JP2015505731A - 積層フィルターカートリッジのための耐用期間終了指示システム - Google Patents

Abstract

フィルター媒体を含むフィルターカートリッジを含む、耐用期間終了指示システムを有する積層フィルター式カートリッジシステム。フィルター媒体は、第１の吸着層と、第２の吸着層と、検出要素の指示要素が第１及び第２の吸着層の間の境界面に位置するように、第１及び第２の吸着層に隣接する、検出要素と、を含む多層構造を有する。第２の吸着層は、第１の吸着層より高い吸着能力及び／又はより高い吸着速度を有する。検出要素は、フィルターカートリッジを通じた吸着波面の通過を示す。【選択図】図１

Description

本開示は概して、フィルターカートリッジを用いて気体から汚染物質を濾過するための方法と、該フィルターカートリッジの有効期間の終了を決定するための耐用期間終了インジケータとに関する。

有害な空気汚染物質から人々を保護するために様々な空気清浄機が開発されてきた。これらの空気清浄機には、空気中に存在する汚染物質を濾別又は収着するように設計された広範な空気清浄化レスピレーターがある。典型的には、これらの空気清浄化レスピレーターは、フィルター媒体、フィルター本体、又はフィルター媒体及びフィルター本体の一部の組み合わせを含む。レスピレーターの使用時、汚染物質は、フィルター本体により吸収されるか、又は付着又は捕捉されるようになる。最終的に、フィルター媒体又はフィルター本体は飽和し、レスピレーターの有害な空気汚染物質の除去能力は減少し始める。

有害な空気汚染物質を含有する環境への長期の暴露、例えば、このような環境への連続的又は反復的な作業者暴露時には、レスピレーターの有用な耐用期間を決めるための方法が必要である。開発された１つの方法は、レスピレーターに対する使用時間に基づくものである。この技術においては、レスピレーター又は空気清浄化フィルターは、例えば、Ｗｏｏｄら、ｔｈｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｈｙｇｉｅｎｅ Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ、第５５（１）巻、頁１１〜１５、（１９９４）のもの等の数学モデルに基づき、しかるべき期間の使用期間の後に取り換えられる。しかしながら、この方法は、レスピレーターを通った汚染物質の量又は流量の変動を考慮に入れず、それゆえレスピレーター又はフィルター要素の交換が早すぎる（無駄である）又は遅すぎる（使用者に危険をもたらすことがある）という結果を招き得る。

異なる吸着材料の層又は混合物を含有するフィルターカートリッジの例としては、錘台形状の炭素ベッドと炭素ベッド内の異なる寸法の炭素粒子の積層配列とを含むガスマスクと共に使用するための円筒状キャニスターを開示する米国特許第５，６６０，１７３号（Ｎｅｗｔｏｎ）が挙げられる。米国特許第５，７１４，１２６号（Ｆｒｕｎｄ）は、含浸されていない活性炭の層、サルフェート、モリブデン、及び銅又は亜鉛で含浸された活性炭の層、並びにＨＥＰＡフィルターを含有するカートリッジを含む、毒物を濾過するためのレスピレーターフィルターシステムを記載する。米国特許第６，３４４，０７１号（Ｓｍｉｔｈら）は、少なくとも２種類のフィルター媒体、遷移金属含浸剤を含有する第１の複数のフィルター媒体粒子と、第三級アミン含浸剤を含有する第２の複数のフィルター媒体粒子とを含む、フィルター媒体を記載する。

広範な耐用期間終了インジケータ（ＥＳＬＩ）が、レスピレーターのフィルターカートリッジに伴う使用のために開発されている。概して、ＥＳＬＩは受動的又は能動的として記載される。受動的ＥＳＬＩは、インジケータにおける変化（色変化であることが多い）が、その検体に対する吸着剤が枯渇に近づいたときに、検体への暴露によって引き起こされるものである。能動的ＥＳＬＩは、検体に関して気体流を観察して、吸着剤枯渇に起因する検体の検出に際して、警告信号を生成するための電子センサーを組み込んだものである。

積層フィルター式カートリッジシステムのための耐用期間終了インジケータを本明細書に開示する。気体入口と、フィルター媒体と、気体出口と、を備える封止されたカートリッジハウジングを具備し、気体媒体から汚染物質を除去することが可能なフィルターカートリッジが含まれる。フィルター媒体が、第１吸着層と、第１吸着層よりも気体出口に近接する第２吸着層と、検出要素であって、該検出要素の指示要素が第１吸着層と第２吸着層との間の境界面に位置するように、第１及び第２吸着層に隣接する、検出要素と、を含む多層構造を有する。幾つかの実施形態では、検出要素は電子検出要素であり、他の実施形態では、検出要素は比色検出要素である。幾つかの実施形態では、第２吸着層は、第１吸着層より高い吸着容量及び／又はより高い収着速度を有する。

同様に、気体から汚染物質を濾過する方法も含まれる。これらの方法は、フィルターカートリッジを準備する工程と、気体を、フィルターカートリッジを通して流す工程と、検出要素中の検出応答を検知することと、フィルターカートリッジを取り換える工程と、を含む。フィルターカートリッジは、気体入口と、フィルター媒体と、気体出口とを含む封止されたカートリッジハウジングを備える。フィルター媒体は、第１吸着層と、第１吸着層よりも気体出口に近接する第２吸着層と、検出要素であって、該検出要素の指示要素が第１吸着層と第２吸着層との間の境界面に位置するように、第１及び第２吸着層に隣接する、検出要素と、を含む多層構造を有する。幾つかの実施形態では、検出要素は電子検出要素であり、他の実施形態では、検出要素は比色検出要素である。幾つかの実施形態では、第２吸着層は、第１吸着層より高い収着容量及び／又はより高い収着速度を有する。

