熱交換器及びそれを備えた人工肺装置
【課題】伝熱細管の内腔における熱媒体液の流れを適切に制御して、熱交換領域の容積の増大を抑制しながら、熱交換効率を向上させる。
【解決手段】複数本の伝熱細管１が配列され積層された細管束からなる熱交換モジュール２と、細管束の長手方向中央部を横断して被熱交換液を流通させる熱交換流路５を形成し、細管束の両端は露出させて細管束を封止したシール部材３ａ〜３ｃと、細管束の両端部に熱媒体液を導入、導出するための伝熱細管ヘッダー６〜８を有し、熱交換流路の両端部に被熱交換液導入口、導出口９、１０を有するハウジング４とを備える。熱交換モジュールは熱交換流路の流路方向において分割されて、各々が複数本の伝熱細管を含む複数段の細管束ユニット２ａ、２ｂが形成され、隣接する細管束ユニットとの間で各々に属する伝熱細管が互いに交差する。伝熱細管ヘッダーにより、熱媒体液が複数組の細管束ユニットを順次通過する。
【解決手段】複数本の伝熱細管１が配列され積層された細管束からなる熱交換モジュール２と、細管束の長手方向中央部を横断して被熱交換液を流通させる熱交換流路５を形成し、細管束の両端は露出させて細管束を封止したシール部材３ａ〜３ｃと、細管束の両端部に熱媒体液を導入、導出するための伝熱細管ヘッダー６〜８を有し、熱交換流路の両端部に被熱交換液導入口、導出口９、１０を有するハウジング４とを備える。熱交換モジュールは熱交換流路の流路方向において分割されて、各々が複数本の伝熱細管を含む複数段の細管束ユニット２ａ、２ｂが形成され、隣接する細管束ユニットとの間で各々に属する伝熱細管が互いに交差する。伝熱細管ヘッダーにより、熱媒体液が複数組の細管束ユニットを順次通過する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱交換器、特に人工心肺装置等の医療機器に用いるのに適した熱交換器、及びそれを備えた人工肺装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
心臓手術においては、患者の心臓を停止させ、その間の呼吸及び循環機能を代行するために、人工心肺装置が用いられている。また、手術中は患者の酸素消費量を減少させるため、患者の体温を低下させ、それを維持する必要がある。このため、人工心肺装置には、患者から取り出した血液の温度を制御するための熱交換器が備えられている。
【０００３】
このような医療用の熱交換器としては、従来、蛇腹管式の熱交換器や、多管式の熱交換器（例えば、特許文献１参照）が知られている。このうち、多管式の熱交換器は、蛇腹管式の熱交換器と装置容積が同じであるとすると、熱交換面積が大きく得られるため、蛇腹管式の熱交換器に比べて熱交換効率が高いという利点がある。
【０００４】
従来例の多管式の熱交換器について、図８Ａ〜図８Ｄを参照して説明する。図８Ａは多管式の熱交換器上面図、図８Ｂは側面図、図８Ｃは正面図である。図８Ｄは、熱交換器のハウジング内部を示す斜視図であり、部分的に断面で示されている。
【０００５】
この熱交換器は、熱媒体液である冷温水を流す複数本の伝熱細管１０１から構成される熱交換モジュール１０２と、熱交換モジュール１０２を封止したシール部材１０３ａ〜１０３ｃと、それらを収容したハウジング１０４とから構成されている。
【０００６】
複数本の伝熱細管１０１は、平行に配列され積層されて細管束を形成している。図８Ａ及び８Ｄに示すように、中央部のシール部材１０３ｃは、熱交換モジュール１０２の長手方向中央部に、各々の伝熱細管１０１の表面を横断して被熱交換液である血液を流通させるための熱交換流路として、円形断面を有する血液流路１０５を形成している。両端部のシール部材１０３ａ、１０３ｂは各々、熱交換モジュール１０２の両端を露出させている。
【０００７】
ハウジング１０４には、血液流路１０５の両端に面して、血液をハウジング内に導くための血液導入口１０６と、血液をハウジングから導出するための血液導出口１０７とが設けられている。また、シール部材１０３ａ〜１０３ｃのそれぞれの間には、間隙１０８が設けられ、ハウジング１０４には、間隙１０８に対応する漏液排出孔１０９が設けられている。
【０００８】
以上の構成において、血液を、血液導入口１０６から流入させて血液流路１０５を通り血液導出口１０７から流出するように流動させる。同時に、図８Ａ、図８Ｂに示すように冷温水を、熱交換モジュール１０２の露出された一端から流入させて、露出された他端から流出するように流動させる。それにより、血液流路１０５において、血液と冷温水の間で熱交換が行われる。
【０００９】
漏液排出孔１０９は、シール漏れによって血液あるいは冷温水が漏洩した場合に、適切に排出するために設けられている。例えば、第３のシール部材１０３ｃのシール漏れによって血液が漏洩した場合に、漏洩した血液が間隙１０８に一旦溜まった後、熱交換器の外部へと排出される。また、第１のシール部材１０３ａ又は第２のシール部材１０３ｂのシール漏れによって冷温水が漏洩した場合も、漏洩した冷温水は間隙１０８を通じて漏液排出孔１０９から熱交換器の外部へと排出される。これにより、血液が漏洩した場合、及び冷温水が漏洩した場合のいずれの場合においても、即座にシール漏れを検知でき、また、血液汚染の発生を防止できる。
【特許文献１】特開２００５−２２４３０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上述のような多管式の熱交換器に対して、熱交換効率を更に向上させることが要求されている。すなわち、血液流路１０５を含む熱交換領域における血液充填量を極力少なくし、しかも、十分な熱交換能を得るためには、熱交換効率を向上させる必要があるからである。
【００１１】
本発明者らが検討した人工肺用の熱交換器の場合、実用上、熱交換効率が０．４３以上であることが望ましいことが判った。この目標値をクリアするために必要な熱交換面積は、血液流量２Ｌ／ｍｉｎのときに０．０１４ｍ2であった。これを、熱交換器の能力を血液流量７Ｌ／ｍｉｎに向上させた構造に適用した場合、熱交換面積シミュレーションの結果、０．４３以上の熱交換効率を得るためには０．０４９ｍ2の熱交換面積が必要であることが判った。
【００１２】
例えば外径が１．２５ｍｍの伝熱細管１を用いた場合、計算によれば、伝熱細管１０１の積層数（細管層数）を６層にすれば、０．０５７ｍ2の熱交換面積が得られることが算出された。しかし、そのような６層構成の熱交換モジュール１０２を用い、血液流路１０５の開口径を７０ｍｍとして熱交換効率を測定したところ、０．２４という、目標値よりはるかに低い値しか得られなかった。
【００１３】
そこで、外径が１．２５ｍｍの伝熱細管１０１を用い、血液流路１０５の開口径を７０ｍｍとして、細管層数を種々に増大させた熱交換モジュールを作製し、熱交換効率を測定したところ、熱交換効率０．４３をクリアするためには、細管層数を１８層以上にする必要があることが判った。なお、測定条件は、熱交換領域入口での血液温度を３０±１℃、冷温水温度を４０±１℃、冷温水流量を１５Ｌ／ｍｉｎ、血液流量を７Ｌ／ｍｉｎとした。しかし、上述の条件で細管層数を１８層にすると、熱交換領域における血液充填量が４２．３ｍＬとなり、血液充填量の望ましい値である３０ｍＬをはるかに超えることになる。血液充填量を３０ｍＬ以下にするためには、計算によれば、細管層数を１３層以下にしなければならない。
【００１４】
このように、単純に熱交換面積を大きくすることでは、所望の熱交換効率を得ることは困難である。そのため、熱交換効率を低下させると思われる原因について分析を行った。熱交換効率を低下させる原因としては、下記の５項目が考えられた。
【００１５】
原因１：遠心力による針管のたわみ
原因２：血液の偏流
原因３：冷温水の偏流
原因４：シール部材の熱容量による放熱
原因５：冷温水流速の影響
（原因１）は、シール部材をポッティングにより形成する際に、遠心力により針管がたわんで伝熱細管の配列ピッチが不均一になることである。（原因２）及び（原因３）は、血液あるいは冷温水の流れが、熱交換領域における位置によって相違することである。（原因４）は、シール部材との接合に起因する伝熱細管からの放熱である。（原因５）は、伝熱細管の内腔を流れる冷温水の流速の影響である。
