(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
装置先端に被焼灼面と接触される一方の面を有するペルチェ素子と、該ペルチェ素子の他方の面に接触配置された電極兼ヒートシンクと、該電極兼ヒートシンクの前記ペルチェ素子と接触している先端面側若しくは該電極兼ヒートシンク内部に、前記ペルチェ素子と絶縁する絶縁膜を介して設置された温度センサと、前記電極兼ヒートシンクの前記ペルチェ素子と接触していない後端面に接触配置された外部冷却器とで構成され、
前記ペルチェ素子は、Ｐ型素子とＮ型素子からなる熱半導体を金属導電体で結合したπ型回路からなり、前記Ｐ型素子とＮ型素子は絶縁膜を介して配置するとともに、前記電極兼ヒートシンクは、前記ペルチェ素子のＰ型素子またはＮ型素子の電極に接触させて、該Ｐ型素子またはＮ型素子の電極の一方と一体となるように配置させた一の電極と、他方のＮ型素子又はＰ型素子の電極と絶縁膜を介して配置させた他の電極と、よりなることを特徴とするペルチェ焼灼装置。
【請求項２】
前記絶縁膜が二酸化珪素膜であることを特徴とする請求項１記載のペルチェ焼灼装置。
【請求項３】
前記ペルチェ素子の被焼灼面と接触される面及び前記外部冷却器の後端部を除く構成が真空容器中に封入されるとともに、前記真空容器中に吸着剤を封入することを特徴とする請求項１記載のペルチェ焼灼装置。
【請求項４】
請求項１又は２若しくは３記載のペルチェ焼灼装置であって、前記温度センサで検知された温度から装置先端の表面温度を予測し、前記ペルチェ素子に通電する電流若しくは電圧を調整することにより、被焼灼面と接触される装置先端の表面温度を所定温度に制御する制御手段を具えていることを特徴とするペルチェ焼灼装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、大温度差高熱流束冷却を可能としたペルチェ素子を用いた微小面積の局所を急速に冷却（加熱）する焼灼装置とその温度制御方法に関し、特に、皮膚や粘膜の癌等に対する局所凍結治療に好適な、コンパクトな焼灼装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ペルチェ素子を利用した電子冷凍システムは、供給電力に応じて冷却温度を制御することができるため光学機器や電子部品などの局所冷却に応用されているが、定常状態における冷却性能が低く、大温度差、高熱流束を実現することは困難であった。
また大温度差を得るためにペルチェ素子を多段型にしたモジュールも開発されており、例えば、特開平８−１８６２０５号公報には第１のペルチェ素子に接触させたヒートシンクにさらに第２のペルチェ素子を接触させる温度制御装置が開示されているが、熱拡散や熱伝達効率を高めるためには第１のペルチェ素子に対して第２のペルチェ素子をより大きくする必要がある。
即ち、多段型の場合には、第一段での発熱を次段以降で吸収しかつ温度差を与えるために次段以降のモジュールを順次相対的に大きくして吸熱能力を大きくする必要があり、モジュール全体としては大型化し、さらには、周囲の雰囲気の熱伝導、対流の影響により冷却面の温度制御が不安定となることがある。
【０００３】
一方、皮膚や粘膜の癌等の局所治療や外科的な開腹手術に耐えられない高齢者などの患者を対象とする非観血的治療においては、生体の病変部位を局所的に凍結させ凍結によって発生する現象を治療に応用した凍結手術が行われており、従来から冷却凍結用としては液体窒素が用いられている。
しかし、液体窒素による従来の方法では生体組織を治療に適した温度に制御することが困難であるとともに、液体窒素の使用による過凍結によって凍結部位に隣接する正常組織に損傷を与えてしまう場合があり、十分満足できる治療はなされていなかった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このように、かかる従来技術では、電子冷却システムとして、ペルチェ素子を利用したシステムで大温度差、高熱流速を可能としたものの、モジュールの大型化、温度制御の不安定化等の問題が残り、尚実用性には欠けるものであった。
また、凍結手術を主とする医療用冷却システムに用いられている液体窒素治療では、温度制御が困難である等の問題を抱えている。
従って、本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、大温度差、高熱流束を達成して、精度良く温度制御を行うことで、生体表面の局所治療にも適した、コンパクトな焼灼装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記目的を達成するために鋭意検討した結果本発明に到達した。即ち、本発明は、装置先端に被焼灼面と接触される一方の面を有するペルチェ素子と、該ペルチェ素子の他方の面に接触配置された電極兼ヒートシンクと、該電極兼ヒートシンクの前記ペルチェ素子と接触している先端面側若しくは該電極兼ヒートシンク内部に、前記ペルチェ素子と絶縁する絶縁膜を介して設置された温度センサと、前記電極兼ヒートシンクの前記ペルチェ素子と接触していない後端面に接触配置された外部冷却器とで構成され、
