JP2017208318A - 照明器具およびこれを備えた開口型照明装置ならびに手術室 - Google Patents

Abstract

【課題】光射出面からの放射熱の温度上昇を抑制して着衣者に暑熱感を与えることがない新規な照明器具およびこれを備えた開口型照明装置ならびに手術室の提供。
【解決手段】ＬＥＤ発光部１１と当該ＬＥＤ発光部１１からの光を制御して放射する光制御部１２とを備え、前記ＬＥＤ発光部は、ＬＥＤ素子を有するＬＥＤチップ１４と、当該ＬＥＤチップ１４と密着する放熱板１３と、前記ＬＥＤチップ１４からの光を集光して前記光制御部１２側に案内する集光器１５とからなる照明器具１である。これにより、ＬＥＤ素子から発生する熱はＬＥＤチップ１４の背面より放熱板１３に伝わり、この放熱板１３より周囲の空気に放熱されて光制御部１２側への入熱が抑制されるため、その光射出面からの放射熱が着衣者に暑熱感を与えることがない。
【選択図】図１

Description

本発明は、主に手術の際に用いられる照明器具およびこれを備えた開口型照明装置ならびに手術室に関するものである。

照明器具の光射出面が高温の場合、射出面から受ける放射熱により照明器具の下側近傍に位置する人は暑熱感を感じ不快になる。特に、手術室においては、手術台近傍に立位する執刀医の頭上近くに照明装置が置かれるため、照明装置が執刀医に暑熱感を与えないことが求められている。

現状の手術用照明装置は、直径約７００ｍｍの無開口型平板形状、或いは極低開口率の平板形状で、射出面表面が加熱されることにより、表面からの放射熱により執刀医の頭部が加熱され暑熱感を助長していた。更に、開口率が低いため空気を通さず、照明装置の光を発する射出面側に熱だまりが形成され、この熱だまりが執刀医の頭部を加熱し、執刀医の暑熱感を助長していた。

現状の手術用照明装置は、例えば以下の特許文献１に示されているように、発光体であるＬＥＤチップを光の進行方向とは逆向きに置き、凹面反射鏡を用いＬＥＤ放熱板を照明装置筺体内部に収納しているため、筺体内部が高温になり、光射出面は昇温する。光射出面の温度が着衣表面より高温の場合、着衣表面は光射出面より放射熱を受けて加熱されるため着衣内部が昇温し、着衣者は暑熱感を感じ不快となる。

又、現状の照明器具は、例えば以下の特許文献２に示すように発光体であるＬＥＤを光の進行方向に向けて使用する場合であるが、この場合も放熱板を筺体内部に設置しているため、筺体内部が高温になり光射出面は昇温する。光射出面の温度が着衣表面より高温の場合、着衣表面は光射出面より放射熱を受けて加熱されるため着衣内部が昇温し、着衣者は暑熱感を感じ不快となる。

特開２００７−５３０６５ 特開２０１２−８１０５８

このような不都合を解消するために、例えば空調機などを調整して手術室の室温を下げることも考えられが、そうすると患者の体温が低下したり、その照明器具から離れている位置のスタッフなどに対して無用な寒冷感を与えてしまうおそれがある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その主たる目的は、光射出面からの放射熱の温度上昇を抑制して着衣者に暑熱感を与えることがない新規な照明器具およびこれを備えた開口型照明装置ならびに手術室を提供する。

現状の手術室で用いられる照明装置は、特許文献１に示すように複数の照明器具からなるユニットを機械的な連係機構を用い同時に傾きを変えることにより、焦点合わせと光輪郭サイズの調整を行っている。この機械式連係機構を用いて、多数の照明器具を制御する場合、各照明器具と中心に設けられた回転機構とを結ぶ連結棒が複雑に重なり合い照明器具間に空隙を設けることが不可能である。

現状の手術用照明装置は開口率を全く有していないか、或いは有していても低い開口率であり、天井からの吹出気流をほとんど通過させない。このため器具下流側に負圧域を生じ、ここに熱だまりを形成し、手術を行う執刀医の頭部がこの熱だまりに置かれた場合、暑熱感を感じ不快となる。この対策として、吹出空気温度を低下させると手術台上の患者に冷風を与えることとなり、患者の低体温化を促進する。

全身麻酔下で手術される患者は、麻酔が作用しているために、体温の調節機能が低下し体温が低下する。低体温化により（ａ）免疫機能が下がり術後感染率が増加、（ｂ）血液凝固障害による出血量の増加、（ｃ）人工呼吸器装着率の増加、（ｄ）薬物代謝の遅延による麻酔覚醒遅延、（ｅ）覚醒時の悪寒、震え、などの障害が起こり、入院日数の増加、医療費の増加につながると言われている。日本手術医学会による「手術医療の実践ガイドライン」では、「手術時には積極的に患者の体温管理を行うべきである」と述べられている。現在は、患者の手術部位を除いた躯体の部位を局所的に加温する方法が採られている。

開口率のほとんど無い照明装置では、装置下側に負圧域を生じるので、ここに周囲空気中の生物粒子を誘引し、蓄積した生物粒子を術野へ放出するため、手術部位感染症を助長する危険性が高い。現在の手術室のクリーン空調は手術台上部の天井より低温清浄空気を垂直に下側に吹出す空調であり、執刀医から発生する生物粒子を下降流にのせて患者の術野へ運ぶため術野汚染を助長している。また、全身麻酔を施された患者は、体温の低下により種々の不具合が発生するため、できる限り患者へ吹き当てる空気温度を高くする必要がある。

