JP4472210B2

JP4472210B2 - External perfusion heat exchanger

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Publication number: JP4472210B2
Application number: JP2001179076A
Authority: JP
Inventors: 万也三枝; 和彦竹内
Original assignee: TRUMO KABUSHIKI KAISHA
Current assignee: TRUMO KABUSHIKI KAISHA
Priority date: 2001-06-13
Filing date: 2001-06-13
Publication date: 2010-06-02
Anticipated expiration: 2021-06-13
Also published as: JP2002369883A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、中空糸型熱交換器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
熱交換器には、ベローズ管（蛇腹形状）タイプ、パイプ形状タイプ、中空糸（細径チューブ）タイプのものがあり、このうち、中空糸タイプの熱交換器は、血液充填量に対して伝熱面積を大きくできるので、熱交換率を向上させるのに有利である。また、中空糸タイプの熱交換器を用いる場合、泡抜けが良いことから、血液を内部に流し、伝熱媒体を外部に流す内部潅流型の熱交換器が用いられている。
【０００３】
一方、血液充填量を小さくするため、熱交換器を人工肺と一体化したものが製品化されている。人工肺においては、泡抜け性能を考慮する必要がないので、ガス交換能に優れる外部潅流型人工肺を選択する方が有利である。
【０００４】
しかしながら、中空糸タイプの内部潅流型熱交換器を外部潅流型人工肺と一体化しようとすると、部品点数が多くなり大型化することから、熱交換器を人工肺と一体化する際には、熱交換器には、ベローズ管（蛇腹形状）タイプやパイプ形状タイプのものが用いられていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、本発明の目的は、新規な外部潅流型熱交換器を提供することにある。
【０００６】
本発明の他の目的は、外部潅流型でありながら、泡抜け性が良く、同時に低血液充填量の熱交換器を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記諸目的は、下記（１）〜（６）により達成される。
【０００８】
（１）筒状コアと、該筒状コアの外表面に複数回巻き付けられた熱交換用中空糸からなる熱交換層を有する外部潅流型熱交換器であって、該熱交換器の外周に巻き付けられたガス交換用中空糸膜からなる人工肺層を備え、前記熱交換層は、前記熱交換用中空糸が交差する複数の交差部を有し、少なくとも１つの前記交差部は、前記熱交換層の厚さ方向に隣接する他の交差部と重なり合わないことを特徴とする外部潅流型熱交換器。
【０００９】
（２）前記交差部の位置は、前記熱交換層の厚さ方向の中心線に対して連続して変化する前記（１）に記載の外部潅流型熱交換器。
【００１０】
（３）前記交差部の位置は、前記熱交換層の厚さ方向の中心線に対してステップ的に変化する前記（１）に記載の外部潅流型熱交換器。
【００１１】
（４）前記交差部の位置は、前記熱交換層の厚さ方向の中心線を中心に１００ｍｍ以内である前記（１）ないし（３）のいずれかに記載の外部潅流型熱交換器。
【００１２】
（５）前記複数の交差部間の最大離間距離が、３〜８０ｍｍである前記（１）ないし（４）のいずれかに記載の外部潅流型熱交換器。
【００１３】
【数２】

