(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
１つのエレメント（１）と、１つの電気回路とを備えており、
前記エレメントは、互いに重なり合い一緒に巻き上げられた薄箔（２，３）から作られた複数の平行な溝からなり、
一方の薄箔（２）は波形の段あるいは皺がよっており、もう一方の薄箔（３）は平らであり、
前記薄箔（３）は絶縁体であり、前記薄箔（２）は導体であって、低容量の乾電池または充電可能な蓄電池を使用することにより、調整可能な可動温度までエレメント（１）を急速に加熱するために適当な抵抗値を有しており、
前記電気回路は、前記エレメント（１）がｐｗｍ技術により可動温度まで加熱されて調整され、該エレメント（１）の温度と前記回路のパルス間の熱緩和が、前記導体の薄箔（２）の電気抵抗と温度に対して不変な抵抗器の抵抗とをブリッジ（５）測定技術により比較することにより測定される、
ことからなる装置。
【請求項２】
ある環境の温度をモニター監視し、また調整することの出来る低熱容量の前記エレメントに基づいた温度監視調整装置であって、
前記エレメントがｐｗｍ技術を用いて必要な温度に達するまで給電され、ｐｗｍパルス間の熱緩和が、前記環境の温度の測定と調整を可能にする請求の範囲第１項に記載の装置。
【請求項３】
前記エレメントの温度とｐｗｍパルス間の熱緩和が、ブリッジ測定技術によって、前記エレメントの電気抵抗と、温度に対して不変な抵抗とを比較して測定される請求の範囲第２項に記載の装置。
【請求項４】
体温に自動調整された肺活量の測定に利用される肺活量測定装置であって、
前記エレメントがハチの巣状の複合構造をしており、この構造は前記絶縁体の薄膜（３）と適切な電気抵抗のある前記導体の薄膜（２）を組み合わせて出来ている請求の範囲第１項記載の装置。
【請求項５】
導管内の流体の流体速度を測定するために用いられる流量測定装置であって、
前記流量はｐｗｍ回路によって給電される金属箔で出来た前記エレメントによって測定され、前記流量は前記回路のパルス間の熱緩和を測定することにより決定される請求の範囲第１項記載の装置。
【請求項６】
固体−気体間の反応の際に生じる熱交換に起因する交換熱量の測定に利用される交換熱量測定装置であって、
前記エレメントは非常に低熱容量で、また適当な固体の薄いフィルムでメッキされた薄箔で出来ており、このエレメントはｐｗｍ技術で給電され、固体−気体間の反応エンタルピーはｐｗｍパルス間の熱緩和によって測定される請求の範囲第１項記載の装置。
【発明の詳細な説明】
技術の分野
この発明は、肺活量測定器の分野、また特に肺活量タコグラフのサーモスタット制御の分野に関するものである。
さらに、マイクロカロリーメーターや導管内の流体の流量測定にも有効に利用することができる。
テクノロジーの様態
呼吸機能をモニター監視するのに、通常は呼吸の特徴を分析する。人間は呼吸をし生きているので、全ての呼吸が一様ではなく、肺機能も多くの要因によって変化すると考えるのは自然なことであろう。この変化は特殊な環境状態や揮発性ガス、浮遊因に対する反応や、呼吸器系の病気が進行中の場合に起こることである。もちろん、このような状態が実際に表れない時にモニター監視する事は無駄なことであろう。
正しい呼吸から得られる最も重要なデータの一つに、肺容積がある。この容積の変化は、その原因や次の段階について、つまり、肺機能のプロファイルについて多くの情報を提供することが出来る。これにより、適切な治療を施すことが可能になる。
肺の容積量は様々であるので、容積の代わりに流量、つまりある抵抗を通過した空気の圧力の低下を測定することも出来る。装置が一次関数的である場合、容積（潮の満ち引き量や一分間に通過する空気の量など）を得るためには、信号が時間に関して単純に積分されれば良い。
