專利名稱：透析系統(tǒng)的制作方法
透析系統(tǒng)
相關(guān)申請
本申請與下列美國專利申請相關(guān):(I)以M.Kevin Drost、Goranjovanovic、ToddMiller、James R.Curtis、Bruce Johnson、AlanaWarner-Tuhy、Eric Anderson 和 JulieWrazel的名義，在2010年6月7日提交的題為“Microf luidic Decives (微流體裝置)”的美國專利申請(代理人案號245-83052-02)，其要求2009年6月24日提交的美國臨時專利申請系列號 61/220, 117 的優(yōu)先權(quán)；(2)以 James R.Curtis、LadislausF.Nonn 和 JulieWrazel 的名義，在 2010 年 6 月 7 日提交的題為 “DialysisSystem With UltrafiltrationControl (具有超濾控制的透析系統(tǒng))”的美國專利申請，其要求2009年12月5日提交的美國臨時專利申請系列號61/267，043的優(yōu)先權(quán);以及(3)以Richard B.Peterson、JamesR.Curtis、Hailei Wang、Robbie Ingram-Gobel、Luke W.Fisher 和 Anna E.Garrison 的名義,在2010年6月7日提交的題為“Fluid Purification System(流體凈化系統(tǒng))”的美國專利申請(代理人案號245-84705-01)。上述專利申請的公開的全部內(nèi)容通過引用被并入本文。技術(shù)領(lǐng)域
本公開涉及能夠與透析液流和血流流體聯(lián)接的透析系統(tǒng)，例如微流體或流場透析器，以及使用所述透析系統(tǒng)的方法。
背景技術(shù)：
在美國，目前有成千上萬患有晚期腎病的患者。大多數(shù)這些患者需要透析才能存活。美國腎臟數(shù)據(jù)系統(tǒng)估計，到2012年，在美國進行透析的患者數(shù)目將上升至超過600，000人。許多患者在透析中心接受透析治療，透析中心可以為患者設(shè)置要求高、限制性且繁瑣的時間表。在中心接受透析的患者通常必須每周前往中心至少三次，并且每次在從他們的血液過濾毒素和過量流體時必須在椅子上坐3至4小時。在治療后，患者必須等待針刺部位停止流血和血壓恢復(fù)正常，這從他們每日生活中的其它更令人愉悅的活動中剝奪了甚至更多的時間。此外，在中心，患者必須遵從不能通融的時間表，因為通常的中心在一天時間中治療3至5輪患者。結(jié)果，許多每周透析三次的人抱怨在治療后至少幾小時感到筋疲力盡。
由于在中心透析的要求高的特性，許多患者已經(jīng)轉(zhuǎn)向?qū)⒓彝ネ肝鲎鳛橐环N選擇。家庭透析為患者提供了時間安排的靈活性，因為它允許患者選擇治療時間以配合其它活動，例如工作或照顧家人。不幸的是，目前的透析系統(tǒng)一般不適于在患者家中使用。其一個原因在于目前的系統(tǒng)對于在普通家中安裝來說過于龐大和笨重。此外，目前的透析系統(tǒng)能量效率低，因為它們使用大量能量，并且需要大量水才能正確使用。盡管有一些家用透析系統(tǒng)可用，但它們一般使用復(fù)雜的制造起來相對昂貴的流動平衡技術(shù)，并且大多數(shù)系統(tǒng)被設(shè)計成具有電磁閥系統(tǒng)，該電磁閥系統(tǒng)產(chǎn)生高噪音水平。結(jié)果，大多數(shù)透析治療在透析中心進行。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述，對于適合于在家中使用的用于每日使用或夜間使用的改進的透析系統(tǒng)存在著需求。本發(fā)明公開了一種透析系統(tǒng)，其更小，更便攜，消耗更少的水，該透析系統(tǒng)利用與目前在現(xiàn)有透析系統(tǒng)中所使用的相比低得多的透析液和血液流量，并且與現(xiàn)有系統(tǒng)相比能夠?qū)Τ瑸V和透濾水平進行更好的控制。所述系統(tǒng)相對于現(xiàn)有系統(tǒng)緊湊且重量輕，并消耗相對低的能量。所述系統(tǒng)能夠連接到住宅水源(例如打開的水龍頭，以提供連續(xù)或半連續(xù)家用水流)，并能產(chǎn)生實時巴氏消毒的水以用于家庭透析，而不需加熱和冷卻大的、分批的水量。在一個方面中，公開了一種醫(yī)療系統(tǒng)，包含:過濾系統(tǒng)，該過濾系統(tǒng)能夠過濾水流；水凈化系統(tǒng)，該水凈化系統(tǒng)能夠以非分批處理方式凈化所述水流；混合系統(tǒng)，該混合系統(tǒng)能夠通過以非分批處理方式將一種或更多種透析液組分與所述水流進行混合以產(chǎn)生透析液流；以及透析器系統(tǒng)，該透析器系統(tǒng)包含:微流體透析器，該微流體透析器能夠與透析液流和血流流體聯(lián)接，所述透析器具有從所述血流分離透析液流的膜，所述膜促進血流的透析；多個泵，該多個泵能夠?qū)⑼肝鲆毫鞅眠^所述透析器；以及控制器，該控制器與所述多個泵操作性聯(lián)接，控制器能夠控制透析液流通過所述多個泵中的一個或更多個的流量，以便在所述血流經(jīng)歷透析時對所述血流執(zhí)行超濾和血液透析濾過中的一個或兩個過程。在另一方面中，公開了一種透析系統(tǒng)，所述透析系統(tǒng)包含:水凈化系統(tǒng)，該水凈化系統(tǒng)適合于以非分批處理方式處理水源例如家用水流，以產(chǎn)生超高溫巴氏消毒的水流；透析液制備系統(tǒng)，該透析液制備系統(tǒng)適合于將所述超高溫巴氏消毒的水流與透析液組分進行混合以產(chǎn)生透析液；以及透析器，該透析器具有血液流過的血液流動路徑和透析液流過的透析液流動路徑，透析器適合于對血液執(zhí)行透析。其它特點和優(yōu)點將從下面各種實施例的描述變得顯而易見，所述實施例示例說明了所公開的裝置和方法的原理。


圖1示出了透析系統(tǒng)的高度示意性圖。圖2示出了透析系統(tǒng)的水凈化系統(tǒng)的高度示意性圖。圖3示出了微流體熱交換系統(tǒng)的示例性實施例的示意性平面視圖，所述微流體熱交換系統(tǒng)適合于加熱和冷卻單一流體，而不使用第二流體流向流體添加熱量或從流體移除熱量。圖4A示出了入口層板的示例性實施例，所述入口層板形成至少一個入口路徑，在該至少一個入口路徑處流體以向內(nèi)方向流過熱交換系統(tǒng)。圖4B示出了出口層板的示例性實施例，所述出口層板形成至少一個出口路徑，在該至少一個出口路徑處流體以向外方向流過熱交換系統(tǒng)。圖4C示出了彼此重疊的入口層板和出口層板，示出了入口路徑和出口路徑兩者。圖5示出了入口層板的入口區(qū)域的放大圖。圖6示出了入口層板的加熱器區(qū)域的放大圖。圖7示出了入口層板和出口層板兩者的停留室的放大圖。圖8A示出了入口層板的另一實施例的平面視圖。
圖8B示出了出口層板的另一實施例的平面視圖。
圖9示出了示例性層板堆的透視圖。
圖10示出了組裝的微流體熱交換系統(tǒng)的實例的透視圖。
圖11示出了與微流體熱交換系統(tǒng)聯(lián)接的示例性加熱器控制系統(tǒng)的示意圖。
圖12示出了用于微流體熱交換系統(tǒng)的流動路徑的另一示例性實施例的示意性平面視圖。
圖13A示出了入口層板的另一實施例，所述入口層板形成入口路徑，在該入口路徑處流體以向內(nèi)方向流過熱交換系統(tǒng)。
圖13B示出了出口層板的另一實施例，所述出口層板形成出口路徑，在該出口路徑處流體以向外方向流過熱交換系統(tǒng)。
圖14示出了示例性加熱器控制系統(tǒng)的示意圖。
圖15示出了透析系統(tǒng)的透析液制備系統(tǒng)的高度示意性圖。
圖16是透析系統(tǒng)的透析器的示意性橫截面圖。
圖17示出了流動平衡系統(tǒng)的示意圖。
圖18不出了流動平衡系統(tǒng)的另一實施例的不意圖。
圖19示出了以校準(zhǔn)模式運行的流動平衡系統(tǒng)的示意圖。
圖20示出了以透析模式運行的流動平衡系統(tǒng)的示意圖。
圖21是有通流通過的微流體傳遞裝置的示意圖。
圖22是微流體傳遞裝置的單層的一個實施例的透視圖。
圖23是具有壁片段支承件的微流體流場的平面視圖。
圖24是具有成角度的壁片段的微流體流場的平面視圖。
圖25是具有成角度的壁片段的流場的并置的示意性平面視圖。
圖26A是具有圓柱形支承件的微流體流場的平面視圖。
圖26B示出了一對圓柱形支承件的頂視圖。
圖26C示出了一對圓柱形支承件的側(cè)視圖。
圖27是具有淚滴狀支承結(jié)構(gòu)的微流體流場的特寫平面視圖。
圖28是具有梯度支承結(jié)構(gòu)密度和尺寸的微流體流場的特寫平面視圖。
圖29是具有隨機分布的支承結(jié)構(gòu)的微流體流場的特寫平面視圖。
圖30是組裝裝置的局部透視圖，示出了流體入口和出口。
圖31是具有附接的流體集流管的兩個合并的組裝裝置的透視圖。
圖32是具有單側(cè)層板的微流體傳遞裝置的一個實施例的組裝圖。
圖33是層板的一個實施例的平面視圖。
圖34是圖26中示出的組裝裝置的透視圖。
圖35是圖26的裝置中的內(nèi)部流體流動路徑的細節(jié)圖。
圖36是相鄰層的具有橫流的流體集流管和微通道的并置的示意性平面視圖。
圖37是具有圖23中示出的流場的相鄰層的并置的局部示意性平面視圖。
圖38是具有單側(cè)鏡像設(shè)計的一個實施例的內(nèi)部流體流動路徑的細節(jié)圖。
圖39是具有帶有平行微通道的單側(cè)鏡像設(shè)計的一個實施例的流體流動路徑的細節(jié)透視圖。
圖40是具有雙側(cè)層板的微流體傳遞裝置的一個實施例的局部組裝圖。
圖41是雙側(cè)層板的平面視圖。
圖42是傳遞層的平面視圖。
圖43是具有雙側(cè)層板的微流體傳遞裝置的流動路徑的細節(jié)圖。
圖44是具有帶有橫流的雙側(cè)層板的微流體傳遞裝置的流動路徑的細節(jié)圖。
圖45是具有貫通微通道的層板的平面視圖。
圖46是具有帶側(cè)面支承件的貫通微通道的層板的細節(jié)平面視圖。
圖47是具有帶有人字形圖案的貫通微通道的層板的細節(jié)平面視圖。
圖48是具有帶有人字形圖案的貫通微通道的層板的細節(jié)透視圖。
圖49是具有貫通層板的微流體傳遞裝置的組裝圖。
圖50是具有貫通層板的裝置的流體流動路徑的細節(jié)圖。
圖51是具有交替的平行和正交貫通微通道的裝置的透視圖。
圖52是結(jié)合有流體膜的子單元的層的并置的平面視圖。
圖53是具有流體膜的裝置的示意圖。
圖54是具有燃料電池的裝置的示意圖。
圖55是不具有集流管區(qū)域的流場透析器層板的實施方例的平面視圖。
圖56是不具有集流管區(qū)域的流場透析器層板的另一實施例的平面視圖。
圖57是用于形成流場的激光的路徑的示意平面視圖。
圖58是層板中與激光形成的通道交叉的部分的放大圖。
圖59是層板表面的放大圖，示出了起伏不平的通道和在通道之間形成的銷釘。
圖60是其中交替的無集流管層板以交叉流方式堆疊的實施例。
具體實施方式
為了促進對本公開原理的理解，參考本文中示出的附圖和實施例。然而，應(yīng)該理解，附圖是說明性的，并且不旨在據(jù)此限制本公開的范圍。在示出的實施例中任何這樣的改變和進一步修改，以及本文中所示的本公開原理的任何這樣的進一步應(yīng)用對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說是通常能夠想到的。
圖1示出了透析系統(tǒng)的高度示意性圖。透析系統(tǒng)包括多個子系統(tǒng)，該多個子系統(tǒng)共同操作以接收并凈化水，使用該水制備透析液，并將透析液供應(yīng)到透析器，該透析器對患者的血液執(zhí)行各種不同類型的透析，例如血液透析、超濾和血液透析濾過。透析系統(tǒng)包括為水、透析液和血液流過透析系統(tǒng)提供流體路徑的管件，以及與管件對接以用于驅(qū)動流體流過該系統(tǒng)的一個或更多個泵。透析系統(tǒng)還可以包括一個或更多個傳感器，例如流體流動傳感器、壓力傳感器、電導(dǎo)率傳感器等，以用于感測和報告流過系統(tǒng)的流體的一種或更多種特征。
在實施例中，整個透析系統(tǒng)(包括水制備和凈化系統(tǒng)、透析液制備系統(tǒng)、流動平衡器系統(tǒng)、透析器和硬件例如管件和傳感器)容納在單個緊湊且便攜的機殼中。此外，透析系統(tǒng)可以使用自來水，例如家庭或旅館房間中的自來水制備透析液。在實施例中，整個透析系統(tǒng)在干燥時占據(jù)不到約22"乘14"乘9"的空間，這一般對應(yīng)于航空公司對隨身攜帶行李的尺寸限制。在實施例中，整個透析系統(tǒng)在干燥時重量低于約50磅。
仍然參考圖1，透析系統(tǒng)包括凈化來自供水源7的水的水制備和凈化系統(tǒng)5。水凈化系統(tǒng)5將凈化的水供應(yīng)給透析液制備系統(tǒng)10，該透析液制備系統(tǒng)10使用凈化的水制備透析液。透析系統(tǒng)還包括透析器15，該透析器15從透析液制備系統(tǒng)10接收透析液并對患者的血液執(zhí)行透析。在實施例中，透析器15和透析液制備系統(tǒng)10兩者均與流動平衡器系統(tǒng)20對接，所述流動平衡器系統(tǒng)20調(diào)節(jié)透析液向透析器的流動，以實現(xiàn)不同類型的透析，包括血液透析、超濾和血液透析濾過，正如在下文詳細描述的。擴散是血液透析從血液中移除廢物例如尿素、肌酸酐、磷酸鹽和尿酸等的主要機理。透析器中透析液的化學(xué)成分與血液的化學(xué)成分之間的差異，引起廢物通過膜從血液擴散到透析液中。超濾是透析中使流體從血液跨過膜移動到透析液中的過程，典型地用于從患者血流移除過量流體的目的。一些溶質(zhì)也與水一起通過對流而不是擴散被抽過膜。超濾是透析器中血液隔室與透析液隔室之間的壓力差的結(jié)果，流體在透析器中從較高壓力向較低壓力移動。在一些情況下，由于設(shè)計或無意的結(jié)果，透析液隔室中的流體高于血液隔室，使得流體從透析液隔室移動到血液隔室中。這通常被稱為反向超濾。在血液透析濾過中，產(chǎn)生高于從患者血液移除流體所需的量的高水平超濾，以用于增加跨膜對流性溶質(zhì)運輸?shù)哪康?。因此，超過需要從患者血液移除的流體量必須被返回到血流，以避免不利的血液動力學(xué)反應(yīng)。這通過有意增加透析器的透析液隔室中的壓力以引起適量的反向超濾來實現(xiàn)。這種與反向超濾交替的超濾過程通常被稱為“推拉式血液透析濾過”。這與在透析器外部位置中將無菌流體給藥于患者的更常見的血液透析濾過方法相比，是顯著改進。在使用中，將患者與透析器15聯(lián)接，使得使用本領(lǐng)域的技術(shù)人員已知的裝置和技術(shù)使患者的血液流入和流出透析器15。透析系統(tǒng)使用來自于家用水源諸如自來水管的水來制備透析液，所述水在與各種透析液組分混合以制造透析液之前已經(jīng)通過過濾和凈化進行制備，然后將透析液流過與血液相連通的透析器，以便對血液執(zhí)行一種或更多種透析過程。水凈化系統(tǒng)包括多個子系統(tǒng)，該多個子系統(tǒng)共同操作以凈化水，包括對水進行巴氏消毒，正如下文中更充分描述的。然后將凈化的水與透析液濃縮物混合以形成透析液，將該透析液供應(yīng)給透析器15和流動平衡器系統(tǒng)，該流動平衡器系統(tǒng)調(diào)節(jié)透析液向透析器15的流動，以選擇性實現(xiàn)不同類型的透析，包括血液透析、超濾和血液透析濾過，正如下文中更充分描述的。透析系統(tǒng)將用過的透析液供應(yīng)到排液管25。在實施例中，在送往排液管之前，系統(tǒng)從用過的透析液重新捕集熱量。1.誘析系統(tǒng)的示例件子系統(tǒng)現(xiàn)在對透析系統(tǒng)的各種子系統(tǒng)的示例性實施例進行描述，所述子系統(tǒng)包括水凈化系統(tǒng)5、透析液制備系統(tǒng)10、透析器15和流動平衡器系統(tǒng)20。應(yīng)該認(rèn)識到，描述是示例性的并且改變是可能的。1.水凈化系統(tǒng)圖2示出了水凈化系統(tǒng)5的高度示意性圖。水凈化系統(tǒng)5包括每個均在圖2中示意顯示的多個子系統(tǒng)和/或部件。盡管描述在凈化水的情形中，但水凈化系統(tǒng)5也可用于凈化水之外的流體。水在進入位置105 (來自于圖1中的供水源7)處進入流體凈化系統(tǒng)，并在水沿著流動路徑流向透析液制備系統(tǒng)10時與每個子系統(tǒng)和部件相連通。子系統(tǒng)可以包括例如沉積物過濾系統(tǒng)115、碳過濾系統(tǒng)120、反滲透系統(tǒng)125、超濾系統(tǒng)130、輔助加熱器系統(tǒng)135、脫氣器系統(tǒng)140或任何其組合。
在離開流體凈化系統(tǒng)5之后和進入透析液制備系統(tǒng)10之前，流體處于凈化狀態(tài)。這優(yōu)選包括處于巴氏消毒狀態(tài)的流體，盡管流體系統(tǒng)不是必須在所有情況下對流體進行巴氏消毒。圖2中示出的實施例是示例性的，并且不是圖2中示出的所有部件都必須包含在水凈化系統(tǒng)5中。包含在系統(tǒng)中的單個部件可以隨著所需凈化或巴氏消毒的類型和水平而變。圖2中示出的沿著流動路徑的子系統(tǒng)的數(shù)量和順序是出于示例的目的，應(yīng)該認(rèn)識到改變是可能的。
現(xiàn)在描述使用流體凈化系統(tǒng)5凈化水的示例性方法，包括對通過系統(tǒng)的流體流動路徑的描述。正如提到過的，水經(jīng)由進入位置105進入水凈化系統(tǒng)5。進入位置可以包括三通閥，該三通閥可以被設(shè)置成使得從至少兩個水源之一接收輸入水。一個這樣的水源可以是家用水龍頭?？蛇x地，閥可以被設(shè)置成接受重循環(huán)水，該重循環(huán)水以前流過水凈化系統(tǒng)5并被重新導(dǎo)回到系統(tǒng)中以例如沖洗系統(tǒng)。當(dāng)閥被設(shè)置成接收重循環(huán)水時，重循環(huán)水在流過水凈化系統(tǒng)5時可以繞過一個或更多個子系統(tǒng)。
當(dāng)閥被設(shè)置成從家用水龍頭接收水時，輸入水首先流過至少一個沉積物過濾系統(tǒng)115，該沉積物過濾系統(tǒng)115包括從流經(jīng)沉積物過濾器的水中過濾沉積物的一個或更多個沉積物過濾器。在實施例中，沉積物過濾器115移除小至5微米或甚至I微米的顆粒狀物質(zhì)?？梢詫毫鞲衅髦糜诔练e物過濾器上游，并且壓力傳感器也可以置于沉積物過濾器下游，以監(jiān)測流動狀態(tài)。此外，流動路徑可以包括一個或更多個壓力調(diào)節(jié)器，該壓力調(diào)節(jié)器被構(gòu)造成調(diào)節(jié)流體壓力以獲得通過系統(tǒng)的所需流量。壓力調(diào)節(jié)器可用于補償具有高于或低于所需范圍的流量的家用自來水。
水然后流過碳過濾系統(tǒng)120，該碳過濾系統(tǒng)120包括從水中過濾諸如有機化學(xué)物、氯和氯胺的物質(zhì)的一個或更多個碳過濾器。在實施例中，碳過濾系統(tǒng)120包括兩個碳過濾器，該碳過濾器具有位于碳過濾器之間的流動路徑中的樣品端口。樣品端口為操作者提供了獲取流過系統(tǒng)的水的途徑，以用于例如質(zhì)量控制目的。在實施例中，將至少一個壓力傳感器和至少一個電導(dǎo)率傳感器置于碳過濾系統(tǒng)120下游的流動路徑中。電導(dǎo)率傳感器提供從水中移除的溶解固體物的百分率的指示。此外，可以將一個或更多個泵置于沿著水流動路徑的不同位置處，例如在過濾子系統(tǒng)之間。
