JP2015150440A - 流体を混合し、吹き付けるための方法およびノズル - Google Patents

Abstract

【課題】 流体を混合し、吹き付けるための方法およびノズルを提供する。【解決手段】 本発明は、少なくとも２つの排出路（１０、２０）と少なくとも２つの入口開口部（１３、２３）を有し、その断面が異なっているか、同じである医療用の外部混合ノズルによって少なくとも２種類の流体を混合する方法に関し、異なる体積流量および／または異なる粘性の２種類の流体が吹き付けられ、入口開口部（１３、２３）および／または排出路（１０、２０）の断面の比は体積流量の比に対応し、それによって流体は排出路（１０、２０）および／または入口開口部（１３、２３）を通って実質的に同じ平均流速で流れる。本発明はまた、物質、特に生体材料を吹き付けるための外部混合ノズル、医療器具、および医療機器にも関する。【選択図】図１

Description

本発明は、少なくとも２種類の流体を、特に医療用の外部混合ノズルによって混合する方法に関する。本発明はさらに、物質、特に生体材料を供給するための外部混合ノズルのほか、そのようなノズルを備える医療器具および医療機器に関する。特許請求項７の前文によるノズルは、例えば米国特許第５，３６８，５６３Ａ号から知られている。

既知のノズルの場合、２つの渦室が設けられ、それぞれ排出路がその中へと開放している。渦室を介して２種類の流体の回転運動が起こされてから、流体が、排出路を介してノズルから出る。流体に事前に渦が起こされるため、回転する吹付噴流が生成される。ここで、既知のノズルの２つの出口開口部は相互に離間して配置され、それによって２つの回転する流体円錐が重なり、２種類の流体の混合がノズルの外で行われるようになっている。

開示されている既知のノズルの特徴の結果、異なる粘度を有し、および／または異なる流量で供給される流体の均一な混合を所望の量で行うことができないか、そもそも不可能である。既知のノズルの別の欠点は、渦室内の流体が、生体材料、例えば細胞を供給する場合に望ましくないような高い応力に曝されるという事実にある。

本発明の目的は、流体の均一な混合を可能にする、少なくとも２種類の流体を医療用の外部混合ノズルによって混合する方法を提示することにある。本発明の目的はさらに、流体の均一な混合を可能にし、特に生体材料の緩やかな混合を可能にする外部混合ノズルを提示することにある。本発明の目的は最後に、このような外部混合ノズルを備える医療器具と医療機器を提示することにある。

本発明によれば、この目的は、方法に関しては特許請求項１の主旨によって、外部混合ノズルに関しては請求項７の主旨によって、医療器具に関しては請求項１３の主旨によって、医療機器に関しては請求項１４の主旨によって達成される。

本発明は、医療用の外部混合ノズルによって少なくとも２種類の流体を混合する方法を提示するという概念に基づいており、このノズルは、そこから流体がノズルの外へと出ることのできる少なくとも２つの排出路と、そこを通って小室、特に混合室または渦室の中の流体が入ることのできる少なくとも２つの入口開口部と、を有する。流体がノズルの外で混合されるように、流体のうちの少なくとも一方がノズルから円錐状の噴流として出ることが好都合でありうる。

少なくとも２つの排出路および／または少なくとも２つの入口開口部の断面は異なっていても、同じでもよい。特に、入口開口部の断面は、相互に異なっていても同じでもよい。排出路の断面も同様に、相互に異なっていても同じでもよい。また、排出路の断面が、この排出路に割り当てられた入口開口部の断面と異なるようにすることも、またはこれらの断面を同じにすることも可能である。小室の直径はさらに、異なる大きさにすることができる。本発明による方法の場合、第一の流体は第一の供給路を介して横方向、特に接線方向に第一の小室に導かれ、これは第一の排出路に流体接続される。第二の流体は第二の供路を介して、横方向、特に接線方向に第二の小室へと導かれ、これは第二の排出路に流体接続される。第一の流体は第一の排出路を介して流出し、第二の流体は第二の排出路を介して流出し、それによって重複する流体円錐が形成される。流体円錐の重複の程度は、所期の用途に応じて決定できる。それゆえ、両方の流体円錐の重複領域は、等しい割合の２つの流体円錐から形成することが可能である。しかしながら、重複領域をほとんど１つの流体円錐によってのみ形成することも可能である。流体円錐は、方法の場合は使用されるノズルおよび供給される流体の特徴によって決まる。第一の流体と第二の流体は、異なる粘性を有し、異なる体積流量で、すなわち特定の体積流量比で供給することができる。さらに、入口開口部および／または排出路の断面の比は体積流量の比に対応する。例えば、第一の流体と第二の流体は、排出路および／または入口開口部を通って実質的に同じ流速で流れることができる。これに加えて、具体的な用途において、小室の直径を異なるようにすることができる。これに対応して形成されたノズルにより、第一の流体と第二の流体の体積流量の違いにかかわらず、十分に大きい開口角度を有する流体円錐を確実に形成できる。その結果、略同じ大きさであり、重なり合う流体円錐領域が得られる。

本発明による方法を用いて、異なる流体の均一な混合物が、重複する流体円錐内で生成されるようにすることができる。２種類の流体の流速が、それらの粘性または体積流量の違いにかかわらず、相互に合わせて調整されるため、流体の良好で安定した混合が実現される。この場合、混合はノズルの外で行われるため、ノズルの閉塞の危険性が回避される。流体は好ましくは、ノズル内で相互に完全に分離されて案内される。具体的に言えば、流体の架橋反応または混合をノズルの外部のみで行うことができる。

