热交换器是保证ECMO整个管道内血液温度达到目标温度的一个重要装置。所有的ECMO系统都有一个热交换器整合于氧合器中或置于氧合器后。一般情况下，ECMO的大部分管路都暴露在温室中，加之血液在管路中流动时接触的表面积很大，所以体外循环过程中会丢失大量的热量。在常规手术中体外循环一般要求的是低温，但在ECMO的使用中目标温度通常是常温。另外，儿童管道较之成人内径偏细，长度偏短，更需要一个稳定的热交换器能够在较短的时间内将温度调整至目标温度。目前，大多数中心使用的ECMO热交换器，其主要结构是不锈钢管外包裹一个透明、中空的聚碳醇酯壳。血液在管内流动，管外流动的是37～40℃热水用来加温血液。大部分热交换器都采用不锈钢外壳，因为其抗腐蚀性能好，长期与血液接触可避免锈蚀。另外，热交换器置于氧合器之后还具有气泡俘获的作用。

为了使进入体内的血液温度接近于体温，并且避免溶血和气泡的形成，通常情况下将ECMO的目标温度设置为略高于体温的42℃。另外，管外的水流必须为低压，通常约为0.21～0.28kg/cm ²。这保证了在热交换器的管道有破漏时，水浴的水不会进入血液。许多加热器有微处理控制的温度感受器和调节装置，能够将水浴加热使血液精确地达到设定的所需温度。通常情况下，大多数设备选用水流和血流相向而行的方式来保持两者的最大温度差，这样可以加快两者热量的交换速率，充分确保从加热器回到患者体内的血液温度接近设定温度。

变温水箱的目的是以最快的速度将血液加热或是降低到所要求的温度，为ECMO患者顺利恢复提供条件。通常情况下，根据变温水箱的性能和功能的不同，可将变温水箱分为普通变温水箱和全自动变温水箱。

普通变温水箱具有最简单的加温和泵水的作用，只是单一的把各个温度的水泵至热交换器内，不具有自动降、复温功能。通常情况下，该水箱与温度控制器相连。温度根据需要设置不同的档位，当升高至某个设定温度时，泵会自动停止并停止加热，报警灯亮。由于普通变温箱不能制冰制冷，只能向水箱内放置冰块达到降温的目的。其变温能力有限，变温速度取决于放置冰块的数量，往往很难快速到达预设温度。一旦放置冰水过快过多，便会引发ECMO患者发生寒战或是室颤。但其水箱体积小，转运方便，仍有少量ECMO中心在短时间的转运时会用到此类变温水箱。

全自动变温水箱是在普通变温水箱的基础上，在计算机系统的智能控制下使其具有自动加热、制冷、温控警报等诸多功能。有些水箱采用密闭的双水循环系统，可将水直接泵至超低温毯和热交换器。当温度过高时，加热部分自动停止工作，制冷部分启动，通过冷热水混合比例的不同以达到所需要的温度。当用于心肌保护液冷却时，可在控制系统的作用下，迅速将温度最低可降至1.5℃。当用于降温时，不需加入冰水，可快速达到所需的温度。其降温速度为40℃→30℃ 1.5分钟、30℃→20℃ 1.9分钟、20℃→10℃ 2.3分钟、10℃→5℃ 1.5分钟，并且具有温控报警系统，可根据温度变化快速精准地调整冷热水的混合比例。

外科手术过程中一般使用变温水箱降温的功能来减少器官的损伤，但在ECMO的使用过程中，大多应用的是升温的功能。变温水箱的最终目的是在可控的范围内快速精准地升温或是降温，让机体能够时刻尽量保持恒温的状态。