水從碳過濾系統(tǒng)120流向反滲透系統(tǒng)125，所述反滲透系統(tǒng)被構(gòu)造成依照反滲透程序從水中移除粒子。反滲透系統(tǒng)125通常從水中移除超過95%的總?cè)芙夤腆w物。反滲透系統(tǒng)125可以具有兩個出口，包括廢水出口 126和純水出口 127。廢水出口 126輸出來自于反滲透系統(tǒng)125的廢水。可以將廢水重新導(dǎo)回到水路徑的上游位置中，以重新進入反滲透系統(tǒng)125中。就此而言,可以將傳感器例如電導(dǎo)率傳感器置于反滲透系統(tǒng)125的上游,作為驗證水的內(nèi)容物的裝置?？蛇x地，廢水出口 126可以將廢水供應(yīng)給排液管。
沉積物過濾系統(tǒng)115、碳過濾系統(tǒng)120和反滲透系統(tǒng)125共同形成預(yù)處理階段，該預(yù)處理階段從水中移除大部分存在的溶解固體物、細菌污染物和化學(xué)污染物。因此，水在離開預(yù)處理階段時處于或多或少宏觀凈化的狀態(tài)。因此，預(yù)處理階段向下游的泵并且也向?qū)λM行巴氏消毒的下游熱交換系統(tǒng)110供應(yīng)相對清潔的水。預(yù)處理階段降低或消除了熱交換系統(tǒng)110在對水進行加熱期間積累水垢和腐蝕的可能性。
可以將一個或更多個脫氣器系統(tǒng)140在流動路徑中置于熱交換系統(tǒng)110的上游和/或下游，以用于從水中移除夾帶的氣體。脫氣器系統(tǒng)140可以包括適合于從水中移除夾帶氣體的任何種類的部件。例如，脫氣器系統(tǒng)140可以包括噴射室和/或氣泡捕集器。在水通過預(yù)處理階段后，水流過泵150，該泵150將水泵入熱交換(HEX)系統(tǒng)110中。熱交換系統(tǒng)110將水加熱至實現(xiàn)水的巴氏消毒的溫度。在實施例中，熱交換系統(tǒng)110是微流體熱交換系統(tǒng)。下文中詳細描述了微流體熱交換系統(tǒng)的幾個示例性實施例。熱交換系統(tǒng)110可以被絕熱包覆，以降低流經(jīng)該熱交換系統(tǒng)110的水的熱量損失的可能性。泵150可用于將水壓增加至高于在熱交換系統(tǒng)110中遇到的飽和壓力的水平。這防止水在熱交換系統(tǒng)110內(nèi)部的相變。因此，如果在熱交換系統(tǒng)110中達到的最高溫度是150攝氏度，此時水將具有本領(lǐng)域的技術(shù)人員已知的飽和壓力，流出泵的水的壓力將超過飽和壓力一定的安全范圍例如lOpsi，以確保不發(fā)生相變。理想情況下，泵將水壓增加至等于或高于飽和壓力的水平，以確保沒有局部沸騰。這在將熱交換系統(tǒng)用于對水進行巴氏消毒，并且水暴露于可能高于138攝氏度，即顯著高于水在大氣壓下的沸點的高溫時，可能是重要的。在離開熱交換系統(tǒng)110后，水進入節(jié)流閥160例如限流器，該節(jié)流閥維持通過從泵150至熱交換系統(tǒng)110的出口的水路徑的壓力?？梢詫?jié)流閥160和泵150進行控制和調(diào)節(jié)，以獲得流量和所需的壓力配置。泵150和節(jié)流閥160可以在閉環(huán)系統(tǒng)中彼此相連通，以確保為所需流量和溫度維持所需壓力?？梢匝刂鵁峤粨Q系統(tǒng)下游的流動路徑放置一個或更多個溫度傳感器和/或流動傳感器，以用于控制泵150和節(jié)流閥160。在水離開節(jié)流閥160后，該水進入超濾(UF)系統(tǒng)130,該超濾系統(tǒng)130從水中移除大分子和所有或基本上所有通過巴氏消毒過程殺死的死細菌，以確保在混合透析液之前在水中沒有內(nèi)毒素殘留。大分子的存在對于透析過程可能是有害的。然后水通過加熱器系統(tǒng)135，如果需要或希望的話，該加熱器系統(tǒng)135可以將水加熱至所需溫度例如正常體溫(98.6華氏度)。從加熱器系統(tǒng)135，水進入透析液制備系統(tǒng)10。在實施例中，在加熱器系統(tǒng)135上游的流動路徑中放置第二熱交換系統(tǒng)。第二熱交換系統(tǒng)用于在水高于預(yù)定所需溫度例如37攝氏度的情況下進一步冷卻從熱交換系統(tǒng)110出來的水。第二熱交換系統(tǒng)可以與隨后用作冷卻劑的冷卻水的獨立源連接，或者第二熱交換系統(tǒng)可以與從反滲透系統(tǒng)125排出的水連接。在水源產(chǎn)生非常溫?zé)岬乃?或當(dāng)熱交換系統(tǒng)110不能充分冷卻水以用于透析的情形中，可以使用第二熱交換系統(tǒng)。2.微流體熱交換系統(tǒng)正如上面討論的，水凈化系統(tǒng)5可以使用適合于對水進行巴氏消毒的熱交換系統(tǒng)110。圖3示出了微流體熱交換系統(tǒng)110的示例性實施例的示意平面視圖，該微流體熱交換系統(tǒng)被構(gòu)造成不需第二流體流向液體(例如水)添加熱量或從液體移除熱量，即可實現(xiàn)流過微流體熱交換系統(tǒng)的液體的巴氏消毒。圖3是示意性的，并且應(yīng)該認(rèn)識到在流動路徑的實際構(gòu)造例如流動路徑的尺寸和形狀中，可以進行改變。正如下文更充分描述的，微流體熱交換系統(tǒng)定義了流體流動路徑，該流體流動路徑包括:(I)至少一個流體入口 ；(2)加熱器區(qū)域，其中通過至少一個加熱器將輸入流體加熱至巴氏消毒溫度；(3)停留室，其中流體在等于或高于巴氏消毒溫度下保留預(yù)定時間段；
(4)熱交換部分，其中輸入流體從較熱(相對于輸入流體)的輸出流體接收熱量,并且輸出流體在將熱量傳遞給輸入流體時冷卻；以及(5)流體出口，其中輸出流體以冷卻的、巴氏消毒過的狀態(tài)離開。取決于所需的輸出流體溫度，可以在下游使用一個或更多個附加熱交換，以將輸出流體的實際溫度調(diào)整到例如在透析中使用的所需溫度。在較溫暖的天氣下尤為如此，此時輸入水可能比在較寒冷天氣下供應(yīng)的水高數(shù)十度，這將產(chǎn)生比可能需要的溫度更高的出口溫度，除非進行進一步冷卻。
在實施例中，流動路徑至少部分由一個或更多個微通道形成，盡管將下面公開的微流體流場用于部分流體流動路徑例如熱交換部分也在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。相對減小的微通道尺寸，通過減小系統(tǒng)中的擴散路徑長度和反向流動路徑之間的物質(zhì)量，提高了熱交換系統(tǒng)的熱傳遞速率。在實施例中，微通道具有至少一個小于約ΙΟΟΟμπι的尺寸。微通道的尺寸可以改變，并且一般被改造成獲得所需的熱傳遞特征。水力直徑在約0.1至約Imm范圍內(nèi)的微通道獲得通過微通道的層狀流體流，特別是在微通道的熱交換區(qū)域中。小尺寸的微通道也允許熱交換系統(tǒng)110緊湊且重量輕。在實施例中，微通道形成在如下文中所述形成的以堆疊構(gòu)造布置的一個或更多個層板中。
微流體熱交換系統(tǒng)110的流動路徑可以布置成反向流動路徑構(gòu)造。也就是說，流動路徑被布置成使較冷的輸入流體以與較熱的輸出流體熱連通的方式流動。較熱的輸出流體將熱能傳遞給較冷的輸入流體，以協(xié)助加熱器將輸入流體加熱至巴氏消毒溫度。這種將輸入流體內(nèi)部預(yù)加熱至高于其入口處溫度的溫度，減少了加熱器為達到所需峰值溫度而使用的熱量。此外，熱能從輸出流體向輸入流體的傳遞，導(dǎo)致以前加熱過的輸出流體在通過流體出口離開之前被冷卻。因此，流體在進入微流體熱交換系統(tǒng)110時是“冷的”，然后在通過內(nèi)部流體路徑時被加熱(首先通過熱交換，然后通過加熱器)，并且在離開微流體熱交換系統(tǒng)110時再一次是“冷的”。換句話說，流體以第一溫度進入微流體熱交換系統(tǒng)110，并被加熱(通過熱交換和加熱器)至高于第一溫度的第二溫度。當(dāng)流體沿流出路徑前進時，流體(處于第二溫度)將熱量傳遞給輸入流體，使得流體下降至低于第二溫度并高于第一溫度的第三溫度。
現(xiàn)在參考圖3更詳細描述微流體熱交換系統(tǒng)110的流體路徑和相應(yīng)部件的示例性實施例，該圖顯示了刺刀式樣的熱交換器，該熱交換器具有在裝置一側(cè)上的入口和出口、中央熱交換部分和朝向相反端部的加熱部分。流體通過入口 282進入微流體熱交換系統(tǒng)110。在圖示的實施例中，流動路徑分支成一個或更多個內(nèi)流微通道284，該內(nèi)流微通道被放置成與外流微通道286成反向流動布置。正如提到過的，微流體熱交換系統(tǒng)110可以由分層層板的堆形成。內(nèi)流微通道284可以定位在對于外流微通道286來說分開的層中，使得內(nèi)流微通道284以交錯方式定位在外流微通道286上方或下方。在另一個實施例中，內(nèi)流微通道284和外流微通道286定位在單一層中。
外流微通道286與出口 288相連通。在圖示的實施例中，入口 282和出口 288位于微流體熱交換系統(tǒng)110的相同端上，盡管入口 282和出口 288也可以相對于彼此位于不同位置處。
反向流動布置將內(nèi)流微通道284置于與外流微通道286熱連通。就此而言，內(nèi)流微通道284中的流體可以沿著與外流微通道286中的流體流的方向矢量成約180度取向的方向矢量流動。內(nèi)流微通道和外流微通道也可以采取交叉流構(gòu)造，其中內(nèi)流微通道284中的流體可以沿著相對于外流微通道286中的流體流的方向矢量成約180度至約90度之間取向的方向矢量流動。內(nèi)流微通道相對于外流微通道的取向可以以被構(gòu)造用于實現(xiàn)內(nèi)流微通道與外流微通道之間的所需熱連通程度的任何形式進行改變。將一個或更多個加熱器292放置成與至少內(nèi)流微通道284熱連通，以便加熱器292能夠向在系統(tǒng)中流動的流體提供熱量。加熱器292可以放置在內(nèi)流微通道284內(nèi)部，使得流體必須在加熱器292的多個側(cè)面周圍流動?；蛘呖梢詫⒓訜崞?92放置在內(nèi)流微通道284的側(cè)面，使得流體沿著加熱器292的一個側(cè)面流動。在任一情形中，加熱器292向流體傳遞足夠熱量，以使流體溫度達到所需溫度，該所需溫度在水待凈化的情形中可以包括巴氏消毒溫度。在實施例中，流體是水，并且加熱器292協(xié)助將流體在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下加熱到至少100攝氏度的溫度。在實施例中，流體是水，并且加熱器292協(xié)助將流體加熱到至少120攝氏度的溫度。在實施例中，流體是水，并且加熱器292協(xié)助將流體加熱到至少130攝氏度的溫度。在實施例中，流體是水，并且加熱器292協(xié)助將流體加熱到至少138攝氏度的溫度。在另一實施例中，流體是水，并被加熱到約138攝氏度至約150攝氏度范圍內(nèi)的溫度。在另一實施例中，流體被加熱至不實現(xiàn)流體蒸發(fā)的可能的最高溫度。因此，微流體熱交換系統(tǒng)110可以將流體維持為單一相液體。由于水在100攝氏度左右通常從液相變成氣相，因此將水加熱至上面提到的溫度需要對熱交換系統(tǒng)加壓，以便在各處維持單一相液體。高于對應(yīng)于熱交換系統(tǒng)中的最高溫度的飽和壓力的壓力，足以將流體維持在液體狀態(tài)。作為安全范圍，通常將壓力保持在比飽和壓力高IOpsi或以上。在實施例中，將微流體熱交換系統(tǒng)中水的壓力保持在高于485kPa以防止水沸騰，并且可以維持在顯著超過該水平，例如620kPa或甚至高達900kPa，以便確保不發(fā)生沸騰。在熱交換系統(tǒng)中使用泵和節(jié)流閥來維持這些壓力。使用熱交換系統(tǒng)上游的泵和熱交換系統(tǒng)下游的節(jié)流閥，其中泵和節(jié)流閥以閉環(huán)控制設(shè)置(例如使用傳感器)來操作，以維持整個熱交換系統(tǒng)中的所需壓力和流量。一旦已經(jīng)將流體加熱至巴氏消毒溫度，流體進入停留室294，在該停留室294處流體保持被加熱至等于或高于巴氏消毒溫度預(yù)定量的時間，其被稱為“停留時間”，或者有時被稱為“停延時間”。在實施例中，取決于流動路徑長度或流體的流量，停延時間可以短于或等于I秒、在I至2秒之間或至少約2秒。較高的溫度在殺死細菌時更有效，較短的停留時間意味著更緊湊的裝置。被設(shè)計用于殺死細菌的所有菌落形成單位(CFU)，使其降低到低于10_6CFU/ml的濃度的超高溫巴氏消毒(例如用于凈化水以用于可注入透析液)，被限定為在水被加熱至138攝氏度至150攝氏度的溫度至少約2秒的停延時間時實現(xiàn)。超純透析液具有不超過0.lCFU/ml的細菌接種量。表I (在附圖中示出)指示了獲得各種巴氏消毒水平所需的溫度和停留時間。本文中描述的熱交換系統(tǒng)被構(gòu)造成獲得表I中示出的各種巴氏消毒水平。然后使流體從停留室294流向外流微通道286，在外流微通道處流體流向流體出口 288。正如提到的，外流微通道286被放置成與內(nèi)流微通道284成反向流動的關(guān)系并與內(nèi)流微通道284熱連通。通過這種方式，輸出流體(流過外流微通道286)與輸入流體(流過內(nèi)流微通道284)熱連通。當(dāng)加熱的流體流過外流微通道286時，來自于加熱流體的熱能傳遞給流過相鄰內(nèi)流微通道284的較冷流體。熱能的交換引起流體在流過外流微通道286時從其停留室溫度冷卻。此外，在到達加熱器292之前，輸入流體在流過內(nèi)流微通道284時通過熱交換被預(yù)加熱。在實施例中，外流微通道286中的流體被冷卻至不低于杜絕流體中細菌大量出現(xiàn)的最低可能溫度的溫度。當(dāng)熱交換系統(tǒng)對流體進行巴氏消毒時，當(dāng)流體流出熱交換系統(tǒng)時，低于所需凈化水平的流體中的細菌死亡。在這樣的情形中，流體在離開熱交換系統(tǒng)后的溫度，在透析中使用之前可以維持在室溫。在另一實施例中，離開熱交換系統(tǒng)的流體被冷卻至等于或低于正常體溫的溫度。
盡管在圖3中示出的實施例具有夾在內(nèi)流通道之間的出口通道，但其它通道布置也能夠?qū)崿F(xiàn)加熱器的所需加熱和冷卻程度和能量需求。然而，對于所有實施例來說共同的是，系統(tǒng)內(nèi)的所有流體路徑被設(shè)計成由單一流體通過，而不需要第二流體向單一流體添加熱量或從單一流體移除熱量。換句話說，單一流體依賴于自身，在流體路徑中的各種位置處加熱和冷卻自身。
微流體熱交換系統(tǒng)110的尺寸可以變化。在實施例中，微流體熱交換系統(tǒng)110小到足以握持在用戶手中。在另一實施例中，微流體熱交換系統(tǒng)110是在干燥時重量低于5磅的單個本體。在另一實施例中，整個系統(tǒng)110的微流體熱交換部分350具有約I立方英寸的體積?？梢詫ξ⒘黧w熱交換系統(tǒng)110的尺寸進行選擇，以獲得所需的溫度和停延時間特征。
正如提到的，實施例中的微流體熱交換系統(tǒng)110由多個層狀單元構(gòu)成，所述單元一個在另一個頂上堆疊以形成多層層板。所需的微流體流體流動路徑可以蝕刻在每個層板的表面中，以便當(dāng)層板一個在另一個頂上堆疊時，在層板之前形成微流體通道或流場。此夕卜，盲板蝕刻(blind etching)和貫穿蝕刻(through etching)兩者均用于在層板中形成通道。具體來說，貫穿蝕刻允許流體改變層板平面并移動到層板堆的其它層。在一個實施例中，這發(fā)生在內(nèi)流層板中流體進入加熱器部分的出口處，如下文所述。貫穿蝕刻允許加熱器部分周圍的所有層板參與流體的加熱，而不是僅將流體維持在入口層板的平面中。該實施例提供了更大的表面積和更低的總流體速度，以促進將流體加熱至所需溫度并最終對裝置的效率有貢獻。
從層板的盲板和/或貫穿蝕刻產(chǎn)生的微通道或流場形成了流體流動路徑。圖4A示出了入口層板305的示例性實施例的平面視圖，所述入口層板形成至少一個入口路徑，其中流體以向內(nèi)方向(由箭頭307所示)流過熱交換系統(tǒng)110。圖4B示出了出口層板310的示例性實施例的平面視圖，所述出口層板形成至少一個出口路徑，其中流體以向外方向(由箭頭312所示)流過熱交換系統(tǒng)110。入口路徑和出口路徑可以各自包含一個或更多個微通道。在實施例中，入口路徑和出口路徑包含以平行關(guān)系布置的多個微通道。
圖4A和圖4B示出了彼此相鄰放置的層板305和310，盡管在組裝的裝置中層板以交錯重疊方式一個堆疊在另一個頂上，并示出了入口路徑和出口路徑兩者。入口層板305和出口層板310 —個堆疊在另一個頂上，在它們之間具有流體導(dǎo)管，使得流體可以從入口路徑通過導(dǎo)管流向出口路徑，正如下文更充分描述的。當(dāng)堆疊時，傳遞層可以介于入口層板305與出口層板310之間。傳遞層被構(gòu)造成允許熱量從出口路徑中的流體傳遞到入口路徑中的流體。傳遞層可以是能夠以用于所需應(yīng)用的足夠速率將熱量從一種流體傳導(dǎo)到另一種流體的任何材料。相關(guān)因素包括但不限于熱傳遞層110的熱傳導(dǎo)率、熱傳遞層的厚度和所需的熱傳遞速率。適合的材料包括但不限于金屬、金屬合金、陶瓷、聚合物或其復(fù)合材料。適合的金屬包括但不限于不銹鋼、鐵、銅、鋁、鎳、鈦、金、銀或錫，以及這些金屬的合金。銅可能是特別理想的材料。在另一實施例中，在入口層板和出口層板之間不存在傳遞層，層板本身用作流動路徑之間的熱傳遞層。
入口層板305和出口層板310兩者都包括至少一個入口開口 320和至少一個出口開口 325。當(dāng)入口層板305和出口層板310 —個在另一個頂上堆疊并適當(dāng)對準(zhǔn)時，入口開口320對準(zhǔn)并共同形成通過堆延伸并與入口層板305的入口路徑相連通的流體路徑，如圖4C中所示。同樣地，出口開口 325也對準(zhǔn)并共同形成與出口層板310的出口路徑相連通的流體路徑?？梢詫⑷魏螖?shù)量的入口層板和出口層板堆疊，以形成用于熱交換系統(tǒng)110的多個入口路徑和出口路徑的層?？梢詫拥臄?shù)量進行選擇，以向微流體熱交換系統(tǒng)110提供預(yù)定的特征，例如改變流體中熱交換的量、能夠通過系統(tǒng)操縱的流體的流量等。在實施例中，熱交換系統(tǒng)110實現(xiàn)至少lOOml/min的輸入液體流量。在另一個實施例中,熱交換系統(tǒng)110實現(xiàn)至少1000ml/min的輸入液體流量。這樣的熱交換系統(tǒng)可以由多個層板制成，在所述層板中使用掩膜/化學(xué)蝕刻方法形成有微流體路徑。然后如下文中更詳細描述的，將層板擴散結(jié)合在堆中。在實施例中，堆包括40至50個層板，在每個層板上的流量為2-3ml/min。通過增加熱交換器內(nèi)堆疊層板對的數(shù)目，可以獲得更高的流量。在其它實施例中，可以通過系統(tǒng)操控高得多的流量。在操作中，流體經(jīng)由入口開口 320流入入口層板305的入口路徑。這參考圖5進行更詳細描述，圖5示出了入口層板305的入口區(qū)域的放大圖。入口開口 320與將流體導(dǎo)向入口路徑的入口導(dǎo)管405相連通。入口開口 320可以被構(gòu)造成具有相對于入口導(dǎo)管405的尺寸的預(yù)定的尺寸，所述入口導(dǎo)管可以具有2_的直徑。例如，在實施例中，入口開口 320具有相關(guān)的水力直徑，該水力直徑可以比入口導(dǎo)管405的水力直徑大約10至15倍。已發(fā)現(xiàn)，這樣的水力直徑比率迫使流體在多個入口層板之間相對均勻地分配。在另一實施例中，對于2mm寬的入口流動路徑來說，可以使用大于10: 1、例如15:1的水力直徑比率，以確保流體流在堆上的均勻分配。仍參考圖5，入口導(dǎo)管405的下游端部通到入口路徑中，所述入口路徑的尺寸相對于入口導(dǎo)管405的尺寸向外張開。就此而言，可以將一個或更多個流動分離引導(dǎo)器例如葉片410置于通向入口路徑的入口通道處。流動分離葉片的尺寸和形狀在流體從入口導(dǎo)管405流入入口路徑時促使流體的均勻分配。應(yīng)該認(rèn)識到，入口導(dǎo)管405和入口路徑的尺寸、形狀和輪廓可以改變，并且圖5中示出的實施例僅是示例性的。僅作為實例，系統(tǒng)的該區(qū)域也包含銷釘形構(gòu)件(如下所述)的流場，流體圍繞所述銷釘形構(gòu)件流動。再次參考圖4A，入口路徑和出口路徑各自包括熱交換區(qū)域。熱交換區(qū)域共同使用附圖標(biāo)記350指稱，并分別使用附圖標(biāo)記350a (用于入口路徑)和附圖標(biāo)記350b (用于出口路徑)指稱。熱交換區(qū)域350是入口路徑的較冷流體(相對于出口路徑中的流體)接收從出口路徑的較熱流體(相對于入口路徑中的流體)傳遞的熱量的位置。正如上面討論的，內(nèi)流路徑中相對較冷的流體被定位成以與外流路徑中相對較熱的流體熱連通的方式流動。在該分層實施例中，當(dāng)層板堆疊時，內(nèi)流路徑緊鄰?fù)饬髀窂降纳戏?或下方)放置。作為內(nèi)流路徑中的流體與外流路徑中的流體之間的溫度差和分隔兩個路徑的材料的熱傳導(dǎo)性的結(jié)果，熱量跨過傳遞層從外流路徑中的流體傳遞到內(nèi)流路徑中的流體。同樣地，除了包含一組微通道之外，熱交換區(qū)域也可以包含如上所述的微流體流場。仍參考圖4A，內(nèi)流路徑中的流體從熱交換區(qū)域350流入加熱器區(qū)域355中?？梢詫⒍鄠€銷釘357在入口流動路徑中置于熱交換區(qū)域350與加熱器區(qū)域355之間。銷釘357破壞流體流動并促進混合，其可以改善流體流動和熱分布兩者。圖6示出了加熱器區(qū)域355的放大圖。在實施例中，內(nèi)流路徑在加熱器區(qū)域355中分叉成至少兩個流動路徑，以適應(yīng)于所需流量?？蛇x地，可以利用僅通過加熱器區(qū)域的一個流動路徑，或者可以選擇三個或更多個流動路徑。加熱器區(qū)域355包括一個或更多個加熱器292，該加熱器與流過該區(qū)域的流體熱連通，但是與流動路徑密封隔離。加熱器292向輸入流體添加足以將流體的溫度升高至所需溫度的熱量，所需溫度可以包括巴氏消毒溫度。輸入流體之前在流過熱交換區(qū)域350時被預(yù)熱。這有利地降低了加熱器的能量需求。
