JP2004261210A - ペルチェ素子による温度制御装置及び温度制御方法 - Google Patents
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Abstract
【目的】ペルチェ素子及びその接続要素を封入する真空容器及びその関連装置を設置することなくペルチェ素子及びその接続要素の断熱を可能として、装置の構造を簡単化して装置コストを低減し、温度センサによる温度検出値に基づく接触面の温度制御精度を向上し得るペルチェ素子による温度制御装置及び温度制御方法を提供する。
【解決手段】ペルチェ素子と電極兼ヒートシンクとの間に直流電圧を印加して生起されるペルチェ効果によって被温度制御体に接触可能な導電体の接触面を介して該被温度制御体を急速冷却あるいは急速加熱するペルチェ素子による温度制御装置において、前記導電体及びペルチェ素子及び電極兼ヒートシンクの全部または接触面側の一部を覆う先端カバーを設け、該先端カバーの内側に形成される内封空間にガスが封入されたガス層を設けるとともに、該内封空間の導電体とガス層との間に断熱材からなる断熱層を設けたことを特徴とする。
【選択図】 図１
【解決手段】ペルチェ素子と電極兼ヒートシンクとの間に直流電圧を印加して生起されるペルチェ効果によって被温度制御体に接触可能な導電体の接触面を介して該被温度制御体を急速冷却あるいは急速加熱するペルチェ素子による温度制御装置において、前記導電体及びペルチェ素子及び電極兼ヒートシンクの全部または接触面側の一部を覆う先端カバーを設け、該先端カバーの内側に形成される内封空間にガスが封入されたガス層を設けるとともに、該内封空間の導電体とガス層との間に断熱材からなる断熱層を設けたことを特徴とする。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、大温度差高熱流束冷却を可能としたペルチェ素子を用いた微小面積の局所を急速冷却あるいは急速加熱するペルチェ素子による温度制御装置及び温度制御方法に関し、特に、皮膚や粘膜の癌等に対する局所凍結治療に好適なペルチェ素子による温度制御装置及び温度制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ペルチェ素子を利用した電子冷凍システムは、供給電力に応じて冷却温度を制御することができるため、光学機器や電子部品などの局所冷却に応用されているが、定常状態における冷却性能が低く、大温度差、高熱流束を実現することは困難であった。
また大温度差を得るためにペルチェ素子を多段型にしたモジュールも開発されており、例えば、特開平８−１８６２０５号公報（特許文献２）には、第１のペルチェ素子に接触させたヒートシンクに、さらに第２のペルチェ素子を接触させる温度制御装置が開示されている。かかる温度制御装置においては、熱拡散や熱伝達効率を高めるためには、第１のペルチェ素子に対して第２のペルチェ素子をより大きくする必要がある。
即ち、前記温度制御装置のような多段型の場合には、第１段での発熱を次段以降で吸収しかつ温度差を与えるために、次段以降のモジュールを順次相対的に大きくして吸熱能力を大きくする必要があり、モジュール全体としては大型となり、さらには、周囲の雰囲気の熱伝導、対流の影響により冷却面の温度制御が不安定となることがある。
【０００３】
一方、皮膚や粘膜の癌等の局所治療や外科的な開腹手術に耐えられない高齢者などの患者を対象とする非観血的治療においては、生体の病変部位を局所的に凍結させ凍結によって発生する現象を治療に応用した凍結手術が行われており、従来から冷却凍結用としては液体窒素が用いられている。
しかしながら、従来の液体窒素による方法では、生体組織を治療に適した温度に制御することが困難であるとともに、液体窒素の使用による過凍結によって凍結部位に隣接する正常組織に損傷を与えてしまう場合があり、十分満足できる治療はなされていなかった。
【０００４】
かかる課題に対処する技術の１つとして、特開２００２−１７７２９６公報（特許文献１）の発明に係るペルチェ焼灼装置が提供されている。
かかるペルチェ焼灼装置は、装置先端に被焼灼面即ち被温度制御体の接触面と接触される一方の面を有するペルチェ素子と、このペルチェ素子の他方の面に接触配置された電極兼ヒートシンクと、この電極兼ヒートシンクの前記ペルチェ素子側の先端又はその内側に設置された温度センサと、前記電極兼ヒートシンクの前記ペルチェ素子と接触していない後端面に接触配置された外部冷却器とで構成され、前記ペルチェ素子の被焼灼面と接触される面及び前記外部冷却器の後端部を除く構成が真空容器中に封入されてなることを特徴としている。
【０００５】
そして、かかるペルチェ焼灼装置においては、例えば、被焼灼面即ち被温度制御体の接触面を急速冷却する場合、該被焼灼面が配置される一方の面をペルチェ素子の非定常時の冷却面に、ヒートシンク部材が熱的に接触配置された他方の面を加熱面にする。そして定常時にはヒートシンク部材は外部冷却器により被焼灼面の定常時の温度に比較して低温の所定温度に保持し、前記ペルチェ素子に被焼灼面側を加熱面とする向きに通電して所定の定常時の温度に保持しておき、急速冷却に際しては通電を加熱モードから冷却モードに極性反転して切り替えることにより急速冷却を達成する。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００２−１７７２９６公報
【特許文献２】
特開平８−１８６２０５号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
前記特許文献１においては、電子冷却システムとして、ペルチェ素子を利用したシステムで大温度差、高熱流速を可能としたものの、モジュールの大型化、温度制御の不安定化等の問題が残り、尚実用性には欠けるものであった。
また、凍結手術を主とする医療用冷却システムに用いられている液体窒素治療にあっては、温度制御が困難である等の問題を抱えている。
【０００８】
また、前記特許文献１の技術は、前記特許文献１の技術及び液体窒素治療が抱えている前記のような問題点を解消可能とするものであるが、次のような解決すべき問題点を有している。
（１）ペルチェ素子の被焼灼面即ち被温度制御体の接触面と接触される面及び外部冷却器の後端部を除く部位を真空容器中に封入して、かかる部位の断熱を行うように構成されているため、前記真空容器、該真空容器内の真空を保持するための真空ポンプ、真空配管等の真空発生及び保持装置を装備することを要し、ペルチェ素子による温度制御装置の構造が複雑化して装置コストが高騰する。また、長期間の使用では、真空度の低下による温度制御精度の低下を招きやすくなり、殊に医療用温度制御装置としての信頼性に課題がある。
また、前記のように、ペルチェ素子の主要部を真空容器の内側に設置しているため、被温度制御体との接触面を有する導電体の長さが制限されることとなり、温度制御装置の先端部の形状を、用途に応じて変えることが困難である。
【０００９】
（２）前記のように、ペルチェ素子及びその接続要素からなる温度制御要素を真空容内に封入するように構成しているため、施術時のモニタリング等における温度制御のための温度センサを被温度制御体の接触面近傍に設置するのが実質的に不可能であることから、該温度センサを前記接触面近傍から離隔した電極兼ヒートシンクのペルチェ素子側の先端又はその内側に設置せざるを得ず、このため前記被温度制御体の接触面温度を正確に検知できず、該接触面の温度制御精度が低下する。
