JP6765375B2 - 滅菌可能な手術器具用の断熱性電池筐体 - Google Patents

Description

本願は、米国特許法第１１９条（ｅ）項の下での米国仮特許出願第６２／１０８，７４９号に対する優先権を主張する。

本開示は、電池筐体の断熱に関し、例えば作動中に高温にさらされる電池セルを含む筐体の断熱に関する。

電池式器具は、外科手術の環境において医療従事者に利便性と生産性を向上させた。このような手術器具及びそれらの関連する電池は、利用前に、例えば手術室の滅菌領域内で殺菌される。電池で作動する手術器具は、一般に手術器具又は装備を滅菌するためのオートクレーブサイクルに関連する温度に耐えられるように設計されている。その温度は、例えば、プレ真空滅菌器内で数分間１３２℃に、又は重力置換滅菌器内で３０分以上の間１２１℃に到達し得る。

手術器具及び装備と同様に、それらの器具の電池筐体もまた滅菌される。このような滅菌は、７０℃を超過する温度にさらされる場合、充電式電池セルの性能が低下させる可能性があり問題となる。性能の低下を超え、８０℃を超過する温度にさらされると電池セル自体が永久的に損傷する危険性がある。

電池セルが臨界温度に達するのを防止する１つの手法は、電池セルなしで電池筐体を滅菌する方法である。その後、電池セルはシールド及び密閉可能なカバーを使用して筐体に追加され、セルが滅菌領域にさらされるのを防ぐ。別の手法は、微多孔性ケイ酸塩（米国特許第６，７５６，７６６号）又はシリカ（二酸化珪素）又はシリカセラミック窒化炭素又はシリカエアロゲル（米国特許第８，４８６，５６０号）などの断熱材料を使用して電池セルを断熱することである。

さらに別の手法は、電池セルと共に電池筐体を滅菌するために化学材料及びガスを使用することである。このタイプの滅菌工程は、電池セルが損傷する可能性のある温度が発生しないようにする。しかし、このような手法は、病院、外科センター及び他の医療機関には通常存在しない滅菌施設を必要とする。

簡単な低価格の、密閉された電池筐体及び関連する製造方法が提供される。例示的な実施形態では、筐体はその中に封入された再充電可能な電池（電気化学）セルと共にオートクレーブ処理をすることができる。

例示的な実施形態の一態様によれば、組電池アセンブリは、電気化学セルを含む少なくとも１つの電池、及び少なくとも１つの電池の周囲に実質的に密閉空間容積を生成するように構成された少なくとも１つの外壁を有する筐体を含む。空間容積の雰囲気はガスを含む。空間容積中のガスの熱伝導率は、０．０１８Ｗ／ｍ℃（ワット毎メートル毎度）未満である。

本発明の例示的な実施形態の一態様による組電池アセンブリの斜視図である。 本発明の例示的な実施形態の他の態様による組電池アセンブリの斜視図である。 本発明の例示的な実施形態の一態様による充電ステーションに結合された組電池アセンブリの斜視図である。 本発明の例示的な実施形態の一態様による手術装置に結合された組電池アセンブリの斜視図である。 本発明の例示的な実施形態の一態様によるディスプレイを含む組電池アセンブリを示す図である。

本明細書で説明する例示的な実施形態は、単に例示の目的のために提供されるものであって、本発明の範囲を制限するものではない。当業者に周知のように、状況は提案や適切な提示によって同等の構造の様々な省略及び代替を考慮できることが理解され得る。さらに、以下は実質的に物理的設計の例示的な実施形態に関連するが、本発明の思想を逸脱することなく、材料、部品の説明及び幾何学的構造に対する変更を行うことができることは、当業者には理解されるであろう。

本発明の例示的な実施形態の一態様では、組電池アセンブリ又は筐体は、電気化学セルを有する１つ以上の電池及び電池の周囲に実質的に密閉空間容積を生成するように構成された少なくとも１つの外壁を有する筐体を含む。空間容積の雰囲気は、０．０１８Ｗ／ｍ℃未満の熱伝導率を有するガスを含む。このガスの雰囲気は、筐体の外壁と電池との間に断熱層を提供する。この断熱層によって、組電池アセンブリは、電池を損傷することなくオートクレーブ処理を受けることができる。

