JP6238982B2 - 航空機乗組員保護呼吸装置 - Google Patents

Description

酸素マスクは、密閉構造内での消火用ツールとして当分野では周知である。自由に動ける重量でありながら、一定の制御された酸素流を供給できるポータブルの酸素マスクは、消火時の必需品である。このニーズは、航空機の密閉された与圧環境において最も高い。航空機火災は、その与圧区画と大量の酸素の存在により多くの付加的な危険をもたらす。従って、軽量ですべての密閉環境、特に航空機の密閉環境に適した、信頼性のあるコンパクトな酸素マスクが当分野では求められている。

現在のマスク、あるいは既知の保護呼吸装置（「ＰＢＥ」）での１つの問題は、酸素または二酸化炭素のレバーがいつ危険なレベルに近づくのかを決定することが困難あるいは時には不可能であることである。消火活動の興奮時には、該装置の使用者は、アドレナリンによって、めまいを感じるかあるいは意識を失うまでその活動を続け、そのために重大な危険をもたらす場合がある。該装置がまだ正常に作動しているか否かが決定できないために、使用者は多くの場合、マスクを取って、それを取り換えるかあるいは消火に使用できるようになるまで再充填しなければならない。ＰＢＥの使用者が酸素と二酸化炭素をモニターできる信頼できる方法があれば、使用者は、該装置をさらに長時間着用することも可能であろう。

この問題を考慮して、ＦＣＣの乗務員ＰＢＥ規則（ＴＳＯ−Ｃ１１ａ）の新バージョンでは、「装置の作動不具合や作動停止が使用者により明白でなければならない。これは、ガス供給の消耗時にも始動しなければならない音声およびまたは視覚的警報でなされなければならない。」と定められている。本発明は、この問題に対処し、ＴＳＯ−Ｃ１１６ａ要件のこの部分を満たすものである。

Ｓｃｈｗｉｃｈｔｅｎｂｅｒｇらの米国特許第５，６１３，４８８号には、酸素の利用レベルを達成しその消費を最適化することを目的とした化学的酸素発生呼吸装置が開示されている。しかしながら、Ｓｃｈｗｉｃｈｔｅｎｂｅｒｇ装置は複雑・高価であり、酸素だけを取り扱うものである。

本発明は、特に航空機での使用に適した安全な呼吸装置であり、使用者に約１５分間酸素源を供給し、装置の操作性が簡単に表示されるものである。本発明は、客室火災の消火という非常時に航空機乗務員が使用できるものであり、使用者に約１５分間酸素を供給する。本発明はさらに、ＰＢＥの作動状態を使用者に保証するインジケータを提供する。本発明には、酸素およびまたは二酸化炭素レベル用のインジケータを備えたフィルムが用いられる。このインジケータフィルムは、乗務員ＰＢＥの内部に組み込まれるであろう。該インジケータによって、使用者は、酸素およびまたは二酸化炭素レベルが瞬時に視覚的に決定できる。

本発明の第１の好適な実施形態の概略斜視図である。 図１の実施形態の気流を示す側断面図である。 マスク内部の酸素レベルを示す視覚的インジケータの例である。 マスク内部の酸素とＣＯ_２レベルを示す代替の視覚的インジケータである。 マスク内部の酸素とＣＯ_２レベルを示す代替の視覚的インジケータである。 調節機構を示す側面図である。 本発明の正面図である。

本発明の保護呼吸装置（ＰＢＥ）を図１および２に概略的に示す。フード２０は、人間の頭部１５に適合するように形成され、頭部１５が素早く入ってガスや煙が呼吸チャンバ３０に入らないようにシールを形成する膜２５を備える。使用者の頭部１５の後ろには、以下より詳細に説明する酸素発生システム４０がある。口鼻マウスピース４５によって、酸素は一方向吸気弁５５を通って入り、使用者の呼気中の二酸化炭素は、呼気ダクト５０を経由して酸素発生システム４０に戻される。

