DE102017211671B4

DE102017211671B4 - Vorrichtung zum Temperieren auf Basis einer chemischen Reaktion sowie Verwendung als Temperiereinheit für einen Wärmetauscher

Info

Publication number: DE102017211671B4
Application number: DE102017211671.4A
Authority: DE
Inventors: Christoph Benk; Jürgen Grudke; Till Kaz
Original assignee: RESUSCITEC GmbH
Current assignee: RESUSCITEC GmbH
Priority date: 2017-07-07
Filing date: 2017-07-07
Publication date: 2020-06-04
Anticipated expiration: 2037-07-08
Also published as: DE102017211671A1

Abstract

Vorrichtung zum Temperieren auf Basis einer chemischen Reaktion zwischen einem ersten Medium (4) und einem als schüttbar vorliegenden zweiten Medium (5), mit einem das erste Medium (4) bevorratenden ersten Reservoir (1), einem das zweite Medium (5) bevorratenden zweiten Reservoir (2) sowie einem Mittel zum Zusammenführen beider Medien (4, 5), dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Reservoir (2) eine Reservoirwand aufweist, die ein mit dem zweiten Medium (5) wenigstens teilweise befülltes Reservoirvolumen umfasst und zumindest abschnittweise flexibel ausgebildet ist, und dass das Mittel zum Zwecke des Zusammenführens beider Medien (4, 5) eine Fluidverbindung zwischen dem ersten (1) und zweiten Reservoir (2) schafft und eine auf die Reservoirwand wirkende und die zumindest abschnittweise flexible ausgebildete Reservoirwand verformende Kraft erzeugt, durch die das Reservoirvolumen des zweiten Reservoirs (2) vorgebbar verkleinerbar ist und ein Teil des zweiten Mediums (5) mengendosiert aus dem zweiten Reservoir (2) in das erste Reservoir (1) gelangt.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Temperieren auf Basis einer chemischen Reaktion zwischen einem ersten Medium und einem als schüttbar vorliegenden zweiten Medium, mit einem das erste Medium bevorratenden ersten Reservoir, einem das zweite Medium bevorratenden zweiten Reservoir sowie einem Mittel zum Zusammenführen beider Medien.
Stand der Technik
Es ist bekannt die bei exothermen oder endothermen chemischen Reaktionen freigesetzte Wärme oder Kälte durch Wärmekopplung technisch zu nutzen. Für den Fall endothermer Reaktionen, bei denen Kälte freigesetzt wird, findet sich eine Vielzahl von Anwendungsfällen, die im Weiteren kurz skizziert werden. Ausdrücklich sei an dieser Stelle darauf verwiesen, dass sich die weiteren Ausführungen grundsätzlich auch in äquivalenter Weise auf Wärmeerzeugende, exotherme Reaktionen und deren technische Nutzbarmachung übertragen lassen.
Im Rahmen der Herzchirurgie oder Intensivmedizin insbesondere zur Behandlung von akutem Herz und/oder Lungenversagen finden Herz-Lungen-Maschinen Anwendung , mit denen die Pumpfunktion des Herzens sowie die Lungenfunktion für einen beschränkten Zeitraum ersetzbar sind. Das Blut verlässt dabei über einen extrakorporalen Blutkreislauf in Form eines Schlauchsystems den Körper, wird mit Hilfe eines Oxygenators, der Teil der Herz-Lungenmaschine ist, mit Sauerstoff angereichert und wieder in den Körper zurückgeführt. Der Oxygenator übernimmt dabei die Funktion der Lungen und führt dem Blut nicht nur den lebenswichtigen Sauerstoff zu, sondern entfernt gleichzeitig das durch Stoffwechselprozesse entstehende Kohlendioxid (CO2).
Alle heute verwendeten Oxygenatoren besitzen zusätzlich einen Wärmetauscher, mit dessen Hilfe sich das durchströmende Blut erwärmen oder abkühlen lässt. So finden die Eingriffe am Herzen in der Regel unter Hypothermiebedingungen statt, d.h. das Blut wird mehr oder weniger stark abgekühlt, wodurch die Stoffwechselaktivität und der Sauerstoffverbrauch im Körper des Patienten reduziert wird.
Beispiele zur Ausbildung gängiger Wärmetauscher sind in den Druckschriften DE 10 2010 000 820 A1 , DE 10 2012 204 705 A1 oder WO 2011/139392 A1 beschrieben.
Allen modernen Wärmetauschern ist gemein, dass durch eine Vielzahl einzelner, parallel geführter Schläuche das extrakorporal geführte Blut mit jeweils einheitlicher Strömungsrichtung druckbeaufschlagt geleitet wird, wobei das Schlauchbündel in Gegen- oder Querstromrichtung zur Blutströmung in thermischen Kontakt mit einer Wärmeträgerflüssigkeit tritt, typischerweise in Form einer das Schlauchbündel umströmenden Wasserströmung.
Zur Abkühlung der durch den Wärmetauscher strömenden und mit dem Blut in thermischen Kontakt tretenden Wärmeträgerflüssigkeit dient ein so genanntes Hypothermiegerät, das zumeist als portable Einheit ausgebildet und ein von Wasseranschlüssen unabhängiges Kühlgerät darstellt, das über Anschlüsse an den im Oxygenator integrierten Wärmetauscher fluiddicht anschließbar ist.
In modernen Hypothermiegeräten wird die Erzeugung von Kälte durch die so genannte Siedekühlung realisiert. Dabei entsteht der Kühleffekt durch die Verdampfungsenergie, die aufgebracht werden muss, um ein Kältemittel von einem flüssigen in einen gasförmigen Aggregatszustand zu überführen. Diese nötige Verdampfungsenergie wird der Umgebung bzw. dem Wasser in Form von Wärme entzogen und führt somit zu dem gewünschten Kühleffekt.
