EA027362B1

EA027362B1 - Теплообменник с ламинаризатором

Info

Publication number: EA027362B1
Application number: EA201490325A
Authority: EA
Inventors: Лукаш Болек; Иржи Деймек; Иржи Ружичка; Иржи Бенеш; Зузана Петранкова
Original assignee: Универзита Карлова В Празе Лекарска Факульта В Пльзени
Priority date: 2011-07-22
Filing date: 2012-07-20
Publication date: 2017-07-31
Also published as: EP2678628B1; US9500415B2; CZ303190B6; EP2678628A1; CZ2011449A3; WO2013013647A1; EA201490325A1; US20140020868A1

Abstract

Изобретение относится к теплообменнику, который обеспечивает эффективное и равномерное охлаждение и/или нагрев жидкостей, в частности крови. Данный обменный аппарат предназначен именно для применения в медицине. Теплообменник содержит продолговатый, по существу, цилиндрический, корпус (1), ряд капилляров (2), которые прикреплены внутри корпуса (1) посредством перегородок (5), так что они, по существу, параллельны продольной оси корпуса (1) и взаимно расположены на определенных расстояниях друг от друга, в то время как корпус (1) содержит входное отверстие (4a) и выходное отверстие (4b) охлаждающей/нагревающей жидкости и концевой элемент (9) на каждом конце, при этом элемент содержит впускное отверстие (12a) или выпускное отверстие (12b) охлажденной/нагретой жидкости, отличающийся тем, что он содержит внутри корпуса (1) по меньшей мере один ламинаризатор (6) в форме перегородки с рядом отверстий (10), при этом всегда одно отверстие (10) предназначено для одного капилляра (2), при этом диаметр отверстия (10) больше, чем наружный диаметр капилляра (2), и ламинаризатор (6) размещен так, что капилляры (2) проходят через центр отверстия (10) в ламинаризаторе (6). Предпочтительно теплообменник согласно изобретению содержит два ламинаризатора (6). Теплообменник согласно изобретению предпочтительно весь выполнен из пластмассы. Предпочтительно обменный аппарат согласно изобретению дополнительно снабжен датчиком температуры на впускном отверстии (12a) и/или выпускном отверстии (12b) для охлажденной/нагретой жидкости.

Description

Изобретение относится к теплообменнику, обеспечивающему эффективное и однородное охлаждение и/или нагрев жидкостей, в частности крови. В частности, данный обменный аппарат предназначен для применения в медицине.

Предпосылки изобретения

Известно, что экстракорпоральный контакт крови с синтетическими материалами приводит в действие механизм свертывания и в результате происходит свертывание. Текущие исследования показали, что охлаждение крови во внешней циркуляции в значительной степени снижает ее нежелательное свертывание, что предоставляет большие возможности для медицины. Пациенты с болезнями почек составляют обширную группу, которая может получить существенную помощь от данного открытия. Данный новый принцип предотвращения естественного свертывания крови (Кгон/еску. А. и др., П'ИспАус Саге Меб (2009) 35:364-370, С2 300266, ΌΕ 102008062424, И8 2010114003) может заменить современную практику, которая предусматривает другие антикоагуляционные механизмы (например, гепарин), часто с многочисленными нежелательными эффектами. Основной предпосылкой эффективности данного нового принципа является предоставление достаточного охлаждения, а затем нагрева (перед введением в кровообращение тела) крови посредством специального теплообменника. Как теплообменники, подходящие для технических целей, так и теплообменник, предназначенный для медицинского применения, а именно для охлаждения/нагрева крови, известны из уровня техники.

Обменный аппарат, служащий в качестве нагревателя или охладителя воды, пара, масла и т.д., который содержит набор труб, был описан в патенте ί','Ζ 133689. Другой трубчатый теплообменник, подходящий для технических целей, раскрыт, например, в патенте СΖ 269522.

Теплообменник, подходящий для крови, описан в документе И8 4177816, при этом трубы для направления крови выполнены из металла и содержат вставки (например, в форме полосы) для обеспечения ламинарного потока крови.

Трубчатый теплообменник, выполненный из пластмассы, подходящей для медицинского применения, т.е. для охлаждения/нагрева крови, раскрыт в документе 1Р 56059197. Обменный аппарат, раскрытый в документе 1Р 2102661, стремится к достижению более высокой эффективности теплообмена путем направления охлаждающей жидкости через металлические трубы внутри кожуха обменного аппарата и потоков крови через кожух обменного аппарата.

