JP2009034273A - ペルチェ焼灼器 - Google Patents

Abstract

【課題】低温での温度保持、あるいは電位を冷却から加熱、又はその逆への切り替えた時にスムーズな昇温若しくは降温又はスムーズな温度制御を可能とするとともに、取り扱いを容易にしたハンディなペルチェ焼灼器を実現する。
【解決手段】前端が中央に設けられた小径孔３ａを除いて閉塞された筒状容器１に該前端側から順に接触ヘッド４、ペルチェモジュール５、ヒートシンク６及び冷却剤充填筒７を配設し、該接触ヘッドは、小径孔３ａから外部に突出し被焼灼面に接触するピン部４ａと平面状に形成された平面状の後端面をもつ基部４ｂとからなり、充填筒７は、筒状容器１の内部から引き出し自在かつ冷却剤の入れ替えが可能とし、充填筒７の周囲に断熱材１１を設けるとともに、ヒートシンク６の周囲は断熱材を設けずに放熱可能な構成とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、ペルチェ効果を利用したペルチェモジュールを組み込み、イボ及びシミ取り、皮膚ガン等の治療に好適な焼灼器に関し、冷却剤充填筒をカートリッジ式にして冷却剤の充填及び交換を容易にするなど取り扱いを容易にしたハンディなペルチェ焼灼器に関する。

従来イボ及びシミを取る方法として、主として液体窒素を綿棒等で塗付し、皮膚組織
を壊死させる方法が行われている。ただしこの方法は必要以上に患部を冷却し壊死させるため痛みを伴う。また綿棒等が皮膚に固着してしまう。
凍結手術装置としては、高圧ガスの断熱膨張による冷却（ジュール・トムソン効果）を利用した凍結手術装置が知られている。この場合は高圧ガスを使用するためそれぞれの部位で耐圧が求められる。

またペルチェ素子を使った焼灼器も試みられており、たとえば、その手法が非特許文献１（「ペルチェ効果を利用した凍結手術装置の基礎研究」長岡技術科学大学（研究報告２１（１９９９），ｐ．１２５〜１３０））に開示されている。非特許文献１には、抜熱に冷媒溶液を使用し、目標温度により冷媒溶液の種類（例えば水道水、氷水、食塩水）を変えて用いる必要がある旨が開示されている。
また一方ペルチェモジュールを冷却端子と配置して冷却し、加熱はヒータによる方式も見られる。しかしこれでは電源の±を逆転させれば加熱もできるというペルチェモジュールの利点を生かすことにはならない。

また、市販のペルチェモジュールにはいくつかのタイプがあるが、端面がシールされていない場合、温度が下がるにつれ結露水が付着し始め、ペルチェモジュールが働かなくなってしまう。これを防止するため例えば特許文献１（特開２００２−１７７２９６号）ではペルチェモジュールを真空雰囲気下に収める構造をとっている。しかしこれは常に真空ポンプを要し、また故障時に交換修理しにくい欠点を持っている。

また特許文献２（特開２００４−２６１２１０号公報）には、隔壁が断熱材で構成されたケーシング内に前端側からペルチェモジュール、ヒートシンク及び外部冷却器を配設し、先端側にペルチェモジュールを覆うカバーを設け、該カバーの内部を断熱ガス層で覆うことにより、真空容器及びその関連機器を設置することなくペルチェ素子及びその接続機器の断熱を可能にしたペルチェ焼灼器が開示されている。

特開２００２−１７７２９６号 特開２００４−２６１２１０号公報 「ペルチェ効果を利用した凍結手術装置の基礎研究」長岡技術科学大学（研究報告２１（１９９９年），第１２５〜１３０ページ）

しかしながら特許文献２に開示されたペルチェ焼灼器では、ペルチェモジュール及びその接続機器であるヒートシンク及び外部冷却器の周囲が断熱体及び断熱ガス層で覆われているため、電源を冷却から加熱、あるいはその逆に切り替えた時に、スムーズな昇温又は温度降下が出来ないという欠点がある。
またケーシングが分厚い断熱体で構成されているため、大型化し重量も増大して取扱いが悪いという問題点があった。