【００１４】
（６）人工肺を備える外部潅流型熱交換器であって、伝熱媒体流出（または流入）ポートおよび血液流入（または流出）ポートを備えた筒状コアと、該筒状コアの外表面に巻き付けられた熱交換用中空糸からなる熱交換層と、伝熱媒体流入（または流出）ポートを備え、該熱交換層を収納する内部ハウジングと、該熱交換層の外周に巻き付けられたガス交換用中空糸膜からなる人工肺層と、血液流入（または流出）ポートを備え、前記熱交換層および前記人工肺層を収納する外部ハウジングと、ガス流入（または流出）ポートを備えた第１のヘッダーと、ガス流出（または流入）ポートを備えた第２のヘッダーと、を有し、前記熱交換層は、前記熱交換用中空糸が交差する複数の交差部を有し、少なくとも１つの前記交差部は、前記熱交換層の厚さ方向に隣接する他の交差部と重なり合わないことを特徴とする外部潅流型熱交換器。
【００１５】
【発明の実施の形態】
つぎに、図面を参照しながら本発明による外部潅流型熱交換器について説明する。
【００１６】
図１は、本発明による外部潅流型熱交換器の断面図であるが、該外部潅流型熱交換器１は、伝熱媒体流出ポート２および血液流入ポート１１を備えた筒状コア３と、その外周部に設けられた熱交換層４と、該熱交換層４を収納する内部ハウジング５と、該熱交換層４の外周部に設けられたガス交換用中空糸膜よりなる人工肺層６と、該熱交換層４および人工肺層６を収納する筒状の外部ハウジング９と、ガス流入ポート７を備えた第１のヘッダー２０と、ガス流出ポート８を備えた第２のヘッダー２１とからなっている外部潅流型熱交換器である。該外部ハウジングは、さらに血液流出ポート１０を備えている。また、内部ハウジング５は、伝熱媒体流入ポート１９を備えている。
【００１７】
前記熱交換層４は、ステンレス鋼、アルミニウム等の金属製または樹脂製の中空糸が用いられ、その両端はポッティング材等による隔壁１２，１２で固定されるとともに、該隔壁１２，１２の両端部で内部ハウジング５内の空間１３，１４に連通している。前記中空糸は、内径が０．１〜０．４ｍｍ、好ましくは０．１５〜０．３ｍｍで外径が０．２〜０．５ｍｍ、好ましくは０．２５〜０．４ｍｍのものである。その材質としては、後述のとおりである。
【００１８】
該熱交換層４ならびに内部ハウジング５の外周部には、ガス交換用中空糸膜が巻回されて筒状のガス交換用中空糸膜束よりなる人工肺層６が形成されている。筒状のガス交換用中空糸膜束は、中空糸が多層に重なった、言い換えれば、渦巻き状に重なった、もしくは、筒状コアを芯としてリール状に巻き取られた状態となっている。
【００１９】
熱交換用中空糸層は、図２に示すように、筒状コア３の長手方向中央付近に熱交換用中空糸１４ａが交差する交差部１４ｂを備えるとともに、交差部１４ｂは、交差部１４ｂの上に他の交差部１４ｂが直接重なり合わないようにもしくは交差部１４ｂの上に他の交差部１４ｂが直接重なることが連続しないように、各熱交換用中空糸層の部位により位置が異なっている。
【００２０】
この熱交換層４の両端は、ポッティング材１２で固定されているとともに、該ポッティング材等による隔壁１２，１２の両端部で内部ハウジング５内の空間である第１の伝熱媒体室１３および第２の伝熱媒体室２１に直通している。
【００２１】
熱交換層４を形成する熱交換用中空糸１４ａは、図２に示すように、筒状コア３の外用部３に順次巻回されることにより熱交換用中空糸束が多層に重なった、言い換えれば、渦巻き状に重なった、もしくは、筒状コア３を芯としてリール状に巻き取られた状態となっている。さらに、中空糸層は、筒状コア３の長手方向中央付近に熱交換用中空糸１４ａが交差する交差部１４ｂを備えるとともに、交差部（クロスワインド部）１４ｂは、中空糸層の部位により位置が異なっている。このように、交差部の位置を変化させることにより、図２に示すように、重なり合う層における交差部が重ならず、交差部の重なりによる血液の短絡を防止できる。交差部は、例えば、ほぼ平行に巻回された２〜６本の熱交換用中空糸が、交互に交差することにより連続して形成されている。
【００２２】
本実施態様では、交差部１４ｂは、交差部の上に他の交差部が直接重なり合わないように、中空糸層の部位により位置が異なっている。言い換えれば、直接交差部が重ならなければ、重ならない交差部（言い換えれば、中空糸層）を介して、間接的に交差部の位置が重なっていてもよい。具体的には、熱交換層４（中空糸層）を展開した状態を説明する図３に示すように、熱交換層４の長手方向の中心を中央として、交差部１４ｂの位置は連続して変化している。図３に示す各Ｎ＋１層といった順に積層される。そして、この例では、Ｎ層からＮ＋７層の全８層により１セットとなるように交差部１４ｂの位置は連続して変化し、その後は、その繰り返しとなる。セット数は、熱交換面積によって相違するが、２〜１５セット程度が一般的であり、層数としては、３〜２０程度が一般的である。
【００２３】
この例では、Ｎ層当初においてほぼ熱交換用中空糸束の長手方向中央に位置していた交差部１４ｂは、徐々に熱交換用中空糸束の一端側（右側）に移行し、Ｎ＋１層の終わり（言い換えれば、Ｎ＋２層の当初）には、最も一端側（右側）に移行した状態となる。そして再び、交差部は、熱交換用中空糸束の長手方向中央に移行し、Ｎ＋３層の終わり（言い換えれば、Ｎ＋４層の当初）には、Ｎ層当初と同じ位置である熱交換用中空糸束の長手方向中央に位置する。Ｎ層当初の交差部とＮ＋４層当初の交差部は、Ｎ＋１層、Ｎ＋２層およびＮ＋３層を介して重なっているが、直接は重なっていない。続いて、交差部は、熱交換用中空糸層の長手方向他端側（左側）に移行し、Ｎ＋５層の終わり（言い換えれば、Ｎ＋６層の当初）には、最も他端側（左側）に移行した状態となる。そして再び、交差部は、熱交換用中空糸層の長手方向中央方向に移行し、Ｎ＋７層の終わりには、Ｎ層当初と同じ位置である熱交換用中空糸層の長手方向中央に位置する。Ｎ＋４層当初の交差部とＮ＋７層終わり（次にＮ層の当初）交差部は、Ｎ＋５層、Ｎ＋６層およびＮ＋７層を介して重なっているが、直接は重なっていない。
【００２４】
また、熱交換層４における交差部１４ｂの位置は、図４に示すようにステップ的に変化しているものであってもよい。具体的には、熱交換層４を展開した状態を説明する図４に示すように、熱交換用中空糸層の長手方向の中心を中央として、交差部１４ｂの位置はステップ的に変化している。図４に示す各層は、熱交換層４における一周する熱交換用中空糸層（熱交換用中空糸束）を示しており、Ｎ層の上にＮ＋１層といった順に積層される。そして、この例では、Ｎ層からＮ＋３層の全４層により１セットとなるように交差部３ｂの位置は変化し、その後は、その繰り返しとなる。セット数は、人工肺の膜面積によって相違するが、２〜１５セット程度が一般的であり、層数としては、３〜２０程度が一般的である。
【００２５】
この例では、Ｎ層においてほぼ熱交換用中空糸層の長手方向中央に位置していた交差部３ｂは、Ｎ＋１層では、熱交換用中空糸層の一端側（右側）に移行し、Ｎ＋２層では、再び、熱交換用中空糸層の長手方向中央に方向に移行し、Ｎ＋３層では、熱交換用中空糸層の長手方向他端側（左側）に移行し、次のセットのＮ層では、再び、熱交換用中空糸層の長手方向中央に方向に移行する。Ｎ層とＮ＋２層の交差部は、Ｎ＋１層を介して位置的には重なるが、直接は重なっていない。しかして、該熱交換層４の層厚は５ｍｍ以下、好ましくは１〜４．５ｍｍ、より好ましくは３〜４ｍｍである。すなわち、５ｍｍを超えると、気泡が抜けきらずにブロックを生じる可能性があるからである。
【００２６】
なお、上述の実施例では、全く交差部が重ならないものとなっている。このような形態が好ましいが、交差部は、交差部の上に他の交差部が重なることが連続しないように、熱交換用中空糸層の部位により位置が異なっているものであってもよい。
【００２７】
具体的には、図５に示す実施態様では、交差部１４ｂは、交差部の上に他の交差部が１つ直接重なり合っているが、交差部の重なりは２つのみであり、３以上にはならないように、言い換えれば、交差部の重なりが連続しないように、中空糸層の部位により位置が異なっている。また、直接交差部の重なりが連続しなければ、重ならない交差部を介して、間接的に交差部が重なっていてもよい。具体的には、熱交換層４を展開した状態を説明する図５に示すように、熱交換用中空糸層の長手方向の中心を中央として、交差部１４ｂの位置はステップ的に変化している。図５に示す各層は、熱交換層における一周する中空糸層を示しており、Ｎ層の上にＮ＋１層といった順に積層される。そして、この例では、Ｎ層からＮ＋７層の全８層により１セットとなるように交差部１４ｂの位置は変化し、その後は、その繰り返しとなる。セット数は、熱交換面積によって相違するが、２〜１５セット程度が一般的であり、層数としては、３〜２０程度が一般的である。
【００２８】
この例では、Ｎ層およびＮ＋１層において、交差部１４ｂは、ほぼ熱交換用中空糸層の長手方向中央に位置しているため、Ｎ層およびＮ＋１層においては、交差部１４ｂは重なり合っている。しかし、Ｎ＋２層およびＮ＋３層では、熱交換用中空糸層の一端側（右側）に移行し、Ｎ＋４層およびＮ＋５層では、再び、熱交換用中空糸層の長手方向中央に方向に移行し、Ｎ＋６層およびＮ＋７層では、熱交換用中空糸層の長手方向他端側（左側）に移行し、次のセットのＮ層では、再び、熱交換用中空糸層の長手方向中央に方向に移行する。接触する２つの層における交差部は重なるが３層にわたり交差部は重なり合わない。また、Ｎ層およびＮ＋１層の交差部は、Ｎ＋２層およびＮ＋３層を介して、Ｎ＋４層およびＮ＋５層と位置的には重なるが、直接は重なっていない。
【００２９】
なお、上記のいずれの実施態様においても、すべての交差部は、筒状コアの長手方向中央付近の幅（図３のＸ、図４のＹ、図５のＺ）１００ｍｍ以内に位置していることが好ましい。好ましくは、８０ｍｍ以内である。幅（図３のＸ、図４のＹ、図５のＺ言い換えれば）、交差部間の最大離間距離は、３ｍｍ〜８０ｍｍであることが好ましい。特に、４〜４０ｍｍであることが好ましい。また、幅（図３のＸ、図４のＹ、図５のＺ）つまり交差部間の最大離間距離は、熱交換層の長手方向の長さの２〜７５％の範囲内、好ましくは、３〜４０％であることが好ましい。
【００３０】
そして、熱交換層は、熱交換用中空糸が、１本あるいは複数本同時に、かつすべての中空糸がほぼ一定の間隔となるように前記筒状コアに巻き付けられることにより形成されている。また、中空糸と実質的に平行となっている隣り合う中空糸との距離は、中空糸の外径の１／１０〜１／１となっていることが好ましい。
【００３１】
そして、上記のように交差部の位置が移動する熱交換層は、中空糸が１本あるいは複数本同時に、かつ隣り合うすべての中空糸がほぼ一定の間隔となるように筒状コアに螺旋状に巻き付けられることにより形成されたものであり、かつ、中空糸を筒状コアに巻き付ける際に、図６に示すように、筒状コアを回転させるための筒状コア回転手段６１と熱交換用中空糸を編み込むためのワインダー装置６２とが、下記式
【００３２】
【数３】