Die Siedekühlung gilt als eine der effektivsten Möglichkeiten, einem System Wärme bzw. thermische Energie zu entziehen. Hypothermiegeräte, die diese Technologie nutzen, werden der Klasse der Kompressionskältemaschinen zugeordnet, in denen ein Kältemittel in einem geschlossenen Kreislauf geführt wird und nacheinander verschiedene Aggregatzustandsänderungen erfährt. So wird gasförmiges Kältemittel durch einen Kompressor komprimiert, in einem nachfolgenden Wärmeübertrager kondensiert und verflüssigt, wobei das Kältemittel Wärme abgibt. Anschließend wird das flüssige Kältemittel aufgrund einer Druckänderung, zum Beispiel mittels eines Expansionsventil oder eines Kapillarrohrs entspannt. In einem nachgeschalteten zweiten Wärmeübertrager, bspw. in Form eines Verdampfers, verdampft das Kältemittel unter Wärmeaufnahme bei niedriger Temperatur, die so genannte Siedekühlung. Der Kreislauf kann nun von vorne beginnen. Der Prozess erfordert jedoch die Zufuhr von Antriebsenergie, um den Kompressor in Gang zu halten.
Handelsübliche Hypothermiegeräte sind großbauende und schwergewichtige, zumeist auf Rollen gelagerte Bedieneineinheiten, deren Heiz- und Kühlaggregate über wenigstens ein Netzkabel mit elektrischer Energie versorgt werden. Über ebenfalls geräteseitig vorgesehene Anschlussstutzen, über die das Fluidleitungssystem des im Oxygenator integrierten Wärmetauschers anschließbar ist, gelangt die Wärmeträgerflüssigkeit des Wärmetauschers in das Hypothermiegerät, in dem sie vorzugsweise gekühlt wird.
Der DE 20 2004 001 194 U1 ist ein vorstehend beschriebenes Hypothermiegerät zu entnehmen, das zur Reinhaltung des als Kältemittel dienenden flüssigen Arbeitsmittels, hier in Form von Wasser, UV-Lampen vorsieht, deren UV-Strahlung durch UV-Licht transparente Schläuche hindurch das in den Schläuchen geführte Wasser entkeimt.
Ein anderes Prinzip zur Kälteerzeugung machen sich Sorptionsmittel gestützte Kühlsysteme zu Nutze, die für eine zeitlich begrenzte Dauer Kühlleistung kurzfristig zu generieren vermögen ohne die grundsätzliche Notwendigkeit elektrische Energie zu benötigen. In einem unter Unterdruckbedingungen befindlichen Aufnahmevolumen ist ein Sorptionsmittel, bspw. Zeolith, enthalten, das in der Lage ist ein Kühlmittel, bspw. in Form von Wasserdampf, zu ab- oder adsorbieren. Das Kühlmittel wird in einem separaten, sogenannten Verdampfervolumen in flüssiger Form vorzugsweise unter Dampfdruckbedingungen bevorratet. Das Aufnahmevolumen ist über eine kontrolliert auslösbare Trenneinrichtung fluidisch mit dem Verdampfervolumen verbindbar, so dass im Falle einer fluidischen Anbindung der Druck im Verdampfervolumen schlagartig aufgrund des Druckausgleiches mit dem Aufnahmevolumen unter den Dampfdruck des Kältemittels absinkt, wodurch dieses verdampft und der Umgebung Wärme entzieht. Der Kühlmitteldampf wird vom Sorptionsmittel innerhalb des Aufnahmevolumens ab- bzw. adsorbiert und gibt dabei die im Wege der Verdampfung freiwerdende Verdampfungswärme an das Sorptionsmittel ab.
Das vorstehende Kühlprinzip macht sich eine Hypothermievorrichtung für den menschlichen und tierischen Körper zunutze, die in der Druckschrift DE 20 2012 003 544 U1 offenbart ist. Die vorstehend erläuterten Aufnahme- und Verdampfervolumina sind als flexibles Kühlelement ausgebildet, das zum direkten Auflegen am Körper ausgebildet ist. Hierbei umschließt eine Folie, vorzugsweise eine Mehrschichtfolie die einzelnen Volumina, die über eine thermische Isolationsschicht voneinander getrennt angeordnet sind.
Die Druckschrift US 2008/0255644 A1 beschreibt eine vergleichbare Kühleinrichtung zur vorstehenden Hypothermievorrichtung. Ein mit Wasser gefülltes Volumen, das flächig an ein wärmeleitfähiges Kissenelement zur direkten Auflage an einen zu kühlenden Körper angrenzt, ist über ein ventilartig ausgebildetes Verbindungsstück rückseitig zum Kissenelement mit einem ein Sorptionsmittel enthaltendes Aufnahmevolumen fluidisch verbindbar.
Die Druckschrift US 2007/0244475 A1 offenbart eine Vorrichtung zum Kühlen einer in einem flexiblen Vorratsbeutel bevorrateten Flüssigkeit zur unmittelbaren Infusion in einen menschlichen oder tierischen Körper. Die Vorrichtung verfügt über eine flächig ausgebildete Kühleinheit, die abnehmbar fest mit einem Sorptionsmittel-Wärmetauscher thermisch gekoppelt ist, in dem getrennt von einem Sorptionsmittelvolumen ein Flüssigkeitsreservoir untergebracht ist. Mittels kontrollierter Perforation des Flüssigkeitsreservoirs ergießt sich die Flüssigkeit kontrolliert in ein evakuiertes Verdampfervolumen, das einerseits über eine dampfdurchlässige Membran unmittelbar an das Sorptionsmittelvolumen und andererseits an die Kühleinheit flächig angrenzt und thermisch an diese ankoppelt. Das sich im Wege der Absorption erwärmende Sorptionsmittel ist somit einerseits vom Verdampfervolumen und andererseits von Flüssigkeitsreservoir begrenzt.
