JPH0122802B2 - - Google Patents

Description

明細書 本発明は、伝達膜を通して、普通少くとも一方
が液体である２つの流体間の熱又は質量の伝達を
行う装置に関する。この種の装置は限外ろ過／逆
浸透分野に適用されており、医療用分野では、例
えば、人工肺である血液酸素化器や人工腎臓の如
き透析器に用いられている。この場合、一方の流
体は血液であり、他方は酸素又は透析物である。
実際問題として、膜を通して行われる伝達の効率
は、流体の総量をどの位膜と近接させられるかの
度合によつて限定される。流体が流れる導管を薄
くして流体層の厚さを薄くするのは、これが装置
に望ましくない圧力降下を増加し、散布が不均一
になつたり、よどみの部分を生じたりして、血液
の場合には、血栓症の危険を招くので十分とは言
えない。

我々は、流体が流れる導管を、その内部で流体
がよく混合されるように形成することが適切な解
決となることを確信する。これについては既に英
国特許明細書番号1442754に、少くとも部分的に
膜に境界を限定された、流体の一方が流れる為の
導管を有し、前記導管の横方向の次元は、元来、
又は、その内部を流れる流体の圧力に応答して、
規則的に繰り返して変化する如く構成されて膜に
多数の中空部を提供することを特徴とする装置が
提案されている。この装置は、又、流体を導管の
中へ脈動しつつ注入させる為の導管と連絡してい
る手段を有し、その構成は、中空部に入つてきた
流体の脈動が、流体の導管内に於ける一般的な流
れの方向に対して平行及び垂直方向の動き成分を
有する回転流体流を中空部内に引き起こすように
なつている。

この導管は、導管内の平均流の一般的な方向に
対して横方向に長い断面を有するように、２枚の
ほぼ平面状の表面間に限定されることも可能であ
り、この場合、前記表面の少くとも一方は、平行
して溝を設けることによつて必要な中空部を配し
た膜で構成される。

これらの溝と、その間にはさまるうねを、導管
を流れる平均流体流の方向に対して横方向に延長
し、導管を流れる脈動流に、その平均流と同方向
の往復脈動を付加する試みが既に提案されてい
る。

我々は、この平均流の方向への脈動が、導管を
流れる流体の濃度勾配を乱し、これが応々にして
望ましくない効果をもたらすことを発見した。特
に、透析器に於ける小分子量溶質の伝達のよう
に、高効率で質量の伝達を行う際には、その弊害
が顕著である。さらに、中空部の回転流体流によ
つて引き起される渦混合は、流れが逆流している
間に渦が中空部から放出される為、流れの方向が
断続的に逆転する場合に最も効率が高い。しか
し、流れを逆転させるには、導管に沿つて交互に
方向を変える高いピーク−ピーク圧力差動が必要
となり、これらを簡単かつ経済的な方法で達成す
るのは難かしく、特に、高平均流速の場合は困難
である。この問題は、染料又は蛋白質の濃縮、電
解ペイント溶剤の回収、あるいは、海水の脱塩等
に用いられる装置のような限外ろ過／逆浸透装置
にあつては特に重要である。これらの装置は全
て、膜表面の濃淡分極によつてその性能に制限を
うけている。

本発明によれば、伝達膜を介して２つの流体間
の熱又は質量の伝達を行う装置は、２枚のほぼ平
面状の表面間に限定され、前記表面のうち少くと
も一方が、導管を流れる成分の方向に溝とうねを
交互に並べて延長して形成された膜で構成された
前記流体の一方が流れる為の第１導管と、溝に入
つてきた流体の脈動が、往復流成分や膜に対して
平行及び垂直の動き成分を有する回転流を溝の中
に引き起すように構成された、導管内に平均流と
して流体をポンプ注入する為の第１ポンプ手段、
及びこの平均流に往復流成分を、平均流の方向に
対して直交する方向に、溝を横切つて付加する為
の第２ポンプ手段を有する。