堆中的層板可以包含在通往加熱器區(qū)域355的進入位置505處貫穿蝕刻，使得進入加熱器區(qū)域的流體可以通過堆中的所有層板。貫穿蝕刻允許加熱器部分周圍的所有層板參與流體的加熱，而不是僅將流體維持在入口層板的平面中。這在流體與加熱器之間提供了更大表面積，還提供了更低的總流體速度，以促進將流體加熱至所需溫度。
正如提到的，內(nèi)流路徑可以分叉成多個流動路徑。每個路徑可以包括布置在路徑內(nèi)的一個或更多個加熱器292，以便最大化或增加加熱器292與流過路徑的流體之間的表面區(qū)域接觸量。就此而言，加熱器292可以朝向路徑中間放置，使得流體必須沿著加熱器292周圍的半圓形或其它曲線路徑，在加熱器292任一側(cè)的周圍流動。加熱器292的構(gòu)造可以改變。在實施例中，加熱器292是具有1/8英寸直徑的常規(guī)的柱式加熱器，該柱式加熱器在實施例中可以以約70，000至110，000W/m2之間的組合流量運行，對于以約IOOmL/分鐘運行的整個堆來說，其在一個實施例中引起低于100W的能量使用，在另一實施例中引起低于200W的能量使用。在實施例中，系統(tǒng)使用每個流動路徑3個加熱器的構(gòu)造的六個加熱器，其中對于lOOml/min的流量來說每個加熱器使用約701在實施例中，迫使流體在1.6mm寬的路徑中在加熱器周圍流動。
再次參考圖4A，內(nèi)流路徑從加熱器部分355過渡到停留室360。到流體流入停留室360時為止，作為熱交換區(qū)域350中的熱傳遞和/或在加熱器部分355中加熱的結(jié)果，流體已被加熱至所需溫度，例如巴氏消毒溫度。在將多個層板堆疊的情形中，停留室360可以是跨越堆中所有層板層的單個隔室，使得來自于每個入口層板的流體流入停留室360中的單一體積的流體中。停留室360被構(gòu)造成使得流體流動“捷徑”被消除，所有流體被迫通過流動路徑，使得在規(guī)定流量下流體的所有部分在停留室中駐留的時間不少于所需持續(xù)時間，并且流體在等于或高于巴氏消毒溫度下被維持流體在停留室360內(nèi)的時間長度(即停延時間)。事實上，停留時間是通過停留區(qū)域的流動路徑的尺寸和流量的結(jié)果。因此對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，如何為所需時間長度設(shè)計停留路徑將是顯而易見的。
圖7顯示了入口層板305和出口層板310的停留室360的區(qū)域的放大圖。為了清楚地進行說明，圖7示出了并列式放置的入口層板305和出口層板310，盡管在使用中將層板一個在另一個頂上堆疊以便使停留室對準(zhǔn)從而形成沿著堆向上跨越的停留室。在實施例中，停留室360包含蜿蜒的流動路徑，如圖7的停留室的放大圖所示。蜿蜒的流動路徑提供了更長的流動路徑以增加液體在停留室360內(nèi)花費足夠量時間的可能性。
在流體到達蜿蜒的流動路徑端部后，該流體通往出口層板310的出口路徑(在圖7中由箭頭610表示)?，F(xiàn)在參考圖4B，出口路徑在加熱器292之間通過，所述加熱器用作流體的絕熱體，以降低在流動路徑的該階段處流體失去熱量的可能性。出口路徑的加熱的流體然后流向熱交換區(qū)域350b。在到達熱交換區(qū)域350b之前，出口流動路徑擴張。一組擴張的扇形物367引導(dǎo)流體進入出口路徑的擴張的熱交換區(qū)域350b，其中流體與內(nèi)流路徑中的較冷流體熱連通。正如討論過的，來自較熱的外流路徑中的流體的熱量傳遞給內(nèi)流路徑中較冷的流體。這引起外流流體的冷卻和內(nèi)流流體的加熱。流體然后從熱交換區(qū)域350b流向出口開口 325。在該階段處，流體處于冷卻的巴氏消毒過的狀態(tài)。在實施例中，利用了厚度為350微米，具有175微米的蝕刻深度，具有水力直徑為327微米的2.5mm寬的通道的層板。每對層板能夠操縱約3.3mL/min的流體的流體流量，因此為了促進100mL/min的流量需要30對層板，該層板具有僅15mm長的熱交換部分。在實施例中，流體流路被設(shè)計成光滑、大幅度弧線型曲線，并基本上沿著堆的縱軸對稱設(shè)計；如果流動路徑未被對稱設(shè)計，則該流動路徑被設(shè)計成最小化路徑線或長度的差異，以便均勻地分配流量、流體的加熱和各種停延時間?？梢詼p小熱交換部分中分隔通道的肋的寬度，這將具有增加可用熱傳遞面積和降低裝置的所需能量效率水平所需要的熱交換部分的長度的效應(yīng)?？梢垣@得至少約85%的能量效率水平，并且在一些實施例中可以獲得至少約90%的能量效率水平，這意味著來自于輸出流體的90%的熱能可以被傳遞到輸入流體流并被無損失地重新捕獲。通過該方式，熱交換系統(tǒng)可以被構(gòu)造成以所需流量連續(xù)地提供巴氏消毒的水以用于在透析系統(tǒng)中對透析液進行實時混合，而不需以分批的量加熱、凈化或儲存水，或提供成袋純水或預(yù)混透析液以被患者使用。水凈化系統(tǒng)以非分批處理方式處理水源例如家用水流，以產(chǎn)生超高溫巴氏消毒的水流。圖8A示出了入口層板705的另一實施例的平面視圖，所述入口層板形成至少一個入口路徑，其中流體以向內(nèi)方向(由箭頭707所示)流過熱交換系統(tǒng)110。圖8B示出了出口層板710的另一實施例的平面視圖，所述出口層板形成至少一個出口路徑，其中流體以向外方向(如箭頭712所示)流過熱交換系統(tǒng)110。該實施例中的流動路徑與圖4A和圖4B的實施例的流動路徑相比，總體上具有不同的輪廓。在實際使用中，入口層板705和出口層板710 一個在另一個上方堆疊。流體在入口 720處進入入口層板705的入口路徑。入口路徑然后在熱交換區(qū)域750a處分裂成多個路徑，熱交換區(qū)域750a與出口層板710的對應(yīng)熱交換區(qū)域750b熱連通。在另一實施例中，入口路徑?jīng)]有分裂成多個路徑而是保持單個路徑。入口路徑也可以至少部分由下面所述的一個或更多個微流體流場形成。在熱交換區(qū)域750a之后，入口路徑過渡到弧形加熱器區(qū)域760，該弧形加熱器區(qū)域760與加熱器765例如150瓦McMaster-Carr柱式加熱器(3618K451型)熱連通。加熱器區(qū)域用作加熱器765加熱流體的區(qū)域和流體在等于或高于所需溫度下保持加熱預(yù)定量時間的停留室。從入口層板705的加熱器區(qū)域760和停留室，流體在入口位置770處流向出口層板710。流體然后流入出口層板710的熱交換區(qū)域750b，在該熱交換區(qū)域750b處流體將熱量傳遞給流動通過入口層板705的熱交換區(qū)域750a的輸入流體。然后流體在出口 775處離開出口層板。在實施例中，層板705和710約為600 μ m厚，微流體流動路徑具有約400 μ m至600 μ m的深度。在本文公開的每個實施例中，流體流動路徑完全包圍每個加熱器，使得將熱量傳導(dǎo)離開加熱器的任何填隙材料有流體流過其上以接受熱量，從而最小化熱量向環(huán)境的損失。此外，理想情況下，每個加熱器周圍的流路相對狹窄，以避免由與加熱器分離所造成的不均勻加熱。正如提到的，微流體熱交換系統(tǒng)110可以由一個在另一個頂上堆疊并擴散結(jié)合的多個層板形成。與擴散結(jié)合相關(guān)的其它信息由美國專利申請?zhí)?1/897，998和12/238，404提供，其通過引用被并入本文。在實施例中，堆包括多組層板，每組包括與出口層板310并置的入口層板305。每組并置的入口層板和出口層板形成單個熱交換單元。因此，層板的堆可以包括多個熱交換單元，其中每個單元由與出口層板310聯(lián)接的入口層板305形成。每個層板的流動路徑可以通過在層板表面上蝕刻，例如通過僅在每個層板的一側(cè)上蝕刻來形成。當(dāng)層板并置時，層板的被蝕刻側(cè)抵靠相鄰的鄰近層板的未蝕刻側(cè)密封。這可以為輸入流體(其未巴氏消毒)和輸出流體(其被巴氏消毒)的熱交換和分離提供理想條件。
圖9示出了示例性的層板的堆805的透視圖。以在堆的各個水平高度處的部分截面示出了堆805，包括最上面的出口層板310、中間水平高度的入口層板305a和較低水平高度的入口層板305b。正如提到的，堆805由彼此交錯的交替的入口層板和出口層板形成。加熱器292被置于跨過堆805中所有層板延伸通過整個堆805的切口中。停留室360和對準(zhǔn)的入口開口 320和出口開口 325也延伸通過整個堆805。層板也可以包括一個或更多個孔810，該孔在層板堆疊時對準(zhǔn)以形成對準(zhǔn)柱可以插入通過的軸。
堆中層板的數(shù)量可以變化，以適應(yīng)于所需規(guī)格的微流體熱交換系統(tǒng)110，例如加熱規(guī)格。加熱規(guī)格可能取決于流體的流量、加熱器功率輸入、輸入流體的初始溫度等。在實施例中，堆805的長度小于約100mm，在其最寬尺寸處的寬度小于約50mm，深度小于約50mm，體積小于約250立方厘米，盡管尺寸可以變化。在另一實施例中，堆805長約82mm，在其最寬尺寸處寬約32mm，深度為26mm，體積約為69至70立方厘米，在干燥時重約5磅，盡管尺寸可以變化。
層板305和310可以是能夠被造型成具有用于特定應(yīng)用的特征結(jié)構(gòu)例如微通道的任何材料。層板的厚度可以變化。例如，層板可以具有約200μπι至約ΙΟΟμπι范圍內(nèi)的厚度。在另一實施例中，層板可以具有約500 μ m至約IOOym范圍內(nèi)的厚度。一些適合的層板材料包括但不限于聚合物和金屬。層板可以由任何可擴散結(jié)合的金屬包括不銹鋼、銅、鈦合金以及可擴散結(jié)合的塑料制造。由于所涉及的操作壓力和溫度，避免層板材料浸入到加熱流體例如水中的需要，以及在廢棄之前對該裝置多次使用的需要，已發(fā)現(xiàn)由不銹鋼例如316L不銹鋼制造熱交換系統(tǒng)被證明是足夠的，盡管只要能夠耐受操作條件而不降解，也可以使用其它材料。
以實現(xiàn)層板的適當(dāng)對準(zhǔn)的方式將層板堆疊。例如，當(dāng)適當(dāng)堆疊時，所有層板的入口開口 320對準(zhǔn)并共同形成用于流體流入系統(tǒng)的入口通道，出口開口 325對準(zhǔn)并共同形成出口通道，如圖9中所示。適當(dāng)對準(zhǔn)的層板堆也可以包括用于將加熱器292聯(lián)接在堆中的一個或更多個座?？梢允褂靡粋€或更多個特征結(jié)構(gòu)來協(xié)助堆中層板的適當(dāng)對準(zhǔn)，例如對準(zhǔn)柱和/或適當(dāng)對準(zhǔn)的目測指示物。堆可以包括位于最上方層板上的頂蓋和位于最下方層板上的底蓋。堆還可以包括外部絕熱包裝物以防止熱量向外部環(huán)境散失。
圖10示出了組裝的微流體熱交換系統(tǒng)110的實例的透視圖。入口 /出口層板的堆805包括化學(xué)蝕刻的上蓋和下蓋，上蓋和下蓋針對大氣密封堆805。這些蓋通常地比層板更厚，在實施例中可以厚約Imm或以上，以承受損傷和將流體維持在單一狀態(tài)下所需的操作壓力。將柱式加熱器292安裝在延伸通過整個堆805的空腔中。將板910緊固(例如通過螺栓)到堆，并提供將入口端口 915和出口端口 920緊固到堆805的裝置。入口端口 915和出口端口 920可以是具有內(nèi)部空腔的管路，該內(nèi)部空腔與入口開口 320和出口開口 325相連通。在組裝堆之前，每個層板的用于接受柱式加熱器的每個孔被設(shè)計成略微小于柱式加熱器本身的直徑。在組裝整個堆后，考慮到加熱器在操作期間的熱膨脹，將孔擴大以獲得孔內(nèi)徑與柱式加熱器外徑之間的間隙配合，以提供用于從加熱器向巴氏消毒器的最適熱量傳遞的均勻表面。如果在組裝之前相對于柱式加熱器的尺寸適當(dāng)?shù)匦纬擅總€填隙片中的孔的尺寸，則該方法避免了填隙片未對準(zhǔn)所伴隨的任何潛在問題。將第二板925也緊固到堆805。板925被用于將一個或更多個細長鎧裝熱電偶930聯(lián)接到堆805。熱電偶930延伸通過堆805，并在停留室區(qū)域中與堆805中的層板相連通，以用于監(jiān)測停留室中的流體溫度。插入到堆實心部分中的熱電偶利用了滑動配合進行安裝。進入到流體流動路徑中的熱電偶需要密封件以防止流體泄漏。在這些情況下，用于接受熱電偶的孔在組裝堆后通過放電加工(EDM)來產(chǎn)生，因為該技術(shù)與傳統(tǒng)鉆孔相比產(chǎn)生非常小的碎屑，該碎屑可以容易地從系統(tǒng)沖洗出去，而傳統(tǒng)鉆孔可能產(chǎn)生較大的阻斷一些流動路徑的碎屑。任何種類的密封構(gòu)件例如ο-型環(huán)或墊圈都可以與堆聯(lián)接，以提供與附接到堆的部件例如板910和925、熱電偶930、入口端口 915和出口端口 920的密封關(guān)系。應(yīng)該認(rèn)識至IJ，在圖10中示出的組裝的微流體熱交換系統(tǒng)110是一個實例，并且其它構(gòu)造是可能的。在示例性制造方法中，將層板堆定位在夾具或殼體中，然后放置在熱壓焊接機例如高溫真空壓機烤箱或惰性氣體爐中。機器產(chǎn)生使層板彼此物理結(jié)合的高溫高壓環(huán)境。在實施例中，可以通過從堆側(cè)面移除一些過量材料來降低整個堆的重量，從而排除矩形輪廓，有利地使用節(jié)省材料的多邊形輪廓。圖11示出了微流體熱交換系統(tǒng)110的另一示例性實施例的示意平面視圖。圖11是示意性的，并且應(yīng)該認(rèn)識到在流動路徑的實際構(gòu)造例如流動路徑的尺寸和形狀方面，可以進行改變。圖11的實施例包括由傳遞層1115隔開的第一流動路徑1110和第二流動路徑1105。流體在入口 1120處進入并在出口 1125處離開第一流動路徑。流體在入口 1130處進入并在出口 1135處離開第二流動路徑。以反向流動構(gòu)造布置第一流動路徑和第二流動路徑，使得流體以第一方向流過第一流動路徑1110，并且流體以與第一方向相反的方向流過第二流動路徑1105。就此而言，第一流動路徑1110的入口 1120與第二流動路徑1105的出口 1135位于裝置的相同側(cè)上。同樣地，第一流動路徑1110的出口 1125與第二流動路徑1105的入口 1130位于裝置的相同側(cè)上。流動路徑可以至少部分由一個或更多個微通道或流場形成。仍然參考圖11，流體在入口 1120處進入第一流動路徑1110并通過加熱器區(qū)域1140。加熱器被定位成與加熱器區(qū)域1140熱連通，以便將熱量輸入到通過加熱器區(qū)域1140的流體中。在通過加熱器區(qū)域1140之前，流體通過熱交換區(qū)域1145，所述熱交換區(qū)域1145與流經(jīng)第二流動路徑1105的流體熱連通(經(jīng)過傳遞層1115)。在實施例中，流過第二流動路徑1105的流體是先前離開第一流動路徑1110 (經(jīng)過出口 1125)并導(dǎo)入到第二流動路徑1105的入口 1130中的流體。當(dāng)先前加熱過的流體流過第二流動路徑1105時，熱能從第二流動路徑1105中的先前加熱過的流體傳遞到流過第一流動路徑1110的流體。通過該方式，第二流動路徑1105中的流體在第一流動路徑1110的熱交換區(qū)域1145中的流體到達加熱器區(qū)域1140之前對其進行預(yù)加熱。在加熱器區(qū)域1140中，加熱器提供足夠熱量以將流體加熱至所需溫度，該所需溫度可以是流體的巴氏消毒溫度。流體從加熱器區(qū)域1140流入停留室1150，流體在所述停留室中在等于或高于所需溫度下保持加熱一段停留時間。理想情況下，流體在停留室1150中時保持流動而不是停滯。流體從停留室1150通過出口 1125離開第一流動路徑1110，并導(dǎo)入到第二流動路徑1105的入口 1130中。
然后流體通過第二流動路徑1105流向出口 1135。正如提到過的，第二流動路徑1105至少在熱交換區(qū)域1145處與第一流動路徑1110熱連通。通過該方式，流過第二流動路徑1105的先前加熱過的流體與流過第一流動路徑1110的流體熱連通。當(dāng)先前加熱過的流體流過第二流動路徑1105時，來自于加熱流體的熱能傳遞到流過第一流動路徑1110的相鄰熱交換區(qū)域1145的流體。熱能的交換引起流體在流過第二流動路徑1105時從其停留溫度冷卻。在實施例中，第二流動路徑1105中的流體被冷卻至不低于杜絕流體中細菌大量出現(xiàn)的最低可能溫度的溫度。
在圖11裝置的另一實施例中，流入到第二流動路徑1105中的流體不是從第一流動路徑1110重新導(dǎo)回的流體，而是來自與第一流體流動路徑1110的源相同的源或不同的源的獨立流體流。第二流動路徑1105中的流體與第一流動路徑1110中的流體可以是相同類型，也可以不是相同類型。例如，水可以流過兩條路徑；或者水可以流過一條流動路徑，并且非水流體可以流過另一條流動路徑。在該實施例中，其中獨立的流體相對于第一路徑流過第二路徑，理想情況下獨立的流體被預(yù)先加熱，以便能夠在熱交換區(qū)域1145處將熱量傳遞給第一流動路徑1110中的流體。
與前面的實施例相同，圖11的實施例可以由一個在另一個頂上堆疊以形成多層層板的多個層板單元組成。此外，圖11的實施例可以與本文中描述的其它實施例具有相同或類似的規(guī)格，包括材料、尺寸、停留時間和溫度水平。
在圖12中所示的另一個實施例中，微流體熱交換系統(tǒng)110凈化單一流體。圖12示出了單一層板的示例性流動路徑構(gòu)造。多個該層板可以交錯形成如上對其它實施例所述的層板堆。流體的凈化可以包括對流體進行巴氏消毒，盡管巴氏消毒不是必需的，例如其中裝置不被用于透析。熱交換系統(tǒng)接收輸入流體流1205，該輸入流體流1205在進入熱交換系統(tǒng)之前分開。輸入流體流的第一部分1205a在系統(tǒng)一端上的第一入口 1210a處進入,輸入流體流的第二部分1205b在系統(tǒng)的另一個相反端上的第二入口 1210b處進入。兩個輸入流體流1205以交替方式跨過堆疊的層板分布，使得在兩個流體流之間不存在直接接觸。