本出願は、添付図面と関連させて、本開示の様々な実施形態の以下の詳細な説明を考慮すると、更に完全に理解できると思われる。
本開示のフィルターカートリッジの実施形態の断面図を示す。 本開示のフィルターカートリッジの実施形態の断面図を示す。 本開示のフィルターカートリッジの実施形態の断面図を示す。

以下の例示的実施形態の説明においては、本開示を実施することが可能な異なる実施形態を実例として示す添付図面を参照する。本開示の範囲から逸脱することなく実施形態を利用することが可能であり、構造上の変更が行われうる点は理解されるべきである。図は必ずしも原寸に比例していない。図中、用いられる同様の番号は同様の構成要素を示すものとする。しかしながら、特定の図中のある要素を示す数字の使用は、同じ数字によって示される別の図中のその要素を限定しようとするものではないことは理解されるであろう。

有害な空気汚染物質から人々を保護するために様々な空気清浄機が開発されてきた。これらの空気清浄機には、空気中に存在する汚染物質を濾別又は収着するように設計された広範な空気清浄化レスピレーターがある。この吸着は、物理的又は化学的であり得る。これらの空気清浄機は、受動的であり得、これは使用者の呼吸がレスピレーターを通して空気を引き込むという意味であり、又は動力付であり得、これらはファン等の機械的デバイスがレスピレーターを通して空気を引き込むという意味である。典型的には、これらの空気清浄化レスピレーターは、フィルターカートリッジを利用する。概して、これらのフィルターカートリッジは、フィルター媒体、フィルター本体、又はフィルター媒体及びフィルター本体のいくつか組み合わせを含有する。レスピレーターの使用時、汚染物質は、フィルター本体により吸収されるか、又は付着又は捕捉されるようになる。最終的に、フィルター媒体又はフィルター本体は飽和し、レスピレーターの有害な空気汚染物質の除去能力は減少し始める。

有害な空気汚染物質を含有する環境への長期の暴露、例えば、このような環境への連続的又は反復的な作業者暴露時には、レスピレーターの有用な耐用期間を決めるための方法が必要である。開発されている１つの技術は、Ｗｏｏｄら、ｔｈｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｈｙｇｉｅｎｅ Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ、第５５（１）巻、頁１１〜１５、（１９９４）に記載されるように数学モデルを用いて、レスピレーターに関する使用時間を基準とする。この方法においては、レスピレーター又は空気清浄化フィルターは、しかるべき使用期間の後取り換えられる。しかしながら、この方法は、レスピレーターを通った汚染物質の量又は流量の変動を考慮に入れず、それゆえレスピレーター又はフィルター要素の交換が早すぎる（無駄である）又は遅すぎる（使用者に危険をもたらすことがある）という結果を招き得る。

広範な耐用期間終了インジケータ（ＥＳＬＩ）が、レスピレーターのフィルターカートリッジに伴う使用のために開発されている。概して、ＥＳＬＩは受動的又は能動的として記載されている。受動的ＥＳＬＩは、インジケータにおける変化（色変化であることが多い）が、その検体に対する吸着剤が枯渇に近づいたときに、検体への暴露によって引き起こされるものである。能動的ＥＳＬＩは、検体に関して気体流を観察して、吸着剤枯渇に起因する検体の検出に際して、警告信号を生成するための電子センサーを組み込んだものである。

カートリッジ吸着剤のほとんどが消耗しているが、カートリッジ吸着剤が完全に消耗する前に、カートリッジが取り換えられるべきであることを指示することが可能なＥＳＬＩに対する必要性が存在する。このことは、カートリッジが、全有効期間にわたって使用されることを可能にし（カートリッジ内の使用可能な吸着剤の無駄な部分を削減する）、また依然として使用者に対して安全域を提供する（インジケータが作動されるときに、使用者を保護するための使用可能な吸着剤の層が依然存在する）。

積層フィルターカートリッジと、積層フィルターカートリッジ内に位置する検出要素とを含む、ガス状媒体の清浄化のためのフィルターカートリッジが本明細書に開示される。検出要素は、１つの層又は層群の枯渇に際して検出要素がトリガーされて、第２層又は層群がガス状媒体を清浄し始めるように、フィルターカートリッジ内に位置づけされる。第２層又は層群は、第１層又は層群より小さいが、第２層又は層群は、第１吸着層より高い吸着容量及び／又はより高い吸着速度を有する。この第２層又は層群は、第１層又は層群より小さいが、カートリッジが交換され得るまで使用者に保護を提供することが可能である。

特に断りがないかぎり、本明細書及び添付の「特許請求の範囲」で使用される構造のサイズ、量、及び物理的特性を表わす数字はすべて、いずれの場合においても「約」なる語によって修飾されているものとして理解されるべきである。それ故に、そうでないことが示されない限り、前述の明細書及び添付の「特許請求の範囲」で示される数値パラメーターは、当業者が本明細書で開示される教示内容を用いて、目標対象とする所望の特性に応じて、変化し得る近似値である。終点による数の範囲の記述は、その範囲内（例えば、１〜５は、１、１．５、２、２．７５、３、３．８０、４、及び５を含む）及びその範囲内の任意の範囲に包含される全ての数を含む。