Der Druckschrift US 2014/0371552 A1 ist eine Kühlvorrichtung zu entnehmen, die zwei fluiddicht gegeneinander abgegrenzte Reservoirvolumina umfasst, deren gemeinsame Trennwand durch eine spitze Kontur lokal durchtrennbar ist, so dass Wasser aus dem jeweils oberen gelagerten Volumen in das untere Volumen abfließen kann, um letztlich eine endotherme Reaktion auszulösen.
Die Druckschrift GB 1 444 265 A offenbart eine Flüssigkeit abgebende Vorrichtung, bei der ein innerhalb der Vorrichtung gelagerter mit Flüssigkeit gefüllter Ballon dosiert komprimiert und die im Inneren des Ballons bevorratete Flüssigkeit über einen Ausgang abgegeben werden kann. Eine ähnliche Vorrichtung ist der Druckschrift DE 75 39 470 U zu entnehmen.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Temperieren auf Basis einer chemischen Reaktion, vorzugsweise zum Zwecke der Kühlung, und einer damit verbundenen Temperierung eines Fluidsystems eines Wärmetauschers, der vorzugsweise in einem Oxygenator integriert ist und zur Behandlung von einem in einem extrakorporalen Blutkreislauf geführtem Blut dient, möglichst klein und leichtgewichtig auszubilden, um einen manuell portablen Einsatz zu ermöglichen. Die Vorrichtung soll mit möglichst einfachen und kostengünstigen Mitteln realisierbar sein und die wirtschaftliche Möglichkeit schaffen als Einwegprodukt bzw. als sogenanntes Disposabel genutzt zu werden. Die von der Vorrichtung abgebbare Wärme- bzw. Kältemenge soll in möglichst kurzer Zeit bereitgestellt werden, um so eine möglichst große Kühl- bzw. Heizleistung zu erzeugen.
Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Die lösungsgemäße Kühleinheit in vorteilhafter Weise ausbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der weiteren Beschreibung insbesondere unter Bezugnahme auf das illustrierte Ausführungsbeispiel zu entnehmen.
Die lösungsgemäße Vorrichtung zum Temperieren auf Basis einer chemischen Reaktion zwischen einem ersten Medium und einem als schüttbar vorliegenden zweiten Medium, mit einem das erste Medium bevorratenden ersten Reservoir, einem das zweite Medium bevorratenden zweiten Reservoir sowie einem Mittel zum Zusammenführen beider Medien, zeichnet sich dadurch aus, dass das zweite Reservoir eine Reservoirwand aufweist, die ein mit dem zweiten Medium wenigstens teilweise befülltes Reservoirvolumen umfasst und zumindest abschnittweise flexibel ausgebildet ist, und dass das Mittel zum Zwecke des Zusammenführens beider Medien eine Fluidverbindung zwischen dem ersten und zweiten Reservoir schafft und eine auf die Reservoirwand wirkende und die zumindest abschnittweise flexible ausgebildete Reservoirwand verformende Kraft erzeugt, durch die das Reservoirvolumen des zweiten Reservoirs vorgebbar verkleinerbar ist und ein Teil des zweiten Mediums mengendosiert aus dem zweiten Reservoir in das erste Reservoir gelangt.
Vorzugsweise ist das zweite Reservoir topfartig ausgebildet und weist einen Topfboden, eine Topfwand sowie einen Topfdeckel auf. Die abschnittsweise flexibel ausgebildete Reservoirwand ist wenigstens im Bereich der Topfwand derart angeordnet und in Art einer Faltenbalgstruktur ausgebildet ist, so dass sich bei kraftbeaufschlagter Verkleinerung des Reservoirvolumens vermittels des Mittels zum Zusammenführen beider Medien der Topfboden und Topfdeckel annähern.
Vorzugsweise weist das Mittel zum Zusammenführen beider Medien eine mit einem Aktor in Wirkverbindung stehende oder bringbare Betätigungseinheit aufweist, die vermittels des Aktors aus einem ersten Zustand, in dem die Betätigungseinheit eine Öffnung innerhalb der Reservoirwand mittel- oder unmittelbar fluiddicht abdichtet oder in dem die Reservoirwand das Reservoirvolumen fluiddicht umgibt, in einen zweiten Zustand überführbar ist, in dem die Betätigungseinheit einen fluidischen Zugang aus dem zweiten Reservoir in das erste Reservoir durch die Öffnung oder durch Bilden einer Öffnung in der Reservoirwand ermöglicht und die auf die Reservoirwand wirkende und die zumindest abschnittweise flexible ausgebildete Reservoirwand verformende Kraft zum Zwecke der Verkleinerung des Reservoirvolumens erzeugt.
Ferner vermag der Aktor die Betätigungseinheit aus dem zweiten Zustand in einen dritten Zustand überzuführen, in dem die Betätigungseinheit die Öffnung innerhalb der Reservoirwand mittel- oder unmittelbar fluiddicht abdichtet. Hierbei ist das Reservoirvolumen im dritten Zustand im Vergleich zum ersten und zweiten Zustand am kleinsten und ist zumindest teilweise mit dem zweiten Medium befüllt ist.
Der Aktor ist vorzugsweise in Form eines Drehantriebes ausgebildet, bspw. als Elektromotor. Die Betätigungseinheit weist eine Gewindestange auf, die in Eingriff mit einem an der Öffnung angeordneten Gegengewinde steht und längs eines axialen Abschnittes wenigstens einen Fluidkanal, vorzugsweise in Form einer nutförmigen Ausnehmung, vorsieht, längs dem die Fluidverbindung zwischen dem ersten und zweiten Reservoir herstellbar ist.
Zusätzlich verfügt die Gewindestange über wenigstens ein seitlich ausklappbares Flügelelement, das aus einer integralen Position innerhalb der Gewindestange in eine radial von der Gewindestange abstehende Position ausklappbar ist. Vorzugsweise sind zwei an der Gewindestange diametral gegenüberliegend angebrachte Flügelelemente vorgesehen, die jeweils schwerkrafts- und/oder Fliehkraft getrieben, bedingt durch die Rotation des Gewindestange, in einen radial ausgeklappten Zustand überführt werden. Optional können die Flügelelemente auch Federkraft-unterstützt nach außen geklappt werden. Die Flügelelemente, die sich innerhalb des zweiten Reservoirs befinden und die Mischung aus dem ersten und zweiten Medium durchrühren, erhöhen auf diese Weise die Durchmischung beider Medien und unterstützen die chemischer Reaktion zwischen beiden Medien.
