JPH04507372A - 渦巻きを利用して、熱又は質量の膜透過移動を行うための方法及び装置 - Google Patents

渦巻きを利用して、熱又は質量の膜透過移動を行うための方法及び装置

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JPH04507372A JP2511493A JP51149390A JPH04507372A JP H04507372 A JPH04507372 A JP H04507372A JP 2511493 A JP2511493 A JP 2511493A JP 51149390 A JP51149390 A JP 51149390A JP H04507372 A JPH04507372 A JP H04507372A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 渦巻きを利用して、熱又は質量の膜透過移動を行うための方法及び装置 本発明の第一の面は、普通は液体である流体への又はそれからの、移動膜を通じ る熱又は質量の移動を行うための方法及び装置に関するものである。当該技術は 、血液酸素添加器及び透析器に使用され、この場合は、一方の流体が血液で他方 が酸素又は透析物である。代わりに、当該装置は、例えば、全血から血漿のよう な成分を濾過するため、又はバイオリアクタに物質を導入したり又は除去するた めに用いられることもある。
実際には、膜を通る移動の効率は、膜の極く近傍にもたらされる流体の全体積の 程度に制限される。この問題への一つの解決策が、GB−A−1442754及 びEP−A−0111423に開示され、そこでは、一つの流体に、拍動及び、 望ましくは反転する流れ(但し平均流)を与え、導管を通過させる。この導管は 規則的に縦方向に繰り返すディンプル又は横断溝のようなくぼみの配列を備えた 壁を有し、その結果、くぼみの中で流体に渦巻きができる。実際は、その幾何学 的形態は、それぞれのくぼみの中に一つの渦巻きが形成されるものであった。好 ましい逆流を利用する場合には、同方向に全て回転している渦巻きが、くぼみか ら主流の中に流れ出て、一方向の流れが減速した時に壊れ、流れが逆転して導管 に沿って反対方向に加速した際に、くぼみの中に再度生成するか、回転方向は逆 向きとなる。渦巻きの崩壊と回転方向の逆転のこの繰り返しは、渦巻きが連続的 に維持されるときよりも、流体の混合には効果が低い。
本発明の第二の面によれば、流体中での渦巻きの生成また、例えば成分の間の化 学反応を促進するための、流体の成分の完全な混合を促進したり、流体と、担体 上に固定化されたアフィニティ・リガンド(親和配位子)のような成分との間の 接触を促進するためにも利用することができる。
本発明に従えば、流体中の渦巻きの利用の方法においては、その流体は反転する が平均の流れで導管を通過し、その導管は、二つの側壁の間に限定された少なく とも一つのチャンバから成り、そのチャンバには導管に沿って間隔をおいたその 端部に束縛された入口及び束縛された出口を備え、流体系のレイノルズ数とスト ルーハル数、及び二つの壁の間のチャンバの幅に対するチャンバの長さの縦横比 は、少なくとも3個の渦巻きが平常パターンでチャンバに沿って出来るようにな っており、隣接する渦巻きはチャンバの長さ及び幅に垂直な軸の回りに互いに反 対方向に回転する。また流体の主流はチャンバに沿って及び渦巻きの回りを一つ の渦巻きと別の側の壁との間を交互に曲りくねって通過し、流れの方向の反転は 、それぞれの渦巻きが同じ方向への回転を継続するように強化するけれども、曲 りくねった流れは、今度はそれぞれの渦巻きの回りを流れ反対側の壁を通過する 。
入口と出口は、平均流の方向からみてチャンバの上流端と下流端にそれぞれある けれども、流れが平均流に対して反対方向にある際には、それぞれの流れサイク ルのその部分の間は、公称出口か入口として働く。