流量の測定によって肺活量測定器具の重さと大きさを、出来るだけ小さく縮小する一方で、主に測定装置のサーモスタット制御に関連した技術上の問題が生じる。このことについては、後で検討する。
１９２５年にＦｌｅｉｓｃｈによって提案された最も正確な肺活量測定方法の一つは、（粘性のある液体の）層流測定である。層流を得るために、Ａ．Ｆｌｅｉｓｃｈはハチの巣状構造というものを考案したが、最も一般的な形では、一枚は波状の薄箔と、表面が滑らかな薄箔の二枚を組み合わせ、軸の回りに巻き上げた円柱形をしている。これらの薄箔は真鍮で出来ており、出来上がりの円柱形の直径は４２ミリ、高さ３２ミリとなり（Ｆｌｅｉｓｃｈの例証Ｎｏ．４）、圧力の低下は円柱形の一番外側から２０ミリの距離で測定される。
ハチの巣状構造は物理的フィルターの一つであるが、圧力低下と流量が一次関数的関係を持つように、導管内で層流を保持出来るようにするものである。Ｆｌｅｉｓｃｈの方法に続き様々な構造が導入されたが、最も良く知られているのはファインメッシュ・スクリーン構造（細横糸ヘアネット状構造）と呼ばれるものである。この構造はハチの巣状構造より軽量であるが、「測定を正確に保つために、掃除をし、度々口径を基準に合わせることが必要となる。」(1)人間の肺の空気の温度は３７度で、水蒸気で飽和している。空気が吐き出される時、空気は気化エンタルピーを液化し、放出する。
３７度を保つために、Ｆｌｅｉｓｃｈと彼の後継者たちは外部からのヒーターを利用し溝造部を温めていた。Ｆｌｅｉｓｃｈ Ｎｏ．４の古い円柱形を温めるには約６．５ワットが必要であり、これは熱効率の悪さと全体の高い熱慣性によるものであった。実際、このことが今までに軽量でポータブル、しかも加熱された肺活量タコグラフの製造を阻んできた。
近年では、このように熱消費量が高くてポータブルな器具は出来ないので、加熱されていない器具が多く提案された。
加熱されていない流量の測定器の普及と共に、一つの深刻な問題が浮上した。水蒸気の液化の問題である。
水蒸気が液化しながら気化エンタルピーを放出する時、流量の冷却には僅かな影響が及ぼされる。しかし実際の間題点は、乱流が生じ流量が一次関数的ではなくなってしまうことである。乱流は、圧力低下と流量間に二次関数的関係を伴うので、結果としての流量値がとても不的確になってしまう。この誤差が原因で、加熱されていない現システムの信頼性がなくなってしまうのである。
この肺活量測定は、種々の試みの繰り返しによって成り立ってきた実験であり、個々の試みで水蒸気は液化しながら気化エンタルピーを放出する。ある一人の患者に適用された実験においては、器具は水蒸気を溜め込み、流量は乱流を示すようになり測定値が大きく増えてしまった。Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｔｈｏｒａｃｉｃ Ｓｏｃｉｅｔｙ，又Ｅｕｒｏ−ｐｉａｎ Ｒｅｓｐｉｒａｔｏｒｙ Ｓｏｃｉｅｔｙの規則によると、肺活量の測定の結果は種々の測定の最高値を採用する。実験中に生じた、個々の測定値が増えてしまったことによる誤差が、全く違った結果を導くのである。最近増加している信頼性のない肺活量の測定結果は、加熱されていない肺活量タコグラフを利用することの普及と強く関連している。
水蒸気を吸収する(2)セラミックのハチの巣状構造のシステム導入によっても問題は解決されなかった。温度は軽量かつデリケートなエレメントによって測定されなければならないが、この構造はかなり重く、その上、殺菌も困難である。
従って、現在の技術ではいろいろな解決法が考えられるが、問題が多く、実際にシンプルでポータブル、小さくて軽量、低燃費で掃除も簡単で、しかも信頼性のある肺活量タコグラフの製造をひどく遅らせてしまったのである。
