RO134681A0 - Generator de aer sterilizat destinat echipării aparatelor respiratoare, utilizate în medii puternic infectate - Google Patents

Abstract

Invenţia se referă la un generator de aer sterilizat destinat echipării aparatelor respiratoare portabile utilizate pentru protecţia personalului care activează în medii puternic infectate pe perioade lungi de timp, generatorul asigurând un aer sterilizat la un grad de inactivare a viruşilor şi bacteriilor prezente în aerul infectat cuprins între 99,99...100%. Generatorul conform invenţiei foloseşte metoda stresului termic fiind alcătuit dintr-un modul (1) de tratare termică a aerului infectat, o sursă (2) de energie electrică şi un furtun (3) flexibil de alimentare a aerului către masca (11) facială integrală, modulul (1) de tratare termică a aerului infectat fiind compus dintr-un reactor (4) termic de tratare a aerului, inclus în interiorul unui schimbător (5) de căldură spiralat, asigurându-se astfel răcirea aerului tratat termic cu recuperarea căldurii şi reducerea pierderilor de căldură către mediul ambiant, căldura astfel recuperată fiind transferată aerului infectat pentru preâncălzirea lui înaintea intrării în reactorul (4) termic, iar sterilizarea termică a aerului infectat se realizează prin încălzirea acestuia la o temperatură superioară valorii de 175°C pentru o perioadă de timp cuprinsă între 0,3...0,5 secunde.

Description

Generator de aer sterilizat destinat echipării aparatelor respiratoare, utilizate in medii puternic infectate

Invenția se refera la un generator de aer sterilizat, destinat echipării aparatelor respiratoare utilizate la protecția personalului care activeaza in medii infectate pe perioade lungi de timp.

Protecția personalului care lucrează in medii infectate timp îndelungat, este doar parțial rezolvata prin utilizarea măștilor si respiratoarelor, care folosesc medii filtrante pentru reținerea bacteriilor si virușilor. Filtrele mecanice, in care particulele sunt blocate in spatiile dintre fire, nu rețin mai mult de 45%-55% din particulele cu diametru mai mare de 1 micron. Scăderea dimensiunilor spatiilor dintre fibre in vederea reținerii particulelor si mai fine, ar provoca creșterea rezistentei la trecerea aerului prin filtru. Acesta creștere ar conduce pana la imposibilitatea respirației. Problema reținerii particulelor cu dimensiuni sub 1 micron, a fost parțial rezolvata prin apariția mediilor filtrante ce folosesc fibre de tip electret. Aceste fibre au pe suprafața lor sarcini electrostatice, care atrag si fixeaza particule fine,

RO 134681 AO^ chiar daca diametrul particulelor este mai mic decât golul dintre fibre. (JP2006528549)

Toate măștile si respiratoarele de mare performanta, care răspund cerințelor standardelor N95, KN95 si FFP2, utilizează medii filtrante cu fibre de tip electret. Aceste standarde impun filtrarea a cel puțin 95% (94% in cazul FFP2) din particulele cu diametrul mai mare de 0,3 micron. Dimensiunile virusului SARS-COV-2, care provoacă boala COVID-19, sunt cuprinse intre 0,14 micron si 0,016 micron. Standardele mai sus amintite permit in plus si existenta infiltrațiilor de aer nefiltrat pana la 8% din aerul inspirat. După cum se vede, chiar utilizând masti performante ce răspund standardelor N95, NK95 si FFP2, o cantitate mica de viruși trece nefiltrata si ajunge in organismul personalului. Daca mediul este puternic infectat si timpul de utilizare îndelungat (de ordinul saptamanilor), prin acumulare aceste mici cantitati de viruși pot declanșa boala.

