(57)【要約】  流れがシステム入口から広がり、複数の個別の小さな流路を通ってシステムを横断する分配液体流システムは、システム入口から流路への入口までの、流れ抵抗によって引き起こされる圧力降下の変動を最小限に抑えるように構築される。流れ駆動圧力が流路への入口においてより均一になるため、流路に沿った流れがより均一になる。開示される実施形態は、ガス交換／人工肺装置での使用に特に適しているか、または有利であり得る。【選択図】図６
2021532869.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
分配流の液体流システムにおいて、
上流側と下流側とを有するガス交換プレートであって、前記プレートは、前記プレートの上流側から前記プレートの下流側まで第１の方向に前記プレートを通って延びる少なくとも１０００本の液体流路を含む通過領域を有し、前記通過領域は長さおよび幅を有し、前記プレートは、ガスが前記プレートのうち前記液体流路の外側の部分を透過することができるように構成されている、ガス交換プレートと、
前記通過領域に隣接する前記プレートの上流側に位置する分配プールプレナムであって、前記分配プールプレナムは、前記液体を前記通過領域の上流側全体に運ぶような形状および寸法に形成されており、前記分配プールプレナムは、少なくとも前記通過領域と同じ幅を有する、分配プールプレナムと、
前記通過領域に隣接する前記プレートの下流側に配置された収集プールプレナムであって、前記収集プールプレナムは、前記通過領域を通過した液体を受容するような形状および寸法に形成されており、前記分配プールプレナムは、少なくとも前記通過領域と同じ幅を有する、収集プールプレナムと、
前記分配プールプレナムの上流に位置する液体分配流路であって、前記液体分配流路は、前記通過領域の幅方向にわたって延びる細長い液体送達開口を有し、液体送達開口は、液体を分配プールプレナムに送達するように配置されている、液体分配流路と、
前記収集プールプレナムの下流に位置する液体収集流路であって、前記液体収集流路は、前記通過領域の幅方向にわたって延びる細長い液体収集開口を有し、前記液体収集開口は、前記収集プールプレナムから液体を受容するように配置されている、液体収集流路と、
前記液体分配流路と流体連通して配置された液体流入ポートと、
前記液体収集流路と流体連通して配置された液体流出ポートと、
前記プレートのうち前記液体流路の外側の部分と流体連通して配置された少なくとも１つのガスポートとを備える、
分配流の液体流システム。
【請求項２】
前記液体分配流路は、前記分配プールプレナムの十分に上流に配置されて、前記液体送達開口から前記分配プールプレナムの前縁まで延びる分配プールプレナムフィーダー部を形成し、前記分配プールプレナムフィーダー部を通って、前記液体送達開口から退出する液体の流れが、前記分配プールプレナムに進入する前に本質的に均一になる、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記液体収集流路は、前記収集プールプレナムを退出する際の液体の本質的に均一な流れを維持するために、前記収集プールプレナムの十分に下流に配置されて、前記収集プールプレナムの後縁から前記液体収集開口まで延びる収集プールプレナム流出部を形成する、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記液体送達開口は、前記液体分配流路の長さに沿って前記液体分配流路を退出する液体の均一な速度を維持するように、液体が進入する場所から遠位端まで前記液体分配流路の長さに沿って変化する幅を有する、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記液体収集開口は、前記液体収集流路の長さに沿って前記液体収集流路に進入する液体の均一な速度を維持するように、遠位端から液体が退出する場所まで液体収集流路の長さに沿って変化する幅を有する、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記液体分配流路は液体入口を有し、前記液体収集流路は液体出口を有し、前記液体入口と前記液体出口とは、幅方向および長さ方向の双方において前記通過領域の反対側に配置されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記液体は血液であり、前記ガスは空気を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記液体は血液であり、前記ガスは酸素を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
前記プレートは、少なくとも１００万個の垂直に配向されたナノチューブの区域を備え、
前記液体流路は、前記区域内の垂直ボイドからなり、
前記ボイドは、２〜５００μｍの直径を有し、
前記垂直に配向されたナノチューブは、前記ボイド内に前記液体を保持するために十分に近くに配置され、かつ前記垂直に配向されたナノチューブは、前記液体流路にガスが到達できるように十分に離れて配置されている、
請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
前記少なくとも１つのガスポートは、前記プレートのうち前記液体流路の外側の部分に前記ガスを供給するように構成された流入ガスポートと、前記プレートのうち前記液体流路の外側の部分から前記ガスを排出するように構成された流出ガスポートとを含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
前記分配プールプレナムは、一定の高さを有する、請求項１に記載のシステム。
【請求項１２】
前記収集プールプレナムは、一定の高さを有する、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記分配プールプレナムは、傾斜した屋根を有する、請求項１に記載のシステム。
【請求項１４】
分配流の液体流システムであって、
システム入口と、
システム出口と、
