JP2021522991A - 流体流を制御するための装置及び方法 - Google Patents
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Abstract
流体分離を実質的に維持しながら単一チャネル内に複数の流体を流動させる装置が開示される。一構成では、装置は、第1の流体に親和性を有する第1の内部表面部分と、第2の流体に親和性を有する第2の内部表面部分とを含む。別の構成では、装置は、第1の流体チャネル部分と、第1の流体チャネル部分の周囲に螺旋状に巻かれた第2の流体チャネル部分と、それらの間の開口部とを含む。第1の流量抵抗部分と、第2の流量抵抗部分と、それらの間の流体チャネルとを有する流体経路内の実質的に均一な流体流を維持するための装置もまた開示される。
Description
関連出願への相互参照
本出願は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる、2018年4月30日に出願された米国仮特許出願第62/664,494号の優先権を主張する。
本出願は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる、2018年4月30日に出願された米国仮特許出願第62/664,494号の優先権を主張する。
本開示は、概して、流体分離を実質的に維持しつつ、単一のチャネル内に複数の流体を流動させるための装置及び方法、ならびに流体経路内の実質的に均一な流体流を維持するための装置及び方法に関する。
ある用途では、流体の実質的な混合物なしに、単一チャネル内に2つ以上の流体流を有することが望ましい。そのような用途の1つは、血液と第2の流体との間の分子輸送を容易にするために、血液と第2の流体の両方を単一チャネル内に流すことを含む。血液は、血漿及び血漿内に懸濁された血液細胞を含む非ニュートン流体である。赤血球(RBC)は両凹円盤状の形をしており、血流中に変形して動き回ることがある。赤血球は周囲の液体の運動量とは別の運動量を有するため、赤血球は血流中に流線又は液体層を横断する傾向がある。さらに、流動中に、赤血球は、流体中の高いせん断の領域から離れて動き回る傾向がある。
血液及び第2の流体の流体流に対する以前のアプローチは、血液と第2の流体との間の流体分離(すなわち、流体間混合物を防止する)を確実にするために物理膜を使用することを含んでいた。しかしながら、このようなアプローチは、血液と第2の流体との間の分子輸送を容易にすることを困難にするか又は不可能にする。また、このようなアプローチは、物理的膜の生物付着及び血液と物理的膜との間の接触によって引き起こされる血液中の血栓形成をもたらす可能性がある。
したがって、流体分離を維持し、血液中の凝固を実質的に回避しながら、複数の流体間の分子輸送を容易にするために、血液を含む複数の流体を単一チャネル内に流す装置及び方法が必要である。さらに、このような装置及び方法は衛生的である必要がある。
スループットを増加させるために、並列に延びる多数の単一チャネルを提供することが望ましい。このような単一チャネルに流体を供給するために、流体を入力に供給し、別々の入力チャネルを介して流体を平行チャネルの各々に広げることが効率的であり得る。しかしながら、平行チャネル内の流体流を実質的に均一に維持することは困難である。一般に、流体システムでは、複数の並列チャネルにおける不均一なレベルの流れが、各並列チャネルに存在する異なるレベルの流量抵抗のために生じる。より少ない流量抵抗を有するチャネルは、より大きな流速を可能にし、逆に、より大きな流量抵抗を有する流体チャネルは、より低い流速を有するで。
従来のアプローチは、一般に、流体チャネルを横切ってより大きな圧力低下を生じる流体チャネル内の狭いポイント(「ピンチポイント」としても知られる)の形の流量抵抗の使用を必要とする。流体チャネルを横切る圧力低下が大きいと、流体流のわずかな変動が、流量抵抗がない場合よりも、チャネル内の流れに対して小さな影響を及ぼす。しかしながら、ピンチポイントは、溶血(すなわち、血液中の赤血球の破裂又は破壊)を引き起こす高いせん断速度の領域を生成するため、医療装置(例えば、血流に使用される装置)で使用するためには実行不可能である。
したがって、流体流に高いせん断速度の領域を生成することなく、複数の並列チャネルを同時に流れる流体のバランスのとれた、かつ均一な流れを確保するための装置及び方法が必要である。
本開示の少なくとも1つの態様は、流体分離を実質的に維持しつつ、単一のチャネル内に複数の流体を流動させるための装置の例示的な実施形態に関する。装置は、第1の流体及び第2の流体を受け入れるように構成された流体チャネルを含む。流体チャネルの少なくとも一部は、第1の内部表面部分及び第2の内部表面部分を有する。第1の内部表面部分は、第1の流体に対する親和性を有するように構成され、第2の内部表面部分は、第2の流体に対する親和性を有するように構成され、第1の内部表面部分及び第2の内部表面部分は、異なる流体親和性を有する。第1の内部表面部分及び第2の内部表面部分を含む流体チャネルの少なくとも一部は、流体チャネルの少なくとも一部内の第1の流体及び第2の流体の実質的に安定な流れを維持するように構成される。
本開示の別の態様は、流体分離を実質的に維持しながら、単一チャネル内に複数の流体を流動させる装置の例示的な実施形態に関する。装置は、第1の流体を受け入れるように構成された第1の流体チャネル部分と、第1の流体チャネル部分を螺旋状に包むように構成され、第2の流体を受け入れるように構成された第2の流体チャネル部分と、第1の流体チャネル部分を通じて流れる第1の流体と第2の流体チャネル部分を通じて流れる第2の流体との間の流体接触を可能にするように構成された開口部とを含む流体チャネルを含む。
本開示の別の態様は、流体経路内の実質的に均一な流体流を維持するための装置の例示的な実施形態に関する。装置は、第1の流体入力と、第1の流体入力と流体連通する第1の流体経路セットであって、第1の流体経路セットの各流体経路は、第1の流体経路セットを横切って実質的に均一な流体流を引き起こすように構成された少なくとも第1の流量抵抗部分を含む第1の流体経路セットと、第1の流量抵抗部分の下流に配置された流体チャネルとを含む。
概して図を参照すると、流体分離を実質的に維持しつつ、流体間の分子輸送を容易にするために、単一の流体チャネル内に複数の流体を流動させるための装置が示され、記載される。また、複数のチャネルにおける流体の流れを平衡化する装置が示され、記載される。
I.単一チャネル内に複数の流体を流す装置の第1の実施形態
A.概要
本明細書に開示されるのは、流体分離を実質的に維持しながら、複数の流体、好ましくは非混和性である複数の流体を単一チャネル内に流動させるための装置の実施形態である。複数の非混和性流体は、例えば、血液及び第2の流体(例えば、ペルフロウロデカリン)であってもよいが、油及び水のような他の流体であってもよい。血液及び第2の流体を流すための装置は、衛生環境(例えば、血液の汚染又は流体膜の生物学的汚損を回避すること)において、血液と第2の流体との間の分子輸送(例えば、血液中への酸素分子及び血液からの二酸化炭素分子の輸送)の必要性のために重要である。
A.概要
本明細書に開示されるのは、流体分離を実質的に維持しながら、複数の流体、好ましくは非混和性である複数の流体を単一チャネル内に流動させるための装置の実施形態である。複数の非混和性流体は、例えば、血液及び第2の流体(例えば、ペルフロウロデカリン)であってもよいが、油及び水のような他の流体であってもよい。血液及び第2の流体を流すための装置は、衛生環境(例えば、血液の汚染又は流体膜の生物学的汚損を回避すること)において、血液と第2の流体との間の分子輸送(例えば、血液中への酸素分子及び血液からの二酸化炭素分子の輸送)の必要性のために重要である。
