DE2757838A1 - Vorrichtung mit hohlfasern zur fraktionierung von fluiden - Google Patents

Vorrichtung mit hohlfasern zur fraktionierung von fluiden

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DE2757838A1
DE2757838A1 DE19772757838 DE2757838A DE2757838A1 DE 2757838 A1 DE2757838 A1 DE 2757838A1 DE 19772757838 DE19772757838 DE 19772757838 DE 2757838 A DE2757838 A DE 2757838A DE 2757838 A1 DE2757838 A1 DE 2757838A1
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Charles Amicel
Bernard Biot
Yves Butruille
Christian Ollivier
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    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D63/00Apparatus in general for separation processes using semi-permeable membranes
    • B01D63/10Spiral-wound membrane modules
    • B01D63/101Spiral winding
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
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Description

Vorrichtung mit Hohlfasern zur Fraktionierung von Fluiden
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit Hohlfasern zur Fraktionierung von Fluiden, insbesondere zur. Behandlung von Blut, bei der das außerhalb der Hohlfasern zirkulierende Fluid in den Innenraum der Vorrichtung in Nähe einer Endwand eingeführt wird, in die die Endbereiche der Hohlfasern eingebettet sind, während das Fluid an der anderen Endwand entleert wird, wobei wenigstens eines der Enden der Hohlfasern an einer dichten Endwand offen ist. Im allgemeinen betrifft die Vorrichtung nach der Erfindung allgemein Jede Vorrichtung der oben definierten Art, bei der ein Fluid auf einer Außenfläche von Hohlfasern zirkulieren kann, ohne daß die Gefahr von durch das Fluid in-
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nerhalb der Vorrichtung schlecht durchspülten toten Zonen besteht. Die Vorrichtung nach der Erfindung betrifft Insbesondere eine Verwendung zur Behandlung von Blut, bei der dieses außerhalb der Hohlfasern zirkuliert. Diese Vorrichtung kann insbesondere als künstliche Niere mit Blutdialyse, als künstliche Niere mit Blutdialyse und Ultrafiltration, als künstliche Niere mit Ultrafiltration allein oder als künstliche Lunge verwendet werden.
Die bisherigen Vorrichtungen mit Hohlf asern, die als künstliche Niere oder Lunge verwendbar sind und bei denen das außerhalb der Hohlfasern befindliche Fluid von einer dichten Endwand zur anderen zirkuliert, sind im wesentlichen solche Vorrichtungen, bei denen das Blut innerhalb etwa gerader Hohlfasern zirkuliert, die innerhalb eines im allgemeinen zylindrischen Gehäuses als Bündel vereinigt sind. Dies bedingt, daß die Abdichtungswände, in denen die Hohlfasern eingebettet sind, und/oder die Hohlfasern mit größter Genauigkeit abgeschnitten werden, damit der durchtritt des Bluts innerhalb der Höhlfasern gewährleistet ist. Tatsächlich verursachen die geringsten Oberflächenrauhigkeiten (resultierend aus diesem Abschneiden) an den Enden der Hohlfasern oder eine Abflachung dieser Enden einen örtlichen Koagulationsreiz für das Blut, der sich im Verlauf beispielsweise einer Blutdialysesitzung vergrößert. Somit muß das die Hohlfasern bildende Material und dasjenige der Abdichtungswände zusätzlich zu den guten Eigenschaften der Blutverträglichkeit gute mechanische Eigenschaften aufweisen, damit es ein Abschneiden aushält, ohne Spuren zu hinterlassen, d.h. es muß einen guten Oberflächenzustand aufweisen. Außerdem muß bei den bis-, heringen Vorrichtungen die Innenwand der Hohlfasern ihrerseits eine solche Oberflächenbeschaffenheit aufweisen, daß das Blut nicht Gefahr läuft, im Verlauf seines Wegs innerhalb der Hohlfasern zu hämolysleren oder zu koagulieren. l
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Die bisherigen Vorrichtungen sind daher im wesentlichen für eine Zirkulation des Bluts innerhalb der Hohlfasern ausgelegt, wobei sich die Einrichtungen zum Einführen und/oder Entleeren des Fluids, das außerhalb der Hohlfasern zirkulieren soll, sich für gewöhnlich auf dem die Hohlfasern umgebenden Gehäuse befinden. Wenn derartige Vorrichtungen bei außerhalb der Hohlfasern zirkulierendem Blut verwendet werden, ist es unleugbar, daß z.B. am dem Einlaß des Bluts in das Gehäuse diametral gegenüberliegenden Teil Bereiche schlecht umspült werden, und daß an diesen Stellen die Koagulationsgefahren groß sind.
Ein Ziel der Erfindung ist daher die Schaffung einer Vorrichtung, die die Nachteile der Vorrichtungen des Standes der Technik nicht auf v/eist und bei der ein Fluid, insbesondere Blut, außerhalb der Hohlfasern zirkulieren kann ohne Gefahr einer schlechten örtlichen Umspülung der Hohlfasern innerhalb des Gehäuses. Die Vorrichtung nach der Erfindung hat den Vorteil, daß ein Abschneiden der Hohlfasern genügt, ohne daß eine vollkommene Oberflächenbeschaffenheit ihrer Enden oder der dichten Endwand gesucht werden muß, da, wie beim vorliegenden Anwendungsfall, das Blut nicht mit diesen abgeschnittenen Flächen in Berührung kommt. Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, daß die Verwendung von Hohlfasern möglich ist, die eine gewisse Oberflächenrauheit oder -Unebenheit an ihrer Innenwand aufweisen können.
Ein zusätzlicher Vorteil der Vorrichtung nach der Erfindung liegt ebenfalls in der großen Einfachheit der Reinigung des außerhalb der Hohlfasern zirkulierenden Fluidkreises.
Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung mit Hohlfasern zur Fraktionierung von Fluiden, insbesondere zur Behandlung von Blut mit dessen Zirkulation außerhalb der Hohlfasern, die sich auszeichnet durch: einen Dorn, gegen dessen Enden sich zwei Endwände befinden, die den Dorn umgeben und durch
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die* die sich von einer Endwand zur anderen erstreckenden Hohlfasern gehalten werden, wobei wenigstens eine der beiden Endwände dicht ist und von den offenen Enden der Hohlfasern durchquert wird, durch ein Gehäuse, das wenigstens um die Hohlfasern und um die Endwände herum angeordnet ist und zwischen seiner Innenwand, den einander gegenüberliegenden Stirnseiten der Endwände und dem Dorn eine Kammer begrenzt, in der die Hohlfasern angeordnet sind, durch eine Einrichtung zur Einführung und/oder Entleerung des innerhalb der Hohlfasern zirkulierenden Fluids, und durch eine Einrichtung zur Einführung und/oder Entleerung des außerhalb der Hohlfasern zirkulierenden Fluids, die am Umfang des Dorns und in Nähe Jeder Endwand in die Kammer mündet.
Der oben verwendete Ausdruck "Fraktionierung" umfaßt jeden Austausch oder jede Übertragung von Materie (oder sogar von Wärme), wodurch nach Einwirken der Fraktionierung ein oder mehrere Fluide erhalten werden, die nicht dieselbe Zusammensetzung oder dieselben Eigenschaften wie das (oder die) in die Vorrichtung mit Hohlfasern eingeführte (-n) Fluid(-e). Die in Betracht gezogenen Fraktionierungsvorgänge sind daher im wesentlichen die folgenden:
- Austauschvorgänge (Dialyse, z.B. künstliche Niere, unmittelbare Osmose, Austausch Gas-Gas, Austausch Gas-Flüssigkeit, z.B. künstliche Lunge),
- Trennvorgänge (Ultrafiltration, Umkehrosmose, Gaspermeation)
- und sogar Mischvorgänge.
Die Vorrichtung mit Hohlfasern nach der Erfindung kann ebenfalls bei Vorgängen verwendet werden wie dem Wärmeaustausch zwischen zwei Fluiden, der Befeuchtung und/oder Konditionierung von Luft, der Lösung gewisser Gase in Flüssigkeiten usw.
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Bei der Vorrichtung nach der Erfindung werden mit dem Ausdruck "Hohlfasern" rohrförmige Fasern bezeichnet, d.h. solche, die innen einen durchlaufenden Kanal aufweisen, der etwa längs der Achse der Hohlfaser verläuft. Die Hohlfasern können von jeder bekannten Art sein und aus jedem natürlichen, künstlichen oder synthetischen makromulekaren Material bestehen. Es kann sich insbesondere um Hohlfasern handeln, die in den FR-PS 1 307 979, 1 586 563, 2 017 387 und in der US-PS 3 674 628 erwähnt sind. Diese Hohlfasern können durch Gießen, auf trockene Weise (Verdampfung von Lösungsmittel) oder auf feuchte Weise (Koagulation) erhalten werden. Die genaue Natur der Hohlfasern wird in Abhängigkeit von der in Betracht gezogenen Anwendung gewählt, wobei natürlich bei einfachen Wärmetauschvorgängen die verwendeten Hohlfasern gegenüber den auf ihren Außen- oder Innenwänden zirkulierenden Fluiden undurchlässig sind und aus Materialien bestehen, wie sie insbesondere in der US-PS 3 315 740 beschrieben sind.
Die bei der Vorrichtung nach der Erfindung.verwendbaren Hohlfasern haben einen Außendurchmesser von im allgemeinen weniger als 1,5 nun, vorzugsweise weniger als 0,75 mm und im allgemeinen größer als 5 Mikron. Bei einer Verwendung der Vorrichtung als Blutdialysator oder als künstliche Lunge ist der Außendurchmesser der Hohlfasern vorzugsweise größer als 300 Mikron. Die Wanddicke der Hohlfasern beträgt im allgemeinen 1 bis 100 Mikron.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnung beschrieben. Darin zeigt:
Fig. 1 einen Schnitt längs der Längsachse der Vorrichtung nach der Erfindung;
Fig. 2 einen Teilschnitt H-II v©n Fig. 1;
Fig.3»4,5 Ausführungsvarianten der Vorrichtung nach der Erfindung ;
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Fig. 6 einen Teilschnitt VI-VI von Fig. 5 oder VI-VI von Fig. 7;
Fig. 7 einen Schnitt längs der Längsachse einer bevorzugten -Ausführungsform der Vorrichtung nach der Erfindung;
Fig. 8 eine vergrößerte Darstellung des in Fig. 1 eingekreisten Teils;
Fig. 9 eine Ausführungsvariante der Vorrichtung nach der Erfindung;
Fig. 10 eine Anlage zur Herstellung von Vorrichtungen nach der Erfindung.
