(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
システムであって、
水流を濾過することが可能な濾過システムと、
前記水流をノンバッチ処理にて浄化することが可能な水浄化システムと、
１つ又は複数の透析液成分と前記水流とをノンバッチ処理にて混合することにより、透析液流を生成することが可能な混合システムと、
透析装置システムと
を備え、
前記透析装置システムは、
前記透析液流を血液流から分離して前記血液流の透析を促進する膜を有し、前記透析液流及び前記血液流に流体連結可能な透析装置と、
前記透析液流を前記透析装置に送ることが可能な複数のポンプと、
前記血液流の透析時に、当該血液流に対して限外濾過処理及び血液透析濾過処理の一方又は両方を行うため、前記複数のポンプに動作可能に連結され、当該複数のポンプのうち１つ又は複数のポンプを介して前記透析液流の流速を制御することが可能な制御装置と
を有し、
前記水浄化システムは、滞留チャンバを含むマイクロ流体熱交換システムを含み、前記滞留チャンバにおいて、前記水流は、当該水流を殺菌するのに効果的な所定時間の間殺菌温度以上で維持される、
システム。
【請求項２】
請求項１記載のシステムにおいて、
前記水浄化システムは、超高温度の殺菌水流を生成し、ここで前記超高温度は、摂氏１３８度〜摂氏１５０度である、
システム。
【請求項３】
請求項１記載のシステムにおいて、
前記マイクロ流体熱交換システムはさらに、
水入口及び水出口を有する流体流路を有し、当該流体流路はさらに、
（ａ）水が第一温度で第一方向に流れる第一領域と、
（ｂ）前記第一領域の下流のヒータ領域であり、当該ヒータ領域を流れる水に熱を伝達して、当該ヒータ領域を流れる水の温度を、前記第一温度より高い第二温度まで上昇させる少なくとも１つのヒータを有するヒータ領域と、
（ｃ）水が前記第一温度より高い温度で第二方向に流れる、前記ヒータ領域の下流の第二領域と
を有し、
前記第二領域を流れる水は、前記第一領域を流れる水と熱連通しており、水が前記第二領域を流れると、当該第二領域を流れる水から前記第一領域を流れる水に熱が移動して、当該第二領域を流れる水の温度が低下し、
水は、前記第二温度より低い温度で、前記出口を通って前記流体流路から流出する
システム。
【請求項４】
請求項３記載のシステムにおいて、
前記流体流路の少なくとも一部は、少なくとも１つのマイクロチャネルである
システム。
【請求項５】
請求項３記載のシステムにおいて、
前記滞留チャンバは、前記ヒータ領域の下流かつ前記第二領域の上流の流体経路中に存在する、システム。
【請求項６】
請求項３記載のシステムにおいて、当該システムは、
前記水入口の上流のポンプと、
前記水出口の下流の絞り弁と
をさらに有し、
前記ポンプ及び前記絞り弁は、閉ループ制御の形で配置されており、前記流体流路内の水を、当該水の状態がシステム内のどこにおいても変化しないよう、飽和圧力より高い状態に保つ
システム。
【請求項７】
請求項３記載のシステムにおいて、
前記第一領域、前記ヒータ領域、前記滞留チャンバ及び前記第二領域は、単一の薄層板により画定される
システム。
【請求項８】
請求項３記載のシステムにおいて、
前記第一領域、前記ヒータ領域、前記滞留チャンバ及び前記第二領域は、複数の薄層板により画定される
システム。
【請求項９】
請求項３記載のシステムにおいて、
前記第一領域、前記ヒータ領域、前記滞留チャンバ及び前記第二領域は、単一本体である
システム。
【請求項１０】
請求項１記載のシステムにおいて、
前記透析装置は、
動作中にその周囲を前記血液流が流れる第一の支持構造体のセットを有する第一流れ場と、
動作中にその周囲を前記透析液流が流れる第二の支持構造体のセットを有する第二流れ場と
を有し、
前記膜は、
前記第一及び第二流れ場の間に配された物質移動層であり、当該物質移動層を介して動作時は血液透析が行われる物質移動層
を有する
システム。
【請求項１１】
請求項１記載のシステムにおいて、
前記複数のポンプは、
前記透析液流に流体連結され、当該透析液流を、流体入口流路を通して前記透析装置に送るよう構成された第一ポンプと、
前記透析装置からの流体出口流路に連結され、前記流体を、当該流体出口流路を通して前記透析装置から送り出すよう構成された第二ポンプと、
前記流体出口流路に連結された第三ポンプと
を含む
システム。
【請求項１２】
請求項１１記載のシステムにおいて、
前記制御装置は、動作中に血液への流体の追加及び血液からの流体の除去が実質的に行われないよう、前記第一、第二及び第三ポンプを作動させて、前記入口流路及び前記出口流路における流体の流速のバランスを保つ
システム。
【請求項１３】
請求項１１記載のシステムにおいて、
前記制御装置は、動作中に血液から所望量の流体が除去されるよう、前記第一、第二及び第三ポンプを作動させて、前記入口流路及び前記出口流路における流体の流速のバランスを保つ
システム。
【請求項１４】
請求項１１記載のシステムにおいて、
前記制御装置は、動作期間中に血液に所望量の流体が追加されるよう、前記第一、第二及び第三ポンプを作動させて、前記入口流路及び前記出口流路における流体の流速のバランスを保つ
システム。
【請求項１５】
請求項１１記載のシステムにおいて、
前記制御装置は、前記第一、第二及び第三ポンプを作動させて、当該第三ポンプには低速及び高速を繰り返させることにより、前記血液に対するネット増加を実質的に生じさせること無く、所望の血液透析濾過レベルを実現する
システム。
【請求項１６】
請求項１１記載のシステムにおいて、
前記制御装置は、前記第一、第二及び第三ポンプを作動させて、当該第三ポンプには低速及び高速を繰り返させることにより、所望の血液透析濾過レベル及び前記血液への流体追加の所望速度を実現する
システム。
【請求項１７】
請求項１１記載のシステムにおいて、
前記制御装置は、前記第一、第二及び第三ポンプを作動させて、前記第三ポンプには低速及び高速を繰り返させることにより、所望の血液透析濾過レベル及び前記血液からの流体除去の所望速度を実現する
システム。
【請求項１８】
透析システムであって、
家庭用水流をノンバッチ処理にて処理し、超高温度の殺菌水流を生成するよう適合された水浄化システムと、ここで前記超高温度は、摂氏１３８度〜摂氏１５０度であり、
前記超高温度の殺菌水流を透析液成分と混合して、透析液を生成するよう適合された透析液準備システムと、
血液が流れる血液流路及び前記透析液が流れる透析液流路を有し、血液透析を行うよう適合された透析装置と
を有し、
前記水浄化システムは、滞留チャンバを含むマイクロ流体熱交換システムを含み、前記滞留チャンバにおいて、前記水流は、当該水流を殺菌するのに効果的な所定時間の間殺菌温度以上で維持される、
透析システム。
【請求項１９】
請求項１８記載のシステムにおいて、当該システムは、
前記透析装置への透析液流れ及び前記透析装置からの透析液流れを調節する流れバランスシステムをさらに有し、
前記流れバランスシステムはさらに、
前記透析装置への流体入口流路に連結され、透析液を、当該流体入口流路を通して前記透析装置に送るよう構成された第一ポンプと、
前記透析装置からの流体出口流路に連結され、前記流体を、当該流体出口流路を通して前記透析装置から送り出すよう構成された第二ポンプと、
前記流体出口流路に連結され、前記第二ポンプと協働して、前記透析装置を流れる前記血液へと流れる所望の流体流速及び前記血液から流れる所望の流体流速を実現するよう構成された第三ポンプと
を有する
システム。
【請求項２０】
請求項１９記載のシステムにおいて、
前記流体出口流路は、主要出口流路と補助出口流路とに分岐しており、前記第二ポンプは、当該主要出口流路に連結され、前記第三ポンプは、当該補助出口流路に連結されている
システム。
【請求項２１】
請求項１８記載のシステムにおいて、
前記マイクロ流体熱交換システムはさらに、
水入口及び水出口を有する流体流路を有し、当該流体流路はさらに、
（ａ）水が第一温度で第一方向に流れる第一領域と、
（ｂ）前記第一領域の下流のヒータ領域であり、当該ヒータ領域を流れる水に熱を伝達して、当該ヒータ領域を流れる水の第一温度を、前記第一温度より高い第二温度まで上昇させる少なくとも１つのヒータを含むヒータ領域と、
（ｃ）水が前記第一温度より高い温度で第二方向に流れる、前記ヒータ領域の下流の第二領域と
を含み、
前記第二領域を流れる水は、前記第一領域を流れる水と熱連通しており、水が前記第二領域を流れると、当該第二領域を流れる水から前記第一領域を流れる水に熱が移動して、当該第二領域を流れる水の温度が低下し、
水は、前記第二温度より低い温度で、前記出口を通って前記流体流路から流出する
システム。
【請求項２２】
請求項２１記載のシステムにおいて、
前記流体流路の少なくとも一部は、少なくとも１つのマイクロチャネルまたは少なくとも一つの流れ場である
システム。
【請求項２３】
請求項２１記載のシステムにおいて、
前記滞留チャンバは、前記ヒータ領域の下流かつ前記第二領域の上流の流体経路中に存在する、システム。
【請求項２４】
請求項２１記載のシステムにおいて、当該システムは、
前記熱交換システムのポンプ上流と、
前記水出口の下流の絞り弁と
をさらに有する
システム。
【請求項２５】
請求項２４記載のシステムにおいて、
前記ポンプ及び前記絞り弁は、閉ループ制御の形で配置されており、前記流体流路内の水を、当該水の状態がシステム内のどこにおいても変化しないよう、飽和圧力より高い状態に保つ
システム。
【請求項２６】
請求項２１記載のシステムにおいて、
前記第一領域、前記ヒータ領域、前記滞留チャンバ及び前記第二領域は、単一の薄層板により画定される
システム。
【請求項２７】
請求項２１記載のシステムにおいて、
前記第一領域、前記ヒータ領域、前記滞留チャンバ及び前記第二領域は、複数の薄層板により画定される
システム。
【請求項２８】
請求項２１記載のシステムにおいて、
前記第一領域、前記ヒータ領域、前記滞留チャンバ及び前記第二領域は、単一本体である
システム。
【請求項２９】
請求項１８記載のシステムであって、
乾燥時に２２６７．９グラム（５ポンド）未満の重量を有する
システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［関連出願の相互参照］
本出願は、以下の米国特許出願に関する。（１）２０１０年６月７日に、発明の名称を「Microfluidic Devices」、名義人をM. Kevin Dros、Goran Jovanovic、Todd Miller、James R. Curtis, Bruce Johnson、Alana Warner-Tuhy、Eric Anderson及びJulie Wrazelとして出願され、２００９年６月２４日に出願された米国特許仮出願第６１／２２０，１１７号に基づく優先権を主張する米国特許出願（代理人整理番号２４５−８３０５２−０２）。（２）２０１０年６月７日に、発明の名称を「Dialysis System With Ultrafiltration Control」、名義人をJames R. Curtis、Ladislaus F. Nonn及びJulie Wrazelとして出願され、２００９年１２月５日に出願された米国特許仮出願第６１／２６７，０４３号に基づく優先権を主張する米国特許出願。（３）２０１０年６月７日に、発明の名称を「Fluid Purification System」、名義人を Richard B. Peterson、James R. Curtis、Hailei Wang、Robbie Ingram-Gobel、Luke W. Fisher及びAnna E. Garrisonとして出願された米国特許出願（代理人整理番号２４５−８４７０５−０１）。上記特許出願の内容は、参照により本明細書に全体的に組み入れられる。
【０００２】
本発明は、透析液流及び血液流に流体連結可能な、例えばマイクロ流体透析装置又は流れ場透析装置といった透析システム、並びに、そうした透析システムを用いる方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
現在、米国には末期腎臓病患者が数十万人もいる。殆どの患者は、生存のため透析を必要とする。米国腎臓データシステム（ＵＳＲＤＳ）は、米国における患者数が、２０１２年までに６００，０００人を超えると予想している。多くの患者は、透析センターで透析治療を受けているが、それにより、患者は過酷、制限的かつ疲労度の高いスケジュールを強いられ得る。センターでの透析を受ける患者は、少なくとも週３回センターに通い、毎回、毒素及び余剰流体が患者の血液から濾過される３〜４時間の間、椅子に座わらなければならない。治療後、患者は、穿刺部が止血され、血圧が正常に戻るのを待たなければならず、それにより、より充足感のある他の活動に携わるための時間が日常生活からさらに失われてしまう。また、一般的なセンターは、一日の間に３〜５人の患者の治療を入れ替わりで行うため、センターの患者は、無理なスケジュールに従う必要がある。その結果、週３回透析を行う人の多くは、セッション後少なくとも数時間にわたって消耗感を訴える。
【０００４】
センターでの透析の過酷な状態により、多くの患者が在宅透析というオプションに頼っている。在宅透析は、患者が他の活動（例えば、出勤又は家族の介護）に合わせて治療時間を選ぶことを可能にするため、患者のスケジュール設定に柔軟性をもたらす。しかし、残念ながら、現在の透析システムは一般的に、患者の家庭での使用に適していない。理由の１つは、現在のシステムは大きくかさばりすぎて、一般的な家庭に合わないことにある。現在の透析システムはまた、正常に使用されるには大量のエネルギー及び莫大な水を要するため、エネルギー効率が良くない。利用可能な在宅透析システムはあるものの、これらは、一般的に言って比較的製造費の高い複雑な流れバランス技術を利用しており、ノイズレベルの高い電磁弁を用いたシステムとして設計されている場合が多い。そのため、殆どの透析治療は、透析センターにおいて行われている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記に鑑みて、家庭での使用に適した、日常使用又は夜間使用のための改良された透析システムが必要とされている。本発明は、より小さく、軽便で、水の消費量が少なく、現在の透析システムにおいて目下用いられているものに比べて大幅に小さな流速の透析液及び血液を用い、限外濾過及び血液透析濾過のレベルを現在のシステムに比べてより良く制御することが可能な透析システムを開示する。システムは、従来のシステムに比べてコンパクトかつ軽量であって、エネルギー消費量が比較的小さい。システムは、住宅用水源（例えば、連続的又は半連続的な家庭用水流を提供する家庭用の水道水の蛇口）に接続されることができ、バッチ化された量の水を加熱及び冷却する必要無しに、在宅透析に使用される殺菌水をリアルタイムで生成することができる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
一側面において、医療システムであって、水流を濾過することが可能な濾過システムと、前記水流をノンバッチ処理にて浄化することが可能な水浄化システムと、１つ又は複数の透析液成分と前記水流とをノンバッチ処理にて混合することにより、透析液流を生成することが可能な混合システムと、透析装置システムとを有し、当該透析装置システムは、前記透析液流を前記血液流から分離して血液流の透析を促進する膜を有する、前記透析液流及び前記血液流に流体連結可能なマイクロ液体透析装置又は流れ場透析装置と、前記透析液流を前記透析装置に送ることが可能な複数のポンプと、前記血液流の透析時に、当該血液流に対して限外濾過処理及び血液透析濾過処理の一方又は両方を行うため、前記複数のポンプに動作可能に連結され、当該複数のポンプのうち１つ又は複数のポンプを流れる前記透析液流の流速を制御することが可能な制御装置とを有する、医療システムが開示される。
【０００７】
別の側面において、透析システムであって、例えば、家庭用水流といった水源をノンバッチ処理にて処理し、超高温度の殺菌水流を生成するよう適合された水浄化システムと、前記超高温度の殺菌水流を透析液成分と混合して、透析液を生成するよう適合された透析液準備システムと、血液が流れる血液流路及び前記透析液が流れる透析液流路を有し、前記血液に対して透析を行うよう適合された透析装置とを有する透析システムが開示される。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】透析システムの高水準概略図である。
【図２】透析システムの水浄化システムの高水準概略図である。
【図３】例示的実施形態に係る、１つの流体を、当該流体に／から熱を追加／除去するための第二の流体流を使用すること無く、加熱及び冷却するよう構成されたマイクロ流体熱交換システムを示す概略平面図である。
【図４Ａ】例示的実施形態に係る、流体が熱交換システムを内方向に流れる少なくとも１つの入口流路を形成する入口薄層板を示す図である。
【図４Ｂ】例示的実施形態に係る、流体が熱交換システムを外方向に流れる少なくとも１つの出口流路を形成する出口薄層板を示す図である。
【図４Ｃ】入口流路及び出口流路の両方を示す、入口薄層板及び出口薄層板が上下に積層された状態の図である。
【図５】入口薄層板の入口領域を示す拡大図である。
【図６】入口薄層板のヒータ領域を示す拡大図である。
【図７】入口薄層板及び出口薄層板の両方の滞留チャンバを示す拡大図である。
【図８Ａ】別の実施形態に係る、入口薄層板を示す平面図である。
【図８Ｂ】別の実施形態に係る、出口薄層板を示す平面図である。
【図９】例示的な薄層板のスタックを示す斜視図である。
【図１０】組立て後の流体熱交換システムの一例を示す斜視図である。
【図１１】マイクロ流体熱交換システムに連結された例示的な熱制御システムを示す概略図である。
【図１２】別の例示的実施形態に係る、マイクロ流体熱交換システムの流路を示す概略平面図である。
【図１３Ａ】別の実施形態に係る、流体が熱交換システムを内方向に流れる入口流路を形成する入口薄層板を示す図である。
【図１３Ｂ】別の実施形態に係る、流体が熱交換システムを外方向に流れる出口流路を形成する出口薄層板を示す図である。
【図１４】例示的な熱制御システムを示す概略図である。
【図１５】透析システムの透析液準備システムを示す高水準概略図である。
【図１６】透析システムの透析装置を示す概略断面図である。
【図１７】流れバランスシステムを示す概略図である。
【図１８】別の実施形態に係る、流れバランスシステムを示す概略図である。
【図１９】キャリブレーションモードで動作する流れバランスシステムを概略的に示す図である。
【図２０】透析モードで動作する流れバランスシステムを概略的に示す図である。
【図２１】貫流ビアを有するマイクロ流体移動装置を示す概略図である。
【図２２】一実施形態に係る、マイクロ流体移動装置の１つの層を示す斜視図である。
【図２３】壁セグメント支持体を有するマイクロ流体流れ場を示す平面図である。
【図２４】角度の付けられた壁セグメントを有するマイクロ流体流れ場を示す平面図である。
【図２５】角度を付けられた壁セグメントを有する流れ場が並置された状態を示す概略平面図である。
【図２６Ａ】円筒状の支持体を有するマイクロ流体流れ場を示す平面図である。
【図２６Ｂ】一対の円筒状の支持体を示す上面図である。
【図２６Ｃ】一対の円筒状の支持体を示す側面図である。
【図２７】滴形の支持構造体を有するマイクロ流体流れ場をクローズアップで示す平面図である。
【図２８】支持体構造の密度及びサイズに勾配を付けられたマイクロ流体流れ場をクローズアップで示す平面図である。
【図２９】ランダムに配置された支持構造体を有するマイクロ流体流れ場をクローズアップで示す平面図である。
【図３０】流体の入口及び出口を示す、組立てられた装置の部分斜視図である。
【図３１】組立てられた装置が２つ結合され、さらに流体ヘッダが装着された状態を示す斜視図である。
【図３２】一実施形態に係る、片面薄層板を有するマイクロ流体移動装置を示す組立て図である。
【図３３】一実施形態に係る、薄層板を示す平面図である。
【図３４】図２６の組立てられた装置を示す斜視図である。
【図３５】図２６の装置における内部流体流路を示す詳細図である。
【図３６】隣接層の流体ヘッダ及びマイクロチャネルが並置され、交差流を有する状態を示す概略平面図である。
【図３７】図２３の流れ場を有する隣接層が並置された状態を示す部分概略平面図である。
【図３８】一実施形態に係る、片面ミラー設計である内部流体流路を示す詳細図である。
【図３９】一実施形態に係る、平行なマイクロチャネルを有する、片面ミラー設計である内部流体流路を示す詳細図である。
【図４０】一実施形態に係る、両面薄層板を有するマイクロ流体移動装置を示す部分組立て図である。
【図４１】両面薄層板を示す平面図である。
【図４２】移動層を示す平面図である。
【図４３】両面薄層板を有するマイクロ流体移動装置の流路を示す詳細図である。
【図４４】並流の両面薄層板を有するマイクロ流体移動装置の流路を示す詳細図である。
【図４５】スルーカット（through-cut）マイクロチャネルを有する薄層板を示す平面図である。
【図４６】横支持体を有するスルーカットマイクロチャネルを備える薄層板を示す平面図である。
【図４７】ヘリンボーンパターンのスルーカットマイクロチャネルを有する薄層板を示す詳細平面図である。
【図４８】ヘリンボーンパターンのスルーカットマイクロチャネルを有する薄層板を示す詳細斜視図である。
【図４９】スルーカット薄層板を有するマイクロ流体移動装置の組立て図である。
【図５０】スルーカット薄層板を有する装置の流体流路を示す詳細図である。
【図５１】平行なスルーカットマイクロチャネル及びそれに直行するスルーカットマイクロチャネルを交互に有する装置を示す斜視図である。
【図５２】流体膜を組込んだサブユニットの層が並置された状態を示す平面図である。
【図５３】流体膜を有する装置を示す概略図である。
【図５４】燃料電池を有する装置を示す概略図である。
【図５５】一実施形態に係る、ヘッダ領域を有さない流れ場透析装置の薄層板を示す平面図である。
【図５６】別の実施形態に係る、ヘッダ領域を有さないフローフィールド透析装置の薄層板を示す平面図である。
【図５７】流れ場を形成するためのレーザの光路を示す平面概略図である。
【図５８】レーザ形成されたチャネル同士が交差する、薄層板の一部を示す拡大図である。
【図５９】起伏のあるチャネル及びチャネル間に形成されたピンを示す薄層板表面の拡大図である。
【図６０】一実施形態に係る、ヘッダを有さない薄層板が交差流の形で交互に積層された状態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
他の特徴及び利点は、本発明の装置及び方法を例示により示す以下の様々な実施形態の説明から明らかになるであろう。
【００１０】
本発明の原理の理解のため、図面及び本明細書に記載の実施形態を参照する。ただし、これらの図面は例示的であって、本発明の範囲を限定するよう意図されたものではない。当業者であれば通常は想起するように、記載された実施形態の変更及び更なる修正、並びに本明細書に記載された本発明の原理の更なる応用が可能である。