この技術は、先行技術を拡張したもので、事実上、くぼみの寸法を導管の縦方向 と横方向に沿って伸ばすこと及び独特のパラメータを備えることによるものであ り、これには、チャンバへの束縛入口と出口の寸法及び位置、逆流だが平均流を 生じる単数又は複数のポンプの行程及び頻度、及び流体の粘度を含んでおり、こ れらはすべて、実際上、選定のレイノルズ数とストルーハル数並びにチャンバの 縦横比によって、実質的な定常波パターンがチャンバの中に3個以上の連続回転 の渦巻きを有して生成するように決定される。これらの渦巻きは、流れが反転す る時に、隣接する渦巻きが互いに位相をずらして、チャンバの反対側の壁の間を 交互に揺れ動くが、チャンバに沿ってその位置は、実質的には一定を保つ。
この共振条件は、ポンプの行程と頻度を調整することによって同調させることが 出来る。これは、流体の適切かつ連続的な混合を生じ、その結果、壁の一つ以上 が少なくとも部分的に熱又は質量の移動用移動膜で形成されているときには、本 発明の第一の面に従って流体と移動膜の間の望ましい適切な接触を生じる。従来 の渦巻き混合技術と比較すると、単数又は複数のポンプが小さい体積及び高頻度 で働くので、本発明に従えば、システム内により高いレイノルズ数及びストルー 八ル数を生じると予想される。
入口と出口の双方が、導管の同じ壁に隣接して設けられているときは、4.6. 8などの偶数の渦巻きかチャンバの中に発生する。他方、入口と出口か、導管の 反対側の壁に隣接して設けられているときは、3.5.7などの奇数の渦巻きか 生成する。
本発明はまた、新方法を実行するための装置を含んでおり、その装置は、一つの 導管、反転する平均流の流れで流体をその導管に通す手段から成り、その導管は 、少なくともその一つは少なくとも部分的には移動膜で形成することのできる二 つの側壁の間に限定された一つ以上のチャンバを組み込んでおり、そのチャンバ は入口と出口を設けるために反対側の端で横方向に束縛されている。
チャンバの両端は、一つの側壁からチャンバを幅方向に反対側の側壁に向かって 伸びるか、途中で終端するそらせ面を設け、それによって、反対側の壁に隣接し てそれぞれ入口及び出口を形成してもよい。流れのサイクルの間に流体かこの入 口又は出口を通ってチャンバに入る場合は、流体はその反対側の壁に沿う方向を 向くので、チャンバのその端に最も近い渦巻きは、主流と一つの壁の間に生成さ れる。
多数のチャンバを導管に沿って連続して作ってもよく、それぞれのチャンバの( 平均の)上流端及び下流端にある束縛された入口及び出口には、壁に固定したそ らせ板、又は少なくとも一つの壁に対して形成又は支持された一体構造を設ける ことができる。一つのチャンバの入口を形成するそらせ板は、平均流の方向から みてすぐその前のチャンバの出口を同時に形成する。
各種の形態が可能である。このように、壁は実質的に平面で、二つの側壁は、そ の長さ及び幅に較べて狭い間隔で配置することかできる。この場合は、そらせ板 は、はしご状構造の桟として設けることができ、その桟は、交互に反対側の側壁 に向かってずらしである。代案として、配置を軸対象にすることができ、この場 合には、側壁は、一つは芯によって、他はそれを囲む環状の壁とし、チャンバの 長さは軸方向にあって、幅は半径方向にある。
本発明を利用するシステムの幾つかの例を、添付の図面を使って説明する。
ここで、 第1図から第5図は、本発明の背景原理を示す、第6図は、本発明に従って構成 した装置の部分断面図を示す、 第7図は、第6図の部分拡大図である、第8図は、装置に用いることのできる、 はしご構造の平面図である、 第9図は、第8図の工X−IX線上で切った断面図である、 第10図は、はしご構造の部分透視図であり、また第11図は、レイノルズ数/ ストルーハル数の分布図である。
第1図及び第2図は、二つの壁50.51の間に収まった導管を示しており、そ の中の少なくとも一つは移動膜となっている。一連のチャンバ52A、52B、 及び52Gは導管に沿って収まっており、導管の幅を制限して壁50に流路54 A及び54Bを設けるそらせ板53によって分離されている。導管の両端には、 ポンプか備えられていて、反転流だが平均流の流れで流体を導管に沿って通過さ せる。平均流か図の左から右のときは、流路54Aが、チャンバ52Aからの公 称出口でかつチャンバ52Bへの公称入口となり、流路52Bか、チャンバ52 Bからの公称出口でかつチャンバ52Gへの公称入口を形成する。