Другим примером теплообменника для медицинского применения является обменный аппарат, раскрытый в документе И8 5294397.

Во всех приведенных документах серьезную проблему представляет обеспечение однородности и эффективности охлаждения/нагрева. Ни один из раскрытых обменных аппаратов, в которых кровь течет по трубам, размещенным внутри корпуса, содержащего охлаждающую/нагревающую жидкость, не содержит какое-либо устройство или конструктивный элемент, обеспечивающий равномерное ламинарное течение охлаждающей/нагревающей жидкости, таким образом, обеспечивая высокую однородность и эффективность охлаждения/нагрева крови. Эффективность обменного аппарата данного типа зависит, кроме прочего, от особенностей протекания охлаждающей/нагревающей жидкости, что не было рассмотрено ни в одном из документов из известного уровня техники. Протекание охлажденной/нагретой жидкости, т.е. крови, не создает никаких проблем, поскольку кровь течет через тонкие трубы (капилляры), и по существу это протекание всегда представляет собой ламинарное течение. С другой стороны, протекание охлаждающей/нагревающей жидкости в сосуде обменного аппарата (относительно большого объема) в силу своей природы (турбулентное, ламинарное течение) существенно влияет на эффективность обменного аппарата, что является важным аспектом не только при медицинском применении.

В медицинской практике всегда существует необходимость в эффективном и относительно дешевом (подходящем для однократного использования) устройстве для охлаждения/нагрева крови. Таким образом, был разработан новый теплообменник, содержащий новый элемент - ламинаризатор, который регулирует поток охлаждающей/нагревающей жидкости так, что поток является однородным, что исключает мертвые зоны в кожухе обменного аппарата и увеличивает охлаждающий/тепловой эффект теплообменника.

Сущность изобретения

Изобретение относится к теплообменнику, предназначенному именно для охлаждения или нагрева (для упрощения обозначенных по всему тексту как охлаждение/нагрев) крови при внешней циркуляции крови, который также подходит для охлаждения/нагрева других жидкостей. Теплообменник согласно изобретению содержит наружный корпус, в котором расположен ряд капилляров (труб или трубок небольшого диаметра; термины капилляр, капиллярная трубка, труба или трубка взаимозаменяемо используются в данном описании). Капилляры фиксированы внутри корпуса посредством перегородок и проходят через по меньшей мере один, но предпочтительно два (необязательно больше) ламинаризатора. Корпус служит для поддержания охлаждающих/нагревающих жидкостей в контакте с капиллярами, а также в качестве несущей конструкции устройства, а также в качестве теплоизоляции охлаждающей/нагревающей жидкости. На внешней части корпуса расположены подающее отверстие (входное отверстие) и спускное отверстие (выходное отверстие) охлаждающей/нагревающей жидкости, а также фик- 1 027362 сирующие элементы для фиксации внутренних деталей, т.е. перегородок и одного или нескольких ламинаризаторов. Наружные концы корпуса на обеих сторонах снабжены концевым элементом, целью которого является ввод и вывод охлажденной/нагретой жидкости посредством заборного отверстия (впускного отверстия) и выводного отверстия (выпускного отверстия).

Перегородки служат для фиксации капилляров и расположены возле концов корпуса, при этом они прикреплены посредством фиксирующих элементов. Такая фиксация удерживает все капилляры (а именно, если используются гибкие трубы) в закрепленном и параллельном положении с точно определенным расстоянием и распределением отдельных капилляров по всей длине их размещения.

Во внутренней части теплообменника по меньшей мере один ламинаризатор, а предпочтительно два ламинаризатора, расположены так, что они лежат в пространстве между перегородками, фиксирующими капилляры, на соответствующим образом выбранном расстоянии от перегородок для фиксации капиллярных трубок, так что пространство между ламинаризатором и перегородкой невелико, но все же оно допускает вход и выход охлаждающей/нагревающей жидкости. Дополнительно один или несколько ламинаризаторов могут быть расположены внутри корпуса на одинаковом или разных расстояниях. В ламинаризаторе выполнен ряд отверстий, при этом количество отверстий равно количеству капилляров, при этом отверстие имеет подходящим образом выбранный диаметр и расположение, т.е. имеет диаметр, который больше, чем наружный диаметр капилляра, в то время как капилляры проходят через центр этих отверстий. Ламинаризатор жестко зафиксирован к корпусу фиксирующими элементами, осесимметрично к перегородкам и капиллярам, точно так же, как и перегородка, так что он не двигается, и поддерживается осевая симметрия отдельных капилляров и отверстий в ламинаризаторе. Ламинаризатор регулирует поток охлаждающей/нагревающей жидкости, так что возникает размеренное, по существу, ламинарное течение, исключающее мертвые зоны и увеличивающее охлаждающие/тепловые эффекты теплообменника.

