技术领域
本发明涉及使用帕尔帖(Peltier)元件通过帕尔帖元件控制温度的装置 和方法，该帕尔帖元件能以大温差和大热流量进行冷却以及迅速冷却或加热 小的局部区域，更具体地，涉及适于对诸如皮肤或粘膜损伤的皮肤类伤害的局 部冷冻处理的通过帕尔帖元件控制温度的装置和方法。
背景技术
尽管使用帕尔帖元件的电子制冷系统因为冷却温度可根据供给的电功 率来控制而被应用于光学仪器或电子部件的局部冷却或冷冻，但由于它在稳 定状态时的低冷却性能使之难以实现大温差和大热流量。
人们已经开发出具有多级帕尔帖元件的模块。在日本早期公开专利公报 No.H8-186205，公开了一温控装置，其中，与第一帕尔帖元件接触的热槽 进一步与第二帕尔帖元件接触。在这样的温控装置中，为增强热扩散和热传 递的效率，第二帕尔帖元件需要大于第一帕尔帖元件。也就是说，在上面提 及的多级型装置的情况下，为增大吸收能力以实现温度差和吸收在第一级析 出的热，模块下一级或下一级之后的级需要大于之前的级，因此整个模块变 大，而且由于周围环境的热传递和热对流冷却表面的控制顷向变的不稳定。
同时，在对不能承受外科腹部手术的年老患者进行的无血处理或对诸如 皮肤或粘膜损伤的皮肤类伤害的局部处理中，已经实现了冷冻手术，其中源 自冷冻的现象通过冷冻活性器官的染病区域被用于处理，传统地在冷冻手术 中一直使用液氮进行冷冻。
然而，对于使用液氮的传统方法，很难去控制适于处理活性器官组织的 温度而且液氮引起的过冷冻易于造成对邻近冷冻区域的正常组织的伤害，这 导致处理不令人满意。
作为克服该问题的一种技术，在日本早期公开专利公报 No.JP2002-177296中公开了一帕尔帖烧灼仪器。
所述帕尔帖烧灼仪器包括其中一个面接触烧灼表面的接触面(即温控体 (temperature controlled body)表面)的帕尔帖元件，设置在元件的另一面 上以便接触该面的电极热槽(electrode-cum-heat-sink)，设置在帕尔帖元件侧 的电极热槽的端部或内表面上的温度传感器，设置在不接触帕尔帖元件的电 极热槽后端上以接触该后端的外部冷却器，其中接触烧灼表面的帕尔帖元件 的面和除外部冷却器后端的仪器结构都被密封在真空容器中。
当烧灼表面或温控体的表面被帕尔帖烧灼仪器迅速冷却时，设置在烧灼 表面上的一个面是帕尔帖元件的瞬时冷却面(transient cooling plane)，与热 槽构件热接触的另一个面是加热面。
在稳定态时，热槽构件的温度通过外部冷却器保持在低于在稳定态时烧 灼表面温度的一预定温度处，并且通过沿着使得烧灼表面侧作为加热面的方 向向帕尔帖元件施加电流，保持在稳定态时的预定温度。当迅速冷却时，施 加的电流从加热模式转变为冷却模式，以实现迅速冷却。
尽管在以上参考专利公报中，利用帕尔帖元件实现了具有大温差和大热 流量的电子制冷系统，但诸如大模块和温度控制不稳定的问题依然存在，而 且系统缺乏实用性。
用于诸如冷冻手术的医疗制冷系统的液氮处理在控制温度方面存在困 难。
尽管在以上参考专利公报中描述的技术能解决在以上参考专利公报中 描述的技术和液氮处理具有的上述问题，但在以上参考专利公报中描述的技 术有如下问题：
(1)由于接触烧灼表面(即温控体表面)的帕尔帖元件的面，和除外 部冷却器的后端以外的仪器结构都密封在真空容器中以便绝热，所以仪器需 要诸如真空泵和真空管的用于产生和保持真空的装置，从而因为温控仪器的 结构变得复杂，制作仪器的成本增加。
因为真空度的下降，仪器的长期操作倾向于引起温度控制准确性的降 低，因此作为医疗用的温控仪器的可靠性尚有疑问。
此外，如上描述，因为帕尔帖元件的主要部分安装在真空容器中，具有 接触温控体表面的接触面的导体的长度受到限制，因此当使用时很难去变化 温控仪器端部部分的形状。
(2)如上面描述，因为包括连接元件的温控元件和帕尔帖元件密封在 真空容器中，用于控制温度以监控操作的温度传感器基本不可能设置在温控 体表面的接触面附近。传感器被迫设置在帕尔帖元件侧的电极热槽的端部或 内表面处，因此温控表面的接触面的温度不能被准确探测，这导致温控准确 性的下降。