【００１６】
実験の結果、（原因１）〜（原因４）については、熱交換効率の低下に対して、有意な程度の影響がないことが判った。（原因５）については、熱交換効率の低下に影響を与えることが判った。これは、冷温水の流速が境膜抵抗の変化に影響を与えることによるものと考えられる。
【００１７】
そこで本発明は、伝熱細管の内腔における熱媒体液の流れを適切に制御して、熱交換領域の容積を小さく抑制しながら、熱交換効率を向上させることが可能な熱交換器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明の熱交換器は、熱媒体液を流通させるための複数本の伝熱細管を配列し積層して形成された細管束により構成された熱交換モジュールと、前記細管束の長手方向中央部を横断して被熱交換液を流通させるための熱交換流路を形成し、かつ前記細管束の両端は露出させて前記細管束を封止したシール部材と、前記熱交換モジュール及び前記シール部材が収容され、前記細管束の両端に面して前記熱媒体液を導入または導出するための伝熱細管ヘッダーを有し、前記熱交換流路の両端に面して被熱交換液導入口および被熱交換液導出口を有するハウジングとを備える。
【００１９】
上記課題を解決するために、前記熱交換モジュールは前記熱交換流路の流路方向において分割されて、各々が複数本の前記伝熱細管を含む複数段の細管束ユニットの積層構造が形成され、前記複数段の細管束ユニットは、隣接する前記細管束ユニットとの間で各々に属する前記伝熱細管が互いに交差するように配置され、前記伝熱細管ヘッダーは、前記熱媒体液が前記複数組の細管束ユニットを順次通過するように構成される。
【発明の効果】
【００２０】
上記本発明の熱交換器の構成によれば、熱交換モジュールは熱交換流路の流路方向において分割されて、複数段の細管束ユニットの積層構造が形成され、熱媒体液が、複数組の細管束ユニットを順次通過するように構成されているので、各細管束ユニットの伝熱細管を流れる冷温水の流速を大きくすることができる。その結果、伝熱細管の内壁における境膜抵抗が低減され、熱交換領域の容積の増大を抑制しながら、熱交換効率を向上させることが可能となる。
【００２１】
更に、隣接する細管束ユニットとの間で、各々に属する伝熱細管が互いに交差しているので、各細管束ユニットに対する伝熱細管ヘッダーの配置が容易である。すなわち、細管束ユニットの相互間隔を確保するためのスペーサを用いることなく、各ヘッダーを設けることが可能である。そのため、隣接する細管束ユニットの間で、伝熱細管の間隔を最小限にすることができ、熱交換流路の容積を小さくして、被熱交換液の充填量を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本発明の熱交換器は、上記構成を基本として、以下のように変更された態様をとることができる。
【００２３】
すなわち、前記細管束ユニットの前記熱交換流路の流路方向における端部に位置する前記伝熱細管と、隣接する前記細管束ユニットの前記熱交換流路の流路方向における端部に位置する前記伝熱細管の間の間隔は、前記伝熱細管の直径の２倍以下であることが好ましい。
【００２４】
また、前記熱媒体液が、前記熱交換流路の下流側に配置された下流段の前記細管束ユニットから上流側に配置された上流段の前記細管束ユニットに向かって順次通過するように、前記伝熱細管ヘッダーが構成されることが好ましい。
【００２５】
この場合に、前記熱媒体液を隣接する前記細管束ユニットに向けて導出するため、または隣接する前記細管束ユニットから導入するための前記伝熱細管ヘッダーは、当該隣接する前記細管束ユニットに隣接する側の側端部に導出口または導入口を有することが好ましい。
【００２６】
また、前記熱交換モジュールは、２段または３段の前記細管束ユニットに分割されることが好ましい。
【００２７】
上記いずれかの構成の熱交換器と、ガス流路と交差してガス交換を行うための血液流路を有する人工肺とを備え、前記熱交換器と前記人工肺とは積層されて、前記熱交換器の前記熱交換流路と前記人工肺の前記血液流路が連通している人工肺装置を構成することができる。
【００２８】
以下、本発明の実施の形態における熱交換器について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施の形態は、人工心肺装置等の医療機器用であって、患者から脱血した血液の温度調整に用いられる熱交換器を例として記述される。
【００２９】
（実施の形態１）
図１Ａは、実施の形態１における熱交換器を示す平面図である。図１Ｂは、図１ＡのＡ−Ａ断面図である。この熱交換器は、熱媒体液として冷温水を流通させるための複数本の伝熱細管１から構成された熱交換モジュール２と、熱交換モジュール２を封止したシール部材３ａ〜３ｃと、それらを収容したハウジング４とから構成されている。熱交換モジュール２は、交差配列された２段の細管束ユニット２ａ、２ｂに分割されている。
【００３０】
図２Ａ、図２Ｂは、構造を理解し易く示するために、図１Ａ、図１Ｂからハウジング４を除去して熱交換モジュール２とシール部材３ａ〜３ｃのみを示した図である。図２Ａは平面図、図２Ｂは側面図である。同図に示すように、２段の細管束ユニット２ａ、２ｂは、各々３層の伝熱細管１を含む。細管束ユニット２ａ、２ｂの各々における複数本の伝熱細管１は、平行に配列され積層されて細管束を形成し、各段間では、互いに伝熱細管１の管軸方向が直交している。
【００３１】
細管束ユニット２ａ、２ｂの各々の伝熱細管１の内腔には、冷温水が流される。中央部のシール部材３ｂは、熱交換モジュール２の長手方向中央部に、各々の伝熱細管１の表面を横断して被熱交換液である血液を流通させるための熱交換流路として、円形断面を有する血液流路５を形成している。両端部のシール部材３ａ、３ｃは、細管束ユニット２ａ、２ｂの各々の両端を露出させている。
【００３２】
図１Ａ、図１Ｂに示すように、ハウジング４は、細管束ユニット２ａ、２ｂの各々の両端に面して、冷温水を導入、導出するための伝熱細管ヘッダーを有する。すなわち、細管束ユニット２ａの一端部に冷温水導入ヘッダー６が、他端部に冷温水導出ヘッダー７Ａが設けられている。細管束ユニット２ｂの一端部には冷温水導入ヘッダー７Ｂが、他端部には冷温水導出ヘッダー８が設けられている。冷温水導出ヘッダー７Ａと冷温水導入ヘッダー７Ｂは、互いに隣接する側の側端部にそれぞれ導出口及び導入口を有し、その導出口及び導入口間が連通部７Ｃにより連結されている。
【００３３】
ハウジング４は更に、血液流路５の両端に面して血液導入口９、および血液導出口１０（図１Ｂ参照）を有する。冷温水導入ヘッダー６、及び冷温水導出ヘッダー８にはそれぞれ、冷温水導入ポート１１、及び冷温水導出ポート１２が設けられている。また、シール部材３ａ〜３ｃのそれぞれの間には、間隙１３が設けられ、ハウジング４には、間隙１３に対応する漏液排出孔１４が設けられている。
【００３４】
冷温水導入ヘッダー６、７Ｂ、及び冷温水導出ヘッダー７Ａ、８は、細管束ユニット２ａ、２ｂの両端部のシール部材３ａ、３ｂから露出した細管束の端部をそれぞれ包囲する空室６ａ、７ｂ、７ａ、８ａを形成している。空室７ａ、７ｂは、連通部７Ｃにより連通している。従って、導入され導出される冷温水は全て、冷温水導入ヘッダー６、７Ｂ、及び冷温水導出ヘッダー７Ａ、８を経由して流動する。
【００３５】
冷温水導入ポート１１から冷温水導出ヘッダー６の空室６ａに導入された冷温水は、細管束ユニット２ａの伝熱細管１の内腔を通って、冷温水導出ヘッダー７Ａの空室７ａに流れ込む。そこから連通部７Ｃを経由して冷温水導入ヘッダー７Ｂの空室７ｂに流れ込み、細管束ユニット２ｂの伝熱細管１通って、冷温水導出ヘッダー８の空室８ａに至り、冷温水導出ポート１２から流出する。
【００３６】