酸素は化学反応で生成され、概略的には、酸素発生システム４０から吸気ダクト６０を通ってマウスピース４５または呼吸チャンバ３０に送られる。

使用者は作動中、口鼻マウスピース４５内に呼気する。呼気は、呼気ダクト５０を通って移動し、ＫＯ_２（超酸化カリウム）を含むキャニスタ６２に入る。呼気中の二酸化炭素と水蒸気は吸収され、置換酸素が下記の反応により放出される：
酸素生成： ２ＫＯ_２＋Ｈ_２Ｏ → ２ＫＯＨ＋１．５Ｏ_２
２ＫＯ_２＋ＣＯ_２ → Ｋ_２ＣＯ_３＋１．５Ｏ_２
二酸化炭素除去：２ＫＯＨ＋ＣＯ_２ → Ｋ_２ＣＯ_３＋Ｈ_２Ｏ
ＫＯＨ＋ＣＯ_２ → ＫＨＣＯ_３
再生された酸素ガスは、吸気ダクト６０を通過し、フード２０のメインコンパートメントすなわち呼吸チャンバ３０に入る。ネックシール膜２５より上の内部フード容積は呼吸チャンバ３０として機能する。使用者が吸気すると、一方向吸気弁５５によって、再生ガスが口鼻マウスピース４５に入り、使用者の気道に移動する。この呼吸サイクルは、ＫＯ_２キャニスタ６２が消耗するまで継続するであろう。

本発明によれば、装置が作動時には、ＰＢＥ内の酸素およびまたは二酸化炭素レベルの状態を示すインジケータがマスク２０の内部から見えるであろう。酸素レベルと二酸化炭素レベルを評価する技術は当分野では既知である。例えば、酸素インジケータは、米国特許第６，３２５，９７４号、同第４，５０４，５２２号および米国特許公報第２００５／０３７５１２号に見出される。二酸化炭素インジケータについては、米国特許第６，３３８，８２２号、同第５，３２６，５３１号および米国特許公報第２００３／０４５６０８Ａ号を参照のこと。

使用者に可視の周辺内の乗務員ＰＢＥの内部に、ガス感受性のインクまたはフィルムを接着してもよい。好適な実施形態では、ＰＢＥ内部には２つのインジケータがある。第１のインジケータは、酸素の存在（＋３０％）を検出し、その閾値に達するかそれ以下になるとすぐに色が変わる。第２のインジケータは、二酸化炭素の存在（＞４％）を検出すると、同様にすぐに色が変わる。あるいは、これらのインジケータでは、その上の語句（すなわち、「酸素」または「フード除去」）の色が変化してもよい。こうしてインジケータによって、装置を取り外すことなく、酸素およびまたは二酸化炭素のレベルをすぐに決定する方法が使用者に提供される。図３、４は、本発明で使用できる視覚的インジケータの例を示す。

航空機で使用される場合、本発明のＰＢＥは好適には減圧シールされて、航空機内の指定された場所に保管される。航空機火災が発生すると、乗務員はすぐに該ＰＢＥを着用して消火に当たることができる。本発明は、有毒な煙、火および低酸素に伴う危険からの使用者の保護に特に適している。フード２０は、使用者の目を保護するためのバイザー１８０を有し、自給式酸素発生システム４０による継続的な呼吸手段を提供する。好適な実施形態では、該システムの作動時間は最低１５分間であり、使用後は処分される。

以下、ＰＢＥフードの操作についてより詳細に説明する。着用動作の間、使用者は、矢印９５で示す方向に調節ストラップ９０を引いて塩素酸塩起動キャンドル７０を作動させて、口鼻マウスピース４５を使用者の顔面に確保する。起動キャンドル７０の化学反応を以下に示す：
２ＮａＣｌＯ_３＋熱 → ２ＮａＣｌ＋３Ｏ_２
小型の塩素酸塩キャンドル７０（起動キャンドル）は、塩素酸ナトリウムの化学分解により約８Ｌの酸素を生成する。このキャンドル７０は、ＫＯ_２キャニスタ６２の底部に取り付けられる。使用者が、その顔面に対して口鼻マウスピースをぴんと張るストラップ９０を調節すると、引き綱８０によって自動的に移動する放出ピン７５が引っ張られて起動キャンドル６５が好適に始動する。起動キャンドル７０のガスは、呼気が呼気ダクト５０からキャニスタに入る側のＫＯ_２キャニスタ６２に流入する。起動キャンドル７０からの酸素の一部は、呼気ダクトの初期充填に使用されるが、その大部分は、ＫＯ_２キャニスタ６２を通過して、フード２０のメインコンパートメント３０を満たす。