Обменный аппарат согласно изобретению сконструирован так, что он отвечает требованиям для медицинского применения, как с точки зрения материала, так и с точки зрения функциональности.

Обменный аппарат, т.е. все его компоненты, выполнены из пластмассы либо одного типа, либо из комбинации нескольких типов (например, РУС, РММА, РТРЕ, РЕ, РИК и т.д.), которые, с одной стороны, являются материалами с низкой теплопроводностью, а с другой стороны, обычно используются благодаря их краткосрочной, а в некоторых случаях даже длительной безопасности с точки зрения медицины, а именно в сфере медицины, пищевой промышленности и т.д. Кроме того, некоторые из этих материалов легко обрабатываются и имеют низкую стоимость, что немаловажно, главным образом, с коммерческой точки зрения, а именно в случае обменных аппаратов для медицинского применения, где предполагается однократное применение (т.е. одноразовый обменный аппарат). В то же время низкая теплопроводность в определенной мере является преимуществом, поскольку возникает только небольшая теплопередача между обменным аппаратом и окружающей его средой. Соединение материалов и отдельных деталей решается заливкой пластмассой того же или иного типа, путем приклеивания, термосваривания или прессования. Технологии обработки пластмассы и пластмассовых изделий, подходящие для изготовления теплообменника согласно изобретению, хорошо известны специалисту в данной области техники.

Охлаждающая/нагревающая жидкость представляет собой любую неагрессивную жидкость; подходящей является дистиллированная вода, возможно с добавками, понижающими температуру затвердевания, которые не являются агрессивными для материалов, используемых в обменном аппарате. Для охлаждения крови подходящим охлаждающим веществом является физиологический раствор. Общий объем охлажденной/нагретой жидкости в обменном аппарате минимизирован до объемов в десятки миллилитров, что является преимущественным в применениях, в которых необходимы минимальные потери в объемах, например при экстракорпоральной циркуляции крови. Данный объем является наименьшим в предпочтительном варианте осуществления теплообменника в примере 3, в котором, помимо других частичных улучшений, происходит уменьшение остаточных объемов охлажденной/нагретой жидкости по сравнению с вариантом осуществления по примеру 2.

Вследствие того, что обменный аппарат предназначен в первую очередь для медицинского применения, он сконструирован для уменьшения опасностей, возникающих при циркуляции крови. Среди основных опасностей в данном случае существует опасность свертывания крови, которая может возникать, если она медленно протекает. Таким образом, необходимо обеспечить достаточную скорость потока крови через капилляры обменного аппарата. Однако на высоких скоростях время, когда кровь находится в контакте с внутренними стенками капилляров, уменьшается, для компенсации данного явления необходимо максимизировать площадь, с которой контактирует кровь. Следующее также было принято во внимание: объем протекающей крови (который должен быть как можно меньше), поперечное сечение капилляров, их длина, гидродинамическое сопротивление (которое важно для дополнительных устройств, таких как монитор для диализа), объем охлаждающей/нагревающей жидкости, протекающей вокруг капилляров, и общий объем обменного аппарата. Обменный аппарат согласно изобретению в вариантах осуществления, указанных в примерах, представляет компромисс между всеми вышеуказанными требованиями. Специалисту будет понятно, что могут быть откорректированы конкретные размеры и формы

- 2 027362 деталей обменного аппарата, если такой обменный аппарат не отклоняется от концепции теплообменника согласно изобретению, как описано в данном документе и определено в патентной формуле.

В предпочтительном варианте осуществления выбранные параметры обменного аппарата (см. пример 2) обеспечивают очень низкое гидродинамическое сопротивление (обменный аппарат увеличивает давление протекающей крови только на некоторую величину в кПа) и безопасную скорость течения крови (с единицами измерения в мл/с), в то же время увеличивая максимально возможное возрастание или понижение температуры. Когда специалист ознакомится с концепцией обменного аппарата с ламинаризатором, раскрытой в настоящей заявке, определение других подходящих размеров обменного аппарата зависит, кроме прочего, от назначения обменного аппарата, и по существу является стандартным вопросом, который специалист сможет решить путем обычного проведения эксперимента, необязательно в сочетании с математическим моделированием.

