DE2831569A1

DE2831569A1 - Massenuebergangs-vorrichtung

Info

Publication number: DE2831569A1
Application number: DE19782831569
Authority: DE
Inventors: Ardis R Lavender
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1978-07-07
Filing date: 1978-07-18
Publication date: 1980-02-07
Also published as: DE2831569C2; GB2024653B; GB2024653A

Description

Die Erfindung betrifft eine Massenübergangs- bzw. Massenübertragungsvorrichtung, insbesondere eine Parallelstrom-Vorrichtung zur Erzielung eines Massenübergangs bzw. einer Massen-Übertragung zwischen einer ersten und einer zweiten Flüssigkeit bzw. Fluid, die insbesondere fUr die Dialyse, die Hämodialyse, die Blutoxygenierung, die Umkehrosmose, den Wärmeaustausch und die Gasreinigung verwendet werden kann.

Der Massenübergang bzw. die MassenUbertragung (nachfolgend stets als MassenÜbergang bezeichnet), sei es nun die Dialyse, die Oxygenierung (SauerstoffÜbertragung), die Entsalzung oder der Wärmeaustausch, beruht im Prinzip auf einem Oberflächenphänomen zwischen zwei Flüssigkeiten bzw. Fluids und der Ubergangssperre dazwischen. MassenUbergangsvorrichtungen sind unwirksam aufgrund von schlechten Ubertragungsmedien, eines nicht-turbulenten Flüssigkeitsstromes, einer schlechten Durchmischung, eines schlechten Oberflächenkontakts zwischen den Flüssigkeiten und der Ubergangssperre und einer ungleichmäßigen Verteilung der Flüssigkeit auf einer oder auf beiden Seiten der Ubergangssperre. Bei Mehrschichten-Vorrichtungen beeinträchtigt eine ungleichmäßige Verteilung zwischen den Schichten die Wirksamkeit. Im allgemeinen sind die meisten MassenUbergangsvorrichtungen so konstruiert, daß die aufgezählten Faktoren minimal gehalten werden, um den MassenUbergang maximal zu gestalten. Je nach dem auftretenden MassenUbergang sind Kompromisse erforderlich, um den gewünschten Effekt zu erzielen.

Einige Anwendungsgebiete für MassenUbergangsvorrichtungen sind ihre Verwendung als Dialysatoren, um zu bewirken, daß der gelöste

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Stoff und Lösungsmittel zwischen dem Dialysand und dem Dialysat Übergehen, ihre Verwendung als Hämodialysatoren, um einen Übergang von gelöstem Stoff und Wasser zwischen Blut und Dialysat zu bewirken, ihre Verwendung als Oxygenatoren (SauerstoffÜberträger), um den übergang von Kohlendioxid, Sauerstoff und Stickstoff zwischen Blut und Sauerstoff enthaltenden Gasen zu bewirken, ihre Verwendung als Wärmeaustauscher, um einen Wärmeübergang zwischen Flüssigkeiten bzw. Fluids zu bewirken, wie z.B. in Automobilkühlern, in Kühleinheiten, in Raumerhitzungseinheiten und in Solarheizeinrichtungen, ihre Verwendung als Umkehrosmose-Vorrichtungen, bei denen Druckgradienten als Antriebskraft zur Trennung von gelöstem Stoff und Lösungsmittel dienen, wie z.B. bei der Entsalzung von Wasser, und ihre Verwendung als Filtriervorrichtungen, in denen Druckgradienten zur Trennung von Feststoffen und Flüssigkeiten angewendet werden. Jede dieser Massenübergangsvorrichtungen hat ihre speziellen Erfordernisse; bestimmte Eigenschaften sind jedoch in allen Vorrichtungen erwünscht. Zu den erwünschten Eigenschaften gehören: (l) hohe Massenübergangskoeffizienten, die ihrerseits dünne Flüssigkeitsfilme, eine gleichmäßige Flüssigkeitsverteilung, eine gute Durchmischung der Flüssigkeiten und Ubergangsmembranen mit einem hohen Durchfluß erfordern, (2) einstellbare Strömungsdruckgradienten, (3) einstellbare Transmembrandruckgradienten im Falle von Dialysatoren und Filtriervorrichtungen und (4) ein kompakter Aufbau. Bei bestimmten Verwendungszwecken, beispielsweise als Hämodialysatoren und Blutoxygenatoren, sind perfekte FlUssigkeitsleitungsdichtungen wesentlich, da Lecks tödlich sein könnten.

In den US-Patentschriften 3 522 855 und 3 565 258 werden Parallelstrom- bzw. Gleichstrom-Massenübergangsvorrichtungen für die Hämo-

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dialyse verwendet. Bei diesen Vorrichtungen konnten Ubertragungsraten des gelösten Stoffes, die zur Durchfuhrung einer ausreichenden Hämodialyse innerhalb eines vernünftigen Zeitraumes erforderlich sind, nicht erzielt werden. Die zuletzt genannte Vorrichtung hatte auch den Nachteil, daß die Ubertragungsrate des gelösten Stoffes fortschreitend abnahm, was auf die Anreicherung von proteinhaItigem Material auf der Blutseite der Ubergangsmembran zurUckzufUhren wart

Die Unwirksamkeit dieser Vorrichtungen wurde fälschlicherweise dem Aufbau der Membranträgerstruktur zugeschrieben. Mehrere Änderungen des Membranträgeraufbaus, bei dem das ursprungliche Gewebe bzw. Netz ersetzt wurde, änderten jedoch die Leistungsfähigkeit des Dialysators nicht. Der Grund fUr das schlechte Leistungsvermögen wurde identifiziert als ungleichmäßige Strömungsverteilung sowohl zwischen den Schichten als auch innerhalb der einzelnen Schichten. Eine schlechte Verteilung war auch verantwortlich fUr den geringen MassenUbergang und die Anreicherung von proteinhaltigem Material auf den Membranen. Die schlechte Verteilung ihrerseits war sekundär für die unzureichende Eintritts- und Austritts-Verteilung auf den einzelnen Platten, fUr die unzureichende Anordnung (Verteilung) der Platten in dem Stapel und für die Verformung der FlUssigkeits-

leitungsdimensionen durch Druckdifferentiale in der Konfiguration des Durchflußmusters.

Die in der US-Patentschrift 3 511 381 beschriebene Vorrichtung ist repräsentativ für einen Diαlysαtor-Typ, bei dem zwei Membranen zwischen benachbarten Trägern verwendet werden zur Erzielung eines Strömungsweges für das Blut, während das Dialysat zwischen der Membran und dem angrenzenden (benachbarten) Träger hindurch-

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fließt. Bei dieser Konstruktion werden sowohl das Dialysat als auch das Blut in einer Richtung senkrecht zu dem Flüssigkeitsstrom während des Massenübergangs eingeführt, wodurch sowohl das Blut als auch das Dialysat Öffnungen in dem Träger und in den Membranen passieren. Diese Konstruktion führt zu schwierigen Abdichtungsproblemen und macht die Vorrichtung teuer in der Herstellung.

