透析系统
阅读：542发布：2020-05-11
专利汇可以提供透析系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种 透析 系统，其包括能够过滤 水 流的过滤系统，能够以非分批处理方式 净化 所述水流的水净化系统，能够通过以非分批处理方式将一种或更多种 透析液 组分与所述水流进行混合以产生透析液流的混合系统，以及 透析器 系统。所述透析器可以是能够与所述透析液流和血流 流体 联接的微流体透析器。，下面是透析系统专利的具体信息内容。
1.一种医疗系统，包括：
过滤系统，所述过滤系统能够过滤水流；
水净化系统，所述水净化系统能够以非分批处理方式净化所述水流；
混合系统，所述混合系统能够通过以非分批处理方式将一种或多种透析液组分与所述水流进行混合以产生透析液流；
透析器系统，所述透析器系统包括：
微流体或流场透析器，所述微流体或流场透析器能够流体联接到所述透析液流和血流，所述透析器具有将所述透析液流与所述血流分离的膜，所述膜促进所述血流的透析；
多个泵，所述多个泵能够将所述透析液流泵送穿过所述透析器；以及
控制器，所述控制器可操作地联接到所述多个泵，所述控制器能够控制通过所述多个泵中的一个或多个的透析液流的流量，以便在所述血流经历透析时对所述血流执行超滤和血液透析滤过过程中的一个或两个过程。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述净化系统产生超高温巴氏消毒的水流。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述水净化系统包括热交换系统，所述热交换系统包括：
流体路径，所述流体路径具有入水口和出水口，所述流体路径还具有：
（a）第一区域，在所述第一区域处水在第一温度下以第一方向流动；
（b）位于所述第一区域下游的加热器区域，所述加热器区域包括至少一个加热器，所述至少一个加热器将热量传递到流动通过所述加热器区域的水中，以将在所述加热器区域中流动的水的温度增加至高于所述第一温度的第二温度；
（c）位于所述加热器区域下游的第二区域，在所述第二区域处水在高于所述第一温度的温度下以第二方向流动，其中在所述第二区域中流动的水与在所述第一区域中流动的水热连通，使得热量从在所述第二区域中流动的水向在所述第一区域流动的水传递，从而导致水在流动通过所述第二区域时温度降低，其中水以低于所述第二温度的温度通过所述出口流出所述路径。
4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述流体路径的至少一部分是至少一个微通道。
5.根据权利要求3所述的系统，其中，所述流体路径还具有：
（d）位于所述加热器区域下游和所述第二区域上游的停留室，其中水在流入所述第二区域之前，在所述第二温度下或高于所述第二温度下在所述停留室内保留相对于通过所述停留室的流体流量而言至少预定量的时间。
6.根据权利要求3所述的系统，其中，所述第二温度为至少138摄氏度。
7.根据权利要求3所述的系统，还包括位于所述入口上游的泵和位于所述出口下游的节流阀，其中所述泵和节流阀以闭环控制布置方式来布置，以将所述流体路径中的水维持在饱和压力以上，使得所述水在存在于所述系统中时在任何点处都不改变状态。
8.根据权利要求3所述的系统，其中，所述第一区域、加热器区域、停留区域和第二区域包含在单个层叠体内。
9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述透析器包括第一流场和第二流场，所述第一流场包括第一组支承结构，在操作期间所述血流围绕所述第一组支承结构流动，所述第二流场包括第二组支承结构，在操作期间所述透析液流围绕所述第二组支承结构流动，并且其中所述膜包括插入在所述第一流场和所述第二流场之间的质量传递层，在操作中血液通过所述质量传递层而发生透析。
10.根据权利要求1所述的系统，其中，所述多个泵包括：
第一泵，所述第一泵流体联接到所述透析液流，并且被构造成将所述透析液流通过流体入口路径朝向所述透析器泵送；
第二泵，所述第二泵联接到离开所述透析器的流体出口路径，并且被构造成将所述流体通过所述流体出口路径泵送离开所述透析器；以及
第三泵，所述第三泵联接到所述流体出口路径。
11.根据权利要求10所述的系统，其中，所述控制器操作所述第一泵、第二泵和第三泵以维持所述入口路径和出口路径中的流体流量之间的平衡，使得在操作期间基本上不向所述血液添加流体或从所述血液移除流体。
12.根据权利要求10所述的方法，其中，所述控制器操作所述第一泵、第二泵和第三泵以维持所述入口路径和出口路径中的流体流量之间的平衡，使得在操作期间从所述血液移除所需量的流体。
13.根据权利要求10所述的方法，其中，所述控制器操作所述第一泵、第二泵和第三泵以维持所述入口路径和出口路径中的流体流量之间的平衡，使得在操作的时间跨度中向所述血液添加所需量的流体。
14.根据权利要求10所述的方法，其中，所述控制器操作所述第一泵、第二泵和第三泵，以通过使所述第三泵在较低速度和较高速度之间循环来实现所需的血液透析滤过水平，而基本上没有流体向所述血液的净添加。
15.根据权利要求10所述的方法，其中，所述控制器操作所述第一泵、第二泵和第三泵，以通过使所述第三泵在较低速度和较高速度之间循环来实现所需的血液透析滤过水平和所需的流体向所述血液的添加速率。
16.根据权利要求10所述的方法，其中，所述控制器操作所述第一泵、第二泵和第三泵，以通过使所述第三泵在较低速度和较高速度之间循环来实现所需的血液透析滤过水平和所需的流体从所述血液的移除速率。
17.一种透析系统，包括：
水净化系统，所述水净化系统适合于以非分批处理方式处理家用水流，以产生超高温巴氏消毒的水流；
透析液制备系统，所述透析液制备系统适合于将所述超高温巴氏消毒的水流与透析液组分进行混合以产生透析液；
透析器，所述透析器具有血液流过其中的血液流动路径和所述透析液流过其中的透析液流动路径，所述透析器适合于对所述血液执行透析。
18.根据权利要求17所述的系统，还包括：
流动平衡器系统，所述流动平衡器系统调节进出所述透析器的透析液的流动，所述流动平衡系统包括：
第一泵，所述第一泵联接到通向所述透析器的流体入口路径，并且被构造成将透析液通过所述流体入口路径朝向所述透析器泵送；
第二泵，所述第二泵联接到离开所述透析器的流体出口路径，并且被构造成将流体通过所述流体出口路径泵送离开所述透析器；以及
第三泵，所述第三泵联接到所述流体出口路径，所述第三泵被构造成与所述第二泵协同工作，以获得流体进入流动通过所述透析器的血液的所需流量或者流体从流动通过所述透析器的血液移出的所需流量。
19.根据权利要求18所述的系统，其中，所述出口路径分叉成主出口路径和次出口路径，并且其中，所述第二泵联接到所述主出口路径，所述第三泵联接到所述次出口路径。
20.根据权利要求17所述的系统，其中，所述水净化系统包括热交换系统，所述热交换系统包括：
流体路径，所述流体路径具有入水口和出水口，所述流体路径还具有：
（a）第一区域，在所述第一区域处水在第一温度下以第一方向流动；
（b）位于所述第一区域下游的加热器区域，所述加热器区域包括至少一个加热器，所述至少一个加热器将热量传递到流动通过所述加热器区域的水中，以将在所述加热器区域中流动的水的温度增加至高于所述第一温度的第二温度；
（c）位于所述加热器区域下游的第二区域，在所述第二区域处水在高于所述第一温度的温度下以第二方向流动，其中在所述第二区域中流动的水与在所述第一区域中流动的水热连通，使得热量从在所述第二区域中流动的水向在所述第一区域中流动的水传递，从而导致水在流动通过所述第二区域时温度降低，其中水以低于所述第二温度的温度通过所述出口流出所述路径。
21.根据权利要求20所述的系统，其中，所述流体路径的至少一部分是至少一个微通道或至少一个流场。
22.根据权利要求20所述的系统，其中，所述流体路径还具有：
（d）位于所述加热器区域下游和所述第二区域上游的停留室，其中水在流入所述第二区域之前，在所述第二温度下或高于所述第二温度下在所述停留室内保留相对于通过所述停留室的流体流量而言至少预定量的时间。
23.根据权利要求20所述的系统，其中，所述第二温度为至少138摄氏度。
24.根据权利要求20所述的系统，还包括：
位于上游的泵；
位于所述出口下游的节流阀。
25.根据权利要求24所述的系统，其中，所述泵和节流阀以闭环控制布置方式来布置，以将所述流体路径中的水维持在饱和压力以上，使得所述水在存在于所述系统中时在任何点处都不改变状态。
26.根据权利要求20所述的系统，其中，所述第一区域、加热器区域、停留区域和第二区域包含在单个层叠体内。
27.根据权利要求17所述的系统，其中，所述系统在干燥时重量低于5磅。
透析系统
[0001] 相关申请
[0002] 本申请与下列美国专利申请相关：（1）以M.Kevin Drost、GoranJovanovic、Todd Miller、James R.Curtis、Bruce Johnson、AlanaWarner-Tuhy、Eric Anderson和 Julie Wrazel的名义，在2010年6月7日提交的题为“Microfluidic Decives(微流体装置)”的美国专利申请（代理人案号245-83052-02），其要求2009年6月24日提交的美国临时专利申请系列号61/220,117的优先权；（2）以James R.Curtis、LadislausF.Nonn和Julie Wrazel的名义，在2010年6月7日提交的题为“DialysisSystem With Ultrafiltration Control(具有超滤控制的透析系统)”的美国专利申请，其要求2009年12月5日提交的美国临时专利申请系列号61/267,043的优先权；以及（3）以Richard B.Peterson、James R.Curtis、Hailei Wang、Robbie Ingram-Gobel、Luke W.Fisher和Anna E.Garrison的名义，在2010年6月7日提交的题为“Fluid Purification System(流体净化系统)”的美国专利申请（代理人案号245-84705-01）。上述专利申请的公开的全部内容通过引用被并入本文。
技术领域
背景技术
[0004] 在美国，目前有成千上万患有晚期肾病的患者。大多数这些患者需要透析才能存活。美国肾脏数据系统估计，到2012年，在美国进行透析的患者数目将上升至超过600,000人。许多患者在透析中心接受透析治疗，透析中心可以为患者设置要求高、限制性且繁琐的时间表。在中心接受透析的患者通常必须每周前往中心至少三次，并且每次在从他们的血液过滤毒素和过量流体时必须在椅子上坐3至4小时。在治疗后，患者必须等待针刺部位停止流血和血压恢复正常，这从他们每日生活中的其它更令人愉悦的活动中剥夺了甚至更多的时间。此外，在中心，患者必须遵从不能通融的时间表，因为通常的中心在一天时间中治疗3至5轮患者。结果，许多每周透析三次的人抱怨在治疗后至少几小时感到筋疲力尽。
[0005] 由于在中心透析的要求高的特性，许多患者已经转向将家庭透析作为一种选择。家庭透析为患者提供了时间安排的灵活性，因为它允许患者选择治疗时间以配合其它活动，例如工作或照顾家人。不幸的是，目前的透析系统一般不适于在患者家中使用。其一个原因在于目前的系统对于在普通家中安装来说过于庞大和笨重。此外，目前的透析系统能量效率低，因为它们使用大量能量，并且需要大量水才能正确使用。尽管有一些家用透析系统可用，但它们一般使用复杂的制造起来相对昂贵的流动平衡技术，并且大多数系统被设计成具有电磁阀系统，该电磁阀系统产生高噪音水平。结果，大多数透析治疗在透析中心进行。
发明内容
发明内容
[0006] 鉴于上述，对于适合于在家中使用的用于每日使用或夜间使用的改进的透析系统存在着需求。本发明公开了一种透析系统，其更小，更便携，消耗更少的水，该透析系统利用与目前在现有透析系统中所使用的相比低得多的透析液和血液流量，并且与现有系统相比能够对超滤和透滤水平进行更好的控制。所述系统相对于现有系统紧凑且重量轻，并消耗相对低的能量。所述系统能够连接到住宅水源（例如打开的水龙头，以提供连续或半连续家用水流），并能产生实时巴氏消毒的水以用于家庭透析，而不需加热和冷却大的、分批的水量。
[0007] 在一个方面中，公开了一种医疗系统，包含：过滤系统，该过滤系统能够过滤水流；水净化系统，该水净化系统能够以非分批处理方式净化所述水流；混合系统，该混合系统能够通过以非分批处理方式将一种或更多种透析液组分与所述水流进行混合以产生透析液流；以及透析器系统，该透析器系统包含：微流体透析器，该微流体透析器能够与透析液流和血流流体联接，所述透析器具有从所述血流分离透析液流的膜，所述膜促进血流的透析；
多个泵，该多个泵能够将透析液流泵过所述透析器；以及控制器，该控制器与所述多个泵操作性联接，控制器能够控制透析液流通过所述多个泵中的一个或更多个的流量，以便在所述血流经历透析时对所述血流执行超滤和血液透析滤过中的一个或两个过程。
多个泵，该多个泵能够将透析液流泵过所述透析器；以及控制器，该控制器与所述多个泵操作性联接，控制器能够控制透析液流通过所述多个泵中的一个或更多个的流量，以便在所述血流经历透析时对所述血流执行超滤和血液透析滤过中的一个或两个过程。
[0008] 在另一方面中，公开了一种透析系统，所述透析系统包含：水净化系统，该水净化系统适合于以非分批处理方式处理水源例如家用水流，以产生超高温巴氏消毒的水流；透析液制备系统，该透析液制备系统适合于将所述超高温巴氏消毒的水流与透析液组分进行混合以产生透析液；以及透析器，该透析器具有血液流过的血液流动路径和透析液流过的透析液流动路径，透析器适合于对血液执行透析。
[0010] 图1示出了透析系统的高度示意性图。
[0011] 图2示出了透析系统的水净化系统的高度示意性图。
[0012] 图3示出了微流体热交换系统的示例性实施例的示意性平面视图，所述微流体热交换系统适合于加热和冷却单一流体，而不使用第二流体流向流体添加热量或从流体移除热量。
[0013] 图4A示出了入口层板的示例性实施例，所述入口层板形成至少一个入口路径，在该至少一个入口路径处流体以向内方向流过热交换系统。
[0014] 图4B示出了出口层板的示例性实施例，所述出口层板形成至少一个出口路径，在该至少一个出口路径处流体以向外方向流过热交换系统。
[0015] 图4C示出了彼此重叠的入口层板和出口层板，示出了入口路径和出口路径两者。
[0016] 图5示出了入口层板的入口区域的放大图。
[0017] 图6示出了入口层板的加热器区域的放大图。
[0018] 图7示出了入口层板和出口层板两者的停留室的放大图。
[0019] 图8A示出了入口层板的另一实施例的平面视图。
[0020] 图8B示出了出口层板的另一实施例的平面视图。
[0021] 图9示出了示例性层板堆的透视图。
[0022] 图10示出了组装的微流体热交换系统的实例的透视图。
[0023] 图11示出了与微流体热交换系统联接的示例性加热器控制系统的示意图。
[0024] 图12示出了用于微流体热交换系统的流动路径的另一示例性实施例的示意性平面视图。
[0025] 图13A示出了入口层板的另一实施例，所述入口层板形成入口路径，在该入口路径处流体以向内方向流过热交换系统。
[0026] 图13B示出了出口层板的另一实施例，所述出口层板形成出口路径，在该出口路径处流体以向外方向流过热交换系统。
[0027] 图14示出了示例性加热器控制系统的示意图。
[0028] 图15示出了透析系统的透析液制备系统的高度示意性图。
[0029] 图16是透析系统的透析器的示意性横截面图。
[0030] 图17示出了流动平衡系统的示意图。
[0031] 图18示出了流动平衡系统的另一实施例的示意图。
[0032] 图19示出了以校准模式运行的流动平衡系统的示意图。
[0033] 图20示出了以透析模式运行的流动平衡系统的示意图。
[0034] 图21是有通流通过的微流体传递装置的示意图。
[0035] 图22是微流体传递装置的单层的一个实施例的透视图。
[0036] 图23是具有壁片段支承件的微流体流场的平面视图。
[0037] 图24是具有成角度的壁片段的微流体流场的平面视图。
[0038] 图25是具有成角度的壁片段的流场的并置的示意性平面视图。
[0039] 图26A是具有圆柱形支承件的微流体流场的平面视图。
[0040] 图26B示出了一对圆柱形支承件的顶视图。
[0041] 图26C示出了一对圆柱形支承件的侧视图。
[0042] 图27是具有泪滴状支承结构的微流体流场的特写平面视图。
[0043] 图28是具有梯度支承结构密度和尺寸的微流体流场的特写平面视图。
[0044] 图29是具有随机分布的支承结构的微流体流场的特写平面视图。
[0045] 图30是组装装置的局部透视图，示出了流体入口和出口。
[0046] 图31是具有附接的流体集流管的两个合并的组装装置的透视图。
[0047] 图32是具有单侧层板的微流体传递装置的一个实施例的组装图。
[0048] 图33是层板的一个实施例的平面视图。
[0049] 图34是图26中示出的组装装置的透视图。
[0050] 图35是图26的装置中的内部流体流动路径的细节图。
[0051] 图36是相邻层的具有横流的流体集流管和微通道的并置的示意性平面视图。
[0052] 图37是具有图23中示出的流场的相邻层的并置的局部示意性平面视图。
[0053] 图38是具有单侧镜像设计的一个实施例的内部流体流动路径的细节图。
[0054] 图39是具有带有平行微通道的单侧镜像设计的一个实施例的流体流动路径的细节透视图。
[0055] 图40是具有双侧层板的微流体传递装置的一个实施例的局部组装图。
[0056] 图41是双侧层板的平面视图。
[0057] 图42是传递层的平面视图。