【００３３】
で動き、かつ、筒状コア回転手段６１とワインダー装置６２が筒状コアの軸方向に対して、コアの長手方向の中心を０と考えたとき、−４０〜＋４０ｍｍ以内、好ましくは、−３０〜＋３０ｍｍ以内、特に好ましくは、＋１５〜＋１５ｍｍ以内にて継続的相対移動することによって筒状コアに巻き付けられることにより形成することができる。なお、ここにｒｏｔとは、主軸（筒状コア回転手段）の回転数であり、トラバースとは、中空糸の筒状コア長手方向への横行速度である。
【００３４】
筒状コア回転手段とワインダー装置の筒状コアの軸方向に対する相対移動は、筒状コア回転手段が固定されワインダー装置のみが移動するもの、ワインダー装置が固定され筒状コア回転手段のみが移動するもの、両者が移動するもののいずれでもよい。
【００３５】
なお、巻取り用回転体の回転数とワインダー往復数の関係であるｎは、１〜５であるべきで、好ましくは２〜３である。このように上記式１のｎとして整数を選択することにより、中空糸交差部（クロスワインド部）が熱交換層４の長手方向中央付近に１つ形成される。この実施例の人工肺１では、ｎ＝２により行うものであり、この場合には、筒状コア３の外面に巻き付けられた状態の熱交換層４（両端切断前）の中央付近に交差部１４ｂが形成される。
【００３６】
そこで、図６に示す熱交換層形成装置６０について説明する。この熱交換層形成装置は６０は、筒状コア回転手段６１が固定されワインダー装置６２のみが移動することにより、筒状コア回転手段とワインダー装置の筒状コアの軸方向に対する相対移動を実現させている。
【００３７】
熱交換層形成装置６０は、筒状コア回転手段６１とワインダー装置６２を備える。筒状コア回転手段６１は、モータ６３と、モータシャフト６４と、モータシャフト６４に固定されたコア取付部材６５を備える。筒状コア５は、コア取付部材６５に取り付けられ、モータにより回転される。
【００３８】
ワインダー装置６２は、内部に中空糸収納部を備える本体部６６と、中空糸を吐出するとともに本体部の軸方向（筒状コアの軸と平行、矢印方向）に移動する吐出部７５を備えている。さらに、本体部６６は、リニアレール６７上を移動するリニアテーブル６８およびボールナット部材７４に固定されている。ボールナット部材７４は、モータ７３の駆動により、ボールネジシャフト６９が回転することにより、矢印方向前後に移動し、これにより、本体部６６を矢印方向に移動可能となっている。モータ７３は、正逆回転可能であり、図示しないコントローラにより、駆動が調整される。
【００３９】
この熱交換層形成装置６０によれば、トラバース幅は、吐出部７５の移動幅によって固定されるが、吐出部７５を含む本体部６６自体を移動させることにより、トラバース位置自体を移動させることができ、これにより、中空糸の交差部の位置を移動させることができる。
【００４０】
次に、図７に示す熱交換層形成装置７０について説明する。この熱交換層形成装置７０は、ワインダー装置７２が固定され筒状コア回転手段７１のみが移動することにより、筒状コア回転手段とワインダー装置の筒状コアの軸方向に対する相対移動を実現させている。
【００４１】
熱交換層形成装置７０は、筒状コア回転手段７１とワインダー装置７２を備える。筒状コア回転手段７１は、モータ６３と、モータシャフト６４と、モータシャフト６４に固定されたコア取付部材６５を備える。筒状コア５は、コア取付部材６５に取り付けられ、モータにより回転される。さらに、モータ６３は、リニアレール７７上を移動するリニアテーブル７８およびボールナット部材８１に固定されている。ボールナット部材は、モータ８０の駆動により、ボールネジシャフト７９が回転することにより、矢印方向前後に移動し、これにより筒状コア回転手段７１を矢印方向に移動可能となっている。モータ８０は、正逆回転可能であり、図示しないコントローラにより、駆動が調整される。
【００４２】
ワインダー装置７２は、内部に中空糸収納部を備える本体部６６と、中空糸を吐出するとともに本体部の軸方向（筒状コアの軸と平行、矢印方向）に移動する吐出部７５を備えている。この熱交換層形成装置７０によれば、トラバース幅は、吐出部７５の移動幅によって固定されるが、筒状コア回転手段７１自体を移動させることにより、筒状コアに対するトラバース位置自体を移動させることができ、これにより、中空糸の交差部の位置を移動させることができる。
【００４３】
また、中空糸は、１本あるいは複数本同時に、実質的に平行でかつ隣り合う中空糸が実質的に一定の間隔となるように筒状コア３に巻き付けられることが好ましい。これにより、血液の偏流がより抑制できる。また、中空糸は、隣り合う中空糸との距離が、中空糸の外径の１／１０〜１／１となっていることが好ましい。さらに、中空糸は、隣り合う中空糸との距離が、３０μｍ〜２００μｍが好ましく、特に、好ましくは５０μｍ〜１８０μｍである。
【００４４】
熱交換用中空糸に使用される材質としては、ステンレス鋼、アルミニウム等の金属類、ポリウレタン、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリエステル等の高分子材料が用いられる。熱交換層４の外径は、２０〜１００ｍｍが好適であり、厚さは、１〜４．５ｍｍであることが好ましい。熱交換層４は、筒状コアの外側面と筒状の熱交換層４の内側面間により形成される筒状空間に対する熱交換用中空糸の充填率が６０％〜８０％であることが好ましい。より好ましくは、６５〜７０％である。すなわち、８０％を超えると、気泡が抜けにくくなり、一方、６０％未満では熱交換率が低下するからである。
【００４５】
そして、筒状コア３に熱交換層４の中空糸を巻回した後、両端を隔壁１２，１５により筒状コア３と筒状の外部ハウジング９に固定し、そして、熱交換層４の両端が切断される。なお、上述したような熱交換層形成装置により作製される熱交換層４は、トラバース位置が層により異なるため、両端部が揃っていない。このため、形成された熱交換層４の両端部は、すべての層が重なり合っている部分において切断することが必要である。すべての層が重なり合っている部分において切断しないと端部が開口しない中空糸が存在するものとなる。
【００４６】
人工肺層６が外面に巻き付けられた熱交換層４の両端は、隔壁１５，１７により、筒状コア３と筒状の外部ハウジング９の両端部に液密に固定され、筒状中空糸外面と該外部ハウジング９内面間に環状空間（筒状空間）である第２の血液室１８が形成される。筒状の外部ハウジング９の側面に形成された血液流出ポート１０は、第２の血液室１８と連通する。隔壁１２，１５は、ポリウレタン、シリコーンゴムなどのポッティング材で形成される。
【００４７】
つぎに、本発明による外部潅流型熱交換器についてその作用を説明する。
【００４８】
すなわち、図１に示すように、伝熱媒体流入口１９より流入した冷媒媒体、例えば水は、熱交換層４の熱交換用中空糸内部を流通して内部ハウジング５内の空間に流入したのち、伝熱媒体流出ポート２より系外に排出される。一方、血液流入ポート１１より流入した血液は、熱交換層４を通過する間に、前記伝熱媒体により熱交換される。続いて人工肺層６を通過する間にガス交換が行なわれて血液中の二酸化炭素が除去されると同時に酸素が導入される。ついで、ガス交換された血液は、第２の血液室１８に達し、さらに、血液流出ポート１０より系外に排出される。
【００４９】
ガス流入ポート７より流入したガス、例えば純酸素または酸素含有ガスは、第１のガス室１６より人工肺層６の各ガス交換用中空糸内を流通して第２のガス室１７へ到達する。その間に血液中のガス交換を行なう。第２のガス室に達したガスは、ガス流出ポート８より系外に排出される。
【００５０】
なお、筒状の内部および外部ハウジング５，９、筒状コア３、第１および第２のヘッダー２０，２１などの形成材料としては、ポリオレフィン（例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン）、エステル系樹脂（例えば、ポリエチレンテレフタレート）、スチレン系樹脂（例えば、ポリスチレン、ＭＳ樹脂、ＭＢＳ樹脂）、ポリカーボネートなどが使用できる。
【００５１】
さらに、血液接触面は、抗血栓性表面となっていることが好ましい。抗血栓性表面は、抗血栓性材料を表面に被覆、さらには固定することにより形成できる。抗血栓性材料としては、ヘパリン、ウロキナーゼ、ヒドロキシエチルメタクリレート−スチレン−ヒドロキシエチルメタクリレート共重合体、ポリ（ヒドロキシエチルメタクリレート）などが使用できる。
【００５２】
【実施例】
次に、本発明の外部潅流型熱交換器の具体的実施例および比較例について説明する。
【００５３】
実施例１
図１に示すようなプロピレン製の外部潅流型熱交換器において、外径８４ｍｍの筒状コア３の周囲に、内径０．２６ｍｍ、外径０．３２ｍｍ、熱交換用中空糸を図６または図７に示すような熱交換層形成装置を用いて、４本の中空糸間隔を１００μｍに保って巻回し、次に隣接する中空糸間隔も以前に巻回されている中空糸間隔と同じとなるようにし、隣り合う中空糸間隔が一定となるように中空糸を巻き回し、熱交換用中空糸束を作製した。中空糸を筒状コア上に巻き付ける際に、筒状コアを回転させるための回転体と中空糸を編み込むためのワインダーとが、下記式で動かすとともに、ワインダーを軸方向に継続的に微量動かし、図５に示すように、０．７５層により１セットとなるように交差部の位置幅±２．５ｍｍ以内にて変化させ、全１３．３セット、層数１０、充填率６８％、熱交換面積０．１３ｍ²の中空糸熱交換層を作製した。
【００５４】
このとき、熱交換層の層厚は３ｍｍ、血液充填量は１０．５ｍｌであった。
【００５５】
【数４】

