JP2004525682A - 呼吸器システム内の空気流量を検量する方法およびシステム - Google Patents

Abstract

呼吸器システム内の空気流量を検量する方法および装置が提供される。この方法は、コントローラのマイクロプロセッサの簡単なトリガーによって、正確な検量プロトコルにおいて制御設定値を設定する。トリガーが開始されると、マイクロプロセッサは始動し、検量サイクル用の論理を与える。第２トリガーがプロセスを終了させ、制御設定値を設定するまで、検量サイクルは進む。この方法の検量シーケンスは、装置と一体な部品によって促進される、開始および終了トリガーのみに依存する。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は送風機を備えた呼吸器の空気流量制御に関し、より詳細には設定値を装置の検量中に設定する手段に関する。
【背景技術】
【０００２】
呼吸器システム、具体的にいえば送風機を備えた呼吸装置は、人々を呼吸障害から保護する用途で良く知られている。これらの呼吸器は通常、送風機を駆動して空気を使用者に供給する、電池式のモーターを使用し、電動ファン付きろ過式呼吸用保護具（ＰＡＰＲ）として一般に知られている。ＰＡＰＲシステムは産業環境で広く使用されて、組み合わされて遭遇する、微粒子、ガス、または蒸気のような、種々の型の危険から着用者を保護する。
【０００３】
ＰＡＰＲシステムは多くの場合いくつかの部品を含むように設計される。これらの部品は現場で交換することが一般に可能であり、使用者が特殊な用途の必要を満足するようにシステムを構成することを可能にする。ＰＡＰＲ部品は２つの範疇に分けることが可能であり、使用者が着用するものと、空気を吐出すものである。空気吐出し供給部品は通常、例えば、フィルターバンク、電池式の送風機モーターセット、空気導通ホース、およびホースアタッチメントを含むのに対して、使用者が着用する部品はフード、マスク、または遮蔽されたヘルメットを含み得る。
【０００４】
どのＰＡＰＲシステム構成にとっても主要な要素が送風機モーターセットである。システムの他の部品は何らかの方法で取り換えられるか、または変えられるのに対して、送風機モーターセットは通常再構成されるように設計されない。しかしながら、送風機モーターセットは、ＰＡＰＲ構成に関係なくシステムを通して適当な空気流量を供給可能である。ＰＡＰＲの空気流量吐出しは少なくとも２つの要因に依存する。第１空気流量吐出し要因がシステム構成自体の結果として生じる。各部品が関連する圧力低下をその両端に生じるので、システムの部品が変えられるか、または取り換えられるときに、ＰＡＰＲシステムでの累積圧力低下が変化する。１つの構成から別の構成に変わったときのシステムにわたる圧力低下の変化が、送風機モーターセットの空気流量吐出し能力を変えるであろう。第２空気流量吐出し要因が長い間のＰＡＰＲの使用に伴って生じる。空気吐出しに影響する、時間ベースの動作要因には、フィルターローディングおよびブロッケージ、モーターおよび送風機駆動部品の摩耗および摩擦の増大、ならびに電池の電力損失が含まれる。システムと空気流量変化を起す、動作流れ吐出し要因との組合せが、モーター送風機セットの空気吐出し量が変化に適応するように調整可能であることを必要とする。送風機の流れ吐出し調整を容易にするために、ＰＡＰＲは多くの場合手動または自動の送風機モーター制御システムを装備する。フィードバック応答を組み入れて、送風機の動作をある所定の状態に維持する、高性能制御システムが知られている。
【０００５】
検量プロトコルによる設定値の設定が、どのフィードバック制御システムにおいても重要である。設定値は、モーター速度、またはモーターに供給される電圧のような制御変数の所望値に対して同義語である。閉ループシステムすなわちフィードバックにおいて、制御変数の測定値が比較器と呼ばれる装置に戻される、すなわち「フィードバック」される。比較器において、制御変数は所望値または設定値と比較される。測定変数と設定値との間にいくらかでも差がある場合は、誤差が発生する。この誤差はコントローラに入り、これは次には制御変数を設定値へ戻すために最終制御要素を調整する。検量プロトコルの目的は、制御のために設定値を設定することである。