本明細書及び添付の特許請求の範囲において使用するとき、その内容に別段の明確な指示がない限り、「ａ」、「ａｎ」、及び「ｔｈｅ」という単数形には、複数の指示物を有する実施形態が包含される。例えば、「層」は、１つ又は２つ又はそれ以上の層を有する実施形態を包含する。本明細書及び添付の「特許請求の範囲」で使用されるとき、用語「又は」は、その内容によって別段の明確な指示がなされていない場合は、一般に「及び／又は」を含む意味で用いられる。

本明細書において使用するとき、用語「検出要素」は、検体への暴露時に、例えばその光学特性（比色的変化、輝度変化、反射光の強度等によって明らかであり得るように）の少なくとも１つの変化を受けることによって、検体に光学的に応答する要素又は要素の集合を指す。検出要素は、少なくとも１つの「インジケータ要素」を含み、また同様に他の要素類を含んでもよい。本明細書において使用するとき、用語「インジケータ要素」は、例えば、有機蒸気又は酸等の検体への暴露に際して、検出可能な変化、典型的には光学変化を受ける要素を指す。視覚的変化が色の変化である場合、インジケータは「比色的」であると言われる。検出要素がインジケータ要素のみを備える場合、それらの用語は互換的に使用される。

本明細書において使用するとき、用語「吸着波面」は、吸着層を通過した、汚染物質を含有する気体の層を指す。吸着層を通過した汚染物質を含有しない層は、吸着波面ではない。

本明細書において使用するとき、用語「隣接する」は、層又は他の要素に言及する場合、該層又は他の要素が、それらの間にいかなる空隙も伴わずに互いに近接していることを意味する。層又は他の要素は、接触していてもよく、又は介在する層又は他の要素が存在してもよい。

本明細書において使用するとき、用語「呼吸用ヘッドピース」は、レスピレーターに言及する場合、例えば、人の少なくとも呼吸通路（鼻及び口）にぴったりとフィットするフェイスピース及びゆったりと覆うフェイスピース等のフェイスピースを含む呼吸用ヘッドピース等、人によって着用される、それに対して清浄化された空気が供給される装置を意味する。呼吸用ヘッドピースの例としては、弾性フェイスピースレスピレーター、フルフェイスレスピレーター、例えば、軟性フード又は剛性ヘッドトップ等のヘッドカバー、及び他の好適なレスピレーターシステムが挙げられるが、これらに限定されない。

本明細書において使用するとき、用語「ホース」は、動力付レスピレーターに言及する場合、きれいな空気の供給源（フィルターカートリッジ等）から呼吸用ヘッドピースへと濾過された空気を送達するための、それを通して空気が移動可能である流体不透過性壁部（単数又は複数）を有する導管を含むデバイスを意味する。

本開示のフィルターカートリッジは、気体媒体から汚染物質を取り除くことが可能であり、また封止されたカートリッジハウジングを備える。このハウジングは、フィルターカートリッジの要素を含有し、要素を適切な構成に保持し、また要素が、フィルターカートリッジを通る気体媒体の方向付けられた流れ以外の気体媒体の汚染物質に暴露されることを防ぐ。封止されたカートリッジハウジング内に含有されるフィルターカートリッジの要素は、少なくとも気体入口と、フィルター媒体と、気体出口とを含む。フィルター媒体は、少なくとも第１吸着層と、第１吸着層よりも気体出口に近接する第２吸着層と、検出要素であって、該検出要素の指示要素が第１吸着層と第２吸着層との間の境界面に位置するように第１及び第２吸着層に隣接する、検出要素と、を含む、多層構造を有する。これらの要素のそれぞれは、以下でより詳細に説明される。

封止されたカートリッジハウジングの使用は、フィルターカートリッジの構成要素が、互いに流体連通して保持されることを可能にし、また構成要素を衝撃、損傷等から保護する。ハウジングは典型的には、フィルターカートリッジが使用される条件下において、濾過されるべき流体に対して不透過性であるように設計される。ハウジング用に潜在的に好適な材料としては、プラスチック、金属、複合材料などが挙げられる。

概して、封止されたカートリッジハウジング内の唯一の開口は、外部環境と流体連通する気体入口及び使用者と直接的又は間接的に流体連通する気体出口である。

気体入口は、単純な１つの開口部であっても一連の開口部であってもよく、又はより複雑な装置であってもよく、例えば、フィルターカートリッジ内への粒子の流入を低減するためのプレフィルタ若しくはスクリーンを含有してもよい。プレフィルタの例としては、例えば、繊維状ウェブ、メッシュ、発泡体、不織布等が挙げられる。プレフィルタは、取り外して掃除する又は交換することが可能なように取り外し可能であってもよい。好適なフィルタースクリーンの例としては、例えば、金属又はプラスチックの格子が挙げられ、それらは気体入口に恒久的に装着されてもよく、又は取り外し可能であってもよい。特定のフィルターカートリッジ構成においては、１つ以上の気体入口がそこに存在可能であってもよい。

フィルターカートリッジハウジング内の他の開口は、気体出口である。フィルターカートリッジと共に使用される空気清浄機の種類に応じて、気体出口は、種々の形状及び構成を有してよい。フィルターカートリッジが受動的レスピレーターシステムにおいて使用される場合、気体出口は、単一の開口部であってもよく、又は一連の開口部であってもよい。それに加えて、出口は、フィルター媒体からの微粒子又は粉塵の流れが使用者に到達するのを防ぐためのフィルター又はスクリーンを含有してもよい。好適なフィルターの例としては、例えば、繊維状ウェブ、メッシュ、発泡体、不織布等が挙げられる。フィルターは、取り外して掃除する又は取り換えることが可能なように取り外し可能であってもよい。好適なフィルタースクリーンの例としては、例えば、金属又はプラスチックの格子が挙げられ、それらは気体入口に恒久的に装着されてもよく、又は取り外し可能であってもよい。フィルターカートリッジが動力付レスピレーターシステムにおいて使用される場合、気体出口は典型的には、単一の開口であるが、幾つかの実施形態では一連の開口を備えてもよい。幾つかの実施形態では、気体出口は、清浄化された空気を呼吸用ヘッドピース又は他のデバイスに供給するために、フィルターカートリッジハウジングをホース又は他の接続装置に接続し得る排出口である。気体出口は、円筒状の開口であることが多いが、他の形状及び輪郭が使用されてもよい。開口はまた、フィルターカートリッジを、例えば、ホース又は他の接続装置に取り外し可能に付着するように設計される構造体を含んでもよい。