每個輸入流體流1205進入流動路徑1207并沿著流動路徑流向出口 1215a。一個流體流經(jīng)由入口 1210a進入，并在與入口 1210b位于系統(tǒng)相同端上的出口 1215a處離開，而另一個流體流經(jīng)由入口 1210b進入，并在系統(tǒng)的與入口 1210a相同的端上的出口 1215b處離開。每條流動路徑1207包括第一熱交換區(qū)域1220，其中熱量通過傳遞層在輸入流體與流動通過堆中的在當(dāng)前層板的正上方(或正下方)的層板的先前加熱過的輸出流體之間交換。當(dāng)流體流過熱交換區(qū)域1220時，該流體通過熱交換接收熱量，并在進入加熱器區(qū)域1225之前預(yù)加熱。
對于每條流動路徑1207來說，流體然后流入加熱器區(qū)域1225，該加熱器區(qū)域1225與至少一個加熱器并且優(yōu)選多個加熱器熱連通，用于將熱傳遞到流動流體中。如上對其它實施例所述，流體在壓力下被加熱至等于或高于所需臨界巴氏消毒溫度的溫度。加熱器區(qū)域1225還用作停留室。流體流過停留室，同時在等于或高于所需溫度下保持所需停留時間。所需停留時間可以通過例如改變流量和/或使用在加熱器區(qū)域1225內(nèi)的具有所需長度的蜿蜒的流動路徑來實現(xiàn)。在離開加熱器區(qū)域1225后，輸出流體進入第二熱交換區(qū)域1230，其中輸出流體與流動通過堆中在當(dāng)前層板的正上方(或正下方)的層板的輸入流體交換熱量。輸出流體然后通過出口 1215A和1215b離開流動路徑。然后在繼續(xù)進行超濾以移除所有或基本上所有通過巴氏消毒方法殺死的死細菌之前，將兩個輸出流體流重新合并成單一輸出流體流1235。圖13A示出了入口層板的另一實施例，所述入口層板形成螺旋入口路徑，其中流體以向內(nèi)方向流過熱交換系統(tǒng)。圖13B示出了對應(yīng)的出口層板，該出口層板形成類似的螺旋路徑，其中流體以向外方向流動。多個該入口層板和出口層板可以交錯以形成如上對其它實施例所描述的層板堆。示出的層板具有圓形外部輪廓，盡管與其它實施例相同，外部形狀可以改變。參考圖13A，入口層板具有形成入口 1305的集流管，輸入流體在所述入口處進入入口路徑。入口路徑朝向路徑中心向內(nèi)螺旋，在路徑中心處設(shè)有加熱室1310。如下所述，力口熱室1310也用作流體的停留室。一個或更多個加熱器被定位成與加熱室1310熱連通，以向在加熱室1310中流動的流體提供熱量。加熱室1310延伸跨過堆中的多個層板，并包括與圖13B中示出的出口層板連通的導(dǎo)管。流體從加熱室1310進入出口層板。出口層板具有從加熱室1310朝向出口 1320向外螺旋的流出路徑。在使用中，流體通過圖13B中所示的入口 1305進入入口層板的入口路徑。流體然后沿著螺旋入口路徑流向加熱器室1310。與以前的實施例中相同，輸入流體處于低于流動通過出口層板的先前加熱過的流體的溫度的溫度之下，所述出口層板被定位在入口層板的正上方或正下方。當(dāng)流體流過入口路徑時，流體從流過出口層板的出口路徑的先前加熱過的流體接收熱量。這在流體流入加熱室1310之前用于對流體預(yù)加熱。流體然后流入加熱室1310中，其中流體接收來自一個或更多個加熱器的熱量。當(dāng)在加熱室1310中時，將流體在壓力下加熱至等于或高于如上對其它實施例所述的所需臨界巴氏消毒溫度的溫度。正如提到過的，加熱室1310還用作停留室。流體流過停留室，同時在等于或高于所需溫度下維持所需停留時間。與在其它實施例中相同，所需停留時間可以通過例如改變流量和/或使用在加熱器室1310內(nèi)的具有所需長度的蜿蜒的流動路徑來實現(xiàn)。在離開加熱器室后，輸出流體進入出口層板的出口路徑，如圖13B中所示。輸出流體從加熱室1310沿著螺旋流動路徑向外流向出口 1320。入口層板的螺旋路徑跨過傳遞層與出口層板的螺旋路徑熱連通。當(dāng)輸出流體沿著螺旋路徑流動時，該輸出流體與流動通過堆中在當(dāng)前層板的正上方(或正下方)的入口層板的輸入流體交換熱量。在繼續(xù)進行超濾以移除所有或基本上所有通過巴氏消毒方法殺死的死細菌之前，輸出流體然后通過出口 1320尚開層板堆。3.微流體熱交換系統(tǒng):控制系統(tǒng)微流體熱交換系統(tǒng)110可以包括或者可以聯(lián)接到控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)適合于調(diào)節(jié)和/或控制通過系統(tǒng)的流體流的一個或更多個方面，例如流體流量、流體溫度和/或壓力、流體的化學(xué)物濃度等。圖14示出了與微流體熱交換系統(tǒng)110通訊聯(lián)接的示例性加熱器控制系統(tǒng)1005的示意圖。加熱器控制系統(tǒng)1005包括與加熱器控制單元1020通訊聯(lián)接的至少一個電源1015，所述加熱器控制單元與控制邏輯單元1025通訊。加熱器控制單元1020適合于在單個加熱器或一組加熱器集合的基礎(chǔ)上控制通往加熱器的電源。這允許對供應(yīng)到微流體熱交換系統(tǒng)110的熱量進行時間和空間控制。
加熱器控制系統(tǒng)1005可以包括位于微流體熱交換系統(tǒng)110中或周圍的一個或更多個溫度傳感器1010，以用于感測流體流動路徑內(nèi)一個或更多個位置處的流體溫度。傳感器的類型可變。在實施例中，將一個或更多個熱電偶用作傳感器1010。傳感器1010與加熱器控制單元1020和控制邏輯單元1025通訊，以提供溫度反饋回路。加熱器控制系統(tǒng)1005提供了系統(tǒng)中流體溫度的反饋控制，以例如確保流體被加熱至所需巴氏消毒溫度和/或流體不被過度加熱或加熱不足。例如，加熱器控制單元1020與控制邏輯單元1025聯(lián)合，可以根據(jù)感測到的溫度調(diào)整供應(yīng)到一個或更多個加熱器的電能，以便在流體流動路徑的一個或更多個位置中獲得所需溫度分布。加熱器控制系統(tǒng)1005可以包括其它類型的傳感器，例如壓力傳感器、流量傳感器等，以根據(jù)需要監(jiān)測和調(diào)節(jié)流體的其它參數(shù)。
加熱器控制系統(tǒng)1005還可以被構(gòu)造成向用戶或系統(tǒng)功能的遠端監(jiān)測者提供一種或更多種警報，例如視覺和/或聽覺指示和/或遠程通信信號，以通知用戶或系統(tǒng)功能的遠端監(jiān)測者何時溫度處于不理想的水平。例如，控制單元1020可以包含一個或更多個溫度設(shè)定極限，以例如將停留室溫度維持在所述溫度設(shè)定界限內(nèi)。如果極限被超過，例如如果溫度下降至低于較低操作下限或高于較高操作上限，控制系統(tǒng)可以旁路加熱器發(fā)出警報并停止整個水凈化系統(tǒng)的運行，直到操作人員可以診斷并解決問題。就此而言，控制系統(tǒng)1005可以包括含數(shù)據(jù)庫的報告單元1030。報告單元1030被構(gòu)造成記錄并儲存來自于傳感器的數(shù)據(jù)，并將該數(shù)據(jù)發(fā)送到在遠處的用戶或系統(tǒng)監(jiān)測者。
4.流體凈化系統(tǒng):啟動和關(guān)閉
當(dāng)將流體凈化系統(tǒng)用于透析時，重要的是避免熱交換器系統(tǒng)110內(nèi)和貫穿熱交換器系統(tǒng)110的下游的部件兩者的流體流動路徑的細菌污染。就此而言，用作巴氏消毒器的熱交換器系統(tǒng)110，理想情況下以如下方式進行操作:在流體凈化系統(tǒng)啟動后確保清潔的流體流，并且也在關(guān)閉后(即當(dāng)加熱器292斷電時)避免下游部件的細菌污染或至少減輕污染影響。
在實施例中，啟動后的清潔流體流通過下述方法來獲得:首先使殺菌液流過熱交換器系統(tǒng)110，同時將加熱器292起動。然后使殺菌液流過熱交換器系統(tǒng)110下游的所有部件，直到熱交換器系統(tǒng)110達到所需運行溫度。在熱交換器系統(tǒng)110達到所需運行溫度后，將流向熱交換器系統(tǒng)110的流體流切換成來自于反滲透系統(tǒng)125的水。水通過熱交換器系統(tǒng)110 (其已經(jīng)達到所需運行溫度)以將殺菌液沖洗出熱交換器系統(tǒng)110的流動路徑?？梢允褂酶鞣N殺菌溶液。例如，溶液可以是1%氯在水中的混合物，或其它廣泛認(rèn)可的能殺死細菌的水添加劑。
流體凈化系統(tǒng)可以如下關(guān)閉。將加熱器292斷電，同時維持通過熱交換器系統(tǒng)110的流體流?？蛇x地，可以使殺菌液流過熱交換器系統(tǒng)110，直至熱交換器系統(tǒng)110達到接近室溫條件。通過該方式，當(dāng)熱交換器系統(tǒng)110關(guān)閉時將流動路徑維持在無菌狀況下。然后用存在于熱交換器系統(tǒng)110的流動路徑中的殺菌液將熱交換器系統(tǒng)110的流動路徑關(guān)閉或“鎖住”。殺菌液的存在極大降低了關(guān)閉期間細菌污染的可能性。
在另一實施例中，將一個或更多個閥置于流體凈化系統(tǒng)的流動路徑中，其中閥允許溶液的循環(huán)流環(huán)流通過泵150、熱交換器系統(tǒng)110和在重循環(huán)回路中的下游部件，直到在啟動期間獲得所需巴氏消毒條件。然后將閥設(shè)置成允許將殺菌液從系統(tǒng)中沖洗出去。也可以包含輔助部件例如微通道流體加熱器(沒有熱交換能力)，以提供使加溫的(例如低于100攝氏度)殺菌液循環(huán)通過下游部件和/或通過斷電的熱交換器系統(tǒng)110的能力。殺菌液可以使用在啟動或關(guān)閉過程中，以用于在數(shù)周和/或數(shù)月的時間跨度內(nèi)保持流動路徑和部件清潔。在啟動時使用殺菌液的重循環(huán)回路是防止細菌在熱交換器系統(tǒng)110達到運行溫度之前進入流體凈化系統(tǒng)的另一種方式?？梢詫⒍〞r控制邏輯與溫度感測能力一起使用，來執(zhí)行確保啟動和關(guān)閉過程中的質(zhì)量控制的方法?？刂七壿嬁梢员粯?gòu)造成僅在熱交換器系統(tǒng)110或加熱器達到預(yù)設(shè)溫度后起始流動。流動路徑可以包括一條或更多條旁路循環(huán)線路，該旁路循環(huán)線路允許清潔和/或無菌流體循環(huán)通過流動路徑。循環(huán)線路可以是開放流動回路，其中流過循環(huán)線路流動的流體在使用后可以從系統(tǒng)中排出。在另一實施例中，循環(huán)線路可以是閉合流動回路，其中流過循環(huán)線路的流體不能從系統(tǒng)排出?？蛇x地，系統(tǒng)可以包括開放循環(huán)線路和閉合循環(huán)線路兩者。5.誘析液制各系統(tǒng)水在離開水凈化系統(tǒng)5并流入透析液制備系統(tǒng)10時處于巴氏消毒過的狀態(tài)。透析液制備系統(tǒng)10被構(gòu)造成將巴氏消毒過的水與濃縮溶液供應(yīng)源混合，以便制造透析液。圖15示出了透析液制備系統(tǒng)5的高度示意圖。圖15的實施例是示例性的，并且應(yīng)該認(rèn)識到變化在本公開的范圍之內(nèi)。透析液制備系統(tǒng)10包括酸泵170，該酸泵170與用于與凈化水混合的濃縮的酸化透析液濃縮物的供應(yīng)源流體連通。水從水凈化系統(tǒng)5流向酸泵170，所述酸泵將酸濃縮物泵入水中。水(與酸混合的)然后流入第一混合室172，該第一混合室172被構(gòu)造成通過例如引起湍流以將水與酸混合。酸-水混合物從第一混合室172流向碳酸氫鹽泵174。傳感器例如電導(dǎo)率傳感器CS可以置于第一混合室172的下游。電導(dǎo)率傳感器CS被構(gòu)造成檢測混合物中電解質(zhì)的水平。電導(dǎo)率傳感器CS可以與酸泵170和控制系統(tǒng)處于閉合回路連通中，所述控制系統(tǒng)可以調(diào)節(jié)酸泵的速度，以實現(xiàn)泵入水中的所需水平的酸。碳酸氫鹽泵174以足以形成透析液的水平將碳酸氫鹽濃縮物泵入酸-水混合物中。得到的流體混合物流入第二混合室177中，并作為透析液離開第二混合室177。另一傳感器例如電導(dǎo)率傳感器CS可以位于第二混合室172的下游。第二電導(dǎo)率傳感器CS可以與碳酸氫鹽泵177處于閉合回路連通中。透析液然后流向流動平衡器系統(tǒng)和透析器。6.誘析器圖16是透析器15的示意性截面圖，所述透析器限定了由傳遞層隔開的具有血液流動路徑205的血液隔室和具有透析液流動路徑210的透析液隔室，所述傳遞層由半透膜215構(gòu)成。在實施例中，透析器包括一個或更多個微流體路徑例如微流場和/或微通道。利用微流場和/或微通道的透析器的示例性實施例在下文中描述。由流場透析器構(gòu)成的透析器的示例性實施例在下文中描述。然而，本文中描述的透析系統(tǒng)可以與包括各種可商購的透析器的各種透析器中的任一種一起使用。血液(來自于患者)經(jīng)由血液入口 216進入血液流動路徑205，流過血液流動路徑205，并經(jīng)由血液出口 217離開。透析液經(jīng)由流體入口 218進入透析液流動路徑210，流過透析液流動路徑210，并經(jīng)由流體出口 219離開。半透膜215被構(gòu)造允許將一種或更多種物質(zhì)從血液流動路徑205中的血液向透析液流動路徑210中的透析液傳遞，或與其相反。
可以用作半透膜215的材料的一些實例包括聚合物、共聚物、金屬、陶瓷、復(fù)合材料和/或液體膜。復(fù)合材料膜的一個實例是聚砜-納米晶體纖維素復(fù)合材料膜，例如可以從Gambro Medical獲得的AN69平板膜。氣-液接觸器膜也可用于在液體與氣體之間傳遞物質(zhì)，例如用于血液的氧合，由此膜允許傳遞二氧化碳和氧氣，使得氧氣從氧氣或富氧空氣傳遞到血液，二氧化碳從血液傳遞到氣體。也可以使用流體膜。流體膜包含層板，該層板具有含有流體的貫通微通道以及被定位成容納微通道中的流體的第一膜支承件和第二膜支承件。
當(dāng)流過透析器15時，血液和透析液可以以反向流構(gòu)造流動，其中血液以一個方向流過血液流動路徑205，透析液以相反方向流過透析液流動路徑210。透析器15在具有反向流構(gòu)造的情形中進行描述，盡管交叉流構(gòu)造也可以使用。當(dāng)血液和水沿著膜215流動時，發(fā)生血液透析。透析器15還被構(gòu)造成執(zhí)行超濾，其中跨過膜215的壓力差導(dǎo)致流體和溶解的溶質(zhì)從血液跨過膜215進入透析液。
透析器15也被構(gòu)造成執(zhí)行血液透析濾過，其中溶質(zhì)跨過半透膜215的移動由對流而不是擴散控制。血液流動路徑205與透析液流動路徑210之間的正流體靜壓力差驅(qū)使水和溶質(zhì)從血液流動路徑跨過半透膜215進入流體流動路徑。小分子和大分子溶質(zhì)兩者隨著流體被拖過半透膜215。在通常的血液透析濾過過程中，水和溶質(zhì)移動的方向在將水和溶質(zhì)從血液移動到透析液中與將水和溶質(zhì)從透析液移動到血液中之間擺動。經(jīng)過預(yù)定的時間跨度，存在著流體從血液進入透析液的零凈損失和零凈增益。然而，在該時間跨度內(nèi)的離散的時間段中，可能存在流體從血液進入透析液的凈損失和流體從透析液進入血液的凈增益。
透析器15可以利用微流體流場或微流體通道。用作透析器的微流體系統(tǒng)的示例性實施例在下文中描述。
7.流動平衡器系統(tǒng)
流動平衡器系統(tǒng)20適合于調(diào)節(jié)進出透析器15的透析液的流量，以實現(xiàn)各種類型的透析，包括血液透析、超濾和血液透析濾過。流動平衡器系統(tǒng)20包括用于將透析液泵入透析器中的第一泵和用于將透析液泵出透析器的第二泵。系統(tǒng)還包括第三泵，該第三泵提供了對超濾、血液透析濾過或兩者的水平的改進的控制，正如下文中詳細描述的。
圖17示出了包括透析器15的流動平衡器系統(tǒng)20的示意圖。系統(tǒng)包括三個或更多個泵的布置，該布置提供了對所執(zhí)行的血液透析類型的改進的控制。通過改變?nèi)齻€泵的相對泵速，操作人員可以改變血液過濾的水平，并且還可以選擇性實現(xiàn)血液的超濾和血液透析濾過。
流動平衡器系統(tǒng)20包括形成多個流體流動路徑的管件，該管件可以是流體例如透析液可以流過的任何類型的導(dǎo)管。流體流動路徑包括入口路徑250，流體例如未使用的透析液從透析液制備系統(tǒng)10通過該入口路徑250流向并進入透析器15。沿著入口路徑250或與入口路徑250相連通地放置至少第一泵255，以用于將流體以所需流量泵向透析器15。一個或更多個傳感器S可以與流體流動路徑聯(lián)接，以用于感測輸入流體的一種或多種特征，例如壓力、流量、溫度、電導(dǎo)率等。此外，一個或更多個樣品端口 P可以與流體流動路徑聯(lián)接，該流體流動路徑為流過管線的流體提供通路。圖17示出了在特定位置處與流體流動路徑相聯(lián)接的傳感器S和樣品端口 P，盡管傳感器S和樣品端口 P的數(shù)量和位置可以變化。流體流動路徑還包括出口路徑260，用過的透析液通過該出口路徑260朝向一個或更多個排液管25流出透析器15。在一些實施例中，離開透析器的透析液在到達排液管25之前可用于預(yù)熱系統(tǒng)中的其它輸入流體，例如進入熱交換和凈化系統(tǒng)的水流。出口路徑260分叉成兩個或更多個出口路徑，包括主出口路徑260a和次出口路徑260b。沿著主出口路徑260a或與該主出口路徑260a相連通地放置至少第二泵265，以用于將透析液泵出并通過主出口路徑260a離開透析器15。沿著次出口路徑第二閥285或與次出口路徑第二閥285相連通地放置第三泵270。第三泵270可用于增加通過流體流動路徑的流體流動，使得例如選擇性地實現(xiàn)入口路徑250與出口路徑260之間的流量差，據(jù)此實現(xiàn)各種類型的透析，包括血液透析、超濾和血液透析濾過，正如下文中更充分描述的。當(dāng)系統(tǒng)處于透析模式時，第三泵將透析液泵過流體流動路徑。當(dāng)系統(tǒng)處于不同模式例如校準(zhǔn)模式或清潔模式時，第三泵也可以泵送其它流體，例如水或消毒劑。第三泵270還可用于校準(zhǔn)第一泵255與第二泵265之間的流量，正如下文中更充分描述的。在圖18中所示的另一實施例中，第三泵270沿著透析器15的入口 218上游的入口路徑250放置。在該實施例中，次出口路徑260在第一泵255下游和第一閥280上游的位置處分出入口路徑250。第三泵270將流體泵向排液管25。圖17的實施例可能比圖18的實施例更有效，因為圖18中的第三泵270將新鮮的未使用透析液泵入排液管140中，而圖17中的第三泵將用過的透析液泵入排液管25中。在另一實施例中，第三泵270和第二泵265均沿著單一的未分叉的流出路徑放置。各種類型的泵可用于第一泵、第二泵和第三泵。在實施例中，泵是盤旋泵。在其它實施例中，泵可以是凸葉轉(zhuǎn)子泵、腔式泵、旋轉(zhuǎn)齒輪泵、活塞泵、隔膜泵、螺旋泵、齒輪泵、液壓泵、葉輪泵、再生(旋渦)泵或蠕動泵，或其任何組合。也可以使用其它類型的泵。第一泵255和第二泵265可以由共同的軸驅(qū)動，以確保泵沖程和被泵送流體的體積的同步。應(yīng)該理解，第一泵255和第二泵265也可以彼此完全獨立。正如提到的，可以使用各種流體導(dǎo)管中的任一種來形成流動平衡器系統(tǒng)20的流體流動路徑。在實施例中，至少一部分流體流動路徑由具有1/8英寸至V2英寸內(nèi)徑的管線形成。管線中的流量可以在約50ml/min至約1，000ml/min之間的范圍內(nèi)。在實施例中,流量在約100ml/min至約300ml/min之間的范圍內(nèi)。再次參考圖18,流體流動路徑還包括旁通路徑275,該旁通路徑275與入口路徑250和出口路徑260直接流體連接。旁通路徑275的示例性目的是提供流體能夠流入和流出透析系統(tǒng)并繞過透析器15的流體流動路徑，以用于例如沖洗、清潔或校準(zhǔn)系統(tǒng)。在實施例中，入口路徑250與旁通路徑275之間的接合點位于透析器15的流體入口 120的上游，旁通路徑275與出口路徑之間的接合點位于透析器15的流體出口 125的下游。然而，旁通路徑275的其它構(gòu)造也可用于實現(xiàn)繞過透析器15。第一閥280位于入口路徑250與旁通路徑275之間的接合點處。第二閥285位于旁通路徑275與出口路徑260之間的接合點處。第一閥280和第二閥285是三通閥例如電磁閥，該三通閥可用于選擇性調(diào)節(jié)通過流體流動路徑的流體流。也就是說，第一閥280可以被設(shè)定成兩種或更多種設(shè)置中的任一種，包括:(I)透析設(shè)置，其中第一閥將所有輸入流體沿著入口路徑250引導(dǎo)向透析器15(在圖17中用箭頭A表示)并防止輸入流體流入旁通路徑275 ;或(2)旁通設(shè)置，其中第一閥280將所有輸入流體轉(zhuǎn)移到旁通路徑275中(在圖17中用箭頭B表示)并防止輸入流體通過第一閥流向透析器15。