空間容積中のガスの熱伝導率は、さらに低くすることができ、例えば０．０１６Ｗ／ｍ℃より低くすることができる。さらに、空間容積の雰囲気は、空間容積中のガスの熱伝導率を０．０１８Ｗ／ｍ℃より低くするのに十分な不完全真空を含むことができる。空間容積の雰囲気中に含まれたガスは、クリプトン、キセノン、アルゴン、及びフレオンからなる群から選択される少なくとも２５％又は少なくとも３３％の不活性ガスであってもよい。

組電池アセンブリはまた、電池を筐体の外壁から分離させる複数のスタンドオフを含むことができる。さらに、電池を少なくとも部分的に囲む内壁を含んでもよい。筐体の外壁は、外壁の透過率を低減するメタライズ（金属化）層などのコーティングで覆うことができる複合プラスチックで形成される。

電力を提供するために、組電池アセンブリは、電池から外壁の外部に延設される電池端子を含む。電池端子は、電気接点に結合された正端子及び負端子を含み、これらは手術器具に接続して電力を供給し、充電ステーションに接続して充電されるように構成される。

図１に示すように、組電池筐体又は組電池アセンブリ１００は、電池セル１１０、電池端子１２０、第１壁又は外壁１３０、及び第２壁又は内壁１４０を含む。電池セル１１０は、鉛酸、ニッケルカドミウム（ＮｉＣｄ）、ニッケル水素（ＮｉＭＨ）、リチウムイオン（Ｌｉ−ｉｏｎ）、又は、リチウムイオンポリマ（Ｌｉ−ｉｏｎ ｐｏｌｙｍｅｒ）などの再充電可能な、電気化学的電池とすることができる。

外壁１３０は、内壁１４０及び電池セル１１０の周囲に連続する、密閉区画を形成する。外壁１３０の内面と内壁１４０の外面との間の空間は、ガス、不完全真空、又は、両方を含む雰囲気を有する空間容積１６０を示す。内壁１４０は、電池セル１１０の周囲に連続又は非連続する壁であってもよい。非連続する壁で実施をする場合、内壁１４０は電池セル１１０を部分的に又は実質的に覆うことができ、電池セルを外壁１３０の内面から分離させることができる。内壁１４０は、好ましくは外壁１３０の外部領域の少なくとも２５％未満の断面積を有する。外壁１３０に対する内壁１４０の断面積を減らすことは、組電池筐体１００を介した外壁１３０から電池セル１１０への伝導熱の伝達を最小にするのに役立つ。

外壁１３０を内壁１４０から分離させるために、組電池筐体１００は内壁１４０から外壁１３０の分離を保持する複数のスタンドオフ、間隔保持材、又はセパレータ１５０を含んでもよい。例示的な実施形態において、間隔保持材は、電池セル１１０が外壁１３０と接触するのを防止する個別のスタンドオフ１５０で形成される。もちろん、別個の構造的な「スタンドオフ」の代わりにフィラー又は連続した間隔を提供する代替的な配置が意図される。代替的に、図２に示すように、組電池筐体１００は内壁１４０なしで設計することもできる。このような構成では、電池セル１１０は空間容積１６０内の雰囲気にさらされる。図２に示すように、内壁１４０がない場合、スタンドオフ１５０は外壁１３０を電池セル１１０から分離するように配置される。

スタンドオフ１５０は、好ましくは、低熱伝導率の材料で形成され、外壁１３０から内壁１４０及び電池セル１１０への熱伝導を低減するのに役立つ。さらに、スタンドオフ１５０の断面積は最小化されることが好ましい。例えば、断面積は、電池セル１１０の表面積の一部、例えば１０％未満とすることができる。組電池筐体１００内に含まれるスタンドオフ１５０の数は、電池セル１１０の特定の構成に依存するが、スタンドオフ１５０の数は、好ましくは、外壁１３０から離れて外壁１３０内に電池セル１１０（又は含まれる場合は内壁１４０）の位置を保持するのに十分な数にされる。

