CH640144A5 - Membrandiffusionsvorrichtung. - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Membrandiffusionsvorrichtung, bestehend aus einem Stapel von Membranwandpaaren und Membranstützteilen in einander abwechselnder, miteinander verschachtelter Anordnung, wobei der einander gegenüberliegenden Enden besitzende Stapel in einem Gehäuse angeordnet ist und die Innenwände des Gehäuses unter einem Erweiterungswinkel auseinanderlaufen.

Die US-PS 3 879 293 beschreibt eine Membrandiffusionsvorrichtung mit einem aufblasbaren Element zur Druckanlegung (pressurization) und Abdichtung. Dieses Element ist U-förmig ausgebildet, so dass es um die Hauptflächen und die Unterseite eines Stapels von Membranabschnitten herumlegbar ist, die durch Membran-Stützmittel voneinander getrennt sind und die miteinander verschachtelte, durch die Membran voneinander getrennte Strömungsbahnen für zwei verschiedene Strömungsmittel festlegen.

Die Aufgabe des aufblasbaren Elements, ob in flacher Form wie bei den früheren Vorrichtungen oder U-förmig wie nach der genannten US-Patentschrift, besteht darin, im aufgeblasenen Zustand den in einem starren Gehäuse untergebrachten Membranstapel selektiv mit Druck zu beaufschlagen und dadurch eine unzulässige Aufweitung der Strömungsbahnen im Membranstapel bei der Einführung von Druckmittel zu verhindern. Dies ist besonders dann von Bedeutung, wenn die Vorrichtung zur Verwendung als Blut-oxygenator, als künstliche Niere o.dgl. eingesetzt wird.

Diese Aufgabe wird durch die in den beigefügten Patentansprüchen gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Bei der erfindungsgemässen Membrandiffusionsvorrichtung, bestehend aus einem Stapel von Membranwandpaaren und Membranstützteilen in einander abwechselnder, miteinander verschachtelter Anordnung, wobei der einander gegenüberliegenden Enden besitzende Stapel in einem Gehäuse angeordnet ist und die Innenwände des Gehäuses unter einem Erweiterungswinkel auseinanderlaufen, und wobei der Verjüngungs- oder Erweiterungswinkel (draft angle) der Gehäusewände durch ein wirtschaftliches Formverfahren für das Gehäuse bedingt ist, während der Membranstapel selbst im wesentlichen parallele, gegenüberstehende Wände besitzen kann ist also um jedes Ende des Membranstapels herum ein steifes Zwischenelement (shim element) mit gegenseitigem Abstand an den Aussenecken des Stapels sowie zwischen dem Stapel und den unter einem Winkel schrägstehenden Innenwänden des Gehäuses angeordnet, wobei sich die Zwischenelemente unter einem dem Verjüngungswinkel der Gehäuse-Innenwände entsprechenden Winkel verjüngen, während sie dabei so bemessen sind, dass sie die Endabschnitte des Membranstapels mit einem über seine Gesamtlänge bzw. Höhe hinweg im wesentlichen gleichbleibenden Druck zusammenpressen.

Ein vorteilhaftes Merkmal einer bevorzugten Ausführung besteht darin, dass die Zwischenelemente die zugeordneten Aussenecken des Membranstapels umfassen und, als sich entsprechend veijüngende Teile ausgebildet, an jeder Ecke des Membranstapels mit dessen Seiten und Enden in Andruckberührung stehen und in zwei Richtungen eine Andruck- und Ausrichtwirkung auf den Membranstapel ausüben.

Aufgrund dieser Ausbildung wird der Membranstapel im Gehäuse zentriert und an seinen Enden derart konstant und gleichmässig zusammengedrückt, dass jede ungleichmässige Zusammendrückung des Stapels vermieden wird, wie sie auftreten kann, wenn der Membranstapel in ein Gehäuse eingesetzt wird, dessen Wände in geringem Mass nicht parallel sind. Diese Ausbildung begünstigt die Verstärkimg der Endabdichtung des Membranstapels, bei der es sich um eine Vergussabdichtung der z. B. in der UP-PS 3 757 955 beschriebenen Art handeln kann, weil dabei die Vergussdichtungsele-mente zur Verhinderung eines Dichtungsbruchs unter einer konstanten Druckspannung stehen. Durch die steifen Zwischenelemente werden auch die Membranstapelenden versteift, wodurch die Möglichkeit für das Auftreten von ein Ablösen bewirkenden Belastungen (peel stress) an den Stapelenden im Bereich der Enddichtungen aufgrund von Druckschwankungen verringert wird.

