JPH0975451A - 気泡除去性の良い熱交換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 血液や心筋保護液等を含む熱交換流体の流布
状態がより均一で、且つ良好であり、また気泡の除去性
能を改善した熱交換器を提供する。 【解決手段】 熱交換流体室の下端部側に熱交換流体用
流入口、また上端部に熱交換流体用流出口が設けられ、
かつ両端部側のシール材のうちの少なくとも上端部側の
シ−ル材の熱交換流体との接触面が、水平面に対して傾
斜したものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は体外血液循環回路に設置
され、血液や心筋保護液等を含む熱交換用流体を加温ま
たは冷却する熱交換器に関する。

【０００２】

【従来技術】心臓手術を行う場合には、その間心臓や肺
の機能の代替え手段として、血液回路を使用した体外循
環を行う必要がある。この血液回路には、血液に酸素を
冨化（付加）するための人工肺、血液を送血するための
血液ポンプ、回路内の血液量を調整（一定の血液量の確
保）する貯血槽、回路内に混入した気泡を除去するため
の血液フィルター、血液あるいは心筋保護液の温度を冷
却・加温するための熱交換器、等が組み込まれる。心臓
手術において、熱交換器は血液回路内を流通する血液や
晶質液等の心筋保護液を冷却（例えば、約１０〜１５
℃）し、患者の心臓組織を冷却することにより心臓の代
謝機能を抑制する。また、手術が終了したら、生体温度
に復温した心筋保護液を循環させることにより、心臓の
代謝機能を元の状態に戻すことができる。熱交換器の形
状としては、様々なものが考案されているが、例えば円
筒状のハウジングの中に両端がシール材によって固定さ
れたされた金属製の直管を配設した熱交換器がある。こ
の熱交換器はハウジング内（直管の外部で）に心筋保護
液を流通させ、直管内に熱交換用媒体を流通させること
によって、直管を介して熱媒体と心筋保護液との熱交換
を行う。また、心臓手術以外でも上記と同様に体温を局
部的に降下・上昇することが必要な場合がある。（例え
ば、脳外科の手術や心臓以外の臓器手術において） こ
のような場合にも上記と同様な熱交換器が必要であり、
実際に使用されることも稀ではなかった。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の熱交換
器では以下のような矛盾する２つの問題があった。１つ
はチャネリング（偏向流；流れの状態が領域によって不
均一になること）による熱交換効率の低下であり、もう
１つは気泡除去性の困難さと圧力損失の増大である。す
なわち、チャネリングによって、熱交換流体が流れ易い
領域（特にハウジング内壁とそれに近接する直管の間の
空間領域）のみに流れるのを防止するためには、前記熱
交換流体が流れ易い領域のみは直管の配設密度を高く
し、その他の領域の部分と直管の配設密度が同じになる
ようにした熱交換器が望ましい。更に熱交換率を高める
観点からは、直管の配設密度を高めためのものが好まし
い。このような熱交換器はチャネリングが少なく、どの
領域も比較的均一に流れるし、また直管の配設密度は高
いので熱交換率は上昇する。ところが、上記のような構
造であると、混入した気泡は流出し難くなる。特に直管
と直管、或いは直管と内壁との間に溜まった気泡は除去
し難い。このように気泡が血液回路内に残留すると、体
外血液循環の際に血液中にその気泡が混入し、生命の危
険性を生じる恐れがある。またチャネリング及び熱交換
効率が改善されるように直管の配設密度を高めたり、あ
るいは上記隙間が小さくなるように熱交換器を設計する
と、熱交換流体の熱交換器内の流動抵抗が増加して、熱
交換流体用流入口とその流出口の間の圧損が大きくなっ
てしまう。かといって、気泡除去性の改善と圧損の低減
のため、気泡の流通媒体である血液の熱交換器内の流動
抵抗が小さくなるように直管同士の配設密度及び内壁と
近接する直管との空間領域のみ変更しても、元と同じよ
うにチャネリングが発生し、熱交換率が低下してしま
う。以上のように、チャネリングや熱交換率を改善する
ため直管同士の配設密度を高くしたり、ハウジングの内
壁と近接する直管の空間を狭めると、気泡の除去性が悪
くなり、且つ圧損が増大する。逆に気泡の除去性や圧損
を改善しようとすると、チャネリングが発生し易くなっ
て熱交換率が低下するというジレンマを抱えていた。従
って本発明の目的は血液や心筋保護液等を含む熱交換流
体の流布状態（流れの状態を表す）がより均一で、且つ