外壁１３０の外面が環境にさらされるのに対し、外壁１３０の内面は、外壁１３０と内壁１４０又は電池セル１１０との間の空間容積１６０内の雰囲気にさらされる。このような雰囲気は、外壁１３０と電池セル１１０との間に断熱層を提供する。ガスの雰囲気は、例えば、少なくとも２５％の低熱伝導率ガスを含んでもよい。低熱伝導率ガスは、空間容積１６０内の雰囲気の少なくとも３３％、少なくとも５０％、又は全ての雰囲気のように大部分の雰囲気を含むことができる。低熱伝導率ガスは、好ましくはアルゴン、クリプトン、キセノン、又は、フレオンのような不活性ガスである。

低熱伝導率ガスに加えて、又は低熱伝導率ガスの代替として、空間容積１６０内の雰囲気は不完全真空を含むことができる。不完全真空は、好ましくは空間容積１６０内の雰囲気の少なくとも２５％になる。不完全真空は、空間容積１６０内の雰囲気のより大きい部分、例えば、少なくとも３３％、少なくとも５０％、又は、全てを含むことができる。

雰囲気圧での熱伝導は、ガス分子間衝突時の直接的移動、又は分子運動対流のいずれかによって主に影響を受けるため、不完全真空は外壁１３０から電池セル１１０への熱伝達を低減するのに役立つ。外壁１３０及び電池セル１１０のような２つの物体が異なる温度にあり、雰囲気圧のチャンバ内に置かれた場合、熱はガス分子を介してより熱いものからより冷たいものに流れる。このような圧力が、ガス分子の一部を除去することによって、例えば、不完全真空を導入することによって減少すると、分子間の距離がより大きくなって分子衝突回数が減少し、それによって熱流が減少する。熱伝達媒体（ガス分子など）の熱伝導率を低下させることにより、より熱い物体がその熱を保持できるようになる。さらに、もし圧力が連続的に低下すると、熱流は同様に連続的に減少する。従って、熱い物体及び冷たい物体（例えば、外壁１３０及び電池セル１１０）の間に少なくとも不完全真空を導入することによって断熱が形成される。不完全真空によって提供される断熱量は、熱い物体と冷たい物体との間の真空の量（即ち、分子の不足）によって決まる。

空間容積１６０内の雰囲気が低熱伝導率ガス、不完全真空、又はそれらの組み合わせを含むかに関わらず、雰囲気の熱伝導率は、好ましくはオートクレーブサイクル間の電池セル１１０が損傷するのを防ぐために、十分に電池セルを断熱するように構成される。空気の熱伝導率は、０．０２４Ｗ／ｍ℃である。低熱伝導率ガス及び／又は不完全真空を使用することにより、空間容積１６０内の雰囲気の熱伝導率は、空気の熱伝導率よりも低くなる。電池セル１１０を保護するために、熱伝導率が十分に小さいガス及び／又は不完全真空が、好ましくは雰囲気中に提供され、雰囲気の熱伝導率の範囲は、例えば０．００２から０．０１８Ｗ／ｍ℃で作られる。より好ましくは、雰囲気の熱伝導率は、０．０１８Ｗ／ｍ℃未満、０．０１６Ｗ／ｍ℃未満、０．０１２Ｗ／ｍ℃未満、０．００９Ｗ／ｍ℃未満、又は０．００７Ｗ／ｍ℃未満である。例示的な実施形態において、低熱伝導率ガスは、フレオン（熱伝導率が０．００７）又はクリプトン（熱伝導率が０．００９）のような０．０１２Ｗ／ｍ℃未満の熱伝導率を有する。低熱伝導率を有するように構成された空間容積１６０の雰囲気によって、組電池筐体１００は、例えば外壁が４分間１３２℃に、又は３０分間１２１℃にさらされるときに、内壁１３０及び電池セル１１０が７０℃に達するのを防止する。

空間容積１６０内の雰囲気によって提供される断熱層を超えて電池セル１１０をさらに保護するために、組電池筐体１００の壁は、窒素、酸素、及び雰囲気中に存在する他のガスを含むガスに対して、非常に低い透過率を有する材料を含むことができる。この材料は、好ましくは、室温、及び例えば１３２℃のオートクレーブ温度の両方で非常に低い透過率を有する。外壁１３０及び内壁１４０の材料は、例えば透過性を減少させるために異なるウェブ及び層を有する複合プラスチックであってもよい。外壁１３０の厚さは、好ましくは、底への落下による損傷に耐えるのに充分であり、プラスチックなどの使用する材料の衝撃及び成形特性を考慮するのに充分である。