Основной областью применения данного устройства является медицина, но оно также может находить применение в фармацевтической промышленности, косметической и пищевой промышленности и т.д. За исключением областей, где существуют строгие требования для поддержания максимального уровня гигиены и стерильности, устройство может быть использовано многократно. В случае использования человеческой крови предусматривается только однократное применение. Ожидаемая стоимость изготовления обменного аппарата относительно ниже по сравнению с обменными аппаратами из других материалов, которые отличаются от пластмассы (а именно РУС), что является преимуществом для однократного применения, а именно при ожидаемых более высоких объемах производства.

В частности, предметом настоящего изобретения является теплообменник, содержащий продолговатый, по существу, цилиндрический, корпус, ряд капилляров, прикрепляемых внутри корпуса посредством перегородок, так что они, по существу, параллельны относительно продольной оси корпуса и взаимно расположены на определенных расстояниях друг от друга, в то время как корпус содержит входное отверстие и выходное отверстие для охлаждающей/нагревающей жидкости и на каждом конце концевой элемент, содержащий впускное отверстие или выпускное отверстие для охлажденной/нагретой жидкости, характеризующийся тем, что он содержит по меньшей мере один ламинаризатор в виде перегородки внутри корпуса с рядом отверстий, при этом всегда одно отверстие предназначено для одного капилляра, при этом диаметр отверстия больше, чем наружный диаметр капилляра, и ламинаризатор расположен так, что капилляры проходят через центры отверстий в ламинаризаторе.

Предпочтительно теплообменник согласно настоящему изобретению содержит два ламинаризатора.

В предпочтительном варианте осуществления весь теплообменник согласно изобретению выполнен из пластмассы.

В предпочтительном варианте осуществления теплообменника согласно изобретению перегородки расположены в корпусе, так что монтажная сторона перегородки ориентирована по направлению к пространству для охлаждающей/нагревающей жидкости.

Теплообменник согласно изобретению предпочтительно снабжен на впускном отверстии и/или выпускном отверстии для охлажденной/нагретой жидкости датчиком температуры.

Признаки и преимущества теплообменника согласно изобретению будут более понятны из примеров вариантов осуществления со ссылкой на прилагаемые фигуры.

Краткое описание графических материалов

Фиг. 1.1 представляет собой общий вид (продольное сечение) теплообменника согласно уровню техники. Белые стрелки обозначают направление потока охлажденной/нагретой жидкости, а черные стрелки обозначают направление потока охлаждающей/нагревающей жидкости.

Фиг. 1.2 представляет собой элемент перегородки и крепления капиллярных трубок (сечение).

Фиг. 2.1 представляет собой общий вид (продольное сечение) теплообменника согласно изобретению, содержащего два ламинаризатора.

Фиг. 2.2 представляет собой элемент варианта осуществления ламинаризатора (сечение) обменного аппарата согласно фиг. 2.1.

Фиг. 3.1 представляет собой общий вид (продольное сечение) теплообменника согласно изобретению, содержащего два ламинаризатора по другому предпочтительному варианту осуществления.

Фиг. 3.2 представляет собой элемент перегородки и крепления капиллярных трубок в теплообменнике согласно фиг. 3.1.

Фиг. 4.1 представляет собой фиксирующую перегородку теплообменника, служащую для прикрепления капилляров.

Фиг. 4.2 представляет собой фиксирующую перегородку согласно фиг. 4.1, на которой показан вид с противоположной стороны относительно вида, показанного на фиг. 4.1, изображающий монтажное пространство.

Фиг. 5 представляет собой ламинаризатор теплообменника согласно изобретению.

Фиг. 6.1 представляет собой компьютерное моделирование потока охлаждающей/нагревающей жидкости в эталонном теплообменнике без ламинаризатора согласно фиг. 1.1.

Фиг. 6.2 представляет собой компьютерное моделирование потока охлаждающей/нагревающей жидкости в теплообменнике согласно изобретению с двумя ламинаризаторами согласно фиг. 2.1.

- 3 027362

Фиг. 6.3 представляет собой компьютерное моделирование потока охлаждающей/нагревающей жидкости в другом предпочтительном варианте осуществления теплообменника согласно изобретению с двумя ламинаризаторами согласно фиг. 3.1.

Фиг. 6.4а представляет собой компьютерное моделирование потока охлаждающей/нагревающей жидкости в теплообменнике согласно изобретению в варианте осуществления с одним ламинаризатором.

Фиг. 6.4Ь представляет собой компьютерное моделирование потока охлаждающей/нагревающей жидкости в теплообменнике согласно изобретению в варианте осуществления с тремя ламинаризаторами.

