CN105102103B - 用于分层滤筒的使用寿命终点指示系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了具有使用寿命终点指示系统的分层滤筒系统，所述分层滤筒系统包括滤筒，所述滤筒包括过滤介质。所述过滤介质具有多层构造，所述多层构造包括第一吸附剂层、第二吸附剂层和感测元件，所述感测元件邻近所述第一吸附剂层和所述第二吸附剂层，使得所述感测元件位于所述第一吸附剂层和所述第二吸附剂层之间的界面处。所述第一吸附剂层具有比所述第二吸附剂层高的吸附容量和/或吸附速率。所述感测元件指示吸附波前穿过所述滤筒。

Description

用于分层滤筒的使用寿命终点指示系统
技术领域
本发明整体涉及利用滤筒来从气体中过滤污染物的方法以及用于确定滤筒的使用寿命终点的使用寿命终点指示器。
背景技术
已开发出多种空气净化系统来保护人类免受危害性空气污染物的侵害。这些空气净化系统当中包括许多不同的空气净化呼吸器，这些空气净化呼吸器被设计成滤出或吸附存在于空气中的污染物。通常，这些空气净化呼吸器包含过滤介质、过滤主体，或者过滤介质和过滤主体的某种组合。在使用呼吸器时，污染物被过滤介质吸附或者被过滤主体粘附或捕集。最后，过滤介质或过滤主体变得饱和，并且呼吸器移除危害性空气污染物的能力开始减弱。
在长期暴露于包含危害性空气污染物的环境期间，例如对于暴露于这种环境的连续性或重复性工作者，确定呼吸器的有效使用寿命的技术为必需的。已开发出的一种基于呼吸器的使用时间的技术。在此技术中，基于(例如)Wood等人在《美国工业卫生协会杂志》(Journal of the American Industrial Hygiene Association)，第55卷第1期，第11-15页(1994年)中公开的数学模型，在使用一段时间后更换呼吸器或空气净化过滤器。然而，此技术未考虑通过呼吸器的污染物含量或流量的变化，并因此可能导致呼吸器或过滤器元件被过早地更换(这会造成浪费)或过晚地更换(这会给使用者造成危险)。
包含不同吸附剂材料的层或混合物的滤筒的例子包括美国专利5,660,173(Newton)，该专利描述了结合防毒面具使用的圆柱形罐，所述圆柱形罐包括截头形碳床和位于碳床中的不同粒度碳颗粒的分层阵列。美国专利5,714,126(Frund)描述了用于过滤毒剂的呼吸器过滤系统，该呼吸器过滤系统包括筒和HEPA过滤器，该筒包括未浸渍的活性炭层和利用硫酸盐(钼和铜或锌)浸渍的活性炭层。美国专利6,344,071(Smith等人)描述了过滤介质，该过滤介质包括至少两种过滤介质，第一多种过滤介质颗粒包含过渡金属浸渍剂，第二多种过滤介质颗粒包含叔胺浸渍剂。
已经开发出与呼吸器的滤筒一起使用的多种使用寿命终点指示器(ESLI)。一般来讲，ESLI被描述为无源型或有源型。无源型ESLI为其中指示器中的变化(通常颜色变化)是在用于分析物的吸附剂接近耗尽时因暴露于分析物而形成的ESLI。有源型ESLI为如下ESLI，所述ESLI包括电子传感器，以监测用于分析物的气流并且在因吸附剂耗尽而检测到分析物时产生警报信号。
发明内容
本发明公开了用于分层滤筒系统的使用寿命终点指示器。本发明包括能够从气体介质移除污染物的滤筒，该滤筒包括密封式筒外壳，该密封式筒外壳包括气体入口、过滤介质和气体出口。过滤介质包括多层构造，该多层构造包括第一吸附剂层、第二吸附剂层和感测元件，第二吸附剂层比第一吸附剂层更靠近气体出口，感测元件邻近第一吸附剂层和第二吸附剂层，使得感测元件的指示元件位于第一吸附剂层与第二吸附剂层之间的界面处。在一些实施例中，感测元件为电子感测元件，在其他实施例中，感测元件为色度感测元件。在一些实施例中，第一吸附剂层具有比第二吸附剂层高的吸附容量和/或吸附速率。
本发明还包括从气体中过滤污染物的方法。这些方法包括提供滤筒、使气体流过滤筒、检测感测元件中的感测响应，以及更换滤筒。滤筒具有密封式筒外壳，密封式筒外壳包括气体入口、过滤介质和气体出口。过滤介质包括多层构造，多层构造包括第一吸附剂层、第二吸附剂层和感测元件，第二吸附剂层比第一吸附剂层更靠近气体出口，感测元件邻近第一吸附剂层和第二吸附剂层，使得感测元件的指示元件位于第一吸附剂层与第二吸附剂层之间的界面处。在一些实施例中，感测元件为电子感测元件，在其他实施例中，感测元件为色度感测元件。在一些实施例中，第一吸附剂层具有比第二吸附剂层高的吸附容量和/或吸附速率。
