特表 2023-539580 感染環境で使用される呼吸器用の携帯式空気殺菌器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2023-09-15

(54)【発明の名称】感染環境で使用される呼吸器用の携帯式空気殺菌器

(51)【国際特許分類】

   A61L 9/16 20060101AFI20230908BHJP

   A62B 18/02 20060101ALN20230908BHJP

【ＦＩ】

A61L9/16 Z

A62B18/02 B

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2023512378

(86)(22)【出願日】2021-08-17

(85)【翻訳文提出日】2023-04-17

(86)【国際出願番号】 US2021046374

(87)【国際公開番号】W WO2022040234

(87)【国際公開日】2022-02-24

(31)【優先権主張番号】a202000520

(32)【優先日】2020-08-17

(33)【優先権主張国・地域又は機関】RO

(31)【優先権主張番号】17/390,011

(32)【優先日】2021-07-30

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】523057518

【氏名又は名称】ブルーステム バイオ インコーポレイテッド

(74)【代理人】

【識別番号】100094569

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 伸一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100103610

【弁理士】

【氏名又は名称】▲吉▼田 和彦

(74)【代理人】

【識別番号】100109070

【弁理士】

【氏名又は名称】須田 洋之

(74)【代理人】

【識別番号】100098475

【弁理士】

【氏名又は名称】倉澤 伊知郎

(74)【代理人】

【識別番号】100130937

【弁理士】

【氏名又は名称】山本 泰史

(74)【代理人】

【識別番号】100144451

【弁理士】

【氏名又は名称】鈴木 博子

(72)【発明者】

【氏名】イオネスク カゼミール－ベネディクト

(72)【発明者】

【氏名】ラドゥ ラドゥ

【テーマコード（参考）】

2E185

4C180

【Ｆターム（参考）】

2E185AA06

2E185BA02

4C180AA07

4C180DD08

4C180LL20

(57)【要約】

高感染性環境で長時間働く個人の個人保護用に、呼吸器に取り付ける携帯用空気殺菌装置が開示されている。この空気殺菌装置は、感染した空気中に存在するエアロゾル化されたウイルスやバクテリアを99.99％～100％無効化し、携帯可能である。感染した空気を殺菌するため、装置は熱的ストレスの方法を使用する（Grinshpun et al、2010）。
【選択図】 図５

【特許請求の範囲】

【請求項1】

個人用呼吸器に取り付けるために設計された空気殺菌装置であって、該空気殺菌装置は、熱処理モジュール（1）、電源（2）、殺菌された空気供給ホース（3）で構成されており、熱処理モジュール（1）には、らせん状の逆流熱交換器（5）で囲まれた熱処理反応器（4）が含まれており、熱損失を大幅に低減し、断熱質量の必要性を排除する空間構成に配置されている、空気殺菌装置。

【請求項2】

熱交換器内の褶曲部分がアルミニウム壁（9）に使用されるように設計され、装置の熱慣性を低減し、乱流状態の気流を達成して熱交換の効率をさらに向上させることができる、ことを特徴とする請求項1に記載の空気殺菌装置。

【請求項3】

熱損失と断熱質量の必要性を排除する空間構成により、熱処理反応器（4）を全面に取り囲む2つの熱交換器を含むプレート逆流式熱交換器を備えた、請求項2に記載の空気殺菌装置。

【請求項4】

請求項３に記載の空気殺菌装置であって、前記電源(2)は、再充電可能な電源セルを含み、前記電源(2)はまた、電源セルの全放電サイクル中に、一定の電圧を確保し、熱処理反応器(4)に沿ってエネルギーを散逸させるのに必要とされるように電圧を調整し、上げるための回路、および、抵抗(6)を使用する、ことを特徴とする空気殺菌装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、感染環境で長時間作業する個人が使用する個人用保護呼吸器に取り付けられる携帯用空気殺菌器に関する。

【背景技術】

【0002】

長時間感染環境で作業する人員の保護は、空気をろ過して細菌やウイルスを保持するマスクや呼吸器の使用によって一部解決される。フィルターは、材料繊維間の間隔に基づいて粒子を機械的に捕捉し、1マイクロン以上の粒子の約45～55％を保持する。ただし、COVID-19を引き起こすSARS-COV-2ウイルスの寸法は0.14～0.016マイクロンの範囲にある。より細かい粒子を保持するために繊維間の間隔を減らすと、フィルターを通る空気の流れが減少し、呼吸が困難になったり、呼吸ができなくなったりする可能性がある。