Die Vorrichtung nach Fig. 1 enthält einen zylindrischen Dorn 1 mit vorteilhaft kreisförmigem Querschnitt und zwei dichte Endwände 2, in die die Endbereiche der Hohlfasern 3 eingebettet sind, die sich von einer Endwand zur anderen erstrecken. Diese Endwände 2 befinden sich in Nähe der Enden 19 oder 20 des Dorns 1. Die dichten Endwände bestehen im allgemeinen aus verfestigtem Klebstoff auf beispielsweise Silikonharz- oder Polyurethanbasis und können außerdem auf dem Dorn 1 aufgewickelte Fäden oder Bänder enthalten, zwischen deren Windungen die Hohlfasern durch den verfestigten Klebstoff dicht angeordnet und gehalten werden. Zwischen den beiden Endwänden 2 befinden sich die Hohlfasern 3 im allgemeinen in Berührung untereinander und können vorteilhaft in Form von seitlich aneinander liegenden Verdrillungen angeordnet sein, wie in den FR-Ps 73 20040 und Ik 11674 beschrieben. Jede Verdrillung von Hohlfasern enthält vorzugsweise zwei Hohlfasern oder enthält ihrerseits zwei Verdrillungen von untereinander gewickelten Hohlfasern. Die Hohlfasern 3 können gerade und zueinander parallel um den Dorn herum angeordnet sein. In diesem Fall kann es vorteilhaft sein, Fäden oder Bänder zwischen den Hohlfasern anzuordnen, was z.B. in der US-PS 3 277 959, vergl. insbesondere Fig. 11,
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beschrieben ist. Jedes Ende von Hohlfasern 3 ist offen und mündet in einem Abteil 4 oder 5, das eine Einrichtung 9,10 enthält zum Einführen oder Entleeren eines innerhalb der Hohlfasern 3 befindlichen Fluids. Um die Hohlfasern 3 herum und vorzugsweise in Berührung hiermit befindet sich ein Gehäuse 6, das an einem seiner Enden eine Einrichtung enthält, die das Abteil 5 bildet, und am anderen Ende einen Flansch 16 enthält, der das Abteil 4 begrenzt. Die Innenwand 11 des Gehäuses, der Dorn 1 und die einander zugewandten Stirnseiten 22,23 der Endwände 2 begrenzen eine Kammer 24 mit ringförmigem Querschnitt, in dem sich die Hohlfasern 3 befinden. Das charakteristische Merkmal der Vorrichtung nach der Erfindung beruht darin, daß es Einrichtungen enthält, die in Nähe des Teils mit dem geringsten Durchmesser jeder Endwand 2 in die Kammer 24 münden und um den Dorn 1 herum verteilt sind. Diese Einrichtungen dienen zum Einführen und Entleeren des außerhalb der Hohlfasern zirkulierenden Fluids in die Kammer 24 und enthalten insbesondere Durchtritte oder Kanäle 21, die mit einer Rohrleitung 7 oder 8 innerhalb des Dorns 1 gegen dessen Enden und 20 zu verbunden sind. Fig. 2 zeigt genauer eine Verteilungsart der Kanäle 21 um den Dorn 1. Fig. 8 ist eine Vergrößerung des eingekreisten Teils des Dorns 1 von Fig. 1 und zeigt als Variante, wie die Kanäle 21 vorteilhaft am Dorn 1 in eine an dessen Umfang vorgesehene Ringnut münden können und wie die Rohrleitung 7 vorteilhaft eine Einrichtung 26 aufweist, die vermeidet, daß das eingeführt Fluid am Grund dieser Rohrleitung senkrecht mit dem Dorn in Berührung kommt.
Zur Verwendung der Vorrichtung nach Fig. 1, beispielsweise als Blutdialysator, wird das Blut in die Vorrichtung durch die Rohrleitung 7 eingeführt, wobei das Blut durch die Kanäle 21 hindurchtritt und außerhalb der Hohlfasern 3 von der Stirnseite 22 der linken Endwand 2 der Vorrichtung bis zur Stirnseite 23 der rechten Endwand 2 der Vorrichtung zirkuliert, durch die Kanäle 21 in die Rohrleitung 8 hindurchtritt und dann die Vor-
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richtung verläßt. Die innerhalb der Hohlfasern 3 zirkulierende Dialyseflüssigkeit tritt durch die Rohrleitung 9 in die Vorrichtung ein, strömt im Abteil A und innerhalb der Hohlfasern 3, tritt am anderen Ende der Hohlfasern 3 in das Abteil 5 aus und verläßt dann die Vorrichtung durch die Rohrleitung 10. Das außerhalb der Hohlfasern zirkulierende Fluid kann durch die Rohrleitung 8 in die Vorrichtung eingeführt werden und durch die Rohrleitung 7 austreten. Ebenfalls kann das innerhalb der Hohlfasern zirkulierende Fluid durch die Rohrleitung 10 in die Vorrichtung eingeführt v/erden und diese durch die Rohrleitung 9 verlassen. In der gesamten Beschreibung und bei jeder Figur haben die Pfeile in Nähe jeder Rohrleitung der dargestellten Vorrichtungen zwei Spitzen, wenn sie die Zirkulationsrichtung des Fluids außerhalb der Hohlfasern darstellen, während die Pfeile zwei Spitzen haben, wenn sie die Zirkulationsrichtung eines Fluids innerhalb der Hohlfasern darstellen..
Fig. 3 zeigt in einem teilweisen Schnitt längs ihrer Längsachse eine Vorrichtung, bei der der vorteilhaft zylindrische
Dorn 1 einen Querschnitt hat, der im größten Teil seiner Länge zwischen den dichten Endwänden 2 einen größeren Querschnitt als an seinen Enden 19 und 20 (nicht gezeigt) hat, die von den einen ringförmigen Querschnitt aufweisenden Endwänden 2 umgeben sind. Bei der Vorrichtung nach Fig. 3, von der nur ein Teil dargestellt ist und deren anderer Teil dem dargestellten ähnlich ist (mit jedenfalls einem Flansch 16, wie bei'der Vorrichtung nach Fig. 1) hat somit der zylindrische Dorn 1 zwischen der Stelle 12 und der entsprechenden Stelle am nicht dargestellten Teil einen größeren Durchmesser als die von den Endwänden 2 umgebenen Enden 19 und 20 mit gleichartigen Querschnitten. Die Kanäle 21 münden in Nähe und am Beginn des Bereichs 14 (und in der gleichartigen Zone des nicht dargestellten Teils der Vorrichtung), wo der Querschnitt des Doms 1 zunimmt zwischen dem von der Endwand 2 umgebenen Ende 19 und der dem Teil mit dem größeren Querschnitt entsprechenden
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Stelle 12 am Dorn. Die Kanäle 21 münden vorzugsweise am Dorn 1 unmittelbar bevor er seinen Querschnitt ändert, um sich an dessen Teil mit dem größeren Durchmesser (oder dem größeren Querschnitt) anzuschließen.
Bei der Ausführungsform der Vorrichtung nach Fig. 3 sind die Hohlfasern 3 vorteilhaft in Form von seitlich aneinander liegenden und miteinander in Berührung stehenden Verdrillungen angeordnet, während die dichten Endwände vorteilhaft jeweils ein um die Enden 19 und 20 des Doms 1 spiralförmig gewickeltes Band aufweisen, wobei die Hohlfasern zwischen den V/indungen des Bands angeordnet sind. Die Abdichtung der Endwände 2 erfolgt durch Klebstoff.