本発明は、かかる従来技術の課題に鑑み、低温での温度保持、あるいは電位を冷却から加熱、又はその逆への切り替えた時にスムーズな昇温若しくは降温又はスムーズな温度制御を可能とするとともに、取り扱いを容易にしたハンディなペルチェ焼灼器を実現することを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明のペルチェ焼灼器は、
ペルチェ素子を挟んでその両側に加熱又は冷却される前端及び後端をもつペルチェモジュールと、一端がペルチェモジュールの後端に接触配置されるヒートシンクと、該ヒートシンクの他端に接触配置され該ヒートシンクから熱を吸収する冷却器とを備え、前記ペルチェモジュールの前端を被焼灼面に接触させて加熱又は冷却するペルチェ焼灼器において、
前端が中央に設けられた小径孔を除いて閉塞された筒状容器に該前端側から順に接触ヘッド、ペルチェモジュール、ヒートシンク及び内部に冷却剤を充填した充填筒を配設し、
前記接触ヘッドは、前記小径孔から外部に突出し被焼灼面に接触するピン部と平面状に形成された該ペルチェモジュールの前端と密着する平面状の後端面をもつ基部とからなり、
前記充填筒は、前記筒状容器の内部に引き出し自在に挿入され、かつ冷却剤の入れ替えが可能にカプセル化され、
冷却剤を囲む少なくとも該充填筒の周壁又は該筒状容器の周壁を断熱構造にするとともに、前記ヒートシンクの周囲は該ヒートシンクの保有熱を該筒状容器の外部に放熱可能な構成としたものである。

本発明のペルチェ焼灼器は、接触ヘッドによる被焼灼面の冷却⇔加熱の切り替えは、ペルチェモジュールの電源の±を逆転させて行ない、冷却時又は加熱時の温度制御は、ペルチェモジュールに流す直流電流を制御することで行なう。
本発明では、筒状容器の内部にペルチェモジュール及びその接続機器類を直列に配置したことにより、接触ヘッドによる被焼灼面の冷却⇔加熱の切り替えは、ペルチェモジュールの電源の±を逆転させるだけで可能になるとともに、焼灼器本体を取り扱いの容易なコンパクトな構成にまとめることができる。

また筒状容器の前端を閉塞し、接触ヘッドのピン部のみを該前端面中央に設けられた小径孔から突出させ、ピン部を除く接触ヘッドを筒状容器の内部に配置した構成としているので、接触ヘッドでの結露水の発生をなくし、結露水によってペルチェモジュールの作動が阻害されることがないようにしている。

また冷却剤充填筒を筒状容器の内部に挿入及び引き出し自在とし、かつ充填筒への冷却剤の入れ替えが可能にカプセル化されているので、該充填筒への冷却剤の入れ替えが容易であり、また接触ヘッドの基部の後端面が平面状に形成されて、同様に平面状に形成されたペルチェモジュールの第１端と密着する構成を有するので、ペルチェモジュールから接触ヘッドへの熱伝導性を向上させることができるとともに、接触ヘッドを嵩張らないコンパクトな構成にすることができる。

また冷却剤を囲む少なくとも該充填筒の周壁又は該筒状容器の周壁を断熱構造とすることにより、外部からの熱の侵入を防止して冷却効果を長く保持することができるとともに、ヒートシンクの周囲は該ヒートシンクの保有熱を該筒状容器の外部に放熱可能な構成としているため、低温での温度保持、あるいは接触ヘッドの冷却から加熱への切り替え時に、ヒートシンクから外部への放熱作用により、接触ヘッドのスムーズな昇温又はスムーズな温度制御を行なうことができる。

