CN102971133B - 卷垫式热交换器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种制造用于体外血液回路热交换器(20)的成束垫子构造(22)的方法,该方法包括将第一毛细管垫子部段的前缘附连于心轴的第一侧。将第二毛细管垫子部段的前缘附连于心轴的第二侧。该第一侧与第二侧直径相对。心轴相对于垫子部段滚卷,以产生成束垫子构造(22)。成束垫子构造的径向层相对于心轴的中心轴线对称。
Description
相关申请的交叉引用
本申请根据35U.S.C.119(e)(1)要求2010年5月3日提交的、题为“Rolled Mat Heat Exchanger and Method of Manufacture”美国临时专利申请序列号第61/330,441号(代理机构案卷号P0034640.00/M190.383.101)的优先权;且该申请的全部内容以参见方式纳入本文。
背景技术
本发明涉及流体对流体成束管热交换器及其制造方法。更确切地说,本发明涉及成束毛细管热交换器和相关制造方法,该成束毛细管热交换器用在心肺分流术中并且包括对称地围绕心轴的编织或织造管垫子。
流体对流体热交换器用在许多产业中,并且通常结合期望的产品用途来构造。例如,热交换器是体外分流术或心肺分流术的重要部件。作为参照,通常在心肺分流术期间(即,心肺分流机)中使用体外血液回路,以从患者循环系统的静脉部分抽出血液,并将血液返回至动脉部分。体外血液回路通常包括静脉线路、静脉血液贮存器、血泵、充氧器、热交换器、动脉线路以及血液输送管、端口和将这些部件互连起来的连接件。充氧器使得来自患者的血液的氧含量升高并使二氧化碳含量降低。热交换器根据需要调节体外血液的温度。例如,热交换器能位于充氧器上游,并且进行操作以在充氧作用之前对来自患者的血液进行冷却;或者,热交换器能进行操作以对体外血液进行加热。
不管热交换器和患者血液之间的传热方向如何,体外血液回路热交换器通常由多个金属或塑料管制成;在血液围绕管外部流动的同时,诸如水之类的合适传热流体泵送通过管内腔。热交换流体可被加热或冷却(相对于血液的温度)。在血液与管件接触时,沿期望的方向在血液和热交换流体之间发生热传递。或者,血流能流过管内腔,而传热流体绕管外部流动。
为了对回路的主容积具有最小的影响,希望使体外热交换器尽可能的小,而同时仍提供较高的热交换效率。为了满足这些需求,体外热交换管具有微米直径或者纤维状(例如,外直径是0.05英寸或更小),并且该体外热交换管有时被称为毛细管。热交换流体通过毛细管的壁厚与体外回路的血液流体隔离,使这些流体保持隔开,但同时允许热量从一个流体传递至另一流体。
通常的毛细管形式将大量微米直径的管件预组装成垫子。这些管件利用形成垫子经线的线保持在一起。管垫然后以一些形式进行缠绕,以形成用于热交换器应用的毛细管束。通常,垫子缠绕或滚卷在芯部或心轴周围。在垫子绕心轴持续地缠绕时,垫子缠绕在其自身上,从而产生一系列径向增大的层。鉴于此种被广泛接受的热交换器成束实践情况,垫子的毛细管“偏向”,从而不与垫子的宽度平行。毛细管中偏向角的目的在于,防止在垫子缠绕在其自身上时,后继各层的毛细管嵌套在之前一层的毛细管之间的间隙中。管角度定向在层与层之间交替。此种设置反映在图2C中并且在之后进行更详细的描述,大体使得外层的管件和置于下层的管件相对于彼此以交叉角设置。通常通过从具有设置有交替管定向的两层的单个预制垫子来形成成束构造,或者通过以相反的管角度来设置两个单独制成的垫子并然后将两个垫子作为一对进行缠绕,来实现此种交叉角结构。