【0003】

マイクロン未満の微小粒子を保持することが、エレクトレット技術を使用したフィルタリングメディアの開発によって可能になっている。これらの繊維は表面に静電荷を帯びており、繊維間の距離よりも粒子のサイズが小さい場合でも微細な粒子を引き付け、結合させることができる。(JP2006528549)

【0004】

政府の健康基準（すなわちN95、NK95、およびFFP2）に適合するすべての高性能粒子フィルター呼吸器は、エレクトレットベースのフィルタリングを使用し、0.3マイクロン以上の粒子の少なくとも95％を保持する。また、フィルターをベースにした呼吸器は顔に密着していないため、吸入される空気量の最大8％まで追加の浸透を許容する。したがって、N95、NK95、およびFFP2規格に準拠したパフォーマンスマスクを使用していても、わずかな量のウイルスが体内に未ろ過で通過する可能性がある。環境が高度に汚染され、露出時間が長期間（数日や数週間）にわたる場合、これらの微小なウイルス量が蓄積され、疾患を引き起こす可能性がある。

【0005】

最新のマスクの世代は、電動エアポンプ/タービン（US7469699B2を参照）の追加により、エレクトレットフィルターによる空気の流れの低下に対処しる。しかし、これらの高性能マスクでも、未ろ過のウイルスの1％が体内に入ることがあり、時間が経過するにつれて蓄積され、疾患を引き起こす可能性がある。

【0006】

消毒空気発生器を呼吸器の構成要素として使用することにより、ウイルスや細菌の不活化率が99.99％から100％になる。つまり、空気装置を通過した後の活性ウイルスの濃度は、最高性能のエレクトレット繊維マスクを使用してろ過されずに通過したウイルスの濃度よりも100倍低くなる。ここで提示されている消毒空気発生器は、ウイルスを保持するためにろ過を使用しない。熱ストレスを使用して、ウイルスや細菌を再生産または病気を伝達できないように不活化させる。

【0007】

熱ストレスは、ウイルスを不活化するために非常に短い処理時間（1/10～1/100秒）が必要である。したがって、この不活化方法は、携帯用呼吸器の構築のための実現可能な解決策を提供する。

【0008】

UV-C放射線を使用したウイルスの不活化には、数十秒の処理時間が必要であり、呼吸器に刺激性のある化合物、特にオゾン（O₃）や窒素酸化物（NOx）を生成する。コロナ放電や誘電体バリア放電プラズマなどの空気中の高電圧放電による不活化は、より短い処理時間が必要であるが、オゾン（O₃）や窒素酸化物（NOx）も生成する。

【0009】

Grinshpunら（2010）の論文「軸流加熱による連続空気流中のエアロゾル化ウイルスの不活化」は、ウイルスを不活化するために必要な条件を確立した。彼らは、空気温度と処理時間を変えてMS2バクテリオファージウイルスの不活化度合いを分析した。175℃の温度で0.3～0.5秒の処理時間で99.99％の不活化率を達成した。この臨界温度を超えると、不活化に必要な時間は指数関数的に減少する。すべてのウイルスは、ウイルスゲノムを構成するタンパク質の同じタイプから構成されている。ウイルスの不活化は、ウイルス活性をコード化するタンパク質の空間的劣化によって達成されるため、MS2ウイルスの研究で観察された結果はすべての他のウイルスに外挿することがでる。

【0010】

この特許に記載された滅菌空気発生器の設計は、熱ストレスとウイルス不活化を保証するために必要な条件を満たしている。この装置は、通常呼吸に必要な平均8リットル/分の空気が処理チャンバー内で175℃以上の温度に0.3-0.5秒間さらされることを保証する。

【発明の概要】

【0011】

この発明の目的は、ウイルスやバクテリアの99.99％の不活性化率を保証する携帯用空気殺菌装置を設計することである。この発明によって克服された技術的課題は、熱ストレスによる入力空気の処理に必要な高い割合の熱回収を達成しつつ、全体的な装置の低い熱慣性を維持することである。

