FR2740687A1

FR2740687A1 - Heat exchanger for medical blood product storage

Info

Publication number: FR2740687A1
Application number: FR9513248A
Authority: FR
Inventors: Jacques Laporte; Castro Arthur De; Gerard Normand
Original assignee: BOUDU SANTE SARL
Current assignee: BOUDU SANTE SARL
Priority date: 1995-11-02
Filing date: 1995-11-02
Publication date: 1997-05-09
Anticipated expiration: 2015-11-02
Also published as: FR2740687B1

Abstract

The heat exchanger has a sterilisable pocket (1) which cooperates with a heater and has at least one inlet (6) and an output (7) for a circulating liquid. A fixed obstacle (10a-c) is positioned between walls (3,4) of the pocket to cause turbulence in the fluid flow to the interior of the pocket. The obstacle can have a permeable texture formed by an assembly of channels connected between them to form a complex flow reservoir.

Description

ECHANGEUR ATHERMIQUE A USAGE MEDICAL
La présente invention concerne un échangeur thermique à usage médical, destiné au réchauffage de liquides biologiques injectables.HEAT EXCHANGER FOR MEDICAL USE
The present invention relates to a heat exchanger for medical use, intended for reheating injectable biological liquids.

L'invention trouve une application particulièrement avantageuse dans le domaine du chauffage des solutés ou des produits sanguins administrés par voies parentérales. The invention finds a particularly advantageous application in the field of heating solutes or blood products administered by parenteral routes.

Une grande partie des dispositifs connus, et actuellement employés, utilise le principe de l'échangeur thermique liquide/liquide dont la complexité structurelle est à l'origine de leur coût élevé. L'important encombrement, ainsi que le faible rendement thermique de ces appareils, rendent leur usage particulièrement difficile sur le terrain, c'est-à-dire hors des structures hospitalières spécialisées. A large part of the known devices, and currently used, uses the principle of the liquid / liquid heat exchanger whose structural complexity is at the origin of their high cost. The large size, as well as the low thermal efficiency of these devices, make their use particularly difficult in the field, that is to say outside specialized hospital structures.

On connaît également de l'état de la technique une autre sorte de dispositif de chauffage dans lequel l'échangeur est de type solide/liquide. Another kind of heating device is also known from the state of the art in which the exchanger is of the solid / liquid type.

Schématiquement, cette solution consiste à maintenir, sous faible épaisseur, un sachet souple de grande dimension entre deux plaques rigides thermoconductrices au travers desquelles est transmise la chaleur produite par un système exothermique quelconque.Schematically, this solution consists in maintaining, under low thickness, a large flexible bag between two rigid thermally conductive plates through which the heat produced by any exothermic system is transmitted.

Ce type de réalisation présente toutefois de nombreux inconvénients. However, this type of embodiment has many drawbacks.

La faible turbulence, existant à l'intérieur du sachet et résultant de l'écoulement quasi laminaire du liquide entre les parois, ne permet pas audit liquide d'atteindre une homogénéité thermique suffisante. De plus, la relative épaisseur des parois est à l'origine de la médiocre qualité de l'échange thermique se produisant entre les plaques et le liquide.The low turbulence, existing inside the bag and resulting from the quasi-laminar flow of the liquid between the walls, does not allow said liquid to achieve sufficient thermal homogeneity. In addition, the relative thickness of the walls is at the origin of the poor quality of the heat exchange occurring between the plates and the liquid.

Une norme résultant de la physiologie humaine impose par ailleurs une température de soluté toujours inférieure ou égale à 42"C pour les administrations parentérales. Elle constitue une exigence difficile à garantir en utilisant ce genre d'échangeur solide/liquide et les risques de surchauffe du sachet ne sont pas nuls. En effet, la faible importance du phénomène de convection existant au sein du liquide circulant rend complexe l'évacuation d'un excédent thermique éventuel en cas d'arrêt brutal du débit. A standard resulting from human physiology also imposes a solute temperature always less than or equal to 42 "C for parenteral administrations. It constitutes a requirement which is difficult to guarantee by using this kind of solid / liquid exchanger and the risks of overheating of the sachets are not zero, because the small extent of the convection phenomenon existing within the circulating liquid makes it difficult to evacuate any thermal excess in the event of a sudden flow stop.

