CN112448093A - 用于具有隔热的可灭菌手术工具的电池外壳 - Google Patents

用于具有隔热的可灭菌手术工具的电池外壳 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于具有隔热的可灭菌手术工具的电池外壳。具体地，一种电池组组件或外壳，包括一个或多个电池和外壳，该电池具有电化学单元，该外壳至少具有外壁，该外壁配置为生成充分围绕该电池的密封的体积空间。该体积空间的气氛包括热传导率低于0.018瓦特每米摄氏度的气体。这种具有气体的气氛在该外壁与这些电池之间提供了隔热层。具有此隔热层的该电池组组件可以承受高压灭菌而不会损害电池。该电池组组件可以用于向手术工具或其它能承受高压灭菌的装置提供电力。

Description

用于具有隔热的可灭菌手术工具的电池外壳
本申请是于2017年7月18日提交的已进入中国国家阶段的PCT专利申请(中国国家申请号为201680006256.0，国际申请号为PCT/US2016/015380，发明名称为“用于具有隔热的可灭菌手术工具的电池外壳”)的分案申请。
背景技术
本发明涉及电池外壳的隔热，例如涉及包含了在手术中暴露在高温中的电池单元的壳体的隔热。
电池供电的工具在手术设置上对医务工作者提高了便利性和效率。例如在手术室的无菌区，这些手术工具及其相关的电池在使用之前进行消毒，。电池供电的手术工具通常设计为承受与用于对手术工具或手术器械进行消毒的高压灭菌相关的温度。这些温度例如可以在预真空消毒器中达到132°C并持续数分钟，或在重力置换消毒器中达到121°C并持续30分钟或更长时间。
与手术工具或手术器械类似，这样工具的电池外壳也要消毒。这种消毒引出一个问题，即可充电电池单元在暴露于超过70°C的温度中时，其性能可能降低。除了降低性能外，一旦该电池单元暴露于超过80°C的温度中时，其本身处于收到永久损伤的危险中。
一种防止电池单元达到这种临界温度的方式已经用于对没有电池单元的电池外壳进行消毒，然后电池单元在使用屏蔽物和密封覆盖物的情形下添加至该外壳中，从而防止该电池单元暴露于消毒区域。另一种方式为利用隔热材料来隔热电池单元，例如微孔硅酸(美国第6,756,766号专利)，硅土(二氧化硅)，碳氮化硅陶瓷和带孔硅胶(美国第8,486,560号专利)。
还有一种方式为利用化学品或气体对具有电池单元的电池外壳进行消毒，这类消毒过程避免了产生可能损伤电池单元的温度。然而，这种方式所需要的消毒结构通常在医院、手术中心和其它医疗机构都没有。
发明概要
提供一种简单的低成本的密封电池外壳及其相关的制备方法。在示例性实施例中，该外壳可以在具有可充电(电化学)电池单元封闭在其内部时进行高压灭菌。
根据示例性实施例的一方面，电池组组件包括至少一个电池和外壳，该电池包括电化学单元，该外壳至少具有一种外壁，该外壁配置为生成充分围绕该至少一个电池的密封的体积空间。该体积空间的气氛包括气体。该体积空间的气体的热传导率低于0.018瓦特每米摄氏度。
附图说明
图1示出了按照本发明的示例性实施例的一个方面的电池组组件的透视图；
图2示出了按照本发明的示例性实施例的另一方面的电池组组件的透视图；
图3示出了按照本发明的示例性实施例的一个方面的耦合到充电站的电池组组件的透视图；
图4示出了按照本发明的示例性实施例的一个方面的耦合到手术设备的电池组组件的透视图；
图5示出了按照本发明的示例性实施例的一个方面的包括显示器的电池组组件的透视图。
具体实施方式
这里所描述的示例性实施例仅仅是示例性的目的而并限制本发明的范围。需要理解，作为本行业技术人员已知的是，由于环境暗示或给予了便利而各种省略和替换等效结构是可以预期的。此外，尽管下述内容大体涉及该物理设计的示例性实施例，对本行业熟悉的技术人员需要理解是，在不脱离本发明的精神下，可以改变材料，部件描述和几何形状。
在本发明的示例性实施例的一方面中，电池组组件或外壳包括一个或多个电池和外壳，该电池具有电化学单元，该外壳具有用于产生充分围绕这些电池的密封的体积空间的外壁。该体积空间的气氛包括热传导率低于0.018瓦特每米摄氏度的气体。这个气体的气氛在该外壁与这些电池之间布置有隔热层。具有此隔热层的该电池组组件可以承受高压灭菌而不会损害电池。