安定流又は層流は、流体層間の破壊を引き起こすことなく、流れ内の流体層が互いに滑らかに滑る流体流を指す。言い換えれば、層流は秩序だった予測可能な流体流として特徴づけられる。対照的に、乱流は、流体の層が、不規則、ランダム、及びカオス的な流れとして特徴付けられるため、流体を正確に記述することを困難にするように互いに破壊する流体の流れを指す。本明細書に開示される装置において、好ましくは、装置内の流体の流れは、レイノルズ数が約10であることを特徴とする。
このような流体流は、例えば、固有のミリフルイディック(又はメソフルイディック)配置によって得ることができる。ミリフルイディクス(又はメソフルイディクス)は、典型的には約0.75〜1.5ミリメートルの断面寸法を有するチャネルのネットワークにおいて、通常、ミリリットル(10−3)の範囲の流体を操作及び制御することを含む。ミリフルイディクスは小スケールであるため、小チャネル内で作用する支配的な力は表面張力である。このような場合、体積流量及び同一チャネル内を流れる非混和性流体の相対粘度は、各流体がチャネル内を占めるチャネルの断面の総量を決定する。複数の流体間の界面がチャネルを横切って到達しない場合(すなわち、チャネルの一方の側からチャネルの第2の反対側へ)、流体分離は、擬似膜として作用する流体界面により実質的に維持されるため、チャネル内で安定した流体流を維持することができる。疑似膜は、疑似膜の表面積に関連したエネルギーを貯蔵し、疑似膜の湾曲に関連した複数の流体間の圧力差を生じる。圧力差により、インターフェースは、インターフェースをサブエンドするチャネルのエッジから出入りする。
単一チャネルにおける安定な流体流は、異なる非混和性流体に対して異なる親和性を有するように内部表面を構成することによって得られることが決定されている。したがって、第1の非混和性流体は、第1の流体が親和性を有する第1の内部表面又は表面に沿って流れ、第2の非混和性流体は、第2の流体が親和性を有する第2の内部表面又は表面に沿って流れる。
B.ハウジング
図1は、同じ流体チャネル21内の複数の流体の流れを可能にするように構成された装置20の正面図を示す。装置20は、流体の1つが血液である場合に複数の流体を流すのに特に有用である。装置20は、チャネルを流れる2つの流体を容易にするように構成された流体チャネル21を支持することができるハウジング30を含む。
図1は、同じ流体チャネル21内の複数の流体の流れを可能にするように構成された装置20の正面図を示す。装置20は、流体の1つが血液である場合に複数の流体を流すのに特に有用である。装置20は、チャネルを流れる2つの流体を容易にするように構成された流体チャネル21を支持することができるハウジング30を含む。
ハウジング30は、流体を流路21に供給するための構造も支持することができる。例えば、第1の流体入力22A及び第2の流体入力22Bは、それぞれ、入力チャネル24A及び入力チャネル24Bと流体連通していてもよい。次に、入力チャネル24A及び入力チャネル24Bは、流体チャネル21と流体連通している。
入力22A及び22Bの各々は、それぞれの流体源(図示せず)(例えば、IVバッグなど)と接続するために、従来の手段によって、流体入力22A及び22Bが、それぞれ、流体源から第1の流体及び第2の流体を受けるように構成することができる。図2に示されるように、第1の流体及び第2の流体は、各々、それぞれ、流体チャネル21内にそれぞれの入力チャネル24A及び24Bを通って流れる。
ハウジング30はまた、流体チャネル21から流体を受け取るための構造を支持することができる。例えば、出力チャネル25A及び出力チャネル25Bは、流体チャネル21と流体連通している。次に、出力チャネル25A及び出力チャネル25Bは、第1の流体出力23A及び第2の流体出力23Bと流体連通している。
図3に示すように、例えば、出力チャネル25A及び25Bは、流体チャネル21からそれぞれの流体を受け取る。出力チャネル25A及び25Bは、それぞれ、第1の流体出力23A及び第2の流体出力23Bに流体を供給する。流体出力23A及び23Bは、装置から流出する流体を出るように構成される。流体出力23A及び23Bは、従来の手段によって、流体のさらなる管又は他のレセプタクルと接続するように構成することができる。
好ましくは、ハウジング30は、流体チャネル21を支持し、流体が流体チャネルを通って流れるようにポンピングされ、その結果、システム(具体的には、流体流)が重力に影響されないようにする。
C.流体チャネル
流体チャネル21は、流体分離を実質的に維持しながら、複数の流体(例えば、第1及び第2の流体)の流れを可能にするように構成される。このように、分子輸送は、流体混合物が発生することなく、2つの流体の間で促進することができる。
流体チャネル21は、流体分離を実質的に維持しながら、複数の流体(例えば、第1及び第2の流体)の流れを可能にするように構成される。このように、分子輸送は、流体混合物が発生することなく、2つの流体の間で促進することができる。
流体チャネル21は、種々の構成で形成することができる。例えば、それは、可撓性又は剛性チャネルであってもよい。さらに、それは、種々の断面形状を有することができるが、4つの側面を有する長方形の断面形状が好ましい。流体チャネル21は、生体材料を輸送するための任意の適切な材料から形成することができる。
図4(a)〜(c)は、流体チャネル21の実施形態の断面図を示す。例えば、図に示されるように。4(a)〜(c)、流体チャネル21は、矩形断面を有する。流体チャネル21は、幅w35及び半値幅w/2 36、ならびに高さH37を有する。さらに、流体チャネル21は、少なくとも1つの第1の内部表面31及び少なくとも1つの第2の内部表面32を有する。
少なくとも1つの第1の内部表面31は、第1の流体に対する親和性を有し、少なくとも1つの第2の内部表面32は、第2の流体に対する親和性を有する。内部表面32の親和性は、種々の方法で確立することができる。例えば、親和性は、流体チャネル21の対応する部分の材料によって確立することができる。例えば、親水性表面は、ヒドロゲル、ポリアミド、又はヒドロキシル化ポリウレタンで作ることができる。別の例として、疎水性表面は、ポリテトラフルオロエチレン又はポリメチレンで作ることができる。あるいは、親和性は、流体チャネル21の内部に塗布されるコーティングのような処理によって確立することができる。そのような処理には、プラズマ又はコロナ処理、又は表面をヒドロゲル、ポリアミド、又はヒドロキシル化ポリウレタンでコーティングすること(親水性表面を形成するため)、又は表面をポリテトラフルオロエチレン又はポリメチレンでコーティングすること(疎水性表面を形成するため)が含まれる。例えば、各内部表面の親和性は、少なくとも1つの第1の内部表面に第1のコーティングを塗布し、第2のコーティングを少なくとも1つの第2の内部表面に塗布することによって確立することができる。より具体的な例として、上記物質は、適切なマスキング(例えば、第1の内部表面上に第1のコーティングを塗布又は被覆し、第1のコーティングをマスキングし、第2の内部表面上に第2のコーティングを塗布又は被覆する)を用いて、任意の適切な順序で塗布することができる。
流体に対する表面の親和性の一例として、少なくとも1つの第1の内部表面31は、疎油性及び疎水性のうちの1つであるように構成することができ、少なくとも1つの第2の内部表面32は、疎油性及び疎水性の他方であるように構成することができる。さらなる例において、少なくとも1つの第1の内部表面31は、親水性及び疎水性のうちの1つであるように構成することができ、第2の内部表面は、親水性及び疎水性32の他方であるように構成することができる。例えば、親水性のためには、50度以下の水との接触角が好ましく、疎水性のためには、110度を超える水との接触角が好ましい。