Zum bevorzugten Zwecke der Kühlung ist das innerhalb des ersten Reservoirs bevorratete erste Medium Schüttgut in Form von granulärem Harnstoff. Im zweiten Reservoir ist als zweites Medium Wasser bevorratet. Gilt es hingegen Wärme zu entwickeln, sind beide Medien entsprechend aufeinander abgestimmt zu wählen.
Zum Zwecke der technischen Nutzung der erzeugten Kälte bzw. Wärme koppelt am und/oder im ersten Reservoir ein Mittel thermisch an, über das die auf Basis der zwischen dem ersten und zweiten Medium stattfindenden chemischen Reaktion entstehende Reaktionsenthalpie in Form von Wärme oder Kälte gezielt abführbar ist.
Vorzugsweise ist das Mittel eine das erste Reservoir umfassende Reservoirwand, an der radial nach Außen durch thermischen Kontakt die über die Reservoirwand geführte Kälte respektive Wärme abgeführt werden kann.
Alternativ oder in Kombination mit der vorstehenden Maßnahme ist das Mittel eine zumindest teilweise innerhalb des ersten Reservoirs angeordnete, vorzugsweise helikal oder mäanderförmig verlaufende Fluidleitung, die sowohl mit dem zweiten Reservoir, als auch mittel- oder unmittelbar jeweils mit einem außerhalb des ersten und zweiten Reservoirs angeordneten Zu- und Ablauf fluidisch verbunden ist.
Zu Zwecken der technischen Nutzung der gebildeten Wärme oder Kälte wird der Zu- und Ablauf der Fluidleitung vorzugsweise jeweils über eine lösbar fluiddichte Fluidkopplung mit einem externen Fluidleitungssystem verbunden, das bspw. Teil eines Wärmetauschers ist. Auf dieser Weise kann die lösungsgemäße Vorrichtung als Temperiereinheit in Form eines externen Moduls für einen Wärmetauscher eingesetzt werden, bei der das Wärmetauscher-seitige Fluidsystem mit der Fluidleitung unter Ausbildung eines geschlossenen Fluidkreislaufes jeweils über eine lösbare, fluiddichte Fluidkopplung verbindbar ist. Im Weiteren ist die Rede von einem Fluid, das durch dem geschlossenen Fluidkreislauf für den Betrieb des Wärmetauschers strömt. Das Fluid ist identisch mit dem vorstehend eingeführten Begriff „zweites Medium in Form einer Flüssigkeit“. Es sei angenommen, dass bei Verbindung der mit dem zweiten Medium befüllten Fluidleitung mit dem externen, Wärmetauscher-seitigen Fluidleitungssystem, das Fluidleitungssystem zumindest teilweise mit einem mit dem zweiten Medium identischen Fluid vorbefüllt ist, so dass der sich dabei ausbildende geschlossene Fluidkreislauf vollständig mit Fluid befüllt ist.
Vorzugsweise ist die zumindest teilweise innerhalb des ersten Reservoirs angeordnete Fluidleitung mit dem zweiten Reservoir fluidisch derart verbunden, so dass das zweite Reservoir Teil des geschlossenen Fluidkreislaufes ist und als Fluid-Zwischenspeicher dient.
Zum Fördern des Fluids durch den geschlossenen Fluidkreislauf ist zumindest teilweise innerhalb des zweiten Reservoirs eine Förderpumpe, vorzugsweise in Form einer Tauchpumpe, angeordnet, die das Fluid aus dem zweiten Reservoir zunächst durch die innerhalb des ersten Reservoirs verlaufende Fluidleitung pumpt. Die Fluidleitung ist nach Austritt aus dem ersten Reservoir über eine lösbar, fluiddichte Fluidkopplung mit dem Wärmetauscher-seitigen Fluidsystem verbunden, so dass das vermittels der innerhalb des zweiten Reservoirs stattfindenden chemischen Reaktion gekühlte bzw. erwärmte Fluid die Kälte bzw. Wärme innerhalb des externen Wärmetauschers zur weiteren technischen Nutzung abgeben kann. Das Wärmetauscher-seitige Fluidsystem ist Auslass-seitig mit einer in das zweite Reservoir rückführenden Fluidleitung über eine weitere lösbar, fluiddichte Fluidkopplung verbunden, die in das zweite Reservoir mündet, das wie vorstehend erwähnt, als Fluid-Zwischenspeicher dient.
Vorzugsweise ist die Förderpumpe als rein mechanischer Fördermechanismus ausgebildet, der in lösbar festen Eingriff mit dem als Drehantrieb ausgebildeten Aktor bringbar ist, der zugleich auch für den rotatorischen Antrieb für die als Gewindestange ausgebildete Betätigungseinheit dient. Auf diese Weise befinden sich innerhalb des zweiten Reservoirs keine elektronischen, sondern nur mechanische Komponenten, wodurch eine notwenige Entsorgung einfacher und damit kostengünstiger wird.
Ferner ist es vorteilhaft innerhalb des zweiten Reservoirs wenigstens einen Zusatzstoff zu dem ersten Medium vorzusehen, dessen visuell wahrnehmbare Farberscheinung sich bei Kontakt mit dem zweiten Medium in Form einer Flüssigkeit ändert. Besonders vorteilhaft ist es den Zusatzstoff derart auszuwählen, dessen visuell wahrnehmbare Farberscheinung sich bei Kontakt mit dem zweiten Medium ändert und das mit dem ersten Medium reagierende in Form von Flüssigkeit vorliegende zweite Medium zugleich geliert. Durch die Erzeugung einer gelierten Masse innerhalb des ersten Reservoirs wird die Entsorgung zumindest des ersten Reservoirs erheblich vereinfacht.