Der Vorteil der Vorrichtung nach der Erfindung gegenüber derjenigen nach Fig. 1 beruht im wesentlichen in der besseren Verteilung des Fluids außerhalb der Hohlfasern gegen die Kanäle 21 zu, was sich ergibt:
-~ einerseits durch das Vorhandensein des Bands der Abdichtungswand, die aufgrund ihrer Dicke die Hohlfasern beiderseits in einem gewissen gegenseitigen Abstand hält, während in dem längs des Teils des Doms mit dem größeren Querschnitt befindlichen Teil der Kammer 24 alle Hohlfasern miteinander in Berührung stehen,
andererseits dadurch, daß sich die Fasern 3 von der Endwand 2 bis zum Bereich 12 am Dorn 1 allmählich voneinander entfernen aufgrund der Querschnittsunterschiede zwischen den die Endwände 2 tragenden Einrichtungen und dem Bereich 12 des Doms 1.
Die Vorrichtung nach Fig. 4 ist derjenigen nach Fig. 3 mit de? Unterschied ähnlich, daß die einander gegenüberliegenden Stirn-
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selten 22 und 23 (nicht dargestellt) der dichten Endwände 2 zur Längsachse des Doms 1 nicht senkrecht, sondern geneigt verlaufen. Der Schnitt einer durch die Längsachse des Dorns verlaufenden Ebene (d.h. einer Ebene, die die Längsachse enthält) mit der zur Kammer 24 inneren Stirnseite 22 oder 23 jeder dichten Endwand 2 ist durch zwei symmetrisch gegenüber der Achse des Dorns 1 angeordnete peradenabschnitte dargestellt. Diese Geradenabschnitte schließen mit der Längsachse des Dorns einen spitzen Winkel ein, wenn dieser auf der Seite der Kammer 24 gemessen wird. Dieser Winkel beträgt im allgemeinen 20 bis 80°, vorteilhaft 30 bis 70°. Somit sind in der Vorrichtung nach Fig. 4 die Stirnseiten 32 und 33 jede** innerhalb der Kammer 24 gelegenen Endwand 2 gegenüber der Längsachse des Dorns geneigt, wobei ihre Neigung in jeder Ebene etwa dieselbe ist, die durch die Längsachse des Dorns und durch alle Punkte jeder Stirnseite verläuft, wobei diese Punkte in dem Fall, daß der Querschnitt der die Endwände 2 tragenden Einrichtungen kreisförmig ist, im gleichen Abstand von der Längsachse des Dorns gelegen ist, oder in einem allgemeineren Fall in gleichem Abstand von der die Endwände 2 tragenden Einrichtungen entfernt ist. Zur Vereinfachung der Zeichnung ist nur der linke Teil der Vorrichtung in Fig. 4 gezeigt. Der rechte Teil ist dem dargestellten Teil im wesentlichen identisch (jedoch mit einem zusätzlichen Flansch 16) und ist zu diesem Teil bezüglich einer durch die Längsachse des Dorns verlaufenden senkrechten Ebene etwa symmetrisch. Die einander gegenüberliegenden Stirnseiten jeder dichten Endwand können ein von einer Endwand zur anderen abweichendes Profil haben. Bei der Vorrichtung nach Fig. 4 verläuft die Achse der Kanäle 21 ebenfalls vorzugsweL se schräg gegenüber der Längsachse des Dorns. Diese Ausführungsform begünstigt die Strömung des außerhalb der Hohlfasern zirkulierenden Fluids während dessen Einführung in die Kammer 24 oder dessen Austritt aus dieser Kammer. Somit kommt dieses Fluid praktisch nicht senkrecht mit den Konstruktionselementen der Vorrichtung in Berührung. Gemäß Fig. 4 ist das Profil der Stirn-
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seite 22 der dichten Endwand 2 vorteilhaft an das Profil des Bereichs 14 des Dorns angepaßt, was auch für die andere in Fig. 4 nicht dargestellte Endwand gilt. Dadurch^ daß die Vorrichtung geneigte Stirnseiten 22,23 für ihre Endwände 2 aufweist, ergibt sich überdies als Vorteil eine maximale Verminderung des Flüssigkeitsvolumens, z.B. von Blut, das außerhalb der Hohlfasern 3 in der Kammer 24 zirkuliert.
Die innerhalb der Kammer 24 gelegene Stirnseite einer dichten Endwand wird beim Schnitt der Vorrichtung längs einer durch die Längsachse des Dorns verlaufenden Ebene nicht unbedingt durch zv/ei Geradenabschnitte dargestellt. In gewissen Fällen kann dieser Schnitt durch zwei gekrümmte Teile dargestellt werden, wie es bei der Vorrichtung nach Fig. 5 der Fall ist. Es ist zu erkennen, daß die in Fig. 5 dargestellte innere Stirnseite 22 der Abdichtungswand im Ausmaß einer Entfernung vom diese Wand tragenden Teil 27 mit der Längsachse des Dorns zunächst einen konstanten Winkel bildet und dann in Nähe der Innenwand 11 des Gehäuses 6 allmählich in ihrer Neigung abnimmt. Als Variante kann jedoch diese Stirnseite 22 in ihrer Neigung konstant abnehmen, wobei diese Abnahme z.B. zur Innenwand des Gehäuses hin ausgeprägter ist. Als Variante der Dorne der vorhergehenden Figuren ist die Vorrichtung nach Fig. 5 mit einem hohlen Dorn 1 versehen. Dieser Dorn 1 von Fig. 5 besitzt, wie derjenige von Fig. 4, Enden 19 und 20 mit geringerem Querschnitt als der größere Teil des Dorns zwischen den dichten Endwänden 2, wobei jeder Kanal 7 oder 8 (8 ist am anderen Ende des Dorns nicht dargestellt) durch ein angesetztes Teil 27 erhalten, das um jedes Ende 19 und 20 des Dorns herum angeordnet ist und um das herum jede Endwand 2 dicht befestigt ist. Ein angesetztes Teil 27 ist in Fig. 4 im Querschnitt gezeigt und enthält vorteilhaft innere Längsrippen 28, die auf dem Ende 19 des Dorns ruhen und zwischen denen das außerhalb der Hohlfasern 3 zirkulierende Fluid hindurchtritt, das die Kammer 24 durch die Kanäle 21 betritt oder verläßt.