Vorteilhaft sind weiterhin die einzelnen steifen, sich verjüngenden Zwischenelemente an den jeweiligen Enden des Membranstapels durch ein Querleistenelement miteinander verbunden, so dass ein einstückiges, H-förmiges Bestandteil,

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das sich leichter zusammensetzen lässt, gebildet und ausserdem eine weitere Abstützung der Enden des Membranstapels gegen das Gehäuse gewährleistet wird.

In einer bevorzugten Ausführung wird eine Verbesserung des aufblasbaren Elements verwendet. Wie in der US-PS 3 879 293 beschrieben, sind die Enden eines aufblasbaren Elements nach dem Aufblasen bestrebt, sich einzuziehen. Infolgedessen steht ein Teil des Membranstapels über diesem Element über, so dass dieser Teil nicht vom aufblasbaren Element beeinflusst wird.

Wenn das aufblasbare Element aus zwei auf übliche Weise thermisch miteinander verschweissten Lagen hergestellt ist, ist um seine Randkante herum eine flache, umlaufende Schweissnaht vorhanden. Dies bedeutet, dass die Zwischenlage weiter verkürzt werden muss, um eine effektive Abdichtung des Gehäuses an den Enden der Zwischenlage ohne Beeinträchtigung durch die Schweissnähte zu gewährleisten. Hierdurch wird das Problem des Zurückziehens der aufgeblasenen Zwischenlage verstärkt.

Bevorzugte Ausfiihrungsformen, die eine Verbesserung des aufblasbaren Elements verwenden, sind in den Ansprüchen 4 und 5 beschrieben.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung einer Membrandiffusionsvorrichtung, insbesondere eines Blutoxygenators, mit Merkmalen nach der Erfindung, in welcher bestimmte innere Bauteile in gestrichelten Linien dargestellt sind,

Fig. 2 einen in vergrössertem Massstab gehaltenen Schnitt längs der Linie 2-2 in Fig. 1,

Fig. 3 eine Teilschnittansicht längs der Linie 3-3 in Fig. 2,

Fig. 4 eine in stark vergrössertem Massstab gehaltene und teilweise weggebrochene Schnittansicht längs der Linie 4-4 in Fig. 3 zur Darstellung des aufblasbaren Elements und

Fig. 5 eine Fig. 4 ähnelnde Teilschnittansicht einer abgewandelten Ausführungsform des aufblasbaren Elements.

Der in den Fig. 1 bis 4 dargestellte Membranoxygenator für Blut entspricht, bis auf die zu beschreibenden Verbesserungen, im wesentlichen demjenigen nach der US-PS 3 879 293.

Der Oxygenator 10 besitzt ein Gehäuse 12, das durch einen Deckel 14 verschlossen ist und einen abgedichteten oder verschlossenen Einlass 16 und einen Auslass 18 für Blut aufweist.

An der Unterseite des Gehäuses 12 vorgesehene Öffnungen 10,22 dienen zum Anschliessen jeweils einer Sauerstoff-Einlass- und einer -Auslassleitung in der Weise, dass der Sauerstoff normalerweise im Gegenstrom zum Blutstrom strömt. Der Oxygenator 10 ist speziell zur Verwendung bei der Vorrichtung nach der US-PS 4 061 470 für die Oxyge-nierung bzw. Sauerstoffanreicherung des Bluts eines einer Herzoperation o. dgl. unterzogenen Patienten vorgesehen und geeignet.