良好であり、また気泡の除去性能を改善した熱交換器を
提供することである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明の第１は、上端部
側および下端部側のうちの一方の端部側に設けられた熱
交換媒体用流出口と他の端部側に設けられた熱交換媒体
用流入口と、前記媒体流入口と該媒体流出口の間の位置
に設けられた熱交換流体用流入口と熱交換流体用流出口
とを有する筒状ハウジング（Ａ）と、該筒状ハウジング
（Ａ）内に配設された多数の熱交換用直管（Ｂ）と、該
直管の両端部を両端部に固定し、前記熱交換流体用流入
口と熱交換流体用流出口に連通する熱交換流体室（Ｃ）
と、前記熱交換媒体流入口と熱交換媒体流出口に連通す
る熱交換媒体室（Ｄ）と、前記複数の熱交換用直管
（Ｂ）の両端部を固定し、かつ前記熱交換媒体室（Ｄ）
と前記熱交換流体室（Ｃ）とを液密に隔絶する両端部の
シール材（Ｅ）とを有する熱交換器において、前記熱交
換流体室（Ｃ）の下端部側に熱交換流体用流入口、また
上端部に熱交換流体用流出口が設けられ、かつ前記両端
部側のシール材（Ｅ）の熱交換流体との接触面（液接触
面）（以下、液接触面とも言う。）の少なくとも一つ
が、水平面に対して傾斜したものを用いることにより、
前記技術課題を解決した。すなわち、前記のようにシ−
ル材（Ｅ）の液接触面が傾斜していることにより、熱交
換流体室（Ｃ）内に混入した気泡がシ−ル材（Ｅ）と直
管（Ｂ）の結合部などに停滞しないで、前記傾斜に沿っ
て斜め上方向に移動しやすくなる。本発明の第２は、下
端部側に設けられた熱交換媒体用流出口と上端部側に設
けられた熱交換媒体用流入口と、該媒体流入口と該媒体
流出口の間の位置に設けられた熱交換流体用流入口と熱
交換流体用流出口とを有する筒状ハウジング（Ａ）と、
該筒状ハウジング（Ａ）内に配設された多数の熱交換用
直管（Ｂ）と、該直管の両端部を両端部に固定し、前記
熱交換流体用流入口と熱交換流体用流出口に連通する熱
交換流体室（Ｃ）と、前記熱交換媒体流入口と熱交換媒
体流出口に連通する前記直管内に形成される熱交換媒体
室（Ｄ）と、前記複数の熱交換用直管（Ｂ）の両端部を
固定し、かつ前記熱交換媒体室（Ｄ）と前記熱交換流体
室（Ｃ）とを液密に隔絶する両端部のシール材（Ｅ）を
有する熱交換器において、前記熱交換流体室（Ｃ）の下
端部側に熱交換流体用流入口、また上端部に熱交換流体
用流出口が設けられ、かつ前記熱交換流体室（Ｃ）の内
壁の少なくとも一部に、液流方向に沿った縦長のリブを
設けることにより前記技術課題を解決した。すなわち熱
交換器の熱交換流体室（Ｃ）の内壁に縦長のリブ（Ｆ）
を鉛直方向に設けることにより、熱交換流体をハウジン
グ（Ａ）の内壁面側のみに偏って流れるチャネリングを
発生することなく、ハウジング内を均等に流通させるこ
とができる。本発明の熱交換器としては、この第２の技
術的解決手段に、さらに前記第１の技術的解決手段を組
み合わせたものが、前記各手段に基づく効果を奏するこ
とができ好ましい。また、本発明の熱交換媒体用流入口
を筒状ハウジングの上端部側、また熱交換媒体用流出口
を筒状ハウジングの下端部側に設け、熱交換流体と反対
向きに熱交換媒体が流れるようにするのが熱交換の効率
の観点から好ましい。さらに本発明の熱交換器として
は、熱交換流体室（Ｃ）の下部および／または上部の内
周壁に沿って溝（Ｇ）を設けること、好ましくは下部お
よび上部の両方の内周壁に沿ってシ−ル材と同様の傾斜
角度を有する溝（Ｇ）を設けることが好ましい。前記溝
（Ｇ）は、例えばシール材（Ｅ）の液接触面と前記内周
壁に配設したリブ（Ｆ）の端部の間の内周壁に形成する
ことができる。そして前記溝（Ｇ）の開口部の少なくと
も一部は、熱交換流体用流入口及び熱交換流体流出口に
開口するように設置するのが好ましい。前記溝（Ｇ）を
設けることにより、熱交換器の下端部側の熱交換流体用
流入口から導入した熱交換流体は前記溝（Ｇ）に均一に
流れ込むので、その後均一に熱交換流体室（Ｃ）内部を
鉛直上方向に流れる効果がある。また、同様に熱交換流
体室（Ｃ）の上部にも同様な溝（Ｇ）を設けることによ
り、熱交換流体がこの溝に流れ込み、リブとシ−ル材
（Ｅ）の結合部に気泡が停滞することなく（気泡が存在
しても排出し易く）除去される。前記の本発明の各特徴
点を除けば、本発明の熱交換器は、体外血液循環回路に
設置され、血液や心筋保護液等を含む熱交換用流体を加
温または冷却するのに従来使用されている熱交換器と同
様な構造を有することができる。本発明の熱交換器とし
ては、Ｐ．Ｆ．（熱交換効率係数）＝０．９６以上のも
のが好ましい。