以上の構成において、血液を、血液導入口９から血液流路５に流入させて、血液導出口１０から流出するように流動させる。同時に、冷温水を、冷温水導入ポート１１から熱交換モジュール２に流入させて、冷温水導出ポート１２から流出するように流動させる。それにより、血液流路５において、血液と冷温水の間で熱交換が行われる。また、血液が漏洩した場合、及び冷温水が漏洩した場合のいずれの場合においても、従来例と同様、間隙１３により即座にシール漏れを検知でき、また、血液汚染の発生を防止できる。
【００３７】
上述のとおり、冷温水導入ヘッダー６、７Ｂ、連通部７Ｃ、及び冷温水導出ヘッダー７Ａ、８は、導入される冷温水が、２段の細管束ユニット２ａ、２ｂを順次通過するように構成されている。このように、導入される冷温水が、分割された複数組の細管束ユニットを順次通過する構成を、以降の記載においては分割通流と称する。これに対して従来例のように、導入される冷温水が冷温水導入ヘッダーにおいて全ての伝熱細管１に一斉に流入する構成を一斉通流と称する。
【００３８】
分割通流を採用することにより、一斉通流の場合に比べて、冷温水流量が同一であれば、細管束ユニット２ａ、２ｂの各々の伝熱細管１を流れる冷温水の流速を大きくすることができる。それにより、伝熱細管１の内壁における境膜抵抗が低減され、熱交換効率を向上させることができる。
【００３９】
また、本実施の形態においては、細管束ユニットの垂直折り返し構造、すなわち、熱交換モジュール２が血液の流通方向すなわち垂直方向において分割されて、複数段（２段）の細管束ユニットが形成された構造が採用されている。しかも冷温水は、血液流路５の下流側に配置された下流段の細管束ユニット２ａから、上流段の細管束ユニット２ｂに向かって、順次経由して流動する。これにより、血流に対して冷温水の流れが向流になり、より高い熱交換効率を得るために効果的である。
【００４０】
以上のように、分割通流により熱交換効率が向上する効果について実験した結果を、図３に示す。図３における「分割並流」及び「分割向流」が、本実施の形態による分割通流の場合を示す。「分割向流」は、図１Ｂに示したような、熱媒体液の流通方向に熱交換モジュールが分割され、熱媒体液が向流となるように設定された場合である。「分割並流」は、分割の態様は同様であるが、熱媒体液が血液の流通と同じ向きである並流となるように設定された場合を示す。いずれの場合も、血液流路５の開口径は７０ｍｍ、伝熱細管１の層数は１２層とした。
【００４１】
図３から、一斉通流の場合に比べて、分割通流である分割並流及び分割向流の場合の熱交換効率が高いことが判る。これは、上述のように、分割通流の方が伝熱細管１を流れる冷温水の流速が大きいことにより、境膜抵抗が低減するためである。また、分割並流の場合よりも分割向流の場合の方が熱交換効率が高い結果が得られている。一斉通流に対して、分割並流の場合は熱交換効率が３６％向上し、分割向流の場合は熱交換効率が５４％向上している。
【００４２】
図４は、細管束ユニットの分割および折り返し構造の態様と熱交換係数の関係を示す図である。本実施の形態の垂直折り返しの場合について、従来例の一斉通流（折り返しなし）、及び水平折り返し（２分割、及び３分割）の構成の熱交換係数と比較した結果を示す。水平折り返し（３分割）の場合は、３分割の中央部の細管束ユニットに冷温水を流入させて、両側の細管束ユニットから同時に流出させる構造とした。なお、いずれの場合も、血液流路５の開口径は７０ｍｍ、伝熱細管１の層数は１２層とした。
【００４３】
図４に示されるとおり、折り返しなしの場合に比べて、水平折り返し（２分割）、水平折り返し（３分割）の場合は、熱交換係数がそれぞれ７％、１１％向上した。更に、垂直折り返しの場合は、折り返しなしの場合に比べて熱交換係数が３３％向上した。このように、垂直折り返しの場合は、水平折り返しと比べて冷温水を向流に流すことができるため、熱交換効率が向上する。
【００４４】
また、本実施の形態によれば、熱交換モジュール２は垂直折り返し構造を有するとともに、細管束ユニット２ａ、２ｂは、各々に属する伝熱細管１が互いに交差するように配置されている。それにより、細管束ユニット２ａ、２ｂに属する伝熱細管１が全て平行に配置された場合に比べると、細管束ユニット２ａ、２ｂの相互間隔を確保するためのスペーサを用いることなく、各ヘッダーを設けることが可能である。そのため、血液流路５の流路方向における、細管束ユニット２ａ、２ｂの間で隣接する伝熱細管１の間隔を最小限にすることができる。例えば、細管束ユニット２ａ、２ｂの間で隣接する伝熱細管１の間隔を、伝熱細管１の直径の２倍以下にすることが可能である。従って、血液流路５の容積を小さくして、血液充填量を抑制することができる。また、スペーサが不要となることで、製造が容易であり、コストの面でも有利となる。
【００４５】
なお、上述の実施の形態では、細管束ユニット２ａ、２ｂを、各々に属する伝熱細管１どうしが直交する配置の例を示したが、冷温水導入ヘッダー６、連通ヘッダー７、及び冷温水導出ヘッダー８の配置が可能な範囲であれば、より小さな角度で交差させた配置により、同様の効果を得ることも可能である。
【００４６】
また、上述の図面には図示されていないが、ハウジング４は、例えばハウジング底部とハウジング上部のように分割して形成され、熱交換モジュール２等を収容して一体に結合させる構造を有する。
【００４７】
本実施の形態において、伝熱細管１を構成する材料としては、例えばステンレス鋼等の金属材料が好適である。ハウジング４の材料としては、例えば、ポリカーボネート樹脂のような樹脂材料を用いることができる。シール部材３ａ〜３ｃを形成するための樹脂材料としては、例えば、シリコン樹脂、ポリウレタン樹脂、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂を用いることができる。このうち、伝熱細管１を構成する材料（例えば、金属材料）やハウジング４を構成する材料との接着性に優れている点からは、ポリウレタン樹脂やエポキシ樹脂が好ましい。
【００４８】
（実施の形態２）
図５Ａは、実施の形態２における熱交換器を構成する熱交換モジュール２０を示す平面図である。図５Ｂは、図５ＡのＢ−Ｂ断面図である。実施の形態１の図１Ａ等に示した要素と同様の要素については、同一の参照符号を付して、説明の繰り返しを省略する。
【００４９】
本実施の形態における熱交換モジュール２０は、実施の形態１と同様の垂直折り返し構造であり、３段の細管束ユニット２ａ〜２ｃが積層された構成を有する。なお、図５Ａ、５Ｂでは、図の見易さのためハウジングを省略した状態が示されている。ハウジングに、冷温水導入ヘッダー、連通部、及び冷温水導出ヘッダーを設けて、細管束ユニット２ａ〜２ｃを連通させるために、実施の形態１と同様の構造を適用することは容易である。
【００５０】
図５Ａ、５Ｂに矢印で示すように、細管束ユニット２ａ〜２ｃを順次経由して冷温水を流すとともに、血液流路５に血液を流して、熱交換を行わせる。従って、実施の形態１と同様に、導入される冷温水が、分割された３段の細管束ユニット２ａ〜２ｃを順次通過する分割通流の形態が得られる。それにより、一斉通流の場合に比べて、伝熱細管１を流れる冷温水の流速を大きくすることができ、伝熱細管１の内壁における境膜抵抗が低減され、熱交換効率を向上させることができる。
【００５１】
図６に、熱交換モジュール２を垂直折り返し構造にした場合の、細管束ユニットの段数、及び各細管束ユニットを構成する伝熱細管１の層数による効果の相違について検討した結果を示す。
【００５２】
図６の（ａ）は、細管束ユニットの段数が２段、すなわち冷温水の流れを折り返す段数が２段の場合である。また、各段の細管束ユニットを構成する伝熱細管が３層（積層本数）、４層、５層、及び６層の場合の熱交換効率の測定結果を示す。図６の（ｂ）は、折り返し細管束ユニットの段数が３段の場合である。各段の細管束ユニットを構成する伝熱細管が２層、３層、及び４層の場合の熱交換効率の測定結果を示す。横軸の下部に示したＥＳＡは、有効膜面積（Effective Surface Area）、Ｕは熱媒体の流速を示す。図６から、折り返し細管束ユニット段数は、（ａ）の２段の場合に比べて、（ｂ）の３段の場合の方が高い熱交換効率を得易いことが判る。
【００５３】