发明内容
考虑到上面提及的问题，本发明的目的在于提供使用帕尔帖元件的温度 控制装置和方法，其使得能够基于温度传感器探测到的温度值，提高控制接 触面温度的准确性，而且由于不需要设置密封帕尔帖元件的真空容器和相关 装置就能够实现接触元件和帕尔帖元件的绝缘，所以其通过简化装置结构， 降低了制作装置的成本。
为实现以上目的，本发明提出了一装置，其通过使其一表面接触要在温 度上受控的物体(以下称为温控体)来控制所述物体的温度，所述装置包括 由一对半导体组成的帕尔帖元件、与所述帕尔帖元件一端部表面接触的电导 体、与所述帕尔帖元件另一端部表面接触的电极热槽体，利用通过在所述帕 尔帖元件和所述电极热槽之间施加直流电压而产生的帕尔帖效应，所述电导 体能被迅速冷却或加热，以冷却或加热与所述电导体接触的所述温控体，其 中，设置一由电绝缘材料制成的端罩，以覆盖所述电导体和所述帕尔帖元件， 使得围绕所述电导体和所述帕尔帖元件或围绕所述帕尔帖元件形成一封闭 空间，所述端罩形成为具有一端面部分，当冷却或加热所述温控体时，该端 面部分与所述温控体接触，所述端罩的端面部分的内表面或所述端罩的全部 或部分内边缘部分与所述电导体接触；并且其中，诸如空气、氯氟碳化物、 氩或其他的气体被密封在所述空间内，以形成热绝缘层。
由于以上发明的缘故，因为设置了由电绝缘材料制成的端罩来覆盖所述 电导体和所述帕尔帖元件，使得围绕所述电导体和所述帕尔帖元件或围绕所 述帕尔帖元件形成一封闭空间，所述端罩形成为具有一端面部分，当冷却或 加热所述温控体时，该端面部分与所述温控体接触，所述端罩的端面部分的 内表面或所述端罩的全部或部分内边缘部分与所述电导体接触；并且其中， 诸如空气、氯氟碳化物、氩或其他的气体被密封在所述空间内，以形成热绝 缘层，所以，帕尔帖元件和电极热槽得到了端罩所包围的热绝缘层的保障。 因此，引入到接触面附近的端部部分的热不通过热绝缘层对流传导，而被阻 拦以实现稳定的绝缘。
由于在以上参考专利公报中描述的真空容器不是必需的了，所以导体能 被做得较长，而且能够无约束地选择诸如缩减形状或逐渐渐缩形状的导体形 式。
因此，根据以上发明，由于诸如导体、帕尔帖元件和电极热槽的温控元 件被由端罩包围的热绝缘层可靠地绝缘，所以装置不需要传统技术所需要的 例如真空泵和真空管的用于生成和保持真空的装置，从而可以简化装置结构 和降低装置制造成本。
此外，如前所述，由于温控元件被端罩所包围的热绝缘层绝缘，使得包 括真空容器的用于生成和保持真空的装置不是必需的了，所以即使在长期操 作情况下，也可以避免由于真空度下降造成的温控准确性的下降，从而提高 了温控装置，特别是医疗用的温控装置的可靠性。
根据本发明，端罩成形为朝其端面部分渐缩。
这样，当端部部分具有缩减形状时，在处理人体的情况下，与温控体人 体的接触区域(即处理区域)容易看见，使得易于处理。此外，当端部部分 变长时，端部部分的绝缘层可以做得较长，以加强对温控元件的绝缘效果。
此外，通过端罩所包围的热绝缘层避免了在接触面附近形成霜和露，所 述端罩通过延长导体而形成有缩减的外状。
根据本发明，所述电导体是朝其与所述端罩的端面部分接触的端部侧增 大的倒渐缩形状的。
因此，当与温控体的接触面积变大时，当处理人体时，可以不需要增大 采用帕尔帖元件控制温度的装置的外部形状，来处理较大面积的染病区域。
此外，根据本发明，所述电导体形成为沿其长度弯曲并朝着其与所述端 罩的端面部分接触的端部侧周长或直径减少的形状。
于是，当缩减形状的端部部分的接触面侧被弯曲时，对诸如口腔内部的 狭窄部分的处理变的容易。