前記ペルチェ素子は、Ｐ型素子とＮ型素子からなる熱半導体を金属導電体で結合したπ型回路からなり、前記Ｐ型素子とＮ型素子は絶縁膜を介して配置するとともに、前記電極兼ヒートシンクは、前記ペルチェ素子のＰ型素子またはＮ型素子の電極に接触させて、該Ｐ型素子またはＮ型素子の電極の一方と一体となるように配置させた一の電極と、他方のＮ型素子又はＰ型素子の電極と絶縁膜を介して配置させた他の電極と、よりなることを特徴とするペルチェ焼灼装置にある。
そして、前記絶縁膜が二酸化珪素膜であるのが好ましく、又前記ペルチェ素子の被焼灼面と接触される面及び前記外部冷却器の後端部を除く構成が真空容器中に封入されるとともに、前記真空容器中に吸着剤を封入するのがよい。
【０００６】
また本発明は、請求項１又は２若しくは３記載のペルチェ焼灼装置であって、前記温度センサで検知された温度から装置先端の表面温度を予測し、前記ペルチェ素子に通電する電流若しくは電圧を調整することにより、被焼灼面と接触される装置先端の表面温度を所定温度に制御する制御手段を具えていることを特徴とするペルチェ焼灼装置にある。
【０００７】
上記の従来技術で述べたペルチェ素子の欠点を解決するために、本発明ではペルチェ素子を熱的非平衡状態における能動伝熱制御デバイスとすることによって大温度差、高熱流束を実現した。即ち、本発明のペルチェ焼灼装置では、例えば、被焼灼面を急速冷却する場合、被焼灼面が配置される一方の面をペルチェ素子の非定常時の冷却面に、ヒートシンク部材が熱的に接触配置された他方の面を加熱面にする。そして定常時にはヒートシンク部材は外部冷却器により被焼灼面の定常時の温度に比較して低温の所定温度に保持されているが、それにもかかわらずペルチェ素子に被焼灼面側を加熱面とする向きに通電して所定の定常時の温度に保持しておき、急速冷却に際しては通電を加熱モードから冷却モードに極性反転して切り替えてやれば急速冷却が達成できる。
【０００８】
これにより冷却開始後の短時間内にヒートシンク部材に大きな熱流束を生じ、非定常熱伝導による熱拡散を発生する。この非定常熱伝導は定常状態の熱伝導の数十倍であり、瞬時の冷却性能を数十倍に高めて発揮することが可能である。なお、非定常熱伝導は定常状態の動作プロセス時に対して用いる非定常状態を意味し、定常熱伝導が時間的に温度変化のない場合の熱伝導をいうのに対し、温度変化する場合を非定常熱伝導という。
【０００９】
このような急速伝熱制御機構を応用した焼灼装置により、皮膚や粘膜の癌等に対する局所凍結治療に際して、最適な温度・熱流束の制御により正常組織を損傷させることなく治療ができるとともに、冷却・加熱の切り替えが可能なペルチェ素子を利用しているため、術後の解凍を容易に行うことができる。また、外科的開腹手術に耐えられない高齢者などの患者を対象とした非観血的治療を行うことができることから、通院・在宅での治療が可能であり、患者の負担も軽減でき、術後の回復にも有効である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のペルチェ焼灼装置について図に示した実施例を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載される寸法、材質、形状、その相対位置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
【００１１】
図１は本発明の実施形態に係るペルチェ焼灼装置の主要部分をモデル化した基本構成図、図２は図１の実施形態に係るペルチェ焼灼装置を具体化した構造の主要部分の断面図、図３は非平衡熱伝素子であるペルチェ素子の時間による温度変化及び素子間の電位差変化を示すグラフである。
図１及び図２において、本発明で用いるペルチェ素子は、一般的なＰ型素子とＮ型素子（１１ａと１１ｂ）からなる熱半導体をアルミニウムや銅などの金属導電体１０で結合したπ型回路からなる。通常は両素子は僅かな間隔をあけて配置されているが、本発明の焼灼装置においては、二酸化珪素等からなる絶縁膜１２を介して配置しても良く、このようにすることでよりコンパクトな装置構成を達成することが可能となる。
【００１２】
そして、このπ型回路の下部、即ちＰ型素子とＮ型素子にはそれぞれ電極１３ａ、１３ｂが接触配置され、両電極に通電することによりπ型の上部の金属導電体１０を冷却（加熱）して、被焼灼面を冷却（加熱）する。このときペルチェ素子の金属導電体と反対側で発生する熱を放散するためにヒートシンク１４を接触配置させるが、このヒートシンクはＰ型素子またはＮ型素子のそれぞれに接触配置された電極の一方と一体となるように接触させ、他方の電極とは二酸化珪素膜等の絶縁膜を介して配置させる。そしてこのヒートシンクの材質として、銅、アルミニウム等を用いることによりヒートシンクを電極として用いることができる。これらの材質は、導電体であると共に熱伝導性にも優れており、図１の電極１３ｂとヒートシンク１４を一体化して電極兼ヒートシンクとする。
【００１３】
