JP2016515289A - 加熱手段および製造方法 - Google Patents

Abstract

呼吸チューブ（７３）のための発熱体は、絶縁性基板（２２，４５，５０）にカーボン製のループ状トラック（２１，３１，４１）が印刷形成され、該トラックは、基板に沿って、一端における二つの金属端子（２５，２６，４３，４４，７４，７５）間で延在する。発熱体を製造するに当たり、好適には、絶縁性シート（５０）上に複数のループ状トラック（５１〜５９）を並列に印刷形成し、基板の一端部（６１）に沿って金属製バスバー（６０）を形成してトラックループの自由端を覆う。そのバスバーを、トラック（５１）および（５９）の自由端間で切断して、トラックの反対端と接続する絶縁された端子パッドを形成する。この状態でシートを、トラック（５１〜５９）間の切断ライン（６３）に沿って切断して、別個の発熱体に分割する。【選択図】図２

Description

本発明は、導電性材料よりなる抵抗性経路を備え、抵抗性経路がその両端における二つの端子間に延在し、該抵抗性経路間に電圧を印加することによって、加熱作用を生じさせるヒータに係る。

本発明は、特に呼吸回路において使用されるヒータ、および発熱体に適用可能であるが、これに限定されるものではない。

呼吸用加湿器、およびネブライザは、装置で生成した蒸気の一部が、患者内へ蒸気を搬送する呼吸チューブ回路内で液化してしまう傾向があるという問題を抱えている。吸息肢または呼息肢のいずれかにおいて結露水が存在すると、万が一患者内に移った場合に危険性を呈すので、問題である。また、細菌に蓄積場所を与える可能性もあり、感染リスクを引き起こす。採取した全ての結露水を除去し、処理する必要があるのも問題である。チューブに沿って流れるガスを液化しにくくするためにチューブを加熱することで、この「雨降り（ｒａｉｎ−ｏｕｔ）」が低減可能であることが知られている。そのための加熱は、一般的にチューブ内またはチューブ外に延在する抵抗性金属ワイヤを使用することで実現する。加熱装置は、例えば米国特許第６０７８７３０号明細書（特許文献１）、同第６１６７８８３号明細書（特許文献２）、および同第８１２２８８２号明細書（特許文献３）に開示されている。このようなワイヤ発熱体にかかるコストは、使い捨て可能な構成部材としては比較的高価であり、必要に応じて所要電力を最小化する場面において加熱作用を最大化できるように、位置ごとに変化する加熱特性を有するワイヤ発熱体を提供するのは困難である。

米国特許第６０７８７３０号明細書 米国特許第６１６７８８３号明細書 米国特許第８１２２８８２号明細書

本発明の課題は、代替の加熱手段および製造方法を提供することである。

本発明の一実施形態に係る上述の種類のヒータは、絶縁性表面を有する基板上の非金属材のトラックによって提供される抵抗性経路を備える。

端子は、基板の同一端に配置することができる。好適な導電性材料はカーボンを含み、基板上に印刷形成されるかもしれない。基板は、絶縁性プラスチック材製でもよい。ヒータは、加熱作用の異なる複数の領域で構成してもよい。複数の領域は、トラックにおける断面積または抵抗率の異なる領域で構成してもよい。あるいは、ヒータは、複数の領域内で異なる数のトラックを有する構成とすることができる。

本発明の第二の実施形態によれば、発熱体の製造方法が提供される。この製造方法は、
絶縁性表面を有する平面基板を提供するステップと、
導電性で、非金属材製の複数の抵抗トラックを該表面に蒸着させ、各トラックを、ループ状とし、各ループの閉端を基板の一端部側に配置し、各ループの二つの開端を基板の反対端側に配置するステップと、
トラックの蒸着前または蒸着後に導電性端子を形成し、端子を各トラックの開端にわたって延在させて各トラック端に電気接触させるステップと、
その後、隣接するトラック間で基板を切断し、複数の別個の発熱体を形成するステップとを備える。

端子は、最初は連続バスバー状としてもよく、バスバーの材料は、同トラックの開端間から除去して、開端を互いに絶縁するよう除去する。基板は、好ましくは絶縁性プラスチック材製であり、トラックはカーボンを含むものとする。

本発明の第三の実施形態によれば、上記第二の実施形態に係る方法により作製された発熱体が提供される。

本発明の第四の実施形態によれば、複数の発熱体の製造に使用するためのシートが提供される。このシートは、絶縁性の表面と、二つの反対端部を有する平面基板と、該表面を超えて延在する導電性で非金属材の複数の抵抗トラックとを含み、各トラックは、隣接する側の端部に位置する二つの開端を有するループであり、各ループの閉端は反対端部に隣接し、導電性端子は各トラックの開端と電気接触をする一端部に平行かつ隣接して延在することを特徴とする。

