DE69517863T2

DE69517863T2 - Austauschanordnung, zum Beispiel für biomedizinische Einrichtung

Info

Publication number: DE69517863T2
Application number: DE69517863T
Authority: DE
Inventors: Massimo Fini; Giampiero Porro; Stefano Rinaldi; Franco Vallana
Original assignee: Sorin Biomedica Cardio SpA
Current assignee: Sorin Biomedica Cardio SpA
Priority date: 1994-05-06
Filing date: 1995-05-04
Publication date: 2001-02-08
Anticipated expiration: 2015-05-05
Also published as: US5762870A; ITTO940368A1; ATE194668T1; EP0681040B1; DE69517863D1; IT1274004B; EP0681040A1; ITTO940368A0

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung wurde im besonderen für ihre mögliche Verwendung beispielsweise auf dem Gebiet von biomedizinischen Geräten entwickelt.
In diesem Zusammenhang werden derzeit nicht nur Masse-Austauschvorrichtungen (wie sie in Geräten für das Anreichern von Blut mit Sauerstoff oder für die Reinigung von Blut vorhanden sind) sondern auch Wärme-Austauschvorrichtungen verwendet (beispielsweise für die Herstellung von Wärmetauschern, die zusammen mit Blut-Oxygenatoren verwendet werden). Im wesentlichen gleichartige Vorrichtungen können in der Industrie für verschiedene Zwecke verwendet werden, beispielsweise für Reinigungsvorgänge, die auf einer Vorrichtung für eine umgekehrte Osmose beruhen.
Ein Merkmal, das beinahe allen diesen Vorrichtungen gemeinsam ist, besteht darin, dass sie für die Anordnung oder die Strömung von zumindest zwei Medien (üblicherweise von Fluiden) an zumindest örtlich einander gegenüberliegenden Stellen sorgen, um einen Austausch - üblicherweise von Massen und/oder Wärme - zwischen diesen beiden Medien mit verschiedenen Vorrichtungen hervorzurufen.

Beschreibung des Stands der Technik

Für Masse-Übetragungs- oder Masse-Austauschvorrichtungen, beispielsweise Blut-Oxygenatoren (wobei darauf hingewiesen werden soll, dass die Erfindung keinesfalls auf diesen bestimmten Zusammenhang oder diese Anwendung beschränkt sein soll), wurden in der Technik zumindest vier verschiedene Bauarten vorgeschlagen und verwendet, und zwar:
- Blasen-Oxygenatoren (siehe beispielsweise US-A-3,915.650 und US-A-4,428.934),
- Dünnschicht-Oxygenatoren (siehe beispielsweise US-A-3,070.092 sowie die Beschreibung im einleitenden Teil von US-A- 5,244.930),
- Flachmembran-Oxygenatoren (siehe beispielsweise US-A- 4,698.207), sowie
- Hohlfaser-Oxygenatoren (siehe beispielsweise EP-A-0,292.445)
Dünnschicht- oder Blasen-Oxygenatoren besitzen eine Anzahl von Elementen, die im Betrieb kritisch sind, beispielsweise hinsichtlich des Problems, dass die Blasen des Restgases in dem mit Sauerstoff angereicherten Blut beseitigt werden müssen, bevor dieses wieder in das Blut des Patienten eingeleitet wird.
Bei Membran-Oxygenatoren treten Fertigungsprobleme auf, vor allem hinsichtlich der Ausrichtung der Membran, die während des Betriebs so weit als möglich geschützt werden muss. Durch diese Forderung müssen extrem komplizierte mechanische Halterungen vorgesehen werden.
Hohlfaser-Oxygenatoren lösen viele Probleme, die anderen Aufbauten eigen sind. Sie besitzen jedoch den Nachteil, dass sie während des Betriebs einer Ansammlung oder Kondensation von Wasserdampf sowie organischen Stoffen (typisch Proteinen) unterworfen sind, die dazu führen, dass ihre Leistungsfähigkeit allmählich beeinträchtigt wird. Dies rührt vor allem daher, da das Material der Fasern, das ursprünglich hydrophob ist, dazu neigt, allmählich hydrophil zu werden. Damit die Fasern selbsttragend sein können, ohne dass die Gefahr eines Bruchs oder eines Zerbrechens durch das anliegende Druckgefälle besteht, müssen die Fasern weiters eine Wandstärke besitzen (typisch in der Größenordnung von 25-50 um bei mikroporösen - Fasern für die Anreicherung mit Sauerstoff), die für die Austauschvorrichtung nicht als optimal angesehen werden kann, die üblicherweise durch kleinere Wandstärken verbessert oder vereinfacht wird.
Überlegungen, die den oben getroffenen Überlegungen ähnlich sind, betreffen auch die anderen Austauschvorrichtungen, die oben erwähnt wurden, beispielsweise für Blutreinigungsgeräte (die auf verschiedenen Grundlagen arbeiten, beispielsweise für eine Dialyse, einer Haemofiltration, einer Haemodiafiltration usw.) und/oder für Wärmetauscher.
Im besonderen betrifft diese Erfindung eine Austauschvorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1, der beispielsweise aus EP-A-0,341.979 bekannt ist (dieses Dokument offenbart auch einen Kern, der von einem Profilkörper gebildet wird, der im allgemeinen flügelförmig aufgebaut ist). Im wesentlichen gleichartige Äufbaüten sind beispielsweise aus EP- A40,251.729 (D2), DATABASE WPI Week 8645, Derwent Publications Ltd; AN 86-294614 & JP-A-61,215.710 (D3) sowie DATABASE WPI Week 8642, Derwent Publications Ltd; AN 86-275600 & JP-A-61- 201.007 (D4) bekannt.

