JPS6226493A - 熱交換器用管状体 - Google Patents

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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、多管式熱交換器用の伝熱チューブとして使用
される熱交換器用管状体、殊に人工肺等の人工臓器にお
いて補助装置として使用される熱交換器用に好適な熱交
換器用管状体に関する。

〔従来の技術〕

熱交換器は、高温流体から低温流体へ熱を伝達する装置
であり１種々のタイプのものが知られているが、構造が
簡略であること、伝熱効率に優れることから多管式構造
を有するものが多用されている。多管式熱交換器の伝熱
チューブの素材としては、伝熱効率が良い金属が最も有
効であり、また、熱交換を実施する流体に対する耐蝕性
に優れることからステンレス製のものが多く使用されて
きた。多管式熱交換器に於いては、一般に伝熱チューブ
の内径が細くなるに従って、伝熱チューブの内部を流れ
る流体の流動抵抗が高くなり、また、使用に伴い水垢等
が徐々に内部に付着し、これにより加速的に流動抵抗が
高くなるため、極端に細い伝熱チューブを使用すること
は不適当と考えられていた。

しかし、熱交換器は種々の流体の熱交換手段として使用
されており１例えば人工肺は、関心術に於ける補助心肺
装置１機能が低下した肺の代替装置として使用されるも
のであるが、手術時に体外に取りだされた血液の温度を
ｍｍする必要があり、そのための手段として熱交換器を
併用することが必要不可欠である。この先行技術として
は、例えば特公昭５５−２Ｈ２号公報や特開昭５７−３
！３８５４号公報にその詳細が記載されている。

〔発明が解決すべき問題点〕

従来、人工肺の付属装置として使用される熱交換器等の
管状体についても、熱伝導率の良いステンレス酸のもの
が多く用いられてきた。しかし、その管状体としては、
外径が１〜３ｍｍ程度の比較的細いものが用いられては
いたものの、管状体の単位容積当りの伝熱面積は十分に
は大きなものではなかった。したがって、所定の伝熱面
積を確保するには熱交換器内に収納する管状体の容積を
大きくする必要があり、必然的に熱交換器の内容積は大
きなものとなり、これによって体外への血液搬出量が大
きくなり、患者の負担が重くなるという問題点があった
。

すなわち、体外への血液搬出量が少なく、血液を送るの
に必要な圧力の損失が小さく、患者の負担が軽減でき、
かつ信頼性の高い血液用の熱交換器の開発が望まれてい
た。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明者等は、従来の熱交換器、殊に人工肺等の人工臓
器においての付属装置としての熱交換器が有する上記問
題点を解決するために鋭意検討を重ねた結果、熱交換器
の伝熱チューブとしての管状体に、その外径と肉厚とを
特定したものを用いることによって、この種の熱交換器
を著しくコンパクト化することができ、かつその機能性
、信頼性が飛躍的に向上することを見いだした本発明を
完成するに至った。

すなわち、本発明の熱交換器用管状体は、外径が２００
〜８００μｓ、肉厚／外径比（ｔ／Ｄ）が０．０５〜０
．２なる形状であることを特徴とする。

〔発明を実施するための好適な態様〕

本発明の熱交換器用管状体は、必ずしもその断面形状が
真円である必要はないが、はぼ円形を有するものが好ま
しい。本発明の管状体に於ける外径、肉厚は、いずれも
該管状体の種々の部位で測定して求められる値の平均値
をいう。

熱交換器用管状体の外径は、単位容積当りの伝熱面積を
大きくするためには、小さければ小さい程良いが、小さ
くなればなる程管状体の内径も小さくなり、管状体の内
部を流れる加熱媒体または被加熱流体の流動抵抗が高く
なる。しかし、前述したように、従来の熱交換器用の管
状体としては伝熱効率の良好な金属製のものが使用され
ていたため、外径が１〜３ｍｍ＋あるいはそれ以上の外
径の管状体が専ら用いられてきた。しかし、本発明の管
状体の外径は、従来のものに比較して格段に細い２００
〜８００−の範囲のものである。管状体の外径は３００
〜６００−のものがより好ましい。