同様な問題が、物理的なプロセス（流体の運動）や、或いは化学的なプロセス、特に固体−気体の相互作用における熱量交換の測定器具についても生じる。
流体運動の定流測定技術は、流体の速度が急速に変化する時、非常に正確ではなくなり、その温度も一定ではなくなる。（例：導管内血液の速度(3)）一方で、測定装置から熱源を離してしまう方法は、センサーにより収集されたシグナルのわずかな部分だけに頼ってしまうという欠点がある。
パラジウム−水素の相互作用のプロセスにおいて、一つのパラジウム層への水素の吸収とサンプルによって吸収された水素の量の決定（文献のデータに基づく）を伴うエンタルピーの緩和は、測定の典型的問題を示している。この場合、反応の生じる環境を取り囲む熱量計は、かさが大きく、ゆっくり反応し、コストは正確さの要求度に比例する。他方、マイクロマシニング技術によって製造されたマイクロカロリーメーターの使用には、反応が生じるわずかな表面に関連する問題がある。温度センサーがマイクロマシニング用エレメントの面積制限のない平面上に組み込まれた、特に熱慣性の低い大きな平面が必要な場合の解決法が不足している。
この発明は、特にこのような測定や熱交換調節のために、小型化された器具として利用できる、低熱容量のアクティブエレメントで出来た装置の製造を目的としている。
この発明は、ある環境の温度をモニター監視し、また調整することの出来る低熱容量のアクティブエレメントを基盤とする装置に関するものである。このエレメントは、パルスの変調技術によって電流を供給され、隣接する熱パルス間の熱緩和分析はその同一のアクティブエレメント上で行われる。
肺活量測定のために据えつけられ、体温に調整されると、この装置は高精密・低燃費のポケットサイズ器具になる。精密流量測定や高感度の熱量測定にも簡単に利用できる。
この考案品の他の特徴や長所については、後に述べることにする。
続いて、同封した図を引用し、幾つかの具体例を基にした発明に関する詳細な説明を加える。
図：
１．この発明の概念に従い、二枚の異なる薄箔を巻き上げて作成されたハチの巣状構造
２．マイクロコントローラーと図１．のハチの巣状構造を加熱するためのデジタルスイッチ付き電気回路図
３．発明によるシステムの機能を表している。
４．ハチの巣状構造の自動温度調節制御のためのｍｏｓｆｅｔトランジスター付き電気回路図
５．パラジウムと水素の相互作用の実験回路図
６．流量の測定器の回路図
発明についての記述
基本的には、適当な形をした厚さ５〜２０ミクロンの細長いステンレススチール箔が土台として使われる。
これは、パルスの変調技術によって励磁され、隣接するパルス間の熱緩和の間に加熱装置の温度測定が行われる。
図１．は、この発明のコンセプトに従って作られたＦｌｅｉｓｃｈの混合式構造（１）を示す。これは、二枚の重なり合った薄箔（２）（３）を一緒に巻いたもので、そのうちの一枚はハチの巣状構造にするために隆起がありでこぼこしている。この波状の薄箔（２）は、導体であり、（例：厚さ０．０１〜０．０５ミリ、出来れば０．０２ミリのステンレススチール）、効力のある温度に達するまで、ポータブルで低燃費なバッテリーによる急速な加熱に適した抵抗値がある。（２〜３Ω）
もう一つの薄箔は絶縁体（３）で、滅菌に関しては腐食に強く、１２０℃までの超過熱に耐え得る。