Die in der US-Patentschrift 3 547 271 beschriebene Vorrichtung ist repräsentativ fUr einen anderen Typ einer MassenÜbergangsvorrichtung, bei der es sich um einen Oxygenator (Sauerstoffübertrager) handelt, in dem benachbarte Membranen einen Flüssigkeitskanal bilden und der andere Flüssigkeitskanal durch einen Träger und eine Membran gebildet wird. Bei dieser Konstruktion treten die gleichen Probleme auf wie bei der vorstehend beschriebenen Konstruktion mit ihren schwierigen Abdichtungsproblemen.

In der US-Patentschrift 3 516 548 wird anerkannt, daß die Flüssigkeitsverteilungsvorrichtungen der oben erörterten US-Patentschrift 3 511 381 teuer und schwierig zu verwenden sind, weshalb die US-Patentschrift 3 516 548 eine weniger kostspielige Flüssigkeitsverteilungsvorrichtung betrifft. Dennoch besteht bei der Verwendung eines Flüssigkeitsverteilungssystem, bei dem Flüssigkeit (Fluid) Öffnungen in den Membranen und in den Trägern passiert, die Möglichkeit der Leckbildung und es ist teuer in der Herstellung.

In der US-Patentschrift 3 738 495 wird auf einen anderen kritischen Mangel des Standes der Technik hingewiesen. In der darin beschriebenen Vorrichtung weist jede Deckplatte eine Leitungsver-

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zweigung für die Verteilung von Flüssigkeiten auf und jede Strömungsplatte weist eine Leitungsverzweigung für die Verteilung von Flüssigkeiten auf, der Aufbau der Leitungsver zweigung macht jedoch die Erzielung der gleichmäßigen Stromverteilung schwierig.Bei vielen der bekannten Vorrichtungen werden der Flüssigkeitseinlaß und der Flüssigkeitsauslaß durch Löcher geführt, die in die Membranen und in die Trögerstruktur eingebohrt sind. Durch die Durchbohrung der Membran werden die Handhabung und die Herstellungskosten erhöht und die Möglichkeit des Auftretens von Lecks während des Betriebs nimmt zu. Bei anderen dieser Vorrichtungen müssen die beiden Flüssigkeiten entlang nicht-identischer Wege verteilt werden, wodurch der größte Teil der dünnen Filmkontaktfläche verlorengeht. Bei wieder anderen dieser Vorrichtungen ist keine ausreichende FlUssigkeitsverzweigung vorgesehen, wodurch die Flüssigkeitsverteilung für die Erzielung geeigneter Massenübergangsraten unzureichend ist. Bei einigen dieser Vorrichtungen ist ein großes Flüssigkeitsprimärvolumen erforderlich, was bei bestimmten Massenübergangsoperationen, wie z.B. bei der Dialyse, unerwünscht ist. Andere dieser Vorrichtungen sind nicht leicht einstellbar zur Erzielung eines kleinen oder großen Druckabfalls an der Vorrichtung oder eines variablen Druckabfalles,und keine der bekannten Vorrichtungen kann allen diesen Anforderungen genügen. Schließlich ergeben einige bekannte Vorrichtungen einfach nicht die erforderliche Oberflächengröße für den Flüssigkeitskontakt, um die gewünschte Massenübergangsrate bzw. -geschwindigkeit zu erzielen.

Bei den MassenUbergangsvorrichtungen mit kurzem Strömungsweg überwiegen die Eintritts- und Austrittseffekte und diese Effekte müssen genau kontrolliert (gesteuert) werden, um einen gleichmäßigen

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Flüssigkeitsstrom zu jeder Platte und entlang jeder Platte zu erzielen. Dabei treten zwei wesentliche Probleme auf, von denen das eine darin besteht, daß eine gleichmäßige Flüssigkeitsverteilung zu jeder Platte in einem Stapel von Platten erzielt werden muß_;und das andere darin besteht, daß eine gleichmäßige FlUssigkeitsverteilung auf und entlang jeder Platte erzielt werden muß. Bisher nahm man aufgrund von Untersuchungen mit Massenübergangsvorrichtungen mit kurzem Strömungsweg an, daß der Aufbau des Membranträgers kritisch ist, es wurde jedoch gefunden, daß die Eintritts- und Austrittseffekte überwiegen und viel kritischer sind. Die Strömungsverteilung und die dünnen Grenzschichten bestimmen in erster Linie den Grad des Massenübergangs (der Massenübertragung) und bei Vorrichtungen mit kurzem parallelem Strömungsweg steuern die Eintritts- und Austrittseffekte die Strömungsverteilung.

Durch Verwendung von neuartigen Kopfstücken (Sammlern) wird die FlUssigkeitsverteilung zu und von jeder Platte gleichmäßig und durch Verwendung von neuartigen Platten-Leitungsversweigungen wird eine gleichmäßige FlUssigkeitsverteilung entlang jeder Platte erzielt. Der besondere Aufbau ergibt eine maximale Membranunterstützung, die zu einer hohen Berstfestigkeit der Membran führt, ein wichtiges Merkmal in einem Dialysator- oder Oxygenator-Gerät. Auch der innere Widerstand gegen den Flüssigkeitsstrom ist ein Strukturparameter, der geändert werden kann zur Erzielung eines breiten Bereiches des Druckabfalles an der Vorrichtung, eines großen Druckabfalles für die Umkehrosmose und eines geringen Druckabfalles für Dialysatoren.

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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Massenübergangsvorrichtung (MassenUbertragungsvorrichtung), insbesondere auf eine Parallelstrom-Massenübergangsvorrichtung mit kurzem Strömungsweg.

Gegenstand der Erfindung ist eine Massenübergangsvorrichtung, die aus einem Stapel von alternierenden Platten und Membranen besteht, wobei jede Platte auf jeder Oberfläche zwei Leitungsverzweigungen fUr die Verteilung und die Sammlung der Flüssigkeit transversal zu der Platte aufweist. Kopfstücke (Sammler) verbinden den Stapel mit den Platten-Leitungsverzweigungs-Flüssigkeitseinlässen und -auslassen, um die Flüssigkeit gleichmäßig zu verteilen und zu sammeln zu und von jeder Platte. Die Einlaß- und Auslaß-Lei tungsverzweigungskanäIe jeder Plattenoberfläche sind durch Kanäle miteinander verbunden, die in dem Mittelabschnitt der Platte erzeugt sind. Der MassenUbergang erfolgt durch die Membran, die zwischen benachbarten Platten aufliegt, mit einer ersten Flüssigkeit auf einer Seite und einer zweiten Flüssigkeit auf der anderen Seite. Durch eine im wesentlichen gleichmäßige FlUssigkeitsverteilung zwischen den Platten und innerhalb der Platten und durch dUnne FlUssigkeitsfilme wird der MassenUbergang (die MassenUbertragung) verbessert. Die Vorrichtung eignet sich mit geringfügigen Abänderungen fUr die Verwendung beispielsweise fUr die Dialyse, fUr die Hämodialyse, fUr die Blutoxygenierung (den Sauerstoffaustausch im Blut), die Umkehrosmose, den Wärmeaustausch und die Gasreinigung (Gaswäsche).

