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Plattendialysator aus deckungsgleich gestapelten Platten
Die Erfindung betrifft einen Plattendialysator mit deckungsgleich gestapelten flüssigkeitsleitenden
Platten und dazwischen angeordneten Membranen.
Dialysatoren haben ein weites Anwendungsgebiet. Sie werden zur Trennung von Flüssigkeiten gelöster Stoffe eingesetzt, insbesondere zur Trennung von Kolloiden und darin befindlichen molekulardispersen Stoffen mit kleinerem Teilchendurchmesser. In abgewandelten Ausführungen können diese Plattendialysatoren auch für den Stoffaustausch zwischen Flüssigkeiten und Gasen, z. B. als künstliche Lungen, als Gastauscher, beispielsweise in Form künstlicher Kiemen, oder auch als Wärmetauscher zwischen zwei strömungsfähigen Medien, je nach Wahl der Membrane, die die miteinander in Stoffaustausch oder Wärmeaustausch tretenden Medien voneinander trennen, eingesetzt werden. Ein besonderes Anwendungsgebiet für Plattendialysatoren ist die extrakorporale Hämodialyse.
Hiebei übernimmt eine semipermeable Membran die Aufgabe des physiologischen Filters der Glomerulus-Kapillaren. Hiebei findet nach den Gesetzen der Osmose und Diffusion ein Stoffaustausch zwischen dem einerseits auf die Membran aufgebrachten Blutfilm und einer an der andern Seite der Membran vorbeiströmenden Spüllösung statt. Diesem Einsatz des Plattendialysators als künstliche Niere kommt immer grössere Bedeutung zu, weshalb im folgenden auf einen Blutdialysator besonderer Bezug genommen wird.
Bei künstlichen Nieren kommt es im wesentlichen darauf an, einerseits das Blutfüllvolumen so gering wie möglich zu halten, um zusätzliche Aggregate wie Pumpen oder Heizvorrichtungen einzusparen und Blutverluste weitgehend zu vermeiden, und anderseits die Strömungswege innerhalb des Dialysators so zu gestalten, dass eine möglichst laminare Blutströmung und möglichst kurze Blutwege erreicht werden, um eine Blutschädigung zu vermeiden.
Besondere Schwierigkeiten bereitet es, die Dialyseflüssigkeitsbahnen eines Plattendialysators gegeneinander abzudichten. Dies beruht nicht zuletzt darauf, dass vor allem bei Blutdialysatoren als Material für die Membranen Zellglas verwendet wird, das sich infolge Aufweichens nicht wasserfest mit den Dialysatorplatten verkleben, verschweissen oder auf ähnliche Weise verbinden lässt. Bei bekannten Blutdialysatoren einfacherer Bauart wird das Blut über ein verzweigtes Kanalsystem in Rillen der Dialysatorplatten eingeleitet, die jeweils durch Membrane abgedeckt sind.
In den Rillen der benachbarten Platte fliesst dabei die Spüllösung, so dass ein Stoffaustausch zwischen Blut- und Spüllösung nur über die einseitige Berührungsfläche mit den Membranen erfolgen kann, während das Blut auf einer sehr viel grösseren Oberfläche in Fremdberührung mit den inaktiven Dialysatorplatten steht. Der Wirkungsgrad solcher Dialysatoren ist bezogen auf das Blutfüllvolumen sehr gering und ausserdem ist der Widerstand für das Blut in den verzweigten Bahnen gross.
Es wird daher bei Blutdialysatoren angestrebt, das Blut als dünnen Film jeweils zwischen zwei Membranen strömen zu lassen, so dass wesentlich vergrösserte Berührungsflächen für den Stoffaustausch zur Verfügung stehen. Bei solchen Dialysatoren besteht jedoch noch eine viel grössere Schwierigkeit, den
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Blutraum zwischen den Membranen abzudichten. Dies ist insbesondere an den Stellen der Fall, wo das
Blut zwischen die Membrane eintritt, die jeweils wieder zwischen zwei Dialysatorplatten angeordnet sind.
Bekannt sind Plattendialysatoren aus deckungsgleich gestapelten Platten mit je einer profilierten und einer glatten Oberfläche, wobei jeweils die von den Membranen überdeckten profilierten Flächen einerseits und die glatten Flächen anderseits einander zugekehrt sind, mit in Deckplatten an einander diametral gegenüberliegenden Ecken des Plattenstapels angeordneten Zu-und Abführstutzen für die
Spülflüssigkeit sowie je einem im stirnseitig gegenüberliegenden angeordneten Abschlussplatten befindlichen Zu-und Abfuhrungskanal für die zu dialysierende Flüssigkeit und Abdichtungen an den
Längsseiten.
