JP5111537B2 - 液体注入熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、上昇温度に曝すことにより液体を害することがなく、患者の身体に注入する液体を暖め、並びに患者の身体内への空気の導入を妨げることに向けられる。

患者を治療する場合に必要な液体は、度々、患者の身体温度に対して低温ないし冷たくして貯蔵しなければならない。この度々の冷却貯蔵は、液体の機能および完全さが維持される状態で液体を保存するために必要である。血液や他の体液のような液体は、典型的には２℃°から２０℃の範囲の低温度で貯蔵される。それ故、液体を患者の身体に導入する時、患者の身体温度の急速な低下を防止するのみならず、また、導入される液体が必要であるように機能できることを確実にする適切な温度に液体を加熱することが必要である。患者の身体内への冷却液体の注入は、患者内での伝達熱損失の主要な原因を生じることになり、度々、急速に、または、生理学的な害を生じる温度に冷却することにより、患者を一層の危険に置くことになることが知られている。

しかしながら、液体の加熱または加温において、加熱自体は、さらなる複雑化を生じないことを確実にすることに注意をしなければならない。例えば、血液が４５℃以上の温度に露呈されて、溶血となれば，血液細胞の破壊または激しい崩壊が起こることになる。同様に、液体が加熱され過ぎ、それから、患者の身体に導入されると、焼成または他のやけどのような過激な温度に曝されることから生じる生理的な害が起こることになる。バルク形状で液体を加熱する場合、通常、任意のレベルの時間効率で全体の液体を加熱するために、激しすぎる熱源の印加が必要となる。同様に、長期間に亘り液体を加熱すると、汚染の危険を生じる環境に材料を一層曝すことになる。

液体を患者に入れる時に、必要に応じて液体の適切な量が患者に提供されるような調整可能な流れが必要である。液体送出手段を、液体の適切で有効な加熱と組合せることは、患者への液体の適切な送出にとって重大なことである。従来技術は、液体が患者に注入される時に液体を加温するシステムを含む。液体がこれらのシステム内で加熱される仕方は変化し、対流または伝導を経て達成できる。臨床的な問題を提起する例は、水のような加熱される液体へ曝して患者に送出される液体を加熱する。そのようなシステムは、通常、煩わしく、度々、洗浄が必要であり、追加の物質―加熱液体の導入を通して臨床環境を汚染することになる。そのようなシステムは、度々、導管を水のような液体中に設置し、それから、水はが熱され、患者へ送出される液体は導管を通して引き出され、それにより、送出される液体の温度を増加する。そのようなシステムは、殺菌環境にとって有害であり、適切に輸送できない。さらに、これらのシステムは、また、大きい質量を有するので、質量を加熱するための十分な熱源が必要となり、冷たい質量（冷却液のバッグのようなもの）が導入される時に、所定温度を達成するのに長時間を要したり血行停止を達成する時間を与える。

さらに、多少の液体注入の間、暖房機か冷房機で患者の身体の温度を調整することは有利である。そのように、調整可能なインライン液体加温システムを有することは極度に有利であり、適切な温度に調整できる。多量の液体損失または緊急の液体損失の例では、度々、極度に多量の液体を患者の身体内に注入する必要がある。そのような例では、伝統的な液体加熱システムは、液体は急速に加熱されなければならないので、液体を害する温度に曝すことにより、度々、液体を危険に置く。そのような問題は、従来技術では解決されずに残り、より良いインライン液体注入の必要性が大きい。

液体を患者の身体内に注入する時、さらに、空気が患者の身体内に導入されないことが重大である。身体内への空気または気泡の導入は極度に有害な結果を生じる。患者の血液流内の空気の蓄積が心臓不整脈、発作または肺梗塞を生じれば、空気塞栓症が起こる。これらの潜在的な病気は生命の脅威になり、身体の液体の大容量が注入される状況で最少にする必要がある。それ故、身体の液体の注入中での注入システム内の空気の監視は、患者の身体内への空気の導入を防止するために極度に重要である。

身体内に注入する液体を加温することを探求する先行技術の装置は、度々、非常に特殊な問題を抱えている。例えば、アンダーソン他に発行された米国特許第３５９０２１５号に説明される加熱システムは、液体がシステムを進行するにつれて液体が出会う異なる加熱範囲を使用する。特に、アンダーソン他の特許で記載された加熱要素は、液体が熱交換器に入る最も高い温度から、液体が熱交換器を出る最も冷たい温度へ、液体を加温する材料内で加熱を減少する。そのような構成は、流量が変化するにつれて液体の温度を調整することが困難となるのみならず、また、液体が露呈されるべき以上の温度に液体を露呈しなければならない危険を冒し、液体を害する危険を冒す。

同様に、アンダーソン他の特許で記載された曲がりくねる液体流路は、たいていの熱交換器システム内で見られる典型的な層流を作る。例えば、フォード他の米国特許第５２４５６９３号は、幅に比べて長く、深さに比べて幅が広い、曲りくねる流れパターンを説明している。この型式の流れは非乱流層流路と一致する。非乱流流路は、液体システムの温度を所要の温度に均一に増加するために、液体システム内に導入される追加の熱エネルギーを必要とする。

米国特許第３５９０２１５号 米国特許第５２４５６９３号

本発明は、注入が起こっている間、患者の身体内に注入される液体の温度を増加するシステムである。そのような加熱システムは、また、インライン加熱注入システムと称される。本発明は、また、液体注入を受ける患者の身体内への空気の導入を防止するように、注入システム内で空気の完了された監視を提供する。本発明は、また、多量の注入必要量および目的に役立つ可変流速を提供するポンプシステムを提供する。