現在の技術における課題の１つは、ＰＢＥ始動後の残りの使用可能時間を表示するものが何もないことである。また、作動継続時間は、使用者の呼吸数に依存する負荷によって変わる。ＰＢＥがその限界点まで使用されると、その後のフード２０の崩壊は少なくとも不快であり得、パニック状態では恐ろしくなり得る。本明細書に記載の発明によって、使用者はまず、装置が期待通りに作動していることを知ることができ、続いてガスレベルが問題になると、安全なゾーンに退去して装置を取り外すように警報が出される。また、ＦＡＡの乗務員ＰＢＥ規則（ＴＳＯ−Ｃ１１６ａ）の新バージョンでは、「装置の作動不具合や作動停止が使用者により明白でなければならない」と定められている。これは、ガス供給の消耗時にも始動しなければならない音声およびまたは視覚的な警告でなされなければならない。」と定められている。該装置は、ＴＳＯ−Ｃ１１６ａの「ガス供給消耗」要件を満たすであろう。

インテリジェント、スマートあるいは診断的なインクは、例えば色または発光強度が変化することによりその環境に応答する。温度、湿度、酸素濃度および二酸化炭素濃度などの特定の環境パラメータをモニターできる。基本的な作動原理は、使用化合物は、酸化還元（レドックス）機構により、酸素の存在および割合に応じて色を変えることである。このように働く材料の種類は多いが、簡潔のために、以下に１つの特定種類だけを示す。

該インジケータは、遷移金属酸化物の触媒化薄膜（ナノ粒子）を有するインクを含んでいてもよく、あるいは、次の４つのより一般的な成分で形成されていてもよい：半導体（ＴｉＯ_２）の水分散液、犠牲的電子供与体（トリエタノールアミン）、酸化還元指示染料（メチレンブルー）の水溶液および封入ポリマー（ヒドロキシエチルセルロース）。ＴｉＯ_２粒子は、紫外線が当たると電子−正孔対を生成する。電子は染料を還元して白色化し、正孔はトリエタノールアミンを酸化する。ポリマーのカプセル化によって、プラスチック、金属、紙あるいは他の表面上に染料をスピンコートできる。ある好適な実施形態では、半導体光触媒ナノ粒子、溶媒可溶レドックス染料、マイルドな還元剤およびポリマーを含む溶媒系の不可逆酸素指示インクが使用される。

該インクは、ＵＶＡ光に暴露されると急速に（＜３０秒）色が失われ、低酸素濃度環境では無色のままであるが、適当な濃度の酸素に暴露されると元の色（青）に戻る。後者のステップにおける色の回復速度は、酸素濃度レベルに比例する。フィルムは可逆的であり、ＵＶ活性化によって白色／透明色に戻せる。

本発明の一部として、該インクまたはフィルムは、乗務員ＰＢＥの内部に貼付されるインジケータとして設計される。好適な実施形態では、ＰＢＥ内部には、酸素用インジケータ１０５と二酸化炭素用インジケータ１１０の２つのインジケータが設けられるであろう。

単なる着色片であるインジケータの代わりに、色が変化する文字列またはスケール／スペクトルを片上に有していてもよい。例えば、「文字列」は作動モードを示し、さらに、二酸化炭素用および酸素用スケールの概要も示し得る（図４Ａ、４Ｂを参照）。該スケールは、レベル変化として作成される（すなわち、スケールの大小が有色となる）であろう。こうして、着用者は、酸素容量の消費に関して何かを見分けられる。この利点は、本発明によって、酸素供給状態がわかる即時的・継続的な方法が使用者に提供されることである。また、該組立体の酸素生成が連続的にモニターされているので、ＰＢＥ使用者は、必要であればより長く装置を着用できる。該装置ではさらに、不適切なあるいは損傷したフード（漏れ）はすぐに表示される。

ＫＯ_２キャニスタ６２が消耗すると、活性酸素生成能が失われると共に、ＫＯ_２キャニスタの内部温度が急速に上昇し水分が放出される。以前の装置では、酸素生成能の逸失によってフード２０の内部容積が徐々に減少していた。フード２０は、着用者の頭部１５周りで崩壊せざるを得ず、その結果、吸気が益々困難になって、フード２０を取らなければならないことがわかったであろう。フード内部の温度の急騰によって、このことはより促進された。本発明では、使用者にはフード２０内の酸素および二酸化炭素量が視覚的に表示されるので、酸素生成化学物質の消耗を主観的に決定することが軽減される。これにより使用者は、その後安全なゾーンに退去してフードを取り外すことができるであろう。