【００５６】
ついで、その外周部（外径８７ｍｍ）に、内径２６０μｍ、外径３２０μｍ、空孔率約４０％のポリプロピレン製の多孔質中空糸を、同様の装置により巻回し、全４６．５セット、層数３５、充填率６５、ガス交換面積０．５ｍ²の人工肺層を作成した。
【００５７】
そして、熱交換層および人工肺層の両端をポッティング材により筒状コアとともに筒状の外部ハウジング本体の両端に固定し、熱交換器部を中心にして回転させながら、固定された熱交換層および人工肺層の両端を切断した。そして、筒状ハウジングの両端に、上述した第１のヘッダーおよび第２のヘッダーを取り付け、図１に示すような構造の外部潅流式の熱交換器を作製した。このときの有効長は１８ｍｍであった。
【００５８】
比較例１
実施例１の外部潅流型熱交換器において、熱交換層４の代わりに、板厚０．４ｍｍ、山数８、内径５０ｍｍ、外径７５ｍｍ、山高１２．５ｍｍ、伝熱面積０．０４ｍ²のステンレス鋼製ベローズ型熱交換器とし、血液充填量（ベローズ部充填量１３．３ｍｌ＋人工肺ファイバー層との間６ｍｌ＝１９．３ｍｌ）にした以外は、実施例１と同様にして外部潅流型熱交換器を得た。
【００５９】
（実験）
上記のようにして作製した実施例１および比較例１の熱交換器について、牛血を用いて以下の実験を行なった。なお、牛血は、ＡＡＭＩ（ＡｓｓｏｃｉａｔｉｏｎｆｏｒｔｈｅＡｄｖａｎｃｅｏｆＭｅｄｉｃａｌＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ）で定めるところの標準静脈血を用い、これに抗凝固剤を添加したものを各人工肺に流量７Ｌ／ｍｉｎで灌流した。そして、それぞれの人工肺について、血液流入ポート付近および血液流出ポート付近で採血を行ない、血液流量Ｑｂ（リットル／ｍｉｎ）と、Ｑｗ＝１５リットル／ｍｉｎでの熱交換率係数ＰＦとの関係（図８）および血液流量Ｑｂ（リットル／ｍｉｎ）と血液側圧損（ｍｍＨｇ）との関係（図９）を得た。
【００６０】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明による外部潅流型熱交換器は、筒状コアの上に熱交換用中空糸を巻回した熱交換用中空糸層よりなる熱交換層の上にガス交換用中空糸を巻回した人工肺層を設けてなるものであるから、熱交換体層内の気泡を速やかに人工肺層に接触させることにより除去することが可能となる。また、該熱交換器の厚みが５ｍｍ以下であるので気泡が抜けきらずにブロックを生じることはない。さらに、該中空糸の外径が０．２５〜０．５ｍｍであるので、充分な伝熱面積がとれる。
【００６１】
また、該熱交換器は、特定の方法で熱交換用中空糸が巻回されているので、該熱交換層は、前記筒状コアに順次巻回されることにより、筒状コアの外周面に広がる熱交換用中空糸層が、多層に重なった状態となっており、さらに、該熱交換層は、筒状コアの長手方向中央付近に中空糸が交差する交差部を備えるとともに、該交差部は、交差部の上に他の交差部が直接重なり合わないようにもしくは交差部の上に他の交差部が重なることが連続しないように、中空糸層の部位より位置が異なっているので、熱交換層内に交差部に起因する血液の短絡路が形成されることが少なく、高い熱交換能を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による外部潅流型熱交換器の一例を示す断面図である。
【図２】図１に示した外部潅流型熱交換器の熱交換層の状態を示す説明図である。
【図３】本発明による外部潅流型熱交換器に使用される一例の熱交換層の交差部を説明するための説明図である。
【図４】本発明による外部潅流型熱交換器に使用される他の例の熱交換層の交差部を説明するための説明図である。
【図５】本発明による外部潅流型熱交換器に使用される他の例の熱交換層の交差部を説明するための説明図である。
【図６】本発明による外部潅流型熱交換器に使用される熱交換層形成装置の一例を説明するための説明図である。
【図７】本発明による外部潅流型熱交換器に使用される熱交換層形成装置の他の例を説明するための説明図である。
【図８】本発明による外部潅流型熱交換器および従来のベローズ型熱交換器を使用した場合の血液流量と熱交換効率係数との関係を示すグラフである。
【図９】本発明による外部潅流型熱交換器および従来のベローズ型熱交換器を使用した場合の血液流量と血液側圧損との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１…外部潅流型熱交換器、
２…伝熱媒体流出ポート、
３…筒状コア、
４…熱交換層、
５…内部ハウジング、
６…人工肺層、
９…外部ハウジング、
１０…血液流出ポート、
１１…血液流入ポート、
１２，１５…隔壁、
１６…ガス室、
１７…ガス室、
１８…第２血液室。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a hollow fiber heat exchanger.
[0002]
[Prior art]
There are bellows tube (bellows shape) type, pipe shape type, and hollow fiber (thin tube) type heat exchangers. Of these, the hollow fiber type heat exchangers transmit the amount of blood filled. Since the heat area can be increased, it is advantageous for improving the heat exchange rate. Further, when a hollow fiber type heat exchanger is used, an internal perfusion type heat exchanger that allows blood to flow inside and a heat transfer medium to flow outside is used because of good bubble removal.
[0003]
On the other hand, in order to reduce the blood filling amount, a product in which a heat exchanger is integrated with an artificial lung has been commercialized. In the oxygenator, it is not necessary to consider the bubble removal performance, so it is advantageous to select an external perfusion oxygenator that excels in gas exchange capacity.
[0004]
However, when trying to integrate a hollow fiber type internal perfusion type heat exchanger with an external perfusion type oxygenator, the number of parts increases and the size increases, so when integrating the heat exchanger with the oxygenator, A bellows tube (bellows shape) type or a pipe shape type was used for the heat exchanger.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a novel external perfusion heat exchanger.
[0006]
Another object of the present invention is to provide a heat exchanger that is of the external perfusion type but has good defoaming properties and at the same time a low blood filling amount.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The above-mentioned objects are achieved by the following (1) to (6).
[0008]
(1) On the outer surface of the cylindrical core and the cylindrical core More than once Consists of a wound heat exchange hollow fiber With heat exchange layer An external perfusion type heat exchanger comprising an artificial lung layer comprising a gas exchange hollow fiber membrane wound around the outer periphery of the heat exchanger The heat exchange layer has a plurality of intersections where the heat exchange hollow fibers intersect, and at least one of the intersections overlaps with another intersection adjacent to the heat exchange layer in the thickness direction. Absent An external perfusion heat exchanger characterized by that.
[0009]
(2) The position of the intersection changes continuously with respect to the center line in the thickness direction of the heat exchange layer. The external perfusion heat exchanger according to (1) above.
[0010]
(3) The position of the intersection changes stepwise with respect to the center line in the thickness direction of the heat exchange layer. Said (1 ) External perfusion heat exchanger as described.
[0011]
(4) The position of the intersection is within 100 mm around the center line in the thickness direction of the heat exchange layer. The external perfusion type heat exchanger according to any one of (1) to (3).
[0012]
(5) The maximum separation distance between the plurality of intersections is 3 to 80 mm. The external perfusion type heat exchanger according to any one of (1) to (4).
[0013]
[Expression 2]