図２．は、この発明のコンセプトを示す電気回路図で、図１に示されたＦｌｅｉｓｃｈのハチの巣状構造を加熱したり、また他に応用されるためのものである。これは次のもので構成されている。マイクロコントローラー（４）、一つの支流にはヒーター／センサーエレメント（６）付きブリッジ（５）、他の支流には温度に対し不変の抵抗器（７）（８）と（９）、加熱のために電流の供給をヒーター／センサーエレメント（６）に繋げるスイッチ（１０）、加熱装置が作動していない時、同一のヒーター／センサーエレメント（６）の熱緩和測定のために、ブリッジ（５）に電流を供給する二重のスイッチ（１１）、マイクロコントローラー（４）内に組み込まれ、アナログ／デジタル変換器（１３）に連結した、ブリッジの信号を集めるためのアンプ（１２）。
図３．は、このシステムの機能について総合的に説明している。デジタル電流のスイッチは１５０マイクロセコンドの間つけられている。一方、エレメントの熱緩和は次の８５０マイクロセコンドの間に起きる。給電されている１５０マイクロセコンドの間、エレメントは温かくなる。温度の推移は電圧と時間に関係している。熱量がもっと必要であるかないかにより、１５０マイクロセコンドは長くなったり短くなったりすることができる一方で、パルス間の１ミリセコンドという時間は一定に保たれる。
熱パルスの終わりのところから、測定が始まる。測定は、熱緩和の間に一回または数回行われる。例で示されているように、測定は緩和段階の始めと終わりに二回なされる。（注：図３．）マイクロコントローラー（４）は、測定のためのアンプ（１２）の安定化を保証するため、充分に長い測定パルスを発する（２０マイクロセコンド）。この時点で、アンプ（１２）の安定化時間により遅れてしまった同じパルスは、そのマイクロコントローラー自体（４）から、そこ（４）に組み込まれた１０ビットのアナログ／デジダル変換器（１３）のｓａｍｐｌｅ／ｈｏｌｄ回路に向かって再び返送される。ブリッジへの電流の供給は、ブリッジのアンプの信号の獲得を可能にしたＳ／Ｈパルスの後、１０マイクロセコンドで切れる。ブリッジへの電流の供給は、ヒーター／センサーエレメントにおける混信を減らすために、緩和時間の合計と比較すると短く保たれている。
図４．は、Ｆｌｅｉｓｃｈのハチの巣状構造のサーモスタット制御の電気回路図を示したものである。この場合、デジタルスイッチがｍｏｓｆｅｔトランジスター（１９）（２０）に代えられている。Ｆｌｅｉｓｃｈの給電は図２．に見られるようにスイッチのように行われるが、ブリッジの給電は二番目のｍｏｓｆｅｔによって行われる。Ｆｌｅｉｓｃｈ構造の支流の方に向いている、ブリッジの先端にある高速ダイオードは、Ｆｌｅｉｓｃｈの構造（１）が作動している時にブリッジの他の支流をつたって電気が通らないようにするので、二重のスイッチの働きを完全にする。
第一番目と同様に第二番目の高速ダイオードは、ブリッジが作動している時に二つの支流における電圧の低下が同じであるようにするため、他の支流に向かってブリッジの先端に設置されている。アンプ（２３）の増幅数値はプログラム可能である。これは、信号が低い時、また１０ビット変換器の精密度が正確な測定を充分に保証出来ない時に、数値を上げる事が出来る。
図５．は、パラジウム−水素の相互作用の実験回路図である。回路には、熱量計に２００ｍｂの水素を取り入れるために使われるソレノイド・バルブがある。ブリッジには、後に詳細に説明するが、ブリッジを平衡に保つために異なる加熱時間で作動している二つの向かい合う支流（２７、２８）がある。
図６．で示されている回路は、基準エレメント（２６）を除いて、図４．と同様のもので、基準エレメントは、ブリッジの支流の温度に対して不変な抵抗器の代用となるものである。ブリッジの支流にはヒーター／センサーエレメントがあり、流体の温度のデーターを収集し、温度の影響を受けることなく出てきたシグナルを得ることが出来る。
図１．のＦｌｅｉｓｃｈのハチの巣状フィルターに関しては、金属箔の導体（２）の熱慣性が低く（重さは１０グラム以下）、体温まで急速に温めることが可能であることが明らかである。低温の器具の調整は、ＦｌｅｉｓｃｈのＮｏ．４サイズの構造では、３０秒で出来る。また、サーモスタット制御は、テストの直後に静止することが出来る。それは、新しい分類学に従えば低温熱慣性に属する、関係の給電と同様である。