折り返し細管束ユニット段数が３段の場合、細管束ユニットを構成する伝熱細管の層数が２層、すなわち図３の（ｂ）の左端の２−２−２層の構成の場合、３層、及び４層の場合に比べて若干熱交換効率が劣る。しかし、２段の場合に比べれば高い熱交換効率を得ることが可能である。しかも、３段を合計した伝熱細管の層数は６層であり、これに対応する伝熱細管層数を有する２段で３−３層の構成に比べれば、十分に高い熱交換効率が得られる。伝熱細管層数が同一ということは、血液充填量がほぼ同一であることを意味する。従って、２−２−２層の構成によれば、血液充填量を抑制しながら、熱交換効率を向上させることが可能であることが判る。
【００５４】
また、３段の場合に、細管束ユニットを構成する伝熱細管の層数が３層と４層との間では、熱交換効率に有意な差は見られないことが判る。但し、４段以上はオーバースペックであり、圧損の増大のため、流量も増えない。この結果を考慮すれば、３層の伝熱細管により構成された細管束ユニットを３段に積層した場合に、実用上最も良好な構造が得られることが判る。
【００５５】
（実施の形態３）
図７は、実施の形態３における人工心肺装置を示す断面図である。この人工心肺装置は、実施の形態１における構造の熱交換器３０を人工肺４０と組み合わせて構成されている。但し、熱交換器３０に代えて、実施の形態２における熱交換器を備えた構成とすることもできる。
【００５６】
熱交換器３０は、人工肺４０の上に積層されており、人工肺４０のハウジング３１に熱交換器３０のハウジング４が結合されている。但し、熱交換器３０のハウジング４と人工肺４０のハウジング３１が一体に形成された構造とすることもできる。人工肺４０の領域には、酸素ガスを導入するためガス導入路３２、血液中の二酸化炭素等を導出するためのガス導出路３３が設けられている。
【００５７】
人工肺４０は、複数本の中空糸膜３４と、シール部材３５とを備えている。シール部材３５は、ガス導入路３２やガス導出路３３に血液が侵入しないように、中空糸膜３４をシールしている。シール部材３５によるシールは、中空糸膜３４を構成する中空糸の両端が露出するように行われている。ガス導入路３２とガス導出路３３とは、中空糸膜３４を構成する中空糸によって連通している。
【００５８】
また、人工肺４０においてシール部材３５の存在していない空間は、血液流路３６を構成しており、血液流路３６内には中空糸膜３４が露出している。更に、血液流路３６の血液入口側は、熱交換器３０の血液流路５の出口側に連通している。
【００５９】
以上の構成により、血液流路５を通って熱交換された血液は、血液流路３６へと流れ込み、そこで、中空糸膜３４に接触する。このとき、血液には、中空糸膜３４を流れる酸素ガスが取り込まれる。また、酸素ガスが取り込まれた血液は、ハウジング３１に設けられた血液導出口３３から、外部に導出され、患者に返血される。一方、血液中の二酸化炭素は、中空糸膜３４に取り込まれ、その後、ガス導出路３３によって導出される。
【００６０】
このように、図７に示す人工心肺装置においては、熱交換器３０によって血液の温度調整が行われ、温度調整が行われた血液は人工肺４０によってガス交換される。また、このとき、熱交換器３０にシール漏れが発生し、伝熱細管１を流れる冷温水が流出しても、冷温水は間隙１０に溜まり、その後、外部に排出される。このため、図７に示す人工心肺装置によれば、シール漏れを検知でき、又冷温水による血液の汚染を抑制できる。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本発明によれば、伝熱細管を流れる冷温水の流速を大きくできるので、伝熱細管の内壁における境膜抵抗を低減して、熱交換領域の容積の増大を抑制しながら、熱交換効率を向上させることが可能であり、人工心肺装置等に用いる熱交換器として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１Ａ】実施の形態１における熱交換器の構成を示す上面図
【図１Ｂ】同熱交換器のＡ−Ａ断面図
【図２Ａ】同熱交換器の熱交換モジュールの構成を示す上面図
【図２Ｂ】同熱交換モジュールの側面図
【図３】熱交換モジュールの分割通流による熱交換係数の向上効果を示す図
【図４】細管束ユニットの分割および折り返し構造の態様と熱交換係数の関係を示す図
【図５Ａ】実施の形態２における熱交換器の構成を示す上面図
【図５Ｂ】同熱交換器の構成を断面で示した側面図
【図６】細管束ユニットの折り返し段数と熱交換係数の関係を示す図
【図７】実施の形態３における人工心肺装置を示す断面図
【図８Ａ】従来例の熱交換器の構成を示す上面図
【図８Ｂ】同熱交換器の構成を示す側面図
【図８Ｃ】同熱交換器の構成を示す正面図
【図８Ｄ】同熱交換器におけるハウジング内部を一部断面で示す斜視図
【符号の説明】
【００６３】
１、１０１ 伝熱細管
２、２０、１０２ 熱交換モジュール
２ａ〜２ｃ 細管束ユニット
３ａ〜３ｃ、１０３ａ〜１０３ｃ シール部材
４、１０４ ハウジング
５、１０５ 血液流路
６、７Ｂ 冷温水導入ヘッダー
６ａ、７ａ、７ｂ、８ａ 空室
７Ｃ 連通部
７ａ、７ｂ 空室
８、７Ａ 冷温水導出ヘッダー
８ａ 空室
９、１０６ 血液導入口
１０、１０７ 血液導出口
１１ 冷温水導入ポート
１２ 冷温水導出ポート
１３、１０８ 間隙
１４、１０９ 漏液排出孔
３０ 熱交換器
３１ ハウジング
３２ ガス導入路
３３ ガス導出路
３４ 中空糸膜
３５ シール部材
３６ 血液流路
４０ 人工肺
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱交換器、特に人工心肺装置等の医療機器に用いるのに適した熱交換器、及びそれを備えた人工肺装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
心臓手術においては、患者の心臓を停止させ、その間の呼吸及び循環機能を代行するために、人工心肺装置が用いられている。また、手術中は患者の酸素消費量を減少させるため、患者の体温を低下させ、それを維持する必要がある。このため、人工心肺装置には、患者から取り出した血液の温度を制御するための熱交換器が備えられている。
【０００３】
このような医療用の熱交換器としては、従来、蛇腹管式の熱交換器や、多管式の熱交換器（例えば、特許文献１参照）が知られている。このうち、多管式の熱交換器は、蛇腹管式の熱交換器と装置容積が同じであるとすると、熱交換面積が大きく得られるため、蛇腹管式の熱交換器に比べて熱交換効率が高いという利点がある。
【０００４】
従来例の多管式の熱交換器について、図８Ａ〜図８Ｄを参照して説明する。図８Ａは多管式の熱交換器上面図、図８Ｂは側面図、図８Ｃは正面図である。図８Ｄは、熱交換器のハウジング内部を示す斜視図であり、部分的に断面で示されている。
【０００５】
この熱交換器は、熱媒体液である冷温水を流す複数本の伝熱細管１０１から構成される熱交換モジュール１０２と、熱交換モジュール１０２を封止したシール部材１０３ａ〜１０３ｃと、それらを収容したハウジング１０４とから構成されている。
【０００６】
複数本の伝熱細管１０１は、平行に配列され積層されて細管束を形成している。図８Ａ及び８Ｄに示すように、中央部のシール部材１０３ｃは、熱交換モジュール１０２の長手方向中央部に、各々の伝熱細管１０１の表面を横断して被熱交換液である血液を流通させるための熱交換流路として、円形断面を有する血液流路１０５を形成している。両端部のシール部材１０３ａ、１０３ｂは各々、熱交換モジュール１０２の両端を露出させている。
【０００７】
ハウジング１０４には、血液流路１０５の両端に面して、血液をハウジング内に導くための血液導入口１０６と、血液をハウジングから導出するための血液導出口１０７とが設けられている。また、シール部材１０３ａ〜１０３ｃのそれぞれの間には、間隙１０８が設けられ、ハウジング１０４には、間隙１０８に対応する漏液排出孔１０９が設けられている。
【０００８】
以上の構成において、血液を、血液導入口１０６から流入させて血液流路１０５を通り血液導出口１０７から流出するように流動させる。同時に、図８Ａ、図８Ｂに示すように冷温水を、熱交換モジュール１０２の露出された一端から流入させて、露出された他端から流出するように流動させる。それにより、血液流路１０５において、血液と冷温水の間で熱交換が行われる。