通常,在使用圆柱形心轴或芯部来形成毛细管束时,将具有交替管定向的一对垫子层中每个垫子的边缘附连于心轴的一侧,然后进行滚卷。虽然这是可行的,但此种技术会使得成束垫子(由此使得垫子管件)相对于心轴的轴线具有不对称的结构。此种不对称性还会不理想地导致通过所得到的热交换器具有不均匀的流分布。此外,由于热交换器管垫通常设置成双层或双层片结构,将内层的边缘附连于圆柱形心轴,然后绕着心轴缠绕该双层。此种应用不仅产生如上所述不对称的成束结构,而且具有以下固有缺点:在绕着曲面进行缠绕时,外层比内层具有更长的路径。此种固有局限性限制了缠绕曲率,因此限制了该装置能被制得多小。沿着这些相同的线路,由于外层会比内层具有较长的路径(在绕着圆柱形心轴缠绕时),因而如果垫子内层和垫子外层在平坦的时候具有相同的长度时,在围绕心轴缠绕之后,外层比内层结束得更快。在添加附加的层时,此种不理想的差别会累积。更甚者,与内层相比,对于外层来说,在滚卷垫子时需要的张力也是不同的。
卷垫式热交换器通常被认为是唯一能以经济可靠的成本提供较小的覆盖面积并满足体外回路的较高热交换效率需求的热交换器。对于卷垫式热交换器的任何改进和/或制造卷垫式热交换器的方法会是深受欢迎的。
发明内容
根据本发明原理的一些方面涉及一种制造用在热交换器中的成束垫子构造的方法。将第一和第二毛细管垫子部段附连于心轴的相对两侧。于是,垫子部段可以设置成单个毛细管垫子的一部分,或者可以是两个单独的垫子。无论如何,心轴相对于垫子部段滚卷,以产生成束垫子构造。通过在心轴的直径相对两侧附连垫子部段然后滚卷心轴,本发明的方法有益地产生对称的成束垫子构造。此外,本发明的方法能以简化的一致方式产生多层成束垫子构造。本发明的卷垫构造高效地用在体外血液回路热交换器中。
附图说明
图1A是根据本发明的原理的卷垫式热交换器的侧视图;
图1B是图1A所示热交换器的剖视图;
图1C是图1A所示热交换器的立体图;
图2A是图1A所示热交换器的成束垫子构造部件的侧视图;
图2B是图2A所示成束垫子构造的一部分的放大端视图;
图2C是图2A所示成束垫子构造的一部分的放大侧视图并且示出交替管层之间产生的交叉角;
图3是用于图2A所示成束垫子构造的管垫的示意图;
图4A-4C示意地示出制造根据本发明原理的图1A所示成束垫子构造的方法;
图5是制造根据本发明原理的图1A所示成束垫子构造的另一方法的示意图;
图6是制造根据本发明原理的图1A所示成束垫子构造的另一方法的示意图;
图7A-7D是用于图1A所示热交换器的心轴的立体图;
图8是根据本发明的并且包括图1A所示热交换器的体外回路设备的分解立体图;以及
图9是图8所示设备的简化剖视图。
具体实施方式
图1A-1C中示出了根据本发明原理的卷垫式热交换器20的一个实施例。该热交换器20包括成束垫子构造22(示意地示出)、心轴或芯部24以及可选的条带26a、26b,该成束垫子构造由微直径的传热元件(例如,毛细管)构成。下文将提供各个部件的细节。然而,一般而言,成束垫子构造22依据下文描述的方法绕心轴24形成,且条带26a、26b(在提供的情况下)用于使成束垫子构造22绕心轴24固定。热交换器20能用在各种产品用途应用中,但具体可用作体外回路的一部分。在一些实施例中,热交换器20作为独立的装置(例如,热交换器20是热交换设备的一部分,组装在单独的容纳件内,从而为血液和热交换流体建立流体连接以及流路)连接在体外回路内(或者需要在流体之间进行热传递的其它环境内);或者,本发明的热交换器可组装至诸如组合式充氧器和热交换器设备之类的组合式体外血液回路设备或装置或者形成为该组合式体外血液回路设备或装置的一部分。
如图2A和2B所示,成束垫子构造22包括一个或多个毛细管垫子28(或垫子部段),这些毛细管垫子绕着心轴24缠绕或者滚卷,并且每个毛细管垫子由多个中空传热元件构成,这些中空传热元件呈微直径毛细管或纤维30的形式。毛细管30由诸如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)或聚氨酯之类的导热聚合物或者金属形成。毛细管30通常具有但不局限于在0.010英寸至0.050英寸范围内的外直径和在0.005英寸至0.030英寸范围内的内直径,然而也可设想其它直径。如图2A所示,毛细管30能以一角度或者偏离正交方向(即,相对于心轴24的中心轴线)设置,例如相对于心轴24(图1B)的中心轴线以大约15度的角度设置。