本発明による方法に使用されるノズルは好ましくは、選択された２種類の流体の特性に特に適応される。それゆえ、所望の流体組み合わせごとに、相応に適応されたノズルを提供できる。ノズルは、例えば排出路および／または小室への入口開口部の断面、および／または小室の直径によって異なる。このような形状の可変性の結果、所定の流体についての流速を選択的に設定することが可能となる。外部混合ノズルは、断面の異なる２つの排出路と、断面の異なる、および／または小室の直径の異なる２つの入口開口部の両方を有することができる。また、排出路および／または小室への入口開口部の断面を同じにすることも可能である。すると流速を、例えば流体圧力および／または流体の体積流量に影響を与える制御ユニットを介して調整できる。換言すれば、本発明による方法の１つの好ましい構成において、第一の流体の第一の小室への供給および／または第二の流体の第二の小室への供給が制御されるようになされる。

これに関して、小室の直径が、小室の中心軸に垂直な平面における小室の寸法に関係するという事実について説明する。本発明の場合、小室は特に、入口開口部を介して流入する流体に対して渦を加える機能を果たすことができる。そのために、小室は好ましくは、丸い、特に円形の断面を有する。丸い小室断面の直径を、本願の文脈において、小室直径と呼ぶ。

本発明による方法の別の構成において、第三の流体を 第三の供給路を通って第二の小室に誘導し、第二の流体と混合すことができる。したがって、第三の流体は、出口開口部から出る前に第二の流体とすでに混合できる。好ましくは、第二の流体と第三の流体が相互に架橋反応を全く起こさない、またはわずかな反応しか起こさないようになされる。しかしながら、第一の流体が架橋機能を有していてもよく、それによってノズル外で第一の流体を第二および第三の流体の混合物と混合させることにより、架橋が起こされる。すべての流体の架橋は好ましくは、たとえばノズルの外で初めて、第一の流体を第二および第三の流体の混合物に添加することによって行われる。

流体が受ける応力を減らすために、例えば第三の流体が第二の小室に流入する時のせん断力を減らすために、有利な点として、第三の流体が同軸的に第二の小室へと流入するようになすことができる。特に、第三の流体は第二の小室に関して同軸的に第二の小室に流入でき、第二の小室は第二の排出路に同軸的に接続される。その結果、第三の流体は第二の小室内を、第二の排出路に関して同軸的に流れることができる。それゆえ、第二の小室内の第三の流体が、応力、特にせん断力または圧力の増大の原因となる渦および／または高い圧力に曝されることがほとんど回避される。第三の流体へのせん断力および／または圧力の影響が最小化され、第三の流体は特に緩やかに供給または混入される。第三の流体は、例えば生体材料、特に応力に関して非常に繊細な細胞を含むことができる。生体材料は、第三の流体の同軸的供給によって保護される。

本発明による方法の１つの代替的な変形において、第三の流体は、第三の排出路を介して第一の流体と第二の流体の重複する流体円錐へと誘導できる。この変形において、第三の排出路は好ましくは、第一の排出路と第二の排出路の間に位置付けられ、それによって第三の流体は第一の流体と第二の流体の流体円錐の混合または重複領域へと誘導される。このようにして、第三の流体はノズルの外で第一の流体および第二の流体と結合され、３種類すべての流体の混合が完全にノズルの外で行われる。これによって、個々の排出路またはノズルのその他の構成部品の閉塞が回避される。ノズルの外での流体の混合により、さらにこれらの流体を特に緩やかに混ぜることができる。

本発明による他の代替的な実施形態は、第三の流体が直接、特に横方向に第二の排出路へと導入されるようにする。第三の流体は、第二の排出路への第二の流体の流入によって吸引され（ベンチュリの原理）、それゆえ、実質的に圧縮応力を受けずに第二の排出路に到達し、第三の流体と第二の流体の混合が少なくとも部分的に排出路の中で起こる。第三の流体はしたがって、ノズルから出る直前に第二の流体と混合され、その結果、ノズルの閉塞の危険性が低減する。同時に、第三の流体と第二の流体の所望の混合が実現される。

本発明はさらに、物質、特に生体材料を供給するための、第一の排出路と第二の排出路を有する外部混合ノズルを提示するという概念に基づく。第一の排出路と第二の排出路は相互に離間して配置され、それによって流体混合のために第一と第二の排出路から出る流体円錐が少なくとも部分的に重複する。第一の排出路は第一の小室に流体接続される。第二の排出路は第二の小室に流体接続される。さらに、第一の供給路は横方向、特に接線方向に第一の小室へと開放する。第二の供給路は横方向、特に接線方向に、第二の小室へと開放する。本発明によれば、同軸的に第二の小室に、または第二の排出路または第三の排出路へと直接開放する少なくとも１つの第三の供給路が提供される。

本発明によるノズルによって、少なくとも３種類の流体の供給と混合が可能となり、少なくとも２種類の流体の混合が完全にノズルの外で行われる。それゆえ、ノズルの付着や閉塞が回避される。

第三の供給路は、特に横方向に第二の排出路へと開放することができる。換言すれば、第三の供給路内で案内される第三の流体は、第二の排出路内で案内される第二の流体の流れの方向に垂直に混合させることができる。この種の混合は、物質、特に第三の流体内に含まれる可能性のある生体材料にとって特に有効であり、同時に緩やかである。

本発明によるノズルの１つの好ましい変形において、第三の排出路は第一と第二の排出路間に配置され、それによって第三の排出路から出た流体、特に第三の流体が重複する流体円錐の中へと誘導される。この変形では、少なくとも３種類の流体の混合が完全にノズルの外で行われ、それによってノズルの閉塞が確実に防止される。第三の排出路を第一と第二の排出路間の中央に配置することにより、第三の排出路から出る第三の流体にかかる、例えばせん断力による応力が減少する。