第二閥285也可以被設(shè)定成兩種設(shè)置中的任一種，包括:(1)旁通設(shè)置，其中第二閥285將來自于旁通路徑275的輸入流體引導(dǎo)入出口路徑260中(在圖17中用箭頭C表示);或(2)透析設(shè)置，其中第二閥285關(guān)閉來自于旁通路徑275的液流，使得來自于透析器出口 125的輸出流體繼續(xù)沿著出口路徑260向外流動(在圖17中用箭頭D表示)。第一閥280和第二閥285兩者一般均被串聯(lián)設(shè)定到旁通設(shè)置或透析設(shè)置。系統(tǒng)可以包括控制和安全系統(tǒng)，以確保第一閥和第二閥未被設(shè)定到不相容的設(shè)置。
圖17和圖18中所示的透析系統(tǒng)的各種部件的布置是示例性的，其它布置也是可能的。例如，流動路徑和泵可以沿著圖17和18中所示的流動路徑放置在不同位置。在實施例中，第三泵270放置在流動路徑中透析器15上游和第一閥280下游的位置處，或者第三泵可以放置在透析器15的下游和第二閥285的上游。此外，系統(tǒng)可以利用三個以上的泵。
8.流動平衡器系統(tǒng):操作泵以實現(xiàn)沒有超濾的血■液透析
再次參考圖17，當(dāng)通過入口路徑250的流量等于或基本上等于通過出口路徑260的流量時，流動平衡器系統(tǒng)20實現(xiàn)了沒有超濾的血液透析。換句話說，當(dāng)在一段時間內(nèi)通過入口路徑250流入透析器15的透析液的量基本上等于通過出口路徑260流出透析器的透析液的量時，實現(xiàn)了沒有超濾的血液透析。這可以通過下述方式來實現(xiàn):以第一泵速操作第一泵255來提供通過入口路徑250的第一流量，以相應(yīng)的泵速操作第二泵265和第三泵270，從而協(xié)作地獲得等于通過入口路徑250的流量的通過出口路徑260的流量。
在實施例中，系統(tǒng)利用所有三個泵來執(zhí)行血液透析過程,所述三個泵在整個血液透析過程中基本上連續(xù)地處于致動狀態(tài)。系統(tǒng)調(diào)整第三泵270的泵速，以在入口路徑250與出口路徑260之間獲得相等流量的所需平衡。在該實施例中，第一泵255、第二泵265和第三泵270在整個血液透析過程中都是致動的，其中第一泵和第二泵以不同泵速運行，第三泵以獲得在入口路徑250與出口路徑260之間的平衡流量的泵速運行。第三泵通常地以等于第一泵的泵速與第二泵的泵速之間的差的泵速運行。通過這種方式，第二泵和第三泵協(xié)作地實現(xiàn)等于通過入口路徑250的流量的通過出口路徑260的流量。
例如，為了獲得通過透析器的所需流量例如100ml/min，將第一泵255設(shè)置成提供通過入口路徑250的lOOml/m in的流量，并將第二泵265故意設(shè)置成與第一泵255不平衡，以提供例如僅的80ml/min的流量。這將提供在第一泵與第二泵之間的20ml/min的流量差。將第三泵270的泵速設(shè)置成提供20ml/min的流量，其等于第一泵和第二泵的流量之間的差。通過這種方式，第二泵265和第三泵270協(xié)作地獲得100ml/min的通過出口路徑260的流量，該流量等于通過入口路徑250的流量，使得流量跨透析器平衡。在該條件下，廢棄溶質(zhì)經(jīng)由擴散從血流跨過透析器的半透膜移動到透析液中，以執(zhí)行血液透析。
可以使用一個或更多個傳感器S來測量通過入口路徑250和出口路徑260的流量。在實施例中，傳感器是直接測量通過入口路徑250和出口路徑260的流量的流量傳感器。在另一個實施例中，傳感器是為入口路徑250內(nèi)的流體壓力和出口路徑260內(nèi)的流體壓力提供指示的壓力傳感器。流體壓力是通過流動路徑的流量的函數(shù)，因此提供了流量的間接測量。當(dāng)入口路徑250中的流體壓力等于出口路徑260中的流體壓力時，表明流量在入口路徑與出口路徑之間平衡。當(dāng)入口路徑250中的流體壓力低于通過出口路徑260的流體壓力時，表明通過入口路徑250的流量低于通過出口路徑260的流量。當(dāng)入口路徑250中的流體壓力高于通過出口路徑260的流體壓力時，表明通過入口路徑250的流量高于通過出口路徑260的流量。流體路徑系統(tǒng)可以包括一種或更多種阻抑機制，以阻抑流體路徑內(nèi)壓力的任何極端波動。在后兩種情形中，可以在例如校準(zhǔn)過程中對入口路徑與出口路徑之間的壓力差做出響應(yīng)來調(diào)整第三泵270的泵速，以獲得在入口路徑250與出口路徑260之間的平衡的流量。校準(zhǔn)過程可以任選地使用處于校準(zhǔn)模式的系統(tǒng)來執(zhí)行，使得將第一閥和第二閥設(shè)置成使流體流過旁通路徑275并繞過透析器15，如圖19中所示和下文中更詳細描述的。當(dāng)通過繞過透析器15執(zhí)行校準(zhǔn)過程并且在入口路徑與出口路徑之間檢測到壓力差時，可以“在運行中”適當(dāng)調(diào)整第三泵270的流量以提高或降低第三泵的速度，從而獲得在出口路徑260中的所需流量而不必打開或關(guān)閉泵。就此而言，可以將壓力傳感器S和三個泵以及閥280和285連接成閉合回路控制系統(tǒng)，以獲得流量的自動平衡。在另一實施例中，至少在理論上通過使第一泵255和第二泵265以相同泵速運行以便獲得通過入口路徑250和出口路徑260的相等流量，來獲得入口路徑250與出口路徑260之間的平衡流量。盡管在理論上有可能使第一泵255和第二泵265的流量相匹配，但各種因素可能導(dǎo)致入口路徑250中的實際流體流量與出口路徑260中的實際流體流量不同。所述因素可以包括被捕獲的空氣、硬件磨損和流體泄漏，其可以引起第一泵和第二泵的流量隨著時間偏離預(yù)設(shè)值或所需值。透析系統(tǒng)中的通用技術(shù)不能針對這些類型的因素校正流量平衡。因此，可能出現(xiàn)僅通過使用第一泵和第二泵不能容易地獲得平衡流量的情況，因此此時存在對進行校正以平衡入口路徑250與出口路徑260之間的流量的需求。當(dāng)流體流量不同時，可以以如下方式使用第三泵270來校正相差的流量:通過將該第三泵270激活以等于通過入口路徑250的流體流量與通過出口路徑260的流體流量之間的差值的速率將流體泵過次出口路徑260b。系統(tǒng)優(yōu)選被構(gòu)造成使得防止第一泵255比第二泵265泵送更少的流體，從而第一泵255總是以比第二泵265更高的速率進行泵送。系統(tǒng)優(yōu)選包括控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)檢測第一泵255以比第二泵265更慢的速率不利地進行泵送的狀況，并且如果發(fā)生該狀況，發(fā)出警報或?qū)⑾到y(tǒng)移出透析模式。根據(jù)流量校正方法，使用傳感器S (圖17)測量通過入口路徑250和出口路徑260的流量。在通過入口路徑250的流量與通過出口路徑260的流量之間進行比較。當(dāng)流量不同時，將第三泵270從未激活狀態(tài)激活，以使流體以所選速率流入次出口路徑第二閥285，從而使出口路徑260中的總流量等于入口路徑250中的流量?？梢允褂弥T如伺服機構(gòu)的機構(gòu)來調(diào)整第一泵255和/或第二泵265的沖程容積，直至流量平衡得以恢復(fù)(正如可以通過例如在入口路徑250和出口路徑260兩者中存在相同的流體壓力所證實的)。正如提到過的，傳感器S可以在閉合回路系統(tǒng)中與控制系統(tǒng)和三個泵通訊聯(lián)接?？刂葡到y(tǒng)包括硬件和/或軟件，該硬件和/或軟件對檢測到的流量與預(yù)定值之間或檢測到的流量彼此之間的差異做出響應(yīng)，根據(jù)需要自動激活和/或失活第三泵270或調(diào)整第三泵270的泵速，以平衡入口路徑250與出口路徑260之間的流量。應(yīng)該認(rèn)識到，可以使用其它測量值例如入口路徑和出口路徑中的流體壓力來間接計算流量，而不是直接測量流量。就此而言，可以測量入口路徑和出口路徑內(nèi)的流體壓力以發(fā)現(xiàn)與預(yù)定值或彼此之間的任何可檢測的壓力變化。流動路徑可以被改造成基本非相容的，以便第一泵255和第二泵265的流量的小差異將引起量值為負(fù)或正的快速壓力變化。
系統(tǒng)可以在開始時和/或定期以校準(zhǔn)模式(有時也稱為UF檢查模式)運行，在所述模式中，流體(其可以是也可以不是透析液)流過第一閥280和第二閥285設(shè)定到“旁通設(shè)置”的流動路徑，使得流動通過系統(tǒng)的流體經(jīng)由旁通路徑275繞過透析器15。圖19示出了以該校準(zhǔn)模式運行的系統(tǒng)的示意圖，其中透析器15被繞過。在系統(tǒng)在整個血液透析過程中利用所有三個基本上連續(xù)地處于激活狀態(tài)的泵的實施例中，第一泵和第二泵最初被故意設(shè)定成獲得不平衡的流量。然后使用流動路徑中的傳感器S來測量通過入口路徑的流體流量或壓力和通過出口路徑的流體流量或壓力。然后將第三泵270設(shè)定在獲得在入口路徑250與出口路徑260之間的基本上平衡的流量的泵速處。
在其它實施例中，第一泵255和第二泵265最初被設(shè)定成獲得相等流量，而不必定需要最初未激活的第三泵270的協(xié)助。然后使用流動路徑中的傳感器S測量通過入口路徑的流體流量和通過出口路徑的流體流量。當(dāng)流體流量相等時，保持第三泵270不激活。然而，當(dāng)流體流量不相等時，使第三泵270以補償入口路徑250與出口路徑260之間的流量差的速率運行。正如提到過的，第三泵270可以以與流量傳感器和/或壓力傳感器成閉合回路的關(guān)系操作。圖20用虛線示出第三泵270，以表示取決于在入口路徑250與出口路徑260之間是否存在流量差，第三泵可以被激活或者可以不被激活。不需要激活和失活第三泵的校準(zhǔn)過程是優(yōu)選的，因為當(dāng)所有三個泵連續(xù)操作時系統(tǒng)可以更有效地運行。
在校準(zhǔn)程序完成后，可以將閥280和285設(shè)定到“透析模式”，使得流體從源110通過入口路徑250流入透析器15，然后流出透析器并從透析器15進入出口路徑260。當(dāng)按此構(gòu)造時，通過使透析液經(jīng)由入口路徑和出口路徑流入和流出透析器15，并且也通過使血液流入和流出透析器，可以將系統(tǒng)用于透析。在透析期間，可以定期例如以預(yù)定的時間間隔重復(fù)前面描述的校準(zhǔn)過程，以確保入口路徑和出口路徑的流量保持在所需范圍內(nèi)。
在實施例中，只在透析期開始時運行校準(zhǔn)。在更優(yōu)選實施例中，在透析期中定期運行校準(zhǔn)，以確保在整個透析期中維持所需流量平衡?？刂葡到y(tǒng)可以循環(huán)閥280和285以在透析設(shè)置與旁通設(shè)置之間控制輸入液流，并且可以運行校準(zhǔn)步驟而不另外中斷透析期。在校準(zhǔn)過程中，當(dāng)透析液流體繞過透析器15時，由于沒有向透析器15提供新鮮透析液，因此在此期間通過透析器的血液的透析不受阻礙，盡管血液可能略微冷卻。只要校準(zhǔn)步驟可以在與校準(zhǔn)之間的時間相比相對短的時間段內(nèi)進行，校準(zhǔn)將對提供給患者的透析質(zhì)量沒有實質(zhì)性影響。在實施例中，透析系統(tǒng)可以在進行I分鐘校準(zhǔn)，然后將透析液輸送通過透析器60分鐘之間循環(huán)。在另一個實施例案中，透析系統(tǒng)可以在進行30秒校準(zhǔn)，然后將透析液輸送通過透析器120分鐘之間循環(huán)。
圖20示意顯示了以透析模式運行的系統(tǒng)。第三泵270和通過次出口路徑第二閥285的流動箭頭291用虛線顯示，以表示當(dāng)系統(tǒng)處于透析模式下時，第三泵270可以被激活或者可以不被激活。在需要第三泵270以平衡入口路徑與出口路徑之間的流量的情況下，可以激活第三泵270?；蛘撸肟诼窂胶统隹诼窂降牧髁靠赡茉跊]有第三泵270的協(xié)助下相等，在該情況下第三泵270保持不激活。
9.流動平衡器系統(tǒng):操作泵以實現(xiàn)超濾
在通過入口路徑250的流量與通過出口路徑260的流量不同，使得存在跨透析器的不平衡流量的情況下，透析系統(tǒng)實現(xiàn)超濾。當(dāng)通過出口路徑260的流量高于通過入口路徑250的流量時，透析器15通過對流過程將流體從血液拉過半透膜，以便補償不平衡的流量。在實施例中，系統(tǒng)在整個過程中基本上連續(xù)地利用所有三個泵，并且調(diào)整第三泵270的泵速以在入口路徑250與出口路徑260之間獲得執(zhí)行超濾所需的流量差。也就是說，第一泵255、第二泵265和第三泵270都是致動的，并且第一泵和第二泵以不同泵速運行。然后以如下泵速運行第三泵:有意地獲得在入口路徑250與出口路徑136之間的足以引起超濾的所需流量不平衡。例如，為了實現(xiàn)以10ml/min的速率從血流移除流體，將第一泵255設(shè)定成提供lOOml/min的通過入口路徑250的流量，并將第二泵265故意設(shè)定成與第一泵255不平衡，以提供例如僅80ml/min的流量。然后將第三泵270設(shè)定成提供30ml/min的流量，使得第二和第三泵協(xié)作提供110ml/min的通過出口路徑260的流量。由于通過入口路徑250的流量為100ml/min并且通過出口路徑的流量為110ml/min，因此透析器15通過將10ml/min的流體從血流轉(zhuǎn)移到透析液來補償10ml/min的流量差。在另一個實例中，為了實現(xiàn)將流體以10ml/min的流量添加到血流中，將第一泵255設(shè)定成提供100ml/min的通過入口路徑250的流量，并將第二泵265再一次故意設(shè)定成與第一泵255不平衡，以提供例如僅80ml/min的流量。然后將第三泵270設(shè)定成僅提供10ml/min的流量，使得第二泵和第三泵協(xié)作提供90ml/min的通過出口路徑260的流量。由于通過入口路徑250的流量為100ml/min并且通過出口路徑的流量為90ml/min，因此存在著10ml/min的從透析液到血流的轉(zhuǎn)移，以便補償流量差。應(yīng)該認(rèn)識到，前面實例和下面實例中的流量值僅是出于示例的目的，實際流量以及相對流量可以變化以獲得所需的超濾或反向超濾水平?？梢愿淖兊谌?70的速度以選擇性改變超濾的量。例如，如果確定當(dāng)將流體拉出血液時超濾高于所需，可以例如減慢第三泵270的泵速，從而減少第三泵270從透析器抽出的額外流體的量。當(dāng)與所需預(yù)定值相比超濾不夠大時，在流體被拉出血液進入透析液的情況下可以提高第三泵270的泵速，例如以從透析器、因此從血液抽出甚至更大量的流體。在另一個實施例中，可以將第三泵270與流體源聯(lián)接，使得第三泵270通過次出口路徑第二閥285將額外的流體輸出到流動路徑中，如圖18中的實施例。引入到流動路徑中的額外流體跨過半透膜215轉(zhuǎn)移到血液中。10.流動平衡器系統(tǒng):操作泵以實現(xiàn)血液透析濾過透析系統(tǒng)被構(gòu)造成通過使第三泵的速度在下列速度之間擺動來實現(xiàn)血液透析濾過:(I)第一速度，使得第二泵和第三泵協(xié)作獲得高于通過入口路徑的流量的通過出口路徑的流量；以及(2)第二速度，使得第二泵和第三泵協(xié)作獲得低于通過入口路徑的流量的通過出口路徑的流量。通過該方式，可以使用第三泵270使流量差在透析器15將流體從血流拉入透析液的狀態(tài)與透析器15將流體從透析液拉入血流的狀態(tài)之間間歇地交替。對于血液透析濾過過程來說，在預(yù)定時間跨度內(nèi)，應(yīng)該存在流體離開血液的為零的凈損失(或基本上為零的凈損失)和流體進入血液的為零的凈增益(或基本上為零的凈增益)。然而，在該時間跨度期間，透析器15定期將流體從透析液轉(zhuǎn)移到血液中，并定期將流體轉(zhuǎn)移出血液進入透析液。如果希望在血液透析濾過的同時執(zhí)行超濾，那么可以以下述方式操作泵，使得除了隨時間將流體循環(huán)進出血液之外，還在預(yù)定的時間跨度內(nèi)發(fā)生流體進出血液的凈增益或凈損失。
例如，在十分鐘的示例性時間跨度內(nèi)，第一泵255被設(shè)定成提供100ml/min的通過入口路徑250的流量，第二泵265再一次被故意設(shè)定成與第一泵255不平衡，以例如提供僅80ml/min的流量。泵270的速度可以在以10ml/min速率運行30秒時間段與以30ml/min速率運行30秒時間段之間循環(huán)。在第三泵270的速度為10ml/min的速率的時間段中，通過出口路徑260的總流量為90ml/min，通過入口路徑250的流量為100ml/min，從而產(chǎn)生導(dǎo)致透析器15將10ml/min的流體轉(zhuǎn)移到血液中的不平衡的流量。在第三泵270的速度為30ml/min的速率的時間段中，通過出口路徑260的總流量為110ml/min，通過入口路徑250的流量為100ml/min,從而產(chǎn)生導(dǎo)致透析器15將10ml/min的流體從血液轉(zhuǎn)移到透析液中的不平衡的流量。在具有如上所述的30秒交替時間段的十分鐘跨度中，存在跨透析器的IOOml/min的凈平衡流量，而沒有向血液凈添加或減少流體。這用于使流體跨過膜通往血液，然后使流體從血液跨過膜通往透析液以實現(xiàn)血液的血液透析濾過，并增加對有效透析不利的大分子廢物的移除的目的。通過該方式，對三個或更多個泵的系統(tǒng)的操作，能夠通過控制第一泵、第二泵和第三泵的速度來實現(xiàn)血液透析、超濾和血液透析濾過三者。迄今為止該類型的操作在其它透析系統(tǒng)中是不可能的。
在圖18中所示的另一個實施例中，第三泵位于透析器的入口流側(cè)上而不是出口流動路徑上，使得第一泵和第三泵協(xié)作獲得所需入口流量，第二泵獲得所需出口流量，以執(zhí)行血液透析、超濾和血液透析濾過中的一種或更多種。
在透析治療之間，可以對流動路徑進行漂洗和/或消毒。在閥處于旁通設(shè)置時，使漂洗流體例如但不限于消毒劑溶液和水流過流動路徑。在漂洗模式期間，第三泵270可以與第一泵255和第二泵265 —起運行或不與第一泵255和第二泵265 —起運行，以獲得通過系統(tǒng)的流體流。
11.透析器:示例性微流體實施例
正如上面討論的，透析器可以包含微流體傳遞裝置。下面描述微流體傳遞裝置的幾個示例性實施例，包括具有用作透析器的血液流動隔室和透析液流動隔室的微流體通道或流場的裝置。在實施例中，流場是寬深比約為10或更大的微流體路徑，其中寬深比被限定為微流體路徑的寬度與微流體路徑的深度之比，并且流體基本上在微流體路徑的長度方向上流動。
A.微流體傳遞裝置描述
圖21顯示了第一流體和第二流體的反向流示意圖100。盡管在微通道的背景下對流動路徑進行描述，但也可以使用通過流場的流動路徑。此外，盡管本文中所述的各種實施例被顯示為具有微通道構(gòu)造，但每個實施例可以使用流體流場而不是微通道構(gòu)造和運行。
第一流體進入微通道入口 102并經(jīng)由通路108通過上部層板104流向微通道106，在所述通路108處流體接觸傳遞層110，所述傳遞層用作透析器的半透膜215。同樣地，微通道112中的第二流體在經(jīng)由通路118通過下部層板114流向出口 116之前與傳遞層110接觸。傳遞層110可以是被選擇用于特定應(yīng)用的半透膜，以允許一種或更多種物質(zhì)從微通道106中的流體轉(zhuǎn)移到微通道112中的流體，或與之相反。例如，特定應(yīng)用可以是血液透析過程。