【００１０】
本発明はかかる従来技術の課題に鑑み、ペルチェ素子及びその接続要素を封入する真空容器及びその関連装置を設置することなくペルチェ素子及びその接続要素の断熱を可能として、装置の構造を簡単化して装置コストを低減し、温度センサによる温度検出値に基づく接触面の温度制御精度を向上し得るペルチェ素子による温度制御装置及び温度制御方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明はかかる目的を達成するもので、一方の面を所定温度に維持された被温度制御体に導電体を介して接触可能に配置されるとともに他方の面を電極兼ヒートシンクに接触可能に配置されたペルチェ素子を備え、前記導電体に接続される接触面に前記被温度制御体を接触させ前記ペルチェ素子と電極兼ヒートシンクとの間に直流電圧を印加することにより生起されるペルチェ効果によって前記被温度制御体を急速冷却あるいは急速加熱するように構成されたペルチェ素子による温度制御装置において、前記導電体及びペルチェ素子及び電極兼ヒートシンクの全部または前記導電体側の一部を覆い前記接触面が形成された先端カバーを設け、該先端カバーの内側に形成される内封空間に空気、フロン、アルゴン等のガスが封入されたガス層を設けるとともに、該内封空間の前記導電体とガス層との間に断熱材からなる断熱層を設けたことを特徴とする。
【００１２】
かかる発明によれば、導電体及びペルチェ素子及び電極兼ヒートシンクの全部または被温度制御体との接触面側の一部を先端カバーにて覆い、該先端カバーの内側に形成される内封空間に空気、フロン、アルゴン等のガスを封入して断熱ガス層を形成したので、前記先端カバーで囲まれた断熱ガス層によって、前記導電体及びペルチェ素子及び電極兼ヒートシンクの断熱を確実になすことが可能となる。
従って、前記接触面寄りの先端部への侵入熱は、先端カバーの内側に形成される断熱ガス層による自然対流が起こらず、該断熱ガス層によって遮断されて、安定した断熱作用をなすことができる。
また、前記特許文献１のような真空容器が不要となるので、前記導電体の長さを長くして、該導電体の形状を後述するような先細形状あるいは拡大テーパ形状等、用途に応じて自在に選定することができる。
【００１３】
従って、かかる発明によれば、先端カバーで囲まれた断熱ガス層によって導電体及びペルチェ素子及び電極兼ヒートシンク等の温度制御要素の断熱を確実になすことが可能となるので、従来技術のような、該温度制御要素を封入するための真空容器及び該真空容器内の真空を保持するための真空ポンプ、真空配管等の真空発生及び保持装置が不要となる。
これにより、ペルチェ素子による温度制御装置の構造を簡単化することが可能となり、装置コストを低減することができる。
【００１４】
また、前記のように、先端カバーで囲まれた断熱ガス層によって温度制御要素の断熱を行い、真空容器を含む真空発生及び保持装置が不要となるため、長期間の使用においても、真空度の低下による温度制御精度の低下の発生が回避され、温度制御装置の信頼性、殊に医療用温度制御装置としての信頼性が向上する。
【００１５】
かかる発明において好ましくは、前記先端カバー外面を含む外形形状を、先端部が縮小される先細形状に形成する。
このように構成すれば、先端部が先細形状となっているので、人体の治療時において、被温度制御体である人体との接触面つまり治療箇所がよく視認できて治療が容易となる。また、先端部の長さが長くなるので、該先端部における断熱層を長くすることができ、前記温度制御要素の断熱効果が向上する。
また、前記のように、導電体の長さを長くすることにより外形形状を先細形状に形成して、前記接触面近傍の着霜、結露を前記先端カバーで囲まれた断熱ガス層によって回避できる。
【００１６】
また、かかる発明において好ましくは、前記導電体は、前記接触面側が拡開される拡大テーパ形状に構成される。
このように構成すれば、被温度制御体との接触面積が大きくなるので、人体の治療時において、ペルチェ素子による温度制御装置の外形を大きくすることなく、広い面積の患部の治療が可能となる。
【００１７】
また、かかる発明において好ましくは、前記導電体は、前記接触面側が縮小されかつ所定形状に屈曲された形状に構成してなる。
このように構成すれば、先細部の接触面側が屈曲されているので、人体治療時において、口の中等の狭隘な箇所の治療が容易にできる。
【００１８】
また、本発明は、一方の面を所定温度に維持された被温度制御体に導電体を介して接触可能に配置されるとともに他方の面を電極兼ヒートシンクに接触可能に配置されたペルチェ素子を備え、前記導電体に接続される接触面に前記被温度制御体を接触させ前記ペルチェ素子と電極兼ヒートシンクとの間に直流電圧を印加することにより生起されるペルチェ効果によって前記被温度制御体を急速冷却あるいは急速加熱するように構成されたペルチェ素子による温度制御方法において、温度センサにより前記接触面近傍の温度を検出し、該温度センサで検出された温度に基づき、前記ペルチェ素子に印加する電圧を調整することにより、前記被温度制御体に接触される前記接触面の表面温度を所定温度に制御することを特徴とする。
かかる発明において好ましくは、前記導電体の端部を含む前記接触面近傍に、該接触面近傍の温度を検出する温度センサを配設する。
さらに好ましくは、前記被温度制御体との接触面側の面積の異なる前記導電体を複数準備し、該被温度制御体の接触面積に応じて前記面積の異なる前記導電体を使い分ける。
【００１９】
かかる発明によれば、先端カバーで囲まれた断熱ガス層によって前記温度制御要素の断熱を確実になすことにより、該温度制御要素を封入するための真空容器が不要となるため、施術時のモニタリング等における温度制御のための温度センサを被温度制御体の接触面近傍に設置することが容易となって、該被温度制御体の接触面温度を正確に検知することができて、温度センサからの接触面温度の検出値に基づく施術時のモニタリングを高精度で行うことができる。
また、前記被温度制御体との接触面側の面積の異なる前記導電体を複数種類準備しておけば、人体患部の状態によって、該導電体のみを交換し選択使用することが可能となる。
【００２０】
また、かかる発明において、前記被温度制御体が人体患部であるときは、前記温度センサで前記人体患部の過冷却解除温度を検出し、該過冷却解除温度から前記人体患部への施術開始を検知するのが好ましい。
このように構成すれば、人体患部に近接して設置された温度センサによって過冷却解除温度を検出することにより、該人体患部の凍結開始時期を正確に検知することが可能となり、該凍結開始時期から該人体患部への施術開始を検知し施術時間及び人体患部の施術部深さをモニターしながら施術を行うことができる。
【００２１】
また、かかる発明において好ましくは、前記温度センサで検出された前記接触面近傍の温度及び前記被温度制御体の接触面積に応じて、前記ペルチェ素子に印加する電圧の大きさ及び電圧印加時間を調整する。