本発明によるノズルの場合、第三の供給路が第二の排出路に関して同軸的に配置されるようになすこともできる。第三の供給路内で案内される第三の流体はそれゆえ、第二の小室に同軸的に、すなわち中央で到達し、そこで、第二の供給路を介して第二の小室へと流れる第二の流体と緩やかに混合されることが可能となる。第二の供給路が横方向に開放することによって、第二の小室内で渦が発生し、この渦が乱流を起こし、それによって、同軸的に配置された第三の供給路を介して流入する第三の流体が第二の流体とよく混ざる。第三の供給路を同軸的に配置することにより、同時に、第三の流体が特に発生する応力、特にせん断力および／または圧力の点で保護される。

流体を最適に均質分散させ、また吹付円錐の重複をできるだけ大きくするように、排出路から出る流体の流速の調整および、それゆえ吹付円錐の（軸方向、半径方向の）速度成分の点での均等化を実現するために、好ましくは、第一の小室と第二の小室がそれぞれ、第一または第二の供給路に入口開口部を介して接続されるようになすことができ、第一の小室の入口開口部と第二の小室の入口開口部は異なる切断面を有する。第一の小室または第二の小室の入口開口部の切断面は、その幾何学形状および／またはその大きさの点で異なっていてもよい。切断面は好ましくは、大きさが異なり、切断面間の大きさの差は、小室に流入する流体の流速が均等になるように適応される。

最後に、本発明によるノズル場合、少なくとも第一の排出路と第二の排出路、特にすべての排出路が相互に平行に、または斜めに整列された長手方向軸を有するようになすことができる。排出路の長手方向軸を平行に整列させると、本発明によるノズルの製造が容易になる。流体円錐の重複領域は、排出路の長手方向軸を斜めに整列させることによって拡張できる。これは流体の混合を支援し、それゆえ、ノズルの混合機能を改善する。

さらに、本発明によるノズルの１つの好ましい例示的実施形態の場合、第二の排出路がボトルネックを有するようになすことができる。第三の供給路は、第二の排出路内に、特にボトルネック領域へと開放することができる。第三の供給路は好ましくは、ボトルネック領域で横方向に第二の排出路へと開放する。ボトルネックは実質的にテーパ形状を形成することができ、それによって排出路自体がベンチュリノズルのように形成される。排出路はそれゆえ、断面直径が異なるか、変化し、この排出路の断面は好ましくは円形である。第二の排出路だけでなく、第一の排出路および／または第三の排出路もベンチュリノズルのように形成でき、すなわち実質的にボトルネックを有するようにすることができるという事実について説明する。ボトルネックは、それぞれの排出路の最小の断面直径を形成する。入口開口部と排出路の断面寸法を比較して、ボトルネック領域における最小の断面直径は、排出路をベンチュリノズルのように形成するという点で必要となる。最小の断面直径は、例えば排出路内に案内された測定シリンダを利用して測定できる。排出路内で案内できる最大の測定シリンダの直径が、ボトルネックにおける排出路の断面直径、すなわち最小の断面直径に対応する。

排出路を通って流れる流体の流速はボトルネック領域において最高となり、それによって、ベンチュリの原理に従い、ボトルネック領域で排出路へと開放する供給路の中が真空となる。このようにて、供給路を介して横方向に排出路へと導入される流体は、排出路内を流れる流体の助けにより吸引されることができ、その結果、流入する流体への圧力応力が回避される。

本発明の従属的態様は、上述のような外部混合ノズルを有する医療器具に関し、この器具は流体供給を設定するための開ループまたは閉ループ制御ユニットを備える医療機器に接続できる。

さらに、上述のような外部混合ノズルおよび／またはそのような器具に接続される医療機器が本発明の文脈で説明され、この医療機器は開ループおよび／または閉ループ制御ユニットを有する。開ループおよび／または閉ループ制御ユニットは、流体供給を、流体の体積流量が異なる、および／または粘性が異なる場合に、これらが排出路および／または入口開口部を通って実質的に同じ流速で流れるように設定すべく構成される。

さらに、外部混合ノズルおよび／または上述の器具に接続された医療機器は、開ループまたは閉ループ制御ユニットを有することができ、これは流体供給を、異なる流体を相互に独立して、あらゆる所望の順序、例えば間隔で供給できるように設定すべく構成される。さらに、医療機器が開ループまたは閉ループ制御ユニットを有するようにすることが可能であり、これは流体供給を、異なる体積流量および／または異なる粘性の流体の流速が相互に均等化されるように、また異なる流体を相互に独立して、あらゆる所望の順序で供給できるように設定するようになされている。その結果、例えば、第一の排出路からノズルの外へと出る第一の流体が標的物体に、ここからの時間間隔で吹き付けられることを実現でき、第二の流体は第二の排出路からノズルの外に出て、２種類の流体の混合または架橋が標的物体、例えば組織、特に生体組織上で初めて行われる。

以下に、添付の概略図を参照しながら例示的実施形態に基づいて本発明を説明する。図は下記のとおりである。

図１は、好ましい例示的実施形態による本発明による外部混合ノズルの断面図であり、第三の供給路が同軸的に第二の小室へと開放している。 図２は、他の好ましい例示的実施形態による本発明による外部混合ノズルの断面図であり、第三の供給路が第三の排出路へと開放している。 図３は、他の好ましい例示的実施形態による本発明による外部混合ノズルの断面図であり、第三の供給路が横方向に第二の排出路へと開放している。 図３ａは、図３による本発明による外部混合ノズルの排出路の好ましい構成を拡大図で示す。 図４は、一体設計の、本発明による外部混合ノズルの有利な通路系の斜視図を示す。 図５は、インターバル動作式の医療機器の作動のための例示的パルス順序と時系列図を示す。

