DE2156295C3 - Wärmetauscher, insbesondere für Organperfusion und Bluterwärmung, mit einer in Windungen verlaufenden Wärme-übertragungswänd - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, insbesondere für Organfusion und Bluterwärmung, mit einer in Windungen verlaufenden, gefalteten Wärmeübertragungswand, die eine erste und eine zweite Reihe von als Strömungskanäle dienenden Taschen bildet und die Taschen der ersten Reihe sich mit ihren öffnungen in entgegengesetzter Richtung zu den Taschen der zweiten Reihe öffnen und diese öffnungen jeder Reihe zwischen je einem am einen Ende der Strömungskanäle befindlichen Einlaß und je einem an deren anderem Ende befindlichen Auslaß für das Fluid durch je einen Sammelanschlußkopf abgedeckt sind.

Ein solcher Wärmetauscher soll insbesondere für Organperfusion und Bluterwärmung dienen, d. h. zum Wärmeau:;lausch zwischen Blut und einem strömenden Medium für den Wärmetransport. Eine derartige Wärmeausiaiischvorrichmng ist vor allem zur Temperierung des Blutes eines Patienten bei Operationen und in ähnlichen Fällen brauchbar, in denen entweder frisches Blut von Blutkonserven einem Patienten zugeführt werden oder dem Patienten entnommenes Blut behandelt, ζ. B. durch einen Oxygenator oder eine künstliche Niere geleitet, und zum Patienten zurückgeführt wird.

Ein Wärmetauscher der vorgenannten Art ist in der Sammlung »Transactions — American Society for Artificial Internal Organs«, Band 6, S. 360—369 von Esmond u.a. beschrieben. Dabei werden durch eine gewundene oder gefaltete Wärmeübertragungswand zwei voneinander getrennte Reihen von Taschen gebildet, von denen je eine Reihe eine aus einer Mehrzahl von Strömungskanälen bestehende Strömungsbahn für das eine bzw. das andere Medium bildet, das von dem ersten getrennt ist, wobei jeweils ein Einzelströmungskanal der einen Vielfachströmungsbahn mit je einem Einzelströmungskanal der anderen Vielfachströmungsbahn abwechselt Auf diese Weise wird auf sehr kleinem Raum eine große Oberfläche für den Wärmeaustausch hergestellt

Dieser bekannte, für die Temperierung von Blut bestimmte Wärmetauscher besteht aus rostfreien Stahl. Konstruktiv im wesentlichen in der gleichen Weise wie der vorgenannte Wärmetauscher und in der eingangs genannten Art ist ein Wärmetauscher nach der US-PS 2019 351 aufgebaut, der aus Metallblech gefertigt ist und in einem Klimagerät insbesondere dazu dienen soll, Wärmeaustausch zwischen von einem Wohnraum zugeführte kältere Luft und zu deren Erwärmung dienender Heizluft herbeizuführen. Dabei ist jede der sich in einander entgegengesetzten

ίο Richtungen öffenden Reihen von Taschen zwischen je einem am einen Ende der Strömungskanäle befindlichen Einlaß und je einem an deren anderen Ende befindlichen Auslaß für das strömende Medium durch je einen Sammelanschlußkopf abgedeckt. Jeder Sammelanschlußkopf berührt die Faltkanten im Bereich von Einlaß zu Auslaß von oben bzw. von unten in Form einer ebenen Platte. Er ist jedoch gegen diese Faltkanten und die Taschenöffnungen nicht abgedichtet, so daß das strömende Medium von einer Tasche bzw. von einem

4ü Strömungskanal am Sammelanschlußkopf vorbei in eine benachbarte Tasche übertreten kann. Es sind auch keine Vorrichtungen vorgesehen, die den Querschnitt der Strömungskanäle bzw. Taschen aufrechterhalten, so daß diese sich ziehharmonikaartig verformen können, wenn sie nicht aus unnötig dickem, steifem Blech hergestellt sind. Die Enden der Taschenreihen münden frei in je einen rechteckigen Einlaß- bzw. Auslaßschacht, wobei die Schachtwände einstückig mit den Seitenwänden und der Abdeckplatte der beiden Sammelanschlußköpfe

.so verbunden sind und an den Stirnenden der Strömungskanäle durch je eine aufgesetzte Platte abgeschlossen sind.