微通道106和112的寬度將是考慮到運行參數(shù)和構(gòu)造要求的情況下可能的最寬寬度，以例如基本上阻止傳遞層110下垂到微通道中。實際寬度將根據(jù)某些因素改變，例如傳遞層110的剛性和跨傳遞層的壓力差。通常的微通道寬度在100 μ m至500 μ m之間，更通常在約200 μ m至約400 μ m之間。對于透析器來說，傳遞層110可以是允許目標(biāo)物質(zhì)通過傳遞層的選擇性傳遞的任何材料。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會認(rèn)識到，膜的選擇將取決于其它設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，包括但不限于待傳遞的物質(zhì)、流體中存在的其它物質(zhì)、所需的傳遞速率、攜帶物質(zhì)的流體、接受物質(zhì)的流體、運行溫度和運行壓力。適合的膜可以包括但不限于聚合物、共聚物、金屬、陶瓷、復(fù)合材料、聚砜-納米晶體纖維素復(fù)合材料、氣-液接觸器膜、中空纖維膜和流體膜。一些適用于傳遞層的膜包括但不限于聚砜、聚醚砜、聚丙烯腈、醋酸纖維素、二醋酸纖維素和三醋酸纖維素。層板104和114可以是能夠被造型成具有用于特定應(yīng)用的特征結(jié)構(gòu)的任何材料，所述特征結(jié)構(gòu)例如通路和微通道或例如用于流場的支承結(jié)構(gòu)。層板厚度可以在約200 μ m至約1000 μ m之間,其中通常的厚度在約300 μ m至約500 μ m之間。適合的層板材料包括但不限于聚合物和金屬。適合的聚合材料的實例包括聚碳酸酯、聚對苯二甲酸乙二酯(PET)、聚醚酰亞胺(PEI )、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和鹵代聚乙烯例如聚四氟乙烯(PTFE)。金屬層板可以是能夠具有在其中形成的所需特征結(jié)構(gòu)的任何金屬層板，例如可以被光化學(xué)蝕刻或通過其它方式機械加工以產(chǎn)生所需特征結(jié)構(gòu)包括盲特征結(jié)構(gòu)的材料。實例包括不銹鋼、銅、鈦、鎳和鋁。圖22示出了層板設(shè)計的一個實施例的透視圖。盡管圖22在微通道的背景下進行描述，但類似的集流管構(gòu)造可用于流入流場中的流體。層板104的集流管側(cè)120包含入口102，該入口 102用于接收流體并將流體弓I導(dǎo)向通路108，在該通路108處流體通過板流向板的微通道側(cè)122 (或流場側(cè))。然后流體流過微通道106或未示出的流場，在該微通道106或流場處流體與傳遞層接觸。入口 102具有支承結(jié)構(gòu)124，以用于防止相鄰層板塌陷到入口102中。圖22將微通道106公開為多個平行的微通道，然而本公開不限于該構(gòu)造。1.流場正如提到過的，任何實施例可以包含一個或更多個流場而不是微通道。圖23示出了利用流場126而不是在圖21和圖22的實施例中使用的平行微通道的實施例。流場126一般可以由一對相對的壁129形成，所述壁限定了流場126的外周。在壁之間設(shè)有空間，流體在所述空間內(nèi)從入口流向出口。在壁之間的空間中放置有一個或更多個離散的支承結(jié)構(gòu)，例如壁片段128。支承結(jié)構(gòu)至少部分用于為相鄰層板提供支持，以防止層板塌陷在另一層板上。支承結(jié)構(gòu)還防止膜塌陷到流動路徑中并阻斷血液或透析液的流動。支承結(jié)構(gòu)可以相對于彼此以各種空間布置來布置。支承結(jié)構(gòu)可以具有各種形狀和尺寸，并可以具有銷釘、壁片段、隆起、突出等的形式。支承結(jié)構(gòu)與形成微通道的細長壁或分隔器的區(qū)別在于支承結(jié)構(gòu)不限定離散、細長的流動路徑。相反，多個支承結(jié)構(gòu)被定位在相對壁129之間的總體流動空間中，而不具體地以特定方向引導(dǎo)流體。相對于微通道的精細引導(dǎo)的定向流動，支承結(jié)構(gòu)允許流體的流動方向的更大自由度。此外，與使用連續(xù)微通道分隔器的情況相比，支承結(jié)構(gòu)的離散的間隔開的特性導(dǎo)致暴露出更多的傳遞層表面。更多的介入傳遞層暴露于待透析流體，提高了例如裝置的總體效率。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會認(rèn)識到，需要將暴露于流體的傳遞層面積最大化，同時維持具有足夠支承結(jié)構(gòu)的傳遞層的完整性以便傳遞層不塌陷到一部分流場中。此外，流場實施例通過允許流體在空氣泡周圍流動，減輕了由捕獲的空氣泡引起的流動阻塞，這在微通道的更受限的體積中不能容易地發(fā)生，因為氣泡可能具有顯著阻斷特定通道中的流動的尺寸。
在圖23的實例中，支承結(jié)構(gòu)具有壁片段128的形式，所述壁片段由從層板的表面向上延伸的矩形或棱柱形體構(gòu)成。壁片段128成組設(shè)置，使得從圖23的視點來看，單個組形成列。整個流場126包括一系列的列。每列具有多個壁片段128，該壁片段128在列內(nèi)端對端對準(zhǔn)并彼此間隔開。每個列與相鄰的列間隔開。壁片段之間的間距可以在單個列內(nèi)變化，一列與相鄰列之間的間距也是如此。此外，壁片段128可以布置成其它空間圖案，并且不限于布置成列的圖案。
圖24不出了流場126的另一實例,所述流場具有相對于相對壁129的長軸略微成角度的壁片段128。壁片段相對于相對壁129的角度的大小可以變化。所有的壁片段128可以以相同角度取向?？蛇x地，一個壁片段128與另一個壁片段128的角度可以不同，使得一個或更多個壁片段128可以以一種角度取向，而其它壁片段可以以不同角度取向。
當(dāng)裝置被組裝成用于同向或反向流動時，使壁片段128對準(zhǔn)能夠產(chǎn)生對準(zhǔn)耐受性設(shè)計。當(dāng)相鄰層被堆疊時將一個壁片段至少部分放置在另一個壁片段頂上可能是理想的，以便提供在堆中的層之間的適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)支持。就此而言，壁片段128可以具有相對尺寸和形狀，并且可以被布置成當(dāng)層被堆疊時最大化壁片段一個在另一個頂上對準(zhǔn)的可能性的圖案。圖25示出了在各自具有成角度的壁片段128的交叉流構(gòu)造130和同向流構(gòu)造132中相鄰層的并置。壁片段的成角度特性增加了當(dāng)層板堆疊時壁片段相交或一個堆疊在另一個頂上的可能性。一個層在X或y方向上相對于另一個層的輕微移動，仍然在壁片段的交點處支撐膜。
圖26A公開了具有流場136的層壓體134，其中支承結(jié)構(gòu)包含多個圓柱形支承柱138。與壁片段128 (圖23)類似，多個支承柱138增加了暴露的用于傳遞的傳遞層(未示出)的表面積。此外，流體不被局限在如同微通道106 (圖22)的狹窄通道中，從而允許流體橫向繞過流動阻礙物例如空氣泡或污染物。圖26B示出了由圓柱形支承柱138構(gòu)成的一對支承結(jié)構(gòu)的平面視圖。圖26C示出了一對圓柱形支承柱138的示意側(cè)視圖。圓柱形支承柱138的尺寸可以變化，相鄰圓柱形支承柱138之間的相對間隔也可以變化，以提供具有所需流動特征的流場。例如，每個支承柱138的半徑R可以預(yù)先確定，相鄰支承柱138之間的距離S也可以預(yù)先確定。每個支承柱的高度H也可以改變。支承柱138可以是具有圓形底的棱柱，例如圓柱。然而，棱柱的底可以是任何形狀，例如矩形、三角形、橢圓形、多邊形或其它幾何形狀。例如，圖27公開了具有由淚滴狀支承柱138形成的支承結(jié)構(gòu)的流場136。該實施例被構(gòu)造用于通過流場136的流線型流體流。
在實施例中，支承柱的尺寸是不刺穿傳遞層并且大到足以允許相鄰層的柱對準(zhǔn)的可能的最小值，該尺寸對于圓柱形柱來說用直徑度量，對于矩形柱用寬度度量，或者對于不規(guī)則形狀來說用距幾何中心的平均距離的兩倍來度量。支承結(jié)構(gòu)通常大于Ομπι并小于1000 μ m。更通常的情況下，支承結(jié)構(gòu)大于O μ m并小于500 μ m,例如約100 μ m至約400 μ m。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會認(rèn)識到，支承結(jié)構(gòu)的理想形狀和尺寸將取決于各種因素，例如傳遞層材料和厚度、涉及的流體、制造對準(zhǔn)公差和傳遞層效率。流場136可以限定支承結(jié)構(gòu)138的排列，該排列具有梯度密度和變化的尺寸，如圖28中所示。例如，流場136的一端可以具有較大且稀疏的支承結(jié)構(gòu)138，在接近相對端的過程中尺寸逐漸減小并且密度逐漸增加。此外，可以用表面處理對一些或所有流場進行處理，以改進流體動力學(xué)。例如，可以對表面進行處理以賦予其親水性，從而減少空氣積留?？蛇x地，它可以被選擇性處理成在低支承件密度區(qū)域中是疏水的，在高支承件密度區(qū)域中是親水的，以促使積留的空氣通過稀疏區(qū)域向濃密區(qū)域移動，在濃密區(qū)域中吸水和機械力能夠?qū)怏w驅(qū)出。此外，支承結(jié)構(gòu)138也可以在經(jīng)受設(shè)計約束的整個流場中隨機分布，如圖29中所示。支承結(jié)構(gòu)138之間的距離S可以是在考慮到運行參數(shù)和構(gòu)造要求的情況下可能的最寬值，以例如基本上防止傳遞層110 (圖21)下垂到流場136中。實際寬度將根據(jù)某些因素改變，例如傳遞層110 (圖21)的剛性和跨傳遞層的壓力差。通常的寬度在ΙΟΟμπι至500 μ m之間，更通常在約200 μ m至約400 μ m之間。微通道或流場深度產(chǎn)生傳遞效率優(yōu)勢。微米級維度通過減小通過大體積流體的擴散或傳導(dǎo)長度而降質(zhì)量傳遞質(zhì)限制，從而增加了每單位面積傳遞層110(圖21)的質(zhì)量流率，從而提高效率并減小裝置尺寸。微通道或流場深度通常地大于O并小于1000 μ m。更通常的情況下，深度大于O并小于400 μ m。甚至更通常的情況下，深度大于O并小于約100 μ m,例如約10 μ m至90 μ m。2.用作透析器的質(zhì)量傳遞裝置參考圖30和圖31，可以用作透析器的組裝的質(zhì)量傳遞裝置200包含層板202、層板204和傳遞層206。提供了壓縮板208以向分層的板202和204以及傳遞層206施加壓力，從而產(chǎn)生基本上密封的流體微通道或流場。壓縮板208利用例如連接壓縮板的緊固件或通過將裝置200置于夾緊機構(gòu)中來施加壓力。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會認(rèn)識到，在本領(lǐng)域中存在向壓縮板施加力的各種其它方法。流體集流管210與質(zhì)量傳遞裝置200可操作地連接，并與微通道入口 212和微通道出口 214流體連接，以用于將流體輸送到內(nèi)部微通道106和112(圖21)。圖31示出了平行布置的兩個微流體傳遞裝置，然而本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會認(rèn)識到，任何數(shù)目的裝置可以并聯(lián)、串聯(lián)或通過這兩種方式構(gòu)造。壓縮板208可以由具有足夠剛性以均勻壓縮層板202和204以及傳遞層206的任何材料制成。適合的材料包括但不限于聚合物、金屬、陶瓷或復(fù)合材料。示例性的材料可以是例如丙烯酸類材料。然而，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會認(rèn)識到，壓縮板的材料及其厚度可能取決于各種因素，例如堆中層的數(shù)目、影響密封的所需形狀以及運行溫度。壓縮板208可以是平坦的，或者可以具有彎曲面例如凸面，其具有適合于將壓力通過裝置200優(yōu)選均勻地分配的曲率。圖32示出了微流體傳遞裝置300的一個實施例的組裝圖。質(zhì)量傳遞裝置300包含保持在壓縮板302之間的按順序排列的層板堆。按順序排列的堆包含頭部墊片304和由墊片306隔開的重復(fù)的子單元。重復(fù)的子單元按順序包含第一層板308、傳遞層310和第二層板312。子單元的數(shù)目取決于所需的應(yīng)用和容積吞吐量(volumetric throughput)和傳遞能力。此外，裝置可以如圖31中所示并聯(lián)。層板308和312在設(shè)計上基本上相同。參考圖33，層板308和312具有流體集流管314、流體入口 316、支承結(jié)構(gòu)318、通路322、位于相對側(cè)上的微通道324 (或流場)和流體出口 326。這在下面圖36的討論中可以更詳細地看至IJ。再次參考圖32，墊片304和306具有切口 325，以便墊片不覆蓋流體集流管314，防止墊片材料塌陷到集流管中并妨礙流體流動。支承結(jié)構(gòu)318可以將壓力傳遞通過堆，以便于整個堆的壓縮密封并防止相鄰層板塌陷到集流管中。支承結(jié)構(gòu)也可以防止傳遞膜阻斷流體流入并通過集流管。流體連接器328、330、332和334與壓縮板302可操作地連接。
圖34示出了組裝的微流體傳遞裝置300的透視圖。壓縮板302具有用于接收緊固件的孔隙336，所述緊固件用于將堆338聯(lián)接并且壓縮在一起。第一流體通過流體連接器328進入裝置300，并通過流體連接器330離開裝置。第二流體通過流體連接器332進入裝置300，并通過流體連接器334離開裝置。
圖35提供了兩個堆子單元400的內(nèi)部流動路徑的詳細圖。流體流動路徑402顯示了通過流體入口 404進入的第一流體(例如血液)。流體入口 404是貫通孔，其將第一流體與堆中的子單元流體連接。流體進入集流管405，在支承結(jié)構(gòu)406周圍流動，通過通路408流向微通道410或流場，在微通道410或流場處該流體與傳遞層412接觸。傳遞層412將含有第一流體的微通道410或流場與含有第二流體(例如透析液)的微通道414或流場可操作地連接，以允許傳遞流體中的所選物質(zhì)(例如血液廢產(chǎn)物)。例如，質(zhì)量傳遞層例如膜可以允許第一流體和第二流體的可透過膜的組分跨過膜從一種流體傳遞到另一種流體。
圖36是并置的兩種流體的流體流動方式的示意圖。流體入口 404將第一流體提供給入口集流管422，其中流體圍繞支承結(jié)構(gòu)406流向微通道423，并被收集在出口集流管424中微通道的另一端處，然后通過流體出口 418離開。如果圖36的實施例包含流場而不是微通道423，那么流體將從入口集流管422通過流場流向出口集流管424。當(dāng)流體流過流場時，該流體將圍繞位于流場內(nèi)的各種支承結(jié)構(gòu)流動。
第二流體通過流體入口 416進入入口集流管426，在該入口集流管426處第二流體被引導(dǎo)向微通道427或流場，并收集在出口集流管428中，通過出口 420離開。圖36公開了具有彼此正交流動的第一流體和第二流體的裝置；然而，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會認(rèn)識到，可以將該裝置構(gòu)造成用于同向流、反向流或交叉流。圖37公開了利用流場430和432而不是多個平行的微通道的另一個實施例的相鄰層的并置。
在實施例中，質(zhì)量傳遞裝置是透析器，使得第一流體是血液，第二流體是透析液。血液進入流體入口 404并流向入口集流管422。然后血液進入流場或微通道流向出口集流管424，然后通過流體出口 418離開。透析液通過流體入口 416進入透析器并流入入口集流管426，在該入口集流管處該透析液被引導(dǎo)向微通道427或流場，并收集在出口集流管428中，通過出口 420離開。當(dāng)血液和透析液流過它們相應(yīng)的流場時，溶質(zhì)跨過質(zhì)量傳遞層擴散。在相應(yīng)的流場之間可以形成壓力梯度，以便實現(xiàn)血液的血液透析濾過，其中流體定期從透析液進入血液和/或從血液進入透析液，從而利用溶質(zhì)對流運動傳遞分子，否則僅通過擴散這些分子將緩慢跨過膜屏障。超濾是在透析中使流體通過擴散跨過透析器膜從血液移動到透析液中的過程，其目的是從患者的血流中移除過量流體。一些溶質(zhì)與水一起，也通過對流而不是擴散被抽過膜。超濾是血液隔室與透析液隔室之間的壓力差的結(jié)果，其中流體將從較高壓力向較低壓力移動。
圖38公開了具有交替的鏡像子單元502和504的裝置500的實施例。該實施例產(chǎn)生合并的流體集流管506，該流體集流管將流體通過通路510引導(dǎo)向微通道508 (或流場)。子單元502和504由具有用于集流管506的切口的墊片512隔開。相對于具有帶有彼此面對的不同流體的集流管的實施例，該布置減少了流體交叉污染。此外，以該方式布置子單元502和506，與圖32中示為304和306的兩個墊片設(shè)計相比，允許單個簡化的墊片設(shè)計。該實施例可以被構(gòu)造用于圖38中所示的交叉流或圖39中所示的同向流或反向流。參考圖39，裝置520包含具有合并的集流管524和526的子單元522。層板528和530包含由傳遞層536隔開的平行的微通道532和534 (或流場)。平行的微通道532和534允許同向流動路徑538和540?？蛇x地，逆轉(zhuǎn)流動路徑538或540任一個的方向?qū)崿F(xiàn)反向流。在另一實施例中，完全消除了對子單元之間的墊片的需求。圖40公開了質(zhì)量傳遞裝置600的部分組裝圖，其中層板604在兩側(cè)上均具有微通道(或流場)和集流管。該構(gòu)造允許裝置600被組裝成相同的傳遞層602和層板604的交替層。圖41是層板604的前面606和背面608的平面視圖。層板前面606具有與第一流體入口集流管612流體連接的第一流體入口 610。第一流體入口集流管612將流體通過通路614引導(dǎo)向?qū)影灞趁?08上的第一流體微通道616 (或流場)。微通道616將流體引導(dǎo)向通路618，所述通路將微通道與層板前面606上的第一流體出口集流管620流體連接，第一流體在所述層板前面606處通過第一流體出口 622離開。同樣地，層板背面608具有與第二流體入口集流管626流體連接的第二流體入口 624。第二流體入口集流管626與通路628流體連接，所述通路628將第二流體入口集流管與層板前面606上的第二流體微通道630 (或流場)流體連接。第二流體微通道630將流體弓I導(dǎo)向與第二流體微通道和第二流體出口集流管634流體連接通路632，所述第二流體出口集流管634與第二流體出口 636流體連接。圖42公開了在微流體傳遞裝置600 (圖40)中使用的傳遞層602。傳遞層602具有與板604 (圖41)上的流體集流管612、620、626和634的位置相關(guān)的四個切口 638。盡管雙側(cè)層板604允許裝置具有與前面公開的實施例相比接近一半的層板數(shù)量，但單獨的壓縮可能不足以密封位于層板相同側(cè)上的集流管與微通道之間的傳遞層。圖43示出了利用雙側(cè)層板604的微流體傳遞裝置700的詳細圖。第一流體從集流管706通過層板604流向微通道702 (或流場)。同樣地，第二流體從層板604上未示出的集流管流向位于板的與集流管706相同側(cè)上的微通道704 (或流場)。由于傳遞層602通過微通道分隔器708而不是固體表面抵著相鄰層壓縮，因此流體可能在傳遞層下泄漏，使流體從集流管706進入微通道704。傳遞層聯(lián)結(jié)710防止該情況發(fā)生。膠粘劑或激光焊接可以產(chǎn)生傳遞層聯(lián)結(jié)710，然而本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會認(rèn)識到，可以使用其它方法來產(chǎn)生聯(lián)結(jié)。該方法包括但不限于RF焊接、超聲焊接和熱焊接。盡管圖43公開的雙側(cè)裝置具有交叉流，但也可以構(gòu)造具有同向流或反向流的雙側(cè)裝置。例如，圖44示出了具有雙側(cè)層板722和724的裝置720，所述雙側(cè)層板被布置成提供合并的集流管726和728。微通道730和732是平行的并被傳遞層734隔開，從而形成同向流動路徑736和738。同樣地，微通道740與742彼此平行并被傳遞層744隔開，從而形成未示出的同向流動路徑。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會認(rèn)識到，該實施例也允許反向流。微流體傳遞裝置的一個實施例利用貫通整個層板厚度的微通道。圖45是貫通層板800的平面視圖。層板800具有與入口集流管804流體連接的流體入口 802。入口集流管804與通路808流體連接。貫通微通道811通過微通道814與通路808流體連接。微通道814將貫通微通道811與出口集流管816流體連接，該出口集流管將流體流引導(dǎo)向出口818。由于微通道貫通整個層板厚度，因此微通道分隔器可能需要結(jié)構(gòu)支承件。圖46示出了具有由部分厚度分隔器812支承的貫通微通道811的層板800。為了承受強烈壓力密封，層板800具有用于將傳遞層抵著相鄰層壓縮的壓力密封面820。貫通微通道層板的另一實施例示出在圖47中。
