JP2006325751A - 輸液熱交換器及び輸液熱交換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 流路部を使い捨てにできるとともに、熱交換水を使用しない簡易な構造であって、しかも熱交換効率の良い輸液熱交換器及びこの輸液熱交換器を用いた輸液熱交換装置を提供する。
【解決手段】 体内に供給される輸液の温度が所定温度となるように流路部１２内の前記輸液の温度調整を行う輸液熱交換器１１であって、前記輸液が流れる流路部１２と、流路部１２に着脱自在に装着されて、前記輸液の熱を交換する熱交換ユニット２１とからなり、流路部１２は、高熱伝導材料で構成され、外形がプレート状とされており、熱交換ユニット２１は、プレート状とされた流路部１２に接触するように配置されたペルチェモジュール２２を備えていることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、患者の体内に輸液を注入する際において、輸液の温度調整を行う輸液熱交換器及び該輸液熱交換器を用いた輸液熱交換装置に関する。

患者に薬液等の輸液を注入する際には、注入される輸液の温度を患者の体温と同じ温度として患者の体温低下を防止したり、低温管理して輸液の効能維持を図ったりするために、輸液の温度調整を行う輸液熱交換器が使用されている。
一般工業用に広く使用されている熱交換器は、液体が流れる流路部と熱交換を行う部分とが一体構造とされており、流路部を使い捨てにできるものではなかった。医療用として使用する場合には、衛生面を考慮して輸液が流れる流路部を使い捨てできる構造のものでなければならないため、一般工業用の熱交換器を使用することはできなかった。

従来、医療用として提供されている輸液熱交換器を図４に示す。輸液熱交換器１は、輸液が流れる流路部２に熱交換水Ｗの水路３を接触させて熱交換し、熱交換水Ｗの温度制御を水槽４部分で行うことで、輸液の温度調整を行うものである。
この構成の輸液熱交換器１では、熱交換を行う水路３と輸液の流路部２とが別部材となるため、流路部２を使い捨てとすることができるものである。しかしながら、熱交換水Ｗを循環させる機構等を別途設ける必要があり、構造や操作が非常に複雑になるといった問題があった。

上記の問題を解決するために特許文献１では、熱交換水を使用しない簡易な構造の輸液熱交換器が提供されている。
特許文献１に開示されている輸液熱交換器は、軟質チューブを曲げて波面状平板型の流路部を成形し、この流路部を加温板で挟み込み、加温板に電熱ヒータあるいは電子冷却素子を設けるとともに、加温板と流路部との間にシリコンラバー等の充填材を備えた構成とされている。

この構成の輸液熱交換器では、軟質チューブで成形された流路部を加温板にて直接加熱及び冷却する構造とされているので、熱交換水を使用することなく、流路部内を流れる輸液の温度調整を行うことができるものである。また、加温板と流路部が別部材とされているので、流路部を使い捨てとすることができるものである。
特開２００４−１４８０２７号公報

ところで、上記の構成の輸液熱交換器では、流路部が軟質チューブで構成されるとともに、流路部と加温板の間にシリコンラバー等の充填材が備えられている。医療用軟質チューブは、軟質塩化ビニル、ポリエチレン、ポリプロピレン等の合成樹脂で構成されており、これらの合成樹脂の熱伝導率は、軟質塩化ビニルが約０．１５Ｗ／（ｍ・Ｋ）、ポリエチレンが約０．３３Ｗ／（ｍ・Ｋ）、ポリプロピレンが約０．１３Ｗ／（ｍ・Ｋ）と低いものである。また、加温板と軟質チューブとの間に備えられたシリコンラバーの熱伝導率は約０．２Ｗ／（ｍ・Ｋ）と低いものである。