前記システム入口から前記システム出口まで延びる複数の流れ経路に沿って流れる液体を運ぶように配された複数の液体流路と
を備え、
前記液体流路のそれぞれは、本質的に同一の長さと、本質的に同一の流れ抵抗と、流路入口と、流路出口とを有し、
前記流路入口は、前記システム入口から間隔を置いて配置されており、かつ前記システム入口に対して分配された構成で配されており、
前記液体流路は、前記システム入口から前記流路入口までの流れ抵抗と、したがって流れとが、前記システム入口と前記流路入口との間の空間にわたって本質的に均一になるように、前記液体流路の入口がすべて前記システム入口から本質的に同じ距離となるように配されている、
分配流の液体流システム。
【請求項１５】
前記液体流路は互いに平行に配され、前記流路入口はすべて、前記システム入口から本質的に同じ距離に位置するように、前記システム入口を中心とする一定半径の曲線に沿って位置している、請求項１４に記載のシステム。
【請求項１６】
前記液体流路はすべて、前記システム入口を含む平面内に存在し、前記一定半径の曲線は、前記平面内に存在する弧である、請求項１５に記載のシステム。
【請求項１７】
前記液体流路は、三次元の円筒形領域内に存在し、前記一定半径の曲線は、球面扇形の頂上部分によって画定される曲面である、請求項１５に記載のシステム。
【請求項１８】
分配流の液体流システムであって、
システム入口と、
システム出口と、
前記システム入口から前記システム出口まで延びる複数の流れ経路に沿って流れる液体を運ぶように配された複数の液体流路と
を備え、
前記液体流路のそれぞれは、本質的に同一の長さと、本質的に同一の流れ抵抗と、流路入口と、流路出口とを有し、
前記流路入口は、前記システム入口から間隔を置いて配置されており、かつ前記システム入口に対して分配された構成で配されており、
前記液体流路は、互いに平行に配され、かつ液体の流れの方向に延在しており、前記システム入口を通過して前記液体の流れの方向に延びる線は流れ軸線を定義し、
液体流路の前記流路入口は、自由流の流れが位置する、より中央よりも、よりシステム境界の近くに位置する流れに関連する流れ抵抗の増大および圧力降下を補償するように、前記流れ軸線から次第に遠くに存在するものほど、前記システム入口の次第に近くに位置しており、それにより、前記システム入口と前記流路入口との間の空間にわたって、本質的に均一な流れ抵抗、したがって流れを維持する、
分配流の液体流システム。
【請求項１９】
前記液体流路はすべて平面内に存在する、請求項１８に記載のシステム。
【請求項２０】
前記流れ軸線のそれぞれの側における前記液体流路への入口は、互いに整合されている、請求項１９に記載のシステム。
【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、２０１８年８月３日に出願された米国仮出願６２／７１４，３５３の便益を主張し、この仮出願の全体は参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本出願は、液体が、分配された形で、すなわち多数の流路を通って流れて、上流の場所から下流の場所まで通過する流体流システムに関する。
【背景技術】
【０００３】
特定のシステム（液体とガスとの間で分子を交換するシステムを含むがこれに限定されない）では、ある場所から別の場所に流れる一定量の液体は、多数の個別の液体流路に分配される。
【０００４】
図１は、流れが右から左に進む従来技術のガス交換システムを示している。このシステムは、ガス交換（すなわち、流路９内の液体と流路９を取り囲むガスとの間の分子の交換）が行われる複数の均一な流路９を含む。任意の所与の流路の全流れ経路は、システム入口２０を通る第１の部分、システム入口２０と各流路９の入口との間の第２の拡張部分２１、および流路９自体のそれぞれを通る第３の部分を含む。
【０００５】
そのような配置では、システム入口２０から所与の流路９の入口までの流れ経路の部分の長さは、流路の位置に応じて変化するであろう。よって、中央に位置する流路９の入口は、より軸線から外れた流路９の入口よりもシステム入口２０により近くなる。結果として、流れ経路１は流れ経路２よりも長くなり、第２の部分２１の幅が均一であると仮定すると（平坦なまたは平面状の流れ分配配置（ｆｌｏｗ−ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｎｇ  ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ）の場合）、それに応じて所与の流れ経路に沿った流れに対する抵抗は変化する。例えば、流れ経路２よりも流れ経路１の方が総抵抗が大きくなる。その結果、すべての流路９が同一の寸法および同一の流れ抵抗を有する場合でも、液体は様々な流路９に均一に入ることができず、様々な流路９のそれぞれに沿った液体の速度、したがって、所与の流路９の長さに沿って行われるプロセス（流れによる材料輸送またはガス交換など）の有効性は、流路毎に異なるものになるであろう。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
最も遅い流路の流量と最も速い流路の流量との間におけるばらつきが大きくなりすぎると、問題が生じる可能性がある。より具体的には、所与の流路での滞留時間が短すぎる場合には、効果的なガス交換が行われるのに十分な時間がなくなってしまう。一方、特定の流路での滞留時間が長すぎると、システムの全体的な能力が低下するであろう。さらに、システムの初期充填中に、一部の流路の流れ抵抗が他の流路よりも大幅に高い場合には、それらの高抵抗流路は流体で充填されない可能性があり、それによりシステムの全体的な能力が低下する。最後に、流路９を通過する流体が血液である状況では、所与の流路内の流速が遅すぎる場合には常に凝固の危険性がある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様は、第１の分配流の液体流システム（ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ−ｆｌｏｗ  ｌｉｑｕｉｄ  ｆｌｏｗ  ｓｙｓｔｅｍ）に関する。