JP5244944B2 - 接触型加熱装置 - Google Patents

Description

この発明は接触型加熱装置に関するものであり、腹膜透析において患者の腹腔と透析液パックとの間のプラスチックチューブの切離し及び接続を行うための装置等に使用することができるものである。

腹腔透析においては患者の腹腔にはプラスチックチューブ（カテーテル）の一端が埋め込まれ、プラスチックチューブの他端に透析液パックが接続される。透析液パックの交換作業に際しては、第１段階として、プラスチックチューブを切断すると共に切断端の封止を行い、第２段階として患者腹腔からのプラスチックチューブの封止端部に新規な透析液パックからのプラスチックチューブの封止端部を接続している。そして、プラスチックチューブの封止及び接続作業の自動化のための装置が各種提案されている。この種の自動化装置として特開平6-197957号公報や特開平7-277309号公報においては、薄い銅版であるウエーハによってプラスチックチューブの切断及び接続を行うものを開示している。この種の装置においては、ウエーハの加熱のための装置が設けられ、液体の漏洩が起こらないように平坦にクランプされつつプラスチックチューブは３００℃程度の高温に加熱されたウエーハにより溶融切断され切断端の封止が行われる。また、プラスチックチューブの接続時は同様に高温加熱されたウエーハによってそれぞれの封止端が溶融切除され、溶融開口端同士が押し付けられることによりプラスチックチューブは接続される。

以上のように特開平6-197957号公報や特開平7-277309号公報などの従来技術においては加熱装置によってウエーハを加熱し、加熱されたウエーハによって切断及び接続時のプラスチックチューブの加熱を行う仕組みとなっている。また、切断時のプラスチックチューブの温度は素材の融点近傍の温度に厳密に維持する必要があり、そのための温度制御装置を備えており、その前提としての温度検出のための温度センサ（熱電対）を具備している。従来技術では、ウエーハの加熱装置としてはウエーハと面接触して加熱するため面状発熱体としてのポリイミドヒータを採用していた。ポリイミドヒータは耐熱性樹脂としてのポリイミドフィルムの表面に電気抵抗発熱体としての金属箔をエッチングしたものである。また、ヒータ部分に近接して熱電対としての金属（クロメル−コンスタンタン）箔部分がエッチングなどにより形成される。ポリイミドフィルムは細長い帯状に形成され、一端にはヒータ用端子が設けられ、それからヒータ配線部分が発熱部分まで延びており、発熱部分は剛性のある支持板にて背面を支持され、熱電対を構成する金属箔部分はヒータ部分に近接して設けられ、ポリイミドフィルムは熱電対部分への配線部分とともにそのまま反対方向に延び、支持体の裏面を介して熱電対部分への結線用端子に至る構成となっていた。そして、加熱時にウエーハはポリイミドフィルムのヒータ部分に面接触せしめられることにより加熱を受け、ヒータ部分に隣接してポリイミドフィルムに設けられた熱電対により温度検出が行われるようになっていた。

従来技術では発熱部及びセンサ部を構成する金属箔をポリイミドフィルムに支持させる構造となっていた。そして、ポリイミドフィルムは薄くそれだけでは剛性がないため、発熱部を担持するポリイミドフィルムの部分は支持板によりバッキングさせ、支持板によりポリイミドフィルムの発熱部をウエーハに押し付けるようにし、他方熱電対部分からのポリイミドフィルムは支持板の端面をループして背面側に回りこむような構成としていた。このような従来技術の構造において、耐熱性の観点からポリイミドを使用しているのではあるが、プラスチックチューブの溶融切断のためには300℃を超える高温が必要であり、加熱回数が増えると炭化してしまい寿命に限界があった。また、ポリイミドフィルムの熱伝導率が極端に小さいためポリイミドフィルムとウエーハの温度には相当な温度差があり、熱電対が検出するのはウエーハの温度ではなくポリイミドの温度であり、ウエーハの真の温度と検出温度とには必ず差がある。このような差を見込んで温度制御をしていたのであるが、このような温度差は個体間の特性変化や経時的な特性変化によって必ずしも一定ではなく精密な制御を困難とする原因となっていた。また、従来技術では熱電対部分からのポリイミドフィルムは支持体の端部から背面側に回り込む構造となっており、この部分は外気に開放しているために熱電対部分による検出温度に影響を及ぼし、このことも温度制御の困難性に少なからず影響を及ぼしていた。