【０００９】
漏液排出孔１０９は、シール漏れによって血液あるいは冷温水が漏洩した場合に、適切に排出するために設けられている。例えば、第３のシール部材１０３ｃのシール漏れによって血液が漏洩した場合に、漏洩した血液が間隙１０８に一旦溜まった後、熱交換器の外部へと排出される。また、第１のシール部材１０３ａ又は第２のシール部材１０３ｂのシール漏れによって冷温水が漏洩した場合も、漏洩した冷温水は間隙１０８を通じて漏液排出孔１０９から熱交換器の外部へと排出される。これにより、血液が漏洩した場合、及び冷温水が漏洩した場合のいずれの場合においても、即座にシール漏れを検知でき、また、血液汚染の発生を防止できる。
【特許文献１】特開２００５−２２４３０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上述のような多管式の熱交換器に対して、熱交換効率を更に向上させることが要求されている。すなわち、血液流路１０５を含む熱交換領域における血液充填量を極力少なくし、しかも、十分な熱交換能を得るためには、熱交換効率を向上させる必要があるからである。
【００１１】
本発明者らが検討した人工肺用の熱交換器の場合、実用上、熱交換効率が０．４３以上であることが望ましいことが判った。この目標値をクリアするために必要な熱交換面積は、血液流量２Ｌ／ｍｉｎのときに０．０１４ｍ2であった。これを、熱交換器の能力を血液流量７Ｌ／ｍｉｎに向上させた構造に適用した場合、熱交換面積シミュレーションの結果、０．４３以上の熱交換効率を得るためには０．０４９ｍ2の熱交換面積が必要であることが判った。
【００１２】
例えば外径が１．２５ｍｍの伝熱細管１を用いた場合、計算によれば、伝熱細管１０１の積層数（細管層数）を６層にすれば、０．０５７ｍ2の熱交換面積が得られることが算出された。しかし、そのような６層構成の熱交換モジュール１０２を用い、血液流路１０５の開口径を７０ｍｍとして熱交換効率を測定したところ、０．２４という、目標値よりはるかに低い値しか得られなかった。
【００１３】
そこで、外径が１．２５ｍｍの伝熱細管１０１を用い、血液流路１０５の開口径を７０ｍｍとして、細管層数を種々に増大させた熱交換モジュールを作製し、熱交換効率を測定したところ、熱交換効率０．４３をクリアするためには、細管層数を１８層以上にする必要があることが判った。なお、測定条件は、熱交換領域入口での血液温度を３０±１℃、冷温水温度を４０±１℃、冷温水流量を１５Ｌ／ｍｉｎ、血液流量を７Ｌ／ｍｉｎとした。しかし、上述の条件で細管層数を１８層にすると、熱交換領域における血液充填量が４２．３ｍＬとなり、血液充填量の望ましい値である３０ｍＬをはるかに超えることになる。血液充填量を３０ｍＬ以下にするためには、計算によれば、細管層数を１３層以下にしなければならない。
【００１４】
このように、単純に熱交換面積を大きくすることでは、所望の熱交換効率を得ることは困難である。そのため、熱交換効率を低下させると思われる原因について分析を行った。熱交換効率を低下させる原因としては、下記の５項目が考えられた。
【００１５】
原因１：遠心力による針管のたわみ
原因２：血液の偏流
原因３：冷温水の偏流
原因４：シール部材の熱容量による放熱
原因５：冷温水流速の影響
（原因１）は、シール部材をポッティングにより形成する際に、遠心力により針管がたわんで伝熱細管の配列ピッチが不均一になることである。（原因２）及び（原因３）は、血液あるいは冷温水の流れが、熱交換領域における位置によって相違することである。（原因４）は、シール部材との接合に起因する伝熱細管からの放熱である。（原因５）は、伝熱細管の内腔を流れる冷温水の流速の影響である。
【００１６】
実験の結果、（原因１）〜（原因４）については、熱交換効率の低下に対して、有意な程度の影響がないことが判った。（原因５）については、熱交換効率の低下に影響を与えることが判った。これは、冷温水の流速が境膜抵抗の変化に影響を与えることによるものと考えられる。
【００１７】
そこで本発明は、伝熱細管の内腔における熱媒体液の流れを適切に制御して、熱交換領域の容積を小さく抑制しながら、熱交換効率を向上させることが可能な熱交換器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明の熱交換器は、熱媒体液を流通させるための複数本の伝熱細管を配列し積層して形成された細管束により構成された熱交換モジュールと、前記細管束の長手方向中央部を横断して被熱交換液を流通させるための熱交換流路を形成し、かつ前記細管束の両端は露出させて前記細管束を封止したシール部材と、前記熱交換モジュール及び前記シール部材が収容され、前記細管束の両端に面して前記熱媒体液を導入または導出するための伝熱細管ヘッダーを有し、前記熱交換流路の両端に面して被熱交換液導入口および被熱交換液導出口を有するハウジングとを備える。
【００１９】
上記課題を解決するために、前記熱交換モジュールは前記熱交換流路の流路方向において分割されて、各々が複数本の前記伝熱細管を含む複数段の細管束ユニットの積層構造が形成され、前記複数段の細管束ユニットは、隣接する前記細管束ユニットとの間で各々に属する前記伝熱細管が互いに交差するように配置され、前記伝熱細管ヘッダーは、前記熱媒体液が前記複数組の細管束ユニットを順次通過するように構成される。
【発明の効果】
【００２０】
上記本発明の熱交換器の構成によれば、熱交換モジュールは熱交換流路の流路方向において分割されて、複数段の細管束ユニットの積層構造が形成され、熱媒体液が、複数組の細管束ユニットを順次通過するように構成されているので、各細管束ユニットの伝熱細管を流れる冷温水の流速を大きくすることができる。その結果、伝熱細管の内壁における境膜抵抗が低減され、熱交換領域の容積の増大を抑制しながら、熱交換効率を向上させることが可能となる。
【００２１】
更に、隣接する細管束ユニットとの間で、各々に属する伝熱細管が互いに交差しているので、各細管束ユニットに対する伝熱細管ヘッダーの配置が容易である。すなわち、細管束ユニットの相互間隔を確保するためのスペーサを用いることなく、各ヘッダーを設けることが可能である。そのため、隣接する細管束ユニットの間で、伝熱細管の間隔を最小限にすることができ、熱交換流路の容積を小さくして、被熱交換液の充填量を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本発明の熱交換器は、上記構成を基本として、以下のように変更された態様をとることができる。
【００２３】
すなわち、前記細管束ユニットの前記熱交換流路の流路方向における端部に位置する前記伝熱細管と、隣接する前記細管束ユニットの前記熱交換流路の流路方向における端部に位置する前記伝熱細管の間の間隔は、前記伝熱細管の直径の２倍以下であることが好ましい。
【００２４】
また、前記熱媒体液が、前記熱交換流路の下流側に配置された下流段の前記細管束ユニットから上流側に配置された上流段の前記細管束ユニットに向かって順次通過するように、前記伝熱細管ヘッダーが構成されることが好ましい。
【００２５】
この場合に、前記熱媒体液を隣接する前記細管束ユニットに向けて導出するため、または隣接する前記細管束ユニットから導入するための前記伝熱細管ヘッダーは、当該隣接する前記細管束ユニットに隣接する側の側端部に導出口または導入口を有することが好ましい。
【００２６】
また、前記熱交換モジュールは、２段または３段の前記細管束ユニットに分割されることが好ましい。
【００２７】
上記いずれかの構成の熱交換器と、ガス流路と交差してガス交換を行うための血液流路を有する人工肺とを備え、前記熱交換器と前記人工肺とは積層されて、前記熱交換器の前記熱交換流路と前記人工肺の前記血液流路が連通している人工肺装置を構成することができる。
【００２８】
以下、本発明の実施の形態における熱交換器について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施の形態は、人工心肺装置等の医療機器用であって、患者から脱血した血液の温度調整に用いられる熱交換器を例として記述される。