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Fig. 7 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung nach der Erfindung, die, wie die vorhergehenden Vorrichtungen, einen Dorn enthält, und bei der das außerhalb der Hohlfasern 3 zirkulierende Fluid in Nähe jeder dichten Endwand 2 gegen seinen Teil mit dem kleinsten Querschnitt in die Kammer 24 eingeführt (oder daraus entleert) wird. Diese Vorrichtung nach Fig. 7 enthält vorteilhaft Endwände 2, deren einander gegenüberliegende Stirnseiten 22 und 23 gegenüber der Längsachse des Doms geneigt sind, wie es bei den oben beschriebenen Vorrichtungen nach Fig. 4 und 5 der Fall ist. Die Vorrichtung enthält jedoch als Konstruktionsunterschied einen über den größten Teil seiner Länge zwischen den beiden Endwänden 2 kegeistumpfförmigen Dorn
I und eine Gehäuse 6, dessen Innenwand 11 wenigstens über seinem, dem kegelstumfförmigen Teil des Doms zugewandten Teil ebenfalls kegelstumpfförmig ist. Somit ist der Dorn 1 auf seinem Teil L zwischen den Stellen 12 und 13 kegelstumpfförmig, während im Fall der Vorrichtung nach Fig. 7 die Innenwand 11 des Gehäuses 6 über ihre gesamte Länge kegelstumpfförmig ist. Die Konizitäten des Doms 1 und der Innenwand 11 des Gehäuses weichen vorteilhaft voneinander ab (wobei diejenige der Innenwand
II des Gehäuses 6 kleiner als diejenige des Doms 1 ist, und zwar in der Weise, daß der Querschnitt der Kammer 24 über den gesamten Teil L des Doms etwa derselbe ist. Die Konizität des Dorns (Scheitelwinkel) beträgt vorteilhaft 2 bis 15°, vorzugsweise 1 bis 10°. Als Beispiel wurde eine Vorrichtung mit Hohlfasern nach Fig. 7 mit einer Konizität des Dorns von 6°40' auf einer kegelstumpfförmigen Länge L von 144 mm ausgeführt, wobei die Konizität der Innenwand des Gehäuses 5°9' beträgt.
Bei einer Vorrichtung nach Fig. 7 haben die die angesetzten Teile 27 enthaltenden Halteeinrichtungen für die Endwände vorteilhaft voneinander abweichende Querschnitte. Somit hat bei der Vorrichtung nach Fig. 7 der Querschnitt des angesetzten Teils 27, das die dem Ende 12 nahe Endwand 2 des kegelstumpfförmigen Teils mit dem größeren Durchmesser des Dorns trägt, einen größe-
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ren Querschnitt als das entsprechende Teil 27 in Nähe des Endes 13 des kegelstumpfförmigen Teils L mit dem geringeren Querschnitt des Doms. Insbesondere im Fall einer Vorrichtung mit geringer Länge und/oder in dem Fall, in dem die dichten Endwände 2 einen verhältnismäßig großen Querschnitt haben, können andererseits die Einrichtungen, die die Endwand in Nähe des kegeistumpfförmigen Teils L mit dem größeren Querschnitt (Teil 12) des Doms tragen, einen kleineren Querschnitt haben als der kegelstumpfförraige Teil mit dem kleineren Querschnitt (Teil 13) d es Doms, was bei der Vorrichtung nach Fig. 7 der Fall ist. Zur Herstellung der Abdichtung zwischen der Innenwand 11 des Gehäuses 6 und dem Umfangsteil jeder Endwand 2 werden Auspritzungen 17 von Klebstoff durch Öffnungen 18 hergestellt, die im Gehäuse 6 vorteilhaft um dieses herum verteilt vorgesehen sind.
Die Vorrichtung nach Fig. 7 weist (gegenüber den oben beschriebenen Vorrichtungen) außer dem Vorliegen einer Kammer 24, in der die Hohlfasern 3 regelmäßig im Abstand verteilt sind, und von der Innenwand 11 des Gehäuses unter einander kontrolliert eingespannt werden können (was die bevorzugten Wege des außerhalb der Hohlfasern zirkulierenden Fluids maximal beseitigt) den Vorteil eines leichten Zusammenbaus im Hinblick auf die Anbringung des Gehäuses 8 um die Hohlfasern 3 herum auf. Dieses vorteilhaft durch Gießen einteilig hergestellte Gehäuse 6 (hierdurch werden Abdichtungen an den Mantellinien des Gehäuses vermieden, was der Fall ist, wenn zwei Halbschalen um ein Hohlfaserbündel angeordnet werden) wird um die aus Dorn, Hohlfasern und Endwänden bestehende Anordnung dadurch angeordnet, daß der Teil des Gehäuses, dessen Innenwand 11 den größeren Querschnitt aufweist, auf das Ende des Doms aufgeschoben wird, dessen Abdichtungswand 2 den geringeren Querschnitt hat (oder umgekehrt. Aufgrund der gegenseitigen Konizitäten des Doms 1 in seinem Teil L und der Innenwand 11 des Gehäuses im Augenblick der- Anbringung des Gehäuses auf der aus Dorn, Hohlfasern
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und Endwänden bestehenden Anordnung verschiebt sich jeder Punkt der Innenwand 11 des Gehäuses 6 nur über einen sehr geringen Teil seiner Länge in Berührung mit den Hohlfasern 3. So ermöglicht die Vorrichtung nach Fig. 7 ein regelmäßiges und kontrolliertes Einspannen der Hohlfasern ohne Gefahr, diese zu zerstören. Dies ermöglicht es, die Vorrichtung aufgrund von Austauschvorgängen leistungsfähiger zu machen, die dank der geringen Dicke der Schicht des außerhalb der Hohlfasern zirkulierenden Fluids verbessert sind.
Fig. 9 zeigt eine Ausführungsvariante einer Vorrichtung nach der Erfindung mit der Besonderheit eines über seinem größten Teil L seiner Länge zwischen den beiden dichten Endwänden 2 doppelt kegeligen Doms 1 und eines Gehäuses aus zwei Elementen 6a und 6b, dessen jeweilige Innenwand 11a und 11b wenigstens über ihrem dem kegelstumfförmigen Teil des Doms zugewandten Seite kegelstumpfförmig ist.