在成束垫子构造22形成彼此径向叠置的两个(或多个)层的情形下,紧邻的各层(以滚卷形式)的毛细管30会相对于彼此倾斜(例如,一个层中毛细管30的偏向与紧邻层中毛细管30的偏向相反)。图2C示出外层32的毛细管30的偏向与紧邻的下置层34的毛细管30的偏向相反。例如,在毛细管30相对于中心轴线以15度的角度设置且紧邻的层设置成使得这些毛细管具有相反的偏向的情形下,两个层32、34之间的毛细管30所产生的净偏向是30度。此种相反偏向的目的是防止两个层之间的毛细管30产生任何嵌套,而嵌套会对液流(例如,血流)产生增大的阻力,并且在流过其中(即,毛细管30之间)的液体(例如,血液)上产生不理想的且无法预计的剪切力。或者,毛细管30可相对于中心轴线具有其它角度或偏向,并且可平行于中心轴线。
毛细管30(成束垫子构造22的每层内)能通过一根或多根线或其它经线承载结构保持在一起。例如,图3示出由经线承载件40以隔开的关系缝合在一起的多个毛细管30。经线承载件40能包括呈现多种形式的线,例如多细丝线、丝带、线带等等。本发明也设想了其它经线承载件和编织技术。
可用于成束垫子构造22的一种较佳预制热交换器毛细管垫子28已知是可从美国北卡罗来纳州夏洛特的迈博瑞公司(Membrana of Charlotte,North Carolina)获得的HEX PETTM,并且大体包括毛细管的单个经线层或者由PET制成的中空微纤维。在其它实施例中,预制毛细管垫子28由毛细管的两个(或多个)层构成,这两个层通过线、丝带等等保持在一起。其它热交换器垫子构造也是同样可接受的。返回至图1A和1B,不管毛细管垫子28的实际形式如何,成束垫子构造22可以是热交换器垫子28切割成特定长度然后绕心轴24缠绕的一个或多个长度段,或者可以首先绕辅助芯部或心轴(具有与热交换器心轴24的圆柱形形状相对应的形状和尺寸)缠绕,然后从辅助心轴移除并绕热交换器心轴24同心地放置。采用任一应用,本发明的各方面暗示了成束垫子构造22的制造技术具有优于传统应用的显著改进。
例如,图4A-4C示意地示出根据本发明原理的一个热交换器成束垫子的成束过程。连同心轴102一起,提供热交换器毛细管垫子100(如上文参照毛细管垫子28的描述)。心轴102可以是热交换器心轴24(图1B),或者可以是之前描述的辅助心轴或芯部。无论如何,毛细管垫子100包括如上所述的毛细管30,这些毛细管通过一个(或多个)经线承载件40保持在一起。在成束之前,若干毛细管30从预制毛细管垫子100移除,而经线承载件40的相对应部段原封不动留下以限定敞开区域104。心轴102插在敞开区域104内,并且连接于一个或多个经线承载件40。于是,心轴102能包括或形成指状件106,这些指状件可滑动地捕获一个或多个经线承载件40。一旦插入之后,心轴102有效地将毛细管垫子100分成第一和第二部段108、110。这些部段108、110设置在心轴102的相对两侧处。如图4B中最佳示出,毛细管30与心轴102的中心轴线C偏向或者不平行。然后,心轴102沿图4A中箭头所示方向滚卷,以绕心轴102缠绕部段108、110。
心轴102的滚卷可持续所需的转数(或者部分回转),以实现期望尺寸的所得到成束垫子构造22(图1B)。通过在相对于心轴102的直径相对位置处提供两个垫子部段108、110,所得到的成束垫子构造是对称的(相对于心轴102的中心轴线C)。此种对称结构与传统的成束技术正好相反,并且有利地实现通过成束垫子构造22的均匀流分布。