Da die in Windungen verlaufenden oder gefalteten Wärmeübertragungswände sowohl zwecks guter Wär-

ss meübertragung als auch zwecks einfacher Fertigung der Faltungen oder Wellungen aus dünnem Werkstoff hergestellt sein müssen, neigen die demzufolge biegsamen und federnden Taschenwände bei beiden vorgenannten Wärmetauschern dazu, sich gegenüber den

do Sammelanschlußköpfen, an die sie nur lose anliegen, quer zur Richtung der Strömungskanäle ziehharmonikaartig zu bewegen, wenn der Wärmetauscher als Ganzes bewegt wird oder Druckunterschiede in benachbarten Strömungskanälen auftreten. Somit kön-

'is nen die Querschnitte einzelner Strömungskanäle unerwünscht zusammengedrückt und andere unerwünscht über ihr Normalmaß aufgeweitet werden, so daß in beiden Arten von verformten Kanälen der Wärmeüber-

gang verringert wird, der nur dann durchschnittlich ein Optimum oder Maximum beträgt, wenn die Kanäle gleichmäßig vom wärmeaufnehmenden und wärmeabgebenden Medium durchströmt werden.

Dieser Mangel ist zwar bei der US-V¹S 23 21 110 behoben, die einen industriellen Wärmetauscher zeigt, der aus einzelnen Platten zu Taschen 7usammengebaut ist, deren Seitenkanten gegensinnig abgebogen und jeweils mit der Seitenkante einer benachbarten Platte durch ein U-Profil verbunden sind. Von jedem U-P'ofil steht quer rar Plattenebene nach nur einer Seite ein bis zur nächsten Platte reichender Schenkel ab, der für die gewünschte Distanz zwischen den Platten sorgt, die sich jedoch zusätzlich durch in den Platten geformte Sicken gegenseitig distanzieren. Die jeweils in einem U-Profil zusammengehaltenen Seitenkantenpaare bilden zum Tascheninneren spitze Winkel und damit Stauräume für die Strömung, die für die Behandlung von Blut prohibitiv wären, ebenso wie die Anbringung von Sicken, die ihrerseits einen glatten Strömungsverlauf stören müssen.

Auch der vorgenannte bekannte Wärmetauscher ist weder dafür bestimmt noch dafür brauchbar, zum Erwärmen oder Kühlen von Blut zu dienen, weil die an je einen Sammelanschlußkopf anliegenden gebogenen Taschenböden oder Faltenkanten nur lose an die benachbarten Wandungen des zugehörigen Sammelanschlußkopfes anliegen. Dadurch würde, wenn -nan die eine Taschenreihe zur Durchströmung von Blut verwenden würde, Blut von einer Tasche zur benachbarten Tasche der gleichen Reihe übertreten, und zwar mit der verhältnismäßig geringen Strömungsgeschwindigkeit, die gerade an der Taschenöffnung herrscht, und gerade auch deshalb, weil keine Vorsorge getroffen ist, daß der ursprüngliche und gewünschte Taschenquerschnitt während des Gebrauchs gleichmäßig für alle Taschen erhalten bleibt.

Das Austreten und Übertreten von Blut an den engen undichten Stellen entlang der Wandung des zugehörigen Sammelanschlußkopfes führt aber zur Stagnierung dieses Bluts und zu dessen Gerinnung. Liegt eine größere Menge solcher Blutgerinnsel vor, so kann dadurch die Gerinnung schnell fortschreiten und können größere Klumpen geronnenen Bluts in die Strömung des frischen Bluts gelangen und von dieser mitgeführt werden. Es versteht sich, daß bei den eingangs genannten Anwendungen eines Wärmetauschers für medizinische Zwecke wegen Thrombosegefahr auf jeden Fall verhindert werden muß, daß Blutklumpen zum Patienten gelangen, d. h. verhindert werden muß, daß solche Klumpen bei der Erwärmung oder Abkühlung des Bluts im Wärmetauscher überhaupt entstehen.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht demgemäß darin, bei einem Wärmetauscher der eingangs genannten allgemeinen Art für die Anordnung einer in Windungen verlaufenden oder gefalteten Wärmeübertragungswand eine Halterung zu schaffen, durch die der lichte Querschnitt beider Tqschenreihen unabhängig von zwischen den Taschen herrschenden Druckunterschieden aufrechterhalten und durch die zugleich ein dichter Abschluß der Taschenöffnungen in bezug auf den zugehörigen Sammelanschlußkopf gewährleistet wird, wodurch insbesondere die Verwendung des Wärmetauschers mit Blut als das eine strömende Medium gefahrlos ermöglicht werden soll.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch eelöst. daß die SammelanschlußköDfe mit in einem

Stück in Strömungsrichtung entlang den Öffnungen der benachbarten Taschen durchlaufenden Dichtungsrippen versehen sind, die in die Öffnungen der benachbarten Taschen eingepaßt und dichtend eingreifen, und daß die Sammel&nschlußköpfe und die Dichtungsrippen aus elastomerem Werkstoff bestehen.