Die nachstehenden Ausführungen beschreiben die lösungsgemäße Vorrichtung als Temperiereinheit zur Erzeugung von Kälte, die im Rahmen eines Oxygenators technisch genutzt wird. Die Erläuterungen sollen den allgemeinen Erfindungsgedanken nicht einschränken. So sind durchaus alternative Systeme vorstellbar, in denen die von Seiten der lösungsgemäßen Vorrichtung erzeugten Kälte technisch genutzt werden können. Gleichfalls ermöglicht die lösungsgemäße Vorrichtung bei geeigneter Wahl aufeinander abgestimmter Medien die Erzeugung von Wärme, die ebenso in entsprechenden Systemen technisch genutzt werden kann.
Figurenliste
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben. Es zeigt:

1 Schematisierte Darstellung einer Vorrichtung zur Erzeugung von Kälte in einem Ausgangszustand,
2 Detailansicht und
3 Schematisierte Darstellung der Vorrichtung zur Erzeugung von Kälte in einem Endzustand.

Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
1 zeigt eine schematisierte Anordnung einer Vorrichtung zum Temperieren auf Basis einer chemischen Reaktion mit einem ersten Reservoir 1 und einem innerhalb des ersten Reservoirs 1 angeordneten zweiten Reservoir 2. Die Reservoirwände des ersten und zweiten Reservoirs 1, 2 sind jeweils aus einem fluiddichten Material gefertigt, vorzugsweise aus Kunststoff. Die Reservoirwand des zweiten Reservoirs 2 weist einen Wandabschnitt 3 auf, der flexibel ausgebildet ist, vorzugsweise in Art eines Faltenbalges strukturiert ist.
Das Reservoirvolumen 1' des ersten Reservoirs 1 ist teilweise mit einem ersten Medium 4 befüllt, das vorzugsweise aus einem Schüttgut besteht. Das Reservoirvolumen 2' des zweiten Reservoirs 2 ist mit einem zweiten Medium 5 in Form einer Flüssigkeit, vorzugsweise Wasser, zumindest teilweise befüllt.
Das in 1 illustrierte Ausführungsbeispiel zur Temperierung auf Basis einer chemischen Reaktion zwischen dem ersten Medium 4 und dem zweiten Medium 5 soll vornehmlich zur Erzeugung eines Kühleffektes dienen. Hierzu dienen als erstes Medium 4 vorzugsweise Harnstoff, der in granulärer Form vorliegt, und das Reservoirvolumen 1' des ersten Reservoirs 1 zumindest teilweise ausfüllt. Das innerhalb des zweiten Reservoirs 2 bevorratete zweite Medium ist Wasser. Zur Vereinfachung ist im Weiteren die Rede von Harnstoff 4 und Wasser 5.
In dem in 1 dargestellten Fall schließt das zweite Reservoirvolumen 2' fluiddicht gegenüber dem ersten Reservoirvolumen 1' ab, so dass der granulare Harnstoff 4 trocken gelagert ist.
Ferner ist innerhalb des ersten Reservoirs 1 eine helikalförmig verlaufende Fluidleitung 6 eingebracht, die allumseitig von Harnstoff 4 umgeben ist. Die Fluidleitung ist zuströmseitig über eine Verbindungsleitung 61 mit einer Förderpumpe 7 verbunden, die bei entsprechender Aktivierung Wasser 5 aus dem zweiten Reservoir 2 durch die Verbindungsleitung 61 in die mit ihr verbundene Fluidleitung 6 fördert.
Abströmseitig ist die Fluidleitung 6 über eine lösbar fluiddichte Kopplung 8 mit einem externen Fluidsystem 9 verbunden, das Teil eines externen Wärmetauschers 10 ist. Der Wärmetauscher 10 stellt im dargestellten Ausführungsbeispiel eine Komponente eines Oxygenators 11 dar, mit dem es möglich ist, Blut innerhalb eines extrakorporal geführten Kreislaufes zu kühlen.
Abströmseitig ist das externe Fluidsystem 9 gleichfalls über eine lösbar fluiddichte Fluidkopplung 8 mit einer in das Reservoirvolumen 2' des zweiten Reservoirs 2 rückführenden Verbindungsleitung 62 verbunden.
Ausdrücklich sei an dieser Stelle erwähnt, dass bei geeigneter Medienwahl bezüglich des ersten und zweiten Mediums 4, 5 mit der in 1 illustrierten Vorrichtung ebenfalls Wärme erzeugt werden kann, die vermittels der erläuterten Fluidleitung 6 an eine externe Einheit E zur weiteren technischen Nutzung überführt werden kann.
Zum Zwecke der Initiierung der Kälte erzeugenden chemischen Reaktion zwischen dem Harnstoff 4 und dem Wasser 5 gilt es einen Zugang zwischen dem Reservoirvolumen 2' des zweiten Reservoirs 2 zum Reservoirvolumen 1' des ersten Reservoirs 1 zu schaffen. In der in 1 dargestellten geschlossenen Situation schliesst die sog. Betätigungseinheit 12 fluiddicht das zweite Reservoir 2 fluiddicht ab. Hierzu ist die Betätigungseinheit 12 in Form einer Gewindestange ausgebildet, die zumindest bereichsweise in axialer Erstreckung ein Außengewinde 13 aufweist. Das Außengewinde 13 steht in fluiddichtem Eingriff mit einer am Topfboden 14 des zweiten Reservoirs 2 fluiddicht angebrachten Gewindemuffe 15, durch die das erste Reservoirvolumen 1' gegenüber dem zweiten Reservoirvolumen 2' fluiddicht abgedichtet ist.