Ein wichtiges Ziel der Erfindung besteht darin, eine MassenÜbergangs vorrichtung anzugeben, um einen MassenUbergang zwischen einer ersten und einer zweiten Flüssigkeit zu bewirken, in der die

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Flüssigkeitsströmungswege im wesentlichen identisch sind und alternierende Schichten von ,Membranen und Trägern miteinander kooperieren unter Ausbildung der Flüssigkeitsdurchflußkanäle.

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, eine Parallelstromvorrichtung des oben angegebenen Typs anzugeben, die einen ersten FlUssigkeitseinlaß und -auslaß und einen zweiten Flüssigkeitseinlaß und -auslaß, eine Vielzahl von Platten, die einen Stapel bilden, eine zwischen benachbarten Platten angeordnete und damit kooperierende Membran, wodurch auf einander gegenüberliegenden Seiten jeder Membran ein erster Flüssigkeitskanal (-durchgang) und ein zweiter Flüssigkeitskanal (-durchgang) gebildet werden, wobei die Membranen den Massenübergang zwischen einer ersten Flüssigkeit in den ersten Flüssigkeitskanälen und einer zweiten Flüssigkeit in den zweiten Flüssigkeitskanälen ermöglichen, eine den ersten FlUssigkeitseinlaß mit einem Ende der ersten FlUssigkeitskanäle verbindende Einrichtung zur gleichmäßigen Einführung der ersten Flüssigkeit in die Kanäle, eine den ersten Flüssigkeitsauslaß mit dem anderen Ende der ersten Flüssigkeitskanäle verbindende Einrichtung zur gleichmäßigen Entfernung der ersten Flüssigkeit aus den Kanälen, eine den zweiten FlUssigkeitseinlaß mit einem Ende der zweiten FlUssigkeitskanäle verbindende Einrichtung zur gleichmäßigen Einführung einer zweiten Flüssigkeit in die Kanäle und eine den zweiten Flüssigkeitsauslaß mit dem anderen Ende der zweiten Flüssigkeitskanäle verbindende Einrichtung zur gleichmäßigen Entfernung der zweiten Flüssigkeit aus den Kanälen aufweist.

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, eine Parallelstroeivorrichtung des oben angegebenen Typs zu entwickeln, bei dem ein

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Kopfstück (Sammler) den ersten Flüssigkeitseinlaß und die ersten FlUssigkeitskanäle und den zweiten Flüssigkeitseinlaß und die zweiten Flüssigkeitskanäle miteinander verbindet, um die Flüssigkeit gleichmäßig aus den Einlassen zu den Platten zu verteilen und die Flüssigkeit gleichmäßig aus den Platten zu sammeln.

Ein anderes Ziel der Erfindung besteht darin, eine Parallelstromvorrichtung des oben angegebenen Typs zu entwickeln, bei welcher sowohl die ersten als auch die zweiten Flüssigkeitskanäle im Abstand voneinander angeordnete Einlaß- und Auslaß-Leitungsverzweigungen in der Nähe der Enden der Platten aufweisen, die jeweils durch eine Vielzahl von ersten Flüssigkeitswegen und zweiten Flüssigkeitswegen miteinander verbunden sind.

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, einen Parallelstrom-Dialysator anzugeben, um einen Massenübergang zwischen menschlichem Blut und einer Dialysatlösung zu bewirken, bei dem eine semipermeable Membran zwischen benachbarten Platten angeordnet ist, die jeweils damit kooperiert unter Bildung eines Blutkanals und eines Dialysatkanals auf einander gegenüberliegend angeordneten Seiten jeder Membran, wobei die semipermeablen Membranen den Übergang von Verunreinigungen in dem Blut auf das Dialysat erlauben.

Ein anderes Ziel der Erfindung besteht darin, eine Platte für die Verwendung in einer Parallelstrom-Vorrichtung zur Erzielung eines Massenübergangs zwischen einer ersten Flüssigkeit und einer zweiten Flüssigkeit zu entwickeln, die ein flaches Element mit einander gegenüberliegenden Oberflächen aufweist, von denen eine Oberfläche

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einen kontinuierlichen Flüssigkeitsströmungsweg von einem Ende derselben zu dem anderen Ende derselben für den Eintritt einer Flüssigkeit in den Strömungsweg an dem einen Ende und den Austritt aus dem Strömungsweg an dem anderen Ende desselben ergibt, wobei jeder der FlUssigkeitsströmungswege an einem Ende eine Einlaß-Leitungsverzweigung und an dem anderen Ende eine Auslaß-Leitungsverzweigung aufweist, wobei die Einlaß-Leitungsverzweigungen eine Flüssigkeit aufnehmen, die parallel zu den Plattenseitenrändern fließt, und die Flüssigkeit transversal zu den Platten im wesentlichen von einer Seitenkante zu der anderen Seitenkante verteilen, wobei die Auslaß-Verzweigungsleitungen die Flüssigkeit sammeln, die parallel zu den Plattenseitenkanten von praktisch einer Seitenkante zu der anderen fließt, wobei jeder der FlUssigkeitsströmungswege eine Vielzahl von Membranträgern zwischen der zugeordneten Einlaß-Leitungsverzweigung und der zugeordneten Auslaß-Leitungsverzweigung aufweist.

