Материал: Разработка компрессионно–холодильного устройства для нормализации теплового состояния человека в процессе эксплуатации теплоэнергетических установок

1.4.1.3 Устройство и метод для извлечения тепла из ладони руки (Патент США № 8641745)

Патент [9] описывает устройство, позволяющее отводить тепловую энергию от организма человека через его ладони (рисунок 4).

Рисунок 4 - Устройство для отвода тепловой энергии через ладони

Данное изобретение ориентировано на ускорение естественного отвода тепла во время и после физических упражнений. Оно способствует охлаждению поверхности ладони, тем самым охлаждая кровь, проходящую по сосудам ладони и повышая эффективность естественного процесса охлаждения организма.

Устройство состоит из корпуса, внутри которого находится хладагент и крепежных средств, фиксирующих его на ладони. Размеры корпуса с содержащимся в нем хладагентом должны как можно точнее соответствовать габаритам ладони для достижения максимально возможной площади контакта устройства с ладонью как при открытой, так и при закрытой ладони.

Хладагентом может служить вещество, способное сохранять холодную или прохладную температуру в течение длительного времени, а также оставаться пластичным в замерзшем состоянии. Таковым является гель, содержащий воду и натриевую соль сшитой полиакриловой кислоты.

1.4.1.4 Устройство для обеспечения охлаждения тела человека (Патент США № 5766235)

Патент [10] описывает устройство для охлаждения организма человека, предназначенное для ношения на запястье(рисунок 5).

Рисунок 5 - Устройство для охлаждения организма человека для ношения на запястье

Изобретение представляет собой неглубокий отсек, в который помещается охлаждающий блок. Верхняя створка отсека снабжена крепежными элементами. К боковым сторонам отсека прикрепляются ремни для фиксации устройcтвана руке человека таким образом, чтобы нижняя панель отсекаконтактировала с внутренней стороной запястья(рисунок 6).

Рисунок 6 - Способ фиксации устройства

Охлаждающим блоком может служить, например, пакет с гелем, способным сохранять низкую температуру в течение достаточно длительного периода времени после того, как он был охлажден или заморожен.

1.4.1.5 Охлаждающий браслет (Патент США № 6772445)

Патент [11] описывает устройство для охлаждения, выполненное в виде браслета(рисунок7).

Рисунок 7 - Устройство для охлаждения в виде браслета

Данное изобретение представляет собой браслет с емкостью для хладагента, выполненный из растяжимого материала. На наружной стороне изделия расположен небольшой участок ленты типа «крючок - петля» для крепления съемного часового механизма. Хладагентом может служить любая замерзающая жидкость, например, вода. Во время замерзания и оттаивания внутри емкости хладагент удерживает специальная заглушка.

После заморозки браслет будет сохранять холодную температуру в течение нескольких часов, пока весь лед не растает, после чего его потребуется повторно заморозить.

При использовании браслет должен располагаться так, чтобы емкость с хладагентом контактировала с внутренней стороной запястья пользователя у основания ладони. В этом положении использование браслета будет иметь максимальную эффективность благодаря непосредственной близости к сосудам, проходящим через запястье.

1.4.2 Анализ результатов патентного поиска

В ходе патентного поиска было найдено пять документов, посвященных методам и устройствам, способным снижать температуру тела человека за счет охлаждения крови, циркулирующей в организме. Все представленные устройства имеют разную конструкцию, но сходный принцип действия.

Далее был проведен детальный анализ патентов[7] - [11] по семи критериям, представленным в таблице 2, а также общий анализ результатов патентного поиска, по итогам которого были сделаны следующие выводы:

) все найденные документы зарегистрированы за рубежом, а именно в США, что свидетельствует о слабом развитии исследований в этом направлении в нашей стране;

) все рассмотренные объекты можно разделить на две группы: комплексные системы, способные воздействовать на различные части тела и оказывать не только охлаждающее, но и согревающее воздействие и компактные устройства, закрепляемые на определенной части тела и способные оказывать только охлаждающее воздействие.

Достоинства и недостатки представителей обеих групп представлены в таблице 3.

Таблица2 - Сравнение методов и устройств для регулирования температуры тела человека, описанных в патентных документах

Таблица 3 - Анализ результатов патентного поиска

На основе данных, представленных в таблице 3, можно сделать вывод о том, что обе группы устройств имеют свои достоинства и недостатки.

1.4.3 Коммерчески доступные устройства

На основе технологии, описанной в патенте [7], создано устройство, способное снижать температуру тела человека путем охлаждения крови, циркулирующей в его ладони.

Данное устройство, продаваемое под торговой маркой CoreControlPro (рисунок 8а - составные части изделия; 8б - изделие в сборе), состоит из трех основных элементов: блока контроля температуры, охладителя, в который заливается хладагент, пластикового корпуса, куда помещается рука, и соединительного шланга длиной 0,9 м. В комплект также входят зарядное устройство и сумка для переноски.

Хладагентом служит чистая вода, которую нужно периодически заменять по мере ее нагревания.

Рисунок 8 - Устройство CoreControlPro

Более легким и, соответственно, мобильным вариантом является RTX («RapidThermalExchange» - «быстрый теплообмен») (рисунок9).

