動力付き空気浄化人工呼吸装置の制御方法
ユーザー（６）に実質的に一定体積の空気流を供給するために、動力付き空気浄化人工呼吸装置の送風機システムを制御する方法は、（ａ）周囲空気密度又は（ｂ）周囲温度及び周囲気圧のうちの１つを決定する工程と、決定及び少なくとも２つの較正値に応答して、電動モータ（２２）の電気的特性を調整する工程と、を含む。動力付き空気浄化人工呼吸装置の送風機システムは、電動モータ（２２）によって作動するファン（２１）を備えてもよく、このモータは、濾過された空気の強制的な流れをユーザー（０６）に供給するために、電子制御ユニット（２３）によって制御される。電子制御ユニット（２３）は、電動モータ（２２）の電気的特性に関する少なくとも２つの較正値をその中に記憶してもよい。このシステムは、電子制御ユニットと連通するように適合され、かつ（ａ）周囲空気密度又は（ｂ）周囲温度及び周囲気圧の一方を決定するように配置された、少なくとも１つのセンサ（２６）を備えてもよい。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、動力付き空気浄化人工呼吸装置（ＰＡＰＲ）で使用するための送風機システム、及び送風機システムの制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
潜在的に健康に有害な若しくは害を及ぼす粉塵、煙、若しくはガスが存在することが知られている、又はその危険性のある地域で作業をする場合、作業者は人工呼吸装置を使用するのが常である。そのような状況で使用される人工呼吸装置の一般的なタイプは、動力付き空気浄化人工呼吸装置（ＰＡＰＲ）である。ＰＡＰＲは、空気の強制的な流れを人工呼吸装置のユーザーに供給するために、電動モータによって作動するファンを備える送風機システムを有する。タービンユニットはハウジングであり、このハウジングは、典型的には、送風機システムを収容し、かつ、フィルタを送風機システムに接続するように適合される。空気は、送風機システムによってフィルタを通して引き込まれ、タービンユニットから呼吸管を通ってヘッドピース（headpiece）（例えば、ヘルメット又はヘッドトップ（headtop））へと送られて、濾過された空気がユーザーの呼吸ゾーン（鼻及び口の周囲領域）に提供される。ＰＡＰＲの送風機システムはまた、ファンを駆動する電力を調節するための電子制御ユニットを備える。典型的には、単一電力供給装置、例えば、電池が、ファン及び電子制御ユニットの両方に電力を提供する。
【０００３】
送風機からの実質的に一定体積の空気流を維持するのを目的として、電子制御ユニットを使用して、例えば、電動モータへの電力を制御することができる。用語「体積空気流」は、任意の一時点でユーザーに提供される空気の質量ではなく、任意の一時点でユーザーに提供される空気容量を示す。ユーザーは、指定されたレベルの呼吸保護が維持されるのを確実にするのに十分な空気流を必要とする。しかしながら、高すぎる空気流は、不快感や、ヘッドピース内部のユーザーの頭部の過剰冷却を引き起こし得る。低すぎる空気流は、ユーザーの呼吸ゾーン内への汚染物質の進入を引き起こし得る。電子制御ユニットはまた、例えば、空気流が指定レベルを下回っていることをユーザーに警告するため、又は、フィルタが粉塵でふさがれていて交換する必要があることをユーザーに警告するために、ユーザーに対し警報を発するのに使用されてもよい。モータ電圧、モータ電流、及びモータ速度の組み合わせに基づいて、ＰＡＰＲ送風機システムのファンモータへの電力を制御することが、以前に提案されている。この種の送風機制御システムの例は、米国特許出願第２００８／０１２７９７９号及び米国特許第７，２４４，１０６号に記載されている。
【０００４】
米国特許出願第２００８／０１２７９７９号は、特定のモータ速度及び対応の空気流を生成するための制御変数としてパルス幅変調（ＰＷＭ）比を使用する電子制御システムを記載している。ＰＷＭ比は、電子制御システムに記憶された検量線から読み出される。
【０００５】
米国特許第７，２４４，１０６号は、モータの電力消費及びファンの速度を検出し、これを、ファンからの所与の空気流に関するモータの特性曲線（記憶装置に記憶されている）と比較する制御ユニットを記載している。この特性曲線から逸脱する場合、制御ユニットは、モータに供給される電圧変化を調節して、一定の空気流を維持する。
【０００６】
濾過された空気の所定の体積空気流は、通常、ＰＡＰＲのユーザーに供給されて、粒子又はガスが呼吸ゾーンに進入することからの一定レベルの保護を提供するように意図されている。現在入手可能なシステムは、提供される空気が少なすぎる状態に陥るといった危険を冒さず、実際に必要なものよりはるかに高い体積空気流を提供する場合が多い。より高い空気流を提供するためにより多くの電力が消費されるので、より高い空気流とは、通常、充電までの電池寿命が低減すること、又はより大きな電池が必要であることを意味する。高い空気流を提供することによって、過剰な汚染空気がフィルタを通って移動し、その結果不必要な濾過及びフィルタの早すぎる目詰まり又は飽和を引き起こすので、フィルタ寿命もまた短縮する。フィルタは消耗品であり、ＰＡＰＲの耐用年数にわたって何度も交換することが必要であるので、これによりランニングコストがより高くなり得る。更なる問題は、多くのＰＡＰＲでは、空気流が所定のレベルを下回ったという事実をユーザーに警告する空気流下限警報器（low airflow alarm）が必要であるということである。不正確な空気流測定又は制御システムが使用されている場合、ユーザーが常に安全であることを確実にするために、警報レベルは人為的に高いレベルに設定されていることが多い。このことは、結果として、フィルタが必要以上に頻繁に交換される、又は、ユーザーが不必要に作業場を離れる原因となり得る。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
したがって、空気流が特定の体積の空気流となるようにより正確に制御することにより、充電までの電池寿命の改善又はより小さくかつ軽量な電池の使用、フィルタ寿命の改善、及び早すぎる空気流下限警報の低減をもたらすことができる。これら要因の全ては、改善されたユーザー生産性をもたらすことができる。
【０００８】
したがって、そのような問題を最小限に抑えると同時に、ＰＡＰＲの全体的な機能性を維持する又は改善する、ＰＡＰＲの制御方法を用いることが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、実質的に一定体積の空気流をユーザーに供給するための動力付き空気浄化人工呼吸装置の送風機システムを制御する方法を提供することにより、これらの問題に対処すること目的とし、このシステムは、濾過された空気の強制的な流れをユーザーに供給するために、電動モータによって作動され、電子制御ユニットによって制御されるファンと、電動モータの電気的特性に関する少なくとも２つの較正値をその中に記憶する電子制御ユニットとを備え、該方法は、（ａ）周囲空気密度又は（ｂ）周囲温度及び周囲気圧の一方を決定する工程と、決定及び少なくとも２つの較正値に応答して、電動モータの電気的特性を調整する工程と、を含む。
【００１０】
送風機を制御するときの１つ以上の周囲空気特性を考慮することにより、ユーザーに供給される体積空気流をより正確に制御することができるので、ＰＡＰＲのより良好な機能性を提供することができる。
【００１１】
本発明はまた、電動モータによって作動するファンと、ファンの速度と、ファンからの選択された実質的に一定体積の空気流に関して適用されたモータの電気的特性との間の所定の相関関係にしたがって、モータの電気的特性を調整するように動作可能な電子制御ユニットと、を備える、空気浄化人工呼吸装置の送風機システムを提供し、このシステムは、電子制御ユニットと連通するように適合され、かつ、（ａ）周囲空気密度又は（ｂ）周囲温度及び周囲気圧の一方を決定するように配置された、少なくとも１つのセンサを更に備え、この電子制御ユニットは、モータの電気的特性を調整して、ファンからの選択された実質的に一定体積の空気流を維持するために、（ａ）周囲空気密度又は（ｂ）周囲温度及び周囲気圧の決定に応答して動作可能である。
【００１２】
本発明の他の特徴は、添付の従属請求項から明らかになるであろう。
【００１３】
例示のみを目的として、添付の図面を参照しながら、以下に本発明の実施形態を説明す
る。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】動力付き空気浄化人工呼吸装置の概略図。
【図２】本発明の第１の実施形態による送風機システムのブロック図を示す。
【図３】本発明の第１の実施形態による送風機システムの電子制御ユニットの較正チャートを示す。
【図４】本発明の第２の実施形態に関する、空気密度とファン圧力との間の相関関係を示す。
【図５】本発明の第２の実施形態に関する、ファン圧力測定センサを備える送風機のブロック図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明は、ＰＡＰＲが高地又は海抜以下で使用される場合に遭遇する上記の問題が、周囲空気密度の変化によって引き起こされるという認識に基づいている。周囲気圧、したがって周囲空気密度は、高地又は海抜以下で作業する場合に著しく変化し得る。周囲空気密度の変化は、周囲温度又は周囲気圧の正常変動からも生じ得る。本発明は、周囲空気密度を考慮することによって、ＰＡＰＲユーザーに供給される体積空気流をより正確に制御できるようにし、したがって、ＰＡＰＲのより良好な機能性を提供できるようにする。これは、ＰＡＰＲを動かす電動モータの電圧、電流、又は電力などの電気的特性を、所定の較正手順にしたがって変化させることによって行われる。
