать за счет откачки воздуха из области перед указанными участками лица через воздушные магистрали с помощью насоса с носимым источником питания.
Полезно указанные воздушные магистрали прикреплять к оправе очков.
Целесообразно указанные воздушные магистрали крепить к заушной гарнитуре.
Желательно указанные воздушные магистрали крепить на одежде.
Благоприятно указанные воздушные магистрали крепить на головном уборе.
Технический результат, достигаемый предлагаемым изобретением, состоит в существенном снижении расхода энергии, габаритов и веса устройства для осуществления предлагаемого способа, а также в увеличении электробезопасности и устранении проблем с токсическим влиянием системы очистки воздуха на организм.
Поставленная задача также решена созданием устройства для защиты органов дыхания и глаз от аэрозольных частиц окружающего воздуха, включающего средства крепления указанного устройства относительно лица, а также, по меньшей мере, один насос с носимым источником питания и соединенные с насосом воздушные магистрали, выполненные с возможностью формирования потоков воздуха в виде воздушной завесы перед защищаемыми участками лица, включая одновременно или по отдельности ноздри, рот, глаза, при этом, согласно изобретению, насос выполнен с возможностью формирования указанных потоков непосредственно из окружающего воздуха, выходы воздушных магистралей направлены относительно лица таким образом, что линии тока воздушной завесы не пересекают плоскости входных отверстий защищаемых участков лица, при этом форма указанных потоков такова, что любой вектор, проведенный из окружающего пространства через воздух в плоскость входных отверстий защищаемых участков лица, пересекается, по меньшей мере, одним из указанных потоков, а поперечное сечение и скорость потоков с учетом производительности насосов выбраны так, что ускорение, приобретаемое аэрозольными частицами, попадающими в потоки из окружающего пространства, достаточно для отклонения их от защищаемых участков лица.
Целесообразно, чтобы в качестве насоса имелось вакуумное устройство для откачки воздуха.
Желательно, чтобы в качестве насоса имелся компрессор для нагнетания окружающего воздуха.
Благоприятно, чтобы в качестве компрессора имелся осевой вентилятор.
Возможно, чтобы в качестве компрессора имелся центробежный вентилятор.
Полезно, чтобы указанные воздушные магистрали были расположены так, чтобы направлять воздушные потоки вдоль линии губ в направлении от щек к носу.
Целесообразно, чтобы указанные воздушные магистрали были расположены так, что направлять воздушные потоки перпендикулярно линии рта сверху вниз.
Желательно, чтобы в качестве средства крепления указанных воздушных магистралей имелась оправа очков.
Благоприятно, чтобы в качестве средства крепления указанных воздушных магистралей имелась заушная гарнитура.
Возможно, чтобы средства крепления указанных воздушных магистралей имели средства их фиксации на воротнике одежды или головном уборе.
Полезно, чтобы на указанных воздушных магистралях были установлены один или несколько датчиков скорости движения воздуха для автоматического регулирования скорости потока воздушной завесы и гарантированного перехвата аэрозольных частиц при увеличении скорости набегающего извне воздуха.
Технический результат, достигаемый предлагаемым изобретением, является общим для группы заявленных изобретений (способ защиты органов дыхания и глаз от аэрозолей и устройство для его осуществления) и состоит в существенном снижении расхода энергии, габаритов и веса устройства, а также в увеличении электробезопасности и устранении проблем с токсическим влиянием системы очистки воздуха на организм.
Кроме того, предлагаемое устройство не затрудняет дыхание, оставляет свободными рот и нос и не контактирует с кожей лица. Краткое описание чертежей
Для лучшего понимания изобретения ниже приведены конкретные варианты выполнения предлагаемого изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг. 1 изображает схему, поясняющую принципы отклонения движущихся аэрозольных частиц воздушным потоком от центробежного вентилятора (для простоты восприятия носимый блок питания в виде батареи аккумуляторов на схеме не показан), согласно изобретению;
фиг. 2 схематично изображает устройство, закрепленное на голове пользователя и формирующее воздушную завесу параллельно к линии губ для защиты ноздрей и рта человека от аэрозолей, с креплением на заушной гарнитуре, при этом блок питания находится в кармане одежды и на чертеже не показан, фронтальный вид, согласно изобретению;
фиг. 3 схематично изображает устройство, закрепленное на голове пользователя и формирующее воздушную завесу перпендикулярно к линии губ, блок питания находится в кармане одежды и на чертеже не показан, фронтальный вид, согласно изобретению.