Gegenstände und Zusammenfassung der Erfindung

Gegenstand der Erfindung ist es daher, eine Austauschvorrichtung zu liefern, mit der ihre Nachteile, im besonderen die oben erwähnten Nachteile, von Grund auf überwunden werden, obwohl ihre wesentlichen Bauteile einer herkömmlichen Hohlfaser-Austauschvorrichtung ähnlich sind.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird dieser Gegenstand mit einer Austauschvorrichtung erreicht, die jene weiteren Merkmale besitzt, die im angeschlossenen Anspruch 1 angeführt sind.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung

Die Erfindung wird nun anhand eines nichteinschränkenden Beispiels und im Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen zeigt:
Fig. 1 den Schrägriss eines Teils einer Austauschvorrichtung, die in Übereinstimmung mit einer ersten möglichen Ausführungsform der Erfindung aufgebaut ist;
Fig. 2 einen Querschnitt durch die Vorrichtung von Fig. 1;
Fig. 3 einen Teil einer Austauschvorrichtung gemäß einer anderen möglichen Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 4 einen Querschnitt durch die Austauschvorrichtung von Fig. 3;
Fig. 5 und 6 zwei weitere mögliche Ausführungsformen eines Teils der Austauschvorrichtung gemäß der Erfindung; und
Fig. 7 einen Querschnitt, der den Ausführungsformen von Fig. 5 und 6 gemeinsam ist.
Wie bereits oben erwähnt, ist die Austauschvorrichtung gemäß der Erfindung bis zu einem gewissen Grad dahingehend einem Faseraufbau ähnlich, dass sie von sich aus dazu führt, dass sie in Form eines länglichen Faserkörpers von unbegrenzter Länge hergestellt wird, von dem in Fig. 1, 3, 5 und 6 irgendein Teil dargestellt ist, während Fig. 2, 4 und 7 einen Querschnitt durch irgendeine diametrale Ebene zeigen (die Längsstelle, an der dieser Schnitt durchgeführt wird, verändert nur die relative Ausrichtung der betrachteten Elemente).
Eine Austauschvorrichtung gemäß der Erfindung, die allgemein die Bezugsziffer 1 trägt, enthält im wesentlichen zwei Elemente, beide von unbegrenzter Länge, wodurch sie in jede gewünschte Länge geschnitten oder auf irgendeine Art verdreht werden können, wie sie für Fasern verwendet wird, und zwar:
- einen Kern 2, 2', 2", 2''' der die allgemeine Längsform der Austauschvorrichtung 1 bildet, und
- einen Mantel oder Überzug 3, der im allgemeinen rohrförmig ausgebildet ist (obwohl diese Form für sich nicht wesentlich ist) und den Kern 2, 2',2", 2''' eng umschließt.
Obwohl hier bei der folgenden Beschreibung besonders auf eine Ausführungsform hingewiesen wird, bei der der Kern und der Mantel körperlich voneinander getrennt sind und von zwei getrennten Körpern gebildet werden, soll in diesem Zusammenhang erwähnt werden, dass die Erfindung von sich aus dazu führt, dass sie aus einem Aufbau hergestellt werden kann, bei dem der Kern und der Mantel zumindest am Rand beispielsweise dadurch miteinander verbunden sind, dass sie gleichzeitig oder im wesentlichen gleichzeitig hergestellt werden, beispielsweise durch Pressen, gemeinsames Pressen oder ähnliche Vorgänge.