附图说明
参照以下结合附图对本发明各种实施例的详细说明，可以更全面地理解本专利申请。
图1示出了本公开的滤筒的实施例的剖视图。
图2示出了本公开的滤筒的实施例的剖视图。
图3示出了本公开的滤筒的实施例的剖视图。
在以下对图示实施例的描述中，参照了附图，并通过举例说明的方式在这些附图中示出在其中可以实施本发明的多种实施例。应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以利用实施例并且可以进行结构上的改变。这些附图未必按比例绘制。附图中使用的相似标号指示相似的部件。然而，应当理解，在给定附图中使用标号指示部件并非意图限制另一附图中用相同标号标记的部件。
具体实施方式
已开发出多种空气净化系统来保护人类免受危害性空气污染物的侵害。这些空气净化系统包括许多不同的空气净化呼吸器，这些空气净化呼吸器被设计成滤出或吸附存在于空气中的污染物。此吸附作用可为物理吸附作用或化学吸附作用。这些空气净化系统可为无源的，这意味着使用者的呼吸吸取空气穿过呼吸器，或者可为电动的，这意味着诸如风扇之类的机械装置吸取空气穿过呼吸器。通常，这些空气净化呼吸器利用滤筒。一般来讲，这些滤筒包含过滤介质、过滤主体，或者过滤介质和过滤主体的某种组合。在使用呼吸器时，污染物被过滤介质吸附或者被过滤主体粘附或捕集。最后，过滤介质或过滤主体变得饱和，并且呼吸器移除危害性空气污染物的能力开始减弱。
在长期暴露于包含危害性空气污染物的环境期间，例如对于暴露于这种环境的连续性或重复性工作者，确定呼吸器的有效使用寿命的技术为必需的。已经开发出的一种技术基于呼吸器的使用时间，此技术采用Wood等人在《美国工业卫生协会杂志》(Journal ofthe American Industrial Hygiene Association)，第55卷第1期，第11-15页(1994年)中描述的数学模型。在这种技术中，在一段使用时间后就更换呼吸器或空气净化过滤器。然而，此技术未考虑通过呼吸器的污染物含量或流量的变化，并因此可能导致呼吸器或过滤器元件被过早地更换(这会造成浪费)或过晚地更换(这会给使用者造成危险)。
已经开发出与呼吸器的滤筒一起使用的多种使用寿命终点指示器(ESLI)。一般来讲，ESLI被描述为无源型或有源型。无源型ESLI为其中指示器中的变化(通常颜色变化)是在用于分析物的吸附剂接近耗尽时因暴露于分析物而形成的ESLI。有源型ESLI为如下ESLI，该ESLI包括电子传感器，以监测用于分析物的气流并且在因吸附剂耗尽而检测到分析物时产生警报信号。
需要如下ESLI，所述ESLI能够在筒吸附剂的大部分已经耗尽时、但在筒吸附剂完全耗尽之前指示出筒应进行更换。这允许筒用于整个使用寿命(消除了筒中的可用吸附剂部分的浪费)，并且还为使用者提供了安全界限(当启动指示器时，仍存在可用的吸附剂层以保护使用者)。
本文公开了用于净化气体介质的滤筒系统，该滤筒系统包括分层滤筒和位于分层滤筒内的感测元件。感测元件以如下方式位于滤筒内：在一个层或组层耗尽时，感测元件被触发并且第二层或组层开始净化气体介质。第一层或第一组层具有比第二吸附剂层高的吸附容量和/或吸附速率。第一层或第一组层有一定体积，第二层或第二组层也有一定体积。要是全部层的体积加起来得到组合层体积，那么第一层或第一组层的体积大于该组合体积的40％。在一些实施例中，第一层或第一组层的体积大于总体积的50％。
2011年12月12日提交的标题为“END OF SERVICE LIFE INDICATING SYSTEMS FORLAYERED FILTER CARTRIDGES”(用于分层滤筒的使用寿命终点指示系统)的共同待审申请序列号61/569342描述了类似的构造，其中第二层或第二组层具有比第一吸附剂层高的吸附容量和/或吸附速率。然而，已发现当第一层或第一组层具有比第二吸附剂层高的吸附容量和/或吸附速率，波动会减小。由此而论，波动描述了传感器精确预测滤筒有效使用寿命的程度。换句话说，本公开描述的构造涉及第一层或第一组层具有比第二吸附剂层高的吸附容量和/或吸附速率，采用这种构造的系统使传感器能更精确地指示滤筒的使用寿命，从而允许滤筒的有效寿命得到更有效利用，且消除滤筒会造成浪费的不必要变化。