本発明による使い捨て可能なカートリッジは、患者の身体内に導入される液体に対する熱エネルギーの有効な伝達を許容する。
カートリッジは有害量の空気が患者の身体内に注入されないことを確実にする。

本発明による使い捨て可能なカートリッジの内部要素の正面図である。 本発明による使い捨て可能なカートリッジの異なる方位を示す（除去された使い捨て可能なカートリッジのカバー近く）。 ポンプハウジングに隣接する本発明の一実施例の使い捨て可能なカートリッジの側部を示す。 本発明の１形状部を具体化する露出プラテンを備えたポンプハウジングを示す。 熱交換器の一方の半体を示す。一方の多数のフィン。 本発明の一実施例による液体流路を示す人為的に中空である熱交換器の断面図である。 本発明によるエアトラップの外観図である。 本発明によるエアトラップの断面図である。 本発明による熱交換器を満たす液体形状を示す。 本発明の一実施例による捨て可能なカートリッジを示す。

本発明は、患者の身体内の液体注入に使用する使い捨て可能な熱交換器カートリッジを企図するものである。使い捨て可能な熱交換器カートリッジは注入ポンプ装置と取外し可能に接続され、注入ポンプ装置は注入される液体に熱を伝達するために必要とされるエネルギーまたは動力を提供するのみならず、また、液体注入システムの特別な状況を監視および調整するための流れ発生ポンプおよび機構を提供する。発明のこの詳細な説明において、図１乃至図８で示される実施例が参照され、全体を通して類似の番号は類似の部分を示す。図１および図２ａ乃至図２ｃは、この発明の現在の好ましい実施例を説明し、制限的なものとして考察してはならない。

本発明の一実施例は上下の方位部を有する熱交換器と、第１および第２の複数の重合フィンにより定められ、実質的に均一な流路深さを作る内部熱交換区域とから成る使い捨て可能な液体注入カートッリジであり、各フィンは、少なくとも１：２の幅に対する高さの比を有し、それにより、液体は下方ポートを介して熱交換器の下方方位部に入り、熱交換区域を通って流れ、熱交換器の上方方位部から流出する前に、熱交換区域の幅に亘り下方流空洞を満たす。

この使い捨て可能な液体注入カートッリジは、さらに、上下方位部を有するエアトラップと、熱交換器からの液体を受ける内表面とを備え、さらに、液体流中断部と、エアトラップから空気を除き、空気がエアトラップを越えて通過するのを防止する除気機構とを備える。この実施例の使い捨て可能なカートッリジは、約１：２から１：５０、好ましくは、約１：４から１：２５、最も好ましくは、約１：５から１：１０のフィンの幅に対するフィンの高さの比を有することができる。この実施例のフィンの高さは、約０．２５インチから約１インチにできる。

この実施例の使い捨て可能な流体注入カートリッジは、約０．０１から約１：１のフィンの高さに対する流路深さの比を有する。この実施態様の熱交換区域の流路は、約０．０１インチから約０．２５インチの深さを有することができる。さらに、同じ複数のフィン内の第１フィンと第２フィンとの間の間隔は、約０．２５インチから約０．５インチにできる。また、本発明の熱交換器は共に固定される２つの対称的なユニットと、単一ユニットとから構成でき、または、少なくとも、共に固定される２つのユニットから構成できる。

使い捨て可能な注入システムのこの実施例のエアトラップは、円筒にでき、エアトラップの高さは幅より大きい。この実施例のエアトラップは、さらに、エアトラップの下方方位部の内表面から延びる液体流れ中断部を備える。さらに、除気機構はエアトラップ内の液体体積を監視するために超音波検出機構を利用する。
同様に、この実施例の除気機構は、液体出口ポートでの弁と、エアトラップ内の液体の体積が所定レベルに増加するにつれて、空気を空気出口ポーとから押出すため、連絡し合って作用する空気出口ポートでの弁とを利用できる。この実施例のエアトラップは、垂直軸線から離れて４５°まで運動される時に有効に除去できる。

本発明の他の実施例において、使い捨て可能な注入カートリッジは、線形の流れ長さの短い部分を含み、熱交換器の内表面に対する増加された露呈のために、線形流れ長さの部分の長さより幅が大きい液体リボンを作り、非層流を介して液体内の熱伝導を増加するために液体を混合することから成る熱交換器を構成できる。

この実施例の使い捨て可能な注入カートリッジは、さらに、上方方位部と下方方位部から成る使い捨て可能なカートリッジから空気を除去するための円筒エアトラップを備え、さらに、液体入口ポートと、液体出口ポートと、空気出口ポートと、液体流れ中断部とを備え、エアトラップは液体の渦を作り、液体流れ中断部はエアトラップから液体を引き出すための液体出口ポートでの圧力差を生じる。

この実施例のカートリッジは、約１：２から１：５０、好ましくは、約１：４から１：２５、最も好ましくは、約１：５から１．１０の流路幅に対する曲りくねり流路の短い部分の長さの比を持つことができる。この実施例では、曲りくねり流路の短い部分の長さは、約０．２５インチから約１インチの長さにできる。同様に、曲りくねり流路の深さは、約０．０１から１：１、約０．０１インチから約０．２５インチ特別な深さでの流れ長さの短い部分の長さに対する深さの比を有する。

本発明の熱交換器は、少なくとも一方の多数のフィンを介して曲りくねり流路を作ることができる。多数のフィン内で、第１フィンと第２フィンとの間の間隔は約０．２５インチから約０．５インチにできる。