照明器具の発生する熱を照明器具回りを流れる空気へ放熱することよって照明器具の光射出面温度を低下させ、照明器具下方に位置する作業者、或いは医師に対する放射熱効果を緩和することを意図している。照明器具が一定風速の中に置かれた場合、空気への放熱による下流側の空気温度上昇は微少である。

前記課題を解決するための第１の発明は、ＬＥＤ発光部と当該ＬＥＤ発光部からの光を制御して放射する光制御部とを備え、前記ＬＥＤ発光部は、ＬＥＤ素子を有するＬＥＤチップと、当該ＬＥＤチップと密着する放熱板と、前記ＬＥＤチップからの光を集光して前記光制御部側に案内する集光器とからなることを特徴とする照明器具である。このような構成によれば、ＬＥＤ素子から発生する熱はＬＥＤチップの背面より放熱板に伝わり、この放熱板より周囲の空気に放熱される。これによって光制御部側への入熱が抑制されるため、その光射出面の放射熱が着衣者に暑熱感を与えることがない。

第２の発明は、第１の発明において、前記放熱板と集光器とが密着していることを特徴とする照明器具である。このような構成によれば、さらにこのＬＥＤ素子の発生熱の一部はＬＥＤチップ側面より集光器に伝わり、集光器より周囲の空気に放熱される。これによって光制御部側への入熱がさらに抑制されるため、その光射出面の放射熱が着衣者に暑熱感を与えることがない。

第３の発明は、第１または第２の発明において、前記光制御部は、前記ＬＥＤ発光部を端面に取り付ける筒条の筐体と、当該筐体内を前記ＬＥＤ発光部方向に近接離間移動して前記ＬＥＤ発光部からの光による光照射面の光輪郭サイズを調整する光拡散板と、当該光拡散板を通過した光を収束して倒立像の光野を形成する凸型レンズとからなることを特徴とする照明器具。このような構成によれば、光照射面の光輪郭サイズを自由に調整して最適な光野を得ることができる。また、凸型レンズは透過した光を設定された光輪郭サイズとなるように集光するものである。光は微少の赤外線域の波長を持つために照射された部位を昇温させる。また、例えば透明板にアクリル板を用いた場合、アクリル板の光透過率は約９０％なので、透明板であるアクリル板は約１０％の光を吸収し、これを熱に変換する。以上により、光制御用部筺体内部の空気温度は微少上昇しこれが光射出面である透明板を加熱する。しかし、現状照明器具のように、ＬＥＤ放熱板を光制御装置筺体内に収めたことによる内部空気温度の大幅な上昇はなく、結果として光射出面の温度上昇を抑えることができる。

集光器の形状は、照明器具から発した光束がより平行光になるように、放物面、或いは円錐面とするのが望ましい。集光器の前面に光拡散板を置く。光拡散板は集光器との距離をモーターの駆動により変えることができる。光拡散板は受光面に均質な白色光を照射するために用いられ、かつ、光拡散板が集光器に近づけば光輪郭は小さくなり、離れれば光輪郭が大きくなる作用がある。光拡散板の後方に凸型のレンズを置く。光拡散板を透過した光を絞り込み受光面に一定サイズの光輪郭を形成する。均一な色合いの任意の光輪郭サイズを形成するため、ＬＥＤチップ、集光器、光拡散板、凸型レンズの順に並べ、かつ光拡散板の移動により光輪郭サイズを可変とすることを特徴とする照明器具である。

第４の発明は、第３の発明において、前記筺体の上下部に換気用の開口を有することを特徴とする照明器具である。このような構成によれば、この開口の一部から周囲の空気が筐体内に流れ込み、他の開口から排気することで筐体内が常に換気されるため、筐体内に熱がこもってその内部の温度が上昇することがない。手術室内では、光を患者の術野に当てるために照明器具の光射出面を下側に置き、ＬＥＤ本体部を上側に位置するように設置する。筺体の下側のスリット状の開口から周囲の空気が吸い込まれ、筺体内部で加熱され、浮力が生じ上昇し、筺体上側の開口から排出される。この換気空気により筺体内部は冷却され、光射出面透明板は冷却される。

第５の発明は、第４の発明において、前記開口にフィルタを備えたことを特徴とする照明器具である。このような構成によれば、換気に際して周囲の塵埃が筐体内に流入するのを確実に防止できる。

第６の発明は、前記筐体の大きさが直径１０〜１００ｍｍ範囲の前記第１乃至４のいずれかの照明器具を、環状のフレーム内に５０％以上の開口率を有するように複数台分散配置してなることを特徴とする開口型照明装置である。このような構成によれば、各照明器具からの熱を抑制できるため、照明装置全体の放射熱を抑制できると共に、５０％以上の開口率とすることにより、天井などから吹出される清浄空調空気が効率良く通過するため、その照明装置下部の温度上昇を抑えることができる。すなわち、各照明器具を分散配置することにより照明器具から発する熱を効率よく除去できるため、照明装置の下側に負圧域を形成させず、従って熱だまりが形成されることはない。

第７の発明は、第６の開口型照明装置を設置したことを特徴とする手術室である。手術を行う執刀医は一般に頭上近くに照明装置を据えて術野を照明する。本発明は、光の射出面を着衣表面温度より低く抑えているために射出面からの放射熱による暑熱感を与えない。更に、照明装置の開口部を通過する空気により執刀医の頭部・上半身は微風による冷却効果が発揮され、執刀医の温熱環境は向上する。この照明装置が使われることによって手術を受ける患者、手術に携わるスタッフの温熱環境も改善できる。このように各照明器具からの放射熱が少なく、かつ熱がこもらない本発明の開口型照明装置を手術用の照明装置として採用することにより、術者や患者にとって至適な空間を提供できる。