管状体の外径が８００騨を超えるものの場合には、単位
容積当りの伝熱面積が小さくなり、熱交換器をコンパク
ト化するという本発明の目的が達成できず適当ではない
。また、管状体の外径が２００−未満の場合には、これ
に伴なって内径が細くなり管状体内部を流れる流体の圧
力損失が高くなり過ぎるので適当ではない。

一方、管状体の肉厚は、熱交換器が使用される時の外圧
または内圧によって座屈あるいは破裂しないような厚さ
であることが最低限必要とされる。しかし、本発明が意
図するような利用分野についての熱交換器としては、製
品の検査時または実際の使用時にかかる１、５〜３Ｋｇ
／ｃｍ２程度の外圧によって管状体が座屈あるいは破裂
しない肉厚であればよく、かかる条件を満足させるため
には、肉厚および外径として、肉厚／外径比（ｔ／Ｄ）
を０．０５以上にすることが必要である。一方、ｔ／Ｄ
が０．２を超える場合には、内径が過度に細くなり管状
体の内部を流れる流体の流動抵抗が高くなったり、肉厚
が過度に厚くなり管状体の伝熱抵抗が高くなり過ぎるよ
うな不都合が生ずる。

本発明の管状体の材質は、管状体、すなわち中空管ある
いは中空糸に賦形できるものであればいかなるものでも
良いが、殊に血液用の熱交換手段として医療用途で重要
な安全性、信頼性を確保できる材料として、ステンレス
等の金属材料、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ３
−メチルブテン−１、ポリ４−メチルペンテン−１、ポ
リ弗化ビニリデン、ポリアクリロニトリル、ポリエチレ
ンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリへキサメチ
レンアジペート、ポリカプロラクタムおよびポリオキシ
メチレンまたはこれらを主成分とする結晶性重合体、ポ
リスルフォン、シリコン樹脂、ポリウレタン、エチレン
酢酸ビニル共重合体、エチレンビニルアルコール共重合
体およびエチレン塩化ビニル共重合体等の有ｍｉ合体材
料があるが、管状体への賦形性、管状体表面と血液との
相互作用、熱交換器を製造する際の加工性およびその経
済性の面から有機重合体であることが特に好ましい。

本発明の管状体を用いて熱交換器を製作する際の該管状
体の熱交換器内の充填率は、単位容積当りの伝熱面積を
大きくするためには大きいほど良いが、大きくなればな
る程管状体の外部を流れる加熱媒体または被加熱流体の
流動抵抗が高くなる。これらのことから熱交換器用ハウ
ジング内への管状体の充填率は、断面積充填率で２０〜
４０％であることが好ましい。

〔発明の効果〕

未発明の管状体は、熱交換器用の管状体としてはその外
径が極めて細いものなので、単位容積当りの伝熱面積を
極めて大きくすることができ、かつ内径も適切な大きさ
を有しているので、管状体内部を流れる流体の流動抵抗
が極度に増大することがない。また、外径に対する肉厚
がバランス良く設定されているので、十分な機械的強度
が得られ、熱交換器の機能性、信頼性を飛躍的に向丘さ
せることができる。

また、本発明の管状体のうち、有機重合体をその材質と
するものは、血液との反応性が低いため血液用の熱交換
器用の管状体として特に有効であり、かつ加工性も良く
、熱交換器を経済的に製造することができる。

更に本発明の管状体は、断面積充填率で２０〜４０％程
度の管状体を熱交換器用のハウジング内に充填するだけ
でその特性が十分に発揮でき、かつ大きな伝熱面積を占
有させることができるので、熱交換器全体の容積を小ざ
くすることが可能であり、また、管状体の外部を流れる
流体の流動抵抗を減少させることができる。したがって
、血液用の熱交換器用に用いた場合には１．ル者の体外
へ取り出す血液量が減り、患者の負担を軽減させること
ができる。