【０００５】

【発明の実施の態様】本発明の実施の態様を図面に基づ
いて説明する。図１および２に示す熱交換器は、熱交換
流体用流入口５と熱交換流体用流出入口２は、ハウジン
グの液流方向の軸に対して対称になるように、すなわち
筒状ハウジングの対向する側面に設けた。また、熱交換
流体室の下端部側に熱交換流体用流入口５を、熱交換流
体室の上端部側に熱交換流体用流出口２を有するもので
ある。熱交換流体用流出口２は、図２に示すように多分
岐管であり、分岐管２’は圧力モニターライン接続口で
あり、また２”は温度センサ挿入口である。熱交換流体
用流入口５から導入した熱交換流体は、その後ハウジン
グ内部を鉛直上方向に流れていく。このとき前記熱交換
器の両端部側のシ−ル材の液接触面６および７が水平面
に対して傾斜している。すなわち、前記下端部側のシ−
ル材の液接触面７は、熱交換流体用流入口５から離れる
に従って上がっており、また上端部側のシ−ル材の液接
触面６は、熱交換流体用流出口２から離れるに従って下
がっている。このようにシ−ル材の液接触面７が傾斜し
ていることにより、熱交換流体室８内に混入した気泡が
シ−ル材と直管３の結合部などに停滞しないで、前記傾
斜に沿って斜め上方向に移動しやすくなる。そして、最
終的には、ハウジング内の熱交換流体室８の最上部に移
動した気泡は、前記熱交換流体室８の最上部に近接して
設けられている熱交換流体流出口２から除去される。前
記下端部側および上端部側のシ−ル材の傾斜角度は同一
あるいは異なっていても良い。前記下端部側と上端部側
のシ−ル材の前記傾斜角度異なっている場合、該傾斜角
度の差違が余りに大きいと、熱交換面積が少なくなるの
で、傾斜角度の差違は好ましくは２５゜以内、例えば実
質的に同じである場合である。また、前記傾斜部が下端
部側あるいは上端部側のどちらか一つに設ける場合に
は、特に気泡除去性能は上端部側シール材の傾斜に影響
されるため、上端部側に傾斜部を設けるのが好ましい
が、下端部側シール材も傾斜した方が気泡が抜け易いの
で、両端部側のシール材が傾斜しているのが好ましい。
前記下端部側および／または上端部側の傾斜角度は、い
ずれも好ましくは５゜〜４０゜、さらに好ましくは１０
〜３５゜である。前記傾斜角度が、５゜未満では気泡除
去効果が小さく、４０゜を越えると熱交換面積が低下し
て熱交換率が低下するからである。特に図２に示すよう
にハウジングが直方体であり、かつ前記シ−ル材例えば
下端部側のシ−ル材とハウジング内壁面が接することに
よって得られる４本の接線Ｌ、Ｍ、Ｎ、およびＯが、隣
り合った２本の接線のいづれもが水平面に傾斜している
こと、すなわち前記４本の接線で形成される面の傾きが
３次元的になるようにシ−ル材を設置することが、気泡
除去性能の向上の理由から好ましい。図３に示すように
熱交換室のハウジング壁９の内壁面に、該ハウジング壁
９と近接する直管１１の間に配設されるようにリブ１０
を設けた。該リブ１０は液体や気泡が滞留しないように
Ｒ部を有すること、該Ｒ部が特に直管の径と類似の径を
有することが均一な流布性が得られるので好ましい。前
記リブ１０は、該リブを設けない場合に生ずるハウジン
グ９の内壁面側のみに偏って流れるチャネリングを発生
することなく、ハウジング内を均等に流通させることが
できる。前記リブ１０は、筒状ハウジングが図２に示す
ように直方体形状の場合、筒状ハウジングの全側面に設
けてもよいが、通常、熱交換流体用流入口５と熱交換流
体用流出口２が設けられた対向する側面以外の側面の内
壁面に設ければチャネリングは実質的に防止できる。ま
た、筒状ハウジングのコーナーにＲ部を設けたものは、
気泡の除去性能、流体の滞留しにくさ（これは結果的に
熱交換効率を向上させる）の点で効果を有する。さら
に、前記ハウジングのコーナーのＲ部に対応して針管１
１の両端部を固定する針管配列板の４隅が面取りされて
Ｒ部を有するものが好ましい。以下、本発明の実施例に
基づいて、本発明の熱交換器を詳細に説明する。

