Năm 2019-2020 là năm của đại dịch Covid 19 toàn cầu, có lẽ không ai là không sót xa với cảnh các bác sĩ, cán bộ y tế ngột thở, phồng rộp cả lưng, ngất xỉu vì nóng khi mang bảo hộ chống dịch.

Hiện nay, trên thị trường đã có thiết bị điều hòa cá nhân là áo chống nóng dùng túi gel lạnh, tuy nhiên khả năng chống nóng thấp, hiệu quả thấp và có nguy cơ gây bỏng lạnh hoặc gây cảm lạnh cho người mặc vì nóng lạnh bất thường.

Từ tháng 05 năm 2020, tác giả nhìn thấy được nhược điểm của các thiết bị điều hòa cá nhân trên thị trường, tôi đã nghiên cứu giải pháp “Áo điều hòa nhiệt lạnh” nhằm khắc phục và giải quyết triệt những nhược điểm đó.

Ngày 14/12/2021, tác giả tiến hành đăng ký bảo hộ giải pháp kỹ thuật của mình với Cục sở Hữu Trí Tuệ, số đơn: 1-2021-08036 và ngày 10/02/2022, Cục sở Hữu Trí Tuệ chấp nhận đơn hợp lệ về việc cấp bằng sáng chế độc quyền số: 2349w/QĐ-SHTT.

Tóm tắt giải pháp

Giải pháp hữu ích đề cập đến bộ áo điều hòa nhiệt lạnh hiệu quả cao cho cán bộ trong ngành y tế chống dịch, các công nhân làm việc trong môi trường nóng bức, nhiệt độ cao hoặc rất lạnh, nhiệt độ thấp. Quá trình sử dụng vô cùng đơn giản với hai chế độ nóng và lạnh. Áo điều hòa nhiệt lạnh được đề xuất trong giải pháp hữu ích bao gồm: áo, hệ thống bơm, hộp điều hòa, lưu điện, hệ thống mao dẫn, hệ thống điều khiển.

Lĩnh vực kỹ thuật được đề cập

Giải pháp hữu ích đề cập tới áo điều hòa nhiệt lạnh. Cụ thể, áo điều hòa nhiệt lạnh được đề xuất trong giải pháp hữu ích có khả năng làm mát cơ thể người mặc trong môi trường nóng bức, giữ ấm trong môi trường lạnh giá qua cơ chế bức xạ và truyền dẫn nhiệt với hệ thống điều khiển hiệu quả, tiết kiệm.

Tình trạng kỹ thuật của giải pháp hữu ích

Hiện nay trên thế giới chỉ có áo điều hòa làm mát bằng không khí được tạo ra do hệ thống quạt có hiệu quả rất thấp, giá thành cao và khó sử dụng.

Ở Việt Nam đã có một số áo điều hòa nhiệt theo hình thức bức xạ nhiệt có hiệu quả thấp, không có khả năng điều chỉnh được nhiệt độ thích hợp với từng loại hình thời tiết khác nhau, dễ gây ra bỏng lạnh.

Để khắc phục những điều trên, giải pháp hữu ích đề xuất chế tạo ra bộ áo điều hòa  nhiệt lạnh có khả năng làm mát cơ thể người mặc trong môi trường nóng bức, giữ ấm trong môi trường lạnh giá, có khả năng điều chỉnh nhiệt độ, dễ sử dụng, tiện lợi, hiệu quả và kinh tế, dễ dàng thuận lợi cho các hoạt động liên tục khác nhau của người mặc, phục vụ cho các đối tượng cụ thể như: các cán bộ y tế phải mặc áo chống dịch kín và nóng; công nhân làm việc ngoài trời dưới thời tiết nóng lực hoặc giá lạnh.

Bản chất kỹ thuật của giải pháp hữu ích

Mục đích của giải pháp hữu ích là đề xuất áo điều hòa nhiệt lạnh hoạt động theo cơ chế truyền dẫn và bức xạ nhiệt bằng dung dịch nước hoặc dung dịch siêu dẫn (gel) được bơm qua các mao dẫn một cách tuần hoàn với hai pha nóng và pha lạnh. Cụ thể:

+ Ở chế độ lạnh:

Pha nóng: nhiệt độ cơ thể do người mặc tạo ra được hấp thụ bởi nước (hoặc chất lỏng siêu dẫn nhiệt) chạy trong hệ thống ống mao dẫn tích hợp trong lớp áo mặc trên cơ thể và được truyền tới hệ thống điều hòa làm lạnh.