【００１１】
図１は、透析システムの高水準概略図である。透析システムは、複数のサブシステムを有し、これらサブシステムは、水を受取って浄化し、当該浄水を用いて透析液を準備し、当該透析液を、様々な種類の透析（例えば、血液透析、限外濾過及び血液透析濾過）を患者の血液に対して行う透析装置に供給するため、集合的に動作する。透析システムは、水、透析液及び血液が透析システムを流通するための流体流路を提供する配管、並びに、流体がシステム全体に流れ渡るよう配管とインタフェース接続された１つ又は複数のポンプを有する。透析システムはさらに、例えば、流体流れセンサ、圧力センサ及び伝導率センサ等の、システムを流通する流体に関する１つ又は複数の特徴を検知及び報告する１つ又は複数のセンサを有することができる。
【００１２】
一実施形態において、（水準備・水浄化システム、透析液準備システム、流れバランスシステム、透析装置並びに配管及びセンサといったハードウェアを含む）透析システム全体は、小型かつ軽便な単一のハウジングに収容されている。さらに、透析システムは、例えば、家庭又はホテルの一室の水道水を用いて透析液を準備することができる。一実施形態において、透析システム全体は、乾燥時において、約２２×１４×９インチ未満のスペースをとるが、これは一般的に言って、機内持ち込み荷物のサイズ制限に相当するスペースである。一実施形態において、透析システム全体の重量は、乾燥時において、約５０ポンド未満である。
【００１３】
図１を参照すると、透析システムは、水供給源７からの水を浄化する水準備・水浄化システム５を有する。水浄化システム５は、浄水を透析液準備システム１０に供給し、透析液準備システム１０は、当該浄水を用いて透析液を準備する。透析システムはさらに透析装置１５を有する。透析装置１５は、透析液を透析液準備システム１０から受取り、患者の血液に対して透析を行う。一実施形態において、透析装置１５及び透析液準備システム１０はいずれも、流れバランスシステム２０とインタフェース接続されている。流れバランスシステム２０は、詳細に後述するように、例えば血液透析、限外濾過及び血液透析濾過といった様々な種類の透析を実現するために、透析装置への透析液の流れを調節する。
【００１４】
拡散は、血液透析が、血液から老廃物（中でも、尿素、クレアチニン、リン酸塩及び尿酸等）を除去する主要なメカニズムである。透析液の化学組成と透析装置内の血液の化学組成との差により、老廃物は、血液から膜を通って透析液に拡散する。限外濾過とは、流体が血液から膜を通して透析液に移動される透析の一方法であって、一般的に患者の血液流からの余剰流体の除去を目的としている。水と共に、何らかの溶液も、拡散というよりむしろ対流により膜を通して取出される。限外濾過は、透析装置における血液室と透析液室との間の圧力差により生じ、流体は、圧力が高い方から低い方へと移動する。場合によっては、設計又は意図しない成行きにより、透析液室の流体が血液室より高くなり、流体が透析液室から血液室に移動される。これは一般的に逆限外濾過と呼称される。
【００１５】
血液透析濾過においては、膜を通じた対流による溶液輸送を増加させることを目的として、患者の血液から除去が必要な量より多い高レベルの限外濾過が生じる。そこで、患者の血液から除去が必要な量を上回る分の流体は、逆の血行力学的反応を回避するため、血液流に戻される。これは、透析装置の透析液室における圧力を意図的に上昇させて、適量の逆限外濾過を生じさせることにより実現される。限外濾過と逆限外濾過とを交互に行う上記の方法は、しばしば「プッシュプル血液透析濾過」と呼称される。これは、透析装置の外部の場所において無菌流体が患者に投与される、より一般的な血液透析濾過の方法に比べて、著しい向上である。
【００１６】
使用に際し、患者は、当業者に周知の装置及び技術を用いて透析装置１５に繋げられ、患者の血液が透析装置１５の内外へ流れる。透析システムは、家庭用水源（例えば、蛇口）からの水を用いて透析液を準備する。こうした水は予め、濾過及び浄化により準備され、その後様々な透析液成分と混合されて透析液を生成するものである。透析システムはそれから、血液に対して１つ又は複数の透析処理が行われるよう、透析液を、血液に連通された透析装置に流通させる。水浄化システムは、複数のサブシステムを有し、これらサブシステムは、さらに詳細に後述するように、水の殺菌等の浄水処理のために集合的に動作する。浄水はそれから、透析液原液と混合されて透析液を生成し、生成された透析液は、透析装置１５及び流れバランスシステムに供給される。流れバランスシステムは、さらに詳細に後述するように、例えば血液透析、限外濾過及び血液透析濾過といった様々な種類の透析を実現するために、透析液の透析装置１５への流れを調節する。透析システムは、使用済みの透析液をドレイン２５へ送る。一実施形態において、システムは、使用済みの透析液がドレインに流れる前に、その透析液から熱を回収する。
【００１７】
Ｉ．［透析システムの例示的なサブシステム］
【００１８】
ここから、透析システムの様々な（水浄化システム５、透析液準備システム１０、透析装置１５及び流れバランスシステム２０を含む）サブシステムに関する例示的実施形態について説明する。そうした説明は例示的であって、変形が可能であることを理解されたい。
【００１９】
１．［水浄化システム］
【００２０】
図２は、水浄化システム５の高水準概略図である。水浄化システム５は、複数のサブシステム及び／又は図２に概略的に示されたそれぞれの部品を有する。水浄化システム５は、浄水の文脈で説明されるが、水以外の流体を浄化するためにも用いられ得る。水は、（図１の水供給源７から）流体浄化システムにエントリ位置１０５において入り、流路に沿って透析液準備システム１０の方へ流れる際に、各サブシステム及び各部品と連通する。サブシステムは、例えば、沈殿物濾過システム１１５、炭素濾過システム１２０、逆浸透システム１２５、限外濾過システム１３０、補助ヒータシステム１３５、脱ガスシステム１４０又はこれらのいかなる組み合わせを有することができる。
【００２１】
流体浄化システム５を出て、透析液準備システム１０に入る前に、流体は浄化された状態となる。これは、好適には、流体が殺菌された状態を含む。ただし、流体システムは必ずしも全ての場合において流体を殺菌するわけではない。図２に示された実施形態は例示的であって、図２に示された部品全てが必ずしも水浄化システム５に含まれるわけではない。システムに含まれる各部品は、必要となる浄化又は殺菌の種類及びレベルに応じて変更され得る。図２に示された流路に沿ったサブシステムの数及び順序は、例示を目的としており、当然のことながら、変更することができる。
【００２２】
ここから、流体浄化システム５を用いた例示的な浄水方法について、システム内の流体の流路の説明を含めて説明する。上述したように、水は、水浄化システム５にエントリ位置１０５から入る。エントリ位置は、流入水が少なくとも２つの水源から供給されように設定された三方弁を有することができる。そうした水源の１つは、家庭用の給水蛇口とすることができる。代替的に、弁は、予め水浄化システム５を通され、システムに再び送り込まれて、例えば、システムを洗流する再循環水を受取るように設定され得る。弁が、再循環水を受取るように設定されている場合は、再循環弁水は、水浄化システム５を流通する際に、１つ又は複数のサブシステムを迂回することとしてもよい。
【００２３】
弁が家庭用の給水蛇口から水を受取るよう設定されている場合は、流入水はまず、少なくとも１つの沈殿物濾過システム１１５を流れる。沈殿物濾過システム１１５は、通過させた水から沈殿物を濾過する１つ又は複数の沈殿物フィルタを有する。一実施形態において、沈殿物濾過システム１１５は、５ミクロンまでの粒子状物質又はさらには１ミクロンまでの粒子状物質を除去する。沈殿物フィルタの上流又は下流には、流れの状況をモニタするために、圧力センサが配置され得る。また、流路は、流体圧力を調節して、システム内で所望の流速を実現するよう構成された、１つ又は複数の圧力調節装置を有することができる。圧力調節装置は、所望範囲を上回る又は下回る流速を有する家庭用蛇口を調整するために用いられ得る。
【００２４】
水はそれから、炭素濾過システム１２０を流通する。炭素濾過システム１２０は、水から、例えば、有機化学品、塩素及びクロラミンといった物質を濾過する１つ又は複数の炭素濾過フィルタを有する。一実施形態において、炭素濾過システム１２０は、２つの炭素フィルタを有し、当該炭素フィルタ間の流路にはサンプルポートが配置されている。サンプルポートは、例えば品質制御を目的として、オペレータがシステムを流通する水にアクセスすることを可能にする。一実施形態において、炭素濾過システム１２０の下流の流路には、少なくとも１つの圧力センサ及び少なくとも１つの伝導率センサが配置されている。伝導率センサは、水から除去された溶解物質のパーセンテージに関する表示を行う。また、１つ又は複数のポンプが、水の流路に沿って様々な位置（例えば、濾過サブシステムの間）に配置され得る。
【００２５】
水は、炭素濾過システム１２０から、逆浸透の手法に従って水から粒子を除去するよう構成された逆浸透システム１２５の方へ流れる。逆浸透システム１２５は通常、溶解物質の総量の９５％を上回る量を水から除去する。逆浸透システム１２５は、廃水出口１２６及び純水出口１２７を含む２つの出口を有する。廃水出口１２６は、逆浸透システム１２５から廃水を出す。廃水は、水流路の上流位置に戻るようルートを変更され、逆浸透システム１２５に再び入り得る。その際、逆浸透システム１２５の上流には、水の含有物を確認するための手段として、センサ（例えば、伝導率センサ）が配置され得る。代替的に、廃水出口１２６は、廃水をドレインに供給してもよい。
【００２６】
沈殿物濾過システム１１５、炭素濾過システム１２０及び逆浸透システム１２５は集合的に、溶解物質、細菌汚染及び化学汚染が生じた場合に、それらの殆どを水から除去する前処理工程を構成する。すなわち水は、前処理工程を終えた時点で、いくらかマクロ洗浄された状態となる。したがって、前処理工程は、比較的清潔な水を下流のポンプ、さらには水を殺菌する下流の熱交換システム１１０に供給する。前処理工程は、熱交換システム１１０による水の加熱時におけるスケールの付着及び腐食の可能性を低減又は排除する。
【００２７】
熱交換システム１１０の流路の上流及び／又は下流には、同伴ガスを水から除去するための１つ又は複数の脱ガスシステム１４０が配置され得る。脱ガスシステム１４０は、同伴ガスを水から除去するよう構成された任意の様々な部品を有することができる。例えば、脱ガスシステム１４０は、スプレーチャンバ及び／又は気泡トラップを有することとしてもよい。
【００２８】
水が前処理工程を過ぎると、水はポンプ１５０に流れ、ポンプ１５０は、水を熱交換（ＨＥＸ）システム１１０に送る。熱交換システム１１０は、水の殺菌が実現される温度まで水を加熱する。一実施形態において、熱交換システム１１０は、マイクロ流体熱交換システムである。以下、マイクロ流体熱交換システムの例示的実施形態について、詳細に説明する。熱交換システム１１０は、当該システム１１０を流れる水の熱ロスの可能性を低減するために、断熱材に包まれ得る。
【００２９】
ポンプ１５０は、水圧を、熱交換システム１１０で直面する飽和圧力より高いレベルまで上昇させるために用いられ得る。これにより、熱交換システム１１０内の水の相変化が回避される。したがって、熱交換システム１１０における最高温度が摂氏１５０度であり、水が当業者には周知の飽和圧力を有する場合を想定すると、この場合、ポンプから出る水の圧力を、ある安全域分（例えば、１０ｐｓｉ）だけ上記飽和圧力より高くして、確実に相変化が生じないようにすることができる。好適には、ポンプは、水圧を飽和圧力以上のレベルまで上昇させて、確実に局所沸騰が生じないようにする。このことは、熱交換システムが水の殺菌のため用いられ、水が摂氏１３８度を上回る高温（すなわち、大気圧における水の沸点よりはるかに高い温度）に晒される場合に重要である。
【００３０】
水は、熱交換システム１１０を出ると、ポンプ１５０から熱交換システム１１０の出口までの水路全体の圧力を維持する絞り弁１６０（例えば、流れ制限装置）に移動する。絞り弁１６０及びポンプ１５０を制御及び調節して、流速及び所望の圧力形態を実現することができる。ポンプ１５０及び絞り弁１６０は、閉ループ制御システムにおいて連通しており、それにより、確実に、所望の流速及び温度のために必要な圧力が維持される。また、１つ又は複数の温度センサ及び／又は流量センサが熱交換システムの流路の下流に沿って配置され、ポンプ１５０及び絞り弁１６０の制御のため用いられ得る。
【００３１】
水は、絞り弁１６０を出ると、限外濾過（ＵＦ）システム１３０に移動する。限外濾過（ＵＦ）システム１３０は、高分子、及び殺菌工程により駆除された全て又は略全ての死細菌を水から除去して、それにより、確実に、透析液を混合される前の水に残留エンドトキシンがない状態とする。高分子の存在は、透析工程にとって不利であると考えられる。水はそれから、ヒータシステム１３５を通過する。ヒータシステム１３５は、必要又は希望があれば、水を所望の温度（例えば、通常の体温である華氏９８．６度）まで加熱する。ヒータシステム１３５から、水は透析液準備システム１０に移動する。
【００３２】
一実施形態において、ヒータシステム１３５の流路の上流には、第二熱交換システムが配置される。第二熱交換システムは、熱交換システム１１０から排出された水が所定の所望温度（例えば、摂氏３７度）を上回った場合に、水をさらに冷却するために用いられる。第二熱交換システムは、冷却媒体として作用する別個の冷却水源に接続されるか、又は、逆浸透システム１２５から排出された水に接続され得る。第二熱交換システムは、水源が極めて高温の水を給水する環境及び／又は熱交換システム１１０が透析に使用できる程十分に水を冷却することができない場合に用いられ得る。
【００３３】
２．［マイクロ流体熱交換システム］
【００３４】
上述したように、水浄化システム５は、水を殺菌するよう構成された熱交換システム１１０を用い得る。図３は、例示的実施形態に係る、マイクロ流体熱交換システム１１０を示す概略平面図であり、マイクロ流体熱交換システム１１０は、当該システムを流れるある液体（例えば、水）の殺菌を、当該流体に／から熱を追加／除去するための第二流体流を必要とすること無く実現するよう構成されている。図３は、概略的であって、当然のことながら、流路の実際の実施形態（例えば、流路のサイズ及び形状）については変形が可能である。
【００３５】
さらに詳細に後述するように、マイクロ流体熱交換システムには、流体の流路であって、（１）少なくとも１つの流体入口と、（２）流入流体が少なくとも１つのヒータを用いて殺菌温度まで加熱されるヒータ領域と、（３）流体が所定時間の間、殺菌温度以上の状態に保たれる滞留チャンバと、（４）流入流体が、（流入流体に比べて）より高温の流出流体から熱を回収し、流出流体が、流入流体に熱を移動させることにより冷却される、熱交換セクションと、（５）流出流体が、冷却及び殺菌された状態で存在する流体出口とを有する流体の流路が規定されている。流出流体の所望温度に応じて、当該流出流体の実際の温度を、例えば、透析に用いられる所望温度に調節するために、１つ又は複数の追加的な熱交換が下流において用いられ得る。このことは、流入水が、寒冷な気候における流入水よりも何十度も高くなり、更なる冷却が施されなければ、出口においてより高い温度になり得るような温暖な気候において、特に当てはまる。
【００３６】
一実施形態において、流路は、少なくとも部分的に、１つ又は複数のマイクロチャネルから形成される。ただし、後述するようなマイクロ流体の流れ場を流体の流路のいくつかの部分（例えば、熱交換セクション）に用いることも、本発明の範囲に含まれる。マイクロチャネルの寸法を比較的小さくすれば、システムにおける向流路間の拡散路長及び材料量が減少し、熱交換システムの熱移動速度が向上する。一実施形態において、マイクロチャネルは、約１０００μｍ未満の次元を少なくとも１つ有する。マイクロチャネルの寸法は、変更することができ、一般的には、所望の熱移動特性を実現するよう設計される。水力直径が約０．１ｍｍ〜約１ｍｍの範囲のマイクロチャネルでは、一般的に、マイクロチャネル全体、特にマイクロチャネルの熱交換領域において、層流流体流が得られる。また、マイクロチャネルのサイズを小さくすれば、熱交換システム１１０はコンパクトかつ軽量になり得る。一実施形態において、マイクロチャネルは、以下に形成されるようなスタックの形に配された１つ又は複数の薄層板に形成される。
【００３７】
マイクロ流体熱交換システム１１０の流路は、向流路形態に配され得る。つまり、流路は、低温の流入流体が、高温の流出流体と熱連通状態で流れるように配されている。高温の流出流体は、低温の流入流体に熱エネルギーを移動し、それにより、流入流体を殺菌温度まで加熱するヒータを補助する。このように、流入流体を、入口における温度より高い温度まで内部で予め加熱することにより、ヒータが所望の最高温度に達するために消費するエネルギー量が低減される。また、熱エネルギーを流出流体から流入流体に移動することにより、事前に熱せられた流出流体は、流体出口から出る前に冷却される。その結果、流体は、マイクロ流体熱交換システム１１０に入る際は「低温」に、それから内部の流体流路を通過する際は（まず熱交換、そして次にヒータにより）加熱され、マイクロ流体熱交換システム１１０を出る際は再び「低温」になる。すなわち、流体は、第一温度でマイクロ流体熱交換システム１１０に入り、第一温度より高い第二温度まで（熱交換及びヒータにより）加熱される。流体が出口路の方へ進むと、当該（第二温度の）流体は、その温度が、第二温度よりも低く、第一温度より高い第三温度に低下するよう、流入流体に熱を移動する。
【００３８】
ここから、マイクロ流体熱交換システム１１０の流体流路及び対応する部品の例示的実施形態について、図３を参照しながらさらに詳細に説明する。図３は、片側には入口及び出口を、反対の端部側には中央熱交換部分及び加熱セクションを有する銃剣型の熱交換装置を示す。流体は、入口２８２を通ってマイクロ流体熱交換システム１１０に入る。図示された実施形態において、流体流路は、１つ又は複数の流入マイクロチャネル２８４と流出マイクロチャネル２８６とに分かれており、流入マイクロチャネル２８４は、流出マイクロチャネル２８６と向流の形で配置されている。上述したように、マイクロ流体熱交換システム１１０は、層状の薄層板のスタックにより形成され得る。流入マイクロチャネル２８４は、流出マイクロチャネル２８６の上又は下に交互に配される形で、流出マイクロチャネル２８６に対して別個の層に配置され得る。別の実施形態において、流入マイクロチャネル２８４及び流出マイクロチャネル２８６は、単一の層に配置される。
【００３９】
流出マイクロチャネル２８６は、出口２８８に連通している。図示された実施形態において、入口２８２及び出口２８８は、マイクロ流体熱交換システム１１０の同じ端部側に配置されている。ただし、入口２８２及び出口２８８は、互いに異なる位置にも配置され得る。
【００４０】
向流配置は、流入マイクロチャネル２８４を流出マイクロチャネル２８６と熱連通させる。この場合、流入マイクロチャネル２８４における流体は、流出マイクロチャネル２８６における流体の流れの方向ベクトルに対して約１８０度の方向に配向された方向ベクトルに沿って流れることができる。また、流入及び流出マイクロチャネルは、流入マイクロチャネル２８４における流体が、流出マイクロチャネル２８６における流体の流れの方向ベクトルに対して約１８０度〜約９０度の方向に配向された方向ベクトルに沿って流れ得る交差流形態であってもよい。流入マイクロチャネルの流出マイクロチャネルに対する方向は、流入及び流出マイクロチャネル間の所望の熱連通の度合いを実現するよう構成されたあらゆる方法において変更することができる。
【００４１】
１つ又は複数のヒータ２９２が、当該ヒータ２９２がシステムにおいて流れる流体に熱を加え得るよう、少なくとも流入マイクロチャネル２８４と熱連通状態で配置される。ヒータ２９２は、流体がヒータ２９２のいくつかの側面を取り囲む形で流れるよう、流入マイクロチャネル２８４の内部に配置され得る。あるいは、ヒータ２９２は、流体がヒータ２９２の一側面に沿って流れるよう、流入マイクロチャネル２８４の側面に配置され得る。いずれの場合も、ヒータ２９２は、流体温度が所望の温度（これは、水が浄化される場合は、殺菌温度を含んでいてもよい）に達するのに十分な熱を流体に伝達する。一実施形態において、流体は水であり、ヒータ２９２は、流体を標準大気圧において摂氏１００度以上の温度まで加熱するのを補助する。一実施形態において、流体は水であり、ヒータ２９２は、流体を標準大気圧において摂氏１２０度以上の温度まで加熱するのを補助する。一実施形態において、流体は水であり、ヒータ２９２は、流体を標準大気圧において摂氏１３０度以上の温度まで加熱するのを補助する。一実施形態において、流体は水であり、ヒータ２９２は、流体を標準大気圧において摂氏１３８度以上の温度まで加熱するのを補助する。別の実施形態において、流体は水であり、摂氏約１３８度〜摂氏約１５０度の範囲の温度まで加熱される。別の実施形態において、流体は、蒸発を生じない最高の温度まで加熱される。
【００４２】
したがって、マイクロ流体熱交換システム１１０は、流体を単相液体として維持することができる。一般的に、水は、摂氏約１００度で液体状態から気体状態に相を変化させるため、上述した温度まで水を加熱するには、単相液体が終始維持されるよう、熱交換システムを加圧する必要がある。流体を液体状態のまま維持するには、熱交換システムにおける最高温度に相当する飽和温度を上回る圧力があれば十分である。安全域として、圧力は一般的に、飽和圧力より高い１０ｐｓｉ以上に保たれる。一実施形態において、マイクロ流体熱交換システムにおける水圧は、水の沸騰を回避するために、４８５ｋＰａより高い状態で維持され、確実に沸騰が生じないようにするために、そのレベルを著しく上回る、例えば、６２０ｋＰａ又は９００ｋＰａの高い状態で維持され得る。そうした圧力は、熱交換システムにおいて、ポンプ及び絞り弁を用いて維持される。熱交換システム上流のポンプ及び熱交換システム下流の絞り弁は、ポンプ及び絞り弁が（例えば、センサを有する）閉ループ制御セットアップで動作している場合に、所望の圧力及び流速を熱交換システム全体において維持するために用いられる。
【００４３】
流体が殺菌温度まで加熱されると、流体は、滞留チャンバ２９４に移動する。滞留チャンバ２９４において、流体は殺菌温度以上まで加熱された状態のまま一定時間保たれる。この時間は、「滞留時間」又は時に「ドウェル時間」と呼称される。一実施形態において、ドウェル時間は、流体の流路長及び流速に応じて、１秒以下、１秒〜２秒の間又は２秒以上とすることができる。温度が高いほど、細菌駆除の面で効率的であり、滞留時間が短いほど、コンパクトな装置を意味する。
【００４４】