[0058] 图43是具有双侧层板的微流体传递装置的流动路径的细节图。
[0059] 图44是具有带有横流的双侧层板的微流体传递装置的流动路径的细节图。
[0060] 图45是具有贯通微通道的层板的平面视图。
[0061] 图46是具有带侧面支承件的贯通微通道的层板的细节平面视图。
[0062] 图47是具有带有人字形图案的贯通微通道的层板的细节平面视图。
[0063] 图48是具有带有人字形图案的贯通微通道的层板的细节透视图。
[0064] 图49是具有贯通层板的微流体传递装置的组装图。
[0065] 图50是具有贯通层板的装置的流体流动路径的细节图。
[0066] 图51是具有交替的平行和正交贯通微通道的装置的透视图。
[0067] 图52是结合有流体膜的子单元的层的并置的平面视图。
[0068] 图53是具有流体膜的装置的示意图。
[0070] 图55是不具有集流管区域的流场透析器层板的实施方例的平面视图。
[0071] 图56是不具有集流管区域的流场透析器层板的另一实施例的平面视图。
[0072] 图57是用于形成流场的激光的路径的示意平面视图。
[0073] 图58是层板中与激光形成的通道交叉的部分的放大图。
[0074] 图59是层板表面的放大图，示出了起伏不平的通道和在通道之间形成的销钉。
[0075] 图60是其中交替的无集流管层板以交叉流方式堆叠的实施例。
具体实施方式
[0076] 为了促进对本公开原理的理解，参考本文中示出的附图和实施例。然而，应该理解，附图是说明性的，并且不旨在据此限制本公开的范围。在示出的实施例中任何这样的改变和进一步修改，以及本文中所示的本公开原理的任何这样的进一步应用对于本领域的普通技术人员来说是通常能够想到的。
[0077] 图1示出了透析系统的高度示意性图。透析系统包括多个子系统，该多个子系统共同操作以接收并净化水，使用该水制备透析液，并将透析液供应到透析器，该透析器对患者的血液执行各种不同类型的透析，例如血液透析、超滤和血液透析滤过。透析系统包括为水、透析液和血液流过透析系统提供流体路径的管件，以及与管件对接以用于驱动流体流过该系统的一个或更多个泵。透析系统还可以包括一个或更多个传感器，例如流体流动传感器、压力传感器、电导率传感器等，以用于感测和报告流过系统的流体的一种或更多种特征。
[0078] 在实施例中，整个透析系统（包括水制备和净化系统、透析液制备系统、流动平衡器系统、透析器和硬件例如管件和传感器）容纳在单个紧凑且便携的机壳中。此外，透析系统可以使用自来水，例如家庭或旅馆房间中的自来水制备透析液。在实施例中，整个透析系统在干燥时占据不到约22"乘14"乘9"的空间，这一般对应于航空公司对随身携带行李的尺寸限制。在实施例中，整个透析系统在干燥时重量低于约50磅。
[0079] 仍然参考图1，透析系统包括净化来自供水源7的水的水制备和净化系统5。水净化系统5将净化的水供应给透析液制备系统10，该透析液制备系统10使用净化的水制备透析液。透析系统还包括透析器15，该透析器15从透析液制备系统10接收透析液并对患者的血液执行透析。在实施例中，透析器15和透析液制备系统10两者均与流动平衡器系统20对接，所述流动平衡器系统20调节透析液向透析器的流动，以实现不同类型的透析，包括血液透析、超滤和血液透析滤过，正如在下文详细描述的。
[0080] 扩散是血液透析从血液中移除废物例如尿素、肌酸酐、磷酸盐和尿酸等的主要机理。透析器中透析液的化学成分与血液的化学成分之间的差异，引起废物通过膜从血液扩散到透析液中。超滤是透析中使流体从血液跨过膜移动到透析液中的过程，典型地用于从患者血流移除过量流体的目的。一些溶质也与水一起通过对流而不是扩散被抽过膜。超滤是透析器中血液隔室与透析液隔室之间的压力差的结果，流体在透析器中从较高压力向较低压力移动。在一些情况下，由于设计或无意的结果，透析液隔室中的流体高于血液隔室，使得流体从透析液隔室移动到血液隔室中。这通常被称为反向超滤。
[0081] 在血液透析滤过中，产生高于从患者血液移除流体所需的量的高水平超滤，以用于增加跨膜对流性溶质运输的目的。因此，超过需要从患者血液移除的流体量必须被返回到血流，以避免不利的血液动力学反应。这通过有意增加透析器的透析液隔室中的压力以引起适量的反向超滤来实现。这种与反向超滤交替的超滤过程通常被称为“推拉式血液透析滤过”。这与在透析器外部位置中将无菌流体给药于患者的更常见的血液透析滤过方法相比，是显著改进。
[0082] 在使用中，将患者与透析器15联接，使得使用本领域的技术人员已知的装置和技术使患者的血液流入和流出透析器15。透析系统使用来自于家用水源诸如自来水管的水来制备透析液，所述水在与各种透析液组分混合以制造透析液之前已经通过过滤和净化进行制备，然后将透析液流过与血液相连通的透析器，以便对血液执行一种或更多种透析过程。水净化系统包括多个子系统，该多个子系统共同操作以净化水，包括对水进行巴氏消毒，正如下文中更充分描述的。然后将净化的水与透析液浓缩物混合以形成透析液，将该透析液供应给透析器15和流动平衡器系统，该流动平衡器系统调节透析液向透析器15的流动，以选择性实现不同类型的透析，包括血液透析、超滤和血液透析滤过，正如下文中更充分描述的。透析系统将用过的透析液供应到排液管25。在实施例中，在送往排液管之前，系统从用过的透析液重新捕集热量。
[0083] I.透析系统的示例性子系统
[0085] 1.水净化系统
[0086] 图2示出了水净化系统5的高度示意性图。水净化系统5包括每个均在图2中示意显示的多个子系统和/或部件。尽管描述在净化水的情形中，但水净化系统5也可用于净化水之外的流体。水在进入位置105（来自于图1中的供水源7）处进入流体净化系统，并在水沿着流动路径流向透析液制备系统10时与每个子系统和部件相连通。子系统可以包括例如沉积物过滤系统115、碳过滤系统120、反渗透系统125、超滤系统130、辅助加热器系统135、脱气器系统140或任何其组合。
[0087] 在离开流体净化系统5之后和进入透析液制备系统10之前，流体处于净化状态。这优选包括处于巴氏消毒状态的流体，尽管流体系统不是必须在所有情况下对流体进行巴氏消毒。图2中示出的实施例是示例性的，并且不是图2中示出的所有部件都必须包含在水净化系统5中。包含在系统中的单个部件可以随着所需净化或巴氏消毒的类型和水平而变。图2中示出的沿着流动路径的子系统的数量和顺序是出于示例的目的，应该认识到改变是可能的。
[0088] 现在描述使用流体净化系统5净化水的示例性方法，包括对通过系统的流体流动路径的描述。正如提到过的，水经由进入位置105进入水净化系统5。进入位置可以包括三通阀，该三通阀可以被设置成使得从至少两个水源之一接收输入水。一个这样的水源可以是家用水龙头。可选地，阀可以被设置成接受重循环水，该重循环水以前流过水净化系统5并被重新导回到系统中以例如冲洗系统。当阀被设置成接收重循环水时，重循环水在流过水净化系统5时可以绕过一个或更多个子系统。
[0089] 当阀被设置成从家用水龙头接收水时，输入水首先流过至少一个沉积物过滤系统115，该沉积物过滤系统115包括从流经沉积物过滤器的水中过滤沉积物的一个或更多个沉积物过滤器。在实施例中，沉积物过滤器115移除小至5微米或甚至1微米的颗粒状物质。可以将压力传感器置于沉积物过滤器上游，并且压力传感器也可以置于沉积物过滤器下游，以监测流动状态。此外，流动路径可以包括一个或更多个压力调节器，该压力调节器被构造成调节流体压力以获得通过系统的所需流量。压力调节器可用于补偿具有高于或低于所需范围的流量的家用自来水。
[0090] 水然后流过碳过滤系统120，该碳过滤系统120包括从水中过滤诸如有机化学物、氯和氯胺的物质的一个或更多个碳过滤器。在实施例中，碳过滤系统120包括两个碳过滤器，该碳过滤器具有位于碳过滤器之间的流动路径中的样品端口。样品端口为操作者提供了获取流过系统的水的途径，以用于例如质量控制目的。在实施例中，将至少一个压力传感器和至少一个电导率传感器置于碳过滤系统120下游的流动路径中。电导率传感器提供从水中移除的溶解固体物的百分率的指示。此外，可以将一个或更多个泵置于沿着水流动路径的不同位置处，例如在过滤子系统之间。
[0091] 水从碳过滤系统120流向反渗透系统125，所述反渗透系统被构造成依照反渗透程序从水中移除粒子。反渗透系统125通常从水中移除超过95%的总溶解固体物。反渗透系统125可以具有两个出口，包括废水出口126和纯水出口127。废水出口126输出来自于反渗透系统125的废水。可以将废水重新导回到水路径的上游位置中，以重新进入反渗透系统125中。就此而言，可以将传感器例如电导率传感器置于反渗透系统125的上游，作为验证水的内容物的装置。可选地，废水出口126可以将废水供应给排液管。
[0092] 沉积物过滤系统115、碳过滤系统120和反渗透系统125共同形成预处理阶段，该预处理阶段从水中移除大部分存在的溶解固体物、细菌污染物和化学污染物。因此，水在离开预处理阶段时处于或多或少宏观净化的状态。因此，预处理阶段向下游的泵并且也向对水进行巴氏消毒的下游热交换系统110供应相对清洁的水。预处理阶段降低或消除了热交换系统110在对水进行加热期间积累水垢和腐蚀的可能性。
[0093] 可以将一个或更多个脱气器系统140在流动路径中置于热交换系统110的上游和/或下游，以用于从水中移除夹带的气体。脱气器系统140可以包括适合于从水中移除夹带气体的任何种类的部件。例如，脱气器系统140可以包括喷射室和/或气泡捕集器。
[0094] 在水通过预处理阶段后，水流过泵150，该泵150将水泵入热交换（HEX）系统110中。热交换系统110将水加热至实现水的巴氏消毒的温度。在实施例中，热交换系统110是微流体热交换系统。下文中详细描述了微流体热交换系统的几个示例性实施例。热交换系统110可以被绝热包覆，以降低流经该热交换系统110的水的热量损失的可能性。
[0095] 泵150可用于将水压增加至高于在热交换系统110中遇到的饱和压力的水平。这防止水在热交换系统110内部的相变。因此，如果在热交换系统110中达到的最高温度是150摄氏度，此时水将具有本领域的技术人员已知的饱和压力，流出泵的水的压力将超过饱和压力一定的安全范围例如10psi，以确保不发生相变。理想情况下，泵将水压增加至等于或高于饱和压力的水平，以确保没有局部沸腾。这在将热交换系统用于对水进行巴氏消毒，并且水暴露于可能高于138摄氏度，即显著高于水在大气压下的沸点的高温时，可能是重要的。
[0096] 在离开热交换系统110后，水进入节流阀160例如限流器，该节流阀维持通过从泵150至热交换系统110的出口的水路径的压力。可以对节流阀160和泵150进行控制和调节，以获得流量和所需的压力配置。泵150和节流阀160可以在闭环系统中彼此相连通，以确保为所需流量和温度维持所需压力。可以沿着热交换系统下游的流动路径放置一个或更多个温度传感器和/或流动传感器，以用于控制泵150和节流阀160。
[0097] 在水离开节流阀160后，该水进入超滤（UF）系统130，该超滤系统130从水中移除大分子和所有或基本上所有通过巴氏消毒过程杀死的死细菌，以确保在混合透析液之前在水中没有内毒素残留。大分子的存在对于透析过程可能是有害的。然后水通过加热器系统135，如果需要或希望的话，该加热器系统135可以将水加热至所需温度例如正常体温（98.6华氏度）。从加热器系统135，水进入透析液制备系统10。
[0098] 在实施例中，在加热器系统135上游的流动路径中放置第二热交换系统。第二热交换系统用于在水高于预定所需温度例如37摄氏度的情况下进一步冷却从热交换系统110出来的水。第二热交换系统可以与随后用作冷却剂的冷却水的独立源连接，或者第二热交换系统可以与从反渗透系统125排出的水连接。在水源产生非常温热的水和/或当热交换系统110不能充分冷却水以用于透析的情形中，可以使用第二热交换系统。
[0099] 2.微流体热交换系统
[0100] 正如上面讨论的，水净化系统5可以使用适合于对水进行巴氏消毒的热交换系统110。图3示出了微流体热交换系统110的示例性实施例的示意平面视图，该微流体热交换系统被构造成不需第二流体流向液体（例如水）添加热量或从液体移除热量，即可实现流过微流体热交换系统的液体的巴氏消毒。图3是示意性的，并且应该认识到在流动路径的实际构造例如流动路径的尺寸和形状中，可以进行改变。
[0101] 正如下文更充分描述的，微流体热交换系统定义了流体流动路径，该流体流动路径包括：（1）至少一个流体入口；（2）加热器区域，其中通过至少一个加热器将输入流体加热至巴氏消毒温度；（3）停留室，其中流体在等于或高于巴氏消毒温度下保留预定时间段；（4）热交换部分，其中输入流体从较热（相对于输入流体）的输出流体接收热量，并且输出流体在将热量传递给输入流体时冷却；以及（5）流体出口，其中输出流体以冷却的、巴氏消毒过的状态离开。取决于所需的输出流体温度，可以在下游使用一个或更多个附加热交换，以将输出流体的实际温度调整到例如在透析中使用的所需温度。在较温暖的天气下尤为如此，此时输入水可能比在较寒冷天气下供应的水高数十度，这将产生比可能需要的温度更高的出口温度，除非进行进一步冷却。
[0102] 在实施例中，流动路径至少部分由一个或更多个微通道形成，尽管将下面公开的微流体流场用于部分流体流动路径例如热交换部分也在本发明的范围之内。相对减小的微通道尺寸，通过减小系统中的扩散路径长度和反向流动路径之间的物质量，提高了热交换系统的热传递速率。在实施例中，微通道具有至少一个小于约1000μm的尺寸。微通道的尺寸可以改变，并且一般被改造成获得所需的热传递特征。水力直径在约0.1至约1mm范围内的微通道获得通过微通道的层状流体流，特别是在微通道的热交换区域中。小尺寸的微通道也允许热交换系统110紧凑且重量轻。在实施例中，微通道形成在如下文中所述形成的以堆叠构造布置的一个或更多个层板中。
[0103] 微流体热交换系统110的流动路径可以布置成反向流动路径构造。也就是说，流动路径被布置成使较冷的输入流体以与较热的输出流体热连通的方式流动。较热的输出流体将热能传递给较冷的输入流体，以协助加热器将输入流体加热至巴氏消毒温度。这种将输入流体内部预加热至高于其入口处温度的温度，减少了加热器为达到所需峰值温度而使用的热量。此外，热能从输出流体向输入流体的传递，导致以前加热过的输出流体在通过流体出口离开之前被冷却。因此，流体在进入微流体热交换系统110时是“冷的”，然后在通过内部流体路径时被加热（首先通过热交换，然后通过加热器），并且在离开微流体热交换系统110时再一次是“冷的”。换句话说，流体以第一温度进入微流体热交换系统110，并被加热（通过热交换和加热器）至高于第一温度的第二温度。当流体沿流出路径前进时，流体（处于第二温度）将热量传递给输入流体，使得流体下降至低于第二温度并高于第一温度的第三温度。
[0104] 现在参考图3更详细描述微流体热交换系统110的流体路径和相应部件的示例性实施例，该图显示了刺刀式样的热交换器，该热交换器具有在装置一侧上的入口和出口、中央热交换部分和朝向相反端部的加热部分。流体通过入口282进入微流体热交换系统110。在图示的实施例中，流动路径分支成一个或更多个内流微通道284，该内流微通道被放置成与外流微通道286成反向流动布置。正如提到过的，微流体热交换系统110可以由分层层板的堆形成。内流微通道284可以定位在对于外流微通道286来说分开的层中，使得内流微通道284以交错方式定位在外流微通道286上方或下方。在另一个实施例中，内流微通道284和外流微通道286定位在单一层中。
[0105] 外流微通道286与出口288相连通。在图示的实施例中，入口282和出口288位于微流体热交换系统110的相同端上，尽管入口282和出口288也可以相对于彼此位于不同位置处。
[0106] 反向流动布置将内流微通道284置于与外流微通道286热连通。就此而言，内流微通道284中的流体可以沿着与外流微通道286中的流体流的方向矢量成约180度取向的方向矢量流动。内流微通道和外流微通道也可以采取交叉流构造，其中内流微通道284中的流体可以沿着相对于外流微通道286中的流体流的方向矢量成约180度至约90度之间取向的方向矢量流动。内流微通道相对于外流微通道的取向可以以被构造用于实现内流微通道与外流微通道之间的所需热连通程度的任何形式进行改变。
[0107] 将一个或更多个加热器292放置成与至少内流微通道284热连通，以便加热器292能够向在系统中流动的流体提供热量。加热器292可以放置在内流微通道284内部，使得流体必须在加热器292的多个侧面周围流动。或者可以将加热器292放置在内流微通道284的侧面，使得流体沿着加热器292的一个侧面流动。在任一情形中，加热器292向流体传递足够热量，以使流体温度达到所需温度，该所需温度在水待净化的情形中可以包括巴氏消毒温度。在实施例中，流体是水，并且加热器292协助将流体在标准大气压下加热到至少100摄氏度的温度。在实施例中，流体是水，并且加热器292协助将流体加热到至少120摄氏度的温度。在实施例中，流体是水，并且加热器292协助将流体加热到至少130摄氏度的温度。在实施例中，流体是水，并且加热器292协助将流体加热到至少138摄氏度的温度。
在另一实施例中，流体是水，并被加热到约138摄氏度至约150摄氏度范围内的温度。在另一实施例中，流体被加热至不实现流体蒸发的可能的最高温度。
在另一实施例中，流体是水，并被加热到约138摄氏度至约150摄氏度范围内的温度。在另一实施例中，流体被加热至不实现流体蒸发的可能的最高温度。
[0108] 因此，微流体热交换系统110可以将流体维持为单一相液体。由于水在100摄氏度左右通常从液相变成气相，因此将水加热至上面提到的温度需要对热交换系统加压，以便在各处维持单一相液体。高于对应于热交换系统中的最高温度的饱和压力的压力，足以将流体维持在液体状态。作为安全范围，通常将压力保持在比饱和压力高10psi或以上。在实施例中，将微流体热交换系统中水的压力保持在高于485kPa以防止水沸腾，并且可以维持在显著超过该水平，例如620kPa或甚至高达900kPa，以便确保不发生沸腾。在热交换系统中使用泵和节流阀来维持这些压力。使用热交换系统上游的泵和热交换系统下游的节流阀，其中泵和节流阀以闭环控制设置（例如使用传感器）来操作，以维持整个热交换系统中的所需压力和流量。