このように構成すれば、人体治療時において、施術部位の状態によってペルチェ素子への通電を加熱モードから冷却モードにあるいはその逆に極性反転することにより急速冷却と急速加熱とを切り替えたり、ペルチェ素子に印加する電圧の大きさ及び電圧印加時間を調整することにより、施術部位の状態に最適な温度状態及び保温時間を保持することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のペルチェ焼灼装置について図に示した実施例を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載される寸法、材質、形状、その相対位置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
図１は第１実施例に係るペルチェ素子による温度制御装置の縦断面図、図２は第２実施例に係るペルチェ素子による温度制御装置の先端部縦断面図、図３は第３実施例に係るペルチェ素子による温度制御装置の先端部縦断面図である。図４は前記各実施例に係る温度制御装置を用いた施術時の温度変化を示す線図である。
【００２３】
第１実施例を示す図１において、本発明で用いるペルチェ素子は、一般的なＰ型素子１１ａとＮ型素子１１ｂからなる熱半導体をアルミニウムや銅などの金属導電体１０で結合したπ型回路からなる。
前記Ｐ型素子１１ａとＮ型素子１１ｂとは、通常は僅かな間隔をあけて配置されているが、本発明の温度制御装置においては、電気絶縁層５を介して配置され、コンパクトな装置構成を達成している。
１０は前記ペルチェ素子におけるＰ型素子１１ａ及びＮ型素子１１ｂの先端面に接着された金属導電体で、端面が人体患部等の被温度制御体（図示省略）に接触させるための接触面１７（詳細は後述）の内側に配置されている。
【００２４】
前記π型回路におけるＰ型素子１１ａ及びＮ型素子１１ｂの前記金属導電体１０と反対側の端面に接触して電極１３ａ、１３ｂがそれぞれ配置されている。
１４はヒートシンクで、前記ペルチェ素子１１ａ、１１ｂの金属導電体１０と反対側で発生する熱を放散するものである。該ヒートシンク１４は、前記ペルチェ素子のＰ型素子１１ａまたはＮ型素子１１ｂのそれぞれに接触配置された電極１３ａ、１３ｂの一方と一体（この例では電極１３ｂと一体）となるように接触せしめられ、他方の電極（この例では電極１３ａ）とは前記ガス層からなる電気絶縁層５を介して配置され、電極兼ヒートシンクを構成している。
そして該ヒートシンク１４は、前記のように電極兼ヒートシンクとするため、その材質として、銅、アルミニウム等の導電体であると共に熱伝導性にも優れた材料を用いている。
【００２５】
４は通電回路で、該通電回路４により前記π型回路の電極１３ａと前記電極兼ヒートシンク１４との間に直流電圧を印加して該電極１３ａ、電極兼ヒートシンク１４に通電することにより、前記金属導電体１０における、人体の患部等の被温度制御体（図示省略）との接触面１７を冷却（あるいは加熱）するようになっている。
前記ヒートシンク１４の前記ペルチェ素子１１ａ、１１ｂと接触していない後端面には、ドライアイス等の冷却剤を封入できる構造を有する外部冷却器１５を接触配置している。この外部冷却器１５に冷却剤を封入しておくことにより、前記ペルチェ素子１１ａ、１１ｂ側からの放熱をより速やかにし、装置先端の急速冷却を達成することが可能となる。
また必要に応じて、本装置とは別に設置された循環式冷却装置の循環配管部（図示省略）をこの外部冷却器１５に接続し、冷却してもよい。
【００２６】
１は固体断熱材からなる断熱体で、前記金属導電体１０、ペルチェ素子１１ａ、１１ｂ、及び電極１３ａ、１３ｂ及びヒートシンク１４からなる温度制御要素の根本部つまり前記金属導電体１０とは反対側の部分の外周、及び前記外部冷却器１５の外周を覆い、断熱している。
３は硬質剛性樹脂等の電気絶縁材（好ましくは透明体）からなる先端カバーで、先端部が縮小される先細の薄肉円筒状に形成されるとともに先端に前記被温度制御体との接触面１７が形成され、前記金属導電体１０、ペルチェ素子１１ａ、１１ｂ、及び電極１３ａ、１３ｂ及びヒートシンク１４からなる温度制御要素の先端部を覆い、根本部が前記断熱体１の先端部に流体密に固着されている。該先端カバー３装着部の先端角θは３０°〜４５°が好適である。
【００２７】
前記先端カバー３の内面と該先端カバー３で覆われた前記金属導電体１０、ペルチェ素子１１ａ、１１ｂ、及び電極１３ａ、１３ｂ及びヒートシンク１４からなる温度制御要素の先端部外周との間に形成される内封空間には、空気、フロン、アルゴン、キセノン等のガスが封入された断熱ガス層２が設けられている。
従って、前記金属導電体１０、ペルチェ素子１１ａ、１１ｂ、及び電極１３ａ、１３ｂ及びヒートシンク１４からなる温度制御要素の先端部は、前記先端カバー３により密封された内封空間内の断熱ガス層２で確実に断熱されることとなり、前記特許文献１のような真空容器を用いることなく、前記温度制御要素の断熱を行うことが可能となる。
【００２８】
１６は前記金属導電体１０に設置された温度センサである。該温度センサ１６は、熱電対、サーミスタ等の公知の温度センサを用いればよいが、温度制御点である前記金属導電体１０の接触面１７の温度を正確に検知するため、該金属導電体１０の前記接触面１７にできる限り近接した部位に設置する。この実施例では、金属導電体１０外周先端面に設置している。
該温度センサ１６からの温度検出値は検出回線１６ａを介して温度制御装置に伝送される。
【００２９】
次に前記のように構成されたペルチェ素子による温度制御装置の温度制御方法について説明する。
温度センサ１６からの温度検出値は、時々刻々、前記検出回線１６ａを介してコントローラに入力される。
このコントローラは、図１に示される温度制御装置とは別個に設けておけばよく、前記ペルチェ素子１１ａ、１１ｂの電極１３ａ、１３ｂとリード線等で接続しておけばよい。また該コントローラは温度信号に基づきペルチェ素子１１ａ、１１ｂへの通電状態つまり印加電圧を可変できるものであればよく、特に制限されるものではない。
【００３０】
前記コントローラにおいては、人体施術の場合、図４に示されるように、前記金属導電体１０の接触面１７に接触する施術対象の患部面における施術時間毎の基準温度（目標温度）及び該基準温度に対応する基準印加電圧が設定されており、前記温度センサ１６からの、時々刻々の温度検出値と前記基準温度（目標温度）とを比較し、該接触面１７の温度が前記基準温度に一致するように、印加電圧を調整する。
これにより、施術対象の患部面に接触している前記接触面１７の温度は、常時前記基準温度（目標温度）に調整される。
【００３１】
従って、前記先端カバー３で囲まれた断熱ガス層２によって前記温度制御要素の断熱を確実になすことにより、該温度制御要素を封入するための真空容器が不要となるため、施術時のモニタリングにおける温度制御のための温度センサ１６を人体患部（被温度制御体）への接触面１７近傍に設置することによって、該人体患部の接触面温度を正確に検知することができる。
これにより、前記温度センサ１６からの接触面温度の検出値に基づく、施術時のモニタリングを高精度で行うことができる。
【００３２】
また、かかる実施例においては、人体施術の場合、図４に示されるように、前記金属導電体１０に、前記接触面１７に近接して配置された温度センサ１６で前記人体患部の過冷却解除温度を検出し、該過冷却解除温度から前記人体患部への施術開始を検知する。