【００１６】
用語「周囲」とは、本明細書では、ユーザーが受ける空気密度、温度、圧力、又は湿度を説明するために用いられる。周囲空気密度は、例えば、周囲気圧、周囲温度、及び周囲湿度の影響を受ける。これらの要因のそれぞれが周囲空気密度に与える影響の程度は異なっており、通常は気圧が最も大きな影響を有する。気温及び湿度の影響は少ないと考えられているが、周囲空気密度及び体積空気流を決定する際には、これらの要因もなお考慮に入れてもよい。
【００１７】
用語「湿度」は、絶対湿度、比湿、又は相対湿度のいずれかを意味するものと受け取られ得る。絶対湿度は、特定体積の空気中の水量と定義される。比湿は、水蒸気と空気との比と定義される。相対湿度は、空気と水蒸気のガス状混合物中の水蒸気の分圧と、所定の温度における水の飽和蒸気圧との比と定義される。絶対湿度値、比湿値、又は相対湿度値のいずれかの測定は、ユーザーの要望及び周囲条件に従い必要に応じて行われてもよい。
【００１８】
単なる例として、ＰＡＰＲが予測可能に使用され得る範囲内での、周囲気圧、周囲温度及び周囲湿度の影響としては、次が挙げられる。
【００１９】
周囲気圧−例えば、海抜ゼロ地点の１１００ｍｂａｒから、例えば、海抜２５００メートルの７５０ｍｂａｒへと大気圧を変化させることにより、空気密度は初期空気密度の約６８％へと減少することになる。
【００２０】
周囲温度−気温を０℃から最高５０℃へと変化させることにより、空気密度は初期空気密度の約８４％へと減少することになる。
【００２１】
周囲湿度−０℃における周囲湿度、相対湿度ＲＨを、０％ ＲＨから１００％ ＲＨへと変化させることにより、空気密度は初期空気密度の約９９．７％へと減少することになり、２５℃では空気密度は初期空気密度の約９８．８％へと減少することになり、また５０℃では空気密度は初期空気密度の約９６．５％へと減少することになる。
【００２２】
したがって、周囲気圧のみに基づいて空気密度補償を適用することにより、かなりの偏差及び不正確さを補償することができる。圧力及び温度の両方に基づく補償は、精度を更に改善する。湿度、温度、及び圧力に基づく補償は、最良の精度をもたらすが、温度及び圧力よりわずかに優れているだけである。
【００２３】
以下に記載される実施形態のそれぞれは、図１に示されるようにタービンを採用している。図１は、動力付き空気浄化人工呼吸装置の概略図である。ＰＡＰＲは、ヘッドピース１と、タービンユニット２と、呼吸管３と、フィルタ４と、ベルト５とを備えている。ヘッドピース１は、ユーザー６の頭部に着用される。ヘッドピース１は、ユーザー６の頭部を少なくとも部分的に囲んで、呼吸ゾーン７、即ち、ユーザーの鼻及び口の周囲部位を形成し、濾過された空気は、この呼吸ゾーン７に向けられる。タービンユニット２は、ユーザーの胴体の周囲に固定できるように、ベルト５に取り付けられてもよい。タービンユニット２は送風機システム（図示せず）を収容し、この送風機システムは、ファン（図示せず）を使用してＰＡＰＲシステムを通して空気を引き出す。タービンユニット２は、タービンユニット２の排気口８とヘッドピース１の吸気口９との間に接続されている呼吸管３を通して、空気をヘッドピース１に供給する。タービンユニット２にはフィルタ４が装着されており、このフィルタ４は、空気流路内に存在する（好ましくは送風機のファン開口部の上流に配置される）ように、タービンユニットの内部にあるか、又は図１に示されるようにタービンユニットに取り付けられるかのいずれかであり得る。フィルタ４を備える目的は、空気がユーザー６に供給される前に、周囲空気から粒子及び／又はガス及び／又は蒸気を除去することである。タービンユニット２に取り付けられた電池パック１０は、電子制御ユニット２３及びモータ２２（共に、以下に論じられる図２に示される）に電力を供給する。
【００２４】
以下は、本発明の第１の実施形態による送風機システムがどのように動作するかを示す。以下の実施例において、ＰＡＰＲの構成部品は、図１及び図２を参照して上述されたものであると仮定することができる。
【００２５】
図２は、本発明の第１の実施形態による送風機システムのブロック図を示す。この送風機システムは、図１に示されるタービンユニット２内に収容される。本発明のこの実施形態によると、送風機２０は、吸気口１８と排気口１９とを有するハウジング１７を備える。送風機２０は、モータ２２によって駆動される複数の羽根１６を有するファン２１を更に備える。送風機２０は電子制御ユニット２３によって制御され、この電子制御ユニット２３は、モータ２２に提供される電力を調節する。
【００２６】
ユーザー６が吸い込むときに、ユーザー６が容易かつ正常に呼吸するのに十分なだけの濾過された空気が利用可能であり、また、潜在的に汚染された周囲空気が吸い込まれないように、所定の、実質的に一定体積の空気流がユーザーの呼吸ゾーン７に供給されるのが望ましい。実質的に一定体積の空気流は、好ましくは、所望の又は所定の空気流からの偏差が、毎分−５〜＋１５リットルの範囲である空気流量であるが、これに限定されない。
【００２７】
特定の体積空気流量で実質的に一定体積の空気流を達成するためには、空気流が既知でなくてはならない、又は、様々な作動パラメータと所要の空気流との間の相関関係が既知でなくてはならない。離散空気流センサ（discrete airflow sensor）を使用して、体積空気流をモニタすることが可能である。しかしながら、本発明において、以下に記載されるように、ファン又はモータ速度、モータ電圧、モータ電流、及びモータ電力といったファン２１及びモータ２２の種々の作動パラメータを用いて、体積空気流を決定できることが見出された。
【００２８】
図２を更に参照すると、送風機システムは電子制御ユニット２３を備え、この電子制御ユニット２３は、実質的に均一な、好ましくは一定の体積空気流がヘッドピース１に送られるのを維持するように機能する。電子制御ユニット２３は、情報を算出するための、単一チップ・マイクロコントローラなどのマイクロプロセッサ装置２４と、情報、例えば、較正データを記憶するための、フラッシュＲＡＭなどの記憶装置２５と、モータ電流センサ及びファン速度センサなどのセンサからデータを受信するための、センサ入力受信機２６ａ、２６ｂ、２６ｃと、モータ２２、及びＰＡＰＲに含まれてもよいブザー又は発光ダイオードなどのあらゆる警報器又は状態表示器に電力を提供するための、パルス幅変調コントローラチップなどの出力制御装置２７と、を備える。電子制御ユニット２３の記憶装置２５は、固定記憶装置及び一時記憶装置といった２つの部分を有する。固定記憶装置には、例えば、製造時に、マイクロプロセッサ２４が算出及び手順を実行するのを可能にするアルゴリズム及びプログラム、並びに工場較正手順からの較正情報を含むデータが取り込まれる。一時記憶装置は、センサ読取り値などのデータ及び情報、並びに、タービンユニット２の起動及び運転中に収集されるファン作動パラメータデータを記憶するために使用される。必要に応じて、タービンユニット２の電源が切られるときに、このデータは消去されてもよい。
【００２９】
３相の矩形波駆動ブラシレス直流モータ２２を使用して、送風機２０のファン２１を駆動してもよい。次の等式：ＥＱ．１、ＥＱ．２及びＥＱ．３は周知であり、かかるモータの主要パラメータ間の関係を示す。
【数１】
【００３０】
上で説明したように、送風機２０は、フィルタ４（１つ又は複数）を通して空気を移動させて、この空気をユーザー６に供給するために使用されるファン２１を備える。図に示されるファン２１は、しばしば遠心ファン又はラジアルファン（radial fan）として知られるタイプのファンであり、即ち、空気はファン軸の方向にファンに入り、ファンに対して半径方向に出て行く。
【００３１】
次のファン法則方程式は、ファン速度及び空気密度が変化した場合に、ファン２１の性能がどのように変化するかを示す。
【数２】
【００３２】
実質的に一定体積の空気流を維持するために、較正点のファン速度要素は不変でなければならないことが、等式ＥＱ．４からわかる。
ｎ２＝ｎ１ （ＥＱ．８）
【００３３】
更に、等式ＥＱ．１、ＥＱ．２、ＥＱ．３、及びＥＱ．６を組み合わせることで、空気密度が変化したときに、較正点の印加モータ電圧要素をどのように動かしたらよいかを表す。
【数３】
【００３４】
結論として、周囲空気密度の変化を補償するために、較正点のファン速度要素を変更する必要がないことがわかる（等式ＥＱ．８参照）。しかしながら、較正点の印加モータ電圧要素は、周囲空気密度が変化する場合、等式ＥＱ．９及びＥＱ．１０にしたがって変更される必要がある。
【００３５】
図３は、本発明の第１の実施形態による送風機システムの電子制御ユニットの較正チャートを示している。これは、実質的に一定体積の空気流を決定する過程で用いられる。電子制御ユニット２３は、ファン速度と印加モータ電圧との間の正比例関係を示す較正チャート３０を参照する。所定の実質的に一定体積の空気流は、２つの較正点である高３１及び低３２で示されている。各較正点は、印加モータ電圧及びファン速度に関する情報を含む。実質的に一定体積の空気流を維持するために、例えば、フィルタ４（１つ又は複数）が粉塵及び煙で次第に詰まり、そのため送風機２０の性能が変化する場合、電子制御ユニット２３は、２つの較正点３１、３２の間の線３３に沿って追尾する。これは、ルックアップテーブル又は他のデータ配列を用いて行われてもよい。電子制御ユニットは、センサ２８を使用してファン速度を測定し、これを較正線と比較した後、所定の体積空気流を維持するために、適切なモータ電圧２９を印加する。
