用于分层滤筒的使用寿命终点指示系统的制作方法

用于分层滤筒的使用寿命终点指示系统的制作方法
【专利摘要】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。所述过滤介质包含多层构造，所述多层构造具有第一吸附剂层、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。所述第二吸附剂层具有比所述第一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的通道。
【专利说明】用于分层滤筒的使用寿命终点指示系统

【技术领域】
[0001] 本发明整体涉及利用滤筒来从气体中滤除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】
[0002] 已经开发出多种空气净化系统来保护人免受危害性空气污染物的侵害。这些空气 净化系统包括许多各种不同的空气净化呼吸器，所述空气净化呼吸器被设计用于滤除或吸 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。
[0003] 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。在此技术中，基于（例如）Wood等人在Journal of the American Industrial Hygiene Association《美国工业卫生协会杂志》，第55卷第I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速的变化，因此可导致呼吸器或过滤器元件被过 早地（这为浪费的）或过晚地（这会给使用者造成危险）更换。
[0004] 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 No. 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No. 5, 714, 126 (Frund) 描述了用于滤除毒剂的呼吸器过滤系统，所述呼吸器过滤系统包括滤筒和HEPA过滤器，所 述滤筒包括未浸渍的活性碳层和利用硫酸盐（钥和铜或锌）浸渍的活性碳层。美国专利 No. 6, 344, 071 (Smith等人）描述了过滤介质，所述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。
[0005] 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】

[0006] 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，所述滤筒包括密封式滤筒外壳，所述密封式滤筒外壳包括气体入 口、过滤介质、和气体出口。过滤介质包含多层构造，多层构造包括第一吸附剂层、第二吸附 齐?层、和感测元件，所述第二吸附剂层比所述第一吸附剂层更靠近气体出口，所述感测元件 邻近所述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所述第一吸附剂层 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，第二吸附剂层具有比第一吸附剂层高的吸 附容量和/或吸附速率。
[0007] 本发明还包括从气体中滤除污染物的方法。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。滤筒具有密封式滤筒外壳，密封式滤筒 外壳包括气体入口、过滤介质、和气体出口。过滤介质包含多层构造，多层构造包括第一吸 附剂层、第二吸附剂层、和感测元件，所述第二吸附剂层比所述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。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，第二吸附剂层具有比第一吸附剂层的 吸附容量和/或吸附速率。

【专利附图】

【附图说明】
[0008] 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。
[0009] 图1示出了本发明的滤筒的实施例的剖视图。
[0010] 图2示出了本发明的滤筒的实施例的剖视图。
[0011] 图3示出了本发明的滤筒的实施例的剖视图。
[0012] 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。附图未必按比例绘制。附图中使用的类似标 号是指类似组件。然而，应当理解，使用标号来指代给定附图中的组件并非意图限制在另一 附图中以相同标号标记的组件。