この配置によれば、流路は一般にジグザグにな
り、導管に沿つた濃度勾配は、脈動によつて実質
的な変化を受けることなく保たれる。さらに、横
方向の往復流成分は、平均流の方向を逆転させな
いので、装置は横方向に於て比較的小さいピーク
−ピーク圧力差動で十分な操作を行い得る。

導管に平均流を供給する第１ポンプ手段は、ロ
ーラーポンプのような単方向ポンプでもよい。横
方向の往復流成分を供給する第２ポンプ手段は、
最も外側の２つの導管の外側に沿つてフレキシブ
ルな袋を有し、前記２つの袋は、例えば機械的に
結合されたアクチユエーターによつて導管の前記
対面する両側に交互に圧力を与えて、交互に駆動
される。導管を流れる流体路の短絡を避ける為
に、この袋は袋の各部が、流体を導管の隣接部の
みで往復運動（ポンプ運動）させるように、導管
の長さ方向に細分されるのが好ましい。

溝は、導管の長さ方向に実質的に平行に延長し
てもよいし、又、導管の長さ方向に対して実質的
に45゜の角度で、斜めに延長してもよい。

膜を介しての伝達が行われる際、その第２流体
は、第１流体に対して逆流又は横流する平均流と
して第１導管の反対側又は各膜壁上を流れる。そ
こで、第２流体の為に第２導管を設けることも可
能である。この第２導管も又、２つの導管が膜の
共通壁で分離されるように、一方が膜でできた２
枚のほぼ平面状の表面間に限定され、前記２枚の
ほぼ平面状の表面の少くとも一方には溝とうねを
交互に設けて第２導管との境界とし、第３ポンプ
手段が、第２流体を第２導管へ、第２導管の溝に
対して横方向の脈動成分を有する流れとして注入
する為に設けられ、その配置構成は、第２導管の
溝へ入つてきた第２流体の脈動が、第２導管の脈
動流成分及び膜に対して平行及び垂直の動き成分
を有する回転流体流をこれら中空部の中に引き起
こす如くすることも可能である。

これには多くの配置構成が可能であり、斯くし
て、第２流体の脈動流に、第１流体の平均流に対
して逆流又は横流することが可能な第２流体の平
均流に対して同方向又は横方向の往復流成分を付
加することができることになる。しかし、第２導
管の溝は、第１導管の溝と平行していることが望
ましい。この場合には、第２導管の溝は、膜壁を
対称的にうねらせる等して、共通膜壁と隣接する
面の中に設けることができる。又、より簡単に、
第２導管の第１導管から遠い方の壁を限定してい
るほぼ平面状の表面に、溝とうねを交互に設ける
場合も考えられる。前記溝が、２つの流体の平均
流に対して実質的に45゜の角度で走つている時は、
横方向に往復流成分が加えられることによつて、
両導管内に回転流が生じる為、２つの平均流が逆
流するか、横流するかという事はさしたる意味を
持たなくなる。しかし、第３ポンプ手段によりも
たらされた脈動流が、第１導管を流れる第１流体
の平均流に対して逆流して第２導管を流れる第２
流体の平均流と、平均流の方向に対して横方向に
加えられた往復流成分とを有することが、現在の
ところ望ましいと考えられる。この場合、第１、
第２各導管に、横方向の往復流成分を生じさせる
為に、導管の両端にひとつづつ設けられている２
つの共通なフレキシブルな袋を用いることが可能
である。この共通袋は、導管の各一方と連絡して
いる室へ細分される。

第１導管の各面上に１つづつ、計２つの導管を
設ける事もできるが、第１導管を前記２つの第２
導管から分離させている第１導管の両壁は、この
場合伝達膜で形成される。又、間に、導管の少く
とも一方を限定している前記２枚のほぼ平面状の
表面を、溝間のうねに沿つて不連続ウエブで分離
し、開口で隣接溝間を連絡して、流体を１つの溝
から次の溝へ、噴流として流入させるようにして
もよい。これらの噴流は、放流された溝の中に渦
を引き起こすのを助ける。