【００３６】
本発明では、較正点、したがって追尾線は、ある特定の空気密度にとって最適であるという認識が利用されている。空気密度を測定することにより、実際の空気密度を明らかにし、かつ実質的に一定体積の空気流を維持するために、較正点を適切に移動させることができる。
【００３７】
ファン速度は、送風機２０に取り付けられたセンサ２８を用いて測定され、このセンサ２８は、一定時間内のファン２１の回転数を測定する。ファン速度を測定するためのセンサの好適な種類は、ホール効果素子であるが、他の種類のセンサを使用することができる。ファン速度情報は、電子制御ユニット２３のマイクロプロセッサ装置２４によって受信される。電動モータ２２への印加電圧２７は、電子制御ユニット２３のマイクロプロセッサ２４への入力２６によって直接モニタされる。
【００３８】
周囲温度及び周囲気圧を測定するためのセンサを使用して、周囲空気密度を決定してもよい。周囲気圧及び温度を共に測定するのに適した安価なセンサは、ＶＴＩ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ Ｏｙ（ＦＩ−０１６２１，Ｖａｎｔａａ，Ｆｉｎｌａｎｄ）によって製造されるセンサのＳＣＰ１０００シリーズの固体センサである。こうした温度及び圧力センサは、離散空気流センサよりも安価であり、広く利用可能であり、信頼性があり、かつ設置しやすい。あるいは、必要に応じて、別個の温度センサ及び圧力センサを使用することも可能であり、大気温度又は大気圧を測定することができるほとんどの固体温度センサ及び圧力センサが好適である。
【００３９】
温度及び圧力センサ２９は、タービンユニット２の中に設置されるのが好ましい。センサが大気にさらされるように、ハウジングを封止しないことが重要である。センサ２９の位置は、送風機２０又は電子制御ユニット２３のあらゆる他の部品から著しい影響を受けないように選択されるべきである。これは、他の送風機構成要素の動作によって引き起こされる、使用中の温度変動を回避するためであり、この使用中の温度変動は、誤った周囲温度測定値をもたらす可能性がある。センサ２９は、使用中に加圧される又は減圧されるタービンユニット２の領域内に設置されるべきでなく、もし設置されると、この場合もまた誤った測定値を生じさせることになる。
【００４０】
以下の工程は、タービンユニット２が製造中に初期較正される場合に実施される。所定の実質的に一定体積の空気流のそれぞれの、高い較正点３１及び低い較正点３２を決定する。各較正点のファン速度及び印加モータ電圧３２も測定して、電子制御ユニットの固定記憶装置２５に保存する。較正時の周囲気圧及び温度の少なくとも一方を、電子制御ユニット２３を介してセンサ２９（１つ又は複数）で測定して、固定記憶装置２５に保存する。マイクロプロセッサ２４により適切なアルゴリズムを用いて空気密度を算出して、公称空気密度として固定記憶装置に保存する。あるいは、空気密度を直接測定し、同じ較正プロセスを行う。
【００４１】
空気密度が変化する場合は、以下に記載の空気密度補償手順に基づいて較正点を移動させる必要がある。較正プロセスの一環として周囲気圧及び温度が測定される場合には、以下の工程を用いる。タービンユニットの起動時、即ち、タービンユニットのスイッチが入れられると、センサ２９は、実際の周囲気圧及び温度の両方を測定することができ、この周囲気圧及び温度は、工場較正の際に測定されたものと異なる可能性がある。次に、マイクロプロセッサ２４を用いて、これらの値から実際の空気密度を算出して、一時記憶装置に保存する。固定記憶装置に記憶された全較正点３１、３２の公称印加モータ電圧成分を、マイクロプロセッサ２４で読み出す。次に、等式ＥＱ．１０、工場較正時に固定記憶装置に予め保存された空気密度情報、及び、一時記憶装置に保存された実際の空気密度情報を用いて、各成分に変更を加える。変更された値は、訂正済み較正点として一時記憶装置に保存される。較正手順と同様に、上方の訂正済み較正点３５及び下方の訂正済み較正点３６を保存する。
【００４２】
較正点３１、３２の公称ファン速度部分は変化しない。これで、実質的に一定体積の空気流維持手順において、新しい訂正済み較正点を使用することができる。例えば、フィルタ４（１つ又は複数）が、例えば、粉塵及び／又は煙で次第に詰まり、送風機２０の性能が変化すると、電子制御ユニット２３は、２つの訂正済み較正点３５、３６の間の線３４に沿って追尾する。空気密度補償手順は、一定間隔で、例えば、１０分おき又は１時間おきに繰り返され、必要な場合には、それに応じて空気流が調整される。
【００４３】
こうして、上記手順は、空気密度変動について補償されている実質的に一定体積の空気流量を、タービンユニット２が供給するのを可能にすることができる。
【００４４】
実質的に一定体積の空気流をより精密に制御することによる利益は、空気密度の変化又は変動を考慮に入れて、空気流を人為的に高く設定する必要がないことである。それに対して、実質的に一定体積の空気流は、所要の呼吸保護を上回るが、充電までの電池１０の寿命、及びフィルタ４（１つ又は複数）の耐用年数が最大になるレベルに設定されることができる。したがって、交換までの電池１０の寿命が長くなり、フィルタ４（１つ又は複数）が必要とする交換の頻度が少なくなるので、ＰＡＰＲのランニングコストが低減され、ユーザー６のダウンタイム量もまた短縮されるはずである。
【００４５】
典型的には、空気は、所定の実質的に一定体積の空気流でユーザー６に供給される必要がある。しかしながら、ある特定の状況では、ユーザー６が空気流を異なるレベルに調整することができる必要があり得る。例えば、ユーザー６が通常よりも特に忙しく作業している場合、及び深い又は速い速度で呼吸している場合、ユーザー６は、空気流を増加させることを望む可能性がある。これを可能にするために、電子制御ユニットは、離散的な範囲の２つ、３つ、又はそれ以上の、事前に設定された異なる空気流値（例えば、毎分１６０リットル又は毎分１８０リットル）を備えているのが好ましい。しかしながら、制御ユニットは、通常、ユーザー６が空気流を、最低限の保護が提供されるレベルを下回るまでうっかり低減させることができないように設定されている。
【００４６】
代替的な空気密度補償手順を用いる、本発明の更なる実施形態を説明する。
【００４７】
図４は、本発明の第２の実施形態に関する、空気密度とファン圧力との間の相関関係を示している。ＰＡＰＲ送風機システムで使用されるラジアルファンに関し、所定のファン速度及び所定のモータ電圧における空気密度とファン圧力との間には、相関関係４０が存在する。図５は、本発明の一実施形態のファン圧力測定センサを備える送風機のブロック図を示している。ファン圧力は、図５に示されるようなファンの吸気口５１とファンの排気口５２との間の差圧の測定値である。したがって、ファン圧力は、送風機に取り付けられた差圧変換器５３を用いて測定されることができる。所定のファン速度条件及びモータ電圧条件で短時間送風機システムを動かすことによって、ＰＡＰＲの起動時に空気密度の算定を行うことができ、その間に、ファン圧力を測定し、周囲空気密度を決定することができる。相関関係情報は、電子制御ユニットの記憶装置に記憶されることができ、空気密度の算定は、マイクロプロセッサのプログラムによって行われる。
【００４８】
本発明による第３の実施形態は、空気密度補償の代替的な決定方法を用いる。ユーザー６は、空気密度測定を達成することができるように、特定の条件を作成する必要がある。ＰＡＰＲの製造中の工場較正の時点で、既知の負荷条件が作成される。既知の負荷条件とは、送風機にかかる予め測定された圧力負荷であり、フィルタの部分的目詰まりなどの未知の圧力影響の影響を受けない。既知の負荷条件は、フィルタ又は呼吸管３がタービンユニット２に接続されていない場合の最小負荷、又は、タービンユニット２の排気口８が遮断されているときの最大負荷のいずれかであり得る。選択されたこれら条件のいずれか一方の条件下で、モータ電圧を固定し、ファン速度を測定し、これら両方の値を、較正時の周囲空気密度と共に、電子制御ユニットの記憶装置に記憶させる。使用中、ユーザー６は、同じ負荷条件を作成して、較正シーケンスを開始する必要がある。その後、電子制御ユニットは、工場較正と同じモータ電圧で送風機２０を作動させることになる。次に、ファン速度が測定され、このファン速度は較正中のファン速度と比較され、較正時の空気密度と共に、現在の空気密度を決定するために用いられる。次に、ユーザー６は、ＰＡＰＲを使用すべく設定することができ、空気密度補償手順が適用され得る。
【００４９】
第３の実施形態による方法は、モータ電圧、モータ電流、又はファン速度のうちの任意の２つのパラメータを、一方のパラメータを一定に保ち、もう一方を測定することによって、最大又は最小負荷条件のいずれかと組み合わせて用いることができる。
【００５０】