Фиг. 6.4с представляет собой компьютерное моделирование потока охлаждающей/нагревающей жидкости в теплообменнике согласно изобретению в варианте осуществления с четырьмя ламинаризаторами.

Примеры варианта осуществления изобретения

Пример 1. Эталонный теплообменник без ламинаризатора.

Фиг. 1.1 представляет эталонный теплообменник (который по существу соответствует теплообменнику согласно уровню техники), т.е. теплообменник без ламинаризатора.

Теплообменник содержит продолговатый, по существу, цилиндрический, корпус 1, ряд капилляров 2 (которые, например, являются трубами или трубками), прикрепленных внутри корпуса 1 посредством перегородок 5, так что они, по существу, параллельны относительно продольной оси корпуса 1.

Корпус 1 служит для поддержания охлаждающей/нагревающей жидкости в контакте с капиллярами 2, а также в качестве несущей конструкции устройства, а также в качестве теплоизоляции охлаждающей/нагревающей жидкости. По периметру корпуса 1 расположены входное отверстие 4а и выходное отверстие 4Ь охлаждающей/нагревающей жидкости, а также фиксирующие элементы 8 для фиксации перегородок 5. Концевой элемент 9 установлен на каждом наружном конце корпуса 1, который предназначен для ввода и вывода охлажденной/нагретой жидкости посредством впускного отверстия 12а или выпускного отверстия 12Ь. Входное отверстие 4а охлаждающей/нагревающей жидкости расположено на противоположном конце корпуса 1 относительно входного отверстия 12а охлажденной/нагретой жидкости, поскольку это является принципом работы противоточного теплообменника (черные стрелки на фиг. 1.1, 2.1 и 3.1 обозначают направление потока охлаждающей/нагревающей жидкости, а белые стрелки обозначают направление потока охлажденной/нагретой жидкости).

Перегородки 5 (фиг. 1.2, 4.1 и 4.2) служат для фиксации капилляров 2 посредством заливки пространства 11 подходящим крепежным материалом (например, акрилатной смолой, например 8ро£акгу1). Фиксирующие перегородки 5, расположенные на обоих концах корпуса 1, прикреплены посредством фиксирующих элементов 8. Такая фиксация поддерживает все капилляры 2 в прямой недеформированной форме на точно определенных расстояниях друг от друга, осесимметрично относительно перегородки и параллельно друг другу.

Охлажденная/нагретая жидкость направляется через впускное отверстие 12а в капилляры 2, которые ориентированы внутри корпуса 1 в осевом направлении относительно продольной оси корпуса. На противоположном конце обменного аппарата охлажденная/нагретая жидкость направляется в выпускное отверстие 12Ь и покидает теплообменник. Капилляры 2 зафиксированы в перегородке 5 (подробно на фиг. 1.2), которая разделяет пространство 3 для охлаждающей/нагревающей жидкости от пространства 7 для охлажденной/нагретой жидкости. Количество отверстий в перегородке 5, равное количеству капилляров 2 практически идентичного диаметра (или скорее в достаточной мере большего, чтобы капилляры 2 могли быть направлены через отверстия) по сравнению с наружным диаметром капилляров 2, при этом капилляры 2 присоединены к перегородке 5 посредством термосварки или приклеивания (или прикреплены любым другим подходящим образом, известным специалисту), при этом соединения совершенно герметичны, что позволяет избежать нежелательное смешивание охлаждающей/нагревающей и охлажденной/нагретой жидкостей.

Пример 2. Базовый вариант осуществления теплообменника с двумя ламинаризаторами

Теплообменник согласно изобретению (см. два типа вариантов осуществления на фиг. 2.1 и 3.1), по существу, подобен варианту осуществления согласно примеру 1 (фиг. 1.1). Основное отличие заключается в том, что он содержит два ламинаризатора 6 (для подробного представления см. фиг. 2.2 и фиг. 5), которые эффективно распределяют поток охлаждающей/нагревающей жидкости на все капилляры 2, через которые протекает охлажденная/нагретая жидкость, и регулирует поток охлаждающей/нагревающей жидкости так, что возникает однородный и более эффективный теплообмен на наружной поверхности капилляров и соответственно также эффективное охлаждение/нагрев охлажденной/нагретой жидкости. В данном варианте осуществления два ламинаризатора 6 расположены по обе стороны корпуса 1 обменного аппарата на подходящем расстоянии (приблизительно 1-2 см от перегородок 5, т.е. приблизительно 3 см от концов корпуса 1, при этом общая длина капилляров 2 составляет приблизительно 30 см) от крепления капилляров 2 в перегородке 5. Ламинаризаторы 6, аналогично перегородкам 5, зафиксированы посредством фиксирующих элементов 8 с корпусом 1, так что они не двигаются.