この実施例のエアトラップの液体流れ中断部は、エアトラップの内表面から延長できる。さらに、除気機構は液体高さを監視する超音波検出機構を利用できる。同様に、除気機構は液体出口ポートの弁と、エアトラップ内の液体の体積が増加するにつれて、空気を空気出口ポーとから押出すために連絡し合う作用をする空気出口ポートでの弁とを利用できる。また、除気機構の弁はカートリッジと反対に取付け可能なポンプハウジング内に含まれる監視機構により制御できる。

この注入カートリッジの追加の実施例において、装置は、使い捨て可能なカートリッジ内の液体圧力を監視する１つの圧力監視装置並びに使い捨て可能なカートリッジを通過する液体内の気泡の存在を監視する気泡監視装置を備えることができる。

図１で描かれるように、熱交換器１０１は使い捨て可能なカートリッジ１００内に含まれる。使い捨て可能なカートリッジは、処理が完了すれば使い捨て可能なカートリッジは取り外され、捨てられるようにポンプシステムに取外し可能に取付けられる。使い捨て可能なカートリッジは、それだけで完備したものであり、ポンプシステムに取付けられると、調整されたり、または、操作をされる必要はない。液体は液体源から液体を引く主流入管１０２を通り使い捨て可能なカートリッジに入る。液体は主流入管１０２内に引かれ、流入圧力監視装置１０３として役立つ第１ｔ−継手を通過して進む。流入圧力監視装置１０３は第１空気室１５１と流体連結される。流入圧力監視装置１０３は、液体流が、液体流の適切な調整を許容するためにポンプループ１０４に入るところの液体流の圧力を決定する。ポンプループ１０４はローリングまたはその他の取付け可能なポンプシステムと相互に作用する。ポンプシステムと相互に作用する時にポンプループ１０４は、使い捨て可能なカートリッジ１００を通して液体を押す。液体がポンプループ１０４を去る時、液体は流出圧力監視装置１０５として役立つ第２ｔ−継手を通り流れる。流出圧力監視装置１０５は液体がポンプループ１０４を出る際の液体の圧力を決定し、使い捨て可能なカートリッジ１００を通る液体流は調整できる。

それから、液体は熱交換器の最下方個所の熱交換器入口ポート１０６を経て熱交換器１０１内に入る液体が熱交換器１０１により確立される激しい環境を通過後に、液体は、熱交換器１０１の上方個所の入口１０６と反対の位置に配置される熱交換器出口ポート１０７を経て出る。この個所で、分散液は、その加温に耐え、所望の温度に達する。

液体は熱交換器出口ポート１０７を経て熱交換器１０１を出て、それから、エアトラップ１１０の縦軸線に沿って、ほぼ中間個所でエアトラップに入る。
液体はエアトラップ１１０および流出気泡検出器１１２として役立つ第３ｔ−継手を通り流出する。流出気泡検出器１１２は、過剰量の空気が系統に浸透しているかどうかを検出する。液体が流出気泡検出器１１２を通過するにつれて、空気の認容できないレベルが液体内に残っていれば、このシステムは、患者の人体内に液体の注入を許容しないであろう。液体が空気を含まないか、または、認容できるような空気の最少量であれば、液体は流出気泡検出器を通過して、主流出管１１１を経て患者内に入る。

熱交換器１０１の詳細な説明は図３、図４の参照が必要である。 熱交換器１０１は、各々が多数のフィンを含み同じモールドから鋳造される２つの半体により製造できる。第１半体３０１は熱交換器入口ポート１０６と連続する離間フィン３０２から成る多数のフィンとから構成される。特別寸法の流れフィン３０３を除き、各フィン３０２の寸法は同一であり、相互に均等に離間される。液体は熱交換器入口ポート１０６を通り熱交換器１０１に入るので、液体は、熱交換器の内壁と流れフィン３０３とにより定められる流れ空洞３０４を満たす。作用の時に、入口ポートが配置される下方個所と、出口ポートが配置される上方個所が、熱交換器を通り、重力に対して上方へ液体を流すことを強いる垂直形状で整列されるように、熱交換器は整列される。流れフィン３０３に与えられる特別形状であるので、熱交換器１０１を通って進行する前に、液体は流れ空洞３０４を満たす。

熱交換器１０１を通る液体の流れを説明するために図４を使用すると、液体は熱交換器入口ポートを経て流れ空洞３０４に入る。異なる寸法の流れフィン３０３のために、第１フィンを越えて上がる前に、液体は最初に流れ空洞３０４を満たす。この予備的な充填は、液体が熱交換器の幅を満たし、長いが狭い導管を通る層流に対してフィンを横断する液体の幅広いリボンとして流れることを許容する。流れフィン３０３は、流れフィン３０３と矩形形状の多数のフィンの内の第１フィンとの間で薄い流れ隙間３０５を作ることにより、液体の適切な広がりを達成する。それから、液体は熱交換器入口ポートと熱交換器出口ポートとの間で熱交換器１０１の長さを流出する。液体が上昇するにつれて、液体は、液体の浅いが幅広いリボンとして波形で進む。熱交換器により作られる幅広い流れ、短い線形トラック流れパターンは、液体内で増加される分子循環を引き起こす乱流を生じる。管のような典型的な導管内の層流は、導管の中央部分内で高分子「折り返し」に会う一方、熱交換器１０１内の乱流は熱交換器の内面に一層多くの分子を露呈させ、それにより、一層効率的で有効なエネルギー伝達を容易にする。

図３に戻ると、熱交換器の他の半体３０１は同じモールドから作ることができ、熱交換器入口ポート１０６は熱交換器出口ポートとなる。成形されると直ちに、２つの半体は、ボルト、ねじ、または他の機械的手段、並びに、膠、セメントまたは他の化学的な手段を含むが、それらに限定されない周知な技術を使用して共に装着される。機械的手段が使用されるのであれば、固定タブ３０６は固定装置を収容するために使用できる。