第１のシステムは、上流側と下流側とを有するガス交換プレートを備える。プレートは、プレートの上流側からプレートの下流側までプレートを通って第１の方向に延びる少なくとも１０００本の液体流路（ｌｉｑｕｉｄ−ｆｌｏｗ  ｃｈａｎｎｅｌ）を含む通過領域を有する。通過領域は長さおよび幅を有し、プレートは、ガスがプレートのうち液体流路の外側の部分を透過することができるように構成されている。第１のシステムはまた、通過領域に隣接するプレートの上流側に位置する分配プールプレナム（ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ  ｐｏｏｌ  ｐｌｅｎｕｍ）も備える。分配プールプレナムは、液体を通過領域の上流側全体に運ぶような形状および寸法に形成されており、分配プールプレナムは、少なくとも通過領域と同じ幅を有する。第１のシステムはまた、通過領域に隣接するプレートの下流側に配置された収集プールプレナム（ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ  ｐｏｏｌ  ｐｌｅｎｕｍ）も備える。収集プールプレナムは、通過領域を通過した液体を受容するような形状および寸法に形成されており、分配プールプレナムは、少なくとも通過領域と同じ幅を有する。第１のシステムはまた、分配プールプレナムの上流に位置する液体分配流路を備える。液体分配流路は、通過領域の幅方向にわたって延びる細長い液体送達開口を有し、液体送達開口は、液体を分配プールプレナムに送達するように配置されている。第１のシステムはまた、収集プールプレナムの下流に位置する液体収集流路を備える。液体収集流路は、通過領域の幅方向にわたって延びる細長い液体収集開口を有し、液体収集開口は、収集プールプレナムから液体を受容するように配置されている。第１のシステムはまた、液体分配流路と流体が流れるように連通（以下、「流体連通」と記載）して配置された液体流入ポートと、液体収集流路と流体連通して配置された液体流出ポートと、プレートのうち液体流路の外側の部分と流体連通して配置された少なくとも１つのガスポートとを備える。
【０００８】
第１のシステムのいくつかの実施形態では、液体分配流路は、分配プールプレナムの十分に上流に配置されて、液体送達開口から分配プールプレナムの前縁まで延びる分配プールプレナムフィーダー部（ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ  ｐｏｏｌ  ｐｌｅｎｕｍ  ｆｅｅｄｅｒ  ｐｏｒｔｉｏｎ）を形成し、分配プールプレナムフィーダー部を通って、液体送達開口から退出する液体の流れが、分配プールプレナムに入る前に本質的に均一になる。
【０００９】
第１のシステムのいくつかの実施形態では、液体収集流路は、収集プールプレナムを退出する際の液体の本質的に均一な流れを維持するために、収集プールプレナムの十分に下流に配置されて、収集プールプレナムの後縁から液体収集開口まで延びる収集プールプレナム流出部（ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ  ｐｏｏｌ  ｐｌｅｎｕｍ  ｒｕｎ−ｏｕｔ  ｐｏｒｔｉｏｎ）を形成する。
【００１０】
第１のシステムのいくつかの実施形態では、液体送達開口は、液体分配流路の長さに沿って液体分配流路を退出する液体の均一な速度を維持するように、液体が進入する場所から遠位端まで液体分配流路の長さに沿って変化する幅を有する。
【００１１】
第１のシステムのいくつかの実施形態では、液体収集開口は、液体収集流路の長さに沿って液体収集流路に進入する液体の均一な速度を維持するように、遠位端から液体が退出する場所まで液体収集流路の長さに沿って変化する幅を有する。
【００１２】
第１のシステムのいくつかの実施形態では、液体分配流路は液体入口を有し、液体収集流路は液体出口を有し、液体入口と液体出口とは、幅方向および長さ方向の双方において通過領域の反対側に配置されている。
【００１３】
第１のシステムのいくつかの実施形態では、液体は血液であり、ガスは空気を含む。第１のシステムのいくつかの実施形態では、液体は血液であり、ガスは酸素を含む。
【００１４】
第１のシステムのいくつかの実施形態では、プレートは、少なくとも１００万個の垂直に配向されたナノチューブの区域を備え、液体流路は、この区域内の垂直ボイドからなり、ボイドは２〜５００μｍの直径を有する。垂直に配向されたナノチューブは、ボイド内に液体を保持するために十分に近くに配置され、かつ垂直に配向されたナノチューブは、液体流路にガスが到達できるように十分に離れて配置されている。
【００１５】
第１のシステムのいくつかの実施形態では、少なくとも１つのガスポートは、プレートのうち液体流路の外側の部分にガスを供給するように構成された流入ガスポートと、プレートのうち液体流路の外側の部分からガスを排出するように構成された流出ガスポートとを含む。
【００１６】
第１のシステムのいくつかの実施形態では、分配プールプレナムは一定の高さを有する。任意選択で、これらの実施形態では、収集プールプレナムは一定の高さを有してもよい。
【００１７】
第１のシステムのいくつかの実施形態では、分配プールプレナムは傾斜した屋根を有する。
【００１８】
本発明の別の態様は、第２の分配流の液体流システムに関する。第２のシステムは、システム入口と、システム出口と、複数の液体流路とを備える。これらの液体流路は、システム入口からシステム出口まで延びる複数の流れ経路に沿って流れる液体を運ぶように配され、液体流路のそれぞれは、本質的に同一の長さと、本質的に同一の流れ抵抗と、流路入口と、流路出口とを有する。流路入口は、システム入口から間隔を置いて配置されており、システム入口に対して分配された構成で配されている。液体流路は、システム入口から流路入口までの流れ抵抗と、したがって流れとが、システム入口と流路入口との間の空間にわたって本質的に均一になるように、液体流路の入口がすべてシステム入口から本質的に同じ距離となるように配されている。
