JPS6232938B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は改良された電気加熱体に関し、さら
に詳細には強磁性体のキユリー温度を利用して加
熱温度を自動調整しうる電気加熱体に関するもの
である。

〔従来の技術〕

従来、強磁性体のキユリー温度を利用して電流
のジユール熱による発熱を自動的にコントロール
する方式が、例えば実公昭48―35676号、特開昭
49―76058号或いは特開昭51―122983号に見られ
るように、電気加熱体や外科手術用具など産業上
多くの分野で利用されている。以下、本発明を簡
明にするため主として切断刃につき説明するが、
切断刃以外にも多くの分野で加熱温度を自動調整
する目的で使用しうることが上記従来技術からも
理解されるであろう。例えば、パイプを所望温度
に維持するための加熱体、或いは工業用材料を溶
融させるための加熱体、ことに微小流体加熱用パ
イプや微小工業材料の溶融器などとして使用する
こともできる。

本発明に利用される基本原理は、上記特開昭51
―122983号公報にも記載されているように従来公
知である。すなわち、強磁性導体における高周波
電流は、導体外周部に集中する傾向がある。その
電流密度は導体表面で最大となり、表面から内部
への距離が大きくなるにつれて減少する。この電
流密度が表面の最大電流密度の37％となる深さ
（表面から内部への距離）を、一般に「表層深
さ」と称している。この表層深さは強磁性導体の
透磁率の関数であつて、次式により示される。

［式中、ｄは表層深さ（ｍ）、ρは強磁性材料
の抵抗値（Ω−ｍ）、ｆは電流周波数（Hz）、μは
強磁性材料の透磁率（Ｈ／ｍ）である。］この関
係は古くから知られており、たとえばボゾース、
「フエロマグネチズム」（1951）に記載されてい
る。

一般に、強磁性材料はそのキユリー点温度（以
下、単に「キユリー点」という）より低い温度に
て100，200もしくはそれ以上の透磁率を有する一
方、キユリー点より高い温度では強磁性材料の透
磁率は約１となる。上記式から判るように、強磁
性材料の表層深さはキユリー点より高い温度の場
合にはキユリー点より低い場合よりも10倍以上大
きくなりうる。

他方、加熱体に供給される電力量およびその結
果加熱体内に生ずるジユール熱は、加熱体を流過
する電流と加熱体の抵抗値との関数である。この
関数は、式 Ｐ＝I²R ［式中、Ｐはジユール熱、Ｉは電流、Ｒは加熱
体の抵抗値である。］ によつて表わされる。加熱体における電流の大
きさは使用に際し一定で変化しないので、この式
から判るように、加熱体内に発生するジユール熱
の量は加熱体の抵抗値の関数となる。

そこで、強磁性材料で作成された加熱体におい
ては、温度がキユリー点以下であつて、キユリー
点に向かつて上昇する場合、強磁性材料層の透磁
率が次第に減少し、これに伴い強磁性材料層に対
する表層深さが次第に大きくなり、この結果強磁
性材料層における高周波電流の流れる断面積を次
第に増大させると共に発生するジユール熱も次第
に低減させながら強磁性材料層の温度をキユリー
点まで上昇させる。このようにして強磁性材料層
の温度がキユリー点に達すると、強磁性材料層の
透磁率は最小となる。かくして、強磁性材料層の
温度がキユリー点より高くなつた場合には、キユ
リー点より低い場合に比べ、強磁性材料層に供給
される電力が少なくなり、発生するジユール熱の
減少に伴つて加熱体の温度低下を生じる。このジ
ユール熱の減少は、強磁性材料層の温度がキユリ
ー点に低下するまで持続し、強磁性材料層の温度
がキユリー点以下になると、透磁率が増大して表
層深さが減少し、この結果強磁性材料層における
高周波電流の流れは断面積を次第に減少させると
共に発生するジユール熱も増大させ、再び強磁性
材料層の温度をキユリー点に向かつて上昇させる
ことになる。

さらに、強磁性材料層を流れる電流は所定の大
きさに設定できる。従つて、上記の基本原理に基
づき、強磁性材料の加熱体は、そのキユリー点を
境として所定の温度範囲内で自動温度調整するこ
とができる。