В данном конкретном варианте осуществления наружный диаметр корпуса 1 составляет 70 мм и внутренний диаметр корпуса составляет 62 мм. Размер внутреннего диаметра зависит, кроме прочего, от

- 4 027362 количества капилляров 2 в обменном аппарате. В данном варианте осуществления обменный аппарат содержит капилляры длиной 30 см, имеющие внутренний диаметр 1 мм, наружный диаметр 1,5 мм, общее количество капилляров составляет 200, общий объем охлажденной жидкости в капиллярах обменного аппарата, включая мертвые пространства, составляет 65 мл. Данное расположение обеспечивает очень низкое гидродинамическое сопротивление; обменный аппарат увеличивает давление протекающей воды только на 7 кПа. Данный предпочтительный вариант осуществления был выбран на основе предварительных экспериментов по оптимизации и результатов математического моделирования.

Ламинаризатор 6 предназначен для обеспечения равномерного протекания охлаждающей/нагревающей жидкости внутри корпуса 1, которое, как было доказано экспериментально, существенно увеличивает охлаждающий/нагревающий эффект обменного аппарата по сравнению с обменным аппаратом идентичного размера без ламинаризатора 6 (см. пример 1, фиг. 1.1). Ламинаризатор 6 по существу сконструирован в виде перегородки с отверстиями 10 для каждого капилляра 2. Ламинаризатор вызывает равномерное прохождение охлаждающей/нагревающей жидкости в отверстия 10 вокруг капилляров 2, в то время как весь обменный аппарат сконструирован так, что капилляры 2 проходят через центры отверстий 10 в ламинаризаторе 6. Размер отверстия 10 зависит, кроме прочего, от диаметра капилляра, скорости потока охлаждающей/нагревающей жидкости, внутреннего диаметра обменного аппарата и от количества и расположения капилляров. Диаметр отверстия 10 определяется известными специалисту физическими закономерностями, таким образом чтобы охлаждающая жидкость создавала ламинарное течение вокруг отдельных капилляров (число Рейнольдса для данной конфигурации составляет менее чем 2000). Вычисленное значение затем было проверено, например, посредством компьютерного моделирования и, в конце концов, экспериментально путем проверки эффективности обменного аппарата при охлаждении/нагреве жидкости (воды, крови).

Входное отверстие 4а и выходное отверстие 4Ь охлаждающей/нагревающей жидкости на периметре корпуса 1 не должны быть размещены во взаимно идентичном положении относительно периметра корпуса 1 (как показано, например, на фиг. 2.1), при этом они могут занимать любое положение относительно друг друга, например, преимущественно в противоположном положении (смещенном на 180° на периметре корпуса 1).

Пример 3. Сравнение работы теплообменника без ламинаризатора и работы теплообменника с двумя ламинаризаторами при охлаждении/нагреве воды.

С точки зрения функциональности обменный аппарат согласно изобретению обеспечивает охлаждение протекающей жидкости, например крови, на 15-25°С в зависимости от выбранной скорости потока, характерной для данной конструкции (например, 300-700 мл/мин), при значениях температуры охлаждения от 5 до 10°С. При понижающейся скорости потока охлажденной жидкости и понижающейся температуре охлажденной жидкости может быть достигнута более высокая разность температур. Для технических целей возможно достижение температур охлажденной жидкости ниже 0°, если применяются незамерзающие охлаждающие смеси.

Обменный аппарат также предназначен для нагрева жидкостей. Например, при поддержании аналогичной вышеуказанной скорости потока и температуры нагревающей жидкости приблизительно 35-45°С, протекающая жидкость, в частности, например кровь, может быть нагрета на 15-25°С.

Например, в случае применения эталонного обменного аппарата без ламинаризатора (см. пример 1) охлажденная жидкость (дистиллированная вода) при температуре 37°С охлаждается до 20°С при скорости потока 440 мл/мин при температуре охлаждающей жидкости (дистиллированной воды) 7°С и скорости потока охлаждающей жидкости 2 л/мин. При точно таких же условиях обменный аппарат с двумя ламинаризаторами согласно изобретению (фиг. 2.1) привел к уменьшению температуры охлажденной жидкости от 37 до 15°С, что является существенной разницей.