組電池筐体１００の壁のための材料に加えて、膜、コーティング、共押出、又はめっきが外壁１３０の内部又は外部に提供されてもよく、内壁１４０にも任意に提供されてもよい。コーティングは、スクラッチなどの損傷から保護するために、好ましくは、少なくとも外壁１３０の内部に配置される。例えば、メタライズ層にすることができるコーティングは、壁の透過率を、好ましくは少なくとも９０％まで低下させるのに役立つ。所望の低透過率は、一般に組電池筐体１００の外壁１３０内の「自由気体体積」の関数である。好ましい実施形態では、例えば、外壁１３０及びコーティングの材料は、２３℃で保管したときに空間容積１６０の雰囲気中の自由体積の１０％以下の移動を１年以内に可能にするように設計される。そのような低い透過率では、空間容積１６０内の雰囲気は、時間とともに組電池筐体１００から消滅することがない。

電池端子１２０は、電気接点１７０に接続することができる正及び負のリードを含むことができる。電気接点１７０は、図４に示すように、手術器具のようなデバイスに接続して電力を提供するように構成される。手術器具は、例えば、米国特許第８，９３６，１０６号に記載されるような整形外科電動道具であってもよい。電気接点１７０はまた、図３に示すように電池セル１１０を充電するために充電器に接続することができる。外壁１３０及び内壁１４０を通過する電池端子１２０は、好ましくはガス漏れを最小限に抑えるために、低透過性ポッティング化合物、Ｏリング又は他の密閉方法によって密閉される。シール材は、例えば２０〜２３５０のポリウレタンとすることができる。さらに、電気接点１７０の断面積は、電池セル１１０への伝導熱の伝達を低減するために最小限に保たれる。

正及び負のリードに加えて、電池端子１２０はまた、１つ以上の通信端子を含むことができる。このような通信端子は、雰囲気の破損（ｂｒｅａｃｈ）、電池セル１１０の温度、電池セルの充電レベルに関する情報、及び電池セル１１０を含む組電池筐体１００の作動又は状態に関連する異なる情報を提供するように構成することができる。この情報を通信端子を介して提供するために、組電池筐体１００は、組電池筐体１００及び電池セル１１０の作動に関連するパラメータ及び状態を検出するように構成された回路、検出器、及びトランスデューサを含むことができる。通信端子は、図５に示すように、通信端子によって提供される情報を表示するように構成されたディスプレイ１８０に結合してもよい。また、電気化学的電池セルの代わりに、燃料電池を使用することもできる。

温度を検出するために、組電池筐体１００は、電池セル１１０又は電池セル１１０の周囲の領域の温度を監視する熱電対を含むことができる。外壁の外面上に取り付けられたスピーカからの音又は外壁１３０の外面上に見える表示灯は、例えば温度が許容可能なレベルにあるか、臨界レベルに近づいているか、又は臨界レベルに達したかのように、温度の状態を示すために使用されてもよい。表示灯及び音を使用して、電池の使用準備ができているかを表示することもできる。電池セル１１０が安全な作動温度にあるかを色又は他の変化によって示すサーモクロミックストリップを提供することもできる。

温度の検出と表示をする他に、組電池筐体１００は、起動時に電池が使用されないようにするフェイルセーフを含むことができる。フェイルセーフは、例えば、接続中にヒューズを溶断することによって実現してもよい。電池セル１１０が十分に冷却されるまで放電を防止するために、ＰＴＣ素子のような業界で一般的に使用されている追加の安定装置を組電池筐体１００に組み込んでもよい。組電池筐体１００はまた、内部ガス室領域の熱伝導性を検出するためのセンサと、オートクレーブサイクル中に組電池筐体１００内の電池セル１１０によって到達される最高温度を検出するためのセンサとを含むことができる。検出された情報に基づいて、センサは断熱システム内の破損、又は例えば電池セル１１０が充電されないなどの電池セル１１０の不具合に関する情報を伝達することができる。

本開示の特定の実施形態について説明したが、そのような参照は、本発明の範囲に対する限定として解釈されることを意図するものではない。

Claims (20)