Die als Gewindestange ausgebildete Betätigungseinheit 12 verfügt überdies längs eines axialen Abschnittes über wenigstens eine nutförmige Ausnehmung 16, die, wie im Weiteren ausgeführt wird, für eine kontrollierte Fluidverbindung zwischen zweiten Reservoir 2 zum ersten Reservoir 1 sorgt.
Am oberen Ende der Betätigungseinheit 12 ist ein motorischer Drehantrieb 19 angebracht, der vorzugsweise außerhalb sowohl des ersten als auch zweiten Reservoirs angeordnet ist. Vorzugsweise aus Gründen eines sicheren Betriebes und Handhabung sind sowohl das zweite Reservoir 2 mit einer Art Topfdeckel 17 und das erste Reservoir 1 mit einem Deckelelement 18 fluiddicht abgeschlossen. Der Topfdeckel 17 sowie auch das Deckelelement 18 können optional einstückig ausgebildet sein. Der Drehantrieb 19 steht in einer bevorzugten Ausführungsform sowohl in lösbar festem Eingriff mit der Betätigungseinheit 12, um diese in Rotation um ihre Längsachse zu versetzen, als auch mit der Förderpumpe 7, um Wasser 5 aus dem Inneren des zweiten Reservoirs 2 über die Verbindungsleitung 61 in die Fluidleitung 6 zu pumpen.
Durch motorisch angetriebene Rotation der Betätigungseinheit 12, die mit ihrem Außengewinde 13 in Eingriff mit einem Innengewinde der Gewindemuffe 15 steht, die wiederum fest am Topfboden 14 befestigt ist, wird der Topfboden 14 axial längs der Betätigungseinheit 12 kontrolliert in der Bilddarstellung gemäß 1 nach oben angehoben.
2 zeigt eine Detailansicht der über die Gewindemuffe 15 mit dem Topfboden 14 in Wirkverbindung stehenden Betätigungseinheit 12. Der Topfboden 14 ist durch die Drehbewegung der Betätigungseinheit 12 gegenüber der in 1 illustrierten Situation ein Stück vertikal nach oben angehoben, wodurch die nutförmige Ausnehmung 16 innerhalb der Betätigungseinheit 12 einen freien Zugang zum Reservoirvolumen 1' des ersten Reservoirs 1 herstellt, über den das innerhalb des zweiten Reservoirs 2 bevorratete Wasser 5 in das Reservoirvolumen 1' des ersten Reservoirs 1 strömt und dort mit dem Harnstoff 5 zu reagieren beginnt. An dieser Stelle sei angemerkt, dass die Wasserströmung entweder allein angetrieben durch die Schwerkraft oder zusätzlich unterstützt durch einen sich im Wege der Volumenverkleinerung des zweiten Reservoirvolumens 2' sich ausbildenden Überdruckes unidirektional in das erste Reservoirvolumen 1' ausströmt und jeglichen Rückfluss in das zweite Reservoirvolumen unterbindet. Aus dieser Weise kann ausgeschlossen werden, dass das im zweiten Reservoir 2 enthaltende Wasser 5 mit Harnstoff 4 kontaminiert wird.
Je höher der Topfboden 14 angehoben wird, umso mehr Waser 5 ergießt sich in das Reservoirvolumen 1' des ersten Reservoirs 1, wodurch sich eine zwischen Wasser 5 und dem in granulärer Form vorliegenden Harnstoff 4 endotherme chemische Reaktion ausbildet, die zu einer lokalen Kälteentwicklung innerhalb des Reservoirvolumens 1' des ersten Reservoirs 1 führt. Das Zuströmen von Wasser 5 durch die nutförmige Ausnehmung 16 in das erste Reservoirvolumen 1' erfolgt in Abhängigkeit der Drehung der als Gewindestange ausgebildeten Betätigungseinheit 16 mengendosiert. Auf dieser Weise kann Einfluss auf die Menge der zwei miteinander chemisch reagierenden Reagenzien, d.h. Harnstoff und Wasser und somit auch auf die erzeugbare Kältemenge genommen werden.
Zur Unterstützung der chemischen Reaktion weist die Betätigungseinheit 12 radial ausklappbare Flügelelemente 20 auf, die rotationsbedingt einen Quirleffekt innerhalb des sich ausbildenden Harnstoff-Wasser-Gemisches erzeugen, durch den die endotherme Reaktion möglichst zwischen der gesamten Menge des innerhalb des ersten Reservoirs 1 bevorrateten Harnstoffes 5 und dem aus dem zweiten Reservoir 2 zugeführten Wassers 5 stattfindet. Die aus einer integralen Position innerhalb der Betätigungseinheit 12 angeordneten Flügelelemente 20 klappen gravitationsbedingt durch ihr Eigengewicht und/oder bedingt durch die durch die Rotation der Betätigungseinheit 12 entstehenden Fliehkräfte und/oder durch eine durch eine Feder bedingte Federkraft in eine radial von der Betätigungseinheit 12 abstehende Position, wie dies in 3 illustriert ist.
Die in 3 dargestellte Situation stellt einen Endzustand dar, bei dem der Topfboden 14 des zweiten Reservoirs 2 vermittels der Betätigungseinheit 12 soweit vertikal nach oben angehoben worden ist, so dass die Betätigungseinheit 12 das Reservoirvolumen 2' des zweiten Reservoirs 2 fluiddicht gegenüber dem Reservoirvolumen 1' des ersten Reservoirs 1 abschließt. Aus der Bilddarstellung gemäß 3 ist ersichtlich, dass sich die nutförmige Ausnehmung 16 längs der Betätigungseinheit 12 vollständig im Bereich des ersten Reservoirvolumens 1 befindet. Somit kann kein Wasser aus dem zweiten Reservoir 2 in das erste Reservoir 1 abfließen.