Welcher besondere Aufbau auch immer gewählt wird, bildet der Mantel 3 eine Austauschfläche zwischen zumindest einem ersten Medium, das in den Zwischenraum zwischen der Innenfläche des Mantels 3 und der Außenfläche des Kerns 2, 2', 2", 2 ''' fließen kann, und zumindest einem zweiten Medium, das im Betrieb über die Außenfläche des Mantels 3 in einer Vorrichtung fließen kann, die im allgemeinen einer Vorrichtung ähnlich ist, mit der die Arbeitsweise von Hohlfaser- oder Röhrchen- Austauschvorrichtungen geregelt wird.
Bei der Ausführungsform von Fig. 1 und 2 wird der Kern 2 von zwei fadenförmigen Elementen oder Faserelementen (hier beispielhaft in Form von ungeteilten Fasern dargestellt) gebildet, die vorzugsweise zumindest örtlich zu einem im allgemeinen schraubenförmigen Aufbau verdreht sind.
Ein im wesentlichen ähnlicher Aufbau ist beispielhaft für den Kern 2' der Ausführungsform von Fig. 3 und 4 dargestellt, bei dem drei fadenförmige Elemente 4 (hier ebenfalls in Form von ungeteilten Fasern dargestellt), die in diesem Fall vorzugsweise in einem im allgemeinen verseilten Aufbau ebenfalls in einem im allgemeinen schraubenförmigen Aufbau verbunden sind.
Bei der Ausführungsform von Fig. 5 und 6 wird der Kern von einem Profilkern 2" oder 2''' mit einem flügelförmigen Querschnitt gebildet, beispielsweise mit vier im wesentlichen gleichartigen Flügeln, die in gleichen Winkeln von 90º um die Längsachse des Kerns gleichmäßig beabstandet sind.
Der Unterschied zwischen der Ausführungsform von Fig. 5 und der Ausführungsform von Fig. 6 besteht darin, dass der Kern 2''' von Fig. 6 sozusagen um seine Achse so verdrillt ist, dass die Flügel 5 einen im allgemeinen schraubenförmigen Aufbau bilden, während der Kern 2" von Fig. 5 eine im allgemeinen geradlinige Form aufweist.
Was die in Fig. 1, 3 und 6 gezeigte Ausführungsform betrifft, sei darauf hingewiesen, dass in diesen Zeichnungen der schraubenförmige Aufbau des Kerns 2, 2', 2", 2''' im Vergleich zu wirklichen Vorrichtungen übertrieben dargestellt ist (um das Prinzip deutlich zu machen), die derzeit bevorzugt werden.
Ein Merkmal, das allen gezeigten Ausführungsformen gemeinsam ist, besteht darin, dass der Mantel 3 den Kern 2, 2', 2", 2''' - so umgibt, dass Zwischenräume 6 zwischen dem Kern und der Innenfläche des Mantels 3 freigelassen werden. Diese Zwischenräume bilden innerhalb der Austauschvorrichtung 1 Strömungskanäle in Längsrichtung für eines jener Medien, die vom Austauschvorgang betroffen sind (Masse oder Wärme), wenn die Vorrichtung in Betrieb steht. Beispielsweise bei einem Blut-Oxygenator in einem Haemofilter oder einem Haemodialysator bilden die Zwischenräume 6 die Strömungskanäle für den Sauerstoff, das Blutfiltrat oder die Dialyselösung, während das Blut, das mit Sauerstoff angereichert oder gereinigt werden soll, über das Äußere des Mantels 3 fließt.