Лучший вариант осуществление изобретения
Предлагаемый способ защиты органов дыхания и глаз пользователя от аэрозольных частиц окружающего воздуха заключается в том, что создают потоки воздуха в виде воздушной завесы перед защищаемыми участками лица, включая одновременно или по отдельности ноздри, рот, глаза. При этом указанные потоки создают из окружающего воздуха без предварительной очистки, направляют указанные потоки таким образом, чтобы линии тока не пересекали плоскости защищаемых участков лица и уносили аэрозольные частицы мимо этих участков. Конфигурацию указанных потоков выбирают таким образом, чтобы любой вектор, проведенный из окружающего пространства через воздух в плоскость защищаемых участков лица, пересекался, по меньшей мере, одним из указанных потоков. При этом выбирают такие скорость и поперечное сечение потоков, чтобы ускорение, приобретаемое аэрозольными частицами, попадающими в потоки из окружающего пространства, было достаточно для отклонения их от защищаемых участков лица.
Указанные потоки могут быть направлены, например, вдоль линии губ в направлении от щек к носу пользователя или перпендикулярно линии рта сверху вниз. Указанные потоки могут быть созданы за счет нагнетания воздуха через воздушные магистрали с помощью компрессора с носимым источником питания или за счет откачки воздуха из области перед указанными участками лица через воздушные магистрали с помощью насоса с носимым источником питания. Указанные воздушные магистрали прикрепляют, например, к оправе очков, к заушной гарнитуре, на одежде или на головном уборе.
Известно, что воздействие на человека вредных аэрозольных частиц происходит при их вдыхании через ноздри и рот, в частности, вирус гриппа и туберкулезная палочка переносится воздушно-капельным путем от человека к человеку. Аэрозольные частицы, опасные при вдыхании, имеют размеры от 0,1 мкм и более (в аэрозольной частице меньшего размера не может разместиться бактерия или вирус) и находятся в воздухе во взвешенном состоянии, то есть достаточно длительно совершают хаотическое броуновское движение до выпадения на землю. Аэрозольные частицы, имеющие размер 100 мкм и более, быстро выпадают из воздушной среды. Аэрозольные частицы с размерами более 10 мкм не могут проникнуть в наиболее уязвимые нижние отделы легких, так как при движении по сильно изогнутой траектории через дыхательные пути (носоглотку, горло и трахеи) они с большой вероятностью будут оседать на их стенках, где вирулентное действие возбудителей болезни ниже. Известно, что средняя скорость перемещения при броуновском движении аэрозольных частиц в неподвижном воздухе при нормальных условиях составляет 0,1 м/сек и менее, то есть они практически стоят на месте, а человек входит в зону их нахождения и засасывает их при вдохе.