図１は、２つの異なる通路系５を有する例示的な外部混合ノズルの断面を示す。ノズルの終端に２つの排出路１０、２０がある。排出路１０、２０の終端には短面４０があり、これがノズルの境界を画定する。排出路１０、２０はどちらも、第一の排出路１０と第二の排出路２０を形成する。第一の排出路１０と第二の排出路２０は相互に離間して配置される。図の例示的実施形態の場合、排出路１０、２０が異なる断面、特に断面直径を有することが明瞭にわかる。排出路１０、２０は好ましくは円筒形に形成され、第二の排出路２の断面直径は第一の排出路１０より大きい。

第一の排出路１０は端面４０を、特に渦室１２ａとして形成される小室１２に接続する。渦室１２ａは、供給された第一の流体に乱流を起こし、それによって、流体が第一の排出路１０を介して出る際に円錐形の流体噴流が生成される。第一の流体の流体円錐１４は、図中、破線で示されている。

渦室１２ａの中の第一の流体の回転運動を起こすために、第一の供給路１１は横方向に渦室１２ａへと開放する。特に第一の供給路１１は、接線方向に第一の渦室１２ａへと開放することができる。換言すれば、第一の供給路１１は、シームレスまたは連続的に、肩部を持たずに、第一の渦室１２ａの内壁への移行部を形成する内壁を有することができる。

第一の供給路１１は、ノズルの中で端面４０に対して実質的に垂直に延び、その曲げられた端部１１ａはノズルの中で端面４０に対して実質的に平行に延び、第一の小室１２、特に第一の渦室１２ａへと開放する。第一の供給通路１１は、第一の供給通路１１、特にその端部１１ａと第一の渦室１２ａの間の開放領域に第一の入口開口部１３を有する。第一の入口開口部１３の高さは渦室１２ａの高さより低い。第一の入口開口部１３の断面は、供給される第一の流体の粘性または体積流量に応じて選択できる。例えば、第一の入口開口部１３の高さを渦室１２ａの高さに対応させることができる。

第二の排出路２０は端面４０を第二の小室２２へと接続し、これは図１による例示的実施形態の場合は混合室２２ｂとして形成される。第一の小室１２と同様に、第二の供給路２１は第二の小室２２へと開放する。第二の供給路２１は第一の供給路１１と実質的に平行に、すなわち端面４０に垂直に延び、混合室２２ｂへと開放する曲げられた端部２１ａを有する。第二の供給路２１の曲げられた端部２１ａは、特に第二の入口開口部２３を介して第二の小室２２または混合室２２ｂへと開放する。図１と２によりここで示される例示的実施形態において、第二の入口開口部２３の高さは混合室２２ｂまたは概して第二の小室２２の高さに対応する。第二の入口開口部２３の、特に切断面の点での寸法は変えることができ、当業者は、供給される第二の流体の体積流量と粘性に応じて選択する。

図１による例示的実施形態の場合、第二の入口開口部２３の断面は第一の入口開口部１３より大きいことが明らかである。ここで、２つの入口開口部は高さだけが異なると仮定する。２つの入口開口部の切断面を決定するその他のパラメータは同じである。原則として、入口開口部１３、２３の比は、排出路１０、２０から出る時および／または入口開口部１３、２３を通過する時の流体の流速を設定するため、特にこれを均等化するために、異なるように、または同じになるように選択できる。入口開口部１３、２３の高さだけでなく、入口開口部１３、２３の幅、すなわちそれぞれの切断面もここでは変化させることができる。一般に、入口開口部１３、２３は、その幾何学形状の点とその寸法の点の両方において相互に異なるようにすることができる。

ノズルはさらに第三の供給路３１を有し、これは第一と第二の供給路１１、２１に実質的に平行に、すなわち端面４０に対して垂直に延びる。第三の供給路３１は、第三の流体を供給する役割を果たす。第三の供給路３１は、図１による例示的実施形態の場合、第二の小室２２または混合室２２ｂへと直接開放する。第二の小室２２は混合室を形成し、これは、第二の流体と第三の流体の両方が第二の小室２２へと誘導されて、その中で混合されるからである。第三の供給路３１は好ましくは、第二の小室２２に関して同軸的に第二の通路２２へと開放する。特に、図１による例示的実施形態の場合、第三の供給路３１、第二の小室２２または混合室２２ｂ、第二の排出路２０は相互に関して同軸的に配置される。その結果、第三の流体が実質的に偏向されずにノズル内で案内され、第二の排出路２０を介してノズルから出ることが実現される。第三の流体と第二の流体の混合は、混合室２２内で第二の流体の渦流が発生するため、混合室２２ｂで同時に起こる。その結果、第二の供給路２１が横方向に混合室２２ｂへと開放することが実現される。特に、第二の供給路２１は接輪方向に混合室２２ｂへと開放する。第一の供給路１１と同様に、第二の供給路２１もまた、混合室２２ｂの内壁への平らな、すなわち肩部のない移行部を形成する内壁を有する。

混合室２２ｂ内で生成された第二の流体と第三の流体の流体混合物は、第二の流体円錐２４として第二の排出路２０から出る。

一般に、第一の小室１２と第二の小室２２は、吹き付けるべき流体の渦流を発生させ、それによって、流体が排出路１０、２０から出る時に円錐形の吹付噴流が発生する。このようにして、２つの流体円錐１４、２４が生成され、これらは端面４０の直後に形成される。排出路１０、２０は好ましくは、流体円錐１４、２４が重複して、重複領域３４を形成するような方法で相互に離間して配置され、重複領域３４は端面４０から離間して配置される。流体円錐１４、２４からの流体の混合は、重複領域３４において行われる。重複領域３４がノズルの端面４０から離れて配置されることにより、この重複領域３４内で混合された流体でノズル、特に排出路１０と２０および渦室または混合室１２ａ、２２ｂが閉塞することが確実になくなる。