1. 電気化学セルを含む少なくとも１つの電池と、
   前記少なくとも１つの電池が配置される密閉空間容積を規定するよう構成された少なくとも１つの外壁を有する筐体と、
   前記空間容積の雰囲気の熱伝導率を検出するセンサと、
   を含み、
   前記空間容積の雰囲気はガスを含み、
   前記空間容積に破損がない場合、前記空間容積中の前記ガスの熱伝導率は、０．０１８Ｗ／ｍ℃未満である、組電池アセンブリ。
2. 電気化学セルを含む少なくとも１つの電池と、
   前記少なくとも１つの電池の周囲に実質的に密閉空間容積を生成するように構成された少なくとも１つの外壁を有する筐体と、
   前記空間容積の雰囲気の熱伝導率を検出するセンサと、
   通信端子と、
   を含む組電池アセンブリであって、
   前記空間容積の雰囲気はガスを含み、
   前記空間容積中の前記ガスの熱伝導率は、０．０１８Ｗ／ｍ℃未満であり、
   前記センサは、検出された熱伝導率に基づき、当該組電池アセンブリの破損に関する情報を、前記通信端子を介して提供する、組電池アセンブリ。
3. 前記空間容積中の前記ガスの熱伝導率は、０．０１６Ｗ／ｍ℃未満である、請求項１または２に記載の組電池アセンブリ。
4. 前記空間容積の前記雰囲気は、前記空間容積中の前記ガスの熱伝導率を０．０１８Ｗ／ｍ℃未満にするのに十分な不完全真空を含む、請求項１または２に記載の組電池アセンブリ。
5. 前記空間容積の前記雰囲気は、クリプトン、キセノン、アルゴン、及びフレオンからなる群から選択される少なくとも２５％の不活性ガスを含む、請求項１または２に記載の組電池アセンブリ。
   
6. 前記空間容積の前記雰囲気は、クリプトン、キセノン、アルゴン、及びフレオンからなる群から選択される少なくとも３３％の不活性ガスを含む、請求項１または２に記載の組電池アセンブリ。
7. 前記少なくとも１つの電池を前記筐体の前記外壁から分離させる複数のスタンドオフをさらに含む、請求項２に記載の組電池アセンブリ。
8. 前記筐体は、前記少なくとも１つの電池を少なくとも部分的に囲む内壁をさらに含み、
   前記複数のスタンドオフは、前記内壁を前記外壁から分離させる、請求項７に記載の組電池アセンブリ。
9. 前記筐体の前記外壁は、複合プラスチックで形成される、請求項１または２に記載の組電池アセンブリ。
10. 前記筐体の前記外壁の外面及び内面のうち少なくとも１つは、前記外壁の透過率を低減するコーティングを含む、請求項９に記載の組電池アセンブリ。
11. 前記コーティングは、メタライズ層を含む、請求項１０に記載の組電池アセンブリ。
12. 電池端子をさらに含み、前記電池端子は、前記少なくとも１つの電池から前記外壁の外部に延設される、請求項１または２に記載の組電池アセンブリ。
13. 前記電池端子は、正端子、負端子、及び通信端子を含む、請求項１２に記載の組電池アセンブリ。
14. 前記通信端子は、前記少なくとも１つの電池の温度に関する情報を提供する、請求項１３に記載の組電池アセンブリ。
15. オートクレーブサイクル中に前記少なくとも１つの電池によって到達した最高温度を検出するセンサをさらに含み、前記センサは、検出された最高温度に関する情報を前記通信端子を介して提供する、請求項１３に記載の組電池アセンブリ。
16. 前記正端子及び前記負端子に結合された電気接点をさらに含む、請求項１３に記載の組電池アセンブリ。
17. 前記電気接点は、充電ステーションに接続されるように構成される、請求項１６に記載の組電池アセンブリ。
18. 前記少なくとも１つの電池の温度は、前記外壁が４分間１３２℃にさらされたときに７０℃未満に保たれる、請求項１または２に記載の組電池アセンブリ。
19. 前記少なくとも１つの電池の温度は、前記外壁が３０分間１２１℃にさらされたときに７０℃未満に保たれる、請求項１または２に記載の組電池アセンブリ。
20. 手術器具であって、
    請求項１〜１９のいずれか一項に記載の組電池アセンブリを含み、
    前記組電池アセンブリは、前記手術器具の作動のための電力を提供する手術器具。

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