【０００６】
システムを検量する１つの方法がマイクロプロセッサの使用によって行われる。マイクロプロセッサ利用制御システムの一般的特徴は、検量中、設定値は工場でマイクロプロセッサにプログラムされた論理によって設定されることである。ユニットの現場検量中、この汎用論理は呼び出されて、設定値を制御のために設定する。この型の検量は、設定値は検量中の正確な測定流量でなくて推論論理に基づく推論的検量とみなされ得る。論理は、既知の流量制限を条件とした、特殊な送風機設計用に確立された汎用性能データに基づく。そのようなユニットを現場検量するために、送風機は、検量論理を設定するために用いられるそれをシミュレートする状態に置かれる（例えば、既知の流量制限を強制するために圧縮プレートの使用）。このシミュレート状態の下で、次いで制御論理は制御のために設定値を再設定できる。
【０００７】
この型の推論的検量における主な制約は、現場検量中、正確な流れ性能のいかなる評価基準も観測されないことである。むしろ、所要流量の推論だけが設定される。その推論が不正確である場合、誤った検量が生じることもあり、その場合は、これはＰＡＰＲユニットの潜在的に望ましくない動作を引き起こすこともあり得る。特許文献１において、例えば、送風機の電力が送風機の電流および回転速度に基づいて調整される。マイクロコントローラが送風機モーターのフィードバックに応答し、これによってモーター電力が調整される。電子回路が、送風機モーターの両端子間の実効的電圧のパルス幅比を調整することによって、一定の空気量を維持する。記載されている制御スキームにおいて、検量および関連する設定値がマイクロコントローラの制御論理で維持される。いったん工場設定データがマイクロコントローラの不揮発性ＲＯＭに組み込まれると、その場合はＰＡＰＲは、制御装置を用いて、送風機を特殊な送風機に対する適正な流量に対応する回転速度にさせるであろう、特殊なオリフィスプレートを用いることによって検量される。
【０００８】
特許文献２が、推論検量プロトコルを使用するマイクロプロセッサ制御ファン出力を有する、ファン支援のガスマスクおよび呼吸器システムを記載する。ファンの吐出し出力および検出センサーが、用いられるフィルターの型に依存して、必要なフィルター特性に自動的に適合されるであろうように、ファンモーターが調整される。この制御スキームにおいて、フィルターはコントローラによって、例えば電気的接触を通して検出される。次いで送風機制御が、マイクロプロセッサに格納された、工場で予め設定されたデータから設定値を規定する。共同譲渡された特許文献３が類似の動作スキームを開示するが、一体化したマスク、送風機、およびフィルターのアセンブリを記載する。
【０００９】
「正確な検量」と呼ばれる第２検量プロトコルが、流量測定器によって表わされるような測定流量のそれに対するＰＡＰＲの空気流量の調整を伴う。制御システムが検量モードであり、かつターボが流量測定器に取付けられるのに対して、正確な検量プロトコルは送風機モーターを調整することによって実行される。適当な空気流量が達成されるまでポテンショメータを手動で変化させることによって、調整は実行される。ポテンショメータの調整のための論理は検量を行う技術者に在る。この場合のポテンショメータは、方向、感度、および必要な調整の程度に関して技術者の側の知識を必要とする「ダム（ｄｕｍｂ）」装置である。調整のためのいかなる座標系も与えられないので、正しい設定値を設定するために、ポテンショメータの複数の操作無しにユニットを適正に調整することが困難であることがあり得る。多くの場合調整は、検量を実行するために、特殊化したキーまたはねじ回しのような、工具および他の部品の使用を必要とする。ＰＡＰＲは、ポテンショメータ部品の脆弱性に因って、調整素子へのアクセスを可能にするために、少なくとも部分的に分解される必要があることは異例ではない。分解無しでも、小さい調整素子の操作は検量プロセスを面倒にし得る。予期されるように、現場検量がしばしば実施される産業環境は通常微細な装置調整に適さない。ＰＡＰＲで典型的に使用されるあらい設定（多くの工場または高度工業製造設定のような）が、検量をさらに困難にする場合がある。