図４の熱交換器の断面図は、さらに、シールシート４０１を示し、シールシートは、Ｏリングのような熱交換器の液体不浸透性を増加するために、熱交換器の周辺でシールを設置するための空間を提供する。この実施例の熱交換器は２つの同一の半体から形成されるものとして説明されているが、熱交換器は単一部品または２つ以上の部品として形成できる。しかしながら、製造の容易さのために、ここで説明された２つの半体は、少ない費用により適切な結果を許容する。

本発明の熱交換器は、任意数の材料、すなわち、鋳造で陽極処理されたアルミニュウム、銅、金等から形成できる。本発明の熱交換器での使用のために選択された物質は、表面に亘り適切な熱分布を確実にし、並びに、暖められることを要求される液体に対して熱伝達を確実にするために、十分に熱伝導ができ、熱伝達ができなければならない。質量１ｇ当たり、物質の温度を１℃変化するために必要とされる熱エネルギー量である同一比熱を持つ２つに物質にとって、大きい方の質量を持つ物質は小さい方の質量を持つ物質に対して、より効率的に熱を伝達するであろうと、熱力学は教えている。この効率のレベルは、度々、熱容量として理解され、エネルギーの望ましくない損失なしに、第２物質の温度を大きく増加するために十分に、隣接する物質へエネルギー伝達をする間、大きい熱容量（すなわち、質量）を持つ物質は、一層、熱を保持する。例により、熱交換器と注入液と間で生じる熱交換を類推すれば、１．５ｋｇの質量を持つ物質は６０℃に加熱され、温度４０℃で質量０．５ｋｇを持つ物質と接近して直接接触される。加熱が完了すると、両方の物質は５５℃の温度を達成するであろう。増加された質量を介して、より熱い部材により蓄積されるエネルギーは、２つの物質間で熱エネルギーのより良い交換を許容する。本発明の特別な要求を与えられる物質の選択は、それ故、物質の質量並びに、その物質の熱力学特性の考慮を必要とする。

図５は、エアトラップ１１０と、その連結導管の拡大図を示す。エアトラップは特定の形状に関して説明されるが、エアトラップの液体出口ポートでの液体流れ方向の逆を許容する任意の形状であれば、カートリッジ系統からの空気の監視および除去を許容することは、当業者にとって明らかであろう。エアトラップは、ドーム形の頂部５０１と平坦な底部５０２とを備えた形状で、全体的に円筒である。液体は、エアトラップの長手軸線に沿ってほぼ中央に配置されるエアトラップ取入ポート５０３でエアトラップ１１０に入る。液体は、液体内でトラップされ、または、導入された任意の空気を除去するために、熱交換器からエアトラップ１１０に入る。除去されるべき空気は、本発明に液体源を導入する前に、液体源から空気を一掃することに失敗したことから生じる。また、液体の加熱は、患者の体に入ることを許容するならば、有害か、または、致命的にさえ成り得る結合ガス生成気泡の解放を引き起こす。液体は、エアトラップの底部５０２に配置される液体出口ポート５０５を通してエアトラップ１１０を出る。

図６はエアトラップ１１０の断面を描写する。この図において、エアトラップとインターフェイスするエアトラップ取入ポート５０３を見ることができる。エアトラップ取入ポート５０３はエアトラップの内側壁に対して平らにされ、エアトラップの長手軸線の中間線を離れて配置される。エアトラップの長手軸線の中間線に関するエアトラップ取入ポート５０３のこの位置は、液体がエアトラップを満たし、入り続けるので、時計方向でエアトラップの円筒形の回りで流れて、液体がエアトラップに導入されることを引き起こす。この流れパターンは、空気を液体出口ポートの方で下方へ引くエアトラップ内で渦を作る。エアトラップの底部５０２には、液体出口ポート５０５に隣接して配置される流れ中断部６０１が配置される。流れ中断部はエアトラップの内壁またはエアトラップの底部５０２から延びることができる。エアトラップの回りで時計方向へ進む液体が流れ中断部６０１を横切って流れるので、液体出口ポート５０５での圧力差は、エアトラップから液体を引き出すようにして、空気または気泡がエアトラップの長手軸線に沿って上方へ流れることを許容する。

図５に戻ると、エアトラップ内の液体のレベは、注入装置が操作されている間、連続的に監視される。エアトラップ１１０内の液体レベルが下方レベルセンサ５０６以下に低下する時、液体出口ポート５０５に配置され、または、液体出口ポートの回りに配置される弁が閉じる。液体出口ポート５０５に配置され、または、液体出口ポートの回りに配置される弁が閉じるのとほぼ同時に、空気出口ポート５０４に配置され、または、空気出口ポートの回りに配置される弁が開く。液体出口ポート５０５が閉じられるので、エアトラップ１１０に入る液体は、エアトラップ内に存在する任意の空気をエアトラップの長手軸線で押し上げる。空気出口ポート５０４が開いているので、エアトラップ内の任意の空気はエアトラップから押出され、図１で示される空気出口管１０８に入る。エアトラップ１１０内の液体レベルが上方レベルセンサ５０７以上に上昇する時、空気出口ポート５０４での弁は閉じる。空気出口ポート５０４での弁が閉じるのとほぼ同時に、液体出口ポート５０５は再び開く。液体出口ポート５０５は開いているので、主流出管１１１を経て患者への液体流が復興される。