フィルター媒体は、少なくとも第１吸着層と、第１吸着層よりも気体出口に近接する第２吸着層と、第１及び第２吸着層に隣接する、検出要素と、を含む、多層構造を有する。検出要素の少なくとも１つのインジケータ要素は、第１吸着層と第２吸着層との間の境界面に位置する。第１及び第２吸着層のそれぞれは、単一層であってもよく、又は種々の下位層を備えてもよい。同様に、これらの２つの吸着層に加えて、追加の層が存在してもよい。存在し得る好適な追加の層の例としては、例えば、追加の吸着層、及び繊維状ウェブ、メッシュ、発泡体、不織布等の微粒子フィルターが挙げられる。

第１吸着層は、少なくとも１つの吸着材料を含む。本明細書において使用するとき、用語「吸着材料」は、有機蒸気を吸収又は吸着することが可能な物質を指す。この吸収又は吸着は、物理的（有機蒸気が吸着材料上又は吸着材料内に物理的に捕捉されることになる）か、又は化学的（有機蒸気が吸着材料と化学的に相互反応して、捕捉されることになる）であり得る。

広範な材料が、吸着材料としての使用に好適であり得る。吸着媒体は、望ましくは空気又は他の気体が滞りなく流れて通過するのを可能にするほど充分に多孔質であり、微粉固体の形状（例えば、粉、ビーズ、フレーク、粒剤、又は粒塊）又は多孔質の固体（例えば、連続気泡発泡体又は多孔質のモノリシック材料）であってもよい。典型的には、吸着材料は粒状である。

吸着材料は、単一の材料であってもよく、又は材料の混合物を含んでもよい。好適な吸着材料の例としては、例えば、活性炭、処理された活性炭、アルミナ、シリカゲル、ホプカリット、モレキュラーシーブ、金属有機骨格、鋳型材料、若しくはその他の既知の吸着材料、又はこれらの組み合わせが挙げられる。それに加えて、上述の通り、第１吸着層は、種々の下位層を備えてもよい。これらの下位層のそれぞれは、同一の吸着材料であってもよく、又は異なる吸着材料であってもよい。

特に望ましい吸着媒体材料としては、活性炭；アルミニウム及び収着によって関心の蒸気を除去し得る他の金属酸化物；粘土及び酢酸等の酸性溶液又は水性酸化ナトリウム等のアルカリ性溶液で処理された他の鉱物；モレキュラーシーブ及び他のゼオライト；シリカ等の他の無機吸着剤；「Ｓｔｙｒｏｓｏｒｂｓ」（例えば、Ｖ．Ａ．Ｄａｖａｎｋｏｖ ａｎｄ Ｐ．Ｔｓｙｕｒｕｐａ、Ｐｕｒｅ ａｎｄ Ａｐｐｌ．Ｃｈｅｍ．，第６１巻、頁１８８１〜８９（１９８９）、及びＬ．Ｄ．Ｂｅｌｙａｋｏｖａ、Ｔ．Ｉ．Ｓｃｈｅｖｃｈｅｎｋｏ，Ｖ．Ａ．Ｄａｖａｎｋｏｖ ａｎｄ Ｍ．Ｐ．Ｔｓｙｕｒｕｐａ，Ａｄｖ．ｉｎ Ｃｏｌｌｏｉｄ ａｎｄ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ Ｓｃｉ．、第２５巻、頁２４９〜６６、）（１９８６）に記載される）として知られる高度に架橋されたスチレンポリマー等の超架橋システムを含む有機吸着剤が挙げられる。活性炭及びアルミナは、特に好ましい吸着媒体である。例えば、目的の蒸気の混合を吸収するために、吸着媒体の混合物が使用され得る。微粉化した形態の場合、吸着剤の粒径は大きく変えることができ、通常は、意図される使用条件に一部基づいて選択される。一般的なガイドとして、微粉化した吸着媒体粒子のサイズは、平均直径約４〜約５０００マイクロメートルまで、例えば、平均直径約３０〜約１５００マイクロメートルまで変化し得る。異なる寸法範囲の吸着媒体粒子の混合物を、（例えば、吸着媒体粒子の二峰性混合物で又は上流の層に大きい方の吸着剤粒子を利用し、下流の層に小さい方の吸着粒子を用いた多層配列で）利用することもできる。例えば、米国特許第３，９７１，３７３号（Ｂｒａｕｎら）、同第４，２０８，１９４号（Ｎｅｌｓｏｎ）、及び同第４，９４８，６３９号（Ｂｒｏｏｋｅｒら）、及び米国特許出願公開第ＵＳ ２００６／００９６９１１ Ａ１（Ｂｒｅｙら）に記載されている、好適な結合剤（例えば、結合カーボン）と組み合わせた吸着媒体、又は好適な支持体の上又は内に捕捉された吸着媒体を使用してもよい。それに加えて、固定化炭素も有用であり得る。炭素は、例えば、結合カーボン、炭素充填ウェブ、炭素片等の種々の様式で固定化されてよい。固定化炭素の例としては、ＰＣＴ国際公開第ＷＯ ２００６／０５２６９４号（Ｂｒｅｙら）に記載される粒子含有繊維状ウェブが挙げられる。活性炭は、特に有用な吸着材料である。市販されている活性炭の例としては、Ｋｕｒａｒａｙ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏ．のＧＧ（Ｇｅｎｅｒａｌ Ｇａｓ）グレード、及びＧＣグレード（触媒担体として使用される高純度及び高硬度活性炭）とされるものが挙げられる。Ｋｕｒａｒａｙ ＧＧグレード活性炭は、第１吸着層にとって特に好適である。