筒状容器は、必要な強度を保有し、かつ軽量な材質で構成されるのが好ましく、従って非金属材料製、好ましくは耐薬品性、耐摩擦磨耗性及び機械加工性等に優れたポリエーテル・エーレル・ケトン（ＰＥＥＫ）等の樹脂製とすればよい。
また冷却剤の周囲の断熱構造は、例えば充填筒の周面を囲む筒状容器の壁面を２重筒構造とし、該２重筒間の隙間に断熱材を充填するか、あるいは充填筒自体の周壁を２重筒構造とし、間を真空とするとよい。
また冷却剤充填筒は、熱伝導率の良い材料、例えばＣｕ又はＡｌ製で構成するとよい。

また該充填筒には、冷却剤として少量のエタノール（重量にしてドライアイスの１／１０〜１／２０程度）を加えたドライアイスを充填するとよい。エタノールを加えることにより、充填筒内の熱伝達面積を確保することができ、またドライアイスは−７８．５℃の昇華点を有し、昇華時に蒸発潜熱を吸収することにより、接触ヘッドを−４０℃から６℃の温度に調整することが可能である。

また冷却剤として、例えば、エチレングリコール、プロピレングリコール、食塩水等の無害な低温ブラインを充填すれば、取り扱いが容易になる。これらのブラインを充填する場合は、これを別途−４０℃〜−５０℃の冷温貯蔵室に予め保管して冷却し、使用時に筒状容器に装着する。

本発明において、好ましくは、接触ヘッドの基部前面を筒状容器の前端壁内面に密着させて外気に対しシール可能に構成すれば、該ピン部に付着した結露水が前記小径孔から浸入してペルチェモジュールの機能を劣化させることがない。
筒状容器の前端部を該筒状容器本体と別体に構成し該筒状容器本体に対して着脱可能に構成すれば、異なる径のピン部をもつ接触ヘッドに交換可能となり、これによって接触ヘッドの冷却又は加熱効果を調整することができる。

また接触ヘッドのピン部に熱電対を装着すれば、ピン部の温度を計測しながら被焼灼面の治療を行なうことができるし、また冷却剤充填筒が銅又はアルミ等熱伝導性の良い材料で構成され、かつ冷却及び加熱を３サイクル以上繰り返すことが可能な量の冷却剤を充填可能な容積をもつようにすることが好ましい。これによって少なくとも１回の治療の間は、冷却剤の取替えを行なうことなく治療を続行することができる。
さらに筒状容器に把持用の取っ手を設ければ、筒状容器を手で操作するのに便利となる。
接触ヘッドは、被焼灼面の治療内容によっていくつかの先端形状をしたものから適宜選定し、場合によっては刃先を擁したものを選定し、装着してもよい。

本発明のペルチェ焼灼器によれば、前端が中央に設けられた小径孔を除いて閉塞された筒状容器に該前端側から順に接触ヘッド、ペルチェモジュール、ヒートシンク及び内部に冷却剤を封入した充填筒を配設したため、ペルチェモジュールに接続された電源の±を切り替えるだけ接触ヘッドの冷却⇔加熱間の切り替えができ、かつ焼灼器本体を取り扱いが容易でハンディな構造とすることができる。

また接触ヘッドは、前記小径孔から外部に突出し被焼灼面に接触するピン部と筒状容器の前端部内側に配置され、平面状に形成された該ペルチェモジュールの前端と密着する平面状の後端面をもつ基部とからなるため、接触ヘッドに結露が生ぜず、従って結露によるペルチェモジュールの作動不良を招かず、ペルチェモジュールから接触ヘッドへの熱伝導性を向上させることができるとともに、接触ヘッドを嵩張らないコンパクトな構成にすることができる。

また充填筒は、筒状容器の内部に引き出し自在に挿入され、かつ断熱材の入れ替えが可能に構成されているため、充填筒での冷却剤の充填又は入れ替えが容易である。
また冷却剤を囲む少なくとも該充填筒の周壁又は該筒状容器の周壁を断熱構造とするとともに、ヒートシンクの周囲は該ヒートシンクの保有熱を該筒状容器の外部に放熱可能な構成としたことにより、冷却及び加熱間の切り替え時等の温度変更を要するときに、接触ヘッドの昇温又は降温をスムーズに行なうことができる。