Das innerhalb des zweiten Reservoirs 2 bevorratete Wasser 5 dient zum einen wenigstens zum Befüllen der Verbindungsleitungen 61 und 62, sofern davon ausgegangen ist, dass die Fluidleitung 6 bereits mit Wasser vorbefüllt ist, zum anderen auch für ein mögliches Befüllen des externen Fluidleitungssystems 9, sofern dies noch nicht vorbefüllt ist. Auch ist das im zweiten Reservoir 2 befindliche Restvolumen an Wasser Teil eines geschlossenen Fluidkreislaufes, der sich wie folgt zusam m ensetzt:
Der Kühlprozess startet sobald der innerhalb des ersten Reservoirs 1 bevorratete Harnstoff 4 mit Wasser 5 chemisch reagiert.. Mit Aktivierung des Kühlprozesses , fördert die Förderpumpe 7 Wasser 5 aus dem zweiten Reservoir 2 über die Verbindungsleitung 61 durch die helikal innerhalb des ersten Reservoirs 1 verlaufende Fluidleitung 6, wo es über die gesamte Länge an die endotherme Reaktion entstehende Kälte ankoppelt. Das Wasser wird längs der Fluidleitung 6 signifikant abgekühlt und tritt über die Verbindungsleitung 61' aus dem ersten Reservoir 1 aus. Das abgekühlte Wasser gelangt über die fluiddichte Kopplung 8 in das externe Fluidleitungssystem 9 zum Wärmetauscher 10 innerhalb des Oxygenators 11, innerhalb dem die durch das Fluid transportierte Kälte an längs eines extrakorporalen Kreislaufes geführtes Blut abgegeben wird. Das erwärmte Wasser gelangt über die Verbindungsleitung 62 in das Reservoirvolumen 2' des zweiten Reservoirs 2 zurück, aus dem es erneut vermittels der als Tauchpumpe ausgebildeten Förderpumpe 7 über die Verbindungsleitung 61 in die helikale Fluidleitung 6 zur weiteren Abkühlung gepumpt wird.
Zu Zwecken der Kontrolle der korrekten Funktionsfähigkeit des erläuterten Kühlsystems befindet sich innerhalb des ersten Reservoirs 1 gemeinsam mit dem Harnstoff 5 wenigstens ein Zusatzstoff, der in einem Ausgangszustand, d. h. in einem trockenen Zustand, farblos ist. Sobald der Kühlvorgang aktiviert ist und der Harnstoff mit Wasser reagiert, verfärbt sich der Zusatzstoff bspw. von farblos nach blau. Kommt der Kühlvorgang zum Erliegen, d. h. ist die chemische Reaktion abgeschlossen und die im Wege der endothermen Reaktion entstandene Kälte abgeführt, so vermag der wenigstens eine Zusatzstoff das Granulat-WasserGemisch zu gelieren, wobei ein weiterer Farbwechsel erfolgt, bspw. von blau nach violett. Auf diese Weise kann von außen visuell wahrnehmbar erkannt werden, sofern die Gefäßwand des ersten Reservoirs lichttransparent ausgebildet ist, ob der Kühlvorgang abgeschlossen ist. Überdies ermöglicht der Prozess der Gelierung eine einfache und kostengünstige Entsorgung sämtlicher innerhalb des Reservoirs 1 enthaltenen Komponenten, inkl. Förderpumpe 7 und Betätigungseinheit 12.
Da, wie bereits erwähnt, in vorteilhafter Weise der motorische Antrieb 19 sowohl zum Drehantrieb der Betätigungseinheit 12 als zum Antrieb der Förderpumpe 7 dient, kann die Förderpumpe aus rein mechanischen Komponenten bestehen, so dass eine weitere Erleichterung bei der Entsorgung sämtlicher innerhalb des Reservoirs 1 befindlichen Komponenten geschaffen wird. Der motorische Antrieb 19 vereint somit drei Funktionen: Dosiertes Ausströmen von Wasser 5 in das erste Reservoir 1, Antrieb für die Förderpumpe und Antrieb der Flügelelemente zum Zwecke eines Quirleffektes innerhalb des Wasser-/Harnstoffgemisches.
Bezugszeichenliste

1: erstes Reservoir
2: zweites Reservoir
3: Faltenbalgabschnitt
4: erstes Medium, Harnstoff
5: zweites Medium, Flüssigkeit, Wasser
6: Fluidleitung
61, 61': Verbindungsleitung
62: Verbindungsleitung
7: Förderpumpe, Tauchpumpe
8: Fluidkopplung
9: Fluidleitungssystem
10: Wärmetauscher
11: Oxygenator
12: Betätigungseinheit
13: Außengewinde
14: Topfboden
15: Gewindemuffe
16: Nutförmige Ausnehmung
17: Topfdeckel
18: Deckelelement
19: Drehantrieb
20: Flügelelement
E: Externe Einheit

Claims

Vorrichtung zum Temperieren auf Basis einer chemischen Reaktion zwischen einem ersten Medium (4) und einem als schüttbar vorliegenden zweiten Medium (5), mit einem das erste Medium (4) bevorratenden ersten Reservoir (1), einem das zweite Medium (5) bevorratenden zweiten Reservoir (2) sowie einem Mittel zum Zusammenführen beider Medien (4, 5), dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Reservoir (2) eine Reservoirwand aufweist, die ein mit dem zweiten Medium (5) wenigstens teilweise befülltes Reservoirvolumen umfasst und zumindest abschnittweise flexibel ausgebildet ist, und dass das Mittel zum Zwecke des Zusammenführens beider Medien (4, 5) eine Fluidverbindung zwischen dem ersten (1) und zweiten Reservoir (2) schafft und eine auf die Reservoirwand wirkende und die zumindest abschnittweise flexible ausgebildete Reservoirwand verformende Kraft erzeugt, durch die das Reservoirvolumen des zweiten Reservoirs (2) vorgebbar verkleinerbar ist und ein Teil des zweiten Mediums (5) mengendosiert aus dem zweiten Reservoir (2) in das erste Reservoir (1) gelangt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Reservoir (2) topfartig ausgebildet ist und einen Topfboden (14), eine Topfwand sowie einen Topfdeckel (17) aufweist, dass die abschnittsweise flexibel ausgebildete Reservoirwand wenigstens im Bereich der Topfwand derart angeordnet und in Art einer Faltenbalgstruktur ausgebildet ist, so dass sich bei kraftbeaufschlagter Verkleinerung des Reservoirvolumens vermittels des Mittels zum Zusammenführen beider Medien (4, 5) der Topfboden (14) und Topfdeckel (17) annähern.