細菌の全てのコロニー数（コロニー形成単位：ＣＦＵ）を１０−６ＣＦＵ／ｍｌ未満の濃度まで駆除する（例えば、不溶解性透析液と共に用いる水を浄化するための）超高温殺菌法は、水を摂氏１３８度〜摂氏１５０度まで加熱して、約２秒以上のドウェル時間設けて実行されることが規定されている。超純化透析液は、０．１ＣＦＵ／ｍｌ以下の細菌量を含む。表１は、様々なレベルの殺菌を実現するために必要な温度及び滞留時間を示す。本明細書に記載の熱交換システムは、表１に示される様々なレベルの殺菌を実現するよう構成されている。
【表１】
0005879338.tif 000002
【００４５】
流体はそれから、滞留チャンバ２９４から流出マイクロチャネル２８６に流れ、そこから、流体出口２８８の方へ流れる。上述したように、流出マイクロチャネル２８６は、流入マイクロチャネル２８４と向流の関係、かつ流入マイクロチャネル２８４と熱連通された状態で配置されている。このように、（流出マイクロチャネル２８６を流れる）流出流体は、（流入マイクロチャネル２８４を流れる）流入流体と熱連通している。加熱された流体が流出マイクロチャネル２８６を流れると、加熱された流体からの熱エネルギーが、隣接する流入マイクロチャネル２８４を流れる、より低温の流体に移動される。熱エネルギー交換により、流体が滞留チャンバから流出マイクロチャネル２８６を流れると、当該流体は冷却される。さらに、流入流体は、ヒータ２９２に達する前に流入マイクロチャネル２８４を流れる際に、熱交換により予め加熱される。一実施形態において、流出マイクロチャネル２８４における流体は、流体への細菌の侵入を防ぐことができる最低温度以上の温度まで冷却される。熱交換システムにより流体が殺菌される場合は、流体が熱交換システムを出る際に、流体の細菌は、所望の浄化レベルまで殺菌されている。こうした場合、熱交換システムを出た後の流体の温度は、流体が透析に使用されるまで、室温の状態で維持され得る。別の実施形態において、熱交換システムを出る流体は、正常体温以下の温度まで冷却される。
【００４６】
図３には、流入チャネル間に挟まれた出口を有する一実施形態が示されているが、所望の加熱及び冷却の度合い並びに所望のヒータのエネルギー所要量を実現するための他のチャネル配置も可能である。ただし、あらゆる実施形態に共通することとして、システム内の全ての流体流路は、１つの流体が、当該１つの流体に／から熱を追加／除去するための第二の流体を必要とすること無く流れるよう設計されている。すなわち、前記１つの流体は、流体流路の諸位置において、当該流体自体に依存した形で加熱及び冷却される。
【００４７】
マイクロ流体熱交換システム１１０の寸法は、変更することができる。一実施形態において、マイクロ流体熱交換システム１１０は、ユーザの手に入る程十分に小さい。別の実施形態において、マイクロ流体熱交換システム１１０は、乾燥時に５ポンド未満の重量を有する単一本体である。別の実施形態において、全システム１１０のマイクロ流体熱交換部分３５０は、約１立方インチの体積を有する。マイクロ流体熱交換システム１１０の寸法は、所望の温度及びドウェル時間特性が実現されるよう選択することができる。
【００４８】
上述したように、マイクロ流体熱交換システム１１０の一実施形態は、複数の薄層板ユニットが上下に積層され、薄層板層を形成して構成される。薄層板が上下に積層されると、これら薄層板間にマイクロ流体チャネル又は流れ場が形成されるよう、各薄層板には、所望のマイクロ流体の流路がエッチングされ得る。なお、ブラインドエッチング及び貫通エッチングの両方を、薄層板にチャネルを形成するため用いることができる。具体的に言えば、貫通エッチングは、流体が、薄層板面を変更して他の薄層板スタックの層に移動することを可能にする。このことは、一実施形態においては、後述するような、流体がヒータセクションに入る流入薄層板の出口において生じる。貫通エッチングにより、入口薄層板の面のみにおいて流体が保持されず、ヒータセクションの周辺の全ての薄層板が流体の加熱に関与することが可能となる。上記実施形態は、表面積を増加させると共に流速を全体的に低くして、流体の必要温度までの加熱を容易にし、ひいては装置の効率に寄与する。
【００４９】
薄層板のブラインドエッチング及び／又は貫通エッチングにより生じたマイクロチャネル又は流れ場は、流体の流路を形成する。図４Ａは、例示的実施形態に係る、流体が熱交換システム１１０を内方向（矢印３０７により示される方向）に流れる少なくとも１つの入口流路を形成する入口薄層板３０５を示す平面図である。図４Ｂは、例示的実施形態に係る、流体が熱交換システム１１０を外方向（矢印３１２により示される方向）に流れる少なくとも１つの出口流路を形成する出口薄層板３１０を示す平面図である。入口流路及び出口流路はそれぞれ、１つ又は複数のマイクロチャネルを有することができる。一実施形態において、入口流路及び出口流路は、平行の関係に配置された複数のマイクロチャネルを有する。
【００５０】
組立てられた装置においては、薄層板は、入口流路及び出口流路を見せつつ交互に上下に重ね合わされた形で積層されるが、図４Ａ及び図４Ｂは、薄層板３０５、３１０を隣接配置の形で示す。入口薄層板３０５及び出口薄層板３１０は、流体が流体導管を通って入口流路から出口流路に流れ得るよう、流体導管を挟んで上下に積層される。積層時に、移動層が入口薄層板３０５と出口薄層板３１０との間に挿入され得る。移動層は、出口流路中の流体から入口流路中の流体に熱が移動され得るよう構成されている。移動層は、熱を、ある流体から別の流体へ所望の用途に適した十分な速度で移動させることが可能な任意の材料とすることができる。関連性のある要素として、下記に限定されないが、熱移動層１１０の熱移動性、熱移動層の厚み及び熱移動の所望速度が含まれる。適切な材料として、下記に限定されないが、金属、合金、セラミック、ポリマー又はこれらの合成物が含まれる。適切な材料として、下記に限定されないが、ステンレススチール、鉄、銅、アルミニウム、ニッケル、チタン、金、銀、錫及びこれら金属の合金が含まれる。銅は、特に好ましい材料であると言える。別の実施形態において、入口薄層板と出口薄層板との間には移動層がなく、薄層板自体が流路間の熱移動層としての役割を果たす。
【００５１】
入口薄層板３０５及び出口薄層板３１０はいずれも、少なくとも１つの入口開口部３２０及び少なくとも１つの出口開口部３２５を有する。入口薄層板３０５及び出口薄層板３１０が上下に積層され、正確に位置決めされると、図４Ｃに示されるように、入口開口部３２０は一直線に並び、集合的に、スタック全体に延びて入口薄層板３０５の入口流路に連通する流体流路を形成する。同様に、出口開口部３２５も一直線に並び、集合的に、出口薄層板３１０の出口流路に連通する流体流路を形成する。熱交換システム１１０の入口流路及び出口流路の複数層を形成するため、任意の数の入口薄層板及び出口薄層板を積層することができる。層の数は、マイクロ流体熱交換システム１１０の所定の特徴（例えば、流体における熱交換量及びシステムにより処理可能な流体の流速を変化させること）が実現されるよう選択することができる。一実施形態において、熱交換システム１１０は、１００ｍｌ／ｍｉｎ以上の流入液体の流速を実現する。
【００５２】
別の実施形態において、熱交換システム１１０は、１０００ｍｌ／ｍｉｎ以上の流入液体の流速を実現する。こうした熱交換システムは、マイクロ流体の流路がマスキング／化学エッチング処理を用いて形成された複数の薄層板から作成され得る。薄層板はそれから、さらに詳しく後述するように、スタックの形で拡散接着される。一実施形態において、スタックは、４０〜５０の薄層板を有し、各薄層板で２〜３ｍｌ／ｍｉｎの流速が得られる。熱交換装置内の積層された薄層板のペア数を増やすことで、より大きな流速を得ることができる。他の実施形態において、はるかに高い流速がシステムで処理され得る。
【００５３】
作動時において、流体は、入口開口部３２０を通って入口薄層板３０５の入口流路に流入する。このことは、入口薄層板３０５の入口領域の拡大図である図５を参照しながら、さらに詳細に説明する。入口開口部３２０は、流体を入口流路に誘導する入口導管４０５に連通している。入口開口部３２０は、入口導管４０５のサイズに対して所定のサイズとなるよう構成することができ、例えば２ｍｍの直径を有することとしてもよい。また、例えば一実施形態において、入口開口部３２０は、入口導管４０５の水力直径に対応して、それより約１０倍〜１５倍大きな水力直径を有することとしてもよい。水力直径の上記の比率は、流体を複数の入口薄層板に比較的均等に分配させることが分かっている。別の実施形態において、２ｍｍの広径入口流路の場合、スタック全体の流体の均等な分配を確実にするために、１０：１より大きな水力直径比率（例えば、１５：１）が用いられ得る。
【００５４】
図５をさらに参照すると、入口導管４０５の下流端部は、入口流路に開いており、入口流路のサイズは、入口導管４０５のサイズに比べて外方向に拡がっている。この点において、１つ又は複数の流れ剥離ガイド（例えば、フィン４１０）が入口流路への経路に配置され得る。流れ剥離フィンのサイズ及び形状は、流体が入口導管４０５から入口流路に流入する際に、均等に分配され易くなるよう作られている。当然のことながら、入口導管４０５及び入口流路のサイズ、形状及び輪郭は、変更することができ、図５に示された実施形態は単に例示にすぎない。また、一例にすぎないが、システムの上記領域は、（後述される）ピン形状の部材の流れ場を有し、これら部材の周辺を流体が流れることとしてもよい。
【００５５】
図４Ａを再び参照すると、入口流路及び出口流路はそれぞれ、熱交換領域を有する。熱交換領域は、集合的には参照符号３５０を用いて呼称され、個別には参照符号３５０ａ（入口流路の場合）及び参照符号３５０ｂ（出口流路の場合）を用いて呼称される。熱交換領域３５０は、入口流路の（出口流路における流体に対して）低温の流体が、出口流路の（入口流路における流体に対して）高温の流体から熱を受取るところである。上述したように、入口流路における比較的低温の流体は、出口流路における比較的温かい流体と連通状態で流れるよう配置される。この層の実施形態において、流入流路は、薄層板積層の際に、流出流路の真上（又は真下）に配置される。流入流路における流体と流出流路における流体の温度差及び当該２つの流路を隔てる材料の熱移動性により、熱は、流出流路における流体から、移動層を通って、流入流路における流体に移動する。ここでも、熱交換領域は、上述したように一連のマイクロチャネルを有する替わりにマイクロ流体流れ場を有することができる。
【００５６】
図４Ａをさらに参照すると、流入流路における流体は、熱交換領域３５０からヒータ領域３５５に流入する。複数のピン３５７が、熱交換領域３５０とヒータ領域３５５との間の入口流路に配置され得る。ピン３５７は、流体の流れを中断させて混合を促進し、それにより、流体の流れ具合及び熱分布の両方の向上を図ることができる。図６は、ヒータ領域３５５の拡大図である。一実施形態において、流入流路は、ヒータ領域３５５において所望の流速に合わせて少なくとも２つの流路に分岐する。代替的には、ヒータ領域全体で、１つのみの流路を用いるか、又は、３つ以上の流路を選択することも可能である。ヒータ領域３５５は、当該領域を流れる流体と連通する１つ又は複数のヒータ２９２を有するが、流路からは気密状態で隔離されている。ヒータ２９２は、流入流体の温度を所望の温度（これは、殺菌温度を含んでいてもよい）まで上昇させるのに十分な熱を当該流体に加える。流入流体は、熱交換領域３５０を流れる際に予め加熱されたものである。このことは、効果的には、ヒータのエネルギー所要量を低減する。
【００５７】
ヒータ領域に入る流体が、スタック内の全ての薄層板を通過できるよう、スタック内の薄層板は、ヒータ領域３５５へのエントリ位置５０５において貫通エッチを有することができる。貫通エッチングにより、入口薄層板の面のみにおいて流体が保持されず、ヒータセクションの周辺の全ての薄層板が流体の加熱に関与することが可能となる。このことは、流体とヒータとの間の表面積を増加させると共に、流速を全体的に低くして、流体の必要温度までの加熱を容易にする。
【００５８】
上述したように、流入流路は、複数の流路に分岐させることができる。各流路は１つ又は複数のヒータ２９２を有することとし、ヒータ２９２は、当該ヒータ２９２と流路を流れる流体との接触表面積の大きさが最大化又はさもなければ増加されるよう、流路に配置することができる。その際、ヒータ２９２は、流体が常に、ヒータ２９２の両側を、当該ヒータ２９２を取り囲む形で延びる半円状又はさもなければ曲線状の流路に沿って流れるよう、流路の中央寄りに配置され得る。ヒータ２９２の形状は変更することができる。一実施形態において、ヒータ２９２は、直径が１／８インチで、一実施形態において全体的な速度が約７０，０００Ｗ／ｍ２〜１１０，０００Ｗ／ｍ２で運転され得る従来型のカートリッジ式ヒータであり、その結果、１００ｍｌ／ｍｉｎで動作するスタック全体で、一実施形態においては１００Ｗ未満、別の実施形態においては２００Ｗ未満のエネルギー消費量とすることができる。一実施形態において、システムは、各流路に３つのヒータを有する形態において、６つのヒータを用いる。この場合、各ヒータは、流速が１００ｍｌ／ｍｉｎの場合に約７０Ｗを使用する。一実施形態において、流体は、幅１．６ｍｍの流路において、必ずヒータの周囲を流れる。
【００５９】
図４Ａを再び参照すると、流入流路は、ヒータセクション３５５から滞留チャンバ３６０へと遷移する。流体は、熱交換領域３５０における熱移動及び／又はヒータセクション３５５における加熱により、滞留チャンバ３６０に流入する際には、所望の温度（例えば、殺菌温度）まで加熱されている。複数の薄層板が積層される場合は、各入口薄層板からの流体が、滞留チャンバ３６０において、１つの流体となって流入するよう、滞留チャンバ３６０は、スタックの全ての薄層板層に拡がる単一チャンバとすることができる。滞留チャンバ３６０は、流体の流れの「ショートカット」が回避され、流体のいずれの部分も、特定の流速で必要な時間よりより短い間、滞留チャンバに滞留することがなく、流体の全てが必ず流路を通り、流体が、滞留チャンバ内にある時間（すなわち、ドウェル時間）、殺菌温度以上の状態で維持されるよう構成されている。実際は、滞留時間は、滞留領域を通る流路の寸法及び流速の結果である。したがって、所望の時間のために滞留流路をどう設計するかは、当業者には明らかである。
【００６０】
図７は、入口薄層板３０５及び出口薄層板３１０の滞留チャンバ３６０の領域を示す拡大図である。図示の明瞭化のため、図７は、入口薄層板３０５及び出口薄層板３１０を隣接配置の形で示している。ただし、使用時においては、薄層板は、滞留チャンバが一直線に並び、スタックに沿って上方向に拡がる滞留チャンバを形成するよう、上下に積層される。一実施形態において、滞留チャンバ３６０には、図７の滞留チャンバの拡大図において示されるような蛇行流路が組み込まれている。蛇行流路は、長い流路を提供し、それにより、液体滞が滞留チャンバ３６０内で十分な時間留まる可能性が高くなる。
【００６１】
流体は、蛇行流路の終点まで達すると、（図７の矢印６１０により示される）出口薄層板３１０の出口流路に移動する。図４Ｂを参照すると、出口流路は、ヒータ２９２の間を通っており、ヒータ２９２は、流体が流路のこの段階において熱を失う可能性を低くするための流体の断熱材の役割を果たす。出口流路の加熱流体はそれから、熱交換領域３５０ｂの方へ流れる。出口流路は、熱交換領域３５０ｂに達するまで延びている。流体は、一連の拡張ファン３６７により、出口流路の拡張熱交換集合領域３５０ｂに方向付けられ、ここで、入口流路における低温の流体と熱連通する。上述したように、高温の出口流路における流体からの熱は、入口流路における低温の流体へと移動される。その結果、流出流体は冷却され、流入流体は加熱される。流体はそれから、熱交換領域３５０ｂから出口開口部３２５の方へ流れる。この段階で、流体は、冷却及び殺菌された状態となっている。
【００６２】
一実施形態において、３５０ミクロンの厚みを有し、エッチ深さが１７５ミクロンであって、３２７ミクロンの水力直径を有する幅２．５ｍｍのチャネルを備えた薄層板が用いられた。薄層板の各ペアは、約３．３ｍｌ／ｍｉｎの流体流速を処理することが可能で、この場合、全長１５ｍｍの熱交換セクションで、１００ｍｌ／ｍｉｎの流れを促進するためには、３０ペアの薄層板が必要であった。一実施形態において、流体流路は、滑らかに湾曲した曲線の形で、スタックの長手方向に沿って対称となるよう設計されている。流路が対称的に設計されていない場合は、流路のライン又は長さの差が最小限に抑えられ、流れ、流体の熱及び様々なドウェル時間が均等に分布されるよう設計されている。
【００６３】
熱交換部分において、チャネルを隔離するリブの幅は縮小されることができ、それにより、利用可能な熱交換領域が増加され、装置の、所望の熱効率レベルを得るために必要な熱交換部分の長さが縮小される、という効果が得られる。８５％以上、又はいくつかの実施形態においては９０％以上のエネルギー効率レベルが得られ、これは、流出流体からの熱エネルギーの９０％が、流入流体に移動され、ロス無しに回収され得ることを意味する。
【００６４】
このように、熱交換システムは、バッチ化された量の水を加熱、浄化又は保存したり、患者に利用するための純水や予め混合された透析液を大量に用意したりする必要無しに、透析システムにおいて透析液をリアルタイムで混合するために、殺菌水を所望の流速で連続的に提供するよう構成され得る。水浄化システムは、ノンバッチ処理にて水源（例えば、家庭用水流）を処理して、超高温の殺菌水流を生成する。
【００６５】
図８Ａは、別の実施形態に係る、入口薄層板７０５の平面図である。入口薄層板７０５は、流体が熱交換システム１１０を（矢印７０７により示される）内方向に流れる少なくとも１つの入口流路を形成する。図８Ｂは、別の実施形態に係る、出口薄層板７１０の平面図である。出口薄層板７１０は、流体が熱交換システム１１０を（矢印７１２により示される）外方向に流れる少なくとも１つの出口流路を形成する。この実施形態において、流路は一般的に、図４Ａ及び図４Ｂに示された実施形態の流路とは異なる経路をたどる。実際の使用時において、入口薄層板７０５及び出口薄層板７１０は、上下に積層される。
【００６６】
流体は、入口７２０において入口薄層板７０５の入口流路に入る。入口流路はそれから、出口薄層板７１０の対応する熱交換領域７５０ｂと熱連通する熱交換領域７５０ａにおいて、複数の流路に分岐する。別の実施形態において、入口流路は、複数の流路に分岐せず、１つの流路の状態のままである。また、入口流路は、後述するように、少なくとも部分的に１つ又は複数のマイクロ流体流れ場から形成することもできる。入口流路は、熱交換領域７５０ａを経て、ヒータ７６５（例えば、１５０ＷのMcMaster-Carr社製カートリッジヒータ、型番３６１８Ｋ４５１）と熱連通する弓形のヒータ領域７６０へと遷移する。ヒータ領域は、ヒータ７６５が流体を加熱する領域、及び、流体が、所定時間の間、所望の温度以上の状態で保たれる滞留チャンバの両方としての役割を果たす。
【００６７】
流体は、入口薄層板７０５のヒータ領域７６０及び滞留チャンバから、入口位置７７０において、出口薄層板７１０に流出する。流体はそれから、出口薄層板７１０の熱交換領域７５０ｂに流入し、ここで、流体は、入口薄層板７０５の熱交換領域７５０ａを流れる流入流体に熱を移動させる。流体はそれから、出口７７５において出口薄層板から出る。一実施形態において、薄層板７０５、７１０の厚みは約６００μｍで、マイクロ流体流路の深さは、約４００μｍ〜６００μｍである。本明細書で開示されたそれぞれの実施形態において、ヒータから熱を逃がすあらゆる熱伝導性のシム材により、その上を流れる流体に熱が移動され、周囲への熱ロスが最小限となるよう、流体流路は、完全に各ヒータを取り囲んでいる。また、理想的には、各ヒータを取り囲む流路を比較的狭くして、ヒータから離れることにより生じる非均等な加熱を回避することができる。
【００６８】
上述したように、マイクロ流体熱交換システム１１０は、複数の薄層板が上下に積層され拡散接着されて形成され得る。拡散接着に関する更なる情報については、米国特許出願第１１／８９７，９９８号及び第１２／２３８，４０４号に記載されており、これらの特許出願は、参照により本明細書に組み入れられる。一実施形態において、スタックは、一組の薄層板を複数有し、一組の薄層板は、入口薄層板３０５及びそれに並置された出口薄層板３１０を有する。並置された入口薄層板及び出口薄層板の各組は、１つの熱交換ユニットを形成する。したがって、薄層板のスタックは、各々が、出口薄層板３１０に連結された入口薄層板３０５を有する、複数の熱交換ユニットを有することができる。各薄層板の流路は、薄層板の表面をエッチングする（例えば、各薄層板の片面のみをエッチングする）ことにより形成することができる。薄層板を並置する際に、１つの薄層板のエッチング面が、隣接する隣の薄層板の非エッチング面にシールされる。これにより、好ましい熱交換状態が得られ得ると共に、（未殺菌の）流入流体と（殺菌済みの）流出流体とが隔離され得る。
【００６９】
図９は、例示的な薄層板のスタック８０５を示す斜視図である。スタック８０５は、最上方の出口薄層板３１０、中間の高さの入口薄層板３０５ａ及び低い高さの入口薄層板３０５ｂを含む、スタックの様々な高さにおける部分断面図で示されている。上述したように、スタック８０５は、入口薄層板及び出口薄層板が交互に配されて形成されている。ヒータ２９２は、スタック８０５の全ての薄層板を通る形で、スタック８０５全体を貫通する切り欠きに配置されている。また、滞留チャンバ３６０並びに一直線に並んだ入口開口部３２０及び出口開口部３２５は、スタック８０５全体を貫通している。各薄層板はさらに、１つ又は複数の穴８１０を有することができ、これらの穴８１０は、薄層板の積層時に一直線に並び、位置決め支柱を挿入することが可能なシャフトを形成する。
【００７０】
スタック内の薄層板の数は、マイクロ流体熱交換システム１１０の所望の仕様（例えば、加熱仕様）に対応するよう変更することができる。加熱仕様は、流体の流速、ヒータの電力入力及び流入流体の最初の温度等に依存し得る。一実施形態において、スタック８０５は、長さ約１００ｍｍ未満、最大幅寸法において幅約５０ｍｍ未満、奥行き約５０ｍｍ未満、そして体積約２５０立方センチ未満である。ただし、寸法は変更することができる。別の実施形態において、スタック８０５は、長さ約８２ｍｍ、最大幅寸法において幅約３２ｍｍ、奥行き約２６ｍｍ、そして体積約６９〜７０立方センチ、そして乾燥時の重量約５ポンドである。ただし、寸法は変更することができる。
【００７１】
薄層板３０５及び３１０は、特定の用途（例えば、マイクロチャネル）に有用な形状（features）をパターン化することが可能な任意の材料とすることができる。薄層板の厚みは変更することができる。例えば、薄層板は、約２００μｍ〜約１００μｍの範囲の厚みを有することとしてもよい。別の実施形態において、薄層板は、約５００μｍ〜約１００μｍの範囲の厚みを有することとしてもよい。適切な薄層板の材料として、下記に限定されないが、ポリマー及び金属が含まれる。薄層板は、例えば、ステンレススチール、銅、チタン合金及び拡散接着可能なプラスチックといった、任意の拡散接着可能な金属から製造することができる。用いられる作動圧力及び動作温度及び薄層板材料の加熱流体（例えば、水）への浸出を防ぐ必要性、並びに装置は処分される前に多目的利用されるのが好ましいことから、熱交換システムは、ステンレススチール（例えば、３１６Ｌステンレススチール）から作成すれば十分であることが分かった。ただし、他の材料も、劣化すること無く、動作条件に耐えるものでありさえすれば、用いられ得る。