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, einen Parallelstrom-Dialysator zur Erzielung eines Massen Übergangs zwischen menschlichem Blut und einer Dialysatlösung anzugeben, der aufweist einen Bluteinlaß und einen Blutauslaß und einen Dialysateinlaß und einen Dialysatauslaß, wobei jeder der Einlasse und jeder der Auslässe an den Enden des Dialysators angeordnet ist, wobei der Bluteinlaß und der Dialysatauslaß sich an einem Ende und der Dialysateinlaß und der Blutauslaß sich an dem anderen Ende befinden, eine Vielzahl von rechteckigen flachen Platten, die einen Stapel bilden, wobei jede der Platten Rillen-Leitungsverzweigungen auf beiden Oberflächen an jedem Ende derselben aufweist zur Erzielung von vier Leitungsverzweigungen auf jeder Platte, wobei jede Leituηgsverzweigung eine

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Flüssigkeitsverbindung zwischen der benachbarten Endkante der Platte und dem Mittelabschnitt der Platte herstellt, so daß ein einzelner Flüssigkeitsstrom an einem Ende der Leitungsverzweigung an der Endkante der Platte in eine Vielzahl von Flüssigkeitsströmen an dem anderen Ende der Leitungsverzweigung aufgeteilt wird, wobei der Strömungswiderstand in der Leitungsverzweigung fUr jeden beliebigen Flüssigkeitsdurchgang darin von dem einen Ende zu dem anderen Ende der Leitungsverzweigung identisch ist, eine Vielzahl von Rillen auf beiden Oberflächen jeder Platte, die sich zwischen den anderen Enden der Leitungsverzweigungen erstrecken, zur Erzielung einer FlUssigkeitsverbindung zwischen den Endkanten auf jeder Oberfläche jeder Platte, eine semipermeable Membran, die zwischen benachbarten Platten angeordnet ist und damit kooperiert unter Bildung eines Blutkanals und eines Dialysatkanals auf den einander gegenüberliegenden Seiten jeder Membran, wobei die semipermeablen Membranen auf wirksame Weise den Übergang von Verunreinigungen in dem Blut auf das Dialysat ermöglichen,ein Kopfstück (Sammler), welches den Bluteinlaß mit der Hälfte der Plattenleitungsverzweigungen in FlUssigkeitsverbindung mit den Blutkanälen verbindet zur gleichmäßigen Verteilung des Blutes aus dem Bluteinlaß in jede der damit verbundenen Platten-Leitungsverzweigungen, ein Kopfstück (ein Sammler), welches den Blutauslaß mit der anderen Hälfte der Platten-Leitungsverzweigungen in FlUssigkeitsverbindung mit den Blutkanälen verbindet, um Blut aus jeder der damit verbundenen Platten-Leitungsverzweigungen gleichmäßig zu sammeln, ein Kopfstück (Sammler), welches den Dialysateinlaß mit der Hälfte der Platten-Leitungsverzweigungen in FlUssigkeitsverbindung mit den Dialysatkanälen verbindet zur gleichmäßigen Verteilung des Dialysats aus dem Dialysateinlaß auf jede-der

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damit verbundenen Platten-Leitungsverzweigungen, ein Kopfstück (Sammler), welches den Dialysatauslaß mit der anderen Hälfte der Platten-Leitungsverzweigungen in Flüssigkeitsverbindung mit den Dialysatkanälen verbindet, zum gleichmäßigen Sammeln des Dialysats aus jeder der damit verbundenen Plattenleitungsverzweigungen, und eine Einrichtung zum Fixieren des Plattenstapels und der dazwischen angeordneten Membranen und um die Blutkanäle mit dem zugeordneten Einlaß und Auslaß von Dialysatkanälen und dem zugeordneten Einlaß und Auslaß getrennt zu halten, wodurch Blut, das in den Bluteinlaß eintritt, auf jede der damit verbundenen Platten-Leitungsverzweigungen durch das angeschlossene Kopfstück gleichmäßig verteilt wird und anschließend über jede Platte gleichmäßig verteilt wird mittels der angeschlossenen Leitungsverzweigung, so daß es entlang der Vielzahl von Rillen strömt, um durch die angeschlossene Leitungsverzweigung an dem anderen Ende des Blutkanals gesammelt zu werden und dann durch das angeschlossene Kopfstück (Sammler) durch den Blutauslaß gesammelt zu werden, während Dialysat, das in den Dialysateinlaß eintritt, auf jede der damit verbundenen Platten-Leitungsverzweigungen gleichmäßig verteilt wird durch das angeschlossene Kopfstück (Sammler) und anschließend gleichmäßig über jede Platte verteilt wird durch das angeschlossene Kopfstück, so daß es entlang der Vielzahl von Rillen fließt, um durch den zugeordneten Leitungsverteiler an den anderen Ende des Dialysatkanals gesammelt zu werden und danach durch das damit verbundene Kopfstück gesammelt zu werden für die Entfernung durch den Dialysatauslaß, wodurch ein gleichmäßiger Flüssigkeitsstrom sowohl des Blutes als auch des Dialysats durch jeden Kanal und über jede Platte erzielt wird, was zum übergang von Verunreinigungen aus dem Blut durch die Membranen in das Dialysat

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führt.

Diese und weitere Ziele, Vorteile und Merkmale der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen hervor. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine orthogonale Ansicht, welche das MassenUbergangsgehöuse mit dem ersten und zweiten Flüssigkeitseinlaß und -auslaß zeigt;

Fig. 2 eine vergrößerte und im zerlegten Zustand dargestellte

perspektivische Ansicht, welche mehrere übereinanderlie gende einzelne Platten zeigt, die einen Plattenstapel bilden,jeweils mit einer Membran dazwischen;

Fig. 3 eine ebene Draufsicht auf eine Platte mit den Kopfstücken an beiden Enden;

Fig. 4 eine Schnittansicht des zusammengebauten Stapels von Platten und Membranen, wie er in der Fig. 2 dargestellt ist, entlang der Linien 4-4 derselben;

Fig. 5 eine Schnittansicht des zusammengebauten Stapels von Platten und Membranen, wie er in Fig. 2 dargestellt ist, entlang der Linien 5-5 derselben;

Fig. 6 eine Stirnansicht eines der Kopfstücke (Sammler), wie in Fig. 3 dargestellt, entlang der Linien 6-6 derselben; und

Fig. 7 eine Schnittansicht des Kopfstückes und des Endabschnittes der

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in Fig. 3 dargestellten Massenübergangsvorrichtung entlang der Linien 7-7 derselben.

In den beiliegenden Zeichnungen ist eine Massenübergangsvorrichtung 50 dargestellt, die enthält oder besteht aus einem Stapel Platten 110, die jeweils durch eine Membran 300 voneinander getrennt sind, der von einem Gehäuse 51 mit einem Deckel 52 und einem Boden 53 umgeben ist, die durch die Seiten 54 miteinander verbunden sind. Das Gehäuse 51 ist an jedem Ende durch Kopfstücke (Sammler) 60 und 6OA abgeschlossen, wobei das Kopfstück 60 einen FlUssigkeitseinlaß

61 und einen Flüssigkeitsauslaß 62 und das Kopfstück 60A einen FlUssigkeitseinlaß 66 und einen Flüssigkeitsauslaß 67 aufweisen.