[0014]
(6) An external perfusion heat exchanger including an artificial lung, a cylindrical core having a heat transfer medium outflow (or inflow) port and a blood inflow (or outflow) port, and an outer surface of the cylindrical core A heat exchange layer made of a wound hollow fiber for heat exchange, a heat transfer medium inflow (or outflow) port, an internal housing for housing the heat exchange layer, and a gas exchange wound around the outer periphery of the heat exchange layer An oxygenator layer comprising a hollow fiber membrane for blood, a blood inflow (or outflow) port, an external housing for housing the heat exchange layer and the oxygenator layer, and a gas inflow (or outflow) port. A header and a second header with a gas outflow (or inflow) port; The heat exchange layer has a plurality of intersections where the heat exchange hollow fibers intersect, and at least one of the intersections is another intersection adjacent in the thickness direction of the heat exchange layer. Does not overlap An external perfusion heat exchanger characterized by that.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, an external perfusion heat exchanger according to the present invention will be described with reference to the drawings.
[0016]
FIG. 1 is a cross-sectional view of an external perfusion heat exchanger according to the present invention. The external perfusion heat exchanger 1 includes a cylindrical core 3 having a heat transfer medium outflow port 2 and a blood inflow port 11; An artificial lung layer 6 comprising a heat exchange layer 4 provided on the outer peripheral portion, an inner housing 5 housing the heat exchange layer 4, and a gas exchange hollow fiber membrane provided on the outer peripheral portion of the heat exchange layer 4. A cylindrical outer housing 9 that accommodates the heat exchange layer 4 and the artificial lung layer 6, a first header 20 that includes a gas inflow port 7, and a second header 21 that includes a gas outflow port 8. This is an external perfusion heat exchanger. The outer housing further includes a blood outflow port 10. Further, the inner housing 5 includes a heat transfer medium inflow port 19.
[0017]
The heat exchange layer 4 is made of a metal or resin hollow fiber such as stainless steel or aluminum, and both ends thereof are fixed by

partition walls

12 and 12 made of a potting material or the like, and both end portions of the

partition walls

12 and 12 are used. And communicated with the spaces 13 and 14 in the inner housing 5. The hollow fiber has an inner diameter of 0.1 to 0.4 mm, preferably 0.15 to 0.3 mm and an outer diameter of 0.2 to 0.5 mm, preferably 0.25 to 0.4 mm. The material is as described later.
[0018]
On the outer periphery of the heat exchange layer 4 and the inner housing 5, a gas exchange hollow fiber membrane is wound to form an artificial lung layer 6 composed of a tubular gas exchange hollow fiber membrane bundle. The hollow fiber membrane bundle for gas exchange has a state in which hollow fibers are stacked in multiple layers, in other words, in a spiral shape, or wound in a reel shape with a cylindrical core as a core.
[0019]
As shown in FIG. 2, the heat exchange hollow fiber layer includes an intersection 14b where the heat exchange hollow fiber 14a intersects near the center in the longitudinal direction of the cylindrical core 3, and the intersection 14b The positions of the heat exchange hollow fiber layers are different so that the other crossing portions 14b do not directly overlap each other or the other crossing portions 14b do not continuously overlap the crossing portions 14b. Yes.
[0020]
Both ends of the heat exchange layer 4 are fixed by a potting material 12, and the first heat transfer medium chamber 13 and the first heat transfer medium chamber 13 which are spaces in the inner housing 5 at both ends of the