【００７２】
薄層板は、薄層板が正確に一直線に並ぶような形で積層される。例えば、正確に積層された場合、図９に示されるように、全ての薄層板の入口開口部３２０が一直線に並び、集合的に流体がシステムに流入するための入口経路を形成し、一方、出口開口部３２５が一直線に並び、出口経路を形成する。正確に位置決めされた薄層板のスタックはさらに、当該スタックにおいてヒータ２９２を連結するための、１つ又は複数のシートを有することができる。スタックにおける薄層板の正確な位置決めを補助するため、１つ又は複数の特徴（例えば、位置決め支柱及び／又は正確な位置決めの視覚的なインジケータ）が用いられ得る。スタックは、最上方の薄層板に配置された上カバー及び最下方の薄層板に配置された下カバーを有することができる。スタックはさらに、外周囲への熱ロスを防ぐための外部の断熱包装材を有することができる。
【００７３】
図１０は、組立て後のマイクロ流体熱交換システム１１０の一例を示す斜視図である。入口／出口薄層板のスタック８０５は、スタック８０５を大気からシールするための、化学エッチングされた上カバー及び下カバーを有する。これらのカバーは、損傷及び流体を１つの状態のまま保つのに必要な動作圧力に耐えるよう、一般的に、薄層板より厚く、一実施形態においては約１ｍｍ以上の厚みとすることができる。カートリッジヒータ２９２は、スタック８０５全体にわたって延びるキャビティに取付けられる。プレート９１０が、スタックに（例えば、ボルトにより）固着されて、入口孔９１５及び出口孔９２０をスタック８０５に固定する手段となる。入口孔９１５及び出口孔９２０は、入口開口部３２０及び出口開口部３２５に連通する内腔を有する管とすることができる。
【００７４】
スタックの組立て前に、カートリッジヒータを受容する各薄層板の穴は、カートリッジヒータ自体の直径よりもわずかに小さく作られている。スタック全体が組立てられた後、穴は、当該穴の内径とカートリッジヒータの外径との間の隙間嵌めにより、ヒータから殺菌装置までの最適な熱移動が実現されるような均一表面が提供されるよう、動作中のヒータの熱膨張を考慮して拡大される。上記の方法は、組立て前の時点で各シムにおける穴が厳密にカートリッジヒータのサイズに構成された場合に生じ得るシムの位置ずれの問題を防ぐ。
【００７５】
スタック８０５には、第二プレート９２５がさらに固着されている。第二プレート９２５は、１つ又は複数の細長いシース熱電対９３０をスタック８０５に連結するために用いられる。熱電対９３０は、スタック８０５を貫通しており、スタック８０５の薄層板と、ドウェルチャンバにおける流体温度をモニタするためのドウェルチャンバ領域において連通している。スタックの固体部分に挿入される熱電対は、滑り嵌めを用いて装着される。流体流路に入る熱電対は、流体漏れが起きないよう、シールされる必要がある。こうした場合、熱電対を受容する穴は、スタックが放電加工（ＥＤＭ）により組立てられた後に作製される。なぜなら、こうした技術では、いくつかの流路を遮断するような大量の破片が生じ得る従来の穿孔に比べて、システムから容易に洗流することが可能な極めて少量の破片のみが生じるためである。様々なシール部材（例えば、Ｏリング又はガスケット）のいずれかが、スタックに取付けられた部材（例えば、プレート９１０及び９２５、熱電対９３０、並びに入口孔９１５及び出口孔９２０）のシール関係を実現するため、スタックに連結され得る。当然のことながら、図１０に示された組立て後のマイクロ流体熱交換システム１１０は一例であって、他の実施形態も可能である。
【００７６】
例示的な製造工程において、薄層板のスタックは、フィクスチャ又はケーシングに配置されて、それから接着用装置（例えば、高温真空プレスオーブン又は不活性ガス炉）に配置される。こうした装置は、高温かつ高圧な環境を作り出し、それにより、薄層板同士が物理的に接着される。
【００７７】
一実施形態において、スタック全体の重量は、スタックの両面から余剰材料のいくらかを除去することにより低減することができ、それにより、矩形の設置面積が、材料効率に優れた多角形の設置面積に近づく形で低減される。
【００７８】
図１１は、別の例示的実施形態に係る、マイクロ流体熱交換システム１１０の概略平面図である。図１１は、概略的であって、当然のことながら、流路の実際の実施形態（例えば、流路のサイズ及び形状）については変形が可能である。図１１の実施形態は、移動層１１１５により隔離された第一流路１１１０及び第二流路１１０５を有する。流体は、入口１１２０において第一流路に入り、出口１１２５において第一流路から出る。流体は、入口１１３０において第二流路に入り、出口１１３５において第二流路から出る。第一及び第二流路は、流体が、第一方向に第一流路１１１０を流れ、当該第一方向とは逆の方向に第二流路１１０５を流れる向流の形で配されている。この場合、第一流路１１１０の入口１１２０は、装置の、第二流路１１０５の出口１１３５と同じ側に置かれている。同様に、第一流路１１１０の出口１１２５は、装置の、第二流路１１０５の入口１１３０と同じ側に置かれている。流路は、少なくとも部分的に、１つ又は複数のマイクロチャネル又は流れ場から形成することができる。
【００７９】
図１１をさらに参照すると、流体は、入口１１２０において第一流路１１１０に入り、ヒータ領域１１４０を通過する。ヒータは、ヒータ領域１１４０を通過する流体に熱を送り込むために、ヒータ領域１１４０と熱連通している。流体は、ヒータ領域１１４０を通過する前に、熱交換領域１１４５を通過する。熱交換領域１１４５は、第二流路１１０５を流れる流体と（移動層１１１５を介して）熱連通している。一実施形態において、第二流路１１０５を流れる流体は、それ以前に、（出口１１２５を通って）第一流路１１１０から出て、第二流路１１０５の入口１１３０に送り込まれた流体である。予め加熱された流体が第二流路１１０５を流れると、当該第二流路１１０５において、予め加熱された流体の熱エネルギーが第一流路１１１０を流れる流体に移動される。このように、第二流路１１０５における流体は、第一流路１１１０の熱交換領域１１４５における流体を、この流体がヒータ領域１１４０に達する前に、予め加熱する。
【００８０】
ヒータ領域１１４０において、ヒータは、流体を所望の温度（これは、流体の殺菌温度であってもよい）まで加熱するのに十分な熱エネルギーを出力する。ヒータ領域１１４０から、流体は、滞留チャンバ１１５０に流れ込み、ここで、滞留時間の間、所望の温度以上に加熱された状態で保たれる。流体は、好適には、滞留チャンバ１１５０にある間は、停滞するというよりはむしろ流動状態のまま保たれている。滞留チャンバ１１５０から、流体は、出口１１２５を通って第一流路１１１０から出て、第二流路１１０５の入口１１３０に送り込まれる。
【００８１】
流体はそれから、第二流路１１０５を出口１１３５の方へ流れる。上述したように、第二流路１１０５は第一流路１１１０と、少なくとも熱交換領域１１４５において熱連通している。このように、予め加熱された、第二流路１１０５を流れる流体は、第一流路１１１０を流れる流体と熱連通している。予め加熱された流体が第二流路１１０５を流れると、当該予め加熱された流体の熱エネルギーが第一流路１１１０の隣接する熱交換領域１１４５を流れる流体に移動される。熱エネルギー交換の結果、流体は、第二流路１１０５を流れる際に、滞留チャンバでの温度に比べて冷却される。一実施形態において、第二流路１１０５における流体は、流体への細菌の侵入を防ぐことができる最低温度以上の温度まで冷却される。
【００８２】
図１１の装置の別の実施形態において、第二流路１１０５に流れ込む流体は、第一流路１１１０からルート変更された流体ではなく、第一流体流路１１１０の源と同じ又はそれと異なる源からの別個の流体の流れである。第二流路１１０５における流体は、第一流路１１１０における流体と同じ種類であっても別の種類であってもよい。例えば、水は、両方の流路を流れることとしてもよい。別の例では、水は、１つの流路を流れ、水以外の流体は、他の流路を流れることとしてもよい。第一流路に対して別の流体が第二流路を流れる本実施形態において、当該別の流体は好適には、熱交換領域１１４５において、第一流路１１１０における流体に熱を移動することができるよう予め加熱されている。
【００８３】
先述した実施形態のように、図１１の実施形態も、薄層板層を形成する複数の薄層板ユニットが上下に積層されて構成され得る。また、図１１の実施形態は、本明細書に記載された他の実施形態と異なる又は同様の、例えば、材料、寸法、滞留時間及び温度レベルといった仕様を有することができる。
【００８４】
図１２に示された別の実施形態において、マイクロ流体熱交換システム１１０は、単一の流体を洗浄する。図１２は、単一の薄層板の、例示的な流路の実施形態を示す。こうした薄層板が複数、交互配置されて、他の実施形態で先に説明したような薄層板のスタックが形成され得る。流体の浄化は、流体を殺菌するステップを含むことができる。ただし、装置が透析に用いられない場合等は、殺菌は必要ない。熱交換システムは、流入流体１２０５の流れを受取る。流入流体１２０５は、熱交換システムに入る前に分岐されている。流入流体１２０５ａの第一部分流は、システムの一端の第一入口１２１０Ａに入り、流入流体１２０５の第二部分流は、システムの反対側の他端の第二入口１２１０ｂに入る。流入流体１２０５の上記２つの流れは、積層された薄層板全体に、２つの流体の流れが直接接触し合わないよう交互に分配される。
【００８５】
流入流体１２０５の各流れは、流路１２０７に入り、流路に沿って出口１２１５ａの方へ流れる。流体の一方の流れは、入口１２１０ａを通って入り、システムの、当該入口１２１０ｂと同じ端部に配置された出口１２１５ａにおいて出て行き、流体の他方の流れは、入口１２１０ｂを通って入り、システムの、当該入口１２１０ａと同じ端部に配置された出口１２１５ｂにおいて出て行く。各流路１２０７は、第一熱交換領域１２２０を有し、ここで、熱が、移動層を通って、流入流体と、スタックにおける当該薄層板の真上（又は真下）の薄層板を流れる予め加熱された流出流体との間で交換される。流体は、熱交換領域１２２０を流れると、熱移動により熱を受取り、ヒータ領域１２２５に入る前に予め加熱された状態となる。
【００８６】
各流路１２０７で、流体はそれから、少なくとも１つのヒータ、好ましくは複数のヒータと熱連通しており、流れる流体に熱を伝達するヒータ領域１２２５に入る。流体は、圧力下で、他の実施形態で先に説明したように、所望の閾値の殺菌温度以上の温度まで加熱される。ヒータ領域１２２５はさらに、滞留チャンバとしての役割も果たす。流体は、所望の滞留時間の間、所望の温度以上の状態に保たれながら、滞留チャンバを流れる。所望の滞留時間は、例えば、流速を変化させること及び／又はヒータ領域１２２５内において必要な長さの蛇行流路を用いることにより実現され得る。ヒータ領域１２２５を出ると、流出流体は、第二熱交換領域１２３０に入り、ここで、流出流体は、スタックにおける当薄層板の真上（又は真下）の薄層板を流れる、流入流体との間で熱交換を行う。流出流体はそれから、出口１２１５Ａ及び１２１５ｂを通って流路を出る。流出流体の２つの流れはそれから、１つの流出流体流１２３５に結合してから、殺菌工程により駆除された全て又は略全ての死細菌を除去する限外濾過へと進む。
【００８７】
図１３Ａは、別の実施形態に係る、流体が熱交換システムを内方向に流れる入口流路を形成する螺旋状の入口薄層板を示す図である。図１３Ｂは、流体が外方向に流れる同様の螺旋状の流路を形成する、対応する出口薄層板を示す図である。こうした入口及び出口薄層板が複数、交互配置されて、他の実施形態で先に説明したような薄層板のスタックが形成され得る。図示された薄層板は、円形の外輪郭を有する。ただし、他の実施形態と同様に、外形状は変更され得る。
【００８８】
図１３Ａを参照すると、入口薄層板は、流入流体が入口流路に入るための入口１３０５を形成するヘッダを有する。入口流路は、加熱チャンバ１３１０が置かれた流路の中心に向かって内方向に螺旋状になっている。加熱チャンバ１３１０はさらに、後述するように、流体の滞留チャンバとしての役割も果たす。１つ又は複数のヒータが加熱チャンバ１３１０と熱連通状態で配置されて、加熱チャンバ１３１０において流れる流体に熱を加える。加熱チャンバ１３１０は、スタック内の複数の薄層板にわたって延びており、図１３Ｂに示された出口薄層板と連通する導管を有する。流体は、加熱チャンバ１３１０から出口薄層板に入る。出口薄層板は、加熱チャンバ１３１０から出口１３２０の方へ外方向に螺旋状に延びる流出流路を有する。
【００８９】
使用に際し、流体は、図１３Ｂに示された入口１３０５を通って入口薄層板の入口流路に入る。流体はそれから、螺旋状の入口流路に沿ってヒータチャンバ１３１０の方へ流れる。先述した実施形態と同様に、流入流体の温度は、入口薄層板の真上又は真下に配置された出口薄層板を流れる予め加熱された流体より低い。流体が入口流路を流れると、流体は、出口薄層板の出口流路を流れる予め加熱された流体から熱を受取る。これは、流体を、当該流体が加熱チャンバ１３１０に流れ込む前に、予め加熱する働きをする。流体はそれから、加熱チャンバ１３１０に流れ込み、ここで、流体は１つ又は複数のヒータから熱を受取る。
【００９０】
流体は、加熱チャンバ１３１０において、他の実施形態で先に説明したように、圧力下で、所望の閾値の殺菌温度以上の温度まで加熱される。先述したように、加熱チャンバ１３１０はさらに、流体の滞留チャンバとしての役割も果たす。流体は、所望の滞留時間の間、所望の温度以上の状態に保たれながら、滞留チャンバを流れる。他の実施形態と同様に、所望の滞留時間は、例えば、流速を変化させること及び／又はヒータチャンバ１３１０内において必要な長さの蛇行流路を用いることにより実現され得る。ヒータチャンバを出ると、流出流体は、図１３Ｂに示されたような出口薄層板の出口流路に入る。流出流体は、加熱チャンバ１３１０から、螺旋状の流路に沿って出口１３２０の方へ外方向に流れる。入口薄層板の螺旋状の流路は、移動層を介して、出口薄層板の螺旋状の流路と熱連通している。流出流体が螺旋状の流路に沿って流れる際、当該流出流体は、スタックにおける該当薄層板の真上（又は真下）の入口薄層板を流れる流入流体との間で、熱交換を行う。流出流体はそれから、出口１３２０を通って薄層板のスタックから出てから、殺菌工程により駆除された全て又は略全ての死細菌を除去する限外濾過へと進む。
【００９１】
３．［マイクロ流体熱交換システム：制御システム］
【００９２】
マイクロ流体熱交換システム１１０は、システム全体の流体の流れに関する１つ又は複数の側面（例えば、流体の流速、流体の温度及び／又は圧力並びに流体の化学的濃度等）を調節及び／又は制御するよう適合された制御システムを有するか、あるいは当該制御システムに連結することができる。図１４は、マイクロ流体熱交換システム１１０に通信可能に連結された例示的な熱制御システムを示す概略図である。ヒータ制御システム１００５は、ヒータ制御ユニット１０２０に通信可能に連結された少なくとも１つの電源１０１５を有する。ヒータ制御ユニット１０２０は、制御論理ユニットに連通されている。熱制御ユニット１０２０は、ヒータへの電力供給を、各ヒータに対して個別的に又はヒータ群に対して集合的に、制御するよう適合されている。このことにより、マイクロ流体熱交換システム１１０に供給される熱の一時的及び空間的な制御が可能となる。
【００９３】
ヒータ制御システム１００５は、１つ又は複数の温度センサ１０１０を有することができ、これらは、マイクロ流体熱交換システム１１０内又はその周囲に配置されて、流体流路の１つ又は複数の位置における流体温度を検知する。センサの種類は変更することができる。一実施形態において、１つ又は複数の熱電対がセンサ１０１０として用いられる。センサ１０１０は、ヒータ制御ユニット１０２０及び制御論理ユニット１０２５と連通されて、温度フィードバックループを形成する。ヒータ制御システム１００５は、システムにおける流体温度のフィードバック制御を実現して、例えば、流体が必要とされる殺菌温度まで加熱されること及び／又は流体が過熱状態又は加熱不足状態にならないことを確実にする。例えば、ヒータ制御ユニット１０２０は、制御論理ユニット１０２５と共に、ヒータのうち１つ又は複数に対する電力を、検知温度に基づいて、流体流路の１つ又は複数の位置において所望の温度プロフィールが得られるように調整することができる。ヒータ制御システム１００５は、必要に応じて流体の他のパラメータをモニタ及び調整するために、他の種類のセンサ（例えば、圧力センサ及び流速センサ等）を有することができる。
【００９４】
ヒータ制御システム１００５はさらに、温度が望ましくないレベルになると、ユーザ又は遠隔地のシステム機能モニタに対してそれを通知するための、１つ又は複数のアラーム（例えば、視覚的並びに／あるいは聴覚的な表示及び／又は通信信号）を生成するよう構成することができる。例えば、制御ユニット１０２０は、例えば、滞留チャンバ温度が維持されるような１つ又は複数の温度設定リミットを有することができる。リミットを超える、すなわち、温度が最低動作リミットを下回るか、又は最高動作リミットを上回ると、制御システムは、オペレータにより問題が診断され、修復されるまで、ヒータを迂回し、アラームを鳴らして、水浄化システム全体の動作を停止させ得る。この点に関し、制御システム１００５は、データベースを備えた報告ユニット１０３０を有することができる。報告ユニット１０３０は、センサからのデータをログ及び記憶し、そうしたデータをユーザ又は遠隔地のシステムモニタに送信するよう構成されている。
【００９５】
４．［流体浄化システム：起動及びシャットダウン］
【００９６】
流体浄化システムが透析に用いられる場合は、熱交換システム１１０内及び熱交換システム１１０の下流の部品全体の両方において、流体流路の細菌汚染を防ぐことが重要である。この点に関し、殺菌装置としての役割を果たす熱交換システム１１０は、好ましくは、流体浄化システムの起動時において、清潔な流体の流れを確実にすると共に、シャットダウン時（すなわち、ヒータ２９２の電源遮断時）において、下流の部品の細菌汚染を防ぐか、又は、少なくとも汚染作用を緩和するよう動作される。
【００９７】
一実施形態において、起動時における清潔な流体の流れは、ヒータ２９２の電源投入時にまず、熱交換システム１１０に殺菌液を流通させることにより実現される。殺菌液体はそれから、熱交換システム１１０が所望の動作温度に達するまで、熱交換システム１１０の下流の全ての部品を流れる。熱交換システム１１０が所望の動作温度に達すると、熱交換システム１１０への流体の流れは、逆浸透システム１２５からの水に切り替わる。水は、（所望の動作温度に達した）熱交換システム１１０を通過して、熱交換システム１１０の流路から殺菌液を洗流する。様々な殺菌溶液を用いることができる。例えば、殺菌溶液は、１％のクロラミンを含む水混合物又は何らかの他の周知の殺菌性水添加物であってもよい。
【００９８】
流体浄化システムは、次のようにシャットダウンされ得る。ヒータ２９２の電源は、流体の流れが熱交換システム１１０で維持された状態で遮断される。代替的に、殺菌液は、熱交換システム１１０が略室内温度の状態に達するまで、熱交換システム１１０で流通され得る。このように、流路は、熱交換システム１１０のシャットダウン時において殺菌済みの状態のまま保たれている。熱交換システム１１０の流路はそれから、熱交換システム１１０の流路において存在する殺菌液と共に閉鎖又はロックダウンされる。殺菌液の存在により、シャットダウン時における細菌汚染の可能性が著しく低減される。
【００９９】
別の実施形態において、１つ又は複数の弁が流体浄化システムの流路に配置される。弁は、起動時における所望の殺菌状態が得られるまで、溶液が、ポンプ１５０、熱交換システム１１０及び下流の部品を通るループを、再循環ループの形で、循環的に流れることを可能にする。弁はそれから、殺菌液がシステムから洗流され得るように設定される。高温の（例えば、摂氏１００度未満の）殺菌液を、下流の部品及び／又は電源の入れられていない熱交換システム１１０に循環させる機能を実現するために、例えば、（熱交換機能を有さない）マイクロチャネル流体ヒータといった、補助的な部品が組み込まれ得る。殺菌液は、流路及び部品を、何週間及び／又は何ヶ月もの間、清潔な状態で保つために、起動又はシャットダウンの工程において用いられ得る。熱交換システム１１０が動作温度に達する前に、細菌が流体洗浄システムに入ることを防ぐための別の方法として、起動時に、殺菌液の再循環ループが用いられる。また、起動又はシャットダウンの工程の間の品質制御を確実にするための方法を実現するような温度検知能力を備えたタイミング制御論理が用いられ得る。制御論理は、熱交換システム１１０又はヒータが予め設定された温度に達して初めて流れをスタートさせるよう構成され得る。
【０１００】
流路は、清浄用及び／又は殺菌用の流体を流路に循環することが可能な、１つ又は複数の迂回循環経路を有することができる。循環経路は、開ループの流れとすることができ、循環経路を流れる流体は、使用された後システムから放出可能である。別の実施形態において、循環経路は、閉ループの流れとすることができ、循環経路を流れる流体は、システムから放出不可能である。代替的に、システムは、開循環経路及び閉循環経路の両方を有することとしてもよい。
【０１０１】
５．［透析液準備システム］
【０１０２】
水は、水浄化システム５を出て、透析液準備システム１０に流れ込む際は、殺菌された状態である。透析液準備システム１０は、殺菌水を、供給される原溶液と混合して、透析液を生成するよう構成されている。図１５は、透析液準備システム５を示す高水準概略図である。ただし、図１５の実施形態は、例示的であって、当然のことながら、本発明の範囲には変形が含まれる。
【０１０３】
透析液準備システム１０は、浄水と混合される酸性の透析液原液の供給源と流体接続した酸ポンプ１７０を有する。水は、水浄化システム５から、酸ポンプ１７０に流れ、酸ポンプ１７０は、酸性原液を水に送り込む。（酸と混合された）水はそれから、第一混合チャンバ１７２に流れ込む。第一混合チャンバ１７２は、例えば、乱流を生じさせることにより、水を酸と混合する。第一混合チャンバ１７２から、酸性水混合物は、重炭酸ポンプ１７４の方へ流れる。センサ（例えば、伝導率センサＣＳ）が、第一混合チャンバ１７２の下流に配置され得る。伝導率センサＣＳは、混合物の電解質レベルを検知するよう構成されている。伝導率センサＣＳは、酸ポンプ１７０及び制御システムと閉ループの形で連通しており、制御システムは、酸ポンプの速度を調節して、水に対する所望のレベルの酸のポンピングを実現することができる。
【０１０４】