以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配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い。
図１は、本発明の一実施形態の全体構成を示す立面図、図２は前記実施形態の冷却剤充填筒を示す斜視図である。

図１において、焼灼器本体を構成するケーシング１は、内部が中空な円筒形状をなし、該ケーシング１に把持用取っ手２が結合されている。ケーシング１は、耐薬品性、耐摩擦磨耗性及び機械加工性等に優れたＰＥＥＫ樹脂で構成され、取っ手２はＡｌ製で表面がアルマイト処理したものを用いている。ケーシング１の前端を構成する小径部１ａの外周には雄ネジ部が設けられ、中空なナット２の内周面に設けられた雌ネジ部と螺合している。ナット２の小径部２ａが椀形状の前端カバー３の環状突起３ａと係合することにより、カバー３がケーシング１の前端に装着されている。

ケーシング１の内部には、前端側から順に接触ヘッド４、ペルチェモジュール５、ヒートシンク６及び冷却剤充填筒７が配設され、ケーシング１の後端に蓋部９を装着すると、蓋部９の内面に装着されたコイルバネ１０が充填筒７の後端面７ａを前側に押圧するため、カバー３の内面、接触ヘッド４、ペルチェモジュール５、ヒートシンク６及び冷却剤充填筒７の相互の接触面は、互いに密着した状態に保持される。

接触ヘッド４は、カバー３の中心に設けられた小径孔３ａから外部に突出するピン部４ａと円盤状の基部４ｂとで構成される。接触ヘッド４は、熱伝導性を良くする必要性及び価格の簡単からＣｕ製とし、また人体に悪影響を与えないという観点及び接触ヘッド表面に耐食性及び良熱伝導性を付与するためＡｕメッキを施している。基部４ｂの両端面は平面状をなし、そのうち前端面は、コイルバネ１０の付勢力によって同様に平面状をなすカバー３の内面と密着してシール面を形成する。これによってピン部４ａに生じた結露が小径孔３ａを通してケーシング１の内部に浸入するのを防止することができる。ピン部４ａには熱電対８が装着されて、温度計測が可能になっている。

また基部４ｂの後端面は平面状をなすペルチェモジュール５の前端面（第１端）と密着し、ペルチェモジュール５との熱伝導性を良好にしている。また同様にペルチェモジュール５の後端面（第２端）、ヒートシンク６の前後端面及び充填筒７の前端面も平面状をなし、コイルバネ１０の付勢力により互いに密着して互いの熱伝導性を良好にしている。なおペルチェモジュールの表面はアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）等の比較的熱伝導性の良いセラミック製とし、その表面に熱伝達率を良くするためＡｕ，ＡｇもしくはＣｕ等のメッキを施すことが好ましい。

またヒートシンク６及び冷却剤充填筒７は、熱伝導性の良いＣｕ又はＡｌ製とするのがよい。充填筒７の周囲のケーシング１は外筒１ｂと内筒１ｃからなる２重筒構造とし、これらの間に断熱材１１を充填した断熱構造とする。これによって充填筒７内の冷却剤と外部との熱交換を遮断し、冷却剤の保冷を良好にすることができる。
一方ヒートシンク６の周囲には断熱材を設けず、ヒートポンプ６の保有熱を外部に放熱可能に構成している。

冷却剤充填筒７には、冷却剤として少量のエタノール（重量にしてドライアイスの１／１０〜１／２０程度）を加えたドライアイスを充填するとよい。エタノールを加えることにより、充填筒内の熱伝達面積を確保することができ、またドライアイスは−７８．５℃の昇華点を有し、昇華時に蒸発潜熱を吸収することにより、接触ヘッドを−４０℃から６℃の温度に調整することが可能である。