Jedes der Kopfstücke 60 und 6OA ist in seinem Aufbau identisch und umfaßt einen Körper 70, der aus irgendeinem geeigneten Material bestehen kann und der ausgerichtete Flüssigkeitseinlässe oder -auslasse 61 und 62 aufweist. Ein Flansch 71 kann an den Körper angeformt sein oder er kann verwendet werden zur Erzeugung einer Oberfläche für die Befestigung des Einlasses 61 oder des Auslasses

62 an dem Körper. Durch einen zentralen Durchgang 73, der sich durch den Einlaß 61 in eine erste Zweigleitung 74 erstreckt, wird eine FlUssigkeitsverbindung hergestellt. Die Zweigleitung 74 verläuft senkrecht zu dem Durchgang 73 und wird dadurch halbiert, wobei die Enden der Zweigleitung 74 in den Schenkeln 76 und 77 enden, die senkrecht zu der Zweigleitung 74 und parallel zu dem Durchgang 73 verlaufen. Die Länge der Schenkel 76 und 77 ist identisch und jeder führt zu einer zweiten Zweigleitung 78 bzw. 79, wobei die Zweigleitungen 78 und 79 senkrecht zu den Schenkeln 76 und 77 und parallel zu der ersten Zweigleitung 74 verlaufen.

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Die Schenkel 76 und 77 halbieren bzw. unterteilen jeweils die Zweigleitungen 78 und 79, von denen jede in den Schenkeln 81 und 82 für die Zweigleitung 78 und in den Schenkeln 83 und 84 für die Zweigleitung 79 enden. Jeder der Schenkel 81 bis 84 verzweigt sich wiederum, so daß der Schenkel 81 zu einer Zweigleitung 86, der Schenkel 82 zu einer Zweigleitung 87, der Schenkel 83 zu einer Zweigleitung 88 und der Schenkel 84 zu einer Zweigleitung 89 fuhren, wobei wiederum jeder der Schenkel die jeweilige Zweigleitung halbiert bzw. unterteilt. Die Zweigleitung 86 teilt sich auf in zwei Schenkel 91 und 92, die Zweigleitung 87 teilt sich auf in zwei Schenkel 93 und 94, die Zweigleitung 88 teilt sich auf in zwei Schnekel 96 und 97 und die Zweigleitung 89 teilt sich auf in zwei Schenkel 98 und 99.

Jeder der oben genannten Schenkel öffnet sich dann in einen gemeinsamen Kopfstück-Raum (-Plenum) 100, wobei sich der Raum (Plenum) im wesentlichen über die gesamte Länge des Kopfstückes 60 erstreckt und die gleiche Ausdehnung hat wie der Stapel Platten 110 und eingerahmt ist durch einen rechteckigen Absatz 102. Das Kopfstück 60 nimmt die Einlasse 61 und 62 auf, wodurch zwei Kopfstück-Räume 100 und 100A vorgesehen sein müssen. Wie aus der Fig. 6 der beiliegenden Zeichnungen ersichtlich, sind die nebeneinanderliegenden Kopfstück-Räume 100 und 100A durch eine vertiefte Fläche 103 zwischen den einrahmenden Absätzen 102 und 102A voneinander getrennt. Jeder der Kopfstück-Räume 100 und 100A steht in Verbindung mit 8 Öffnungen oder Schnekeln 91 bis 99 bzw. 91A bis 99A. Es ist absolut kritisch und wesentlich für den Betrieb des Kopfstückes 60 jnd

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der MassenUbergangsvorrichtung 50, daß die Länge der Strömungswege für die gesamte eintretende und austretende Flüssigkeit durch die Einlasse oder Auslässe 61, 66 und 62, 67 für die gesamte Flüssigkeit zwischen den Räumen 100 oder lOOA und dem zugeordneten Einlaß oder Auslaß 61, 66, 62, 67 identisch ist, so daß der Strömungswiderstand der gleiche ist, da alle Strömungswege an allen Punkten in den Kopfstück-Räumen 100 und lOOA den gleichen Durchmesser haben und alle Strömungsweglängen identisch sind, der Strömungswiderstand überall gleich ist und deshalb die Flüssigkeitsverteilung innerhalb der Räume gleichmäßig und einheitlich ist. Da die Strömungsgeschwindigkeit einheitlich und fortschreitend abnimmt, wenn die Flüssigkeit aus den Einlassen 61 oder 66 in die Schenkel 91 bis 99 und in den Kopfstück-Raum 100 fließt, entsteht kein Strahleffekt und jede Platte 110 in dem Stapel nimmt eine identische Menge Flüssigkeit aus den Einlassen 61 und 66 auf. In entsprechender Weise verläßt die Flüssigkeit jede Platte 110, um in den Raum 100 einzutreten und die Schenkel des Kopfstückes 60 bis zu den Auslassen 62 und 67 zu passieren. Da die Strömungsgeschwindigkeit in dem Kopfstück 60 gleichmäßig und fortschreitend zunimmt, gibt jede Platte 110 in dem Stapel eine identische Menge Flüssigkeit an die Auslässe 62 und 67 ab.

Die Massenübergangsvorrichtung 50 umfaßt eine Vielzahl von Platten 110, die in Form eines Stapels angeordnet sind. Da jede Platte in ihrem Aufbau identisch ist, wird nur eine derartige Platte näher

beschrieben. Es ist klar, daß die hintersten Platten 110 in dem Stapel nur eine Oberfläche haben, die den nachfolgend beschriebenen Aufbau hat, wobei die äußere Oberfläche glatt ist für die Bindung an

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den Deckel 52 und den Boden 53 des Gehäuses 51. Jede der Platten 110 ist rechteckig geformt und weist einander gegenüberliegende Oberflächen 111 und 112 auf, die nachfolgend der Einfachheit halber als obere Oberfläche Hl und untere Oberfläche 112 bezeichnet werden, wobei natürlich gilt, daß der Stapel bei seiner Verwendung in jeder beliebigen Ausrichtung angeordnet sein kann. Entlang der Umfangs-Längskanten sind in einem Abstand voneinander Zungen bzw. Laschen 114, 115 an einer Seitenkante der oberen Oberfläche 111 und im Abstand voneinander angeordnete Rillen 117,

118 an der anderen Seitenkante der oberen Oberfläche angeordnet, wobei die Rillen 117, 118 sich in Längsrichtung der Platte 110 erstrecken und so gebaut und angeordnet sind, daß sie darin die Zungen bzw. Laschen 114, 115 aufnehmen. Wie aus den Zeichnungen zu ersehen, ist die Seite der Platte 110, welche die sich in Längsrichtung erstreckenden Zungen bzw. Laschen 114, 115 auf der oberen Oberfläche 111 aufweist, mit Rillen 117, 118 auf der unteren Oberfläche 112 ausgestattet, wobei die Rillen Über den Zungen bzw. Laschen liegen. In entsprechender Weise sind auf der Seite der Platte 110, die mit den sich in Längsrichtung erstreckenden Rillen 117, 118 auf der oberen Oberfläche 111 versehen ist, darüberliegend auf der unteren Oberfläche 112 in Längsrichtung sich erstreckende Zungen bzw. Laschen 114, 115 vorgesehen. Dieser Aufbau macht es möglich, daß die Platten 110 wie in den Zeichnungen dargestellt gestapelt werden können, ohne daß berücksichtigt werden muß, welche Seite "oben" oder "unten" ist.