複数の非混和性流体が流体チャネル21内を流れる場合、流体インターフェース38は、第1の流体及び第2の流体によって生成される。流体チャネル21の構成、流速、及び使用される流体のようなパラメータに依存して、流体インターフェースは、流体チャネル21内の異なる位置で起こり得る。例えば、パラメータは、流体界面38Aを、図4(a)に示される流体チャネル21A内の位置に存在させることができる。別の例として、パラメータは、流体界面38Bを、図4(b)に示される流体チャネル21B内の位置に存在させることができる。さらに別の例として、パラメータは、流体界面38Cを、図4(c)に示される流体チャネル21C内の位置に存在させることができる。
流体界面38の形状は、円のセグメントに近似する。しかしながら、放物線形状を用いて、第1の流体が第2の流体に伸びる程度を推定すると、円の下端をなす弦からのセグメントの高さは放物線の高さよりも低いため、流体界面の高さが過大評価される。したがって、このようなアプローチは、流体界面が流体チャネルを横切って到達するのを防止するための追加のマージンを提供する。
放物線の形状は、一般に、関係式(1):y=f(x)によって定義される。ここで、関数f(x)は、一般に、関係式(2)が放物線の形状を定義するような形である。図2の寸法に関して、y=Cx2−hである。この関係式(2)において既知の座標(y=0、x=w/2)を用いると、関係式(3)はC=4h/w2の値を与える。
その結果、界面の形状(放物線形状によって推定される)は関係式(4):
y=h(4x2/w2−1)
によって記述される。したがって、放物線内(すなわち、流体界面38の上方及び内部表面部分31の下方にある流体チャネル21の領域)に存在する第1の流体の領域は、関係式(5):
A1=2/3hw
によって与えられる。従って、第2の流体は、流体チャネル21内の残りの空間を占有し、この領域は、関係式(6):
A2=Hw−2/3hw
によって記載される。
y=h(4x2/w2−1)
によって記述される。したがって、放物線内(すなわち、流体界面38の上方及び内部表面部分31の下方にある流体チャネル21の領域)に存在する第1の流体の領域は、関係式(5):
A1=2/3hw
によって与えられる。従って、第2の流体は、流体チャネル21内の残りの空間を占有し、この領域は、関係式(6):
A2=Hw−2/3hw
によって記載される。
体積流量が等しい(第1の流体の体積流量は第2の流体の体積流量に等しい)と仮定すると、流体チャネル21内の第1の流体及び第2の流体によって占められる面積の比は、第1の流体の粘度及び第2の流体の粘度によって決定され、比較的粘性の高い流体は、比例してより大きな面積を占める。これは関係式(7):
A1/u1=A2/u2
で表すことができる。
A1/u1=A2/u2
で表すことができる。
関係(7)を用いて、関係(5)と関係(6)とを関連付けると、以下の導出:
関係式(8):
2/3hw/u1=Hw/u2−2/3hw/u2
及び、関係式(9):
h/u1=3/2(H/u2−2/3h/u2)=3/2H/u2−h/u2
及び、関係式(10):
h(1/u1+1/u2)=3/2H/u2
が得られる。
関係式(8):
2/3hw/u1=Hw/u2−2/3hw/u2
及び、関係式(9):
h/u1=3/2(H/u2−2/3h/u2)=3/2H/u2−h/u2
及び、関係式(10):
h(1/u1+1/u2)=3/2H/u2
が得られる。
流体界面の高さh34について解くと、関係式(11):
h=3/2Hu1/(u1+u2)
が得られる。
h=3/2Hu1/(u1+u2)
が得られる。
したがって、流体界面の高さh34は、関係式(12):
3/2u1/(u1+u2)−1=0
が保持されるとき、チャネル高さH37に等しい。
3/2u1/(u1+u2)−1=0
が保持されるとき、チャネル高さH37に等しい。
関係式(12)は、関係式(13):u1=2U2が真である場合に成立する。換言すれば、第1の流体の動的粘度が第2の流体の動的粘度の2倍に等しい場合、流体界面38は、流体チャネル21の一方の側から反対側に到達する。
したがって、第1の流体の体積流量が第2の流体の体積流量に等しいと仮定すると、第1の流体の動的粘度が第2の流体の動的粘度の2倍未満、すなわち、2つの流体の動的粘度の関係がu1<2u2の条件を満たす限り、流体界面は、実質的に安定したままである(すなわち、流体界面は流体チャネルを横切って到達しない)。ここで、u1は第1の流体の動的粘度であり、U2は第2の流体の動的粘度である。
図5は、界面がチャネルのエッジ内に残り、流体チャネルの反対のエッジに衝突しないように、界面の理想的な安定性を維持するための流体チャネル20の幅35対高さ37の比に関する経験的結果を示すグラフである。経験的には、幅対高さ比が1:2〜10:1の範囲内であれば、界面の実質的な安定性を維持することができる。好ましくは、比率は3:2である。より好ましくは、比は2:1であり、その場合、界面を反対のエッジに押し出すのに必要な流体界面での圧力差が最大となる。
図6〜8は、流体チャネル21に関する3つの例示的な実施形態を示す。これらの実施形態のそれぞれにおいて、流体チャネルの異なる内部表面部分は、それぞれ、異なる流体に対する親和性を有するように構成される。第1の内部表面部分は、第1の流体(例えば、水性流体)に対する親和性を有し、第2の内部表面部分は、第2の流体(例えば、オレイン流体)に対する親和性を有する。いくつかの実施態様において、第1の内部表面部分は、水性流体に対する親和性を有し、第2の内部表面部分は、オレイン流体に対する親和性を有する。
第1の流体及び第2の流体は非混和性であるため、第1の内部表面部分及び第2の内部表面部分は異なる流体親和性を有する。さらに、第1の内部表面部分及び第2の内部表面部分は、流体チャネル内の2つの非混和性流体の安定な流体流を実質的に維持するように構成される。
図6に示される実施形態によれば、内部表面41は、第1の流体44に対する親和性を有するように構成される。内部表面又は表面42は、第2の流体45に対して親和性を有するように構成される。非混和性流体44及び45が流体チャネル21内を流れる場合、流体は、擬似膜を生成する流体界面43を形成する。
図7に示される実施形態によれば、流体チャネル21の内部表面51A及び51Bは、第1の流体54に対する親和性を有するように構成される。内部表面51A及び51Bは、流体チャネル21の反対側である。流体チャネル21の内部表面52A及び52Bは、第2の流体55に対する親和性を有するように構成され、内部表面52A及び52Bは、チャネル21の反対側の他方である。非混和性流体54及び55が流体チャネル21内を流れる場合、流体は、擬似膜を生成する流体界面53A及び53Bを形成する。擬似膜は、流体界面53A及び53Bに沿って存在する圧力差による高い力のために、流体分離を実質的に維持する。流体界面53A及び53Bが適合しない限り、安定した、分離した流体の流れは、流体チャネル21内で実質的に維持される。
図8に示す実施形態によれば、流体チャネル21は、互いに隣接し、第1の流体64に対する親和性を有するように構成された内部表面61A及び61Bを有する。さらに、流体チャネル21は、互いに隣接し、第2の流体65に対する親和性を有するように構成された内部表面62A及び62Bを有する。非混和性流体64及び65が流体チャネル21内を流れる場合、流体は、擬似膜を生成する流体界面63を形成する。擬似膜は、流体界面63に沿って存在する圧力差による高い力のために、流体分離を実質的に維持する。流体界面63が内部表面62A又は62Bのいずれにも延びて接触しない限り、安定した、分離した流体の流れは、流体チャネル21内に実質的に維持される。
