JP6370366B2 - 層状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

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、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システムが開発されてきた。これらの空気清浄システムの中には、空気中に存在する汚染物質を濾別又は吸着するように設計された幅広く様々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とフィルター本体との何らか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、フィルター媒体により吸着されるか、又はフィルター本体により付着若しく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の暴露などの間に、レスピレーターの有用な耐用期間を判定するための技法が必要である。開発されている１つの技法は、レスピレーターに対する使用時間に基づくものである。この技法では、レスピレーター又は空気清浄化フィルターは、例えば、Ｗｏｏｄらの、ｔｈｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｈｙｇｉｅｎｅ Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ，Ｖｏｌｕｍｅ ５５（１），ｐａｇｅｓ １１〜１５，（１９９４）に示されたものなどの数学モデルに基づき、ある特定の使用期間の後に取り換えられる。しかしながら、この技法は、レスピレーターを通る汚染物質濃度又は流量の変動を考慮に入れておらず、したがって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場合がある）という結果をもたらす場合がある。

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サイズの炭素粒子の層状配列とを含むガスマスクとともに使用するための円筒状キャニスターを記載する、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、硫酸塩、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フィルターを収容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、すなわち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。

幅広く様々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での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、検体に関する気体流をモニターして、吸着剤枯渇に起因する検体を検知すると、警告信号を生成する電子センサーを組み込んだものである。

層状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、を含む、封止されたカートリッジハウジングを備える、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。フィルター媒体は、多層構造を有し、この多層構造は、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付けられるように、第１吸着層及び第２吸着層に隣接する検出要素と、を含む。いく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、検出要素は比色分析検出要素である。いくつかの実施形態では、第１吸着層は、第２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。

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提供する工程と、気体をフィルターカートリッジを通して流す工程と、検出要素で検出応答を検知する工程と、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、多層構造を有し、この多層構造は、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付けられるように、第１吸着層及び第２吸着層に隣接する検出要素と、を含む。いく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、検出要素は比色分析検出要素である。いくつかの実施形態では、第１吸着層は、第２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。

本出願は、添付図面と関連して、本開示の様々な実施形態の以下の「発明を実施するための形態」を考慮すると、より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一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一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一実施形態の断面図を示す。

以下に示す「発明を実施するための形態」の記述では、本開示が実施される場合がある様々な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、これらの実施形態が利用されてもよく、また構造的な変更がなされてもよいことが理解される。図は必ずしも縮尺に従っていない。図中で使用される同様の数字は、同様の構成要素を指す。しかしながら、所与の図中の一構成要素を指す数字の使用は、同一の数字を付された別の図中の構成要素を限定することを意図するものではないことが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システムが開発されてきた。これらの空気清浄システムの中には、空気中に存在する汚染物質を濾別又は吸着するように設計された幅広く様々な空気清浄化レスピレーターがある。この吸着は、物理的又は化学的とすることができる。これらの空気清浄システムは、受動的とすることができ、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ことを意味し、あるいは動力付とすることができ、これは、ファンなど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ことを意味する。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とフィルター本体とのなんらかの組み合わせを含有する。レスピレーターを使用すると、汚染物質は、フィルター媒体により吸着されるか、又はフィルター本体により付着若しく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の暴露などの間に、レスピレーターの有用な耐用期間を判定するための技法が必要である。開発されている１つの技法は、Ｗｏｏｄらによる、ｔｈｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｈｙｇｉｅｎｅ Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ，Ｖｏｌｕｍｅ ５５（１），ｐａｇｅｓ １１〜１５，（１９９４）に記載されるように数学モデルを用いて、レスピレーターの使用時間を基準とする。この技法では、レスピレーター又は空気清浄化フィルターは、ある特定の使用期間の後交換される。しかしながら、この技法は、レスピレーターを通る汚染物質濃度又は流量の変動を考慮に入れておらず、したがって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場合がある）という結果をもたらす場合がある。

幅広く様々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とともに使用する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、インジケータの変化（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、検体に関する気体流をモニターして、吸着剤枯渇に起因する検体を検知すると、警告信号を生成する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、カートリッジを取り換え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なくす）、それでも使用者に対して安全域を提供する（インジケータが作動したときに、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）。