在该体积空间的气体的热传导率可以较低，例如低于0.016瓦特每米摄氏度。此外，该体积空间的气氛可以包括足以使在该体积空间中的气体的热传导率低于0.018瓦特每米摄氏度的部分真空。包括在该体积空间的气氛中的气体可以为选自由氪、氙、氩和氟利昂组成的组的至少25％或至少33％的惰性气体。
该电池组组件还包括将电池与外壳的外壁分离的多个支撑件。另外，还包括至少部分围绕电池的内壁。该外壳的外壁由可以覆盖有一层诸如降低外壁的渗透率的金属层的复合塑料形成。
为了供应电力，该电池组组件包括从电池延伸至外壁的外部的电池端子。该电池端子包括耦合至电触点的正极端子和负极端子，该正极端子和负极端子用于连接至手术工具并向其供电，以及连接至充电站并通过其充电。
如图1所示，电池组外壳或组件100包括电池单元110、电池端子120、第一壁或外壁130和第二壁或内壁140。该电池单元110可以为可再充电的电化学单元，例如铅酸电池、镍铬电池(NiCd)、镍氢电池(NiMH)、锂离子电池(Li-ion)或锂离子聚合物电池(Li-ionpolymer)。
该外壁130形成围绕该内壁140和电池单元110的连续密封室。该内壁130的内表面与该内壁140的内表面之间的空间呈现具有气氛的体积空间160，该气氛包括气体、部分真空或两者都有。该内壁140可以为围绕该电池单元110的连续壁或非连续壁。当作为非连续壁时，该内壁140可以部分或充分地覆盖该电池单元110，并且将该电池单元110与该外壁130的内表面分隔开。该内壁的横截面积优选地小于该外壁130的外表面积的25％。相对于该外壁130减少该内壁140的横截面积有利于降低从该外壁130到该电池单元110传输通过该电池组外壳100的热传导。
为了将该外壁130与该内壁140分隔开，该电池组外壳100包括多个支撑件，衬隔材料或使该外壁130与该内壁140保持分离的分离器150。在该示例性实施例中，该衬隔材料由多个防止该电池单元110接触该外壁130的单独的支撑件150形成。当然，提供填充物或邻近的间隔而不是离散结构"支撑件"是可预料到的替代配置。
可选地，如图2所示，该电池组外壳100可以设计为无内壁140。在此配置中，该电池单元110暴露在体积空间160的气氛中。没有内壁140，如图2所示，该支撑件150配置为将该外壁130与该电池单元110分隔开。
该支撑件150优选由低热传导材料形成，其利于减少从外壁130至内壁140和电池单元110的热传递。另外，优选最小化该支撑件150的横截面积。例如，该横截面积可以为该电池单元110的表面面积的一小部分，例如小于10％。包括在该电池组外壳100内的支撑件150的数量取决于该电池单元110的具体配置，但是该支撑件150的数量优选是足以保持在外壁130内的和远离该外壁130的电池单元110的位置的(或内壁140(如果包括的话))。
鉴于该外壁130的外表面暴露在环境中，该外壁130的内表面暴露在外壁130与内壁140或电池单元110之间的体积空间160的气氛中。该气氛在外壁130与电池单元110之间提供了隔热层。例如，该气体的气氛可以包括至少25％的低热传导性的气体。该低热传导性的气体可以包括较大比例的气氛，例如体积空间160中的至少33％的气氛、50％的气氛或所有气氛。该低热传导性的气体优选为诸如氩、氪、氙或氟利昂的惰性气体。
除了低热传导性的气体，或作为该低热传导性的气体的替代，该体积空间160中的气氛可以包括部分真空。该部分真空优选合计至该体积空间160中的气氛的25％。该部分真空可以包括较大比例的气氛，例如体积空间160中的至少33％的气氛、50％的气氛或所有气氛。
因为在大气压力下的热传递显著受到气体分子对分子的碰撞期间的直接传递或分子运动对流的影响，该部分真空有利于减少从外壁130至电池单元110的热传递。如果诸如外壁130和电池单元110两个物体为不同的温度且放置在大气压下的腔室中，热量会开始通过气体分子从较热方流动到较冷方。如果通过去除某些气体分子而减少此压力，例如引入真空，则分子间的距离会变大并且分子碰撞的数量会减少，从而导致热流动的减少。降低热传递介质(诸如气体分子)的热传导使得较热物体保持其热量。并且，如果压力不断地减少，热流动同样在不断地减少。因此，在热物体与冷物体(例如外壁130与电池单元110)之间引入至少部分真空产生热隔热体该部分真空提供的隔热的量取决于热物体与冷物体之间的真空(即极少量的分子)的量。