Die beiden Elemente 6a und 6b des Gehäuses sind in einer senkrecht zur Längsachse des Doms verlaufenden Ebene dicht miteinander verbunden. Gegenüber der oben beschriebenen Vorrichtung nach Fig. 7 weist diese Vorrichtung zusätzlich den Vorteil der Symmetrie gegenüber einer Ebene auf, die zur Längsachse des Doms senkrecht verläuft, was z.B. eine Herabsetzung der Anzahl der Formen für die Spirtzgußteile ermöglicht.
Im Bereich des Fachmanns liegen zwahlreiche Varianten der beschriebenen und in Fig. 1 bis 8 dargestellten Vorrichtungen. Außer der Tatsache, daß die Enden 19»20, um die herum sich die Endwände 2 befinden, am Dorn befestigte angesetzte Teile sein können, ist es z.B. möglich, daß der Dorn einen nicht kreisförmigen Querschnitt aufweist. In diesem Fall ist es jedenfalls vorteilhaft, daß die die Endwände tragenden Enden des Doms und auch die Innenwand 11 des Gehäuses 6 einen Querschnitt derselben Form (homotetisch) wie derjenige des Doms haben.
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Wenn eine Vorrichtung nach der Erfindung nur für Trennvorgänge (z.B. Umkehrosmose, Ultrafiltration, insbesondere künstliche Niere mit Ultrafiltration allein) verwendet wird, und wenn das zu behandelnde Fluid auf der Außenwand der Hohlfasern zirkuliert, benötigt diese Vorrichtung kein Abteil für die Entleerung des die Hohlfasern durchquert habenden Fluids an jedem Ende der Endwände. Die Hohlfasern können zwischen den beiden Endwände: 2 U-förmig angeordnet sein, wobei lediglich die Endwand mit den offenen Enden der Hohlfasern ein Abteil für die Rückgewinnung und Entleerung des Fluids benötigt, das die Hohlfasern 3 durchquert hat. Bei der obigen Vorrichtung müssen die beiden Endwände 2 nicht mehr dicht sein. Lediglich die Wand mit den offehen Enden der Hohlfasern muß dicht sein, während die andere Wand es z.B. sein kann, wenn es nicht gewünscht ist, daß das zu behandelnde Fluid sie durchquert.
Die Vorrichtungen mit Hohlfasern nach der Erfindung können mit Hilfe der in Fig. 10 gezeigten Anlage hergestellt werden. Diese Anlage enthält eine Vorrichtung zum Wickeln wenigstens einer Hohlfaser 3b um eine Einrichtung, die mit dieser Hohlfaser die Herstellung eines Mantels 3© mit vieleckigem Querschnitt ermöglicht. Diese Vorrichtung enthält einen sich um seine Achse drehenden Rahmen 28 mit Spulen 29 für die Hohlfasern 3b. Fadenführungen für die Spulen und Antriebseinrichtungen für den Rahmen 28 sind zur Vereinfachung der Zeichnung nicht dargestellt. Jede Spule 29 hat wenigstens eine Hohlfaser 3b und kann gegebenenfalls davon mehrere haben. Im letzteren Fall sind die Hohlfasern vorteilhaft verdrillt. Der Rahmen 28 ist mit vier Spulen 29 gezeigt, kann aber als Grenze davon eine oder zwei haben. Die Einrichtung, die mit den Hohlfasern 3 einen Mantel 3e mit vieleckigem Querschnitt herstellt, enthält wenigstens teilweise mit Gewinde versehene Stangen 30, die an jedem Ende der Dorne 1 angeordnet sind und auf deren Gewindeteil die Hohlfasern 3b abgelegt werden. Die Stangen 30 können sich durch nicht gezeigte Antriebe um ihre Längsachse um sich selbst dre-
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hen. Die Stangen 30 haben vorteilhaft ein Profil, das den Hohlfasern des Mantels im Verlauf ihres Vorschubs auf den Stangen eine Entspannung ermöglicht, was ein letzliches Schrumpfen der Hohlfasern vermeidet. Die Stangen 30 können außerdem ein solches Profil haben, daß der Mantel 3e aus Hohlfasern, wenn er in Berührung mit jedem Dorn 1 kommt (für den Fall, daß die Dorne eine den Vorrichtungen von Fig. 3,^,5,7,8 entsprechende Form haben, sich an das Längsprofil jedes Doms anpassen kann. Die Anlage nach Fig. 10 enthält acht Gewindestangen 30 und vier Dorne 1, die dargestellt sind, wenn die gewünschte Anzahl von Hohlfasern um jede von ihnen fast erreicht ist. Die Längsachse der Dorne 1 befinden sich in derselben, zur Drehachse des Rahmens 28 senkrechten Ebene. Die Anlage nach Fig. 10 enthält Einrichtungen, die den Mantel 3a vor seinem Abschneiden halten. Diese Einrichtungen sind Bänder 31, die gegen jedes Ende des Doms hin angeordnet und auf wenigstens einem Teil ihrer Länge mittels Durchlaufen von Klebstoffbehältern 32 mit Klebstoff" bedeckt sind und sich auf die Dorne 1 wickeln. Um den Berührungspunkt zwischen den Bändern 31 und den Dornen 1, die sich uin ihre Längsachse drehen und sich dabei mit Hohlfaserabschnitten 3 bedecken (wie im folgenden genauer ausgeführt) im wesentlichen stets an derselben Stelle zu halten, kann die Vorrichtung nicht gezeigte Einrichtungen enthalten, entweder zum gesteuerten Entfernen jedes Doms 1 von den Stangen 30, die dann feststehen, oder dagegen zum gesteuerten Entfernen der Stangen
30 von den Dornen 1, die dann feststehen.
Die Anlage nach Fig. 10 enthält Einrichtungen zum Abschneiden des Mantels 3e aus Hohlfasern, während dieser von den Bändern
31 auf dem Dorn 1 gehalten wird. Diese Abschneideeinrichtungen 30 befinden sich vorteilhaft in Nähe des Berührungspunkts der Bänder 31 mit dem Dorn gegen jedes Ende der Dorne 1. Diese Abschneideeinrichtungen 33 für den Mantel können z.B. durch sich drehende Scheibenmesser gebildet werden.