尽管不受理论束缚，但据信上述波动减小现象至少部分是由更为均匀且变化更小的吸附波前引起的。这样，在使用者检测到感测响应时，吸附波前是均匀的并向用户提供准确的吸附剂层利用率指示。据信，由于第一吸附剂层具有比第二吸附剂层高的吸附容量和/或吸附速率，所以观察到的吸附波前更为均匀且变化更小。因为感测响应的波动减小，所以能够实现对滤筒更有效的利用。
除非另外指明，否则说明书和权利要求书中使用的表示特征尺寸、数量和物理特性的所有数字应该理解为在所有情况下均被术语“约”修饰。因此，除非有相反的说明，否则在上述说明书和所附权利要求书中列出的数值参数均为近似值，这些近似值可根据本领域的技术人员使用本文所公开的教导内容寻求获得的期望性能而变化。用端值来表述的数值范围包括该范围内所包含的全部数字(如1至5包括1、1.5、2、2.75、3、3.80、4和5)和该范围内的任何范围。
本说明书和所附权利要求书中所用的单数形式“一种”、“一个”和“所述”均涵盖具有多个指代物的实施例，除非其内容明确指示另外的情况。例如，“一层”涵盖了具有一层、两层或更多层的实施例。本说明书和所附权利要求书中所用的术语“或”的含义一般来讲包括“和/或”，除非其内容明确指示另外的情况。
如本文所用，术语“感测元件”是指这种元件或这种元件的集合：这种元件一旦暴露于分析物，例如通常发生其至少一种光学性质的改变(如，可能表现为色度改变，反射光的亮度、强度改变，等等)，对分析物作出响应。感测元件包括至少一个“指示器元件”并且还可包括其他元件。如本文所用，术语“指示器元件”是指当暴露于分析物(诸如有机蒸气或酸)时发生可检测变化(通常为光学变化)的元件。当视觉变化为颜色变化时，指示物称为“比色的”。如果感测元件只包括指示器元件，那么这两个术语可互换使用。
如本文所用，术语“吸附波前”是指包含已穿过吸附剂层的污染物的气体层。已穿过吸附剂层并且不包含污染物的气体层不是吸附波前。
如本文所用，涉及层或其他元件时的术语“邻近”是指层或其他元件彼此紧邻，且在它们之间不存在间隙。层或其他元件可为接触的，或者可存在居间层或其他元件。
如本文所用，涉及呼吸器时的术语“呼吸头盔”是指由人佩戴的被提供净化空气的设备，此类呼吸头盔包括例如紧密贴合在至少呼吸通道(鼻部和口部)上的面罩、以及松弛贴合型面罩。呼吸头盔的例子包括但不限于弹性体面罩呼吸器、全面罩式呼吸器、头罩(诸如软罩或硬头罩)、以及其他合适的呼吸器系统。
如本文所用，涉及电动呼吸器时的术语“软管”是指包括如下导管的装置，所述导管具有流体不可渗透性壁，所述流体不可渗透性壁能够允许空气从中穿过以用于将过滤空气从洁净空气供应源(诸如滤筒)递送到呼吸头盔。
本公开的滤筒能够从气体介质移除污染物并且具有密封式筒外壳。此外壳容纳滤筒的元件，将元件保持为正确构造，并且保护元件以免暴露于除定向流过滤筒的气体介质之外的气体介质的污染物。容纳在密封式筒外壳内的滤筒的元件至少包括气体入口、过滤介质和气体出口。过滤介质包括多层构造，多层构造包括至少第一吸附剂层、第二吸附剂层和感测元件，第二吸附剂层比第一吸附剂层更靠近气体出口，感测元件邻近第一吸附剂层和第二吸附剂层，使得感测元件的指示元件位于第一吸附剂层和第二吸附剂层之间的界面处。这些元件中的每一个更详细地描述于下文中。
使用密封式筒外壳允许滤筒的部件彼此保持流体连通，并且保护部件免受冲击、损害等。外壳通常被设计成在滤筒的使用条件下对将被过滤的流体不可渗透。一些可能适用于外壳的材料可包括塑料、金属、复合材料等。
一般来讲，密封式筒外壳中的仅有开口为气体入口和气体出口，气体入口与外部环境流体连通，气体出口与使用者直接或间接地流体连通。
气体入口可为简单孔口或一系列孔口，或者其可为更复杂的设备，诸如，其可包含预过滤器或筛网以减小进入滤筒的颗粒流。预过滤器的例子包括例如纤维网、网片、泡沫、非织造织物等等。预过滤器可能是可移除的，使得可以将其取下并进行清洁或更换。合适的筛网的例子包括例如金属或塑料网格，其可永久性地附连到气体入口或者可为可移除的。在某些滤筒构造中，可能存在不止一个气体入口。
