For the evaluation test of the respiratory protective equipment simulated breathing apparatus

本発明は呼吸保護具の評価試験に用いる呼吸模擬装置に関する。

有害ガスや粉塵等が存在する環境下に用いられる各種呼吸保護具の評価試験項目は、脈動流でのろ過材の効率と圧力損失の測定、弁の応答性や気密性の評価、マスク内容積の測定など多岐にわたっている。 このような呼吸保護具の評価試験に呼吸模擬装置を用いることは知られているが、従来この種用途に用いられている呼吸模擬装置の構造は、カムでピストンを往復運動させる方式が主流である。 また実用されているこれらの呼吸模擬装置の換気条件は、多くても毎分４０ＬＰＭ程度が最大であり、発生させる空気波形も正弦波流のみとなっている。 しかし実際の作業者の呼吸波形は一定の振幅と周期を持った正弦波形ではなく、作業内容、動作及び環境などにより大きく変化している。 最近の研究では、作業者の呼吸条件として瞬間的にピーク速度３００〜５００ＬＰＭに相当する呼吸が実際にはあることも報告されており、従来用いられている呼吸模擬装置はこのような条件での呼吸保護具の性能検査は全く不可能である。 加えて、近年、作業者の呼吸に合わせてマスク内に取り付けられたブロアーの送風量を変化させる新しいタイプの呼吸保護具も開発されている。

呼吸保護具の性能を正しく評価するには、実際の人間の呼吸を用いて試験を行う必要があるが、前述した、大きく急激な呼吸を再現できる装置がないこともあり、多くの場合、被験者による人体試験が行われている。 被験者による評価では、同じ呼吸を繰り返して行えないことから、様々な呼吸保護具を相対的に評価することが困難である。 また、防じん機能を有する呼吸保護具は使用によってフィルタが目詰まりを起こし、圧力損失が急激に上昇することもある。 このような状態において呼吸保護具を前述した呼吸のピーク速度で評価する場合、２ｋＰａ以上の圧力損失となることが想定される。 加えて、呼吸保護具の評価のための試験系統は配管が長く、複雑であるためこれによる圧力損失も考慮する必要がある。

呼吸模擬装置として特許文献１に、空気が吐出／吸入されるスリットの開度をカムで調節する機構をもち、カムの回転速度を調節することにより得られる空気波形を変化させることができる装置が提案されているが、刻々と変化する実際の人間の呼吸波形を空気波形として発生させることは非常に困難であり、複雑な波形を用いた呼吸保護具の評価には不向きである。

また人工呼吸器用の呼吸模擬装置も種々提案されており（特許文献２、特許文献３、その他）、これらの装置を呼吸保護具の評価に転用することも考えられるが、これらは患者の呼吸を模擬するものであって、様々の労働強度で動く作業者の呼吸量、ピーク速度には対応していないため、呼吸用保護具の評価には不向きである。

特公平３−１８９０２号公報

特許第３３２９０４４号公報

特許第３６８３１２８号公報

本発明の目的は、呼吸保護具の評価試験に用いる従来の呼吸模擬装置の問題点を解決することにあり、特により大きな呼吸を模擬することが可能で、 高圧力損失の試験でも周期、換気量が変化せず、さらに正弦波、矩形波、三角波などの規則的な波形だけでなく、作業者の呼吸波形や任意に作製した波形を空気波形として容易に発生できる呼吸保護具の評価試験の呼吸模擬装置を提供することにある。

本発明は、空気波形を発生させるための複数のエアシリンダ、該エアシリンダを作動させるための１台の電動シリンダ及び該電動シリンダを入力された波形で制御する制御手段を備えていることを特徴とする呼吸保護具の評価試験に適する呼吸模擬装置である。