このように構成すれば、前記人体患部に近接して設置された温度センサ１６によって該人体患部における過冷却解除温度を検出することにより、該人体患部の凍結開始時期を正確に検知することが可能となる。これにより、該凍結開始時期から該人体患部への施術開始を検知して、施術時間及び人体患部の施術部深さをモニターしながら施術を行うことが可能となる。
【００３３】
またかかる実施例においては、前記温度センサ１６で検出された前記接触面１７近傍の温度及び人体患部（被温度制御体）の接触面積に応じて、前記ペルチェ素子１１ａ、１１ｂに印加する電圧の大きさ及び電圧印加時間を調整する。
このように構成すれば、人体治療時において、人体患部（施術部位）の状態によってペルチェ素子１１ａ、１１ｂへの通電を加熱モードから冷却モードにあるいはその逆に極性反転することにより急速冷却と急速加熱とを切り替えたり、該ペルチェ素子１１ａ、１１ｂに印加する電圧の大きさ及び電圧印加時間を調整することにより、人体患部の状態に最適な温度状態及び保温時間を保持することができる。
【００３４】
以上のように、かかる実施例によれば、金属導電体１０及びペルチェ素子１１ａ、１１ｂ及び電極を兼ねたヒートシンク１４の全部または被温度制御体（人体患部）との接触面１７側の一部を先端カバー３にて覆い、該先端カバー３の内側に形成される内封空間に空気、フロン、アルゴン、キセノン等のガスを封入して断熱ガス層２を形成したので、前記先端カバー３で囲まれた断熱ガス層２によって、前記金属導電体１０及びペルチェ素子１１ａ、１１ｂ及び電極を兼ねたヒートシンク１４の断熱を確実になすことができる。
【００３５】
また、前記接触面１７側から先端部への侵入熱は、先端カバーの内側に形成される断熱ガス層による自然対流が起こらず、該断熱ガス層によって遮断されて、安定した断熱作用をなすことができる。
従って、従来技術のような、前記金属導電体１０及びペルチェ素子１１ａ、１１ｂ及び電極を兼ねたヒートシンク１４等の温度制御要素を封入するための真空容器及び該真空容器内の真空を保持するための真空ポンプ、真空配管等の真空発生及び保持装置は不要となる。
また、前記のように、先端カバー３で囲まれた断熱ガス層２によって前記温度制御要素の断熱を行い、真空容器を含む真空発生及び保持装置が不要となるため、長期間の使用においても、真空度の低下による温度制御精度の低下の発生が回避され、医療用温度制御装置としての信頼性が向上する。
【００３６】
また、かかる実施例においては、前記先端カバー３の外面を含む外形形状を、先端部が縮小される先細形状に形成しているので、人体患部（被温度制御体）の治療時において、該人体患部との接触面１７、つまり治療箇所がよく視認できて治療が容易となる。また、先端部の長さが長くなるので、該先端部における断熱体１ａの層を長くすることができ、前記温度制御要素の断熱効果が向上する。
【００３７】
図２に示される第２実施例においては、金属導電体２１を、人体患部（被温度制御体）への接触面１７側が拡開される拡大テーパ角θ１なる拡大テーパ形状に構成し、先端カバー３も該金属導電体２１の形状に応じた形状とする。
かかる第２実施例によれば、人体患部と接触する前記接触面１７の接触面積が大きくなるので、人体の治療時において、温度制御装置の外形を大きくすることなく、広い面積の患部の治療が可能となる。
その他の構成は前記第１実施例と同様であり、これと同一の部材は同一の符号で示す。
【００３８】
図３に示される第３実施例においては、金属導電体２２を、先端カバー３に形成された人体患部（被温度制御体）への接触面２２ａに近接した先端側が縮小されかつ所定形状に屈曲された形状に構成し、前記先端カバー３もこれに応じた形状とする。
かかる第３実施例によれば、金属導電体２２の先端側が所定の方向に屈曲されているので、人体治療時において、口の中等の狭隘な箇所の治療が容易にできる。また、前記金属導電体２２及び先端カバー３を、先細部の屈曲形態が異なるものを数種類準備しておけば、患部の状態によって該金属導電体１０及び先端カバー３を交換し選択使用することも可能となる。
その他の構成は前記第１実施例と同様であり、これと同一の部材は同一の符号で示す。
【００３９】
【発明の効果】
以上記載の如く本発明によれば、先端カバーで囲まれた断熱ガス層及び断熱材からなる断熱層によって導電体及びペルチェ素子及び電極兼ヒートシンク等の温度制御要素の断熱を確実になすことが可能となるので、従来技術のような、該温度制御要素を封入するための真空容器及び該真空容器内の真空を保持するための真空ポンプ、真空配管等の真空発生及び保持装置が不要となる。
これにより、ペルチェ素子による温度制御装置の構造を簡単化することが可能となり、装置コストを低減することができる。
また、従来技術のような真空容器が不要となるので、前記導電体の長さを長くして、該導電体の形状を後述するような先細形状あるいは拡大テーパ形状等、用途に応じて自在に選定することができる。
【００４０】
また、前記のように、先端カバーで囲まれた断熱ガス層によって温度制御要素の断熱を行い、真空容器を含む真空発生及び保持装置が不要となるため、長期間の使用においても、真空度の低下による温度制御精度の低下の発生が回避され、温度制御装置の信頼性、殊に医療用温度制御装置としての信頼性が向上する。
【００４１】
さらに、前記のように、先端カバーで囲まれた断熱ガス層によって前記温度制御要素の断熱を確実になすことにより、該温度制御要素を封入するための真空容器が不要となるため、施術時のモニタリング等における温度制御のための温度センサを被温度制御体の接触面近傍に設置することによって、該被温度制御体の接触面温度を正確に検知することができて、温度センサからの接触面温度の検出値に基づく施術時のモニタリングを高精度で行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施例に係るペルチェ素子による温度制御装置の縦断面図である。
【図２】第２実施例に係るペルチェ素子による温度制御装置の先端部縦断面図である。
【図３】第３実施例に係るペルチェ素子による温度制御装置の先端部縦断面図である。
【図４】前記各実施例に係る温度制御装置を用いた施術時の温度変化を示す線図である。
【符号の説明】
１ 断熱体
２ 断熱ガス層
３ 先端カバー
４ 通電回路
５ 電気絶縁層
１０、２１、２２ 金属導電体
１１ａ ペルチェ素子（Ｐ型素子）
１１ｂ ペルチェ素子（Ｎ型素子）
１３ａ、１３ｂ 電極
１４ ヒートシンク
１５ 外部冷却器
１６ 温度センサ
１７ 接触面
【発明の属する技術分野】
本発明は、大温度差高熱流束冷却を可能としたペルチェ素子を用いた微小面積の局所を急速冷却あるいは急速加熱するペルチェ素子による温度制御装置及び温度制御方法に関し、特に、皮膚や粘膜の癌等に対する局所凍結治療に好適なペルチェ素子による温度制御装置及び温度制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ペルチェ素子を利用した電子冷凍システムは、供給電力に応じて冷却温度を制御することができるため、光学機器や電子部品などの局所冷却に応用されているが、定常状態における冷却性能が低く、大温度差、高熱流束を実現することは困難であった。