Bei den Ausführungsformen, wie sie beispielsweise Fig. 1 bis 4 zeigt, besitzen die Zwischenräume 6 einen Querschnitt, der im allgemeinen V-förmig mit abgerundeten Seiten ausgebildet ist (die von den Außenflächen der Fasern 4 gebildet werden). Dazu wird bei den Aufbauten von Fig. 3 und 4 ein Mittelkanal oder Zwischenraum 6' beigefügt, der im wesentlichen dreieckig ausgebildet ist. Da er nicht dem Mantel 3 ausgesetzt ist und daher nicht in der Austauschvorrichtung verwendet werden kann, kann dieser mittlere Zwischenraum 6' verschlossen oder für andere Zwecke verwendet werden (beispielsweise für den Durchlass eines Führungsdrahts).
Es muss nicht eigens darauf hingewiesen werden, dass aus dem in Fig. 1 bis 4 beschriebenen Aufbau leicht auf die Herstellung von weiteren Varianten der Erfindung geschlossen werden kann (hier nicht dargestellt), bei denen der Kern von einer Verseilung oder einer Umflechtung von vier oder mehr fadenförmigen Elementen oder Faserelementen 4 gebildet werden kann.
Dadurch, dass eine Vielzahl von Fasern 4 in einem im allgemeinen schraubenförmigen Aufbau vorgesehen ist, kann die Außenfläche des Mantels 3 auch im allgemeinen schraubenförmig gerippt ausgebildet sein, wenn dieser um den Kern 2 oder 2' gelegt wird. Diese besondere Anordnung ist immer dann vorteilhaft, wenn es nötig ist, eine gewisse Turbulenz in jenem Medium zu unterstützen, das über die Außenfläche der Austauschvorrichtung fließt, um einen wirkungsvollen Austausch zu erreichen: in den oben angeführten Fällen beispielsweise Blut, das mit Sauerstoff angereichert oder gereinigt werden soll. Auf ähnliche Weise wird die beträchtliche Turbulenz oder zumindest das Nichtstocken jenes Mediums, das im Austauschaufbau 1 fließt, durch die im allgemeinen rauhe Form der Kanäle 6 unterstützt.
Das oben Gesagte gilt im wesentlichen auch für die in Fig. 5 bis 7 gezeigten Ausführungsformen, im besonderen für die Ausführungsform von Fig. 6, in der der Kern 2''' im allgemeinen schraubenförmig ausgebildet ist.
Die Varianten von Fig. 5 bis 7 besitzen weiters den Vorteil, dass das Profil der Verbindungsflächen, die mit der Bezugsziffer 6a versehen sind und die Flügel 5 miteinander verbinden, wahlweise abgeändert werden kann. Die Flächen 6a bilden zusammen mit den Innenflächen der gegenüberliegenden Bereiche des Mantels 3 die Querschnitte der Zwischenräume oder Kanäle 6.
Obwohl in Fig. 7 die Flächen 6a im allgemeinen bogenförmig dargestellt sind, können diese Flächen beispielsweise L- oder V-förmig ausgebildet sein oder eine polygonale oder auch eine kompliziertere Form besitzen. All dies liegt in der erkannten Priorität für Formen der Flügel 5 in diesen Bereichen, die dazu dienen, um mit dem Mantel 3 in Berührung zu treten, wobei sie im allgemeinen abgerundet sind, um diesen zu tragen: zu scharfe Ecken würden zu einer Abnützung sowie zu einem möglichen Bruch des Mantels 3 führen.
Es ist ersichtlich, dass es bei allen gezeigten Ausführungsformen möglich ist, dass die Kanäle 6 so ausgebildet werden, dass in jenen Bereichen, in denen die Flügel 5 nahe beim Mantel 3 liegen, Eckbereiche mit äußerst kleinen Radien ausgebildet werden. All dies dient dazu, um dann, wenn Flüssigkeiten in den Kanälen 6 vorhanden sind oder diese durchströmen, eine Kapillarwirkung auftritt, die das Entstehen einer Entmischung von Gas und Flüssigkeit in der Austauschvorrichtung verhindert, wie dies in EP-A-0,521.430 gelehrt wird.