可以认识到,在心轴102一开始转过大约半圈之后,第一垫子部段108会与第二垫子部段110交迭(即,第二垫子部段110的前缘112会设置在第一垫子部段108的层下方),且第二垫子部段110会类似地开始与第二垫子部段108交迭。于是,成束垫子构造22(图1B)能具有两个(或多个)交迭的管垫子层,且这些层设置成在交迭的层之间为毛细管提供交叉角(例如,如图2C所示)。由于如此得到的双层或多层构造经由两个离散的垫子部段108、110产生,因而并不存在心轴曲率半径限制,而在具有双层构造的单个垫子绕心轴缠绕的传统制造工艺中会固有地产生此种心轴曲线半径限制。因此,心轴102能具有相对较小的半径(与用于传统辊压垫子式热交换器的心轴相比),从而产生更紧凑的构造。在体外回路热交换器应用的情形下,此种紧凑构造理想地减小回路的主容积。此外,并且不同于使用具有双层构造的单个垫子的传统制造工艺,垫子部段108、110在滚卷之前和之后都具有相同的长度,且在滚卷过程中相同的张力施加于垫子部段108、110,由此简化制造工艺。
在一些实施例中,在滚卷心轴102的同时,在垫子部段108、110中维持张力。例如,图4A示出了分别连接于垫子部段108、110的尾端116a、116b的第一和第二张力装置114a、114b。张力装置114a、114b可呈现本领域已知的任何形式(例如,机械的、气动的和电磁制动器、伺服控制放线系统等等),并且能被操作以使所施加的张力在滚卷或缠绕过程中改变。该张力影响或控制每个缠绕层的毛细管30之间的间隔。例如,在缠绕每层时,所施加的张力能逐渐地增大(或减小)。在其它实施例中,在整个缠绕过程中或者在缠绕期间的各个时间点处,由第一张力装置114a施加的张力会与第二张力装置114a施加的张力不同(例如,与由第二张力装置114b施加于第二垫子部段110的张力相比,第一张力装置114a能对第一垫子部段108施加增大的张力,或反之亦然)。或者,垫子部段108、110可连接于单个张力装置。
在图5中示意地示出根据本发明原理的另一热交换器垫子成束工艺。连同合适尺寸和形状的心轴124一起,提供第一和第二热交换器毛细管垫子120、122(如上所述)。心轴124可以是热交换器心轴24(图1B),或者可以是之前描述的辅助心轴或芯部。第一毛细管垫子120的前缘126附连于心轴124的第一侧128。类似地,第二毛细管垫子122的前缘130附连于心轴124的第二侧132,其中所选择的侧部128、132彼此相对。作为说明,由于心轴124是圆柱形的,侧部128、132并非是心轴124的可辨别特征;这样,在本发明的上下文中提到的“心轴的第一和第二侧”表示前缘126、130在直径相对的位置附连于心轴124。在毛细管垫子120、122是形成为提供相对应毛细管的倾斜或偏向定向的单层毛细管垫子的情形下,这些垫子120、122相对于心轴124设置成,使得第一垫子120的毛细管角度定向与第二垫子122的毛细管角度定向相反。此外,两个垫子120、122的毛细管30相对于心轴124的中心轴线偏向。
一旦第一和第二垫子120、122附连于心轴124,心轴124则沿图5中箭头所示的方向滚卷。于是,第一和第二垫子120、122与上文描述相应地绕心轴124滚卷。在上述缠绕过程中,张力能施加于垫子120、122。所得到的成束垫子构造22(图1B)相对于心轴124的中心轴线是对称的,并且可具有多层构造。与图4A-4C所示技术相关联的益处同样适用于图5所示的方法。
在图6中示意地示出根据本发明原理的另一热交换器垫子成束工艺。连同心轴154一起,提供第一和第二热交换器毛细管垫子150、152(如上所述)。心轴154可以是热交换器心轴24(图1B),或者可以是之前描述的辅助心轴或芯部。然而,采用图6所示的实施例,心轴154包括相对的径向台阶或偏移部156、158,每个台阶或偏移部分别相对于心轴154的中心轴线限定径向肩部160、162。肩部160、162彼此沿直径相对,且肩部160、162的径向延伸部接近(例如,等于)垫子150、152的厚度。
成束垫子构造的制造包括将第一垫子150的前缘164附连于第一肩部160,并且将第二垫子152的前缘166附连于第二肩部162。然后,使心轴154沿图6中箭头所示方向滚卷,从而以与上文参见图4A-4C的描述相对应的方式使垫子150、152绕心轴154缠绕。在上述缠绕过程中,张力能施加于垫子150、152。所得到的成束垫子构造22(图1B)相对于心轴154的中心轴线是对称的,并且可具有多层构造。此外,在一开始转过半圈之后,径向偏移部156、158使垫子150、152从心轴154的表面光滑地过渡。例如,在心轴154转过半圈快结束时,第一垫子150缠绕在心轴154上的区域会从心轴154的表面过渡并且缠绕在第二垫子152的之前施加区域,且第一垫子150光滑地过渡离开第二肩部162并缠绕在第二垫子152的之前施加区域。上文参见图4A-4C描述的益处同样适用于图6所示的方法。