また大温度差を得るためにペルチェ素子を多段型にしたモジュールも開発されており、例えば、特開平８−１８６２０５号公報（特許文献２）には、第１のペルチェ素子に接触させたヒートシンクに、さらに第２のペルチェ素子を接触させる温度制御装置が開示されている。かかる温度制御装置においては、熱拡散や熱伝達効率を高めるためには、第１のペルチェ素子に対して第２のペルチェ素子をより大きくする必要がある。
即ち、前記温度制御装置のような多段型の場合には、第１段での発熱を次段以降で吸収しかつ温度差を与えるために、次段以降のモジュールを順次相対的に大きくして吸熱能力を大きくする必要があり、モジュール全体としては大型となり、さらには、周囲の雰囲気の熱伝導、対流の影響により冷却面の温度制御が不安定となることがある。
【０００３】
一方、皮膚や粘膜の癌等の局所治療や外科的な開腹手術に耐えられない高齢者などの患者を対象とする非観血的治療においては、生体の病変部位を局所的に凍結させ凍結によって発生する現象を治療に応用した凍結手術が行われており、従来から冷却凍結用としては液体窒素が用いられている。
しかしながら、従来の液体窒素による方法では、生体組織を治療に適した温度に制御することが困難であるとともに、液体窒素の使用による過凍結によって凍結部位に隣接する正常組織に損傷を与えてしまう場合があり、十分満足できる治療はなされていなかった。
【０００４】
かかる課題に対処する技術の１つとして、特開２００２−１７７２９６公報（特許文献１）の発明に係るペルチェ焼灼装置が提供されている。
かかるペルチェ焼灼装置は、装置先端に被焼灼面即ち被温度制御体の接触面と接触される一方の面を有するペルチェ素子と、このペルチェ素子の他方の面に接触配置された電極兼ヒートシンクと、この電極兼ヒートシンクの前記ペルチェ素子側の先端又はその内側に設置された温度センサと、前記電極兼ヒートシンクの前記ペルチェ素子と接触していない後端面に接触配置された外部冷却器とで構成され、前記ペルチェ素子の被焼灼面と接触される面及び前記外部冷却器の後端部を除く構成が真空容器中に封入されてなることを特徴としている。
【０００５】
そして、かかるペルチェ焼灼装置においては、例えば、被焼灼面即ち被温度制御体の接触面を急速冷却する場合、該被焼灼面が配置される一方の面をペルチェ素子の非定常時の冷却面に、ヒートシンク部材が熱的に接触配置された他方の面を加熱面にする。そして定常時にはヒートシンク部材は外部冷却器により被焼灼面の定常時の温度に比較して低温の所定温度に保持し、前記ペルチェ素子に被焼灼面側を加熱面とする向きに通電して所定の定常時の温度に保持しておき、急速冷却に際しては通電を加熱モードから冷却モードに極性反転して切り替えることにより急速冷却を達成する。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００２−１７７２９６公報
【特許文献２】
特開平８−１８６２０５号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
前記特許文献１においては、電子冷却システムとして、ペルチェ素子を利用したシステムで大温度差、高熱流速を可能としたものの、モジュールの大型化、温度制御の不安定化等の問題が残り、尚実用性には欠けるものであった。
また、凍結手術を主とする医療用冷却システムに用いられている液体窒素治療にあっては、温度制御が困難である等の問題を抱えている。
【０００８】
また、前記特許文献１の技術は、前記特許文献１の技術及び液体窒素治療が抱えている前記のような問題点を解消可能とするものであるが、次のような解決すべき問題点を有している。
（１）ペルチェ素子の被焼灼面即ち被温度制御体の接触面と接触される面及び外部冷却器の後端部を除く部位を真空容器中に封入して、かかる部位の断熱を行うように構成されているため、前記真空容器、該真空容器内の真空を保持するための真空ポンプ、真空配管等の真空発生及び保持装置を装備することを要し、ペルチェ素子による温度制御装置の構造が複雑化して装置コストが高騰する。また、長期間の使用では、真空度の低下による温度制御精度の低下を招きやすくなり、殊に医療用温度制御装置としての信頼性に課題がある。
また、前記のように、ペルチェ素子の主要部を真空容器の内側に設置しているため、被温度制御体との接触面を有する導電体の長さが制限されることとなり、温度制御装置の先端部の形状を、用途に応じて変えることが困難である。
【０００９】
（２）前記のように、ペルチェ素子及びその接続要素からなる温度制御要素を真空容内に封入するように構成しているため、施術時のモニタリング等における温度制御のための温度センサを被温度制御体の接触面近傍に設置するのが実質的に不可能であることから、該温度センサを前記接触面近傍から離隔した電極兼ヒートシンクのペルチェ素子側の先端又はその内側に設置せざるを得ず、このため前記被温度制御体の接触面温度を正確に検知できず、該接触面の温度制御精度が低下する。
【００１０】
本発明はかかる従来技術の課題に鑑み、ペルチェ素子及びその接続要素を封入する真空容器及びその関連装置を設置することなくペルチェ素子及びその接続要素の断熱を可能として、装置の構造を簡単化して装置コストを低減し、温度センサによる温度検出値に基づく接触面の温度制御精度を向上し得るペルチェ素子による温度制御装置及び温度制御方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明はかかる目的を達成するもので、一方の面を所定温度に維持された被温度制御体に導電体を介して接触可能に配置されるとともに他方の面を電極兼ヒートシンクに接触可能に配置されたペルチェ素子を備え、前記導電体に接続される接触面に前記被温度制御体を接触させ前記ペルチェ素子と電極兼ヒートシンクとの間に直流電圧を印加することにより生起されるペルチェ効果によって前記被温度制御体を急速冷却あるいは急速加熱するように構成されたペルチェ素子による温度制御装置において、前記導電体及びペルチェ素子及び電極兼ヒートシンクの全部または前記導電体側の一部を覆い前記接触面が形成された先端カバーを設け、該先端カバーの内側に形成される内封空間に空気、フロン、アルゴン等のガスが封入されたガス層を設けるとともに、該内封空間の前記導電体とガス層との間に断熱材からなる断熱層を設けたことを特徴とする。
【００１２】
かかる発明によれば、導電体及びペルチェ素子及び電極兼ヒートシンクの全部または被温度制御体との接触面側の一部を先端カバーにて覆い、該先端カバーの内側に形成される内封空間に空気、フロン、アルゴン等のガスを封入して断熱ガス層を形成したので、前記先端カバーで囲まれた断熱ガス層によって、前記導電体及びペルチェ素子及び電極兼ヒートシンクの断熱を確実になすことが可能となる。
従って、前記接触面寄りの先端部への侵入熱は、先端カバーの内側に形成される断熱ガス層による自然対流が起こらず、該断熱ガス層によって遮断されて、安定した断熱作用をなすことができる。
また、前記特許文献１のような真空容器が不要となるので、前記導電体の長さを長くして、該導電体の形状を後述するような先細形状あるいは拡大テーパ形状等、用途に応じて自在に選定することができる。
【００１３】