【００１９】
第２のシステムのいくつかの実施形態では、液体流路は互いに平行に配され、流路入口はすべて、システム入口から本質的に同じ距離に位置するように、システム入口を中心とする一定半径の曲線に沿って位置している。これらの実施形態では、液体流路はすべて、システム入口を含む平面内に存在することができ、一定半径の曲線は、平面内に存在する弧である。これに代わって、これらの実施形態では、液体流路は、三次元の円筒形領域内に存在することができ、一定半径の曲線は、球面扇形の頂上部分（ｃａｐ  ｐｏｒｔｉｏｎ）によって画定される曲面である。
【００２０】
本発明の別の態様は、第３の分配流の液体流システムに関する。第３のシステムは、システム入口と、システム出口と、複数の液体流路とを備える。これらの液体流路は、システム入口からシステム出口まで延びる複数の流れ経路に沿って流れる液体を運ぶように配され、液体流路のそれぞれは、本質的に同一の長さと、本質的に同一の流れ抵抗と、流路入口と、流路出口とを有する。流路入口は、システム入口から間隔を置いて配置されており、システム入口に対して分配された構成で配されている。液体流路は、互いに平行に配され、かつ液体の流れの方向に延在しており、システム入口を通過して液体の流れの方向に延びる線は流れ軸線を定義する。液体流路の流路入口は、自由流の流れが位置する、より中央よりも、よりシステム境界の近くに位置する流れに関連する流れ抵抗の増大および圧力降下を補償するように、流れ軸線から次第に遠くに存在するものほど、システム入口の次第に近くに位置しており、それにより、システム入口と流路入口との間の空間にわたって、本質的に均一な流れ抵抗、したがって流れを維持する。
【００２１】
第３のシステムのいくつかの実施形態では、液体流路はすべて平面内に存在する。任意選択で、これらの実施形態では、流れ軸線のそれぞれの側における液体流路への入口は、互いに整合されている。
【００２２】
第３のシステムのいくつかの実施形態では、液体流路は、円筒形領域内に存在する。任意選択で、これらの実施形態では、液体流路への入口はすべて円錐面に沿って存在する。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】従来技術による多流路の分配液体流システムにおける流れ経路の長さの位置による変化を示す概略図である。
【図２】多流路の分配液体流システムの第１の実施形態を示す概略図である。
【図３】多流路の分配液体流システムの第２の実施形態を示す概略図である。
【図４】多流路の分配液体流システムの第３の実施形態を示す概略図である。
【図５】多流路の分配液体流システムの第４の実施形態の概略斜視図である。
【図６】図５の実施形態の断面図である。
【図７Ａ】図６において７Ａと表示された破線の上から見下ろした図６の実施形態の概略図である。
【図７Ｂ】図６において７Ｂと表示された破線の下から見上げた図６の実施形態の概略図である。
【図８】図５〜図７の実施形態を通る２つの異なる流れ経路の概略図である。
【図９】図５〜図７の実施形態を通るシミュレートした流れパターンを示す図。
【図１０】図５〜７の実施形態の流量偏差（ｆｌｏｗ  ｄｅｖｉａｔｉｏｎ）を示すグラフである。
【図１１】図５〜７の実施形態の流量偏差を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本明細書に開示される分配液体流システム（ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  ｌｉｑｕｉｄ−ｆｌｏｗ  ｓｙｓｔｅｍｓ）の実施形態は、参照により本明細書に組み込まれる米国特許第９，１３８，５２２号および米国特許第９，８２７，５３４号に開示されるシステムを含むがこれらに限定されないガス交換／人工肺ユニットに関連して特別な有用性を有し得る。これらの特許文献は、呼吸ガス交換が行われる流路が、密に詰まったカーボンナノチューブの区域内におけるボイドとして形成されるシステムを開示している。
【００２５】
図２は、システムの様々な流路を通る流量の変動を低減する分配流の液体流システムの第１の実施形態を示している。流れは右から左に進む。この実施形態は、それぞれが同じ長さおよび同じ流れ抵抗を有する複数の液体流路２９を含む。ガス交換（すなわち、流路２９内の液体と流路２９を取り囲むガスとの間における分子の交換）は、これらの液体流路２９で行われる。この実施形態では、様々な液体流路２９は、互いに平行に配され、液体流路２９の各々の入口は、一定の半径の曲線、例えば、システム入口２０の左側を中心とする弧に沿って配されている。これにより、すべての液体流路２９への開口はシステム入口から同じ距離に配置され、その結果、液体が扇形の流れ分散領域２２を通って扇形に広がり、様々な流路に進入する際に、流れは、任意の所与の流路への入口の位置に関係なく、同じ距離を横断しなければならない。液体流路２９のそれぞれの出口は、共通収集プールに注いでいる。
【００２６】
よって、この実施形態では、システム入口２０から液体流路２９のうちの１つの入口までの流れ経路３の長さは、システム入口２０からシステム内の任意の他の流路２９の入口２０までの流れ経路４の長さと本質的に同じになる。したがって、扇形の流れ分散領域２２の幅（頁の平面に出入りする方向において）が一定であると仮定すると、システム入口２０から液体流路２９の任意の所与の１つまでの任意の所与の流れ経路に沿った総流れ抵抗は、図１の場合におけるそれよりも、より均一になる。結果として、任意の所与の流れ経路に沿った圧力降下はより均一になり、その結果、すべての液体流路２９への入口における流れ駆動圧力ヘッドはより均一になる。これは、ひいては液体流路２９へのより均一な流れ、および液体流路２９に沿ったより均一な流れをもたらし、よって、すべての液体流路２９間の変動を低減する。
【００２７】
図２に示す構成は平面状である。しかしながら、同じ一定長の概念を三次元構成で実施することもできる。その場合、流路の入口が存在する一定の半径の曲線は、球面扇形の頂上部分によって画定される。
【００２８】