[0109] 一旦已经将流体加热至巴氏消毒温度，流体进入停留室294，在该停留室294处流体保持被加热至等于或高于巴氏消毒温度预定量的时间，其被称为“停留时间”，或者有时被称为“停延时间”。在实施例中，取决于流动路径长度或流体的流量，停延时间可以短于或等于1秒、在1至2秒之间或至少约2秒。较高的温度在杀死细菌时更有效，较短的停留时间意味着更紧凑的装置。被设计用于杀死细菌的所有菌落形成单位（CFU），使其降低到低于-610 CFU/ml的浓度的超高温巴氏消毒（例如用于净化水以用于可注入透析液），被限定为在水被加热至138摄氏度至150摄氏度的温度至少约2秒的停延时间时实现。超纯透析液具有不超过0.1CFU/ml的细菌接种量。表1（在附图中示出）指示了获得各种巴氏消毒水平所需的温度和停留时间。本文中描述的热交换系统被构造成获得表1中示出的各种巴氏消毒水平。
[0110] 然后使流体从停留室294流向外流微通道286，在外流微通道处流体流向流体出口288。正如提到的，外流微通道286被放置成与内流微通道284成反向流动的关系并与内流微通道284热连通。通过这种方式，输出流体（流过外流微通道286）与输入流体（流过内流微通道284）热连通。当加热的流体流过外流微通道286时，来自于加热流体的热能传递给流过相邻内流微通道284的较冷流体。热能的交换引起流体在流过外流微通道286时从其停留室温度冷却。此外，在到达加热器292之前，输入流体在流过内流微通道284时通过热交换被预加热。在实施例中，外流微通道286中的流体被冷却至不低于杜绝流体中细菌大量出现的最低可能温度的温度。当热交换系统对流体进行巴氏消毒时，当流体流出热交换系统时，低于所需净化水平的流体中的细菌死亡。在这样的情形中，流体在离开热交换系统后的温度，在透析中使用之前可以维持在室温。在另一实施例中，离开热交换系统的流体被冷却至等于或低于正常体温的温度。
[0111] 尽管在图3中示出的实施例具有夹在内流通道之间的出口通道，但其它通道布置也能够实现加热器的所需加热和冷却程度和能量需求。然而，对于所有实施例来说共同的是，系统内的所有流体路径被设计成由单一流体通过，而不需要第二流体向单一流体添加热量或从单一流体移除热量。换句话说，单一流体依赖于自身，在流体路径中的各种位置处加热和冷却自身。
[0112] 微流体热交换系统110的尺寸可以变化。在实施例中，微流体热交换系统110小到足以握持在用户手中。在另一实施例中，微流体热交换系统110是在干燥时重量低于5磅的单个本体。在另一实施例中，整个系统110的微流体热交换部分350具有约1立方英寸的体积。可以对微流体热交换系统110的尺寸进行选择，以获得所需的温度和停延时间特征。
[0113] 正如提到的，实施例中的微流体热交换系统110由多个层状单元构成，所述单元一个在另一个顶上堆叠以形成多层层板。所需的微流体流体流动路径可以蚀刻在每个层板的表面中，以便当层板一个在另一个顶上堆叠时，在层板之前形成微流体通道或流场。此外，盲板蚀刻（blind etching）和贯穿蚀刻（through etching）两者均用于在层板中形成通道。具体来说，贯穿蚀刻允许流体改变层板平面并移动到层板堆的其它层。在一个实施例中，这发生在内流层板中流体进入加热器部分的出口处，如下文所述。贯穿蚀刻允许加热器部分周围的所有层板参与流体的加热，而不是仅将流体维持在入口层板的平面中。该实施例提供了更大的表面积和更低的总流体速度，以促进将流体加热至所需温度并最终对装置的效率有贡献。
[0114] 从层板的盲板和/或贯穿蚀刻产生的微通道或流场形成了流体流动路径。图4A示出了入口层板305的示例性实施例的平面视图，所述入口层板形成至少一个入口路径，其中流体以向内方向（由箭头307所示）流过热交换系统110。图4B示出了出口层板310的示例性实施例的平面视图，所述出口层板形成至少一个出口路径，其中流体以向外方向（由箭头312所示）流过热交换系统110。入口路径和出口路径可以各自包含一个或更多个微通道。在实施例中，入口路径和出口路径包含以平行关系布置的多个微通道。
[0115] 图4A和图4B示出了彼此相邻放置的层板305和310，尽管在组装的装置中层板以交错重叠方式一个堆叠在另一个顶上，并示出了入口路径和出口路径两者。入口层板305和出口层板310一个堆叠在另一个顶上，在它们之间具有流体导管，使得流体可以从入口路径通过导管流向出口路径，正如下文更充分描述的。当堆叠时，传递层可以介于入口层板305与出口层板310之间。传递层被构造成允许热量从出口路径中的流体传递到入口路径中的流体。传递层可以是能够以用于所需应用的足够速率将热量从一种流体传导到另一种流体的任何材料。相关因素包括但不限于热传递层110的热传导率、热传递层的厚度和所需的热传递速率。适合的材料包括但不限于金属、金属合金、陶瓷、聚合物或其复合材料。适合的金属包括但不限于不锈钢、铁、铜、铝、镍、钛、金、银或锡，以及这些金属的合金。铜可能是特别理想的材料。在另一实施例中，在入口层板和出口层板之间不存在传递层，层板本身用作流动路径之间的热传递层。
[0116] 入口层板305和出口层板310两者都包括至少一个入口开口320和至少一个出口开口325。当入口层板305和出口层板310一个在另一个顶上堆叠并适当对准时，入口开口320对准并共同形成通过堆延伸并与入口层板305的入口路径相连通的流体路径，如图4C中所示。同样地，出口开口325也对准并共同形成与出口层板310的出口路径相连通的流体路径。可以将任何数量的入口层板和出口层板堆叠，以形成用于热交换系统110的多个入口路径和出口路径的层。可以对层的数量进行选择，以向微流体热交换系统110提供预定的特征，例如改变流体中热交换的量、能够通过系统操纵的流体的流量等。在实施例中，热交换系统110实现至少100ml/min的输入液体流量。
[0117] 在另一个实施例中，热交换系统110实现至少1000ml/min的输入液体流量。这样的热交换系统可以由多个层板制成，在所述层板中使用掩膜/化学蚀刻方法形成有微流体路径。然后如下文中更详细描述的，将层板扩散结合在堆中。在实施例中，堆包括40至50个层板，在每个层板上的流量为2-3ml/min。通过增加热交换器内堆叠层板对的数目，可以获得更高的流量。在其它实施例中，可以通过系统操控高得多的流量。
[0118] 在操作中，流体经由入口开口320流入入口层板305的入口路径。这参考图5进行更详细描述，图5示出了入口层板305的入口区域的放大图。入口开口320与将流体导向入口路径的入口导管405相连通。入口开口320可以被构造成具有相对于入口导管405的尺寸的预定的尺寸，所述入口导管可以具有2mm的直径。例如，在实施例中，入口开口320具有相关的水力直径，该水力直径可以比入口导管405的水力直径大约10至15倍。已发现，这样的水力直径比率迫使流体在多个入口层板之间相对均匀地分配。在另一实施例中，对于2mm宽的入口流动路径来说，可以使用大于10:1、例如15:1的水力直径比率，以确保流体流在堆上的均匀分配。
[0119] 仍参考图5，入口导管405的下游端部通到入口路径中，所述入口路径的尺寸相对于入口导管405的尺寸向外张开。就此而言，可以将一个或更多个流动分离引导器例如叶片410置于通向入口路径的入口通道处。流动分离叶片的尺寸和形状在流体从入口导管405流入入口路径时促使流体的均匀分配。应该认识到，入口导管405和入口路径的尺寸、形状和轮廓可以改变，并且图5中示出的实施例仅是示例性的。仅作为实例，系统的该区域也包含销钉形构件（如下所述）的流场，流体围绕所述销钉形构件流动。
[0120] 再次参考图4A，入口路径和出口路径各自包括热交换区域。热交换区域共同使用附图标记350指称，并分别使用附图标记350a（用于入口路径）和附图标记350b（用于出口路径）指称。热交换区域350是入口路径的较冷流体（相对于出口路径中的流体）接收从出口路径的较热流体（相对于入口路径中的流体）传递的热量的位置。正如上面讨论的，内流路径中相对较冷的流体被定位成以与外流路径中相对较热的流体热连通的方式流动。在该分层实施例中，当层板堆叠时，内流路径紧邻外流路径的上方（或下方）放置。作为内流路径中的流体与外流路径中的流体之间的温度差和分隔两个路径的材料的热传导性的结果，热量跨过传递层从外流路径中的流体传递到内流路径中的流体。同样地，除了包含一组微通道之外，热交换区域也可以包含如上所述的微流体流场。
[0121] 仍参考图4A，内流路径中的流体从热交换区域350流入加热器区域355中。可以将多个销钉357在入口流动路径中置于热交换区域350与加热器区域355之间。销钉357破坏流体流动并促进混合，其可以改善流体流动和热分布两者。图6示出了加热器区域355的放大图。在实施例中，内流路径在加热器区域355中分叉成至少两个流动路径，以适应于所需流量。可选地，可以利用仅通过加热器区域的一个流动路径，或者可以选择三个或更多个流动路径。加热器区域355包括一个或更多个加热器292，该加热器与流过该区域的流体热连通，但是与流动路径密封隔离。加热器292向输入流体添加足以将流体的温度升高至所需温度的热量，所需温度可以包括巴氏消毒温度。输入流体之前在流过热交换区域350时被预热。这有利地降低了加热器的能量需求。
[0122] 堆中的层板可以包含在通往加热器区域355的进入位置505处贯穿蚀刻，使得进入加热器区域的流体可以通过堆中的所有层板。贯穿蚀刻允许加热器部分周围的所有层板参与流体的加热，而不是仅将流体维持在入口层板的平面中。这在流体与加热器之间提供了更大表面积，还提供了更低的总流体速度，以促进将流体加热至所需温度。
[0123] 正如提到的，内流路径可以分叉成多个流动路径。每个路径可以包括布置在路径内的一个或更多个加热器292，以便最大化或增加加热器292与流过路径的流体之间的表面区域接触量。就此而言，加热器292可以朝向路径中间放置，使得流体必须沿着加热器292周围的半圆形或其它曲线路径，在加热器292任一侧的周围流动。加热器292的构造可以改变。在实施例中，加热器292是具有1/8英寸直径的常规的柱式加热器，该柱式加热器
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在实施例中可以以约70,000至110,000W/m 之间的组合流量运行，对于以约100mL/分钟运行的整个堆来说，其在一个实施例中引起低于100W的能量使用，在另一实施例中引起低于
200W的能量使用。在实施例中，系统使用每个流动路径3个加热器的构造的六个加热器，其中对于100ml/min的流量来说每个加热器使用约70W。在实施例中，迫使流体在1.6mm宽的路径中在加热器周围流动。
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在实施例中可以以约70,000至110,000W/m 之间的组合流量运行，对于以约100mL/分钟运行的整个堆来说，其在一个实施例中引起低于100W的能量使用，在另一实施例中引起低于
200W的能量使用。在实施例中，系统使用每个流动路径3个加热器的构造的六个加热器，其中对于100ml/min的流量来说每个加热器使用约70W。在实施例中，迫使流体在1.6mm宽的路径中在加热器周围流动。
[0124] 再次参考图4A，内流路径从加热器部分355过渡到停留室360。到流体流入停留室360时为止，作为热交换区域350中的热传递和/或在加热器部分355中加热的结果，流体已被加热至所需温度，例如巴氏消毒温度。在将多个层板堆叠的情形中，停留室360可以是跨越堆中所有层板层的单个隔室，使得来自于每个入口层板的流体流入停留室360中的单一体积的流体中。停留室360被构造成使得流体流动“捷径”被消除，所有流体被迫通过流动路径，使得在规定流量下流体的所有部分在停留室中驻留的时间不少于所需持续时间，并且流体在等于或高于巴氏消毒温度下被维持流体在停留室360内的时间长度（即停延时间）。事实上，停留时间是通过停留区域的流动路径的尺寸和流量的结果。因此对于本领域的技术人员来说，如何为所需时间长度设计停留路径将是显而易见的。
[0125] 图7显示了入口层板305和出口层板310的停留室360的区域的放大图。为了清楚地进行说明，图7示出了并列式放置的入口层板305和出口层板310，尽管在使用中将层板一个在另一个顶上堆叠以便使停留室对准从而形成沿着堆向上跨越的停留室。在实施例中，停留室360包含蜿蜒的流动路径，如图7的停留室的放大图所示。蜿蜒的流动路径提供了更长的流动路径以增加液体在停留室360内花费足够量时间的可能性。
[0126] 在流体到达蜿蜒的流动路径端部后，该流体通往出口层板310的出口路径（在图7中由箭头610表示）。现在参考图4B，出口路径在加热器292之间通过，所述加热器用作流体的绝热体，以降低在流动路径的该阶段处流体失去热量的可能性。出口路径的加热的流体然后流向热交换区域350b。在到达热交换区域350b之前，出口流动路径扩张。一组扩张的扇形物367引导流体进入出口路径的扩张的热交换区域350b，其中流体与内流路径中的较冷流体热连通。正如讨论过的，来自较热的外流路径中的流体的热量传递给内流路径中较冷的流体。这引起外流流体的冷却和内流流体的加热。流体然后从热交换区域350b流向出口开口325。在该阶段处，流体处于冷却的巴氏消毒过的状态。
[0127] 在实施例中，利用了厚度为350微米，具有175微米的蚀刻深度，具有水力直径为327微米的2.5mm宽的通道的层板。每对层板能够操纵约3.3mL/min的流体的流体流量，因此为了促进100mL/min的流量需要30对层板，该层板具有仅15mm长的热交换部分。在实施例中，流体流路被设计成光滑、大幅度弧线型曲线，并基本上沿着堆的纵轴对称设计；如果流动路径未被对称设计，则该流动路径被设计成最小化路径线或长度的差异，以便均匀地分配流量、流体的加热和各种停延时间。
[0128] 可以减小热交换部分中分隔通道的肋的宽度，这将具有增加可用热传递面积和降低装置的所需能量效率水平所需要的热交换部分的长度的效应。可以获得至少约85%的能量效率水平，并且在一些实施例中可以获得至少约90%的能量效率水平，这意味着来自于输出流体的90%的热能可以被传递到输入流体流并被无损失地重新捕获。
[0129] 通过该方式，热交换系统可以被构造成以所需流量连续地提供巴氏消毒的水以用于在透析系统中对透析液进行实时混合，而不需以分批的量加热、净化或储存水，或提供成袋纯水或预混透析液以被患者使用。水净化系统以非分批处理方式处理水源例如家用水流，以产生超高温巴氏消毒的水流。
[0130] 图8A示出了入口层板705的另一实施例的平面视图，所述入口层板形成至少一个入口路径，其中流体以向内方向（由箭头707所示）流过热交换系统110。图8B示出了出口层板710的另一实施例的平面视图，所述出口层板形成至少一个出口路径，其中流体以向外方向（如箭头712所示）流过热交换系统110。该实施例中的流动路径与图4A和图4B的实施例的流动路径相比，总体上具有不同的轮廓。在实际使用中，入口层板705和出口层板710一个在另一个上方堆叠。
[0131] 流体在入口720处进入入口层板705的入口路径。入口路径然后在热交换区域750a处分裂成多个路径，热交换区域750a与出口层板710的对应热交换区域750b热连通。
在另一实施例中，入口路径没有分裂成多个路径而是保持单个路径。入口路径也可以至少部分由下面所述的一个或更多个微流体流场形成。在热交换区域750a之后，入口路径过渡到弧形加热器区域760，该弧形加热器区域760与加热器765例如150瓦McMaster-Carr柱式加热器（3618K451型）热连通。加热器区域用作加热器765加热流体的区域和流体在等于或高于所需温度下保持加热预定量时间的停留室。
在另一实施例中，入口路径没有分裂成多个路径而是保持单个路径。入口路径也可以至少部分由下面所述的一个或更多个微流体流场形成。在热交换区域750a之后，入口路径过渡到弧形加热器区域760，该弧形加热器区域760与加热器765例如150瓦McMaster-Carr柱式加热器（3618K451型）热连通。加热器区域用作加热器765加热流体的区域和流体在等于或高于所需温度下保持加热预定量时间的停留室。
[0132] 从入口层板705的加热器区域760和停留室，流体在入口位置770处流向出口层板710。流体然后流入出口层板710的热交换区域750b，在该热交换区域750b处流体将热量传递给流动通过入口层板705的热交换区域750a的输入流体。然后流体在出口775处离开出口层板。在实施例中，层板705和710约为600μm厚，微流体流动路径具有约400μm至600μm的深度。在本文公开的每个实施例中，流体流动路径完全包围每个加热器，使得将热量传导离开加热器的任何填隙材料有流体流过其上以接受热量，从而最小化热量向环境的损失。此外，理想情况下，每个加热器周围的流路相对狭窄，以避免由与加热器分离所造成的不均匀加热。
[0133] 正如提到的，微流体热交换系统110可以由一个在另一个顶上堆叠并扩散结合的多个层板形成。与扩散结合相关的其它信息由美国专利申请号11/897,998和12/238,404提供，其通过引用被并入本文。在实施例中，堆包括多组层板，每组包括与出口层板310并置的入口层板305。每组并置的入口层板和出口层板形成单个热交换单元。因此，层板的堆可以包括多个热交换单元，其中每个单元由与出口层板310联接的入口层板305形成。每个层板的流动路径可以通过在层板表面上蚀刻，例如通过仅在每个层板的一侧上蚀刻来形成。当层板并置时，层板的被蚀刻侧抵靠相邻的邻近层板的未蚀刻侧密封。这可以为输入流体（其未巴氏消毒）和输出流体（其被巴氏消毒）的热交换和分离提供理想条件。