重炭酸ポンプ１７４は、透析液を生成するのに十分なレベルの重炭酸原液を、酸性水混合物に送り込む。結果として得られる流体の混合物は、第二混合チャンバ１７７に流れて、透析液として、第二混合チャンバ１７７から出る。また、別のセンサ（例えば、伝導率センサＣＳ）が、第一混合チャンバ１７２の下流に配置され得る。第二伝導率センサＣＳは、重炭酸ポンプ１７７と閉ループの形で連通され得る。透析液はそれから、流れバランスシステム及び透析装置の方へ流れる。
【０１０５】
６．［透析装置］
【０１０６】
図１６は、透析装置１５を示す概略断面図であって、透析装置１５には、血液流路２０５を有する血液室と、半透明膜２１５から成る移動層により隔離された、透析液流路２１０を有する透析液室とが規定されている。一実施形態において、透析装置は、例えば、マイクロ流れ場及び／又はマイクロチャネルといった、１つ又は複数のマイクロ流体流路を有する。以下、マイクロ流れ場及び／又はマイクロチャネルを利用した透析装置の例示的実施形態について説明する。まず、以下に、流れ場透析装置から成る透析装置の例示的実施形態について説明する。ただし、本明細書に記載の透析システムは、様々な市販の透析装置を含む任意の様々な透析装置と用いられ得る。
【０１０７】
（患者からの）血液は、血液入口２１６を通って血液流路２０５に入り、血液流路２０５を流れて、血液出口２１７を通って出る。透析液は、流体入口２１８を通って透析液流路２１０に入り、透析液流路２１０を流れて、流体出口２１９を通って出る。半透明膜２１５は、１つ又は複数の物質が、血液流路２０５における血液から透析液流路２１０における透析液に、又はその逆に、移動するのを可能にするよう構成されている。
【０１０８】
半透明膜２１５として用いられ得る材料として、例えば、ポリマー、共重合体、金属、セラミック、合成物及び／又は液体膜が含まれる。合成膜の一例として、例えば、ガンブロメディカル（Gambro Medical）社製のＡＮ６９フラットシート膜といった、ポリスルホン‐ナノ結晶セルロース合成膜が挙げられる。ガス‐液体コンタクター膜は、液体とガスとの間の物質の移動（例えば、血液の酸素化）のために用いることができ、当該膜は、酸素が、酸素又は酸素富化空気から血液に移動され、二酸化炭素が、血液からガスに移動される形での、二酸化炭素及び酸素の移動を可能にする。また、流体膜も用いられ得る。流体膜は、スルーカットマイクロチャネルを備えた薄層板を有し、マイクロチャネルは、流体並びに当該マイクロチャネルにおける流体を保持するよう配置された第一及び第二膜支持体を有する。
【０１０９】
血液及び透析液は、透析装置１５を流れる際に、血液がある方向に血液流路２０５を流れ、透析液がそれとは逆の方向に透析液流路２１０を流れる向流の形で流れ得る。透析装置１５は、向流の文脈で説明されるが、交差流の形を用いることもできる。血液及び水が膜２１５の傍を流れると、血液透析が生じる。透析装置１５はさらに、膜２１５の両側の圧力差により、流体及び溶解溶液が血液から膜２１５を通って透析液に移動する限外濾過を行うよう構成されている。
【０１１０】
透析装置１５はさらに、半透明膜２１５を通じた溶液の移動が、拡散というよりむしろ対流に支配される血液透析濾過を行うよう構成されている。血液流路２０５と透析液流路２１０との間の流体静力学的な正の圧力差は、水及び溶液を、血液流路から半透明膜２１５を通って流体流路へ移動させる。小分子及び高分子の両方の溶液が、流体と共に、半透明膜２１５を通って移動される。一般的な血液透析濾過法において、水及び溶液の移動方向は、血液から透析液に水及び溶液を移動させる方向と、透析液から血液に水及び溶液を移動させる方向とを繰り返す。所定の時間の間、血液から透析液への流体のネットロス及びネットゲインはゼロである。ただし、上記の時間内の不連続な時間の間、血液から透析液への流体のネットロス及び透析液から血液への流体のネットゲインが生じることもある。
【０１１１】
なお、透析装置１５は、マイクロ流体流れ場又はマイクロ流体チャネルを利用することができる。以下、透析装置として用いられるマイクロ流体システムの例示的実施形態について説明する。
【０１１２】
７．［流れバランスシステム］
【０１１３】
流れバランスシステム２０は、様々な種類の透析（例えば、血液透析、限外濾過及び血液透析濾過）を実現するために、透析装置１５へ／からの透析液の流れを調節するよう適合されている。流れバランスシステム２０は、透析液を透析装置に送り込む第一ポンプ及び透析液を透析装置から送り出す第二ポンプを有する。システムはさらに、詳細に後述するように、限外濾過あるいは血液透析濾過又はそれら両方に対する向上された制御を行う第三ポンプを有する。
【０１１４】
図１７は、透析装置１５を有する流れバランスシステム２０を示す概略図である。システムには、実行される血液透析の種類に対して向上された制御を行うための３つ以上のポンプが配置されている。これら３つのポンプの相対的なポンプ速度を変化させることにより、オペレータは、血液濾過のレベルを変化させることができ、また、血液の限外濾過及び血液透析濾過を選択的に実施することができる。
【０１１５】
流れバランスシステム２０は、複数の流体流路を形成する配管を有する。配管は、流体（例えば、透析液）が流通可能な任意の導管とすることができる。流体流路は、流体（例えば、未使用の透析液）が透析液準備システム１０から透析装置１５の方へ流れる入口流路２５０を有する。流体を透析装置１５の方へ所望の流速で送り込むために、少なくとも第一ポンプ２５５が、入口流路２５０に沿って、又は入口流路２５０と連通状態で配置される。流体流路には、流入流体の１つ又は複数の特徴（例えば、圧力、流速、温度及び伝導率等）を検知するための１つ又は複数のセンサＳが連結され得る。また、流体流路には、管を流れる流体にアクセスするための１つ又は複数のサンプルポートＰが連結され得る。図１７には、流体流路の特定の位置に連結されたセンサＳ及びサンプルポートＰが示されている。ただし、センサＳ及びサンプルポートＰの数及び位置は変更することができる。
【０１１６】
流体流路はさらに、使用済みの透析液が透析装置１５から出て１つ又は複数のドレイン２５の方へ流れる出口流路２６０を有する。いくつかの実施形態において、透析装置を出る透析液は、ドレイン２５に達する前に、システムにおける他の流入流体（例えば、熱交換及び浄化システムに入る水流）を予め加熱するために用いられ得る。出口流路２６０は、主要出口流路２６０ａ及び補助出口流路２６０ｂを含む、２つ以上の出口流路に分岐する。透析液を主要出口流路２６０ａから透析装置１５の外へ送り出すために、少なくとも第二ポンプ２６５が、主要出口流路２６０ａに沿って、又は主要出口流路２６０ａと連通状態で配置される。
【０１１７】
第三ポンプ２７０は、補助出口流路の第二弁２８５に沿って、又は第二弁２８５と連通した形で配置される。第三ポンプ２７０は、さらに詳細に後述するように、血液透析、限外濾過及び血液透析濾過を含む、様々な種類の透析の実現に応じて、流体流路を通る流体の流れを増大させて、例えば、入口流路２５０と出口流路２６０との間の流速差を選択的に生じさせるため等に用いられ得る。第三ポンプは、システムが透析モードの時は、透析液を流体流路に送り込む。第三ポンプはさらに、システムが他のモード（例えば、キャリブレーションモード又は清浄モード）の時は、別の流体（例えば、水又は消毒剤）を送り込み得る。第三ポンプ２７０はさらに、さらに詳細に後述するように、第一ポンプ２５５及び第二ポンプ２６５の流速をキャリブレートするために用いられ得る。
【０１１８】
図１８に示された別の実施形態において、第三ポンプ２７０は、透析装置１５の入口２１８上流にある入口流路２５０に沿って配置されている。本実施形態において、第二出口流路２６０は、第一ポンプ２５５の下流かつ第一弁２８０の上流の位置において、入口流路２５０から分岐している。第三ポンプ２７０は、流体を、ドレイン２５の方へ送る。図１８の第三ポンプ２７０は、新鮮な未使用の透析液をドレイン１４０に送り込むのに対し、図１７の第三ポンプは、使用済みの透析液をドレイン２５に送り込むため、図１７の実施形態は、図１８の実施形態よりも効率的であると考えられる。別の実施形態において、第三ポンプ２７０及び第二ポンプ２６５はいずれも、分岐を有さない１つの流出流路に沿って配置される。
【０１１９】
様々な種類のポンプを、第一、第二及び第三ポンプとして用いることができる。一実施形態において、ポンプは、摂動（nutating）ポンプである。他の実施形態において、ポンプは、回転ローブポンプ、一軸ねじポンプ、回転歯車ポンプ、ピストンポンプ、ダイアフラムポンプ、ねじポンプ、歯車ポンプ、油圧ポンプ、ベーンポンプ、再生（渦流）ポンプ、ぜん動ポンプ又はこれらの組み合わせとすることができる。また、他の種類のポンプを用いてもよい。第一ポンプ２５５及び第二ポンプ２６５は、ポンプのストロークとポンプで送られる流体量との間の同期性を確実にするために、共通のシャフトにより作動され得る。ただし、理解されるように、第一ポンプ２５５及び第二ポンプ２６５は、互いに完全に独立したものとしてもよい。
【０１２０】
上述したように、流れバランスシステム２０の流体流路を形成するために、任意の様々な流体導管を用いることができる。一実施形態において、流体流路の少なくとも一部が、１／８インチ〜１／２インチの内径を有する管から形成される。管における流速は、約５０ｍｌ／ｍｉｎ〜約１０００ｍｌ／ｍｉｎの範囲とすることができる。また、一実施形態においては、流速は、約１００ｍｌ／ｍｉｎ〜約３００ｍｌ／ｍｉｎの範囲とすることができる。
【０１２１】
図１８を再び参照すると、流体流路はさらに、入口流路２５０と出口流路２６０とを直接的に流体接続させる迂回流路２７５を有する。迂回流路２７５の例示的な目的とは、流体が、例えば、システムの洗浄、清浄又はキャリブレーションのために、透析システムに／から流れ、透析装置１５を迂回可能な流体流路を提供することである。一実施形態において、入口流路２５０と迂回流路２７５との合流点は、透析装置１５の流体入口１２０の上流に位置し、迂回流路２７５と出口流路との合流点は、透析装置１５の流体出口１２５の下流に位置する。ただし、透析装置１５における迂回を生じさせるために、迂回流路２７５の他の実施形態を用いることも可能である。
【０１２２】
第一弁２８０は、入口流路２５０と迂回流路２７５との合流点に置かれている。第二弁２８５は、迂回流路２７５と出口流路２６０との合流点に置かれている。第一弁２８０及び第二弁２８５は、流体流路の流体の流れを選択的に調節するために用いられ得る三方弁（例えば、ソレノイド弁）である。すなわち、第一弁２８０は、（１）第一弁が、全ての流入流体を入口流路２５０に沿って（図１７の矢印Ａにより示される）透析装置１５の方へ方向付け、当該流入流体が迂回流路２７５に流れ込むのを防ぐ透析設定、又は（２）第一弁２８０が、全ての流入流体を（図１７の矢印Ｂにより示される）迂回流路２７５の方に方向転換させ、当該流入流体が第一弁を超えて透析装置１５の方へ流れるのを防ぐ迂回設定を含む、２つ以上の設定のいずれかにセットされ得る。
【０１２３】
また、第二弁２８５は、（１）第二弁２８５が流入流体を、迂回流路２７５から（図１７の矢印Ｃ出口流路２６０により示される）出口流路２６０の方へ方向付けるバイパス設定、又は（２）第二弁２８５が、迂回経路２７５からの流れを遮断して、透析装置出口１２５からの流出流体が出口流路２６０に沿って（図１７の矢印Ｄにより示される）外方向に流れ続けるようにする透析設定を含む、２つ以上の設定のいずれかにセットされ得る。第一弁２８０及び第二弁２８５は一般的に、両方が同時に、迂回設定又は透析設定のいずれかにセットされる。システムは、確実に、第一及び第二が、相容れない設定にセットされないようにするための制御・安全システムを有することができる。
【０１２４】
図１７及び図１８に示された透析システムの様々な部品の配置は、例示的であって、他の配置も可能である。例えば、流路及びポンプは、図１７及び図１８に示された位置とは異なる流路沿いの位置に置かれ得る。一実施形態においては、第三ポンプ２７０が、流路の、透析装置１５の上流かつ第一弁２８０の下流の位置に置かれるか、又は、第三ポンプが、透析装置１５の下流かつ第二弁２８５の上流に置かれ得る。また、システムは、３つ以上のポンプを用いることとしてもよい。
【０１２５】
８．［流れバランスシステム：限外濾過を行わない血液透析を実現するポンプ動作］
【０１２６】
図１７を再び参照すると、流れバランスシステム２０は、入口流路２５０の流速が、出口流路２６０の流速と同じ又は略同じである場合に、限外濾過を行わない血液透析を実現する。すなわち、限外濾過を行わない血液透析は、ある時間の間、入口流路２５０を通って透析装置１５に流れ込む透析液量が、出口流路２６０を通って透析装置から流れ出る透析液量と略同じである場合に実現される。これは、入口流路２５０で第一流速が実現されるよう、第一ポンプ２５５を第一ポンプ速度で動作すると共に、出口流路２６０で入口流路２５０の流速と同じ流速が実現されるよう、第二ポンプ２６５及び第三ポンプ２７０を各々の速度で動作することにより実現することができる。
【０１２７】
一実施形態において、システムは、３つのポンプ全てをアクティブ状態で略連続的に血液透析の手順全体において用いる血液透析法を行う。システムは、入口流路２５０及び出口流路２６０で、同一流速の所望の均衡が実現されるよう、第三ポンプ２７０のポンプ速度を調整する。本実施形態において、第一ポンプ２５５、第二ポンプ２６５及び第三ポンプ２７０はいずれも、血液透析の手順全体においてアクティブであり、第一及び第二ポンプは、異なるポンプ速度で動作され、第三ポンプは、入口流路２５０及び出口流路１３６の均衡のとれた流速を実現するようなポンプ速度で動作される。第三ポンプは一般的に、第一ポンプのポンプ速度と第二ポンプのポンプ速度との間の差に等しいポンプ速度で動作される。このように、第二ポンプ２６５及び第三ポンプ２７０は集合的に、入口流路２５０における流速と同じ流速を出口流路２６０において実現する。
【０１２８】
例えば、透析装置で１００ｍｌ／ｍｉｎの所望の流速を実現するためには、第一ポンプ２５５は、入口流路２５０で１００ｍｌ／ｍｉｎの流速を実現するようにセットされ、第二ポンプ２６５は、意図的に第一ポンプ２５５と均衡にならないよう、例えば、８０ｍｌ／ｍｉｎのみの流速を実現するようにセットされる。これにより、第一ポンプと第二ポンプとの間に２０ｍｌ／ｍｉｎの流速の差が生じ得る。第三ポンプ２７０のポンプ速度は、第一及び第二ポンプの流速の差に等しい２０ｍｌ／ｍｉｎの流速を実現するようにセットされる。このように、流速が透析装置にわたって均衡化されるよう、第二ポンプ２６５及び第三ポンプ２７０は集合的に、入口流路２５０における流速と等しい１００ｍｌ／ｍｉｎの流速を出口流路において実現する。こうした状況下では、血液透析を行う拡散により、廃液が、透析装置の血液流から半透明膜を通って透析液に移動する。
【０１２９】
入口流路２５０及び出口流路２６０の流速は、１つ又は複数のセンサＳを用いて測定され得る。一実施形態において、センサは、入口流路２５０及び出口流路２６０の流速を直接的に測定する流速センサである。別の実施形態において、センサは、入口流路２５０の流体圧力及び出口流路２６０の流体圧力に関する表示を行う圧力センサである。流体圧力は、流路の流速の関数であり、したがって、流速の非直接的な測定を可能にする。入口流路２５０における流体圧力が出口流路２６０における流体圧力と等しい場合、これは、入口流路と出口流路との間で流速の均衡がとれていることを示す。入口流路２５０における流体圧力が、出口流路２６０における流体圧力より低い場合、これは、入口流路２５０における流速が出口流路２６０における流速より小さいことを示す。入口流路２５０における流体圧力が、出口流路２６０における流体圧力より高い場合、これは、入口流路２５０における流速が出口流路２６０における流速より大きいことを示す。流体流路のシステムは、流体流路内の圧力の極端な変動を抑制するための、１つ又は複数の抑制機構を有することができる。
【０１３０】
後者の２つの状況においては、入口流路２５０と出口流路２６０との間で均衡のとれた流速が実現されるよう、第三ポンプ２７０のポンプ速度が、入口及び出口流路の圧力差に応じて、例えば、キャリブレーション法により調節され得る。キャリブレーション法は、図１９に示され、さらに詳細に後述されるように、キャリブレーションモードにおけるシステムにおいて、任意に行うことができ、その際、流体が迂回流路２７５に流れて透析装置１５を迂回するよう、第一及び第二弁がセットされる。キャリブレーション法が、透析装置１５を迂回させることにより実行され、圧力差が入口流路及び出口流路の間に検知された場合、第三ポンプ２７０の流れは、当該第三ポンプをオン又はオフする必要無しに、当該第三ポンプの速度を増加又は減少させて、出口流路２６０において所望の流速が実現されるよう、「オンザフライ」で調節され得る。この点において、流速の自動的な均衡化を実現するために、圧力センサＳ及び３つのポンプ並びに弁２８０及び２８５は、閉ループ制御システムにおいて接続され得る。
【０１３１】
別の実施形態において、入口流路２５０及び出口流路２６０の間で均衡化された流速は、理論的には、入口流路２５０及び出口流路２６０で同じ流速が実現されるよう、少なくとも第一ポンプ２５５及び第二ポンプ２６５を同じポンプ速度で動作させることにより実現される。第一ポンプ２５５及び第二ポンプ２６５の流速を等しくすることは、理論的には可能ではあるが、様々な要因により、入口流路２５０における実際の流体の流速は、出口流路２６０における実際の流体の流速とは異なる。そうした要因には、例えば、エアトラップ、ハードウェアの摩耗及び流体漏れが含まれ、これらは、第一及び第二ポンプの流速を、時間の経過にしたがって、予め設定された値又は所望の値から逸脱させる。透析システムにおける一般的な技術は、上記の種類の要因に対して、流れバランスを修正することが不可能である。
【０１３２】
したがって、第一及び第二ポンプのみを使用するだけでは、均衡化された流速が容易に実現されない場合が生じ得るため、入口流路２５０と出口流路２６０との間で流速を均衡化させるための修正が必要とされている。流体の流速が異なる場合、第三ポンプ２７０を用いることができる。第三ポンプ２７０は、アクティブ状態になると、入口流路２５０の流体の流速と出口流路２６０の流体の流速との間の変化量に等しい速度で流体を補助出口流路２６０ｂに送ることにより、上述したような異なる流速を修正する。システムは、好適には、第一ポンプ２５５が必ず、第二ポンプ２６５より高い速度で流体を送り、第一ポンプ２５５が第二ポンプ２６５より少量の流体を送るのを防ぐよう構成されている。システムは、好適には、制御システムを有し、当該制御システムは、第一ポンプ２５５が意図せず、第二ポンプ２６５より低い速度で流体を送るという事態を検知し、アラームを鳴らすか、又はそうなった場合にシステムを透析モードから切り替える。
【０１３３】
ある流速修正法によれば、センサＳ（図１７参照）が、入口流路２５０及び出口流路２６０の流速を測定するために用いられる。入口流路２５０における流速と出口流路２６０における流速とが比較される。これらの流速が異なる場合は、第三ポンプ２７０が非アクティブ状態からアクティブ状態となり、流体を補助出口流路の第二弁２８５に、出口流路２６０における全体的な流速が入口流路２５０における流速と同じになるように選択された速度で流し込む。流速の均衡化が回復される（例えば、入口流路２５０及び出口流路２６０の両方において、同じ流体圧力が存在することにより、明らかになり得る）までの間、第一ポンプ２５５及び／又は第二ポンプ２６５のストローク量を調整するために、例えば、サーボ機構といった機構が用いられ得る。
【０１３４】
上述したように、センサＳは、閉ループシステムにおいて、制御システム及び３つのポンプに通信可能に連結されている。制御システムは、ハードウェア及び／又はソフトウェアを有し、当該ハードウェア及び／又はソフトウェアは、第三ポンプ２７０を自動的にアクティブ及び／又は非アクティブ状態にするか、又は、必要に応じて、第三ポンプのポンプ速度を、所定の値に対する検知流速の差又はそれらの変化に応じて調整し、入口流路２５０及び出口流路２６０の流速を均等にする。当然のことながら、流速は、直接的に測定される替わりに、他の測定値（例えば、入口及び出口流路における流体圧力）を用いて、非直接的に算出され得る。この点に関し、入口流路及び出口流路における流体圧力は、所定の値に対する圧力の検知可能な変化又はそれらの変動に応じて測定され得る。流路は本質的には、第一ポンプ２５５及び第二ポンプ２６５の流速にわずかな差があっても、大きさが正又は負に関わらず、高速な圧力変化が生じるようなノンコンプライアンスなものとして適合させることができる。
【０１３５】
システムは、最初に及び／又は定期的にキャリブレーションモード（ＵＦ確認モードとも呼称され得る）で作動され、当該モードにおいて、第一弁２８０及び第二弁２８５は、システムを流れる流体が迂回流路２７５を介して透析装置１５を迂回する「迂回設定」にセットされた状態で、流体（透析液又はそれ以外であり得る）が流路を流れる。図１９は、透析装置１５が迂回される上記キャリブレーションモードで動作されたシステムを概略的に示す図である。システムが３つのポンプ全てを略連続的に血液透析の手順全てにおいて用いる本実施形態において、第一及び第二ポンプはまず、意図的に、均衡のとれていない流速を実現するようにセットされる。そして、流路において、入口流路の流体の流速又は圧力及び出口流路の流体の流速又は圧力を測定するために、センサＳが用いられる。第三ポンプ２７０はそれから、入口流路２５０と出口流路２６０との間で略均衡のとれた流速が実現されるようなポンプ速度にセットされる。
【０１３６】
他の実施形態において、第一ポンプ２５５及び第二ポンプ２６５はまず、最初は非アクティブ状態である第三ポンプ２７０の補助を必ずしも必要とすること無く、等しい流速を実現するようにセットされる。そして、流路において、入口流路の流体の流速及び出口流路の流体の流速を測定するために、センサＳが用いられる。流体の流速が等しい場合は、第三ポンプ２７０は、非アクティブ状態のまま保たれる。一方、流体の流速が等しくない場合は、第三ポンプ２７０は、入口流路２５０及び出口流路２６０の流速の相違を補う速度で作動される。上述したように、第三ポンプ２７０は、流速センサ及び／又は圧力センサを備えた閉ループ関係において動作され得る。図２０には、第三ポンプ２７０が極めて細い線で示されており、これは、第三ポンプが、入口流路２５０と出口流路２６０との間に流速差があるか否かに応じて、作動される又はされないものであり得ることを示している。システムは、３つのポンプ全てが連続的に動作する場合に、より効率的に運転され得るため、第三ポンプのアクティブ化及び非アクティブ化を必要としないキャリブレーション法が好ましい。
【０１３７】
キャリブレーションの工程が完了すると、弁２８０及び２８５は、流体が源１１０から入口経路２５０を通って透析装置１５に流れ透析装置を１５を出て出口経路２６０に流れる「透析設定」にセットされ得る。システムがそのように構成された場合、入口流路及び出口流路を通して透析液を透析装置１５に／から流れさせ、血液を透析装置に／から流れさせることにより、当該システムを透析に用いることができる。透析時は、先述したキャリブレーション手順が、例えば、所定の間隔で定期的に繰り返されて、確実に、入口及び出口流路の流速が所望の範囲内に保たれる。