従って、かかる発明によれば、先端カバーで囲まれた断熱ガス層によって導電体及びペルチェ素子及び電極兼ヒートシンク等の温度制御要素の断熱を確実になすことが可能となるので、従来技術のような、該温度制御要素を封入するための真空容器及び該真空容器内の真空を保持するための真空ポンプ、真空配管等の真空発生及び保持装置が不要となる。
これにより、ペルチェ素子による温度制御装置の構造を簡単化することが可能となり、装置コストを低減することができる。
【００１４】
また、前記のように、先端カバーで囲まれた断熱ガス層によって温度制御要素の断熱を行い、真空容器を含む真空発生及び保持装置が不要となるため、長期間の使用においても、真空度の低下による温度制御精度の低下の発生が回避され、温度制御装置の信頼性、殊に医療用温度制御装置としての信頼性が向上する。
【００１５】
かかる発明において好ましくは、前記先端カバー外面を含む外形形状を、先端部が縮小される先細形状に形成する。
このように構成すれば、先端部が先細形状となっているので、人体の治療時において、被温度制御体である人体との接触面つまり治療箇所がよく視認できて治療が容易となる。また、先端部の長さが長くなるので、該先端部における断熱層を長くすることができ、前記温度制御要素の断熱効果が向上する。
また、前記のように、導電体の長さを長くすることにより外形形状を先細形状に形成して、前記接触面近傍の着霜、結露を前記先端カバーで囲まれた断熱ガス層によって回避できる。
【００１６】
また、かかる発明において好ましくは、前記導電体は、前記接触面側が拡開される拡大テーパ形状に構成される。
このように構成すれば、被温度制御体との接触面積が大きくなるので、人体の治療時において、ペルチェ素子による温度制御装置の外形を大きくすることなく、広い面積の患部の治療が可能となる。
【００１７】
また、かかる発明において好ましくは、前記導電体は、前記接触面側が縮小されかつ所定形状に屈曲された形状に構成してなる。
このように構成すれば、先細部の接触面側が屈曲されているので、人体治療時において、口の中等の狭隘な箇所の治療が容易にできる。
【００１８】
また、本発明は、一方の面を所定温度に維持された被温度制御体に導電体を介して接触可能に配置されるとともに他方の面を電極兼ヒートシンクに接触可能に配置されたペルチェ素子を備え、前記導電体に接続される接触面に前記被温度制御体を接触させ前記ペルチェ素子と電極兼ヒートシンクとの間に直流電圧を印加することにより生起されるペルチェ効果によって前記被温度制御体を急速冷却あるいは急速加熱するように構成されたペルチェ素子による温度制御方法において、温度センサにより前記接触面近傍の温度を検出し、該温度センサで検出された温度に基づき、前記ペルチェ素子に印加する電圧を調整することにより、前記被温度制御体に接触される前記接触面の表面温度を所定温度に制御することを特徴とする。
かかる発明において好ましくは、前記導電体の端部を含む前記接触面近傍に、該接触面近傍の温度を検出する温度センサを配設する。
さらに好ましくは、前記被温度制御体との接触面側の面積の異なる前記導電体を複数準備し、該被温度制御体の接触面積に応じて前記面積の異なる前記導電体を使い分ける。
【００１９】
かかる発明によれば、先端カバーで囲まれた断熱ガス層によって前記温度制御要素の断熱を確実になすことにより、該温度制御要素を封入するための真空容器が不要となるため、施術時のモニタリング等における温度制御のための温度センサを被温度制御体の接触面近傍に設置することが容易となって、該被温度制御体の接触面温度を正確に検知することができて、温度センサからの接触面温度の検出値に基づく施術時のモニタリングを高精度で行うことができる。
また、前記被温度制御体との接触面側の面積の異なる前記導電体を複数種類準備しておけば、人体患部の状態によって、該導電体のみを交換し選択使用することが可能となる。
【００２０】
また、かかる発明において、前記被温度制御体が人体患部であるときは、前記温度センサで前記人体患部の過冷却解除温度を検出し、該過冷却解除温度から前記人体患部への施術開始を検知するのが好ましい。
このように構成すれば、人体患部に近接して設置された温度センサによって過冷却解除温度を検出することにより、該人体患部の凍結開始時期を正確に検知することが可能となり、該凍結開始時期から該人体患部への施術開始を検知し施術時間及び人体患部の施術部深さをモニターしながら施術を行うことができる。
【００２１】
また、かかる発明において好ましくは、前記温度センサで検出された前記接触面近傍の温度及び前記被温度制御体の接触面積に応じて、前記ペルチェ素子に印加する電圧の大きさ及び電圧印加時間を調整する。
このように構成すれば、人体治療時において、施術部位の状態によってペルチェ素子への通電を加熱モードから冷却モードにあるいはその逆に極性反転することにより急速冷却と急速加熱とを切り替えたり、ペルチェ素子に印加する電圧の大きさ及び電圧印加時間を調整することにより、施術部位の状態に最適な温度状態及び保温時間を保持することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のペルチェ焼灼装置について図に示した実施例を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載される寸法、材質、形状、その相対位置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
図１は第１実施例に係るペルチェ素子による温度制御装置の縦断面図、図２は第２実施例に係るペルチェ素子による温度制御装置の先端部縦断面図、図３は第３実施例に係るペルチェ素子による温度制御装置の先端部縦断面図である。図４は前記各実施例に係る温度制御装置を用いた施術時の温度変化を示す線図である。
【００２３】
第１実施例を示す図１において、本発明で用いるペルチェ素子は、一般的なＰ型素子１１ａとＮ型素子１１ｂからなる熱半導体をアルミニウムや銅などの金属導電体１０で結合したπ型回路からなる。
前記Ｐ型素子１１ａとＮ型素子１１ｂとは、通常は僅かな間隔をあけて配置されているが、本発明の温度制御装置においては、電気絶縁層５を介して配置され、コンパクトな装置構成を達成している。
１０は前記ペルチェ素子におけるＰ型素子１１ａ及びＮ型素子１１ｂの先端面に接着された金属導電体で、端面が人体患部等の被温度制御体（図示省略）に接触させるための接触面１７（詳細は後述）の内側に配置されている。
【００２４】
前記π型回路におけるＰ型素子１１ａ及びＮ型素子１１ｂの前記金属導電体１０と反対側の端面に接触して電極１３ａ、１３ｂがそれぞれ配置されている。
１４はヒートシンクで、前記ペルチェ素子１１ａ、１１ｂの金属導電体１０と反対側で発生する熱を放散するものである。該ヒートシンク１４は、前記ペルチェ素子のＰ型素子１１ａまたはＮ型素子１１ｂのそれぞれに接触配置された電極１３ａ、１３ｂの一方と一体（この例では電極１３ｂと一体）となるように接触せしめられ、他方の電極（この例では電極１３ａ）とは前記ガス層からなる電気絶縁層５を介して配置され、電極兼ヒートシンクを構成している。
そして該ヒートシンク１４は、前記のように電極兼ヒートシンクとするため、その材質として、銅、アルミニウム等の導電体であると共に熱伝導性にも優れた材料を用いている。