また冷却剤としてエチレングリコール、プロピレングリコール、食塩水等の無害な低温用ブラインを充填すれば、取り扱いが容易になる。これらのブラインを充填する場合は、これを別途−４０℃〜−５０℃の冷温貯蔵室に予め保管して冷却し、使用時に筒状容器に装着する。
また充填筒７内の冷却剤充填量は、被焼灼面の治療効果の上から、少なくとも３サイクル以上の冷却−加熱の繰り返しが可能な量の冷却剤を充填可能な大きさとすれば、少なくとも１回の治療の間は、冷却剤の取替えを行なうことなく治療を続行することができる。

かかる構成のペルチェ焼灼器において、ペルチェモジュール５を電源に接続し直流電流（ＤＣ）を流すことにより、接触ヘッド４の基部４ｂに接触する前端面が冷却又は加熱され、これによって接触ヘッド４のピン部４ａが冷却又は加熱される。この状態で取っ手２を把持して冷却又は加熱されたピン部４ａを被焼灼面に接触して被焼灼面を冷却又は加熱することにより被焼灼面の治療を行なう。また電源の±を逆転させることにより、接触ヘッド４を冷却から加熱へあるいは加熱から冷却へ切り替えることができる。

ペルチェモジュール５の前端面（第１端）を冷却するように電源と接続し、接触ヘッド４を冷却する場合、ペルチェモジュール５の後端面（第２端）は加熱されるので、熱は該後端面に密着したヒートシンク６の前端面を経てヒートシンク６に放熱され、ヒートシンク６の後端面と密着した冷却剤充填筒７によって迅速に冷却される。

かかる構成の本実施形態によれば、内部が中空な円筒形状のケーシング１に接触ヘッド４、ペルチェモジュール５、ヒートシンク６及び冷却剤充填筒７を直列に配置しているので、ペルチェモジュール５に接続された電源の±を逆転するだけで、この配置のままで接触ヘッド４を冷却から加熱にあるいはその逆に切り替えることができるとともに、軽量でコンパクトな大きさとすることができ、かつ取っ手２を持って被焼灼面の冷却又は加熱操作を容易に行なうことができる。
また充填筒７がケーシング１内への装着及び引き出し自在及び冷却剤の充填筒７への充填又は入れ替えが自在となっているので、冷却剤の入れ替えが極めて容易である。

また充填筒７の周囲のケーシング１の隔壁構造を２重筒構造としてその間に断熱材を充填しているので、十分な強度と保温性を有するとともに、ヒートシンク６の周囲を断熱材を設けず放熱可能な隔壁構造としているので、ペルチェモジュール５に接続する電源の±を逆転して接触ヘッド４を冷却から加熱に切り替える場合に、ヒートシンク６からの放熱を迅速に行なえ、従って接触ヘッド４の温度降下をスムーズに行なうことができる。

またヒートシンク６及び冷却剤充填筒７を熱伝導性の良いＡｌ製又はＣｕ製で構成するとともに、接触ヘッド４、ペルチェモジュール５、ヒートシンク６及び充填筒７の互いの接触面を平面として密着性を良くし、かつこれら機器類の接触面をコイルバネ１０の付勢力により密着させているので、これら機器類間の熱伝導性を良好に保持することができる。

またケーシング１の前端に装着されたカバー３を着脱自在に構成したため、被焼灼面の冷却又は加熱の程度に応じてピン部４ａの直径が異なる接触ヘッド４への取替えが可能になる。
またカバー３の内面と接触ヘッド４の基部前端面が平面形状をなし、これら平面をコイルバネ１０の付勢力で密着させてシール面としているため、ピン部３ａに発生した結露水が内部に侵入してペルチェモジュール５の機能を損なうことを防止することができる。
なおさらにペルチェモジュール５の前端面をアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）やペーストでシールすれば、さらに良好なシール性を付与することができる。