この発明は以上の問題点に鑑みてなされたものであり、面接触型ヒータの耐久性を高めかつ温度制御の精度も向上させることを目的とする。

請求項１に記載の発明によれば、片持状に延びる一対の弾性支持板と、相互に対向するように各弾性支持板に設けられ、高熱伝導率で電気絶縁性の素材よりなる板状体内部に電気抵抗発熱体及び熱電対を埋設して成る加熱エレメントと、前記加熱エレメントを前記弾性支持板の自由端に取付けるための取付具とを備え、弾性支持板の弾性下で加熱エレメントは被加熱板状物体の対向面に密接せしめられ、これにより被加熱板状物体の加熱を行うことを特徴とする接触型加熱装置が提供される。

請求項１の発明の作用・効果を説明すると、高熱伝導率で電気絶縁性の素材よりなる板状体中に発熱体と熱電対を埋設した加熱エレメントにより発熱体及び熱電対の温度と板状体が面対面で接触する被加熱板状物体との温度とは実質的に一致させることができ、精度の高い温度制御を実現することができる上、被加熱板状物体は相互に弾性的に向き合うように弾性付勢された板状の加熱エレメント間に配置され、被加熱板状物体は対向面において板状の加熱エレメントと密接状態で加熱されるため被加熱板状物体をその全面において均等な加熱を行うことができる。

請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明において、前記取付具は加熱エレメントを弾性支持板に対して遊動支持し、加熱エレメントはいつもその全面で被加熱部の対向面に密接せしめられることを特徴とする接触型加熱装置が提供される。

請求項２の発明の作用・効果を説明すると、遊動支持により加熱エレメントはいつもその全面で被加熱部の対向面に密接せしめられるため、被加熱板状物体の挿入姿勢に関わらず加熱エレメントはそれにいつも追従し、均等加熱を行うことができる。

請求項３に記載の発明によれば、請求項１または２に記載の発明において、加熱エレメントの背面側には耐熱性繊維材料よりなるバッキングが設けられていることを特徴とする接触型加熱装置が提供される。

請求項３の発明の作用・効果を説明すると、耐熱性繊維材料よりなるバッキングが加熱エレメントと弾性支持板との間に配置されており、加熱エレメントの高温が直接弾性支持板に伝達されるのを遮断すると共に、それが帯びる幾分の弾性がクッション的な機能を発揮し、被加熱板状物体（ウエーハ）に対する加熱エレメントの密着性の向上に寄与させることができる。

図１はこの発明の実施形態における加熱装置の上方より見た斜視図である。 図２は加熱装置の底面図である。 図３は加熱装置の側面図である。 図４は図３のIV−IV線に沿って表される矢視断面図である。 図５は図３のＶ−Ｖ線に沿って表される矢視断面図である。 図６は図３のVI−VI線に沿って表される矢視断面図である。 図７は加熱エレメントを構成する基板の平面図であり、電熱線及び熱電対の巻回状態を示す図である。 図８はセラミック系接着剤にて充填後における基板の図７のXIII−XIII線に沿って表される矢視断面図である。 図９は図７のIX−IX線に沿って表される矢視断面図である。 図１０は第２の実施形態の加熱エレメントの平面図である。 図１１は図１０のXI−XI線に沿って表される矢視断面図である。

図１〜図３は腹膜透析においてプラスチックチューブの切断及び接続を行うための自動化装置におけるウエーハ挿入・加熱部を示しており、本体１０は対称な半部を対向面にて接合して構成され、その接合面間にスロット１２が形成される。スロット１２にはウエーハ１４が矢印ａのように手操作により押し込まれる。スロット１２は上部では図１のようにウエーハ１４の挿入のために広くなっているが、下部は図２に示すように絞り部１３が設けられ、この絞り部１３に挿入されたウエーハ１４を実質的にガタなく保持することができる。

スロット１２にウエーハ１４が下面まで押し込まれると、これを自動的に検知してウエーハ駆動機構（図示しない）が動作され、ウエーハ１４の下端をチャックし、ウエーハ１４は図３の矢印ｂのようにスロット１２の前方の加熱位置１４"まで駆動される。このウエーハ加熱位置１４"には一対のウエーハを挟むように一対のヒータアセンブリ１６（この発明の加熱装置）が設けられる。ヒータアセンブリ１６は常態では弾性力下でその対向加熱面が密接しているが、図３の矢印ｂの方向に移動してくるウエーハ１４によって弾性に抗して幾分押し広げられ、加熱位置１４"において一旦停止するようにされる。