【００２５】
４は通電回路で、該通電回路４により前記π型回路の電極１３ａと前記電極兼ヒートシンク１４との間に直流電圧を印加して該電極１３ａ、電極兼ヒートシンク１４に通電することにより、前記金属導電体１０における、人体の患部等の被温度制御体（図示省略）との接触面１７を冷却（あるいは加熱）するようになっている。
前記ヒートシンク１４の前記ペルチェ素子１１ａ、１１ｂと接触していない後端面には、ドライアイス等の冷却剤を封入できる構造を有する外部冷却器１５を接触配置している。この外部冷却器１５に冷却剤を封入しておくことにより、前記ペルチェ素子１１ａ、１１ｂ側からの放熱をより速やかにし、装置先端の急速冷却を達成することが可能となる。
また必要に応じて、本装置とは別に設置された循環式冷却装置の循環配管部（図示省略）をこの外部冷却器１５に接続し、冷却してもよい。
【００２６】
１は固体断熱材からなる断熱体で、前記金属導電体１０、ペルチェ素子１１ａ、１１ｂ、及び電極１３ａ、１３ｂ及びヒートシンク１４からなる温度制御要素の根本部つまり前記金属導電体１０とは反対側の部分の外周、及び前記外部冷却器１５の外周を覆い、断熱している。
３は硬質剛性樹脂等の電気絶縁材（好ましくは透明体）からなる先端カバーで、先端部が縮小される先細の薄肉円筒状に形成されるとともに先端に前記被温度制御体との接触面１７が形成され、前記金属導電体１０、ペルチェ素子１１ａ、１１ｂ、及び電極１３ａ、１３ｂ及びヒートシンク１４からなる温度制御要素の先端部を覆い、根本部が前記断熱体１の先端部に流体密に固着されている。該先端カバー３装着部の先端角θは３０°〜４５°が好適である。
【００２７】
前記先端カバー３の内面と該先端カバー３で覆われた前記金属導電体１０、ペルチェ素子１１ａ、１１ｂ、及び電極１３ａ、１３ｂ及びヒートシンク１４からなる温度制御要素の先端部外周との間に形成される内封空間には、空気、フロン、アルゴン、キセノン等のガスが封入された断熱ガス層２が設けられている。
従って、前記金属導電体１０、ペルチェ素子１１ａ、１１ｂ、及び電極１３ａ、１３ｂ及びヒートシンク１４からなる温度制御要素の先端部は、前記先端カバー３により密封された内封空間内の断熱ガス層２で確実に断熱されることとなり、前記特許文献１のような真空容器を用いることなく、前記温度制御要素の断熱を行うことが可能となる。
【００２８】
１６は前記金属導電体１０に設置された温度センサである。該温度センサ１６は、熱電対、サーミスタ等の公知の温度センサを用いればよいが、温度制御点である前記金属導電体１０の接触面１７の温度を正確に検知するため、該金属導電体１０の前記接触面１７にできる限り近接した部位に設置する。この実施例では、金属導電体１０外周先端面に設置している。
該温度センサ１６からの温度検出値は検出回線１６ａを介して温度制御装置に伝送される。
【００２９】
次に前記のように構成されたペルチェ素子による温度制御装置の温度制御方法について説明する。
温度センサ１６からの温度検出値は、時々刻々、前記検出回線１６ａを介してコントローラに入力される。
このコントローラは、図１に示される温度制御装置とは別個に設けておけばよく、前記ペルチェ素子１１ａ、１１ｂの電極１３ａ、１３ｂとリード線等で接続しておけばよい。また該コントローラは温度信号に基づきペルチェ素子１１ａ、１１ｂへの通電状態つまり印加電圧を可変できるものであればよく、特に制限されるものではない。
【００３０】
前記コントローラにおいては、人体施術の場合、図４に示されるように、前記金属導電体１０の接触面１７に接触する施術対象の患部面における施術時間毎の基準温度（目標温度）及び該基準温度に対応する基準印加電圧が設定されており、前記温度センサ１６からの、時々刻々の温度検出値と前記基準温度（目標温度）とを比較し、該接触面１７の温度が前記基準温度に一致するように、印加電圧を調整する。
これにより、施術対象の患部面に接触している前記接触面１７の温度は、常時前記基準温度（目標温度）に調整される。
【００３１】
従って、前記先端カバー３で囲まれた断熱ガス層２によって前記温度制御要素の断熱を確実になすことにより、該温度制御要素を封入するための真空容器が不要となるため、施術時のモニタリングにおける温度制御のための温度センサ１６を人体患部（被温度制御体）への接触面１７近傍に設置することによって、該人体患部の接触面温度を正確に検知することができる。
これにより、前記温度センサ１６からの接触面温度の検出値に基づく、施術時のモニタリングを高精度で行うことができる。
【００３２】
また、かかる実施例においては、人体施術の場合、図４に示されるように、前記金属導電体１０に、前記接触面１７に近接して配置された温度センサ１６で前記人体患部の過冷却解除温度を検出し、該過冷却解除温度から前記人体患部への施術開始を検知する。
このように構成すれば、前記人体患部に近接して設置された温度センサ１６によって該人体患部における過冷却解除温度を検出することにより、該人体患部の凍結開始時期を正確に検知することが可能となる。これにより、該凍結開始時期から該人体患部への施術開始を検知して、施術時間及び人体患部の施術部深さをモニターしながら施術を行うことが可能となる。
【００３３】
またかかる実施例においては、前記温度センサ１６で検出された前記接触面１７近傍の温度及び人体患部（被温度制御体）の接触面積に応じて、前記ペルチェ素子１１ａ、１１ｂに印加する電圧の大きさ及び電圧印加時間を調整する。
このように構成すれば、人体治療時において、人体患部（施術部位）の状態によってペルチェ素子１１ａ、１１ｂへの通電を加熱モードから冷却モードにあるいはその逆に極性反転することにより急速冷却と急速加熱とを切り替えたり、該ペルチェ素子１１ａ、１１ｂに印加する電圧の大きさ及び電圧印加時間を調整することにより、人体患部の状態に最適な温度状態及び保温時間を保持することができる。
【００３４】
以上のように、かかる実施例によれば、金属導電体１０及びペルチェ素子１１ａ、１１ｂ及び電極を兼ねたヒートシンク１４の全部または被温度制御体（人体患部）との接触面１７側の一部を先端カバー３にて覆い、該先端カバー３の内側に形成される内封空間に空気、フロン、アルゴン、キセノン等のガスを封入して断熱ガス層２を形成したので、前記先端カバー３で囲まれた断熱ガス層２によって、前記金属導電体１０及びペルチェ素子１１ａ、１１ｂ及び電極を兼ねたヒートシンク１４の断熱を確実になすことができる。
【００３５】
また、前記接触面１７側から先端部への侵入熱は、先端カバーの内側に形成される断熱ガス層による自然対流が起こらず、該断熱ガス層によって遮断されて、安定した断熱作用をなすことができる。
従って、従来技術のような、前記金属導電体１０及びペルチェ素子１１ａ、１１ｂ及び電極を兼ねたヒートシンク１４等の温度制御要素を封入するための真空容器及び該真空容器内の真空を保持するための真空ポンプ、真空配管等の真空発生及び保持装置は不要となる。
また、前記のように、先端カバー３で囲まれた断熱ガス層２によって前記温度制御要素の断熱を行い、真空容器を含む真空発生及び保持装置が不要となるため、長期間の使用においても、真空度の低下による温度制御精度の低下の発生が回避され、医療用温度制御装置としての信頼性が向上する。