【００１０】
典型的な検量手順が、技術者が制御装置を検量モードに設定するためにそれを起動することを含む。多くの場合に起動は、送風機筐体に保持された磁石のような外付け装置を用いて行われる。いったん検量モードになると、技術者は、ダイアルまたはノブを回転させることによって、ポテンショメータに手動で同調させる。適当な流量が設定されると、コントローラに信号が送られ、設定値が設定され、検量サイクルが終了する。
【特許文献１】
米国特許第５，６７１，７３０号公報
【特許文献２】
米国特許第５，４１３，０９７号公報
【特許文献３】
米国特許第５，３０３，７０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、正確な現場検量手順とその検量手順からの設定値の電子通信との新規な一体化を目的とする。検量中送風機速度を調整する、マイクロプロセッサへの通信が、簡単なスイッチング装置で容易になる。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明はＰＡＰＲ流量検量の方法および装置に関する。この方法は、コントローラのマイクロプロセッサの簡単なトリガーによって、正確な検量プロトコルにおいて制御設定値を設定する。簡単なトリガーは、マイクロプロセッサによって監視されるスイッチであってもよい。トリガーが開始されると、マイクロプロセッサは始動し、検量サイクル用の論理を与える。第２トリガーがプロセスを終了させ、制御設定値を設定するまで、検量サイクルは進む。この方法の検量シーケンスは、装置と一体な部品によって促進される、開始および終了トリガーのみに依存する。この検量方法は、既知のポテンショメータベースの検量システムによって要求される、複雑性および知識から使用者の負担を軽減する。
【００１３】
本発明の装置は、検量を実行するために、いかなる補助工具または調整素子も必要としない。電子的ゲートの簡単な機械的スイッチがトリガー信号をマイクロプロセッサに与えて、検量サイクルを開始し、終了させる。使用者が与える論理または入力だけが、検量を開始する時および停止する時を表わす。一実施形態において、電子リンクが流れ表示器とトリガー部品との間に設けられて、検量を自動的に終了させてもよい。正確な検量プロトコルの明白な性状と組み合された検量手順の簡潔性が、ＰＡＰＲの適当な流量制御が設定され、維持されるであろう、最高レベルの保証を使用者に与える。
【００１４】
本発明の一態様において、ＰＡＰＲ検量方法が与えられ、そこでは制御システムから独立する計器が、検量サイクル中流量を表示するために使用される。検量中、送風機モアーが所望の流量に達する点まで増加する間に、計器の流量が監視される。モーター速度の予め設定した速度から所望の速度への増加はマイクロプロセッサによって達成され、トリガーによって開始し、終了する。いったん適当なモーター速度に達すると、設定値が設定され、検量シーケンスが完了する。流量監視計器は、管内にフロートを使用するフロート式流量計であってもよい。この場合、使用するために構成されたＰＡＰＲが流量計に取付けられるだろう。その場合は、検量を実行する個人が、例えば、モーター速度が増加し、所望の流量が設定されるまで、スイッチを押し保持することによって、シーケンスを起動するだろう。いったん適当な流量が設定されると、個人はスイッチを放して、マイクロプロセッサ内に制御設定値を設定し、検量シーケンスを終了させるだろう。
【００１５】
作動スイッチがいくつかの方法で操作されて、マイクロプロセッサを起動する。例えば、スイッチは２度作動されてもよく、そこで第１作動が検量サイクルを開始し、第２作動がサイクルの終了を起動する。
【００１６】
本発明の他の実施形態において、流量監視計器とトリガーとの間の電子的インタフェースが、プロセスを自動化するために使用することもあり得る。この場合に、個人または遠隔信号がマイクロプロセッサを起動して、検量シーケンスを開始するだろう。流量測定器から送られた次の信号が検量シーケンスの終了を表示し、この時点でマイクロプロセッサは制御設定値を決定し、検量サイクルを終了するだろう。遠隔トリガーが、ＲＦ識別システムで使用されるような無線周波（ＲＦ）型装置によって促進されてもよい。自動検量プロセスで用いられ得る電子流量監視計器は、サーミスターのような流量センサーだろう。