流れが第1図に示す通り左から右のときは、4個の渦巻き55A、 55B、  55G及び55Dが形成されて、流体の主流56は、渦巻きの回りを曲りくねっ て流れる。流れが第2図に示す通りに反転した場合は、流れ56が渦巻きを強化 し、これは同一の方向に回転を継続するが、流れは今度はそれぞれの渦巻きの反 対側を通過し、その渦巻きは、今度、壁50.51の反対側に位置を変えている 。
渦巻きが連続的に回転するので、導管の中の流体の完全な混合が確実になり、壁 50及び/又は51が移動膜である場合は、流体と膜との間の接触が増進される 。
第3図及び第4図は、それぞれ第1図及び第2図に対応して相似の系を示してお り、ここではそらせ板53が交互に導管の反対側の壁50.51から伸びており 、それによって、奇数の渦巻き55を維持している。
いずれの場合にも、相似の渦巻きが、隣接するチャンバの中に導管に沿って生成 される。
壁50.51は平面でもよく又は図面を軸方向の断面図と考えてもよく、この場 合は、壁51は軸対象系の中央芯によって形成され、壁50は環状で芯を囲んで いるものとすることができる。定常パターンの渦巻きの生成は、それぞれの場合 に相似となるはずである。
更に別の実施例を第5図に示す。この場合はそれぞれのチャンバ52Dを有する 導管の対が二つの壁50Aの間に形成されており、少なくともその中の一つは移 動膜とすることができ、また、中間分離壁51Aにはそらせ板53Aが一体とな って形成されている。第5図の流れのパターンは第1図に対応するが、反転する と第2図の構成がそれぞれの導管の中で得られる。
第6図から第10図に示すように、本発明は、私のWO89104197の中で 説明して図示した装置に比較的簡単な修正を加えることによって実施することが 出来る。第6図及び第7図は、修正を除いて、前の特許明細書の第3図及び第6 図に直接対応しており、第6図の中の、前の明細書の第3図の中の引照番号と共 通の引照番号は、同様の部品に関連している。
このように、第6図は、装置の一端を示しており、対向する同様の側板15及び 対の端板16及び17から構成されている。側板は長方形で長く伸びており、隣 接する板の表面か向かい合った形になっている。側板15が形作る二つの面の間 には、一対の膜18か置かれている。板15の長い側辺に沿って、膜18は互い にまた板15に対して、根をまとめるボルトによって封印されている。このよう にして、膜18の間に中央の第一導管22が形成され、またそれぞれの膜18と 隣接する板15の隣接面との間に外側の第二導管23が形成される。板15の表 面の輪郭部は、第二導管23に通じるチャンネル24のはしご状配列から構成さ れており、それぞれの板の中のボード37を通り、穴38を経由して出口ホース に通じている。
板15のそれぞれの端には、2枚の板16及び17がボルト25にによってボル ト止めされており、膜18の端は、板15の端と板16の端との間に留め付けで ある。板16のそれぞれと隣接する板17の間には、フレキシブル隔膜27の外 側に伸びるフランジ26が留め付けである。中央導管22の隣接する端に通じる 多岐管28が、板16の内部開口部に形成されており、これら多岐管28のそれ ぞれは、穴21を通って外部ホースに接続されている。それぞれの隔llI27 は、それぞれの板17の中の開口部内に収容されており、それぞれのプッシャー 30′によりて作動させられる。装置の両端にあるプッシャーは、位相をずらせ て作動し、それぞれが前後に動くにつれて、液体か第一導管22を通って前後に 奔流する。導管22を通って平均流を作るために、ブツシャ−30′の一つの行 程をそれぞれの板17の中に他のものよりも深く伸ばすと、その結果として、第 一導管22の中の流れを往復させるときに重畳される成分ができて、これが導管 を通じる正味の平均流を作る。同様の平均流は、異なる行程の代わりに、又はそ れに加えて、異なる断面積のブツシャ−を用いることによっても達成することか できる。代案として、プッシャーか同様であるときは、平均流は、ローラーポン プのような別のポンプを、装置の入口端の穴21に導かれるホースに連続して設 けることによっても作ることができる。