各ヒータアセンブリ１６は弾性支持板１８と、弾性支持板１８の自由端に設けられた板状の加熱エレメント２０と、この加熱エレメント２０を弾性支持板１８の自由端に取付けるための取付具２２と、加熱エレメント２０と取付具２２との間に配置されるケブラー（米国デュポン社の登録商標）などの耐熱繊維の不織布により構成されるバッキング２３とから構成される。弾性支持板１８は鋼板にて構成され、後端は本体１０の下端の溝部２４まで延びており、止めねじ２５は弾性支持板１８を本体１０の係止部10-1に押し付けることにより弾性支持板１８、換言すれば、ヒータアセンブリ１６を本体１０に支持する。ねじ２６はその締結によって弾性支持板１８の自由端に担持される加熱エレメント２０を相手側の加熱エレメント２０に向けて変位せしめる。従って、ねじ２６の調節により加熱エレメント２０同士の接触圧、換言すれば加熱エレメント２０間をウエーハ１４が通過するときのウエーハ１４に対する加熱エレメントの面接触圧を調節することができる。

取付具２２は極薄の鋼板にて構成され、上下両端に耳部22-1（図２参照）を備え、他方加熱エレメント２０の上下両端には突起部20-1（図２及び図６）が設けられ、加熱エレメント２０の突起部20-1が取付具２２の耳部22-1の開口22-1Aに係合することにより加熱エレメント２０は取付具２２に取付けられる。そして、耐熱繊維の不織布などで構成されたバッキング２３は適宜な弾性力によって加熱エレメント２０を取付具２２に支持している。取付具２２はまたその上下上端縁で外方側に折り曲げられ、断面コの字状チャンネル２２Ａ（図５）を形成し、その上下の曲折部22-2（図３及び図５）に切欠部22-3（図４）が設けられ、他方、弾性支持板１８はその前端部は取付具２２の曲折部22-2間のチャンネル部２２Ａに嵌合され（図５参照）、かつ上下に形成した突起部18-1（図１）が切欠部22-3に嵌合される（図３及び図４参照）。加熱エレメント２０のこのような取付構造は加熱エレメント２０の実質的に全方位的な浮動的な支持を実現し、加熱エレメント２０間へのウエーハ１４の挿入姿勢に関わらず加熱エレメント２０をウエーハ１４に追従させ、加熱エレメント２０をいつもウエーハ１４に面対面で接触せしめ、ウエーハは全面にわたって加熱エレメント２０による均等な加熱を受けることができる。

加熱エレメント２０は高い熱伝導率を有しているが電気絶縁性を持った基板３０中にニクロム線などの電気抵抗性線状発熱体及び熱電対を埋設して構成される。この実施形態では高い熱伝導率を有しているが電気絶縁性を持ったとしてはアルミナ系の粉状素材に幾分のバインダ成分を混練した素材が選定され、この素材を金型内で焼成することにより基板３０として構成している。図７に示すように基板３０はその全長にわたって延びる長手方向溝３０Ａと長手方向突起30-1とを交互に形成している。幅方向における中央部には中間で途切れた突起30-2, 30-3を形成している。

図７において電熱線は２点鎖線３４で、熱電対線（クロメル−コンスタンタン）は鎖線３６にて表す。電熱線３４はリード線への結線用のターミナル３７を両端に有し、ターミナル外側の溝３０Ａより導入され、突起30-1の前端でループされ、次の溝３０Ａに戻ってきて次の突起30-1の後端でループされ、次の溝３０Ａを進み、突起30-2の先端でループされる。後の経路はこれまでと対称であり、最終的には外側の溝から取出される。電熱線３４を以上のように巻き付けた状態でセラミック系の接着剤（例えば株式会社オーデックからセラマボンドの商品名で販売されているもの）が基板３０の溝３０Ａに部分的に充填され、電熱線３４が接着剤層内に埋設された状態となる。接着剤の充填後に、熱電対線３６が上から２番目の溝３０Ａより導入され、２番目の突起30-1の前端でループされ突起30-3の後端でループされる。このループ部分36-1がクロメルとコンスタンタンとの接合部（温度検出部）となっている。そして、熱電対線３６は対称の経路で溝を通され、最終的に最下側から一つ上の溝３０Ａから引出される。そして、再び、セラミック系の接着剤が充填され、最終的には図８及び図９に示すように電熱線３４及び熱電対線３６が外部への結線部以外は充填剤層４０中に実質的に全体が埋設された状態となり、板状加熱エレメント２０として完成される。そして、板状加熱エレメント２０における電熱線３４及び熱電対３６の埋設面と離間側における基板３０の面がウエーハ１４との接触面２０Ａとなり、充填剤層側の面が裏面２０Ｂであり、バッキング２３を介して取付具２２により弾性支持板１８に支持される構造となっている。