Рисунок 9 - Устройство RTX

Оба устройства служат для быстрого отвода избыточного тепла от ладони человека за счет совместного воздействия температуры и небольшого вакуума.

СoolWarePersonalCoolingSystem (Персональная система охлаждения) (рисунок 10)представляет собой алюминиевый обруч, крепящийся на шею и состоящий из двухскоростного вентилятора и резервуара с холодной водой, которую нужно менять каждые 2 - 4 часа.

Рисунок 10 - Устройство СoolWare

(рисунок 11)- это браслет, ускоряющий естественный механизм охлаждения организма путем отведения избыточного тепла из крови, проходящей через запястье. Хладагентом в этом устройстве является вода, которую нужно периодически заменять.

Рисунок 11 - Устройство dhamaSPORT

Характеристики коммерчески доступных устройств для охлаждения организма человека приведены в таблице4.

Таблица4 - Характеристики коммерчески доступных устройств

По итогам обзора и анализа коммерчески доступных устройств, предназначенных для снижения температуры тела человека, можно сделать следующие выводы:

) все представленные устройства производятся и реализуются за рубежом;

) наряду с несомненными достоинствами, они обладают также и некоторыми недостатками, например:

достоинством устройств CoreControlPro и RTXявляется их портативность, но в то же время на портативности отрицательно сказывается их довольно большой вес - более 6 кг и 2 кг соответственно;

все представленные в обзоре устройства способны функционировать в автономном режиме, поскольку не требуют стационарного источника энергии, однако длительность их непрерывной работы ограничивается необходимостью периодической замены охлаждающей воды, используемой в качестве хладагента, и зарядки либо замены аккумуляторов.

Кроме того, следует обратить внимание на достаточно высокую стоимость некоторых из них (CoreControlPro - более 1,5 тыс. долларови RTX- более 700 долларов) и элементы конструкции, отрицательно влияющие на надежность и эргономичность устройства (в частности, соединительные шланги в комплектации CoreControlPrо).

.5Итоги исследования

Изучив современное состояние исследуемой проблемы, можно сделать следующие выводы.

.Внастоящеевремяв нашей стране принята и действует нормативная база, регламентирующая требования к параметрам микроклимата, организации труда и мерам профилактики неблагоприятного воздействия метеорологических условий производственных помещений на работающих там людей.

Но предписываемые нормативными документами требования удается соблюдать не всегда ввиду различных причин, в том числе обусловленных технологией производственного процесса либо экономической нецелесообразностью. В связи с этим особенно актуальными становятся исследования, направленные на изучение механизмов реакции организма на повышение температуры окружающей среды и, как следствие, температуры тела, а также поиск способов регулирования температуры тела и нормализации теплового состояния человека, находящегося в условиях повышенных температур.

.Однако анализ научных исследований, патентный поиск и обзор коммерчески реализуемых устройств свидетельствуют о крайне слабом развитии данного направления исследований в нашей стране, тогда как за рубежом (в частности, в США) изучению и поиску решения проблем, связанных с гипертермией, уделяется более пристальное внимание.

.Из основных результатов, достигнутых зарубежными учеными, следует выделить следующие:

) открытие нового терморегулирующего механизма млекопитающих и в том числе человека;

) разработка технологии, основывающейся на вновь открытом механизме и позволяющей интенсифицировать теплообмен организма человека с внешней средой;

) разработка и создание различных устройств, работающих с использованием этой технологии и способных регулировать температуру тела человека.

. Таким образом, для нашей страны подобные направления исследований являются новыми и достаточно перспективными, а их результаты могут быть востребованы не только в области промышленной теплоэнергетики, но и в других сферах деятельности, связанных с нахождением человека в условиях повышенных температур окружающей среды.

. ВЫБОР ЛОКАЛИЗАЦИИ ВОЗДЕЙСТВИЯ УСТРОЙСТВА НА ОРГАНИЗМ, ЕГО ОПТИМАЛЬНОЙ КОНСТРУКЦИИ И СПОСОБА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ С ЧЕЛОВЕКОМ

2.1 Постановка задачи

Одним из путей нормализации теплового состояния организма человека в момент нахождения его в условиях повышенных температур окружающей среды может стать использование теплотехнического устройства, способного снижать температуру тела, охлаждая организм изнутри.

Второй раздел диссертации посвящен выбору места воздействия устройства на организм человека, обоснованию оптимальной конструкции и способа взаимодействия с человеком.

2.2 Выбор локализации воздействия устройства на организм

При выборе места (локализации) воздействия устройства на организм было принято решение ориентироваться на биологические механизмы функционирования организма человека с целью минимизировать вмешательство в естественные процессы и одновременно по возможности максимально их задействовать.

В основу принципа действия разрабатываемого устройства была положена технология усиленного вакуумом отвода тепла от организма человека, ориентированная на сосудистый терморегуляторный механизм.

Данный механизм появился у человека и высших животных в процессе эволюции для поддержания температуры тела на постоянном уровне независимо от температуры окружающей среды, так как нормальное функционирование организма возможно лишь в узком диапазоне значений температуры тела.