【０００６】

【実施例】

実施例１ 図１に示す構造のものであって、かつ下表１に示すシー
ル材の傾斜角度、針管本数（本）、有効長（ｍｍ）およ
び熱交換面積（ｃｍ²）を有する熱交換器を使用し、熱
交換流体として３０±１℃の水道水をＱ_B（熱交換流体
流量）３００ｍｌ／ｍｉｎの流量で熱交換流体用流入口
５から導入し、また熱交換媒体として４０±１℃の水道
水を熱交換媒体用流入口１からＱ_W（熱交換媒体流量）
５Ｌ／ｍｉｎの流量で導入して血液の熱交換を行った。
前記サンプルＡは本発明の比較例に相当する実施の態様
のものであり、サンプルＣは本発明の実施の態様に相当
するものである。なお、サンプルＡは図４に示す通常の
筒状ハウジングを使用した場合の針管配列であるのに対
し、サンプルＣはサンプルＡの各コーナーにＲを付けた
筒状ハウジングおよび前記図４に示す針管配列の各コー
ナーの針管を２本減らした針管を前記筒状ハウジングの
Ｒ部に対応するように配列した場合のものである。前記
サンプルＡおよびＣに基づいて行った実施の態様により
達成されたＰ．Ｆ．（熱交換効率係数）値を表１に示
す。この実施結果より、サンプルＣの針管の有効長（ｍ
ｍ）および熱交換面積（ｃｍ²）がサンプルＡのそれら
に比べて減少しているにもかかわらず、サンプルＣの
Ｐ．Ｆ．値が、サンプルＡのＰ．Ｆ値に比べて変わらな
いことは驚くべきことであり、ハウジングの各コーナー
（４隅）にＲを付けることが、Ｐ．Ｆ．値の改良に有効
であることを示している。またサンプルＣは、針管本数
をサンプルＡより８本減らしたにもかかわらず、サンプ
ルＡと同等のＰ．Ｆ．値を達成しているが、これはハウ
ジングのコーナーの４隅にＲを付けることにより熱交換
流体の滞留が減少したと推察される。