Очевидно, что наиболее опасно для человека, с точки зрения возможной передачи заболевания, пребывание в помещении, где могут присутствовать носители болезни, распространяющие вирусы и бактерии воздушно-капельным путем при чихании, кашле, разговоре, и где отсутствует значительное движение воздуха, которое могло бы уменьшать концентрацию вредного аэрозоля (отсутствие сквозняков). В условиях современной жизни люди большую часть времени находятся именно в помещении или внутри общественных транспортных средств, где и происходит процесс перекрестного заражения во время эпидемий. При этом люди вдыхают почти неподвижные в системе координат, связанной с помещением, взвешенные частицы, скорость которых относительно дыхательных отверстий (ноздри, рот) не превышает 1 ,5 м/сек (скорость ходьбы человека). Поэтому, если создать, согласно предлагаемому изобретению, потоки (воздушные завесы) параллельно поперечному сечению дыхательных отверстий с достаточной скоростью (например, 10 м/сек и более), то аэрозольная частица, попавшая в поток, будет захвачена (отклонена и ускорена) потоком. Дальше аэрозольная частица продолжит движение со скоростью потока, что воспрепятствует ее попаданию в органы дыхания. Отметим также, что скорость воздушного потока при вдохе на срезе ноздри в среднем не превышает 2 м/сек и резко падает по мере удаления от нее из-за увеличения поперечного сечения вдыхаемого потока. Поэтому вдох (как наиболее опасная фаза для проникновения аэрозоля) не изменяет заметным образом траектории движения воздушной завесы при ее скорости от 10 м/сек и более. При дыхании через открытый рот общее поперечное сечение воздухозабора еще больше, поэтому скорость вдыхаемого воздуха дополнительно уменьшается, а изменения траектории движения воздушной завесы при вдохе через рот еще меньше. Отметим также, что формирование воздушной завесы вокруг ноздрей и рта не нарушает условий для нормального дыхания. Это происходит за счет того, что молекулы воздуха имеют массу, много меньшую массы аэрозольных частиц, при этом основные молекулы воздуха (кислород, азот, углекислый газ), участвующие в дыхании, движутся со скоростями -500 м/сек в режиме свободной диффузии и быстро выравнивают любые градиенты концентрации, обеспечивая свободное дыхание (газообмен) защищаемого человека. Таким образом, указанная воздушная завеса будет защищать органы дыхания от проникновения аэрозольных частиц снаружи через завесу, обеспечивая при этом свободное дыхание.
Одновременно, если аэрозольная частица оказалась в потоке в момент его формирования (при том, что указанную завесу образуют из окружающего воздуха с возможными аэрозолями без предварительной очистки), то частица ускоряется (увлекается) вместе с потоком завесы и приобретает его скорость и вектор движения параллельно входному сечению дыхательного отверстия, а, значит, не сможет попасть в это отверстие. Такая система защиты органов дыхания (ноздри, рот) и глаз представляет собой респиратор с инерциальной газодинамической изоляцией и поэтому не требует устройства для предварительной очистки воздуха, из которого формируется завеса.
Для того, чтобы определить условия формирования защитной воздушной завесы, рассмотрим сферическую каплю 1 на фиг.1, двигающуюся со скоростью v 0 поперек воздушного потока 2, имеющего скорость ν π и ширину L. Воздушный поток 2 создают с помощью насоса 3 (например, компрессора) и воздушной магистрали 4, линии тока воздушной завесы показаны на фиг.1 стрелками Ν, исходящими из воздушной магистрали 4. Орган дыхания (ноздря или рот) обозначен цифрой 5. Будем считать, что в момент попадания капли 1 в поток 2 поперечная составляющая ее скорости ν = 0. На каплю 1 действует сила аэродинамического сопротивления F со стороны обтекающего воздушного потока 2, равная
E= '/2 P - C - S - (v - v n ) 2 (1) где:
р - плотность воздуха;
S - площадь поперечного сечения капли;
С - безразмерный коэффициент, равный для сферического тела 0,47;
ν π - скорость потока.
Масса капли 1 равна 4/3 · р 0 · π · R 3 , где: р 0 - плотность воды, R - радиус капли, при этом площадь поперечного сечения сферической капли равна к · R 2 .