第８の発明は、手術台の天井面に設置する吹出口において、手術台に対してその長手方向にシフトして設けられると共に、その吹出口には、前記手術台に向けて斜めに清浄空調空気を吹出すルーバーを設けた吹出口を有する手術室であって、前記開口型照明装置を設置したことを特徴とする手術室である。執刀医から発生する生物粒子を術野へ向かわせないようにするため、吹出気流方向を患者側から麻酔医の立ち位置方向へ斜めに吹出すもので、これにより執刀医から発生する生物粒子を、術野を回避して排除することができることを特徴とするクリーン空調である。さらに執刀医に付着した塵等がその気流に乗って術野に直接到達、付着するのを防止できる。

第９の発明は、第６の発明である開口型照明装置を設置し、手術台上に設けられた清浄で温湿度調節された空気を吹出す吹出口を備え、周囲部より中央部の空気温度を高く調節した空気を吹出すことを特徴とする手術室である。このように構成すれば、患者に吹き当たる空気は吹出口の中心部の空気であり、この中心部の空気温度を周囲温度より高く設定することによって患者は低温の冷風に曝されることが無く、術後の障害が低減される。

第１０の発明は、手術室天井の周辺に、低温度の空気を吹出す吹出口を設け、手術台上の吹出空気温度を該室温とし、第６の発明である開口型照明装置を設置したことを特徴とする手術室である。患者の体温維持を向上させ、執刀医の快適感を損なわずに手術室全体を空調する方法である。手術室に開口型照明装置を設置した場合、開口型照明装置は吹出気流を通過させるため、手術を行っている執刀医は頭部及び上半身を微風に曝され、気流温度を上げても温熱感は快適に維持される。吹出温度を上げることによって、患者の体温維持に対しても良好な効果を与える。手術室の設備類、照明などから発生する熱負荷を処理するため、天井の周辺に吹出口を設けて、ここより低温の清浄空気を吹出し手術室全体を空調する。

本発明に係る照明器具は、温度２０℃、気流速度０．３５ｍ／ｓの雰囲気に設置された場合、光射出面温度は２４〜２５℃であるが、放熱板を照明器具内部に有する照明器具の光射出面温度は４１〜４３℃である。放熱板分離型照明器具及び換気冷却式照明器具の光射出面温度は従来照明器具より約１７℃低温になり、着衣表面温度と同程度で照明器具の下側に位置する執刀医に暑熱感を与えない。

本発明に係る照明器具により構成される開口型照明装置を用いることにより、手術を行う執刀医、麻酔医、スタッフに至適温熱環境を提供することができ、且つ患者に対しても、患者周囲の空気温度をより高い温度に維持できることにより、患者の低体温化による（ａ）免疫機能低下による術後感染率が増加、（ｂ）血液凝固障害による出血量の増加、（ｃ）人工呼吸器装着率の増加、（ｄ）薬物代謝の遅延による麻酔覚醒遅延、（ｅ）覚醒時の悪寒、震え、などの障害の防止に寄与し、入院日数の増加、医療費の増加の防止に寄与できる。

本発明に係る照明器具により構成される開口型照明装置を使い、手術台上の吹出気流を斜流とした場合、少ない風量で患者の術野を清浄化できるので、手術室の空調設備設置費を減らしランニングコストも低減化できる。また、本発明に係る照明器具ではＬＥＤチップに密着した放熱板より低温の気流中に効率よく放熱される。これによりＬＥＤ素子は従来より低温に保たれ、寿命を長くすることができる。

本発明の一実施形態に係る器具上部に駆動用モーターを有する放熱板分離型照明器具の断面図である。 本発明の一実施形態に係るＬＥＤ本体部の（ａ）断面図、（ｂ）平面図、（ｃ）斜視組立図である。 本発明の一実施形態に係る放熱板分離型照明器具の射出光の光路図である。 本発明の一実施形態に係る器具下側に駆動用モーターを有する放熱板分離型照明器具の断面図である。 本発明の一実施形態に係る換気冷却式照明器具の断面図である。 本発明における光拡散板位置と光輪郭サイズの相関図である。 本発明の一実施形態に係る開口型照明装置の（ａ）平面図、（ｂ）は断面図である。 本発明の一実施形態に係る開口型照明装置を備えた手術室の（ａ）平面図、（ｂ）は断面図である。 本発明の一実施形態に係る開口型照明装置を備えた斜流式吹出気流を有する手術室の（ａ）平面図、（ｂ）は断面図である 本発明の一実施形態に係る開口型照明装置を備えた天井吹出気流の中央部を周囲より高温とした吹出気流を有する手術室の（ａ）平面図、（ｂ）は断面図である。 本発明の一実施形態に係る開口型照明装置を備え、中央天井吹出口及び中央吹出し空気温度より低温の空気を吹出す周辺天井吹出口を有する手術室の（ａ）平面図、（ｂ）は断面図である。 現状の照明器具である凹面反射型照明器具の断面図である。 現状の照明器具であるＬＥＤ内臓型照明器具の断面図である。 本発明と現状照明器具の光射出面温度の測定値を示す表図である。