Ein Fait- oder Winkelmembranstapel 24 der in den genannten US-Patentschriften und speziell in der US-PS 3 757 955 beschriebenen Art ist zur Herstellung einer Strömung über mehrere getrennte, verschachtelte Strömungsbahnen mit Bluteinlass und -auslass 16 bzw. 18 sowie Sauer-stoffeinlass und -auslass 20 bzw. 22 verbindbar. Um den Mittelteil des Stapels 24 herum ist ein U-förmiges, aufblasbares Element 26 angeordnet, durch das der Mittelbereich des Membranstapels 24 mit einem Druck beaufschlagbar ist. An den Aussenkanten des Elements 26 sind längsverlaufende Ausschnittsbereiche 28 einer Faltmembran-Abstützung 29 vorgesehen, welche als Verteilerelemente zur Verteilung des Bluts und des Sauerstoffs in ihren jeweiligen Strömungsbahnen über die gesamte gewundene bzw. Wickelfläche (con-voluted area) der Membran dienen, um eine gleichmässige Strömung über den grössten Teil der Membranlagen des Stapels 24 zu gewährleisten. Die Enden 25 des Membranstapels 24 sind auf die z. B. in den genannten US-Patentschriften beschriebenen Weise mittels einer Vergussmasse abgedichtet, um an den Enden des Membranstapels 24 einen Strömungsmittelaustritt aus den einzelnen Strömungsbahnen zu verhindern. Der Deckel 14 ist auf entsprechende Weise gegen das Gehäuse 12 abgedichtet.

Erfindungsgemäss erzeugt je ein steifes Bestandteil 30 im betreffenden Ende des Gehäuses 12 einen konstanten Andruck gegen die Enden des Membranstapels 24, um die Abdichtung der vergossenen Stapelenden zu verbessern. Bei der dargestellten Ausführungsform umfasst jedes Bestandteil 30 zwei sich verjüngende, etwa lotrechte Teile 32, genannt "Zwischenelemente", die durch eine Querleiste 34 miteinander verbunden sind und somit das im wesentlichen H-för-mige Bestandteil ergeben, das einfach und kostensparend aus Polyäthylen, Polystyrol o. dgl. geformt sein kann. Die vergossenen Enden des Membranstapels 24 befinden sich an jedem Ende des Gehäuses 12 zwischen den sich verjüngenden Teilen 32. Diese Teile 32 und der Membranstapel 24 sind so bemessen, dass die Enden des Stapels zwischen den Teilen 32 verspannt werden, die sich ihrerseits an der Innenwandfläche des Gehäuses 12 abstützen und dabei die Dichtungseigenschaften der vergossenen Enden des Membranstapels verbessern:

Gemäss den Fig. 2 und 3 verlaufen die Seitenwände 36 und die Stirnwände 38 des Gehäuses 12 an ihren Innenflächen nicht parallel zueinander, sondern vielmehr vom Boden

31 aus geringfügig auseinander. Der Grund hierfür besteht darin, dass sich das Gehäuse 12 nach den derzeitigen Formverfahren einfacher und wirtschaftlicher herstellen lässt, wenn die Gehäusewände unter einem kleinen Winkel von beispielsweise 1° nach aussen geneigt sind, so dass das Herausnehmen des Formkerns aus dem Gehäuse nach dem Formvorgang erleichtert wird.

Erfindungsgemäss besitzen die sich verjüngenden Teile

32 gemäss Fig. 2 eine sich vom Boden zur Oberseite entsprechend dem Erweiterungswinkel der Innenflächen der Wände 36 vergrössernde Dicke, derart, dass die Innenfläche 40 dieser Teile 32 im wesenlichen parallel verlaufen, während ihre Aussenflächen entsprechend dem Erweiterungswinkel (draft angle) des Gehäuses 12 divergieren..

Die sich verjüngenden Teile 32 sind ausserdem mit Endflanschen 42 versehen, die zur genauen Ausrichtung der Enden des Membranstapels 24 dienen, wobei dessen Eckkanten in den zwischen jedem Teil 32 und seinem Endflansch 42 festgelegten Ecken 44 sitzen.