このような基本原理に従つて構成された外科手
術用メスが特開昭51―122983号公報に開示された
技術である。すなわち、このメスは、強磁性材料
からなる刃部分と、この刃部分と一端において接
続される以外は絶縁層によつて絶縁された導電路
とから構成された加熱体が記載されており、この
加熱体の強磁性材料のキユリー点を境とする透磁
率の変化により、刃先の温度をキユリー点近くの
或る範囲内で自動温度調整するものである。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、これら従来の強磁性材料のみか
らなる加熱体においては、その自動温度調整能力
は、温度がキユリー点より高い際の電気抵抗値
（その結果、発生するジユール熱の量）が依然と
して強磁性材料の比較的高い抵抗値によつて左右
されるので、発生するジユール熱を低減するのに
限界を有し、このことは極く微小範囲内で温度を
より効率的に自動調整することを困難とし、従来
の加熱体の欠点を意味する。

従つて、本発明の目的は、加熱体の種々の領域
に予知不能な状態で接する物体の温度変化に呼応
して、上記基本原理に基づく自動温度調整作用を
より迅速かつ効率的に行うことにある。

〔問題点を解決するための手段〕

この目的は、本発明によれば、加熱体を高透磁
率の強磁性材料と実効透磁率が低くかつ高い導電
性および熱伝導性を有する材料の層とからなる積
層体とすることによつて達成される。

従つて、本発明は、被加熱体の温度を所定範囲
に自動調整する積層電気加熱体において、前記所
定範囲の上限温度近くに透磁率のキユリー転移点
を有する強磁性材料層と、この強磁性材料層に電
気接触すると共にこの強磁性材料層よりも高い導
電率と高い熱伝導率とを有する導電性材料層とに
より積層体を構成し、前記積層体に高周波電流源
を接続することを特徴とする積層電気加熱体を提
供する。

この積層電気加熱体において、温度変化に対し
より迅速かつ高精度に自動調整するべく、導電性
材料層を強磁性材料層よりも高い熱伝導率を有す
る導電体、特に銅または銀で構成すれば好適であ
る。

この積層電気加熱体は、冒頭記載のように各種
の分野で加熱体として使用しうるが、電気加熱体
の一縁部を鋭利にして切断刃を形成すれば各種の
切断器として、殊に外科手術用メスとして使用す
ることもできる。

なお、強磁性材料層の外側表面に、電気絶縁材
の層と、前記強磁性材料層の長さの少なくとも一
部に沿つて前記絶縁材上に配置された導電性材料
層とをさらに設け、この導電性材料層を強磁性材
料層へその一端部近くでのみ接続して導電性材料
層から強磁性材料層への導電路を形成すれば、自
動温度調整の効果を高める上で好適である。

すなわち、本発明によれば、高周波電流の量に
応じて加熱温度を狭い範囲内で自動調整するに際
し、前記範囲の上限温度近くに透磁率のキユリー
転移点を有する強磁性材料の１つの導電路に高周
波電流の一部を流し、かつ前記１つの導電路に隣
接してこれと電気接触すると共に前記１つの導電
路よりも低い実効透磁率と高い導電率および熱伝
導率とを有する他の導電路に高周波電流の他の一
部を流すことにより、各導電路に流れる高周波電
流の相対的割合を導電路の温度の関数として変化
させることができる。

〔作用〕

本発明の積層加熱体においては、強磁性材料層
より低い抵抗値を有する導電性材料層を使用し、
しかもこの強磁性材料層の厚さをキユリー点より
低い温度での表層深さより若干大となるようにし
て、キユリー点より低い温度でのジユール熱とキ
ユリー点より高い温度でのジユール熱の比が著し
く増大するよう設定する。