図３は、システムの様々な流路を通る流量の変動を低減する分配流の液体流システムの別の実施形態を示している。ガス交換（すなわち、流路３９内の液体と流路３９を取り囲むガスとの間における分子の交換）は、液体流路３９で行われる。流れは右から左に進む。この実施形態では、様々な液体流路３９は、互いに平行に配され、液体流路３９のそれぞれは、同じ直径および長さを有し、よって同じ流れ抵抗を有し、図２に関連して上述した実施形態のように、共通収集プールに注いでいる。しかしながら、この図３の実施形態では、システム入口２０から様々な液体流路３９への入口までの流れ経路の長さは、流路の位置に応じて変化している。
【００２９】
具体的には、システムの中央流れ軸線（すなわち、システム入口２０を通って液体流路３９に平行に延びる線）からより遠くに存在する流路３９までの流れ経路は、より中央に位置する、すなわち、システムの中央流れ軸線のより近くに存在する流路３９までの流れ経路よりも短い。よって、例えば、流れ分散領域２３の周壁に沿ってその近くに延びる流れ経路５の長さは、流れが本質的により自由流である流れ分散領域２３の中心を通過する流れ経路６の長さよりも短い。
【００３０】
この流れ経路の長さの変化は、好ましくは、放物線状の境界層速度プロファイルを生じる、液体が流れ分散領域２３の周壁に沿って流れる際の摩擦による、より大きな抗力を少なくとも部分的に補償するように構成されている。より軸線から外れた流路３９までの流れ経路の長さに比べて、より中央の流れ経路の長さを増大させることにより、中央の流れ経路に沿って発生する総抗力と、したがって圧力降下とは、すべての流れ経路が等しい長さである場合のそれに比べて増大する。結果として、液体は、より均一な圧力で様々な液体流路３９に進入し、そのため、すべての流路３９に沿った流れは、より均一になる。
【００３１】
当業者によって理解されるように、流路入口の特定の変位の幾何学的性質は、システムが設計される液体の粘度、壁の特性などに依存するであろう。さらに、図３に示す構成は平面状である。しかしながら、流れの長さを変化させて抵抗を補償するという同じ概念は、すべての流路入口を含む三次元（３Ｄ）表面の形状を変化させることにより、３Ｄ構成で実施することもできる。例えば、すべての流路入口を含む３Ｄ表面は、円錐形を有することができる。
【００３２】
図４は、システムの様々な流路を通る流量の変動を低減するように構成された別の実施形態を示している。流れは右から左に進む。複数の同一の液体流路４９は、システムの中空円筒形セクション３２の壁全体に分配されている。ガス交換（すなわち、流路４９内の液体と流路４９を取り囲むガスとの間の分子の交換）は、これらの液体流路４９で行われる。図４では、明確にするために３本の液体流路４９のみが明示的に示されているが、実際のシステムは、はるかに多数（例えば、数千または数十万）の液体流路４９を有することに留意されたい。液体流路４９は、互いに平行に配され、かつシステムの回転対称の中央軸線から半径方向に間隔を置いて配置されている。代替の実施形態（図示せず）では、流路支持セクションは、すべての流路が円柱の外周付近に配置されるならば、中実の円柱として形成されてもよく、中実の円柱の断面領域の中央部分は、図４に示す中央コア３０（これはいかなる流路も含まない）に対応するように、流路を含まない。
【００３３】
流れ分散セクション２４は、二重壁の漏斗形状を有し、システム入口２０から外向きに、液体流路４９を含む円筒形セクション３２に向かって開いている。流れ分散セクション２４の二重壁構造は、例えば、流れ経路３１に沿って、流れを内壁と外壁との間に制限する。
【００３４】
図４にさらに示すように、システムの流れ分散セクション２４は、システムの円筒形の流路を含むセクション３２と平面で交わり、液体流路４９の入口端部は、すべてこの交面に沿って位置する。結果として、流れ分散セクション２４の半径方向内側の壁に沿った流れと流れ分散セクション２４の半径方向外側の壁に沿った流れとの間における流れの長さのわずかな変動を除いて、システム入口２０から液体流路４９の入口までのすべての流れ経路３１の長さは、同じになる。上記の実施形態の場合のように、これにより、システムの流れ分散セクション２４全体にわたって、システム入口２０から流路入口への流れにおいて円周方向により均一な圧力降下がもたらされる。これは、ひいては液体流路４９を通る流量の変動を低減する。
【００３５】
図５〜図７は、システム内の様々な液体流路間の流量の変動を低減する別のガス交換器の実施形態を示している。この実施形態では、液体とガスとの間で分子が交換され、この交換は１つまたは複数のプレート１７内で行われる。
【００３６】
プレート１７のそれぞれは、森の中で木が垂直に並んでいるのと同じように、または畑で小麦の茎が並んでいるのと同じように並べられた、基板上に配置された非常に多数（例えば、数百万または数十億）の垂直に並べられたナノチューブ（ｖｅｒｔｉｃａｌｌｙ  ａｌｉｇｎｅｄ  ｎａｎｏｔｕｂｅｓ）から形成することができる。多数（例えば、数千または数十万）の好ましくは同一の垂直液体流路がこのナノチューブの森／畑を通過し、これらの垂直液体流路は、森の空地または畑の未耕作領域にたとえることができる。液体流路は、関連する液体が垂直方向に流れるのに十分な幅を有し、ナノチューブは、液体流路内に液体を保持するために十分に近い間隔を置いて配置されている。基板の開口は、液体流路のそれぞれの下方に設けられている。この種類のプレートの例は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる米国特許第９，１３８，５２２号に記載されている。
【００３７】