【0012】

本発明は、高度な感染環境で長時間作業する個人の個人保護に使用され、呼吸器に取り付ける携帯用の空気殺菌装置について説明している。空気殺菌装置は携帯可能で、感染した空気中に存在するエアロゾル化されたウイルスや細菌を99.99%～100%無力化する。感染した空気を殺菌するため、本装置は熱ストレス法を使用する（Grinshpunら、2010）。
本装置は以下の部品で構成される：
・空気処理モジュール（1）
・電源（2）
・フルフェイスマスク（11）に空気を供給するためのフレキシブルホース（3）。

【0013】

熱処理空気処理モジュール（1）は、螺旋式の逆流熱交換器（5）に内蔵された空気処理熱反応器（4）から成り立っている。このように、熱反応器（4）と螺旋熱交換器（5）の空間構成により、空気は熱処理後に冷却され、熱は回収され、環境中への熱損失が最小限に抑えられる。回収された熱は、感染した空気を予熱するために、熱処理反応器（4）に到達する前に感染した空気に転送される。空気の熱殺菌は、空気を175℃以上に加熱し、0.3-0.5秒間処理することで実現される。
他の熱ストレスを用いた空気の殺菌モデルが提案されている（米国特許番号US5874050およびUS7332140B2）。しかしながら、これらの機器は質量が大きく、必要な電力入力も多く、携帯用機器として使用することができない。空気の熱処理による浄化のための携帯用機器も知られており、例えば米国特許番号US6488900B1およびUS9968809B2がある。しかしながら、上記特許で提案されたデバイスの熱反応チャンバーおよび熱交換器ユニットの設計選択は大きな熱慣性および熱損失を引き起こし、重い電力源の必要性を増大させる結果となった。これにより、上記特許は商業的に実用的な製品となることができなかった。

【0014】

空気殺菌装置の設計は、熱反応器を逆流式のらせん状熱交換器内部に配置することで新しい解決策を提供する。これにより、装置の熱慣性が増大するのを防ぐための断熱材が不要となり、より大きなエネルギー供給が必要となるため、装置の携帯性が損なわれることがない。

【0015】

3-5分の時間枠で175℃の熱的ストレスの臨界温度に到達するためには、熱損失を低く抑える必要がある（熱反応器の電気抵抗における低い消費電力）また、熱慣性も低くする必要がある。

【0016】

以下は、空気清浄器の設計を示す図1～5である。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】第１設計バージョンのステライズ空気発生器の部品概略図である。

【図2】第１設計バージョンの熱処理チャンバーの水平および縦断面である。

【図3】第２の設計バージョンにおける熱処理室の横断面である。

【図4】第２の設計バージョンにおける空気殺菌器の部品概略図である。

【図5】第２の設計バージョンにおける熱処理室の水平および縦断面である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

図１は、次のように構成される空気滅菌器の第１設計バージョンを概略的に示している。
A. 熱空気処理モジュール（1）
B. 電源（2）
C. フルフェイスマスク（11）に殺菌された空気を供給するためのフレキシブルホース（3）

【0019】

図２は、熱処理反応器（4）と逆流螺旋状熱交換器（5）で構成される熱処理モジュール（1）を示している。

【0020】

図２で示されている設計バージョンでは、らせん状熱交換器（5）が熱処理反応器（4）を囲んでいる。したがって、反応器（4）からの熱損失は、処理前に空気を予熱するために使用される。この空間配置により、デバイスの熱慣性を増加させたであろう断熱材の必要性がなくなった。

【0021】

A. 熱処理空気処理モジュール（1）は、以下のもので構成されている。
a. 熱処理反応器（4） b. 熱処理反応器（4）を囲む螺旋カウンターカレント熱交換器（5）。

【0022】

A.a.熱処理反応器（4）は、最小限の電力を使用しながら、短時間（3-5分）で175℃以上の温度に到達するように設計されました。低電力使用は、処理に使用された熱を回収し、感染した空気を予熱するために使用すること、および熱処理反応器（4）/スパイラル逆流式熱交換器（5）アセンブリの熱慣性を低減することによって実現される。熱処理反応器の熱損失は、熱処理反応器（4）をスパイラル熱交換器の中心に配置することで低減された。このようにして、反応器で失われた熱は、処理される空気を予熱するために使用された。この空間配列により、装置の熱慣性を増加させる必要があった追加の熱断熱材は不要となった。