フィルター媒体はまた、第２吸着層を備える。この第２吸着層は、第１吸着層より気体出口に近接して位置し、また典型的には第１吸着層より小さい。第２吸着層が第１吸着層より小さいということは即ち、第２吸着層の断面の厚さが第１吸着層の断面の厚さより少ないか、第２吸着層が占めるフィルターカートリッジ内の体積が第１吸着層が占めるフィルターカートリッジ内の体積より少ないか、又はその双方を意味する。

第２吸着層は第１吸着層より小さいが、第２吸着層は、第１吸着層より高い吸着容量及び／又はより高い吸着速度を有する。一般的用語として、これは、第２吸着剤が有機蒸気の吸着において第１吸着層よりも効率的な層であることを意味する。第２吸着層は第１吸着層より小さいため、この増大された吸着効率は、第２吸着層がフィルターカートリッジを機能し続けるように保つことを可能にし、また使用者に、汚染物質の突破が生じる前に汚染された領域から去る、又はフィルターカートリッジを取り換えるための時間を与える。

幾つかの実施形態では、第１吸着層についての吸着係数Ａ_１に対する、第２吸着層についての吸着係数Ａ_２の比が、Ａ_２／Ａ_１＞１である。吸着層についての吸着係数は、式：Ａ＝ｋ_ｖ×ＳＬ（式中、Ａ＝吸着係数であり、ｋ_ｖ＝有効吸着速度係数（分^−１）であり、ＳＬ＝耐用期間（分）であり、すなわち標準温度及び圧力において所与の課題蒸気が１％突破に到達するのに要する時間である）によって決定される。

この吸着係数決定は、Ｗｏｏｄ、ｔｈｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｈｙｇｉｅｎｅ Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ、第５５（１）巻、頁１１〜１５、（１９９４）によって記載される方法論を用いて行われる。

第２吸着層内の吸着材料は、第１吸着層の吸着材料と異なる。好適な吸着材料の例としては、例えば、活性炭、処理された活性炭、アルミナ、シリカゲル、ホプカリット、モレキュラーシーブ、金属有機骨格、鋳型材料、若しくはその他の既知の吸着材料、又はこれらの組み合わせが挙げられる。活性炭は、特に有用な吸着材料である。市販されている活性炭の例としては、Ｋｕｒａｒａｙ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏ．のＧＧ（Ｇｅｎｅｒａｌ Ｇａｓ）グレード、及びＧＣグレード（触媒担体として使用される高純度及び高硬度活性炭）とされるものが挙げられる。Ｋｕｒａｒａｙ ＧＣグレード活性炭は、第２吸着層にとって特に好適である。幾つかの実施形態では、第１吸着層と第２吸着層との双方が活性炭を含む。幾つかの特定の実施形態では、第１吸着層は、Ｋｕｒａｒａｙ ＧＧグレード活性炭を含み、また第２吸着層は、Ｋｕｒａｒａｙ ＧＣグレード活性炭を含む。

第１及び第２吸着層は、互いに流体連通する。幾つかの実施形態では、第１及び第２吸着層は、互いに直接隣接している。他の実施形態では、第１及び第２吸着層は別個の層であり、また多孔質膜又はスクリーンによって分離されてもよい。

第１及び第２吸着層は、方形、円形、楕円形等の任意の好適な形状であってよい。典型的には、第１及び第２吸着層の形状は、フィルターカートリッジハウジングの形状及び構成によって制御される。第１及び第２吸着層が等しい又は類似の長さ及び幅を有することが望ましい場合があり、又は第２吸着層がより短い長さ及び／若しくは幅を有し、フィルター媒体が略テーパ形状を有することが望ましい場合もある。

フィルターカートリッジは、第１吸着層と第２吸着層とに隣接して位置する検出要素を更に備える。検出要素は、第１吸着層と第２吸着層との間の境界面に位置する少なくとも１つのインジケータ要素を含む。検出要素は、フィルターカートリッジを通って吸着波面の通過を示す。広範な検出要素が、本開示のフィルターカートリッジにおける使用に好適である。検出要素は、収着波面が第１吸着層を通過するとき、例えば、その光学特性（比色的変化、輝度変化、反射光の強度等によって明らかであり得るように）の少なくとも１つの変化を受けることによって、検体に光学的に応答する。幾つかの実施形態では、検出要素は比色検出要素であり（光学変化が人の眼によって検知可能であることを意味する）、他の実施形態では、検出要素は電子検出要素である（光学変化が電子デバイスによって検知可能であることを意味する）。幾つかの実施形態では、第１吸着層と第２吸着層との間の境界面に位置するインジケータ要素は、検出要素全体を含んでもよく、他の実施形態では、検出要素は、より大型又はより複雑であり、インジケータ要素のみが第１吸着層と第２吸着層との間の境界面に位置する。