層状フィルターカートリッジと、層状フィルターカートリッジ内に位置付けられた検出要素とを含む、ガス状媒体の清浄化のためのフィルターカートリッジシステムが本明細書に開示される。検出要素は、１つの層又は層群を使い尽くすと、検出要素がトリガーされ、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付けられる。第１吸着層又は層群は、第２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。第１層又は層群は、ある容積を有し、そして第２層又は層群は、ある容積を有する。すべての層の容積を足し合わせると、組み合わせ層容積が得られ、第１層又は層の組の容積は、組み合わせ容積の４０％超である。いくつかの実施形態では、第１層又は層の組の容積は、合計容積の５０％超である。

「ＥＮＤ ＯＦ ＳＥＲＶＩＣＥ ＬＩＦＥ ＩＮＤＩＣＡＴＩＮＧ ＳＹＳＴＥＭＳ ＦＯＲ ＬＡＹＥＲＥＤ ＦＩＬＴＥＲ ＣＡＲＴＲＩＤＧＥＳ」という表題の、２０１１年１２月１２日出願の同時係属出願整理番号第６１／５６９３４２号は、第２層又は層の組が、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類似の構成を記載する。しかしながら、第１層又は層群が第２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とき、変動性が減少することが発見された。この状況では、変動性は、センサーがフィルターカートリッジの有用な耐用期間をどれほど精密に予測するかを説明する。換言すれば、本開示で記載する構成は、第１層又は層群が第２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場合、センサーがフィルターカートリッジの有効期間をより精密に示すシステムを作り出し、ひいてはフィルターカートリッジの有効期間のより効率的な使用を可能にし、かつフィルターカートリッジの不要な交換の無駄をなくす。

理論に束縛されるものではないが、上記の変動性の低減は、少なくとも部分的には吸着波面がより均一で、より変動が少なくなる結果であると考えられる。このようにして、検出応答が使用者によって検知されるとき、吸着波面は均一であり、かつ吸着層使用の正確な表現を与える。第１吸着層が第２吸着層より高い吸着容量及び／又はより速い吸着速度を有するため、観察される吸着波面は、より均一で、かつより変動が少ないと考えられる。検出応答での変動性が低減されるため、フィルターカートリッジのより効率的な使用が達成され得る。

特に断りがない限り、本明細書及び特許請求の範囲で使用する特徴の大きさ、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」という用語によって修飾されているものとして理解することとする。したがって、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、本明細書で開示される教示を利用する当業者が得ようとする所望の特性に応じて変化する可能性がある近似値である。端点による数値範囲の列挙には、その範囲内に含まれるすべての数（例えば１〜５は、１、１．５、２、２．７５、３、３．８０、４、及び５を含む）、並びにその範囲内の任意の範囲が含まれる。

本明細書及び添付の特許請求の範囲で使用する場合、「ａ」、「ａｎ」、及び「ｔｈｅ」などの単数形は、その内容が別段の明確な指示をしない限り、複数の指示対象を有する実施形態を包含する。例えば、「層」への参照には、１つ、２つ又はそれ以上の層を有する実施形態が含まれる。本明細書及び添付の特許請求の範囲で使用する場合、「又は」という用語は、その内容によって明らかに示されない限り、「及び／又は」を含む意味で一般的に用いられる。

本明細書で使用する場合、「検出要素」という用語は、検体への暴露時に、例えば、典型的には、その光学特性（比色分析的変化、輝度変化、反射光の強度、等々によって明らかである場合があるように）のうちの少なくとも１つの変化を受けることによって、検体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を含む場合がある。本明細書で使用する場合、「インジケータ要素」という用語は、例えば、有機蒸気又は酸等の検体へ暴露すると、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「比色分析的」であると言われる。検出要素がインジケータ要素のみを有する場合、それらの用語は互換可能に使用される。

本明細書で使用する場合、「吸着波面」という用語は、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。

本明細書で使用する場合、「隣接する」という用語は、層又は他の要素を参照する場合、その層又は他の要素が、それらの間にいかなる空隙も有しないで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、又は介在する層若しくは他の要素が存在してもよい。