Auf diese Weise werden alle eingangs für die bekannten Wärmetauscher genannten Mängel behoben. Darüber hinaus ergibt sich nach der Erfindung der Vorteil, daß der Wärmetauscher unabhängig von mäßigen Druckänderungen in den Strömungskanälen mit konstantem Volumen in den Strömungskanälen arbeitet Das ist, vor allem bei chirurgischen Operationen, von Bedeutung, wenn im Wärmetauscher Blut zu dem Patienten geliefert wird, damit die im Wärmetauscher vorhandene Blutmenge ohne Berechnung leicht bestimmt werden kann. Die Verwendung von elastomerem Werkstoff, vorzugsweise aus Silikonkautschuk, gewährleistet eine verläßliche Abdichtung der Taschen durch die in sie eingreifenden Rippen und macht es sehr einfach, durch das Anbringen der Sammelanschiußköpfe gleichzeitig die gewünschte Abdichtung aller Taschen herzustellen.

Sind, wie an sich bekannt, sowohl der Einlaß als auch der Auslaß der Strömungskanäle in einem Stück mit den Sammelanschlußköpfen ausgebildet, so empfiehlt es sich, für die Behandlung von Blut im Wärmetauscher auch den Einlaß und den Auslaß aus antithrombogenem Werkstoff herzustellen.

Weitere im Zusammenhang mit dem Hauptanspruch vorteilhafte Abdichtmaßnahmen an den Stirnenden der Wärmeübertragungswand und an den Seitenwandungen der Sammelanschiußköpfe ergeben sich aus den Unteransprüchen 3 und 4.

Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 in Draufsicht einen Wärmetauscher nach der Erfindung, wobei in dieser Darstellung einer der Sammelanschiußköpfe erkennbar ist,

Fig. 2 eine Vorderansicht des Wärmetauschers der Fig. 1, wobei in dieser Darstellung beide Sammelanschiußköpfe und ein Teil der gefalteten Wärmeübertragungswand sichtbar sind,

Fig. 3 vergrößert einen vertikalen Mittelschnitt parallel zur Ebene der Fig. 2, wobei der allgemeine Verlauf der Strömungswege von getrennten Medien durch den Wärmetauscher durch Pfeile angedeutet ist,

F i g. 4 einen Schnitt nach der Linie 4-4 der F i g. 3, der die Innenseite eines Sammelanschlußkopfes erkennen läßt, mit der dieser gegen die Faltenkämme der Wärmeübertragungswand angedrückt ist und diese in ihrer Lage sichert und

F i g. 5 einen Schnitt der Linie 5-5 der F i g. 2 und 3.

Der in der Zeichnung gezeigte Wärmetauscher weist zwei einander gegenüberliegende längliche Sammelanschiußköpfe 10 und 12 .auf, zwischen denen eine in Windungen 14 verlaufende, gefaltete Wärmeübertragungswand 16 mit den Kämmen ihrer Windungen dicht schließend gehalten ist. Jeder der Sammelanschiußköpfe 10 und 12 weist nahe seinen beiden Enden je einen Sammelraum auf. Diese Sammelräume sind für den oberen Sammelanschlußkopf 10 mit 30 und 34 (F i g. 1,3 und 5) bezeichnet. Die Sammelanschiußköpfe 10,12 sind aus einem elastomeren Material hergestellt, am besten aus Silikon-Kautschuk oder anderem antithrombogenen Material, z. B. geeignete Polyurethanverbindungen oder andere thermoplastische oder vernetzte elastomere Materialien.