无论选择的制造技术如何,返回至图1B,将所得到的成束垫子构造22施加于心轴24。再次,根据上文描述,成束垫子构造22能直接滚卷在心轴24上,或者能绕辅助心轴缠绕而随后放置在热交换器心轴24上。热交换器心轴24能呈现各种形式,并且大体限定了进口200、通道202以及一个或多个出口204。进口200流体地通向通道202,如同出口204那样。在热交换器20倾向于将径向向外的流动型式赋予流过通道202的液体(以及经由进口200进入通道202的其它流体)上的实施例中,出口204能沿着心轴24的中间部分形成,并突出穿过心轴的壁厚。出口204的其它位置同样是可接受的。在图7A-7D中提供用于本发明的心轴24A-24D的若干其它非限制示例。
参见图1B,可选的条带26a、26b能组装至成束垫子构造22的两个相对端部。条带26a、26b将成束垫子构造22保持在心轴24周围,从而允许传热流体能流过成束垫子构造22的毛细管(并未在图1B中单独示出)。例如,图4B示出总地由毛细管所限定的流体进入侧220和相对应的流体离开侧222。可选的是,进入侧220和离开侧222能埋设在本领域普通技术人员已知的固化封装化合物中。如图所示,条带26a、26b构造成并不阻碍流体向进入侧220的输送或者流体从离开侧222的排出。条带26a、26b可呈现与图1A-1C所示形式不同的各种形式,并且在其它实施例中,可省略条带。
图1A-1C所示的热交换器20能组装在单独的外部容纳件(类似于上文所述的容纳件)内,该容纳件建立或形成用于体外血液回路内血液以及传热流体的流体通路。本领域普通技术人员已知心肺支承热交换器容纳件,例如设有ECMOtherm热交换器设备或者BIOthermTM热交换器设备的容纳件,它们都可以从明尼苏达州明尼阿波利斯(Minneapolis,MN)的美墩力公司获得。作为参照,术语“热交换器“包括成束垫子构造22和热交换器心轴(或芯部)24。如此限定的热交换器20能用作独立的成品热交换设备或装置的一部分,该热交换设备或装置另外包括容纳件和各个流体端口。或者,如此限定的热交换器20能用作组合式体外血液回路设备的子组件,该子组件执行热交换和一个或多个附加功能。
作为独立的热交换设备的替代,本发明的卷垫式热交换器(尤其是成束垫子构造22)能包含到执行不同或附加功能的其它流体处理装置中或者作为该流体处理装置的一部分。例如,图8示出包含卷垫式热交换器20的组合式充氧器和热交换器设备250。该设备250还包括充氧器252和各个容纳部件(大体由附图标记254a-254c标示)。如同容纳部件254a-254c那样,充氧器252能呈现本领域已知的任何形式。为了便于说明,图8示出了与成束垫子构造22隔开的心轴24。在其它实施例中,该设备250能包括单独的支承芯部,且热交换器心轴24设置在该芯部上。
图9以简化的形式示出流过设备250的流体。在用于体外血液回路处理时,热交换器20可以加热或冷却流过设备250的血液。由于在心脏手术(尤其在婴儿和小儿外科手术)中、低温可用于降低氧气需求,并且由于血液的快速回温会不理想地产生气泡附加物,因而热交换器20通常用于使血液逐渐地回温并且防止形成附加物。用在热交换器20中的传热介质可包括水或其它合适的流体。图9包括示出传热介质流过热交换器20的箭头(标为“流体”),其中流体在流体进口256处进入而在流体出口258处离开。在流过热交换器20之后,血液继续运动并且径向向外且穿过充氧器252运动,该充氧器252设置在热交换器20周围。血流方向由箭头(标为“血液”)指示。图9还包括示出含氧气体介质流过充氧器252(标为“气体”)的箭头。充氧器252可同心地围绕热交换器20。此外,充氧器252可(例如,作为一个或多个连续的微孔中空纤维)围绕在热交换器20上。应理解的是,本发明的热交换器20可包含到包括或不包括充氧器252的多个其它设备中。