本明細書で使用する場合、「呼吸用ヘッドピース」という用語は、レスピレーターを参照する場合、人によって着用される、清浄化された空気がそれに対して供給される装置を意味し、かかる呼吸用ヘッドピースは、例えば、人の少なくとも呼吸通路（鼻及び口）にぴったりと適合するフェイスピース、並びにゆったりと適合するフェイスピースを含む。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。

本明細書で使用する場合、「ホース」という用語は、動力付レスピレーターに言及する場合、濾過された空気を、きれいな空気の供給源（フィルターカートリッジなど）から呼吸用ヘッドピースへと送達するための、空気がそれを通して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付けられるように、第１吸着層及び第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を互いに流体連通したままにすることを可能にし、また構成要素を衝撃、損傷等々から保護する。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で、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。ハウジング用に好適である可能性がある材料としては、プラスチック、金属、複合材料などが挙げられる場合がある。

概して、封止されたカートリッジハウジング内の開口は、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のみである。

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、及び同様のものが挙げられる。プレフィルタは、取り外して掃除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、こ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では、２つ以上の気体入口が存在可能である場合がある。

フィルターカートリッジハウジングのもう一方の開口は、気体出口である。フィルターカートリッジとともに使用される空気清浄システムの種類に応じて、気体出口は、様々な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で使用される場合、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。追加的に、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、不織布及び同様のものが挙げられる。フィルターは、取り外して掃除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、こ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で使用される場合、気体出口は典型的には、単一の開口であるが、いくつかの実施形態では一連の開口を備えてもよい。いく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することができる排出口である。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取り付けるように設計された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吸着層及び第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付けられる。第１吸着層及び第２吸着層のそれぞれは、単一層であってもよく、又は様々な下位層を含んでもよい。同様に、これらの２つの吸着層に加えて、追加の層も存在する場合がある。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、並びに繊維状ウェブ、メッシュ、発泡体、不織布、及び同様のものなど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。本明細書で使用する場合、「吸着材料」という用語は、有機蒸気を吸着又は吸収することが可能な物質を指す。この吸着又は吸収は、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）かのどちらかとすることができる。以下により詳細に記載するように、加えて、有機蒸気を吸着又は吸収するために、吸着材料は、酸性気体、塩基性気体、又はこれらの組み合わせも吸着又は吸収する場合がある。