В случае применения эталонного обменного аппарата (см. пример 1) для нагрева нагретую жидкость (дистиллированная вода), имеющую исходную температуру 20°С, нагревают до 31°С при скорости потока 440 мл/мин, температуре нагревающей жидкости 44°С и скорости потока нагревающей жидкости 2 л/мин. При использовании обменного аппарата с двумя ламинаризаторами согласно изобретению (фиг.

2.1) для нагрева при точно таких же условиях, нагретую жидкость (дистиллированную воду) нагревали от 20 до 37°С.

Приведенные числовые значения представляют собой лишь выбранные характерные значения. Эксперименты были неоднократно выполнены и были получены подобные значения. Более высокая холодопроизводительность и теплопроизводительность обменного аппарата согласно изобретению (фиг. 2.1) по сравнению с эталонным обменным аппаратом (фиг. 1.1), определяется как достигнутая разница температур охлажденной/нагретой жидкости на впускном отверстии и выпускном отверстии при статистически значимых идентичных температурах и скоростях потока.

Пример 4. Проверка функциональности теплообменника с кровью

Были выполнены эксперименты, подобные примеру 3, с кровью животного (свиньи) в качестве охлажденной/нагретой жидкости. Были достигнуты очень похожие результаты.

Например, в случае использования обменного аппарата с двумя ламинаризаторами (см. фиг. 2.1 или

3.1) немодифицированную кровь при температуре 36,6°С охлаждали до 14,3°С при скорости потока 400

- 5 027362 мл/мин, при температуре охлаждающей жидкости (дистиллированной воды) 6,5°С и скорости потока охлаждающей жидкости 2 л/мин.

В эксперименте с немодифицированной кровью животного также проверяли риск свертывания крови в трубах обменного аппарата при уменьшении скорости потока крови в сочетании с недостаточным охлаждением. Эксперимент показал, что даже предельные условия, т.е. снижение скорости потока крови до 200 мл/мин, и температура окружающей среды труб приблизительно 27°С (материал труб - РУС), все же не привели к свертыванию крови в трубах обменного аппарата. Существует критическое сочетание негативных эффектов, что может даже привести к активации процессов свертывания крови при ее возвращении в циркуляцию крови, что может быть неприемлемым в рассматриваемом процессе лечения (например, диализ).

Пример 5. Улучшенный вариант осуществления теплообменника с двумя ламинаризаторами

Другой предпочтительный вариант осуществления теплообменника (см фиг. 3.1) отличается уменьшенными остаточными объемами (а именно, объем пространства 7 между основной частью корпуса 1 и концевым элементом 9) и более простой конструкцией с производственной точки зрения и дополнительно снабжен датчиками 16 температуры на впускном отверстии 12а и выпускном отверстии 12Ь обменного аппарата.

В данном предпочтительном варианте осуществления теплообменника конструкция была улучшена, прежде всего, изменением формы концевого элемента 9 (см фиг. 3.1), что привело к уменьшению пространства 7 и, таким образом, к уменьшению остаточного объема охлажденной/нагретой жидкости. Кроме того, внутреннее расположение фиксирующей перегородки 5 и ламинаризатора 6 было улучшено. Более того, концевой элемент 9 содержит встроенный датчик 16 температуры для непосредственного измерения температуры входящей и/или выходящей охлажденной/нагретой жидкости на впускном отверстии 12а и выпускном отверстии 12Ь. Вследствие подходящего размещения датчика 16 (фиг. 3.6) и его небольшого размера его влияние на поток охлажденной/нагретой жидкости максимально уменьшено. Фиксирующая перегородка 5 и ламинаризатор 6 в данном варианте осуществления жестко соединены посредством трех размещенных на одинаковом расстоянии дистанционных опор 15 (и, таким образом, образующих соединение, называющееся головкой). Фиксирующая перегородка 5 имеет, в отличие от предыдущего варианта осуществления (пример 2), противоположно расположенное пространство для фиксирующих капилляров 2 посредством заливки пространства 11 подходящим крепежным материалом. Данное пространство 11 расположено в данном случае с внутренней стороны (т.е. со стороны, находящейся в пространстве 3 охлаждающей/нагревающей жидкости) фиксирующей перегородки 5, как понятно с фиг. 3.1. и 3.2), то есть капилляры залиты уплотняющим веществом со стороны охлаждающей/нагревающей жидкости (т.е. в пространстве 3, но не в пространстве 7, срав. фиг. 2.1. и 3.1). Это предотвращает контакт монтажного материала с кровью.

Пример 6. Компьютерное моделирование функциональности теплообменника с различным количеством ламинаризаторов.