An die Sammelräume anschließend weist jeder der Sammelanschlußköpfe 10,12 je einen Einlaß 18 bzw. 18a sowie je einen Auslaß 20 bzw. 20a auf; ferner eine Vielzahl von in einem Stück in Strömungsrichtung durchlaufenden Dichtungsrippen 22 bzw. 22a, die in die s öffnungen der durch die gefaltete Wärmeübertragungswand 16 gebildeten, sich in entgegengesetzter Richtung öffnenden Taschen 24 bzw. 24a eingepaßt und dichtend eingreifen. Die Rippen 22 bzw. 22a verankern die einzelnen Kämme der Windungen 14 der Wärmeüber- ,_u tragungswand 16 und verhindern seitliche Bewegungen der Windungen, so daß die von den Taschen 24, 24a gebildeten Strömungskanäle selbst bei relativ hohem Druckunterschied von 0,7 kp/cm² und mehr zwischen den in den getrennten Reihen von Taschen strömenden , ^ Medien eine unveränderte Weite beibehalten. Die Rippen 22 bzw. 22a sind so bemessen und genügend elastomer und elastisch, um an der öffnung jeder der Taschen 24, 24a einen strömungsdichten Verschluß zu bilden und dadurch zu verhindern, daß das strömende Medium, insbesondere Blut, durch die Taschenöffnungen in Zonen 26, 26a mit stagnierender Strömung austritt, in denen Blutverklumpung auftreten könnte.

Jeder der Anschlußköpfe 10 und 12 weist außen erhöhte Dichtungsrippen 28 bzw. 28a solcher Form auf, ₂s daß sie an den äußeren Seitenflächen der gefalteten Wärmeübertragungswand anliegen, aber einen Teil der Seitenflächen frei lassen.

Fig.3 zeigt den Verlauf der Strömung zweier getrennter Medien in zwei nach gegenüberliegenden ,₀ Seiten bzw. Anschlußköpfen hin ausgerichteten Taschen 24, 24a. Das eine Medium, z. B. Blut, gelangt durch den Einlaß 18 in die Wärmetauschvorrichtung und wird über den Sammelraum 30 verteilt, wodurch es in alle mit dem Raum 30 in Verbindung stehende Taschen 24 gelangt. ^ Die Blutströmungsbahn ist durch Pfeile 32 dargestellt, die zeigen, wie das Blut in jede der Taschen 24 gelangt und die Taschen in ihrer Längsrichtung durchströmt, wobei die durchlaufenden Dichtungsrippen 22 es daran hindern, aus den öffnungen der Taschen 24 auszutreten. ^₀ Es wird dann im Sammelraum 34 gesammelt und verläßt den Wärmetauscher über den Auslaß 20.

In gleicher Weise tritt ein anderes Medium, z. B. eine Kochsalzlösung, durch einen zweiten Flüssigkeitseinlaß 18a ein, der mit allen Taschen 24a in Verbindung steht. _4S Die Strömungsbahn ist durch gestrichelte Pfeile 36 dargestellt, da sie hinter einem Steg der gefalteten Wärmeübertragungswand 16 liegt; nur in einem Bereich, in dem ein Teil der Wand 16 zur besseren Darstellung weggebrochen ist, ist ein Teil einer Tasche 24a in Fig.3 direkt gezeigt Die Strömungsbahn 36 dieses Mediums verläuft längs jeder der Taschen 24a und verläßt durch den Auslaß 20a den Wärmetauscher.

Jede Tasche 24 ist in enger Berührung mit mindestens einer und gewöhnlich zwei der Taschen 24a. Wenn also Blut durch die Taschen 24 und ein Wärmetauschmedium durch die Taschen 24a strömt, erfolgt ein Wärmeaustausch zwischen beiden Medien durch die gefaltete Wand 16 hindurch, ohne daß die beiden Medien miteinander vermischt werden.

Das Wärmeübertragungsmedium wird gewöhnlich von einer großen Flüssigkeitsqueile geliefert, in der die Temperatur von außen wie gewünscht geregelt wird, und die beiden Strömungsgeschwindigkeiten werden so eingestellt oder geregelt, daß das Blut die gewünschte Temperatur hat, wenn es den Auslaß 20 erreicht.