幅広く様々な材料が、吸着材料としての使用に好適である場合がある。吸着媒体は、望ましくは、その中を通る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、超微粒子状固体（例えば、粉、ビーズ、フレーク、粒状、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）の形態であってもよい。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、ホプカライト、モレキュラーシーブ、金属有機骨格、テンプレート材料、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。追加的に、上述したように、第１吸着層は、様々な下位層を含んでもよい。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、対象となる蒸気を吸着によって除去することができるアルミナ及び他の金属酸化物；酢酸などの酸性溶液、又は水酸化ナトリウム水溶液等のアルカリ性溶液で処理された粘土及び他の鉱物；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；並びに「Ｓｔｙｒｏｓｏｒｂｓ」（例えば、Ｖ．Ａ．Ｄａｖａｎｋｏｖ ａｎｄ Ｐ．Ｔｓｙｕｒｕｐａ，Ｐｕｒｅ ａｎｄ Ａｐｐｌ．Ｃｈｅｍ．，ｖｏｌ．６１，ｐｐ．１８８１〜８９（１９８９）、及びＬ．Ｄ．Ｂｅｌｙａｋｏｖａ，Ｔ．Ｉ．Ｓｃｈｅｖｃｈｅｎｋｏ，Ｖ．Ａ．Ｄａｖａｎｋｏｖ ａｎｄ Ｍ．Ｐ．Ｔｓｙｕｒｕｐａ，Ａｄｖ．ｉｎ Ｃｏｌｌｏｉｄ ａｎｄ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ Ｓｃｉ．ｖｏｌ．２５，ｐｐ．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など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、特に望ましい吸着媒体である。例えば、対象となる蒸気の混合物を吸着するために、吸着媒体の混合物を使用することができる。微粉化した形態である場合、吸着剤の粒子寸法は、多様に変化する可能性があり、通常、意図される使用条件に部分的に基づいて選択されることになる。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、約４〜約５０００マイクロメートルの平均直径で、例えば、約３０〜約１５００マイクロメートルの平均直径で変化する場合がある。異なる寸法範囲を有する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、又はより大きな吸着粒子を上流層に、そしてより小さな吸着粒子を下流層に使用した多層構成で）使用することもできる。米国特許第３，９７１，３７３号（Ｂｒａｕｎら）、米国特許第４，２０８，１９４号（Ｎｅｌｓｏｎ）、及び米国特許第４，９４８，６３９号（Ｂｒｏｏｋｅｒら）、並びに米国特許出願公開第２００６／００９６９１１ Ａ１号（Ｂｒｅｙら）に記載されるように、好適なバインダーと組み合わせた（例えば、結合炭素）、又は好適な支持体上若しくは支持体内に捕捉された吸着媒体も使用される場合がある。追加的に、固定化炭素も有用である場合がある。炭素は、例えば、結合カーボン、炭素充填ウェブ、炭素片、及び同様のものなどの様々な様式で固定化されてもよい。固定化炭素の例としては、ＰＣＴ国際公開第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。粒状活性炭は、特に有用な吸着材料である。市販されている粒状活性炭の例としては、Ｋｕｒａｒａｙ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏ．からのＧＧ（物理的吸着のための一般用）グレード及びＧＣグレード又はＧＷグレード（物理的吸着のための酸洗浄済みの一般用）のもの、並びにＪａｃｏｂｉ Ｃａｒｂｏｎｓ ＡＢからのＧＡ１グレード（物理的吸着のための一般用）のものが挙げられる。ＫｕｒａｒａｙのＧＧグレード粒状活性炭又は同等品は、有機蒸気吸着用に特に好適であり、第１吸着層に使用されてもよい。

フィルター媒体はまた、第２吸着層を含む。この第２吸着層は、気体出口により近傍に位置付けられる。層は様々な異なる形状をとることができるので、層の容積によって層の大きさを比較及び対照するのが１つの方法である。第１層は、対応する容積を有し、かつ第２の層も、対応する容積を有する。合計層容積を得るために、第１層、第２層、及び任意の他の所望による吸着層の容積を組み合わせることができる。一般に第１層の容積は、合計容積の４０％超である。いくつか実施形態では、第１層の容積は、合計容積の５０％超である。

第１の吸着層は、第２の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１吸着剤が有機蒸気の吸着において第２吸着層よりも効率的な層であることを意味する。吸着層のこの構成が変動性の改善、換言すれば、変動性の低減につながることが見出されている。この状況では、変動性は、センサーがフィルターカートリッジの有用な耐用期間をどれほど精密に予測するかを説明する。したがって、本開示で記載する構成は、第１層又は層群が第２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場合、センサーがフィルターカートリッジの有効期間をより精密に示すシステムを作り出し、ひいてはフィルターカートリッジの有効期間のより効率的な使用を可能にし、かつフィルターカートリッジの不要な交換の無駄をなくす。

いくつかの実施形態では、第２吸着層についての吸着係数Ａ_２に対する、第１吸着層についての吸着係数Ａ_１の比は、Ａ_１／Ａ_２＞１である。吸着層に対する吸着係数は、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％漏出に到達するのに要する時間である）から決定される。

この吸着係数の決定は、ＷｏｏｄによりＪｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｈｙｇｉｅｎｅ Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ，Ｖｏｌｕｍｅ ５５（１），ｐａｇｅｓ １１〜１５，（１９９４）に記載される方法論を用いて行われる。