Rezistenta la trecerea aerului prin filtre cu fibre electret s-a rezolvat la măștile de ultima generație prin adaugarea unui dispozitiv mecanic (pompa aer/turbina), alimentat electric. O astfel de realizare este prezentata in US7469699B2. Ramane nerezolvata problema acumulării celor 1% viruși nefiltrati, care acumulati in organism, in timp, declanșează boala. Utilizarea generatorului de aer sterilizat in componenta unui respirator asigura un grad de inactivare a virușilor si bacteriilor de 99, 99%-

RO 134681 AO

100%. Aceasta inseamna o concentrație a virușilor ramași activi de 100 de ori mai mica decât concentrația virușilor ce trec nefiltrati in cazul utilizării celor mai performante medii filtrante cu fibre electret.

Generatorul de aer sterilizat prezentat aici, nu folosește filtrarea ca metoda de reținere a virușilor. El inactiveaza virușii (le blochează capacitatea de a se reproduce si de a declanșa boala). Pentru inactivarea virușilor si bacteriilor folosește metoda stresului termic.

Dintre multiplele cai de inactivare a virusurilor si bacteriilor, stresul termic este singura metoda care se poate folosi la construcția unui respirator portabil. Acest lucru este posibil datorita timpilor scurti (zecimi si sutimi de secunda) de tratare in vederea inactivarii. Timpii scurti de tratare permit dimensiuni si greutati mici ale aparatului, impuse de funcționarea portabila a respiratorului.

Inactivarea prin radiatii UV-C ar necesita timpi de tratare de ordinul zecilor de secunde si, in plus, s-ar genera ozon 03 si NOx-oxizi de azot, cu acțiune iritanta asupra plămânilor. Metodele de inactivare ce folosesc descărcări de înalta tensiune in aer, de tip Corona si Dielectric Barrier Discharge Plasma, deși au timpi de tratare scurti, generează compuși chimici iritanti asupra cailor respiratorii, de tipul ozonului 03 si oxizilor de azot NOx. Sunt cunoscute dispozitive care realizează ț__ '5

RO 134681 AO sterilizarea aerului prin metoda stresului termic. (US5874050) si (US7332140B2) . Masa lor, dar mai ales puterea electrica necesara nu le permite utilizarea ca dispozitive portabile. Sunt cunoscute chiar si aparate portabile destinate purificării aerului prin tratare termica. (US6488900B1) si (US9968809B2). Prin construcția aleasa pentru realizarea camerei de reacție termica si a schimbătorului de căldură, aparatele din brevetele menționate au inerție termica si pierderi de căldură mari ce conduc la necesitatea unor surse de energie electrica grele. Din aceasta cauza aceste brevete nu s-au putut materializa in produse comerciale.

In determinarea condițiilor necesare realizării stresului termic ce asigura inactivarea virușilor, am plecat de la studiul: Inactivation of Aerosolized Viruse in Continuous Air Flow with Axial Heating, autori Serghey A. Grinshpun si Ațin Adhikai.

Autorii au analizat variația gradului de inactivare a virusului bacteriofag MS2, funcție de temperatura aerului si timpul de tratament. S-au obtinut grade de inactivare de 99,99%, pentru timpi de tratament de 0,30,5 secunde la temperatura de 175 grade Celsius. Peste aceasta temperatura, timpul necesar inactivarii scade exponențial. Cum inactivarea virușilor se face prin degradarea sferica a proteinelor ce codifica activitatea virușilor, se pot extrapola condițiile observate la inactivarea virusului MS2, la toti ceilalți viruși. Toți

RO 134681 AO virușii sunt alcatuiti din aceleași tipuri de proteina care codifica informația genetica a virusului. Prin configurația aleasa si prin alegerea dimensiunilor corespunzătoare impuse de timpul de trecere a 8 litri de aer pe minut prin reactorul de tratare termica, generatorul de aer sterilizat prezentat in brevet, îndeplinește condițiile necesare asigurării stresului termic. Aparatul asigura o staționare de 0,3-0,5 secunde in zona de tratament termic, la o temperatura superioara valorii de 175 grade Celsius, a 8 litri de aer/minut, cat este suficient respirației unei persoane.