空気密度は、前述の手段に代えて、様々な手段によって決定されてもよい。本発明の第４の実施形態によると、空気密度は、ＰＡＰＲとは独立に測定又は算定されることができる。これは、例えば、独立した専用の空気密度測定機器によって行われてもよい。ＰＡＰＲは、ユーザー６が、キーパッド又はタッチスクリーンなどのマンマシーン・インターフェースを介して、空気密度を入力できるようにイネーブルされ得る。この実施形態では、電子制御ユニットは、空気密度補償手順を適用する際に、空気密度の算定を行う必要がなくなることになる。
【００５１】
本発明のこの実施形態によるＰＡＰＲはまた、大気圧、周囲温度、若しくは周囲湿度、又は好ましくはこれらパラメータの組み合わせが、好適なインターフェースを介して電子制御ユニットに入力されることができるようにイネーブルされ得る。電子制御ユニットは、空気密度補償手順を行う前に、周囲空気密度を算定できるようにイネーブルされ得る。この方法では、ユーザー６は、ＰＡＰＲとは別個に、好適な測定機器を使用してパラメータを測定することが必要となる。
【００５２】
空気密度補償は、電子制御ユニットに高度を入力するユーザー６によって達成されてもよい。高度は、ユーザー６が好適な機器で測定することにより、又は地図若しくはＧＰＳシステムを参照することにより、得ることができる。電子制御ユニットは、記憶装置に予め記憶されたプログラム情報を用いて、所与の高度における周囲気圧、ひいては空気密度の近似を推定するようにイネーブルされ得る。
【００５３】
本発明の上記実施例及び実施形態では、体積空気流を制御するのに使用される電動モータ２２の電気的特性は電圧であるが、電動モータ２２の電流出力又は電力出力を、較正プロセス及び使用中の両方における代替物として使用することができることは、容易に想定される。
【００５４】
ヘッドピース１は、様々な形状を有してもよい。図１ではフードが例示されているが、ヘッドピース１は、空気をユーザーの呼吸ゾーン７に方向付けるためにユーザーの顔の少なくとも口鼻領域を覆うものであれば、ヘルメット、マスク、又はフルスーツであることができる。フルフェイスの人工呼吸装置又はハーフフェイスマスクの人工呼吸装置を、本発明の実施形態と共にヘッドピースとして使用してもよい。ユーザーの体６又はそれ以外の上にタービンユニット２を支持するための代替的方法もまた、本開示の範囲内である。例えば、バックパック型の支持体がタービンユニット２に提供されてもよい。
【００５５】
一般に、ＰＡＰＲでヘルメット又はフードを使用する場合、マスクが用いられる場合よりも高い空気流が望ましい。ユーザー６がヘルメットとマスクを交換する可能性がある場合、又は、タービンユニット２が複数のユーザーの間で共有される場合には、実質的に一定体積の空気流の範囲を有するのが望ましい。実質的に一定体積の空気流の範囲は、第１の空気流量と第２の空気流量との間で連続的に可変であってもよく、又は、第１の空気流量と第２の空気流量との間の一連の不連続な段階であってもよい。例えば、システムは、ＰＡＰＲとともに使用するために第１の所定の空気流値に設定され、また、マスクとともに使用するために、第２のより低い所定の空気流値に設定されてもよい。
【００５６】
上述のような空気密度補償を備えるＰＡＰＲは、より小型で軽量な電池、及びより小型で軽量な又は薄型のフィルタを有して設計されてもよい。ユーザー６に空気が供給される前に周囲空気から粒子及び／又はガス並びに蒸気を除去するために、タービンユニット２には、空気流路中に２つ以上のフィルタ４が装着されてもよい。フィルタ４（１つ又は複数）は、タービンユニット２の内部にあってもよく、又はタービンユニット２の外部に取り付けられてもよい。電池１０は、図１に示されるようにタービンユニット２に取り付けられてもよく、又は、タービンユニット２から離れたところにあって、好適なケーブルで接続されてもよい。
【００５７】
上述の実施形態で使用されるモータは、３相の矩形波駆動ブラシレス直流モータである。あるいは、分割された整流子ブラシ直流モータが使用されてもよい。その理由は、等式ＥＱ．１、ＥＱ．２及びＥＱ．３が、ブラシ型及びブラシレス型モータの両方に当てはまることが既知であるからである。その結果、人工呼吸装置の業界で既知であるほとんどの型の直流モータを、本発明の送風機２０で使用することが可能である。ＰＡＰＲ用途に関して当該技術分野において既知である、その他の直流型でないモータを、上述の実施形態のモータの代替物として使用することが可能である。パルス幅変調などの代替的なモータ制御方法もまた、本発明の範囲内であると想定される。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、動力付き空気浄化人工呼吸装置（ＰＡＰＲ）で使用するための送風機システム、及び送風機システムの制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
潜在的に健康に有害な若しくは害を及ぼす粉塵、煙、若しくはガスが存在することが知られている、又はその危険性のある地域で作業をする場合、作業者は人工呼吸装置を使用するのが常である。そのような状況で使用される人工呼吸装置の一般的なタイプは、動力付き空気浄化人工呼吸装置（ＰＡＰＲ）である。ＰＡＰＲは、空気の強制的な流れを人工呼吸装置のユーザーに供給するために、電動モータによって作動するファンを備える送風機システムを有する。タービンユニットはハウジングであり、このハウジングは、典型的には、送風機システムを収容し、かつ、フィルタを送風機システムに接続するように適合される。空気は、送風機システムによってフィルタを通して引き込まれ、タービンユニットから呼吸管を通ってヘッドピース（headpiece）（例えば、ヘルメット又はヘッドトップ（headtop））へと送られて、濾過された空気がユーザーの呼吸ゾーン（鼻及び口の周囲領域）に提供される。ＰＡＰＲの送風機システムはまた、ファンを駆動する電力を調節するための電子制御ユニットを備える。典型的には、単一電力供給装置、例えば、電池が、ファン及び電子制御ユニットの両方に電力を提供する。
【０００３】
送風機からの実質的に一定体積の空気流を維持するのを目的として、電子制御ユニットを使用して、例えば、電動モータへの電力を制御することができる。用語「体積空気流」は、任意の一時点でユーザーに提供される空気の質量ではなく、任意の一時点でユーザーに提供される空気容量を示す。ユーザーは、指定されたレベルの呼吸保護が維持されるのを確実にするのに十分な空気流を必要とする。しかしながら、高すぎる空気流は、不快感や、ヘッドピース内部のユーザーの頭部の過剰冷却を引き起こし得る。低すぎる空気流は、ユーザーの呼吸ゾーン内への汚染物質の進入を引き起こし得る。電子制御ユニットはまた、例えば、空気流が指定レベルを下回っていることをユーザーに警告するため、又は、フィルタが粉塵でふさがれていて交換する必要があることをユーザーに警告するために、ユーザーに対し警報を発するのに使用されてもよい。モータ電圧、モータ電流、及びモータ速度の組み合わせに基づいて、ＰＡＰＲ送風機システムのファンモータへの電力を制御することが、以前に提案されている。この種の送風機制御システムの例は、米国特許出願第２００８／０１２７９７９号及び米国特許第７，２４４，１０６号に記載されている。
【０００４】
米国特許出願第２００８／０１２７９７９号は、特定のモータ速度及び対応の空気流を生成するための制御変数としてパルス幅変調（ＰＷＭ）比を使用する電子制御システムを記載している。ＰＷＭ比は、電子制御システムに記憶された検量線から読み出される。
【０００５】
米国特許第７，２４４，１０６号は、モータの電力消費及びファンの速度を検出し、これを、ファンからの所与の空気流に関するモータの特性曲線（記憶装置に記憶されている）と比較する制御ユニットを記載している。この特性曲線から逸脱する場合、制御ユニットは、モータに供給される電圧変化を調節して、一定の空気流を維持する。
【０００６】
濾過された空気の所定の体積空気流は、通常、ＰＡＰＲのユーザーに供給されて、粒子又はガスが呼吸ゾーンに進入することからの一定レベルの保護を提供するように意図されている。現在入手可能なシステムは、提供される空気が少なすぎる状態に陥るといった危険を冒さず、実際に必要なものよりはるかに高い体積空気流を提供する場合が多い。より高い空気流を提供するためにより多くの電力が消費されるので、より高い空気流とは、通常、充電までの電池寿命が低減すること、又はより大きな電池が必要であることを意味する。高い空気流を提供することによって、過剰な汚染空気がフィルタを通って移動し、その結果不必要な濾過及びフィルタの早すぎる目詰まり又は飽和を引き起こすので、フィルタ寿命もまた短縮する。フィルタは消耗品であり、ＰＡＰＲの耐用年数にわたって何度も交換することが必要であるので、これによりランニングコストがより高くなり得る。更なる問題は、多くのＰＡＰＲでは、空気流が所定のレベルを下回ったという事実をユーザーに警告する空気流下限警報器（low airflow alarm）が必要であるということである。不正確な空気流測定又は制御システムが使用されている場合、ユーザーが常に安全であることを確実にするために、警報レベルは人為的に高いレベルに設定されていることが多い。このことは、結果として、フィルタが必要以上に頻繁に交換される、又は、ユーザーが不必要に作業場を離れる原因となり得る。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