２つの導管を流れる２つの流体の往復脈動流
は、同相、同方向にして、望ましくない逆限外ろ
過効果を最小に抑えるようにしてもよい。

本発明によつて構成された人工腎臓として用い
る為の透析器の例を、添付図面と共に説明する。

第１図は、平面図である。

第２図は、端面の立面図である。

第３図と第４図は、透析器の一部を形成する膜
包囲集合体の部分を示す透視図である。

図に示した透析器は、内部に一般的には長方形
である浅い室１１を設けた長方形のハウジング１
０を有している。室の内部には、室の壁に近接し
て支えられた膜包囲集合体１２が設けてある。第
３図と第４図について後に述べる説明により明ら
かになるが、膜包囲集合体には、４つの重なつた
膜の層が含まれており、このうち上、下の膜１３
は不浸透性であり、内側の２枚の膜１４は半浸透
性である。隣接する膜は、集合体の側端に沿つて
互いに封止され、又、集合体の側端から、ハウジ
ング１０の側端に沿つて伸びる２つのフレキシブ
ルな袋１６の各一方の各分割壁１５へと封止され
る。このようにして、膜集合体は、各々が２枚の
ほぼ平面状の表面間に限定された３つの重なり合
つた導管を提供し、各導管が、その長さに対して
横方向に長い断面を有するように構成される。隣
接する膜１３と１４間の上、下の第２導管１７
は、透析物の為のもので、膜１４間の中央の第１
導管１８は、血液の為のものである。

各導管は、その一端にマニホルド部分１９を、
他端にマニホルド部分２０を有し、隣接する導管
のマニホルド部分は、互いに膜で封止されてい
る。これらのマニホルドは、血液や透析物を導管
に循環させる為、装置に結合してある。従つて血
液は、第１のポンプ手段２１によつて、血液注入
ダクト２２を通つて、血液導管１８の端のマニホ
ルド部分１９へポンプ注入される。血液は、導管
１８に沿つて流れた後、血液導管のマニホルド部
分２０から、血液排出ダクト２３を通つて排出さ
れる。

同様にして透析物は、２つの透析物導管１７を
通つて、血液と逆流して流される。これは、ロー
ラーポンプ２４によつて行われ、ポンプ２４は、
透析物を、分岐透析物注入ダクト２５を経て、透
析物導管１７の隣接する端に於て２つのマニホル
ド部分２０へポンプ注入する。これらの導管を通
過した後、透析物は、導管１７の下流端でマニホ
ルド部分１９から共通透析物排出ダクト２６へと
排出される。ダクト２２，２３，２５，２６を熱
可塑性材料で作つて、膜を作つている熱可塑性材
料に熱封止することも可能である。又、デイスト
リビユーターをマニホルド部分の中の、ハウジン
グとハウジングの間に、ハウジングのポートと一
直線上に締め金でとりつける等、より複雑な配置
を用いてもよい。

血液と透析物は、導管を平均逆流して流れる他
に、第２ポンプ手段により各導管を横切つて行つ
たり来たりする往復流成分を付加される。これ
は、ローラー２７によつて、フレキシブルな袋を
交互に圧して行われる。このローラー２７は、共
通ベース２９上にピボツトでささえられたアーム
２８の上に設けられ、クランクドライブ３０と接
続ロツド３１によつて、同期して往復揺動する。
血液と透析物は、このようにして一つの袋１６が
膨張すると、それぞれの導管から分離壁１５間の
該当室へ押出され、続いて、該当ローラー２７が
袋を圧すると、その袋から押出されるという動作
を繰り返す。導管を流れる血液や透析物の流路は
実際には全て、第１図に透析物についてライン３
２の矢印に示される如く、導管をジグザグに通つ
ている。第１図から、各袋１６が、くぼみ３３に
よつて長さ方向に区分され、血液や透析物が袋の
一部分に受けとめられ、袋の実質的に同一部分か
ら押し出されるようになつており、袋伝いにマニ
ホルド部分１９と２０間をつなぐ短絡路は存在し
ないことが解る。