[0134] 图9示出了示例性的层板的堆805的透视图。以在堆的各个水平高度处的部分截面示出了堆805，包括最上面的出口层板310、中间水平高度的入口层板305a和较低水平高度的入口层板305b。正如提到的，堆805由彼此交错的交替的入口层板和出口层板形成。加热器292被置于跨过堆805中所有层板延伸通过整个堆805的切口中。停留室360和对准的入口开口320和出口开口325也延伸通过整个堆805。层板也可以包括一个或更多个孔810，该孔在层板堆叠时对准以形成对准柱可以插入通过的轴。
[0135] 堆中层板的数量可以变化，以适应于所需规格的微流体热交换系统110，例如加热规格。加热规格可能取决于流体的流量、加热器功率输入、输入流体的初始温度等。在实施例中，堆805的长度小于约100mm，在其最宽尺寸处的宽度小于约50mm，深度小于约50mm，体积小于约250立方厘米，尽管尺寸可以变化。在另一实施例中，堆805长约82mm，在其最宽尺寸处宽约32mm，深度为26mm，体积约为69至70立方厘米，在干燥时重约5磅，尽管尺寸可以变化。
[0136] 层板305和310可以是能够被造型成具有用于特定应用的特征结构例如微通道的任何材料。层板的厚度可以变化。例如，层板可以具有约200μm至约100μm范围内的厚度。在另一实施例中，层板可以具有约500μm至约100μm范围内的厚度。一些适合的层板材料包括但不限于聚合物和金属。层板可以由任何可扩散结合的金属包括不锈钢、铜、钛合金以及可扩散结合的塑料制造。由于所涉及的操作压力和温度，避免层板材料浸入到加热流体例如水中的需要，以及在废弃之前对该装置多次使用的需要，已发现由不锈钢例如316L不锈钢制造热交换系统被证明是足够的，尽管只要能够耐受操作条件而不降解，也可以使用其它材料。
[0137] 以实现层板的适当对准的方式将层板堆叠。例如，当适当堆叠时，所有层板的入口开口320对准并共同形成用于流体流入系统的入口通道，出口开口325对准并共同形成出口通道，如图9中所示。适当对准的层板堆也可以包括用于将加热器292联接在堆中的一个或更多个座。可以使用一个或更多个特征结构来协助堆中层板的适当对准，例如对准柱和/或适当对准的目测指示物。堆可以包括位于最上方层板上的顶盖和位于最下方层板上的底盖。堆还可以包括外部绝热包装物以防止热量向外部环境散失。
[0138] 图10示出了组装的微流体热交换系统110的实例的透视图。入口/出口层板的堆805包括化学蚀刻的上盖和下盖，上盖和下盖针对大气密封堆805。这些盖通常地比层板更厚，在实施例中可以厚约1mm或以上，以承受损伤和将流体维持在单一状态下所需的操作压力。将柱式加热器292安装在延伸通过整个堆805的空腔中。将板910紧固（例如通过螺栓）到堆，并提供将入口端口915和出口端口920紧固到堆805的装置。入口端口915和出口端口920可以是具有内部空腔的管路，该内部空腔与入口开口320和出口开口325相连通。
[0139] 在组装堆之前，每个层板的用于接受柱式加热器的每个孔被设计成略微小于柱式加热器本身的直径。在组装整个堆后，考虑到加热器在操作期间的热膨胀，将孔扩大以获得孔内径与柱式加热器外径之间的间隙配合，以提供用于从加热器向巴氏消毒器的最适热量传递的均匀表面。如果在组装之前相对于柱式加热器的尺寸适当地形成每个填隙片中的孔的尺寸，则该方法避免了填隙片未对准所伴随的任何潜在问题。
[0140] 将第二板925也紧固到堆805。板925被用于将一个或更多个细长铠装热电偶930联接到堆805。热电偶930延伸通过堆805，并在停留室区域中与堆805中的层板相连通，以用于监测停留室中的流体温度。插入到堆实心部分中的热电偶利用了滑动配合进行安装。进入到流体流动路径中的热电偶需要密封件以防止流体泄漏。在这些情况下，用于接受热电偶的孔在组装堆后通过放电加工（EDM）来产生，因为该技术与传统钻孔相比产生非常小的碎屑，该碎屑可以容易地从系统冲洗出去，而传统钻孔可能产生较大的阻断一些流动路径的碎屑。任何种类的密封构件例如o-型环或垫圈都可以与堆联接，以提供与附接到堆的部件例如板910和925、热电偶930、入口端口915和出口端口920的密封关系。应该认识到，在图10中示出的组装的微流体热交换系统110是一个实例，并且其它构造是可能的。
[0142] 在实施例中，可以通过从堆侧面移除一些过量材料来降低整个堆的重量，从而排除矩形轮廓，有利地使用节省材料的多边形轮廓。
[0143] 图11示出了微流体热交换系统110的另一示例性实施例的示意平面视图。图11是示意性的，并且应该认识到在流动路径的实际构造例如流动路径的尺寸和形状方面，可以进行改变。图11的实施例包括由传递层1115隔开的第一流动路径1110和第二流动路径1105。流体在入口1120处进入并在出口1125处离开第一流动路径。流体在入口1130处进入并在出口1135处离开第二流动路径。以反向流动构造布置第一流动路径和第二流动路径，使得流体以第一方向流过第一流动路径1110，并且流体以与第一方向相反的方向流过第二流动路径1105。就此而言，第一流动路径1110的入口1120与第二流动路径1105的出口1135位于装置的相同侧上。同样地，第一流动路径1110的出口1125与第二流动路径1105的入口1130位于装置的相同侧上。流动路径可以至少部分由一个或更多个微通道或流场形成。
[0144] 仍然参考图11，流体在入口1120处进入第一流动路径1110并通过加热器区域1140。加热器被定位成与加热器区域1140热连通，以便将热量输入到通过加热器区域1140的流体中。在通过加热器区域1140之前，流体通过热交换区域1145，所述热交换区域1145与流经第二流动路径1105的流体热连通（经过传递层1115）。在实施例中，流过第二流动路径1105的流体是先前离开第一流动路径1110（经过出口1125）并导入到第二流动路径
1105的入口1130中的流体。当先前加热过的流体流过第二流动路径1105时，热能从第二流动路径1105中的先前加热过的流体传递到流过第一流动路径1110的流体。通过该方式，第二流动路径1105中的流体在第一流动路径1110的热交换区域1145中的流体到达加热器区域1140之前对其进行预加热。
1105的入口1130中的流体。当先前加热过的流体流过第二流动路径1105时，热能从第二流动路径1105中的先前加热过的流体传递到流过第一流动路径1110的流体。通过该方式，第二流动路径1105中的流体在第一流动路径1110的热交换区域1145中的流体到达加热器区域1140之前对其进行预加热。
[0145] 在加热器区域1140中，加热器提供足够热量以将流体加热至所需温度，该所需温度可以是流体的巴氏消毒温度。流体从加热器区域1140流入停留室1150，流体在所述停留室中在等于或高于所需温度下保持加热一段停留时间。理想情况下，流体在停留室1150中时保持流动而不是停滞。流体从停留室1150通过出口1125离开第一流动路径1110，并导入到第二流动路径1105的入口1130中。
[0146] 然后流体通过第二流动路径1105流向出口1135。正如提到过的，第二流动路径1105至少在热交换区域1145处与第一流动路径1110热连通。通过该方式，流过第二流动路径1105的先前加热过的流体与流过第一流动路径1110的流体热连通。当先前加热过的流体流过第二流动路径1105时，来自于加热流体的热能传递到流过第一流动路径1110的相邻热交换区域1145的流体。热能的交换引起流体在流过第二流动路径1105时从其停留温度冷却。在实施例中，第二流动路径1105中的流体被冷却至不低于杜绝流体中细菌大量出现的最低可能温度的温度。
[0147] 在图11装置的另一实施例中，流入到第二流动路径1105中的流体不是从第一流动路径1110重新导回的流体，而是来自与第一流体流动路径1110的源相同的源或不同的源的独立流体流。第二流动路径1105中的流体与第一流动路径1110中的流体可以是相同类型，也可以不是相同类型。例如，水可以流过两条路径；或者水可以流过一条流动路径，并且非水流体可以流过另一条流动路径。在该实施例中，其中独立的流体相对于第一路径流过第二路径，理想情况下独立的流体被预先加热，以便能够在热交换区域1145处将热量传递给第一流动路径1110中的流体。
[0148] 与前面的实施例相同，图11的实施例可以由一个在另一个顶上堆叠以形成多层层板的多个层板单元组成。此外，图11的实施例可以与本文中描述的其它实施例具有相同或类似的规格，包括材料、尺寸、停留时间和温度水平。
[0149] 在图12中所示的另一个实施例中，微流体热交换系统110净化单一流体。图12示出了单一层板的示例性流动路径构造。多个该层板可以交错形成如上对其它实施例所述的层板堆。流体的净化可以包括对流体进行巴氏消毒，尽管巴氏消毒不是必需的，例如其中装置不被用于透析。热交换系统接收输入流体流1205，该输入流体流1205在进入热交换系统之前分开。输入流体流的第一部分1205a在系统一端上的第一入口1210a处进入，输入流体流的第二部分1205b在系统的另一个相反端上的第二入口1210b处进入。两个输入流体流1205以交替方式跨过堆叠的层板分布，使得在两个流体流之间不存在直接接触。
[0150] 每个输入流体流1205进入流动路径1207并沿着流动路径流向出口1215a。一个流体流经由入口1210a进入，并在与入口1210b位于系统相同端上的出口1215a处离开，而另一个流体流经由入口1210b进入，并在系统的与入口1210a相同的端上的出口1215b处离开。每条流动路径1207包括第一热交换区域1220，其中热量通过传递层在输入流体与流动通过堆中的在当前层板的正上方（或正下方）的层板的先前加热过的输出流体之间交换。当流体流过热交换区域1220时，该流体通过热交换接收热量，并在进入加热器区域1225之前预加热。
[0151] 对于每条流动路径1207来说，流体然后流入加热器区域1225，该加热器区域1225与至少一个加热器并且优选多个加热器热连通，用于将热传递到流动流体中。如上对其它实施例所述，流体在压力下被加热至等于或高于所需临界巴氏消毒温度的温度。加热器区域1225还用作停留室。流体流过停留室，同时在等于或高于所需温度下保持所需停留时间。所需停留时间可以通过例如改变流量和/或使用在加热器区域1225内的具有所需长度的蜿蜒的流动路径来实现。在离开加热器区域1225后，输出流体进入第二热交换区域1230，其中输出流体与流动通过堆中在当前层板的正上方（或正下方）的层板的输入流体交换热量。输出流体然后通过出口1215A和1215b离开流动路径。然后在继续进行超滤以移除所有或基本上所有通过巴氏消毒方法杀死的死细菌之前，将两个输出流体流重新合并成单一输出流体流1235。
[0152] 图13A示出了入口层板的另一实施例，所述入口层板形成螺旋入口路径，其中流体以向内方向流过热交换系统。图13B示出了对应的出口层板，该出口层板形成类似的螺旋路径，其中流体以向外方向流动。多个该入口层板和出口层板可以交错以形成如上对其它实施例所描述的层板堆。示出的层板具有圆形外部轮廓，尽管与其它实施例相同，外部形状可以改变。
[0153] 参考图13A，入口层板具有形成入口1305的集流管，输入流体在所述入口处进入入口路径。入口路径朝向路径中心向内螺旋，在路径中心处设有加热室1310。如下所述，加热室1310也用作流体的停留室。一个或更多个加热器被定位成与加热室1310热连通，以向在加热室1310中流动的流体提供热量。加热室1310延伸跨过堆中的多个层板，并包括与图13B中示出的出口层板连通的导管。流体从加热室1310进入出口层板。出口层板具有从加热室1310朝向出口1320向外螺旋的流出路径。
[0154] 在使用中，流体通过图13B中所示的入口1305进入入口层板的入口路径。流体然后沿着螺旋入口路径流向加热器室1310。与以前的实施例中相同，输入流体处于低于流动通过出口层板的先前加热过的流体的温度的温度之下，所述出口层板被定位在入口层板的正上方或正下方。当流体流过入口路径时，流体从流过出口层板的出口路径的先前加热过的流体接收热量。这在流体流入加热室1310之前用于对流体预加热。流体然后流入加热室1310中，其中流体接收来自一个或更多个加热器的热量。
[0155] 当在加热室1310中时，将流体在压力下加热至等于或高于如上对其它实施例所述的所需临界巴氏消毒温度的温度。正如提到过的，加热室1310还用作停留室。流体流过停留室，同时在等于或高于所需温度下维持所需停留时间。与在其它实施例中相同，所需停留时间可以通过例如改变流量和/或使用在加热器室1310内的具有所需长度的蜿蜒的流动路径来实现。在离开加热器室后，输出流体进入出口层板的出口路径，如图13B中所示。输出流体从加热室1310沿着螺旋流动路径向外流向出口1320。入口层板的螺旋路径跨过传递层与出口层板的螺旋路径热连通。当输出流体沿着螺旋路径流动时，该输出流体与流动通过堆中在当前层板的正上方（或正下方）的入口层板的输入流体交换热量。在继续进行超滤以移除所有或基本上所有通过巴氏消毒方法杀死的死细菌之前，输出流体然后通过出口1320离开层板堆。
[0156] 3.微流体热交换系统：控制系统
[0157] 微流体热交换系统110可以包括或者可以联接到控制系统，所述控制系统适合于调节和/或控制通过系统的流体流的一个或更多个方面，例如流体流量、流体温度和/或压力、流体的化学物浓度等。图14示出了与微流体热交换系统110通讯联接的示例性加热器控制系统1005的示意图。加热器控制系统1005包括与加热器控制单元1020通讯联接的至少一个电源1015，所述加热器控制单元与控制逻辑单元1025通讯。加热器控制单元1020适合于在单个加热器或一组加热器集合的基础上控制通往加热器的电源。这允许对供应到微流体热交换系统110的热量进行时间和空间控制。
[0158] 加热器控制系统1005可以包括位于微流体热交换系统110中或周围的一个或更多个温度传感器1010，以用于感测流体流动路径内一个或更多个位置处的流体温度。传感器的类型可变。在实施例中，将一个或更多个热电偶用作传感器1010。传感器1010与加热器控制单元1020和控制逻辑单元1025通讯，以提供温度反馈回路。加热器控制系统1005提供了系统中流体温度的反馈控制，以例如确保流体被加热至所需巴氏消毒温度和/或流体不被过度加热或加热不足。例如，加热器控制单元1020与控制逻辑单元1025联合，可以根据感测到的温度调整供应到一个或更多个加热器的电能，以便在流体流动路径的一个或更多个位置中获得所需温度分布。加热器控制系统1005可以包括其它类型的传感器，例如压力传感器、流量传感器等，以根据需要监测和调节流体的其它参数。
[0159] 加热器控制系统1005还可以被构造成向用户或系统功能的远端监测者提供一种或更多种警报，例如视觉和/或听觉指示和/或远程通信信号，以通知用户或系统功能的远端监测者何时温度处于不理想的水平。例如，控制单元1020可以包含一个或更多个温度设定极限，以例如将停留室温度维持在所述温度设定界限内。如果极限被超过，例如如果温度下降至低于较低操作下限或高于较高操作上限，控制系统可以旁路加热器发出警报并停止整个水净化系统的运行，直到操作人员可以诊断并解决问题。就此而言，控制系统1005可以包括含数据库的报告单元1030。报告单元1030被构造成记录并储存来自于传感器的数据，并将该数据发送到在远处的用户或系统监测者。
[0160] 4.流体净化系统：启动和关闭
[0161] 当将流体净化系统用于透析时，重要的是避免热交换器系统110内和贯穿热交换器系统110的下游的部件两者的流体流动路径的细菌污染。就此而言，用作巴氏消毒器的热交换器系统110，理想情况下以如下方式进行操作：在流体净化系统启动后确保清洁的流体流，并且也在关闭后（即当加热器292断电时）避免下游部件的细菌污染或至少减轻污染影响。
[0162] 在实施例中，启动后的清洁流体流通过下述方法来获得：首先使杀菌液流过热交换器系统110，同时将加热器292起动。然后使杀菌液流过热交换器系统110下游的所有部件，直到热交换器系统110达到所需运行温度。在热交换器系统110达到所需运行温度后，将流向热交换器系统110的流体流切换成来自于反渗透系统125的水。水通过热交换器系统110（其已经达到所需运行温度）以将杀菌液冲洗出热交换器系统110的流动路径。可以使用各种杀菌溶液。例如，溶液可以是1%氯在水中的混合物，或其它广泛认可的能杀死细菌的水添加剂。
[0163] 流体净化系统可以如下关闭。将加热器292断电，同时维持通过热交换器系统110的流体流。可选地，可以使杀菌液流过热交换器系统110，直至热交换器系统110达到接近室温条件。通过该方式，当热交换器系统110关闭时将流动路径维持在无菌状况下。然后用存在于热交换器系统110的流动路径中的杀菌液将热交换器系统110的流动路径关闭或“锁住”。杀菌液的存在极大降低了关闭期间细菌污染的可能性。
[0164] 在另一实施例中，将一个或更多个阀置于流体净化系统的流动路径中，其中阀允许溶液的循环流环流通过泵150、热交换器系统110和在重循环回路中的下游部件，直到在启动期间获得所需巴氏消毒条件。然后将阀设置成允许将杀菌液从系统中冲洗出去。也可以包含辅助部件例如微通道流体加热器（没有热交换能力），以提供使加温的（例如低于100摄氏度）杀菌液循环通过下游部件和/或通过断电的热交换器系统110的能力。杀菌液可以使用在启动或关闭过程中，以用于在数周和/或数月的时间跨度内保持流动路径和部件清洁。在启动时使用杀菌液的重循环回路是防止细菌在热交换器系统110达到运行温度之前进入流体净化系统的另一种方式。可以将定时控制逻辑与温度感测能力一起使用，来执行确保启动和关闭过程中的质量控制的方法。控制逻辑可以被构造成仅在热交换器系统110或加热器达到预设温度后起始流动。