ノズル外での流体の混合を改良するために、排出路１０、２０、特に第一の排出路１０と第二の排出路２０は相互に斜めに配置されるようなすことができる。第一の排出路１０と第二の排出路２０の長手方向軸はしたがって、相互に集束し、長手方向軸の交差点は、ノズルの外に位置付けられる。その結果、重複領域３４が拡張される。図示された例示的実施形態の場合、排出路１０、２０は相互に平行に整列されており、これはノズルの製造において有利である。

図２は、３つの異なる通路系５を有する、本発明によるノズルの他の例示的実施形態を示し、第一の流体のための流体ガイド（図２の左側に示される）は図１によるノズルと実質的に同様に形成される。換言すれば、図２によるノズルは、第一の排出路１０を有し、これは第一の小室１２、特に渦室１２ａに関して同軸的に整列される。第一の排出路１０は第一の小室１２をノズルの端面４０に接続する。第一の供給路１１は端部１１ａを有し、横方向に第一の小室１２または第一の渦室１２ａへと開放する。端部１１ａは、第一の渦室１２ａへの移行領域において第一の入口開口部１３を含む。図１による例示的実施形態の場合と同様に、第一の流体が第一の排出路１０から出る時に流体円錐１４を発生させるために、第一の渦室１２ａ内で第一の流体の回転運動が起こされる。

第二の流体もまた、流体ガイドを介して端面４０へと案内され、これは実質的に図１による流体ガイドに対応する。図２によるノズルの場合、第二の排出路２０が提供され、これは第二の小室２２に関して同軸的に配置され、第二の小室２２は端面４０に流体接続される。第二の供給路２１は、曲げられた端部２１ａと第二の入口開口部２３を介して第二の小室２２へと開放する。第二の供給路２１は横方向に、特に接線方向に第二の小室２２へと開放する。図１による例示的実施形態と異なり、図２による例示的実施形態の場合の第二の小室２２は、第二の渦室２２ａとして形成される。第二の渦室２２ａの中では流体の混合は行われない。小室１２、２２の直径は異なっていても同じでもよい。第二の渦室２２ａの中では第二の流体の回転運動だけが起こされ、それによって第二の流体が第二の排出路２０から出た時に流体円錐２４が発生する。

図２による例示的実施形態の場合、第一の排出路１０と第二の排出路２０は、異なる断面を有することも明らかである。いずれの場合も、第一の入口開口部１３と第二の入口開口部２３は異なる断面を有する。これは前述のように、異なる流体、特に第一の流体と第二の流体の体積流量または粘性を一致させるために変更できる。例えば、排出路１０、２０の断面と入口開口部１３、２３の断面との間で相応の比を設定することにより、第一の流体と第二の流体が渦室１２ａ、２２ａに流入する間、よび／または第一の流体と第二の流体が排出路１０、２０から流出する間の最適化された流速、１つの特定の用途においては同じ流速が設定される。第一の流体と第二の流体の最適化された流速によって、材料にかかる機械的応力が最小となる（できるだけ低くなる）、最適な重複領域が確実に得られる。

図２による例示的実施形態の場合、第三の供給路３１も提供され、これは第一の供給路１１と第二の供給路２１に平行に延びる。第三の供給路３１は、第一の排出路１０と第二の排出路２０の間に配置された第三の排出路３０へと直接開放する。第三の供給路３１と第三の排出路３０は相互に関して同軸的に整列し、それによって第三の流体は偏向されずにノズルから出る。第三の流体は好ましくは、第三の排出路３０から、例えば低乱噴流３３として出て、これが直接重複領域３４へと流れる。３種類すべての流体の混合はそれゆえ、重複領域３４で初めて、すなわちノズル外で行われる。排出路３０から出る噴流３３は、一貫した連続的流体排出または液滴の形態による間欠的流体排出とすることができる。

ノズルの他の例示的実施形態が図３に示されている。明瞭にするために、第一の流体のための通路系の第一のガイドの図は省略されている。図３では、第一の流体の流体円錐１４だけが破線で示されている。図３によるノズルの図示されていない部分は実質的に、図１と２の相応部分に対応する。換言すれば、ノズルは第一の排出路１０を有し、これは第一の小室１２、特に第一の渦室１２ａを端面４０に接続する。第一の供給路１１は、第一の入口開口部１３を介して横方向に渦室１２ａへと開放する。

図３によるノズルはさらに別の通路系５を有し、これは終端が端面４０にある第二の排出路２０を有する。第二の排出路２０は、第二の渦室２２ａとして構成される第二の小室２２から延びる。第二の渦室２２ａは、第二の排出路２０に関して同軸的に配置される。第二の供給路２１は横方向に第二の渦室２２ａへと開放し、その際、第二の端部２１ａを介し、これが第二の入口開口部２３の領域で第二の渦室２２ａへの移行部を形成する。第二の供給路２１は好ましくは、接線方向に第二の渦室２２ａへと開放する。曲げられた端部２１ａを別にして、第二の供給路２１は端面４０に垂直に延びる。

第三の供給路４１は、曲げられた端部４１ａを介して横方向に第二の排出路２０へと接続し、端面４０に垂直に延びる。第三の供給路４１の端部４１ａは好ましくは、端面４０に平行に、または第二の排出路２０に垂直に延びる。