滤筒外壳中的其他开口为气体出口。根据其中使用滤筒的空气净化系统的类型，气体出口可具有多种形状和构造。如果滤筒用于无源型呼吸器系统中，则气体出口可为单个孔口或者其可为一系列孔口。另外，出口可包含过滤器或筛网，以阻止颗粒流或粉尘流从过滤介质到达使用者。合适的过滤器的例子包括例如纤维网、网片、泡沫、非织造织物等等。过滤器可为可移除的，使得它们可被取下并进行清洁或更换。合适的筛网的例子包括例如金属或塑料网格，其可永久性地附连到气体入口或者可为可移除的。如果滤筒用于电动呼吸器系统中，则气体出口通常为单个开口，但在一些实施例中其可包括一系列开口。在一些实施例中，气体出口为排气口，该排气口可将滤筒外壳连接到软管或其他连接设备以将净化空气供应到呼吸头盔或其他装置。通常气体出口为圆柱形开口，但也可使用其他形状和轮廓。开口还可包括被设计成将滤筒以可释放地附接到(例如)软管或其他连接设备的结构。
过滤介质包括多层构造，该多层构造包括至少第一吸附剂层、第二吸附剂层和感测元件，第二吸附剂层比第一吸附剂层更靠近气体出口，感测元件邻近第一吸附剂层和第二吸附剂层。感测元件的至少一个指示器元件位于第一吸附剂层和第二吸附剂层之间的界面处。第一吸附剂层和第二吸附剂层中的每一个吸附剂层可为单一层或者可包括多个子层。另外，除了这两个吸附剂层之外，还可存在附加层。可存在的合适附加层的例子包括例如附加吸附剂层、和颗粒过滤器，诸如纤维网、网片、泡沫、非织造织物等等。
第一吸附剂层包含至少一种吸附剂材料。如本文所用，术语“吸附剂材料”是指能够吸收或吸附有机蒸气的物质。此吸收或吸附作用可为物理作用(有机蒸气被物理地捕集在吸附剂材料上或吸附剂材料内)或化学作用(有机蒸气与吸附剂材料化学地相互作用并且被捕集)。如下文更详细描述，吸附剂材料除吸收或吸附有机蒸气外，还可以吸收或吸附酸性气体、碱性气体或它们的组合。
多种材料可适于用作吸附剂材料。吸附剂介质期望地为充分多孔的，以使空气或其他气体易于从这些孔中流过，并且其形式可能是细碎的固体(例如粉末、微珠、薄片、颗粒或附聚物)或者多孔固体(例如开孔泡沫或多孔一体化材料)。通常吸附剂材料为颗粒状的。
吸附剂材料可为单一材料，或者其可包括材料的混合物。合适的吸附剂材料的例子包括例如活性炭、处理过的活性炭、氧化铝、硅胶、霍加拉特、分子筛、金属-有机框架、模板材料、或其他已知的吸附剂材料，或者它们的组合。另外，如上所述，第一吸附剂层可包括多个子层。这些子层中的每一个可为相同的或不同的吸附剂材料。
尤其理想的吸附剂介质材料包括活性炭；氧化铝和可利用吸附去除所关注蒸气的其他金属氧化物；用酸性溶液(诸如，乙酸)或碱性溶液(诸如，含水氢氧化钠)处理过的粘土和其他矿物；分子筛和其他沸石；其他无机吸附剂(诸如，二氧化硅)；以及有机吸附剂，包括超高交联体系，例如称作“Styrosorbs”的高度交联的苯乙烯聚合物(如例如V.A.Davankov和P.Tsyurupa在《理论化学与应用化学》(Pure and Appl.Chem.)，第61卷，第1881至1889页，1989年中，以及L.D.Belyakova、T.I.Schevchenko、V.A.Davankov和M.P.Tsyurupa在《胶体与界面科学进展》(Adv.in Colloid and Interface Sci.)，第25卷，第249至266页，1986年中所述)。活性炭和氧化铝是尤其期望的吸附剂介质。可采用吸附剂介质的混合物，例如来吸收所感兴趣的蒸气的混合物。倘若采用细碎形式的吸附剂介质，那么吸附剂的粒度可能有很大变化，通常将部分根据拟定使用条件进行选择。作为一般性指导原则，细碎的吸附剂介质粒子的粒度可在约4微米至约5000微米的平均直径范围内变化，例如，在约30微米至约1500微米的平均直径范围内变化。也可采用具有不同粒度范围的吸附剂介质粒子的混合物(例如，吸附剂介质粒子的双峰式混合物，或上游层采用较大的吸附剂粒子而下游层采用较小的吸附剂粒子的多层布置)。也可采用与合适粘合剂(例如粘合碳)结合，或捕获在合适载体上或合适载体中的吸附剂介质，诸如美国专利3,971,373(Braun等人)、美国专利4,208,194(Nelson)和美国专利4,948,639(Brooker等人)以及美国专利申请公布US 2006/0096911 A1(Brey等人)中所述。另外，还可使用固定碳。碳可通过多种方法进行固定，诸如，通过粘合碳、碳填充式纤维网、碳块等等。固定碳的例子包括描述于PCT公布WO 2006/052694(Brey等人)中的含颗粒的纤维网。颗粒状活性炭是特别有用的吸附剂材料。市售颗粒状活性炭的例子包括得自可乐丽化学公司(Kuraray Chemical Co.)的GG级(物理吸附通用)和GC级或GW级(物理吸附酸洗通用)活性炭，以及得自雅克比炭业公司(Jacobi CarbonsAB)的GA1级(物理吸附通用)活性炭。可乐丽GG级颗粒状活性炭或其等效物特别适合吸附有机蒸气，故可用于第一吸附剂层中。