[0165] 流动路径可以包括一条或更多条旁路循环线路，该旁路循环线路允许清洁和/或无菌流体循环通过流动路径。循环线路可以是开放流动回路，其中流过循环线路流动的流体在使用后可以从系统中排出。在另一实施例中，循环线路可以是闭合流动回路，其中流过循环线路的流体不能从系统排出。可选地，系统可以包括开放循环线路和闭合循环线路两者。
[0166] 5.透析液制备系统
[0167] 水在离开水净化系统5并流入透析液制备系统10时处于巴氏消毒过的状态。透析液制备系统10被构造成将巴氏消毒过的水与浓缩溶液供应源混合，以便制造透析液。图15示出了透析液制备系统5的高度示意图。图15的实施例是示例性的，并且应该认识到变化在本公开的范围之内。
[0168] 透析液制备系统10包括酸泵170，该酸泵170与用于与净化水混合的浓缩的酸化透析液浓缩物的供应源流体连通。水从水净化系统5流向酸泵170，所述酸泵将酸浓缩物泵入水中。水（与酸混合的）然后流入第一混合室172，该第一混合室172被构造成通过例如引起湍流以将水与酸混合。酸-水混合物从第一混合室172流向碳酸氢盐泵174。传感器例如电导率传感器CS可以置于第一混合室172的下游。电导率传感器CS被构造成检测混合物中电解质的水平。电导率传感器CS可以与酸泵170和控制系统处于闭合回路连通中，所述控制系统可以调节酸泵的速度，以实现泵入水中的所需水平的酸。
[0169] 碳酸氢盐泵174以足以形成透析液的水平将碳酸氢盐浓缩物泵入酸-水混合物中。得到的流体混合物流入第二混合室177中，并作为透析液离开第二混合室177。另一传感器例如电导率传感器CS可以位于第二混合室172的下游。第二电导率传感器CS可以与碳酸氢盐泵177处于闭合回路连通中。透析液然后流向流动平衡器系统和透析器。
[0170] 6.透析器
[0171] 图16是透析器15的示意性截面图，所述透析器限定了由传递层隔开的具有血液流动路径205的血液隔室和具有透析液流动路径210的透析液隔室，所述传递层由半透膜215构成。在实施例中，透析器包括一个或更多个微流体路径例如微流场和/或微通道。利用微流场和/或微通道的透析器的示例性实施例在下文中描述。由流场透析器构成的透析器的示例性实施例在下文中描述。然而，本文中描述的透析系统可以与包括各种可商购的透析器的各种透析器中的任一种一起使用。
[0172] 血液（来自于患者）经由血液入口216进入血液流动路径205，流过血液流动路径205，并经由血液出口217离开。透析液经由流体入口218进入透析液流动路径210，流过透析液流动路径210，并经由流体出口219离开。半透膜215被构造允许将一种或更多种物质从血液流动路径205中的血液向透析液流动路径210中的透析液传递，或与其相反。
[0173] 可以用作半透膜215的材料的一些实例包括聚合物、共聚物、金属、陶瓷、复合材料和/或液体膜。复合材料膜的一个实例是聚砜-纳米晶体纤维素复合材料膜，例如可以从Gambro Medical获得的AN69平板膜。气-液接触器膜也可用于在液体与气体之间传递物质，例如用于血液的氧合，由此膜允许传递二氧化碳和氧气，使得氧气从氧气或富氧空气传递到血液，二氧化碳从血液传递到气体。也可以使用流体膜。流体膜包含层板，该层板具有含有流体的贯通微通道以及被定位成容纳微通道中的流体的第一膜支承件和第二膜支承件。
[0174] 当流过透析器15时，血液和透析液可以以反向流构造流动，其中血液以一个方向流过血液流动路径205，透析液以相反方向流过透析液流动路径210。透析器15在具有反向流构造的情形中进行描述，尽管交叉流构造也可以使用。当血液和水沿着膜215流动时，发生血液透析。透析器15还被构造成执行超滤，其中跨过膜215的压力差导致流体和溶解的溶质从血液跨过膜215进入透析液。
[0175] 透析器15也被构造成执行血液透析滤过，其中溶质跨过半透膜215的移动由对流而不是扩散控制。血液流动路径205与透析液流动路径210之间的正流体静压力差驱使水和溶质从血液流动路径跨过半透膜215进入流体流动路径。小分子和大分子溶质两者随着流体被拖过半透膜215。在通常的血液透析滤过过程中，水和溶质移动的方向在将水和溶质从血液移动到透析液中与将水和溶质从透析液移动到血液中之间摆动。经过预定的时间跨度，存在着流体从血液进入透析液的零净损失和零净增益。然而，在该时间跨度内的离散的时间段中，可能存在流体从血液进入透析液的净损失和流体从透析液进入血液的净增益。
[0177] 7.流动平衡器系统
[0178] 流动平衡器系统20适合于调节进出透析器15的透析液的流量，以实现各种类型的透析，包括血液透析、超滤和血液透析滤过。流动平衡器系统20包括用于将透析液泵入透析器中的第一泵和用于将透析液泵出透析器的第二泵。系统还包括第三泵，该第三泵提供了对超滤、血液透析滤过或两者的水平的改进的控制，正如下文中详细描述的。
[0179] 图17示出了包括透析器15的流动平衡器系统20的示意图。系统包括三个或更多个泵的布置，该布置提供了对所执行的血液透析类型的改进的控制。通过改变三个泵的相对泵速，操作人员可以改变血液过滤的水平，并且还可以选择性实现血液的超滤和血液透析滤过。
[0180] 流动平衡器系统20包括形成多个流体流动路径的管件，该管件可以是流体例如透析液可以流过的任何类型的导管。流体流动路径包括入口路径250，流体例如未使用的透析液从透析液制备系统10通过该入口路径250流向并进入透析器15。沿着入口路径250或与入口路径250相连通地放置至少第一泵255，以用于将流体以所需流量泵向透析器
15。一个或更多个传感器S可以与流体流动路径联接，以用于感测输入流体的一种或多种特征，例如压力、流量、温度、电导率等。此外，一个或更多个样品端口P可以与流体流动路径联接，该流体流动路径为流过管线的流体提供通路。图17示出了在特定位置处与流体流动路径相联接的传感器S和样品端口P，尽管传感器S和样品端口P的数量和位置可以变化。
15。一个或更多个传感器S可以与流体流动路径联接，以用于感测输入流体的一种或多种特征，例如压力、流量、温度、电导率等。此外，一个或更多个样品端口P可以与流体流动路径联接，该流体流动路径为流过管线的流体提供通路。图17示出了在特定位置处与流体流动路径相联接的传感器S和样品端口P，尽管传感器S和样品端口P的数量和位置可以变化。
[0181] 流体流动路径还包括出口路径260，用过的透析液通过该出口路径260朝向一个或更多个排液管25流出透析器15。在一些实施例中，离开透析器的透析液在到达排液管25之前可用于预热系统中的其它输入流体，例如进入热交换和净化系统的水流。出口路径
260分叉成两个或更多个出口路径，包括主出口路径260a和次出口路径260b。沿着主出口路径260a或与该主出口路径260a相连通地放置至少第二泵265，以用于将透析液泵出并通过主出口路径260a离开透析器15。
260分叉成两个或更多个出口路径，包括主出口路径260a和次出口路径260b。沿着主出口路径260a或与该主出口路径260a相连通地放置至少第二泵265，以用于将透析液泵出并通过主出口路径260a离开透析器15。
[0182] 沿着次出口路径第二阀285或与次出口路径第二阀285相连通地放置第三泵270。第三泵270可用于增加通过流体流动路径的流体流动，使得例如选择性地实现入口路径
250与出口路径260之间的流量差，据此实现各种类型的透析，包括血液透析、超滤和血液透析滤过，正如下文中更充分描述的。当系统处于透析模式时，第三泵将透析液泵过流体流动路径。当系统处于不同模式例如校准模式或清洁模式时，第三泵也可以泵送其它流体，例如水或消毒剂。第三泵270还可用于校准第一泵255与第二泵265之间的流量，正如下文中更充分描述的。
250与出口路径260之间的流量差，据此实现各种类型的透析，包括血液透析、超滤和血液透析滤过，正如下文中更充分描述的。当系统处于透析模式时，第三泵将透析液泵过流体流动路径。当系统处于不同模式例如校准模式或清洁模式时，第三泵也可以泵送其它流体，例如水或消毒剂。第三泵270还可用于校准第一泵255与第二泵265之间的流量，正如下文中更充分描述的。
[0183] 在图18中所示的另一实施例中，第三泵270沿着透析器15的入口218上游的入口路径250放置。在该实施例中，次出口路径260在第一泵255下游和第一阀280上游的位置处分出入口路径250。第三泵270将流体泵向排液管25。图17的实施例可能比图18的实施例更有效，因为图18中的第三泵270将新鲜的未使用透析液泵入排液管140中，而图17中的第三泵将用过的透析液泵入排液管25中。在另一实施例中，第三泵270和第二泵265均沿着单一的未分叉的流出路径放置。
[0184] 各种类型的泵可用于第一泵、第二泵和第三泵。在实施例中，泵是盘旋泵。在其它实施例中，泵可以是凸叶转子泵、腔式泵、旋转齿轮泵、活塞泵、隔膜泵、螺旋泵、齿轮泵、液压泵、叶轮泵、再生（旋涡）泵或蠕动泵，或其任何组合。也可以使用其它类型的泵。第一泵255和第二泵265可以由共同的轴驱动，以确保泵冲程和被泵送流体的体积的同步。应该理解，第一泵255和第二泵265也可以彼此完全独立。
[0185] 正如提到的，可以使用各种流体导管中的任一种来形成流动平衡器系统20的流1
体流动路径。在实施例中，至少一部分流体流动路径由具有1/8英寸至 /2英寸内径的管线形成。管线中的流量可以在约50ml/min至约1,000ml/min之间的范围内。在实施例中，流量在约100ml/min至约300ml/min之间的范围内。
体流动路径。在实施例中，至少一部分流体流动路径由具有1/8英寸至 /2英寸内径的管线形成。管线中的流量可以在约50ml/min至约1,000ml/min之间的范围内。在实施例中，流量在约100ml/min至约300ml/min之间的范围内。
[0186] 再次参考图18，流体流动路径还包括旁通路径275，该旁通路径275与入口路径250和出口路径260直接流体连接。旁通路径275的示例性目的是提供流体能够流入和流出透析系统并绕过透析器15的流体流动路径，以用于例如冲洗、清洁或校准系统。在实施例中，入口路径250与旁通路径275之间的接合点位于透析器15的流体入口120的上游，旁通路径275与出口路径之间的接合点位于透析器15的流体出口125的下游。然而，旁通路径275的其它构造也可用于实现绕过透析器15。
[0187] 第一阀280位于入口路径250与旁通路径275之间的接合点处。第二阀285位于旁通路径275与出口路径260之间的接合点处。第一阀280和第二阀285是三通阀例如电磁阀，该三通阀可用于选择性调节通过流体流动路径的流体流。也就是说，第一阀280可以被设定成两种或更多种设置中的任一种，包括：（1）透析设置，其中第一阀将所有输入流体沿着入口路径250引导向透析器15（在图17中用箭头A表示）并防止输入流体流入旁通路径275；或（2）旁通设置，其中第一阀280将所有输入流体转移到旁通路径275中（在图17中用箭头B表示）并防止输入流体通过第一阀流向透析器15。
[0188] 第二阀285也可以被设定成两种设置中的任一种，包括：（1）旁通设置，其中第二阀285将来自于旁通路径275的输入流体引导入出口路径260中（在图17中用箭头C表示）；或（2）透析设置，其中第二阀285关闭来自于旁通路径275的液流，使得来自于透析器出口125的输出流体继续沿着出口路径260向外流动（在图17中用箭头D表示）。第一阀280和第二阀285两者一般均被串联设定到旁通设置或透析设置。系统可以包括控制和安全系统，以确保第一阀和第二阀未被设定到不相容的设置。
[0189] 图17和图18中所示的透析系统的各种部件的布置是示例性的，其它布置也是可能的。例如，流动路径和泵可以沿着图17和18中所示的流动路径放置在不同位置。在实施例中，第三泵270放置在流动路径中透析器15上游和第一阀280下游的位置处，或者第三泵可以放置在透析器15的下游和第二阀285的上游。此外，系统可以利用三个以上的泵。
[0190] 8.流动平衡器系统：操作泵以实现没有超滤的血液透析
[0191] 再次参考图17，当通过入口路径250的流量等于或基本上等于通过出口路径260的流量时，流动平衡器系统20实现了没有超滤的血液透析。换句话说，当在一段时间内通过入口路径250流入透析器15的透析液的量基本上等于通过出口路径260流出透析器的透析液的量时，实现了没有超滤的血液透析。这可以通过下述方式来实现：以第一泵速操作第一泵255来提供通过入口路径250的第一流量，以相应的泵速操作第二泵265和第三泵270，从而协作地获得等于通过入口路径250的流量的通过出口路径260的流量。
[0192] 在实施例中，系统利用所有三个泵来执行血液透析过程，所述三个泵在整个血液透析过程中基本上连续地处于致动状态。系统调整第三泵270的泵速，以在入口路径250与出口路径260之间获得相等流量的所需平衡。在该实施例中，第一泵255、第二泵265和第三泵270在整个血液透析过程中都是致动的，其中第一泵和第二泵以不同泵速运行，第三泵以获得在入口路径250与出口路径260之间的平衡流量的泵速运行。第三泵通常地以等于第一泵的泵速与第二泵的泵速之间的差的泵速运行。通过这种方式，第二泵和第三泵协作地实现等于通过入口路径250的流量的通过出口路径260的流量。
[0193] 例如，为了获得通过透析器的所需流量例如100ml/min，将第一泵255设置成提供通过入口路径250的100ml/min的流量，并将第二泵265故意设置成与第一泵255不平衡，以提供例如仅的80ml/min的流量。这将提供在第一泵与第二泵之间的20ml/min的流量差。将第三泵270的泵速设置成提供20ml/min的流量，其等于第一泵和第二泵的流量之间的差。通过这种方式，第二泵265和第三泵270协作地获得100ml/min的通过出口路径260的流量，该流量等于通过入口路径250的流量，使得流量跨透析器平衡。在该条件下，废弃溶质经由扩散从血流跨过透析器的半透膜移动到透析液中，以执行血液透析。
[0194] 可以使用一个或更多个传感器S来测量通过入口路径250和出口路径260的流量。在实施例中，传感器是直接测量通过入口路径250和出口路径260的流量的流量传感器。在另一个实施例中，传感器是为入口路径250内的流体压力和出口路径260内的流体压力提供指示的压力传感器。流体压力是通过流动路径的流量的函数，因此提供了流量的间接测量。当入口路径250中的流体压力等于出口路径260中的流体压力时，表明流量在入口路径与出口路径之间平衡。当入口路径250中的流体压力低于通过出口路径260的流体压力时，表明通过入口路径250的流量低于通过出口路径260的流量。当入口路径250中的流体压力高于通过出口路径260的流体压力时，表明通过入口路径250的流量高于通过出口路径260的流量。流体路径系统可以包括一种或更多种阻抑机制，以阻抑流体路径内压力的任何极端波动。
[0195] 在后两种情形中，可以在例如校准过程中对入口路径与出口路径之间的压力差做出响应来调整第三泵270的泵速，以获得在入口路径250与出口路径260之间的平衡的流量。校准过程可以任选地使用处于校准模式的系统来执行，使得将第一阀和第二阀设置成使流体流过旁通路径275并绕过透析器15，如图19中所示和下文中更详细描述的。当通过绕过透析器15执行校准过程并且在入口路径与出口路径之间检测到压力差时，可以“在运行中”适当调整第三泵270的流量以提高或降低第三泵的速度，从而获得在出口路径260中的所需流量而不必打开或关闭泵。就此而言，可以将压力传感器S和三个泵以及阀280和285连接成闭合回路控制系统，以获得流量的自动平衡。
[0196] 在另一实施例中，至少在理论上通过使第一泵255和第二泵265以相同泵速运行以便获得通过入口路径250和出口路径260的相等流量，来获得入口路径250与出口路径260之间的平衡流量。尽管在理论上有可能使第一泵255和第二泵265的流量相匹配，但各种因素可能导致入口路径250中的实际流体流量与出口路径260中的实际流体流量不同。
所述因素可以包括被捕获的空气、硬件磨损和流体泄漏，其可以引起第一泵和第二泵的流量随着时间偏离预设值或所需值。透析系统中的通用技术不能针对这些类型的因素校正流量平衡。
所述因素可以包括被捕获的空气、硬件磨损和流体泄漏，其可以引起第一泵和第二泵的流量随着时间偏离预设值或所需值。透析系统中的通用技术不能针对这些类型的因素校正流量平衡。
[0197] 因此，可能出现仅通过使用第一泵和第二泵不能容易地获得平衡流量的情况，因此此时存在对进行校正以平衡入口路径250与出口路径260之间的流量的需求。当流体流量不同时，可以以如下方式使用第三泵270来校正相差的流量：通过将该第三泵270激活以等于通过入口路径250的流体流量与通过出口路径260的流体流量之间的差值的速率将流体泵过次出口路径260b。系统优选被构造成使得防止第一泵255比第二泵265泵送更少的流体，从而第一泵255总是以比第二泵265更高的速率进行泵送。系统优选包括控制系统，该控制系统检测第一泵255以比第二泵265更慢的速率不利地进行泵送的状况，并且如果发生该状况，发出警报或将系统移出透析模式。
[0198] 根据流量校正方法，使用传感器S（图17）测量通过入口路径250和出口路径260的流量。在通过入口路径250的流量与通过出口路径260的流量之间进行比较。当流量不同时，将第三泵270从未激活状态激活，以使流体以所选速率流入次出口路径第二阀285，从而使出口路径260中的总流量等于入口路径250中的流量。可以使用诸如伺服机构的机构来调整第一泵255和/或第二泵265的冲程容积，直至流量平衡得以恢复（正如可以通过例如在入口路径250和出口路径260两者中存在相同的流体压力所证实的）。
[0199] 正如提到过的，传感器S可以在闭合回路系统中与控制系统和三个泵通讯联接。控制系统包括硬件和/或软件，该硬件和/或软件对检测到的流量与预定值之间或检测到的流量彼此之间的差异做出响应，根据需要自动激活和/或失活第三泵270或调整第三泵