本発明により具体化されるエアトラップは、変化する傾向や方向において機能できる。
エアトラップにより形成されるシリンダは高さが３インチと１０インチの間、好ましくは、３．５インチと７インチの間であり、最も好ましくは４インチと６インチの間である。エアトラップシリンダの直径は、０．５インチと２インチの間、好ましくは、０．６２５インチと１．５インチの間、最も好ましくは０．７５インチと１．２５インチの間である。エアトラップは、たとえ、垂直軸線から４５°まで傾斜されていても、液体が通過するにつれて、エアトラップは液体から空気を適切に除去できる。

上記のように、加熱要素から激しく熱せられる液体への熱の効率的移動は、本発明に影響を与える。本発明において使用される幅広い流れ、短い線形進路流れパターンは、極度に大きい接触面積による一層の乱流を許容する。上記の接触面積は、熱交換器と通過する液体との間の境界面積である。液体リボンとして説明したので、本発明によりなされた熱交換器を通り進む液体は、線形距離の短い部分に沿って非常に短い線形距離で流れるが、代わりに、比較的に幅広く流れるであろう。実際、熱交換器を通る液体流れのために作られる凹所は、長さより幅が広く、深さよりも長く、それで、通過する液体のための捩りリボン形状を作る。図７は、熱交換器１００を通り流れる液体の描写である。図７の液体流れは、最初に入口液体７０１として熱交換器入口ポートを満たすものとして示される。流体は次に空洞流として、流体空洞を満たす。それから、液体は、最初に第１の限定流れ７０３として示される流れフィンにより作られる小さい隙間を通り熱交換器を上昇して流れる。フィンの高さにより定まり、流れ長さの短い部分を描写する線形流れ距離λは、流れ幅ωより小さいことに注目すべきである。線形流れ距離λと流れ幅ωとの間の比は、約１：２から１：５０、好ましくは１：４から１：２５、最も好ましくは１：５から１：１０である。図７で図示されるリボン状流れパターンを作るのは、線形流れ距離と流れ幅との間の比である。そのような短い線形流れを持つことにより、液体は、典型的な長い線形流れくねる進路以上の乱流で熱交換器を通って流れる。液体内の乱流の導入は、そのような曲りくねり進路を作る層型式の流れを回避する。境界面での分子より早く変化する境界面に向けられて配置されない分子である液体流れの中央部分内で、分子だけに対向されるので、本発明により作られる乱流は増強される熱伝達を許容し、境界に対して、より多くの液体分子を露呈する。同様に、この乱流は、熱交換器を通り流れる液体内の分子間での一層の接触を行う。液体内の分子間での一層の接触により、一層の熱交換および熱伝達は、患者に送られる液体のために交換器からの熱の有効な交換を駆動して発生できる。

本発明により製造された熱交換器は、この乱流路を作り、液体がフィンを介して流れるにつれて乱流路を維持する。図３で描かれるように、フィンは従う液体のための流路１／２を作る。熱交換器の同一側でフィンは均等に寸法決めされ、離間され、すなわち、第１フィン３０７と第２フィン３０８との間の間隔は、熱交換器の全長に亘って同一である。
熱交換器内で流れる液体の含む熱伝達のために、同一の複数の第１フィンと第２フィンとの間の間隔は、０．２５インチから０．５インチ、好ましくは０．３５インチから０．４５インチ、最も好ましくは０．３７インチから０．４３インチである。熱交換器の半体のフィンの長さは、線形流れ距離である。フィンの長さは、約０．２５インチから１．０インチ、好ましくは０．５インチから０．８インチ、最も好ましくは０．６インチから０．７インチにできる。流路は、また、第１の複数フィン内のフィンの頂部の間の離間間隔と、第２の複数フィン内の２つのフィンとの間の谷により作られる深さ要素を含む。流路は約０．０１インチから０．２５インチ、好ましくは０．０３ンチから０．１２５インチ、最も好ましくは０．０４インチから０．１１０インチの深さを有することができる。フィンの幅は３インチから６インチ、好ましくは３．５ンチから５インチ、最も好ましくは４インチから４．５インチにできる。

熱交換器への熱エネルギーの伝達は、熱交換器の露出部分で起こり、その部分は使い捨て可能なカートリッジ内でカバーされず、または、含まれない部分である。熱交換器の平坦板８０１は使い捨て可能なカートリッジ１００のハウジング８０２から露出されて図８で見える。使い捨て可能なカートリッジ１００は、第１取付け区域８０３と第２取付け区域８０４を介してポンプシステムに取外し可能に固定される。取付け区域は、使い捨て可能なカートリッジがポンプシステムに確実に堅く取付けられることを許容する。熱交換器の平坦部分８０１は、加熱要素または加熱板にできる限り接近して配置されることが特に重要である。熱交換器の平坦板８０１が加熱要素または加熱プラテンに均一に密接することを確実にすることは、等しく重要であり、難しいことである。周知な平滑な材料であっても、固体を扱う時、顕微鏡レベルで考慮すると、決して完全には接触しない。それ故、平坦板８０１は加熱要素または加熱プラテンに接触する十分な表面積を達成するために、できる限り適度に均一で平滑でなければならない。加熱要素または加熱プラテンに接触する平坦板８０１の表面積は、約２０平方インチから約１００平方インチ、好ましくは約２５平方インチから約５０平方インチ、最も好ましくは約３０平方インチから約４５平方インチにできる。同様に、平坦板８０１を加熱要素または加熱プラテンに密接接触して保持するため、使い捨て可能なカートリッジ１００に及ぼされる圧力は、平坦板８０１および加熱要素または加熱プラテンの表面が平滑でなければ、増加しなければならない。平坦板８０１および加熱要素または加熱プラテンが相互に直接に隣接して配置されるならば、空気界面が２つの表面間に存在すると考えられる。表面が極度に接近している一方、２つの表面を押すために平坦板８０１に圧力が及ぼされるので、表面間の隙間が残るであろう。それ故、使用される適度な接触圧力をさらに許容する空気より良好な熱伝導体である材料で、表面間の空所に適合して満たす熱パッドにより、熱交換器の平坦板８０１に接触する加熱要素または加熱プラテンを被覆することで、これらの隙間を減少できる。空気が熱交換器の平坦板８０１の表面と、加熱要素または加熱プラテンの表面との間の界面となっているならば、熱エネルギーの有効な伝達を達成するために、より大きい圧力を及ぼさなけ
ればならない。隙間を満たし、空気より良好な熱導体を使用すれば、表面の界面に印加される、より小さく適度な圧力により、このシステムを確立できる。