Pour résoudre le problème essentiel de l'homogénéisation du liquide, on peut Imaginer de générer des turbulences à l'intérieur de l'échangeur, par exemple en gaufrant ses parois par calandrage. Ce mode de réalisation impose cependant l'utilisation d'un sachet à parois épaisses et implique, par conséquent, une réduction notable de la qualité de l'échange thermique. To solve the essential problem of the homogenization of the liquid, one can imagine generating turbulence inside the exchanger, for example by embossing its walls by calendering. This embodiment, however, requires the use of a bag with thick walls and therefore implies a significant reduction in the quality of the heat exchange.

Une autre possibilité consisterait à créer des déformations non développables sur toute l'épaisseur du sachet, en thermoformant le film constituant ses parois. Cette solution présente toutefois l'inconvénient de réduire la surface d'échange thermique entre le liquide contenu dans le sachet et les plaques chauffantes. Another possibility would be to create non-developable deformations over the entire thickness of the bag, by thermoforming the film constituting its walls. This solution however has the drawback of reducing the heat exchange surface between the liquid contained in the sachet and the heating plates.

Aussi le problème technique à résoudre par l'objet de la présente invention est de proposer un échangeur thermique de type solide/liquide qui permettrait d'éviter les problèmes de l'état de la technique en assurant notamment une homogénéisation forcée du liquide circulant, tout en garantissant un rendement thermique important ainsi qu'un faible écart de température entre le dispositif de chauffage et le liquide en sortie d'échangeur. Also the technical problem to be solved by the object of the present invention is to propose a heat exchanger of the solid / liquid type which would make it possible to avoid the problems of the state of the art by ensuring in particular a forced homogenization of the circulating liquid, while by guaranteeing a high thermal efficiency as well as a small temperature difference between the heating device and the liquid leaving the exchanger.

La solution au problème technique posé consiste, selon la présente invention, en un échangeur thermique à usage médical, constitué par une poche stérilisable destinée à coopérer avec un dispositif de chauffage et comportant au moins un organe d'entrée et au moins un-organe de-sortie d'un liquide circulant, remarquable en ce qu'un obstacle statique est positionné entre -les parois de la poche, de manière à rendre turbulent l'écoulement du liquide à l'intérieur de ladite poche. The solution to the technical problem posed consists, according to the present invention, in a heat exchanger for medical use, consisting of a sterilizable pocket intended to cooperate with a heating device and comprising at least one inlet member and at least one-member of -outlet of a circulating liquid, remarkable in that a static obstacle is positioned between the walls of the pocket, so as to make the flow of the liquid inside said pocket turbulent.

L'écoulement du liquide entre les parois d'un échangeur solide/liquide classique s'effectue de manière quasi laminaire. La présence de l'obstacle statique, interposé entre les organes d'entrée et de sortie de l'échangeur, permet dans le cas présent de générer des turbulences aptes à modifier le flux du liquide traversant la poche. The flow of liquid between the walls of a conventional solid / liquid exchanger takes place in a quasi-laminar manner. The presence of the static obstacle, interposed between the inlet and outlet members of the exchanger, makes it possible in the present case to generate turbulence capable of modifying the flow of the liquid passing through the pocket.