図３による例示的実施形態の場合、第二の出口開口部２３の高さは第二の渦室２２ａの高さより低いことが明らかである。一般に、第二の入口開口部２３の断面は、第二の流体がノズルから出る時に、第二の流体、または第二と第三の流体の流体混合物の流速を設定するために、第二の流体の粘性または体積流量に適応させることができ、この流速は、第一の排出路１０（図３には示されていない）から流出する第一の流体の流速に適応される。渦室１２ａ、２２ａにより生成される流体円錐１４、２４により、重複領域３４が生成され、その中で流体が相互に混合される。図３による例示的実施形態において、第二の流体と第三の流体の第一の混合は第二の排出路２０内ですでに行われる。ここで、前述の例示的実施形態の場合と同様に、重複領域３４がノズルまたはその端面４０から離間して配置されることが当てはまる。

ノズルの他の実施形態が図３ａに示されている。第三の供給路４１の排出路２０と端部４１ａの構成は、拡大して示される挿入図の中に示されている。この例示的実施形態において、排出路２０は、上述の例示的実施形態と異なり、一定の直径を有する円筒形として具現化されず、ベンチュリノズルのように形成される。これは排出路２０の断面がその近位およびその遠位端の間で異なる直径を有することを意味する。具体的に言えば、排出路２０が小室２２と端面４０の間にボトルネック１５を有するようになされる。さらに、有利な点として、端部４１ａが排出路２０の長手方向軸に関して９０°未満の角度で配置されるようになされる。端部４１ａの放出点は好ましくは、排出路２０の最も狭い地点、すなわちボトルネック１５の領域に配置される。この配置により、端部４１ａにおける真空状態および、それゆえ第三の流体への吸引効果を発生させやすくなる。端部４１ａを９０°未満の角度で配置することによって、第三の流体を第二の排出路２０の中へと緩やかに移行させやすくなる。第二の排出路２０の中での第二と第三の流体の分散と混合を改良するために、第三の供給路４１と端部４１ａは、複数の設計、例えば三重構造（図３ａには示されていない）として提供することができる。少なくとも端部４１ａは、排出路２０の周囲に対称に配置することができる。

本発明によるノズルは、流体供給に関して上述した通路系の何れの考えられる組み合わせを持つこともできる。それゆえ、少なくとも２つの通路系５を有するか、または例えば４つまたはいくつかの通路系５を有するノズルも可能である。使用する通路系の種類および／または数に関係なく、本発明によるノズルの場合、ノズルの外に配置された重複領域３４で少なくとも２種類の流体が混合される。

他の例示的実施形態において、ノズルは、１つまたは複数の通路系５から形成でき、これがそれぞれ一体に具現化される。また、ノズル全体を一体に形成することも可能である。図４は、通路系５を一体にした実施形態を示しており、明瞭にするために、他の通路系５の図は省略されている。排出路１０、２０、３０、小室１２、２２、入口開口部１３、２３、供給路１１、２１、３１（図４で破線で示されている）は、１つの構成部品にまとめて具現化される。ノズルのこの実施形態の場合、流体は好ましくは、角部を持たずに偏向されて混合室へと流れる。これは、半径方向に外側にずれた供給路１１、２１、３１が管状に形成されることを意味する。供給路１１、２１が相互に結合される表面部分、特にその偏向領域により形成される上述の例示的実施形態と異なり、一体に具現化されるノズルの場合、これらの偏向領域は円筒形の、角部を持たない直線部分により形成される。これによって、供給される流体は、流れの方向が最大で９０度変化した場合であっても、徐々に偏向することができる。その結果、供給するべき流体を、小室１２、２２の中に緩やかに供給できる。供給路１１、２１の構成により、これらの供給路１１、１３を通ってノズルの近位端から小室１２、２２に入るまで流れる流体の流れの方向を連続的に徐々に変えることができる。供給路４０、５０、５１の遠位端から混合室へと進む流れの方向は最大９０度変化するが、供給路１１、１２は好ましくは、無限に可変的に、または連続的に無限に変化する曲線で形成される。特に、供給路１１、１２は、この部分全体において、流れの方向を急激に変化させるような地点を持たない。

実質的に無限に変化するように形成され、または連続曲線に近似させた供給路１１、１２は、生体材料、特に細胞の供給に特に適している。図４による例示的実施形態の場合、第一の供給路１１は端部１１ａを介して第一の小室１２または第一の渦室１２ａへと開放する。第一の供給路１１の端部１１ａは連続的に湾曲する側面有し、それによって、第一の供給路１１の中を流れる流体は、連続する曲線で第一の入口開口部１３へと緩やかに案内される。第一の供給路１１の端部１１ａの側壁は、第一の小室１２の側壁への実質的に無限に可変的な移行部を形成し、それによって第一の小室１２へと流入する流体の渦運動が直ちに起こされる。湾曲端部１１ａと、小室１２への連続的移行を有する第一の供給路１１のこのような構成は実際に、生体細胞または生体細胞を含む流体の供給に特に適している。しかしながら、図４による通路系５は、他の材料または流体の供給にも適している。

本発明によるノズルの上述の変形は、それぞれ、開ループまたは閉ループ制御ユニットに連結することによって、ノズルから出る時の流体の流速を、特に流体の個々の体積流量および／または個々の粘性に応じて設定することができる。開ループまたは閉ループ制御ユニットは、すべての流体に関する均一な流速を設定するためのものである。開ループまたは閉ループ制御ユニットはさらに、流体の吹き付けを可能にすることができ、異なる流体がノズルから相互に独立して、および／またはあらゆる所望の順序で吐出される。換言すれば、ノズルは、流体が排出路１０、２０、３０から逐次的または同時に出るように作動させることができる。