本明細書に記載されるように、流体分離を実質的に維持しながら、複数の流体が単一チャネル21内に流動する実施形態を構築することができる。100%流体分離を維持することが望ましいが、十分な流体分離は、100%未満の流体分離であり得るが、依然として商業的に又は特定の用途に許容される分離量であり得ることが理解される。いくつかの実施形態において、少なくとも90%の流体分離があり得る。いくつかの実施形態において、少なくとも95%の流体分離があり得る。いくつかの実施形態において、少なくとも98%の流体分離があり得る。いくつかの実施形態において、少なくとも99%の流体分離があり得る。
II.単一チャネル内に複数の流体を流す装置の第2の実施形態
A.概要
本明細書に開示されるのは、流体分離を実質的に維持しながら、複数の流体、好ましくは非混和性である複数の流体を単一の流体チャネル内に流動させるための装置の一実施形態である。複数の非混和性流体は、例えば、血液及び第2の流体(例えば、ペルフロウロデカリン)であってもよいが、油及び水のような他の流体であってもよい。血液及び第2の流体を流すための装置は、衛生環境(例えば、血液の汚染又は流体膜の生物学的汚損を回避すること)において、血液と第2の流体との間の分子輸送(例えば、血液中への酸素分子及び血液からの二酸化炭素分子の輸送)の必要性のために重要である。
A.概要
本明細書に開示されるのは、流体分離を実質的に維持しながら、複数の流体、好ましくは非混和性である複数の流体を単一の流体チャネル内に流動させるための装置の一実施形態である。複数の非混和性流体は、例えば、血液及び第2の流体(例えば、ペルフロウロデカリン)であってもよいが、油及び水のような他の流体であってもよい。血液及び第2の流体を流すための装置は、衛生環境(例えば、血液の汚染又は流体膜の生物学的汚損を回避すること)において、血液と第2の流体との間の分子輸送(例えば、血液中への酸素分子及び血液からの二酸化炭素分子の輸送)の必要性のために重要である。
2つの非混和性流体(そのうちの1つは血液であることが好ましい)の分離した流体流は、流体チャネルの物理的構造を構成して、血液中の赤血球による血流の異常な流体特性(例えば、流動中の赤血球の変形及び動き回り、及び高せん断領域から離れた赤血球の動き回り)を利用することによって、単一の流体チャネル内に維持することができる。流体チャネルは、第1の流体が、内側、中央の直線経路内を流れ、第2の流体が、内側、中央の直線経路の周囲の外側、螺旋経路内を流れるように、螺旋流を使用するように構成される。例えば、第1の流体は血液であり、血液中の赤血球は、中央の直線経路内の流れの中間に転倒する傾向があるため、血液と第2の流体との間の流体分離は実質的に維持される。さらに別の例では、第2の流体は血液であり、外側の螺旋状経路内の血液中のRBCの回転流は外側の流路の外側に向かって転がり、第1の流体から離れる傾向があるため、血液と第1の流体との間の流体分離は実質的に維持される。
このような装置は、物理的な膜を使用せずに赤血球が他の流体と混合するのを防ぐ必要があるため、血液透析及び血液酸素化に有用である。
B.ハウジング
図9は、流体分離を実質的に維持しながら、単一の流体チャネル75内に複数の流体を流動させるための装置70の斜視図を示す。装置70は、流体の1つが血液である場合に複数の流体を流すのに特に有用である。装置70は、チャネルを流れる2つの流体を容易にするように構成された流体チャネル75を支持することができるハウジング130を含む。
図9は、流体分離を実質的に維持しながら、単一の流体チャネル75内に複数の流体を流動させるための装置70の斜視図を示す。装置70は、流体の1つが血液である場合に複数の流体を流すのに特に有用である。装置70は、チャネルを流れる2つの流体を容易にするように構成された流体チャネル75を支持することができるハウジング130を含む。
ハウジング130は、流体チャネル75に流体を供給するための構造も支持することができる。例えば、第1の流体入力72A及び第2の流体入力72Bは、それぞれ、入力チャネル71及び入力チャネル73と流体連通していてもよい。次に、入力チャネル71及び入力チャネル73は、流体チャネル75と流体連通している。
第1及び第2の流体入力部72A及び72Bの各々は、それぞれの流体源(図示せず)(例えば、IVバッグなど)と接続するために、従来の手段によって、流体入力部72A及び72Bが、それぞれ、流体源から第1の流体及び第2の流体を受け取るように、従来の手段によって構成することができる。図10に示されるように、第1及び第2の流体は、各々、それぞれ、各入力チャネル71及び73を通って流体チャネル75内に流れる。
ハウジング130は、流体チャネル75から流体を受け取るための構造も支持することができる。例えば、出力チャネル83及び出力チャネル84は、流体チャネル75と流体連通している。次に、出力チャネル83及び出力チャネル84は、第1の流体出力74A及び第2の流体出力74Bと流体連通している。
図9及び10に示されるように、例えば、出力チャネル83及び84は、流体チャネル75からそれぞれの流体を受け取る。出力チャネル83及び84は、それぞれ第1の流体出力74A及び第2の流体出力74Bにそれぞれ流体を供給する。流体出力74A及び74Bは、装置から流出する流体を出るように構成される。流体出力74A及び74Bは、流体のためのさらなる管又は他のレセプタクルと接続するために、従来の手段によって構成することができる。
好ましくは、ハウジング130は、流体が、システム(特に流体流)が重力に影響されないように、第1のチャネルを流れるようにポンプで送り出され得るように、流体チャネル75を支持する。
C.流体チャネル
流体チャネル75は、流体分離を実質的に維持しながら、複数の流体(例えば、第1及び第2の流体)の流れを可能にするように構成される。このように、分子輸送は、流体混合物が発生することなく、2つの流体の間で促進することができる。流体チャネル75は、第1の流体チャネル部分75’及び第2の流体チャネル部分75’’を含むことができる。
流体チャネル75は、流体分離を実質的に維持しながら、複数の流体(例えば、第1及び第2の流体)の流れを可能にするように構成される。このように、分子輸送は、流体混合物が発生することなく、2つの流体の間で促進することができる。流体チャネル75は、第1の流体チャネル部分75’及び第2の流体チャネル部分75’’を含むことができる。
1.第1の流体チャネル部分
図10は、流体チャネル75の第1の流体チャネル部分75’の例示的な実施形態を示す。好ましい実施形態では、第1の流体チャネル部分75’は、入力チャネル71及び出力チャネル83(例えば、同一の中心軸及び/又は同一の断面寸法を有する)の継続又は延長であるが、第1の流体チャネル部分75’は、第2の流体チャネル部分75’’と流体連通し得る開口部81(図11に示される)を有する。
図10は、流体チャネル75の第1の流体チャネル部分75’の例示的な実施形態を示す。好ましい実施形態では、第1の流体チャネル部分75’は、入力チャネル71及び出力チャネル83(例えば、同一の中心軸及び/又は同一の断面寸法を有する)の継続又は延長であるが、第1の流体チャネル部分75’は、第2の流体チャネル部分75’’と流体連通し得る開口部81(図11に示される)を有する。
好ましくは、第1の流体チャネル部分75’は実質的に直線である。図11に示すように、第1の流体チャネル部分75’は、直径D1を有する実質的に円形の断面を有することが好ましい。第1の流体チャネル部分75’は、第1の流体チャネル部分75’を通る第1の流体(例えば、血液又はオレイン酸流体)の流れを容易にするように構成された任意の適切な断面形状又はサイズを有し得る。