すなわち、前記強磁性材料層と導電性材料層と
からなる積層体につき、この積層体の温度がキユ
リー点以下であつて、キユリー点に向つて上昇す
る場合、強磁性材料層の透磁率が次第に減少し、
これに伴い強磁性材料層における高周波電流の流
れる断面積を次第に増大させると共に発生するジ
ユール熱も次第に低減させながら積層体の温度を
キユリー点まで上昇させる。このようにして積層
体の温度がキユリー点に達すると、強磁性材料層
の透磁率が減少することに伴い表層深さが強磁性
材料層の厚さを越える結果、導電性材料層への電
流の分流量が増大し、強磁性材料層における電流
割合が減少してジユール熱が急減し、キユリー点
よりも高い温度となつた積層体をその温度がキユ
リー点になるまで冷却する。このようにして、積
層体の温度がキユリー点以下になると、強磁性材
料層の透磁率が増大して表層深さが減少し、この
結果強磁性材料層における高周波電流の流れる断
面積を次第に減少させると共に発生するジユール
熱も増大させ、再び強磁性材料層の温度をキユリ
ー点に向つて上昇させ、前述した積層体の加熱・
冷却サイクルが反復される。

しかるに、本発明の積層加熱体において、積層
体の一方を構成する導電性材料層は、強磁性材料
層よりも抵抗値が著しく小さいものを使用するこ
とにより、キユリー点よりも高い温度での積層体
の電流抵抗値は従来の強磁性材料のみよりなるも
のより極めて小さくなり、それに比例して発生ジ
ユール熱も大幅に少なくなる。従つて、本発明に
よれば、従来の強磁性材料層からなる加熱体より
も自動温度調整能力が一段と向上する。

上記したように、本発明によれば、高導電性で
かつ高熱伝導性の導電性材料層と強磁性材料層と
の連携により、表層深さが強磁性材料層を越える
キユリー点より高い温度において、高導電性の導
電性材料層（たとえば胴の層）を流れる高周波電
流の比率が増大し、その結果積層加熱体の発生ジ
ユール熱が顕著に減少する。この作用効果は加熱
されるべき物品とは無関係に得られる。すなわ
ち、本発明の思想および範囲内において、多くの
分野での各種加熱体および加熱温度の自動温度調
整が可能であることが予解されよう。

〔実施例〕

以下、添付第１図および第２図を参照して、本
発明を切断刃としての実施例につき詳細に説明す
る。

第１図および第２図において、刃の支持部９は
適当なプラスチツク材料で作成され、手術器具の
把手部１１に取付けられる。器具の切断刃１５を
形成する切断刃１３は刃の支持部９に取付けられ
て、把手部１１に近い始端１７から把手部１１に
遠い末端１９まで延在している。この積層体１３
は、第２図の断面で示すように、鋭い切断刃１５
を確保し得るような硬度を有しかつ非磁性鋼又は
焼入れ炭素鋼のような好ましくは低い透磁率を有
する中央層２１を備える。

中央層２１の両側に配置した隣接層２３は、た
とえば胴または銀のような低い透磁率と高い熱
的・電気的伝導度とを有する材料であつて、切断
刃１５に沿つて温度変化を減ずるように切断刃の
長さに沿い高温領域から低温領域まで優れた熱伝
導を行う。更にこれら層２１と２３は、後述する
ように、高周波電流で発生するジユール熱が生じ
ないような高い導電率を有する導電路を形成す
る。このように組合せた層２１と２３とは、有効
な低透磁率及び高い電気的・熱的伝導部分からな
る導電性材料層を形成する。

積層体１３は、高い透磁率及び所望の動作温度
範囲の上限近くにキユリー点を有するたとえば鉄
ニツケル合金のような強磁性材料の薄い層２５
（以下、強磁性材料層という）が層２１，２３に
隣接して配置される。低い導電率及び高い磁気飽
和値も、強磁性材料層２５の材料の望ましい特性
である。

強磁性材料層２５と導電体２９との間には始端
１７から末端１９まで実質的に強磁性材料層２５
の全長にわたつて電気絶縁層２７を配置し、この
導電体２９は強磁性材料層２５に接続する。この
ようにして、信号源３２から積層体１３に加えら
れる高周波信号は導電体２９に沿つて末端１９へ
供給され、次いで帰路層（積層体の各層２１，２
３および２５）を介して信号源３２に導かれる。
信号源３２によつて供給される高周波電流の周波
数または振幅は、切断刃１５の動作温度を調整す
るように変化させることができる。

第１図の積層構造は中心線３０に対し導電体２
９を片側に設けて対称的に構成し、末端１９で強
磁性材料層を含む積層体に接続すると共に始端１
７の近くで信号源の１つを導電体２９に接続し、
他の１つは積層体に接続すればよい。