无论体积空间160中的气氛包括低热传导性的气体，部分真空或二者的结合，该气氛的热传导优选配置为隔离该电池单元，从而保护该电池单元110在高压灭菌期间防止受到损害。空气的热导率是0.024瓦特每米摄氏度。使用低热传导性的气体和/或部分真空将体积气体160中的气氛的热传导率减少至低于空气的热传导率。为了保护该电池单元，优选在气氛中提供充足的低热传导性的气体和/或部分真空，从而使得该气氛的热传导率的范围诸如从0.002瓦特每米摄氏度到0.018瓦特每米摄氏度。更优选地，该气氛的热传导率低于0.018、低于0.016、低于0.012、低于0.009或低于0.007瓦特每米摄氏度。在示例性实施例中，该低热传导性的气体具有低于0.012瓦特每米摄氏度的热传导率，例如氟利昂(具有0.007的热传导率)或氪(具有0.009的热传导率)。随着体积空间160的气氛配置为具有低热传导率，当外壁暴露在132°C达4分钟或暴露在121°C达30分钟时，该电池组外壳100例如防止该内壁130和电池单元120达到70°C。
除了体积空间160中的气氛提供的隔热层，为了进一步保护该电池单元110，该电池组外壳100的壁可以包括具有非常低的渗透率的材料至气氛中包括氮气、氧气和其它气体的气体。该材料无论在室温下以及在高温杀菌的温度下都优选具有非常低的渗透率，例如132摄氏度。例如，用于该外壁130和内壁140的材料可以为具有不同的网和层来降低渗透率的复合塑料。外壁130的厚度优选足以承受诸如掉到地板上的损害，以及考虑到的诸如塑料等所用材料的冲击和模塑性能。
除了用于电池组外壳100的壁的材料外，薄膜、涂层、复合挤压或电镀可配置在外壁130的内部或外部上，并优选配置到内壁140上。该涂层优选位于外壁130的内部，以保护诸如来自刮擦的损害。该涂层例如可以为金属层，其有利于降低该壁的渗透率，优选至少降低90％。该所期望的低渗透率通常为该电池组外壳100的外壁130内的"自由气体体积"的功能。在优选实施例中，例如该外壁130的材料和涂层优选设计为使得当保存在23°C时的一年内，体积空间160的气氛内的自由体积的传递不超过10％。具有这样的低渗透率，体积空间160内的气氛不会随着时间从电池组外壳100消散。
该电池端子120可以包括可以连接至电触点170的正极导线和负极导线。该电触点170配置为连接至诸如手术工具的装置并向其提供电力，例如如图4所示。该手术工具例如可以为如美国第8,936,106号专利所描述的矫形动力工具。该电触点170也可以连接至充电器来使电池单元110充电，例如如图3所示。该电池端子120穿过该外壁130和内壁140，并优选通过低渗透率封装化合物、O型环或其它密封方法来密封以减少气体泄漏。该密封材料例如可以为20-2350聚氨酯。此外，该电触点170的横截面积保持最低水平，从而减少了向电池单元110的传导热传递。
除了正极和负极导线之外，该电池端子120还可以包括一个或多个通信端子。这些通信端子可以配置为提供关于气氛破坏、电池单元的温度、电池单元的电池电量的信息及其它与包括电池单元110的电池组外壳100的使用或条件相关的信息。为了经由通信端子提供这种信息，该电池组外壳100可以包括配置为检测与电池组外壳100和电池单元110的使用相关的条件和参数的电路、检测器和传感器。该通信端子可以耦合至显示器180，诸如图5所示，其配置为显示该通信端子提供的信息。也可以用燃料单元替换该电化学单元。
为了检测温度，该电池组外壳100可以包括监视电池组单元1120或围绕该电池组单元110区域的温度的热电偶。可以使用在外壁130的外表面上可见的指示灯或安装在外壁的外表面上的扬声器的声音来指示温度的状态，例如该温度保持在可接受的水平、已经到达接近临界水平的点或已经到达临界水平。该指示灯和声音还可以用来指示电池是否准备好使用。还可以使用热致变色条来通过颜色或其它变化指示电池单元110在安全的使用温度下。
除了检测和提供温度的指示，该电池组外壳100可以包括故障保护，当其启动时，阻止电池的使用。该故障保护例如可以通过烧断连接中的熔丝来实现。在电池组外壳100中可以引入通常在工业中使用的诸如PTC元件的附加安全装置，以预防电池单元110放电，直到其足够凉。该电池组外壳100可以包括用于检测内部气体腔室区域的热传导的传感器和用于检测高压灭菌循环期间电池组外壳100内的电池单元110所达到的峰值温度的传感器。基于检测的信息，传感器将信息传达给操作者，例如保温系统的损坏或诸如电池单元110不充电的缺陷。