270的泵速，以平衡入口路径250与出口路径260之间的流量。应该认识到，可以使用其它测量值例如入口路径和出口路径中的流体压力来间接计算流量，而不是直接测量流量。就此而言，可以测量入口路径和出口路径内的流体压力以发现与预定值或彼此之间的任何可检测的压力变化。流动路径可以被改造成基本非相容的，以便第一泵255和第二泵265的流量的小差异将引起量值为负或正的快速压力变化。
270的泵速，以平衡入口路径250与出口路径260之间的流量。应该认识到，可以使用其它测量值例如入口路径和出口路径中的流体压力来间接计算流量，而不是直接测量流量。就此而言，可以测量入口路径和出口路径内的流体压力以发现与预定值或彼此之间的任何可检测的压力变化。流动路径可以被改造成基本非相容的，以便第一泵255和第二泵265的流量的小差异将引起量值为负或正的快速压力变化。
[0200] 系统可以在开始时和/或定期以校准模式（有时也称为UF检查模式）运行，在所述模式中，流体（其可以是也可以不是透析液）流过第一阀280和第二阀285设定到“旁通设置”的流动路径，使得流动通过系统的流体经由旁通路径275绕过透析器15。图19示出了以该校准模式运行的系统的示意图，其中透析器15被绕过。在系统在整个血液透析过程中利用所有三个基本上连续地处于激活状态的泵的实施例中，第一泵和第二泵最初被故意设定成获得不平衡的流量。然后使用流动路径中的传感器S来测量通过入口路径的流体流量或压力和通过出口路径的流体流量或压力。然后将第三泵270设定在获得在入口路径250与出口路径260之间的基本上平衡的流量的泵速处。
[0201] 在其它实施例中，第一泵255和第二泵265最初被设定成获得相等流量，而不必定需要最初未激活的第三泵270的协助。然后使用流动路径中的传感器S测量通过入口路径的流体流量和通过出口路径的流体流量。当流体流量相等时，保持第三泵270不激活。然而，当流体流量不相等时，使第三泵270以补偿入口路径250与出口路径260之间的流量差的速率运行。正如提到过的，第三泵270可以以与流量传感器和/或压力传感器成闭合回路的关系操作。图20用虚线示出第三泵270，以表示取决于在入口路径250与出口路径260之间是否存在流量差，第三泵可以被激活或者可以不被激活。不需要激活和失活第三泵的校准过程是优选的，因为当所有三个泵连续操作时系统可以更有效地运行。
[0202] 在校准程序完成后，可以将阀280和285设定到“透析模式”，使得流体从源110通过入口路径250流入透析器15，然后流出透析器并从透析器15进入出口路径260。当按此构造时，通过使透析液经由入口路径和出口路径流入和流出透析器15，并且也通过使血液流入和流出透析器，可以将系统用于透析。在透析期间，可以定期例如以预定的时间间隔重复前面描述的校准过程，以确保入口路径和出口路径的流量保持在所需范围内。
[0203] 在实施例中，只在透析期开始时运行校准。在更优选实施例中，在透析期中定期运行校准，以确保在整个透析期中维持所需流量平衡。控制系统可以循环阀280和285以在透析设置与旁通设置之间控制输入液流，并且可以运行校准步骤而不另外中断透析期。在校准过程中，当透析液流体绕过透析器15时，由于没有向透析器15提供新鲜透析液，因此在此期间通过透析器的血液的透析不受阻碍，尽管血液可能略微冷却。只要校准步骤可以在与校准之间的时间相比相对短的时间段内进行，校准将对提供给患者的透析质量没有实质性影响。在实施例中，透析系统可以在进行1分钟校准，然后将透析液输送通过透析器60分钟之间循环。在另一个实施例案中，透析系统可以在进行30秒校准，然后将透析液输送通过透析器120分钟之间循环。
[0204] 图20示意显示了以透析模式运行的系统。第三泵270和通过次出口路径第二阀285的流动箭头291用虚线显示，以表示当系统处于透析模式下时，第三泵270可以被激活或者可以不被激活。在需要第三泵270以平衡入口路径与出口路径之间的流量的情况下，可以激活第三泵270。或者，入口路径和出口路径的流量可能在没有第三泵270的协助下相等，在该情况下第三泵270保持不激活。
[0205] 9.流动平衡器系统：操作泵以实现超滤
[0206] 在通过入口路径250的流量与通过出口路径260的流量不同，使得存在跨透析器的不平衡流量的情况下，透析系统实现超滤。当通过出口路径260的流量高于通过入口路径250的流量时，透析器15通过对流过程将流体从血液拉过半透膜，以便补偿不平衡的流量。在实施例中，系统在整个过程中基本上连续地利用所有三个泵，并且调整第三泵270的泵速以在入口路径250与出口路径260之间获得执行超滤所需的流量差。也就是说，第一泵255、第二泵265和第三泵270都是致动的，并且第一泵和第二泵以不同泵速运行。然后以如下泵速运行第三泵：有意地获得在入口路径250与出口路径136之间的足以引起超滤的所需流量不平衡。
[0207] 例如，为了实现以10ml/min的速率从血流移除流体，将第一泵255设定成提供100ml/min的通过入口路径250的流量，并将第二泵265故意设定成与第一泵255不平衡，以提供例如仅80ml/min的流量。然后将第三泵270设定成提供30ml/min的流量，使得第二和第三泵协作提供110ml/min的通过出口路径260的流量。由于通过入口路径250的流量为100ml/min并且通过出口路径的流量为110ml/min，因此透析器15通过将10ml/min的流体从血流转移到透析液来补偿10ml/min的流量差。
[0208] 在另一个实例中，为了实现将流体以10ml/min的流量添加到血流中，将第一泵255设定成提供100ml/min的通过入口路径250的流量，并将第二泵265再一次故意设定成与第一泵255不平衡，以提供例如仅80ml/min的流量。然后将第三泵270设定成仅提供
10ml/min的流量，使得第二泵和第三泵协作提供90ml/min的通过出口路径260的流量。由于通过入口路径250的流量为100ml/min并且通过出口路径的流量为90ml/min，因此存在着10ml/min的从透析液到血流的转移，以便补偿流量差。应该认识到，前面实例和下面实例中的流量值仅是出于示例的目的，实际流量以及相对流量可以变化以获得所需的超滤或反向超滤水平。
10ml/min的流量，使得第二泵和第三泵协作提供90ml/min的通过出口路径260的流量。由于通过入口路径250的流量为100ml/min并且通过出口路径的流量为90ml/min，因此存在着10ml/min的从透析液到血流的转移，以便补偿流量差。应该认识到，前面实例和下面实例中的流量值仅是出于示例的目的，实际流量以及相对流量可以变化以获得所需的超滤或反向超滤水平。
[0209] 可以改变第三泵270的速度以选择性改变超滤的量。例如，如果确定当将流体拉出血液时超滤高于所需，可以例如减慢第三泵270的泵速，从而减少第三泵270从透析器抽出的额外流体的量。当与所需预定值相比超滤不够大时，在流体被拉出血液进入透析液的情况下可以提高第三泵270的泵速，例如以从透析器、因此从血液抽出甚至更大量的流体。
[0210] 在另一个实施例中，可以将第三泵270与流体源联接，使得第三泵270通过次出口路径第二阀285将额外的流体输出到流动路径中，如图18中的实施例。引入到流动路径中的额外流体跨过半透膜215转移到血液中。
[0211] 10.流动平衡器系统：操作泵以实现血液透析滤过
[0212] 透析系统被构造成通过使第三泵的速度在下列速度之间摆动来实现血液透析滤过：（1）第一速度，使得第二泵和第三泵协作获得高于通过入口路径的流量的通过出口路径的流量；以及（2）第二速度，使得第二泵和第三泵协作获得低于通过入口路径的流量的通过出口路径的流量。通过该方式，可以使用第三泵270使流量差在透析器15将流体从血流拉入透析液的状态与透析器15将流体从透析液拉入血流的状态之间间歇地交替。对于血液透析滤过过程来说，在预定时间跨度内，应该存在流体离开血液的为零的净损失（或基本上为零的净损失）和流体进入血液的为零的净增益（或基本上为零的净增益）。然而，在该时间跨度期间，透析器15定期将流体从透析液转移到血液中，并定期将流体转移出血液进入透析液。如果希望在血液透析滤过的同时执行超滤，那么可以以下述方式操作泵，使得除了随时间将流体循环进出血液之外，还在预定的时间跨度内发生流体进出血液的净增益或净损失。
[0213] 例如，在十分钟的示例性时间跨度内，第一泵255被设定成提供100ml/min的通过入口路径250的流量，第二泵265再一次被故意设定成与第一泵255不平衡，以例如提供仅80ml/min的流量。泵270的速度可以在以10ml/min速率运行30秒时间段与以30ml/min速率运行30秒时间段之间循环。在第三泵270的速度为10ml/min的速率的时间段中，通过出口路径260的总流量为90ml/min，通过入口路径250的流量为100ml/min，从而产生导致透析器15将10ml/min的流体转移到血液中的不平衡的流量。在第三泵270的速度为30ml/min的速率的时间段中，通过出口路径260的总流量为110ml/min，通过入口路径250的流量为100ml/min，从而产生导致透析器15将10ml/min的流体从血液转移到透析液中的不平衡的流量。在具有如上所述的30秒交替时间段的十分钟跨度中，存在跨透析器的100ml/min的净平衡流量，而没有向血液净添加或减少流体。这用于使流体跨过膜通往血液，然后使流体从血液跨过膜通往透析液以实现血液的血液透析滤过，并增加对有效透析不利的大分子废物的移除的目的。通过该方式，对三个或更多个泵的系统的操作，能够通过控制第一泵、第二泵和第三泵的速度来实现血液透析、超滤和血液透析滤过三者。迄今为止该类型的操作在其它透析系统中是不可能的。
[0214] 在图18中所示的另一个实施例中，第三泵位于透析器的入口流侧上而不是出口流动路径上，使得第一泵和第三泵协作获得所需入口流量，第二泵获得所需出口流量，以执行血液透析、超滤和血液透析滤过中的一种或更多种。
[0215] 在透析治疗之间，可以对流动路径进行漂洗和/或消毒。在阀处于旁通设置时，使漂洗流体例如但不限于消毒剂溶液和水流过流动路径。在漂洗模式期间，第三泵270可以与第一泵255和第二泵265一起运行或不与第一泵255和第二泵265一起运行，以获得通过系统的流体流。
[0216] 11.透析器：示例性微流体实施例
[0217] 正如上面讨论的，透析器可以包含微流体传递装置。下面描述微流体传递装置的几个示例性实施例，包括具有用作透析器的血液流动隔室和透析液流动隔室的微流体通道或流场的装置。在实施例中，流场是宽深比约为10或更大的微流体路径，其中宽深比被限定为微流体路径的宽度与微流体路径的深度之比，并且流体基本上在微流体路径的长度方向上流动。
[0218] A.微流体传递装置描述
[0219] 图21显示了第一流体和第二流体的反向流示意图100。尽管在微通道的背景下对流动路径进行描述，但也可以使用通过流场的流动路径。此外，尽管本文中所述的各种实施例被显示为具有微通道构造，但每个实施例可以使用流体流场而不是微通道构造和运行。
[0220] 第一流体进入微通道入口102并经由通路108通过上部层板104流向微通道106，在所述通路108处流体接触传递层110，所述传递层用作透析器的半透膜215。同样地，微通道112中的第二流体在经由通路118通过下部层板114流向出口116之前与传递层110接触。传递层110可以是被选择用于特定应用的半透膜，以允许一种或更多种物质从微通道106中的流体转移到微通道112中的流体，或与之相反。例如，特定应用可以是血液透析过程。
[0221] 微通道106和112的宽度将是考虑到运行参数和构造要求的情况下可能的最宽宽度，以例如基本上阻止传递层110下垂到微通道中。实际宽度将根据某些因素改变，例如传递层110的刚性和跨传递层的压力差。通常的微通道宽度在100μm至500μm之间，更通常在约200μm至约400μm之间。
[0222] 对于透析器来说，传递层110可以是允许目标物质通过传递层的选择性传递的任何材料。本领域的普通技术人员将会认识到，膜的选择将取决于其它设计标准，包括但不限于待传递的物质、流体中存在的其它物质、所需的传递速率、携带物质的流体、接受物质的流体、运行温度和运行压力。适合的膜可以包括但不限于聚合物、共聚物、金属、陶瓷、复合材料、聚砜-纳米晶体纤维素复合材料、气-液接触器膜、中空纤维膜和流体膜。一些适用于传递层的膜包括但不限于聚砜、聚醚砜、聚丙烯腈、醋酸纤维素、二醋酸纤维素和三醋酸纤维素。
[0223] 层板104和114可以是能够被造型成具有用于特定应用的特征结构的任何材料，所述特征结构例如通路和微通道或例如用于流场的支承结构。层板厚度可以在约200μm至约1000μm之间，其中通常的厚度在约300μm至约500μm之间。适合的层板材料包括但不限于聚合物和金属。适合的聚合材料的实例包括聚碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二酯（PET）、聚醚酰亚胺（PEI）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）和卤代聚乙烯例如聚四氟乙烯（PTFE）。金属层板可以是能够具有在其中形成的所需特征结构的任何金属层板，例如可以被光化学蚀刻或通过其它方式机械加工以产生所需特征结构包括盲特征结构的材料。实例包括不锈钢、铜、钛、镍和铝。
[0224] 图22示出了层板设计的一个实施例的透视图。尽管图22在微通道的背景下进行描述，但类似的集流管构造可用于流入流场中的流体。层板104的集流管侧120包含入口102，该入口102用于接收流体并将流体引导向通路108，在该通路108处流体通过板流向板的微通道侧122（或流场侧）。然后流体流过微通道106或未示出的流场，在该微通道106或流场处流体与传递层接触。入口102具有支承结构124，以用于防止相邻层板塌陷到入口
102中。图22将微通道106公开为多个平行的微通道，然而本公开不限于该构造。
102中。图22将微通道106公开为多个平行的微通道，然而本公开不限于该构造。
[0225] 1.流场
[0226] 正如提到过的，任何实施例可以包含一个或更多个流场而不是微通道。图23示出了利用流场126而不是在图21和图22的实施例中使用的平行微通道的实施例。流场126一般可以由一对相对的壁129形成，所述壁限定了流场126的外周。在壁之间设有空间，流体在所述空间内从入口流向出口。在壁之间的空间中放置有一个或更多个离散的支承结构，例如壁片段128。支承结构至少部分用于为相邻层板提供支持，以防止层板塌陷在另一层板上。支承结构还防止膜塌陷到流动路径中并阻断血液或透析液的流动。支承结构可以相对于彼此以各种空间布置来布置。支承结构可以具有各种形状和尺寸，并可以具有销钉、壁片段、隆起、突出等的形式。
[0227] 支承结构与形成微通道的细长壁或分隔器的区别在于支承结构不限定离散、细长的流动路径。相反，多个支承结构被定位在相对壁129之间的总体流动空间中，而不具体地以特定方向引导流体。相对于微通道的精细引导的定向流动，支承结构允许流体的流动方向的更大自由度。
[0228] 此外，与使用连续微通道分隔器的情况相比，支承结构的离散的间隔开的特性导致暴露出更多的传递层表面。更多的介入传递层暴露于待透析流体，提高了例如装置的总体效率。本领域的普通技术人员将会认识到，需要将暴露于流体的传递层面积最大化，同时维持具有足够支承结构的传递层的完整性以便传递层不塌陷到一部分流场中。此外，流场实施例通过允许流体在空气泡周围流动，减轻了由捕获的空气泡引起的流动阻塞，这在微通道的更受限的体积中不能容易地发生，因为气泡可能具有显著阻断特定通道中的流动的尺寸。
[0229] 在图23的实例中，支承结构具有壁片段128的形式，所述壁片段由从层板的表面向上延伸的矩形或棱柱形体构成。壁片段128成组设置，使得从图23的视点来看，单个组形成列。整个流场126包括一系列的列。每列具有多个壁片段128，该壁片段128在列内端对端对准并彼此间隔开。每个列与相邻的列间隔开。壁片段之间的间距可以在单个列内变化，一列与相邻列之间的间距也是如此。此外，壁片段128可以布置成其它空间图案，并且不限于布置成列的图案。
[0230] 图24示出了流场126的另一实例，所述流场具有相对于相对壁129的长轴略微成角度的壁片段128。壁片段相对于相对壁129的角度的大小可以变化。所有的壁片段128可以以相同角度取向。可选地，一个壁片段128与另一个壁片段128的角度可以不同，使得一个或更多个壁片段128可以以一种角度取向，而其它壁片段可以以不同角度取向。
[0231] 当装置被组装成用于同向或反向流动时，使壁片段128对准能够产生对准耐受性设计。当相邻层被堆叠时将一个壁片段至少部分放置在另一个壁片段顶上可能是理想的，以便提供在堆中的层之间的适当的结构支持。就此而言，壁片段128可以具有相对尺寸和形状，并且可以被布置成当层被堆叠时最大化壁片段一个在另一个顶上对准的可能性的图案。图25示出了在各自具有成角度的壁片段128的交叉流构造130和同向流构造132中相邻层的并置。壁片段的成角度特性增加了当层板堆叠时壁片段相交或一个堆叠在另一个顶上的可能性。一个层在x或y方向上相对于另一个层的轻微移动，仍然在壁片段的交点处支撑膜。
[0232] 图26A公开了具有流场136的层压体134，其中支承结构包含多个圆柱形支承柱138。与壁片段128（图23）类似，多个支承柱138增加了暴露的用于传递的传递层（未示出）的表面积。此外，流体不被局限在如同微通道106（图22）的狭窄通道中，从而允许流体横向绕过流动阻碍物例如空气泡或污染物。图26B示出了由圆柱形支承柱138构成的一对支承结构的平面视图。图26C示出了一对圆柱形支承柱138的示意侧视图。圆柱形支承柱