Was die Auswahl der Materialien betrifft, ist der Aufbau gemäß der Erfindung äußerst flexibel, wobei sie in Übereinstimmung mit bestimmten Anwendungsgebieten abgeändert werden können.
Beispielsweise ist es bei der Herstellung von Masse-Austauschvorrichtungen (Oxygenatoren, Dialysegeräten, Vorrichtungen für eine umgekehrte Osmose usw.) möglich, dass für den Mantel 3 alle Materialien verwendet werden, die herkömmlich bei der Herstellung von Austauschmembranen oder Fasern Verwendung finden, beispielsweise Polymere, Polyäthylen, Polypropylen, Polyurethan, Polysulfon, Silizium, Zellulosematerialien usw. bis zur Verwendung von Metallen bei Wärmetauschern, beispielsweise von Metallen mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit (Kupfer, Aluminium, Stahl usw.).
Was die Wandstärke des Mantels-3 betrifft, besteht weiters die Möglichkeit, dass äußerst kleine Werte verwendet werden, beispielsweise in der Größenordnung von wenigen um, wobei dies für die Mehrheit der oben angeführten Anwendungsarten optimal ist, wobei vereinheitlichte Verfahren verwendet werden können (beispielsweise Pressen, Spinnen, gemeinsames Pressen usw.), wobei hinsichtlich der Abmessungen der Vorrichtungen keine besonderen Einschränkungen gefordert werden. Diese können daher in Übereinstimmung mit den bestimmten Anforderungen für den Betrieb gewählt werden, beispielsweise was den Gesamtquerschnitt der Kanäle 6 betrifft. Beispielsweise können Vorrichtungen, wie sie in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt sind, mit Durchmessern hergestellt werden, die in der Größenordnung von 150-400 um liegen, wobei leicht ersichtlich ist, dass in den Zeichnungen und besonders in den Querschnitten von Fig. 2, 4 und 7 die Dicke des Mantels 3, bei dem es sich um einen dünnwandigen Körper handelt, mit Abmessungen dargestellt ist, die im Hinblick auf die tatsächlichen relativen Abmessungen stark vergrößert sind, um die Darstellung deutlicher zu machen.
Das oben Gesagte gilt auch für die Herstellung der Kerne 2, 2', 2", 2'''. Auch hier gibt es eine breite Auswahl für die Materialien, die möglicherweise von sehr verschiedenen Arten von Polymeren bis zu Metallen reicht (besonders dann, wenn es erwünscht ist, der Vorrichtung eine gewisse Steifigkeit oder Festigkeit in Längsrichtung zu verleihen, beispielsweise bei der Herstellung von Vorrichtungen zum Katheterisieren). All dieses kann vom Hersteller unter Verwendung von bekannten Fertigungsverfahren erreicht werden, beispielsweise typisch einem Pressen oder einem gemeinsamen Pressen des Mantels auf den Kern oder das Aufsetzen von wärmeschrumpfenden Mänteln und/oder (bei Vorrichtungen, wie sie Fig. 1 und 3 zeigt) einem Spinn- und Wickelverfahren. Wie bereits erwähnt, können der Mantel und der Kern dann auch aus zwei getrennten Körpern oder aus Teilen eines einzigen Körpers bestehen. Dies ist unabhängig davon, ob sie aus dem gleichen Material oder aus verschiedenen Materialien hergestellt werden.