【００１７】
いったん検量シーケンスが完結し、適当な設定値が設定されると、制御スキームがいくつも、使用中のＰＡＰＲの適当な機能を維持するために使用されるということもあり得る。
【００１８】
本発明の別の態様において、フローライン、送風機ユニット、バッフル、およびフィルターから成る吐出しシステムから空気が供給される、ヘルメット、フード、またはマスクのような着用者インタフェース要素を備える呼吸器が提供される。吐出しシステムは、流量測定器による正確な流量取組みによって検量され得る、マイクロプロセッサベースの送風機制御手段を用いる。検量設定値が、電子的インタフェース付きのマイクロプロセッサを用いて流れ出力に対して設定される。
【００１９】
本発明は添付図面を参照してさらに説明されるであろう。そこでは、同じ構造がいくつかの図にわたって同じ番号によって参照される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
図面を参照するに、本発明の電動ファン付きろ過式呼吸用保護具（ＰＡＰＲ）が図１に装置１０として概ね示される。装置１０はきれいな空気を使用者に供給するために使用される。装置１０は多量の空気を、その要素の形状構成、システムの動作状態、または装置が使用される環境の変化に関係なく、大体一定の流速で吐出すことが好ましい。装置１０は、有害な微粒状物質を特殊な環境の空気から除去するフィルターバンク２２を有する空気吐出しシステムを含む。フィルターバンク２２は、フィルターバンクから送風機筐体１４への連結導管２６の接続金具２４によって、送風機アセンブリ１３に取付けられる。モーター１６が、空気をフィルターバンク２２を通して引き込み、それをホース２０を経由して使用者が着用する部品１２へ吐出すタービン１７を駆動する。モーターへの電圧が電池１８によって、コントローラに組み込まれたマイクロプロセッサからの制御信号入力に応答して送風機モーター１６への電力を調整する、コントローラ１９を通して供給される。マイクロプロセッサはスイッチ３６を監視して、電力をコントローラおよびモーターへ加えるかどうかを決定する。
【００２１】
フィルターバンク２２が取付けられた送風機アセンブリ１３の１つの形状構成が図２に示される。送風機筐体１４の上部に、スイッチ３６、および送風機状態灯３４のグループが取付けられる。送風機からの送風出口３２が、呼吸器システムの通常の使用中、または検量、流量測定中ホースアタッチメントを備える。通常の動作および検量の両方の間の送風装置の動作がスイッチ３６によって容易にされる。普通の動作の場合、送風機は、例えばスイッチのボタンを短く押すことによってオンにされ、この後に表示灯３４は、送風機は正常範囲内で動作していることを示す。送風機をオフにするために、スイッチは再び短く作動され、この後にモーターへの電力はオフにされ、表示灯はもはや作動しない。
【００２２】
本発明の一実施形態に従って送風機を検量するために、図３に示される流量測定器４２が送風出口３２に取付けられる。測定器４２は検量プロセス中操作者４４によって観側される。測定器４２は多数の設計のうちの１つである。例示した実施形態において、ボールインチューブ型流量測定器が示される。検量サイクルを開始するために、作動したスイッチからの信号がマイクロプロセッサ４６によって第１トリガーと判断されるまで、スイッチ３６は作動または押され、かつ保持され、こうして検量サイクルを開始させる。トリガーが感知された直後に、マイクロプロセッサはコントローラに指示して、送風機モーターを第１すなわちベースライン速度に設定する。その場合に検量は表示灯の連続閃光によって表示される。ベースライン速度は、ＰＡＰＲの正常な動作中に遭遇するかもしれない速度以下に設定され、ある代表的な例では、約１１０リットル／分の送風出力を生じる。スイッチ３６の連続作動で、送風機モーターは、マイクロプロセッサによって規定されるように、コントローラによって自動的に加速される。やはり、１つの例において、モーターは加速されて、送風機の吐出しを流量３．２リットル／秒に増加させる。加速は一定の割合であることが好ましい。