尽管描述了本公开的多个具体实施例，但不应当认为这样的参考是对本公开的范围的限制。

Claims (40)

1.一种电池组组件，包括：
至少一个电池；
外壳，所述外壳限定所述至少一个电池位于其中的密封的体积空间，所述密封的体积空间包括气氛；以及
热传导率传感器，所述热传导率传感器构造成用以检测所述气氛的热传导率；
其中，当所述气氛未被破坏时，所述气氛的热传导率在0.002至0.018瓦特每米摄氏度的范围内。
2.根据权利要求1所述的电池组组件，其特征在于，所述气氛包括下列各项中的至少一者：
部分真空；以及
选自由氪、氙、氩和氟利昂组成的组的惰性气体。
3.根据权利要求1所述的电池组组件，其特征在于，所述电池组组件还包括通信端子，所述通信端子操作地连接至所述热传导率传感器并且构造成用以传达关于所感测的热传导率的信息。
4.根据权利要求3所述的电池组组件，其特征在于，关于所感测的热传导率的所述信息指示所述气氛的破坏和所述至少一个电池的缺陷中的至少一者。
5.根据权利要求3所述的电池组组件，其特征在于，所述通信端子构造成用以操作地连接至显示器，所述显示器构造成用以在其上显示关于所感测的热传导率的所述信息。
6.根据权利要求1所述的电池组组件，其特征在于，所述电池组组件还包括温度传感器，所述温度传感器构造成用以感测所述外壳内的温度；以及
指示器，所述指示器操作地连接至所述温度传感器并且构造成用以传达关于所感测的温度的信息。
7.根据权利要求6所述的电池组组件，其特征在于，关于所感测的热传导率的所述信息指示所述温度是否在可接受的水平。
8.根据权利要求6所述的电池组组件，其特征在于，所述指示器构造成用以通过光或声音来传达所述信息。
9.根据权利要求1所述的电池组组件，其特征在于，所述至少一个电池暴露于所述外壳的外壁的内表面。
10.根据权利要求1所述的电池组组件，其特征在于，一内壁将所述至少一个电池与所述外壳的外壁的内表面分离，以及所述体积空间位于所述内壁的外表面和所述外壁的内表面之间。
11.根据权利要求1所述的电池组组件，其特征在于，所述电池组组件还包括正极端子和负极端子，所述正极端子和负极端子各自从所述至少一个电池延伸到所述外壳外；以及
在所述外壳外耦合至所述正极端子和负极端子的电触点，所述电触点构造成用以连接至手术工具以经由所述至少一个电池向所述手术工具提供电力。
12.一种电池组组件，包括：
至少一个电池；
所述至少一个电池位于其中的外壳，所述外壳在其中具有密封的体积空间，所述密封的体积空间包括气氛；以及
热传导率传感器，所述热传导率传感器构造成用以检测所述气氛的热传导率；以及
通信端子，所述通信端子操作地连接至所述热传导率传感器并且构造成用以传达关于所感测的热传导率的信息。
13.根据权利要求12所述的电池组组件，其特征在于，当所述气氛未被破坏时，所述气氛的热传导率在0.002至0.018瓦特每米摄氏度的范围内。
14.根据权利要求12所述的电池组组件，其特征在于：
所述外壳的外壁的外表面暴露于所述外壳外的空气；
所述气氛包括气体、部分真空，或者两者；以及
当所述密封的体积空间未被破坏时，所述气氛的热传导率小于所述空气的热传导率。
15.根据权利要求12所述的电池组组件，其特征在于，关于所感测的热传导率的所述信息指示所述气氛的破坏和所述至少一个电池的缺陷中的至少一者。
16.根据权利要求12所述的电池组组件，其特征在于，所述通信端子构造成用以操作地连接至显示器，所述显示器构造成用以在其上显示关于所感测的热传导率的所述信息。
17.根据权利要求12所述的电池组组件，其特征在于，所述气氛包括气体和部分真空中的至少一者，而所述气体和所述部分真空中的所述至少一者包括所述气氛的至少25%。
18.根据权利要求12所述的电池组组件，其特征在于，所述电池组组件还包括温度传感器，所述温度传感器构造成用以感测所述外壳内的温度；以及
指示器，所述指示器操作地连接至所述温度传感器并且构造成用以传达关于所感测的温度的信息。
19.根据权利要求12所述的电池组组件，其特征在于，所述电池组组件还包括正极端子和负极端子，所述正极端子和负极端子各自从所述至少一个电池延伸到所述外壳外；以及
在所述外壳外耦合至所述正极端子和负极端子的电触点，所述电触点构造成用以连接至手术工具以经由所述至少一个电池向所述手术工具提供电力。
20.一种手术工具，包括：