Pha lạnh: Nhiệt độ do nước (hoặc gel) hấp thụ ở pha nóng sẽ được làm lạnh bởi hệ thống ống mao dẫn nằm trong hộp điều hòa chứa nước đá lạnh (hoặc gel lạnh). Nước (hoặc gel) sau khi qua hộp điều hòa nhiệt lạnh sẽ có nhiệt độ thấp và được dẫn tới hệ thống áo làm mát cơ thể người mặc.

+ Ở chế độ nhiệt:

Pha lạnh: nhiệt độ cơ thể được bức xạ và luôn được giữ ấm bởi nguồn nhiệt cao từ nước hoặc chất lỏng siêu dẫn nhiệt (gel) chạy trong hệ thống ống mao dẫn tích hợp trong lớp áo mặc trên cơ thể và được truyền tới hệ thống điều hòa.

Pha nóng: nhiệt độ do nước hoặc dung dịch siêu dẫn nhiệt sau khi bức xạ nhiệt cho cơ thể sẽ lạnh đi được làm nóng trở lại bởi nguồn nhiệt từ hệ thống nung bằng may so điện và được giữ ổn định nhờ hệ thống điều khiển và rơ le điện đặt trong hộp điều hòa. Nước hoặc dung dịch siêu dẫn nhiệt (gel) sau khi qua hộp điều hòa sẽ có nhiệt độ cao và được dẫn tới hệ thống áo làm nóng cơ thể người mặc.

Quá trình chuyển đổi tuần hoàn giữa hai pha nóng, lạnh được thực hiện bởi máy bơm. Tốc độ nước trong ống mao dẫn quyết định đến nhiệt độ của pha nóng, pha lạnh và được điều khiển bởi hệ thống bơm.

Cụ thể hơn, các pha nóng và pha lạnh này được chi tiết dưới các thành phần chính: áo có tích hợp hệ thống mao dẫn chứa nước hoặc dung dịch (gel); hộp điều hòa; hệ thống bơm; lưu điện; hệ thống điều khiển. Cụ thể:

Áo được thiết kế bằng vải kaki co dãn với hệ thống ống mao dẫn được tích hợp giữa hai lớp vải của áo. Hệ thống mao dẫn được kết nối với máy bơm và hộp điều hòa nhiệt lạnh.

Hộp điều hòa có nắp đậy và khóa kín nước nhằm mục đích đựng nước hoặc dung dịch siêu dẫn nhiệt (gel), có vỏ cách nhiệt bằng nhựa PVC cứng có độ truyền nhiệt thấp (hoặc vật liệu nhôm, inox), có một hoặc hai lớp (trong trường hợp vỏ nhôm, inox) giữa hai lớp là foam (PU) hoặc sợi thủy tinh cách nhiệt. Bên trong hộp điều hòa được thiết kế hệ thống ống mao dẫn bằng PVC (hoặc đồng, inox) nhằm thực hiện trao đổi nhiệt; may so  là nguồn cấp nhiệt; rơ le điện có nhiệm vụ đóng ngắt điện. Hộp điều hòa được kết nối với hệ thống bơm và hệ thống ống mao dẫn.

Hệ thống ống mao dẫn được tích hợp trong áo bằng ống mềm PVC F6 giữa hai lớp vải áo và hệ thống mao dẫn trong hộp điều hòa bằng ống mềm PVC F6 (hoặc ống đồng, inox F6) chứa nước hoặc dung dịch siêu dẫn nhiệt (gel). Hai hệ thống này được kết nối với hệ thống bơm tạo nên hệ tuần hoàn nhằm mục đích trao đổi nhiệt.

Hệ thống bơm kiểu nén đẩy với nguồn điện DC 5v-3w, có điều khiển là công tắc tắt mở, tăng hoặc giảm tốc độ. Hệ thống bơm và hệ thống ống mao dẫn chứa nước hoặc dung dịch dẫn nhiệt (gel) là một hệ thống tuần hoàn khi hoạt động.

Lưu điện loại DC 2A tối thiểu 5000-50000mAh có khả năng xạc. Đảm bảo cung cấp năng lượng cho máy bơm hoạt động liên tục trong bốn giờ. Đảm bảo cho may so nung nóng nước hoặc dung dịch siêu dẫn nhiệt trong hộp điều hòa đến nhiệt độ 400C và giữ ổn định ở nhiệt độ đó tối thiểu bốn giờ.

Hệ thống điều khiển có nhiệm vụ điều khiển tốc độ bơm và điều khiển nhiệt độ trong hộp điều hòa khi ở chế độ nhiệt.