【０００７】

【表１】 上記Ｒ．Ｆ．値は、Ｑ_B（熱交換流体流量）＝３００ｍ
ｌ／ｍｉｎＱ_W（熱交換媒体流量）＝５Ｌ／ｍｉｎで測
定したものである。

【０００８】実施例２ 図１に示す熱交換器を使用し、シール材の液接触面の傾
斜角度を変化させた時の気泡除去性の違いについて調べ
た。図１に示す熱交換器を血液回路に配置し、熱交換用
流体として、室温の水道水を灌流させた。水道水灌流
中、熱交換器上流側より気泡を混入させた時の熱交換媒
体室からの気泡の除去の難易度を評価した。熱交換流体
流量は、３００ｍｌ／ｍｉｎとした。その結果を次表２
に示す。

【０００９】

【表２】 ×・・・・タッピング操作によっても気泡除去困難 △・・・・気泡除去にタッピング操作必要 ○・・・・熱交換器を傾けたりすることで気泡除去可能 （タッピング操作不要） ◎・・・・気泡自然排出可能 前表２に示す結果から、シール材の液接触面に角度を付
けることが気泡除去に対して有効であることが解る。ま
た、前記角度は、大きな気泡については５°以上、小さ
な気泡については１５°以上の大きさが必要であること
が判明した。

【００１０】実施例３ 熱交換器としてリブの有るものと無いものを使用して実
施例１と同様にして実施して、熱交換器のリブの有無が
Ｐ．Ｆ．値に与える影響を試験した。熱交換用流体とし
て３０±１℃の水道水を導入した。流量は１８０、２４
０、３００ｍｌ／ｍｉｎの３通りとした。熱交換媒体と
しては４０±１℃の水道水を５Ｌ／ｍｉｎの流量で流し
た。その結果を次表３に示す。

【００１１】

【表３】

【数１】 ＴＢｏｕｔ：出口側熱交換流体温度 ＴＢｉｎ ：入口側熱交換流体温度 ＴＷｉｎ ：入口側熱交換媒体温度 前表の結果は、リブを設けることによって熱交換効率を
向上させることができる、すなわち、効果的にチャネリ
ングを防止できることを示している。

【００１２】

【発明の効果】本発明の熱交換器はチャネリングが発生
しにくいため、熱交換率が向上する。また、熱交換器内
に混入した気泡の除去性能の点で優れており、生体内に
気泡を注入する危険性が減少する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の１例の熱交換器の断面模式図であ
る。。

【図２】本発明の１例の熱交換器の斜視図である。

【図３】図２の熱交換器の断面を←方向からみた断面図
である。

【図４】従来例の熱交換器の針管配列の１例である。

【図５】実施例１で使用した４隅部にＲ部を設けた熱交
換器の針管配列である。

【符号の説明】

１ 熱交換媒体用流入口 ２ 熱交換流体用流出口 ２’ 圧モニターライン接続口 ２” 温度センサ挿入口 ３ 熱交換用直管 ４ 熱交換媒体用流出口 ５ 熱交換流体用流入口 ６ 上端部シ−ル材液接触面 ７ 下端部シ−ル材液接触面 ８ 熱交換流体室 ９ ハウジング壁 １０ リブ １１ 針管 １２ Ｒ部 Ｌ シ−ル材とハウジング内壁面が接する接線 Ｍ シ−ル材とハウジング内壁面が接する接線 Ｎ シ−ル材とハウジング内壁面が接する接線 Ｏ シ−ル材とハウジング内壁面が接する接線