本发明提出了一种利用一装置来控制物体温度的方法，所述装置通过使 其一表面接触要在温度上受控的物体(以下称为温控体)来控制所述物体的 温度，所述装置包括由一对半导体组成的帕尔帖元件，与所述帕尔帖元件一 端部表面接触的电导体，与所述帕尔帖元件另一端部表面接触的电极热槽 体，利用通过在所述帕尔帖元件和所述电极热槽之间施加直流电压而产生的 帕尔帖效应，所述电导体能被迅速冷却或加热，以冷却或加热与所述电导体 接触的所述温控体，所述装置的所述表面由电绝缘材料制成的一端罩的端面 部分形成，所述方法包括：利用温度传感器探测与所述温控体接触的所述端 罩的端面部分的温度；基于所述探测到的温度，通过调整施加到所述帕尔帖 元件上的电压，控制与所述温控体接触的所述端罩的端面部分的温度。
此外，根据本发明，在所述端罩的端面部分的内表面上设置一温度传感 器，以探测端罩的端面部分的温度。
此外，根据本发明，制备多个所述电导体，每个所述电导体接触所述端 罩的端面部分内表面一侧的面积不同，并且根据要与所述装置的表面接触的 所述温控体的面积，采用所述导体中的一个。
从而，由于端罩所包围的热绝缘层确保了温控元件的绝缘，所以用于封 装温控元件的真空容器不是必需的，因此，在监控手术时用于控制温度的温 度传感器很容易设置在温控体的接触面的附近，以便精确探测温控面的接触 面温度，由此基于探测到的接触面温度的手术监控能精确执行。
此外，当制备了多个所述电导体，每个所述电导体接触所述端罩的端面 部分内表面一侧的面积不同时，可以对应于人体染病区域的状态，采用其中 一个导体。
此外，当温控体是人体的染病区域时，优选探测当所述温度传感器探测 到的温度达到一取消过冷却的温度时的时间；并基于所述探测到的取消过冷 却的时间，确定对所述染病区域开始手术的时间。
这样，通过使用设置在人体染病区域附近的温度传感器探测取消过冷却 的温度，从而基于所述探测的取消过冷却的时间确定开始对染病区域手术的 时间，可以精确定位冷冻人体染病区域的开始时间，而且可以进行手术，同 时监控手术时间和手术部位的深度。
此外，根据本发明，基于由所述温度传感器探测的端罩端面部分的温度 和端罩的端面部分与温控体的接触面积，调整施加到帕尔帖元件的电压和施 加电压的时间。
从而，对应于手术部位的状态，向帕尔帖元件11a、11b的电压施加从 加热模式被转变为冷却模式或反之亦然，以便从迅速冷却改变为迅速加热或 反之亦然；或者，调整向帕尔帖元件的电压施加的持续时间或程度，以保持 最适于手术部位状态的保暖持续时间和温度。
附图说明
图1是关于本发明第一实施例的利用帕尔帖元件控制温度的装置的截面 视图。
图2是关于本发明第二实施例的利用帕尔帖元件控制温度的装置的端部 部分的截面视图。
图3是关于本发明第三实施例的利用帕尔帖元件控制温度的装置的端部 部分的截面视图。
图4是示出关于本发明以上实施例的在使用所述装置控制温度的操作时 温度变化的曲线图。
具体实施方式
现在，将通过参考附图以示例的方式详细描述本发明。然而，需要理解 的是，除非特别说明，此处诸如尺寸、材料种类、构造和元件部件的相关处 理等具体实施例的描述并不是要将发明限制于所公开的特殊形式，而是为了 公开示例。
图1是关于本发明第一实施例的利用帕尔帖元件控制温度的装置的截面 视图。图2是关于本发明第二实施例的利用帕尔帖元件控制温度的装置的端 部部分的截面视图。图3是关于本发明第三实施例的利用帕尔帖元件控制温 度的装置的端部部分的截面视图。图4是示出关于本发明以上实施例的在使 用所述装置控制温度的操作时温度变化的曲线图。
在第一实施例示出的图1中，在本发明中使用的帕尔帖元件包括一P型 回路，其中，由常规P型半导体11a和N型半导体11b组成的热半导体与金 属导体10相连接。
尽管P型半导体11a和N型半导体11b通常设置成在它们之间有一微小 距离，但根据本发明控制温度的装置，通过以电绝缘层5作为中间物来设置 它们，以便获得一紧凑结构。
10是一金属导体，它粘附于帕尔帖元件的P型元件和N型元件的端部 部分表面。金属导体的端面设置在用于接触诸如人体受伤区域的温控体(它 的细节随后给出)的接触面17的内部。
每个电极13a、13b设置成接触p型回路的P型半导体11a和N型半导 体11b的端面，该端面是与金属导体10相反的侧面。