前の明細書で説明した装置においては、渦巻きは、第二導管の中に、板15の輪 郭部の中のそれぞれのくぼみの中に置かれたディンプルを予め膜に形成すること によって、生成された。これと対照的に、本発明においては、定常渦巻きを、離 れた二つの膜18を保持する第一導管22の中に、はしご状構造物57を設ける ことによって生成させる。こうして、特に第8図から第10図に示した通り、構 造57は3個の縦方向部材58及び、一連の桟59を有しており、これは、第3 図のそらせ板53を形成して、第10図の矢印で示した通りに第3図の流路54 を作るように、交互に構造物の反対面に向かってずらしである。
この配置は第7図に、より明瞭に示しであるが、これから918は、どのような 外形にも予め成型する必要はなく、平坦なシートとして使用することができるの が明らかであろう。このことは、膜か濾過用の繊細な細孔薄膜である場合に特に 重要である。膜は、輪郭を作った板の表面に対して、前の明細書で説明した通り に支えることかでき、この時第二導管は、板表面のくぼみ及び相互連結溝によっ て形成される。この配置は、適切な膜をつけて、微細濾過、例えば、血漿を血液 細胞から分離したり微生物細胞を濃縮すること、又は低圧(0,5バールまでの )限外濾過、例えば、蛋白質水溶液の濃縮に用いることができる。しかし、高圧 限外濾過には、適切な膜を実質的にその全面にわたって支えるのが望ましいかも しれない。その場合は、第7図に示す通り、第二導管を、薄膜と、チャンネル2 4を除いて実質的には平面である板15との間に形成し、膜18を支えるために 導管を多孔質の発泡材料で満たすことができる。
導管中への最大突出部において、桟そらせ板の負端部は第9図及び第10図ては 直角に示しであるけれども、これらは、そらせ板を通過した後の流線形の流れを 促進するために、第1図から第7図に示すように丸みをつけるのが望ましい。同 様に、そらせ板の側面と薄膜の間の角部にフィレット(面とり)を付けるのが望 ましい。
装置のそれ以上の詳細については、前の明細書W089104197に注意を喚 起しておく。
第7図の中て用いた4照文字は、本発明の重要なパラメータに関連付けられてい る。
1!上 これはI2/dとして定義され、ここで、2はそらせ板の間の距離、dは膜の間 又は別の壁50.51の間の間隙である。それぞれの渦巻きには、約2dの長さ が必要なので、渦巻き3個については、ff/d36で、渦巻き4個については 、ff/d心8である。
従って、I2/d≧6.。
k工1工X1 ピークレイノルズ数は、Re = u H/ 2γと定義されている。
ここて、Hは最小入口幅、γは動粘性率(血液については約3 X 10””m ”s−”)で、またUは入口を通ってチャンバに入るピーク速度である。
ピーク流量Qの項では、深さWの溝(第7図の平面に垂直に測定)については、 Re = (Q / W H) ・(H/ 2 y ) = Q / 2 W  y好ましい範囲は、30< Re < 200である。
約30より下では、渦巻き波は現われず、200以上では流れが乱流になる。
LΣ亙二△五1 ストルーハル数は、St=ΩH/ 2 uと定義されている。
ここで、ΩはHzで表した脈動周波数である。
従って、St= (ΩH/2)・ (WH/Q)=ΩW H2/2 Q 好ましい範囲は、0.001< S t < 0.1である。
これらの結論は、第11図の分布図によっても裏付けられ、これは、血液からの 血漿の微細濾過に関する一つのシステムによる実験によって作成したものである 。最良の結果は、中央傾斜帯の中で作動させて得られたことがうかがえる。
第6図から第10図の装置を用いて、ウシ血清アルラミン溶液の限外濾過につい て優秀な結果が得られ、同し膜を利用した従来のクロスフロー限外濾過と比較す ると、効率は2倍以上であることが判明した。この場合の寸法は、第7図及び第 8図の明瞭文字で表すと、次の通りであった。
a = 1 mlB%b = 1 mm%c = 2 mm、 d = 2 a m、e =145 am、 H= 1 mm%(2=15mm、 W=63mm 。