【０１３８】
一実施形態において、キャリブレーションは、透析セッションの始まりのみにおいて実行される。より好ましい実施形態において、キャリブレーションは、透析セッションにおいて定期的に実行され、確実に、所望の流れの均衡がセッションを通じて保たれる。制御システムは、流入する流れを制御する弁２８０及び２８５の間で、透析設定と迂回設定とを繰り返して、透析セッションを別途遮断すること無く、キャリブレーションステップを実行することができる。キャリブレーション工程において、透析液が透析装置１５を迂回する場合は、その間に新鮮な透析液が透析装置１５に供給されることはないため、透析装置を通過する血液はわずかに冷却され得るものの、当該血液の透析が妨害されることはない。キャリブレーションステップが、キャリブレーションの合間の時間に比べて比較的短時間行われ得る限り、キャリブレーションは、患者に供給される透析の品質に重要な影響を与えない。一実施形態において、透析システムは、１分間のキャリブレーションの後、６０分間の透析装置への透析液の供給を行う、というサイクルを繰り返すこととしてもよい。一実施形態において、透析システムは、３０秒間のキャリブレーションの後、１２０分間の透析装置への透析液の供給を行う、というサイクルを繰り返すこととしてもよい。
【０１３９】
図２０は、透析モードで動作されたシステムを概略的に示す図である。第三ポンプ２７０及び補助出口流路の第二弁２８５を通る流れの矢印２９１は、極めて細い線で示されており、これは、第三ポンプ２７０が、システムが透析モードである間は、作動される又はされないものであり得ることを示している。第三ポンプ２７０は、当該第三ポンプ２７０が入口流路及び出口流路の流速を等しくするために必要な場合は、アクティブ状態にされ得る。あるいは、入口及び出口流路の流速は、第三ポンプ２７０の補助の必要無く、等しくすることができる。こうした場合は、第三ポンプ２７０は、非アクティブ状態のまま保たれる。
【０１４０】
９．［流れバランスシステム：限外濾過を実行するポンプ動作］
【０１４１】
透析システムは、透析装置全体で不均衡な流速が存在し、入口流路２５０の流速が出口流路２６０の流速と異なる状況において、限外濾過を実現する。出口流路２６０の流速が入口流路２５０の流速より大きい場合は、透析装置１５は、不均衡な流速を補うために、対流による手法により、血液から流体を半透明膜を通して移動させる。一実施形態において、システムは、３つのポンプ全てを略連続的に手順全体において用い、第三ポンプ２７０のポンプ速度は、入口流路２５０と出口流路２６０との間に、限外濾過を行うための所望の流速の差が得られるように調整される。つまり、第一ポンプ２５５、第二ポンプ２６５及び第三ポンプ２７０はいずれも、アクティブ状態となっており、第一及び第二ポンプは異なるポンプ速度で動作される。第三ポンプはそれから、限外濾過を生じさせるのに十分であり、入口流路２５０と出口流路１３６との間の所望の流速の不均衡が意図的に得られるようなポンプ速度で作動される。
【０１４２】
例えば、血液流から流体を１０ｍｌ／ｍｉｎの速度で除去するためには、第一ポンプ２５５は、入口流路２５０で１００ｍｌ／ｍｉｎの流速を実現するようにセットされ、第二ポンプ２６５は、意図的に第一ポンプ２５５と均衡にならないよう、例えば、８０ｍｌ／ｍｉｎのみの流速を実現するようにセットされる。それから、第二及び第三ポンプが集合的に、出口流路２６０で１１０ｍｌ／ｍｉｎの流速を実現するように、第三ポンプ２７０は、３０ｍｌ／ｍｉｎの流速を実現するようにセットされる。入口流路２５０で１００ｍｌ／ｍｉｎかつ出口流路で１１０ｍｌ／ｍｉｎの流速が得られると、透析装置１５は、１０ｍｌ／ｍｉｎの流体を血液流から透析液に移動させることにより、１０ｍｌ／ｍｉｎの流速差を補う。
【０１４３】
別の例において、血液流に流体を１０ｍｌ／ｍｉｎの速度で追加するためには、第一ポンプ２５５は、入口流路２５０で１００ｍｌ／ｍｉｎの流速を実現するようにセットされ、第二ポンプ２６５は、意図的に第一ポンプ２５５と均衡にならないよう、例えば、８０ｍｌ／ｍｉｎのみの流速を実現するようにセットされる。第三ポンプ２７０はそれから、第二及び第三ポンプが集合的に、出口流路２６０で９０ｍｌ／ｍｉｎの流速を実現するように、１０ｍｌ／ｍｉｎのみの流速を実現するようにセットされる。入口流路２５０で１００ｍｌ／ｍｉｎかつ出口流路で９０ｍｌ／ｍｉｎの流速が得られると、その流速差を補うために、透析液が１０ｍｌ／ｍｉｎで血液流に移動される。当然のことながら、先述した例及び後述する例における流速値は、例示を目的としたものにすぎず、相対的な流速と同様に実際の流速も、限外濾過又は逆限外濾過の所望のレベルを実現するために、変更することができる。
【０１４４】
限外濾過の量を選択的に変更するために、第三ポンプ２７０の速度は変更することができる。例えば、流体を血液から移動させる際に、限外濾過が希望より多いと判断された場合は、例えば、第三ポンプ２７０のポンプ速度を減少させて、第三ポンプ２７０が透析装置から抜出す余剰流体の量を減少させ得る。一方、限外濾過が、所望の所定値と比べて十分でない場合であって、例えば、流体が血液から透析液に移動される時は、第三ポンプ２７０のポンプ速度を増加させて、透析装置（したがって、血液）から、さらに大量の流体を移動させることができる。
【０１４５】
別の実施形態において、図１８の実施形態の場合のように、第三ポンプ２７０は、補助出口流路第二弁２８５を介して、余剰流体を流路に供給するよう、流体源に連結され得る。流路に導入された余剰流体は、半透明膜２１５を通って血液に移動される。
【０１４６】
１０．［流れバランスシステム：血液透析濾過を実行するポンプ動作］
【０１４７】
透析システムは、第三ポンプの速度を、（１）第二及び第三ポンプが集合的に、入口流路における流速より大きな流速を出口流路において実現するような第一速度と、（２）第二及び第三ポンプが集合的に、入口流路における流速より小さな流速を出口流路において実現するような第二速度との間で往復させて、血液透析濾過を実現するよう構成されている。このように、第三ポンプ２７０は間欠的に、透析装置１５が流体を血流から取出して透析液に移動させる状態と、透析装置１５が流体を透析液から取出して血液流に移動させる状態との間で、流速差を交互に生じさせるために用いられ得る。所定時間の間、血液透析濾過処理の、血液からの流体のネットロスはゼロ（又は略ゼロ）であり、血液への流体のネットゲインはゼロ（又は略ゼロ）である。しかし、その間、透析装置１５は、定期的に、流体を透析液から血液に移動させ、定期的に、流体を血液から透析液に移動させる。限外濾過を血液透析濾過と同時に行いたい場合は、時間の経過と共に流体を血液に／から循環させることに加えて、所定時間の間、血液へ／からの流体のネットゲイン又はネットロスも生じるように、ポンプを作動すればよい。
【０１４８】
例えば、一例として１０分間の間、第一ポンプ２５５は入口流路２５０で１００ｍｌ／ｍｉｎの流速を実現するようにセットされ、第二ポンプ２６５はやはり、意図的に第一ポンプ２５５と均衡がとれないよう、例えば、８０ｍｌ／ｍｉｎのみの流速を実現するようにセットされる。ポンプ２７０の速度は、速度１０ｍｌ／ｍｉｎを３０秒間及び速度３０ｍｌ／ｍｉｎを３０秒間のサイクルを繰り返すこととしてもよい。第三ポンプ２７０の速度が１０ｍｌ／ｍｉｎの速度である期間において、出口流路２６０の全流速は９０ｍｌ／ｍｉｎかつ入口流路２５０の流速は１００ｍｌ／ｍｉｎであり、結果として、不均衡な流速が得られて、それにより、透析装置１５は、１０ｍｌ／ｍｉｎの流体を血液流に移動させる。第三ポンプ２７０の速度が３０ｍｌ／ｍｉｎの速度である期間において、出口流路２６０の全流速は１１０ｍｌ／ｍｉｎかつ入口流路２５０の流速は１００ｍｌ／ｍｉｎであり、結果として、不均衡な流速が得られて、それにより、透析装置１５は、１０ｍｌ／ｍｉｎの流体を血液流から透析液に移動させる。上述したような１０分間及び交互に生じる３０秒間の間、血液からの流体のネット増減無しに、透析装置全体で１００ｍｌ／ｍｉｎのネットバランスのとれた流速が得られる。このことは、流体を膜を通して血液に移動させ、それから流体を血液から膜を通過させて透析液に移動させて、血液透析濾過を実行し、効率的に透析され得なかったはずの高分子老廃物の除去量を増加させる、という目的にとって有用である。このように、３つ以上のポンプシステムを動作することにより、第一、第二及び第三ポンプの速度をどのように制御するかに応じて、血液透析、限外濾過及び血液透析濾過の全てを実現することができる。こうした種類の動作は従来、他の透析システムにおいて可能ではなかった。
【０１４９】
図１８に示された別の実施形態において、血液透析、限外濾過及び血液透析濾過のうち１つ又は複数の実行のために、第一及び第三ポンプが集合的に、所望の入口流速を実現し、第二ポンプが所望の出口流速を実現するよう、第三ポンプは、透析装置の出口流路側ではなく入口流路側に置かれている。
【０１５０】
透析処置の合間に、流路は、水洗い及び／又は消毒され得る。水洗い液（例えば、これに限定されないが、消毒溶液及び水）は、弁を迂回設定とした上で、流路を通される。水洗いモードにおいて、システムの流体の流れを実現するために、第三ポンプ２７０は、第一ポンプ２５５及び第二ポンプ２６５と一緒に動作してもしなくてもよい。
【０１５１】
１１．［透析装置：例示的なマイクロ流体の実施形態］
【０１５２】
上述したように、透析装置は、マイクロ流体移動装置を有することができる。以下、透析装置の血液流室及び透析液流室としての役割を果たすマイクロ流体チャネル又は流れ場マイクロ流体を有する装置を含む、移動装置のいくつかの例示的実施形態について説明する。一実施形態において、流れ場は、アスペクト比が約１０以上のマイクロ流体流路である。ここで、アスペクト比は、マイクロ流体流路の幅とマイクロ流体流路の深さとの比で定義され、流体は実質的に、マイクロ流体流路の長さの方向に流れる。
【０１５３】
Ａ．マイクロ流体移動装置の説明
【０１５４】
図２１は、第一流体及び第二流体の向流の流れ図１００を示す。流路は、マイクロチャネルの文脈で説明されるが、流れ場によっても用いられ得る。また、本明細書に記載の様々な実施形態は、マイクロチャネルの実施形態を含む形で示されているが、各実施形態は、マイクロチャネルではなく流体流れ場を用いて構成及び実施され得る。
【０１５５】
第一流体は、マイクロチャネル入口１０２に入り、上側薄層板１０４を流れて、ビア１０８を通過し、マイクロチャネル１０６まで流れる。ビア１０８において、流体は、透析装置の半透明膜２１５としての役割を果たす移動層１１０に接する。同時に、マイクロチャネル１１２における第二流体は、移動層１１０に接した後に、下側薄層板１１４を流れて、ビア１１８を通過し、出口１１６まで流れる。移動層１１０は、特定の用途のため選択された、１つ又は複数の物質が、マイクロチャネル１０６における流体からマイクロチャネル１１２における流体に、又はその逆に、移動するのを可能にする半透明膜とすることができる。例えば、特定の用途は、血液透析法とすることができる。
【０１５６】
マイクロチャネル１０６及び１１２の幅は、動作パラメータ及び構成要件（例えば、移動層１１０がマイクロチャネルにたわむのを実質的に防ぐという要件）を考慮して、可能な限り大きくされ得る。実際の幅は、ある特定の要因（例えば、移動層１１０の剛性及び移動層の両側の圧力差）に応じて変更することができる。一般的なマイクロチャネル幅は、１００μｍ〜５００μｍ、より一般的には、約２００μｍ〜約４００μｍである。
【０１５７】
透析装置に用いられる移動層１１０は、対象となる物質を移動層を通して選択的に移動させることが可能な任意の材料とすることができる。当業者であれば理解できるように、膜の選択は、例えば、下記に限定されないが、移動される物質、流体に存在するその他の物質、移動の所望速度、物質を運ぶ流体、物質を受取る流体、動作温度及び動作圧力を含む、その他の設計基準に依存し得る。適切な膜として、下記に限定されないが、ポリマー、共重合体、金属、セラミック、合成物、ポリスルホン‐ナノ結晶セルロース合成物、ガス‐液体コンタクター膜、中空繊維膜及び液体膜が含まれ得る。移動層として適切な膜として、下記に限定されないが、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリアクリロニトリル、アセチルセルロース、二酢酸セルロース及び三酢酸セルロースが含まれる。
【０１５８】
薄層板１０４及び１１４は、特定の用途（例えば、ビア及びマイクロチャネル又は流れ場の支持構造体）に有用な形状にパターン化することが可能な任意の材料とすることができる。薄層板の厚みは、約２００μｍ〜約１０００μｍ、一般的には、約３００μｍ〜約５００μｍであり得る。適切な薄層板の材料として、下記に限定されないが、ポリマー及び金属が含まれる。適切なポリマー材料の例として、ポリカーボネート、テレフタルポリエチレン（ＰＥＴ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリ（メタクリル酸メチル）（ＰＭＭＡ）及びポリ（テトラフルオロエチレン）（ＰＴＦＥ）等のハロゲン化ポリエチレンが含まれる。金属薄層板は、当該薄層板に所望の特徴を持ち得る材料であれば、いかなるものであってもよい。例えば、光化学エッチング又は機械加工されることにより、所望の形状（例えば、ブラインド形状）を持ち得る材料とすることができる。例として、ステンレススチール、銅、チタン、ニッケル及びアルミニウムが含まれる。
【０１５９】
図２２は、薄層板設計の一実施形態を示す斜視図である。図２２は、マイクロチャネルの文脈で説明されるが、同様のヘッダの実施形態は、流れ場に流れ込む流体にも用いられ得る。薄層板１０４のヘッダ側１２０は、流体を受取り、当該流体をビア１０８に方向付けるための入口１０２を有する。ビア１０８において、流体は、プレートを、当該プレートのマイクロチャネル側１２２（又は流れ場側）へと流れる。流体はそれから、マイクロチャネル１０６又は流れ場を流れ、ここで、図示されていないが、移動層と接触する。入口１０２は、隣接する薄層板が入口１０２に崩れ落ちるのを防ぐための支持構造体１２４を有する。図２２は、マイクロチャネル１０６を、複数の平行なマイクロチャネルとして開示しているが、本発明は、本実施形態に限定されるわけではない。
【０１６０】
１．流れ場
【０１６１】
上述したように、いずれの実施形態も、マイクロチャネルではなく流れ場を、１つ又は複数組み込み得る。図２３は、図２１及び図２２の実施形態において用いられる平行なマイクロチャネルではなく、流れ場１２６を用いた実施形態を示す。流れ場１２６は一般的に、流れ場１２６の外周を画定する、対向する一対の壁１２９から成る。壁と壁の間には空間が設けられ、流体は、当該空間内を入口から出口の方へ流れる。１つ又は複数の個々の支持構造体（例えば、壁セグメント１２８）が、壁と壁の間の空間に置かれる。支持構造体は、少なくとも部分的に、隣接する薄層板同士を支持して、薄層板が別の薄層板に崩れ落ちるのを防ぐ働きをする。支持構造体はさらに、膜が流路に崩れ落ちて、血液又は透析液のいずれかの流れを遮断するのを防ぐ。これらの支持構造体は、相対的に見て、様々な空間配置に配置され得る。支持構造体は、様々な形状及びサイズを有することができ、ピン、壁セグメント、バンプ及び突起等の形状とすることができる。
【０１６２】
支持構造体は、個々の細長い流路を画定しないという点で、マイクロチャネルを形成する細長い壁又はデバイダとは異なる。むしろ、複数の支持構造体は流体を特定の方向に明確に向けること無く、対向する壁１２９の間の全体的な流れ空間に位置する。支持構造体は、マイクロチャネルの精密に誘導された方向性のある流れと比べてより自由な流体の流れ方向を可能にする。
【０１６３】
また、それぞれが別個で、間隔が空けられているという支持構造体の特質により、連続するマイクロチャネルデバイダが使用される場合よりも多くの移動層の表面が露出される。介在する移動層の、透析の対象となる流体に対する露出が大きくなると、例えば、装置全体の効率が向上される。当業者であれば理解できるように、流体に露出される移動層の面積を最大限にする一方で、移動層が流れ場の一部に崩れ落ちないように、移動層と支持構造体との十分なインテグリティを維持することが好ましい。さらに、流れ場を用いた実施形態は、流体が気泡の周りに流れることを可能にし、それにより、トラップされた気泡によって生じる流れの閉塞を緩和する。ただし、気泡のサイズは特定のチャネルにおいて流れを著しく遮断するようなものであり得るため、上記の流れの封鎖は、容量が制限されたマイクロチャネルの場合ほど容易には起こり得ない。
【０１６４】
図２３の例において、支持構造体は、薄層板の表面から上方向に延びる、矩形又はプリズム形状の本体から成る壁セグメント１２８の形状である。壁セグメント１２８は、図２３の視点から見た場合に、各グループが列を形成するような形でグループ毎に配置される。流れ場１２６全体として、一連の列を有する。各列は、列の端から端まで、相互に間隔を空けて一直線に並べられた複数の壁セグメント１２８を有する。列の各々は隣接する列と間隔が空けられている。壁セグメント同士の間隔は、一つの列と隣接する列との間隔を変更することができるのと同様に、単一の列内で変更することができる。さらに、壁セグメント１２８は、他の空間パターンで配置することもでき、列パターンの配置に限定されない。
【０１６５】
図２４は、対向壁１２９の長軸に対してわずかに角度が付けられた壁セグメント１２８を有する流れ場１２６の別の例を示す。対向壁１２９に対する壁セグメントの角度の大きさは変更することができる。壁セグメント１２８は全て同じ角度で配向することができる。あるいは、上記角度は、一つの壁セグメント１２８をある角度で配向し、他の壁セグメント１２８を異なる角度で配向するといった具合に、壁セグメントによって変化させることができる。
【０１６６】
壁セグメント１２８に角度を付けることで、装置を並流又は向流用に組立てる際の位置決め誤差許容度が高い設計がもたらされる。隣接する層を積層する際に、一つの壁セグメントを別のセグメントの上に少なくとも一部が重なるように置き、スタック内の層と層の間に適切な構造的支持を提供することが好ましいと考えられる。ここで、壁セグメント１２８は相対的なサイズ及び形状を有することができ、層が積層される際に、壁セグメントが上下に一直線に並ぶ可能性を最大限にするようなパターンに配置され得る。図２５は交差流形態１３０及び並流形態１３２における隣接層が並置された状態を示し、各々は角度が付けられた壁セグメント１２８を有する。壁セグメントの角度の付けられた特質により、薄層板が積層される際に、壁セグメントが交差又は上下に積層される可能性が高まる。一つの層の他の層に対するｘ又はｙ方向への僅かな動きによっても、壁セグメントの交差において、膜はなお支持されるだろう。
【０１６７】
図２６Ａは流れ場１３６を有する薄層板１３４を示しており、本図において、支持構造体は複数の円筒状の支柱１３８を備える。壁セグメント１２８（図２３参照）と同様に、複数の支柱１３８は、移動のために露出される移動層（図示せず）の表面積を増加させる。また、マイクロチャネル１０６（図２２参照）のように、流体が狭いチャネルに閉じ込められることがないので、流体は気泡又は汚染物質などの流れの閉塞の周辺を横断することができる。図２６Ｂは、円筒状の支柱１３８から成る支持構造体のセットを示す上面図である。図２６Ｃは、一対の円筒状の支持支柱１３８を示す側面図である。円筒状の支柱１３８の寸法は、隣接する円筒状の支持支柱１３８間の相対的な空間と同様に、流れ場に所望の流れ特性が実現されるように、変更することができる。例えば、各支持支柱１３８の半径Ｒは、隣接する支持支柱１３８間の距離Ｓと同様に、予め定められ得る。各支柱の高さＨも変更され得る。支持支柱１３８は、円形基部を有するプリズム（例えば、円筒）とすることができる。ただし、プリズムの基部は、例えば、矩形、三角形、楕円形、多角形又はその他の幾何学形といった、任意の形状とすることができる。例えば、図２７は、滴形状の支柱１３８から成る支持構造体を有する流れ場１３６を開示している。本実施形態は、流れ場１３６を通る流線形の流体の流れのために構成される。
【０１６８】
一実施形態において、支柱のサイズは、円筒状の支柱に関しては直径、矩形の柱に関しては幅において、最小限とされ、また、不規則な形状に関しては幾何学的中心までの平均距離の２倍とされる（すなわち、移動層に孔をあけることがなく、隣接層の支柱の位置合わせが可能な程十分に大きくされる）。支持構造体は一般的に、０μｍより大きく、１０００μｍより小さい。さらに一般的には、支持構造体は、０μｍより大きく、５００μｍより小さい（例えば、約１００μｍ〜約４００μｍ）。当業者であれば理解できるように、支持構造体の所望の形状及びサイズは、例えば、移動層の材料及び厚み、利用される流体、製造時の位置決め許容誤差、並びに移動層の効率といった、様々な要因に依存し得る。
【０１６９】
図２８に示すように、流れ場１３６は、密度勾配及び様々なサイズを有する支持構造体１３８のアレイを画定することができる。例えば、流れ場１３６の一端は、より大きく、そしてまばらな支持構造体１３８を有し、これらは他端に近づくにつれてサイズが徐々に小さくなり、密度が徐々に高くなることとしてもよい。加えて、流れ場のいくつか又は全てには、流動力学を増強させるために表面処理が施され得る。例えば、流れ場の表面を処理して親水性にし、エアトラップを低減することが可能である。また、支持密度の低い領域を疎水性にし、支持密度の高い領域を親水性にするなどして表面を選択的に処理して、トラップされた空気がまばらな領域から密度の高い領域に移動するようにし、そこでウィッキング及び機械的な力でガスを外に出すことも可能である。さらに、支持構造体１３８は、図２９に示された設計制約に従って、流れ場全体にランダムに分布され得る。
【０１７０】
支持構造体１３８間の距離Ｓは、動作パラメータ及び構成要件（例えば、移動層１１０（図２１参照）が流れ場１３６にたわむのを実質的に防ぐという要件）を考慮して、可能な限り大きくされ得る。実際の幅は、ある特定の要因（例えば、移動層１１０（図２１参照）の剛性及び移動層の両側の動作圧力差）に応じて変更することができる。一般的な幅は、１００μｍ〜５００μｍであって、より一般的には、約２００μｍ〜約４００μｍである。
【０１７１】
マイクロチャネル又は流れ場の深さは、移動効率の利点を生じさせる。ミクロンスケールの寸法は、バルク流体中の拡散長又は伝導長を減少させることによって物質移動の制限を低減し、それにより、移動層１１０（図２１参照）の単位面積あたりの質量率が増加し、結果として、効率が向上し、装置のサイズが低減される。マイクロチャネル又は流れ場の深さは一般的には０より大きく、１０００μｍより小さい。より一般的には、深さは０より大きく、約４００μｍより小さい。さらに一般的には、深さは０より大きく、約１００μｍより小さい（例えば、約１０μｍ〜９０μｍ）。