したがって、上記の構成の輸液熱交換器では、輸液と加温板の間に熱伝導率の低い材料で構成されたシリコンラバー及び軟質チューブが配置されるために、熱交換効率が非常に悪くなってしまうといった問題があった。
また、加温板に電子冷却素子としてペルチェモジュールが設けられている場合には、熱交換効率の悪いために、輸液を所定の温度に調整するのに必要な電力が大きくなり、大容量の電源を配備しなければならないといった問題があった。
また、流路部が軟質チューブで構成されているので、流路部内の圧力変化によって流路部の断面が変形して、輸液が流れなくなるおそれがあった。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであって、流路部を使い捨てにできるとともに、熱交換水を使用しない簡易な構造であって、しかも熱交換効率の良い輸液熱交換器及びこの輸液熱交換器を用いた輸液熱交換装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、この発明は以下の手段を提案している。
請求項１に記載の輸液熱交換器は、体内に供給される輸液の温度が所定温度となるように流路部内の前記輸液の温度調整を行う輸液熱交換器であって、前記輸液が流れる前記流路部と、該流路部に着脱自在に装着されて前記輸液の熱を交換する熱交換ユニットとからなり、前記流路部は、高熱伝導材料で構成され、外形がプレート状とされており、前記熱交換ユニットは、前記プレート状とされた前記流路部に接触するように配置されたペルチェモジュールを備えていることを特徴としている。

上記の構成の輸液熱交換器では、輸液が流れる流路部が、上述した合成樹脂に比べて熱伝導率が高い高熱伝導材料で構成されており、熱交換器の熱交換効率が向上される。また、流路部に熱交換ユニットが着脱可能とされ、熱交換ユニットが流路部に接触するように配置されたペルチェモジュールを備えているので、ペルチェモジュールに電流を流すことで流路部内の輸液の温度が調整される。

請求項２に記載の輸液熱交換器は、前記熱交換ユニットは、前記流路部を挟み込むように配置された一対の前記ペルチェモジュールによって構成されていることを特徴としている。
この構成の輸液熱交換器では、流路部を挟み込むように一対のペルチェモジュールが配置されているので、２つのペルチェモジュールによって熱交換が行われる。

請求項３に記載の輸液熱交換器は、前記流路部は、前記高熱伝導材料で構成されたパイプが並列状に並べられた構造とされ、前記ペルチェモジュールの内側に、前記流路部をなす複数の前記パイプの表面形状と相補的な形状をなし、高熱伝導体で構成された熱伝導部が配置されていることを特徴とする。
この構成の輸液熱交換器では、高熱伝導材料で構成されたパイプが並列状に並べられたことによって流路部がプレート状に形成され、この流路部と接触するペルチェモジュールの内側に、シリコンラバーよりも熱伝導度の高い高熱伝導体で構成された熱伝導部が配置されているので、流路部とペルチェモジュールとが熱伝導部を介して熱的に接続される。
ここで、高熱伝導体としては、例えば、熱伝導率が約１Ｗ／（ｍ・Ｋ）の熱伝導体ゲル状のシート等や熱伝導率が約２００Ｗ／（ｍ・Ｋ）のアルミ合金等が挙げられる。また、熱伝導部を、複数の前記パイプの表面形状と相補的な形状とするための一手段として低硬度の熱伝導性ゲル材を使用してもよい。

請求項４に記載の輸液熱交換器は、前記流路部は、前記ペルチェモジュールとの接触部位が平面状とされた箱型に形成され、前記流路部の内部に前記輸液の流れを乱流状態とする乱流発生体が配置されていることを特徴としている。
この構成の輸液熱交換器では、流路部のペルチェモジュールとの接触部位が平面状とされているので、ペルチェモジュールと流路部が確実に接触することになる。また、流路部の内部に乱流発生体が配置されているので、輸液の流れが乱流状態とされ、輸液と流路部の内壁面との接触が促進される。

請求項５に記載の輸液熱交換器は、前記流路部を構成する前記高熱伝導材は、ステンレスであることを特徴としている。
この構成の輸液熱交換器では、流路部が熱伝導率約１５Ｗ／（ｍ・Ｋ）であるステンレスで構成されており、上述した合成樹脂に比べて熱伝導率が非常に高く、熱交換器の熱交換効率が大幅に向上する。

請求項６に記載の輸液熱交換器は、前記熱交換ユニットの前記ペルチェモジュールの外側に冷却部が備えられていることを特徴としている。
この構成の輸液熱交換器では、ペルチェモジュールの外側に備えられた冷却部によってペルチェモジュールが冷却され、流路部から吸熱した熱が効率的に放熱される。