【具体实施方式】
[0013] 已经开发出多种空气净化系统来保护人免受危害性空气污染物的侵害。这些空气 净化系统包括宽泛范围的空气净化呼吸器，所述空气净化呼吸器被设计用于滤除或吸附存 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,这些滤筒包括过滤介质、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。
[0014] 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Journal of the American Industrial Hygiene Association《美国工业卫生协会杂志》，第55卷第I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速的变化，因此可导致呼吸器或过滤器元 件被过早地（这为浪费的）或过晚地（这会给使用者造成危险）更换。
[0015] 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。
[0016] 需要如下ESLI，所述ESLI能够在滤筒吸附剂的大部分已经耗尽时、但在滤筒吸附 剂完全耗尽之前指示出滤筒应进行更换。这允许滤筒用于整个使用寿命（消除了滤筒中的 可用吸附剂的浪费部分），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）。
[0017] 本文公开了用于净化气体介质的滤筒系统，所述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：在一个层或层组耗尽时，感测元件 被触发并且第二层或层组开始净化气体介质。第二层或层组小于第一层或层组，但第二层 或层组具有比第一吸附剂层高的吸附容量和/或吸附速率。此第二层或层组尽管小于第一 层或层组，但能够为使用者提供保护，直到滤筒可进行更换。
[0018] 除非另外指明，否则本说明书和权利要求书中所使用的所有表达特征尺寸、量和 物理特性的数值均应理解成由术语"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，这些近似值可以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质而变化。以端点表述的数值范围包括归 入该范围内的所有数值（如，1到5包括1、1.5、2、2.75、3、3.80、4和5)以及该范围内的任 何范围。
[0019] 如本说明书以及所附权利要求中所用，除非单数形式"一个"和"所述"另外明确 指出，否则该内容涵盖具有多个指代物的实施例。例如，提及"一层"可涵盖具有一层、两层 或更多层的实施例。如本说明书以及附加的权利要求书中所用，除非术语"或"另外清楚的 表述，否则该内容一般以包含"和/或"的意思使用。
[0020] 如本文所用，术语"感测元件"是指下述元件或元件的集合：例如，当暴露于分析物 时，通过经受其光学性质中的至少一种的改变（如，可表现为色度改变，反射光的亮度、强 度改变等），以光学方式响应分析物。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（例如，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，指示器被称为 "色度"指示器。如果感测元件仅包括指示器元件，则这些术语可互换使用。
[0021] 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。
[0022] 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。
[0023] 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（例如软罩或硬头罩）、以及其他合适的呼吸器系统。
[0024] 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（例如，滤筒）递送到呼吸头盔。
[0025] 本发明的滤筒能够从气体介质移除污染物并且具有密封式滤筒外壳。此外壳容纳 滤筒的元件，将元件保持为正确构型，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。容纳在密封式滤筒外壳内的滤筒的元件包括至少气体入口、 过滤介质、和气体出口。过滤介质包含多层构造，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。
[0026] 使用密封式滤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。外壳通常被设计用于在滤筒的使用条件下不可渗透将被过滤的流体。一些可 能适于用于外壳的材料可包括塑料、金属、复合材料等。
[0027] -般来讲，密封式滤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。
[0028] 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，例如，其可包括 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。预过滤器可为可拆除的，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拆 除的。在某些滤筒构造中，可能存在不止一个气体入口。
[0029] 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，以防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。过滤器可为可拆除的，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拆除的。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，所述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提供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用于将滤筒以可脱开方式附接到（例如）软管或 其他连接设备的结构。
[0030] 过滤介质包含多层构造，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。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，例如纤维网、网片、泡沫、非织造织物等等。
[0031] 第一吸附剂层包括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）。
[0032] 多种材料可适于用作吸附剂材料。吸附剂介质有利地为充分多孔的，以允许空气 易于流过或其他气体经由该孔通过，并且其形式可以为细碎的固体（如粉末、微珠、薄片、 颗粒或附聚物）或者多孔固体（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。
[0033] 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）活性碳、处理过的活性碳、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。
[0034] 尤其有利的吸附剂介质材料包括活性碳；氧化铝和能通过吸附作用移除所关注的 蒸气的其他金属氧化物；由酸性溶液（例如乙酸）或碱性溶液（例如氢氧化钠水溶液）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（例如二氧化硅）；以及包括 超高交联体系的有机吸附剂（例如称为"Styrosorbs"的高度交联的苯乙烯聚合物）（如 V. A. Davankov和P. Tsyurupa在Pure and Appl. Chem.《理论化学与应用化学》，第61卷，第 1881-89 页，1989 年以及 L. D. Belyakova、T. I. Schevchenko、V. A. Davankov 和Μ. P. Tsyurupa 在Adv. in Colloid and Interface Sci.《胶体与界面科学进展》第25卷，第249-66页， 1986年中所述）。活性炭和氧化铝是尤其有利的吸附剂介质。吸附剂介质的混合物可用于 (例如）吸收所关注的蒸气的混合物。如果采用细碎的形式，则吸附剂粒子大小可以发生很 大变化，并且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至约5000微米的平均粒径范围内变动，如，在约30至约1500微 米的平均粒径范围内变动。也可采用具有不同粒度范围的吸附介质颗粒的混合物（如，吸 附介质颗粒的双峰混合物形式，或上游层采用较大的吸附剂颗粒而下游层采用较小的吸附 剂颗粒的多层布置）。还可采用混合有合适粘结剂（如粘合碳）的吸附剂介质，或捕集到合 适的载体上（或其中）的吸附剂介质，例如在美国专利No. 3, 971，373 (Braun等人）、美国专 利No. 4, 208, 194 (Nelson)和美国专利No. 4, 948, 639 (Brooker等人）中以及在美国专利申 请公开No.US2006/0096911Al(Brey等人）中有所描述的吸附剂介质。另外，还可使用固定 碳。碳可通过多种方法进行固定，例如，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公开No. W02006/052694(Brey等人）中的含颗粒的纤维网。活性碳为 尤其可用的吸附剂材料。市售活性碳的例子包括以GG(-般气体）等级和GC(用作催化载 体的高纯度和高硬度活性碳）等级得自可乐丽化学公司（Kuraray Chemical Co.)的那些。 Kuraray GG等级活性碳尤其适用于第一吸附剂层。