Scopul invenției este realizarea unui generator de aer sterilizat, care sa asigure un grad de inactivare a bacteriilor si virușilor de 99,99%, in condiții de portabilitate.

Problema tehnica pe care o rezolva invenția este gradul inalt de recuperare a căldurii necesare tratării aerului prin soc termic, concomitent cu o inerție termica redusa a dispozitivului.

Generatorul de aer sterilizat rezolva problema tehnica prin modul in care reactorul de tratare termica, plasat chiar in interiorul schimbătorului de căldură in contracurent, de tip spiralat, elimina necesitatea utilizării materialelor izolante, care prin inerția lor termica mare, ar fi condus la necesitatea unei surse de energie mare, lucru ce ar fi influențat negativ portabilitatea dispozitivului.

RO 134681 AO

Pierderi mici de căldură si inerție termica mica sunt necesare pentru asigurarea temperaturii de tratament termic (t>175 grade Celsius) si a timpului necesar atingerii acesteia (3 minute), cu o putere disipată mica, pe rezistenta electrica a reactorului de tratare termica.

Se dau in continuare doua exemple de realizare a invenției, ilustrate in figurile 1-5, care reprezintă :

- Fig. 1 - schema de alcătuire a generatorului de aer steril, in varianta 1 de realizare.

- Fig. 2 - secțiune orizontala, longitudinala, prin modulul de tratare termica a aerului, in varianta 1 de realizare.

- Fig. 3 - secțiune transversala prin modulul de tratare termica a aerului, in varianta 1 de realizare.

- Fig. 4 - schema de alcătuire a generatorului de aer sterilizat, in varianta 2 de realizare.

- Fig. 5 - secțiune verticala, longitudinala, prin modulul de tratare termica a aerului, in varianta 2 de realizare.

In figura 1 se arata schematic prima varianta de realizare a generatorului de aer sterilizat, in care acesta este format din:

A.modulul de tratare termica a aerului(1);

B.sursa de curent electric(2);

C.furtun flexibil(3) de alimentare a aerului sterilizat, la masca faciala integrala(11).

RO 134681 AO (V

In figura 2 este prezentat modulul de tratare termica a aerului (1) compus din reactorul de tratament termic(4) si schimbătorul spiral de căldură(5) in contracurent.

In varianta de realizare numărul 1, prezentata in figura 2, schimbătorul spiral de căldură(5) înconjoară reactorul de tratament termic(4). In acest fel, căldură pierduta de reactorul (4) este folosita la preincalzirea aerului ce urmeaza sa fie tratat. Prin aceasta configurație spațiala s-a eliminat necesitatea folosirii unei mase izolante termic, care ar fi crescut inerția termica a aparatului.

A. Modulul de tratare termica a aerului(l) este alcătuit din:

a. reactorul de tratament termic(4) si

b. schimbătorul spiral de căldură(5) in contracurent, care înconjoară reactorul de tratament termic(4).

A.a. Reactorul de tratare termica(4) a aerului a fost astfel realizat incat sa dezvolte o temperatura superioara sau cel puțin egala cu 175 grade Celsius si un timp scurt de urcare la temperatura de regim (3-5 minute), folosind o putere electrica minima. Puterea electrica redusa necesara, a fost posibila prin recuperarea căldurii folosite la tratare si utilizarea ei la preincalzirea aerului infectat, reducerea pierderilor de căldură si reducerea la maxim a inerției termice a ansamblului reactor termic(4) - schimbător de

RO 134681 AO căldură spiral (5) in contracurent. Reducerea pierderilor de căldură s-a făcut prin plasarea reactorului termic(4) in mijlocul schimbătorului de căldură spiral. In acest fel căldură pierduta de reactor a fost folosita la preincalzirea aerului ce urmeaza sa fie tratat. Prin aceasta configurație spațiala, s-a redus necesitatea folosirii unei mase izolante termic care ar fi crescut inerția termica a aparatului.