【００３６】
また、かかる実施例においては、前記先端カバー３の外面を含む外形形状を、先端部が縮小される先細形状に形成しているので、人体患部（被温度制御体）の治療時において、該人体患部との接触面１７、つまり治療箇所がよく視認できて治療が容易となる。また、先端部の長さが長くなるので、該先端部における断熱体１ａの層を長くすることができ、前記温度制御要素の断熱効果が向上する。
【００３７】
図２に示される第２実施例においては、金属導電体２１を、人体患部（被温度制御体）への接触面１７側が拡開される拡大テーパ角θ１なる拡大テーパ形状に構成し、先端カバー３も該金属導電体２１の形状に応じた形状とする。
かかる第２実施例によれば、人体患部と接触する前記接触面１７の接触面積が大きくなるので、人体の治療時において、温度制御装置の外形を大きくすることなく、広い面積の患部の治療が可能となる。
その他の構成は前記第１実施例と同様であり、これと同一の部材は同一の符号で示す。
【００３８】
図３に示される第３実施例においては、金属導電体２２を、先端カバー３に形成された人体患部（被温度制御体）への接触面２２ａに近接した先端側が縮小されかつ所定形状に屈曲された形状に構成し、前記先端カバー３もこれに応じた形状とする。
かかる第３実施例によれば、金属導電体２２の先端側が所定の方向に屈曲されているので、人体治療時において、口の中等の狭隘な箇所の治療が容易にできる。また、前記金属導電体２２及び先端カバー３を、先細部の屈曲形態が異なるものを数種類準備しておけば、患部の状態によって該金属導電体１０及び先端カバー３を交換し選択使用することも可能となる。
その他の構成は前記第１実施例と同様であり、これと同一の部材は同一の符号で示す。
【００３９】
【発明の効果】
以上記載の如く本発明によれば、先端カバーで囲まれた断熱ガス層及び断熱材からなる断熱層によって導電体及びペルチェ素子及び電極兼ヒートシンク等の温度制御要素の断熱を確実になすことが可能となるので、従来技術のような、該温度制御要素を封入するための真空容器及び該真空容器内の真空を保持するための真空ポンプ、真空配管等の真空発生及び保持装置が不要となる。
これにより、ペルチェ素子による温度制御装置の構造を簡単化することが可能となり、装置コストを低減することができる。
また、従来技術のような真空容器が不要となるので、前記導電体の長さを長くして、該導電体の形状を後述するような先細形状あるいは拡大テーパ形状等、用途に応じて自在に選定することができる。
【００４０】
また、前記のように、先端カバーで囲まれた断熱ガス層によって温度制御要素の断熱を行い、真空容器を含む真空発生及び保持装置が不要となるため、長期間の使用においても、真空度の低下による温度制御精度の低下の発生が回避され、温度制御装置の信頼性、殊に医療用温度制御装置としての信頼性が向上する。
【００４１】
さらに、前記のように、先端カバーで囲まれた断熱ガス層によって前記温度制御要素の断熱を確実になすことにより、該温度制御要素を封入するための真空容器が不要となるため、施術時のモニタリング等における温度制御のための温度センサを被温度制御体の接触面近傍に設置することによって、該被温度制御体の接触面温度を正確に検知することができて、温度センサからの接触面温度の検出値に基づく施術時のモニタリングを高精度で行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施例に係るペルチェ素子による温度制御装置の縦断面図である。
【図２】第２実施例に係るペルチェ素子による温度制御装置の先端部縦断面図である。
【図３】第３実施例に係るペルチェ素子による温度制御装置の先端部縦断面図である。
【図４】前記各実施例に係る温度制御装置を用いた施術時の温度変化を示す線図である。
【符号の説明】
１ 断熱体
２ 断熱ガス層
３ 先端カバー
４ 通電回路
５ 電気絶縁層
１０、２１、２２ 金属導電体
１１ａ ペルチェ素子（Ｐ型素子）
１１ｂ ペルチェ素子（Ｎ型素子）
１３ａ、１３ｂ 電極
１４ ヒートシンク
１５ 外部冷却器
１６ 温度センサ
１７ 接触面
Claims (9)
- 一方の面を所定温度に維持された被温度制御体に導電体を介して接触可能に配置されるとともに他方の面を電極兼ヒートシンクに接触可能に配置されたペルチェ素子を備え、前記導電体に接続される接触面に前記被温度制御体を接触させ前記ペルチェ素子と電極兼ヒートシンクとの間に直流電圧を印加することにより生起されるペルチェ効果によって前記被温度制御体を急速冷却あるいは急速加熱するように構成されたペルチェ素子による温度制御装置において、前記導電体及びペルチェ素子及び電極兼ヒートシンクの全部または前記導電体側の一部を覆い前記接触面が形成された先端カバーを設け、該先端カバーの内側に形成される内封空間に空気、フロン、アルゴン等のガスが封入されたガス層を設けるとともに、該内封空間の前記導電体とガス層との間に断熱材からなる断熱層を設けたことを特徴とするペルチェ素子による温度制御装置。
- 前記導電体の端部を含む前記接触面近傍に、該接触面近傍の温度を検出する温度センサを配設したことを特徴とする請求項１記載のペルチェ素子による温度制御装置。
- 前記先端カバー外面を含む外形形状を、先端部が縮小される先細形状に形成したことを特徴とする請求項１記載のペルチェ素子による温度制御装置。
- 前記導電体は、前記接触面側が拡開される拡大テーパ形状に構成されてなることを特徴とする請求項１記載のペルチェ素子による温度制御装置。
- 前記導電体は、前記接触面側が縮小されかつ所定形状に屈曲された形状に構成してなることを特徴とする請求項１記載のペルチェ素子による温度制御装置。
- 一方の面を所定温度に維持された被温度制御体に導電体を介して接触可能に配置されるとともに他方の面を電極兼ヒートシンクに接触可能に配置されたペルチェ素子を備え、前記導電体に接続される接触面に前記被温度制御体を接触させ前記ペルチェ素子と電極兼ヒートシンクとの間に直流電圧を印加することにより生起されるペルチェ効果によって前記被温度制御体を急速冷却あるいは急速加熱するように構成されたペルチェ素子による温度制御方法において、温度センサにより前記接触面近傍の温度を検出し、該温度センサで検出された温度に基づき、前記ペルチェ素子に印加する電圧を調整することにより、前記被温度制御体に接触される前記接触面の表面温度を所定温度に制御することを特徴とするペルチェ素子による温度制御方法。
- 前記温度センサで検出された前記接触面近傍の温度及び前記被温度制御体の接触面積に応じて、前記ペルチェ素子に印加する電圧の大きさ及び電圧印加時間を調整することを特徴とする請求項６記載のペルチェ素子による温度制御方法。
- 前記被温度制御体が人体患部であり、前記温度センサで前記人体患部の過冷却解除温度を検出し、該過冷却解除温度から前記人体患部への施術開始を検知することを特徴とする請求項６記載のペルチェ素子による温度制御方法。
- 前記被温度制御体との接触面側の面積の異なる前記導電体を複数準備し、該被温度制御体の接触面積に応じて前記面積の異なる前記導電体を使い分けることを特徴とする請求項６記載のペルチェ素子による温度制御方法。
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