Selon une particularité de l'invention, L'obstacle statique consiste en un réseau complexe d'écoulement constitué d'une multitude de canaux reliés entre eux. Leurs dimensions peuvent être variables et leur enchevêtrement plus ou moins aléatoire. De manière avantageuse, cette texture perméable permet une agitation maximale du liquide à l'intérieur de l'échangeur et par conséquent une homogénéisation forcée de celui-ci. According to a feature of the invention, the static obstacle consists of a complex flow network consisting of a multitude of interconnected channels. Their dimensions can be variable and their tangle more or less random. Advantageously, this permeable texture allows maximum agitation of the liquid inside the exchanger and therefore forced homogenization of the latter.

Positionné de manière indépendante par rapport aux parois de la poche, l'obstacle statique n'est pas intercalé entre le système chauffant et le liquide. Ainsi il ne limite pas la surface d'échange entre les deux milieux et il permet de conserver une épaisseur de paroi minimale, garantissant par conséquent un échange thermique à haut rendement. Positioned independently from the pocket walls, the static obstacle is not interposed between the heating system and the liquid. Thus it does not limit the exchange surface between the two media and it makes it possible to maintain a minimum wall thickness, consequently guaranteeing a high-efficiency heat exchange.

Selon une autre particularité de l'invention, le volume intérieur de la poche présente une forme plus ou moins complexe déterminée par la présence, entre les parois internes de ladite poche, de liaisons locales dont une quelconque disposition adéquate permet de définir un parcours d'écoulement pour le liquide circulant. La forme de l'obstacle statique utilisé est bien évidemment adaptée audit parcours d'écoulement. La liaison peut être réalisée soit directement entre les parois de la poche, soit en interposant un matériau qui peut, par exemple, être identique à celui constituant l'obstacle statique. According to another characteristic of the invention, the interior volume of the pocket has a more or less complex shape determined by the presence, between the internal walls of said pocket, of local connections of which any suitable arrangement makes it possible to define a route for flow for circulating liquid. The shape of the static obstacle used is obviously adapted to said flow path. The connection can be made either directly between the walls of the pocket, or by interposing a material which can, for example, be identical to that constituting the static obstacle.

Le nombre et le positionnement relatif des organes d'entrée et de sortie du liquide circulant sont fonctions essentiellement de la forme et de la complexité du parcours d'écoulement considéré. De manière particulièrement avantageuse, lesdits organes sont positionnés aux extrémités dudit parcours qui, de préférence, ne comporte pas de bras mort. The number and the relative positioning of the inlet and outlet members of the circulating liquid depend essentially on the shape and the complexity of the flow path considered. In a particularly advantageous manner, said members are positioned at the ends of said path which, preferably, does not include a dead arm.

Selon une autre particularité de l'invention, l'obstacle statique occupe sur au moins une section du parcours d'écoulement la totalité du volume disponible à l'intérieur de la poche, garantissant ainsi l'agitation de tout le liquide transitant par celle-ci. Les portions du parcours d'écoulement non occupées par l'obstacle statique constituent des espaces libres dont la présence permet de maîtriser les pertes de charge et les problèmes de répartition du liquide, notamment au niveau des zones d'entrée et sortie de l'échangeur. Ces pertes de charge, résultant essentiellement de la présence de l'obstacle statique entre les parois, peuvent également être optimisée par une forme adéquate dudit obstacle.Leur existence permet cependant de créer une pression suffisante à l'intérieur de la poche pour plaquer de manière uniforme le film souple constituant les parois sur les surfaces actives des éléments chauffants. According to another feature of the invention, the static obstacle occupies on at least one section of the flow path the entire volume available inside the pocket, thereby guaranteeing the agitation of all the liquid passing through it. this. The portions of the flow path not occupied by the static obstacle constitute free spaces whose presence makes it possible to control the pressure drops and the problems of distribution of the liquid, in particular at the level of the inlet and outlet zones of the exchanger. . These pressure losses, essentially resulting from the presence of the static obstacle between the walls, can also be optimized by an adequate shape of said obstacle. Their existence however makes it possible to create sufficient pressure inside the pocket to tackle so uniform the flexible film constituting the walls on the active surfaces of the heating elements.