Reactorul de tratare termica(4) este format dintr-o rezistenta electrica(6) din nichelina, autoportanta, montata intr-un canal cu diametrul de 17 mm, sapat central intr-un bloc de fibre ceramice(7) cu dimensiunile 120mm x 25mm x 50mm. Spirele rezistentei(6) încălzesc aerul ce trece prin canal pana la o temperatura superioara valorii de 175 grade Celsius.

A.b. Schimbătorul de căldură spiralat(5) cu canale de aer (8) in contracurent, așezate in spirala dubla, are rolul de a raci aerul fierbinte sterilizat, cu recuperarea căldurii către aerul infectat care urmeaza sa ajunga in reactorul termic preincalzit. Cele doua canale de aer(8) in contracurent se formează intre doua benzi de aluminium(9) , late de 50mm si lungi de 110 mm, roluite spiralat concentric. Benzile se roluiesc cu lasarea unei distante intre ele de 3mm-6mm. Doua capace din fibre ceramice(10) formează, împreuna cu benzile de aluminium(9), doua canale de aer in contracurent(8). Pentru greutate redusa, inerție termica mica si schimb

RO 134681 AO w

eficient de căldură intre canalele de aer(8), benzile de aluminium(9) cu grosime de numai 0,lmm-0,07mm, sunt corugate trasversal pe lungimea lor. Corugarea benzilor de aluminium(9) asigura stabilitatea si rigiditatea formei spiralate si, in același timp, contribuie la o trecere turbulenta a aerului prin canale(8), crescând transferul termic intre contracurentii de aer.

B. Sursa, de energie electrica (2)

Sursa de energie electrica este formata din doi acumulatori Li-ion de capacitate 5000mA, legati in serie. In cadrul sursei se mai gaseste un circuit de reglareridicare a tensiunii si un indicator al tensiunii la bornele acumulatorilor cu leduri. Exploatati corect, in marja de tensiune 4,2-3V, intre incarcat si descărcat, acumulatorii asigura 500-1000 de cicluri incarcare descărcare.

Pentru a extrage maximul de energie electrica din acumulatori, fara a afecta regimul corect de utilizare (4,2V-3V), in cadrul sursei s-a inclus si un circuit regulator-ridicator de tensiune. Puterea electrica disipată pe rezistenta reactorului (6), care asigura temperatura de tratament superioara valorii de 175 grade Celsius, este 15W-12W. Puterea disipată pe rezistenta reactorului (6) este funcție de tensiunea U si intensitatea I, aplicate rezistentei: U(W) = U(V) x I (A) .

Pe măsură ce tensiunea la bornele acumulatorilor scade, in timpul funcționarii scade si puterea disipată

RO 134681 AO pe rezistenta. Daca la începutul funcționarii puterea disipată era suficienta pentru atingerea temperaturii de 175 grade Celsius, in scurt timp (3-5minute) si menținerea ei intr-un palier de 200 grade Celsius-210 grade Celsius, după scăderea tensiunii la bornele acumulatorilor la valoarea 3,5V-3,4V, puterea disipată scade la o valoare la care temperatura generata in reactorul de tratare termica, scade sub 175 grade Celsius. In aceste condiții ar fi fost necesara oprirea funcționarii respiratorului, Înaintea utilizării întregii capacitati a acumulatoarelor. Acumulatorul ar fi putut furniza energie electrica fara afectarea numărului de cicluri incarcare-descarcare, pana la coborârea tensiunii la borne la valoarea 3V.

Prin utilizarea circuitului de reglare-ridicare a tensiunii se asigura furnizarea unei tensiuni constante pe rezistenta(6) a reactorului de tratare termica(4) pe toata durata in care tensiunea la bornele acumulatorului variaza de la 4,2V-la 3V. In acest fel, puterea disipată pe rezistenta ramane constanta pana la utilizarea întregii capacitati a acumulatoarelor.