圖47示出了具有形成人字形圖案的微通道分隔器的層板800的平面視圖。參考圖48，微通道分隔器814包含布置成人字形圖案的多個部分厚度壁片段816。部分厚度壁片段816在人字形圖案中交替出現(xiàn)，使得相鄰壁片段與層板800的相對側(cè)平齊。該設(shè)計通過暴露出更大的傳遞層(未示出)表面積來提高裝置效率。部分厚度壁片段816可以基本上形成流場而不是微通道，因為部分厚度壁片段816不必約束流體流進入單個通道。
圖49示出了使用貫通層板906的微流體傳遞裝置900的組裝圖。與墊片904可操作地連接的壓縮板902保持并壓縮重復(fù)的子單元，所述子單元按次序包含第一流體層板906、傳遞層908和第二流體層板910。子單元由傳遞層912隔開。該實施例的一個優(yōu)點是每個微通道的增加的傳遞層暴露。由于貫通微通道在兩側(cè)以傳遞層908和912為界，所述傳遞層將它們與相鄰的板可操作地連接，因此每個層板的傳遞層表面積幾乎加倍。這允許使用較少的層，并允許降低成本和較小的裝置。
圖50提供了流體流動路徑1000的細節(jié)。流體進入入口集流管1002，該入口集流管將流體引導(dǎo)向通路1004。流體通過通路1004行進至微通道1006，然后行進至貫通微通道1008。貫通微通道1008的取向與貫通微通道1010正交。貫通微通道1008和1010具有用于結(jié)構(gòu)支承件的部分厚度分隔器1012。此外，分隔器1012提供了混合并且基本上不妨礙流體流動。傳遞層1014隔開并且可操作地連接貫通微通道1008和1010，以提供從一種流體向另一種流體的熱或質(zhì)量傳遞。
圖51公開了具有同向流和交叉流兩者的貫通裝置1100的細節(jié)。裝置1100包含多個子單元1102。子單元1102包含在第一層板1106與第二層板1108之間的傳遞層1104。層板1106和1108分別具有貫通微通道1110和1112。微通道1110和1112彼此平行，并與相鄰子單元1102的微通道正交。子單元1102由傳遞層1114隔開。因此，子單元1102具有在子單元1102內(nèi)的層板1106與1108之間的同向流或反向流，以及在子單元之間的交叉流。
所公開的裝置可以利用流體膜。圖52公開了過程流體流動路徑1202和1204的并置以及流體膜通道1206的平面視圖。流體流動路徑1202和1204彼此基本上平行，并與流體膜通道1206基本上正交?，F(xiàn)在參考圖53，流體膜裝置1300包含由流體膜1304隔開的貫通層板。流體膜1304包含含有流體和膜支承件1311的貫通層板1306。貫通層板1308具有基本上與貫通層板1302的微通道1314正交的微通道1312。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會認(rèn)識到，膜支承件可以是適用于液體膜應(yīng)用的任何材料。例如且非限制性的，微孔聚乙烯薄膜可用作膜支承件。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會認(rèn)識到，對膜支承件的組成和放置的要求，將取決于例如在流體膜中使用的流體、過程流體以及操作溫度和壓力。
質(zhì)量傳遞裝置也可以被構(gòu)造成燃料電池。圖54公開了包含由傳遞層1404隔開的多個貫通層板1402的燃料電池裝置1400，所述傳遞層包含陰極1406、陽極1408和在該陰極以及該陽極之間的聚合物電解質(zhì)膜1412。圖54的裝置可以例如在微通道1414中含有氫，并在微通道1416中含有氧。傳遞層1404的取向使得陽極1408與微通道1414相鄰，陰極與微通道1416相鄰。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會認(rèn)識到，該裝置可以與任何燃料電池一起使用，并且傳遞層構(gòu)造將取決于例如使用的燃料和操作溫度和壓力。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員還將認(rèn)識到，裝置也可以被構(gòu)造用于同向流或反向流。圖55示出了流場透析器的不具有集流管區(qū)域的層板的實施例的平面視圖。在該實施例中，流場具有多邊形形狀，其中入口 1505位于流場的上部位點，出口 1510位于流場的下部位點。多個支承結(jié)構(gòu)例如銷釘位于流場內(nèi)。為了清楚地說明，在圖55的流場中沒有示出支承結(jié)構(gòu)。流場內(nèi)的支承結(jié)構(gòu)的構(gòu)造可以變化，如上面參考圖23至圖29所述。流場由相對壁1517限定，在相對壁之間具有用于流體流動的空間。壁1517從入口 1505分支，使得流場具有在入口 1505的區(qū)域中的相對小的橫向尺寸，并具有在中央?yún)^(qū)域1520中的變寬的橫向尺寸。在圖55中中央?yún)^(qū)域1520用橢圓形近似表示，盡管中央?yún)^(qū)域的形狀可以變化。壁1517從中央?yún)^(qū)域1520朝向出口 1510會聚，使得流場具有在出口 1510處的相對于中央?yún)^(qū)域1510來說較小的橫向尺寸。入口 1505將流體供應(yīng)到流場中，而沒有對于流體來說的任何特定的流動區(qū)域，以便在進入流場之前獲得相對均勻的分布。入口 1505處相對于中央?yún)^(qū)域1520相對受限的尺寸導(dǎo)致在入口處流動的流體與在中央?yún)^(qū)域1520處流動的流體之間的壓力差。也就是說，當(dāng)流體流入變寬的中央?yún)^(qū)域時，壓力下降。然后當(dāng)流體朝向較小的出口 1510區(qū)域流動時,壓力上升。這引起當(dāng)流體從入口1505向中央?yún)^(qū)域1520流動時流體速度增加，然后當(dāng)流體從中央?yún)^(qū)域1520向出口 1510流動時速度降低。流場的形狀可以變化，并且可以具有在入口 /出口區(qū)域與中央?yún)^(qū)域之間獲得尺寸差的各種形狀中的任一種。例如，圖56示出了在入口 /出口區(qū)域與中央?yún)^(qū)域之間獲得尺寸差的圓形流場。其它形狀也是可能的，例如橢圓形、菱形等。在該實施例中，可能不需要集流管，這是由于流場本身用作其自身的集流管區(qū)域，并且簡單地通過與緊鄰入口 1505的輸入流體液流相關(guān)的相對較高壓力、較高流體速度的區(qū)域與朝向流場中央?yún)^(qū)域1520的相對較低壓力、較低速度的區(qū)域1520之間的壓力降效應(yīng)獲得相對均勻的流動分布，此外還由于各種支承結(jié)構(gòu)例如銷釘，流體在該支承結(jié)構(gòu)上碰撞并圍繞該支承結(jié)構(gòu)流動，以產(chǎn)生均勻的流動分布。當(dāng)更多的流體通過入口 1505進入流場時，已經(jīng)處于流場中的流體被推向并推出出口 1510。此外，當(dāng)流體流入中央?yún)^(qū)域1520時流體速度的降低，導(dǎo)致流體在流場中停留時間的增加。增加的停留時間可以弓I起跨過透析器膜的擴散量的增加和透析器效率的提高。在實施例中，銷釘1512布置成一系列行，使得銷釘基本上形成通過流場的通道。使用已知技術(shù)，可以如下所述獲得銷釘行之間一定深度的通道?？梢酝ㄟ^例如將適合的材料諸如鋁機械加工成所需尺寸，或?qū)⑦m合的材料片例如聚酰亞胺片進行激光蝕刻，來首先產(chǎn)生母層板。在實施例中，使用足夠量的層板來形成具有約10厘米乘約10厘米的尺寸的矩形流場，盡管尺寸可以改變。然后通過將聚醚酰亞胺板與前面產(chǎn)生的母板一起進行印花，或者通過激光蝕刻和與前面產(chǎn)生的母板一起印花的組合，從母層板產(chǎn)生印花母板。最后，從印花母板產(chǎn)生每個層板。應(yīng)該認(rèn)識到，在制造方法中可以進行改變。在使用激光蝕刻產(chǎn)生母板中，激光束的路徑在基板上切出深度相對均勻的通道。這被示意顯示在圖57中，其中線1610表示形成通道的激光束的連續(xù)路徑。沿著每個激光路徑的長度在層板中形成深度相對均勻的通道。然而，在激光路徑相互交叉的位置例如交點1615處，層板被切割出約2倍于激光路徑?jīng)]有交叉處的深度。交點1615處深度的增加，至少部分是兩束激光彼此交叉處激光能增加的結(jié)果。這對于每個通道來說產(chǎn)生了起伏不平的路徑，其中每個通道具有沿著其長度部分相對均勻的深度，以及在交點1615處增加的深度。
圖58示出了層板中激光形成的通道相交并具有由激光蝕刻切割產(chǎn)生的該類型的起伏不平的底面通道的部分的放大圖。圖59示出了層板表面的放大圖，顯示了起伏不平的通道和在通道之間形成的銷釘。圖59中示出的實施例具有隆起的表面，該表面一般來說在側(cè)面和頂面上是平坦的。在另一實施例中，隆起的表面在側(cè)面和頂面上是圓形的。與使用在具有相對相等的深度的所有銷釘之間例如當(dāng)對鋁進行機械加工時通常產(chǎn)生的路徑底面所能獲得的相比，起伏不平的通道底面在流動中產(chǎn)生更強的混合條件。也就是說，起伏不平的通道底面在深度增加的每個區(qū)域中引起流動速度和流動方向的局部變化。這在流體沿著深度增加的區(qū)域流動時引起流體的局部混合。所述混合通過重復(fù)地將新鮮透析液攜帶到與傳遞膜的表面更接近的位置，傾向于提高裝置的效率。
在圖60示出的實施例中，將交替的對稱層板以交叉流方式堆疊，以將處理待透析流體的層板的入口 1505a和出口 1510a與例如處理透析液的交錯層板的入口 1505b和出口1510b隔開。對于該實施例來說，每個層板可以基本上繞中心軸對稱，例如是正方形或圓形的，以便可以獲得均勻的堆疊。使用無集流管流場和適當(dāng)定位的入口和出口，可以構(gòu)造幾乎任何程度的反向流或交叉流或同向流，并且落入在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
為了確定將本公開的裝置用于血液透析的可行性，制造了單層、三層和五層的基于微通道的裝置和單層流場裝置。基于微通道的裝置所包含的微通道深為100 μ m，寬為400 μ m,并具有200 μ m寬的分隔器。在陣列中存在51個通道，提供了每層(或傳遞單元)4.2cm2的相對小的膜傳遞面積。流場設(shè)計具有6.3cm2的膜傳遞面積和6p μιη的流場深度。使用熱壓印技術(shù)制備層板并對其進行造型。所有裝置被構(gòu)造成用于交叉流，并使用壓力密封。傳遞層是可以從Gambro Medical獲得的ΑΝ69平板膜。
所公開的跨過各種微流體實施例的流體流量取決于跨過單個層板的流量和堆中層板的數(shù)目。在透析系統(tǒng)內(nèi)用于透析的微流體裝置中，跨過微流體透析器的流量可以與透析器上游產(chǎn)生的透析液的流量大致匹配。通過該方式可以獲得高達1000ml/min的流量，盡管對于臨床環(huán)境之外的透析應(yīng)用例如家庭或夜間透析來說，跨過膜的任一側(cè)的較低流量例如100ml/min,可能是優(yōu)選的。
B.制造微流體傳遞裝置
本文公開的裝置可以通過涉及被稱為微層壓的制造方法的許多技術(shù)來生產(chǎn)。微層壓方法描述在共同授予給俄勒R州立大學(xué)的幾項專利和待決的申請中，包括美國專利號6，793，831,6, 672，502和題為“MECS裝置的大體積微層壓生產(chǎn)” (High VolumeMicrolamination Productionof MECS Devices)的美國公開號2007/0029365 以及題為“微量化學(xué)物納米工廠”(Microchemical Nanofactories)的美國公開號2008/0108122,它們?nèi)荚诖艘秊閰⒖肌?br> 微層壓由對被稱為層板的材料薄層進行圖案造型和聯(lián)結(jié)所組成，以形成具有嵌入的特征結(jié)構(gòu)的單片裝置。微層壓通常地包含至少三種水平的生產(chǎn)技術(shù):1)層板圖案造型，2)層板配準(zhǔn)，和3)層板聯(lián)結(jié)。因此，本發(fā)明的用于制造裝置的方法包括提供多個層板，配準(zhǔn)層板和聯(lián)結(jié)層板。對于所有公開的實施例來說，層板聯(lián)結(jié)是不需要的，因為配準(zhǔn)的層板被保持在壓縮板之間，提供了壓力密封。作為另一種替代實施例，與壓力相組合，某些實施例可以將至少一些層板聯(lián)結(jié)在一起。方法還可以包括分離的部件(即來自于結(jié)構(gòu)的子結(jié)構(gòu))以制造裝置。部件分離可以在聯(lián)結(jié)層板之前、之后或同時進行。
在本發(fā)明的一個方面，層板從各種材料形成，特別是金屬，合金包括中間金屬和超合金，聚合材料包括僅示例而非限制性的聚碳酸酯、聚對苯二甲酸乙二酯(PET)、聚醚酰亞胺(PEI)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和鹵代聚乙烯例如聚四氟乙烯(PTFE)，陶瓷，以及這些材料的組合。對于特定應(yīng)用來說，材料的正確選擇由各種因素決定，例如金屬或金屬合金的物理性質(zhì)和成本。對于金屬微層壓來說特別有用的金屬和合金的實例，包括不銹鋼、銅、鈦、鎳和鋁?？捎糜诒景l(fā)明的微層壓方法來說有用的層板可以具有各種尺寸。一般來說，層板具有約25 μ m至約1000 μ m的厚度，優(yōu)選約25 μ m至約500 μ m的厚度，甚至更優(yōu)選約25 μ m至250 μ m的厚度。堆中的各個層板也可以具有不同厚度。
1.層板圖案
層板圖案造型可以包括將圖案機械加工或蝕刻在層板中。層板圖案造型還可以包括印花、輥印花和/或沖壓。產(chǎn)生的圖案取決于將要制造的裝置。非限制性地，用于機械加工或蝕刻的技術(shù)包括激光束、電子束、離子束、電化學(xué)、放電、化學(xué)和機械材料沉積或移除。層板可以通過多種技術(shù)例如平版和非平版印刷方法兩者的組合進行圖案造型。平版印刷方法包括微成型和電鍍方法例如LIGA，以及其它凈成型制造方法。平版印刷技術(shù)的一些其它實例包括化學(xué)微機械加工(即濕法蝕刻)、光化學(xué)機械加工、掩模電化學(xué)微機械加工(EMM)、等離子體蝕刻，以及沉積技術(shù)例如化學(xué)氣相沉積、濺射、蒸發(fā)和電鍍。非平版印刷技術(shù)包括放電機械加工(EDM)、機械微加工和激光微機械加工(即激光光消融)。對于裝置的批量生產(chǎn)來說，光化學(xué)和光化學(xué)微機械加工可能是優(yōu)選的。
用于對公開的裝置實施例的層板進行圖案造型的一種方法是微印花。例如，本公開的某些實施例使用下列技術(shù)來制造。使用Obducat Nano壓印平版印刷系統(tǒng)將微米尺度的圖案從母板轉(zhuǎn)印到聚合物部件。母板制造通過將母板在金屬例如鋁中微壓煉(micromilling)來實現(xiàn)。使用另一種材料例如聚醚酰亞胺(PEI)作為中間體的雙重轉(zhuǎn)印方法也可以使用。使用造型有圖案的光阻材料作為起始母板的三重轉(zhuǎn)印方法也可以使用。將圖案從光阻材料、通常為SU-8轉(zhuǎn)印到聚二甲硅氧烷(PDMS)，然后轉(zhuǎn)印到熱固性環(huán)氧樹脂(例如Conapoxy FR-1080),該熱固性環(huán)氧樹脂然后被用作Obducat工具中的印花母板，將圖案轉(zhuǎn)印到較低熔化溫度的聚合物例如聚對苯二甲酸乙二酯(PET)。SU-8可以在多個層中沉積并形成圖案，允許產(chǎn)生精密的多平面母板。這些平面可以高于和低于具有壓力密封件的平面，允許例如形成突出的特征結(jié)構(gòu)例如密封突起部以及具有多種深度的通道。層板也可以使用兩塊母板同時在兩側(cè)印花。在原型制造期間使用校準(zhǔn)技術(shù)例如標(biāo)記和銷釘。預(yù)期批量生產(chǎn)將使用輥印花和層壓技術(shù)，也被稱為轉(zhuǎn)化方法來實現(xiàn)，其包括使用視覺系統(tǒng)自動校準(zhǔn)。