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Wenn die hergestellten Vorrichtungen mit Hohlfasern denjenigen von Fig. 4,5,7 oder 9 entsprechen, enthält die Anlage nach Fig. 10 nicht gezeigte Einrichtungen zum kontrollierten Verschieben der Spulen 34 für die Bänder 31» der Bänder 31 und der Klebstoffbehälter 32 zum mittleren Teil (bezüglich seiner Länge) jedes Dorns 1. In diesem Fall können sich die Abschneideeinrichtungen 30 für den Mantel in derselben Richtung und in derselben Bewegung wie diejenigen für die Bänder 31 verschieben.
Für die Inbetriebsetzung der in Fig. 10 gezeigten Anlage wird auf folgende Weise vorgegangen:
- Jedes Band 31 wird nach dem Durchlaufen eines Klebstoffbehälters 32 am Ende eines Darns 1 befestigt.
- Das Ende jeder von einer Spule 29 abgewickelten Hohlfaser 3b wird nach dem Durchlaufen einer Fadenführung an einem Festpunkt der Vorrichtung befestigt. (Die Fadenführung und auch der Festpunkt sind nicht dargestellt).
- Die Dorne 1, der Rahmen 28 und die Stangen 30 werden um ihre Achsen in Drehung versetzt, und es werden die Abschneideeinr ichtungen 33 für den Mantel in Betrieb genommen. Wenn die in Herstellung befindlichen Vorrichtungen wie bei den Vorrichtungen von Fig. 4,5,7 oder 9 geneigte Endwände aufweisen, werden die Einrichtungen in Bewegung gesetzt, die die Bänder 31 zum mittleren Teil jedes Dorns (bezüglich seiner Länge) verschieben, wobei gegebenenfalls die Einrichtungen in Bewegung gesetzt werden, die eine Verschiebung der Abschneideeinrichtungen 33 ermöglichen.
Wenn der Mantel 3e aus Hohlfasern in Berührung mit den Abschneideeinrichtungen 33 kommt, werden vier Gruppen von Hohlfaserabschnitten erhalten, von denen jeder auf einen entsprechenden Dorn gewickelt wird.
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Die Bänder 31 werden abgeschnitten, wenn die Dicke (oder Anzahl der Hohlfasern auf den Dornen 1 als ausreichend betrachtet wird. Nach dem Entfernen der von Hohlfasern 3 umgebenen Dorne 1 kann der Vorgang mit weiteren Dornen erneut begonnen werden.
Die Anlage nach Fig. 10 ermöglicht eine beliebige und voneinander unabhängige Veränderung der Drehzahlen des Rahmens 28, der Stangen 30 und der Dorne 1. Dies ist besonders wichtig und vorteilhaft insbesondere am Ende des Wickeins der Hohlfaserabschnitte 3 auf den Dorn 1. Man kann somit die Drehzahlen des Rahmens 28 und der Stangen 30 maximal vermindern und die Drehzahl der Dorne 1 erhöhen, um die Wicklung mit einigen Umläufen von Bändern 31 ohne Hohlfasjerabschnitte 3 zu beeenden. Diese Vorrichtung eignet sich ebenfalls leicht für eine umfassende Automatisierung mit der Möglichkeit der Programmierung der Drehzahlen des Rahmens 28, der Stangen 30 und der Dorne 1, wobei sogar der Dornwechsel automatisch erfolgen kann.
Anstatt einer Gewindestange 30 ah jedem Ende jedes Doms 1 kann die Anlage nur eine einzige Stange zwischen zwei aufeinanderfolgenden Dornen 1 aufweisen.
Es kann ebenfalls vorgesehen sein, um jeden Dorn 1 zwischen den Bändern 31 der Endwände voneinander im Abstand befindliche Zwischenfäden oder -bänder mit dem Ziel zu wickeln, eine bessere Zirkulation und Verteilung des Fluids zu gewährleisten, das außerhalb der Hohlfaserabschnitte zirkulieren soll, insbesondere wenn die Hohlfasern 3 nicht verdrillt sind.
Als Variante ist es möglich, Gewindestangen 30 zu verwenden, die wie diejenigen der Anlage nach Fig. 10 angeordnet; jedoch über ihre gesamte Länge zylindrisch sind,und eine Vorrichtung oder "Überlängenrampe" vorzusehen, die zwischen
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jeder Gruppe aus zwei benachbarten aufeinanderfolgenden Stangen 30 angeordnet ist. Diese Uberlängenrampe hat ein Profil, das so gewählt ist, daß es den Hohlfasern des vieleckigen Mantels 3e im Verlauf ihres Vorschubs auf den Gewindestangen und auf den Uberlängenrampen ermöglicht, sich zu entspannen und sich an das Profil der Dorne 1 anzupassen, wenn sie mit ihnen in Berühti ung kommen.
Wenn die Herstellung einer Vorrichtung mit Hohlfasern nach der Erfindung mit U-förmig angeordneten Kohlfasern über die Länge des Dorns 1 gewünscht ist, so kann man sich einer nicht dargestellten Anlage bedienen, die aber alle wesentlichen Elemente der Anlage nach Fig. 10 aufweist. Eine derartige Anlage enthält dann lediglich zwei Gewinde'stangen 30, um die herum die von den Spulen 29 stammenden Hohlfasern 3b abgelegt werden. Danach wird der auf diese Weise hergestellte Mantel aus Hohlfasern auf einen Dorn 1 gewickelt, wobei die Bänder 31 z.B. innerhalb des Mantels aus Hohlfasern angeordnet sind. Dann werden die Hohlfasern nur gegen eine einzige Endwand zu abgeschnitten, wobei dieses Abschneiden im Augenblick des Wickeins der Hohlfasern um den Dorn (oder danach) erfolgen kann.