Ускорение, испытываемое каплей 1 в воздушном потоке, в зависимости от времени t равно:
dv(t)/dt = 3/8 · (р / ро) · (C/R) · (V - ν π ) 2 (2) Решая уравнение (2) с учетом начальных условий ν(0) = 0, найдем, что поперечная скорость капли 1 меняется во времени при прохождении потока согласно следующему:
ν (/) = ν π · t / (ί + 8/3 · ρ · Λ / (Ο ρο · ν„)) (3) Из выражения (3) следует, что время to , 5, за которое капля 1 приобретет в поперечном направлении скорость, равную половине скорости потока ν π , равно:
t 0 ,5 = 8/3 · р · R I (С- ро · ν π ) (4) Учитывая, что р/р 0 ~ 1000, получим, что:
to; (сек) = 0,005 · R I ν π (5) где R выражен в мкм, a ν π - в м/сек. Расстояние x(t), которое проходит капля 1 в поперечном направлении (вдоль потока), определяется при интегрировании выражения (3) по времени:
х( = ν π · ( t - 1 0 .5 · In ((/ + t 0 ,5 )l to;)) (6). Пример осуществления изобретения: пусть капля 1 размером 10 мкм пытается проникнуть через воздушную завесу (поток 2), имеющую толщину 2 см и скорость потока 10 м/сек, тогда to,5 = 0,005 сек. При движения капли 1 через завесу со скоростью v 0 = 2 м/сек (это соответствует очень быстрому движению пользователя в помещении порядка 7 км/час), время возможного пересечения воздушного потока 2 каплей 1 равно L I v 0 = 0,01 сек. За это время, равное удвоенному to , согласно уравнению (3) капля 1 наберет скорость в направлении вдоль потока 2, равную 6,6 м/сек, и, согласно выражению (6), пройдет расстояние x(t) = 5 см. Результирующая скорость V pe3 составит при этом порядка 7 м/сек, а направление ее вектора показано на фиг. 1. Таким образом, капля 1 пройдет мимо входного отверстия органов 5 дыхания и не сможет в него попасть, то есть будет отклонена воздушной завесой. Рассмотрим другую каплю 1а, которая при выключенной воздушной завесе попала бы в отверстие органов 5 дыхания, ее траектория показана пунктирной линией Mi на фиг.1 , а под воздействием завесы пройдет мимо отверстия органов 5 дыхания по траектории, показанной сплошной линией Мг на фиг.1.
Таким образом, предлагаемое устройство для защиты органов дыхания и глаз пользователя 6 от аэрозолей предназначено для значительного снижения вероятности попадания вредного аэрозоля в организм пользователя 6 в процессе дыхания и включает в себя переносной источник питания (на чертеже не показан), насос 3 и воздушные магистрали 4, формирующие воздушные потоки 2 в виде воздушной завесы перед входными отверстиями органов 5 дыхания (ноздрями и ртом). В качестве насосов 3 могут быть использованы вакуумные устройства для откачки воздуха, различные компрессоры для нагнетания окружающего воздуха, а также миниатюрные вакуумные насосы (в варианте аспирации аэрозолей). Можно также использовать выпускаемые промышленностью миниатюрные вентиляторы с вращающимися лопастями, в частности, осевые (воздух ускоряется в направлении, параллельном оси вращения лопастей) и центробежные (воздух ускоряется в направлении, перпендикулярном оси вращения лопастей). Такие вентиляторы имеют постоянное напряжение питания 5-12 В и потребляемый ток ~ 0, 1 А, при этом батарея аккумуляторов емкостью 3-5 А-час сможет обеспечить непрерывную работу защитного устройства в течение полного рабочего дня.
Согласно предлагаемому изобретению, воздушные магистрали 4 могут иметь различную конфигурацию, в частности, может быть использована комбинация из одного или нескольких патрубков для защиты каждого из входных отверстий органов 5 дыхания и глаз (смотри фиг. 2, при этом патрубки для защиты глаз не показаны для простоты понимания чертежа) или для защиты всех указанных участков лица одновременно (фиг. 3).
Известно, что, если скорость воздушной завесы не будет превышать несколько десятков м/с, то при использовании гладких изнутри воздушных магистралей 4 формируемый ими воздушный поток 2 будет ламинарным. При этом поперечное сечение формируемого воздушного потока 2 будет повторять форму выходного поперечного сечения воздушной магистрали 4, а по мере удаления от магистрали 4 воздушный поток 2 будет постепенно расширяться и замедляться. Таким образом, для создания воздушной завесы нужной формы (ширины и толщины) надо придать такую же форму выходному отверстию формирующей воздушной магистрали 4. Например, для защиты ноздрей и рта, как показано на фиг. 2, можно использовать воздушные магистрали 4, 4а, имеющие прямоугольное поперечное сечение со скругленными углами (для уменьшения возможной турбулентности в районе этих углов). Для варианта, изображенного на фиг. 3, с учетом анатомических особенностей лица пользователя (выступающий нос) можно использовать воздушную магистраль 7, имеющую в поперечном сечении форму дуги окружности постоянной ширины (как защитный пластиковый щиток на шлеме хоккеистов).