L'invention telle qu'ainsi définie, combinée à l'utilisation d'un dispositif de chauffage bénéficiant d'une distribution surfacique appropriée du flux thermique, permet de limiter l'écart de température existant entre les éléments solides transmettant la chaleur et le liquide en sortie d'échangeur. The invention as thus defined, combined with the use of a heating device benefiting from an appropriate surface distribution of the heat flux, makes it possible to limit the temperature difference existing between the solid elements transmitting heat and the liquid. at the exchanger outlet.

Une différence de seulement 2 à 4"C peut être obtenu pour des débits allant de 1 à 100 ml/mn, ce qui constitue une performance difficilement accessible avec les échangeurs thermiques de même surface de l'art antérieur.A difference of only 2 to 4 "C can be obtained for flow rates ranging from 1 to 100 ml / min, which constitutes a performance that is difficult to access with heat exchangers of the same surface area in the prior art.

L'invention permet également un fonctionnement omnidirectionnel.The invention also allows omnidirectional operation.

Selon une autre particularité de l'invention, I'obstacle statique est constitué par un matériau alvéolaire ou poreux, c'est-à-dire un matériau présentant une multitude de petits trous de fermes et de dimensions variables, qui communiquent entre eux afin de réaliser là encore un réseau complexe d'écoulement pour le liquide traversant la poche. According to another feature of the invention, the static obstacle consists of a cellular or porous material, that is to say a material having a multitude of small firm holes and of variable dimensions, which communicate with each other in order to here again realize a complex flow network for the liquid passing through the pocket.

La description qui va suivre en regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs, fera bien comprendre en quoi consiste l'invention et comment elle peut être réalisée. The description which follows with reference to the appended drawings, given by way of nonlimiting examples, will make it clear what the invention consists of and how it can be implemented.

La figure- 1 représente une vue de plan en coupe partielle d'un échangeur thermique selon un mode de réalisation préféré de l'invention. FIG. 1 represents a plan view in partial section of a heat exchanger according to a preferred embodiment of the invention.

La figure 2 est une vue en coupe transversale d'une partie d'un échangeur selon un mode particulier de réalisation. Figure 2 is a cross-sectional view of part of an exchanger according to a particular embodiment.

Pour des raisons de clarté, les mêmes éléments ont été désignés par les mêmes références. De même, seuls les éléments essentiels pour la compréhension de l'invention ont été représentés. Ils l'on été sans respect de l'échelle et de manière schématique. For reasons of clarity, the same elements have been designated by the same references. Likewise, only the essential elements for understanding the invention have been shown. They were disrespectful of the scale and schematically.

Ainsi qu'on peut le voir sur la figure 1, I'échangeur thermique objet de l'invention est constitué par une poche 1 composée de deux films souples assemblés par soudure ou collage de leurs zones périphériques respectives. As can be seen in FIG. 1, the heat exchanger which is the subject of the invention consists of a pocket 1 composed of two flexible films assembled by welding or gluing their respective peripheral zones.

Le pourtour 2 ainsi constitué délimite les parois 3,4 de la poche 1.The periphery 2 thus formed delimits the walls 3.4 of the pocket 1.

Le film souple utilisé doit être le plus mince possible et être réalisé dans un matériau à faible résistance thermique, de manière à faciliter l'échange de chaleur entre le dispositif de chauffage et le liquide circulant à l'intérieur de la poche. En raison de son utilisation dans le domaine médical, le matériau employé doit également être conforme à la pharmacopée. The flexible film used must be as thin as possible and be made of a material with low thermal resistance, so as to facilitate the exchange of heat between the heating device and the liquid circulating inside the pocket. Due to its use in the medical field, the material used must also comply with the pharmacopoeia.