【0023】

熱処理反応器は、セラミックファイバーブロック（7）内の直径17mmのチャネルに取り付けられた自立式のニッケル線電気抵抗（6）で構成されている。抵抗コイル（6）は、チャネルを通過する空気を175℃以上の温度まで加熱する。セラミックファイバーブロックの寸法は120mm×25mm×50mmである。

【0024】

A.b.スパイラルカウンターカレント熱交換器（5）は、ダブルスパイラルで配置されたカウンターカレントの空気路（8）を備え、殺菌された熱い空気を冷却し、処理された空気から熱を回収して、熱処理反応器に入る空気を予熱する。2つのカウンターカレントの空気路（8）は、2枚のアルミニウム（9）シートの間に形成され、直径方向のスパイラルに巻かれた50mm幅×110mm長さである。シートは、間に3～6mmのスペースを残しながら巻かれる。2つのセラミックファイバーリッド（10）とアルミニウムシート（9）で、2つのカウンターカレントの空気路（8）が形成される。軽量化、小型の熱慣性、および空気路（8）間の効率的な熱交換のために、アルミニウムシート（9）は、長さに対して横方向に波打っているだけで0.07～0.1mmの厚さである。アルミニウムシート（9）の波打ちは、最終的なスパイラル形状の安定性と剛性を確保し、同時にチャネル（8）内の乱流の空気流に寄与し、空気のカウンターカレント間の熱伝達を増加させる。

【0025】

B.電力源（2）

【0026】

電力源は、シリーズに接続された2つの5000mAのリチウムイオン充電池で構成されている。電力源には、電圧制御および調整回路と、電池のLED充電インジケータも装備されている。4.2V～3Vの範囲内で正しく使用される場合、電池は500～1000回の充電サイクルを提供するはずである。

【0027】

適切な使用範囲（4.2V～3V）に影響を与えずに電池から最大のエネルギーを抽出するために、電源には電圧昇圧および調整回路が組み込まれている。反応器（6）の抵抗に沿って発生する電力は、処理温度が175℃度以上に保たれることを保証するため、15W～12Wである発生する電力は、抵抗に印加された電圧（U）と電流（I）に依存する。すなわち、U（W）= U（V）x I（A）である。運転中に電池のリード上の電圧が低下すると、抵抗に沿って発生する電力も低下する。電力が最初に十分であり、短時間（3～5分）で175℃に到達し、200～210℃に保持するには、電池の出力が3.5V～3.4Vの間に落ちると、抵抗に発生する利用可能な電力は、175度以上の温度を維持するために不十分になる。これらの条件下では、電池の全容量を使用する前に呼吸器の使用を停止する必要がある。電池は、出力が3Vに達するまで、寿命に悪影響を与えることなく電力を供給し続ける。

【0028】

必要に応じて制御および昇圧する回路を導入すると、電池の最適な電力出力の4.2V～3Vの全間隔で、熱処理反応器（4）の抵抗（6）に一定の電圧を提供することができる。これにより、抵抗から発散される電力が、電池の全容量が使われるまで一定であることが保証される。

【0029】

ポテンショメーターを使用して、放電サイクルの開始時における電池の合計電圧よりも高い8.4V（4.2 + 4.2）以上の値に、テンション制御回路によって安定した電圧を設定することができる。テンション制御回路の定数は、反応器の抵抗値に関連しており、電池の放電サイクル全体で温度を175℃以上に保つために必要な電力が発散されることを保証する。

【0030】

直径32mmのフレキシブルチューブ（3）は、フルフェイスマスク（11）に空気を導き、加熱を放熱して、マスクに流れ込む殺菌された空気を2-3度程度冷却する。そのため、殺菌された空気は周囲の温度よりもわずかに高い2-3度の温度でマスクに到達する。これにより、フィルターマスクに比べて呼吸の快適性が向上する。マスクに導かれる殺菌された空気の温度は、通常の織物の外科用マスクとユーザーの顔の間の空気の温度よりも低くなっている。通常のフィルターマスクでは、37℃の呼気によって空気の温度が上昇し、マスクの繊維が熱交換器として機能する。