本発明の一実施形態に係る照明器具について説明する。図１に示すように、本発明に係る照明器具１はいわゆる放熱板分離型の照明器具であり、ＬＥＤ本体部１１と光制御部１２とから成り、ＬＥＤ本体部１１を光制御部１２の光制御部筺体１６から分離して照明器具を構成する。ＬＥＤチップ１４の背面には放熱板１３が密着しており、表面側には集光器１５が接合されている。集光器１５の先端部において光制御部１２の光制御部筺体１６と接合されている。又は、集光器１５の先端の一部が筺体１６内に入り込んでいてもよい。ＬＥＤ素子から発生する熱はＬＥＤチップ１４の背面より放熱板１３に伝わり、放熱板１３より周囲の空気に放熱される。発生熱の一部はＬＥＤチップ１４の側面より集光器１５に伝わり、集光器１５より周囲の空気に放熱される。

ＬＥＤ本体部１１の詳細を図２に示す。（ａ）はＬＥＤ本体部１１の縦断面図、（ｂ）は下から見上げた平面図、（ｃ）はＬＥＤ本体部１１の斜視組立図である。ＬＥＤ本体部１１は、表面実装型のＬＥＤチップ１４と熱伝導性に優れた放熱板１３、及び集光器１５より構成される。本発明では、ＬＥＤチップ１４は、砲弾型ＬＥＤチップ、表面実装型ＬＥＤチップのいずれをも使用できる。ここでは図示していないが、放熱板１３側にはＬＥＤチップ１４の電極に対応した電極が加工されており、更にこの電極に電線が接続されている。集光器１５内部には電線を通す導口が設けられている。

組立手順は、図２（ｃ）に示すように、ＬＥＤチップ１４を円板状をした放熱板１３の下面にハンダ付けする。次に、放熱板１３の電極から延びる電線を集光器１５の導口に通し、次に集光器１５と放熱板１３を密着させ、両者をビスなどで固定する。電線は照明器具筺体１６内に導かれ、更に外部へ引き出されることにより電源と接続される。ここで放熱板１３の材質としては熱伝導性に優れたものであれば特に限定するものでないが、例えばアルミニウムや銅、銀、鉄などの金属が望ましい。

集光器１５の形状について説明する。図２(ｃ−３)に示すように、この集光器１５は円柱状になっており、その上端面中央部にはＬＥＤチップ１４を納めることができるように方形の空間１５ｄが作られており、その空間１５ｄの中央部から下端面に亘って円錐状（漏斗状）に広がるように貫通した導光路１５ｃが形成されている。この導光路１５ｃのＬＥＤ側開口部の径１５ａはＬＥＤチップ１４のＬＥＤ素子全てを含む大きさになっている。この表面実装型ＬＥＤチップ１４について説明すると、チップ内に複数の素子がある場合、開口径１５ａは全ての素子を含む最小径が望ましい。ＬＥＤの発光面は素子を覆う樹脂であり、樹脂のサイズ１４ａよりも集光器側１５ａのサイズは小さい。集光器１５の導光路１５ｃの形状は、放物面、円錐面或いは効率よくＬＥＤチップから光を反射できる形状であればよい。導光路１５ｃの形状が円錐面の場合は、円錐面の開き角は、図１に示すように照明器具１の光射出面端部とＬＥＤチップ１４中心を結ぶ線分２９の開き角とする。また、集光器１５の形状は円柱状に限定されない。照明器具１の清掃のし易さを考慮すると、放熱板１３と集光器１５を含めた断面形状は球冠状であってもよい。

一方、光制御部１２は、図１に示すように箱形の光制御部筺体１６と、光拡散板１７と、凸型レンズ１８と、光拡散板１７を昇降動するモーター２０とから主に構成されている。光制御部筺体１６の下面側は光を透過させるために開口しており、その開口部は凸型レンズ１８と保護用透明板１９とによって塞がれている。そして、この凸型レンズ１８と保護用透明板１９とによって光出射面を形成している。

光拡散板１７はＬＥＤチップ１４と平行に必要な位置に置かれる。光拡散板１７はモーター２０の軸２１の回転により光制御部１２方向に近接離間移動（上下動）する拡散板支持材２２に接合されている。軸２１の回転に同伴して回転しないように接合されている。光拡散板１７は軽量でありモーター軸２１による片持ち支持などで固定される。拡散板１７の変形、変動を抑えるため、中央部を開口とした透明板で補強することができる。光拡散板１７は軽量なのでモーター２０の軸動力は小さく抑えられるため、このモーター２０は汎用の超小型のステッピングモータを使用することができる。他方、この光拡散板１７の下方に位置する凸型レンズ１８にはフレネルレンズを使用することができる。

そして、集光器１５から射出されたＬＥＤの光は、この光制御部１２へ導かれ、光拡散板１７、次いで凸型レンズ１８、最後に光射出面である保護用透明板１９を透過して外部へ射出される。ここで、凸型レンズ１８は、光を収束するような機能を有し、光拡散板１７は、次に述べるように光照射面の光輪郭サイズを調整する機能を有する。なお、保護用透明板１９は、透明ガラスの他にアクリル板などの透明樹脂を用いることで軽量化を図れる。

図３（ａ）は光輪郭が小さい場合の光路を示し、図３（ｂ）は光輪郭が大きい場合の光路を示したものである。光輪郭が小さい場合は図３（ａ）に示すように、光拡散板１７は集光器１５に近接した位置にあり、ＬＥＤから放射され集光された光は光拡散板１７へ当たり、模試的に示した符号２６ａに示すような小さな光拡散面を形成する。この光拡散面２６ａからの拡散光はややや拡大しつつ符号２７ａに示すような光路を経て凸型レンズ面１８へ到達し、凸型レンズ１８で収束するような光路２８ａを進み、焦点を通り１０００ｍｍ下方の照射面２５に倒立像となって光輪郭２９ａの光野を形成する。照射面中央の照度をＬｃルクスとすると、光輪郭端部の照度はＬｃ／１０ルクスであり（規格ＩＥＣ６０６０１−２−４１による）、照度分布は３０ａの形状を示す。