幾つかの実施形態では、検出要素はフィルムである。フィルムは多層を有してもよく、及び比色フィルム（すなわち、このフィルムは有機検体への暴露時に色を変える）であってもよく、又は有機検体への暴露時にある他の検出可能な光学変化を受けてもよい。好適なセンサーフィルムの例は、米国特許第７，４４９，１４６号（Ｒａｋｏｗら）及び米国特許公告第２００８／００６３５７５号及び第２００８／００６３８７４号（Ｒａｋｏｗら）に記載されている。

検出要素はまた、米国特許公開第２０１１／００９４５１４号（Ｒａｋｏｗら）に記載されるもののような、パターン型化学センサーであってもよい。これらのパターン型センサーは、検出層、及びフィルム体に結合し、この検出層の一部分を閉塞する閉塞層を含むフィルム体を含むフィルムを含む。検出層は有機化合物に対して応答性である、すなわち、検出層は有機化合物への暴露時に色を変える。閉塞層は、検出対象の化合物の閉塞領域への接近及び色変化の発生を妨げる。この配列の正味の効果は、フィルム単体においては、有機化合物への暴露時に検出層の「古い」色（すなわち、初期の色の状態）及び「新しい」色（すなわち、この検出層の変化した色の状態）が並列に存在し、変化が起こったかどうかの使用者による容易な決定を可能とさせるということである。

検出要素の複雑さに応じて、検出要素全体がフィルターカートリッジ内に位置してもよく、又は検出要素の一部分がフィルターカートリッジ内に位置してもよく、かつ検出要素の一部分がフィルターカートリッジ外に位置してもよい。これは特に、電子検出要素に関して当てはまる。

幾つかの実施形態では、検出要素全体が、フィルターカートリッジ内に位置する。典型的には、これらの実施形態では、封止されたフィルターカートリッジハウジングは、使用者が検出要素を観察することを可能にするための窓又は他の観察デバイスを含有する。窓又は他の観察デバイスは、ガラス又は透明プラスチックで作製されてよい。かかる構成例は、米国特許公開第２０１０／０２９４２７２号（Ｈｏｌｍｑｕｉｓｔ−Ｂｒｏｗｎら）に記載されている。

検出要素は、少なくとも一部分が第１吸着層と第２吸着層との間の境界面に存在する限り、フィルターカートリッジ内の任意の場所に位置してよいが、幾つかの実施形態では、検出要素が、封止されたフィルターカートリッジハウジングの壁部上に位置することが望ましい場合がある。この方式では、検出要素信号は、光学的にも電子的にも、使用者に容易に伝えられる。比色検出要素を伴う幾つかの実施形態では、比色検出要素は、窓又は他の観察デバイスに直接隣接して封止されたフィルターカートリッジハウジングの壁部上に位置する。

本開示のフィルターカートリッジの３つの実施形態を、図１、２、及び３に示す。図１において、フィルターカートリッジ１００は、気体入口１１０と、第１吸着層１２０と、第２吸着層１３０と、気体出口１４０と、検出要素１５０とを含む。図２は、類似の実施形態であり、気体入口２１０と、第１吸着層２２０と、第２吸着層２３０と、気体出口２４０と、検出要素２５０と、を含むフィルターカートリッジ２００を示す。フィルターカートリッジ２００において、第２吸着層２３０は、第１吸着層２２０より狭く、フィルター媒体に略テーパ形状構造を付与する。図３は、分流フィルターカートリッジ、３００の実施形態を示す。フィルターカートリッジ３００において、気体入口３１０は、フィルターカートリッジ３００の上部及び底部に位置する。気体入口３１０は、第１吸着層３２０、第２吸着層３３０、気体出口３４０、及び検出要素３５０と流体連通する。

気体から汚染物質を濾過するための方法も開示される。該方法は、積層吸着層及び検出要素を有する封止されたカートリッジハウジングを含む上述の種類のフィルターカートリッジを提供することと、気体を、フィルターカートリッジを通して流すことと、検出要素中の検出応答を検知することと、フィルターカートリッジを取り換えることと、を含む。

気体汚染物質は典型的には、有機蒸気、酸性気体、又はこれらの組み合わせを含む。本明細書で使用される用語「有機蒸気」は、呼吸する空気中に存在する場合、人々に有害であり得る広範な揮発性の空中浮遊有機化合物を指す。有機蒸気の例としては、イソプロパノール及びブタノールなどのアルコール；ヘキサン及びオクタンなどのアルカン；ベンゼン、トルエン、キシレン、及びスチレンなどの芳香族；クロロホルム及びメチレンクロリドなどのハロカーボン；アセトン及びメチルエチルケトンなどのケトン；テトラヒドロフランなどのエーテル；エチルアセテート及びエトキシエチルアセテートなどのエステル；メチルアクリレートなどのアクリレート；アセトニトリルなどのニトリル；トルエン−２，４−ジイソシアネートなどのイソシアネート等が挙げられるが、これらに限定されない。本明細書において使用するときには、「酸性気体」なる用語は、一定の酸性成分を含む気体のことを指す。この酸性成分は、例えば塩化水素ガスのようにそれ自体気体でありうるが、酸性成分はそれ自体が気体である必要はなく、気体又は気体混合物中に単に存在している場合もある。更に、酸性気体はそれ自体は酸ではない場合もあるが、大気中に存在する他の物質と組み合わされることによって酸が生じる場合もある。

上述の通り、フィルターカートリッジは、少なくとも第１吸着層と、第１吸着層よりも気体出口に近接する第２吸着層と、第１及び第２吸着層に隣接する、検出要素と、を有する。検出要素の少なくとも１つのインジケータ要素は、第１吸着層と第２吸着層との間の境界面に位置する。