过滤介质还包括第二吸附剂层。该第二吸附剂层位于更靠近气体出口的位置。因为各吸附剂层可能有多种不同的形状，所以比较和对比各层尺寸的一种方式是比较和对比它们的体积。第一吸附剂层具有对应的体积，第二吸附剂层也具有对应的体积。可将第一吸附剂层、第二吸附剂层和任何其他可选的吸附剂层的体积组合，得到层总体积。一般来讲，第一吸附剂层的体积大于总体积的40％。在一些实施例中，第一吸附剂层的体积大于总体积的50％。
第一吸附剂层具有比第二吸附剂层高的吸附容量和/或吸附速率。概括地讲，这意味着在吸附有机蒸气方面，第一吸附剂是比第二吸附剂层更有效的层。现已发现，吸附剂层的这种构造导致波动改良，换句话讲，波动减小。由此而论，波动描述了传感器精确预测滤筒有效使用寿命的程度。因此，本发明描述的构造涉及第一层或第一组层具有比第二吸附剂层高的吸附容量和/或吸附速率，采用这种构造的系统使传感器能更精确地指示滤筒的使用寿命，从而让滤筒的有效寿命得到更有效利用，且消除滤筒会造成浪费的不必要变化。
在一些实施例中，第一吸附剂层的吸附因子A1与第二吸附剂层的吸附因子A2的比率为A1/A2>1。吸附剂层的吸附因子由如下公式确定：A＝kv×SL，其中A＝吸附因子；kv＝有效吸附速率系数(分钟-1)；以及SL＝使用寿命(分钟)，即给定测试用蒸气在标准温度和压力下达到1％穿透所需的时间。
此吸附因子使用Wood在《美国工业卫生协会杂志》(Journal of the AmericanIndustrial Hygiene Association)，第55卷第1期，第11至15页(1994年)中描述的方法来测定。
第一吸附剂层中的吸附剂材料不同于第二吸附剂层中的吸附剂材料。合适的吸附剂材料的例子包括例如活性炭、处理过的活性炭、氧化铝、硅胶、霍加拉特、分子筛、金属-有机框架、模板材料、或其他已知的吸附剂材料，或者它们的组合。颗粒状活性炭是特别有用的吸附剂材料。市售颗粒状活性炭的例子包括得自可乐丽化学公司(Kuraray ChemicalCo.)的GG级(物理吸附通用)和GC级或GW级(物理吸附酸洗通用)活性炭，以及得自雅克比炭业公司(Jacobi Carbons AB)的GA1级(物理吸附通用)活性炭。雅克比GA1级颗粒状活性炭或其等效物特别适用于第二吸附剂层。在一些实施例中，第一吸附剂层和第二吸附剂层两者包括颗粒状活性炭。
第一吸附剂层和第二吸附剂层彼此流体连通。在一些实施例中，第一吸附剂层和第二吸附剂层直接彼此紧邻。在其他实施例中，第一吸附剂层和第二吸附剂层为不连续的层并且可由多孔膜或筛网隔开。
第一吸附剂层和第二吸附剂层可呈任何合适的形状，诸如，矩形、圆形、椭圆形等。通常，第一吸附剂层和第二吸附剂层的形状受滤筒外壳的形状和构造控制。可能期望的是第一吸附剂层和第二吸附剂层具有相等或相似的长度和宽度，或者可能期望的是第二吸附剂层具有较短的长度和/或宽度并且过滤介质具有大体锥形的结构。
滤筒还包括感测元件，感测元件邻近第一吸附剂层和第二吸附剂层定位。感测元件包括至少一个指示器元件，此至少一个指示器元件位于第一吸附剂层和第二吸附剂层之间的界面处。感测元件指示吸附波前穿过滤筒。多种感测元件适用于本发明的滤筒中。当吸附波前穿过第一吸附剂层时，感测元件，例如，发生其至少一种光学性质的改变(如，可能表现为色度改变，反射光的亮度、强度改变，等等)，以光学方式对分析物作出响应。在一些实施例中，感测元件为色度感测元件(这意味着可通过人眼来检测光学变化)，在其他实施例中，感测元件为电子感测元件(这意味着可通过电子装置来检测光学变化)。在一些实施例中，位于第一吸附剂层和第二吸附剂层之间的界面处的指示器元件可构成整个感测元件，在其他实施例中，感测元件为较大的或较复杂的，并且仅指示器元件位于第一吸附剂层和第二吸附剂层之间的界面处。
在一些实施例中，感测元件为膜。膜可具有多个层并且可为色度膜(即，膜在暴露于有机分析物时改变颜色)，或者可在暴露于有机分析物时发生一些其他的可检测光学变化。合适的传感器膜的例子在美国专利7,449,146(Rakow等人)和美国专利公布2008/0063575和2008/0063874(Rakow等人)中有描述。