一方、光輪郭が大きい場合は図３（ｂ）に示すように、光拡散板１７は集光器１５より離れた位置にあり、ＬＥＤから放射された光は光拡散板１７へ当たり模試的に示した符号２６ｂのような光拡散面を形成する。この光拡散面２６ｂより発散された光はやや拡大しつつ符号２７ｂに示すような光路を進み、凸型レンズ面１８へ到達する。凸型レンズ１８からは符号２８ｂに示すような光路を進み、焦点を通り同じく１０００ｍｍ下方の照射面２５に倒立像となって光輪郭２９ｂの光野を形成する。照射面中央の照度をＬｃとすると、光輪郭端部の照度はＬｃ／１０であり、符号３０ｂに示すような照度分布を示す。光拡散板１７はモーター軸に取り付けられた拡散板支持材２２を介して移動できる。

ここで照明器具１より照射された光輪郭サイズは、ＬＥＤチップ１４の種類、サイズ、光制御部１２の光射出面径、筺体１６の奥行、凸型レンズ１８の焦点距離、光拡散板１７の位置などのパラメータにより任意に決定することができる。光拡散板１７が筺体１６内部の中央部で移動する場合は、図１に示すようにモーター２０は集光器１５側に設置される。光拡散板１７が集光器１５側で移動する場合は、これとは反対に図４に示すようにモーター２０は光射出面側に設置される。

図６は光輪郭サイズの可変性の一例を示したものであり、光射出面径を５０ｍｍ、筺体奥行５０ｍｍ、６個の素子から成る表面実装型ＬＥＤチップを用いた場合を示したものである。光拡散板１７をＬＥＤチップ１４から距離８〜３０ｍｍ移動させることによって、光射出面からの距離１０００ｍｍの位置において光輪郭サイズをΦ１１０〜２４０ｍｍに変えることができる。

このような構成をした本発明の放熱板分離型照明器具１では、図１に示すようにＬＥＤ素子から発生する熱はＬＥＤチップ１４を介してそのまま密着している放熱板１３へそのまま伝導し、この放熱板１３から全てその上方の空気へ放熱される。更にＬＥＤチップ１４の側面から発せられる熱もこれと密着している集光器１５へ伝導してその周囲へ放熱されるため、光制御部１２側への放熱量が大幅に減少し、筺体１６内部の温度上昇を抑えることができる。結果として、光射出面の温度上昇を抑え、照明器具１の下側に位置する人、手術を行う医師への放射熱を大幅に減ずることができ、温熱快適感を与えることができる。

図１に示す形態で 消費電力２.１ＷのＬＥＤを組み込んだ試作品を温度２０℃、風速０.３５ｍ/ｓの雰囲気に置いた場合、照明器具１の下流３６０ｍｍの位置で空気温度は０.２℃上昇した。このようにＬＥＤ照明器具の熱を放熱板１３や集光器１５を介してその上方や側面の周囲空気に放熱させた場合、照明器具１の下流側の空気温度の上昇はほとんど無視できる程度である。したがって、このようにＬＥＤの熱を周囲空気に放熱することによって光射出面の温度を大幅に低下させることができる。

本発明に係る照明器具１の他の実施形態として図５に示すような換気冷却構造にしても良い。すなわち、図５に示す形態の換気冷却式照明器具２は、図１に示した放熱板分離型照明器具１に更に外部空気を導入して器具内部を冷却し、光射出面を冷却する技術である。光制御部筺体１６の上部、及び下部にリング状に延びるスリット状の開口２３を設け、筺体内部の熱により浮力を得た空気が煙突効果によって、下部の開口２３から空気が流入２４ａし、加温された空気は上部の開口２３から排出２４ｂされる。更にこの場合には筺体１６内部の汚染を防止するため、各開口部２３にはフィルタ２４ｃを取り付け、除塵するようにすればなお良い。

このような構造をした換気冷却式照明器具２では、前述したような放熱板分離型照明器具１の効果に加え、換気により筺体１６内部の温度が低下する。結果として光射出面の温度を更に低下させ、照明器具下側に位置する人、医師への放射熱が大幅に減じ、温熱快適感を与えることができる。

次に、本発明の一実施形態に係る開口型照明装置について説明する。図７に示すように本発明に係る開口型照明装置３は、前述した放熱板分離型照明器具１、又は換気冷却式照明器具２を複数台分散配置したものである。内部が空洞の環状の環状支持材３１内に直径１０〜１００ｍｍ範囲の放熱板分離型照明器具１、又は換気冷却式照明器具２を複数台分散配置させることにより、環状支持材内に開口率５０％以上の開口部３７を与える。

中心軸３４より放射状に空洞パイプ材３２が環状支持材へ延び環状支持材とは円筒形支持材３３で接合する。円筒形支持材は放熱板分離型照明器具などを内部に収納し固定できる。中心軸３４は開口型照明装置３を天井面に固定されたアームに接続される。開口型照明装置は外側ハンドル３５，中心ハンドル３６を掌握して必要な位置に移動できる。照明装置内部に５０％以上の開口率を有することにより、天井面から吹出される気流を通過させ、照明装置から発する熱を効率よく周囲空気に伝達できる。