基板は、好ましくは絶縁性材製であり、トラックはカーボンを含むものとする。

本発明の第五の実施形態によると、上記第四の実施形態に係るシートから作製された発熱体が提供される。

本発明の第六の実施形態によると、上記第四の実施形態に係るシートからの複数の発熱体を製造する方法が提供される。この製造方法は、端子が連続バスバーである場合に、この方法は、異なるトラックを互いに分離するステップと、トラックの分離前または分離後に各トラックにおける２つの開端の間でバスバーを遮断するステップとを備えることを特徴とする。

本発明の第七の実施形態によると、上記第六の実施形態に係る方法によって作製された発熱体が提供される。

本発明の第八の実施形態によると、患者に対する呼吸ガス、または患者からの呼吸ガスを搬送するための呼吸チューブが提供される。この呼吸チューブは、上記一実施形態に係るヒータ、または上記第三、第五または第七の実施形態に係る発熱体を備える。

従来技術による発熱体の平面図である。 本発明に係る発熱体の平面図である。 代替の発熱体の平面図である。 代替の発熱体の平面図である。 九つの発熱体から形成可能なシートの平面図である。 発熱体を含む呼吸チューブの縦断側面の正面図である。

本発明に係る発熱体、発熱体を含む呼吸チューブ、および発熱体の製造方法につき、添付図面を参照してさらに説明する。

図１において、従来の発熱体を示し、抵抗性経路は、銅等の金属から作製される絶縁型導電性の抵抗線１の長さから成り、導電性端子２および３に対して反対側で交わる。ワイヤ１は、ループ状を成し、並列に延在する四つのセクション４〜７を形成して折り返すことで、挿入された呼吸チューブに沿って流れるガスに対する熱伝達を向上する。端子２および３は、発熱体と同一端に配置され、チューブの一端から利用可能である。長さ約１５０ｃｍである典型的な呼吸チューブにおいて、発熱体が、１５０ｃｍの四倍である約６００ｃｍのワイヤを必要とすることがわかる。銅には、特に単回使用後に廃棄されるように設計された構成要素のために、高いコストがかかるため、発熱体は比較的高額となる。呼吸チューブは、所定の入力電力に対して最適な効果を生むために、レインアウト減少に最も効果のある領域で最大の加熱作用を提供できることが望ましい。しかしながら、所望の加熱作用を生むために先の発熱体に沿って加熱作用を変化させるのは困難である。

図２は、平面基板の絶縁性表面上に蒸着させた非金属の導電性トラックによって提供される発熱体２０という形で本発明に係る加熱手段の第一例を示す。特に、発熱体は、長方形ポリエステルシートの表面上に印刷形成し、シートの一端に二つの自由端２２および２３を、シートの反対端に閉端２４を有してループ状を成すカーボントラック２１という形を取る。自由端２２および２３は、トラックの自由端２２および２３上に重なる、銅製等の金属端子パッド２５および２６とそれぞれ接触する。トラック２１は完全カーボン製である必要は無いが、所望の抵抗性を生むために他の材料と混合することができる。カーボントラック２１の断面積は、自由端間に所望の抵抗性を提供するように選ばれる、つまり、トラックの幅および／または厚さの適切な選択によるものである。一般的に、カーボントラックの抵抗性は銅線の抵抗性より高いので、カーボントラックは同じ抵抗性を持つワイヤよりも断面積が大きいだろう。これは、印刷形成されたカーボントラックの表面積が、同等の銅線の表面積よりも大きくなるであろうことを意味するので、熱放散は、同じ長さの銅線より大きくなるだろう。このようにして、カーボントラックは同じ熱放散を有する銅線よりも短くすることができ、それによって図１に示す前金属線のようにトラックを折り返す必要がなくなる。ゆえに、同じ長さの呼吸チューブ用に本発明に係る発熱体が必要とするのは、比較的高価な銅または他の金属を真ん中で折り返した発熱体と比較して比較的高価でないカーボンの半分の長さのみである。

当然のことながら、抵抗トラックは、絶縁性表面上で支えられる必要がある。これは、絶縁性基板か、あるいは上述したように導電性になり得る基板によって提供されるが、どちらにせよトラックに蒸着させた絶縁性材の層を有する。