感测元件还可以是图案化的化学传感器，例如描述于美国专利公布2011/0094514(Rakow等人)中的那些。这些图案化的传感器包括膜，该膜包括膜主体和封闭层。该膜主体包括检测层，该封闭层粘结至膜主体并且封闭检测层的一部分。检测层响应有机化学物，即，检测层在暴露于有机化学物时改变颜色。封闭层阻止将被检测的化学物进入封闭区域并且使颜色变化。这种布置方式的净效应为在单个膜主体中，在暴露于有机化学物时，“旧”颜色(即初始颜色状态)和“新”颜色(即，检测层的改变的颜色状态)并列存在，从而允许用户容易地确定是否已发生变化。
根据感测元件的复杂性，整个感测元件可位于滤筒内，或者感测元件的一部分可位于滤筒内并且感测元件的一部分可位于滤筒外。就电子感测元件而言，尤其如此。
在一些实施例中，整个感测元件位于滤筒内。通常，在这些实施例中，密封式滤筒外壳包含窗口或其他观察装置，以允许使用者观察感测元件。窗口或其他观察装置可由玻璃或透明塑料制成。这种布置方式的例子在美国专利公布2010/0294272(Holmquist-Brown等人)中有描述。
尽管感测元件可位于滤筒内的任何位置处(前提条件是至少一部分存在于第一吸附剂层和第二吸附剂层之间的界面处)，但在一些实施例中，可能期望的是感测元件位于密封式滤筒外壳的壁上。这样，易于将感测元件信号(光学信号或电子信号)传输给使用者。在具有色度感测元件的一些实施例中，色度感测元件位于紧邻窗口或其他观察装置的密封式滤筒外壳壁上。
图1、图2和图3示出了本发明的滤筒的三个实施例。在图1中，滤筒100包括气体入口110、第一吸收剂层120、第二吸收剂层130、气体出口140和感测元件150。图2为示出滤筒200的类似实施例，其中滤筒200包括气体入口210、第一吸附剂层220、第二吸附剂层230、气体出口240和感测元件250。在滤筒200中，第二吸附剂层230比第一吸附剂层220窄，从而赋予过滤介质大体锥形的结构。图3示出了分流滤筒300的实施例。在滤筒300中，气体入口310位于滤筒300的顶部和底部。气体入口310与第一吸附剂层320、第二吸附剂层330、气体出口340和感测元件350流体连通。
本发明还公开了用于从气体中过滤污染物的方法。该方法包括提供上述类型的滤筒，该滤筒包括具有分层吸附剂层和感测元件的密封式筒外壳；使气体流过滤筒；检测感测元件中的感测响应；以及更换滤筒。
气体污染物通常包括有机蒸气、酸性气体、碱性气体或它们的组合。如本文所用，术语“有机蒸气”是指多种空中的挥发性有机化合物，其若存在于空气中可能对吸入这种蒸气的人造成危害。有机蒸气的例子包括(但不限于)：醇类，诸如异丙醇和丁醇；烷属烃，诸如己烷和辛烷；芳族化合物，诸如苯、甲苯、二甲苯和苯乙烯；卤代烃，诸如氯仿和二氯甲烷；酮类，诸如丙酮和甲乙酮；醚类，诸如四氢呋喃；酯类，诸如乙酸乙酯和乙酸乙氧乙酯；丙烯酸酯，诸如丙烯酸甲酯；腈类，诸如乙腈；异氰酸酯，诸如甲苯-2,4-二异氰酸酯；等等。如本文所用，术语“酸气体或酸性气体”是指含有一些酸性成分的气体。酸性成分本身可以是气体，诸如氯化氢气体，但酸性成分本身不必为气体，而是可以只存在于气体或气体混合物中。另外，酸性气体本身可能不是酸，但是酸可由与存在于大气中的其他材料的组合而得到。如本文所用，术语“碱气体或碱性气体”是指含有一些碱性成分的气体。碱性成分本身可以是气体，诸如氨气，但碱性成分本身不必为气体，而是可以只存在于气体或气体混合物中。另外，碱性气体本身可能不是碱，但是碱可由与存在于大气中的其他材料的组合而得到。
如上所述，滤筒具有至少第一吸附剂层、第二吸附剂层和感测元件，第二吸附剂层比第一吸附剂层更靠近滤筒的气体出口，感测元件邻近第一吸附剂层和第二吸附剂层。感测元件的至少一个指示器元件位于第一吸附剂层和第二吸附剂层之间的界面处。
可通过多种方法来使气体流过滤筒，具体取决于其上附接滤筒的呼吸器装置的类型。如果呼吸器装置为无源型呼吸器，则使气体流过滤筒的步骤可包括佩戴呼吸器并且呼吸。在滤筒被使用之前，滤筒气体入口可为密封的或覆盖的以保护滤筒，因此使气体流过滤筒的步骤还可包括开启或打开滤筒入口的步骤。另外，呼吸器和滤筒可保持为分离的，因此可存在涉及将滤筒附接到呼吸器设备的组装步骤。另外，呼吸器可包含不止一个滤筒，并且这些滤筒可为相同的或不同的。