partition walls

12 and 12 made of the potting material or the like. 2 through the heat transfer medium chamber 21.
[0021]
As shown in FIG. 2, the heat exchange hollow fiber 14 a forming the heat exchange layer 4 is wound around the outer portion 3 of the cylindrical core 3, thereby stacking the heat exchange hollow fiber bundles in multiple layers. In other words, it is in a state of being overlapped in a spiral shape or wound in a reel shape with the cylindrical core 3 as a core. Further, the hollow fiber layer includes an intersection 14b where the heat exchange hollow fiber 14a intersects in the vicinity of the center in the longitudinal direction of the cylindrical core 3, and the intersection (crosswind portion) 14b is located depending on the portion of the hollow fiber layer. Is different. Thus, by changing the position of the crossing portion, as shown in FIG. 2, the crossing portions in the overlapping layers do not overlap, and blood short-circuiting due to the overlapping of the crossing portions can be prevented. The intersecting portion is formed, for example, continuously by alternately intersecting 2 to 6 heat exchange hollow fibers wound substantially in parallel.
[0022]
In the present embodiment, the position of the intersecting portion 14b differs depending on the portion of the hollow fiber layer so that the other intersecting portion does not directly overlap the intersecting portion. In other words, as long as the directly intersecting portions do not overlap, the positions of the intersecting portions may indirectly overlap via the intersecting portions that do not overlap (in other words, the hollow fiber layer). Specifically, as shown in FIG. 3 for explaining a state in which the heat exchange layer 4 (hollow fiber layer) is developed, the position of the intersection 14b is continuously centered on the center in the longitudinal direction of the heat exchange layer 4. It has changed. The N + 1 layers shown in FIG. 3 are stacked in this order. In this example, the position of the intersecting portion 14b is continuously changed so that one set is formed by all eight layers from the N layer to the N + 7 layer, and thereafter, this is repeated. The number of sets differs depending on the heat exchange area, but is generally about 2 to 15 sets, and the number of layers is generally about 3 to 20.
[0023]
In this example, the intersecting portion 14b located at the center in the longitudinal direction of the heat exchange hollow fiber bundle at the beginning of the N layer gradually moves to one end side (right side) of the heat exchange hollow fiber bundle, At the end (in other words, the beginning of the N + 2 layer), the state is shifted to the most end side (right side). Again, the intersecting portion moves to the center in the longitudinal direction of the heat exchange hollow fiber bundle, and at the end of the N + 3 layer (in other words, at the beginning of the N + 4 layer), the heat exchange hollow fiber at the same position as the beginning of the N layer. Located in the longitudinal center of the bundle. The intersection at the beginning of the N layer and the intersection at the beginning of the N + 4 layer overlap through the N + 1 layer, the N + 2 layer, and the N + 3 layer, but do not overlap directly. Subsequently, the crossing portion moves to the other end side (left side) in the longitudinal direction of the heat exchange hollow fiber layer, and at the end of the N + 5 layer (in other words, at the beginning of the N + 6 layer), the crossing portion is located on the other end side (left side). It will be in the transitioned state. Again, the crossing portion moves to the center in the longitudinal direction of the heat exchange hollow fiber layer, and at the end of the N + 7 layer, is located at the center in the longitudinal direction of the heat exchange hollow fiber layer, which is the same position as the beginning of the N layer. . The intersection at the beginning of the N + 4 layer and the intersection at the end of the N + 7 layer (the beginning of the N layer) overlap through the N + 5 layer, the N + 6 layer, and the N + 7 layer, but do not overlap directly.
[0024]
Further, the position of the intersecting portion 14b in the heat exchange layer 4 may be changed stepwise as shown in FIG. Specifically, as shown in FIG. 4 for explaining the state in which the heat exchange layer 4 is expanded, the position of the intersecting portion 14b changes stepwise with the center in the longitudinal direction of the heat exchange hollow fiber layer as the center. Yes. Each layer shown in FIG. 4 represents a heat exchanging hollow fiber layer (heat exchanging hollow fiber bundle) in the heat exchanging layer 4 and is laminated on the N layer in the order of N + 1 layers. In this example, the position of the intersecting portion 3b is changed so that one set is formed of all four layers from the N layer to the N + 3 layer, and thereafter, this is repeated. The number of sets varies depending on the membrane area of the artificial lung, but is generally about 2 to 15 sets, and the number of layers is generally about 3 to 20.
[0025]
In this example, in the N layer, the intersecting portion 3b located substantially in the center in the longitudinal direction of the heat exchange hollow fiber layer is shifted to the one end side (right side) of the heat exchange hollow fiber layer in the N + 1 layer. Then, it again moves in the direction of the longitudinal center of the hollow fiber layer for heat exchange, and in the N + 3 layer, it moves to the other longitudinal side (left side) in the longitudinal direction of the hollow fiber layer for heat exchange. Again, the direction is shifted to the center of the heat exchange hollow fiber layer in the longitudinal direction. The intersection of the N layer and the N + 2 layer overlaps with each other through the N + 1 layer, but does not overlap directly. Thus, the thickness of the heat exchange layer 4 is 5 mm or less, preferably 1 to 4.5 mm, more preferably 3 to 4 mm. In other words, if it exceeds 5 mm, there is a possibility that the bubbles may be generated without being completely removed.
[0026]
In the above-described embodiment, the intersections do not overlap at all. Although such a form is preferable, the position of the crossing portion may be different depending on the portion of the heat exchange hollow fiber layer so that another crossing portion does not overlap with the crossing portion. .
[0027]
Specifically, in the embodiment shown in FIG. 5, the crossing portion 14 b has one other crossing portion directly overlapping on the crossing portion, but only two crossing portions overlap, and the crossing portion 14 b is 3 or more. In other words, the positions of the hollow fiber layers are different so that the overlapping portions do not overlap. Moreover, as long as the overlap of the direct intersections does not continue, the intersections may overlap indirectly through non-overlapping intersections. Specifically, as shown in FIG. 5 for explaining the state in which the heat exchange layer 4 is expanded, the position of the intersecting portion 14b changes stepwise with the center in the longitudinal direction of the heat exchange hollow fiber layer as the center. Yes. Each layer shown in FIG. 5 shows a hollow fiber layer that makes a round in the heat exchange layer, and is laminated on the N layer in the order of N + 1 layers. In this example, the position of the intersecting portion 14b is changed so that one set is formed by all eight layers from the N layer to the N + 7 layer, and thereafter, this is repeated. The number of sets differs depending on the heat exchange area, but is generally about 2 to 15 sets, and the number of layers is generally about 3 to 20.
[0028]
In this example, in the N layer and the N + 1 layer, the intersecting portion 14b is located substantially in the center in the longitudinal direction of the heat exchange hollow fiber layer, and thus the intersecting portion 14b overlaps in the N layer and the N + 1 layer. However, in the N + 2 layer and the N + 3 layer, a transition is made to one end side (right side) of the heat exchange hollow fiber layer, and in the N + 4 layer and the N + 5 layer, a transition is made again to the center in the longitudinal direction of the heat exchange hollow fiber layer, In the N + 6 layer and the N + 7 layer, the transition is made to the other end (left side) in the longitudinal direction of the heat exchange hollow fiber layer, and in the next set of N layers, the transition is again made to the center in the longitudinal direction of the heat exchange hollow fiber layer. To do. The intersections in the two contacting layers overlap, but the intersections do not overlap across the three layers. The intersection of the N layer and the N + 1 layer overlaps with the N + 4 layer and the N + 5 layer via the N + 2 layer and the N + 3 layer, but does not overlap directly.
[0029]
In any of the above embodiments, all the intersections are located within a width (X in FIG. 3, Y in FIG. 4, Z in FIG. 5) near 100 mm in the longitudinal center of the cylindrical core. It is preferable. Preferably, it is within 80 mm. The width (X in FIG. 3, Y in FIG. 4, Z in FIG. 5) and the maximum distance between the intersections are preferably 3 mm to 80 mm. In particular, the thickness is preferably 4 to 40 mm. Further, the width (X in FIG. 3, Y in FIG. 4, Z in FIG. 5), that is, the maximum separation distance between the intersecting portions is within a range of 2 to 75% of the length in the longitudinal direction of the heat exchange layer, preferably It is preferable that it is 3 to 40%.
[0030]
The heat exchange layer is formed by winding one or a plurality of heat exchange hollow fibers around the cylindrical core so that all the hollow fibers are at a substantially constant interval. The distance between adjacent hollow fibers that are substantially parallel to the hollow fiber is preferably 1/10 to 1/1 of the outer diameter of the hollow fiber.
[0031]
The heat exchanging layer in which the position of the intersecting portion moves as described above is spirally formed in the cylindrical core so that one or a plurality of hollow fibers are simultaneously and all the adjacent hollow fibers are at a substantially constant interval. As shown in FIG. 6, when the hollow fiber is wound around the cylindrical core, the cylindrical core rotating means 61 for rotating the cylindrical core and the heat exchange are formed. The winder device 62 for weaving the hollow fiber is represented by the following formula:
[0032]
[Equation 3]

[0033]
And the cylindrical core rotating means 61 and the winder device 62 consider the center of the longitudinal direction of the core to be 0 with respect to the axial direction of the cylindrical core, within −40 to +40 mm, preferably −30 It can be formed by being wound around a cylindrical core by continuous relative movement within ˜ + 30 mm, particularly preferably within +15 to +15 mm. Here, rot is the rotational speed of the main shaft (cylindrical core rotating means), and traverse is the traversing speed of the hollow fiber in the longitudinal direction of the cylindrical core.
[0034]
The relative movement of the cylindrical core rotating means and the winder device relative to the axial direction of the cylindrical core is such that the cylindrical core rotating means is fixed and only the winder device is moved, or the winder device is fixed and only the cylindrical core rotating means is moved. Either one or both of them may be moved.
[0035]
In addition, n which is the relationship between the rotation speed of the winding rotary body and the reciprocation number of the winder should be 1 to 5, and preferably 2 to 3. Thus, by selecting an integer as n in the above formula 1, one hollow fiber crossing portion (crosswind portion) is formed near the center in the longitudinal direction of the heat exchange layer 4. In the oxygenator 1 of this embodiment, n = 2 is performed. In this case, an intersection is formed near the center of the heat exchange layer 4 (before cutting both ends) wound around the outer surface of the cylindrical core 3. 14b is formed.
[0036]
Therefore, the heat exchange layer forming apparatus 60 shown in FIG. 6 will be described. This heat exchange layer forming device 60 realizes relative movement of the cylindrical core rotating means and the winder device relative to the axial direction by moving only the winder device 62 while the cylindrical core rotating device 61 is fixed. ing.
[0037]
The heat exchange layer forming device 60 includes a cylindrical core rotating means 61 and a winder device 62. The cylindrical core rotating means 61 includes a motor 63, a motor shaft 64, and a core attachment member 65 fixed to the motor shaft 64. The cylindrical core 5 is attached to the core attachment member 65 and rotated by a motor.
[0038]
The winder device 62 includes a main body portion 66 having a hollow fiber storage portion therein and a discharge portion 75 that discharges the hollow fiber and moves in the axial direction of the main body portion (parallel to the axis of the cylindrical core, in the direction of the arrow). Yes. Further, the main body 66 is fixed to a linear table 68 and a ball nut member 74 that move on the linear rail 67. The ball nut member 74 is moved forward and backward by the rotation of the ball screw shaft 69 by the drive of the motor 73, whereby the main body 66 can be moved in the arrow direction. The motor 73 can rotate forward and backward, and the drive is adjusted by a controller (not shown).
[0039]
According to this heat exchange layer forming apparatus 60, the traverse width is fixed by the movement width of the discharge part 75, but the traverse position itself can be moved by moving the main body part 66 including the discharge part 75 itself. This makes it possible to move the position of the intersection of the hollow fibers.
[0040]
Next, the heat exchange layer forming apparatus 70 shown in FIG. 7 will be described. This heat exchange layer forming apparatus 70 realizes relative movement of the cylindrical core rotating means and the cylindrical core of the winder apparatus in the axial direction by moving only the cylindrical core rotating means 71 while the winder apparatus 72 is fixed. Yes.
[0041]
The heat exchange layer forming device 70 includes a cylindrical core rotating means 71 and a winder device 72. The cylindrical core rotating means 71 includes a motor 63, a motor shaft 64, and a core attachment member 65 fixed to the motor shaft 64. The cylindrical core 5 is attached to the core attachment member 65 and rotated by a motor. Further, the motor 63 is fixed to a linear table 78 and a ball nut member 81 that move on the linear rail 77. The ball nut member is moved forward and backward by the rotation of the ball screw shaft 79 by the drive of the motor 80, whereby the cylindrical core rotating means 71 can be moved in the arrow direction. The motor 80 can rotate forward and backward, and the drive is adjusted by a controller (not shown).
[0042]
The winder device 72 includes a main body portion 66 having a hollow fiber storage portion therein, and a discharge portion 75 that discharges the hollow fiber and moves in the axial direction of the main body portion (parallel to the axis of the cylindrical core, in the direction of the arrow). Yes. According to this heat exchange layer forming apparatus 70, the traverse width is fixed by the movement width of the discharge section 75, but the traverse position itself relative to the cylindrical core is moved by moving the cylindrical core rotating means 71 itself. Thereby, the position of the intersection of the hollow fibers can be moved.
[0043]
Moreover, it is preferable that one or a plurality of hollow fibers are wound around the cylindrical core 3 so that the hollow fibers that are substantially parallel and adjacent to each other have a substantially constant interval. Thereby, the drift of blood can be suppressed more. Moreover, it is preferable that the distance between adjacent hollow fibers is 1/10 to 1/1 of the outer diameter of the hollow fibers. Furthermore, the distance between adjacent hollow fibers of the hollow fibers is preferably 30 μm to 200 μm, and particularly preferably 50 μm to 180 μm.
[0044]
As the material used for the heat exchange hollow fiber, metals such as stainless steel and aluminum, and polymer materials such as polyurethane, polypropylene, polyethylene and polyester are used. The outer diameter of the heat exchange layer 4 is preferably 20 to 100 mm, and the thickness is preferably 1 to 4.5 mm. The heat exchange layer 4 has a filling rate of the hollow fiber for heat exchange in the cylindrical space formed between the outer side surface of the cylindrical core and the inner side surface of the cylindrical heat exchange layer 4 of 60% to 80%. preferable. More preferably, it is 65 to 70%. That is, if it exceeds 80%, bubbles are difficult to escape, while if it is less than 60%, the heat exchange rate decreases.
[0045]
And after winding the hollow fiber of the heat exchange layer 4 around the cylindrical core 3, both ends are fixed to the cylindrical core 3 and the cylindrical outer housing 9 by the