Линии тока воздушной завесы показаны на фиг. 2 стрелками Ni, исходящими из воздушных магистралей 4 и 4а, а на фиг.З - стрелками N2, исходящими из воздушной магистрали 7. Длина воздушных магистралей 4, 4а, 7 также может быть различной, но она должна быть достаточной для выравнивания неоднородностей воздушного потока 2, возникающих при работе насоса 3, За на его выходе. Длина магистралей 4, 4а, 7 также определяется из соображений удобного для пользователя 6 расположения насосов 3, За, формирующих защитную завесу, но, по возможности, она должна быть минимальной для того, чтобы уменьшить аэродинамическое сопротивление на участке от насоса 3, За до выходного сечения магистрали 4, 4а, 7 и сократить энергопотребление насоса 3, За. Магистрали 4, 4а, 7 должны иметь гладкий внутренний профиль и постепенное изменение поперечного сечения от входа, соединенного с насосом, до выхода для формирования ламинарного воздушного потока. В этом случае воздушный поток 2 после выхода из магистрали 4, 4а, 7 будет максимально долго сохранять скорость и направление движения. Также, магистрали 4, 4а, 7 могут иметь различную изогнутую форму для того, чтобы, в зависимости от профиля лица конкретного пользователя 6, вектор скорости воздушного потока 2, защищающего входное отверстие органов 5 дыхания, был направлен вдоль входной плоскости этого отверстия, при этом конфигурация воздушного потока 2 в области дыхательного отверстия должна создавать воздушную завесу, то есть любой вектор, проведенный из произвольной точки пространства перед лицом пользователя и пересекающий входную плоскость этого отверстия, должен также пересекаться указанным потоком. В этом случае, если аэрозольная частица (капля 1 и 1а на фиг.1) пытается попасть, например, в ноздрю, то она попадает в воздушный поток 2 завесы, который движется в поперечном направлении и перехватывает ее. При определенном соотношении между массой частицы, ее поперечным размером и скоростью потока, частица захватывается (отклоняется и ускоряется) потоком и дальше продолжает движение со скоростью этого потока прочь от защищаемого отверстия.
Корпуса насосов 3, За, а также воздушных магистралей 4, 4а, 7 может выполняться из пластмассы для уменьшения веса, причем можно использовать пластмассу, прозрачную для видимого и мягкого ультрафиолетового излучения, что позволит обеспечить доступ солнечных лучей к коже лица.
Так как необходимо обеспечить пространственную фиксацию предлагаемого защитного устройства относительно ноздрей и рта пользователя 6, то для крепления устройства можно использовать разнообразные варианты. Например, можно крепить предлагаемое защитное устройство на оправу очков (на чертеже не показано) или на заушную гарнитуру 8, положение которых может быть достаточно жестко зафиксировано на голове. Также для удобства пользователя 6 можно закрепить защитное устройство на головном уборе (на чертеже не показано), налобной ленте 9 или элементах одежды (на чертеже не показано).
Также в защитном устройстве могут быть установлены один или несколько датчиков (на чертеже не показано) скорости движения воздуха для автоматического регулирования скорости потока воздушной завесы и гарантированного перехвата аэрозольных частиц при увеличении скорости встречного движения окружающего воздуха, а также для экономии заряда источника питания в случае, когда окружающий воздух практически неподвижен. В этом случае, например, могут использоваться известные конструкции из открытых воздушному потоку термисторов со стабилизированным подогревом в качестве датчиков скорости, а также микропроцессор для анализа данных с термистора и DC-DC конвертор для управления напряжением, подаваемым на двигатель насоса. На фиг. 2 показан вариант защитного устройства, закрепленного на голове пользователя 6 и формирующего воздушную завесу (направляющего воздушные потоки 2) вдоль линии губ 10 в направлении от щек 1 1 к носу 12. Насосы 3 и За (в данном случае в качестве насоса используются центробежные вентиляторы) должны обладать габаритами, мощностью, объемной производительностью и выходным давлением, достаточными для создания воздушных потоков 2 с необходимым сечением и скоростью, как показано на фиг.1 и объяснено при анализе соотношений (1-6).