本发明的卷式毛细管垫热交换器及其制造方法提供优于现有装置和方法的显著改进。通过在圆柱形心轴的直径相对两侧附连两个单层毛细管垫子(或垫子部段)然后滚卷心轴,本发明的方法有益地产生对称的成束垫子构造。此外,本发明的方法能以简化的一致方式产生多层成束垫子构造。
尽管已参照较佳实施例描述了本发明,但本领域技术人员应当认识到,可在不脱离本发明的精神和范围内对形式和细节方面进行各种改变。
Claims (14)
1.一种制造用在体外血液回路热交换器中的成束垫子构造的方法,所述方法包括:
接纳单个毛细管垫子;
从所述单个垫子中移除至少一个毛细管,以在所述单个垫子中限定敞开区域;
将所述心轴插入所述敞开区域,其中在将所述心轴组装至所述单个垫子的情形下,所述心轴将所述单个垫子分成第一毛细管垫子部段和第二毛细管垫子部段;
将所述第一毛细管垫子部段的前缘附连于心轴的第一侧;
将所述第二毛细管垫子部段的前缘附连于心轴的第二侧;
其中,所述第二侧与所述第一侧直径相对;以及
相对于所述垫子部段滚卷所述心轴。
2.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述第一毛细管垫子部段是第一单层毛细管垫子,而所述第二毛细管垫子部段是第二单层毛细管垫子。
3.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述第一毛细管垫子部段的毛细管的定向与所述第二毛细管垫子部段的毛细管的定向相反,且在滚卷所述心轴的步骤之后,所述第一毛细管垫子部段的区域与所述第二毛细管垫子部段的区域交迭,以在所述第一垫子区域的毛细管和所述第二垫子区域的毛细管之间限定交叉角。
4.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述单个垫子包括经线承载件,所述经线承载件将所述垫子的毛细管互连起来,且将所述心轴插入所述敞开区域中包括将所述心轴固定于所述经线承载件。
5.如权利要求4所述的方法,其特征在于,所述心轴还包括用于可滑动地捕获所述经线承载件的指状件。
6.如权利要求1所述的方法,其特征在于,还包括:
在滚卷所述心轴的步骤中,对每个所述毛细管垫子部段施加张力。
7.如权利要求6所述的方法,其特征在于,第一张力装置对所述第一毛细管垫子部段施加张力,而第二张力装置对所述第二毛细管垫子部段施加张力。
8.如权利要求7所述的方法,其特征在于,所述第一张力装置独立于所述第二张力装置操作。
9.如权利要求6所述的方法,其特征在于,在滚卷所述心轴的步骤中,所施加的张力改变。
10.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述毛细管垫子部段的毛细管具有不超过0.05英寸的外直径。
11.如权利要求1所述的方法,其特征在于,在滚卷步骤之后,所缠绕的垫子部段的毛细管相对于所述心轴的中心轴线限定径向层,且所述径向层是对称的。
12.一种体外血液回路卷垫式热交换器设备,包括:
芯部;以及
成束垫子构造,所述成束垫子构造通过权利要求1所述的方法产生并且绕所述芯部设置。
13.如权利要求12所述的设备,其特征在于:所述第一垫子部段的区域与所述第二垫子部段的区域交迭,其中所述第一垫子区域的毛细管和所述第二垫子区域的毛细管相对于彼此限定交叉角。
14.如权利要求12所述的设备,其特征在于:所述成束垫子构造的毛细管限定流体进入侧和流体离开侧,且所述设备还包括:
容纳件,所述容纳件围绕所述成束垫子构造,并且建立从入口至所述流体进入侧的第一流体通路和从所述流体离开侧至出口的第二流体通路。
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