[0035] 过滤介质还包括第二吸附剂层。此第二吸附剂层设置为更靠近气体出口，并且通 常小于第一吸附剂层。在提及第二吸附剂层小于第一吸附剂层时，其意味着第二吸附剂层 的横截面厚度小于第一吸附剂层的横截面厚度、或者第二吸附剂层在滤筒外壳内占据的体 积小于第一吸附剂层在滤筒外壳内占据的体积、或者这两者。
[0036] 尽管第二吸附剂层小于第一吸附剂层，但第二吸附剂层具有比第一吸附剂层高的 吸附容量和/或吸附速率。概括地讲，在吸附有机蒸气方面，第二吸附剂为比第一吸附剂层 更有效的层。由于第二吸附剂层小于第一吸附剂层，因此这种增强的吸附效率允许第二吸 附剂层来保持滤筒的正常功能，并且为使用者留出时间以离开污染区或者在污染物穿透之 前来更换滤筒。
[0037] 在一些实施例中，第二吸附剂层的吸附因子A2与第一吸附剂层的吸附因子A 1的比 率为A2A1M15吸附剂层的吸附因子由下式确定：A = kvXSL,其中A =吸附系数；kv =有效 吸附速率系数（分钟并且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。
[0038] 此吸附因子使用 Wood 在 Journal of the American Industrial Hygiene Association《美国工业卫生协会杂志》，第55卷第I期，第11-15页（1994年）中描述的 方法来测定。
[0039] 第二吸附剂层中的吸附剂材料不同于第一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）活性碳、处理过的活性碳、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。活性碳为尤其可用 的吸附剂材料。市售活性碳的例子包括以GG(-般气体）等级和GC(用作催化载体的高纯 度和高硬度活性碳）等级得自可乐丽化学公司（Kuraray Chemical Co.)的那些。Kuraray GC等级活性碳尤其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 均包括活性碳。在一些具体实施例中，第一吸附剂层包括Kuraray GG等级活性碳，并且第 二吸附剂层包括Kuraray GC等级活性碳。
[0040] 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分立层并且可 由多孔薄膜或筛网隔开。
[0041] 第一吸附剂层和第二吸附剂层可呈任何合适的形状，例如，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型控制。可能有利的是 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，或者可能有利的是第二吸附 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。
[0042] 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设置。感测元 件包括至少一个指示器元件，该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的通道。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）通过经受改变其光学性质（如，可 表现为色度改变，反射光的亮度、强度改变等）中的至少一种，以光学方式响应分析物。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。
[0043] 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的光 学变化。合适的传感器膜的例子在美国专利No. 7, 449, 146 (Rakow等人）和美国专利公布 No. 2008/0063575 和 No. 2008/0063874 (Rakow 等人）中有所描述。
[0044] 感测元件还可为图案化的化学传感器，例如，描述于美国专利公布 No. 2011/0094514(Rakow等人）中的那些。这些图案化的传感器包括膜，膜包括膜主体和封 闭层，膜主体包括检测层，封闭层粘合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 闭区域并且导致颜色变化。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。
[0045] 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。
[0046] 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 No. 2010/0294272 (Holmquist-Brown 等人）中有所描述。
[0047] 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，可能有利的是感测元件位于 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。
[0048] 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、第一吸附剂层120、第二吸附剂层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，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窄于第一吸附剂层 220,从而为过滤介质赋予大体锥形的结构。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。
[0049] 本发明还公开了用于从气体中滤除污染物的方法。该方法包括提供上述类型的滤 筒，所述滤筒包括具有分层吸附剂层和感测元件的密封式滤筒外壳；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。
[0050] 气体污染物通常包括有机蒸气、酸性气体、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危害呼吸的人。有机蒸气 的例子包括（但不限于）：醇，例如异丙醇和丁醇；烷烃，例如己烷和辛烷；芳族化合物，例 如苯、甲苯、二甲苯、和苯乙烯；卤代烃，例如氯仿和二氯甲烷；酮，例如丙酮和甲基乙基酮； 醚，例如四氢呋喃；酯，例如乙酸乙酯和乙酸乙氧基乙酯；丙烯酸酯，例如甲基丙烯酸酯； 腈，例如乙腈；异氰酸酯，例如甲苯-2, 4-二异氰酸酯等等。如本文所用，术语"酸气体或酸 性气体"是指含有一些酸性组分的气体。酸性组分本身可为气体，例如氯化氢气体，但酸性 组分本身无需为气体，而是可只是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。
[0051] 如上所述，滤筒具有第一吸附剂层、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。
[0052] 可通过多种方法来使气体流过滤筒，这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，呼吸器可包括不止一个滤筒，并且 这些滤筒可为相同的或不同的。
[0053] 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。
[0054] 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，则产生可由使用者检测的颜色变化。如果感测元件为电子器件，则产生可由使用者 检测的电子信号。
[0055] 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。可能有利的是此比率为〇. 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。
[0056] 使用者检测到的感测响应指示使用者应更换滤筒。用于从气体中滤除污染物的本 滤筒系统和方法的一个优点在于，当使用者检测到感测响应时，吸附波前仅仅到达第二吸 附剂层。由于第二吸附剂层具有比第一吸附剂层高的吸附容量和/或吸附速率，因此第二 吸附剂层能够继续吸附污染物，而不管第一吸附剂层的使用寿命终点。第二吸附剂层因此 在可更换滤筒之前提供附加的安全界限。
[0057]
[0058] 这些实例仅仅是用于示例性目的，并且无意于限制附带的权利要求的范围。除非 另外指明，否则实例以及说明书的以下部分及权利要求书中的所有份数、百分数、比率等均 按重量计。除非另外指明，否则所用溶剂和其他试剂均得自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)。
[0059] 缩写表
[0060]