〔実施例〕

以下５本発明を実施例により更に詳しく説明する。

実施例１ 直径３６ｒｎｍ、長さ１３０ｍｍの円筒状の容器の中に
、外径４７３−１肉厚７２ｕ＋　（ｔ／Ｄ＝０．１５）
のポリエチレン製の管状体（中空糸）　１４４８木を充
填し、これら中空糸の両端を開口状態を保ちつつ各々１
５ＩＩＩ１１の厚さでポリウレタン接着剤により液密と
なるよう接着し、円筒状の熱交換器を製作した。

この熱交換器につき、中空糸の外側に血液を、内側に温
水を流し熱交換試験を実施した。血液流量６Ａ／ｍｉｎ
、温水流量Ｊｏｎ／ｌ１ｉｎの条件で、血液入側温度３
０℃、温水入側温度４０℃としたときの下記式で定義さ
れる熱交換効率Ｅを測定したところ、０．５６であった
。また、血液側の圧力損失は１５ｍｍＨｇ、温水側の圧
力損失は０．８１Ｋｇ／ａｍ２テあった。また、この熱
交換器に対して中空糸の外側から３Ｋｇ／ｃｍ２の圧力
をかけたが、中空糸の座屈は起こらなかった。

ここでＥ；熱交換効率、Ｔａ２；血液入側温度、Ｔａｏ
　；血液出側温度、　ＴＷ、　；温水入側温度である。

比較例１ 外径４００−１肉厚＋５．　（ｔ／ロー０．０３８）の
ポリエチレン製中空糸２０２５木を充填した以外は実施
例１と全く同様の円筒状の熱交換器を製作し、実施例１
と同様の熱交換試験を実施した。

この結果、血液流量６１７ｍａｎ、温水流量ｌＯ！／ｍ
ｉｎのときのＥは０．６０であった。また血液側の圧力
損失は１６ＩＩｌｌｌｌＨｇ、温水側の圧力損失は０．
４１Ｋｇ／ＣｌＯ２であった。しかし、中空糸の外側か
らｌ　Ｋｇ／ｃｍ２の圧力をかけた時、殆どの中空糸が
座屈した。

比較例２ 外径９００μｍ、肉厚２２５ｕ　（ｔｌｏ−０，２５）
のポリエチレン製中空糸４００本を充填した以外は実施
例１と同様の円筒状の熱交換器を製作し、実施例１と同
様の熱交換試験を実施した。

この結果、中空糸の外側から３Ｋｇ／ｃｍ２の圧力をか
けても中空糸の座屈は起こらなかったが、血液流ＩＪ６
Ｉ！、／ｌ！ｌｉｎ、温水流量８ｔ／ｗｉｎのときのＥ
は０．３３であった。

実施例２ 外径４５０−１肉厚５５鱗（ｔ／Ｄ＝０．１２）のポリ
カーボネート製中空糸１６００本を充填した以外は実施
例１と同様の円筒状の熱交換器を製作し、実施例１と同
様の熱交換試験を実施した。

この結果、血液流量８ｔ／ｍ１１１．温水流量１０Ａ／
ｗｉｎのときのＥは０．５８であった。また、血液側の
圧力損失は１５ａ＋ｍ）Ｉｇ、水側の圧力損失は０．４
１３Ｋｇ／ｃｒｎ２であった。更に中空糸の外側から　
２　、５Ｋｇ／ｃｍ２の圧力をかけたが、中空糸の座屈
は起こらなかった。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）外径が２００〜８００μｍ、肉厚／外径比（ｔ／Ｄ
   ）が０．０５〜０．２なる形状であることを特徴とする
   熱交換器用管状体。 ２）前記熱交換器用管状体の材質が有機重合体である特
   許請求の範囲第１項記載の管状体。