したがって、空気流が特定の体積の空気流となるようにより正確に制御することにより、充電までの電池寿命の改善又はより小さくかつ軽量な電池の使用、フィルタ寿命の改善、及び早すぎる空気流下限警報の低減をもたらすことができる。これら要因の全ては、改善されたユーザー生産性をもたらすことができる。
【０００８】
したがって、そのような問題を最小限に抑えると同時に、ＰＡＰＲの全体的な機能性を維持する又は改善する、ＰＡＰＲの制御方法を用いることが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、実質的に一定体積の空気流をユーザーに供給するための動力付き空気浄化人工呼吸装置の送風機システムを制御する方法を提供することにより、これらの問題に対処すること目的とし、このシステムは、濾過された空気の強制的な流れをユーザーに供給するために、電動モータによって作動され、電子制御ユニットによって制御されるファンと、電動モータの電気的特性に関する少なくとも２つの較正値をその中に記憶する電子制御ユニットとを備え、該方法は、（ａ）周囲空気密度又は（ｂ）周囲温度及び周囲気圧の一方を決定する工程と、決定及び少なくとも２つの較正値に応答して、電動モータの電気的特性を調整する工程と、を含む。
【００１０】
送風機を制御するときの１つ以上の周囲空気特性を考慮することにより、ユーザーに供給される体積空気流をより正確に制御することができるので、ＰＡＰＲのより良好な機能性を提供することができる。
【００１１】
本発明はまた、電動モータによって作動するファンと、ファンの速度と、ファンからの選択された実質的に一定体積の空気流に関して適用されたモータの電気的特性との間の所定の相関関係にしたがって、モータの電気的特性を調整するように動作可能な電子制御ユニットと、を備える、空気浄化人工呼吸装置の送風機システムを提供し、このシステムは、電子制御ユニットと連通するように適合され、かつ、（ａ）周囲空気密度又は（ｂ）周囲温度及び周囲気圧の一方を決定するように配置された、少なくとも１つのセンサを更に備え、この電子制御ユニットは、モータの電気的特性を調整して、ファンからの選択された実質的に一定体積の空気流を維持するために、（ａ）周囲空気密度又は（ｂ）周囲温度及び周囲気圧の決定に応答して動作可能である。
【００１２】
本発明の他の特徴は、添付の従属請求項から明らかになるであろう。
【００１３】
例示のみを目的として、添付の図面を参照しながら、以下に本発明の実施形態を説明す
る。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】動力付き空気浄化人工呼吸装置の概略図。
【図２】本発明の第１の実施形態による送風機システムのブロック図を示す。
【図３】本発明の第１の実施形態による送風機システムの電子制御ユニットの較正チャートを示す。
【図４】本発明の第２の実施形態に関する、空気密度とファン圧力との間の相関関係を示す。
【図５】本発明の第２の実施形態に関する、ファン圧力測定センサを備える送風機のブロック図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明は、ＰＡＰＲが高地又は海抜以下で使用される場合に遭遇する上記の問題が、周囲空気密度の変化によって引き起こされるという認識に基づいている。周囲気圧、したがって周囲空気密度は、高地又は海抜以下で作業する場合に著しく変化し得る。周囲空気密度の変化は、周囲温度又は周囲気圧の正常変動からも生じ得る。本発明は、周囲空気密度を考慮することによって、ＰＡＰＲユーザーに供給される体積空気流をより正確に制御できるようにし、したがって、ＰＡＰＲのより良好な機能性を提供できるようにする。これは、ＰＡＰＲを動かす電動モータの電圧、電流、又は電力などの電気的特性を、所定の較正手順にしたがって変化させることによって行われる。
【００１６】
用語「周囲」とは、本明細書では、ユーザーが受ける空気密度、温度、圧力、又は湿度を説明するために用いられる。周囲空気密度は、例えば、周囲気圧、周囲温度、及び周囲湿度の影響を受ける。これらの要因のそれぞれが周囲空気密度に与える影響の程度は異なっており、通常は気圧が最も大きな影響を有する。気温及び湿度の影響は少ないと考えられているが、周囲空気密度及び体積空気流を決定する際には、これらの要因もなお考慮に入れてもよい。
【００１７】
用語「湿度」は、絶対湿度、比湿、又は相対湿度のいずれかを意味するものと受け取られ得る。絶対湿度は、特定体積の空気中の水量と定義される。比湿は、水蒸気と空気との比と定義される。相対湿度は、空気と水蒸気のガス状混合物中の水蒸気の分圧と、所定の温度における水の飽和蒸気圧との比と定義される。絶対湿度値、比湿値、又は相対湿度値のいずれかの測定は、ユーザーの要望及び周囲条件に従い必要に応じて行われてもよい。
【００１８】
単なる例として、ＰＡＰＲが予測可能に使用され得る範囲内での、周囲気圧、周囲温度及び周囲湿度の影響としては、次が挙げられる。
【００１９】
周囲気圧−例えば、海抜ゼロ地点の１１００ｍｂａｒから、例えば、海抜２５００メートルの７５０ｍｂａｒへと大気圧を変化させることにより、空気密度は初期空気密度の約６８％へと減少することになる。
【００２０】
周囲温度−気温を０℃から最高５０℃へと変化させることにより、空気密度は初期空気密度の約８４％へと減少することになる。
【００２１】
周囲湿度−０℃における周囲湿度、相対湿度ＲＨを、０％ ＲＨから１００％ ＲＨへと変化させることにより、空気密度は初期空気密度の約９９．７％へと減少することになり、２５℃では空気密度は初期空気密度の約９８．８％へと減少することになり、また５０℃では空気密度は初期空気密度の約９６．５％へと減少することになる。
【００２２】
したがって、周囲気圧のみに基づいて空気密度補償を適用することにより、かなりの偏差及び不正確さを補償することができる。圧力及び温度の両方に基づく補償は、精度を更に改善する。湿度、温度、及び圧力に基づく補償は、最良の精度をもたらすが、温度及び圧力よりわずかに優れているだけである。
【００２３】
以下に記載される実施形態のそれぞれは、図１に示されるようにタービンを採用している。図１は、動力付き空気浄化人工呼吸装置の概略図である。ＰＡＰＲは、ヘッドピース１と、タービンユニット２と、呼吸管３と、フィルタ４と、ベルト５とを備えている。ヘッドピース１は、ユーザー６の頭部に着用される。ヘッドピース１は、ユーザー６の頭部を少なくとも部分的に囲んで、呼吸ゾーン７、即ち、ユーザーの鼻及び口の周囲部位を形成し、濾過された空気は、この呼吸ゾーン７に向けられる。タービンユニット２は、ユーザーの胴体の周囲に固定できるように、ベルト５に取り付けられてもよい。タービンユニット２は送風機システム（図示せず）を収容し、この送風機システムは、ファン（図示せず）を使用してＰＡＰＲシステムを通して空気を引き出す。タービンユニット２は、タービンユニット２の排気口８とヘッドピース１の吸気口９との間に接続されている呼吸管３を通して、空気をヘッドピース１に供給する。タービンユニット２にはフィルタ４が装着されており、このフィルタ４は、空気流路内に存在する（好ましくは送風機のファン開口部の上流に配置される）ように、タービンユニットの内部にあるか、又は図１に示されるようにタービンユニットに取り付けられるかのいずれかであり得る。フィルタ４を備える目的は、空気がユーザー６に供給される前に、周囲空気から粒子及び／又はガス及び／又は蒸気を除去することである。タービンユニット２に取り付けられた電池パック１０は、電子制御ユニット２３及びモータ２２（共に、以下に論じられる図２に示される）に電力を供給する。
【００２４】
以下は、本発明の第１の実施形態による送風機システムがどのように動作するかを示す。以下の実施例において、ＰＡＰＲの構成部品は、図１及び図２を参照して上述されたものであると仮定することができる。
【００２５】
図２は、本発明の第１の実施形態による送風機システムのブロック図を示す。この送風機システムは、図１に示されるタービンユニット２内に収容される。本発明のこの実施形態によると、送風機２０は、吸気口１８と排気口１９とを有するハウジング１７を備える。送風機２０は、モータ２２によって駆動される複数の羽根１６を有するファン２１を更に備える。送風機２０は電子制御ユニット２３によって制御され、この電子制御ユニット２３は、モータ２２に提供される電力を調節する。
【００２６】
ユーザー６が吸い込むときに、ユーザー６が容易かつ正常に呼吸するのに十分なだけの濾過された空気が利用可能であり、また、潜在的に汚染された周囲空気が吸い込まれないように、所定の、実質的に一定体積の空気流がユーザーの呼吸ゾーン７に供給されるのが望ましい。実質的に一定体積の空気流は、好ましくは、所望の又は所定の空気流からの偏差が、毎分−５〜＋１５リットルの範囲である空気流量であるが、これに限定されない。
【００２７】
特定の体積空気流量で実質的に一定体積の空気流を達成するためには、空気流が既知でなくてはならない、又は、様々な作動パラメータと所要の空気流との間の相関関係が既知でなくてはならない。離散空気流センサ（discrete airflow sensor）を使用して、体積空気流をモニタすることが可能である。しかしながら、本発明において、以下に記載されるように、ファン又はモータ速度、モータ電圧、モータ電流、及びモータ電力といったファン２１及びモータ２２の種々の作動パラメータを用いて、体積空気流を決定できることが見出された。
【００２８】