至少一个电池；
外壳，所述外壳限定所述至少一个电池位于其中的密封的体积空间，所述密封的体积空间包括气氛；以及
热传导率传感器，所述热传导率传感器构造成用以检测所述气氛的热传导率；
手术工具，所述手术工具构造成用以操作地连接至所述至少一个电池，从而允许所述至少一个电池向所述手术工具提供电力；
其中，当所述气氛未被破坏时，所述气氛的热传导率在0.002至0.018瓦特每米摄氏度的范围内。
21.一种对手术工具消毒的方法，包括：
使用包括高压灭菌循环的消毒过程对手术工具消毒，所述手术工具包括：
电化学单元；以及
外壳，所述外壳密封在其中的体积空间，所述电化学单元位于所述体积空间中；以及
在所述高压灭菌循环期间，利用传感器感测所述外壳内的热传导率。
22.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，所述高压灭菌循环使所述手术工具承受范围在121°C至132°C内的温度。
23.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，所述消毒过程使所述手术工具承受高于80°C的温度。
24.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，所述方法还包括将所感测的热传导率传达给操作者。
25.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在所述高压灭菌循环期间，利用第二传感器感测所述外壳内的温度；以及
将所感测的温度传达给操作者。
26.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，所述体积空间具有包括部分真空和惰性气体中的至少一者的气氛。
27.根据权利要求26所述的方法，其特征在于，至少在所述高压灭菌循环之前所述气氛具有范围在0.002至0.018瓦特每米摄氏度内的热传导率。
28.根据权利要求26所述的方法，其特征在于，所述电化学单元暴露于所述体积空间的气氛。
29.根据权利要求26所述的方法，其特征在于，所述外壳内的内壁防止所述电化学单元暴露于所述体积空间的气氛。
30.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，所述手术工具为矫形手术工具。
31.一种对手术工具消毒的方法，包括：
使用包括高压灭菌循环的消毒过程对手术工具消毒，所述手术工具包括：
电化学单元；以及
隔热层，所述隔热层位于所述电化学单元和所述手术工具外部的空气之间，至少在所述高压灭菌循环之前所述隔热层具有范围在0.002至0.018瓦特每米摄氏度内的热传导率；以及
在所述高压灭菌循环期间，利用传感器感测所述隔热层的热传导率。
32.根据权利要求31所述的方法，其特征在于，所述高压灭菌循环使所述手术工具承受范围在121°C至132°C内的温度。
33.根据权利要求31所述的方法，其特征在于，所述消毒过程使所述手术工具承受高于80°C的温度。
34.根据权利要求31所述的方法，其特征在于，所述方法还包括将所感测的热传导率传达给操作者。
35.根据权利要求31所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在所述高压灭菌循环期间，利用第二传感器感测所述隔热层的温度；以及
将所感测的温度传达给操作者。
36.根据权利要求31所述的方法，其特征在于，所述隔热层包括部分真空和惰性气体中的至少一者。
37.根据权利要求31所述的方法，其特征在于，所述手术工具还包括在其中具有气氛的外壳，所述气氛提供所述隔热层。
38.根据权利要求37所述的方法，其特征在于，所述电化学单元暴露于所述气氛。
39.根据权利要求37所述的方法，其特征在于，所述外壳内的内壁防止所述电化学单元暴露于所述气氛。
40.一种电力组件，包括：
电源；
外壳，所述外壳密封在其中的体积空间，所述电源位于所述体积空间中，以及所述体积空间具有气氛，所述气氛提供在所述电源和所述外壳外部的空气之间的隔热层；以及
所述外壳内的内壁，所述内壁防止所述电源暴露于所述体积空间的气氛；
其中，所述气氛的热传导率小于所述外壳外部的空气的热传导率。
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