如果呼吸器为电动呼吸器，则使气体流过滤筒的步骤可包括佩戴呼吸器并且打开用于为呼吸器供能的风扇或其他装置的电源。正如无源型呼吸器系统，使气体流过滤筒的步骤还可包括开启或打开滤筒气体入口或组装呼吸器的步骤。
当使用包括本发明的滤筒的呼吸器装置时，在第一吸附剂层到达其使用寿命终点的情况下到达响应点。此时，位于第一吸附剂层和第二吸附剂层的界面处的指示器元件被启动并且导致感测元件中的响应。感测元件响应通常为光学响应。如果感测元件为色度感测元件，则产生可被使用者检测的颜色变化。如果感测元件为电子器件，则产生可被使用者检测的电子信号。
在一些实施例中，可能有用的是针对代表性的有机蒸气来测试典型的滤筒、以及测定使用寿命终点(如通过有机蒸气穿透点来测定)与感测元件被启动的点的比率。此方法更完整地描述于实例部分中。可能期望的是此比率为0.90或更小，这意味着在感测元件启动时，滤筒中剩余10％的吸附剂容量。剩余吸附剂容量的此10％值对应于用于提前警告使用者以更换滤筒的当前NIOSH标准。
使用者检测到的感测响应指示使用者应更换滤筒。用于从气体中过滤污染物的本发明的滤筒系统和方法的优点在于，在使用者发觉感测响应时，吸附波前通常是均匀的，因而向使用者提供准确的炭利用率指示。由于第一吸附剂层具有比第二吸附剂层高的吸附容量和/或吸附速率，所以观察到的吸附波前更为均匀且变化更小。容量较低的第二吸附剂层在可更换滤筒之前提供附加的安全界限。
实例
这些实例仅仅是用于示例性目的，并且无意于限制所附权利要求书的范围。除非另外指明，否则实例以及说明书的余下部分中的所有份数、百分数、比率等均按重量计。除非另外指明，否则所用的溶剂和其他试剂均得自美国威斯康星州密尔沃基的西格玛奥德里奇化学公司(Sigma-Aldrich Chemical Company,Milwaukee,Wisconsin)。
缩写表
测试方法
滤筒使用寿命测定
通过基于32L/min流速和50％相对湿度下的1,000ppm庚烷测试物测试筒来测量使用寿命。当在出口处观察到45ppm庚烷时，测量使用寿命。期望浓度的溶剂由泵设置为45.446mL/h的法玛西亚(Pharmacia)P-500系列泵提供。使用格麦克仪器公司(GowMacInstrument Co.)制造的GOWMAC系列23-550总烃分析仪FID测量出口浓度。FID设置为范围2，空气压力22，燃料压力26，样品压力1，跨度4.28。采用边缘科技公司(Edgetech)的冰寒镜露点湿度计监测相对湿度。
比较例C1：
准备筒C1：
用筒主体组装好样品滤筒，再填充103立方厘米(cm3)的SM-1雪花柱。
测试筒C1：
使用上文所述的测试方法来测试上述组装的筒的使用寿命终点。指出滤筒中的传感器指示到达使用寿命终点的点。还指出穿透点，将其记录为平均使用寿命。计算此测得的使用寿命终点与穿透点(平均使用寿命)的比率，该值包含标准偏差在内。期望的是此比率为0.90或更小，从而为筒使用者提供10％提前警告时间(当前的NIOSH要求)。这些数据在表1中给出。
表1
筒C1
平均使用寿命(分钟) 98.8
使用寿命终点的平均测量值(分钟) 46.4
比率 0.47
标准偏差 0.17
测量样品的数目 24
实例1-4：
准备筒1-4：
样品滤筒利用滤筒主体来进行组装，并且利用具有表2所示的吸附剂材料量的雪花柱来进行填充。比较例C1包括在内作为参考。
表2
层 比较例C1 实例1 实例2 实例3 实例4
顶层 103cm3SM-1 64cm3SM-2 52cm3SM-2 48cm3SM-2 44cm3SM-2
底层 ---- 40cm3SM-1 52cm3SM-1 56cm3SM-1 60cm3SM-1
测试筒1-4：
使用上文所述的测试方法来测试上述组装的筒的使用寿命终点。指出滤筒中的传感器指示到达使用寿命终点的点。还指出穿透点，将其记录为平均使用寿命。计算此测得的使用寿命终点与穿透点(平均使用寿命)的比率，该值包含标准偏差在内。期望的是此比率为0.90或更小，从而为筒使用者提供10％提前警告时间(当前的NIOSH要求)。这些数据在表3中给出。
表3

Claims (21)

1.一种能够从气体介质移除污染物的滤筒，包括：
密封式筒外壳，所述密封式筒外壳包括：
气体入口；
过滤介质；和
气体出口，