partition walls

12 and 15, and both ends of the heat exchange layer 4 are fixed. Is disconnected. Note that the heat exchange layer 4 produced by the heat exchange layer forming apparatus as described above does not have both ends aligned because the traverse position differs depending on the layer. For this reason, it is necessary to cut the both ends of the formed heat exchange layer 4 at a portion where all the layers overlap. If all the layers are overlapped with each other, there is a hollow fiber whose end does not open unless it is cut.
[0046]
Both ends of the heat exchange layer 4 around which the artificial lung layer 6 is wound are fixed liquid-tightly to both ends of the cylindrical core 3 and the cylindrical outer housing 9 by the

partition walls

15 and 17, and the cylindrical hollow fiber outer surface A second blood chamber 18 that is an annular space (cylindrical space) is formed between the inner surface of the outer housing 9. The blood outflow port 10 formed on the side surface of the cylindrical outer housing 9 communicates with the second blood chamber 18. The

partition walls

12 and 15 are made of a potting material such as polyurethane or silicone rubber.
[0047]
Next, the operation of the external perfusion heat exchanger according to the present invention will be described.
[0048]
That is, as shown in FIG. 1, the refrigerant medium, for example, water that flows in from the heat transfer medium inlet 19 circulates inside the heat exchange hollow fiber of the heat exchange layer 4 and flows into the space in the inner housing 5. Then, it is discharged out of the system from the heat transfer medium outflow port 2. On the other hand, the blood flowing in from the blood inlet port 11 is heat-exchanged by the heat transfer medium while passing through the heat exchange layer 4. Subsequently, gas exchange is performed while passing through the artificial lung layer 6 to remove carbon dioxide in blood, and oxygen is introduced at the same time. Next, the gas-exchanged blood reaches the second blood chamber 18 and is discharged from the system through the blood outflow port 10.
[0049]
Gas flowing in from the gas inflow port 7, for example, pure oxygen or oxygen-containing gas, flows from the first gas chamber 16 through the gas exchange hollow fibers of the artificial lung layer 6 and reaches the second gas chamber 17. . During that time, the gas in the blood is exchanged. The gas that has reached the second gas chamber is discharged out of the system through the gas outflow port 8.
[0050]
In addition, as a forming material of the cylindrical inner and

outer housings

5, 9, the cylindrical core 3, the first and

second headers

20, 21, etc., polyolefin (for example, polyethylene, polypropylene), ester-based resin (for example, Polyethylene terephthalate), styrene resins (for example, polystyrene, MS resin, MBS resin), polycarbonate, and the like can be used.
[0051]
Furthermore, the blood contact surface is preferably an antithrombotic surface. An antithrombotic surface can be formed by coating an antithrombotic material on the surface and further fixing. As the antithrombotic material, heparin, urokinase, hydroxyethyl methacrylate-styrene-hydroxyethyl methacrylate copolymer, poly (hydroxyethyl methacrylate) and the like can be used.
[0052]
【Example】
Next, specific examples and comparative examples of the external perfusion type heat exchanger of the present invention will be described.
[0053]
Example 1
In the external perfusion heat exchanger made of propylene as shown in FIG. 1, an inner diameter of 0.26 mm, an outer diameter of 0.32 mm, and a heat exchange hollow fiber are provided around the cylindrical core 3 having an outer diameter of 84 mm as shown in FIG. Using the heat exchange layer forming apparatus as shown in FIG. 7, the gap between the four hollow fibers is wound at 100 μm, and the gap between the adjacent hollow fibers is also the same as the previously wound hollow fiber gap. Thus, the hollow fiber was wound so that the interval between adjacent hollow fibers was constant, and a hollow fiber bundle for heat exchange was produced. When winding the hollow fiber on the cylindrical core, the rotating body for rotating the cylindrical core and the winder for weaving the hollow fiber are moved by the following formula, and the winder is continuously moved in a small amount in the axial direction, As shown in Fig. 5, the position width of the crossing is changed within ± 2.5mm so that it becomes 1 set with 0.75 layers, 13.3 sets in total, 10 layers, filling rate 68%, heat exchange 0.13m area ² A hollow fiber heat exchange layer was prepared.
[0054]
At this time, the thickness of the heat exchange layer was 3 mm, and the blood filling amount was 10.5 ml.
[0055]
[Expression 4]