流量の測定器は、集中テストや特殊な条件下で使われた時、数秒間で、液化した水蒸気（吸い込まれた空気は水蒸気が飽和状態にある）で洗浄される。更に、その場でわずかの時間のうちに１２０℃まで加熱されて殺菌消毒されることができる。あるいは、殺菌剤できれいにするために取り外すことも出来る。
ハチの巣状フィルターに関しては、すでに述べたように、細かい編み目状ネット（ファインメッシュ・スクリーン）にも同様に応用出来る。この場合、薄箔ではなく針金を使うという相違点がある。
パラジウム−水素相互作用の実験と同様に、高感度熱量測定（図５．で表示されたように）適したもう一つの具体例は、次の実験によって説明される。
ヒーター／センサーエレメントは、ガスの導入のための入口バルブと、排気のための出口バルブが装備された反応室に組み込まれている。センサーエレメントは、厚さ５ミクロンのステンレススチール箔で出来ている。このため、物体の比重１０ｇ／ｃｍ3と、比熱０．１ｃａｌ／ｇ℃（≒０．４２Ｊ／ｇ）を考慮すると、１ｃｍ2当たりの熱容量は約５００μｃａｌ/℃ｃｍ2となる。（≒２．１ｍＪ／Ｋｃｍ2）
同じ単位面積に関していえば（金属箔の交換表面は、単位面積の２倍であることを考慮すると）、６０℃の窒素大気中では、２．４ｍＷ／℃ｃｍ2≒５６７μｃａｌ／℃ｃｍ2ｓｅｃの熱流がある（これは、２８８μｃａｌ／℃ｃｍ2ｓｅｃの交換表面を通して熱流を与える）。
１ｃｍ2あたりの放射による漏失は、４％の磨かれた表面に対する放射密度の要因を考慮すると、５．６７・１０-12×０．０４×３３３4≒２７．８９・１０-4Ｗｏ≒６６９．３１μｃａｌ／ｓｅｃである。
（２５℃に調整された環境で）１〜１０ＫＨｚの周波数の間でｐｗｍ技術を使ってヒーターのセンサー（固体−気体の相）を６０℃に調整する。平均値が６０℃で上下１℃以下の揺らぎは問題にしない。
０．１ミクロンのパラジウム層でコーティグされた一枚の薄箔は、０．１２ｍｇ／ｃｍ2の重さがあり、熱容量は、１２μｃａｌ／℃ｃｍ2である。一度、安定状態に達すると、室には２００ｍｂの水素が取り入れられ、叙述された方法に従ってサンプルの温度がモニター監視される。パラジウム０．１２ｍｇは１．１２×１０-6ｍｏｌに相当するので、水素の吸収エンタルピーは、およそ９Ｋｃａｌ／ｍｏｌになり、測定されたエンタルピー３０００μｃａｌによって、コーティングされたパラジウムは、化学式ＰｄＨ0.6で表されるパラジウムの水素化物に変化させられたということを確定し得る。このプロセスの生じる速度は、このサンプルの幾何学的特徴に関係する次の近似式と一致する。
0004040680.tif 000002
また、このことにより、このように急速な変化の過程をモニター監視出来るこの装置から得られる恩恵についても理解できる。
様々な方法で、装置を使用することにより測定の精密さを更に改善することも出来る。それは、図５．に示されたように、一枚はパラジウムコーティングされた薄箔（２７）、もう一枚は基準として利用される薄箔、この２枚が同時に独立した回路のｐｗｍ技術により給電される。ｐｗｍの周波数は、１〜１０ＫＨｚの間で変動し、熱緩和はエレメントの自由な熱変化の最初と最後の二回、測定される。
集められた様々なシグナルは、高感度ブリッジの支流に熱変化を与える。この技術は、フィードバックのコントロールと、マイクロコントローラーの適切な方法の導入によってさらに改良することが出来る。この場合、パラジウムコーティングされた薄箔のｐｗｍ給電の仕事サイクルは、ブリッジの平衡を保つために連続的に調整され、２つのｐｗｍの間の供給された電流の違いは、交換された熱の総量を直ちに表示する。