Mô tả chi tiết sáng chế

Như được thể hiện trên Hình 1, cấu tạo của áo điều hòa được thiết kế gồm các phần chính: áo (1); hộp điều hòa (2); hệ thống ống mao dẫn; hệ thống bơm (5) có điều khiển; lưu điện (4); hệ thống điều khiển (6).

Cụ thể:

Áo (1) là nơi trao đổi nhiệt với cơ thể. Áo được thiết kế bằng vải kaki co dãn nhằm đảm bảo ôm khít với cơ thể người mặc đem thuận lợi tối đa khi thực hiện các hoạt động khác nhau. Kiểu dáng thiết kế không tay tạo thuận lợi khi mặc. Hai bên lách thiết kế khóa dây (7) nhằm thay đổi kích thước phù hợp với kích thước cơ thể người mặc. Phía trước thiết kế khóa kéo (8) nhằm thuận lợi khi mặc và giữ cho hệ thống áo ổn định. Hệ thống ống mao dẫn (3) bằng ống PVC mềm F6 được tích hợp giữa hai lớp vải và được may cố định. Hệ thống mao dẫn (3) được kết nối với hệ thống bơm (5) và hộp điều hòa (2). Hệ thống điều khiển (6) được tích hợp phía trước ngay dưới cổ áo (1) tạo thuận lợi cho người mặc.

Hình 1. Hình ảnh minh họa thể hiện cơ thể người mặc áo điều hòa nhiệt lạnh, các kiểu dáng và các chi tiết.

Cụ thể hơn, tham chiếu Hình 2 và Hình 3, áo (1) bao gồm: thân áo trước bên trái (12); thân áo trước bên phải (13); thân áo sau (14); túi đựng hộp điều hòa (9); túi đựng lưu điện (10); túi đựng hệ thống bơm (11); hệ thống mao dẫn (3) chứa nước hoặc dung dịch siêu dẫn (gel); hệ thống khóa dây (7); khóa kéo (8).

Hình 2. Hình minh họa phối cảnh thiết kế trước sau của áo điều hòa

Hình 3. Hình ảnh minh họa phối cảnh thiết kế hệ thống của áo điều hòa nhiệt lạnh

Hộp điều hòa (2) là nơi trao đổi nhiệt. Tham chiếu Hình 4, Vỏ hộp điều hòa (15) được thiết kế có vỏ (16) cách nhiệt bằng nhựa PVC cứng có độ truyền nhiệt thấp (hoặc vật liệu nhôm, inox), có một lớp hoặc hai lớp (trong trường hợp vỏ nhôm, inox) giữa hai lớp là foam (PU) hoặc sợi thủy tinh cách nhiệt(17); Nắp đậy (18) được thiết kế dạng khung (19) bằng nhựa PVC có sẻ hai rãnh giữ hai vòng đệm cao su (20) ôm sát thành hộp (15) đảm bảo tính kín nước. Bên trong hộp (15) được thiết kế hệ thống ống mao dẫn (21) bằng PVC F6 (hoặc đồng, inox) được thiết kế kiểu lo so ba tầng và cuốn tròn ôm sát vào thành hộp, bên trong chứa nước hoặc dung dịch siêu dẫn nhiệt (gel) nhằm thực hiện trao đổi nhiệt và được kết nối với hệ thống mao dẫn (3); may so nhiệt (24); rơ le nhiệt (25) được kết nối với hệ thống điều khiển (6).

Hình 4. Hình ảnh minh họa kết cấu của hộp điều hòa

Lưu điện (4) là loại DC 5v-2A tối thiểu 5000-50000mAh có khả năng xạc, đảm bảo cung cấp năng lượng cho máy bơm hoạt động liên tục trong bốn giờ và cấp năng lượng cho may so nhiệt 24 giữ cho nhiệt độ nước hoặc dung dịch siêu dẫn nhiệt (gel) trong hộp điều hòa (2) ổn định ở 400C trong bốn giờ (chế độ nhiệt).

Hệ thống bơm (5) được thiết kế kiểu nén đẩy với nguồn điện loại DC 5v-3w giúp cho nước hoặc chất siêu dẫn nhiệt (gel) lưu thông tuần hoàn trong hệ thống mao dẫn (3), hệ thống ống mao dẫn (21) nhằm thực hiện trao đổi nhiệt.

Hệ thống điều khiển (6) có thể tắt mở, tăng hoặc giảm tốc độ bơm (5) và điều khiển may so nhiệt (24) và rơ le nhiệt (25) trong chế độ nhiệt.