用于制造所公開的實施例的另一種方法是金屬層板例如316/316L不銹鋼的光化學(xué)蝕刻。使用具有圖案的光阻材料掩蓋層板的前側(cè)和后側(cè)，每個側(cè)面具有不同的掩蓋圖案。從每側(cè)進行部分蝕刻產(chǎn)生復(fù)雜的流動通道，包括從一側(cè)到另一側(cè)的通路和通向兩側(cè)的通道。也產(chǎn)生了用于使通道分隔器穩(wěn)定的小的支承結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)可用于產(chǎn)生分段的通道分隔器結(jié)構(gòu)，從而增加傳遞層的活動表面。激光機械加工也用于切出通路、入口和出口端口、層板中的校準(zhǔn)銷釘孔以及印花母板。使用具有355nm波長激光的ESI 5330來進行激光機械加工。在批量生產(chǎn)中，也可以使用激光切出通路和其它貫通結(jié)構(gòu)。為了產(chǎn)生通路，激光的角度優(yōu)選為非正交的，以產(chǎn)生非正交通路，從而減小流動通道中的死體積?？蛇x地，通路和其它貫通結(jié)構(gòu)可以使用沖壓操作來產(chǎn)生。沖壓操作可以作為印花操作的一部分，通過設(shè)計適合的印花/沖壓母板來完成。特別是非正交通路，也通過設(shè)計適合的印花/沖壓母板來產(chǎn)生。激光微機械加工使用脈沖或連續(xù)激光作用來實現(xiàn)?；贜d = YAG和準(zhǔn)分子激光的機械加工系統(tǒng)通常是脈沖的，而CO2激光系統(tǒng)是連續(xù)的。Electro Scientific Industries的4420型是典型的Nd = YAG系統(tǒng)。通過以數(shù)字控制的X-Y運動跨過部件移動聚焦的激光通量，該微機械加工系統(tǒng)使用了兩個自由度。切割作用是熱或化學(xué)消融，這取決于待加工的材料和使用的波長。Nd:YAG激光的驅(qū)動裝置可以是提供約2 μ m的分辨率的數(shù)字控制的伺服執(zhí)行裝置。然而，貫通切口的寬度取決于聚焦光束的直徑。層板也使用CO2激光系統(tǒng)來進行機械加工。大多數(shù)商業(yè)化CO2激光半消融或液化待切除的材料。通常使用高速氣體噴射來協(xié)助移除碎片。與Nd = YAG系統(tǒng)相同，激光(或工件)在X-Y方向上平移，以在材料中獲得所需圖案。使用Nd = YAG脈沖激光來切穿例如90μπι厚的鋼填隙片。這些切口的線寬約為35 μ m寬，盡管對于鋼來說，觀察到一些錐度。在前側(cè)面上，沿著切口邊緣可能出現(xiàn)一些碎片和隆脊。這種材料可以在層板制備期間通過例如表面拋光容易地從表面移除。還可以使用CO2激光對層板進行圖案造型。CO2貫通切口約為200 μ m寬，也表現(xiàn)出輕微錐度。CO2激光切口的寬度是利用所使用的系統(tǒng)所能獲得的最小值。部件可以在層板制備步驟中使用表面拋光進行清潔，以除去碎片。脈沖式Nd:YAG激光也能對由聚合材料制成的層板例如由聚酰亞胺制造的層板進行微機械加工。脈沖式Nd: YAG激光能夠以高分辨率對這些材料進行微機械加工，并且沒有重澆鑄的碎片。對于化學(xué)消融顯然是在材料移除中涉及的機理的該類型的工作來說，紫外波長顯得最好。產(chǎn)生了清潔的邊緣鋒利的直徑在25-50 μ m范圍內(nèi)的孔。2.層板制備取決于所使用的層板和圖案造型技術(shù)，層板圖案造型可以包括層板制備。層板可以通過各種技術(shù)來制備。例如，層板在圖案形成后的表面拋光可能是有益的。此外，可以使用酸蝕刻從金屬或合金層板移除任何氧化物。層板制備還可以包括向一些或所有層板施加無氧化物涂層。其實例是在層板上電鍍金以防止環(huán)境條件下的氧化。3.配準(zhǔn)層板配準(zhǔn)包括(I)將層板堆疊，使得用于制造裝置的堆中的多個層板中的每個均處于其在堆中的正確位置，以及(2)相對于彼此放置相鄰層板，使得它們?nèi)缬裳b置的設(shè)計所決定地正確對準(zhǔn)。應(yīng)該認(rèn)識到，可以使用各種方法來正確對準(zhǔn)層板，包括手動和目測對準(zhǔn)層板。層板能夠相對于彼此放置的精確性可能決定最終的裝置是否發(fā)揮作用。復(fù)雜性可以從耐受一定程度非對準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)例如微通道陣列，到需要高度精確對準(zhǔn)的更精密復(fù)雜的裝置。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會認(rèn)識到，彼此平行的相鄰層板上的微通道，與具有交叉流的實施例相比需要更精確的對準(zhǔn)?？梢允褂脦追N對準(zhǔn)方法來獲得所需精確度。例如，可以使用調(diào)準(zhǔn)夾具來實現(xiàn)配準(zhǔn)，所述調(diào)準(zhǔn)夾具接受層板堆并使用一些嵌入的特征結(jié)構(gòu)例如角和邊來對準(zhǔn)每個層板，如果該特征結(jié)構(gòu)對于所有層板來說是共有的，這種方法效用最佳。另一種方法將調(diào)準(zhǔn)特征結(jié)構(gòu)例如孔在對其它零件進行機械加工的同時引入到每個層板中。然后使用調(diào)準(zhǔn)夾具，其引入通過調(diào)準(zhǔn)孔的銷釘。邊調(diào)準(zhǔn)方法可以將層板配準(zhǔn)在10微米以內(nèi)，假設(shè)層板的邊準(zhǔn)確到該精度。使用調(diào)準(zhǔn)銷釘和高度準(zhǔn)確的層板機械加工技術(shù)，微米級定位是可行的。
如果需要，也可以使用視覺系統(tǒng)和熱輔助層板配準(zhǔn)。關(guān)于熱輔助層板配準(zhǔn)的其它詳細情況，由專利公開號2007/0029365提供，其在此引為參考。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員也將認(rèn)識到，配準(zhǔn)過程可以自動化。
4.微流體裝置的制造
層板聯(lián)結(jié)包括將多個層板中的至少一些相互聯(lián)結(jié)，以產(chǎn)生單片裝置(也稱為層壓體)。層板聯(lián)結(jié)可以通過大量方法來實現(xiàn)，包括但不限于擴散軟焊接/結(jié)合、熱銅焊、膠粘劑粘合、熱膠粘劑粘合、固化膠粘劑粘合、靜電粘結(jié)、電阻焊接、顯微投影焊接及其組合。在聯(lián)結(jié)配準(zhǔn)的層板之外或作為其可選方案，可以將本公開的裝置組裝在壓縮板之間。然而，對于某些應(yīng)用來說，將層板與傳遞層聯(lián)結(jié)可能是優(yōu)選的。此外，在制造期間可以使用聯(lián)結(jié)或焊接例如激光點焊來便于組裝。
裝置制造的優(yōu)選方法包括高產(chǎn)量、低成本的制造技術(shù)。層板圖案造型使用幾種技術(shù)來實現(xiàn)，包括印花、沖壓和光化學(xué)蝕刻等。在一個優(yōu)選實施例中，組裝使用例如在網(wǎng)膜加工或轉(zhuǎn)換工業(yè)中使用的輥壓技術(shù)來實現(xiàn)。將聚合物薄膜輥印花并沖壓，然后層壓以形成子組件。金屬層板使用光化學(xué)蝕刻進行圖案造型。現(xiàn)在正在開發(fā)的消融噴水技術(shù)將來也可用于金屬層板的圖案造型。將子組件隔開、堆疊并組裝在壓縮框架中。主要密封方法是從外框施壓，然而聯(lián)結(jié)技術(shù)例如激光焊接和膠粘劑也可用于一些實施例的部分?？梢韵蜻吘壥┘用芊鈩┗蛎芊夥椒ǎ苑乐雇ㄟ^膜的外部滲出。
C.熱傳遞操作
在其它實施例中，本文公開的微流體傳遞裝置可用于各種熱傳遞操作中。與本文中公開的質(zhì)量傳遞裝置相同，熱傳遞裝置可以包括多個子單元的堆，以將裝置規(guī)?？s放到所需容積?？梢詫?dǎo)熱層引入到該裝置中(例如置于子單元之間)，以允許熱量從一種流體傳遞到另一種流體。
例如，參考圖21，在熱傳遞實施例中，傳遞層109可以是用于允許熱量從微通道106中的流體傳遞到微通道112中的流體的熱傳遞層，或與之相反。在該實施例中，傳遞層110可以是能夠以足夠用于所需應(yīng)用的速率將熱量從一種流體傳導(dǎo)至另一種流體的任何材料。相關(guān)因素包括但不限于熱傳遞層109的導(dǎo)熱率、熱傳遞層的厚度和所需的傳熱速率。適合的材料包括但不限于金屬、金屬合金、陶瓷、聚合物或其復(fù)合材料。適合的金屬包括但不限于鐵、銅、鋁、鎳、鈦、金、銀或錫。銅可能是特別理想的材料。
與本文中描述的質(zhì)量傳遞裝置類似，微流體熱傳遞裝置的微米級尺寸通過減小主體流體的擴散或傳導(dǎo)長度而降低了熱傳遞限制，從而增加了每單位面積傳遞層109 (圖21)的傳熱速率，因此提高效率并減小裝置尺寸。
公開的實施例還可以包含熱和質(zhì)量傳遞部件兩者。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會認(rèn)識到，大量構(gòu)造是可能的，并且最優(yōu)構(gòu)造將由目標(biāo)應(yīng)用決定。盡管本說明書含有許多細節(jié)，但它們不應(yīng)被解釋為對發(fā)明的已要求的或可能要求的范圍的限制，而是作為特定實施例所特有的特點的描述。在本說明書中在分開的實施例的背景下描述的某些特點，也可以在單個實施例中組合實施。相反，在單個實施例的背景下描述的各種特點，也可以分開或以任何子組合的形式在多個實施例中實施。此外，盡管特點在上面被描述成以某些組合的形式作用，并且甚至最初被要求為如此，但來自于所要求的組合的一種或更多種特點在某些情況下可以從組合中排除，并且所要求的組合可以被引向子組合或子組合的變化形式。同樣地，盡管操作在圖中被描繪成采取特定次序，但這不應(yīng)被理解為為了獲得所需結(jié)果，要求這些操作以所示的特定次序或以順序次序執(zhí)行，或者所有示出的操作都必須執(zhí)行。盡管在本文中參考某些版本對各種方法和裝置的實施例進行了詳細描述，但應(yīng)該認(rèn)識到，其它版本、實施例、使用方法及其組合也是可能的。因此，隨附的權(quán)利要求書的精神和范圍將不限于本文中包含的實施例的描述。
權(quán)利要求
1.一種醫(yī)療系統(tǒng)，包括: 過濾系統(tǒng)，所述過濾系統(tǒng)能夠過濾水流； 水凈化系統(tǒng)，所述水凈化系統(tǒng)能夠以非分批處理方式凈化所述水流； 混合系統(tǒng)，所述混合系統(tǒng)能夠通過以非分批處理方式將一種或多種透析液組分與所述水流進行混合以產(chǎn)生透析液流； 透析器系統(tǒng)，所述透析器系統(tǒng)包括: 微流體或流場透析器，所述微流體或流場透析器能夠流體聯(lián)接到所述透析液流和血流，所述透析器具有將所述透析液流與所述血流分離的膜，所述膜促進所述血流的透析； 多個泵，所述多個泵能夠?qū)⑺鐾肝鲆毫鞅盟痛┻^所述透析器；以及 控制器，所述控制器可操作地聯(lián)接到所述多個泵，所述控制器能夠控制通過所述多個泵中的一個或多個的透析液流的流量，以便在所述血流經(jīng)歷透析時對所述血流執(zhí)行超濾和血液透析濾過過程中的一個或兩個過程。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述凈化系統(tǒng)產(chǎn)生超高溫巴氏消毒的水流。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述水凈化系統(tǒng)包括熱交換系統(tǒng)，所述熱交換系統(tǒng)包括: 流體路徑，所述流體路徑具有入水口和出水口，所述流體路徑還具有: Ca)第一區(qū)域，在所述第一區(qū)域處水在第一溫度下以第一方向流動； (b)位于所述第一區(qū)域下游的加熱器區(qū)域，所述加熱器區(qū)域包括至少一個加熱器，所述至少一個加熱器將熱量傳遞到流動通過所述加熱器區(qū)域的水中，以將在所述加熱器區(qū)域中流動的水的溫度增加至高于所述第一溫度的第二溫度； (c)位于所述加熱器區(qū)域下游的第二區(qū)域，在所述第二區(qū)域處水在高于所述第一溫度的溫度下以第二方向流動，其中在所述第二區(qū)域中流動的水與在所述第一區(qū)域中流動的水熱連通，使得熱量從在所述第二區(qū)域中流動的水向在所述第一區(qū)域流動的水傳遞，從而導(dǎo)致水在流動通過所述第二區(qū)域時溫度降低，其中水以低于所述第二溫度的溫度通過所述出口流出所述路徑。
4.根據(jù)權(quán)利 要求3所述的系統(tǒng)，其中，所述流體路徑的至少一部分是至少一個微通道。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中，所述流體路徑還具有: (d)位于所述加熱器區(qū)域下游和所述第二區(qū)域上游的停留室，其中水在流入所述第二區(qū)域之前，在所述第二溫度下或高于所述第二溫度下在所述停留室內(nèi)保留相對于通過所述停留室的流體流量而言至少預(yù)定量的時間。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中，所述第二溫度為至少138攝氏度。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，還包括位于所述入口上游的泵和位于所述出口下游的節(jié)流閥，其中所述泵和節(jié)流閥以閉環(huán)控制布置方式來布置，以將所述流體路徑中的水維持在飽和壓力以上，使得所述水在存在于所述系統(tǒng)中時在任何點處都不改變狀態(tài)。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中，所述第一區(qū)域、加熱器區(qū)域、停留區(qū)域和第二區(qū)域包含在單個層疊體內(nèi)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述透析器包括第一流場和第二流場，所述第一流場包括第一組支承結(jié)構(gòu)，在操作期間所述血流圍繞所述第一組支承結(jié)構(gòu)流動，所述第二流場包括第二組支承結(jié)構(gòu)，在操作期間所述透析液流圍繞所述第二組支承結(jié)構(gòu)流動，并且其中所述膜包括插入在所述第一流場和所述第二流場之間的質(zhì)量傳遞層，在操作中血液通過所述質(zhì)量傳遞層而發(fā)生透析。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述多個泵包括: 第一泵，所述第一泵流體聯(lián)接到所述透析液流，并且被構(gòu)造成將所述透析液流通過流體入口路徑朝向所述透析器泵送； 第二泵，所述第二泵聯(lián)接到離開所述透析器的流體出口路徑，并且被構(gòu)造成將所述流體通過所述流體出口路徑泵送離開所述透析器；以及 第三泵，所述第三泵聯(lián)接到所述流體出口路徑。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中，所述控制器操作所述第一泵、第二泵和第三泵以維持所述入口路徑和出口路徑中的流體流量之間的平衡，使得在操作期間基本上不向所述血液添加流體或從所述 血液移除流體。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中，所述控制器操作所述第一泵、第二泵和第三泵以維持所述入口路徑和出口路徑中的流體流量之間的平衡，使得在操作期間從所述血液移除所需量的流體。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中，所述控制器操作所述第一泵、第二泵和第三泵以維持所述入口路徑和出口路徑中的流體流量之間的平衡，使得在操作的時間跨度中向所述血液添加所需量的流體。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中，所述控制器操作所述第一泵、第二泵和第三泵，以通過使所述第三泵在較低速度和較高速度之間循環(huán)來實現(xiàn)所需的血液透析濾過水平，而基本上沒有流體向所述血液的凈添加。
15.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中，所述控制器操作所述第一泵、第二泵和第三泵，以通過使所述第三泵在較低速度和較高速度之間循環(huán)來實現(xiàn)所需的血液透析濾過水平和所需的流體向所述血液的添加速率。
16.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中，所述控制器操作所述第一泵、第二泵和第三泵，以通過使所述第三泵在較低速度和較高速度之間循環(huán)來實現(xiàn)所需的血液透析濾過水平和所需的流體從所述血液的移除速率。
17.—種透析系統(tǒng),包括: 水凈化系統(tǒng)，所述水凈化系統(tǒng)適合于以非分批處理方式處理家用水流，以產(chǎn)生超高溫巴氏消毒的水流； 透析液制備系統(tǒng)，所述透析液制備系統(tǒng)適合于將所述超高溫巴氏消毒的水流與透析液組分進行混合以產(chǎn)生透析液； 透析器，所述透析器具有血液流過其中的血液流動路徑和所述透析液流過其中的透析液流動路徑，所述透析器適合于對所述血液執(zhí)行透析。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，還包括: 流動平衡器系統(tǒng)，所述流動平衡器系統(tǒng)調(diào)節(jié)進出所述透析器的透析液的流動，所述流動平衡系統(tǒng)包括: 第一泵，所述第一泵聯(lián)接到通向所述透析器的流體入口路徑，并且被構(gòu)造成將透析液通過所述流體入口路徑朝向所述透析器泵送； 第二泵，所述第二泵聯(lián)接到離開所述透析器的流體出口路徑，并且被構(gòu)造成將流體通過所述流體出口路徑泵送離開所述透析器；以及 第三泵，所述第三泵聯(lián)接到所述流體出口路徑，所述第三泵被構(gòu)造成與所述第二泵協(xié)同工作，以獲得流體進入流動通過所述透析器的血液的所需流量或者流體從流動通過所述透析器的血液移出的所需流量。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，其中，所述出口路徑分叉成主出口路徑和次出口路徑，并且其中，所述第二泵聯(lián)接到所述主出口路徑，所述第三泵聯(lián)接到所述次出口路徑。
20.根據(jù)權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中，所述水凈化系統(tǒng)包括熱交換系統(tǒng)，所述熱交換系統(tǒng)包括: 流體路徑，所述流體路徑具有入水口和出水口，所述流體路徑還具有: (a)第一區(qū)域，在所述第一區(qū)域處水在第一溫度下以第一方向流動； (b)位于所述第一區(qū)域下游的加熱器區(qū)域，所述加熱器區(qū)域包括至少一個加熱器，所述至少一個加熱器將熱量傳遞到流動通過所述加熱器區(qū)域的水中，以將在所述加熱器區(qū)域中流動的水的溫度增加至高于所述第一溫度的第二溫度； (c)位于所述加熱器區(qū)域下游的第二區(qū)域，在所述第二區(qū)域處水在高于所述第一溫度的溫度下以第二方向流動，其中在所述第二區(qū)域中流動的水與在所述第一區(qū)域中流動的水熱連通，使得熱量從在所述第二區(qū)域中流動的水向在所述第一區(qū)域中流動的水傳遞，從而導(dǎo)致水在流動通過所述第二區(qū)域時溫度降低，其中水以低于所述第二溫度的溫度通過所述出口流出所述路徑。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，其中，所述流體路徑的至少一部分是至少一個微通道或至少一個流場。
22.根據(jù)權(quán)利要求2 0所述的系統(tǒng)，其中，所述流體路徑還具有: (d)位于所述加熱器區(qū)域下游和所述第二區(qū)域上游的停留室，其中水在流入所述第二區(qū)域之前，在所述第二溫度下或高于所述第二溫度下在所述停留室內(nèi)保留相對于通過所述停留室的流體流量而言至少預(yù)定量的時間。
23.根據(jù)權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，其中，所述第二溫度為至少138攝氏度。
24.根據(jù)權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，還包括: 位于上游的泵； 位于所述出口下游的節(jié)流閥。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的系統(tǒng)，其中，所述泵和節(jié)流閥以閉環(huán)控制布置方式來布置，以將所述流體路徑中的水維持在飽和壓力以上，使得所述水在存在于所述系統(tǒng)中時在任何點處都不改變狀態(tài)。
26.根據(jù)權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，其中，所述第一區(qū)域、加熱器區(qū)域、停留區(qū)域和第二區(qū)域包含在單個層疊體內(nèi)。
27.根據(jù)權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中，所述系統(tǒng)在干燥時重量低于5磅。
全文摘要
一種透析系統(tǒng)，其包括能夠過濾水流的過濾系統(tǒng)，能夠以非分批處理方式凈化所述水流的水凈化系統(tǒng)，能夠通過以非分批處理方式將一種或更多種透析液組分與所述水流進行混合以產(chǎn)生透析液流的混合系統(tǒng)，以及透析器系統(tǒng)。所述透析器可以是能夠與所述透析液流和血流流體聯(lián)接的微流體透析器。
文檔編號B01D61/32GK103153442SQ201180033721
公開日2013年6月12日 申請日期2011年6月6日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月7日
發(fā)明者朱莉·S·拉澤爾, 詹姆士·R·柯蒂斯, 拉迪斯勞斯·諾恩, 理查德·B·彼得森, 王海雷, 羅比·英格拉姆-戈布爾, 盧克·W·費希爾, 安娜·E·加里森, M·凱文·德羅斯特, 戈蘭·約萬諾維奇, 理查德·托德·米勒, 布魯斯·W·約翰遜, 艾倫·安德森, 埃里克·K·安德森 申請人:俄勒岡州，由高等教育州委員會代表俄勒岡州立大學(xué), 霍姆透析普拉斯有限公司