Bei derartigen bekannten Dialysatoren werden deshalb in den Blutraum jeweils zwischen zwei benachbarten Platten besondere Anschluss-und Verteilerstücke eingedichtet. Dazu besitzen die Platten Aussparungen, in die die Anschluss-und Verteilerstücke formschlüssig einlegbar sind. Diese Anordnung bedingt vor allem den Nachteil, dass solche Dialysatoren eine grosse Bauhöhe haben und ausserdem der Zusammenbau infolge Einlegens der einzelnen Anschluss-und Verteilerstücke langwierige Arbeitsgänge erfordert. Man hat auch bereits die Membrane unmittelbar auf die profilierten Platten aufgelegt, aber auch bei diesen Bauarten sind besondere Arbeitsgänge zur Profilierung der Endkanten der Platten notwendig, um in diese die Membranenden unter entsprechenden Abkantungen einzulegen und einzelweise abzudichten.
Es ist ferner vorgeschlagen worden, unabhängig von einer der beiden Befestigungen der Membrankanten die Kanten der Profilplatten, die den Plattenstapeln vorgelagerten Kanälen benachbart sind, mit angeschrägten Kanten zu versehen.
Die Erfindung löst die Aufgabe, die Dialysatorplatten und die Membrane unmittelbar durch einfache Aufeinanderlegung betriebssicher gegeneinander abzudichten, also ohne jeden Behelf von Abstandhaltern oder besonderen Profilierungen und Abdichtungen der Platten oder der Mambrane. Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, dass bei der beschriebenen Art der Plattendialysatoren die Oberflächenprofile in an sich bekannter Weise aus parallelen Rillen bestehen und jede dialysierende Membran um je zwei einander gegenüberliegende Stirnseiten einer Profilplatte herumgeführt ist und die Membranenden jeweils zwischen Oberflächenteilen von zwei benachbarten Platten dichtend eingeklemmt sind.
Eine Verbesserung dieser Erfindung besteht darin, dass die Platten an ihren profilierten Vorderseiten je zu dem Plattenstapel vorgelagerten Kanälen hin an sich bekannte abgeschrägte Kanten haben, unter Ausbildung keilförmig zu den Kanälen hin öffnender Vorderräume derart, dass die Membranenden sich um diese angeschrägten Kanten herumlegen und ihre anschliessenden Enden dann in der Hauptplattenebene abgedichtet sind. Diese neue Ausgestaltung erlaubt zahlreiche vorteilhafte Entwicklungen. Die Abdichtung der Platten des Stapels mittels der elastischen Membranenden wird im Betrieb von selbst weiter verbessert dadurch, dass auch die Membranenden quellen. Die neue Abdichtung löst daher die Aufgabe, einen Plattendialysator zu schaffen, bei dem die Abdichtung kein Hilfsmittel und keinen Raum in Anspruch nimmt.
Grundsätzlich spielt es für die Lösung der Aufgabe keine Rolle, ob der neue Plattendialysator im Gleichstrom, Gegen-oder Querstrom betrieben wird.
Beim Zusammenbau des neuen Dialysators ergibt sich, dass in vorteilhafter Anwendung die Stirnseite aller Platten, die an die Kanäle angrenzen, von Membranen umschlossen sind, so dass keine Trennfuge zwischen Platten und Membranen an die Kanäle angrenzt. Dies wird einfach dadurch erreicht, dass je eine Platte und eine Membran als vorgefertigte Einheit in an sich bekannter Weise deckungsgleich derart übereinander gestapelt sind, dass einerseits die von den Membranen überdeckten Vorderseiten und anderseits die von den Membranenden am Ende bedeckten Rückseiten der Platten unmittelbar aufeinander liegen.
Dabei ist es vorteilhaft, wenn sowohl zur Führung der zwischen benachbarten Membranen strömenden Dialyseflüssigkeit, wie zur Führung der zwischen den Membranen und den Platten strömenden Dialyseflüssigkeit, das Profil der Plattenvorderseiten durch parallele Rillen gebildet ist, die sich von einem Vorraum zum am gegenüberliegenden Plattenende angeordneten Vorraum erstrecken.