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zum Zusammenführen beider Medien eine mit einem Aktor (19) in Wirkverbindung stehende oder bringbare Betätigungseinheit (12) aufweist, die vermittels des Aktors (19) aus einem ersten Zustand, in dem die Betätigungseinheit (12) eine Öffnung innerhalb der Reservoirwand mittel- oder unmittelbar fluiddicht abdichtet oder in dem die Reservoirwand das Reservoirvolumen fluiddicht umgibt, in einen zweiten Zustand überführbar ist, in dem die Betätigungseinheit (12) einen fluidischen Zugang aus dem zweiten Reservoir (2) in das erste Reservoir (1) durch die Öffnung oder durch Bilden einer Öffnung in der Reservoirwand ermöglicht und die auf die Reservoirwand wirkende und die zumindest abschnittweise flexible ausgebildete Reservoirwand verformende Kraft zum Zwecke der Verkleinerung des Reservoirvolumens erzeugt.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor (19) die Betätigungseinheit (12) aus dem zweiten Zustand in einen dritten Zustand überführt, in dem die Betätigungseinheit (12) die Öffnung innerhalb der Reservoirwand mittel- oder unmittelbar fluiddicht abdichtet, und dass das Reservoirvolumen im dritten Zustand im Vergleich zum ersten und zweiten Zustand am kleinsten ist und zumindest teilweise mit dem zweiten Medium (5) befüllt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor einen Drehantrieb (19) vorsieht und die Betätigungseinheit (12) eine Gewindestange aufweist, die in Eingriff mit einem an der Öffnung angeordneten Gegengewinde steht, und dass längs eines axialen Abschnittes die Gewindestange wenigstens einen Fluidkanal vorsieht, längs dem die Fluidverbindung zwischen dem ersten (1) und zweiten Reservoir (2) herstellbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass an der Gewindestange wenigstens ein seitlich ausklappbares Flügelelement (20) angebracht ist, das aus einer integralen Position innerhalb der Gewindestange in eine radial von der Gewindestange abstehende Position ausklappbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das innerhalb des ersten Reservoirs (1) bevorratete erste Medium (4) ein Schüttgut ist und das im zweiten Reservoir (2) bevorratete zweite Medium (5) Wasser ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Medium (4) Harnstoff in granulärer Form ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass am und/oder im ersten Reservoir (1) ein Mittel thermisch ankoppelt, über das die auf Basis der zwischen dem ersten und zweiten Medium (4, 5) stattfindenden chemischen Reaktion entstehende Reaktionsenthalpie in Form von Wärme oder Kälte abführbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittels eine das erste Reservoir (1) umfassende Reservoirwand ist und/oder eine zumindest teilweise innerhalb des ersten Reservoirs (1) angeordnete Fluidleitung (6) ist, die mit dem zweiten Reservoir (2) fluidisch verbunden ist und mittel- oder unmittelbar jeweils mit einem außerhalb des ersten (1) und zweiten Reservoirs (2) angeordneten Zu- und Ablauf fluidisch verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des zweiten Reservoirs (2) ein chemischer Zusatz enthalten ist, dessen visuell wahrnehmbare Farberscheinung sich bei Kontakt mit dem zweiten Medium (5) ändert, oder dass innerhalb des zweiten Reservoirs (2) ein chemischer Zusatz enthalten ist, dessen visuell wahrnehmbare Farberscheinung sich bei Kontakt mit dem zweiten Medium (5) ändert und das mit dem ersten Medium (4) reagierende in Form von Flüssigkeit vorliegende zweite Medium (5) geliert.
Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 und 11 als Temperiereinheit für einen Wärmetauscher (10), der ein Fluidleitungssystem (9) mit einer Zu- und einer Ableitung besitzt, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmetauscher-seitige Fluidsystem (9) mit der Fluidleitung (6) unter Ausbildung eines geschlossenen Fluidkreislaufes jeweils über eine lösbare, fluiddichte Fluidkopplung (8) verbindbar ist.
Verwendung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest teilweise innerhalb des ersten Reservoirs (1) angeordnete Fluidleitung (6) mit dem zweiten Reservoir (2) fluidisch derart verbunden ist, dass das zweite Reservoir (2) Teil des geschlossenen Fluidkreislaufes ist und als Fluid-Zwischenspeicher dient.
Verwendung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest teilweise innerhalb des zweiten Reservoirs (2) eine Förderpumpe (7) angeordnet ist, die das Fluid aus dem zweiten Reservoir (2) in die, innerhalb des ersten Reservoirs (1) verlaufende Fluidleitung (6) pumpt, die nach Austritt aus dem ersten Reservoir (1) über eine der lösbar, fluiddichten Fluidkopplungen (8) mit dem Wärmetauscher-seitigen Fluidsystem (9) verbunden ist, das Auslass-seitig mit einer in das zweite Reservoir (2) rückführenden Fluidleitung über eine weitere der lösbar, fluiddichten Fluidkopplungen (8) verbunden ist.
Verwendung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Förderpumpe (7) als rein mechanischer Fördermechanismus ausgebildet ist, der in lösbar festen Eingriff mit dem als Drehantrieb (19) ausgebildeten Aktor bringbar ist.
Verwendung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (10) Teil eines Oxygenators (11) ist und das erste und zweite Medium (4, 5) derart gewählt sind, dass die Reaktionsenthalpie bei der chemischen Reaktion positiv, d.h. endotherm ist, und die dabei frei werdende Kälte zur Kühlung des innerhalb des geschlossenen Fluidkreislaufes geführten Fluids dient.