ここに提案した装置は、特に、万能で精密な流量計への応用にも適している。斜めに置かれ、流体の方向へ向けられた薄箔からの、測定管内における対流熱の漏失だけを考えてみて欲しい。それは、周知の様に、流体の速度と、薄箔と流体の間の温度の傾きに依存している。
Ｑ／Ｓ＝ｋ（１＋０．００２ｔｆ）ｕ（ｔｐｌ−ｔｆ）
Ｑ＝熱の漏失； Ｓ＝面積 ｕ＝速度 ｃｍ／秒
ｔｐｌ，ｔｆ＝金属箔と流体の温度
ｋ＝２・１０-6ｃａｌ／（℃ｃｍ2ｃｍ2ｓｅｃ ｃｍ2／ｓｅｃ）
単純計算によると、ｔｐｌ＝４７℃、ｔｆ＝３７℃という典型的な限定状態において、１０〜１０００ｃｍ／ｓｅｃの流体速度は２１９〜２１９００マイクロカロリー／ｓｅｃ／ｃｍ2の熱交換を導く。このように大きな熱交換値は、ｐｗｍ周波数や基層ディメンションを操作することにより、多くの現実的な問題に対処するための大きな適応性を提供してくれる。
この（上記）の計算は、図６．に示されたように、加熱された細片と同じ側の、温度に対して不変である抵抗器を、加熱過程ではなく測定過程にだけ使用される同一の細片と単に交換するだけで、単純化することが出来る。
参照番号
１ ハチの巣状構造（アクティブエレメント）
２ 波状の薄箔導体
３ 絶縁体の薄箔
４ マイクロコントローラー
５ 測定用ブリッジ（精密度の高い抵抗ブリッジ）
６ ヒーター／センサーエレメント
７ 温度に対して不変な抵抗
８ 温度に対して不変な抵抗
９ 温度に対して不変な抵抗
１０ デジタルスイッチ
１１ 二重のデジタルスイッチ
１２ アンプ
１３ アナログ／デジタル変換器
１４ 遅延エレメント
１５ 遅延した測定パルスの出口
１６ 測定パルスの出口
１７ 加熱パルスの出口
１８ ｓａｍｐｌｅ ＆ ｈｏｌｄ入口
１９ ｍｏｓｆｅｔトランジスター
２０ ｍｏｓｆｅｔトランジスター
２１ ダイオード
２２ ダイオード
２３ アンプ
２４ ソレノイドバルブ
２５ アクティブ・ヒーター・エレメント（電流測定機器）
２６ 基準エレメント
２７ 基準のアクティブエレメント
注
（1）Office Spirometry, P.L.Enright, R.E. HyattLea & Febiger, 1987
（2）U.S. Patent Documents, 5.277.196 - 1/1994 Hankinson et al. 128/725
（3）WO 94/28788 - 12/1994, Baxter Int. Inc.
（4）The Palladium Hydrogen System, F.A. Lewis, Academic Press 1967
文献
Baxter Int. Inc., WO 94/28788−12/1994Enright P.L., Hyatt R.E., Office Spirometry, Lea & Febiger, Philadelphia1987Hankinson et al., U.S. Patent Documents, 5.277.196 - 1/1994 128/725Lewis F.A., The Palladium Hydrogen System, Academic Press 1967Polyakov A.F., Thermo and Laser Anemometry, Hemisphere Publishing Corp., 1989
【図１】
0004040680.tif 000003
【図２】
0004040680.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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