Ngoài ra, áo điều hòa nhiệt lạnh có thể tích hợp đèn báo hiệu, còi, hệ thống kiểm soát nhiệt tự động.

Với các kết cấu trên, tham chiếu Hình 5, nguyên lý hoạt động của áo điều hòa như sau:

Hình 5. Hình ảnh minh họa  nguyên lý hoạt động của áo điều hòa nhiệt lạnh cơ chế lạnh.

a) Chế độ lạnh

Đầu tiên cần đưa một lượng vừa đủ nước đá lạnh (hoặc gel lạnh) vào hộp điều hòa (2), đóng kín nắp, dung dịch siêu dẫn trong hệ thống ống mao dẫn (21) sẽ được làm lạnh đến nhiệt độ của nước đá hoặc gel lạnh (pha lạnh).

Sau khi bật hệ thống điều khiển (6), hệ thống bơm (5) hoạt động làm lưu thông dung dịch siêu dẫn đã được làm lạnh trong hệ thống ống mao dẫn (21) đặt trong hộp điều hòa (2). Nước hoặc dung dịch siêu dẫn có nhiệt độ thấp trong hệ thống ống mao dẫn (21) sẽ được truyền đến hệ thống mao dẫn (3) đặt trong áo (1) thực hiện hấp thụ nhiệt bức xạ từ cơ thể người mặc phát ra (pha nóng) làm giảm nhiệt cơ thể người mặc. Sau khi hấp thụ nhiệt, nước hoặc chất siêu dẫn nóng lên và được đưa trở về hộp điều hòa và được làm lạnh (pha lạnh), tiếp tục thực hiện chu trình mới. Nhờ sự tuần hoàn áo sẽ giữ cho cơ thể người mặc luôn mát.

Thông thường, nước đá hoặc gel lạnh được làm lạnh rất sâu, do vậy để nhiệt độ phù hợp với cơ thể người mặc cần phải điều chỉnh hệ thống điều khiển bơm.

Sau một thời gian, nước đá trong hộp điều hòa tan chảy hoặc mất nhiệt do nóng lên, người sử dụng chỉ cần thay lượng đá mới hoặc thay gel lạnh mới.

b) Chệ độ nhiệt

Đầu tiên cần đưa một lượng vừa đủ nước hoặc dung dịch siêu dẫn nhiệt (gel) vào hộp điều hòa (2), đóng kín nắp.

Sau khi bật hệ thống điều khiển (6), may so nhiệt (24) có nhiệm vụ nung nóng nước hoặc dung dịch siêu dẫn nhiệt trong hộp điều hòa (2) đến nhiệt độ 400C (pha nóng) và tự ngắt nhờ rơ le nhiệt (25). Hệ thống bơm (5) hoạt động làm lưu thông nước hoặc dung dịch siêu dẫn (gel) trong hệ thống ống mao dẫn (21) đặt trong hộp điều hòa (2). Nước hoặc dung dịch siêu dẫn có nhiệt độ cao trong hệ thống ống mao dẫn (21) sẽ được truyền đến hệ thống mao dẫn (3) đặt trong áo (1). Khi đó áo (1) trở thành nguồn cấp nhiệt thực hiện bức xạ nhiệt làm tăng nhiệt độ cơ thể người mặc (pha lạnh). Sau khi bức xạ nhiệt, nước hoặc chất siêu dẫn lạnh đi và được đưa trở về hộp điều hòa và được làm nóng trở lại, tiếp tục thực hiện chu trình mới. Nhờ hoạt động tuần hoàn hoàn áo sẽ giữ cho cơ thể người mặc luôn ấm ở khoảng 37oC.

Nguồn nhiệt được cung cấp bởi năng lượng điện, do vậy cần thêm năng lượng cho pin nhiên liệu, lượng năng lượng chứa trong pin càng lớn thì hiệu quả càng cao. Khi đó Lưu điện (4) là loại DC 2A tối đa 50000mAh có khả năng xạc, đảm bảo cung cấp năng lượng cho máy bơm hoạt động liên tục và giữ cho nhiệt độ của nước trong hộp điều hòa (2) luôn ở mức nhiệt 400C trong bốn giờ.

Sau một thời gian, lượng điện dự trữ trong lưu điện sẽ hết, người sử dụng cần xạc lại.

Hiệu quả đạt được của giải pháp hữu ích

Trên thị trường chưa có.