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 上端部側および下端部側のうちの一方の
   端部側に設けられた熱交換媒体用流出口と他方の端部側
   に設けられた熱交換媒体用流入口と、前記媒体流入口と
   該媒体流出口の間の位置に設けられた熱交換流体用流入
   口と熱交換流体用流出口とを有する筒状ハウジング
   （Ａ）と、該筒状ハウジング（Ａ）内に配設された複数
   の熱交換用直管（Ｂ）と、前記熱交換流体用流入口と熱
   交換流体用流出口に連通する熱交換流体室（Ｃ）と、前
   記熱交換媒体流入口と熱交換媒体流出口に連通する熱交
   換媒体室（Ｄ）と、前記複数の熱交換用直管（Ｂ）の両
   端部を固定し、かつ前記熱交換媒体室（Ｄ）と前記熱交
   換流体室（Ｃ）とを液密に隔絶する両端部のシール材
   （Ｅ）を有する熱交換器において、前記熱交換流体室
   （Ｃ）の下端部側に熱交換流体用流入口、また上端部に
   熱交換流体用流出口が設けられ、かつ前記両端部側のシ
   ール材のうちの少なくとも上端部側のシ−ル材の熱交換
   流体との接触面（以下、液接触面とも言う。）が、水平
   面に対して傾斜したものであることを特徴とする熱交換
   器。
2. 【請求項２】 下端部側に設けられた熱交換媒体用流出
   口と上端部側に設けられた熱交換媒体用流入口と、該媒
   体流入口と該媒体流出口の間の位置に設けられた熱交換
   流体用流入口と熱交換流体用流出口とを有する筒状ハウ
   ジング（Ａ）と、該筒状ハウジング（Ａ）内に配設され
   た複数の熱交換用直管（Ｂ）と、前記熱交換流体用流入
   口と熱交換流体用流出口に連通する熱交換流体室（Ｃ）
   と、前記熱交換媒体流入口と熱交換媒体流出口に連通す
   る熱交換媒体室（Ｄ）と、前記複数の熱交換用直管
   （Ｂ）の両端部を固定し、かつ前記熱交換媒体室（Ｄ）
   と前記熱交換流体室（Ｃ）とを液密に隔絶する両端部の
   シール材（Ｅ）を有する熱交換器において、前記熱交換
   流体室（Ｃ）の下端部側に熱交換流体用流入口、また上
   端部に熱交換流体用流出口が設けられ、かつ前記熱交換
   流体室（Ｃ）の内壁の少なくとも一部に、液流方向に沿
   った縦長のリブ（Ｆ）が設けられていることを特徴とす
   る熱交換器。
3. 【請求項３】 熱交換媒体用流入口が筒状ハウジングの
   上端部側、また熱交換媒体用流出口が筒状ハウジングの
   下端部に設けられたものであることを特徴とする請求項
   １または２記載の熱交換器。
4. 【請求項４】 請求項２または３記載の熱交換器におい
   て、前記両端部側のシール材（Ｅ）のうちの少なくとも
   上端部側のシール材の液接触面が、水平面に対して傾斜
   したものであることを特徴とする熱交換器。
5. 【請求項５】 請求項１、３または４記載の熱交換器に
   おいて、下端部側シール材（Ｅ）の傾斜は、熱交換流体
   用流入口から離れるに従って上がっており、また、上端
   部側シール材（Ｅ）の液接触面側の傾斜は熱交換流体用
   流出口から離れるに従って下がっていることを特徴とす
   る熱交換器。
6. 【請求項６】 請求項１、３、４または５記載の熱交換
   器において、上端部および／または下端部側のシール材
   （Ｅ）の液接触面の傾斜角度が５〜３５゜であることを
   特徴とする熱交換器。
7. 【請求項７】 請求項１、２、３、４、５または６記載
   の熱交換器において、熱交換流体室（Ｃ）の下部および
   ／または上部の内周壁に沿って溝（Ｇ）を設けたことを
   特徴とする熱交換器。
8. 【請求項８】 請求項１、２、３、４、５、６または７
   記載の熱交換器において、筒状ハウジング（Ａ）が面取
   りされたＲ部を４隅に有するものであって、かつ針管の
   両端部を固定する針管配列板（Ｈ）の４隅が前記筒状ハ
   ウジング（Ａ）のＲ部に対応するように面取りされたも
   のであることを特徴とする熱交換器。
9. 【請求項９】 請求項１、２、３、４、５、６または７
   記載の熱交換器において、縦長のリブが筒状ハウジング
   内壁と近接する直管の間に配設されたことを特徴とする
   熱交換器。
10. 【請求項１０】 体外血液循環回路設置用である請求項
    １、２、３、４、５、６、７、８または９記載の熱交換
    器。