これに代わって、プレート１７のそれぞれは、基板を必要とすることなく、プレートをともに保持するのに十分なナノチューブ間の相互接続を有した、非常に多数（例えば、数百万または数十億）の相互接続された垂直に並べられたナノチューブから形成され得る（この場合、ナノチューブを最初に成長させた基板は除去することができる）。この種類のプレートの例は、Ｋ．Ｓｔｒｏｂｌらによる「ｃ−ＶＡＣＮＴＴＭ  Ｅｎａｂｌｅｄ  Ｆｌｕｉｄ  Ｒｅａｃｔｏｒ  Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎｓ」（２０１９年６月）；Ｌ．Ｐｉｎｇらによる「Ｖｅｒｔｉｃａｌｌｙ  ａｌｉｇｎｅｄ  ｃａｒｂｏｎ  ｎａｎｏｔｕｂｅ  ａｒｒａｙｓ  ａｓ  ａ  ｔｈｅｒｍａｌ  ｉｎｔｅｒｆａｃｅ  ｍａｔｅｒｉａｌ」、ＡＰＬ  Ｍａｔｅｒ．７、０２０９０２（２０１９年）；ｄｏｉ：１０．１０６３／１．５０８３８６８（２０１９年２月）；Ｙａｎｇ  ＬｉらによるＴｒａｎｓｆｅｒ  ｏｆ  ｖｅｒｔｉｃａｌｌｙ  ａｌｉｇｎｅｄ  ｃａｒｂｏｎ  ｎａｎｏｔｕｂｅ  ａｒｒａｙｓ  ｏｎｔｏ  ｆｌｅｘｉｂｌｅ  ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ  ｆｏｒ  ｇｅｃｋｏ−ｉｎｓｐｉｒｅｄ  ｄｒｙ  ａｄｈｅｓｉｖｅ  ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ」、ＲＳＣ  Ａｄｖａｎｃｅｓ、第５８号（２０１５年５月）に記載されている。前の変形例のように、ガス交換プレートのこの変形例が用いられる場合、多数（例えば、数千または数十万）の好ましくは同一の垂直液体流路がナノチューブの森を通過する。また、ここでも、液体流路は、関連する液体が垂直方向に流れるのに十分な幅を有し、ナノチューブは、液体流路内に液体を保持するために十分に近い間隔を置いて配置されている。
【００３８】
いずれの種類のプレート１７を使用しても、液体は垂直液体流路を垂直に流れ、一方、分子を液体と交換するガスはナノチューブ間の空間を透過する（空気が木の森を透過する様に類似）。畑／森内のナノチューブは密集しているため、それらのナノチューブは、ガスの水平方向の流れに対して大きな抵抗を示す可能性がある。したがって、ガスが液体流路に確実に到達するようにするために、いくつかの実施形態では、ナノチューブを含まない導管を任意選択でプレート１７に含めることができる。これらの実施形態では、ガスは、ガスの導管を通る流動と、導管から近くの液体流路への拡散との組み合わせによって、液体流路の境界に透過する。
【００３９】
米国特許第９，１３８，５２２号で説明されているように、ナノチューブに基づいたガス交換プレートは、血液の酸素化に特に適している。この状況において、プレート１７を通過する液体流路は、血液のすべての成分（血小板、赤血球、および白血球を含む）が液体流路を通り抜けることができるように、十分に広くなければならず（例えば、２〜５００μｍ）、かつナノチューブは、液体流路内に血漿を保持するために十分に近い間隔を置いて配置されている。
【００４０】
多数（例えば、数千または数十万）の液体流路５９がプレート１７を垂直に通過し、プレート１７は、（図５および図６で最もよく分かるように）プレート状の流入マニホールド６０とプレート状の流出マニホールド７０との間に「挟まれて」いる。
【００４１】
図６に示すように、流入マニホールド６０および流出マニホールド７０は、それぞれ、空洞を形成する凹部を有し、これらの凹部は、それぞれ、液体流路５９の上流側に分配プールプレナム１３を形成し、液体流路５９の下流側に収集プールプレナム１６を形成する。
【００４２】
図７Ａおよび図７Ｂは、それぞれ、７Ａと表示された破線の上から見下ろした図６の断面の概略図、および７Ｂと表示された破線の下から見上げた図６の断面の概略図である。液体が流れるプレート１７の部分を本明細書では通過領域５０と称する。この通過領域５０は、多数（例えば、数千または数十万）の垂直に配向された液体流路５９を含む。いくつかの実施形態では、プレート１７を通過するすべての流路は、通過領域５０内に配置される。代替の実施形態では、プレート１７を通過する追加の流路（図示せず）が通過領域５０の外側に配置されるが、システム内の他の構成要素（例えば、分配プールプレナム１３および収集プールプレナム１６）の配置により、液体はこれらの追加の流路を通って流れない。
【００４３】
通過領域５０は、長さｌおよび幅ｗを有する。通過領域５０内の液体流路５９は、プレート１７の表面に直交する。液体流路５９の密度は、液体流路の性質に依存するであろう。例えば、ナノチューブの区域内にボイドを有するナノチューブの区域を用いて実施された血液酸素供給器では、直径が２〜５００μｍの液体流路が使用されてもよく、それらの流路は、中心で１０〜２５００μｍの間隔を置いて配置され得る。
【００４４】
ナノチューブに基づいた実施形態では、水溶液などの極性液体（親水性）が液体流路を通過する場合、ナノチューブは、流路から液体が逃げるのを防ぐために、本来の疎水性状態のままであることが好ましいことに留意されたい。この状況では、ナノチューブの疎水性と液体（水）の表面張力とによって、流路内における液体の封じ込めが促進される。代替の実施形態では、油などの非極性液体（疎水性）がこれらの流路を通過する場合、液体流路の境界を疎水性にする修飾を組み込むことが好ましい。
【００４５】
分配プールプレナム１３および収集プールプレナム１６は、通過領域５０と同じ幅、またはそれよりも広い幅を有する。さらに、分配プールプレナム１３および収集プールプレナム１６は、それぞれ、少なくとも通過領域５０と同じ長さである。いくつかの実施形態では、分配プールプレナム１３および収集プールプレナム１６は、図７Ａで最もよく分かるように、通過領域５０の上流に位置する分配プールプレナムフィーダー部５２、および図７Ｂで最もよく分かるように、通過領域５０の下流に位置する収集プールプレナム流出部５４を形成するように、それぞれ、通過領域５０よりも著しく長い。
【００４６】
図５および図６で最もよく分かるように、システム入口は、システムの幅方向に延びる、すなわち、通過領域５０の幅方向に沿って延びる（図７Ａ参照）、分配プールプレナム１３の上流の場所で流入マニホールド６０に形成された細長い分配流路１８として形成されている。同様に、システム出口は、システムの幅方向に延びる（図７Ｂ参照）、収集プールプレナム１６の下流の場所で流出マニホールド７０に形成された細長い液体収集流路４０として形成されている。いくつかの実施形態では、分配流路１８および液体収集流路４０の双方は管状形状である。