Áo điều hòa nhiệt lạnh có cơ chế hoạt động hiệu quả

- Hệ thống truyền dẫn nhiệt bằng nước hoặc vật liệu siêu dẫn nhiệt (gel) đặt trong hệ thống kín và không bị tiêu hao, được điều khiển bằng hệ thống bơm do vậy dễ dàng điều khiển được nhiệt độ giữa hai pha nóng lạnh. Nhiệt độ luôn được giữ ổn định ở mức tối ưu cho người sử dụng.

- Quá trình trao đổi nhiệt giữa cơ thể và áo nhiệt lạnh được thiết kế theo hình thức bức xạ nhiệt, đảm bảo tính hiệu quả cũng như đảm bảo tính khô thoáng cho người mặc.

- Vật liệu làm áo bằng vải kaki co dãn, ôm khít cơ thể đảm bảo việc truyền dẫn nhiệt được tối ưu, đồng thời không ảnh hưởng đến hoạt động vận động của người mặc.

- Thiết kế áo tối ưu, gọn gàng, cân đối, ôm khít cơ thể, có khả năng điều chỉnh kích thước phù hợp với mọi đối tượng người mặc, người mặc dễ dàng thực hiện các hoạt động khác nhau.

Áo điều hòa nhiệt lạnh an toàn với người mặc

- Quá trình truyền dẫn nhiệt bằng nước hoặc gel rất an toàn với người mặc trong trường hợp có tác động ngoại lực làm đứt, gãy, vỡ hệ thống làm lạnh.

- Sử dụng hệ thống lưu điện đảm bảo tính an toàn không gây cháy nổ khi sử dụng.

- Không sử dụng các vật liệu có thể gây độc hại đến cơ thể người mặc và môi trường.

Áo điều hòa nhiệt lạnh an toàn với chi phí rất rẻ và hiệu quả cao về kinh tế

- Quá trình truyền dẫn nhiệt vì dùng nước (hoặc gel) được làm lạnh luôn sẵn có và dễ kiếm với chi phí cực thấp. Nhiệt độ làm lạnh của nước đá (hoặc gel lạnh) càng thấp thì hiệu quả sử dụng càng cao.

- Nguồn năng lượng điện được nạp nhiều lần qua thiết bị lưu điện (pin, ac qui) vô cùng đơn giản và tiện dụng, chi phí thấp. Pin năng lượng càng bền hiệu quả sử dụng càng cao.

- Chế độ bảo dưỡng gần như không có, bộ phận duy nhất cần bảo dưỡng là máy bơm.

- Chi phí cho Áo điều hòa nhiệt lạnh không quá lớn phù hợp với mọi người dân lao động.

- Không hạn chế phạm vi đối tượng sử dụng áo.

- Ngoài chế độ điều hòa nhiệt độ áo có thể bảo vệ phần lớn cơ thể người mặc được an toàn.

Áo điều hòa nhiệt lạnh dễ dàng khi sử dụng

- Dễ mặc, chỉ cần điều chỉnh kích thước sao cho phù hợp với cơ thể trong lần đầu sử dụng.

- Dễ dàng thay nguồn cấp lạnh là nước đá (hoặc gel lạnh) đã được làm lạnh với vài thao tác đơn giản.

- Dễ dàng điều khiển nhiệt độ phù hợp với nhu cầu và môi trường làm việc.

Cơ chế hai chiều

Với thiết kế hai chế độ nóng, lạnh:

+ Chế độ nhiệt lạnh được dùng cho mùa hè khi cần làm mát cho cơ thể trong điều kiện nhiệt độ môi trường nóng.

+ Chế độ nhiệt nóng được dùng cho mùa đông khi cần làm ấm cơ thể trong điều kiện thời tiết lạnh giá.

+ Giá trị của thiết kế trên được nâng cao tại những nơi rất nóng về mùa hè đồng thời rất lạnh về mùa đông.

Mặc dù sáng chế đã được mô tả chi tiết liên quan tới các phương án ưu tiên của nó, người có hiểu biết trung bình về lĩnh vực kỹ thuật này cần phải hiểu rằng các thay đổi khác nhau có thể được thực hiện mà không nằm ngoài phạm vi của sáng chế.

Như vậy sự ra đời của “Áo điều hòa nhiệt lạnh” mang giá trị to với không chỉ đơn thuần về bảo vệ sức khoẻ cho các bác sĩ, cán bộ y tế chống dịch mà còn góp phần vào bảo vệ sức khỏe toàn dân.

Thông tin:

Tên tác giả: TĂNG HỒNG DƯƠNG

Đơn vị đồng hành

Đơn vị bảo trợ truyền thông