照明装置３の下側に負圧域を形成させず、従って熱だまりが形成されることはない。各々の照明器具１、２では、ＬＥＤ素子から発生した熱を放熱板から周囲空気に放熱することにより器具内部の温度上昇が抑えられ、これにより光射出面の温度が低下し、照明器具射出面からの放射熱が減少する。照明装置３の下側に位置する人、或いは手術室の執刀医に対し温熱快適感を与える。

次に、この開口型照明装置３を備えた新規な手術室について説明する。図８に示したように本発明に係る手術室４は、天井４２、床４３、側面４１より構成され、天井に固定されているアーム４５を介して開口型照明装置３を設置することを特徴とする。手術を行う執刀医は一般に頭上近くに照明装置を据えて手術部位の術野を照明する。図８では除塵用フィルタ５４、保護用のパンチング板５６を備えた空気清浄装置５３の吹出口５７より吹出された垂直層流式の気流が開口型照明装置３を通過し、手術台上の患者を清浄化した後、ファンコイルユニット５０の吸込口５１より吸い込まれ、ダクト５２を介して循環されるクリーン空調である。天井より吹出される気流の風速は約０．３〜０．３５ｍ／ｓである。

この気流により、ＬＥＤ素子の発熱を放熱板より効率よく放熱できる。開口型照明装置３を構成する照明器具１、２の光射出面は着衣表面温度より低く抑えているために光射出面からの放射熱による暑熱感を与えない。更に、照明装置３の開口部を通過する空気により執刀医の頭部、上半身は微風による冷却効果が発揮され、執刀医の温熱環境は向上する。これにより執刀医は過度に吹出し温度を低く設定する必要が無く、結果として手術を受ける患者、手術に携わるスタッフの温熱環境も改善できる。

本発明の一実施形態に係る斜流式クリーン空調と開口型照明装置３を備えた手術室４について説明する。執刀医から発生する生物粒子を術野へ向かわせないようにするために、吹出し気流方向を患者側から麻酔医の立ち位置方向へ斜めに吹出すもので、これにより執刀医から発生する生物粒子を、術野を回避して排除することができることを特徴とするクリーン空調である。

図９に示したように手術室４は、天井４２、床４３、側面４１より構成され、天井に固定されているアーム４５を介して開口型照明装置３を設置することを特徴とする。図９は除塵用フィルタ５４、斜流を形成するための傾斜羽根５５及び気流速度を均一化し乱れを少なくするパンチング板５６を備えた空気清浄装置５３の吹出口５７より吹出された斜めの気流が開口型照明装置３を通過し手術台上の患者を清浄化した後、ファンコイルユニット５０の吸込口５１より吸い込まれ、ダクト５２を介して循環されるクリーン空調である。麻酔医側と反対側の傾斜羽根は漸次、垂直方向に変化させてもよい。この場合の気流５５ｂは、麻酔医側と反対側に立位する医師などから発生する生物粒子を床方向へ排除し、術野へ影響を与えない。

本発明は手術台４４の長辺方向に天井吹出口５７を設けるものである。他に手術台短辺方向に吹出口を設ける考え方もあるが、この場合、この気流方向は次に示す欠点がある。天井から吹出された気流は手術台の長辺側に立位する執刀医、医師の頭部、上半身に当たり、その後に患者の術野へ向かう。人からの生物粒子の発生は手術着の首回りからの発生が最も多いので、執刀医、医師からの発生生物粒子を含んだ空気を術野へ送ることになり、術野の感染症を助長することとなる。又、ノズル状の吹出口から清浄空気を術野に向けて吹き、術野の清浄化を目指す場合がある。

このノズル状の吹出気流は気流中の乱れが大きいため周囲の汚染空気を巻き込んで吹出気流の清浄度を低下させる。術野へ届いた気流の清浄度は低く、この場合も術野の感染症の改善は見込めない。本発明の斜流クリーン空調は手術台長辺方向の天井から斜めに吹き５５ａ、大きな吹出口で乱れの少ない清浄空気を吹出すもので、執刀医が術野直上で生物粒子を発生させた場合でも、術野に生物粒子が及ばない気流方式である。詳細な気流の観察によると、斜めに吹出すことにより、術野の上流側で患者へ到達した気流５５ｃは術野上部に清浄な空気境界層を形成して保護している。これにより執刀医からの生物粒子の発生があっても、術野を清浄に保ち、感染症を防ぐことができる。

斜流の風速は約０．３〜０．３５ｍ／ｓである。この気流の中に開口型照明装置３を設置した場合、開口率は５０％以上なので、気流は容易に照明装置内を通過し、照明装置下流側に負圧域を作らず、執刀医から発生する生物粒子を集積しない。更にＬＥＤ素子の発熱を放熱板より効率よく放熱できる。開口型照明装置を構成する照明器具は、光射出面を着衣表面温度より低く抑えているために光射出面からの放射熱による暑熱感を与えない。更に、照明装置の開口部を通過する空気により執刀医の頭部、上半身は微風による冷却効果が発揮され、執刀医の温熱環境は向上する。手術を受ける患者、手術に携わるスタッフの温熱環境も改善できる。更に、斜めの気流によって執刀医から発生する生物粒子を、術野を回避して排除できる。

本発明の一実施形態に係る中央帯状加温吹出口を有する斜流式クリーン空調及び開口型照明装置を備えた手術室について説明する。図１０に示すように、斜流式吹出口５８、５９において、中央帯状吹出口５８の吹出し空気温度を端部吹出口５９の吹出空気温度より高い温度で吹出すことを特徴とする手術室である。吹出口５８の空気清浄装置は低温空気を吹出す両側の空気清浄装置とは分離されており、室外周囲に設置されるファンコイルユニット５０の１台、若しくは２台とダクトを介して接続され空気循環される。吹出口５９の空気清浄装置は残りのファンコイルユニットと接続され空気循環される。これにより患者に吹き当たる空気の温度は高くなり、患者は低温の冷風に曝されることが無く、術後の障害が低減される。