【０１７２】
２．透析装置として用いられる物質移動装置
【０１７３】
図３０及び図３１を参照すると、透析装置として働き得る、組立てられた物質移動装置２００は、薄層板２０２、薄層板２０４及び移動層２０６から構成される。圧縮プレート２０８は、層状のプレート２０２及び２０４並びに移動層２０６に圧力を加え、実質的にシールされた流体マイクロチャネル又は流れ場を提供するために設けられる。圧縮プレート２０８は、例えば、圧縮プレートを連結する留め金具を用いて、又は装置２００を加締め機に設置して圧力を加える。当業者であれば理解できるように、圧縮プレートに力を加えるための様々な更なる方法が当技術分野に存在する。流体ヘッダ２１０は、内部マイクロチャネル１０６及び１１２（図２１参照）に流体を供給するために、物質移動装置２００に動作可能に接続され、マイクロチャネル入口２１２及びマイクロチャネル出口２１４に流体接続される。図３１は平行に配置された２つのマイクロ流体移動装置を示す。ただし、当業者であれば理解できるように、任意の数の装置が平行、直列又はこれらの両方で構成され得る。
【０１７４】
圧縮プレート２０８は、薄層板２０２及び２０４並びに移動層２０６を均一に圧縮するのに十分な剛性を有する材料で作製することができる。適切な材料としては、下記に限定されないが、金属、合金、セラミック又は合成物が含まれる。例示的な材料としては、例えば、アクリルがある。ただし、当業者であれば理解できるように、圧縮プレートの材料及び厚みは、例えば、スタック内の層の数、シールに影響を与えるために必要とされる形状及び動作温度といった、様々な要因に依存し得る。圧縮プレート２０８は、平ら又は圧力を装置２００に好適に均一に分布するのに適切な湾曲を有する凸面のような曲面を有することができる。
【０１７５】
図３２は、一実施形態に係る、マイクロ流体移動装置３００の組立て図である。物質移動装置３００は、圧縮プレート３０２の間に保持された、薄層板の連続するスタックを有する。連続するスタックは、ヘッドガスケット３０４及びガスケット３０６によって分離された反復サブユニットを有する。反復サブユニットは、第１薄層板３０８、移動層３１０及び第２薄層板３１２をこの順で有する。サブユニットの数は、用途並びに必要とされる容量処理能力及び移動能力に依存し得る。加えて、装置は図３１に示すように平行に接続され得る。薄層板３０８及び３１２は実質的に同じ設計である。図３３を参照すると、薄層板３０８及び３１２は、流体ヘッダ３１４、流体入口３１６、支持構造体３１８、ビア３２２、反対側に位置するマイクロチャネル３２４（又は流れ場）及び出口３２６を有する。これは、後述する図３６の考察において、さらに詳しく見ることが可能である。再び図３２を参照すると、ガスケット３０４及び３０６は、切り欠き３２５を有し、ガスケットが流体ヘッダ３１４を覆わず、ガスケット材料がヘッダ内に崩れ落ちて流体の流れを妨げないようにされている。支持構造体３１８は、スタックを通して圧縮力を伝達し、スタック内の圧縮シールを容易にして隣接する薄層板がヘッダ内に崩れ落ちるのを防ぐ。支持構造体は、移動膜がヘッダ内で流体の流れを遮断するのを防ぐ。圧縮プレート３０２に動作可能に接続されるのは、流体コネクタ３２８、３３０、３３２及び３３４である。
【０１７６】
図３４は、組立てられたマイクロ流体移動装置３００を示す斜視図である。圧縮プレート３０２は、留め金具を受容し、圧縮プレートを連結させてスタック３３８を圧縮するための開口３３６を有する。第１流体は、流体コネクタ３２８を通って装置３００に入り、流体コネクタ３３０を通って装置から出る。第２流体は、流体コネクタ３３２を通って装置３００に入り、流体コネクタ３３４を通って装置から出る。
【０１７７】
図３５は、スタック４００の２つのサブユニットの内部流路の詳細図である。流体流路４０２は、流体入口４０４から入る第１流体（例えば、血液）を示す。流体入口４０４は、第１流体をスタック内のサブユニットに流体接続する貫通孔である。流体は、ヘッダ４０５に入り、支持構造体４０６の周囲を流れてビア４０８を通ってマイクロチャネル４１０又は流れ場に流れ、ここで流体は移動層４１２と接触する。移動層４１２は、第１流体を含むマイクロチャネル４１０又は流れ場及び第２流体（例えば、透析液）を含むマイクロチャネル４１４又は流れ場を動作可能に接続し、熱の移動又は流体内の物質（例えば、血液老廃物）の選択を可能にする。例えば、物質移動層（例えば、膜）は、第１及び第２流体の膜透過性成分を、ある流体から別の流体へと膜を通して移動させることを可能にする。
【０１７８】
図３６は、双方の流体の流体流れのパターンが並置された状態を示す概略図である。流体入口４０４は、第１流体を入口ヘッダ４２２に提供し、ここで第１流体は支持構造体４０６の周囲をマイクロチャネル３２４の方へ流れ、出口ヘッダ４２４内のマイクロチャネルの他端において回収され、流体出口４１８から出る。図３６の実施形態がマイクロチャネル４２３ではなく流れ場を含んでいたとすれば、流体は、入口ヘッダ４２２から流れ場を通って出口ヘッダ４２４へと流れるだろう。流体は、流れ場を流れる際に、流れ場内に置かれた様々な支持構造体の周囲を流れることができる。
【０１７９】
第２流体は、流体入口４１６から入口ヘッダ４２６へ入り、ここで第２流体は、マイクロチャネル４２７又は流れ場に方向付けられ、出口ヘッダ４２８で回収されて、出口４２０から出る。図３６は直交する形で流れる第１及び第２流体を有する装置を開示する。ただし、当業者であれば理解できるように、本装置は、並流、向流又は交差流のために構成することができる。図３７は、別の実施形態に係る、複数の平行するマイクロチャネルではなく、流れ場４３０及び４３２を用いた隣接層が並置された状態を開示する。
【０１８０】
一実施形態において、物質移動装置は、第１流体が血液で第２流体が透析液の透析装置である。血液は、流体入口４０４に入り、入口ヘッダ４２２に流れる。血液はそれから、流れ場又はマイクロチャネルを出口ヘッダ４２４の方へと流れ、流体出口４１８から出る。透析液は、流体入口４１６を通って透析装置に入り、入口ヘッダ４２６に流れ、ここで透析液は、マイクロチャネル４２７又は流れ場に方向付けられ、出口ヘッダ４２８で回収されて出口４２０から出る。血液及び透析液がそれぞれの流れ場を流れる際に、溶質は物質移動層を通って拡散される。それぞれの流れ場の間で圧力勾配が形成され、血液の透析濾過が実現される。この場合、流体は、透析液から血液へ及び／又は血液から透析液へと周期的に移動し、それにより、対流的な溶質移動を利用して、分子を移動させる。拡散のみでは膜バリアの通過が遅くなる。限外濾過とは、流体が拡散により血液から透析装置膜を通して透析液に移動される透析の一方法であって、患者の血液流からの余剰流体の除去を目的としている。水と共に、何らかの溶液も、拡散というよりむしろ対流により膜を通して取出される。限外濾過は、血液室と透析液室との間の圧力差により生じ、流体は、圧力が高い方から低い方へと移動する。
【０１８１】
図３８は、一実施形態に係る、交互に配された鏡像サブユニット５０２及び５０４を有する装置５００を開示する。本実施形態は、組合せた流体ヘッダ５０６を作製する。流体ヘッダ５０６は、ビア５１０を通ってマイクロチャネル５０８（又は流れ場）へと流体を方向付ける。サブユニット５０２及び５０４は、ヘッダ５０６用の切り欠きを有するガスケット５１２によって隔離される。この配置は、対向する異なる流体を含むヘッダを有する実施形態に比べて、流体の相互汚染を低減する。さらに、サブユニット５０２及び５０６をそのように配置することにより、図３２に３０４及び３０６として示された２つのガスケット設計に比べて、単一の簡素なガスケット設計を可能にする。本実施形態は図３８に示されるような交差流あるいは図３９に示すような並流又は向流用に構成することができる。
【０１８２】
図３９を参照すると、装置５２０は、組合せられたヘッダ５２４及び５２６を有するサブユニット５２２を備える。薄層板５２８及び５３０は、移動層５３７によって分離された平行なマイクロチャネル５３２及び５３４（又は流れ場）を備える。平行なマイクロチャネル５３２及び５３４によって、並流流路５３８及び５４０が実現される。あるいは、流路５３８又は５４０の何れかの方向を反対にすることによって向流が実現され得る。
【０１８３】
さらに別の実施形態において、サブユニット間におけるガスケットの必要性は全くない。図４０には、物質移動装置６００の部分組立て図が開示されており、図中において、薄層板６０４は両面にマイクロチャネル（又は流れ場）及びヘッダを有する。この構成により、装置６００を同一の移動層６０２及び薄層板６０４の交互の層として組立てることが可能になる。図４１は、薄層板６０４の前面６０６及び裏面６０８を示す平面図である。薄層板前面６０６は、第１流体入口ヘッダ６１２に流体接続された第１流体入口６１０を有する。第１流体入口ヘッダ６１２は、ビア６１４を介して薄層板裏面６０８の第１流体マイクロチャネル６１６（又は流れ場）へと流体を方向付ける。マイクロチャネル６１６は、流体をビア６１８へと方向付け、当該ビア６１８は、マイクロチャネルを薄層板前面６０６の第１流体出口ヘッダ６２０に流体接続し、ここで、第１流体は第１流体出口６２２から出る。同様に、薄層板裏面６０８は、第２流体入口６２４を有し、当該第２流体入口６２４は、第２流体入口ヘッダ６２６に流体接続される。第２流体入口ヘッダ６２６は、ビア６２８に流体接続され、当該ビア６２８は、第２流体入口ヘッダを薄層板前面６０６の第２流体マイクロチャネル６３０（又は流れ場）に流体接続する。第２流体マイクロチャネル６３０は、流体をビア６３２へと方向付け、当該ビア６３２は、第２流体マイクロチャネルと第２流体出口ヘッダ６３４とを流体接続し、当該出口ヘッダ６３４は、第２流体出口６３６に流体接続される。
【０１８４】
図４２は、マイクロ流体移動装置６００（図４０参照）において用いられる移動層６０２を開示する。移動層６０２は、プレート６０４（図４１参照）上の流体ヘッダ６１２、６２０、６２６及び６３４の位置と関連付けられた４つの切り欠き６３８を有する。両面薄層板６０４は、先に開示された実施形態と比較して略半分の数の薄層板を有する装置を可能にするが、圧縮のみでは薄層板の同じ側に位置するヘッダとマイクロチャネルの間の移動層を適切にシールすることができない。
【０１８５】
図４３は、両面薄層板６０４を用いたマイクロ流体移動装置７００の詳細図である。第１流体は、ヘッダ７０６から薄層板６０４を介してマイクロチャネル７０２（又は流れ場）に流れる。同様に、第２流体は、薄層板６０４の図示されていないヘッダからヘッダ７０６としてのプレートの同じ側に位置するマイクロチャネル７０４（又は流れ場）に流れる。移動層６０２は、固体表面ではなくマイクロチャネルデバイダ７０８によって隣接層に対して圧縮されるため、流体は、移動層の下に漏れ、ヘッダ７０６からマイクロチャネル７０４に入る可能性がある。これは、移動層接着７１０により防止される。接着剤又はレーザ溶接により移動層接着７１０を生成することができるが、当業者であれば理解できるように、他の方法を用いて接着を生成することも可能である。このような方法としては、下記に限定されないが、例えば、ＲＦ溶接、超音波溶接及び熱溶接が含まれる。
【０１８６】
図４３は交差流を有する両面装置を開示しているが、並流又は向流を有する両面装置を構成することも可能である。例えば、図４４は、組合せヘッダ７２６及び７２８を実現するように配置された両面薄層板７２２及び７２４を有する装置７２０を示す。マイクロチャネル７３０及び７３２は平行で、移動層７３４によって分離されており、並流の流路７３６及び７３８を可能とする。同様に、マイクロチャネル７４０及び７２０は相互に平行しており、移動層７４４によって分離され、図示されていないが並流の流路を可能とする。当業者であれば理解できるように、本実施形態は向流も可能とする。
【０１８７】
マイクロ流体移動装置の一実施形態は、薄層板の厚み全体に切り込まれたマイクロチャネルを用いる。図４５は、スルーカット薄層板８００の平面図である。薄層板８００は、入口ヘッダ８０４に流体接続された流体入口８０２を有する。入口ヘッダ８０４は、ビア８０８に流体接続される。スルーカットマイクロチャネル８１０は、マイクロチャネル８１４によってビア８０８に流体接続される。マイクロチャネル８１４は、スルーカットマイクロチャネル８１０を出口ヘッダ８１６と流体接続し、当該出口ヘッダ８１６は、流体の流れを出口８１８へと方向付ける。マイクロチャネルは薄層板の厚み全体に切り込まれているため、マイクロチャネルデバイダは構造的な支持を必要とする。図４６は、パーシャルシックネスデバイダ（partial thickness dividers）８１２によって支持されたスルーカットマイクロチャネル８１０を有する薄層板８００を示す。頑丈な圧縮シールを可能にするために、薄層板８００は、移動層を隣接層に対して圧縮するための圧縮シール面８２０を有する。図４７には、スルーカットマイクロチャネル薄層板の別の実施形態が示されている。
【０１８８】
図４７は、ヘリングボーンパターンを形成するマイクロチャネルデバイダを有する薄層板８００を示す平面図である。図４８を参照すると、マイクロチャネルデバイダ８１４は、ヘリングボーンパターンに配置された複数のパーシャルシックネス壁セグメント８１６を備える。パーシャルシックネス壁セグメント８１６は、隣接する壁セグメントが薄層板８００の反対側と同一平面になるようにヘリングボーンパターンに交互に配される。この設計は、移動層（図示せず）のより大きな表面積を露出することによって装置の効率を向上させる。パーシャルシックネス壁セグメント８１６は本質的に、マイクロチャネルではなく流れ場を形成することができる。というのも、パーシャルシックネス壁セグメント８１６は、流体を必ずしも１つのチャネル内に拘束しないためである。
【０１８９】
図４９は、スルーカット薄層板９０６を用いたマイクロ流体移動装置９００の組立て図である。ガスケット９０４に動作可能に接続された圧縮プレート９０２は、第１流体薄層板９０６、移動層９０８及び第２流体薄層板９１０をこの順で備える反復サブユニットを保持し、圧縮する。サブユニットは、移動層９１２によって分離される。本実施形態の一つの利点は、マイクロチャネル当たりの移動層の露出が増加する点である。スルーカットマイクロチャネルは、当該スルーカットマイクロチャネルを隣接するプレートに動作可能に接続する移動層９０８及び９１２によって、２つの側面に連結されるので、薄層板当たりの移動層の表面積は略２倍になる。このことにより、より層の数が少なくなり、コストの削減及び装置の小型化が可能となる。
【０１９０】
図５０は、流体流路１０００の詳細図である。流体は入口ヘッダ１００２に入り、当該入口ヘッダ１００２は、流体をビア１００４へと方向付ける。流体は、ビア１００４を通ってマイクロチャネル１００６に移動し、それからスルーカットマイクロチャネル１００８へと移動する。スルーカットマイクロチャネル１００８は、スルーカットマイクロチャネル１０１０に対して直角に配向される。スルーカットマイクロチャネル１００８及び１０１０は、構造的な支持のためのパーシャルシックネスデバイダ１０１２を有する。また、デバイダ１０１２は、流体の流れを実質的に妨げること無く混合を実現する。移動層１０１４は、マイクロチャネル１００８及び１０１０を分離すると共に、それらを動作可能に接続して、熱又は質量が一つの流体から別の流体に移動することを可能にする。
【０１９１】
図５１は、並流及び交差流の両方を有するスルーカット装置１１００の詳細図を開示する。装置１１００は、複数のサブユニット１１０２を有する。サブユニット１１０２は、第１薄層板１１０６と第２薄層板１１０８との間に移動層１１０４を有する。薄層板１１０６及び１１０８はそれぞれ、スルーカットマイクロチャネル１１１０及び１１１２を有する。マイクロチャネル１１１０及び１１１２は互いに平行しており、隣接するサブユニット１１０２のマイクロチャネルに対して直角である。サブユニット１１０２は、移動層１１１４によって分離される。したがって、サブユニット１１０２は、サブユニット１１０２内で薄層板１１０６と１１０８との間に並流又は向流を有し、サブユニット間では交差流を有する。
【０１９２】
開示された装置は、流体膜を利用することができる。図５２は、プロセス流体流路１２０２及び１２０４並びに流体膜チャネル１２０６が並置された状態を示す平面図を開示する。流体流路１２０２及び１２０４は互いに略平行で、流体膜チャネル１２０６に対して略直角である。ここで、図５３を参照すると、流体膜装置１３００は、流体膜１３０４によって分離されたスルーカット薄層板を有する。流体膜１３０４は、流体１３０８を含むスルーカット薄層板１３０６及び膜支持体１３１０を備える。スルーカット薄層板１３０８は、スルーカット薄層板１３０２のマイクロチャネル１３１４に対して略直角なマイクロチャネル１３１２を有する。当業者であれば理解できるように、膜支持体は、液体膜利用に適切な任意の材料とすることができる。例えば、下記に限定されないが、微孔性ポリエチレンフィルムを膜支持体として使用してもよい。当業者であれば理解できるように、膜支持体の必要性、組成及び位置は、例えば、流体膜で使用される流体、プロセス流体並びに動作温度及び動作圧力に依存し得る。
【０１９３】
物質移動装置は、燃料電池としても構成され得る。図５４は、陰極１４０６及び陽極１４０８より成る移動層１４０４によって分離された複数のスルーカット薄層板１４０２及びスルーカット薄層板の間の高分子電極膜１４１２を有する燃料電池装置１４００を開示する。図５４の装置は、例えば、マイクロチャネル１４１４内に水素を、そしてマイクロチャネル１４１６内に酸素を含むことができる。移動層１４０４は、陽極１４０８がマイクロチャネル１４１４に隣接し、陰極がマイクロチャネル１４１６に隣接するように配向される。当業者であれば理解できるように、本装置は任意の燃料電池で使用することができ、移動層の構成は、例えば、使用する燃料並びに動作温度及び動作圧力に依存し得る。当業者であれば理解できるように、本装置は並流又は向流用にも構成され得る。
【０１９４】
図５５は、一実施形態に係る、ヘッダ領域を有さないフローフィールド透析装置の薄層板を示す平面図である。本実施形態において、流れ場は、流れ場の上部に位置する入口１５０５及び流れ場の下部に位置する出口１５１０を有する多角形状である。ピンなどの複数の支持構造体が流れ場内に置かれている。説明の明瞭化のため、支持構造体は図５５の流れ場に示されていない。流れ場内の支持構造体の構成は、図２３〜図２９を参照して上述したように変更され得る。
【０１９５】
流れ場は、流体の流れのための空間を挟んで対向する壁１５１７によって画定される。壁１５１７は、入口１５０５から分岐し、流れ場が入口１５０５の領域では比較的小さな横方向のサイズを有し、中央部１５２０では広い横方向の大きさを有するようになっている。中央部１５２０は、図５５においては略楕円形に表示されているが、中央部の形状は変更することができる。中央部１５２０から、壁１５１７は出口１５１０に向かって収束し、流れ場は、出口１５１０では中央部１５１０と比べてより小さなサイズとなっている。入口１５０５は、流体が流れ場に入る前に当該流体に比較的均一な分布を持たせるための特定の流体領域を持たずに、流体を流れ場に供給する。
【０１９６】
中央部１５２０に対して比較的限られた入口１５０５のサイズにより、中央部１５２０を流れる流体と入口を流れる流体の間に圧力差が生じる。つまり、流体が幅の広い中央部を流れる際、圧力は降下する。圧力はそれから、流体が出口１５１０の、より小さな領域の方へ流れるにつれて上昇する。その結果、流体が入口１５０５から中央部１５２０の方へ流れる際には流体速度の増加が生じ、流体が中央部１５２０から出口１５１０の方へ流れる際には流体速度の減少が生じる。流れ場の形状は変更することができ、入口／出口領域及び中央部との間でサイズの違いを実現させる任意の様々な形状とすることができる。例えば、図５６は、入口／出口領域及び中央部の間のサイズの違いを実現させる円形の流れ場を示す。例えば、楕円形及びダイアモンド形等といった、その他の形状も可能である。
【０１９７】
上記のような実施形態においては、ヘッダの必要が無くなる可能性がある。なぜなら、流れ場自体が、当該流れ場のヘッダ領域として働き、流体が衝突してその周りを流れ、均一な流れの分布を生じさせる様々な支持体（例えば、ピン）と組合されて、入口１５０５に直接隣接する流入流体の流れに対応する、高速の流体領域の比較的高い圧力と、流れ場の中央部１５２０に向かう低速の領域１５２０の比較的低い圧力との間の圧力降下の作用のみにより、比較的均一な流れ分布を実現するためである。より多くの流体が入口１５０５を通って流れ場に入るので、既に流れ場にある流体は出口１５１０の方に押されて排出される。さらに、流体が中央部１５２０に流れる際の流体速度が減少すると、流れ場における流体の滞留時間が増える。滞留時間が増えると、透析装置膜を通過する拡散量が増加して、透析装置の効率が向上され得る。
【０１９８】
一実施形態において、ピン１５１２が一列に配置されて、実質的に流れ場にチャネルを形成する。公知の技術を用いて、ピンの列の間に、ある深さのチャネルを下記のように実現することができる。まず、例えば、アルミニウムといった適切な材料を所望する大きさに機械加工すること又は例えば、ポリイミドシートといった適切な材料のシートをレーザエッチングすることにより、主薄層板を作製することができる。一実施形態において、約１０ｃｍ×約１０ｃｍの矩形の流れ場を形成するのに十分な量の薄層板が使用される。ただし、変形も可能である。それから、先に作製した主薄層板でポリエーテルイミドシートをエンボス加工するか、又はレーザエッチングと先に作製した主薄層板でのエンボス加工とを組合せて行うことにより、主薄層板からエンボス加工主薄層板を作製する。最後に、各薄層板をエンボス加工主薄層板から作製する。当然のことながら、製造方法の変形は可能である。
【０１９９】
レーザエッチングを用いて主薄層板を作製する際は、レーザ光線の光路により、基板内に比較的均一な深さの経路が切断される。これは図５７に模式的に示されており、本図において、直線１６１０はチャネルを形成するレーザ光線の連続する光路を表す。薄層板内の比較的均一な深さのチャネルは、各レーザ経路の長さに沿って形成される。しかし、レーザ経路が交差するところ（例えば、交差点１６１５）では、薄層板はレーザ経路が交差しない場所の２倍の深さに切断される。交差点１６１５において深さが増すのは、少なくとも部分的には、２つのレーザが交差するところでレーザエネルギーが増えることに因る。結果として、各チャネルは起伏のある経路となり、チャネルの長さ部分に沿っては比較的均一した深さであり、交差点１６１５ではより深くなる。
【０２００】