第１吸着層内の吸着材料は、第２吸着層の吸着材料とは異なる。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、ホプカライト、モレキュラーシーブ、金属有機骨格、テンプレート材料、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。粒状活性炭は、特に有用な吸着材料である。市販されている粒状活性炭の例としては、Ｋｕｒａｒａｙ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏ．からのＧＧ（物理的吸着のための一般用）グレード及びＧＣグレード又はＧＷグレード（物理的吸着のための酸洗浄済みの一般用）のもの、並びにＪａｃｏｂｉ Ｃａｒｂｏｎｓ ＡＢからのＧＡ１グレード（物理的吸着のための一般用）のものが挙げられる。Ｊａｃｏｂｉ ＧＡ１グレード粒状活性炭又は同等品は、第２吸着層のために特に好適である。いくつかの実施形態では、第１吸着層と第２吸着層との両方が粒状活性炭を含む。

第１吸着層及び第２吸着層は、互いに流体連通する。いくつかの実施形態では、第１吸着層及び第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吸着層及び第２吸着層は別個の層であり、多孔質膜又はスクリーンによって分離されている場合がある。

第１吸着層及び第２吸着層は、方形、円形、楕円形、等々の任意の好適な形状であってよい。典型的には、第１吸着層及び第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吸着層及び第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先細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付けられた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付けられた少なくとも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る吸着波面の通過を示す。広く様々な検出要素が、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、吸着波面が第１吸着層を通過するとき、例えば、その光学特性（比色分析的変化、輝度変化、反射光の強度、等々によって明らかである場合があるように）のうちの少なくとも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。いくつかの実施形態では、検出要素は比色分析検出要素であり（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）。いく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付けられた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付けられる。

いく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する場合があり、かつ比色分析フィルム（すなわち、このフィルムは有機検体へ暴露すると色が変化する）である場合があり、又は有機検体へ暴露すると何らかの他の検出可能な光学変化を受ける場合がある。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）及び米国特許公開第２００８／００６３５７５号及び同第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、フィルム本体に結合し、この検出層の一部分を閉塞する閉塞層を含むフィルム本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り、すなわち、検出層は有機化合物へ暴露すると色が変化する。閉塞層は、検知対象の化合物が閉塞領域へ接近しかつ色の変化が発生するのを妨げる。この構成の正味の効果は、フィルム単体においては、有機化合物へ暴露すると、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、使用者が変化が起こったかどうかを容易に判定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付けられてもよく、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付けられてもよく、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付けられてもよい。これは特に、電子検出要素について当てはまる。

いく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見ることができるように窓又は他の視認デバイスを含有する。窓又は他の視認デバイスは、ガラス又は透明プラスチックで作製されてもよい。かかる構成の例は、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もよいが、いく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。このようにして、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。比色分析検出要素を伴ういくつかの実施形態では、比色分析検出要素は、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付けられる。

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、図２、及び図３に示す。図１では、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では、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先細構造を付与する。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では、気体入口３１０は、フィルターカートリッジ３００の頂部及び底部に位置付けられる。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。この方法は、層状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、検出要素で検出応答を検知する工程と、フィルターカートリッジを取り換える工程と、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。本明細書で使用する場合、「有機蒸気」という用語は、呼吸する空気中に存在する場合、人々に有害であり得る、幅広い範囲の揮発性の空中有機化合物を指す。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、及び同様のものが挙げられるが、これらに限定されない。本明細書で使用する場合、「酸性気体」という用語は、何らかの酸性成分を含む気体を指す。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ってもよいが、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。追加的に、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。本明細書で使用する場合、「塩基気体又は塩基性気体」という用語は、何らかの塩基性成分を含む気体を指す。この塩基性成分は、例えばアンモニアガスのようにそれ自体気体であってもよいが、塩基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。追加的に、塩基性気体はそれ自体は塩基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塩基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吸着層よりもフィルターカートリッジの気体出口に近接する第２吸着層と、第１吸着層及び第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取り付けられるレスピレーターデバイスの種類に応じて様々な方式で行うことができる。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又は覆われている場合があり、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も含む場合がある。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、分離したままであってもよく、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取り付けることを含む組み立て工程が存在する場合がある。同様に、レスピレーターは、２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。

レスピレーターが動力付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ことを含むことができる。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又はレスピレーター組立体を、開封する若しくは開放する工程も含む場合がある。

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と、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付けられたインジケータ要素が作動され、検出要素中で応答を引き起こす。検出要素応答は典型的には、光学的である。検出要素が比色分析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。