本発明による注入系統は、図２ａ乃至図２ｃで示される。使い捨て可能なカートリッジは、図２ａにおいて除去された外カバーの半体で示される。整列のために、エアトラップ１１０は図の右手部分で外カバー２０１から延びて見ることができる。使い捨て可能なカートリッジの外カバーは頑丈な高分子材料から製造される。図２ｂは図２ｃで示されるポンプハウジング２５０と接触する使い捨て可能なカートリッジの側部を示す。再び、整列のために、エアトラップは、図２ｂにおいて外カバーから延びて左手部分で示される。ポンプシステムのプラテンと接触する熱交換器１０１の露出表面２２５は、図２ｂで示される。図２cは、ポンプループ１０４と相互作用をするための回転ポンプを含むポンプハウジングを示す。図２ｃは、また、使い捨てカートリッジ内に含まれる熱交換器に熱エネルギーを与えるプラテン２７５を示す。この実施例の全要素は相互の液体で連結される。

係合ハンドル２８０は、プラテン２７５の回りに配置されるロックハウジング２８５から延びるクランプ機構またはロック機構により、使い捨てカートリッジ１００をポンプハウジング２５０に可逆的に使用者が取付けることを許容する。係合ハンドル２８０が操作されると、ロックハウジング２８５内に含まれるクランプ機構またはロック機構は延びて、熱交換器１０１の露出表面２２５の回りに配置される取付け点で使い捨てカートリッジ２１０に係合する。係合する時、熱交換器１０１の露出表面２２５をプラテン２７５に接続するために提供される力は、約１７０ポンドから２３０ポンドであり、通常の力は約２００ポンドである。露出表面２２５とプラテン２７５との間で、プラテンと熱交換器との間の極度の接近および均一な接触を許容する伝熱材料またはsilpad(シルパッド)が配置される。シルパッドとして選択される材料は、マサチューセッツ州、Woburn在のChomerics社により供給されるシリコン基パッド、Chomerics T500(登録商標)である。シルパッドは、空気のインターフェースより良好に、プラテン２７５から熱交換器１０１への良好な熱伝達を許容する。この実施例では、シルパッドは厚さが約０．０２インチであり、０．００５インチ位であり、全プラテンをカバーする。さらに、この実施例では、加熱要素または加熱プラテンに接触する平坦板８０１の表面積は、約３５平方インチである。

実施例のために、患者内に注入される液体は血液である。この例で実施されるポンプシステムに入る液体は２０℃である。注入が行われる割合は１０００ミリリットル／分である。この例でポンプハウジング内に含まれるポンプは１０ミリリットル／時間から１２００ミリリットル／時間の割合で液体をポンプ送りできる。

カートリッジが係合されると直ちに、ポンプハウジング内の回転ポンプはポンプ圧をポンプループ１０４にかけ、カートリッジを通る液体源から１０００ミリリットル／分で注入するための十分である液体を流す。再び、図１を参照すると、血液は主流入管１０２内に引かれ、流入圧力監視装置１０３として役立つ第１ｔ継手を通過して進む。流入圧力監視装置１０３は第１空気室１５１と流体連結する。流入圧力監視装置１０３は血液流の適切な調整を許容するため、ポンプループ１０４に入るように血液流の圧力を決める。

流入圧力監視装置１０３は、液体が使い捨て可能なカートリッジ内にン残っているが、患者の方へ流れない場合の負圧を監視する。液体源バッグがつぶれ、さらに、液体がカートリッジ内に残るならば、そのような状況が起こるであろう。流入圧力監視装置１０３での圧力が１ｍｍ水銀中以下に低下すれば、ポンプはポンプ送りを停止する。

血液はポンプループ１０４を去ると、流出監視装置１０５として役立つ第２ｔ継手を通って流れる。流出監視装置１０５は、血液がポンプループ１０４を出る血液の圧力を決定し、使い捨て可能なカートリッジ１００を通る血液に流れが調整される。流出監視装置はカートリッジを通って進む液体の圧力を測定する。ここで、この圧力は流れ妨害を監視して、圧力が５００ｍｍ水銀中を越えると、ポンプは損傷を避けるために停止されるであろう。

それから、血液は熱交換器入口ポート１０６を経て熱交換器１０１内に入る。この例の熱交換器１０１は図３で描かれる２つの半体から作られる。２つの半体は同一のモールドから作られ、一方のモールドを逆にして、２つのモールドを共に固定して、熱交換器を作る。この例の熱交換器の製作で使用される材料はアルマイトであった。この材料の使用は、熱交換器と暖められる液体、血液との間の大きい質量差を作ることにより、本発明の目標を達成する。アルマイトの熱伝導性能は、熱交換器を横切る熱エネルギーの優れた散逸を許容する。アルミニュウムの陽極処理された表面は、血液または他の液体が横切って通過する間、生体試料との反応、または、生体試料の吸収を妨げるように、生体不活性表面を作る。この例では、血液を処理すると、試料の表面に対するタンパク質吸収は、凝固カスケードに対するトリガーを発生できる。熱交換器の内表面に吸収されたタンパク質は、それらが、たとえ、凝固カスケードをトリガーしなくても、分解され、分離できる。熱交換器の表面から分離されると直ちに、分解されまたは分離されたタンパク質は、他のタンパク質または有害な仕方で血液中に含まれる細胞と反応できる。それで、熱交換器の陽極処理された不活性表面は、血液が熱交換器を通過するにつれて、血液に生じる損傷を妨げる。