Tensiunea constanta asigurata de circuitul reglareridicare tensiune este aleasa prin intermediul unui potentiometru, la o valoare superioara sumei tensiunii la bornele acumulatorilor la începutul descărcării, adica mai mare de 4,2 plus 4,2 egal 8,4V. Valoarea constanta a tensiunii de ieșire a circuitului regulator-ridicator de

RO 134681 AO tensiune este corelata cu rezistenta reactorului, astfel incat sa se asigure puterea disipată necesara păstrării temperaturii reactorului peste 175 grade Celsius pe toata durata de descărcare a acumulatorilor.

C. Tubul flexibil (3), cu diametrul 32mm, are atat rolul de a conduce aerul sterilizat la masca(11), dar si acela de a disipa căldură răcind suplimentar cu 3 grade Celsius, aerul sterilizat alimentat in masca. Astfel, acesta ajunge in masca la numai 2-3 grade in plus fata de aerul din mediul ambiant. Acest lucru asigura un comfort sporit respirației.

Temperatura aerului sterilizat in zona de alimentare a măștii este mai mica decât temperatura aerului dintre o masca textila chirurgicala si fata. In cazul măștii textile, temperatura aerului expirat la 36 grade ridica temperatura aerului inspirat, tesatura măștii acționând ca un recuperator-regenerator termic. Tubul flexibil conduce aerul sterilizat si răcit la o masca faciala totala (11), cu rama de cauciuc siliconic si vizor transparent de policarbonat.

Spațiul măștii(11) este impartit in doua zone de un perete flexibil de cauciuc. Acesta separa regiunea gurii si a nasului de restul fetei. Peretele este dotat cu doua supape care permit circulația aerului numai din zona de intrare a aerului sterilizat, aflata deasupra frunții, către zona nasului si a gurii. Aceasta separare in doua zone, e necesara pentru a reduce spațiul in care aerul o h k 11

RO 134681 AO expirat si cel proaspăt se pot amesteca si conduce la o acumulare de bioxid de carbon in aerul inspirat. Zona nasului si a gurii are o supapa care asigura expulzarea aerului expirat si oprește intrarea aerului infectat din afara măștii(11).

In figura numărul 4 este prezentata varianta numărul 2 de realizare a generatorului de aer sterilizat, in care modulul de tratare termica a aerului(1) este montat direct pe masca faciala integrala(11), la partea ei superioara. In aceasta varianta, reactorul de tratare termica(4) este înconjurat atat de schimbătorul de căldură spiral (5), dar si flancat, in partea de sus si de jos, de un schimbător de căldură in placi, in contracurent.

Figura numărul 5 reprezintă o secțiune verticala, longitudinala, prin modulul de tratament(1), in varianta numărul 2 de realizare a invenției. Canalele in contracurent ale schimbătorului spiral sunt formate din benzile de aluminium(9) si capacele din tabla de aluminium(12). Schimbătorul de căldură in placi este format din capacele de tabla de aluminium(12) si cate doua placi din tabla de aluminium(13). Se formează astfel cate doua canale de aer, in contracurent, pe fiecare din cele doua fete ale schimbătorului spiral(5). Canalele de aer, adiacente schimbătorului spiral(5), sunt canale de admisie aer rece infectat(14) . Aerul rece aspirat prin aceste canale se preincalzeste de la capacele din tabla

RO 134681 AO de aluminium(12) ale schimbătorului spiral(5) si prin orificiile circulare(15) ajunge in antecamera(16) schimbătorului spiral(5) de unde prin canalul de aer(8), se duce la reactorul termic(4). Aerul tratat termic, in reactorul termic(4), trece prin celalalt canal de aer(8), in contracurent cu aerul infectat, caruia ii cedeaza căldură. După aceasta răcire parțial, ajunge in camera de preluare(19) a aerului sterilizat si prin canalele cilindrice(18), ajunge in canalul de aer sterilizat(17). Aerul sterilizat ajuns in canalul de aer sterilizat(17) se mai răcește in continuare prin cedare de căldură către aerul rece infectat, care se deplasează in contracurent pe canalul de admisie aer infectat(14) . Odata răcit, aerul sterilizat este condus prin dispozitivul de fixare (20), in masca faciala integrala(11) .