本発明に係る加熱手段は、図３に示すように、長さに沿って蒸着型トラックの特性に対して適切に変化する複数の温度帯を加熱回路に持たせることも可能である。この構成において、カーボントラック３１は、図２に示すものと同じ形状を有するが、トラックは長さに沿って同じ断面積を有するのではなく、トラックにおける断面積および抵抗性は、発熱体３０に沿った位置によって異なる。図３に示すトラック３１は、長さに沿った三つの異なる領域Ａ、ＢおよびＣで構成されている。領域ＡおよびＣは、自由端３２および３３から発熱体の長さの約三分の一に沿って延在し、一方、領域Ｂは、ループの閉端を提供する二つの端領域間に延在する。領域ＡおよびＣにおけるトラック３１は比較的広く、つまり、より大きい断面積を有し、ゆえに比較的低い抵抗性を有する。領域Ｂはより薄く、つまり、より小さい断面積を有し、ゆえにより高い抵抗性を有する。領域ＡおよびＣに沿った、つまり発熱体３０の端子端に向かう、単位長さあたりの加熱作用は、領域Ｂに沿った、つまり端子端から離れた加熱作用よりも低い。この発熱体は、ゆえに、端子から離れたところのほうが、端子に隣接するところよりも熱くなる。

発熱体に沿った加熱作用は、他の方法で変えることができる。例えば、同じトラック材料を使い、断面積（幅および／または厚さ）を変える代わりに、異なる材料を使うことによって、つまり、トラックに沿った領域ごとに抵抗性の異なる非金属材を蒸着させることによって、加熱作用を増減することが可能である。これらの異なる材料は、印刷形成、もしくは互いの蒸着が可能である。当然のことながら、加熱作用は、断面積における変化と抵抗性の異なる材料の使用との組み合わせによって変化させることができる。

発熱体の長さに沿った加熱作用を増減するための別の構成を、図４に示す。同図は、二つの端子４３および４４と接続し、互いに平行に接続した二つの印刷形成型抵抗トラック４１および４２を有する発熱体４０を示す。一つのトラック４１は、基板４５の全長に沿ったループ内に延在する。もう一方のトラック４２もループ内に形成され、より長いトラック４１内の同一端子４３および４４から延在するが、発熱体の端子端において発熱体４０の約三分の一の長さに沿って延在するだけである。発熱体４０は、端子から離れた領域よりも、端子４３および４４により近い領域において、大きい加熱作用を生む。加熱作用は、断面積、または二つのトラック用の材料を適切に選択することで、さらに増減することができるが、同じ結果になるかもしれないし、異なる結果になるかもしれない。発熱体は、二つのトラックを有する必要があるだけでなく、三つ以上のトラックを有することができる。

本発明の発熱体は、図５に示す方式で容易に生み出すことができる。例えばポリエステル等の絶縁性材製の長方形シート５０、または絶縁性上層を有する導電性シートが提供され、カーボン含有材製の九つの抵抗トラックループ５１〜５９は、該シートの上面上に互いに並んで水平に印刷形成される。各抵抗トラックループ５１〜５９の開端は、シート５０の左方端部６１側に位置し、閉端は反対の右方端部６２側に位置する。任意の適切なカーボン印刷形成技術は、例えばインクジェット印刷、シルクスクリーン印刷、フォトリソグラフィ等を利用することができる。二つ以上の任意の数のトラックを印刷形成することができる。次に、例えば銅製の、薄型金属バスバー６０としての端子手段は、トラック５１〜５９の自由端の上にあるシート５０の左方端部６１に垂直に設置されるので、全て電気的に橋絡される。バスバー６０は、任意の従来の様式で、例えば導電性接着でトラック５１〜５９および基板５０と接合した金属箔によって、形成することができる。トラックの上にあるバスバーを適用する代わりに、トラック前の基板上に置くことができるので、トラックはバスバーの上に延在する。次のステップは、バスバー６０を介して電気的に接続されないように、各トラック５１〜５９の二つの自由端間にあるバスバー６０を遮断することである。これは、各トラック５１〜５９の自由端間のバスバー６０の一部を除去することで完了する。最も都合が良いことには、必須ではないが、シート５０の下地部分の除去を含む。ミリング、グライディング、カッティング等の機械的方法、またはエッチング等の化学的方法、またはレーザーアブレーションやレーザーカット等の他の技術によって、除去作業を実現することができる。最終ステップでは、各トラック５１〜５９間において、シート５０を八回水平に簡易切断し、シート５０を九つの別個の発熱体に分割する。図５において、３つの下層切断ライン６３を表す。各トラックにおける自由端間でバスバーを遮断するステップは、上述のように、このステップ以前ではなく、該シートを別個の発熱体に切断した後に行うことができる。

端子手段は、連続バスバーとしてシート上に接地する必要はないが、例えば、カーボントラックの印刷形成前または印刷形成後に互いに分けた一連の金属端子パッドとして印刷形成することができる。