第1の流体チャネル部分75’は、入力チャネル71から第1の流体を受け取るように構成される。第1の流体チャネル部分75’は、第1の流体チャネル部分75’の一部が、開口部81を介して第2の流体チャネル部分75’’と流体連通しているように構成される。第1の流体チャネル部分75’は、第1の流体を出力チャネル83に流入させて装置を出るように指向する。
2.第2の流体チャネル部分
図10は、流体チャネル75の第2の流体チャネル部分75’’の例示的な実施形態を示す。好ましい実施形態では、第2の流体チャネル部分75’’は、入力チャネル73及び出力チャネル84(例えば、同じ中心軸及び/又は同じ断面寸法を有する)の継続又は延長であるが、第2の流体チャネル部分75’’は、第1の流体チャネル部分75’と流体連通し得る開口部81を有する。
図10は、流体チャネル75の第2の流体チャネル部分75’’の例示的な実施形態を示す。好ましい実施形態では、第2の流体チャネル部分75’’は、入力チャネル73及び出力チャネル84(例えば、同じ中心軸及び/又は同じ断面寸法を有する)の継続又は延長であるが、第2の流体チャネル部分75’’は、第1の流体チャネル部分75’と流体連通し得る開口部81を有する。
図11に示されるように、第2の流体チャネル部分75’’は、好ましくは、直径D2を有する実質的に円形の断面を有する。第2の流体チャネル部分75’’は、第2の流体チャネル部分75’’を通る第2の流体(例えば、血液またはオレイン酸流体)の流れを容易にするように構成された任意の適切な断面形状またはサイズを有し得る。いくつかの実施形態における第2の流体チャネル部分75’’のサイズは、第1の流体チャネル部分75’のサイズと同じであるが、いくつかの実施形態では、それらはおそらく異なることができる。
第2の流体チャネル部分75’’は、第1の流体とは異なる第2の流体を入力チャネル73から受け取るように構成される。第2の流体チャネル部分75’’は、第2の流体チャネル部分75’’の開口部81が第1の流体チャネル部分75’と流体連通しているように構成される。第2の流体チャネル75’’は、第2の流体を出力チャネル84に流入させて装置を出るように指向する。
図10に示されるように、第2の流体チャネル部分75’’は、好ましくは、角度76で第1の流体チャネル部分75’の周りに螺旋状に巻き付けるように構成される。第1の流体チャネル部分75’に対する第2の流体チャネル部分75’’の角度は、任意の適切な角度寸法であり得る。
3.開口部
図11に示されるように、開口部81は、第1の流体チャネル部分75’内を流れる第1の流体と、第2の流体チャネル部分75’’内を流れる第2の流体との間の流体連通を可能にする。具体的には、流体連絡は、第1の流体チャネル部分75’のエッジ及び第2の流体チャネル部分75’’のエッジに沿って開口部81を介して生じる。開口部81は、第1の流体と第2の流体との間で流体分離を実質的に維持しながら、分子輸送が第1の流体と第2の流体との間で起こり得るように、任意の適切なサイズを有する幅Wを有する。好ましくは、開口部81の寸法及び形状は、第1の流体と第2の流体との間の分子輸送を可能にする。
図11に示されるように、開口部81は、第1の流体チャネル部分75’内を流れる第1の流体と、第2の流体チャネル部分75’’内を流れる第2の流体との間の流体連通を可能にする。具体的には、流体連絡は、第1の流体チャネル部分75’のエッジ及び第2の流体チャネル部分75’’のエッジに沿って開口部81を介して生じる。開口部81は、第1の流体と第2の流体との間で流体分離を実質的に維持しながら、分子輸送が第1の流体と第2の流体との間で起こり得るように、任意の適切なサイズを有する幅Wを有する。好ましくは、開口部81の寸法及び形状は、第1の流体と第2の流体との間の分子輸送を可能にする。
図10を参照すると、表1は、この第2の実施形態による、第1の流体チャネル部分及び第2の流体チャネル部分の例示的な寸法を報告する。長さLは、好ましくは100mm未満である。直径D1及びD2は、好ましくは1mm未満であり、角度76は、意図された目的に適した任意の角度である。
本明細書に記載されるように、流体分離を実質的に維持しながら、複数の流体が単一チャネル75内に流動する実施形態を構築することができる。100%流体分離を維持することが望ましいが、十分な流体分離は、100%未満の流体分離であり得るが、依然として商業的に又は特定の用途に許容される分離量であり得ることが理解される。
III.流体経路において実質的に均一な流体流を維持するための装置の実施形態
A.概要
スループットを増加させるために、好ましくは、各々が、例えば、上述の流体チャネル21及び75を含む、多数の流体経路を有する装置を提供することが望ましい。このような流体チャネルに流体を供給するために、流体を入力に供給し、別々の流体経路を介して流体チャネルの各々に流体を広げることが効率的であり得る。
A.概要
スループットを増加させるために、好ましくは、各々が、例えば、上述の流体チャネル21及び75を含む、多数の流体経路を有する装置を提供することが望ましい。このような流体チャネルに流体を供給するために、流体を入力に供給し、別々の流体経路を介して流体チャネルの各々に流体を広げることが効率的であり得る。
流体経路を横切る実質的に均一な流体流を維持するために、流体流を平衡化する装置が開示される。一般に、流体システムでは、並列流体経路における不均一なレベルの流量が、各流体経路に存在する異なるレベルの流量抵抗に起因して生じる。より少ない流量抵抗を有する流体経路は、より大きな流速を可能にし、逆に、より大きな流量抵抗を有する流体経路は、より低い流速を有する。
本明細書に開示される装置では、流体経路の各々に流量抵抗部分が設けられる。流動抵抗部分は、各流体経路に存在する流量抵抗のレベルを等しくすることができ、それによって、流体経路を横切る流体の流れを実質的に均一に維持することができる。例えば、流動抵抗部分は、流体経路の各々における流体の流れに圧力降下を加えることができる。
装置は、2つ以上の流体経路のセットを有することができる。一実施形態は、2セットの流体経路を有することが記載される。第1の組の流体経路は、詳細に記載され、第2の組の流体経路は、本質的に同じ構造を有するように構成され得ることが理解される。あるいは、第2の組の流体経路は、以下により詳細に記載されるように、異なる構造を有するように構成することができる。それぞれの流体経路のセットは、それぞれの流体を受け入れることができる。例えば、第1の組の流体経路は第1の流体を受け入れることができ、第2の組の流体経路は第2の流体を受け入れることができる。好ましい態様によれば、第1の流体は血液であってもよく、第2の流体はペルフルオロカーボンであってもよい。第1の組の流体経路の各流体経路は、第1及び第2の組の流体経路の流体間の分子輸送を促進するために、第2の組の流体経路の流体経路の対応する流体チャネルと一致する流体チャネルを有してもよい。
B.ハウジング
図12は、流体経路内の実質的に均一な流体流を維持するための装置90の一実施形態を示す。装置90は、好ましくは、第1の組の流体経路を支持するハウジング230と、流体入力91と、流体出力103A、103B、103Cとを含む。より好ましい実施形態では、装置90はまた、第2の組の流体経路を支持するハウジング230’(図13)、ならびに流体入力9G及び流体出力(図示せず)を含む。ハウジング230、230’は、流体経路、入力及び出力を支持するのに適した任意の構造であり得る。
図12は、流体経路内の実質的に均一な流体流を維持するための装置90の一実施形態を示す。装置90は、好ましくは、第1の組の流体経路を支持するハウジング230と、流体入力91と、流体出力103A、103B、103Cとを含む。より好ましい実施形態では、装置90はまた、第2の組の流体経路を支持するハウジング230’(図13)、ならびに流体入力9G及び流体出力(図示せず)を含む。ハウジング230、230’は、流体経路、入力及び出力を支持するのに適した任意の構造であり得る。