Jede der Platten 110 ist mit vier Leitungsverzweigungen ausgestattet, mit den Leitungsverzweigungen 120 und 220 auf der oberen Oberfläche 111 und

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den Leitungsverzweigungen 12OA und 220A auf der unteren Oberfläche 112. Die Platten-Leitungsverzweigungen verteilen die Flüssigkeit transversal zu der Platte, wobei die Flüssigkeit an der Stirnkante der Platte in die Massenübergangsfläche 200 im Mittelabschnitt der Platte eingeführt wird, wo Membranträger vorgesehen sind und ein MassenUbergang durch die auf Träger aufgebrachten Membranen stattfinden knnn. Da die Geometrie auf einer Oberfläche das Spiegelbild der anderen Oberfläche ist, wird die Beschreibung nachfolgend auf die Leitungsverzweigungen 120 und 220 auf der oberen Oberfläche 111 beschränkt. Bei einigen Verwendungszwecken, beispielsweise als Dialysatoren, sind die Oberflächen vorzugsweise Spielgebilder, wie dargestellt, bei anderen Verwendungszwecken, beispielsweise als Wärmeaustauscher, sind die Oberflächen jedoch vorzugsweise identisch, wobei beide Ausführungsformen in den Rahmen der vorliegenden Erfindung fallen.

Die Leitungsverzweigung 120 umfaßt eine Vertiefung 121, die durch die Wände 122, 123, 124 und 126 begrenzt ist,, wobei die Wände 122 und 123 aneinandergrenzen und von den Wänden 124 und 126 getrennt sind. Die Oberfläche 111 weist eine zentrale Öffnung auf, die durch den Rand lila begrenzt ist. Die Öffnung in der Oberfläche 111 erstreckt sich nach außen in Richtung auf die jeweilige Längskante der Platte 110 in einer Reihe von abgestuften Kanten 111b, 111c, IHd, Hie, 111f und 111g. Die Längen der Kanten lila sind identisch wie die Oberflächen 111b und dgl., wodurch die durch die Kanten 111a bis 111g begrenzte Öffnung symmetrisch um die durch die Kanten 111a begrenzte Öffnung herum gemacht wird.

Eine Schulter 128 erstreckt sich von den Wänden 122 und 123 nach

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außen und eine Schulter 129 erstreckt sich von den Wänden 124 und 126 nach außen. Die Stirnfläche (Endoberfläche) der Leitungsverzweigung 120 ist zwischen den Stirnflächen der Zungen 114, 115 und der Rillen 117, 118 nach innen vertieft. Zwischen den Zungen 114, 115 und den Rillen 117, 118 befindet sich ein zentraler Stab 125, der eine Dicke hat, die gleich der Ausdehnung der Zungen und Rillen jenseits der Stirnfläche der Platten-Leitungsverzweigung 120 ist, so daß die äußere Oberfläche des zentralen Stabes 125 in der gleichen Ebene liegt wie die Stirnfläche der Zungen und Rillen, wobei der Einsatz der Leitungsverzweigung 120 aus den nachfolgend angegebenen Gründen erfolgt. Eine rechteckige Unterlage 130 hat eine solche Dimension, daß sie fest in der Vertiefung 121 sitzt und an die Wände 122, 123, 124 und 126 anstößt. Wenn sie auf den Schultern 128 und 129 ruht, liegt die obere Oberfläche der Unterlage 130 in der gleichen Ebene wie die obere Oberfläche 111.

Die Schultern 128 und 129 liegen in der gleichen Ebene und sind durch einen ausgeschnittenen Teil, der durch eine Vielzahl von Trennwänden unterteilt ist, wie durch die beiden Trennwände 135 und 136 beispielhaft erläutert, unterteilt. Di*se Trennwände sind als durchgehend dargestellt, sie können aber auch andere Konfigurationen haben, beispielsweise die Form von Kegeln, Quadraten oder Pyramiden, welche die gleichen Zwecke erfüllen können. Die Trennwände 135 und 136 sind parallel zueinander und haben einen Abstand voneinander, wobei jede Trennwand aus zwei parallelen Schenkeln besteht, die durch einen senkrechten Schenkel miteinander verbunden sind. Die Trennwände 135 und 136 kooperieren jeweils mit den benachbarten Schultern 128 und 129 unter Bildung von drei Flüssigkeitsströmungsdurchgängen 140, 141 und 142, von denen jeder von dem Ende

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der Leitungsverzweigung 120 zum Zentrum der Platte 110 führt und in einem Raum 145 endet, der sich quer zur Platte erstreckt und durch die Kanten lila gebildet wird. Die Anzahl der Strömungswege 140 bis 142 hängt von der Anzahl der Trennwände ab, die ihrerseits von der Membranfestigkeit, dem Flüssigkeitsdruck und anderen Faktoren abhängt.

Die in den Raum 145 eintretende Flüssigkeit strömt entweder entlang des Weges 146 oder entlang des Weges 147, wobei die Wege durch die Kanten 111b in Kooperation mit einem Leitblech 150 gebildet werden, das einen Mittelabschnitt und zwei sich nach außen erstreckende Flügel 151 und 152 aufweist, die in bezug auf die Längsachse der Platte 110 transversal sind. An den Enden der Flügel 151 und 152 befinden sich jeweils Räume 153 und 154 und die in den Raum 153 einströmende Flüssigkeit fließt entlang der Wege 156 und 157, während die durch den Raum 154 strömende Flüssigkeit entlang der Wege 158 und 159 strömt. In den Zeichnungen nicht dargestellt sind Fortsetzungen der Vielzahl der Trennwände, die bei 135 und 136 gezeigt sind, die sich durch den Strömungsweg hindurch fortsetzen können, der begrenzt ist durch das Leitblech 150 und die Kanten bzw. Ränder 111a, 111b und 111c. Es ist klar, daß ähnliche. Trennwände sich durch die Strömungswege der Leitungsverzweigung hindurch erstrecken können oder nicht, wie nachfolgend beschrieben, je nach der speziellen Anwendung der Erfindung.