Aparatul respirator dotat cu generatorul de aer sterilizat, descris in brevet, prezintă următoarele avantaje in raport cu respiratoarele existente pe piața:

1) Aparatul furnizează aer sterilizat cu un grad de inactivare a virușilor de 99,99%. Concentrația virușilor ramași activi este de o suta de ori mai mica decât concentrația virușilor trecuti prin filtrele dispozitivelor dotate cu fibre electret, considerate pana in prezent, cele mai performante.

2)Personalul medical si de intervenție beneficiază de o protecție completa pe toate cele trei cai de acces a virusului in organism (ochi, nas, gura).

RO 134681 A

3)Aparatul respirator nu are consumabile a căror eliminare sa creeze probleme de mediu.

4) Acumulatorul, sursa de energie electrica, are greutate si dimensiuni reduse.

Prin utilizare circuitului regulator-ridicator de tensiune se asigura utilizarea in mod optim a întregii capacitati a acumulatorilor. In aceste condiții de funcționare, acumulatorul asigura 5001000 cicluri de incarcare-descarcare.

5)Metoda stresului chimic nu creeaza produși secundari toxici sau iritanti in aerul sterilizat furnizat.

Prin utilizarea configurației generatorului prezentat in brevet, metoda stresului termic poate fi utilizata in realizarea unui respirator perfect portabil. La realizarea portabilitatii au concurat următorii factori:

a.configurația spațiala reactor de tratare termica(4)-schimbător de căldură spiral(5) cu reactorul înconjurat de schimbător;

b.inerția termica foarte mica rezultata din modul de construcție a sistemului reactor-schimbator, si

c. utilizarea circuitului regulator-ridicator de tensiune pentru utilizarea optima a capacitatii acumulatorului.

Claims (4)

1. REVENDICĂRI :

   1) Generator de aer sterilizat, destinat respiratoarelor, alcătuit dintr-un modul de tratare termica a aerului(1), sursa de energie electrica(2) si furtun de alimentare(3) a aerului sterilizat, caracterizat prin aceea ca modulul de tratare termica(1) conține un reactor de tratare termica(4), înconjurat de un schimbător de căldură spiral (5) in contracurent, intr-o configurație spațiala care elimina pierderile de căldură, eliminând necesitatea folosirii unei mase termice izolante.
2. 2) Generator de aer sterilizat, conform revendicării 1, caracterizat prin aceea ca la realizarea schimbătorului de căldură spiral(5), folosește corugarea pereților de aluminium(9) pentru reducerea inerției termice a dispozitivului si realizarea unei curgeri turbionare a aerului, care sporește astfel eficienta schimbului de căldură.
3. 3) Generator de aer sterilizat, conform revendicării 1 si 2, caracterizat prin aceea ca in afara de schimbătorul de căldură spiral(5), in contracurent, folosește si un schimbător de căldură in placi, in contracurent, cele doua schimbătoare înconjurând din toate direcțiile reactorul de tratare termica(4) a aerului, intr-

   RO 134681 A o configurație spațiala, care elimina pierderile de căldură, eliminând necesitatea unei mase termice izolante.
4. 4) Generator de aer sterilizat, conform revendicărilor 1, 2, 3, caracterizat prin aceea ca in alcătuirea sursei de energie electrica(2) alaturi de acumulatori, folosește si un circuit de reglare-ridicare a tensiunii, destinat păstrării constante a energiei disipate pe rezistenta(6), a reactorului de tratare termica(4), pe toata durata descărcării acumulatorilor.