図２を更に参照すると、送風機システムは電子制御ユニット２３を備え、この電子制御ユニット２３は、実質的に均一な、好ましくは一定の体積空気流がヘッドピース１に送られるのを維持するように機能する。電子制御ユニット２３は、情報を算出するための、単一チップ・マイクロコントローラなどのマイクロプロセッサ装置２４と、情報、例えば、較正データを記憶するための、フラッシュＲＡＭなどの記憶装置２５と、モータ電流センサ及びファン速度センサなどのセンサからデータを受信するための、センサ入力受信機２６ａ、２６ｂ、２６ｃと、モータ２２、及びＰＡＰＲに含まれてもよいブザー又は発光ダイオードなどのあらゆる警報器又は状態表示器に電力を提供するための、パルス幅変調コントローラチップなどの出力制御装置２７と、を備える。電子制御ユニット２３の記憶装置２５は、固定記憶装置及び一時記憶装置といった２つの部分を有する。固定記憶装置には、例えば、製造時に、マイクロプロセッサ２４が算出及び手順を実行するのを可能にするアルゴリズム及びプログラム、並びに工場較正手順からの較正情報を含むデータが取り込まれる。一時記憶装置は、センサ読取り値などのデータ及び情報、並びに、タービンユニット２の起動及び運転中に収集されるファン作動パラメータデータを記憶するために使用される。必要に応じて、タービンユニット２の電源が切られるときに、このデータは消去されてもよい。
【００２９】
３相の矩形波駆動ブラシレス直流モータ２２を使用して、送風機２０のファン２１を駆動してもよい。次の等式：ＥＱ．１、ＥＱ．２及びＥＱ．３は周知であり、かかるモータの主要パラメータ間の関係を示す。
【数１】
【００３０】
上で説明したように、送風機２０は、フィルタ４（１つ又は複数）を通して空気を移動させて、この空気をユーザー６に供給するために使用されるファン２１を備える。図に示されるファン２１は、しばしば遠心ファン又はラジアルファン（radial fan）として知られるタイプのファンであり、即ち、空気はファン軸の方向にファンに入り、ファンに対して半径方向に出て行く。
【００３１】
次のファン法則方程式は、ファン速度及び空気密度が変化した場合に、ファン２１の性能がどのように変化するかを示す。
【数２】
【００３２】
実質的に一定体積の空気流を維持するために、較正点のファン速度要素は不変でなければならないことが、等式ＥＱ．４からわかる。
ｎ２＝ｎ１ （ＥＱ．８）
【００３３】
更に、等式ＥＱ．１、ＥＱ．２、ＥＱ．３、及びＥＱ．６を組み合わせることで、空気密度が変化したときに、較正点の印加モータ電圧要素をどのように動かしたらよいかを表す。
【数３】
【００３４】
結論として、周囲空気密度の変化を補償するために、較正点のファン速度要素を変更する必要がないことがわかる（等式ＥＱ．８参照）。しかしながら、較正点の印加モータ電圧要素は、周囲空気密度が変化する場合、等式ＥＱ．９及びＥＱ．１０にしたがって変更される必要がある。
【００３５】
図３は、本発明の第１の実施形態による送風機システムの電子制御ユニットの較正チャートを示している。これは、実質的に一定体積の空気流を決定する過程で用いられる。電子制御ユニット２３は、ファン速度と印加モータ電圧との間の正比例関係を示す較正チャート３０を参照する。所定の実質的に一定体積の空気流は、２つの較正点である高３１及び低３２で示されている。各較正点は、印加モータ電圧及びファン速度に関する情報を含む。実質的に一定体積の空気流を維持するために、例えば、フィルタ４（１つ又は複数）が粉塵及び煙で次第に詰まり、そのため送風機２０の性能が変化する場合、電子制御ユニット２３は、２つの較正点３１、３２の間の線３３に沿って追尾する。これは、ルックアップテーブル又は他のデータ配列を用いて行われてもよい。電子制御ユニットは、センサ２８を使用してファン速度を測定し、これを較正線と比較した後、所定の体積空気流を維持するために、適切なモータ電圧２９を印加する。
【００３６】
本発明では、較正点、したがって追尾線は、ある特定の空気密度にとって最適であるという認識が利用されている。空気密度を測定することにより、実際の空気密度を明らかにし、かつ実質的に一定体積の空気流を維持するために、較正点を適切に移動させることができる。
【００３７】
ファン速度は、送風機２０に取り付けられたセンサ２８を用いて測定され、このセンサ２８は、一定時間内のファン２１の回転数を測定する。ファン速度を測定するためのセンサの好適な種類は、ホール効果素子であるが、他の種類のセンサを使用することができる。ファン速度情報は、電子制御ユニット２３のマイクロプロセッサ装置２４によって受信される。電動モータ２２への印加電圧２７は、電子制御ユニット２３のマイクロプロセッサ２４への入力２６によって直接モニタされる。
【００３８】
周囲温度及び周囲気圧を測定するためのセンサを使用して、周囲空気密度を決定してもよい。周囲気圧及び温度を共に測定するのに適した安価なセンサは、ＶＴＩ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ Ｏｙ（ＦＩ−０１６２１，Ｖａｎｔａａ，Ｆｉｎｌａｎｄ）によって製造されるセンサのＳＣＰ１０００シリーズの固体センサである。こうした温度及び圧力センサは、離散空気流センサよりも安価であり、広く利用可能であり、信頼性があり、かつ設置しやすい。あるいは、必要に応じて、別個の温度センサ及び圧力センサを使用することも可能であり、大気温度又は大気圧を測定することができるほとんどの固体温度センサ及び圧力センサが好適である。
【００３９】
温度及び圧力センサ２９は、タービンユニット２の中に設置されるのが好ましい。センサが大気にさらされるように、ハウジングを封止しないことが重要である。センサ２９の位置は、送風機２０又は電子制御ユニット２３のあらゆる他の部品から著しい影響を受けないように選択されるべきである。これは、他の送風機構成要素の動作によって引き起こされる、使用中の温度変動を回避するためであり、この使用中の温度変動は、誤った周囲温度測定値をもたらす可能性がある。センサ２９は、使用中に加圧される又は減圧されるタービンユニット２の領域内に設置されるべきでなく、もし設置されると、この場合もまた誤った測定値を生じさせることになる。
【００４０】
以下の工程は、タービンユニット２が製造中に初期較正される場合に実施される。所定の実質的に一定体積の空気流のそれぞれの、高い較正点３１及び低い較正点３２を決定する。各較正点のファン速度及び印加モータ電圧３２も測定して、電子制御ユニットの固定記憶装置２５に保存する。較正時の周囲気圧及び温度の少なくとも一方を、電子制御ユニット２３を介してセンサ２９（１つ又は複数）で測定して、固定記憶装置２５に保存する。マイクロプロセッサ２４により適切なアルゴリズムを用いて空気密度を算出して、公称空気密度として固定記憶装置に保存する。あるいは、空気密度を直接測定し、同じ較正プロセスを行う。
【００４１】
空気密度が変化する場合は、以下に記載の空気密度補償手順に基づいて較正点を移動させる必要がある。較正プロセスの一環として周囲気圧及び温度が測定される場合には、以下の工程を用いる。タービンユニットの起動時、即ち、タービンユニットのスイッチが入れられると、センサ２９は、実際の周囲気圧及び温度の両方を測定することができ、この周囲気圧及び温度は、工場較正の際に測定されたものと異なる可能性がある。次に、マイクロプロセッサ２４を用いて、これらの値から実際の空気密度を算出して、一時記憶装置に保存する。固定記憶装置に記憶された全較正点３１、３２の公称印加モータ電圧成分を、マイクロプロセッサ２４で読み出す。次に、等式ＥＱ．１０、工場較正時に固定記憶装置に予め保存された空気密度情報、及び、一時記憶装置に保存された実際の空気密度情報を用いて、各成分に変更を加える。変更された値は、訂正済み較正点として一時記憶装置に保存される。較正手順と同様に、上方の訂正済み較正点３５及び下方の訂正済み較正点３６を保存する。
【００４２】
較正点３１、３２の公称ファン速度部分は変化しない。これで、実質的に一定体積の空気流維持手順において、新しい訂正済み較正点を使用することができる。例えば、フィルタ４（１つ又は複数）が、例えば、粉塵及び／又は煙で次第に詰まり、送風機２０の性能が変化すると、電子制御ユニット２３は、２つの訂正済み較正点３５、３６の間の線３４に沿って追尾する。空気密度補償手順は、一定間隔で、例えば、１０分おき又は１時間おきに繰り返され、必要な場合には、それに応じて空気流が調整される。
【００４３】
こうして、上記手順は、空気密度変動について補償されている実質的に一定体積の空気流量を、タービンユニット２が供給するのを可能にすることができる。
【００４４】
実質的に一定体積の空気流をより精密に制御することによる利益は、空気密度の変化又は変動を考慮に入れて、空気流を人為的に高く設定する必要がないことである。それに対して、実質的に一定体積の空気流は、所要の呼吸保護を上回るが、充電までの電池１０の寿命、及びフィルタ４（１つ又は複数）の耐用年数が最大になるレベルに設定されることができる。したがって、交換までの電池１０の寿命が長くなり、フィルタ４（１つ又は複数）が必要とする交換の頻度が少なくなるので、ＰＡＰＲのランニングコストが低減され、ユーザー６のダウンタイム量もまた短縮されるはずである。
【００４５】