Les parois 3, 4 sont par ailleurs reliées par une liaison 5 interne dont une extrémité se confond avec le pourtour 2, de sorte que le volume inténeur 20 de la poche 1 présente une forme de U. Le parcours d'écoulement ainsi défini se compose donc de deux compartiments 11, 12 principaux dans lesquels prennent place deux tronçons 10a, 10b d'obstacle statique. L'espace reliant lesdits compartiments 11, 12 constitue une zone libre 13 facilitant le transfert du liquide. The walls 3, 4 are also connected by an internal connection 5, one end of which merges with the periphery 2, so that the interior volume 20 of the pocket 1 has a U shape. The flow path thus defined is composed therefore two main compartments 11, 12 in which two sections 10a, 10b of static obstacle take place. The space connecting said compartments 11, 12 constitutes a free zone 13 facilitating the transfer of the liquid.

Des organes d'entrée 6 et de sortie 7 du liquide circulant, constitués par des tubulures en polymère, sont positionnés aux extrémités du parcours d'écoulement. Ces tubulures 6, 7 comportent transversalement une pluralité de conduites 8, 9 parallèles et régulièrement espacées, qui communiquent avec le volume intérieur 20 de la poche 1. Afin d'optimiser les transferts de liquide entre lesdits organes 6, 7 et ledit volume intérieur 20, deux zones libres 14, 15 sont prévues aux extrémités des compartiments 11, 12. Inlet 6 and outlet 7 members of the circulating liquid, constituted by polymer pipes, are positioned at the ends of the flow path. These pipes 6, 7 comprise transversely a plurality of parallel and regularly spaced pipes 8, 9 which communicate with the interior volume 20 of the bag 1. In order to optimize the transfers of liquid between said members 6, 7 and said interior volume 20 , two free zones 14, 15 are provided at the ends of the compartments 11, 12.

Dans ce mode de réalisation préféré de l'invention, les tubulures 6, 7, les conduites 8, 9 et les obstacles statiques 10a, lOb sont solidaires. In this preferred embodiment of the invention, the pipes 6, 7, the pipes 8, 9 and the static obstacles 10a, 10b are integral.

L'ensemble est réalisé de manière particulièrement avantageuse par moulage d'une pièce unique. Le raccordement des différents éléments qui ne sont pas en contact direct, c'est-à-dire ceux disposés de part et d'autre des zones libres 13, 14, 15, s'effectue au moyen de liaisons s'détendant le long des contours desdites zones libres 13, 14, 15.The assembly is produced in a particularly advantageous manner by molding a single piece. The connection of the various elements which are not in direct contact, that is to say those arranged on either side of the free zones 13, 14, 15, is effected by means of links extending along the contours of said free zones 13, 14, 15.

Un tel échangeur est de réalisation particulièrement économique, ce qui constitue un avantage décisif dans l'optique d'un produit jetable. n est également facilement stérilisable. Such an exchanger is particularly economical to produce, which constitutes a decisive advantage from the point of view of a disposable product. It is also easily sterilizable.

La figure 2 montre plus particulièrement la coopération entre la poche 1 et un dispositif de chauffage. Cette coupe transversale met en évidence la texture perméable de obstacle statique 10c qui est ici constitué par un tissu monofilament composé de fils de trame 17a, 17b, 1 7c enchevêtrés avec des fils de chaîne 16a, 16b. Le tissu 10c prend place dans le volume intérieur 20, délimité par les parois 3, 4 qui coopèrent quant à elles au niveau de leurs surfaces extérieures avec des plaques 18, 19 rigides et thermoconductrices, chargées de transmettre à la poche 1 la chaleur produite par une source thermique quelconque. Figure 2 shows more particularly the cooperation between the pocket 1 and a heating device. This cross-section highlights the permeable texture of static obstacle 10c which is here constituted by a monofilament fabric composed of weft threads 17a, 17b, 17c entangled with warp threads 16a, 16b. The fabric 10c takes place in the interior volume 20, delimited by the walls 3, 4 which for their part cooperate at the level of their exterior surfaces with rigid and heat-conducting plates 18, 19, responsible for transmitting to the pocket 1 the heat produced by any heat source.