国際調査報告 1M+er++s1i。。、1^工1.。1.。−N−PC丁/G890101 301国際調査報告 、PCT/QB 90101301 SA 39360

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 1.流体が、反転するが平均流の流れで導管を通過し、その導管は二つの側壁( 50、51、18)の間に限定された少なくとも一つのチャンバ(52)から成 り、そのチャンバは導管に沿って間隔をおいたその端に、束縛された入口(54 A)及び束縛された出口(54B)を備え、流体系のレイノルズ数とストルーハ ル数、及び二つの壁の間のチャンバの幅に対するチャンバの長さの縦横比は、少 なくとも3個の渦巻き(55)が定常パターンでチャンバに沿って生成されるよ うになっており、隣接する渦巻きはチャンバの長さ及び幅に垂直な軸の回りに互 いに反対方向に回転し、また、流体の主流(56)はチャンバに沿ってかつ渦巻 きの回りを交互に一つの渦巻きと壁の別のものとの間を曲がりくねって通過し、 流れ方向の反転は、渦巻きを強化してそれぞれの渦巻きが同じ方向への回転を継 続するようにするが、この曲がりくねった流れは、今度はそれぞれの渦巻きの回 りを流れ反対側の壁を通過することを特徴とする、流体中の渦巻きを利用する方 法。
  2. 2.少なくとも一つの側壁が少なくとも部分的に移動膜によって形成されている 、流体からもしくは流体への熱又は質量の移動を行うための、請求項1に記載の 方法。
  3. 3.流体の成分を混合するための、又はチャンバの中の担体に固定されている成 分と流体との間の接触を促進するための、請求項1に記載の方法。
  4. 4.縦横比が少なくとも6の、前記請求項のいずれか一つに記載の方法。
  5. 5.レイノルズ数が30から200の間にある、前記請求項のいずれか一つに記 載の方法。
  6. 6.ストルーハル数が0.001から0.1の間にある、前記請求項のいずれか 一つに記載の方法。
  7. 7.前記請求項のいずれか一つに従う方法を実施するための装置において、その 装置は、導管(22)、反転するが平均流の流れで流体を導管に流す手段(30 ′)から成り、その導管は二つの側壁(18)の間に限定された少なくとも一つ のチャンバを組み込んでおり、チャンバは入口及び出口を設けるために反対側の 端で横方向に束縛されていることを特徴とするもの。
  8. 8.少なくとも一つの側壁が移動膜(18)である、請求項7に記載の装置。
  9. 9.チャンバの両端にそらせ面(53、59)が設けてあり、それが片側の壁か らチャンバの幅方向に、反対側の壁に向かって伸びているが、途中で終端してお り、それによって、反対側の壁に隣接して、それぞれ入口及び出口を形成してい ることを特徴とする、請求項7又は8に記載の装置。
  10. 10.実質的に平坦な側壁を有する数個のチャンバが連続しており、そらせ板は 、はしご状構造物(57)の桟(59)を備え、その桟は、交互に反対側の側壁 に向かってずれている、請求項9に記載の装置。
  11. 11.チャンバが実質的に軸対称になっている、請求項7から9のいずれか一つ に記載の装置。
JP2511493A 1989-08-17 1990-08-17 渦巻きを利用して、熱又は質量の膜透過移動を行うための方法及び装置 Pending JPH04507372A (ja)

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GB9001702.1 1990-01-25
GB909001702A GB9001702D0 (en) 1990-01-25 1990-01-25 Method & apparatus involving the use of vortices

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EP (1) EP0487576B1 (ja)
JP (1) JPH04507372A (ja)
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