本発明の一実施形態に係る斜流吹出口と周辺低温吹出口を有する斜流式クリーン空調、及び開口型照明装置を備えた手術室について説明する。斜流式クリーン空調では、吹出風量が少なくても術野を清浄化できる。更に、開口型照明装置を設置した場合、照明器具装置は気流を通過させることにより、照明装置下側で手術する執刀医に通風による体感温度の低下があり、これにより吹出温度を高めることができる。斜流吹出気流は術野の清浄化を目的とし、吹出温度は室温とする。手術室内の発生熱である熱負荷全量を処理するため、手術室天井の周辺に複数個の吹出口を設け、低温で少量の風量を供給することによって室温制御を行うことを特徴とする手術室である。

図１１に示すように、手術室４に斜流式吹出口５７及び天井周囲に低温の吹出口６１〜６４を設ける。斜流吹出口５７はファンコイルユニット５０ａ及び５０ｃにダクト５２を介して接続され空気循環している。周辺吹出口６１〜６４はファンコイルユニット５０ｂ及び５０ｄにダクト５２を介して接続され空気循環している。ユニット５０ａ、５０ｃの両方、又は片側をファンユニットとしてもよい。各々の吹出口とファンコイルユニットとの接続は図１１に限定されるものではない。

斜流吹出風量は、吹出口サイズ横０．６ｍ、縦２．７ｍとし、吹出風速０．３５ｍ／ｓとしたとき風量は２，０４１ｍ^３／ｈである。周囲吹出口サイズは０．５ｍ平方で４個とし、吹出速度を０．６５ｍ／ｓとしたとき風量は１，４９８ｍ^３／ｈである。合計の換気回数は２９．５回／ｈである。一般的な手術室の冷房負荷は、在室者、麻酔器などの機械類、モニタ、天井照明、開口型照明装置、ファンコイルユニット動力などの合計として３，４２０ｗとし、室温設定値を２４℃とする。周囲吹出温度は１８.５℃で全熱負荷量を処理できる。開口型照装置からの熱放射が無く、斜流空気温度を室温２４℃と０．３５ｍ／ｓの気流によって執刀医は快適な温熱環境が得られ、周囲に立位するスタッフは２３〜２４℃の温熱環境により冷熱感はなく、手術台に横臥する患者は２４℃の空気温度となるので通常の２０℃より温度は高くなり、執刀医、スタッフ、患者の全てがより至適な温熱環境となる。更に、斜流及び開口型照明装置の組合せにより執刀医から発生する生物粒子の術野への沈着が無くなり、感染症率の低減が実現する。

（実施例）
文献１に示されている凹面反射型照明器具を図１２のように、文献２に示される照明器具を図１３に示すように製作した。更に、図１に示す放熱板分離型照明器具、及び図５に示す換気冷却式照明器具を製作した。全ての照明器具に消費エネルギー２．１Ｗの高演色性ＬＥＤチップを取り付けた。

（比較例）
雰囲気温度は２０℃、照明器具上部の気流速度は０．３５ｍ/ｓとし、点灯後、熱平衡に達した時点で、照明器具光射出面の表面温度を測定した。結果は表１に示すように、凹面反射型照明器具では、４２．７℃、ＬＥＤ内臓型照明器具では、４０．２℃であるが、放熱板分離型照明器具１では、２５．３℃、更に換気冷却式照明器具２では、２４．９℃であった。参考として、照明器具１、２の側面温度、及び内部温度を図１４に示す。凹面反射型照明器具、ＬＥＤ内臓型照明器具の側面温度・内部温度は、放熱板分離型照明器具１、換気冷却式照明器具２に比べ高い温度である。２０℃の雰囲気では、手術着フードを着衣した場合、フード外表面温度は、２４〜２６℃であった。本発明の放熱板分離型、換気式照明器具１、２の光射出面の温度は、ほとんどフード表面温度と同じで、両者間には放射熱による熱の授受はないが、現状の照明器具である凹面反射型、ＬＥＤ内臓型では４０．２〜４２．７℃であり、明らかに着衣者のフードに対して放射熱を与えることが明白になった。

照明器具(放射面１)から着衣者(受熱面２)への放射伝熱量は式１で示される。
ｑ１２＝Ａ１×Ｆ１２×σ（Ｔ１^４−Ｔ２^４）・・・・・・・・(1)
記号の意味は
ｑ１２：照明器具面１から着衣者面２への放射伝熱量（Ｗ）
Ａ１ ：照明器具面１の面積(ｍ²)
Ｆ１２：面1に対する面２の形態係数
Ｔ１ ：照明器具面１の絶対温度(Ｋ)
Ｔ２ ：着衣者フード表面２の絶対温度(Ｋ)
σ ：ステファン・ボルツマン定数(Ｗ／ｍ^２Ｋ^４)

式1より、放射伝熱量は放射熱面、及び受熱面の絶対温度の４乗の差で求められるので、凹面反射型照明器具、ＬＥＤ内臓型照明器具の放射伝熱量と放熱板分離型照明器具１、換気式照明器具２の放射伝熱量の差は図１４に示す表面の温度差以上の差となる。着衣者フード表面の温度を２５℃とし、放熱板分離型照明器具１の放射伝熱量を１とすると、凹面反射型照明器具は６４、ＬＥＤ内臓型照明器具は５５となる。即ち、従来型照明器具からの放射伝熱量は本発明の照明器具より５５〜６４倍大きく、その差異は歴然としている。