Насосы 3 и За плотно соединены с воздушными магистралями 4 и 4а, имеющими прямоугольное поперечное сечение для формирования защитной воздушной завесы требуемой ширины и толщины. Насосы 3 и За прикреплены к заушной гарнитуре 8, 8а, которая позволяет надежно зафиксировать устройство на голове пользователя 6. Воздушные магистрали 4 и 4а закреплены так, чтобы они не были направлены по оси навстречу друг другу (и тормозили друг друга в области встречи), а так, чтобы пересекались под некоторым углом друг к другу (например, 90°), при этом в области пересечения результирующий воздушный поток будет направлен в сторону, противоположную лицу, и будет отбрасывать захваченные аэрозольные частицы прочь. Анатомические особенности лица пользователя 6 (овал в горизонтальном сечении) способствуют легкому выполнению этого условия. Насосы 3, За подключены через кабель к источнику питания с тумблером для включения/выключения (на фиг. 2 не показаны), которые могут находиться в кармане одежды или в любом другом месте, удобном для пользователя 6.
Работа устройства происходит при засасывании насосами 3 и За окружающего воздуха (как показано стрелками К на фиг. 1 и 2, направленными в круглое входное отверстие насосов 3, За), при этом отсутствует предварительная очистка воздуха. С помощью формирующих воздушных магистралей 4 и 4а создаются защитные воздушные потоки 2 в направлениях, показанных стрелками Ni и N2 на фиг. 2, причем эти воздушные потоки 2 отклоняют аэрозольные частицы, летящие в направлении входных отверстий ноздрей и рта. При этом воздушные магистрали 4 и 4а направлены относительно лица пользователя 6 так, что воздушные потоки 2 проходят мимо (не пресекают и не касаются плоскости) входных отверстий ноздрей и рта, что позволяет избежать попадания в дыхательные органы 5 аэрозольных частиц, захваченных воздушным потоком 2 при его формировании.
На фиг. 3 показан другой вариант предлагаемого защитного устройства, закрепленного на голове пользователя 6 и формирующего воздушную завесу перпендикулярно линии рта 10 пользователя 6 сверху вниз. Насосы 3 и За с необходимыми параметрами (в данном случае также можно использовать центробежные вентиляторы постоянного тока) плотно соединены с воздушной магистралью 7, имеющей в поперечном сечении форму дуги окружности с шириной, достаточной для одновременной защиты глаз, ноздрей и рта (аналогично защитному пластиковому щитку хоккеистов), причем толщина и скорость формируемой при этом воздушной завесы должна быть достаточной для выполнения защитных функций, как показано в уравнениях 1-6. Ближе к выходному сечению поперечное сечение воздушной магистрали 7 также может иметь скругленные углы для уменьшения турбулентности формируемого воздушного потока 2. Насосы 3, За и магистраль 7 прикреплены к налобной ленте 9, которая позволяет надежно зафиксировать устройство на голове пользователя 6 или на головном уборе (на чертеже не показан). Насосы 3, За подключены через кабель к источнику питания с тумблером для включения/выключения (на чертеже не показаны), которые могут находиться в кармане одежды или в любом другом месте, удобном для пользователя 6.
Промышленная применимость
Предлагаемые способ и устройство предназначены для предотвращения попадания вредных аэрозолей (бактерий, вирусов, аллергенов в различной форме, в том числе в виде капель жидкости, а также разнообразных видов пыли) в органы дыхания, включая верхние дыхательные пути, а также в глаза и на кожу лица.