本発明を一般的なやり方で説明したが、こうした説明と添付図はいかなるやり方においても、限定するものであるようには意図されない。当業者であれば、本明細書に記載の実施形態に対して多くの変形と置換とを思い描けるであろう。本発明は、こうした変形と置換のすべてを包含するように意図される。従って、本発明の範囲は、添付の請求項の文言によって適切に評価され、記載の実施形態あるいは添付図に描かれた実施形態に対して厳密に評価されるものではない。

Claims (18)

1. バイザーと自給式酸素源とを有するフードと、
   使用者に対して、呼吸装置が正常に機能していることを示し、さらに前記呼吸装置の有用な作動時間の終わりが接近していることも示す、前記フードの内表面に付着させたガス感受性のインクまたはフィルムである内部インジケータと、を備え、
   前記内部インジケータは、酸素レベルの変化に自動的に応答することにより所定の酸素の閾値を超えたときに視覚的な表示を前記使用者へ提供するように構成される第１の部分と、二酸化炭素レベルの変化に自動的に応答することにより所定の二酸化炭素の閾値を超えたときに視覚的な表示を前記使用者へ提供するように構成される第２の部分と、を含むことを特徴とする呼吸装置。
2. 前記自給式酸素源は、含有ＫＯ_２（超酸化カリウム）を含むキャニスタと、ＮａＣｌＯ_３を用いた酸素生成を活性化する起動キャンドルと、を備えることを特徴とする請求項１に記載の呼吸装置。
3. 前記自給式酸素源により生成された酸素は前記使用者の呼気中の二酸化炭素と前記フード内において混合されることを特徴とする請求項１に記載の呼吸装置。
4. 前記内部インジケータは、酸素または二酸化炭素との化学反応によって始動されることを特徴とする請求項１に記載の呼吸装置。
5. 着用者の頭部を被覆する、バイザーを含むフードと、
   前記フードをシールしてその内部に呼吸チャンバを形成する膜と、
   前記フード内に配置された酸素源と、
   使用者の呼気二酸化炭素を前記酸素源に移動させる前記フード内部の導管と、
   前記フード内のガスと反応し、前記フード内の前記ガスの量に基づいて前記使用者に視覚的なフィードバックを提供する、前記フードの内表面に付着させたガス感受性のインクまたはフィルムである視覚的インジケータと、を備え、
   前記視覚的インジケータは、酸素レベルの変化に自動的に応答することにより所定の酸素の閾値を超えたときに視覚的な表示を前記使用者へ提供するように構成される第１の部分と、二酸化炭素レベルの変化に自動的に応答することにより所定の二酸化炭素の閾値を超えたときに視覚的な表示を前記使用者へ提供するように構成される第２の部分と、を含むことを特徴とする自給式呼吸装置。
6. 前記酸素源は、塩素酸塩キャンドルによって起動されることを特徴とする請求項５に記載の自給式呼吸装置。
7. 前記塩素酸塩キャンドルは、ピンを引っ張ることにより始動することを特徴とする請求項６に記載の自給式呼吸装置。
8. 前記ピンは、前記自給式呼吸装置を使用者に適合させることにより自動的に引っ張られることを特徴とする請求項７に記載の自給式呼吸装置。
9. 前記フィルムは、金属酸化物の触媒化薄膜を含むことを特徴とする請求項５に記載の自給式呼吸装置。
10. 前記フィルムは、半導体の水分散液、犠牲的電子供与体、酸化還元指示染料の水溶液および封入ポリマーを含むことを特徴とする請求項５に記載の自給式呼吸装置。
11. 前記視覚的インジケータは、前記フード内の酸素レベルと反応して文字で示すことを特徴とする請求項５に記載の自給式呼吸装置。
12. 前記視覚的インジケータは、前記フード内部のガス濃度に対応したスケール上の値を示すことを特徴とする請求項５に記載の自給式呼吸装置。
13. 前記ガスは酸素であることを特徴とする請求項１２に記載の自給式呼吸装置。
14. 前記ガスは二酸化炭素であることを特徴とする請求項１２に記載の自給式呼吸装置。
15. 前記視覚的インジケータは、紫外線感受性であることを特徴とする請求項５に記載の自給式呼吸装置。
16. 前記インジケータは、前記フード内のガス濃度の変化に応じて色を変えることを特徴とする請求項５に記載の自給式呼吸装置。
17. 前記インジケータは、前記フード内の二酸化炭素のパーセントを検出し視覚的に表示することを特徴とする請求項５に記載の自給式呼吸装置。
18. 前記インジケータは、前記フード内の酸素のパーセントを検出し視覚的に表示することを特徴とする請求項５に記載の自給式呼吸装置。

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