請求項７に記載の輸液熱交換器は、前記冷却部には、空冷ファンが備えられていることを特徴としている。
この構成の輸液熱交換器では、冷却部に備えられたファンよって、ペルチェモジュールを確実に冷却され、流路部から吸熱した熱が効率的にかつ確実に放熱される。

また、請求項８に記載の輸液熱交換装置は、請求項１から請求項７に記載の輸液熱交換器の前記ペルチェモジュールに、前記ペルチェモジュールに流れる電流を制御するコントロールユニットが接続されたことを特徴としている。
この構成の輸液熱交換装置では、コントロールユニットによってペルチェモジュールに流れる電流を制御して、ペルチェ効果による吸熱量及び放熱量を調整できる。

請求項９に記載の輸液熱交換装置は、前記コントロールユニットには、前記流路部の温度を測定する測定部が備えられ、前記流路部の前記温度を指標として、前記ペルチェモジュールに流れる前記電流を制御することを特徴としている。
この構成の輸液熱交換装置では、流路部の温度を測定しながら、ペルチェモジュールに流れる電流を制御して、ペルチェ効果による吸熱量及び放熱量を調整できる。

請求項１に係る発明によれば、熱交換器の熱交換効率が向上されるので、輸液を所定の温度に調整するために必要な電力が小さくなり、容量の小さい電源によって必要な熱交換を行うことができる。
また、流路部に熱交換ユニットが着脱可能に装着されているので、流路部を容易に使い捨てとして使用できる。

請求項２に係る発明によれば、流路部を挟み込むように配置された２つのペルチェモジュールによって熱交換されるので、熱交換効率を大幅に向上できる。

請求項３に係る発明によれば、流路部とペルチェモジュールとが熱伝導部を介して熱的に接続されているので、流路部内の輸液からペルチェモジュールへの熱移動が促進され、さらに熱交換効率を向上することができる。
また、流路部がパイプを並べた構成とされているので、構造が簡単であり、使い捨てとされる流路部の製作コストを低減できる。

請求項４に係る発明によれば、ペルチェモジュールと流路部とが確実に接触されるとともに、流路部内の輸液の流れが乱流状態とされているので、熱交換効率を一層向上させることができる。

請求項５に係る発明によれば、熱交換器の熱交換効率が大幅に向上されるので、容量の小さい電源によって熱交換を行うことができ、この輸液熱交換器を用いた輸液熱交換装置を小型化することができる。
また、流路部がステンレスで構成されているので、流路部の形状を安定的に形成できるとともに、流路内の圧力変化による流路部の変形を抑えることができ、輸液を確実に流すことができる。

請求項６に係る発明によれば、冷却部によってペルチェモジュールが冷却されているので、ペルチェモジュールからの放熱量を大きくすることができる。ここで、エネルギー保存の法則から、ペルチェモジュールの吸熱量と消費電力との和が放熱量となるので、放熱量を大きくすることで、同じ消費電力のもとでのペルチェモジュールの吸熱量を大きくすることができる。したがって、熱交換効率をさらに一層向上させることができ、熱交換に要する電力をさらに小さく抑えることができる。

請求項７に係る発明によれば、ファンによってペルチェモジュールが確実に冷却され、ペルチェモジュールからの放熱量が大きくされているので、熱交換効率を確実に向上させることができる。

請求項８に係る発明によれば、コントロールユニットによってペルチェモジュールに流れる電流を制御して、ペルチェ効果による吸熱量及び放熱量が調整されるので、輸液の温度調整を行うことができる。

請求項９に係る発明によれば、流路部の温度を測定しながらペルチェモジュールに流れる電流を制御しているので、輸液の温度調整を精度良く行うことができる。

このように、本発明によれば、流路部を使い捨てにできるとともに、熱交換水を使用しない簡易な構造であって、しかも熱交換効率の良い輸液熱交換器及びこの輸液熱交換器を用いた輸液熱交換装置を提供することができる。

本発明の実施形態について添付した図面を参照して説明する。図１に本発明の第１の実施形態である輸液熱交換器を、図２に、図１の輸液熱交換器を用いた輸液熱交換装置を示す。
輸液熱交換装置１０は、図２に示すように、輸液熱交換器１１と、コントロールユニット３１とで構成されている。