【权利要求】
1. 一种能够从气体介质移除污染物的滤筒，包括： 密封式滤筒外壳，所述密封式滤筒外壳包括： 气体入口； 过滤介质；和 气体出口， 其中所述过滤介质包含多层构造，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；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，其中所述第二吸附剂层具有比所述第一吸附剂层高的 吸附容量和/或吸附速率。
3. 根据权利要求2所述的滤筒，其中所述第二吸附剂层的吸附因子A2与所述第一吸附 剂层的吸附因子4的比率为^/Api，其中所述吸附剂层的吸附因子由下式确定 ： A = kvX SL, 其中A =吸附因子； kv =有效吸附速率系数（分钟^ ;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。
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所述吸附波前穿过所述滤筒的 通道。
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，其中所述感测元件位于所述滤筒内的某一位置处，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 剂层之间的界面处。
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 碳、二氧化硅、氧化铝、或它们的组合的层。
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碳，并且所述第二吸 附剂层包含不同的活性碳。
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滤筒外壳的壁上。
12. -种从气体中滤除污染物的方法，包括： 提供滤筒，所述滤筒包括： 密封式滤筒外壳，所述密封式滤筒外壳包括： 气体入口； 过滤介质；和 气体出口， 其中所述过滤介质包含多层构造，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；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，其中所述第二吸附剂层具有比所述第一吸附剂层高 的吸附容量和/或吸附速率。
14. 根据权利要求13所述的方法，其中所述第二吸附剂层的吸附因子^与所述第一吸 附剂层的吸附因子4的比率为^/Api，其中所述吸附剂层的吸附因子由下式确定 ： A = kvX SL, 其中A =吸附因子； kv =有效吸附速率系数（分钟^ ;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。
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 的通道。
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，其中所述检测所述感测元件中的感测响应的步骤包 括检测颜色变化。
19. 根据权利要求12所述的方法，其中所述感测元件位于所述滤筒内的某一位置处， 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 附剂层之间的界面处。
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、或它们的 组合。
【文档编号】B01D46/12GK104245093SQ201280060876
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2012年12月4日 优先权日:2011年12月12日
【发明者】凯文·A·弗兰克尔, 马里亚·L·泽林斯基 申请人:3M创新有限公司