【００２９】
（実施の形態１）
図１Ａは、実施の形態１における熱交換器を示す平面図である。図１Ｂは、図１ＡのＡ−Ａ断面図である。この熱交換器は、熱媒体液として冷温水を流通させるための複数本の伝熱細管１から構成された熱交換モジュール２と、熱交換モジュール２を封止したシール部材３ａ〜３ｃと、それらを収容したハウジング４とから構成されている。熱交換モジュール２は、交差配列された２段の細管束ユニット２ａ、２ｂに分割されている。
【００３０】
図２Ａ、図２Ｂは、構造を理解し易く示するために、図１Ａ、図１Ｂからハウジング４を除去して熱交換モジュール２とシール部材３ａ〜３ｃのみを示した図である。図２Ａは平面図、図２Ｂは側面図である。同図に示すように、２段の細管束ユニット２ａ、２ｂは、各々３層の伝熱細管１を含む。細管束ユニット２ａ、２ｂの各々における複数本の伝熱細管１は、平行に配列され積層されて細管束を形成し、各段間では、互いに伝熱細管１の管軸方向が直交している。
【００３１】
細管束ユニット２ａ、２ｂの各々の伝熱細管１の内腔には、冷温水が流される。中央部のシール部材３ｂは、熱交換モジュール２の長手方向中央部に、各々の伝熱細管１の表面を横断して被熱交換液である血液を流通させるための熱交換流路として、円形断面を有する血液流路５を形成している。両端部のシール部材３ａ、３ｃは、細管束ユニット２ａ、２ｂの各々の両端を露出させている。
【００３２】
図１Ａ、図１Ｂに示すように、ハウジング４は、細管束ユニット２ａ、２ｂの各々の両端に面して、冷温水を導入、導出するための伝熱細管ヘッダーを有する。すなわち、細管束ユニット２ａの一端部に冷温水導入ヘッダー６が、他端部に冷温水導出ヘッダー７Ａが設けられている。細管束ユニット２ｂの一端部には冷温水導入ヘッダー７Ｂが、他端部には冷温水導出ヘッダー８が設けられている。冷温水導出ヘッダー７Ａと冷温水導入ヘッダー７Ｂは、互いに隣接する側の側端部にそれぞれ導出口及び導入口を有し、その導出口及び導入口間が連通部７Ｃにより連結されている。
【００３３】
ハウジング４は更に、血液流路５の両端に面して血液導入口９、および血液導出口１０（図１Ｂ参照）を有する。冷温水導入ヘッダー６、及び冷温水導出ヘッダー８にはそれぞれ、冷温水導入ポート１１、及び冷温水導出ポート１２が設けられている。また、シール部材３ａ〜３ｃのそれぞれの間には、間隙１３が設けられ、ハウジング４には、間隙１３に対応する漏液排出孔１４が設けられている。
【００３４】
冷温水導入ヘッダー６、７Ｂ、及び冷温水導出ヘッダー７Ａ、８は、細管束ユニット２ａ、２ｂの両端部のシール部材３ａ、３ｂから露出した細管束の端部をそれぞれ包囲する空室６ａ、７ｂ、７ａ、８ａを形成している。空室７ａ、７ｂは、連通部７Ｃにより連通している。従って、導入され導出される冷温水は全て、冷温水導入ヘッダー６、７Ｂ、及び冷温水導出ヘッダー７Ａ、８を経由して流動する。
【００３５】
冷温水導入ポート１１から冷温水導出ヘッダー６の空室６ａに導入された冷温水は、細管束ユニット２ａの伝熱細管１の内腔を通って、冷温水導出ヘッダー７Ａの空室７ａに流れ込む。そこから連通部７Ｃを経由して冷温水導入ヘッダー７Ｂの空室７ｂに流れ込み、細管束ユニット２ｂの伝熱細管１通って、冷温水導出ヘッダー８の空室８ａに至り、冷温水導出ポート１２から流出する。
【００３６】
以上の構成において、血液を、血液導入口９から血液流路５に流入させて、血液導出口１０から流出するように流動させる。同時に、冷温水を、冷温水導入ポート１１から熱交換モジュール２に流入させて、冷温水導出ポート１２から流出するように流動させる。それにより、血液流路５において、血液と冷温水の間で熱交換が行われる。また、血液が漏洩した場合、及び冷温水が漏洩した場合のいずれの場合においても、従来例と同様、間隙１３により即座にシール漏れを検知でき、また、血液汚染の発生を防止できる。
【００３７】
上述のとおり、冷温水導入ヘッダー６、７Ｂ、連通部７Ｃ、及び冷温水導出ヘッダー７Ａ、８は、導入される冷温水が、２段の細管束ユニット２ａ、２ｂを順次通過するように構成されている。このように、導入される冷温水が、分割された複数組の細管束ユニットを順次通過する構成を、以降の記載においては分割通流と称する。これに対して従来例のように、導入される冷温水が冷温水導入ヘッダーにおいて全ての伝熱細管１に一斉に流入する構成を一斉通流と称する。
【００３８】
分割通流を採用することにより、一斉通流の場合に比べて、冷温水流量が同一であれば、細管束ユニット２ａ、２ｂの各々の伝熱細管１を流れる冷温水の流速を大きくすることができる。それにより、伝熱細管１の内壁における境膜抵抗が低減され、熱交換効率を向上させることができる。
【００３９】
また、本実施の形態においては、細管束ユニットの垂直折り返し構造、すなわち、熱交換モジュール２が血液の流通方向すなわち垂直方向において分割されて、複数段（２段）の細管束ユニットが形成された構造が採用されている。しかも冷温水は、血液流路５の下流側に配置された下流段の細管束ユニット２ａから、上流段の細管束ユニット２ｂに向かって、順次経由して流動する。これにより、血流に対して冷温水の流れが向流になり、より高い熱交換効率を得るために効果的である。
【００４０】
以上のように、分割通流により熱交換効率が向上する効果について実験した結果を、図３に示す。図３における「分割並流」及び「分割向流」が、本実施の形態による分割通流の場合を示す。「分割向流」は、図１Ｂに示したような、熱媒体液の流通方向に熱交換モジュールが分割され、熱媒体液が向流となるように設定された場合である。「分割並流」は、分割の態様は同様であるが、熱媒体液が血液の流通と同じ向きである並流となるように設定された場合を示す。いずれの場合も、血液流路５の開口径は７０ｍｍ、伝熱細管１の層数は１２層とした。
【００４１】
図３から、一斉通流の場合に比べて、分割通流である分割並流及び分割向流の場合の熱交換効率が高いことが判る。これは、上述のように、分割通流の方が伝熱細管１を流れる冷温水の流速が大きいことにより、境膜抵抗が低減するためである。また、分割並流の場合よりも分割向流の場合の方が熱交換効率が高い結果が得られている。一斉通流に対して、分割並流の場合は熱交換効率が３６％向上し、分割向流の場合は熱交換効率が５４％向上している。
【００４２】
図４は、細管束ユニットの分割および折り返し構造の態様と熱交換係数の関係を示す図である。本実施の形態の垂直折り返しの場合について、従来例の一斉通流（折り返しなし）、及び水平折り返し（２分割、及び３分割）の構成の熱交換係数と比較した結果を示す。水平折り返し（３分割）の場合は、３分割の中央部の細管束ユニットに冷温水を流入させて、両側の細管束ユニットから同時に流出させる構造とした。なお、いずれの場合も、血液流路５の開口径は７０ｍｍ、伝熱細管１の層数は１２層とした。
【００４３】
図４に示されるとおり、折り返しなしの場合に比べて、水平折り返し（２分割）、水平折り返し（３分割）の場合は、熱交換係数がそれぞれ７％、１１％向上した。更に、垂直折り返しの場合は、折り返しなしの場合に比べて熱交換係数が３３％向上した。このように、垂直折り返しの場合は、水平折り返しと比べて冷温水を向流に流すことができるため、熱交換効率が向上する。
【００４４】
また、本実施の形態によれば、熱交換モジュール２は垂直折り返し構造を有するとともに、細管束ユニット２ａ、２ｂは、各々に属する伝熱細管１が互いに交差するように配置されている。それにより、細管束ユニット２ａ、２ｂに属する伝熱細管１が全て平行に配置された場合に比べると、細管束ユニット２ａ、２ｂの相互間隔を確保するためのスペーサを用いることなく、各ヘッダーを設けることが可能である。そのため、血液流路５の流路方向における、細管束ユニット２ａ、２ｂの間で隣接する伝熱細管１の間隔を最小限にすることができる。例えば、細管束ユニット２ａ、２ｂの間で隣接する伝熱細管１の間隔を、伝熱細管１の直径の２倍以下にすることが可能である。従って、血液流路５の容積を小さくして、血液充填量を抑制することができる。また、スペーサが不要となることで、製造が容易であり、コストの面でも有利となる。