強磁性材料層２５の動作温度範囲における透磁
率は、導電性材料層２１及び２３の実効透磁率よ
りもずつと大きくなるよう、たとえば、 200乃至1000倍程度になるよう容易に選択する
ことができる。他方、導電性材料層２１，２３の
実効導電率は、強磁性材料層２５におけるよりも
遥かに大きい値（たとえば10乃至20倍程度）とな
るよう容易に選択し得る。高周波電流の流れる表
層深さは、電流が流れる材料の導電率に比例し、
透磁率および加えられる高周波電流の周波数とに
反比例する。強磁性材料層２５の寸法およびその
透磁率は、充分高い周波数の電流で付勢されたと
き表皮効果が電流を実質的に強磁性材料層２５に
集中するように選択することができる。

積層体１３の温度がキユリー点に向つて上昇す
るに従い、強磁性材料層２５の材料の透磁率は１
に向つて減少し、高周波電流の流れる表層深さが
増大し、強磁性材料層２５の厚さを越える。これ
は、強磁性材料層２５を流れる高周波電流の割合
をより小さくする一方、導電性材料層２１，２３
を流れる高周波電流の割合をより大きくする結果
となる。温度がキユリー点に向つて上昇するとき
起る強磁性材料層２５の表皮効果により、導電性
材料層２１，２３へ流れる電流は増大し、また温
度がキユリー点から低下する際には、導電性材料
層２１，２３を流れ電流は減少する。

積層体１３の各層で発生するジユール熱は、そ
の層の電気抵抗およびその層を流れる高周波電流
の強さの関数である。強磁性材料層２５の電気抵
抗値は導電性材料層２１，２３の実効電気抵抗よ
り実質的に高い。従つて、温度変化の関数として
起る積層体１３の各層２１，２３及び２５間の高
周波電流分布変化は、高周波電流により発生する
ジユール熱の対応変化をもたらし、低い温度では
加熱の増加を、また高い温度では加熱の減少を起
す。

よつて、本発明の積層体２１，２３，２５の第
１の利点は、全てが強磁性材料から成る構造を利
用した従来の装置で得られる自動温度調整よりも
優れた自動温度調整作用を与えることである。

強磁性合金のみを利用した従来の加熱体よりも
優れた本発明の積層体の第２の利点は、導電性材
料層２１，２３の実効熱伝導率を強磁性材料層２
５におけるよりもずつと高く選択し得ることであ
る。

このように、導電性材料層２１，２３は、組織
との接触によつて冷却されていない切断刃領域か
ら冷却されつつある領域への熱伝導を著しく増大
させることができる。これにより自動温度調整作
用を向上させる。たとえば銅、非磁性鋼と銅など
の低透磁率の導電性材料層は典型的な鉄ニツケル
強磁性合金よりも約30倍も高い熱伝導率を有する
ので、この電流の分流効果による温度調整の改善
は全てが強磁性材料で作成された従来の同様な構
造よりも著しく大きい。

切断部材自体がそこに流れる高周波電流により
電気加熱される第１図及び第２図に示した実施例
において、導電性材料層を設けた他の利点は、中
央層をより鋭利かつ、より耐久性の切断刃を設け
得るような硬度に選択し得ることである。たとえ
ば、もし中央層２１を＃302ステンレス鋼で作成
するとすれば、これは切断刃自体が電流を流して
直接にジユール熱を発生する従来の加熱体におけ
るように切断刃全体を典型的な鉄ニツケル強磁性
合金で構成したロツクウエルＣ硬度約10のものと
比較し、ロツクウエルＣ硬度30を有するであろ
う。