Die Flüssigkeit aus dem Raum 153 wird durch das Leitblech 161, das dem Raum gegenüberliegend angeordnet ist und jeweils Flügel 162 und 163 aufweist, die sich von diesem nach außen erstrecken, parallel zu dem Flügel 151 des Leitbleches 150 und zu der Kante

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. ₃₁ . 2 b 3 Ί 5 6 9

nib in die Strömungswege 156 und 157 gelenkt. Die Flüssigkeitsströmungswege 158 und 159 werden gebildet von dem Raum 154 in Zusammenarbeit mit einem Leitblech 166, das sich nach außen erstreckende Flügel 167 und 168 aufweist, wobei die Flügel 167 und 168 in der gleichen Querebene (Stirnfläche) liegen wie die Flügel 162 und 163. Die entlang der Strömungswege 156 bzw. 157 strömende Flüssigkeit tritt in die Räume 171 und 172 ein, während die entlang der Strömungswege 158 und 159 strömende Flüssigkeit jeweils in die Räume 173 und 174 eintritt. Die Flüssigkeit in dem Raum (Plenum) 171 wird aufgeteilt in die Strömungswege 176 und 177, die durch des

Leitblech 186, die Kante 111b und den Flügel 162 begrenzt sind; die Flüssigkeit aus dem Raum (Plenum) 172 wird aufgeteilt in die Strömungswege 178 und 179, die durch das Leitblech 187, das Leitblech 150 und den Flügel 163 begrenzt sind; die Flüssigkeit aus dem Raum (Plenum) 173 wird aufgeteilt in die Strömungswege 181 und 182, die durch das Leitblech 188, das Leitblech 150 und den Flügel 167 begrenzt sind; und die Flüssigkeit aus dem Raum (Plenum) 174 wird aufgeteilt in die Strömungswege 183 und 184, die durch das Leitblech 189, die Kante Ulf und den Flügel 168 begrenzt sind. Die um die Leitbleche 186, 161, 187, 150, 188, 166 bzw. 189 herumströmende Flüssigkeit tritt in den mittleren Verteilungsraum 190 ein. Es ist klar, daß die Anzahl der Unterteilungen in den Strömungswegen der Leitungsverzweigung 120 größer oder kleiner gemacht werden kann als sie für die Erläuterungszwecke dargestellt ist, wobei die erfindungsgemäße Bedingung die ist, daß eine fortschreitende Aufspaltung jedes Strömungsweges in zwei gleiche Schenkel erfolgt, so daß der Strömungswiderstand überall in dem gleichen Abstand von den Einlassen 61 oder 66 identisch und gleichmäßig ist.

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Der Verteilungsraum 190 erstreckt sich transversal zu der Platte HO praktisch über die gesamte Platte zwischen den Zungen Π4, Π5 und den Rillen 117, 118, wobei darauf hingewiesen sei, daß die Tiefe des Raumes 190 sich von der oberen Oberfläche 111 in die Platte 110 hinein bis zu einer Tiefe erstreckt, die geringer, gleich oder größer sein kann als die vertikale Erstreckung der Trennwände 135 und 136 (die Tiefe des Raums 190 bestimmt das Ausmaß des Druckausgleichs darin, wie nachfolgend näher erläutert), wobei die oberen Oberflächen aller Leitbleche in der durch die obere Oberfläche 111 definierten Ebene liegen, wodurch eine diskontinuierliche ebene Oberfläche zwischen den Kanten der Platte erzeugt wird, so daß die sich in Längsrichtung erstreckenden Zungen und die sich in Längsrichtung erstreckenden Rillen jeweils oberhalb und unterhalb dieser Oberfläche liegen, wenn sich die Unterlage 130 an ihrer richtigen Stelle befindet.

Es sei darauf hingewiesen, daß alle FlUssigkeitsströmungswege von Beginn der Wege 140, 141 und 142 bis zu dem Raum 190 identische Längen, Breiten und Höhen haben und daher den gleichen Strömungswiderstand besitzen. Wenn das Kopfstück 60 montiert ist, wie nachfolgend angegeben, wird die in das Kopfstück 60 eintretende Flüssigkeit durch den Einlaß 61 in den Raum (Plenum) 190 gleichmäßig über die gesamte Länge des Raumes verteilt, weil der auf die gesamte Flüssigkeit in dem Raum 190 einwirkende Strömungswiderstand genau der gleiche ist. Die gleichmäßige Verteilung der Flüssigkeit in dem Raum 190 ist kritisch für die erfindungsgemäße Arbeitsweise. Die Höhe der Strömungswege in der Platten-Leitungsverzweigung 120 wird vorher festgelegt in Abhängigkeit von dem gewünschten Strömungswiderstand, dessen Bedeutung nachfolgend erläutert wird.

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Die MassenUbertragungsfloche 200, die in dem Mittelabschnitt jeder Platte 110 angeordnet ist, wird durch die sich in Längsrichtung erstreckenden Zungen 114, 115 und die sich in Längsrichtung erstreckenden Rillen 117, 118 und durch den sich quer dazu erstreckenden zentralen Verteilungsraum 190 und einen sich quer dazu erstreckenden zentralen Sammlungsraum 290 begrenzt. Der Abstand zwischen den Räumen 190 und 290 ist die Massenübergangsfläche 200 und er wird unterteilt durch eine Vielzahl von Membran - Trägern, die aus parallel im Abstand voneinander angeordneten Leitblechen 201, 202, 203, 204 ... 200+ η in eine Vielzahl von sich in Längsrichtung erstreckenden Strömungswegen 210, 211, 212 ... 210 + n. Jeder der so definierten Kanäle 210, 211 und dgl. hat die gleiche Höhe, Breite und Länge, wodurch der Strömungswiderstand für alle Kanäle der gleiche ist. Die obere Oberfläche jedes dieser Leitbleche 201, 202 und dgl. liegt in der gleichen Ebene wie alle weiter oben beschriebenen anderen Leitbleche und in der durch die Oberfläche 111 und die Unterlage 130 definierten Fläche, wodurch alle oberen Leitblechoberflächen und die Unterlage einen Membranträger ergeben. Der Flüssigkeitsstrom durch die Kanäle 210, 211 und dgl. ist gleichmäßig, wobei alle Kanäle gefüllt sind und die gleiche Menge Flüssigkeit mit der gleichen Geschwindigkeit führen.

Jede der Platten 110 ist mit einer Auslaß-Leitungsverzweigung 220 am Ende der der Einlaß-Leitungsverzweigung 120 gegenüberliegenden Platte ausgestattet, wobei die Leitungsverzweigungen im wesentlichen den gleichen Aufbau haben, obgleich sie auch Spiegelbilder zueinander sein können. Die Leitungsverzweigung 220 umfaßt insbesondere

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eine Vertiefung 221, die durch Wände begrenzt ist, die den Wänden 122, 123, 124 und 126 entsprechen. Die Vertiefung 221 weist darin Zweigleitungen 211a bis 211g auf, die ähnlichen Teilen der Leitungsverzweigung 120 entsprechend und entsprechend numeriert sind.