この製造技術によって発熱体を低コストで大量生産することが可能になる。

発熱体７０は、図６に示す、吸息、呼息、または双方向における使用のための種類の呼吸チューブ７３の孔に沿って挿入される。発熱体７０は、チューブ７３の機器端７２に配置された端子端７１を有し、端子７４および７５は、機器端結合部７８の壁を通って延在するそれぞれの接触部７６および７７と電気的に接続する。接触部７６および７７は、ヒータ制御ユニット８０と接続する相手側コネクタ７９と接続し、発熱体７０に電力を供給する。呼吸チューブ７３は、チューブに沿って流れるガスの所望温度を一定に維持するための呼吸回路において接続したセンサ（図示せず）からの温度フィードバックを備え得る。

Claims (18)

1. 導電性材料よりなる抵抗性経路を備え、該抵抗性経路がその両端における二つの端子間に延在し、該抵抗性経路間に電圧を印加することによって加熱作用を生じさせるヒータ（２０，３０，４０，７０）において、前記抵抗性経路は、絶縁性表面を有する基板（２２，４５）上の非金属材料製のトラック（２１，３１，４１，４２）で構成されていることを特徴とするヒータ。
2. 前記端子（２５，２６，４３，４４，７４，７５）は、前記基板（２２，４５，５０）の同一端（６１）に配置されていることを特徴とする、請求項１に記載のヒータ。
3. 前記トラック（２１，３１，４１，４２）の導電性材料は、カーボンを含むことを特徴とする、請求項１または２に記載のヒータ。
4. 前記抵抗トラック（２１，３１，４１，４２）は、前記基板（２２，４５，５０）上に印刷形成されていることを特徴とする、前記請求項１〜３のいずれか一項に記載のヒータ。
5. 前記基板（２２，４５）は、絶縁性プラスチック材製であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載のヒータ。
6. 前記ヒータ（３０，４０）は、加熱作用の異なる複数の領域で構成されることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載のヒータ。
7. 前記複数の領域が、前記トラック（３１）における断面積または抵抗値の異なる領域（Ａ，Ｂ，Ｃ）で構成されていることを特徴とする、請求項６に記載のヒータ。
8. 前記ヒータ（４０）は、前記複数の領域内で異なる数のトラック（４１，４２）を有することを特徴とする、請求項６に記載のヒータ。
9. 絶縁性表面を有する平面基板（５０）を提供するステップと、
   導電性で非金属材製の複数の抵抗トラック（５１〜５９）を前記表面に蒸着させ、各トラックをループ状とし、各ループの閉端を前記基板（５０）の一端部（６２）側に配置し、各ループの二つの開端を前記基板（５０）の反対端（６１）側に配置するステップと、
   前記トラックの蒸着前または蒸着後に導電性端子（６０）を形成し、該端子（６０）を各トラック（５１〜５９）の開端にわたって延在させて前記各トラック端に電気接触させるステップと、
   その後、隣接トラック間で前記基板（５０）を切断ライン（６３）に沿って切断することにより、複数の別個の発熱体を形成するステップと、
   を備える、発熱体の製造方法。
10. 前記端子は、最初は連続バスバー（６０）状とし、該バスバーの材料を同トラックの開端間から除去して前記開端を互いに絶縁することを特徴とする、請求項９に記載の方法。
11. 前記基板（５０）を絶縁性プラスチック材製とし、前記トラック（５１〜５９）はカーボンを含むものとすることを特徴とする、請求項９または１０に記載の方法。
12. 請求項９〜１１のいずれか一項に記載の方法によって作製された発熱体。
13. 前記シートが、絶縁性の表面および二つの反対端部（６１，６２）を有する平面基板（５０）と、前記表面を超えて延在する導電性で非金属材の複数の抵抗トラック（５１〜５９）とを含み、各トラック（５１〜５９）は、前記端部（６１）のうち一つに隣接する二つの開端を有するループであり、各ループの前記閉端は前記反対端部（６２）に隣接し、導電性端子（６０）は各トラックの前記開端と電気接触をする前記一端部に平行かつ隣接して延在することを特徴とする、複数の発熱体の製造に使用するためのシート。
14. 前記基板（５０）は絶縁性材製であり、前記トラック（５１〜５９）はカーボンを含むものとすることを特徴とする、請求項１３に記載のシート。
15. 請求項１３または１４に記載のシートから作製される発熱体。
16. 請求項１３または１４に記載のシートから複数の発熱体を製造する方法であって、前記端子が連続バスバー（６０）である場合に、異なるトラック（５１〜５９）を互いに分離するステップと、前記トラックの分離前または分離後に各トラックにおける前記二つの開端の間で前記バスバー（６０）を遮断するステップとを備えることを特徴とする方法。
17. 請求項１６に記載の方法によって作製される発熱体。
18. 患者に対する呼吸ガス、または患者からの呼吸ガスを搬送するための呼吸チューブ（７３）であって、請求項１〜８のいずれか一項に記載のヒータ（７０）、または請求項１２，１５および１７のいずれか一項に記載の発熱体を備える呼吸チューブ（７３）。

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