【００４７】
液体送達開口１２（図示した実施形態では、概してスリット形状である）は、分配流路１８の長さに沿って延在し、液体を分配プールプレナム１３の全幅にわたって分配プールプレナム１３に送達するように流路１８の壁上に配置されている。液体送達開口１２は、図６に示すように、分配プールプレナム１３に直接注いでもよいし、または分配プールプレナムフィーダー部５２が設けられている場合には、分配プールプレナムフィーダー部５２に注いでもよい。同様に、液体収集開口１９（図示した実施形態では、同様に概してスリット形状である）は、液体収集流路４０の長さに沿って延在し、収集プールプレナム１６の全幅にわたって収集プールプレナム１６から液体を受容するように流路４０の壁に配置されている。液体収集開口１９は、図６に示すように、収集プールプレナム１６から直接液体を受容してもよいし、または収集プールプレナム流出部５４が設けられている場合には、そのような流出部から液体を受容してもよい。
【００４８】
図５で最もよく分かるように、液体（例えば、血液）は、システムの前方左角の入口ポート４１から進入し、分配流路１８に流れ込む。液体は、次に液体送達開口１２を通って、分配流路１８を退出する。液体送達開口１２を退出する液体は、右に向かって流れる。この流れは平面形状を有し、任意選択の分配プールプレナムフィーダー部５２の存在は（設けられている場合には）、特に、流れを右側に分配するのを助け、流れが通過領域５０の前縁に到達する前に均一になることを可能にする。いくつかの実施形態では、液体送達開口１２は、液体送達開口１２を通る流れに対するその抵抗が、均一な流れを維持するように、分配流路１８に沿った圧力降下を補償するような形状に形成されている。例えば、液体送達開口１２は、下流端部（ここでは分配流路１８に沿った圧力がより低くなる）での流れに対する抵抗が少なくなるように、分配流路１８の下流端部では、上流端部におけるよりも幅が広くてもよく、これにより、流れは、分配流路１８の長さに沿って本質的に同じ速度で分配流路から流出することができる。
【００４９】
次に、液体は、完全に直方体の容積を提供するように一定の高さを有し得る分配プールプレナム１３を満たす。代替の実施形態（図示せず）では、分配プールプレナム１３の屋根は傾斜している。分配プールプレナム１３内の液体は、次に、プレート１７を通過して収集プールプレナム１６に入る液体流路５９を通って垂直に流れる。
【００５０】
一方、液体が上記で説明したようにプレート１７内の液体流路５９を垂直に通過している間、ガス（例えば、空気、酸素など）は、液体流路の境界で血液とガスとの間における分子の交換が行われ得るように、プレートのうち液体流路の外側の部分において垂直方向に直交して透過する。
【００５１】
ガスは、プレートのうち液体流路の外側の部分に、それらの部分と流体連通するように配置された少なくとも１つのガスポートによって提供される。いくつかの実施形態では、少なくとも１つのガスポートは、プレートのうち液体流路の外側の部分にガスを供給するように構成された第１のガスポートと、プレートのうち液体流路の外側の部分からガスを排出するように構成された第２のガスポートとを備える。上記のように、ガスは、ナノチューブ間の空間を透過し、流動および／または拡散によって液体流路の境界に到達する。
【００５２】
液体がプレート１７の液体流路５９を通過する際、プレートのうち液体流路の外側の部分を透過するガスは、液体流路５９内の液体と接触し、その結果、液体とガスとの間で分子の交換が行われ得る。例えば、液体流路５９内の液体が血液であり、プレート１７のうち液体流路の外側の部分内のガス中に酸素が存在する場合、酸素はガスから血液に入り、二酸化炭素は血液からガス中に出ていく。液体流路内の液体とそれらの流路を取り囲むガスとの間のこの種のガス交換の例としては、米国特許第９，１３８，５２２号に記載されている例が挙げられる。
【００５３】
液体は、プレート１７の液体流路５９を通って流れた後、収集プールプレナム１６を満たす。分配プールプレナム１３と同様に、収集プールプレナム１６は、完全に直方体の容積を提供するように一定の高さを有することができる。代替の実施形態（図示せず）では、収集プールプレナム１６の床は傾斜している。収集プールプレナム１６から、液体は、収集プールプレナム流出部５４が存在する場合には、最初に収集プールプレナム流出部５４を通過して、液体収集開口１９を通って液体収集流路４０に流れ込む。分配プールプレナムフィーダー部５２と同様に、任意選択の収集プールプレナム流出部５４は、存在する場合には、システムを通る流れが通過領域５０の後縁を通過して液体収集流路４０の液体収集開口１９へ移動する際にシステムを通る流れの均一性を維持するのを助ける。さらに、液体送達開口１２のように、液体収集開口１９は、液体収集開口１９を通る流れに対するその抵抗が、均一な流れを維持するように、液体収集流路４０に沿った圧力降下を補償するような形状に形成され得る。液体は、次に、入口ポート４１とは、システムの反対側、かつシステムの反対端部に位置するという点で、入口ポート４１と正反対に位置する出口ポート４２においてシステムを退出する。
【００５４】
図８には、図５〜図７の実施形態における液体の流れ経路が示されている。図示したように、液体（例えば、低酸素血液）はシステムに進入して、分配プールプレナム１３を満たす。次に、液体は、プレート１７の液体流路５９を通過する（ここでガス交換が行われる）。次に、液体は、収集プールプレナム１６を満たし、収集プールプレナム１６に沿って流れ、最終的に収集流路４０に収集され、出口ポート４２でシステムを退出する。
【００５５】
図８には、通過領域５０を横断する、分配プールプレナム１３から収集プールプレナム１６までの２つの例示的な流れ経路が示されている。第１の経路Ａ１／Ａ２は、通過領域５０の上流端縁に近い場所で通過領域５０を通過し、第２の経路Ｂ１／Ｂ２は、通過領域５０の下流端縁に近い場所で通過領域を通過する。第１の流れ経路に沿った総流れ抵抗はＡ１＋Ａ２で表され、一方、第２の流れ経路に沿った総流れ抵抗はＢ１＋Ｂ２で表される。なお、経路Ａ１および経路Ａ２の長さの合計は、経路Ｂ１および経路Ｂ２の長さの合計と同じある。同様に、システムを通過するそれぞれの流れ経路の総移動距離は同じになる。よって、すべての流れを駆動する圧力差は、関連する流量と同様に、システム全体にわたってより均一になる。