На фиг. 6.1 показано компьютерное моделирование потока охлаждающей/нагревающей жидкости в эталонном теплообменнике без ламинаризаторов 6 (пример 1, фиг. 1.1). Из данной модели понятно, что охлаждающая/нагревающая жидкость не течет равномерно; особенно образуются мертвые области с минимальным изменением охлаждающей/нагревающей жидкости. С другой стороны, как понятно из фиг. 6.2 (обменный аппарат согласно фиг. 2.1) и 6.3 (обменный аппарат согласно фиг. 3.1), два ламинаризатора 6 в обменном аппарате согласно изобретению явно регулируют поток охлаждающей/нагревающей жидкости и, таким образом, создают однородный поток, который исключает мертвые зоны и существенно улучшает охлаждающий/нагревающий эффект теплообменника.

При использовании обменного аппарата с одним ламинаризатором 6, размещенным ближе к входному отверстию 4а охлаждающей/нагревающей жидкости (см. фиг. 6.4а), был достигнут наиболее лучший охлаждающий/нагревающий эффект, чем в случае обменного аппарата без ламинаризатора (см. фиг.

6.1), однако улучшение не было столь же значительным, как в обменном аппарате с двумя ламинаризаторами 6 (см. фиг. 3.1), размещенными возле перегородок 5 (см. фиг. 6.3). Компьютерные модели также показывают, что, например, вставка одного или двух (необязательно, больше) дополнительных ламинаризаторов 6 между двумя крайними ламинаризаторами 6 (см. фиг. 6.4Ь и 6.4с) не обеспечивает значительного улучшения ламинаризации потока охлаждающей/нагревающей жидкости. С точки зрения достаточного охлаждающего/теплового эффекта, и в то же время с точки зрения производственных затрат на теплообменник обменный аппарат с 2 ламинаризаторами 6 может рассматриваться как предпочтительное решение.

Все вышеописанные эксперименты, подтверждающие, что ламинарное течение охлаждающей/нагревающей жидкости, достигаемое посредством одного, предпочтительно двух ламинаризаторов 6, размещенных в корпусе 1 теплообменника, обеспечивают более равномерное и более эффективное охлаждение/нагрев жидкости, что особенно важно для обеспечения однородного охлаждения/нагрева, предотвращающего нежелательные изменения в охлажденной/нагретой жидкостях - в частности, например, частичное свертывание крови. В то же время было продемонстрировано, что более эффективное охлаждение/нагрев жидкости происходит в обменном аппарате с по меньшей мере одним, необязательно

- 6 027362 несколькими (предпочтительно двумя) ламинаризаторами 6, чем в обменном аппарате без ламинаризатора(ов) 6 согласно примеру 1.

Claims

1. Теплообменник для охлаждения или нагрева крови во внешней циркуляции крови, содержащий продолговатый, по существу, цилиндрический корпус (1), ряд капилляров (2), которые прикреплены внутри корпуса (1) посредством перегородок (5), так что они, по существу, параллельны продольной оси корпуса (1) и взаимно расположены на определенных расстояниях друг от друга, при этом корпус (1) содержит входное отверстие (4а) и выходное отверстие (4Ь) для охлаждающей/нагревающей жидкости и концевой элемент (9) на каждом конце, при этом элемент содержит впускное отверстие (12а) или выпускное отверстие (12Ь) для охлажденной/нагретой жидкости, отличающийся тем, что он содержит внутри корпуса (1) по меньшей мере один ламинаризатор (6) в форме перегородки с рядом отверстий (10) для создания равномерного ламинарного потока охлаждающей/нагревающей жидкости внутри корпуса (1), при этом всегда одно отверстие (10) предназначено для одного капилляра (2), при этом диаметр отверстия (10) больше, чем наружный диаметр капилляра (2), и ламинаризатор (6) размещен так, что капилляры (2) проходят через центр отверстий (10) в ламинаризаторе (6), при этом перегородки (5) размещены в корпусе (1), так что монтажное пространство (11) перегородки (5) обращено к пространству (3) для охлаждающей/нагревающей жидкости, и по меньшей мере один ламинаризатор (6) и перегородка (5) соединены посредством дистанционных опор (15), и указанный теплообменник полностью выполнен из пластмассы.

2. Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что он содержит два ламинаризатора (6).

3. Теплообменник по п.1 или 2, отличающийся тем, что он снабжен датчиком (16) температуры на впускном отверстии (12а) и/или выпускном отверстии (12Ь) охлажденной/нагретой жидкости.