138的尺寸可以变化，相邻圆柱形支承柱138之间的相对间隔也可以变化，以提供具有所需流动特征的流场。例如，每个支承柱138的半径R可以预先确定，相邻支承柱138之间的距离S也可以预先确定。每个支承柱的高度H也可以改变。支承柱138可以是具有圆形底的棱柱，例如圆柱。然而，棱柱的底可以是任何形状，例如矩形、三角形、椭圆形、多边形或其它几何形状。例如，图27公开了具有由泪滴状支承柱138形成的支承结构的流场136。该实施例被构造用于通过流场136的流线型流体流。
138的尺寸可以变化，相邻圆柱形支承柱138之间的相对间隔也可以变化，以提供具有所需流动特征的流场。例如，每个支承柱138的半径R可以预先确定，相邻支承柱138之间的距离S也可以预先确定。每个支承柱的高度H也可以改变。支承柱138可以是具有圆形底的棱柱，例如圆柱。然而，棱柱的底可以是任何形状，例如矩形、三角形、椭圆形、多边形或其它几何形状。例如，图27公开了具有由泪滴状支承柱138形成的支承结构的流场136。该实施例被构造用于通过流场136的流线型流体流。
[0233] 在实施例中，支承柱的尺寸是不刺穿传递层并且大到足以允许相邻层的柱对准的可能的最小值，该尺寸对于圆柱形柱来说用直径度量，对于矩形柱用宽度度量，或者对于不规则形状来说用距几何中心的平均距离的两倍来度量。支承结构通常大于0μm并小于1000μm。更通常的情况下，支承结构大于0μm并小于500μm，例如约100μm至约400μm。
本领域的普通技术人员将会认识到，支承结构的理想形状和尺寸将取决于各种因素，例如传递层材料和厚度、涉及的流体、制造对准公差和传递层效率。
本领域的普通技术人员将会认识到，支承结构的理想形状和尺寸将取决于各种因素，例如传递层材料和厚度、涉及的流体、制造对准公差和传递层效率。
[0234] 流场136可以限定支承结构138的排列，该排列具有梯度密度和变化的尺寸，如图28中所示。例如，流场136的一端可以具有较大且稀疏的支承结构138，在接近相对端的过程中尺寸逐渐减小并且密度逐渐增加。此外，可以用表面处理对一些或所有流场进行处理，以改进流体动力学。例如，可以对表面进行处理以赋予其亲水性，从而减少空气积留。可选地，它可以被选择性处理成在低支承件密度区域中是疏水的，在高支承件密度区域中是亲水的，以促使积留的空气通过稀疏区域向浓密区域移动，在浓密区域中吸水和机械力能够将气体驱出。此外，支承结构138也可以在经受设计约束的整个流场中随机分布，如图29中所示。
[0235] 支承结构138之间的距离S可以是在考虑到运行参数和构造要求的情况下可能的最宽值，以例如基本上防止传递层110（图21）下垂到流场136中。实际宽度将根据某些因素改变，例如传递层110（图21）的刚性和跨传递层的压力差。通常的宽度在100μm至500μm之间，更通常在约200μm至约400μm之间。
[0236] 微通道或流场深度产生传递效率优势。微米级维度通过减小通过大体积流体的扩散或传导长度而降质量传递质限制，从而增加了每单位面积传递层110（图21）的质量流率，从而提高效率并减小装置尺寸。微通道或流场深度通常地大于0并小于1000μm。更通常的情况下，深度大于0并小于400μm。甚至更通常的情况下，深度大于0并小于约100μm，例如约10μm至90μm。
[0237] 2.用作透析器的质量传递装置
[0238] 参考图30和图31，可以用作透析器的组装的质量传递装置200包含层板202、层板204和传递层206。提供了压缩板208以向分层的板202和204以及传递层206施加压力，从而产生基本上密封的流体微通道或流场。压缩板208利用例如连接压缩板的紧固件或通过将装置200置于夹紧机构中来施加压力。本领域的普通技术人员将会认识到，在本领域中存在向压缩板施加力的各种其它方法。流体集流管210与质量传递装置200可操作地连接，并与微通道入口212和微通道出口214流体连接，以用于将流体输送到内部微通道106和112（图21）。图31示出了平行布置的两个微流体传递装置，然而本领域的普通技术人员将会认识到，任何数目的装置可以并联、串联或通过这两种方式构造。
[0239] 压缩板208可以由具有足够刚性以均匀压缩层板202和204以及传递层206的任何材料制成。适合的材料包括但不限于聚合物、金属、陶瓷或复合材料。示例性的材料可以是例如丙烯酸类材料。然而，本领域的普通技术人员将会认识到，压缩板的材料及其厚度可能取决于各种因素，例如堆中层的数目、影响密封的所需形状以及运行温度。压缩板208可以是平坦的，或者可以具有弯曲面例如凸面，其具有适合于将压力通过装置200优选均匀地分配的曲率。
[0240] 图32示出了微流体传递装置300的一个实施例的组装图。质量传递装置300包含保持在压缩板302之间的按顺序排列的层板堆。按顺序排列的堆包含头部垫片304和由垫片306隔开的重复的子单元。重复的子单元按顺序包含第一层板308、传递层310和第二层板312。子单元的数目取决于所需的应用和容积吞吐量（volumetric throughput）和传递能力。此外，装置可以如图31中所示并联。层板308和312在设计上基本上相同。参考图33，层板308和312具有流体集流管314、流体入口316、支承结构318、通路322、位于相对侧上的微通道324（或流场）和流体出口326。这在下面图36的讨论中可以更详细地看到。再次参考图32，垫片304和306具有切口325，以便垫片不覆盖流体集流管314，防止垫片材料塌陷到集流管中并妨碍流体流动。支承结构318可以将压力传递通过堆，以便于整个堆的压缩密封并防止相邻层板塌陷到集流管中。支承结构也可以防止传递膜阻断流体流入并通过集流管。流体连接器328、330、332和334与压缩板302可操作地连接。
[0241] 图34示出了组装的微流体传递装置300的透视图。压缩板302具有用于接收紧固件的孔隙336，所述紧固件用于将堆338联接并且压缩在一起。第一流体通过流体连接器328进入装置300，并通过流体连接器330离开装置。第二流体通过流体连接器332进入装置300，并通过流体连接器334离开装置。
[0242] 图35提供了两个堆子单元400的内部流动路径的详细图。流体流动路径402显示了通过流体入口404进入的第一流体（例如血液）。流体入口404是贯通孔，其将第一流体与堆中的子单元流体连接。流体进入集流管405，在支承结构406周围流动，通过通路408流向微通道410或流场，在微通道410或流场处该流体与传递层412接触。传递层412将含有第一流体的微通道410或流场与含有第二流体（例如透析液）的微通道414或流场可操作地连接，以允许传递流体中的所选物质（例如血液废产物）。例如，质量传递层例如膜可以允许第一流体和第二流体的可透过膜的组分跨过膜从一种流体传递到另一种流体。
[0243] 图36是并置的两种流体的流体流动方式的示意图。流体入口404将第一流体提供给入口集流管422，其中流体围绕支承结构406流向微通道423，并被收集在出口集流管424中微通道的另一端处，然后通过流体出口418离开。如果图36的实施例包含流场而不是微通道423，那么流体将从入口集流管422通过流场流向出口集流管424。当流体流过流场时，该流体将围绕位于流场内的各种支承结构流动。
[0244] 第二流体通过流体入口416进入入口集流管426，在该入口集流管426处第二流体被引导向微通道427或流场，并收集在出口集流管428中，通过出口420离开。图36公开了具有彼此正交流动的第一流体和第二流体的装置；然而，本领域的普通技术人员将会认识到，可以将该装置构造成用于同向流、反向流或交叉流。图37公开了利用流场430和432而不是多个平行的微通道的另一个实施例的相邻层的并置。
[0245] 在实施例中，质量传递装置是透析器，使得第一流体是血液，第二流体是透析液。血液进入流体入口404并流向入口集流管422。然后血液进入流场或微通道流向出口集流管424，然后通过流体出口418离开。透析液通过流体入口416进入透析器并流入入口集流管426，在该入口集流管处该透析液被引导向微通道427或流场，并收集在出口集流管428中，通过出口420离开。当血液和透析液流过它们相应的流场时，溶质跨过质量传递层扩散。在相应的流场之间可以形成压力梯度，以便实现血液的血液透析滤过，其中流体定期从透析液进入血液和/或从血液进入透析液，从而利用溶质对流运动传递分子，否则仅通过扩散这些分子将缓慢跨过膜屏障。超滤是在透析中使流体通过扩散跨过透析器膜从血液移动到透析液中的过程，其目的是从患者的血流中移除过量流体。一些溶质与水一起，也通过对流而不是扩散被抽过膜。超滤是血液隔室与透析液隔室之间的压力差的结果，其中流体将从较高压力向较低压力移动。
[0246] 图38公开了具有交替的镜像子单元502和504的装置500的实施例。该实施例产生合并的流体集流管506，该流体集流管将流体通过通路510引导向微通道508（或流场）。子单元502和504由具有用于集流管506的切口的垫片512隔开。相对于具有带有彼此面对的不同流体的集流管的实施例，该布置减少了流体交叉污染。此外，以该方式布置子单元
502和506，与图32中示为304和306的两个垫片设计相比，允许单个简化的垫片设计。该实施例可以被构造用于图38中所示的交叉流或图39中所示的同向流或反向流。
502和506，与图32中示为304和306的两个垫片设计相比，允许单个简化的垫片设计。该实施例可以被构造用于图38中所示的交叉流或图39中所示的同向流或反向流。
[0247] 参考图39，装置520包含具有合并的集流管524和526的子单元522。层板528和530包含由传递层536隔开的平行的微通道532和534（或流场）。平行的微通道532和534允许同向流动路径538和540。可选地，逆转流动路径538或540任一个的方向将实现反向流。
[0248] 在另一实施例中，完全消除了对子单元之间的垫片的需求。图40公开了质量传递装置600的部分组装图，其中层板604在两侧上均具有微通道（或流场）和集流管。该构造允许装置600被组装成相同的传递层602和层板604的交替层。图41是层板604的前面606和背面608的平面视图。层板前面606具有与第一流体入口集流管612流体连接的第一流体入口610。第一流体入口集流管612将流体通过通路614引导向层板背面608上的第一流体微通道616（或流场）。微通道616将流体引导向通路618，所述通路将微通道与层板前面606上的第一流体出口集流管620流体连接，第一流体在所述层板前面606处通过第一流体出口622离开。同样地，层板背面608具有与第二流体入口集流管626流体连接的第二流体入口624。第二流体入口集流管626与通路628流体连接，所述通路628将第二流体入口集流管与层板前面606上的第二流体微通道630（或流场）流体连接。第二流体微通道630将流体引导向与第二流体微通道和第二流体出口集流管634流体连接通路
632，所述第二流体出口集流管634与第二流体出口636流体连接。
632，所述第二流体出口集流管634与第二流体出口636流体连接。
[0249] 图42公开了在微流体传递装置600（图40）中使用的传递层602。传递层602具有与板604（图41）上的流体集流管612、620、626和634的位置相关的四个切口638。尽管双侧层板604允许装置具有与前面公开的实施例相比接近一半的层板数量，但单独的压缩可能不足以密封位于层板相同侧上的集流管与微通道之间的传递层。
[0250] 图43示出了利用双侧层板604的微流体传递装置700的详细图。第一流体从集流管706通过层板604流向微通道702（或流场）。同样地，第二流体从层板604上未示出的集流管流向位于板的与集流管706相同侧上的微通道704（或流场）。由于传递层602通过微通道分隔器708而不是固体表面抵着相邻层压缩，因此流体可能在传递层下泄漏，使流体从集流管706进入微通道704。传递层联结710防止该情况发生。胶粘剂或激光焊接可以产生传递层联结710，然而本领域的技术人员将会认识到，可以使用其它方法来产生联结。该方法包括但不限于RF焊接、超声焊接和热焊接。
[0251] 尽管图43公开的双侧装置具有交叉流，但也可以构造具有同向流或反向流的双侧装置。例如，图44示出了具有双侧层板722和724的装置720，所述双侧层板被布置成提供合并的集流管726和728。微通道730和732是平行的并被传递层734隔开，从而形成同向流动路径736和738。同样地，微通道740与742彼此平行并被传递层744隔开，从而形成未示出的同向流动路径。本领域的普通技术人员将会认识到，该实施例也允许反向流。
[0252] 微流体传递装置的一个实施例利用贯通整个层板厚度的微通道。图45是贯通层板800的平面视图。层板800具有与入口集流管804流体连接的流体入口802。入口集流管804与通路808流体连接。贯通微通道811通过微通道814与通路808流体连接。微通道814将贯通微通道811与出口集流管816流体连接，该出口集流管将流体流引导向出口818。由于微通道贯通整个层板厚度，因此微通道分隔器可能需要结构支承件。图46示出了具有由部分厚度分隔器812支承的贯通微通道811的层板800。为了承受强烈压力密封，层板800具有用于将传递层抵着相邻层压缩的压力密封面820。贯通微通道层板的另一实施例示出在图47中。
[0253] 图47示出了具有形成人字形图案的微通道分隔器的层板800的平面视图。参考图48，微通道分隔器814包含布置成人字形图案的多个部分厚度壁片段816。部分厚度壁片段816在人字形图案中交替出现，使得相邻壁片段与层板800的相对侧平齐。该设计通过暴露出更大的传递层（未示出）表面积来提高装置效率。部分厚度壁片段816可以基本上形成流场而不是微通道，因为部分厚度壁片段816不必约束流体流进入单个通道。
[0254] 图49示出了使用贯通层板906的微流体传递装置900的组装图。与垫片904可操作地连接的压缩板902保持并压缩重复的子单元，所述子单元按次序包含第一流体层板906、传递层908和第二流体层板910。子单元由传递层912隔开。该实施例的一个优点是每个微通道的增加的传递层暴露。由于贯通微通道在两侧以传递层908和912为界，所述传递层将它们与相邻的板可操作地连接，因此每个层板的传递层表面积几乎加倍。这允许使用较少的层，并允许降低成本和较小的装置。
[0255] 图50提供了流体流动路径1000的细节。流体进入入口集流管1002，该入口集流管将流体引导向通路1004。流体通过通路1004行进至微通道1006，然后行进至贯通微通道1008。贯通微通道1008的取向与贯通微通道1010正交。贯通微通道1008和1010具有用于结构支承件的部分厚度分隔器1012。此外，分隔器1012提供了混合并且基本上不妨碍流体流动。传递层1014隔开并且可操作地连接贯通微通道1008和1010，以提供从一种流体向另一种流体的热或质量传递。
[0256] 图51公开了具有同向流和交叉流两者的贯通装置1100的细节。装置1100包含多个子单元1102。子单元1102包含在第一层板1106与第二层板1108之间的传递层1104。层板1106和1108分别具有贯通微通道1110和1112。微通道1110和1112彼此平行，并与相邻子单元1102的微通道正交。子单元1102由传递层1114隔开。因此，子单元1102具有在子单元1102内的层板1106与1108之间的同向流或反向流，以及在子单元之间的交叉流。
[0257] 所公开的装置可以利用流体膜。图52公开了过程流体流动路径1202和1204的并置以及流体膜通道1206的平面视图。流体流动路径1202和1204彼此基本上平行，并与流体膜通道1206基本上正交。现在参考图53，流体膜装置1300包含由流体膜1304隔开的贯通层板。流体膜1304包含含有流体和膜支承件1311的贯通层板1306。贯通层板1308具有基本上与贯通层板1302的微通道1314正交的微通道1312。本领域的普通技术人员将会认识到，膜支承件可以是适用于液体膜应用的任何材料。例如且非限制性的，微孔聚乙烯薄膜可用作膜支承件。本领域的普通技术人员将会认识到，对膜支承件的组成和放置的要求，将取决于例如在流体膜中使用的流体、过程流体以及操作温度和压力。
[0258] 质量传递装置也可以被构造成燃料电池。图54公开了包含由传递层1404隔开的多个贯通层板1402的燃料电池装置1400，所述传递层包含阴极1406、阳极1408和在该阴极以及该阳极之间的聚合物电解质膜1412。图54的装置可以例如在微通道1414中含有氢，并在微通道1416中含有氧。传递层1404的取向使得阳极1408与微通道1414相邻，阴极与微通道1416相邻。本领域的普通技术人员将会认识到，该装置可以与任何燃料电池一起使用，并且传递层构造将取决于例如使用的燃料和操作温度和压力。本领域的普通技术人员还将认识到，装置也可以被构造用于同向流或反向流。
[0259] 图55示出了流场透析器的不具有集流管区域的层板的实施例的平面视图。在该实施例中，流场具有多边形形状，其中入口1505位于流场的上部位点，出口1510位于流场的下部位点。多个支承结构例如销钉位于流场内。为了清楚地说明，在图55的流场中没有示出支承结构。流场内的支承结构的构造可以变化，如上面参考图23至图29所述。
[0260] 流场由相对壁1517限定，在相对壁之间具有用于流体流动的空间。壁1517从入口1505分支，使得流场具有在入口1505的区域中的相对小的横向尺寸，并具有在中央区域1520中的变宽的横向尺寸。在图55中中央区域1520用椭圆形近似表示，尽管中央区域的形状可以变化。壁1517从中央区域1520朝向出口1510会聚，使得流场具有在出口1510处的相对于中央区域1510来说较小的横向尺寸。入口1505将流体供应到流场中，而没有对于流体来说的任何特定的流动区域，以便在进入流场之前获得相对均匀的分布。