Die Stirnenden der gefalteten Wärmeübertragungswand 16 sind mit einem Dichtungsmittel 35 ausgefüllt, um Leckverluste an den Enden der Taschen 24 und 24a zu verhindern. Ein derartiges Dichtungsmittel ist vorzugsweise ein handelsübliches Organosilikon-Elastc mer (organische Siliziumverbindung), welches bei Zimmertemperatur vulkanisiert. Die Bereiche zwischen den erhöhten Rippen 28 bzw. 28a jedes der Anschlußköpfe und den Seitenflächen der gefalteten Wärmeübertragungswand 16 sind gleichfalls mit in Längsrichtung verlaufenden Dichtungsstreifen 37 ausgefüllt, um Leckverluste zu verhindern. Zwischen den beiden Dichtungsstreifen besteht jedoch ein Zwischenraum, wodurch ein Teil der gefalteten Wand 16 nach außen freiliegt, damit die Gefahr weiter verringert wird, daß das strömende Medium von einer Strömungsbahn in die andere sickert

Zur zusätzlichen Verankerung der Windungen 14 und für bessere Haftung des Dichtungsmittels 35 sind Verlängerungen 38 der Rippen 22 und 22a jenseits der Sammelräume vorgesehen, die in die Enden der Taschen 24, 24a passen. Diese Verlängerungen 38 sind zur Aufnahme des Dichtungsmittels 35 nach außen hin keilförmig verjüngt (Fig.3). Die Verlängerungen und das Dichtungsmittel 35 schaffen eine feste Dichtverbindung der Enden der Anschlußköpfe 10, 12 mit den Enden der gefalteten Wärmeübertragungswand 16 und verhindern unerwünschtes seitliches Spiel zwischen diesen Teilen und ein Ablösen der Anschlußköpfe.

Bei dem gezeigten Wärmetauscher nach der Erfindung verläuft die Strömung der beiden Medien im Gegenstrom. Dies ist die bevorzugte Ausführung: die Strömung kann jedoch auch gleichsinnig verlaufen, so daß beide Medien in der gleichen Richtung strömen.

Am Ende jedes der Einlasse 18,18a und der Auslässe 20,20a ist je ein Flansch 40 ausgebildet. Hierdurch kann die Verbindung mit einem anderen mit einem Flansch versehenen Rohr hergestellt und der Wärmetauscher nach der Erfindung mit einer Organperfusionsvorrichtung, einer Quelle für das Wärmeaustauschmedium, Blutleitungen oder einem beliebigen gewünschten Gerät verbunden werden.

Diejenige Oberfläche der gefalteten Wand 16, die mit dem Blut in Berührung kommt, wird zweckmäßigerweise mit einem dünnen Überzug eines Silikonharzes odei Elastomers versehen, damit die Wand 16 antithrombogen ist

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Wärmetauscher, insbesondere für Organfusion und Bluterwärmung, mit einer in Windungen verlaufenden, gefalteten Wärmeübertragungswand, die eine erste und eine zweite Reihe von als Strömumgskanäle dienenden Taschen bildet und die Taschen der ersten Reihe sich mit ihren öffnungen in entgegengesetzter Richtung zu den Taschen der zweiten Reihe öffnen und diese öffnungen jeder Reihe zwischen je einem am einen Ende der Strömungskanäle befindlichen Einlaß und je einem an deren anderem Ende befindlichen Auslaß für das Fluid durch je einen Sammelanschlußkopf abgedeckt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Sammelanschlußköpfe (10 und 12) mit in einem Stück in Strömungsrichtung entlang den öffnungen der Denachbarten Taschen (24 bzw. 24a) durchlaufenden Dichtungsrippen (22 bzw. 22a^ versehen sind, die in die öffnungen der benachbarten Taschen eingepaßt und dichtend eingreifen, und daß die Sammelanschlußköpfe und die Dichtungsrippen aus elastomerem Werkstoff bestehen.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Einlaßstutzen (18 bzw. XSa) und der Auslaßstutzen (20 bzw. 20a) in an sich bekannter Weise in einem Stück mit den Sammelanschlußköpfen (10 und 12) ausgebildet sind und aus antithrombogenem Werkstoff bestehen.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnenden der gefalteten Wärmeübertragungswand (16) mit einem Dichtungsmittel (35) ausgefüllt bind

4. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3. dadurch gekennzeichnet, daß an den äußeren Seitenflächen der gefalteten Wärmeübertragungswand erhöhte Dichtungsrippen (28, 2Sa) anliegen und zwischen gegenüberstehenden erhöhten Dichtungsrippen (28, 28a,) ein Teil der Seitenflächen frei bleibt und daß der Rand der erhöhten Dichtungsrippen (28, 2Sa) abgeschrägt und mit einem Dichtungsmittel ausgefüllt ist.