14是一热槽，该热槽辐射在帕尔帖元件11a、11b与金属导体10相反的 一侧产生的热。热槽14的接触方式使得它与设置成与帕尔帖元件的每个P 型元件11a或N型元件11b接触的电极13a、13b中的一个形成一整体，并 设置成通过中间物——电绝缘层5接触另一电极，由此形成一电极热槽。
因为热槽14是一电极热槽，可使用具有良好热和电的传导性的诸如铜 或铝的材料。
4是一电引导回路。通过利用电引导回路4在P型回路的电极13a和电 极热槽14之间施加一直流电压，冷却或加热金属导体10的与例如人体染病 区域的温控体接触的接触面17。
具有能容纳诸如干冰之类的制冷剂的结构的外部冷却器15与不接触帕 尔帖元件11a、11b的热槽14的后端面接触设置。
在外部冷却器15中封装制冷剂，因为热的迅速移除而获得了装置端部 的迅速冷却。
此外，如有必要，不同地设置的循环冷却装置的循环管形部件可连接到 外部冷却器15用于冷却。
1是包括固体热绝缘材料的绝热器。该绝热器通过覆盖包括金属导体10、 帕尔帖元件11a、11b、电极13a、13b和热槽14的温控元件的根部，即与金 属导体10相反的侧部的外周，和外部冷却器15的外周，进行绝热。
3是包括诸如硬合成树脂之类的电绝缘材料(优选颜色半透明的)的端 罩。其端部部分形成为一薄圆柱体，圆柱体的端部部分的横截面向端部缩减， 从而在端部处形成接触温控体的接触面17。
包括端罩的外部形状形成为缩减形状，其中端部部分的横截面向端部缩 减。当根部被不透水地固定到绝热器的端部部分时，包括金属导体10、帕尔 帖元件11a、11b、电极13a、13b和热槽14的温控元件的端部部分被覆盖。 设置有端罩3的部分的顶角优选从30度到45度。
在端部部分的罩3的内端和包括被端罩3覆盖的金属导体10、帕尔帖元 件11a、11b、电极13a、13b和热槽14的温控元件的外周之间形成的密封空 间内，设置了诸如空气、氯氟碳化物(chlorofluorocarbon)、氩和氙的热绝缘 层2。因此，包括金属导体10、帕尔帖元件11a、11b、电极13a、13b和热 槽14的温控元件的端部部分由被端罩3密封的密封空间内的热绝缘层2可 靠地绝缘，因此不使用诸如在日本早期公开专利No.P2002-177296中描述的 真空容器就能绝缘温控元件。
16是设置在金属导体10上的温度传感器。温度传感器16被设置在距离 金属导体10的接触面17最近的位置处，以便准确探测金属导体的接触面17、 即其温度被控制的点的温度，当然可以使用诸如热电偶和热敏电阻之类的已 知温度传感器。在本实施例中，传感器被设置在金属导体10外周的端部位 置表面处。来自温度传感器16的探测值信号通过探测线16a传送到温控装 置。
以下将说明使用如上面所述构造的通过帕尔帖元件控制温度的装置来 控制温度的方法。
温度传感器16探测到的温度值信号持续地通过探测线16a输入控制器。 控制器可与图1所示的控制温度的装置分开设置，并且用导线连接到帕尔帖 元件11a、11b的电极13a、13b。只要能改变施加电流的状态，即基于温度 信号施加到帕尔帖元件11a、11b上的电压，控制器没有特别限制。
控制器中，如图4所示，在人体手术的情况下，设定在接触金属导体10 接触面17的手术对象染病区域处的用于手术的计时(hourly)标准温度(目 标温度)和对应标准温度的标准施加电压。通过将来自温度传感器的持续探 测到的温度值与标准温度比较，调整施加的电压，使得接触面17的温度与 标准温度一致。于是，接触手术对象染病区域的接触面17的温度总是被调 整到标准温度(目标温度)。
因此，当温控元件被由端罩3包围的热绝缘层2稳妥地绝缘时，封装温 控元件的真空容器就不再需要了，因此，在监控操作时通过设置用于温度控 制的温度传感器16，精确地探测人体染病区域的接触面17的温度。这样， 基于来自温度传感器16的接触温度的探测值的监控操作能准确地执行。