本発明によるカートリッジは使用される時に、熱交換器から注入される液体への熱の有効な交換は、液体を４５℃または、それ以上の温度に露呈することなく、液体の温度の適切な上昇を達成する。血液または液体が露呈される変化される温度範囲を有する代わりに、熱交換器の一定温度は、血液に対して熱エネルギーのより有効な伝達を許容する。１０００ｍｌ／分の流速で、３７℃の液体出口温度を達成することは、注入される液体に対して有害となる４５℃の温度に血液を決して曝さないことを意味する。実際、アルマイトを使用すると、１７℃の温度上昇を生じるために十分な血液に対する熱エネルギーを伝達する効率は９５％−９６％であった。

血液が熱交換器に入ると直ぐに、熱交換器の全体を横切る前に、血液は流れ空洞を満たす。流れ空洞を定める流れフィンにより作られる狭い流動面積のために、血液は最初に流れ空洞を満たす。図７で描かれるように、第１フィンを介して流れる小さい流路を作ることにより、幅広いリボン形状である熱交換器のフィンを越えて流動パターンを作る流れ空洞を満たす前に、血液は熱交換器の長手軸線を横切らないであろう。

図２ａ乃至図２ｃで描写された熱交換器で使用されるフィンは、約０．４インチ離間される。２つの複数のフィンの分離により作られる流路の深さは、約０．０８インチである。フィンは約４．３インチ幅で、高さは０．６２インチである。このことは、約１：７の幅に対する線形流れ間隔の比を生じる。図３で分かるように、流れフィン３０３は、熱交換器を横断する残りのフィンより幅が広い。流れフィン３０３の増加された幅は、熱交換器の２つの半体が連結される時、フィンでの狭い流路を作る。この例では、流れフィン３０３により作られる流路幅は約０．０３インチである。この例で、熱交換器を通して流れる血液が、最少抵抗の路に沿って進むことになると、血液が流れフィン３０３を過ぎて進む前に、流れ空洞３０４は充満するであろう。それから、血液が熱交換器を通って進むにつれて、血液は、血液のための乱流パターンを作るフィンを経て進む。この乱流は、熱交換器に対する血液流体内での多くの分子の増加される露呈を確保し、それにより、熱エネルギーの有効な伝達を増加する。

血液流は熱交換器の頂部に到達すると直ちに、血液流は熱交換器１０１の熱交換器入口ポート１０６と反対の位置に配置される熱交換器出口ポート１０７を経て出る。この個所で注入液はウオーミングを受け、所要に温度に到達する。それから、血液はエアトラップ１１０の長手軸線の頂部と底部との間のほぼ中間の位置で、エアトラップ１１０に入る。この例では、エアトラップは、その長い垂直軸線に沿って約４．２インチであり、直径は約１インチである。エアトラップ取入口ポート５０５はエアトラップの底部から約２．１インチに配置される（図６を参照）。血液がエアトラップ取入口ポートを通過するにつれて、血液は、血液がエアトラップを満たすように時計方向へ進む。血液のこの時計方向の流れは、エアトラップ内で渦を生じる。この例では、エアトラップの底部の内面から約０．５インチ延びる液体流中断部６０１は、血液を引引き出し、任意のトラップされた空気を出さないために、液体出口ポート５０５で十分な圧力差を生じる。

この例では、空気は、いくつかの機構を経て血液内でトラップできる。血液が注入のためにポンプ系統に付されるにつれて、血液を傷付けることにより、本質的に系統への付属の前に血液源を適切に浄化し損なう。また、液体自体の加熱は患者に導入されるならば、有害である血液内の貯蔵空気の解放を生じることができる。

エアトラップ１１０内の空気量が増加するにつれて、この例では、血液にレベルはエアトラップ内で低下する。血液は、この例では、超音波センサである下方のレベルセンサ以下になると、液体出口ポート５０５での弁は閉鎖する。液体出口ポート５０５での弁は閉鎖されると、エアトラップの頂部に配置される空気出口ポート５０４の弁は開く。これは、空気出口ポート５０４から空気を押出してエアトラップ内の血液体積を増加する。超音波センサはポンプハウジング２５０内に配置される。超音波センサは、エアトラップ内の液体レベルを有効に監視するため、下方レベルセンサ５０６と上方レベルセンサ５０７でエアトラップに取付けられるシリコンボタンを利用する。血液のレベルが上方レベルセンサ５０７、また、超音波センサ以上に上昇すると、空気出口ポート５０４での弁は閉鎖する。空気出口ポートの弁が閉鎖するほぼ同時に、液体出口ポート５０５の弁は開き、血液はエアトラップに出て、患者の方へ進む。

この例では、それから、カートリッジ内の全ての流れを液体の圧力に基づいて制御する第３監視装置を通過する。滞留があり、圧力が上昇し始めるならば、この圧力監視装置は１００ｍｍＨｇと３００ｍｍＨｇの間にできる容認範囲内で圧力を保持しようとするであろう。この圧力監視装置での圧力が５００ｍｍＨｇ以上に上昇すれば、ポンプは停止するであろう。