Hiebei können die Rillen sowohl geradlinig wie auch bogenförmig gewunden sein. Sie können auch diagonal oder rechtwinkelig einander kreuzend verlaufen. Im letzteren Fall befinden sich zwischen den Rillen auf den Platten keine durchlaufenden Rippen, sondern einzeln stehende Höcker. Bei deckungsgleicher Anordnung benachbarter Rillenfelder der Platten, entstehen kapillare Wege von annähernd flachovalem Querschnitt.
Wenn jeweils zwischen zwei Platten ein breiter, durchgehender Blutfilm erzeugt werden soll, sind
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;- fest zwischen den Rückseiten --8-- eingeklemmt sind, was durch ein Aufquellen der Membrane--3--beim Befeuchten noch begünstigt wird.
Das Blut wird jeweils zwischen zwei Membranen --3- geführt. Diese wölben sich hiebei in die Profilierung der Plattenvorderseiten-7-ein, was durch Unterdruck der in der Profilierung unmittelbar geführten Spüllösung vorteilhaft begünstigt werden kann. Das Blut wird über Vorräume - 10-- an den Plattenstirnseiten--6--zwischen die Membrane --3-- eingeleitet, dies veranschaulicht Fig. 2.
Fig. 3 zeigt den inneren Aufbau des Platten-Membran-Stapels. Man erkennt, dass der Vorraum - durch eine angeschrägte Kante -9-- zwischen den Stirnseiten --6-- und den vorderseiten --7-- der Platten --1-- gebildet wird. Die angeschrägte Kante -9-- verläuft in gleicher Breite wie die Profilierung, die durch Rillen--11--in den Plattenvorderseiten--7--
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mit diesem jedoch nicht in unmittelbarer Verbindung, da der Vorraum --10-- allseitig von Membranen --3-- begrenzt ist. Parallel zu den Rillen --11-- ist an beiden Seiten der Platten --1-- je eine Dichtschulter--12--vorgesehen, über die eine Abdichtung der Flüssigkeitsbahnen zu den Längsseiten des Dialysators hin erfolgt.
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sind.
Daher stehen die zwischen den Rillen befindlichen Kuppen zweier aufeinanderliegender Platten --l-- nicht aufeinander auf. Dies hat den Vorteil, dass der Strömungsweg zwischen den Membranen --3-- nicht in eine Vielzahl von Einzelkanälen unterteilt wird, sondern die Bildung eines breiten, abgewellten Blutfilms ermöglicht. Dies wirkt sich vorteilhaft auf eine laminare Blutströmung aus.
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--11-- inKanälen -14-- aus keine Flüssigkeit zwischen die Plattenrückseiten --8-- eindringen kann. Da alle Platten--l--fluchtend übereinanderliegen, werden durch diese senkrechten Kanäle --14-- an jeder Ecke des Platten-Membran-Stapels senkrecht durch diesen hindurchtretende Kanäle gebildet, indem die Membrane beispielsweise nach der Montage mit einem Werkzeug durchstossen werden.
Bei dieser Ausführungsform erfüllen die Rillen --11-- des Plattendialysators eine Doppelfunktion. Sie leiten einmal unmittelbar die Spülflüssigkeit, die in den durch die Membrane --3-- abgedeckten Rillen geführt wird. Gleichzeitig bilden sie aber auch den Strömungsweg für das Blut zwischen den Membranen--3--, indem sich diese unter dem Druck des Blutes in die Rillen
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Die Abdichtung zwischen den Rillenräumen und den Membranzwischenräumen erfolgt im wesentlichen durch Anpressung der Membranenden--4--auf die Rückseiten --8-- der platten
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einzudringen. Anderseits ist es dem Blut nicht möglich, sich in die Fuge zwischen den Membranenden - -4-- hineinzupressen.
Fig. 4 lässt einen Dialysator erkennen, der mit dem vorstehend beschriebenen Platten-Membran-Stapel ausgerüstet ist. Der Platten-Membran-Stapel ist ober-und unterseitig mit je einer Druckplatte --15-- abgeschlossen und ist an seinen beiden Stirnseiten mit je einer Anschlussplatte --18-- abgedeckt. Die Deckplatten --15-- sind mit eckseitigen Anschlussbuchsen - versehen, die mit den senkrechten Kanälen --14-- (Fig. 1) im Plattenstapel fluchten.