以上説明した加熱装置の動作を説明すると、ウエーハ１４は図１の矢印ａのようにスロット１２に上面から図２に１４´にて示す下面の絞り部１３まで手操作で導入され（このときのウエーハの位置を１４´にて示す）、その後は電動式の動作になり、図示しないチャックに把持されたウエーハ１４は図３の矢印ｂのように移動せしめられ、対向した加熱エレメント２０を弾性支持板１８の弾性に抗して押し広げつつ移動され、加熱位置１４"で一旦停止する。加熱エレメント２０はその両端上下の突起20-1が取付具２２の耳部22-1の大きめの開口22-1Aに装着され、かつ外面側では上下の切欠22-3において取付具２２の上下の係合突起22-3に嵌着され、このような取付け構造は前述の通り、加熱エレメント２０の全方位的な幾分の回動運動を可能とし、ウエーハ１４の挿入姿勢の幾分の変化に関わらず加熱エレメント２０をいつもウエーハ１４に密着せしめる。

電熱線３４及び熱電対線３６は図示しない制御装置に接続され、この制御装置は熱電対が検出する加熱エレメント２０の温度が設定温度となるように電熱線３４への通電を制御する。この発明の実施形態において電熱線３４及び熱電対３６は熱伝導率が高い素材であるアルミナ粉末を成形した基板３０に巻回され、検出端36-1及び検出端36-1への配線を含めた全体がセラミック系接着剤よりなる充填層４０内に埋設されており、電熱線３４の温度＝熱電対３６の温度＝基板３０の温度の関係がいつも保たれる。そして、加熱エレメント２０は銅版より成る極めて高熱伝導率のウエーハ１４に圧力下で面接触しており、結果として熱電対３６が計測する温度はウエーハ１４の温度と殆ど等しくなり、その温度差は実測によれば高々３℃であった。そのため、加熱位置１４"に停止中のウエーハ１４を所期の温度まで昇温することができる。そのため、ウエーハ１４の温度が過小のためプラスチックチューブの溶融切断が円滑に行われなくなったり、逆にウエーハ１４の温度が過大となってその寿命が短縮するなどの従来技術の不具合が解消される。

昇温後のウエーハは図３の１４'"のように前進され、この前進の際にその経路を横断するように配置されたプラスチックチューブ（図示しない）の溶融切断が行われ、以降のプラスチックチューブの封止及び接続作業は特開平6-197957号公報や特開平7-277309号公報に記載と同様に実施することができる。

図１０及び図１１は加熱エレメントの第２の実施形態を示しており、この実施形態では接合部36-1からの熱電対線３６は一旦溝３０Ａを出たあとはセラミック中に埋設せず、バッキング２３との当接面となる裏面２０Ｂ側に戻している。即ち、図１１に示すように一旦溝３０Ａを出たあとの熱電対線の部分36-4は裏面２０Ｂ上に出ている。この実施形態では図８及び図９で示す第１の実施形態の加熱エレメントのように接着剤の充填工程が溝３０Ａへの電熱線３４及び接合部36-1からの熱電対線の引出部分の１回で済むため、接着剤充填工程が効率化される。また、溝３０Ａを出たあとの熱電対線の部分は加熱エレメントのバッキング２３との間に位置するため外気の影響が遮断されるため、図８及び図９の完全充填構造と実質的に遜色のない温度検出精度を得ることができる。

１０…本体
１２…スロット
１４…ウエーハ
１６…ヒータアセンブリ
１８…弾性支持板
２０…板状加熱エレメント
２２…取付具
２３…バッキング
３０…セラミック基板
３４…電熱線
３６…熱電対
４０…充填層

Claims (5)

1. 片持状に延びる一対の弾性支持板と、相互に対向するように各弾性支持板に設けられ、高熱伝導率で電気絶縁性の素材よりなる板状体内部に電気抵抗発熱体及び熱電対を埋設して成る加熱エレメントと、前記加熱エレメントを前記弾性支持板の自由端に取付けるための取付具とを備え、弾性支持板の弾性下で加熱エレメントは被加熱板状物体の対向面に密接せしめられ、これにより被加熱板状物体の加熱を行うことを特徴とする接触型加熱装置。
2. 請求項１に記載の発明において、前記取付具は加熱エレメントを弾性支持板に対して遊動支持し、加熱エレメントはいつもその全面で被加熱部の対向面に密接せしめられることを特徴とする接触型加熱装置。
3. 請求項１または２に記載の発明において、加熱エレメントの背面側には耐熱性繊維材料よりなるバッキングが設けられていることを特徴とする接触型加熱装置。
4. 請求項３に記載の発明において、前記取付具は両端に耳部を備え、加熱エレメント及びバッキングは両端の突起部が前記耳部の開口に係合されることにより取付具に支持され、加熱エレメントから離間側において弾性支持板の上下の突起部の夫々が前記取付具における両端の耳部の中間部に形成される切欠部に係合することを特徴とする接触型加熱装置。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載の発明において、前記一対の弾性支持板は両外側よりねじに当接され、ねじの調節により被加熱板状物体を介しての加熱エレメント同士の接触圧を調節可能であることを特徴とする接触型加熱装置。

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