また、第３図の断面で示したような、切断刃の
周囲にこの種の導電性材料層として高周波電流用
導電体を配置した本発明の他の実施例によれば、
前述した積層体と同様な利点が得られることにも
注目すべきである。この実施例において、積層体
３６は２つの層３９と３７とからなつており、そ
の１つの層３７は鉄ニツケル合金のような低い導
電率と、高い磁気飽和と所定温度のキユリー点と
を有する高い透磁率の強磁性材料より成り、他方
の層３９は銅もしくは銀のような低い透磁率と高
い電気的・熱的伝導度とを有する材料より成つて
いる。積層体３６は絶縁層３８によつて切断部材
４０から電気絶縁されている。この絶縁層３８
は、熱伝導性材料で構成される。なお、切断部材
４０は、切断刃１５を有し、セラミツクもしくは
ガラスなどの非導電性材料で作成してもよい。す
べて高周波電流は、熱伝導によつて切断部材を加
熱するよう片側の積層体３６から他側の積層体３
６へと流れる。このような、導電性積層体におい
て発生するジユール熱による加熱体の自動温度調
整は、上述のメカニズムによつて達成される。

前述した実施例から明らかなように、本発明に
係る積層加熱体は、基本的に所定範囲の上限温度
近くに透磁率のキユリー転移点を有する強磁性材
料層と、この強磁性材料層に電気接触すると共に
この強磁性材料層よりも高い導電率と高い熱伝導
率とを有する導電性材料層とからなる積層体で構
成することができる。この場合、強磁性材料とし
て三成分合金（ニツケル45％／鉄46％／モリブデ
ン９％）が使用でき、導電性材料としてモリブデ
ンを好適に使用することができる。また、強磁性
材料として、Hymu80（市販品）、合金42（ニツ
ケル42％／鉄58％）および合金39（ニツケル39
％／鉄61％）を使用することもできる。また、導
電性材料として、銅およびベリリウム―銅合金を
使用することもできる。そして、これらの材料を
選択して構成される積層体は、たとえば幅2.5
mm、長さ76.2mm、厚さ0.4mmの導電性材料層の片
面に0.05mmの強磁性材料層を圧延被覆することに
よつて容易に製作することができる。

また、このように製作された積層体に対して
は、たとえば９〜10MHzの高周波電流を供給し
て、200〜300℃の範囲内の所定値で自動温度調整
機能を発揮することが確認された。

〔発明の効果〕

前述したように、本発明によれば、被加熱体の
設定すべき温度に対し、この設定温度と略等しい
温度で透磁率のキユリー転移点を有する強磁性材
料層と、高い導電率と高い熱伝導率とを有する高
導電性材料層とを積層し、この積層体に高周波電
流を供給することにより、前記積層体の温度を強
磁性材料のキユリー点温度に極めて効率良く自動
温度調節することができる。この場合、強磁性材
料層の厚さは、前記積層体がキユリー点より低い
温度にある際強磁性材料の透磁率の増大に伴う表
層深さより若干大きく設定し、また積層体がキユ
リー点より高い温度にある際強磁性材料の透磁率
の減少に伴う表層深さが前記強磁性材料層の全部
に達し、かつ高周波電流の一部が高導電性材料層
に分流するような厚さに設定することが重要であ
る。従つて、このように構成された積層体は、前
述した強磁性材料のキユリー点を中心とする温度
変化に対し、強磁性材料に供給される高周波電流
の割合に応じて発生すジユール熱が変化し、好適
な加熱・冷却サイクルが繰返されて、自動温度調
節効果が発揮される。

上記した自動調整式加熱システムは、止血と同
時に手術を行う外科手術用、或いは狭い範囲内の
加熱温度を必要とする多くの工業的プロセス等に
有益である。

プロセス等に有益である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例による切断装置の平面
図、第２図は第１図の装置の２―２線断面図、第
３図は本発明の他の実施例の断面図である。 １１……把手部、１３……積層体、１５……切
断刃、１７……始端、１９……末端、２１，２３
……導電性材料層、２５……強磁性材料層、２７
……電気絶縁層、２９……導電体、３０……中心
線、３６……積層体、３７……層、３８……絶縁
層、３９……層、４０……切断部材。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 被加熱体の温度を所定範囲に自動調整する積
   層電気加熱体において、前記所定範囲の上限温度
   近くに透磁率のキユリー転移点を有する強磁性材
   料層と、この強磁性材料層に電気接触すると共に
   この強磁性材料層よりも高い導電率と高い熱伝導
   率とを有する導電性材料層とにより積層体を構成
   し、前記積層体に高周波電流源を接続することを
   特徴とする積層電気加熱体。