ここで、第２導管１７に平均流及び回転流を発
生させるための部材（１６，２４をふくむ）を第
３ポンプ手段と呼ぶ。袋１６は第１導管１８及び
第２導管１７の両方に回転流を発生させるために
作用する。

導管の長さに対して横方向に平均流に付加され
た往復流成分の作用は、第３図と第４図から明ら
かになろう。各膜１３と１４は、うね３５で区切
られた一連の平行溝３４を提供するように成形し
てある。各溝３４は、幅約３mm、深さ１−1.5mm
である。うね３５における隣接対の膜１３と１４
の分離と、膜１４間の最小分離は、それぞれ実質
的に0.5mmである。導管１７の溝３４に相当する
スペースは、不連続スペーサーウエブ３６で分離
されており、このウエブに沿つて、長方形のスロ
ツト３７がそれぞれ、深さ0.5mm、幅0.5mm、間隔
１mmで位置している。同様のウエブは、導管１８
にも設けることができる。

膜１３と１４は、平面を集合させ、互いに適切
に封止し、溝をつけたプレート間に置くことによ
つて、その溝を配した形に成形される。この導管
は、水を一杯に注入して、膜を作つているプラス
チツク材料を、その弾性限界を越えて、可塑的に
たわませ、永久に最終の形にされる。

第１図に３８で示されるように、溝は、導管の
長さ及び横方向に対して実質的に45゜でのびても
よいし、又３９、で示されるように、導管の長さ
と平行して延長してもよい。角度については、例
として示したもので、必ずしもいずれかを選ぶ必
要はない。重要なのは、血液と透析物が各導管を
混合脈動流として流れ、流速が断続的にうねと溝
を横切る方向に変化するという事である。この結
果、血液導管１８の溝３４の中には渦VBが、透
析物導管１７の溝３４に中には渦VDが生じる。
一般的には、これらの渦は、導管を流れる瞬間流
の方向に対して溝が傾斜している為、らせん状の
成分を有する。この渦は、透析物の噴流が通過す
る開口３７によつて、透析物導管１７の中で強ま
り、次のうね３５のウエブ３６の固体部分によつ
て偏向させられる。この渦は、血液導管内では血
液を、又、透析物導管内では透析物をよく混合さ
せ、これによつてそれぞれの流体と伝達膜１４間
の接触を増進させる。

導管あるいは溝を横切る方向に、流れを反復逆
転させると、導管を流れる平均流速と実質的に無
関係に渦を作り出すことが出来るという利点が生
じる。

溝を横切る横方向の脈動に必要な渦を作り出す
には、流体流に関する無次元ピークレイノルズ数
が５を越えるのが良いと思われ、実際には50も可
能である。ピークレイノルズ数は、 u^h／ν で定義される。u^は溝を横切るピーク速度、ｈ
は、向い合つた膜間の最少ギヤツプの半分、νは
運動速度、即ち、流体の密度で割つた通常速度で
ある。