本発明により、より大きな呼吸を模擬することが可能で、 高圧力損失の試験でも周期、換気量が変化せず、正弦波、矩形波、三角波などの規則的な波形だけでなく、任意波形を発生することが可能で、作業現場の呼吸の再現もでき、容易に発生でき、小型で、消費電力が低く、メンテナンスも容易で、作業現場の呼吸による呼吸保護具の評価試験を行うのにも適した呼吸模擬装置が提供される。

以下、図面を用いて本発明の好ましい態様について説明する。
図１は本発明の呼吸保護具の評価試験用呼吸模擬装置の一例を示す構成図である。

この装置は、空気波形を発生させる複数、好ましくは２〜５個のエアシリンダ１とエアシリンダを作動させるための１台の電動シリンダ２と、電動シリンダの動作を制御するサーボコントローラー３と、外部からのアナログ入力を記録し、任意の倍率で再生する入出力器４と、任意波形を作製するためのパソコンＰＣ５と、その波形を出力する波形出力６からなる。 人間の呼吸回数は、多い場合でも１分間あたり３０回程度とされているが、本発明の装置では微小な呼吸振動も発生できるように１８０回／ｍｉｎ以上まで制御できることが望ましい。 換気量はエアシリンダの径に依存するが、通常、５０ｍｍから１４０ｍｍ程度のものが望ましく、エアシリンダの数は２本またはそれ以上とし、全体として１ストロークあたり少なくとも３．０Ｌ以上の空気量を発生できるものが望ましい。 シリンダのストロークは５００ｍｍ程度までが使用できるが、３００ｍｍ以下が適している。 電動シリンダの定格推力は、高風量に伴う圧力損失の増大に対応するため、少なくとも０．５ＫＮ以上が望ましい。 電動シリンダの定格速度は２００ｍｍ／ｓｅｃ以上が特に、３００ｍｍ／ｓｅｃ以上が望ましい。 なお、電動シリンダを、油圧駆動式のシリンダにも置き換えた場合、油圧式では油圧源が必要となり装置が大型化し、移動が困難になること、作動油やエレメント等の交換が必要なためメンテナンスに労力を要すること、要する油圧源の消費電力が１０ＫＷ程度と電動式シリンダの０．７５〜１．５ＫＷと比較して高いことなどから前記した本発明の目的・効果を達成し得ない。

また本発明の装置では、サーボコントローラーで制御した電動シリンダで複数のエアシリンダを作動させて空気を発生させる方式により、同じストロークでエアシリンダの径を太くすることなく、高風量の空気波形が得られる。 特に、複数台のエアシリンダを作動することで径を細くすることができ、同じ空気量でもより高精度の空気を発生することが可能となる。 また、この装置は電動シリンダの制御としてストローク速度と電圧を比例させて制御することにより、記録した作業者の呼吸波形や、パソコン上で作製した波形を精度良く再現できる。

次に本発明の装置を構成する主部部材についてさらに説明する。 エアシリンダは空気を発生させる役割をもち、電動シリンダとエアシリンダのシリンダロッドは機械的に接合されており、電動シリンダのストロークとエアシリンダロッドのストロークは同一である。 エアシリンダのロッドの伸縮により空気が発生する。 なお、エアシリンダのロッドの伸縮に要する力は軽い方が良い。 また、シリンダには通常劣化防止のためグリス等作動油が使用されているが、呼吸保護具の評価試験では有機ガスまたは無機ガスを使用する場合があるので、ガス濃度測定を正しく行うために、グリスは使用しないか、シリコンやフッ素系の真空グリスのような揮発性のほとんど無いものを用いることが望ましい。

電動シリンダは、通常、モーターの回転力で電動シリンダのシリンダロッドを伸縮させる構造をもつ。 モーターの回転は、エンコーダなどで制御されており、０．１ｍｍ単位でシリンダのストロークを制御する。 電動シリンダで重要な性能は、モーターのトルク（推力）とストロークのスピードである。 推力を高くするほど伸縮の力が強くなり、本発明装置の使用目的では高圧力損失の試験体があっても正確な波形が得られることになる。 また、スピードは伸縮の速さを決定する。 通常電動シリンダのストロークスピードは決まっているが、本発明では、最低で３００ｍｍのストロークを１分間当たり３０回往復できることが望ましい。 ストロークを短くすれば往復できる回数は増える。 ３００回／ｍｉｎまで振動するときのストロークは数ミリである。