【００２３】
検量サイクル中、流量表示器４２を観測している間、操作者はスイッチ３６を作動したままにする。適当な流量に達した判定が行われた場合、操作者はスイッチを放す。これは、例えば、流量計器内のフロートが検量ラインに達する場合に起きる。マイクロプロセッサはスイッチの解放を検量サイクル内の第２トリガーと判断する。第２トリガーが検出されると、マイクロプロセッサは制御設定値を捕捉する。設定値は、センサー４９によって表示される電流（I）および電圧（Ｖ）に対する入力からマイクロプロセッサによって捕捉される。第２トリガーがマイクロプロセッサ４６によって感知される場合、センサー４９はモーター１６の動作状態を測定し、それによってシステムの制御設定値を決定する。設定値がマイクロプロセッサによって捕捉された後に、次いでマイクロプロセッサは検量サイクルを完了し、送風機の制御を普通の動作に変える。このサイクルの完了は可聴音によって表示される。
【００２４】
上の説明が、モーターのベースライン速度は、所望の結果を達成するために続いて加速される比較的遅い速度であることを意図するのに対して、モーターのベースライン速度は比較的速く、それは所望の結果を達成するために続いて減速されることもまた意図される。いずれの場合も、モーターの速度は一定の割合で変化されることが好ましい。
【００２５】
図４の流れ図を再び参照するに、そこで論理および計算工程が発明の検量方法をさらに説明する。これらの工程は、マイクロプロセッサ内に格納された工程のための論理と共にモーターコントローラによって実行される。工程５０が、第１検量シーケンストリガーが作用するかどうかを判定する。マイクロプロセッサは、トリガー信号を感知し、或るサイクル開始基準に合致するかどうかを評価することによって、起動を決定する。サイクル開始基準が合致した場合、例えば、規定の期間のスイッチの起動によって、検量は始まるであろう。マイクロプロセッサに信号を送り、トリガー基準を設定するために使用される装置が、多くの形態をとることもあり得ることに留意されたい。トリガー信号は、トグル、回転スイッチ、タッチパッド、リレーなどのような、種々の機械的スイッチング装置によって設定されることもあり得る。マイクロプロセッサトリガーを設定するために伝送信号を用いることもまた可能だろう。音声認識コマンドを作動させる音波用の受信器、および電波用の受信器、または磁界の検出器もまた使用されることもあり得る。第１トリガーが作用し、工程５０の条件が満足される場合、工程５２のコントローラが送風機モーターを、正常な動作中に遭遇するかもしれない速度以下であるベースライン速度に設定するであろう。工程５０の第１トリガーが作用しない場合、マイクロプロセッサはトリガー活動を監視し続けるであろう。
【００２６】
工程５２およびベースライン速度の設定に続いて、マイクロプロセッサは、第２トリガー信号が工程５４で作用しているかどうかを判定する。いかなる第２トリガーもマイクロプロセッサによって感知されない場合、コントローラは、モーター速度を工程５６のプログラムされた増分によって段階的に加速する。マイクロプロセッサが第２トリガーが作動されたことを感知するまで、工程５４および５６を結合するループが繰り返される。工程５４のトリガーが満足される場合、いかなるさらなる加速も送風機モーターへ与えられない。工程５４が満足されると、マイクロプロセッサは、コントローラセンサー４９によって与えられた動作パラメータの値をその記憶装置に保持する。第２トリガーが開始される場合、マイクロプロセッサの記憶装置に保持された動作パラメータの値は、フィードバック制御のための制御設定値になる。設定値がこのように捕捉された後に、マイクロプロセッサは検量サイクルの終了を信号で伝え、コントローラを通常の動作に戻す。例に示されるモーターパラメータ値は電圧および電流であるが、いくつかのパラメータ値がこのために用いられることもあり得ることに留意することが重要である。送風機速度、モータートルク、または流量センサーからのセンサー信号が、例えば、制御パラメータのための基礎として使用されることがあり得る。用いられる制御スキームに関係なく、説明されたような方法は実行可能であることが本発明の主な態様の１つである。