フィルターカートリッジを通して気体を流すことは、フィルターカートリッジが付着されるレスピレーターデバイスの種類に応じて種々の方式で達成され得る。レスピレーターデバイスが受動的レスピレーターである場合、気体を、フィルターカートリッジを通して流す工程は、レスピレーターを着用して呼吸することを含み得る。フィルターカートリッジ気体入口は、フィルターカートリッジを保護するために使用されるまで封止される又は覆われていてよく、したがってフィルターカートリッジを通して気体を流す工程は、フィルターカートリッジ入口を開封する又は開放する工程を含んでもよい。それに加えて、レスピレーター及びフィルターカートリッジは、分離して維持されてもよく、したがってフィルターカートリッジをレスピレーター装置に付着することを伴う組み立て工程が存在してもよい。同様に、レスピレーターは、１つ以上のフィルターカートリッジを含有してもよく、これらのフィルターカートリッジは同一であってもよく、又は異なっていてもよい。

レスピレーターが電動レスピレーターである場合、気体を、フィルターカートリッジを通して流す工程は、レスピレーターを着用して、ファンに対する電源又はレスピレーターに電力供給するために使用される他のデバイスをオンにする工程を含み得る。受動的レスピレーターシステムと同様に、気体を、フィルターカートリッジを通して流す工程は、フィルターカートリッジ気体入口を開封する若しくは開放する工程、又はレスピレーターの組み立て工程も含んでよい。

本開示のフィルターカートリッジを含有するレスピレーターデバイスが使用される際、第１吸着層がその有効期間の終了に到達する時点に到達する。この時点において、第１吸着層と第２吸着層との境界面に位置するインジケータ要素が作動され、また検出要素中の応答を引き起こす。検出要素応答は典型的には、光学的である。検出要素が比色検出要素である場合、使用者によって検知可能な色変化が生じる。検出要素が電子的である場合、使用者によって検知可能な電子信号が生成される。

幾つかの実施形態では、プロトタイプのフィルターカートリッジを代表的な有機蒸気に対して試験して、検出要素が作動される時点に対する耐用期間の終了（有機蒸気突破によって決定される）の比を決定することが有用であり得る。このプロセスは、実施例の章においてより完全に記載されている。この比は０．９０以下であることが望ましくなり得、検出要素の作動時において、フィルターカートリッジの吸着容量の１０％が残っていることを意味する。残留吸着容量に関するこの１０％値は、フィルターカートリッジを取り換えるための使用者への事前警告に関する現在のＮＩＯＳＨ基準に相当する。

使用者による検出応答の検知は、フィルターカートリッジを取り換えるための使用者に対する指示である。本発明のフィルターカートリッジシステム、及び気体からの汚染物質の濾過のための方法の利点は、使用者によって検出応答が検知されるとき、吸着波面が第２吸着層に丁度到達しているということである。第２吸着層は、第１吸着層より高い吸着容量及び／又はより高い吸着速度を有するため、第２吸着層は、第１吸着層の有効期間の終了にもかかわらず、汚染物質を吸着し続けることが可能である。第２吸着層は、したがって、フィルターカートリッジが取り換えられ得るまで、更なる安全域を提供する。

以下の実施例はあくまで例示を目的としたものにすぎず、付属の「特許請求の範囲」に対して限定的であることを意図するものではない。特に断りがないかぎり、以下の実施例及び明細書の残りの部分に記載される部、パーセンテージ（％）、比などはすべて重量基準のものである。使用した溶媒類及びその他の試薬類は、特段の規定がない限り、Ｓｉｇｍａ−Ａｌｄｒｉｃｈ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏｍｐａｎｙ（Ｍｉｌｗａｕｋｅｅ，Ｗｉｓｃｏｎｓｉｎ）から入手した。

試験方法
フィルターカートリッジ耐用期間決定
３２Ｌ／分の流れ及び５０％の相対湿度にて５００ｐｐｍオクタンの課題に対してカートリッジを検証することによって、耐用期間を測定した。耐用期間を、出口上で５ｐｐｍのオクタンを観察することとして測定した。出口濃度は、ＧｏｗＭａｃ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｃｏ．製のＧＯＷＭＡＣ Ｓｅｒｉｅｓ ２３〜５５０ Ｔｏｔａｌ Ｃａｒｄｒｏｃａｒｂｏｎ ａｎａｌｙｚｅｒ ＦＩＤを用いて測定した。ＦＩＤ設定は、範囲２、気圧２２、燃料圧１２、スパン１．１であった。

比較例Ｃ１：
カートリッジＣ１の調製：
サンプルフィルターカートリッジを、カートリッジ本体を用いて組み立て、スノーフレークカラムを用いて１４０立方センチメートル（ｃｍ^３）のＳＭ−１で充填した。

カートリッジＣ１の試験：
上述の組み立てたカートリッジを、上述の試験方法を用いて耐用期間の終了に関して試験した。フィルターカートリッジ内のセンサーが作動された時点も記録した。センサーが作動された時点に対する耐用期間終了の比も算出した。比は、センサー作動と突破との間の時間を測定する。比は、カートリッジ使用者に対して１０％の事前警告時間を提供するために、０．９０以下であることが望ましい（現在のＮＩＯＳＨ要件）。これらのデータを表１に提示する。

（実施例１〜４）：
カートリッジ１〜４の調製：
サンプルフィルターカートリッジを、カートリッジ本体を用いて組み立て、スノーフレークカラムを用いて表２に示す量の吸着材料で充填した。比較例Ｃ１は、参照として挙げられる。