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Claims (12)

Dr. F. Zumstein sen. - Or. E. Assmann - Dr. R. Koenigsberger Dipl.-Phys. R. Holzbauer - Dipl.-lng. F. Klingseisen - Dr. F. Zumstein jun. PATENTANWÄLTE München 2 - BrauhausstraBe 4 ■ Telefon Sammel-Nr. 225341 - Telegramme Zumpat - Telex 529978 Te/Li R 2425 SODIP S.A., Meyzieu, Frankreich Patentansprüche
1. Vorrichtung mit Hohlfasern zur Fraktionierung von Fluiden, insbesondere zur Behandlung von Blut bei dessen Zirkulation außerhalb der Hohlfasern, gekennzeichnet durch: einen Dorn (1), gegen dessen Enden sich zwei Endwände (2) befinden, die den Dorn (1) umgeben und durch die die sich von einer Endwand (2) zur anderen erstreckenden Hohlfasern (3) gehalten werden, wobei wenigstens eine der beiden Endwände (2) dicht ist und von den offenen Enden der Hohlfasern (3) durchquert wird, durch ein Gehäuse (6), das wenigstens um die Hohlfasern (3) und um die Endwände (2) herum angeordnet ist und zwischen seiner Innenwand (11), den einander gegenüberliegenden Stirnseiten (22,23) der Endwände (2) und dem Dorn (1) eine Kam-
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ORIGINAL INSPECTED
mer (24) begrenzt, in der die Hohlfasern (3) angeordnet sind, durch eine Einrichtung zur Einführung und/oder Entleerung des innerhalb der Hohlfasern (3) zirkulierenden Fluids, und durch eine Einrichtung zur Einführung und/oder Entleerung des außerhalb der Hohlfasern (3) zirkulierenden Fluids, die am Umfang des Doms (1) und in Nähe jeder Endwand (2) in die Kammer (24) mündet.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Einführung und Wiedergewinnung des außerhalb der Hohlfasern (3) zirkulierenden Fluids an jedem Ende des Dorns (1) etwa in dessen Längsachse einen Kanal (7,8) enthält, der an Kanäle (21) angeschlossen ist, die um den Dorn (1) herum verteilt sind und in Nähe jeder Endwand (2) in die Kammer (24) münden.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Einführung und Entleerung des außerhalb der Hohlfasern (3) zirkulierenden Fluids an jedem Ende des Dorns (1) ein angesetztes Teil (27) enthält, um das herum die Endwand (2) befestigt ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jedes angesetzte Teil (27) zusammen mit dem Dorn (1) Kanäle (21) bildet, die in die Kammer (24) münden.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die die Endwände (2) tragenden Einrichtungen (19,20,27) einen kleineren Querschnitt als der Dorn haben, und zwar im größten Teil ihrer Länge zwischen den einander gegenüberliegenden Stirnseiten (22,23) jeder Endwand (2).
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Dorn (1) im Bereich (14,15) zwischen seinem Teil mit
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dem größten Querschnitt und den die Endwände (2) tragenden Einrichtungen (19,20,27) seinen Querschnitt allmählich verändert.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die einander gegenüberliegenden Stirnseiten (22,23) der dichten Endwände (2) gegenüber der Längsachse des Dorns (1) geneigt sind, und daß ihre Neigung in der gesamten Ebene dieselbe ist, die durch die Längsachse des Dorns (1) verläuft, und zwar an jedem Punkt jeder Stirnseite, der im gleichen Abstand von der die Endwände (2) tragenden Einrichtung (19,20,27) entfernt ist.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Dorn (1) im größten Teil seiner Länge zwischen den beiden Endwänden (2) kegelstumpf förmig ist, und daß die Innenwand (11) des Gehäuses (6) wenigstens in dem Teil kegelstumpfförmig ist, der dem kegelstumpfförmigen Teil (L) des Dorns (1) zugewandt ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Konizitäten des Dorns (1) und der Innenwand (11) des Gehäuses (6) sich so unterscheiden, daß der Querschnitt der Kammer (24) auf dem kegelstumpfförmigen Teil (L) des Dorns (1) etwa konstant ist.
10. Vorrichtung nach .einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Halteeinrichtung (19,20,27) der Endwände (2) voneinander abweichende Querschnitte haben.
11. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Dorn (1), gegen dessen Enden (19,20) sich zwei dichte Endwände (2) befinden, die jeweils von einem angesetzten ; Teil (27) getragen werden, wobei der Dorn (1) im größten
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Teil (L) seiner Länge zwischen den beiden Endwänden (2) kegelstumpfförmig ist und gegen jedes Ende (12,13) seines kegelstumpfförmigen Teils (L) einen größeren Querschnitt als das am nächsten gelegene eingesetzte Teil (27) hat, wobei die angesetzten Teile (27) jedes Endes voneinander abweichende Querschnitte haben, durch Hohlfasern (3), die in Form von Verdrillungen seitlich aneinanderliegend und in gegenseitiger Berührung angeordnet sind, wobei sich die Hohlfasern (3) zwischen den dichten Endwänden (2) erstrecken, deren einander gegenüberliegende Stirnseiten (22,23) gegenüber der Längsachse des Doms (1) geneigt sind, durch ein Gehäuse (6), das wenigstens um die Hohlfasern (3) herum und am Umfang der dichten Endwände (2) angeordnet ist, wobei die kegelstumpfförmige Innenwand (11) des Gehäuses (6) wenigstens in dem Teil des Gehäuses (6) verläuft, das dem kegelstumpfförmigen Teil (L) des Doms (1) zugewandt ist, und wobei die Innenwand (11) des Gehäuses (6), die einander gegenüberliegenden Stirnseiten (22,23) der Endwände (2) und der Dorn ^ (1) eine Kammer (24) begrenzen, in der die Hohlfasern (3) angeordnet sind, durch eine Einrichtung zur Einführung und Entleerung des innerhalb der Hohlfasern (3) zirkulierenden Fluids, und durch eine Einrichtung (7,21,8) zur Einführung und Entleerung des außerhalb der Hohlfasern (3) zirkulierenden Fluids, wobei diese Einrichtung am Umfang des Doms (1) und in Nähe der einander gegenüberliegenden Stirnseiten (22,23) der Endwände in den Dorn (24) mündet.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Dorn (1) wenigstens über dem größten Teil (L) seiner Länge zwischen den beiden Endwänden (2) doppelt kegelstumpfförmig ist, und daß das Gehäuse zwei Elemente (6a,6b) aufweist, deren jeweilige Innenwand (11a,11b) in wenigstens dem größten Teil ihrer dementspre-
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chenden kegeistumpfförmigen Teil des Doms (1) zugewandten Länge kegelstumpfförmig ist.
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