装置先端の被焼灼面に接触する金属導電体１０の表面に温度センサを設置してその温度を検知、制御することができれば、被焼灼面に与えられる温度変化をより正確に制御することが可能であるが、このような位置に温度センサを設置することは、表面での熱の授受や装置外周の断熱に及ぼす悪影響を避けることが困難となる。従って、本発明の焼灼装置では、前記したヒートシンクのペルチェ素子側の先端又はその内側に温度センサ２０を設置し、この温度センサ２０で検知された温度から装置先端の表面温度を予測してペルチェ素子に通電する電流（電圧）を調整することにより、被焼灼面と接触される装置先端の表面温度を所定温度に制御する。
この通電状態を調整するための制御装置は、焼灼装置とは別に設けておけばよく、本発明のペルチェ素子の電極とリード線等で接続しておけばよい。また、制御装置は温度信号に基づき通電状態を可変できるものであればよく、特に制限されるものではない。
【００１４】
前記ヒートシンクのペルチェ素子と接触していない後端面にはドライアイス等の冷却剤を封入できる構造を有する外部冷却器１５を接触配置させる。この外部冷却器に冷却剤を封入しておくことによりペルチェ素子からの放熱をより速やかにし、装置先端の急速冷却を達成することができる。
また必要に応じて、本装置とは別に設置された循環式冷却装置の循環配管部(不図示)をこの外部冷却器１５に接続して冷却してもよい。
【００１５】
以上のような構成により温度差の大きい急速冷却を達成するには、周囲の雰囲気の熱伝導や対流による熱損失を防ぐことが重要であり、これを解決するために本実施例においては、前記ペルチェ素子の被焼灼表面と接触される面及び前記外部冷却器の後端部を除く構成を真空容器３０に封入することで、各構成部の外周に真空断熱層を形成させて外部と熱的に遮断させる構造とする。この真空容器３０中には全域に亘って若しくは一部に吸着剤２５、２５ａを封入することができ、この吸着剤により外部から侵入したガスを吸着除去して真空容器３０中の真空度を向上させることが可能である。
【００１６】
尚、図２に示す第２実施形態は、図１に示される第１実施形態を具体化したもので、その構成は第１実施形態とほぼ同様であるが、外形が丸みを帯びており、握りやすい構成となっている。
【００１７】
次に本発明のペルチェ焼灼装置の温度制御方法について説明する。
温度センサ２０で検知された温度から装置先端の表面温度を予測する方法は、実験、数値シミュレーション等により予めデータを計測しておき、そのデータを用いた間接予測により行うことができる。即ち、ペルチェ素子１１ａ、１１ｂのヒートシンク１４との接触面ｂ、即ち温度センサを設置した位置から被焼灼面と接触させる装置先端の表面Ｏ方向への非定常の一次元熱伝導モデルを用い、ペルチェ効果による熱移動と、温度勾配のためにペルチェ素子内部で発生する電位、およびジュール熱を考慮して、ペルチェ素子への通電状態と時間の経過とに伴う温度変化をシミュレーションしておく。かかるシミュレーションは、下記数１に示される非定常一次元熱伝導方程式にて予測される。
【００１８】
【数１】
0004333937.tif 000002
【００１９】
そして、図３に示される前記シミュレーションに基づくグラフにより、温度センサで検知した温度Ｔｂから装置先端の表面温度ＴＯを予測し、その表面温度ＴＯが目標値となるように通電状態、即ち供給する電流（電圧）を調整することによりかかるペルチェ焼灼装置の制御が可能となる。
【００２０】
本実施例のペルチェ焼灼装置では上述した如く、装置外周の真空容器に吸着剤を封入して外部から真空断熱層に侵入したガスを吸着除去することで、真空度を向上させることができるが、吸着剤にガス等が吸着するときに熱を発生する。上記方法による温度制御をより精密に行うためには、この発熱を除去することが肝要である。このための手段には、ヒートシンクを本体のヒートシンクと共有するペルチェ冷却を用いることができる。
【００２１】
【発明の効果】
上述したように本発明のペルチェ焼灼装置は、非定常熱伝導による大温度差、高熱流束を達成した、コンパクトな焼灼装置であり、本発明の温度制御方法により高精度の温度制御が可能である。
そして本発明のペルチェ焼灼装置は、特に精密な温度制御が要求される生体表面の局所治療に好適に利用され、治療時間の短縮、患者に対する肉体的、精神的負担の低減ができ、治癒率の向上にも有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  ペルチェ焼灼装置の主要部分をモデル化した基本構成図を示す。
【図２】  本発明の図１の実施形態に係るペルチェ焼灼装置を具体化した構造の主要部分の断面図図を示す。
【図３】  ペルチェ素子の時間による温度変化及び素子間の電位差変化を示すグラフである。
【符号の説明】
１０      金属導電体
１１ａ    ペルチェ素子
１１ｂ    ペルチェ素子
１２      絶縁膜
１３ａ    電極
１３ｂ    電極
１４      ヒートシンク
１５      外部冷却器
２０      温度センサ
２２      通電回路
２５      吸着剤
３０      真空容器
【図１】
0004333937.tif 000003
【図２】
0004333937.tif 000004
【図３】
0004333937.tif 000005