この例では、しかしながら、血液は患者に達する前に、血液は流出気泡検出器１１２を通過する（図１を参照）。流出泡検出器は、エアトラップが系統から有害な空気を潜在的に除去されたことを決定するために、患者への途中で血液を分析する。この例の気泡検出器は、管を介して信号を送る超音波センサを使用する。系統内に存在する任意の気泡は信号を弱めるであろう。３０μＬ乃至５０μＬのように小さい気泡が検出されるならば、この系統はポンプを停止するであろう。この系統は最大流速１２００ｍＬ／分で、この寸法の気泡を検出できる。

１００ 使い捨て可能なカ−トリッジ
１０１ 熱交換器
１０２ 主流入管
１０３ 流入圧力監視装置
１０４ ポンプループ
１０５ 流出出力監視装置
１０６ 熱交換器入口ポート
１０７ 熱交換器出口ポート
１１０ エアトラップ
１１１ 主流出管

Claims (22)

1. 第１端部、これに対向する第２端部と第１および第２の複数の重合フィンで定められる内部熱交換区域とを含む熱交換器において、
   前記第１端部は熱交換器の下方にあり、前記第２端部は熱交換器の上方にあり、
   前記熱交換器の一側面に、寸法が同じ複数のフィンが、前記第１端部から前記第２端部に向かって、相互に実質的に平行かつ均等に離間されて設けられ、
   前記一側面に設けられた複数のフィンの間にフィンの端部が入るように、前記熱交換器の他の側面に、寸法が同じ複数のフィンが、前記第１端部から前記第２端部に向かって相互に実質的に平行かつ均等に離間されて設けられ、
   前記複数のフィンは、重力に対して垂直方向に配置され、
   各フィンは、高さと幅の比が少なくとも１：２を有し、それにより、液体は、入口ポートを介して熱交換器の該第１端部に入り、各フィンの幅の少なくとも一部を横切って熱交換区域を通して流れ、該第２端部を介して熱交換器の出口ポートから出る血液のための熱交換器。
2. フィンの高さと幅の比が約１：２から１：５０である請求項１の熱交換器。
3. フィンの高さと幅の比が約１：４から１：２５である請求項１の熱交換器。
4. フィンの高さと幅の比が約１：５から１：１０である請求項１の熱交換器。
5. フィンの高さは、約０．２５インチから約１インチの範囲である請求項１の熱交換器。
6. 熱交換区域の流路の液体流の表面とフィンの平坦部表面とは、約０．０１インチから約０．２５インチの深さを有する請求項１の熱交換器。
7. 同一の複数のフィン内の第１フィンと第２フィンとの間の間隔は、約０．２５インチから約０．５インチである請求項１の熱交換器。
8. 前記熱交換区域内で、各フィンが、前記第１端部と第２端部に対して実質的に平行に配置されている請求項１記載の熱交換器。
9. 熱交換器は、共に固定される２つの対称ユニットから構成される請求項１の熱交換器。
10. 熱交換器は、単一ユニットから構成される請求項１の熱交換器。
11. 熱交換器は、共に固定される、同じモールドから鋳造される少なくとも２つの半体から構成される請求項１の熱交換器。
12. 互いに重なり合う、複数の第１フィンと第２フィンから成る内部熱交換区域を有する熱交換器であって、
    前記熱交換器の一側面に、寸法が同じ複数の前記第１フィンが、内部熱交換区域の下端から上端に向かって、相互に実質的に平行かつ均等に離間されて設けられ、
    前記一側面に設けられた複数の前記第１フィン間に前記第２フィンの端部が入るように、前記熱交換器の他の側面に、寸法が同じ複数の前記第２フィンが、内部熱交換区域の前記下端から前記上端に向かって、相互に実質的に平行かつ均等に離間されて設けられ、
    各フィンが、高さと幅の比が少なくとも１：２であり、液体が該内部熱交換区域に入り、曲がりくねる液体流を作り、該液体は該フィンの幅の少なくとも一部を横切って該熱交換区域を通過する血液のための熱交換器。
13. 該内部熱交換区域は、該重なり合うフィンにより少なくとも部分的に起こされる複数の線形に流れる部分を有するリボン状の深さが浅い液体流れを形成し、該リボン状の深さが浅い液体流れは、前記複数の線形に流れる部分の長さより長い幅を有している請求項１２に記載の熱交換器。
14. 流路幅に対する、フィンの平坦部上の線形流れ部分の長さの比は、約１：２から約１：５０である請求項１３の熱交換器。
15. 流路幅に対する、フィンの平坦部上の線形流れ部分の長さの比は、約１：４から約１：２５である請求項１３の熱交換器。
16. 流路幅に対する、フィンの平坦部上の線形流れ部分の長さの比は、約１：５から約１：１０である請求項１３の熱交換器。
17. 複数の線形流れ部分の長さは、約０．２５インチから約１インチの長さである請求項１３の熱交換器。
18. 各フィンの高さは、約０．２５から１インチである請求項１３の熱交換器。
19. 該複数の第１のフィン又は該複数の第２のフィン内においてフィンの間隔が０．２５から０．５インチを有する請求項１３の熱交換器。
20. 熱交換器により形成される液体流の該液体流の表面とフィンの平坦部表面とが約０．０１から０．２５インチの深さを有する請求項１３の熱交換器。
21. 前記熱交換器が第１端部とそれに対向する第２の端部を有しており、各フィンが熱交換区域内において、該第１端部と第２端部に対して実質的に平行に配置されている請求項１３記載の熱交換器。
22. 該液体が該第１端部近傍の入口ポートを介して内部熱交換区域に入り、該第２端部近傍の出口ポートを介して該内部熱交換区域から出る請求項２１記載の熱交換器。

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