【００５６】
図９は、プレート１７内の複数の液体流路５９を通って分配プールプレナム１３から収集プールプレナム１６に通過する、図５〜図７の実施形態の断面を通るシミュレートした流れパターンを示している。この図では、各矢印の長さは、対応する地点における流速を表している。図９に示すように、流路内の流速は非常に類似している。均一な流れからの予測される偏差（Ｐｒｏｊｅｃｔｅｄ  ｄｅｖｉａｔｉｏｎｓ）は、液体の特性およびシステムの様々な構成要素の寸法に依存する。プレート１７を通過する多数の液体流路５９を含む１平方センチメートルのプレート１７の流れに対する抵抗の異なる値の２つの例について、標本偏差（ｓａｍｐｌｅ  ｄｅｖｉａｔｉｏｎｓ）が計算され、図１０および図１１に（平均流量からの偏差％で）示されている。
【００５７】
図１０の場合、関連するパラメータは以下の通りであった：
ＲＰ＝０．１（ｍｍＨｇ／ｍｌ／分／ｃｍ２）
流路長−１ｍｍ
流路直径−１００μｍ
流路間の距離−１５０μｍ
１ｃｍ２の面積における流路数−１６００
構成−立方体格子型（Ｃｕｂｉｃ  Ｇｒｉｄ  Ｔｙｐｅ）
【００５８】
また、図１１の場合、関連するパラメータは以下の通りであった：
ＲＰ＝１（ｍｍＨｇ／ｍｌ／分／ｃｍ２）
流路長−１ｍｍ
流路直径−２０μｍ
流路間の距離−３０μｍ
１ｃｍ２の面積における流路数−１１１，１１１
構成−立方体格子型
【００５９】
どちらの場合も、システム内の様々な流体流路間における流量の偏差は比較的小さい。
【００６０】
本発明は特定の実施形態を参照して開示されているが、添付の特許請求の範囲で定義されるような本発明の領域および範囲から逸脱することなく、記載された実施形態に対する多数の修正、改変、および変更が可能である。したがって、本発明は、記載された実施形態に限定されるものではなく、以下の特許請求の範囲の文言によって定義される全範囲およびその均等物を有することが意図される。
【図１】
2021532869.tif 000003
【図２】
2021532869.tif 000004
【図３】
2021532869.tif 000005
【図４】
2021532869.tif 000006
【図５】
2021532869.tif 000007
【図６】
2021532869.tif 000008
【図７Ａ】
2021532869.tif 000009
【図７Ｂ】
2021532869.tif 000010
【図８】
2021532869.tif 000011
【図９】
2021532869.tif 000012
【図１０】
2021532869.tif 000013
【図１１】
2021532869.tif 000014
【手続補正書】
【提出日】令和3年4月2日(2021.4.2)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
分配流の液体流システムであって、
システム入口と、
システム出口と、
前記システム入口から前記システム出口まで延びる複数の流れ経路に沿って流れる液体を運ぶように配された複数の液体流路と
を備え、
前記液体流路のそれぞれは、本質的に同一の長さと、本質的に同一の流れ抵抗と、流路入口と、流路出口とを有し、
前記流路入口は、前記システム入口から間隔を置いて配置されており、かつ前記システム入口に対して分配された構成で配されており、
前記液体流路は、前記システム入口から前記流路入口までの流れ抵抗と、したがって流れとが、前記システム入口と前記流路入口との間の空間にわたって本質的に均一になるように、前記流路入口がすべて前記システム入口から本質的に同じ距離となるように配されている、
分配流の液体流システム。
【請求項２】
前記液体流路は互いに平行に配され、前記流路入口はすべて、前記システム入口から本質的に同じ距離に位置するように、前記システム入口を中心とする一定半径の曲線に沿って位置している、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記液体流路はすべて、前記システム入口を含む平面内に存在し、前記一定半径の曲線は、前記平面内に存在する弧である、請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記液体流路は、三次元の円筒形領域内に存在し、前記一定半径の曲線は、球面扇形の頂上部分によって画定される曲面である、請求項２に記載のシステム。
【請求項５】
前記液体流路は、中空の円筒形セクションの壁全体に分配されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記液体流路は、中実の円筒形セクションの外周付近に配置され、前記円筒形セクションの断面領域の中央コア部分は、流路を含まない、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記システム入口から外向きに前記円筒形セクションに向かって開く二重壁の漏斗形状を有する流れ分散セクションを更に備える、請求項５又は６に記載のシステム。
【請求項８】
前記流れ分散セクション及び前記円筒形セクションは、平面上において交わり、前記流路入口は、すべてこの交面に沿って位置している、請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
前記システムは、ガス交換システムであり、ガス交換は、前記液体流路の前記流れ経路に沿って流れる液体と前記液体流路を取り囲むガスとの間で行われる、請求項１に記載のシステム。
【国際調査報告】
2021532869.tif 000015
2021532869.tif 000016
2021532869.tif 000017
2021532869.tif 000018
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