輸液熱交換器１１は、輸液が流れる流路部１２と、この流路部１２を挟み込んで保持する熱交換ユニット２１とを有する。
流路部１２は、ステンレスで構成され、外形がプレート状とされている。本実施形態においては、流路部１２の側面が平面状とされた箱形に形成され、上部に輸液供給口１３が、下部に輸液排出口１４が形成されている。そして、この箱型の流路部１２の内部には、輸液の流れを乱流状態とする乱流発生体１５が配置されている。本実施形態では、図１に示すように、輸液供給口１３から輸液排出口１４までの流路の断面積を小さくするように乱流発生体１５が配置されている。

熱交換ユニット２１は、一対のペルチェモジュール２２を有し、それぞれのペルチェモジュール２１の外側には、空冷ファンが備えられた冷却部２３が設けられている。本実施形態では、ペルチェモジュール２２の内面側、つまり、流路部１２と接触する部分は平面状に形成されている。

上記の流路部１２を挟み込むように熱交換ユニット２１が装着され、流路部１２の側面とペルチェモジュール２２の内側面とが密着するように配置される。
流路部１２の輸液供給口１３と輸液排出口１４とに配管３２が接続され、ペルチェモジュール２２にコントロールユニット３１が配線されている。このようにして輸液熱交換装置１０が構成されている。

上記構成の輸液熱交換装置１０では、配管３２及び輸液供給口１３を通じて流路部１２内に輸液が供給され、流路部１２内の輸液は乱流発生体１５によって乱流状態となる。ここで、ペルチェモジュール２２に電流を流すとペルチェ効果によって、ペルチェモジュール２２の表面が加熱あるいは冷却され、このペルチェモジュール２２は挟まれた流路部１２内の輸液の温度が調整される。

上記構成の輸液熱交換装置１０では、流路部１２が、合成樹脂に比べて非常に高い熱伝導度（約１５Ｗ／（ｍ・Ｋ））を有するステンレスで構成されているので、熱交換効率が大幅に向上され、合成樹脂で構成されたものと比較して、輸液の温度を調整するためにペルチェモジュール２２に供給する電力を小さくすることができ、大容量の電源が不要となる。
また、流路部１２に熱交換ユニット２１が着脱可能に装着されており、流路部１２部分を使い捨てとすることができて衛生的であるので、医療用の熱交換装置として使用することができる。

また、流路部１２が、強度を有するステンレスで構成されており、側面が平面状に形成されているので、流路部１２の形状が安定し、流路部１２内の圧力変化等による流路部１２の変形が抑えられ、輸液を確実に流すことができるとともに、ペルチェモジュール２２との接触が安定して熱交換効率を向上することができる。
また、流路部１２内に乱流発生体１５が備えられているので、輸液が乱流状態となり、流路部１２の側面内壁と輸液との接触が促進され、輸液の熱交換効率をさらに向上することができる。

また、ペルチェモジュール２２の外側にファンが備えられた冷却部２３が設けられているので、ペルチェモジュール２２の冷却することができ、ペルチェモジュール２２からの放熱量を大きくすることができる。ペルチェモジュール２２からの放熱量を大きくすると、同じ消費電力におけるペルチェモジュール２２の吸熱量が大きくなり、熱交換効率をさらに一層向上させることができる。

次に、本発明の第２の実施形態である輸液熱交換器ついて説明する。なお、第１の実施形態と同一の部位には同じ符号を付して説明を省略する。図３に、第２の実施形態である輸液熱交換器を示す。
この輸液熱交換器４１では、流路部１２は、断面円形をなすステンレスパイプが複数並列状に並べられた構造とされており、流路部１２のパイプの軸方向に垂直な断面における側面１２Ａが波形形状を呈している。

この流路部１２を挟み込むように配置された熱交換ユニット２１のペルチェモジュール２２の内面側には、銅ブロックで形成された熱伝導部４２が配置されている。熱伝導部４２の内側面４２Ａは、流路部１２の側面１２Ａがなす波形形状に嵌合可能な波形形状とされている。