Claims

1. Austauschvorrichtung (1), die im Betrieb einen Austausch zwischen zumindest zwei Medien an zumindest einer Austauschfläche durchführen kann, wobei die Vorrichtung enthält:

- einen im allgemeinen länglichen Kern (2, 2', 2", 2''') sowie

- einen Mantel (3), der die Austauschfläche bildet und den Kern (2, 2', 2", 2''') umgibt, um mit dem Kern (2, 2', 2", 2''') zumindest einen Kanal (6) für eines der beiden Medien zu bilden, dadurch gekennzeichnet, dass

- der Kern (2, 2') eine Vielzahl von fadenförmigen Elementen (4) enthält oder von einem Profilkörper (2", 2''') gebildet wird, der im allgemeinen eine flügelförmige Form (5) besitzt, und

- der Mantel (3) von einem dünnwandigen Körper gebildet wird, der den Kern (2, 2', 2", 2''') eng umschließt, so dass die Außenfläche des Mantels (3), über die im Betrieb das andere Medium fließt, im Querschnitt gerade Bereiche aufweist, mit denen die fadenförmigen Elemente (4) oder die Flügel des Profilkörpers (2", 2''') überbrückt werden.

2. Austauschvorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Mantel (3) einen im allgemeinen rohrförmigen Aufbau besitzt.

3. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die fadenförmigen Elemente (4) in einem Aufbau angeordnet sind, in dem sie miteinander verseilt sind, so dass der Mantel (3) außen eine im allgemeinen gerippte Form besitzt.

4. Austauschvorrichtung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die fadenförmigen Elemente (4) zumindest örtlich in einem im allgemeinen schraubenförmigen Aufbau verseilt sind.

5. Austauschvorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (2", 2''') eine Vielzahl von Flügeln aufweist, die in gleichen Winkeln beabstandet sind.

6. Austauschvorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Profilkörper zumindest örtlich eine verseilte Form aufweist, so dass die Flügel (5) im allgemeinen schraubenförmig verlaufen.

7. Austauschvorrichtung gemäß irgendeinem der bisherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (2, 2', 2", 2''') zumindest in jenen Bereichen eine im allgemeinen abgerundete Form besitzt, die mit dem Mantel (3) in Berührung gelangen.

8. Austauschvorrichtung gemäß irgendeinem der bisherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest in jenen Bereichen, in denen der Umriss des Kerns (2, 2', 2", 2''') nahe beim Mantel (3) liegt, der Kern (2, 2', 2", 2''') eine Form besitzt, so dass er Eckbereiche mit sehr kleinen Krümmungsradien bildet, so dass für das Fluid, das durch diese Bereiche (6) fließt, eine Kapillarwirkung entsteht.

9. Austauschvorrichtung gemäß irgendeinem der bisherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (2, 2', 2", 2''') und der Mantel (3) aus verschiedenen Materialien hergestellt sind.

10. Austauschvorrichtung gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (2, 2', 2", 2''') und der Mantel (3) im wesentlichen aus dem gleichen Material hergestellt sind.

11. Austauschvorrichtung gemäß irgendeinem der bisherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (2, 2', 2", 2''') und der Mantel (3) getrennte Körper sind.

12. Austauschvorrichtung gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (2, 2', 2", 2''') und der Mantel (3) Teile eines einzigen Körpers sind.