在这样的实施例中，在人体手术的情况下，如图4所示，用设置在金属 导体10上、位于接触面17附近的温度传感器16探测一用于取消过冷却的 温度，而且对染病部位的手术的开始由其温度确定。于是，通过使用在人体 染病部位附近设置的温度传感器16探测取消过冷却的温度，能精确地定位 冷冻人体染病区域的开始时间，由此对染病区域进行手术的开始时间由其温 度来确定，而且手术可以在监控手术时间和手术部位深度的同时进行。
在这样的实施例中，优选对应于接触面附近的温度传感器16探测到的 温度和人体染病部位(温控体)的接触面积来调节施加于帕尔帖元件11a、 11b上的电压和施加电压的时间。
从而，对应于手术部位的状态，向帕尔帖元件11a、11b的电压施加从 加热模式被转变为冷却模式或反之亦然，以便从迅速冷却改变为迅速加热或 反之亦然；或者，调整向帕尔帖元件11a、11b的电压施加的持续时间或程 度，以保持最适于手术部位状态的保暖持续时间和温度。
如上面所述，根据这样的实施例，由于导体10、帕尔帖元件11a、11b 和电极热槽14的全部或至温控体(染病部位)的接触面17侧的一部分被端 罩3覆盖，并且通过在形成于罩3内部的空间内密封空气、氯氟碳化物、氩 或其他形成了热绝缘层2，所以端罩3包围的热绝缘层2确保了导体10、帕 尔帖元件11a、11b和电极热槽14的绝缘。
此外，引入到接触面17附近的端部部分的热不通过热绝缘层发生对流， 其被阻挡以实现稳定的绝缘。
因此，该装置不需要传统技术中需要的、诸如真空泵和真空管之类的用 于生成和保持真空以封装金属导体10、帕尔帖元件11a、11b和电极热槽14 的装置。
此外，因为温控元件被端罩3所包围的热绝缘层2绝缘，使得不再需要 包括真空容器的用于生成和保持真空的装置，所以即使在长期操作情况下， 也能够避免由于真空度下降造成的温控准确性下降，因此提高了温控装置， 特别是医疗用的温控装置的可靠性。
此外，在这样的实施例中，由于包括端罩3的外部形状形成为缩减形状 的，其中端部部分的横截面向端部缩减，所以当处理人体时，至温控体人体 的接触区域，即处理区域，很容易看见，从而易于处理。此外，当端部部分 变长时，端部部分的绝缘层可以加长，以便加强对温控元件的绝缘效果。
在图2所示的第二实施例中，金属导体21形成为具有扩展锥形角θ1的 扩展锥形形状，其中至染病部位(温控体)的接触面17侧扩展。对应于金 属导体21的形状也形成端罩。根据本实施例，当处理身体时，当接触人体 染病部位的接触面的接触面积变大时，在不需要增大控制温度的装置外状的 情况下，能够处理较大面积的染病部位。其它结构与第一实施例相同而且相 同标记表示相同构件。
在图3所示的第三实施例中，导体形成为接触面缩小并弯曲为一预定形 状的形状。根据第三实施例，当缩减形状的端部部分的接触面端被弯曲时， 对例如口腔内部的狭窄部分的处理变得容易。如果提供具有不同弯曲形式的 金属导体和端罩，则可选择和改变金属导体和端罩以对应于染病部位的状态 来使用。其它结构与第一实施例相同而且相同标记表示相同构件。
工业应用性
如上所述，根据本发明，因为诸如导体、帕尔帖元件和电极热槽的温控 元件通过端罩所包围的热绝缘层可靠地绝缘，所以装置不需要传统技术所需 要的例如真空泵和真空管的用于生成和保持真空的装置，使得能够简化装置 结构和降低制作装置的成本。
此外，由于传统技术所需要的真空容器不是必需的了，所以导体的长度 可以做得较长，以便能制作象缩减形状或扩展锥形的形状，从而当使用时， 能在较大的范围中选择形状。
此外，由于温控元件被端罩所包围的热绝缘层绝缘，使得包括真空容器 的用于生成和保持真空装置不是必需的了，所以即使在长期操作的情况下， 也能够避免由于真空度下降造成的温度控制的准确性降低，从而提高了温控 装置，特别是医疗用的温控装置的可靠性。
因此，当温控元件通过端罩所包围的热绝缘层可靠地绝缘时，用于封装 温控元件的真空容器不是必需的了，以便在监控操作时，通过设置用于温度 控制的温度传感器16，精确探测人体染病区域的接触面的温度。这样，基于 来自温度传感器的接触温度的探测值的监控操作能准确地执行。