典型的には、空気は、所定の実質的に一定体積の空気流でユーザー６に供給される必要がある。しかしながら、ある特定の状況では、ユーザー６が空気流を異なるレベルに調整することができる必要があり得る。例えば、ユーザー６が通常よりも特に忙しく作業している場合、及び深い又は速い速度で呼吸している場合、ユーザー６は、空気流を増加させることを望む可能性がある。これを可能にするために、電子制御ユニットは、離散的な範囲の２つ、３つ、又はそれ以上の、事前に設定された異なる空気流値（例えば、毎分１６０リットル又は毎分１８０リットル）を備えているのが好ましい。しかしながら、制御ユニットは、通常、ユーザー６が空気流を、最低限の保護が提供されるレベルを下回るまでうっかり低減させることができないように設定されている。
【００４６】
代替的な空気密度補償手順を用いる、本発明の更なる実施形態を説明する。
【００４７】
図４は、本発明の第２の実施形態に関する、空気密度とファン圧力との間の相関関係を示している。ＰＡＰＲ送風機システムで使用されるラジアルファンに関し、所定のファン速度及び所定のモータ電圧における空気密度とファン圧力との間には、相関関係４０が存在する。図５は、本発明の一実施形態のファン圧力測定センサを備える送風機のブロック図を示している。ファン圧力は、図５に示されるようなファンの吸気口５１とファンの排気口５２との間の差圧の測定値である。したがって、ファン圧力は、送風機に取り付けられた差圧変換器５３を用いて測定されることができる。所定のファン速度条件及びモータ電圧条件で短時間送風機システムを動かすことによって、ＰＡＰＲの起動時に空気密度の算定を行うことができ、その間に、ファン圧力を測定し、周囲空気密度を決定することができる。相関関係情報は、電子制御ユニットの記憶装置に記憶されることができ、空気密度の算定は、マイクロプロセッサのプログラムによって行われる。
【００４８】
本発明による第３の実施形態は、空気密度補償の代替的な決定方法を用いる。ユーザー６は、空気密度測定を達成することができるように、特定の条件を作成する必要がある。ＰＡＰＲの製造中の工場較正の時点で、既知の負荷条件が作成される。既知の負荷条件とは、送風機にかかる予め測定された圧力負荷であり、フィルタの部分的目詰まりなどの未知の圧力影響の影響を受けない。既知の負荷条件は、フィルタ又は呼吸管３がタービンユニット２に接続されていない場合の最小負荷、又は、タービンユニット２の排気口８が遮断されているときの最大負荷のいずれかであり得る。選択されたこれら条件のいずれか一方の条件下で、モータ電圧を固定し、ファン速度を測定し、これら両方の値を、較正時の周囲空気密度と共に、電子制御ユニットの記憶装置に記憶させる。使用中、ユーザー６は、同じ負荷条件を作成して、較正シーケンスを開始する必要がある。その後、電子制御ユニットは、工場較正と同じモータ電圧で送風機２０を作動させることになる。次に、ファン速度が測定され、このファン速度は較正中のファン速度と比較され、較正時の空気密度と共に、現在の空気密度を決定するために用いられる。次に、ユーザー６は、ＰＡＰＲを使用すべく設定することができ、空気密度補償手順が適用され得る。
【００４９】
第３の実施形態による方法は、モータ電圧、モータ電流、又はファン速度のうちの任意の２つのパラメータを、一方のパラメータを一定に保ち、もう一方を測定することによって、最大又は最小負荷条件のいずれかと組み合わせて用いることができる。
【００５０】
空気密度は、前述の手段に代えて、様々な手段によって決定されてもよい。本発明の第４の実施形態によると、空気密度は、ＰＡＰＲとは独立に測定又は算定されることができる。これは、例えば、独立した専用の空気密度測定機器によって行われてもよい。ＰＡＰＲは、ユーザー６が、キーパッド又はタッチスクリーンなどのマンマシーン・インターフェースを介して、空気密度を入力できるようにイネーブルされ得る。この実施形態では、電子制御ユニットは、空気密度補償手順を適用する際に、空気密度の算定を行う必要がなくなることになる。
【００５１】
本発明のこの実施形態によるＰＡＰＲはまた、大気圧、周囲温度、若しくは周囲湿度、又は好ましくはこれらパラメータの組み合わせが、好適なインターフェースを介して電子制御ユニットに入力されることができるようにイネーブルされ得る。電子制御ユニットは、空気密度補償手順を行う前に、周囲空気密度を算定できるようにイネーブルされ得る。この方法では、ユーザー６は、ＰＡＰＲとは別個に、好適な測定機器を使用してパラメータを測定することが必要となる。
【００５２】
空気密度補償は、電子制御ユニットに高度を入力するユーザー６によって達成されてもよい。高度は、ユーザー６が好適な機器で測定することにより、又は地図若しくはＧＰＳシステムを参照することにより、得ることができる。電子制御ユニットは、記憶装置に予め記憶されたプログラム情報を用いて、所与の高度における周囲気圧、ひいては空気密度の近似を推定するようにイネーブルされ得る。
【００５３】
本発明の上記実施例及び実施形態では、体積空気流を制御するのに使用される電動モータ２２の電気的特性は電圧であるが、電動モータ２２の電流出力又は電力出力を、較正プロセス及び使用中の両方における代替物として使用することができることは、容易に想定される。
【００５４】
ヘッドピース１は、様々な形状を有してもよい。図１ではフードが例示されているが、ヘッドピース１は、空気をユーザーの呼吸ゾーン７に方向付けるためにユーザーの顔の少なくとも口鼻領域を覆うものであれば、ヘルメット、マスク、又はフルスーツであることができる。フルフェイスの人工呼吸装置又はハーフフェイスマスクの人工呼吸装置を、本発明の実施形態と共にヘッドピースとして使用してもよい。ユーザーの体６又はそれ以外の上にタービンユニット２を支持するための代替的方法もまた、本開示の範囲内である。例えば、バックパック型の支持体がタービンユニット２に提供されてもよい。
【００５５】
一般に、ＰＡＰＲでヘルメット又はフードを使用する場合、マスクが用いられる場合よりも高い空気流が望ましい。ユーザー６がヘルメットとマスクを交換する可能性がある場合、又は、タービンユニット２が複数のユーザーの間で共有される場合には、実質的に一定体積の空気流の範囲を有するのが望ましい。実質的に一定体積の空気流の範囲は、第１の空気流量と第２の空気流量との間で連続的に可変であってもよく、又は、第１の空気流量と第２の空気流量との間の一連の不連続な段階であってもよい。例えば、システムは、ＰＡＰＲとともに使用するために第１の所定の空気流値に設定され、また、マスクとともに使用するために、第２のより低い所定の空気流値に設定されてもよい。
【００５６】
上述のような空気密度補償を備えるＰＡＰＲは、より小型で軽量な電池、及びより小型で軽量な又は薄型のフィルタを有して設計されてもよい。ユーザー６に空気が供給される前に周囲空気から粒子及び／又はガス並びに蒸気を除去するために、タービンユニット２には、空気流路中に２つ以上のフィルタ４が装着されてもよい。フィルタ４（１つ又は複数）は、タービンユニット２の内部にあってもよく、又はタービンユニット２の外部に取り付けられてもよい。電池１０は、図１に示されるようにタービンユニット２に取り付けられてもよく、又は、タービンユニット２から離れたところにあって、好適なケーブルで接続されてもよい。
【００５７】
上述の実施形態で使用されるモータは、３相の矩形波駆動ブラシレス直流モータである。あるいは、分割された整流子ブラシ直流モータが使用されてもよい。その理由は、等式ＥＱ．１、ＥＱ．２及びＥＱ．３が、ブラシ型及びブラシレス型モータの両方に当てはまることが既知であるからである。その結果、人工呼吸装置の業界で既知であるほとんどの型の直流モータを、本発明の送風機２０で使用することが可能である。ＰＡＰＲ用途に関して当該技術分野において既知である、その他の直流型でないモータを、上述の実施形態のモータの代替物として使用することが可能である。パルス幅変調などの代替的なモータ制御方法もまた、本発明の範囲内であると想定される。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
実質的に一定体積の空気流をユーザーに供給するための、動力付き空気浄化人工呼吸装置の送風機システムを制御する方法であり、該システムは、濾過された空気の強制的な流れをユーザーに供給するために、電動モータによって作動され、電子制御ユニットによって制御されるファンと、前記電動モータの電気的特性に関する少なくとも２つの較正値をその中に記憶する前記電子制御ユニットとを備える、方法であって、
（ａ）周囲空気密度又は（ｂ）周囲温度及び周囲気圧の一方を決定する工程と、
前記決定及び前記少なくとも２つの較正値に応答して、前記電動モータの電気的特性を調整する工程と、を含む、方法。
【請求項２】