其中所述过滤介质包括多层构造，所述多层构造包括：
第一吸附剂层；
第二吸附剂层，所述第二吸附剂层比所述第一吸附剂层更靠近所述气体出口；其中所述第一吸附剂层具有比所述第二吸附剂层高的吸附容量和/或吸附速率；和
感测元件，所述感测元件邻近所述第一吸附剂层和所述第二吸附剂层，使得所述感测元件的指示元件位于所述第一吸附剂层和所述第二吸附剂层之间的界面处。
2.根据权利要求1所述的滤筒，其中所述第一吸附剂层的吸附因子A1与所述第二吸附剂层的吸附因子A2的比率为A1/A2>1，其中吸附剂层的吸附因子由如下公式确定：
A＝kv×SL，
其中A＝吸附因子；
kv＝有效吸附速率系数(分钟-1)；并且
SL＝使用寿命(分钟)，即给定测试用蒸气在标准温度和压力下达到1％穿透所需的时间。
3.根据权利要求1所述的滤筒，其中每个吸附剂层包括吸附剂体积，并且所述第一吸附剂层和所述第二吸附剂层的吸附剂体积一起形成组合的吸附剂体积，并且所述第一吸附剂层的吸附剂体积大于所述组合的吸附剂体积的40％。
4.根据权利要求1所述的滤筒，其中所述第一吸附剂层和所述第二吸附剂层为基本上不连续的层。
5.根据权利要求1所述的滤筒，其中所述感测元件指示吸附波前穿过所述滤筒。
6.根据权利要求5所述的滤筒，其中所述感测元件包括色度感测元件或电子感测元件。
7.根据权利要求1所述的滤筒，其中所述感测元件在所述滤筒内所处的位置使得所述感测元件指示包含污染物的吸附波前何时到达所述第一吸附剂层和所述第二吸附剂层之间的界面。
8.根据权利要求1所述的滤筒，还包括附加的吸附剂层。
9.根据权利要求1所述的滤筒，其中所述第一吸附剂层和所述第二吸附剂层包括活性炭层、二氧化硅层、氧化铝层、金属氧化物层、金属氢氧化物层、或它们的组合。
10.根据权利要求9所述的滤筒，其中所述第一吸附剂层包含活性炭，并且所述第二吸附剂层包含不同的活性炭。
11.根据权利要求1所述的滤筒，其中所述感测元件位于所述筒外壳的壁上。
12.一种从气体中过滤污染物的方法，包括：
提供滤筒，所述滤筒包括：
密封式筒外壳，所述密封式筒外壳包括：
气体入口；
过滤介质；和
气体出口，
其中所述过滤介质包括多层构造，所述多层构造包括：
第一吸附剂层；
第二吸附剂层，所述第二吸附剂层比所述第一吸附剂层更靠近所述气体出口；其中所述第一吸附剂层具有比所述第二吸附剂层高的吸附容量和/或吸附速率；和
感测元件，所述感测元件邻近所述第一吸附剂层和所述第二吸附剂层，使得所述感测元件的指示元件位于所述第一吸附剂层和所述第二吸附剂层之间的界面处；
使气体流过所述滤筒；
检测所述感测元件中的感测响应；以及
更换所述滤筒。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述第一吸附剂层的吸附因子A1与所述第二吸附剂层的吸附因子A2的比率为A1/A2>1，其中所述吸附剂层的吸附因子由如下公式确定：
A＝kv×SL，
其中A＝吸附因子；
kv＝有效吸附速率系数(分钟-1)；并且
SL＝使用寿命(分钟)，即给定测试用蒸气在标准温度和压力下达到1％穿透所需的时间。
14.根据权利要求12所述的方法，其中每个吸附剂层包括吸附剂体积，并且所述第一吸附剂层和所述第二吸附剂层的吸附剂体积一起形成组合的吸附剂体积，并且所述第一吸附剂层的吸附剂体积大于所述组合的吸附剂体积的40％。
15.根据权利要求12所述的方法，其中所述第一吸附剂层和所述第二吸附剂层为基本上不连续的层。
16.根据权利要求12所述的方法，其中所述感测元件指示所述吸附波前穿过所述滤筒。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述感测元件包括色度感测元件或电子感测元件。
18.根据权利要求17所述的方法，其中检测所述感测元件中的感测响应包括检测颜色变化。
19.根据权利要求12所述的方法，其中所述感测元件在所述滤筒内所处的位置使得所述感测元件指示包含污染物的吸附波前何时到达所述第一吸附剂层和所述第二吸附剂层之间的界面。
20.根据权利要求12所述的方法，其中所述滤筒还包括附加的吸附剂层。
21.根据权利要求12所述的方法，其中所述污染物包括有机蒸气、酸性气体、碱性气体、或它们的组合。
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