いく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（有機蒸気漏出によって決定される）の比を決定することが有用である可能性がある。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。この比が０．９０以下であることが望ましい可能性があり、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基準に対応する。

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、吸着波面が概して均一であり、したがって炭素使用の正確な表現が得られる。第１吸着層は第２吸着層より高い吸着容量及び／又はより速い吸着速度を有するので、観察される吸着波面は、より均一で、かつより変動が少ない。吸着容量がより低い第２吸着層は、フィルターカートリッジを取り換えることができるまで、追加的な安全域を提供する。

これらの実施例は単に例示のためのものに過ぎず、添付の請求項の範囲を制限することを意図するものではない。特に記載のない限り、実施例及びこれ以降の明細書に記載される部、百分率、比、等々はすべて、重量基準である。特に記載のない限り、使用した溶媒及び他の試薬は、Ｓｉｇｍａ−Ａｌｄｒｉｃｈ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏｍｐａｎｙ（米国ウィスコンシン州Ｍｉｌｗａｕｋｅｅ）より入手した。

試験法
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％の相対湿度における１，０００ｐｐｍヘプ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４５ｐｐｍのヘプタンを観察することによって測定した。溶媒の濃度は、ポンプ設定を４５．４４６ｍＬ／時間にしたＰｈａｒｍａｃｉａ ｐｕｍｐ Ｐ−５００ Ｓｅｒｉｅｓによって供給された。出口濃度は、ＧｏｗＭａｃ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｃｏ．製のＧＯＷＭＡＣ Ｓｅｒｉｅｓ ２３−５５０ Ｔｏｔａｌ Ｃａｒｄｒｏｃａｒｂｏｎ ａｎａｌｙｚｅｒ ＦＩＤを使用して測定した。ＦＩＤ設定は、範囲２、空気圧２２、燃料圧２６、サンプル圧１、及びスパン４．２８であった。相対湿度を、Ｅｄｇｅｔｅｃｈ冷却鏡面露点湿度計によってモニターした。

比較実施例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１０３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耐用期間終了に到達したことを示す時点が書き留められた。漏出点も書き留められ、平均耐用期間として記録された。この測定した漏出までの耐用期間終了（平均耐用期間）の比は、標準偏差とともに計算された。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に示す。

（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。比較実施例Ｃ１は、参照として含まれる。

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耐用期間終了に到達したことを示す時点が書き留められた。漏出点も書き留められ、平均耐用期間として記録された。この測定した漏出までの耐用期間終了（平均耐用期間）の比は、標準偏差とともに計算された。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に示す。

Claims (4)

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、を含む、封止されたカートリッジハウジングを備え、
   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吸着層であって、標準温度及び圧力における所与の課題蒸気に関して、前記第１吸着層が前記第２吸着層より高い吸着容量及び／又は高い吸着速度を有する、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付けられるように、前記第１吸着層及び第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吸着層についての吸着係数Ａ_２に対する、前記第１吸着層についての吸着係数Ａ_１の比が、Ａ_１／Ａ_２＞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）、すなわち標準温度及び圧力において前記所与の課題蒸気が１％漏出に到達するのに必要な時間である）から決定される、請求項１に記載のフィルターカートリッジ。
3. 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、を含む封止されたカートリッジハウジングを備え、
   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吸着層であって、標準温度及び圧力における所与の課題蒸気に関して、前記第１吸着層が前記第２吸着層より高い吸着容量及び／又は高い吸着速度を有する、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付けられるように、前記第１吸着層及び前記第２吸着層に隣接する、検出要素と、を有する多層構造を含む、工程と、
   気体を、前記フィルターカートリッジを通して流す工程と、
   前記検出要素で検出応答を検知する工程と、
   前記フィルターカートリッジを取り換える工程と、を含む、方法。
4. 前記第２吸着層についての吸着係数Ａ_２に対する、前記第１吸着層についての吸着係数Ａ_１の比が、Ａ_１／Ａ_２＞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）、すなわち標準温度及び圧力において前記所与の課題蒸気が１％漏出に到達するのに必要な時間である）から決定される、請求項３に記載の方法。

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