図５は、例として、異なる流体塗布層による多層構造を生成するための、実現しうる一連の流体供給の順序を示している。それゆえ、例えば、第一の流体Ｆ１をまず、高い体積流量で標的物体に塗布する。第一の流体Ｆ１の塗布からある時間間隔で、比較的小さい体積流量の第二の流体Ｆ２を、本発明によるノズルを介して吹き付けることができる。第一の流体Ｆ１と第二の流体Ｆ２は、それぞれある吹付期間にわたり、すなわち吹付噴流の開始から吹付噴流の終了までの期間にわたり吹き付けることができ、これは同じか、少なくとも同等である。図５から明らかなように、第一の流体Ｆ１がまず標的物体に堆積される。第二の流体Ｆ２は、その後、第一の流体Ｆ１の上に塗布される。最後に、流体Ｆ２の流体噴射の終了後、第三の流体Ｆ３を第一の流体Ｆ１と第二の流体Ｆ２の積層構造の上に堆積させることができる。第三の流体Ｆ３は例えば、図５による図から明らかであるように、第二の流体Ｆ２と同様または同じ体積流量でノズルから吹き付けることができる。しかしながら、第二の流体Ｆ２と異なり、第三の流体Ｆ３の吹付期間を延長することができる。流体Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３の異なる体積流量を設定することによって、流体Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３の異なる粘性を考慮することができる。このようにして、流体Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３をその粘性の差に関係なく、同じ流速でノズルから吐出させることが実現される。また、流体Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３をそれぞれ、ノズルの異なる通路系５から吐出させ、流体Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３の混合が標的物体の上で行われるようになすこともできる。したがって、図５による積層構造は実質的に例にすぎず、せいぜい瞬間の様子である。実際には、個々の流体の混合は、標的物体の上で直接行われる。

上述のノズルは流体の混合と吹付の役割を果たす。流体は、同じまたは異なる体積流量で供給でき、および／または同じまたは異なる粘性を有することができる。流体という用語は本明細書において、液体および気体物質の両方とその混合物を含む。特に、２成分からなる接着剤を本発明によるノズルで混合し、吹き付けることができ、ノズル外部での混合機能によって、ノズル通路の接着が回避される。このような２成分からなる接着剤は通常、結合剤と硬化剤または架橋剤を有する。硬化剤または架橋剤は好ましくは、第一の供給路１１、第一の小室１２および第一の排出路１０を介して第一の流体として吹き付けられる。例えば、トロンビンを硬化剤または架橋剤として使用することができる。結合剤は好ましくは、第二の供給路２１、第二の小型室２２、第二の排出路２０を介して第二の流体として吹き付けられる。１つの好ましい結合剤は例えば、フィブリノゲンである。結合剤と硬化剤または架橋材剤は、重複領域３４において初めて相互に接触し、それによって架橋反応または硬化はノズルの外で起こる。ノズル内では、第一の流体と第二の流体、特に結合剤と硬化剤または架橋剤は、相互に完全に別々に案内される。

これに加えて、例えば生体材料、例えば細胞を有する物質は、第三の流体として供給できる。生体材料を保護するために、第三の流体をほとんど偏向させずに、すなわちせん断力の影響ができるだけ及ばない状態で混合されるようになされる。これは、一方で、図１に従って第三の供給路３１を混合室２２ｂに同軸的に配置することにより、また他方で、第三の供給通路３１を、同軸的にそこに向かって開放する別の排出路３０（図２）とすることによって実行できる。図３にしたがって第三の流体を横方向に第二の排出路２０へと供給することもまた、第三の流体と混合される生体組織を保護する。

すべての例示的実施形態に当てはまる点は、本発明によるノズルが好ましくは、入口開口部１３、２３が体積流量に適応させた断面を有することから、個々の流体の異なる粘性および／または異なる体積流量を均等化できることである。さらに、異なる大きさの個別の入口開口部の代わりに、違う数の入口開口部１３、２３を提供することも可能である。例えば、第一の小室１２はそれゆえ、第二の小室２２より多い入口開口部１３を有することができ、また逆でもよい。さらに、排出路１０、２０の断面を、個々の流体の体積流量に応じて選択し、ノズルから出る流体の平均流速を実質的に同じにすることができる。排出路１０、２０の中心軸を傾斜させることによって、重複領域３４をさらに拡張し、個々の流体の混合を改良することができる。排出路１０、２０の中心軸間の角度は好ましくは０°より大きく、１８０°より小さい。

本願に関しては、少なくとも２つの排出路１０、２０と少なくとも２つの入口開口部１３、２３を有し、その断面が異なっているか、同じである医療用の外部混合ノズルによって少なくとも２種類の流体を混合する方法がさらに開示され、異なる体積流量および／または異なる粘性の２種類の流体が吹き付けられ、入口開口部１３、２３および／または排出路１０、２０の断面の比は体積流量の比に対応し、それによって流体は排出路１０、２０および／または入口開口部１３、２３を通って実質的に同じ平均流速で流れる。物質、特に生体材料を吹き付けるための外部混合ノズル、医療器具、医療機器がさらに開示される。

５ 通路系
１０ 第一の排出路
１１ 第一の供給路
１１ａ 第一の供給路１１の端部
１２ 第一の小室
１２ａ 第一の渦室
１３ 第一の入口開口部
１４ 第一の流体円錐
１５ ボトルネック
２０ 第二の排出路
２１ 第二の供給路
２１ａ 第二の供給路２１の端部
２２ 第二の小室
２２ａ 第二の渦室
２２ｂ 混合室
２３ 第二の入口開口部
２４ 第二の流体円錐
３０ 第三の排出路
３１、４１ 第三の供給路
３３ スポット噴流
３４ 重複領域
４０ 端面
４１ａ 第三の供給路４１の端部