【００４５】
なお、上述の実施の形態では、細管束ユニット２ａ、２ｂを、各々に属する伝熱細管１どうしが直交する配置の例を示したが、冷温水導入ヘッダー６、連通ヘッダー７、及び冷温水導出ヘッダー８の配置が可能な範囲であれば、より小さな角度で交差させた配置により、同様の効果を得ることも可能である。
【００４６】
また、上述の図面には図示されていないが、ハウジング４は、例えばハウジング底部とハウジング上部のように分割して形成され、熱交換モジュール２等を収容して一体に結合させる構造を有する。
【００４７】
本実施の形態において、伝熱細管１を構成する材料としては、例えばステンレス鋼等の金属材料が好適である。ハウジング４の材料としては、例えば、ポリカーボネート樹脂のような樹脂材料を用いることができる。シール部材３ａ〜３ｃを形成するための樹脂材料としては、例えば、シリコン樹脂、ポリウレタン樹脂、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂を用いることができる。このうち、伝熱細管１を構成する材料（例えば、金属材料）やハウジング４を構成する材料との接着性に優れている点からは、ポリウレタン樹脂やエポキシ樹脂が好ましい。
【００４８】
（実施の形態２）
図５Ａは、実施の形態２における熱交換器を構成する熱交換モジュール２０を示す平面図である。図５Ｂは、図５ＡのＢ−Ｂ断面図である。実施の形態１の図１Ａ等に示した要素と同様の要素については、同一の参照符号を付して、説明の繰り返しを省略する。
【００４９】
本実施の形態における熱交換モジュール２０は、実施の形態１と同様の垂直折り返し構造であり、３段の細管束ユニット２ａ〜２ｃが積層された構成を有する。なお、図５Ａ、５Ｂでは、図の見易さのためハウジングを省略した状態が示されている。ハウジングに、冷温水導入ヘッダー、連通部、及び冷温水導出ヘッダーを設けて、細管束ユニット２ａ〜２ｃを連通させるために、実施の形態１と同様の構造を適用することは容易である。
【００５０】
図５Ａ、５Ｂに矢印で示すように、細管束ユニット２ａ〜２ｃを順次経由して冷温水を流すとともに、血液流路５に血液を流して、熱交換を行わせる。従って、実施の形態１と同様に、導入される冷温水が、分割された３段の細管束ユニット２ａ〜２ｃを順次通過する分割通流の形態が得られる。それにより、一斉通流の場合に比べて、伝熱細管１を流れる冷温水の流速を大きくすることができ、伝熱細管１の内壁における境膜抵抗が低減され、熱交換効率を向上させることができる。
【００５１】
図６に、熱交換モジュール２を垂直折り返し構造にした場合の、細管束ユニットの段数、及び各細管束ユニットを構成する伝熱細管１の層数による効果の相違について検討した結果を示す。
【００５２】
図６の（ａ）は、細管束ユニットの段数が２段、すなわち冷温水の流れを折り返す段数が２段の場合である。また、各段の細管束ユニットを構成する伝熱細管が３層（積層本数）、４層、５層、及び６層の場合の熱交換効率の測定結果を示す。図６の（ｂ）は、折り返し細管束ユニットの段数が３段の場合である。各段の細管束ユニットを構成する伝熱細管が２層、３層、及び４層の場合の熱交換効率の測定結果を示す。横軸の下部に示したＥＳＡは、有効膜面積（Effective Surface Area）、Ｕは熱媒体の流速を示す。図６から、折り返し細管束ユニット段数は、（ａ）の２段の場合に比べて、（ｂ）の３段の場合の方が高い熱交換効率を得易いことが判る。
【００５３】
折り返し細管束ユニット段数が３段の場合、細管束ユニットを構成する伝熱細管の層数が２層、すなわち図３の（ｂ）の左端の２−２−２層の構成の場合、３層、及び４層の場合に比べて若干熱交換効率が劣る。しかし、２段の場合に比べれば高い熱交換効率を得ることが可能である。しかも、３段を合計した伝熱細管の層数は６層であり、これに対応する伝熱細管層数を有する２段で３−３層の構成に比べれば、十分に高い熱交換効率が得られる。伝熱細管層数が同一ということは、血液充填量がほぼ同一であることを意味する。従って、２−２−２層の構成によれば、血液充填量を抑制しながら、熱交換効率を向上させることが可能であることが判る。
【００５４】
また、３段の場合に、細管束ユニットを構成する伝熱細管の層数が３層と４層との間では、熱交換効率に有意な差は見られないことが判る。但し、４段以上はオーバースペックであり、圧損の増大のため、流量も増えない。この結果を考慮すれば、３層の伝熱細管により構成された細管束ユニットを３段に積層した場合に、実用上最も良好な構造が得られることが判る。
【００５５】
（実施の形態３）
図７は、実施の形態３における人工心肺装置を示す断面図である。この人工心肺装置は、実施の形態１における構造の熱交換器３０を人工肺４０と組み合わせて構成されている。但し、熱交換器３０に代えて、実施の形態２における熱交換器を備えた構成とすることもできる。
【００５６】
熱交換器３０は、人工肺４０の上に積層されており、人工肺４０のハウジング３１に熱交換器３０のハウジング４が結合されている。但し、熱交換器３０のハウジング４と人工肺４０のハウジング３１が一体に形成された構造とすることもできる。人工肺４０の領域には、酸素ガスを導入するためガス導入路３２、血液中の二酸化炭素等を導出するためのガス導出路３３が設けられている。
【００５７】
人工肺４０は、複数本の中空糸膜３４と、シール部材３５とを備えている。シール部材３５は、ガス導入路３２やガス導出路３３に血液が侵入しないように、中空糸膜３４をシールしている。シール部材３５によるシールは、中空糸膜３４を構成する中空糸の両端が露出するように行われている。ガス導入路３２とガス導出路３３とは、中空糸膜３４を構成する中空糸によって連通している。
【００５８】
また、人工肺４０においてシール部材３５の存在していない空間は、血液流路３６を構成しており、血液流路３６内には中空糸膜３４が露出している。更に、血液流路３６の血液入口側は、熱交換器３０の血液流路５の出口側に連通している。
【００５９】
以上の構成により、血液流路５を通って熱交換された血液は、血液流路３６へと流れ込み、そこで、中空糸膜３４に接触する。このとき、血液には、中空糸膜３４を流れる酸素ガスが取り込まれる。また、酸素ガスが取り込まれた血液は、ハウジング３１に設けられた血液導出口３３から、外部に導出され、患者に返血される。一方、血液中の二酸化炭素は、中空糸膜３４に取り込まれ、その後、ガス導出路３３によって導出される。
【００６０】
このように、図７に示す人工心肺装置においては、熱交換器３０によって血液の温度調整が行われ、温度調整が行われた血液は人工肺４０によってガス交換される。また、このとき、熱交換器３０にシール漏れが発生し、伝熱細管１を流れる冷温水が流出しても、冷温水は間隙１０に溜まり、その後、外部に排出される。このため、図７に示す人工心肺装置によれば、シール漏れを検知でき、又冷温水による血液の汚染を抑制できる。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本発明によれば、伝熱細管を流れる冷温水の流速を大きくできるので、伝熱細管の内壁における境膜抵抗を低減して、熱交換領域の容積の増大を抑制しながら、熱交換効率を向上させることが可能であり、人工心肺装置等に用いる熱交換器として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１Ａ】実施の形態１における熱交換器の構成を示す上面図
【図１Ｂ】同熱交換器のＡ−Ａ断面図
【図２Ａ】同熱交換器の熱交換モジュールの構成を示す上面図
【図２Ｂ】同熱交換モジュールの側面図
【図３】熱交換モジュールの分割通流による熱交換係数の向上効果を示す図
【図４】細管束ユニットの分割および折り返し構造の態様と熱交換係数の関係を示す図
【図５Ａ】実施の形態２における熱交換器の構成を示す上面図
【図５Ｂ】同熱交換器の構成を断面で示した側面図
【図６】細管束ユニットの折り返し段数と熱交換係数の関係を示す図