サーボコントローラーは、電動シリンダを制御する。 設定したストローク、周波数及び波形で電動シリンダを作動させる。 通常、制御はエンコーダでパルスによって行われるが、位置センサなどでも可能である。 また、外部からの電圧入力によるシリンダの伸縮制御も可能である。 この場合、電圧とシリンダ位置を比例させた制御ではなく、電圧とストロークスピードを比例させることが望ましい。 電動シリンダが０−５Ｖの制御で、０Ｖ＝縮み速度最大、２．５Ｖ＝速度ゼロ、５Ｖ＝伸び速度最大となるように制御することが望ましい。

データ入出力部では、呼吸波形を圧力、流量などを基にした電圧波形に変換したものを入力、記憶し、その波形信号はサーボコントローラーに伝える役割を有する。 なお、出力の際にはその波形を増大または減少させることも可能である。

ここでは、膨大になりがちなデータの演算といった煩わしい処理を要せずに記録した波形をそのまま出力できるため、装置の動作確認、点検または実験室レベルでの保護具の評価に適している。

パソコンを用いて、波形作製及び転送する。 エクセルや波形作製ソフトで任意の波形を作製し、そのデータを波形出力部に入力する（例えばＣＳＶ形式等）。
ここでは、単なる波形作製だけではなく、例えば、作業現場等でサンプリングした作業者の流量波形、圧力波形をパソコンに取り込んで演算を行い、得られた波形を波形出力器に送ることも可能である。 （サンプリングによって得られる作業者の流量波形や圧力波形が呼吸量に直接対応していない場合が多いため、流量波形や圧力波形を呼吸の速度波形に変換する。）

これらの使用により、実際の作業現場での作業者の呼吸で呼吸保護具（マスク）の評価を行うことができる。 波形出力部で、パソコンから転送された波形データを電圧波形として出力する。 その電圧波形の振幅、周期、繰り返し回数等を任意に設定できることが望ましい。

本発明の呼吸模擬装置を適用する呼吸保護具の評価試験の内容は特に制限はなく、前記したように、脈動流でのろ過材の効率と圧力損失の測定、弁の応答性や気密性の評価、マスク内容積の測定等が包含される。

図２に本発明の呼吸模擬装置を用いる呼吸保護具（マスク）の評価試験の概略工程図を示す。 ガス又は粒子を供給した試験チャンバ６内に設置した試験人頭７に、試験マスク８を取り付け、本発明の呼吸模擬装置９を用いて所定の換気回数で吸排気を行わせる。 換気量は流量計１０で確認する。 吸排気は試験人頭の口及び鼻部につながっており、人が有害環境中でマスクを装着している状態を模擬している。 試験チャンバ内の有害物質濃度と試験マスク内の有害物質の濃度を濃度計で測定し、マスクの性能を求める。 また、差圧計を用いてマスク内外の圧力差を測定することにより、マスクの吸気抵抗及び排気抵抗を求めることができる。 １１はガス又は粒子発生器、１２は濃度計、１３はＨＥＰＡフィルタ、１４は三方弁、１５は微差圧計、１６は記録計である。

本発明の装置の一例を示す構成図。

本発明の装置を用いる呼吸保護具の評価試験の概略工程図。

符号の説明

１ エアシリンダ ２ 電動シリンダ ３ サーボコントローラー ４ データ入出力部 ５ ＰＣ
６ 波形出力部 ７ 試験人頭 ８ 試験マスク ９ 呼吸模擬装置１０ 流量計１１ ガス又は粒子発生器１２ 濃度計１３ ＨＥＰＡフィルタ１４ 三方弁１５ 微差圧計１６ 記録計