Üblicherweise werden auf der Oberseite und auf der Unterseite des Stapels nur je eine Anschlussbuchse - 16--gebraucht, so dass die übrigen Anschlussbuchsen in den Deckplatten --15-- verschlossen werden. Dies kann mit Stopfen erfolgen, die sich dicht in die Buchsen --16-- einfügen lassen. Zur Herstellung eines senkrechten Kanals müssen die Membrane-3-, die ursprünglich noch nicht mit entsprechenden Löchern versehen sind, durchstossen werden. Dies kann, wie bereits ausgeführt, mittels eines geeigneten Werkzeuges erfolgen.
Zweckmässigerweise sind die beiden Buchsen --16--, die auf
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der Oberseite und auf der Unterseite des Plattendialysators in Betrieb genommen werden, einander diagonal zugeordnet, damit alle durch den Plattendialysator hindurchtretenden Stromfäden der durch die Buchsen--16--eingeleiteten bzw. abgeleiteten Spülflüssigkeiten gleich lang sind ; wenn der Durchsatz der Spülflüssigkeit erhöht werden soll und auch zum Zweck einer gleichmässigen Druckverteilung im Spülflüssigkeitssystem, insbesondere, wenn die Spülflüssigkeit mit Unterdruck durch
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--16-- anRippen-17-, die zur Versteifung angebracht sind.
Die Längsseiten des neuen Plattendialysators sind mit Vergussmasse --22-- vergossen. Hiezu sind die Platten--l--auf ihren Längsseiten --21-- derart angeschrägt, dass sie zu den Membranen - hin etwas zurückspringen. Daher stehen die Membrane --3-- auf den Längsseiten des
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5Vergussmasse-22-sichert somit einen festen Verbund aller Bestandteile des Dialysators, indem sie die Platten die Membrane --3--, die Deckplatten --15-- und die Anschlussplatten
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werden.
Fig. 6 veranschaulicht, wie durch Ausnehmungen--20--in den Anschlussplatten --18-- die dem Platten-Membran-Stapel vorgelagerten Kanäle --5-- gebildet sind. Die Anschlussstutzen - 19--führen in die Kanäle--5-- ; diese können von der Mündung der Anschlussstutzen --19-- aus einen sich verjüngenden Querschnitt haben, um eine möglichst gleichmässige Verteilung der Stromfäden zu erreichen.
Grundsätzlich würde auch eine etwa halbkreisförmige Ausnehmung-20--, die vom Stutzen --19-- ausgehend in senkrechter Richtung alle Vorräume --10-- des
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stirnseitigen Anschlussplatten --18-- sind ebenfalls gegeneinander diagonal so versetzt, dass alle Stromfäden des durch die Anschlussstutzen --19-- hindurchtretenden Blutes, bzw. für den Fall, dass der Dialysator nicht als künstliche Niere verwendet wird, der entsprechenden Dialyseflüssigkeit, vom einen Anschlussstutzen --19-- zum andern weitgehend gleich lang sind. Die in Fig. 6 dargestellten Rillen--11--sind selbstverständlich nicht massstabgetreu wiedergegeben, sondern mit Rücksicht auf eine klare Darstellung vergrössert dargestellt.
Fig. 7 zeigt im Schnittbild des Dialysators, wie sich die Vorräume-10-keilförmig gegen die Kanäle --5-- öffnen. Damit ist ein leichtes, ungehindertes Einströmen des Blutes zwischen die
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zu den Stirnseiten der Platten-l--hin angeordnet, um auf einem möglichst langen Weg die Membrane --3-- mit Waschflüssigkeit zu bespülen.
Der Aufbau des neuen Plattendialysators ist äusserst einfach. Er besteht im wesentlichen aus drei Grundelementen, nämlich den Platten-Membran-Einheiten, den Deckplatten und den Anschlussplatten.
Das Zusammenfügen dieser Teile ist sehr einfach, insbesondere, da die neue Anordnung der Membrane eine wirksame Abdichtung der Dialyseflüssigkeitsbahnen mit sehr einfachen Hilfsmitteln ermöglicht.
Hiedurch ist die Möglichkeit einer sehr billigen Massenfertigung solcher Plattendialysatoren gegeben, wodurch insbesondere bei Verwendung als künstliche Niere dieses Gerät gleichzeitig in die Hände vieler Patienten gegeben werden kann.
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