本実施形態の装置を用いて、接触ヘッド４のピン部４ａの直径を３ｍｍ、５ｍｍ又は８ｍｍに変えて実際に検証を行なったところ、いずれの場合でも４〜６分でピン部４ａの温度を−４０℃まで冷却することができた。また−２０℃程度のやや高温側でも電位を逆転させ、最小電流を流すことにより、冷媒溶液を変更することなく温度コントロールが可能であることがわかった。

本発明によれば、電源の±を逆転させることによりそのまま冷却及び加熱間の切り替えが可能であり、かつスムーズな昇降温や温度制御が可能で、取り扱いの容易であり、イボ及びシミ取り、皮膚ガン等の治療に好適なペルチェ焼灼器を実現することができる。

本発明の実施形態の一部を断裁した立面図である。 前記実施形態の冷却剤充填筒を示す斜視図である。

符号の説明

１ 円筒状ケーシング
１ａ 外筒
１ｂ 内筒
２ 中空ナット
３ カバー
４ 接触ヘッド
５ ペルチェモジュール
６ ヒートシンク
７ 冷却剤充填筒
８ 熱電対
９ 蓋部
１０ コイルバネ
１１ 断熱材

Claims (9)

1. ペルチェ素子を挟んでその両側に加熱又は冷却される前端及び後端をもつペルチェモジュールと、一端がペルチェモジュールの後端に接触配置されるヒートシンクと、該ヒートシンクの他端に接触配置され該ヒートシンクから熱を吸収する冷却器とを備え、前記ペルチェモジュールの前端を被焼灼面に接触させて加熱又は冷却するペルチェ焼灼器において、
   前端が中央に設けられた小径孔を除いて閉塞された筒状容器に該前端側から順に接触ヘッド、ペルチェモジュール、ヒートシンク及び内部に冷却剤を充填した充填筒を配設し、
   前記接触ヘッドは、前記小径孔から外部に突出し被焼灼面に接触するピン部と平面状に形成されたペルチェモジュールの前端と密着する平面状の後端面をもつ基部とからなり、
   前記充填筒は、前記筒状容器の内部に引き出し自在に挿入され、かつ冷却剤の入れ替えが可能にカプセル化され、
   冷却剤を囲む少なくとも該充填筒の周壁又は該筒状容器の周壁を断熱構造にするとともに、前記ヒートシンクの周囲は該ヒートシンクの保有熱を該筒状容器の外部に放熱可能な構成としたことを特徴とするペルチェ焼灼器。
2. 前記接触ヘッドの基部前面を前記筒状容器の前端壁内面に密着させて外気に対しシール可能に構成したことを特徴とする請求項１記載のペルチェ焼灼器。
3. 前記筒状容器の前端部を該筒状容器本体と別体に構成し該筒状容器本体に対して着脱可能に構成することにより、異なる径のピン部をもつ接触ヘッドに交換可能にしたことを特徴とする請求項１又は２記載のペルチェ焼灼器。
4. 前記接触ヘッドのピン部に熱電対を装着したことを特徴とする請求項１記載のペルチェ焼灼器。
5. 前記筒状容器が非金属材料からなり、前記冷却剤充填筒の周囲の壁面を２重筒構造とし、該２重筒間の隙間に断熱材を充填してなることを特徴とする請求項１記載のペルチェ焼灼器。
6. 前記充填筒にエタノールを添加したドライアイスを充填することを特徴とする請求項１記載のペルチェ焼灼器。
7. 前記充填筒に低温ブラインを充填することを特徴とする請求項１記載のペルチェ焼灼器。
8. 前記冷却剤充填筒が、熱伝導性の良い材料で構成され、かつ冷却及び加熱を３サイクル以上繰り返すことが可能な量の冷却剤を充填可能な容積をもつことを特徴とする請求項１記載のペルチェ焼灼器。
9. 前記筒状容器に把持用の取っ手を設けたことを特徴とする請求項１記載のペルチェ焼灼器。

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