前記周囲空気密度又は周囲温度及び周囲気圧が測定される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記周囲空気密度又は周囲温度及び周囲気圧が、ユーザーの入力から決定される、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記周囲空気密度が、周囲温度、周囲気圧、及び周囲湿度のうちの少なくとも２つの組み合わせである、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記ファンからの前記選択された実質的に一定体積の空気流が可変である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記ファンからの前記選択された実質的に一定体積の空気流が、可変であり、かつ、限定された数の事前に選択された値のうちのいずれか１つから選択される、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記ファンの速度、及び前記電動モータに適用された電気的特性を検出する工程を更に含み、該工程が、前記電子制御ユニットに接続されたセンサを使用して、前記ファンの速度及び前記適用されたモータの電気的特性を検出することを含む、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記周囲温度及び周囲気圧を測定する工程が、前記ファンと共にハウジング内に収容された少なくとも１つのセンサを使用して、前記周囲温度及び周囲気圧を測定することを含む、請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
前記周囲温度及び周囲気圧を測定する工程が、前記タービンユニットの外部に配置された少なくとも１つのセンサを使用して、前記周囲温度及び周囲気圧を測定することを含む、請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
前記電気的特性が電圧である、請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
電動モータによって作動するファンと、
該ファンの速度と、該ファンからの選択された実質的に一定体積の空気流に関して適用されたモータの電気的特性との間の所定の相関関係にしたがって、前記モータの該電気的特性を調整するように動作可能な電子制御ユニットと、
を備える、空気浄化人工呼吸装置の送風機システムであって、
前記電子制御ユニットと連通するように適合され、かつ、（ａ）周囲空気密度又は（ｂ）周囲温度及び周囲気圧の一方を決定するように配置された、少なくとも１つのセンサを更に備え、前記電子制御ユニットは、前記モータの電気的特性を調整して、前記ファンからの前記選択された実質的に一定体積の空気流を維持するために、（ａ）周囲空気密度又は（ｂ）周囲温度及び周囲気圧の決定に応答して動作可能である、空気浄化人工呼吸装置の送風機システム。
【請求項１２】
前記ハウジングが、前記ファンの空気流路の中に設置された少なくとも１つのフィルタを更に含む、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記ハウジングが、前記モータの電力供給装置を更に含む、請求項１１又は１２に記載のシステム。
【請求項１４】
前記モータが、３相の矩形波駆動ブラシレス直流モータである、請求項１１〜１３のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１５】
請求項１１〜１４のいずれか一項に記載の送風機システムと、該送風機システムと流体連通する、人工呼吸装置のヘッドピース又はフルフェイス人工呼吸装置と、を含む、動力付き空気浄化人工呼吸装置。
【請求項１】
実質的に一定体積の空気流をユーザーに供給するための、動力付き空気浄化人工呼吸装置の送風機システムを制御する方法であり、該システムは、濾過された空気の強制的な流れをユーザーに供給するために、電動モータによって作動され、電子制御ユニットによって制御されるファンと、前記電動モータの電気的特性に関する少なくとも２つの較正値をその中に記憶する前記電子制御ユニットとを備える、方法であって、
（ａ）周囲空気密度又は（ｂ）周囲温度及び周囲気圧の一方を決定する工程と、
前記決定及び前記少なくとも２つの較正値に応答して、前記電動モータの電気的特性を調整する工程と、を含む、方法。
【請求項２】
前記周囲空気密度又は周囲温度及び周囲気圧が測定される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記周囲空気密度又は周囲温度及び周囲気圧が、ユーザーの入力から決定される、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記周囲空気密度が、周囲温度、周囲気圧、及び周囲湿度のうちの少なくとも２つの組み合わせである、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記ファンからの前記選択された実質的に一定体積の空気流が可変である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記ファンからの前記選択された実質的に一定体積の空気流が、可変であり、かつ、限定された数の事前に選択された値のうちのいずれか１つから選択される、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記ファンの速度、及び前記電動モータに適用された電気的特性を検出する工程を更に含み、該工程が、前記電子制御ユニットに接続されたセンサを使用して、前記ファンの速度及び前記適用されたモータの電気的特性を検出することを含む、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記周囲温度及び周囲気圧を測定する工程が、前記ファンと共にハウジング内に収容された少なくとも１つのセンサを使用して、前記周囲温度及び周囲気圧を測定することを含む、請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
前記周囲温度及び周囲気圧を測定する工程が、前記タービンユニットの外部に配置された少なくとも１つのセンサを使用して、前記周囲温度及び周囲気圧を測定することを含む、請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
前記電気的特性が電圧である、請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
電動モータによって作動するファンと、
該ファンの速度と、該ファンからの選択された実質的に一定体積の空気流に関して適用されたモータの電気的特性との間の所定の相関関係にしたがって、前記モータの該電気的特性を調整するように動作可能な電子制御ユニットと、
を備える、空気浄化人工呼吸装置の送風機システムであって、
前記電子制御ユニットと連通するように適合され、かつ、（ａ）周囲空気密度又は（ｂ）周囲温度及び周囲気圧の一方を決定するように配置された、少なくとも１つのセンサを更に備え、前記電子制御ユニットは、前記モータの電気的特性を調整して、前記ファンからの前記選択された実質的に一定体積の空気流を維持するために、（ａ）周囲空気密度又は（ｂ）周囲温度及び周囲気圧の決定に応答して動作可能である、空気浄化人工呼吸装置の送風機システム。
【請求項１２】
前記ハウジングが、前記ファンの空気流路の中に設置された少なくとも１つのフィルタを更に含む、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記ハウジングが、前記モータの電力供給装置を更に含む、請求項１１又は１２に記載のシステム。
【請求項１４】
前記モータが、３相の矩形波駆動ブラシレス直流モータである、請求項１１〜１３のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１５】
請求項１１〜１４のいずれか一項に記載の送風機システムと、該送風機システムと流体連通する、人工呼吸装置のヘッドピース又はフルフェイス人工呼吸装置と、を含む、動力付き空気浄化人工呼吸装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公表番号】特表２０１３−５０１５８５（Ｐ２０１３−５０１５８５Ａ）
【公表日】平成２５年１月１７日（２０１３．１．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−５２４８２４（Ｐ２０１２−５２４８２４）
【出願日】平成２２年８月１１日（２０１０．８．１１）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２０１０／０４５１０７
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０１９７７８
【国際公開日】平成２３年２月１７日（２０１１．２．１７）
【出願人】（５０５００５０４９）スリーエム イノベイティブ プロパティズ カンパニー (2,080)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２５年１月１７日（２０１３．１．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年８月１１日（２０１０．８．１１）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２０１０／０４５１０７
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０１９７７８
【国際公開日】平成２３年２月１７日（２０１１．２．１７）
【出願人】（５０５００５０４９）スリーエム イノベイティブ プロパティズ カンパニー (2,080)
【Ｆターム（参考）】
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