【図７】実施の形態３における人工心肺装置を示す断面図
【図８Ａ】従来例の熱交換器の構成を示す上面図
【図８Ｂ】同熱交換器の構成を示す側面図
【図８Ｃ】同熱交換器の構成を示す正面図
【図８Ｄ】同熱交換器におけるハウジング内部を一部断面で示す斜視図
【符号の説明】
【００６３】
１、１０１ 伝熱細管
２、２０、１０２ 熱交換モジュール
２ａ〜２ｃ 細管束ユニット
３ａ〜３ｃ、１０３ａ〜１０３ｃ シール部材
４、１０４ ハウジング
５、１０５ 血液流路
６、７Ｂ 冷温水導入ヘッダー
６ａ、７ａ、７ｂ、８ａ 空室
７Ｃ 連通部
７ａ、７ｂ 空室
８、７Ａ 冷温水導出ヘッダー
８ａ 空室
９、１０６ 血液導入口
１０、１０７ 血液導出口
１１ 冷温水導入ポート
１２ 冷温水導出ポート
１３、１０８ 間隙
１４、１０９ 漏液排出孔
３０ 熱交換器
３１ ハウジング
３２ ガス導入路
３３ ガス導出路
３４ 中空糸膜
３５ シール部材
３６ 血液流路
４０ 人工肺
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱媒体液を流通させるための複数本の伝熱細管を配列し積層して形成された細管束により構成された熱交換モジュールと、
前記細管束の長手方向中央部を横断して被熱交換液を流通させるための熱交換流路を形成し、かつ前記細管束の両端は露出させて前記細管束を封止したシール部材と、
前記熱交換モジュール及び前記シール部材が収容され、前記細管束の両端に面して前記熱媒体液を導入または導出するための伝熱細管ヘッダーを有し、前記熱交換流路の両端に面して被熱交換液導入口および被熱交換液導出口を有するハウジングとを備えた熱交換器において、
前記熱交換モジュールは前記熱交換流路の流路方向において分割されて、各々が複数本の前記伝熱細管を含む複数段の細管束ユニットの積層構造が形成され、前記複数段の細管束ユニットは、隣接する前記細管束ユニットとの間で各々に属する前記伝熱細管が互いに交差するように配置され、
前記伝熱細管ヘッダーは、前記熱媒体液が前記複数組の細管束ユニットを順次通過するように構成されたことを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
前記細管束ユニットの前記熱交換流路の流路方向における端部に位置する前記伝熱細管と、隣接する前記細管束ユニットの前記熱交換流路の流路方向における端部に位置する前記伝熱細管の間の間隔は、前記伝熱細管の直径の２倍以下である請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３】
前記熱媒体液が、前記熱交換流路の下流側に配置された下流段の前記細管束ユニットから上流側に配置された上流段の前記細管束ユニットに向かって順次通過するように、前記伝熱細管ヘッダーが構成された請求項１または２に記載の熱交換器。
【請求項４】
前記熱媒体液を隣接する前記細管束ユニットに向けて導出するため、または隣接する前記細管束ユニットから導入するための前記伝熱細管ヘッダーは、当該隣接する前記細管束ユニットに隣接する側の側端部に導出口または導入口を有する請求項３に記載の熱交換器。
【請求項５】
前記熱交換モジュールは、２段または３段の前記細管束ユニットに分割された請求項１〜４のいずれか１項に記載の熱交換器。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の熱交換器と、
ガス流路と交差してガス交換を行うための血液流路を有する人工肺とを備え、
前記熱交換器と前記人工肺とは積層されて、前記熱交換器の前記熱交換流路と前記人工肺の前記血液流路が連通している人工肺装置。
【請求項１】
熱媒体液を流通させるための複数本の伝熱細管を配列し積層して形成された細管束により構成された熱交換モジュールと、
前記細管束の長手方向中央部を横断して被熱交換液を流通させるための熱交換流路を形成し、かつ前記細管束の両端は露出させて前記細管束を封止したシール部材と、
前記熱交換モジュール及び前記シール部材が収容され、前記細管束の両端に面して前記熱媒体液を導入または導出するための伝熱細管ヘッダーを有し、前記熱交換流路の両端に面して被熱交換液導入口および被熱交換液導出口を有するハウジングとを備えた熱交換器において、
前記熱交換モジュールは前記熱交換流路の流路方向において分割されて、各々が複数本の前記伝熱細管を含む複数段の細管束ユニットの積層構造が形成され、前記複数段の細管束ユニットは、隣接する前記細管束ユニットとの間で各々に属する前記伝熱細管が互いに交差するように配置され、
前記伝熱細管ヘッダーは、前記熱媒体液が前記複数組の細管束ユニットを順次通過するように構成されたことを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
前記細管束ユニットの前記熱交換流路の流路方向における端部に位置する前記伝熱細管と、隣接する前記細管束ユニットの前記熱交換流路の流路方向における端部に位置する前記伝熱細管の間の間隔は、前記伝熱細管の直径の２倍以下である請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３】
前記熱媒体液が、前記熱交換流路の下流側に配置された下流段の前記細管束ユニットから上流側に配置された上流段の前記細管束ユニットに向かって順次通過するように、前記伝熱細管ヘッダーが構成された請求項１または２に記載の熱交換器。
【請求項４】
前記熱媒体液を隣接する前記細管束ユニットに向けて導出するため、または隣接する前記細管束ユニットから導入するための前記伝熱細管ヘッダーは、当該隣接する前記細管束ユニットに隣接する側の側端部に導出口または導入口を有する請求項３に記載の熱交換器。
【請求項５】
前記熱交換モジュールは、２段または３段の前記細管束ユニットに分割された請求項１〜４のいずれか１項に記載の熱交換器。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の熱交換器と、
ガス流路と交差してガス交換を行うための血液流路を有する人工肺とを備え、
前記熱交換器と前記人工肺とは積層されて、前記熱交換器の前記熱交換流路と前記人工肺の前記血液流路が連通している人工肺装置。
【図１Ａ】
【図１Ｂ】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図３】
【図４】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図６】
【図７】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図８Ｃ】
【図８Ｄ】
【図１Ｂ】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図３】
【図４】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図６】
【図７】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図８Ｃ】
【図８Ｄ】
【公開番号】特開２００９−２１３５５０（Ｐ２００９−２１３５５０Ａ）
【公開日】平成２１年９月２４日（２００９．９．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−５７９３７（Ｐ２００８−５７９３７）
【出願日】平成２０年３月７日（２００８．３．７）
【出願人】（０００１５３０３０）株式会社ジェイ・エム・エス (452)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年９月２４日（２００９．９．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年３月７日（２００８．３．７）
【出願人】（０００１５３０３０）株式会社ジェイ・エム・エス (452)
【Ｆターム（参考）】
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