La différence de pression de liquide, existant entre les tubulures 6, 7 et correspondant au phénomène de perte de charge précédemment décrit, permet de garantir une continuité de contact entre les parois 3, 4 de la poche 1 et les éléments chauffants 18, 19, et ainsi un fonctionnement omnidirectionnel de la poche 1. The difference in liquid pressure, existing between the pipes 6, 7 and corresponding to the pressure drop phenomenon previously described, makes it possible to guarantee continuity of contact between the walls 3, 4 of the bag 1 and the heating elements 18, 19, and thus an omnidirectional operation of the pocket 1.

Naturellement, et comme il résulte déjà amplement de ce qui précède, l'obstacle statique 10a, 10b, 10c peut être constitué d'un organe de nature et de conformation quelconque, dans la mesure où celui-ci présente une structure perméable apte à briser l'écoulement du liquide à l'intérieur de l'échangeur. Le réseau complexe d'écoulement peut prendre n'impolte quelle forme étant entendu que le nombre et les dimensions des canaux peuvent être variables, leur agencement et leur jonction plus ou moins aléatoires. Naturally, and as it already clearly follows from the above, the static obstacle 10a, 10b, 10c can consist of an organ of any nature and conformation, insofar as it has a permeable structure capable of breaking the flow of liquid inside the exchanger. The complex flow network can take any shape, it being understood that the number and dimensions of the channels can be variable, their arrangement and their junction more or less random.

Ainsi l'obstacle statique 10a, 10b, 10c peut également être constitué par une mousse ouverte, un feutre, un tissu multifilament, un assemblage de billes, etc... La possibilité d'utiliser une pièce moulée élargit encore considérablement le choix de la structure interne de l'obstacle statique. Thus the static obstacle 10a, 10b, 10c can also be constituted by an open foam, a felt, a multifilament fabric, an assembly of balls, etc. The possibility of using a molded part further considerably widens the choice of the internal structure of the static obstacle.

Claims

1. Heat exchanger for medical use, consisting of a sterilizable bag (1) intended to cooperate with a heating device and comprising at least one inlet member (6) and at least one outlet member (7) for a liquid circulating, characterized in that a static obstacle (lova, i Ob, 10c) is positioned between the walls (3, 4) of the pocket (l), so as to make the flow of liquid inside the vessel turbulent of said pocket (1).

2. Heat exchanger according to claim 1, characterized in that the static obstacle (10a, 10b, 10c) has a pinnable texture constituted by a set of channels connected together to form a complex flow network.

3. Heat exchanger according to one of claims 1 or 2, characterized in that the static obstacle (lOa, lOb, lOc) is positioned freely relative to the walls (3, 4) delimiting the interior volume (20) of the pocket (1).

4. Heat exchanger according to any one of claims 1 to 3, characterized in that on the one hand, the internal walls (3, 4) of the pocket (1) are connected locally so as to define, inside from said pocket (1), a flow path for the circulating liquid, and in that, on the other hand, the static obstacle (10a, 10b, 10c) has a shape adapted to said flow path.

5. Heat exchanger according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the static obstacle (lOa, lOb, lOc) occupies the entire interior volume (20) available of the pocket (1), on at least a section of the flow path.

6. Heat exchanger according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the presence of the static obstacle (lova, lOb, 1 Oc) between the walls (3, 4) of the pocket (1) generates a internal overpressure capable of ensuring the intimacy of contact between said walls (3, 4) and external heating elements (18, 19) with which they are intended to cooperate.

7. Heat exchanger according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the static obstacle (10a, 10b, 10c) consists of a cellular material.

8. Heat exchanger according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the passive obstacle (lOa, lOb, lOc) consists of a molded part.

9. Heat exchanger according to any one of claims 1 to 8, characterized in that the static obstacle (lOa, lOb, lOc) consists of a monofilament fabric.