[0261] 入口1505处相对于中央区域1520相对受限的尺寸导致在入口处流动的流体与在中央区域1520处流动的流体之间的压力差。也就是说，当流体流入变宽的中央区域时，压力下降。然后当流体朝向较小的出口1510区域流动时，压力上升。这引起当流体从入口1505向中央区域1520流动时流体速度增加，然后当流体从中央区域1520向出口1510流动时速度降低。流场的形状可以变化，并且可以具有在入口/出口区域与中央区域之间获得尺寸差的各种形状中的任一种。例如，图56示出了在入口/出口区域与中央区域之间获得尺寸差的圆形流场。其它形状也是可能的，例如椭圆形、菱形等。
[0262] 在该实施例中，可能不需要集流管，这是由于流场本身用作其自身的集流管区域，并且简单地通过与紧邻入口1505的输入流体液流相关的相对较高压力、较高流体速度的区域与朝向流场中央区域1520的相对较低压力、较低速度的区域1520之间的压力降效应获得相对均匀的流动分布，此外还由于各种支承结构例如销钉，流体在该支承结构上碰撞并围绕该支承结构流动，以产生均匀的流动分布。当更多的流体通过入口1505进入流场时，已经处于流场中的流体被推向并推出出口1510。此外，当流体流入中央区域1520时流体速度的降低，导致流体在流场中停留时间的增加。增加的停留时间可以引起跨过透析器膜的扩散量的增加和透析器效率的提高。
[0263] 在实施例中，销钉1512布置成一系列行，使得销钉基本上形成通过流场的通道。使用已知技术，可以如下所述获得销钉行之间一定深度的通道。可以通过例如将适合的材料诸如铝机械加工成所需尺寸，或将适合的材料片例如聚酰亚胺片进行激光蚀刻，来首先产生母层板。在实施例中，使用足够量的层板来形成具有约10厘米乘约10厘米的尺寸的矩形流场，尽管尺寸可以改变。然后通过将聚醚酰亚胺板与前面产生的母板一起进行印花，或者通过激光蚀刻和与前面产生的母板一起印花的组合，从母层板产生印花母板。最后，从印花母板产生每个层板。应该认识到，在制造方法中可以进行改变。
[0264] 在使用激光蚀刻产生母板中，激光束的路径在基板上切出深度相对均匀的通道。这被示意显示在图57中，其中线1610表示形成通道的激光束的连续路径。沿着每个激光路径的长度在层板中形成深度相对均匀的通道。然而，在激光路径相互交叉的位置例如交点1615处，层板被切割出约2倍于激光路径没有交叉处的深度。交点1615处深度的增加，至少部分是两束激光彼此交叉处激光能增加的结果。这对于每个通道来说产生了起伏不平的路径，其中每个通道具有沿着其长度部分相对均匀的深度，以及在交点1615处增加的深度。
[0265] 图58示出了层板中激光形成的通道相交并具有由激光蚀刻切割产生的该类型的起伏不平的底面通道的部分的放大图。图59示出了层板表面的放大图，显示了起伏不平的通道和在通道之间形成的销钉。图59中示出的实施例具有隆起的表面，该表面一般来说在侧面和顶面上是平坦的。在另一实施例中，隆起的表面在侧面和顶面上是圆形的。与使用在具有相对相等的深度的所有销钉之间例如当对铝进行机械加工时通常产生的路径底面所能获得的相比，起伏不平的通道底面在流动中产生更强的混合条件。也就是说，起伏不平的通道底面在深度增加的每个区域中引起流动速度和流动方向的局部变化。这在流体沿着深度增加的区域流动时引起流体的局部混合。所述混合通过重复地将新鲜透析液携带到与传递膜的表面更接近的位置，倾向于提高装置的效率。
[0266] 在图60示出的实施例中，将交替的对称层板以交叉流方式堆叠，以将处理待透析流体的层板的入口1505a和出口1510a与例如处理透析液的交错层板的入口1505b和出口1510b隔开。对于该实施例来说，每个层板可以基本上绕中心轴对称，例如是正方形或圆形的，以便可以获得均匀的堆叠。使用无集流管流场和适当定位的入口和出口，可以构造几乎任何程度的反向流或交叉流或同向流，并且落入在本发明的范围之内。
[0267] 为了确定将本公开的装置用于血液透析的可行性，制造了单层、三层和五层的基于微通道的装置和单层流场装置。基于微通道的装置所包含的微通道深为100μm，宽为400μm，并具有200μm宽的分隔器。在阵列中存在51个通道，提供了每层（或传递单元）
2 2
4.2cm 的相对小的膜传递面积。流场设计具有6.3cm 的膜传递面积和 的流场深度。
使用热压印技术制备层板并对其进行造型。所有装置被构造成用于交叉流，并使用压力密封。传递层是可以从Gambro Medical获得的AN69平板膜。
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4.2cm 的相对小的膜传递面积。流场设计具有6.3cm 的膜传递面积和 的流场深度。
使用热压印技术制备层板并对其进行造型。所有装置被构造成用于交叉流，并使用压力密封。传递层是可以从Gambro Medical获得的AN69平板膜。
[0268] 所公开的跨过各种微流体实施例的流体流量取决于跨过单个层板的流量和堆中层板的数目。在透析系统内用于透析的微流体装置中，跨过微流体透析器的流量可以与透析器上游产生的透析液的流量大致匹配。通过该方式可以获得高达1000ml/min的流量，尽管对于临床环境之外的透析应用例如家庭或夜间透析来说，跨过膜的任一侧的较低流量例如100ml/min，可能是优选的。
[0269] B.制造微流体传递装置
[0270] 本文公开的装置可以通过涉及被称为微层压的制造方法的许多技术来生产。微层压方法描述在共同授予给俄勒冈州立大学的几项专利和待决的申请中，包括美国专利号6,793,831、6,672,502和题为“MECS装置的大体积微层压生产”（High Volume Microlamination Productionof MECS Devices）的美国公开号2007/0029365以及题为“微量化学物纳米工厂”（Microchemical Nanofactories）的美国公开号2008/0108122，它们全都在此引为参考。
[0271] 微层压由对被称为层板的材料薄层进行图案造型和联结所组成，以形成具有嵌入的特征结构的单片装置。微层压通常地包含至少三种水平的生产技术：1）层板图案造型，2）层板配准，和3）层板联结。因此，本发明的用于制造装置的方法包括提供多个层板，配准层板和联结层板。对于所有公开的实施例来说，层板联结是不需要的，因为配准的层板被保持在压缩板之间，提供了压力密封。作为另一种替代实施例，与压力相组合，某些实施例可以将至少一些层板联结在一起。方法还可以包括分离的部件（即来自于结构的子结构）以制造装置。部件分离可以在联结层板之前、之后或同时进行。
[0272] 在本发明的一个方面，层板从各种材料形成，特别是金属，合金包括中间金属和超合金，聚合材料包括仅示例而非限制性的聚碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二酯（PET）、聚醚酰亚胺（PEI）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）和卤代聚乙烯例如聚四氟乙烯（PTFE），陶瓷，以及这些材料的组合。对于特定应用来说，材料的正确选择由各种因素决定，例如金属或金属合金的物理性质和成本。对于金属微层压来说特别有用的金属和合金的实例，包括不锈钢、铜、钛、镍和铝。可用于本发明的微层压方法来说有用的层板可以具有各种尺寸。一般来说，层板具有约25μm至约1000μm的厚度，优选约25μm至约500μm的厚度，甚至更优选约25μm至250μm的厚度。堆中的各个层板也可以具有不同厚度。
[0273] 1.层板图案
[0274] 层板图案造型可以包括将图案机械加工或蚀刻在层板中。层板图案造型还可以包括印花、辊印花和/或冲压。产生的图案取决于将要制造的装置。非限制性地，用于机械加工或蚀刻的技术包括激光束、电子束、离子束、电化学、放电、化学和机械材料沉积或移除。层板可以通过多种技术例如平版和非平版印刷方法两者的组合进行图案造型。平版印刷方法包括微成型和电镀方法例如LIGA，以及其它净成型制造方法。平版印刷技术的一些其它实例包括化学微机械加工（即湿法蚀刻）、光化学机械加工、掩模电化学微机械加工（EMM）、等离子体蚀刻，以及沉积技术例如化学气相沉积、溅射、蒸发和电镀。非平版印刷技术包括放电机械加工（EDM）、机械微加工和激光微机械加工（即激光光消融）。对于装置的批量生产来说，光化学和光化学微机械加工可能是优选的。
[0275] 用于对公开的装置实施例的层板进行图案造型的一种方法是微印花。例如，本公开的某些实施例使用下列技术来制造。使用Obducat Nano压印平版印刷系统将微米尺度的图案从母板转印到聚合物部件。母板制造通过将母板在金属例如铝中微压炼（micromilling）来实现。使用另一种材料例如聚醚酰亚胺（PEI）作为中间体的双重转印方法也可以使用。使用造型有图案的光阻材料作为起始母板的三重转印方法也可以使用。将图案从光阻材料、通常为SU-8转印到聚二甲硅氧烷（PDMS），然后转印到热固性环氧树脂（例如Conapoxy FR-1080），该热固性环氧树脂然后被用作Obducat工具中的印花母板，将图案转印到较低熔化温度的聚合物例如聚对苯二甲酸乙二酯（PET）。SU-8可以在多个层中沉积并形成图案，允许产生精密的多平面母板。这些平面可以高于和低于具有压力密封件的平面，允许例如形成突出的特征结构例如密封突起部以及具有多种深度的通道。层板也可以使用两块母板同时在两侧印花。在原型制造期间使用校准技术例如标记和销钉。预期批量生产将使用辊印花和层压技术，也被称为转化方法来实现，其包括使用视觉系统自动校准。
[0276] 用于制造所公开的实施例的另一种方法是金属层板例如316/316L不锈钢的光化学蚀刻。使用具有图案的光阻材料掩盖层板的前侧和后侧，每个侧面具有不同的掩盖图案。从每侧进行部分蚀刻产生复杂的流动通道，包括从一侧到另一侧的通路和通向两侧的通道。也产生了用于使通道分隔器稳定的小的支承结构。该结构可用于产生分段的通道分隔器结构，从而增加传递层的活动表面。
[0277] 激光机械加工也用于切出通路、入口和出口端口、层板中的校准销钉孔以及印花母板。使用具有355nm波长激光的ESI 5330来进行激光机械加工。在批量生产中，也可以使用激光切出通路和其它贯通结构。为了产生通路，激光的角度优选为非正交的，以产生非正交通路，从而减小流动通道中的死体积。可选地，通路和其它贯通结构可以使用冲压操作来产生。冲压操作可以作为印花操作的一部分，通过设计适合的印花/冲压母板来完成。特别是非正交通路，也通过设计适合的印花/冲压母板来产生。
[0278] 激光微机械加工使用脉冲或连续激光作用来实现。基于Nd:YAG和准分子激光的机械加工系统通常是脉冲的，而CO2激光系统是连续的。Electro Scientific Industries的4420型是典型的Nd:YAG系统。通过以数字控制的X-Y运动跨过部件移动聚焦的激光通量，该微机械加工系统使用了两个自由度。切割作用是热或化学消融，这取决于待加工的材料和使用的波长。Nd:YAG激光的驱动装置可以是提供约2μm的分辨率的数字控制的伺服执行装置。然而，贯通切口的宽度取决于聚焦光束的直径。
[0279] 层板也使用CO2激光系统来进行机械加工。大多数商业化CO2激光半消融或液化待切除的材料。通常使用高速气体喷射来协助移除碎片。与Nd:YAG系统相同，激光（或工件）在X-Y方向上平移，以在材料中获得所需图案。
[0280] 使用Nd:YAG脉冲激光来切穿例如90μm厚的钢填隙片。这些切口的线宽约为35μm宽，尽管对于钢来说，观察到一些锥度。在前侧面上，沿着切口边缘可能出现一些碎片和隆脊。这种材料可以在层板制备期间通过例如表面抛光容易地从表面移除。
[0281] 还可以使用CO2激光对层板进行图案造型。CO2贯通切口约为200μm宽，也表现出轻微锥度。CO2激光切口的宽度是利用所使用的系统所能获得的最小值。部件可以在层板制备步骤中使用表面抛光进行清洁，以除去碎片。
[0282] 脉冲式Nd:YAG激光也能对由聚合材料制成的层板例如由聚酰亚胺制造的层板进行微机械加工。脉冲式Nd:YAG激光能够以高分辨率对这些材料进行微机械加工，并且没有重浇铸的碎片。对于化学消融显然是在材料移除中涉及的机理的该类型的工作来说，紫外波长显得最好。产生了清洁的边缘锋利的直径在25-50μm范围内的孔。
[0283] 2.层板制备
[0284] 取决于所使用的层板和图案造型技术，层板图案造型可以包括层板制备。层板可以通过各种技术来制备。例如，层板在图案形成后的表面抛光可能是有益的。此外，可以使用酸蚀刻从金属或合金层板移除任何氧化物。层板制备还可以包括向一些或所有层板施加无氧化物涂层。其实例是在层板上电镀金以防止环境条件下的氧化。
[0285] 3.配准
[0286] 层板配准包括（1）将层板堆叠，使得用于制造装置的堆中的多个层板中的每个均处于其在堆中的正确位置，以及（2）相对于彼此放置相邻层板，使得它们如由装置的设计所决定地正确对准。应该认识到，可以使用各种方法来正确对准层板，包括手动和目测对准层板。
[0287] 层板能够相对于彼此放置的精确性可能决定最终的装置是否发挥作用。复杂性可以从耐受一定程度非对准的结构例如微通道阵列，到需要高度精确对准的更精密复杂的装置。本领域的普通技术人员将会认识到，彼此平行的相邻层板上的微通道，与具有交叉流的实施例相比需要更精确的对准。可以使用几种对准方法来获得所需精确度。例如，可以使用调准夹具来实现配准，所述调准夹具接受层板堆并使用一些嵌入的特征结构例如角和边来对准每个层板，如果该特征结构对于所有层板来说是共有的，这种方法效用最佳。另一种方法将调准特征结构例如孔在对其它零件进行机械加工的同时引入到每个层板中。然后使用调准夹具，其引入通过调准孔的销钉。边调准方法可以将层板配准在10微米以内，假设层板的边准确到该精度。使用调准销钉和高度准确的层板机械加工技术，微米级定位是可行的。
[0288] 如果需要，也可以使用视觉系统和热辅助层板配准。关于热辅助层板配准的其它详细情况，由专利公开号2007/0029365提供，其在此引为参考。本领域的普通技术人员也将认识到，配准过程可以自动化。
[0289] 4.微流体装置的制造
[0290] 层板联结包括将多个层板中的至少一些相互联结，以产生单片装置（也称为层压体）。层板联结可以通过大量方法来实现，包括但不限于扩散软焊接/结合、热铜焊、胶粘剂粘合、热胶粘剂粘合、固化胶粘剂粘合、静电粘结、电阻焊接、显微投影焊接及其组合。在联结配准的层板之外或作为其可选方案，可以将本公开的装置组装在压缩板之间。然而，对于某些应用来说，将层板与传递层联结可能是优选的。此外，在制造期间可以使用联结或焊接例如激光点焊来便于组装。
[0291] 装置制造的优选方法包括高产量、低成本的制造技术。层板图案造型使用几种技术来实现，包括印花、冲压和光化学蚀刻等。在一个优选实施例中，组装使用例如在网膜加工或转换工业中使用的辊压技术来实现。将聚合物薄膜辊印花并冲压，然后层压以形成子组件。金属层板使用光化学蚀刻进行图案造型。现在正在开发的消融喷水技术将来也可用于金属层板的图案造型。将子组件隔开、堆叠并组装在压缩框架中。主要密封方法是从外框施压，然而联结技术例如激光焊接和胶粘剂也可用于一些实施例的部分。可以向边缘施加密封剂或密封方法，以防止通过膜的外部渗出。
[0292] C.热传递操作
[0293] 在其它实施例中，本文公开的微流体传递装置可用于各种热传递操作中。与本文中公开的质量传递装置相同，热传递装置可以包括多个子单元的堆，以将装置规模缩放到所需容积。可以将导热层引入到该装置中（例如置于子单元之间），以允许热量从一种流体传递到另一种流体。
[0294] 例如，参考图21，在热传递实施例中，传递层109可以是用于允许热量从微通道106中的流体传递到微通道112中的流体的热传递层，或与之相反。在该实施例中，传递层
110可以是能够以足够用于所需应用的速率将热量从一种流体传导至另一种流体的任何材料。相关因素包括但不限于热传递层109的导热率、热传递层的厚度和所需的传热速率。适合的材料包括但不限于金属、金属合金、陶瓷、聚合物或其复合材料。适合的金属包括但不限于铁、铜、铝、镍、钛、金、银或锡。铜可能是特别理想的材料。
110可以是能够以足够用于所需应用的速率将热量从一种流体传导至另一种流体的任何材料。相关因素包括但不限于热传递层109的导热率、热传递层的厚度和所需的传热速率。适合的材料包括但不限于金属、金属合金、陶瓷、聚合物或其复合材料。适合的金属包括但不限于铁、铜、铝、镍、钛、金、银或锡。铜可能是特别理想的材料。
[0295] 与本文中描述的质量传递装置类似，微流体热传递装置的微米级尺寸通过减小主体流体的扩散或传导长度而降低了热传递限制，从而增加了每单位面积传递层109（图21）的传热速率，因此提高效率并减小装置尺寸。
[0296] 公开的实施例还可以包含热和质量传递部件两者。本领域的普通技术人员将会认识到，大量构造是可能的，并且最优构造将由目标应用决定。
[0297] 尽管本说明书含有许多细节，但它们不应被解释为对发明的已要求的或可能要求的范围的限制，而是作为特定实施例所特有的特点的描述。在本说明书中在分开的实施例的背景下描述的某些特点，也可以在单个实施例中组合实施。相反，在单个实施例的背景下描述的各种特点，也可以分开或以任何子组合的形式在多个实施例中实施。此外，尽管特点在上面被描述成以某些组合的形式作用，并且甚至最初被要求为如此，但来自于所要求的组合的一种或更多种特点在某些情况下可以从组合中排除，并且所要求的组合可以被引向子组合或子组合的变化形式。同样地，尽管操作在图中被描绘成采取特定次序，但这不应被理解为为了获得所需结果，要求这些操作以所示的特定次序或以顺序次序执行，或者所有示出的操作都必须执行。
[0298] 尽管在本文中参考某些版本对各种方法和装置的实施例进行了详细描述，但应该认识到，其它版本、实施例、使用方法及其组合也是可能的。因此，随附的权利要求书的精神和范围将不限于本文中包含的实施例的描述。
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