カートリッジ１〜４の試験：
上述の組み立てたカートリッジを、上述の試験方法を用いて耐用期間の終了に関して試験した。フィルターカートリッジ内のセンサーが作動された時点も記録した。センサーが作動された時点に対する耐用期間終了の比も算出した。比は、センサー作動と突破との間の時間を測定する。比は、カートリッジ使用者に対して１０％の事前警告時間を提供するために、０．９０以下であることが望ましい（現在のＮＩＯＳＨ要件）。これらのデータを表３に提示する。

Claims (21)

1. 気体媒体から汚染物質を除去することが可能なフィルターカートリッジであって、
   気体入口と、
   フィルター媒体と、
   気体出口と、を備える封止されたカートリッジハウジングを具備し、
   前記フィルター媒体が、
   第１吸着層と、
   前記第１吸着層よりも前記気体出口に近接する第２吸着層と、
   検出要素であって、前記検出要素の指示要素が前記第１吸着層と前記第２吸着層との間の境界面に位置するように、前記第１及び第２吸着層に隣接する、検出要素と、を含む多層構造を有する、
   フィルターカートリッジ。
2. 前記第２吸着層が、前記第１吸着層より高い吸着容量及び／又はより高い吸着速度を有する、請求項１に記載のフィルターカートリッジ。
3. 前記第１吸着層についての吸着係数Ａ_１に対する、前記第２吸着層についての吸着係数Ａ_２の比が、Ａ_２／Ａ_１＞１であり、吸着層についての吸着係数が、式：
   Ａ＝ｋ_ｖ×ＳＬ
   （式中、Ａ＝吸着係数であり、
   ｋ_ｖ＝有効吸着速度係数（分^−１）であり、
   ＳＬ＝耐用期間（分）、標準温度及び圧力において所与の課題蒸気が１％突破に到達するのに要する時間である）、から決定される、請求項２に記載のフィルターカートリッジ。
4. 前記第１吸着層及び前記第２吸着層が、実質的に別個の層である、請求項１に記載のフィルターカートリッジ。
5. 前記検出要素が、吸着波面が前記フィルターカートリッジを通る場合にその通過を示す、請求項１に記載のフィルターカートリッジ。
6. 前記検出要素が、比色検出要素又は電子検出要素を備える、請求項５に記載のフィルターカートリッジ。
7. 前記検出要素は、前記フィルターカートリッジ内で、汚染物質を含有する吸着波面が前記第１及び第２吸着層の間の前記境界面に到達するときを示すような場所に位置する、請求項１に記載のフィルターカートリッジ。
8. 追加の吸着層を更に備える、請求項１に記載のフィルターカートリッジ。
9. 前記第１及び第２吸着層が、活性炭、シリカ、アルミナ、又はそれらの組み合わせを含む、請求項１に記載のフィルターカートリッジ。
10. 前記第１吸着層が活性炭を含み、前記第２吸着層が異なる活性炭を含む、請求項９に記載のフィルターカートリッジ。
11. 前記検出要素が、前記カートリッジハウジングの壁部上に位置する、請求項１に記載のフィルターカートリッジ。
12. 気体から汚染物質を濾過する方法であって、
    フィルターカートリッジを提供する工程であって、前記フィルターカートリッジが、
    気体入口と、
    フィルター媒体と、
    気体出口と、を備える封止されたカートリッジハウジングを具備し、
    前記フィルター媒体が、
    第１吸着層と、
    前記第１吸着層よりも前記気体出口に近接する第２吸着層と、
    検出要素であって、前記検出要素の指示要素が前記第１吸着層と第２吸着層との間の境界面に位置するように、前記第１及び第２の吸着層に隣接する、検出要素と、を含む多層構造を有する、工程、
    気体を、前記フィルターカートリッジを通して流す工程、
    前記検出要素中の検出応答を検知する工程、及び
    前記フィルターカートリッジを取り換える工程、を備える、方法。
13. 前記第２吸着層が、前記第１吸着層より高い吸着容量及び／又はより高い吸着速度を有する、請求項１２に記載の方法。
14. 前記第１吸着層についての吸着係数Ａ_１に対する、前記第２吸着層についての吸着係数Ａ_２の比が、Ａ_２／Ａ_１＞１であり、吸着層についての吸着係数が、式：
    Ａ＝ｋ_ｖ×ＳＬ
    （式中、Ａ＝吸着係数であり、
    ｋ_ｖ＝有効吸着速度係数（分^−１）であり、
    ＳＬ＝耐用期間（分）、標準温度及び圧力において所与の課題蒸気が１％突破に到達するのに要する時間である）から決定される、請求項１３に記載の方法。
15. 前記第１吸着層及び前記第２吸着層が、実質的に別個の層である、請求項１２に記載の方法。
16. 前記検出要素が、前記フィルターカートリッジを通る前記吸着波面の通過を示す、請求項１２に記載の方法。
17. 前記検出要素が、比色検出要素又は電子検出要素を備える、請求項１６に記載の方法。
18. 前記検出要素中の検出応答を検知する工程が、色変化を検知する工程、を含む、請求項１７に記載の方法。
19. 前記検出要素は、前記フィルターカートリッジ内で、汚染物質を含有する吸着波面が前記第１及び第２吸着層の間の前記境界面に到達するときを示すような場所に位置する、請求項１２に記載の方法。
20. 前記フィルターカートリッジが、追加の吸着層を更に備える、請求項１２に記載の方法。
21. 前記汚染物質が、有機蒸気、酸性気体、又はそれらの組み合わせを含む、請求項１２に記載の方法。

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