[0056]
Next, a porous hollow fiber made of polypropylene having an inner diameter of 260 μm, an outer diameter of 320 μm, and a porosity of about 40% is wound around the outer peripheral portion (outer diameter of 87 mm) by the same device, and 46.5 sets in total, the number of layers. 35, filling rate 65, gas exchange area 0.5m ² An artificial lung layer was created.
[0057]
Then, both ends of the heat exchange layer and the artificial lung layer are fixed to both ends of the cylindrical outer housing body together with the cylindrical core with a potting material, and the fixed heat exchange layer and Both ends of the oxygenator were cut. And the 1st header and 2nd header which were mentioned above were attached to the both ends of a cylindrical housing, and the external perfusion type heat exchanger of a structure as shown in FIG. 1 was produced. The effective length at this time was 18 mm.
[0058]
Comparative Example 1
In the external perfusion heat exchanger of Example 1, instead of the heat exchange layer 4, the plate thickness is 0.4mm, the number of peaks is 8, the inner diameter is 50mm, the outer diameter is 75mm, the peak height is 12.5mm, and the heat transfer area is 0.04m. ² External perfusion type in the same manner as in Example 1 except that a stainless steel bellows type heat exchanger was used and the blood filling amount (13.3 ml between the bellows portion filling amount and 6 ml = 19.3 ml between the artificial lung fiber layers) was used. A heat exchanger was obtained.
[0059]
(Experiment)
About the heat exchanger of Example 1 and the comparative example 1 which were produced as mentioned above, the following experiment was conducted using cow blood. For bovine blood, standard venous blood as defined by Association for the Advancement of Medical Instrumentation (AAMI) was used, and an anticoagulant added thereto was perfused into each oxygenator at a flow rate of 7 L / min. For each oxygenator, blood is collected in the vicinity of the blood inflow port and the blood outflow port, and the relationship between the blood flow rate Qb (liter / min) and the heat exchange rate coefficient PF at Qw = 15 liter / min (see FIG. 8) and the relationship between blood flow rate Qb (liter / min) and blood side pressure loss (mmHg) (FIG. 9).
[0060]
【The invention's effect】
As described above, the external perfusion type heat exchanger according to the present invention has a gas exchange hollow on a heat exchange layer composed of a heat exchange hollow fiber layer in which a heat exchange hollow fiber is wound on a cylindrical core. Since the artificial lung layer around which the yarn is wound is provided, it is possible to remove the air bubbles in the heat exchanger layer by quickly contacting the artificial lung layer. Further, since the thickness of the heat exchanger is 5 mm or less, the bubbles are not completely removed and no block is generated. Furthermore, since the outer diameter of the hollow fiber is 0.25 to 0.5 mm, a sufficient heat transfer area can be taken.
[0061]
Further, since the heat exchanger is wound with the heat exchange hollow fiber by a specific method, the heat exchange layer is wound around the cylindrical core in succession, so that the outer peripheral surface of the cylindrical core is The heat exchange hollow fiber layer extending in a multi-layered state is further provided, and the heat exchange layer further includes an intersecting portion where the hollow fibers intersect in the vicinity of the longitudinal center of the cylindrical core. Since the position of the part is different from the part of the hollow fiber layer so that the other crossing part does not directly overlap the crossing part or another crossing part does not overlap the crossing part. In the heat exchange layer, a blood short circuit caused by the intersection is rarely formed, and has a high heat exchange capacity.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an example of an external perfusion heat exchanger according to the present invention.
FIG. 2 is an explanatory diagram showing a state of a heat exchange layer of the external perfusion type heat exchanger shown in FIG.
FIG. 3 is an explanatory diagram for explaining a crossing portion of an example heat exchange layer used in the external perfusion heat exchanger according to the present invention.
FIG. 4 is an explanatory diagram for explaining a crossing portion of another example of the heat exchange layer used in the external perfusion type heat exchanger according to the present invention.
FIG. 5 is an explanatory diagram for explaining a crossing portion of another example of the heat exchange layer used in the external perfusion type heat exchanger according to the present invention.
FIG. 6 is an explanatory diagram for explaining an example of a heat exchange layer forming apparatus used in the external perfusion type heat exchanger according to the present invention.
FIG. 7 is an explanatory diagram for explaining another example of the heat exchange layer forming apparatus used in the external perfusion type heat exchanger according to the present invention.
FIG. 8 is a graph showing the relationship between blood flow rate and heat exchange efficiency coefficient when using an external perfusion heat exchanger according to the present invention and a conventional bellows heat exchanger.
FIG. 9 is a graph showing the relationship between blood flow rate and blood side pressure loss when using an external perfusion type heat exchanger according to the present invention and a conventional bellows type heat exchanger.
[Explanation of symbols]
1 ... External perfusion heat exchanger,
2 ... Heat transfer medium outflow port,
3 ... cylindrical core,
4 ... heat exchange layer,
5 ... Inner housing,
6 ... Artificial lung layer,
9 ... External housing,
10 ... Blood outflow port,
11 ... Blood inflow port,
12, 15 ... partition wall,
16 ... Gas chamber,
17 ... Gas chamber,
18 ... Second blood chamber.

Claims

筒状コアと、該筒状コアの外表面に複数回巻き付けられた熱交換用中空糸からなる熱交換層を有する外部潅流型熱交換器であって、該熱交換器の外周に巻き付けられたガス交換用中空糸膜からなる人工肺層を備え、前記熱交換層は、前記熱交換用中空糸が交差する複数の交差部を有し、少なくとも１つの前記交差部は、前記熱交換層の厚さ方向に隣接する他の交差部と重なり合わないことを特徴とする外部潅流型熱交換器。 An external perfusion type heat exchanger having a cylindrical core and a heat exchange layer made of a hollow fiber for heat exchange wound around the outer surface of the cylindrical core a plurality of times, wound around the outer periphery of the heat exchanger An artificial lung layer comprising a gas exchange hollow fiber membrane , wherein the heat exchange layer has a plurality of intersections where the heat exchange hollow fibers intersect, and at least one of the intersections of the heat exchange layer An external perfusion heat exchanger characterized by not overlapping with other intersections adjacent in the thickness direction .

前記交差部の位置は、前記熱交換層の厚さ方向の中心線に対して連続して変化する請求項１に記載の外部潅流型熱交換器。The external perfusion type heat exchanger according to claim 1 , wherein the position of the intersecting portion continuously changes with respect to a center line in the thickness direction of the heat exchange layer .

前記交差部の位置は、前記熱交換層の厚さ方向の中心線に対してステップ的に変化する請求項１に記載の外部潅流型熱交換器。The external perfusion heat exchanger according to claim 1, wherein the position of the intersecting portion changes stepwise with respect to a center line in the thickness direction of the heat exchange layer .

前記交差部の位置は、前記熱交換層の厚さ方向の中心線を中心に１００ｍｍ以内である請求項１ないし３のいずれかに記載の外部潅流型熱交換器。The external perfusion type heat exchanger according to any one of claims 1 to 3 , wherein a position of the intersecting portion is within 100 mm centering on a center line in a thickness direction of the heat exchange layer .

前記複数の交差部間の最大離間距離が、３〜８０ｍｍである請求項１ないし４のいずれかに記載の外部潅流型熱交換器。The external perfusion type heat exchanger according to any one of claims 1 to 4, wherein a maximum separation distance between the plurality of intersections is 3 to 80 mm .

人工肺を備える外部潅流型熱交換器であって、伝熱媒体流出（または流入）ポートおよび血液流入（または流出）ポートを備えた筒状コアと、該筒状コアの外表面に複数回巻き付けられた熱交換用中空糸からなる熱交換層と、伝熱媒体流入（または流出）ポートを備え、該熱交換層を収納する内部ハウジングと、該熱交換層の外周に巻き付けられたガス交換用中空糸膜からなる人工肺層と、血液流入（または流出）ポートを備え、前記熱交換層および前記人工肺層を収納する外部ハウジングと、ガス流入（または流出）ポートを備えた第１のヘッダーと、ガス流出（または流入）ポートを備えた第２のヘッダーと、を有し、前記熱交換層は、前記熱交換用中空糸が交差する複数の交差部を有し、少なくとも１つの前記交差部は、前記熱交換層の厚さ方向に隣接する他の交差部と重なり合わないことを特徴とする外部潅流型熱交換器。An external perfusion heat exchanger having an oxygenator, a cylindrical core having a heat transfer medium outflow (or inflow) port and a blood inflow (or outflow) port, and wound around the outer surface of the cylindrical core a plurality of times A heat exchange layer made of a hollow fiber for heat exchange, a heat transfer medium inflow (or outflow) port, an internal housing for housing the heat exchange layer, and a gas exchange wound around the outer periphery of the heat exchange layer An artificial lung layer made of a hollow fiber membrane, a blood inflow (or outflow) port, an external housing for housing the heat exchange layer and the artificial lung layer, and a first header having a gas inflow (or outflow) port And a second header having a gas outflow (or inflow) port , wherein the heat exchange layer has a plurality of intersections where the heat exchange hollow fibers intersect, and at least one of the intersections Part is the heat exchange layer External perfusion type heat exchanger, characterized in that non-overlapping with other intersections adjacent in the thickness direction.