好ましくは、ハウジング230、230’は、流体が流体経路を通って流れるようにポンプで送り出され、その結果、システム(具体的には、流体の流れ)が重力に影響されないように、流体経路を支持する。
C.液体入力
装置90は、外部源から流体を受け取るように構成された流体入力91及び91’を有する。流体入力91及び91’の各々は、流体入力91及び91’が、流体源からそれぞれ第1の流体及び第2の流体を受けるように、従来の手段によって、それぞれの流体源(図示せず)(例えば、IVバッグなど)と接続するように構成することができる。図13は、第1の流体を受け入れるように構成された流体入力91と、第2の流体を受け入れるように構成された流体入力91’とを有する装置90の斜視図を示す。
装置90は、外部源から流体を受け取るように構成された流体入力91及び91’を有する。流体入力91及び91’の各々は、流体入力91及び91’が、流体源からそれぞれ第1の流体及び第2の流体を受けるように、従来の手段によって、それぞれの流体源(図示せず)(例えば、IVバッグなど)と接続するように構成することができる。図13は、第1の流体を受け入れるように構成された流体入力91と、第2の流体を受け入れるように構成された流体入力91’とを有する装置90の斜視図を示す。
流体入力91及び91’は、それぞれ第1及び第2の組の流体経路と流体連通している。
D. 流体経路の第1セット
図12は、第1の流体経路セットを示す。3つの流体経路が描かれているが、多かれ少なかれ存在する。各流体経路は、好ましくは、入力チャネル93A、93B、93C、第1の流量抵抗部分95A、95B、95C、流体チャネル97A、97B、97C、第2の流量抵抗部分99A、99B、99C、及び出力チャネル101A、101B、及び101Cを含む。入力チャネル93A、93B、93Cの各々は、流体入力91から流体を受け取るために、流体入力91と流体連通している。各入力チャネル93A、93B、93Cは、対応する第1の流量抵抗部分95A、95B、95Cと流体連通しており、対応する流体チャネル97A、97B、97Cは、対応する第2の流量抵抗部分99A、99B、99Cと流体連通しており、対応する第2の流量抵抗部分99B、99Cは、対応する出力チャネル101A、101B、及び101Cと流体連通している。
図12は、第1の流体経路セットを示す。3つの流体経路が描かれているが、多かれ少なかれ存在する。各流体経路は、好ましくは、入力チャネル93A、93B、93C、第1の流量抵抗部分95A、95B、95C、流体チャネル97A、97B、97C、第2の流量抵抗部分99A、99B、99C、及び出力チャネル101A、101B、及び101Cを含む。入力チャネル93A、93B、93Cの各々は、流体入力91から流体を受け取るために、流体入力91と流体連通している。各入力チャネル93A、93B、93Cは、対応する第1の流量抵抗部分95A、95B、95Cと流体連通しており、対応する流体チャネル97A、97B、97Cは、対応する第2の流量抵抗部分99A、99B、99Cと流体連通しており、対応する第2の流量抵抗部分99B、99Cは、対応する出力チャネル101A、101B、及び101Cと流体連通している。
1.第1の流量抵抗部分
第1の流量抵抗部分95A、95B、95Cは、流体経路内の流量抵抗を増加させるように構成される。例証される実施形態では、第1の流量抵抗部分95A、95B、95Cの各々は、流体経路内の流れの方向を変化させることによって、流量抵抗を増加させる。例えば、第1の流量抵抗部分95A、95B、95Cは、流体流の方向を変化させ、流体経路の長さを増加させる蛇行形状を有することができる。好ましくは、各第1の流量抵抗部分95A、95B、95Cは、任意のターン又は方向の変化における過剰なせん断速度を回避するように構成される。好ましくは、それぞれの第1の流量抵抗部分95A、95B、95Cは、せん断速度を毎秒2000(s−1)未満に維持するように構成される。
第1の流量抵抗部分95A、95B、95Cは、流体経路内の流量抵抗を増加させるように構成される。例証される実施形態では、第1の流量抵抗部分95A、95B、95Cの各々は、流体経路内の流れの方向を変化させることによって、流量抵抗を増加させる。例えば、第1の流量抵抗部分95A、95B、95Cは、流体流の方向を変化させ、流体経路の長さを増加させる蛇行形状を有することができる。好ましくは、各第1の流量抵抗部分95A、95B、95Cは、任意のターン又は方向の変化における過剰なせん断速度を回避するように構成される。好ましくは、それぞれの第1の流量抵抗部分95A、95B、95Cは、せん断速度を毎秒2000(s−1)未満に維持するように構成される。
いくつかの実施形態では、第1の流量抵抗部分95A、95B、95Cは、ほぼ正方形の断面形状を有することができるが、他の適切な断面形状を用いることができる。好ましくは、第1の流量抵抗部分95A、95B、95Cの各々は、0.4〜1.0mmの範囲の幅及び高さ、より好ましくは約0.8mmの幅及び約0.75mmの高さを有する。しかしながら、適宜、他の適切な寸法を使用することができる。
2流体チャンネル
流体チャネル97A、97B、97Cは、第1の流量抵抗部分95A、95B、95Cと流体連通しており、第1の流量抵抗部分95A、95B、95Cから流体を受け取るように下流に配置されている。図15及び16は、中央流体経路の一部を示し、ここで、第1の流量抵抗部分95Bは、流体チャネル97Bに流体を供給する。流体チャネル97A、97B、97Cは、各々、実質的に直線的であり、互いに平行に延在することが好ましい。
流体チャネル97A、97B、97Cは、第1の流量抵抗部分95A、95B、95Cと流体連通しており、第1の流量抵抗部分95A、95B、95Cから流体を受け取るように下流に配置されている。図15及び16は、中央流体経路の一部を示し、ここで、第1の流量抵抗部分95Bは、流体チャネル97Bに流体を供給する。流体チャネル97A、97B、97Cは、各々、実質的に直線的であり、互いに平行に延在することが好ましい。
流体チャネル97A、97B、97Cは、各々、流体を含有するために、完全に閉じ込められたチャネルであり得る。しかしながら、例証される実施形態では(図15及び16参照)、流体チャネル97A、97B、97Cは、第2の流体経路セットの流体チャネル(図15及び16には97Bのみが示されている)との流体連絡を可能にするために、一方の側で開口されている。例証される実施形態では、第1の流体経路セットの各流体チャネル、及び第2の流体経路セットの対応する流体チャネルを組み合わせて、単一のチャネル内に複数の流体を流す装置の第1の実施形態に関して上述した流体チャネル21と同じ構成を有する流体チャネルを形成することができる。別の代替案として、第1及び第2の流体経路セットの流体チャネルを再構成し、組み合わせて、単一チャネル内に複数の流体を流す装置の第2の実施形態に関して上述した流体チャネル75と同じ構成を有する流体チャネルを形成することができる。
3.第2の流量抵抗部分