Gemäss Fig. 3 erweitern sich die Innenflächen der Stirnwände 38 des Gehäuses 12 ebenfalls in Aufwärtsrichtung nach aussen, wobei jeder Endflansch 42 dementsprechend derart verjüngt ausgebildet ist, dass die Innenflächen dieser Flansche parallel zueinander verlaufen, während ihre Aussenflächen entsprechend dem Erweiterungswinkel der Gehäusewände 38 divergieren bzw. auseinanderlaufen.

Das steife, H-förmige Bestandteil 30 kann somit um die Ecken des Membranstapels herum aufgesetzt und in das Gehäuse 12 eingesetzt werden, so dass es über den grössten Teil der lotrechten Erstreckung hinweg eine im wesentlichen konstante, seitliche Kompression auf die Enden des Stapels 24 ausübt, und zwar unabhängig davon, dass die Wände des Gehäuses 12 unter einem kleinen Erweiterungswinkel auseinanderlaufen. Aufgrund der sich verjüngenden Form der etwa lotrechten Teile 32 übt somit jedes Zwischenelement 30 speziell auf die oberen Enden des Membranstapels 24 im wesentlichen dieselbe Andruckkraft wie auf die unteren Ab5

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schnitte des Membranstapels 24 aus. Hierdurch wird die anderenfalls über die Höhe hinweg variierende Andruckwir-kung der leicht schrägen Wände des Gehäuses 12 vermieden; weiterhin wird hierdurch zusätzliche Sicherheit gegen einen Strömungsmittelaustritt an den vergossenen Enden des Membranstapels 24 geboten.

Fig. 4 zeigt die Einzelheiten des U-förmigen aufblasbaren Elements 26. Dieses kann in Form und Funktion insgesamt dem entsprechenden Element nach der US-PS 3 879 293 äquivalent sein das ein flexibles, aufblasbares Gebilde darstellt, welches aus drei Seiten des Membranstapels 24 herum U-förmig festgelegt ist und eine Aufblasöffnung mit -leitung 50 aufweist.

An den Enden des Elements, wo beim bisherigen Element eine flache, umlaufende Schweissnaht vorhanden ist, befindet sich bei der Ausführungsform nach Fig. 4 nur ein umgefalteter Rand 52. Das gesamte Element 26 besteht aus einer einzigen Lage, die an den Rändern 52 doppelt gefaltet und längs einer parallel zu den Rändern 52 verlaufenden Linie 54 thermisch verschweisst ist. Die Schweissnaht 54 kann von den Rändern des aufblasbaren Elements 26 auf Abstand angeordnet sein, ausser natürlich an seinen Enden, an denen sich zwei Lagen des aufblasbaren Elements auf die dargestellte Weise überlappen und im Querschnitt eine Schleife (loop) bilden.

Die einander gegenüberliegenden Seiten 56 zwischen den Rändern 52 des Elements 26 können mittels einer Quersteg-schweissnaht (transverse bar seal) o. dgl. miteinander verbunden sein.

Bei der Anbringung der Zwischenelemente 30 an den Enden des Membranstapels 24 wird das Element 26 U-förmig um letzteren herumgelegt. Sodann kann die gesamte Anordnung zum Zusammensetzen der erfindungsgemässen Vorrichtung in das Gehäuse 12 eingesetzt werden.

Fig. 5 zeigt eine andere Ausführungsform 26a des erfindungsgemässen U-förmigen, aufblasbaren Elements, das mit

Ausnahme der zu erläuternden Unterschiede im wesentlichen dem Element nach Fig. 4 entspricht. Das Element 26a kann aus zwei um den Umfangsrand herum miteinander ver-schweissten Lagen oder Folien aus z. B. Polyvinylchlorid be-5 stehen. Die die beiden Lagen des Elements 26a miteinander verbindende Schweissnaht 58 ist jedoch einwärts von seinem Aussenende angeordnet, das durch zwei nebeneinander liegende, umgefaltete Folienlagen 70 gebildet wird, wobei die Schweissnaht 58 einwärts in den Aufblashohlraum des auf-10 blasbaren Elements 26a hinein umgefaltet wird. Das andere Ende des Elements 26a kann ähnlich ausgebildet sein, während seine gegenüberliegenden Seiten wie bei der vorher beschriebenen Ausführungsform mittels einer Stegschweiss-naht 56a verschlossen sind.