中空部を横切る脈動流を用いて渦を作る原理に
ついては、英国特許明細書番号1442754に詳しい。

本発明は、伝達膜１４が選択された分子を通過
させる人工腎臓に関して特に述べたが、本発明は
熱伝達装置にも等しく適用できる。後者の場合伝
達膜は普通適切な金属で作られる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 伝達膜を介して、２つの流体間の熱又は質量
   の伝達を行う装置で、 長手方向にのびる交互配置の溝３４とうね３５
   をもつ膜の表面１４の間に形成され、流体の一方
   が流れるための第１導管１８と、 導管へ流体を平均流として通過させる為の第１
   ポンプ手段２１と、 前記平均流に平均流の方向に対して直交する方
   向に、溝とうねを横切つて、往復流成分を重畳し
   て、溝を通る前記流体の脈動が、往復流成分に対
   して、又、膜に対して平行及び垂直の動き成分を
   有する回転流VBを溝の中に引き起こす第２ポン
   プ手段１６，２７，３０とを有することを特徴と
   する伝達膜装置。 ２ 特許請求の範囲第１項による装置で、前記第
   ２ポンプ手段が、導管の各側端に沿つて設けられ
   るフレキシブルな袋１６と、導管の両側端に交互
   に圧力を加えて、前記２つの袋を交互に駆動させ
   る為の手段２７，３０とを有することを特徴とす
   る伝達膜装置。 ３ 特許請求範囲第２項による装置で、各袋が、
   くぼみ３３により、導管の長さ方向に細分され
   て、袋１６の細分された各部分が、導管の隣接部
   分のみで流体を往復運動させることを特徴とする
   伝達膜装置。 ４ 特許請求範囲第１項による装置で、前記第１
   ポンプ手段がローラーポンプ２１を有することを
   特徴とする伝達膜装置。 ５ 特許請求範囲第１項による装置で、前記溝３
   ９が、導管の長さ方向と実質的に平行してのびる
   ことを特徴とする伝達膜装置。 ６ 特許請求範囲第１項による装置で、前記溝３
   ８が、導管の長さ方向に対して傾斜してのびるこ
   とを特徴とする伝達膜装置。 ７ 特許請求範囲第６項による装置で、前記溝３
   ８が、導管の長さ方向に対して、実質的に45゜の
   角度でのびることを特徴とする伝達膜装置。 ８ 特許請求範囲第１項による装置で、第２流体
   の為の第２導管１７も又、一方が膜で構成された
   ２枚のほぼ平面状の表面１３，１４間に限定され
   て、２つの導管１７，１８が膜で形成された共通
   壁１４で分離される如くし、前記第２導管を限定
   しているほぼ平面状の表面の少なくとも一方は、
   溝３４とうね３５を交互に配して形成され、第３
   ポンプ手段が、第２流体を第２導管へ、第２導管
   の溝に対して横方向の脈動成分を有する流れとし
   て流入させる為に設けられ、その配置は、第２導
   管の溝を通過する第２流体の脈動が、第２導管の
   中の脈動流成分及び膜に対して平行及び直角の成
   分をもつ回転流VDを引き起こすごとく構成され
   る、ことを特徴とする伝達膜装置。 ９ 特許請求範囲第８項による装置で、第２導管
   の溝３４が、第１導管の溝と平行して設けられ、
   第３ポンプ手段によつて作られる脈動流が第１導
   管を流れる第１流体の平均流に対して逆流して第
   ２導管を流れる第２流体の平均流と、平均流の方
   向に対して横方向に加えられた往復流成分とを有
   することを特徴とする伝達膜装置。 １０ 特許請求範囲第９項による装置で、第１及
   び第２導管にそれぞれ横方向の往復流成分を生じ
   させる為に、前記第２及び第３ポンプ手段が導管
   の各側端に沿つてひとつづつ設けられた共通フレ
   キシブルな袋１６を有し、前記共通袋は、導管１
   ７，１８の各一方と連絡している室に細分され１
   ５、導管の前記対面する両側端に交互に圧力を加
   えて、前記２つの袋を交代に駆動させる為の手段
   ２７，３１が設けられていることを特徴とする伝
   達膜装置。 １１ 特許請求範囲第１０項による装置で、各袋
   が、くぼみ３３により、導管の長さ方向に細分さ
   れて、袋の各部分が各導管の隣接部分のみに流体
   を往復運動させる如くなつていることを特徴とす
   る伝達膜装置。 １２ 特許請求範囲第８項による装置で、第１導
   管１８の各面上にひとつづつ計２つの第２導管１
   ７を有することを特徴とする伝達膜装置。 １３ 特許請求範囲第１項又は第８項による装置
   で、間に導管又は導管の少なくとも一方を限定し
   ている前記２枚のほぼ平面状の表面が溝間のうね
   に沿つて、不連続ウエブ３６によつて分離され、
   そこに設けられた開口３７が隣接する溝間を連絡
   して流体を１つの溝から次の溝へと噴流として通
   過させることを特徴とする伝達膜装置。