【００２７】
今で本発明はそれのいくつかの実施形態を参照して説明してきた。上述の詳細な説明は明確に理解するためにのみ与えられるものである。いかなる不必要な制限もそれから理解されるべきではない。多くの変更が本発明の範囲から逸脱せずに説明された実施形態で行われ得ることが、当業者にとって明らかであろう。本発明の範囲は、ここに説明された方法および装置に限定すべきでなく、特許請求の範囲の言葉によって説明される方法および装置、およびこの方法および装置の等価物によってのみ限定される。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の呼吸器システムの斜視図である。
【図２】本発明の送風機筐体の斜視図である。
【図３】本発明の実施形態を構成するハードウェア部品を表わす概略ブロック図である。
【図４】実施形態の実行における代表的計算工程の概略ブロック図である。

Claims (13)

1. モーター付きの送風機と、マイクロプロセッサを有するコントローラと、を有する呼吸器システム内の空気流量を検量する方法であって、
   第１トリガー信号をマイクロプロセッサに与えて、検量サイクルを開始する工程と、
   第１トリガー信号を使用して、モーターを第１速度にコントローラによって設定する工程と、
   モーター速度をコントローラによって変化させる工程と、
   第２トリガー信号をマイクロプロセッサに与えて、検量サイクルを終了させ、制御設定値を設定する工程と、を含む方法。
2. 呼吸器システムが電動ファン付きろ過式呼吸用保護具を備える、請求項１に記載の方法。
3. 制御設定値を設定する工程が、モーターの制御に関連する、１組の測定パラメータのうちの少なくとも１つを測定し、格納する工程を含む、請求項１に記載の方法。
4. 測定パラメータが、モーターを通る電流、モーターの両端子間電圧、モーター速度、および空気流量のうちの少なくとも１つを含む、請求項３に記載の方法。
5. 第１および第２トリガー信号が機械的スイッチによって与えられる、請求項１に記載の方法。
6. 第１および第２トリガー信号が電子的ゲートによって与えられる、請求項１に記載の方法。
7. 空気流量を検量サイクル中に監視する工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。
8. 流量監視が流量計を用いて実行される、請求項７に記載の方法。
9. モーター速度を変化させる工程が、モーター速度の加速を含む、請求項１に記載の方法。
10. モーター速度を変化させる工程が、モーター速度の減速を含む、請求項１に記載の方法。
11. モーター速度を変化させる工程が、モーター速度を一定の割合で変化させる工程を含む、請求項１に記載の方法。
12. 呼吸器システムのフィードバック制御システムの検量において制御設定値を捕捉する方法であって、
    モーター付きの送風機と、マイクロプロセッサを有するコントローラと、を有する呼吸器システムを提供する工程と、
    マイクロプロセッサを起動して、検量サイクルを開始する工程と、
    第１モーター速度をコントローラによって設定する工程と、
    モーター速度をコントローラによって加速する工程と、
    マイクロプロセッサを起動して、制御設定値を捕捉し、検量サイクルを終了させる工程と、を含む方法。
13. 空気を使用者に供給する呼吸器システムであって、モーター付きの送風機と、マイクロプロセッサを有するコントローラと、を備え、使用者への空気の流量が、第１トリガー信号をマイクロプロセッサに与えて、検量サイクルを開始し、第１トリガー信号を使用して、モーターを第１速度にコントローラによって設定し、モーター速度をコントローラによって変化させ、第２トリガー信号をマイクロプロセッサに与えて、検量サイクルを終了させ、制御設定値を設定することによって検量される呼吸器システム。

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