13 Der auf beschriebene Weise gebildete Oxygenator bietet die für diese Vorrichtungsart typischen Vorteile, speziell dann, wenn eine poröse, hydrophobe Membran benutzt wird, z. B. eine Polypropylenfolie mit einer Porengrösse von 0,1 um und mit wesentlich verbessertem Gasübertragungs-20 grad. Gleichzeitig bietet die erfindungsgemässe Vorrichtung einen zusätzlichen Schutz vor Undichtigkeit, die aufgrund des schwankenden Blutdrucks im Oxygenator auftreten kann; zudem werden beträchtliche Verbesserungen bezüglich der Sauerstoff- und Kohlendioxid-Übertragungs- bzw. 25 -Übergangsgrade geboten.

In spezieller Ausführungsform kann die Breite des Innenraums des Gehäuses 12 am Boden 31 (Fig. 2) etwa 78,7 mm betragen. Die entsprechende Breite an der Oberseite des Gehäuses kann bei etwa 81,2 mm liegen, so dass sich eine Gehäuseerweiterung von 2,5 mm ergibt. Das Element 30 besitzt dabei eine entsprechende Verjüngung.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die vorstehend offenbarten Ausfuhrungsformen beschränkt, da für 3s den Fachmann, verschiedene Änderungen und Abwandlungen leicht möglich sind.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

640144 PATENTANSPRÜCHE

1. Membrandiffusionsvorrichtung, bestehend aus einem Stapel von Membranwandpaaren und Membranstützteilen in einander abwechselnder, miteinander verschachtelter Anordnung, wobei der einander gegenüberliegende Enden besitzende Stapel in einem Gehäuse angeordnet ist und die Innenwände des Gehäuses unter einem Erweiterungswinkel auseinanderlaufen, dadurch gekennzeichnet, dass steife Zwischenelemente (32) mit gegenseitigem Abstand an den Aus-senecken des Membranstapels (24) zwischen diesen und den Innenwänden des Gehäuses (12) eingesetzt sind und dass jedes Zwischenelement (32) sich verjüngend ausgebildet und so bemessen ist, dass die Endabschnitte des Membranstapels (24) zwischen den Innenwänden des Gehäuses (12) und dem Zwischenelement (32) über dessen Gesamthöhe hinweg im wesentlichen gleichmässig zusammengepresst werden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenelemente (32) die zugeordneten Aus-senecken des Membranstapels (24) umfassen und sich entsprechend verjüngende Teile (32) bilden, die an jeder Ecke des Membranstapels sowohl mit dessen Seiten und wie mit dessen Enden in Andruckberührung stehen und in zwei Richtungen eine Andruck- und Ausrichtwirkung auf den Membranstapel ausüben.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die gegenüberstehenden Seitenflächen des Membranstapels im wesentlichen parallel zueinander verlaufen.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass die an den jeweiligen Enden des Membranstapels (24) befindlichen steifen, sich verjüngenden Zwischenelemente (32) durch eine Querleiste (34) miteinander verbunden sind, um ein einstückiges H-förmiges Bestandteil (30) zu bilden.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass anliegend am Membranstapel (24) ein aufblasbares Element (26) angeordnet ist, das einen doppelt gefalteten, flexiblen Teil mit einer zentralen Schweissnaht (54), die auf Abstand von seinen Rändern angeordnet ist, und zwei einander gegenüberliegende, umgefaltete Ränder ohne Schweissnähte aufweist, wobei die Ränder eng am Gehäuse anliegen.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass anliegend am Membranstapel (24) ein aufblasbares Element (26a) angeordnet ist, das aus zwei aufeinanderlegenden umgefalteten Folienflächen besteht, die an gegenüberliegenden Aussenrändern (70) unter Bildung eines Flansches (58) verschweisst sind, wobei der Flansch (58) im Aufblashohlraum des aufblasbaren Elements (26a) zu liegen kommt und eine Richtung von den Rändern gegen die Mitte des aufblasbaren Elementes aufweist.