第2の流量抵抗部分99A、99B、99Cは、流体経路内の流量抵抗を増加させるように構成される。好ましくは、第2の流量抵抗部分99A、99B、99Cは、流体チャネル97A、97B、97Cと流体連通し、流体チャネル97A、97B、97Cから流体を受け取るように下流に配置される。図17は、中央流体経路の一部を示し、ここで、第2の流量抵抗部分99Bは、流体チャネル97Bから流体を受け取る。例証される実施形態では、第2の流量抵抗部分99A、99B、99Cの各々は、流体経路内の流れの方向を変化させることによって、流量抵抗を増加させる。例えば、第2の流量抵抗部分99A、99B、99Cは、各々、流体の流れの方向を変化させ、流体経路の長さを増加させる蛇行形状を有することができる。例えば、第1の流体流量抵抗部分95A、95B、95Cと第2の流量抵抗部分99A、99B、99Cとの組み合わせは、第1及び第2の流量抵抗部分が蛇行ではなく、直線である場合の全長の3倍だけ、流体経路の全長を増加させることができる。好ましくは、各第1の流量抵抗部分99A、99B、99Cは、任意のターン又は方向の変化における過剰なせん断速度を回避するように構成される。具体例として、各第2の流量抵抗部分99A、99B、99Cは、せん断速度を毎秒2000(s−1)未満に維持するように構成される。
第2の流量抵抗部分99A、99B、99Cは、流体経路内の流量抵抗を増加させるように構成される。好ましくは、第2の流量抵抗部分99A、99B、99Cは、流体チャネル97A、97B、97Cと流体連通し、流体チャネル97A、97B、97Cから流体を受け取るように下流に配置される。図17は、中央流体経路の一部を示し、ここで、第2の流量抵抗部分99Bは、流体チャネル97Bから流体を受け取る。例証される実施形態では、第2の流量抵抗部分99A、99B、99Cの各々は、流体経路内の流れの方向を変化させることによって、流量抵抗を増加させる。例えば、第2の流量抵抗部分99A、99B、99Cは、各々、流体の流れの方向を変化させ、流体経路の長さを増加させる蛇行形状を有することができる。例えば、第1の流体流量抵抗部分95A、95B、95Cと第2の流量抵抗部分99A、99B、99Cとの組み合わせは、第1及び第2の流量抵抗部分が蛇行ではなく、直線である場合の全長の3倍だけ、流体経路の全長を増加させることができる。好ましくは、各第1の流量抵抗部分99A、99B、99Cは、任意のターン又は方向の変化における過剰なせん断速度を回避するように構成される。具体例として、各第2の流量抵抗部分99A、99B、99Cは、せん断速度を毎秒2000(s−1)未満に維持するように構成される。
いくつかの実施形態では、第2の流量抵抗部分99A、99B、99Cは、ほぼ正方形の断面形状を有することができるが、他の適切な断面形状を用いることができる。好ましくは、第2の流量抵抗部分99A、99B、99Cの各々は、0.4〜1.0mmの範囲の幅及び高さ、より好ましくは約0.8mmの幅及び約0.75mmの高さを有する。しかしながら、適宜、他の適切な寸法を使用することができる。
E.液体出力
装置90は、第1及び第2の流体経路セットの各々に対して単一の流体出力を有することができる。図12に示されるより好ましい実施形態では、第1の流体経路セットは、流体が第1の流体経路セットの対応する1つを出ることを可能にする複数の流体出力103A、103B、103Cを有する。流体出力は、従来の手段によって、流体のさらなる管又はレセプタクルに接続するように構成することができる。第2の流体経路セットは、同様の流体出力を有することができる。
装置90は、第1及び第2の流体経路セットの各々に対して単一の流体出力を有することができる。図12に示されるより好ましい実施形態では、第1の流体経路セットは、流体が第1の流体経路セットの対応する1つを出ることを可能にする複数の流体出力103A、103B、103Cを有する。流体出力は、従来の手段によって、流体のさらなる管又はレセプタクルに接続するように構成することができる。第2の流体経路セットは、同様の流体出力を有することができる。
F.第2の流体経路セット
図13及び14は、第2の流体経路セットの一部を示し、各々は、好ましくは、入力チャネル93A’、93B’、93C’、第1の流量抵抗部分95A’、95B’、95C’、流体チャネル(図15、16及び17においては97B’のみが示される)、第2の流量抵抗部分(図17においては99B’のみが示される)、及び出力チャネル(図示せず)を含む。第2の流体経路セットの成分は、第2の流体経路セットがハウジング230’上に支持されることを除いて、第1の流体経路セットと本質的に同じである。第1及び第2の流体経路セットは、それぞれの流体チャネル内の特定の実施形態を除き、流体連通ではない。
図13及び14は、第2の流体経路セットの一部を示し、各々は、好ましくは、入力チャネル93A’、93B’、93C’、第1の流量抵抗部分95A’、95B’、95C’、流体チャネル(図15、16及び17においては97B’のみが示される)、第2の流量抵抗部分(図17においては99B’のみが示される)、及び出力チャネル(図示せず)を含む。第2の流体経路セットの成分は、第2の流体経路セットがハウジング230’上に支持されることを除いて、第1の流体経路セットと本質的に同じである。第1及び第2の流体経路セットは、それぞれの流体チャネル内の特定の実施形態を除き、流体連通ではない。
G.流量抵抗部分の構成
上述の実施形態では、第1の流体経路セット内の流体経路、及び第2の流体経路セット内の対応する流体経路は、同じ構成を有してもよく、例えば、対応する流体経路の両方は、第1の流量抵抗部分、流体チャネル、及び第2の流量抵抗部分について同じ構成を有する。しかしながら、対応する流体経路は、対応する流体経路を横切る平衡流及び/又は所望の流れを達成するために、異なる構成、例えば、流量抵抗部分における差を有し得ることが考えられる。いくつかの意図される実施形態は、以下により具体的に説明される。
上述の実施形態では、第1の流体経路セット内の流体経路、及び第2の流体経路セット内の対応する流体経路は、同じ構成を有してもよく、例えば、対応する流体経路の両方は、第1の流量抵抗部分、流体チャネル、及び第2の流量抵抗部分について同じ構成を有する。しかしながら、対応する流体経路は、対応する流体経路を横切る平衡流及び/又は所望の流れを達成するために、異なる構成、例えば、流量抵抗部分における差を有し得ることが考えられる。いくつかの意図される実施形態は、以下により具体的に説明される。
例えば、図18は、第1及び第2の流体経路セットの対応する流体経路の両方が、第1の流量抵抗部分、流体チャネル、及び第2の流量抵抗部分に対して同じ構成を有する実施形態を示す。具体的には、第1の流体経路セットの1つの流体経路は、P1の関連圧力302を有する流体入力91、入力チャネル93A、ΔP1の関連する圧力差311を有する第1の流体抵抗部分95A、P3の関連圧力303を有する流体チャネル97A、ΔP3の関連圧力差313を有する第2の流動抵抗部分99A、出力チャネル101A、およびP4の関連圧力304を有する流体出力103Aを含む。第2の流体経路セットの対応する流体経路は、P2の関連圧力302を有する流体入力91’、入力チャネル93A’、ΔP2の関連圧力差312を有する第1の流量抵抗部分95A’、ΔP3の関連圧力303を有する流体チャネル97A’、ΔP4の関連圧力差314を有する第2の流量抵抗部分99A’、出力チャネル101A’、およびP5の関連圧力305を有する流体出力103A’を含む。第1の流体及び第2の流体は、流体チャネル97A及び97A’が一致するところで流体連通しているため、第1の流体及び第2の流体はともに、流体チャネル97A及び97A’の一致領域において、実質的に同じP3の圧力303を有する。このような構成は、第1及び第2の流体が実質的に同じ粘度を有する場合、所望の動作を提供する。
しかしながら、第2の流体が第1の流体よりも粘性である場合、その構成は最適未満であり得る。例えば、流体出力103Aが大気圧に設定されている場合(すなわち、流体出力103Aが大気に開口されている場合)、次の関係式(14):
P4=0
及び関係正規(15):
P3=P4+ΔP3
及び関係式(16):
P5=P3−ΔP4
が保持される。関係式(14)と関係式(15)を関係式(16)に置き換えると、関係式(17):
P5=P4+ΔP3−ΔP4=ΔP3−ΔP4
が得られる。第2の流体は第1の流体よりも粘性が高いため、関係式(18):