Claims (15)

1. 少なくとも２つの排出路（１０、２０）と少なくとも２つの入口開口部（１３、２３）を有し、その断面は異なっているか、同じである医療用の外部混合ノズルによって少なくとも２種類の流体を混合する方法において、
   −第一の流体が、第一の供給路（１１）を介して横方向に、特に接線方向に、第一の排出路（１０）に流体接続された第一の小室（１２）へと誘導され、
   −第二の流体が、第二の供給路（２１）を介して横方向に、特に接線方向に、第二の排出路（２０）に流体接続された第二の小室（２２）へと誘導され、
   −前記第一の流体が前記第一の排出路（１０）を介して、前記第二の流体が前記第二の排出路（２０）を介して、重複する流体円錐が形成されるように排出され、
   前記第一の流体と前記第二の流体が異なる体積流量および／または異なる粘性を有し、前記入口開口部（１３、２３）および／または前記排出路（１０、２０）の断面の比が前記体積流量の比に対応し、それによって前記第一の流体と前記第二の流体が、前記排出路（１０、２０）および／または前記入口開口部（１３、２３）を通って実質的に同じ平均流速で流れることを特徴とする方法。
2. 請求項１に記載の方法において、
   前記第一の流体の前記第一の小室（１２）への供給および／または前記第二の流体の前記第二の小室（２２）への供給が制御されることを特徴とする方法。
3. 請求項１または２に記載の方法において、
   第三の流体が、第三の供給路（３１）を通じて前記第二の小室（２２）へと誘導され、前記第二の流体と混合されることを特徴とする方法。
4. 請求項３に記載の方法において、
   前記第三の流体が前記第二の小室（２２）へと同軸的に流入することを特徴とする方法。
5. 請求項１または２に記載の方法において、
   第三の流体が、第三の排出路（３０）を介して前記第一の流体と前記第二の流体の前記重複する流体円錐へと誘導されることを特徴とする方法。
6. 請求項１または２に記載の方法において、
   第三の流体が直接、特に横方向に、前記第二の排出路（２０）へと導入され、そこで前記第二の流体と混合されることを特徴とする方法。
7. 物質、特に生体材料を供給するための外部混合ノズルにおいて、相互に離間して配置された第一の排出路（１０）と第二の排出路（２０）を有し、前記第一と第二の排出路（１０、２０）から流体の混合のために出る流体円錐が少なくとも部分的に重複するようになっており、前記第一の排出路（１０）は第一の小室（１２）と流体接続され、前記第二の排出路（２０）は第二の小室（２２）と流体接続され、第一の供給路（１１）は横方向に、特に接線方向に、前記第一の小室（１２）へと開放し、第二の供給路（２１）は横方向に、特に接線方向に、前記第二の小室（２２）へと開放し、
   少なくとも１つの第三の供給路（３１）が提供され、これが前記第二の小室（２２）へと同軸的に、または前記第二の排出路（２０）または第三の排出路（３０）へと直接開放していることを特徴とするノズル。
8. 請求項７に記載のノズルにおいて、
   前記第三の供給路（３１）が横方向に前記第二の排出路（２０）へと開放するか、前記第二の排出路（２０）に関して同軸的に配置されることを特徴とするノズル。
9. 請求項７または８に記載のノズルにおいて、
   前記第三の排出路（３１）が前記第一と前記第二の排出路（１０、２０）の間に、前記第三の排出路（３０）から出た流体が前記重複する流体円錐へと誘導されるように配置されることを特徴とするノズル。
10. 請求項７乃至９の何れか１項に記載のノズルにおいて、
    前記第一の小室（１２）と前記第二の小室（２２）がそれぞれ、入口開口部（１３、２３）を介して第一または第二の供給路（１１、１２）に接続され、前記第一の小室（１２）の前記入口開口部（１３）と前記第二の小室（２２）の前記入口開口部（２３）が異なる切断面を有することを特徴とするノズル。
11. 請求項７乃至１０の何れか１項に記載のノズルにおいて、
    少なくとも前記第一の排出路（１０）と前記第二の排出路（２０）、特にすべての前記排出路（１０、２０、３０）が、相互に平行または斜めに方向付けられた長手方向軸を有することを特徴とするノズル。
12. 請求項７乃至１１の何れか１項に記載のノズルにおいて、
    少なくとも前記第二の排出路（２０）がボトルネック（１５）を有し、特に前記第三の供給路（３１）が前記ボトルネック（１５）の領域において前記第二の排出路（２０）へと開放することを特徴とするノズル。
13. 請求項７乃至１２の何れか１項に記載の外部混合ノズルを備える医療器具において、前記器具を、前記流体供給を設定するための開ループまたは閉ループ制御ユニットを備える医療機器に接続できることを特徴とする医療器具。
14. 請求項７乃至１２の何れか１項に記載の外部混合ノズルおよび／または請求項１３に記載の器具を備える医療機器において、
    前記流体供給を、前記流体の体積流量が異なり、および／または粘性が異なる場合に、前記流体が前記排出路（１０、２０）および／または前記入口開口部（１３、２３）を通って実質的に同じ流速で流れるように設定するようになされている開ループまたは閉ループ制御ユニットを特徴とする医療機器。
15. 請求項７乃至１２の何れか１項に記載の外部混合ノズルおよび／または請求項１３に記載の器具、特に請求項１４に記載の機器を備える医療機器において、
    前記流体供給を、前記異なる流体を相互に独立してあらゆる所望の順序で供給できるように設定するようになされている開ループまたは閉ループ制御ユニットを特徴とする医療機器。

Images