気流速度０．３５m/s、空気温度２０℃において、照明器具下流側の空気温度を測定し、上昇温度幅を確認した。結果は照明器具現状品、本発明品共に、照明器具下流２００〜３６０ｍｍにおいて上昇温度幅は約０．２℃であった。この上昇温度幅は、熱的平衡に達した状態では、全ての照明器具でほとんど同一である。一方、ＬＥＤの発熱を放熱板１３から直接周囲空気に放熱することによって、光射出面の温度を約１７℃低下させることができ、放射伝熱量を５５〜６４倍、低下させることができる。

１…放熱板分離型照明器具
２…換気冷却式照明器具
３…開口型照明装置
４…手術室
１１…ＬＥＤ本体部
１２…光制御部
１３…放熱板
１４…ＬＥＤチップ
１４ａ…ＬＥＤチップ樹脂径
１５…集光器
１５ａ…集光器ＬＥＤ側開口径
１５ｂ…集光器射出面開口径
１５ｃ…導光路
１５ｄ…ＬＥＤチップ収納用空間
１６…光制御部筺体
１７…光拡散板
１８…凸型レンズ
１９…光射出面（保護用透明板）
２０…モーター
２１…駆動軸
２２…拡散板支持材
２３…リング状開口
２４ａ…低温流入空気
２４ｂ…高温流出空気
２４ｃ…フィルタ
２５…光照射面
２６ａ…光拡散面（光拡散板が集光器に近接した場合）
２６ｂ…光拡散面（光拡散板が集光器より離れた場合）
２７ａ…光制御部内の光路（光拡散板が集光器に近接した場合）
２７ｂ…光制御部内の光路（光拡散板が集光器より離れた場合）
２８ａ…照明器具射出光の光路（光拡散板が集光器に近接した場合）
２８ｂ…照明器具射出光の光路（光拡散板が集光器より離れた場合）
２９…集光器の光反射部の直円錐の母線
２９ａ…光輪郭（光拡散板が集光器に近接した場合）
２９ｂ…光輪郭（光拡散板が集光器より離れた場合）
３０ａ…照度分布（光拡散板が集光器に近接した場合）
３０ｂ…照度分布（光拡散板が集光器より離れた場合）
３１…環状支持材
３２…放射状支持材
３３…円形支持材
３４…中心軸
３５…外側ハンドル
３６…中心ハンドル
３７…開口部
４１…側壁
４２…天井
４３…床
４４…手術台
４５…照明器具アーム
５０…ファンコイルユニット
５０ａ，５０ｃ…斜流吹出空気用ファンコイルユニット
５０ｂ，５０ｄ…周辺部吹出空気用ファンコイルユニット
５１…吸込口
５２…ダクト
５３…空気清浄装置
５４…フィルタ
５５…傾斜羽根
５５ａ…斜流吹出口の気流
５５ｂ…垂直方向へ変化する気流
５５ｃ…術野上流側の斜流
５６…パンチング板
５７…吹出口
５８…中央帯状吹出口
５９…端部吹出口
６１、６２，６３，６４…低温空気吹出口
７０…凹面反射板
７１…ＬＥＤ支持体

Claims (10)

1. ＬＥＤ発光部と当該ＬＥＤ発光部からの光を制御して放射する光制御部とを備え、
   前記ＬＥＤ発光部は、
   ＬＥＤ素子を有するＬＥＤチップと、当該ＬＥＤチップと密着する放熱板と、前記ＬＥＤチップからの光を集光して前記光制御部側に案内する集光器とからなることを特徴とする照明器具。
2. 請求項１に記載の照明器具において、
   前記放熱板と集光器とが密着していることを特徴とする照明器具。
3. 請求項１または２に記載の照明器具において、
   前記光制御部は、
   前記ＬＥＤ発光部を端面に取り付ける筒条の筐体と、当該筐体内を前記ＬＥＤ発光部方向に近接離間移動して前記ＬＥＤ発光部からの光による光照射面の光輪郭サイズを調整する光拡散板と、当該光拡散板を通過した光を収束して倒立像の光野を形成する凸レンズとからなることを特徴とする照明器具。
4. 請求項３に記載の照明器具において、
   前記筺体の上下部に換気用の開口を有することを特徴とする照明器具。
5. 請求項４に記載の照明器具において、
   前記開口にフィルタを備えたことを特徴とする照明器具。
6. 前記筐体の大きさが直径１０〜１００ｍｍ範囲の前記請求項１乃至４のいずれかの照明器具を、環状のフレーム内に５０％以上の開口率を有するように複数台分散配置してなることを特徴とする開口型照明装置。
7. 請求項６の開口型照明装置を設置したことを特徴とする手術室。
8. 手術台の天井面に設置する吹出口において、手術台に対してその長手方向にシフトして設けられると共に、その吹出口には、前記手術台に向けて斜めに清浄空調空気を吹出すルーバーを設けた吹出口を有する手術室であって、請求項６の開口型照明装置を設置したことを特徴とする手術室。
9. 請求項６の開口型照明装置を設置し、手術台上に設けられた清浄で温湿度調節された空気を吹出す吹出口を備え、周囲部より中央部の空気温度を高く調節した空気を吹出すことを特徴とする手術室。
10. 手術室天井の周辺に、低温度の空気を吹出す吹出口を設け、手術台上の吹出空気温度を該室温とし、請求項６の開口型照明装置を設置したことを特徴とする手術室。

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