ΔP4>ΔP3
も保持される。関係式(18)を与えれば、関係式(19)は、以下:
P5<0
のようになり、それにより、第2の流体経路セットの流体経路の流体出力103A’が真空中にあることを示す。流体出力103A’を真空中に有することは望ましくない。特に各流体経路が可撓性チューブを含む場合、チューブが真空に晒されるとピンチすることがあるためである。
P4=0
及び関係正規(15):
P3=P4+ΔP3
及び関係式(16):
P5=P3−ΔP4
が保持される。関係式(14)と関係式(15)を関係式(16)に置き換えると、関係式(17):
P5=P4+ΔP3−ΔP4=ΔP3−ΔP4
が得られる。第2の流体は第1の流体よりも粘性が高いため、関係式(18):
ΔP4>ΔP3
も保持される。関係式(18)を与えれば、関係式(19)は、以下:
P5<0
のようになり、それにより、第2の流体経路セットの流体経路の流体出力103A’が真空中にあることを示す。流体出力103A’を真空中に有することは望ましくない。特に各流体経路が可撓性チューブを含む場合、チューブが真空に晒されるとピンチすることがあるためである。
真空下に流体出力103A’を有することに関連する問題を回避するために、より小さい抵抗部分を、第2の流体が流れる流体経路のために使用してもよい。例えば、図19に示されるように、第2の流体経路セットの流体経路は、第2の抵抗部分99A’ではなく、第2の抵抗部分99A’’を含む。第2の抵抗部分99A’’は、図18に示されるΔP4の圧力差314とは異なるΔP5の関連圧力差315を有する。この態様において、ΔP5及びΔP3は、ΔP5がΔP3と同等であるように、又は流体出力103A’がP6の圧力306を有し、それがゼロを下回らないように設定されてもよい。
真空下に流体出力103A’を有することに関連する問題を回避する別の代替手段として、第2の流体が流れる流体経路は、第2の流量抵抗部分99A’を完全に省略することができる。例えば、図20に示されるように、第2の流体経路セットの流体経路は、中間の第2の流量抵抗部分99A’を介さずに、流体経路101A’と直接流体連通している流体チャネル97A’を含む。
様々な例示的な実施形態に示される装置及び方法の構成及び配置は、例示的なものに過ぎない。本開示では、わずかな実施形態しか詳細に説明されていないが、多くの変更が可能である(例えば、サイズ、寸法、構造、種々の要素の形状及び割合、パラメータの値、取り付け配置、材料の使用、色、方向など)。例えば、要素の位置は、反転させてもよいし、さもなければ変化させてもよく、離散要素又は位置の性質又は数は、変化させてもよいし、変化させてもよい。したがって、このような変更はすべて、本開示の範囲内に含まれることが意図されている。任意のプロセス又は方法ステップの順序又は順序は、代替実施形態に従って変更又は再配列決定することができる。本開示の範囲から逸脱することなく、例示的な実施形態の設計、動作条件、及び配置において、他の置換、修正、変更、及び省略を行うことができる。
Claims (20)
- 流体分離を実質的に維持しながら単一チャネル内に複数の流体を流動させるための装置であって、
第1の流体及び第2の流体を受け入れるように構成された流体チャネルを含み、
ここで、流体チャネルの少なくとも一部が第1の内部表面部分及び第2の内部表面部分を有し、
第1の内部表面部分が第1の流体に親和性を有するように構成され、第2の内部表面部分が第2の流体に親和性を有するように構成され、第1の内部表面部分及び第2の内部表面部分が異なる流体親和性を有し、
第1の内部表面部分及び第2の内部表面部分を含む流体チャネルの少なくとも一部が、流体チャネルの少なくとも一部内で第1の流体及び第2の流体の実質的に安定な流れを維持するように構成されている、前記装置。 - 第1の内部表面部分が疎油性及び疎水性の一方であり、第2の内部表面部分が疎油性及び疎水性の他方である、請求項1に記載の装置。
- 第1の内部表面部分が親水性及び疎水性の一方であり、第2の内部表面部分が親水性及び疎水性の他方である、請求項1に記載の装置。
- 第1の内部表面部分を提供するために流体チャネルの少なくとも一部に適用される第1のコーティングと、
第2の内部表面部分を提供するために流体チャネルの少なくとも一部に適用される第2のコーティングと
をさらに含む、請求項1に記載の装置。 - 流体チャネルの少なくとも一部が幅w及び高さhを有し、幅wと高さhの比が1:2〜10:1の範囲内である、請求項1に記載の装置。
- 幅wと高さhの比が実質的に2:1である、請求項5に記載の装置。
- 流体チャネルが、流体チャネルの少なくとも一部における第1の流体及び第2の流体の等体積流量を可能にするように構成され、第1の流体u1の動粘度と第2の流体u2の動粘度の関係がu1<2u2の条件を満たす、請求項1に記載の装置。
- 流体分離を実質的に維持しながら単一チャネル内に複数の流体を流動させるための装置であって、
第1の流体を受け入れるように構成された第1の流体チャネル部分と、
第1の流体チャネル部分の周囲に螺旋状に巻き付けられ、第2の流体を受け入れるように構成された第2の流体チャネル部分と、
第1の流体チャネル部分を通じて流れる第1の流体と第2の流体チャネル部分を通じて流れる第2の流体の間の流体接触を可能にするように構成された開口部と
を含む第1のチャネル
を含む、前記装置。 - 流体チャネルが、流体チャネル内の第1の流体及び第2の流体の実質的に安定な流れを維持するように構成されている、請求項8に記載の装置。
- 第1の流体チャネル部分が実質的に直線である、請求項8に記載の装置。
- 第1の流体チャネル部分及び第2の流体チャネル部分が、各々、実質的に円形の断面を有する、請求項8に記載の装置。
- 流体経路内に実質的に均一な流体流を維持させるための装置であって、
第1の流体入力と、
第1の流体入力と流体連通する第1の流体経路セットであって、第1の流体経路セットの各流体経路は、
第1の流体経路セットを横切って実質的に均一な流体流を引き起こすように構成された少なくとも第1の流量抵抗部分と、
第1の流量抵抗部分の下流に配置された流体チャネルと
を含む第1の流体経路セットと
を含む、前記装置。 - 複数の流体出力をさらに備え、複数の流体出力の各々が、複数の流体経路のうちの1つのみに対応する、請求項12に記載の装置。
- 流体チャネルの各々が実質的に直線である、請求項12に記載の装置。
- 流体チャネルの各々が実質的に平行に伸長する、請求項14に記載の装置。
- 第1の流量抵抗部分の各々が蛇行形状を有する、請求項12に記載の装置。
- 第1の流体経路セットの各流体経路が、流体チャネルの下流に配置され、第1の流体経路セットを横切って実質的に均一な流体流を引き起こすように構成された少なくとも第2の流量抵抗部分を含む、請求項12に記載の装置。
- 第2の流量抵抗部分の各々が蛇行形状を有する、請求項17に記載の装置。
- 第2の流体入力と、
第2の流体入力と流体連通する第2の流体経路セットであって、第2の流体経路セットの各流体経路は、
第2の流体経路セットを横切って実質的に均一な流体流を引き起こすように構成された少なくとも第1の流量抵抗部分と、
第1の流量抵抗部分の下流に配置された流体チャネルと
を含む第2の流体経路セットと
を含み、第1及び第2の流体経路セットの流体チャネルは、第1及び第2の流体経路セットの流体間の分子輸送を促進するように合致する、請求項12に記載の装置。 - 第2の流体経路セットの各流体経路が、流体チャネルの下流に配置され、第2の流体経路セットを横切って実質的に均一な流体流を引き起こすように構成された少なくとも第2の流量抵抗部分を含む、請求項19に記載の装置。
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