【0031】

C.フレキシブルチューブ（3）は、直径32mmの口径で、シリコーンラバーシールと透明なポリカーボネートバイザーが付いたフルフェイスマスク（11）に空気を集めるために使用される。マスク（11）の内部スペースは、柔軟なラバー製の壁によって鼻と口の領域と顔の残りの部分に分割されている。壁には2つのワンウェイバルブが取り付けられており、マスクの吸気口から額の近くにある口の領域まで空気が循環するようになっている。この二つの区域に分けることは、排出された空気が新鮮な空気と混ざってマスク内でCO₂が蓄積するのを防ぐために必要である。口と鼻の領域には、出された空気がマスクから外に出るようにするためのもう一つのワンウェイバルブが取り付けられており、外部からの感染性のある空気を防ぐようになっている。

【0032】

図4は、ポータブル空気殺菌器の第2の設計バージョンを示している。このバージョンでは、空気熱処理モジュール（1）がフルフェイスマスク（11）の上側に直接取り付けられている。このバージョンでは、熱処理反応器（4）はスパイラル熱交換器（5）に囲まれ、また上下に他の板式熱交換器もあり、これらも逆流作用を持って動作している。

【0033】

図5は、この発明の第2の設計バージョンにおける治療モジュール（1）の垂直および縦断面を示している。螺旋熱交換器の逆流チャネルは、アルミニウムシート（9）およびアルミニウムエンドキャップ（12）から形成されている。プレート熱交換器は、アルミニウムエンドキャップ（12）および2つの追加アルミニウムプレート（13）で形成される。そのため、螺旋熱交換器（5）の2つの面には、2つの逆流空気チャネルが形成される。螺旋熱交換器（5）に隣接する空気チャネルは、周囲の冷たい感染した空気を吸入するための入口チャネルである。これらのチャネルを通じて吸入された冷たい空気は、螺旋熱交換器（5）のアルミニウムエンドキャップ（12）によって予熱され、円形の孔（15）を通って螺旋熱交換器（5）の前室（16）に到達する。そこから、もう1つの空気チャネル（8）に従って、熱反応器（4）に入る。熱反応器室（4）で処理された後、空気は他の空気チャネル（8）に沿って流れ、熱に移行する入口空気と逆流する。この部分的な冷却の後、処理された空気は、殺菌空気受入室（19）に到達し、円筒形のチャネル（18）を通って主な殺菌空気チャネル（17）を流れる。主な殺菌空気チャネル（17）に到達した後、殺菌された空気は、逆流する入口チャネル（14）の非処理空気に熱を与えてさらに冷却される。冷却されたら、殺菌された空気は固定装置（20）を通じてフルフェイスマスク（11）に導かれる。

【0034】

この特許で説明されている空気滅菌装置付き呼吸器は、市場に存在する既存の呼吸器と比較して、以下の利点がある。
1）この装置は、99.99％のウイルスを不活化した後にユーザーに滅菌空気を提供する。残留する活性ウイルスの濃度は、最も効果的と考えられているN95エレクトレットタイプのろ過マスクを通過できるウイルスの濃度よりも約100倍低い。
2）医療従事者や現場で働く人々は、ウイルスが体内に侵入する主要な3つの経路（目、鼻、口）すべてを完全に保護できる。
3）この装置には使い捨ての部品が含まれていないため、環境安全上の課題を引き起こす可能性がない。
4)充電式電源は軽量で小型である。テンション調整とリフト回路の使用により、電池の容量を最大限に活用する。これらの運転条件下では、電池は500-1000回の放電および充電サイクルを提供する。
5)熱ストレスをウイルス不活化の方法として使用することは非常に安全であり、滅菌空気フローに有害または刺激性のある毒性副産物を引き起こさない。
6)この提案された空気滅菌設計により、熱ストレスを用いたエアロゾル化されたウイルス不活化方法を使用する最初の携帯用フルフェイス呼吸器の構築が可能になりました。以下の要因が携帯性に貢献している。
a. 熱処理反応器（4）とスパイラル熱交換器（5）の空間配置。熱交換器が反応器を取り囲むように設計されている。
b. 反応器-交換器システムの設計による非常に低い熱慣性。
c. 充電式電源から供給される電力の最適な使用を保証するためにテンション調整とリフト回路を使用すること。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【国際調査報告】