上記構成の輸液熱交換器４１では、流路部１２がステンレスパイプを並列に並べた構成とされているので、構造が簡単であり、使い捨てとなる流路部１２の製作コストを低減することができ、この輸液熱交換器４１のランニングコストを低減できる。
また、流路部１２の側面１２Ａがなす波形形状に嵌合可能な熱伝導部４２が設けられているので、シリコンラバー等を充填する必要がなく、流路部１２とペルチェモジュール２２とが熱伝導部４２を介して熱的に接続され、熱交換効率を向上することができる。

さらに、流路部１２がステンレスパイプで構成されているので、流路部１２の側面１２Ａがなす波形形状と、この波形形状の凹凸と相補的な形状に形成された熱伝導部４２の内側面４２Ａとの嵌合が確実に行われ、熱交換効率を向上できる。
また、波形形状同士の接触となるので、接触面積が増大し、熱交換効率をさらに一層向上することができる。

なお、本実施形態では、熱伝導部４２を銅ブロックで構成したもので説明したが、これに限定されることはなく、他の高熱伝導体であるアルミ合金等で構成したものであってもよく、また、熱伝導部４２を熱伝導性ゲル材で構成されたシート材としてもよい。
また、冷却部として空冷用のファンを備えたもので説明したが、これに限定されることはなく、フィン等の他の冷却手段であってもよい。

また、第２の実施形態では、流路部１２を、断面円形をなすステンレスパイプが並列に並べられた構成としたが、これに限定されることはなく、断面四角形や断面楕円形をなすステンレスパイプであってもよい。また、直線状に並列したものだけでなく、例えば曲線状に並列したものであってもよい。

本発明の第１の実施形態である輸液熱交換器の斜視図である。 図１の輸液熱交換器を用いた輸液熱交換装置の模式図である。 本発明の第２の実施形態である輸液熱交換器の説明図である。 従来の輸液熱交換器の模式図である。

符号の説明

１０ 輸液熱交換装置
１１、４１ 輸液熱交換器
１２ 流路部
１５ 乱流発生体（乱流発生部）
２１ 熱交換ユニット
２２ ペルチェモジュール
２３ 冷却部
３１ コントロールユニット
４２ 熱伝導部

Claims (9)

1. 体内に供給される輸液の温度が所定温度となるように流路部内の前記輸液の温度調整を行う輸液熱交換器であって、
   前記輸液が流れる前記流路部と、該流路部に着脱自在に装着されて、前記輸液の熱を交換する熱交換ユニットとからなり、
   前記流路部は、高熱伝導材料で構成され、外形がプレート状とされており、
   前記熱交換ユニットは、前記プレート状とされた前記流路部に接触するように配置されたペルチェモジュールを備えていることを特徴とする輸液熱交換器。
2. 前記熱交換ユニットは、前記流路部を挟み込むように配置された一対の前記ペルチェモジュールによって構成されていることを特徴とする請求項１に記載の輸液熱交換器。
3. 前記流路部は、前記高熱伝導材料で構成されたパイプが並列状に並べられた構造とされ、前記ペルチェモジュールの内側に、前記流路部をなす複数の前記パイプの表面形状と相補的な形状をなし、高熱伝導体で構成された熱伝導部が配置されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の輸液熱交換器。
4. 前記流路部は、前記ペルチェモジュールとの接触部位が平面状とされた箱型に形成され、前記流路部の内部に前記輸液の流れを乱流状態とする乱流発生部を備えていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の輸液熱交換器。
5. 前記流路部を構成する前記高熱伝導材は、ステンレスであることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の輸液熱交換器。
6. 前記熱交換ユニットの前記ペルチェモジュールの外側に冷却部が備えられていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の輸液熱交換器。
7. 前記冷却部には、空冷ファンが備えられていることを特徴とする請求項６に記載の輸液熱交換器。
8. 請求項１から請求項７に記載の輸液熱交換器の前記ペルチェモジュールに、前記ペルチェモジュールに流れる電流を制御するコントロールユニットが接続されたことを特徴とする輸液熱交換装置。
9. 前記コントロールユニットには、前記流路部の温度を測定する測定部が備えられ、前記流路部の前記温度を指標として、前記ペルチェモジュールに流れる前記電流を制御することを特徴とする請求項８に記載の輸液熱交換装置。

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