図５８は、レーザ形成されたチャネルが交差し、レーザエッチング切断から生じる起伏のある床チャネルを有する薄層板の一部分を示す拡大図である。図５９は、起伏のあるチャネル及びチャネル間に形成されたピンを示す薄層板表面の拡大図である。図５９に示される実施形態は、側面と上面が全体的に平らな隆起表面を有する。別の実施形態において、隆起表面は、側面と上面で丸みをおびている。起伏のあるチャネル流路床は、例えば、アルミニウムを機械加工する際に一般的に作製されるような、比較的等しい深さのピンそれぞれの間の流路床で得られるものよりも、より流れが混合された状態となる。つまり起伏のあるチャネル経路床は、より深い各領域における流れ速度と流れ方向に局所的なばらつきを生じさせる。これにより、流体は、より深い領域を流れる際に、局所的に混合される。こうした混合は、移動膜の表面近くに新鮮な透析液を繰り返し運ぶことにより、装置の効率を向上させる傾向がある。
【０２０１】
図６０は、例えば、透析液を処理する交互配置された薄層板の入口１５０５ｂ及び出口１５１０ｂから透析される流体を処理する薄層板の入口１５０５ａ及び出口１５１０ａを隔離するために、交互の左右対称な薄層板が交差流の形で積層された実施形態を示す。このような実施形態では、均一な積層を実現できるよう、各薄層板は、例えば、四角形又は円形といった中心軸に対して略対称とすることができる。ヘッダを有さない流れ場を有する、略あらゆる角度の向流、交差流又は並流及び適切に位置付けられた入口及び出口を構成することが可能であり、これらは本発明の範囲に含まれ得る。
【０２０２】
血液透析用の開示された装置を用いた実行可能性を判定するために、１層、３層、及び５層のマイクロチャネルベースの装置及び単一層の流れ場装置を作製した。マイクロチャネルベースの装置は、深さ１００μｍ、幅４００μｍ、幅２００μｍのマイクロチャネルを有するものであった。アレイには５１のチャネルがあり、層（又は移動ユニット）毎に比較的小さな膜移動面積４．２ｃｍ２を与えた。流れ場の設計は、膜移動面積が６．３ｃｍ２で、流れ場の深さが６０μｍだった。薄層板は、ホットエンボス加工を用いて作製及びパターン形成した。全ての装置は交差流用に構成し、圧縮によりシールした。移動層は、ガンブロメディカル社製のＡＮ６９フラットシート膜だった。
【０２０３】
開示された様々なマイクロ流体実施形態の流体の流速は、個々の薄層板を通る流速及びスタック内の薄層板の数に依存する。透析システム内で透析に使用されるマイクロ流体装置において、マイクロ流体透析装置の流速は、透析装置の上流で生成される透析液の流速と略一致する。このようにして、最大１０００ｍｌ／ｍｉｎの流速が実現され得るが、自宅又は夜間透析などの臨床現場以外の透析用途には、例えば、膜の両側で１０ｍｌ／分といった、小さな流速が好ましいと考えられる。
【０２０４】
Ｂ．マイクロ流体移動装置の作製
【０２０５】
本明細書に開示された装置は、マイクロ積層として知られる製作手法に関連した多くの技術によって作製することができる。マイクロ積層法は、オレゴン州立大学に譲渡されたいくつかの特許又は係属中の出願に記載されている。これらには例えば、米国特許第６，７９３，８３１号、同第６，６７２，５０２号、発明の名称が「High Volume Microlamination Production of MECS Devices」である米国特許出願公開第２００７／００２９３６５号、及び発明の名称が「Microchemical Nanofactories」である米国特許出願公開第２００８／０１０８１２２号があり、これらの特許又は係属中の出願は全て、参照により本明細書に全体的に組み入れられる。
【０２０６】
マイクロ積層法は、埋込み形状を有するモノリシック装置を生成するための薄層板と呼称される材料の薄層のパターン形成及び接着を含む。マイクロ積層法は、生産技術の少なくとも３つのレベル、すなわち、１）薄層板のパターン形成、２）薄層板の位置合わせ及び３）薄層板の接着を含む。したがって、装置を作製する本発明の方法には、複数の薄層板の提供、薄層板の位置合わせ及び薄層板の接着が含まれる。ただし、位置合わせされた薄層板は圧縮プレートの間で保持されて圧縮シールを提供するため、薄層板の接着は開示された実施形態全てに必要なわけではない。さらに別の代替方法として、ある実施形態は、圧縮と組合せて接着された少なくともいくつかの薄層板を有することとしてもよい。この方法は、装置を構成する部品へ分離（すなわち、構造からサブ構造へ分離）することも含み得る。部品の分離は、薄層板の接着の前、後又は同時に行われ得る。
【０２０７】
本発明の一態様において、薄層板は様々な材料から形成される。具体的な材料として、金属；金属間金属及び超合金を含む合金；例えば、下記に限定されないが、ポリカーボネート、テレフタル酸ポリエチレン（ＰＥＴ），ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリ（メタクリル酸メチル）（ＰＭＭＡ）及びポリ（テトラフルオロエチレン）（ＰＴＦＥ）等のハロゲン化ポリエチレンを含むポリマー材料、セラミック及びこれらの材料の組合せが挙げられる。特定の用途のための材料の適切な選択は、例えば、金属又は合金の物理的特性及び費用といった、様々な要因によって決定され得る。金属のマイクロ積層法に特に有用な金属又は合金の例としては、下記に限定されないが、ステンレススチール、銅、チタン、ニッケル及びアルミニウムがある。本発明のマイクロ積層法に有用な薄層板は、様々なサイズを有することができる。一般的に、薄層板の厚みは約２５μｍ〜約１０００μｍ、好ましい構成として約２５μｍ〜約５００μｍ、さらに好ましい構成として約２５μｍ〜約２５０μｍである。スタック内の個々の薄層板は異なる厚みを有することができる。
【０２０８】
１．薄層板のパターン
【０２０９】
薄層板のパターン形成は、薄層板におけるパターンの機械加工又はエッチングを含み得る。薄層板のパターン形成はさらに、エンボス加工、ロールエンボス加工及び／又は打抜き加工を含むことができる。生成されるパターンは作製される装置に依存する。下記に限定されないが、加工、エッチングの技術としては、レーザ光線、電子ビーム、イオンビーム、電気化学、放電加工、化学材料及び機械材料の蒸着又は除去がある。薄層板は、例えば、リソグラフィー工程及び非リソグラフィー工程といった技術の組合せによってパターン形成され得る。リソグラフィー工程として、微小成形、電気めっき法（例えば、ＬＩＧＡ）及びその他のネットシェイプ製作技術がある。リソグラフィー技術のいくつかの更なる例として、化学マイクロマシニング（すなわち、ウェットエッチング）、光化学加工、透過マスク電気化学マイクロマシニング（ＥＭＭ）、プラズマエッチング並びに例えば、化学蒸着、スパッタリング、蒸着及び電気めっきといった蒸着技術が含まれる。非リソグラフィー工程として、放電加工（ＥＤＭ）、機械微細加工及びレーザ微細加工（すなわちレーザ光剥離）が含まれる。大量生産される装置にはおそらく、光化学的及び電気化学的な微細加工が好ましい。
【０２１０】
開示された装置実施形態の薄層板のパターン形成のための一つの方法として、微細エンボス加工がある。例えば、本発明のある実施形態は下記の技術を使って作製した。マスターからポリマー部分へ微小パターンを転写するために、Ｏｂｄｕｃａｔナノインプリントリソグラフィーシステム（Obducat Nano Imprint Lithography System）を用いた。マスターの製作は、例えば、アルミニウムといった金属内でマスターを微小フライス加工することによって行った。中間体として、例えば、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）といった別の材料を用いる二重転写工程も使用した。パターン形成されたフォトレジストを開始マスターとして使用する三重転写工程も使用した。パターンは、フォトレジスト（一般的には、ＳＵ−８）からポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）に転写され、それから熱硬化性エポキシ（例えば、ＣｏｎａｐｏｘｙＦＲ−１０８０）に転写され、当該熱硬化性エポキシは、Ｏｂｄｕｃａｔツールにおいてエンボスマスターとして使用され、パターンを融解温度がより低いポリマー（例えば、テレフタル酸ポリエチレン（ＰＥＴ））に転写した。ＳＵ−８は、複数の層に蒸着及びパターン形成されることができ、精密な多面マスターの生成が可能となる。これらの面は、圧縮シールを有する面の上であっても下であってもよく、例えば、シールボスや複数の深さを有するチャネルといった形状の隆起形成が可能となる。薄層板も２つのマスターを使って両面に同時にエンボス加工することができる。例えば、マーク及びピンといった位置決め技術がプロトタイピング中に用いられた。視覚システムを使った自動位置決めを含む変換工程としても知られるロールエンボス加工及び積層技術を用いて、大量生産が実現されることが予想される。
【０２１１】
開示された実施形態を作製する別の方法として、金属薄層板、例えば３１６／３１６Ｌステンレススチールの光化学エッチングがある。パターン化されたフォトレジストは、薄層板の前面及び裏面をそれぞれ異なるマスキングでマスクするために用いられた。各側面からの部分エッチングによって、片面からもう片面へのビア、及び両面に開いたチャネルを含む入り組んだ流路を生成した。チャネルデバイダを安定させるための小さな支持構造体も生成した。このような構造は、セグメント化されたチャネルデバイダ構造を生成するために使用されることができ、それにより、移動層の活性表面積が増える。
【０２１２】
また、レーザ加工が、薄層板及びエンボス加工マスターのビア、入口及び出口ポート並びに位置決めピンホールの切断に使用された。３５５ｎｍ波長のＥＳＩ５３３０をレーザ加工に使用した。大量生産においても、レーザはビアやその他の貫通物の切断に使用され得る。ビアの生成に際して、非直角のビアを生成して、それにより、流路内のデッドボリュームを削減するために、レーザの角度は非直角であることが好ましい。代替的に、ビア及びその他の貫通物を打ち抜き加工によって生成することも可能である。打ち抜き加工は、適切なエンボス／打ち抜きマスターの設計全体にわたるエンボス加工の一部として行われ得る。特に、非直角ビアも適切なエンボス／打ち抜きマスターを設計することによって生成される。
【０２１３】
レーザ微小加工は、パルス状又は連続するレーザ作用によって行われてきた。Ｎｄ：ＹＡＧ及びエキシマレーザに基づく加工システムは一般的にパルス状であり、ＣＯ２レーザシステムは連続的なものである。エレクトロサイエンティフィックインダストリーズ（Electro Scientific Industries）社製のモデル４４２０は、Ｎｄ：ＹＡＧ用の典型的なシステムである。この微小加工システムは、デジタル制御のＸＹ動作で集束レーザ光束を部品上で動かすことによる２つの自由度を利用する。切断作用は、加工される材料や使用される波長に応じて、熱的又は化学的な切除となる。Ｎｄ：ＹＡＧレーザの駆動機構は、約２μｍの分解能を有するデジタル制御のサーボアクチュエータであり得る。しかし、スルーカットの幅は集束ビームの直径に依存する。
【０２１４】
また、薄層板もＣＯ２レーザシステムで加工されてきた。市販のＣＯ２レーザのほとんどは、切断される材料を半切除又は液化する。高速ガスジェットは、破片の除去を補助するためにしばしば使用されるＮｄ：ＹＡＧシステムと同様に、レーザ（又はワークピース）は、材料に所望のパターンを得るために、Ｘ−Ｙ方向に移動される。
【０２１５】
Ｎｄ：ＹＡＧパルスレーザは、例えば、厚さ９０μｍのスチールシムの切断に使用されてきた。これらの切断の線幅は約３５μｍであるが、スチールではいくらか先細りが見られた。前面の切断端に何らかの破片や隆起が発生し得る。こうした材料は、薄層板の準備中に、例えば、表面研磨によって表面から簡単に除去され得る。
【０２１６】
さらに、薄層板もＣＯ２レーザを用いてパターン形成され得る。ＣＯ２スルーカットは、幅が約２００μｍであって、僅かなテーパを呈した。ＣＯ２レーザ切断の幅は、用いられたシステムを使って実現され得る最小のものだった。その部分は、破片を除去する表面研磨を用いた薄層板準備ステップにおいて処理することができる。
【０２１７】
また、パルスＮｄ：ＹＡＧレーザもポリイミドから生成される薄層板などの、ポリマー材料から作製された薄層板の微細加工を行うことが可能である。パルスＮｄ：ＹＡＧレーザは、これらの材料を、高分解能かつ破片のリキャスト無しに微細加工することが可能である。化学的アブレーションが明らかに材料の除去に含まれるメカニズムである場合には、この種の作業には紫外線波長が最適であろう。直径範囲２５〜５０μｍの汚れのない鋭い穴が生成される。
【０２１８】
２．薄層板の準備
【０２１９】
使用される薄層板及びパターン形成技術に応じて、薄層板パターン形成は、薄層板の準備を含み得る。薄層板は様々な技術によって準備され得る。例えば、パターン形成後の薄層板の表面研磨は有益であり得る。さらに、金属又は合金の薄層板から酸化物を除去するために、酸エッチングが使用され得る。
薄層板の準備は、薄層板の一部又は全体に酸化物を含まないコーティングを施す処理を含み得る。一例として、薄層板に金の電気めっきを施すことによる周囲条件の酸化防止があり得る。
【０２２０】
３．位置合わせ
【０２２１】
薄層板の位置合わせには、（１）装置を作製するために使用されるスタック内の複数の薄層板の各々がスタック内の適切な位置に置かれるよう薄層板を積層すること及び（２）隣接する薄層板を、当該薄層板が装置設計により定められた形で適切に位置決めされるよう設置することが含まれる。薄層板を適切に位置決めするには、手作業又は視覚的な薄層板の位置合わせを含む、様々な方法があることを理解されたい。
【０２２２】
薄層板を相互にどれだけ精密に位置決めできるかによって、最終的な装置が機能するかどうかが決まり得る。複雑性は、ある程度の位置ずれに許容性のある、例えば、マイクロチャネルアレイといった構造から、高精度な位置決めを必要とする、より洗練された装置までの範囲に及ぶ。当業者であれば理解できるように、相互に平行に隣接する薄層板のマイクロチャネルは、交差流を有する実施形態よりもより高い位置決め精度を必要とする。
所望の精度を実現するために、いくつかの位置決め法が用いられ得る。位置合わせは、例えば、薄層板のスタックを受容して、各薄層板を何らかの埋込み形状（例えば、隅及び端部）を用いて一直線上に並べる位置決め治具を使って実現され得り、これは、そのような形状が全ての薄層板に共通する場合に最も有効である。別の手法として、例えば、穴などの位置決め形状を、他の形状が加工されるのと同時に各薄層板に組込むものがある。位置決め治具は、位置決め穴を貫通するピンを組込むために使用される。薄層板の端部がこうした精度で正確であるならば、端部位置決め手法によって、薄層板を１０μ以内の精度で位置合わせすることができる。位置決めピン及び高精度な薄層板加工技術を使って、マイクロレベルの位置決めが実行可能となる。
【０２２３】
さらに、視覚システムと熱アシスト薄層板による位置合わせも必要に応じて使用され得る。熱アシスト薄層板の位置合わせに関する更なる詳細は、米国特許出願公開第２００７／００２９３６５号に記載されている。この特許出願公開は、参照により本明細書に全体的に組み入れられる。また、当業者であれば理解できるように、位置合わせ工程は自動化され得る。
【０２２４】
４．装置の製造
【０２２５】
薄層板の接着には、複数の薄層板のうちの少なくともいくつかを相互接着してモノリシック装置（積層物とも呼称される）を生成することも含まれる。薄層板の接着は、下記に限定されないが、拡散はんだ付け／接着、熱ろう付け、接着剤ボンディング、伝熱接着剤ボンディング、硬化接着剤ボンディング、静電接着、抵抗溶接、マイクロ突起溶接及びこれらの組合せを含む、様々な方法によって行われ得る。位置合せされた薄層板の接着に加えて、又はその代わりとして、開示された装置を圧縮プレートの間に取付けることも可能である。しかし、いくつかの用途では、移動層への薄層板の接着が好ましい。加えて、例えば、接着又はレーザタック溶接といった溶接を、製造中の取付けを容易にするために使用することができる。
【０２２６】
装置製作の好ましい方法として、高スループット、低コストの製作技術が含まれる。薄層板パターン形成はとりわけ、エンボス加工、打ち抜き加工及び光化学エッチングを含む、いくつかの技術を使って実現される。好ましい一実施形態において、組立ては、例えば、ウェブ加工又は変換産業で使用されるようなロール技術によって実現される。ポリマーフィルムはロールエンボス加工及びロール打ち抜き加工され、積層されてサブ組立て体が形成される。金属の薄層板は光化学エッチングを使ってパターン形成される。現在開発中のアブレシブウォータージェット技術も金属薄層板のパターン形成のために将来使用され得るだろう。サブ組立て体は圧縮フレーム内で分離され、スタックされ、そして組立てられる。主要なシール方法は外部フレームからの圧縮によるものであるが、接着技術（例えば、レーザ溶接や接着材）はいくつかの実施形態のいくつかの部分に使用することができる。シーラント又はシール方法を端部に適用して、膜から外部への漏出を防ぐことができる。
【０２２７】
Ｃ．熱移動動作
【０２２８】
他の実施形態において、本明細書で開示されたマイクロ流体移動装置は、様々な熱移動動作で使用され得る。本明細書で開示された物質移動装置のように、熱移動装置は複数のサブユニットのスタックを備え、所望の容積に合わせて縮小又は拡大され得る。熱伝導層はそのような（例えば、サブユニットの間に位置する）装置に組込まれて、熱がある流体から別の流体に移動することを可能にする。
【０２２９】
例えば、図２１を参照すると、熱移動実施形態において、移動層１１０は、熱をマイクロチャネル１０６内の流体からマイクロチャネル１１２内の流体に、又はその逆に、移動するための熱移動層であり得る。本実施形態において、移動層１１０は、熱を、ある流体から別の流体へ所望の用途に適した十分な速度で移動させることが可能な任意の材料とすることができる。関連性のある要素として、下記に限定されないが、熱移動層１０９の熱移動性、熱移動層の厚み及び熱移動の所望速度が含まれる。適切な材料として、下記に限定されないが、金属、合金、セラミック、ポリマー又はこれらの合成物が含まれる。適切な材料として、下記に限定されないが、鉄、銅、アルミニウム、ニッケル、チタン、金、銀又は錫が含まれる。銅は、特に好ましい材料であると考えられる。
【０２３０】
本明細書に記載の物質移動装置と同様に、マイクロ流体熱移動装置のミクロン規模の寸法は、バルク流体内の拡散又は伝導長さを減少させて熱移動の制限を低減させ、それにより、移動層１０９（図２１参照）の単位面積当たりの熱移動率を向上させる。その結果、効率が向上され、装置のサイズが縮小される。
【０２３１】
また、開示された実施形態は、熱移動要素及び物質移動要素の双方を組込むことができる。当業者であれば理解できるように、多くの構成が可能であり、所望の用途によって最適な構成を決定することができる。
【０２３２】
以上の記載は多くの詳細を含むが、これらの詳細は、特許請求の範囲又は特許請求可能な範囲を制限するものではなく、むしろ、具体的な実施形態の特定の特徴に関する説明と見なされるべきである。本明細書において、別個の実施の形態に関連付けて説明されたいくつかの特徴を組み合わせて、単一の実施の形態として実施してもよい。逆に、単一の実施の形態に関連付けて開示された様々な特徴は、複数の実施の形態として別個に実施してもよく、適切な如何なる部分的組合せとして実施してもよい。さらに、ここまで、幾つかの特徴を、ある組合せで機能するものと説明してきたが、初期的には、そのように特許請求している場合であっても、特許請求された組合せからの１つ以上の特徴は、いくつかの場合において、組合せから除外でき、特許請求された組合せは、部分的組合せ又は部分的な組合せの変形に変更してもよい。同様に、図面では、動作を具体的な順序で示しているが、このような動作は、所望の結果を実現するために、図示された具体的な順序又は順次的な順序で行う必要はなく、また、図示された全ての動作を行う必要もない。
【０２３３】
本明細書においては、様々な方法及び装置の実施形態について、特定の改造例を参照しながら詳細に説明されているが、当然のことながら、他の改造例、実施形態、使用方法及びこれらの組合せも可能である。したがって、添付の特許請求の趣旨及び範囲は、明細書中の実施形態の内容に限定されるべきではない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ−４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４】
0005879338.tif 000019
【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
0005879338.tif 000027
【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６Ａ】
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【図２６Ｂ】
0005879338.tif 000032
【図２６Ｃ】
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【図２７】
0005879338.tif 000034
【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
0005879338.tif 000042
【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８】
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【図４９】
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【図５０】
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【図５１】
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【図５２】
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【図５３】
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【図５４】
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【図５５】
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【図５６】
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【図５７】
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【図５８】
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【図５９】
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【図６０】
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