Eine Schulter 228 erstreckt sich von den den Wände 122 und 123 entsprechenden Wänden nach außen und eine Schulter 229 erstreckt sich von der der Wand 124 entsprechenden Wand nach außen. Die Stirnfläche der Leitungsverzweigung 220 ist zwischen den Stirnflächen der Zungen 114, 115 und der Rillen 117, 118 nach innen vertieft. Zwischen den Zungen 114, 115 und den Rillen 117, 118 erstreckt sich ein zentraler Stab 225, yder eine Dicke hat, die gleich der Ausdehnung der Zungen und Rillen jenseits der Stirnfläche der Platten-Leitungsverzweigung 220 ist, so daß die äußere Oberfläche des zentralen Stabes 225 in der gleichen Ebene wie die Stirnfläche der Zungen und Rillen liegt, wobei der Einsatz der Leitungsverzweigung 220 aus den nachfolgend angegebenen Gründen erfolgt. Eine rechteckige Unterlage 230 hat eine solche Dimension, daß sie fest in die Vertiefung 221 paßt und an die Wände 222, 223, 224 und 226 anstößt. Wenn sie auf den Schultern 228 und 229 ruht, liegt die obere Oberfläche der Unterlage 230 in der gleichen Ebene wie die obere Oberfläche 211.

Die Schultern 228 und 229 liegen in der gleichen Ebene und sind durch einen ausgeschnittenen Teil, der durch zwei Trennwände 235 und 236 unterteilt ist, voneinander getrennt. Die Trennwände 235 und 236 verlaufen parallel zueinander und haben einen Abstand voneinander, wobei jede Trennwand aus zwei parallelen Schenkeln besteht, die durch einen senkrechten Schenkel miteinander verbunden

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sind. Die beiden Trennwände 235 und 236 kooperieren mit den jeweils benachbarten Schultern 228 und 229 unter Bildung von drei Flüssigkeitsströmungswegen 240, 241 und 242, von denen jeder von dem Ende der Leitungsverzweigung 220 zum Zentrum der Platte 110 führt und in einem Raum 245 endet, der sich quer zu der Platte erstreckt und durch die Kanten 211a gebildet wird. Die in den Raum 245 eintretende Flüssigkeit strömt entweder entlang des Strömungsweges 246 oder entlang des Strömungsweges 247, wobei die Strömungswege durch die Kanten 211b in Kooperation mit dem Leitblech 250 gebildet werden, wobei das Leitblech einen Mittelabschnitt und zwei sich nach außen erstreckende Flügel 251 und 252 aufweist, die quer zu der Längsachse der Platte 110 verlaufen. An den Enden der Flügel 251 und 252 sind jeweils Räume 253 und 254 angeordnet und die in den Raum 253 einströmende Flüssigkeit fließt entlang der Strömungswege 256 und 257, während die durch den Raum 254 strömende Flüssigkeit entlang der Strömungswege 258 und 259 fließt.

Die Flüssigkeit aus dem Raum 253 wird entlang der Strömungswege und 257 durch das Leitblech 261 gelenkt, das dem Raum gegenüberliegt und Flügel 262 bzw. 263 aufweist,die sich parallel zu dem Flügel 25I des Leitbleches 250 und ζυ der Kante 211b nach außen erstrecken. Die FlUssigkeitsströmungswege 258 und 259 werden gebildet aus dem Raum 254 in Kooperation mit einem Leitblech 266, das sich nach außen erstreckende Flügel 267 und 268 aufweist, wobei die Flügel 267 und 268 in der gleichen Querebene (Stirnfläche) wie die Flügel 262 und 263 liegen. Die entlang der Strömungswege 256 bzw. 257 strömende Flüssigkeit tritt in die Räume 271 und 272 ein, während die entlang der Wege 25 8 und 259 strömende Flüssigkeit jeweils in die Räume 273 und 274 eintritt. Die Flüssigkeit in dem Raum

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wird aufgeteilt auf die Strömungswege 276 und 277, die durch das Leitblech 286, die Kante 211f und den Flügel 262 begrenzt sind; die Flüssigkeit aus dem Raum 272 wird aufgeteilt auf die Strömungswege 278 und 279, die durch das Leitblech 287, das Leitblech 250 und den Flügel 263 begrenzt sind; die Flüssigkeit aus dem Raum 273 wird aufgeteilt auf die Strömungswege 281 und 282, die durch das Leitblech 288, das Leitblech 250 und den Flügel 267 begrenzt sind; und die Flüssigkeit aus dem Raum 274 wird aufgeteilt auf die Strömungswege 283 und 284, die durch das Leitblech 289, die Kante 21 If und den Flügel 268 begrenzt sind. Die um die Leitbleche 286, 261, 287, 250, 288, 266 bzw. 289 herum fließende Flüssigkeit tritt in den zentralen Sammelraum 290 ein. Es ist klar, daß die Richtung des FlUssigkeitsstromes von oder zu den Leitungsverzweigungen 120 und 2£0 beliebig ist. Wenn die Flüssigkeit bei 120 eintritt, tritt sie bei 220 aus, wenn sie bei 220 eintritt, tritt sie bei 120 aus.

Der Sammelraum 290 erstreckt sich, wie oben angegeben, quer zu der Platte 110 parallel zu dem Verteilungsraum 190. Daraus ist zu ersehen, daß die Räume 190 und 290 die longitudinalen Endbegrenzungen der Massenübergangsfläche 200 bilden, wobei die Vielzahl von sich in Längsrichtung erstreckenden Kanälen 210 und dgL, die durch die Leitbleche 201 und dgl. gebildet werden, sich dazwischen erstrecken und transversal durch die sich in Längsrichtung erstreckenden Zungen 114, 115 und die Rillen 117, 118 gebunden sind.

Eine Membran 300 ist zwischen benachbarten Platten 110 angeordnet und erstreckt sich von dem Ende der Leitungsverzweigung 120 bis zu dem Ende der Leitungsverzweigung 220 und sie erstreckt sich

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auch sowohl über die beiden in einem Abstand voneinander angeordneten Zungen 114, 115 als auch Über die beiden in einem Abstand voneinander angeordneten Rillen 117, 118. Wenn der Stapel Platten 110 so angeordnet ist, daß sich eine Membran 300 zwischen jeder der Platten befindet und die Zungen 114, 115 einer Platte 110 in die jeweiligen passenden Rillen 117, 118 einer anderen Platte 110 eingedrückt sind, werden die !Membranen 300 unter Spannung gehalten und begrenzen mit den angrenzenden Platten Flüssigkeitsströmungswege 310, 311, 312 und dgl. für eine erste Flüssigkeit zwischen der Membran 300 und der Oberfläche 111 der einen Platte und Flüssigkeitsströmungswege 320, 321, 322 und dgl. für eine zweite Flüssigkeit zwischen der Membran 300 und der Oberfläche 112 der angrenzenden (benachbarten) Platte.

Daraus ist zu ersehen, daß für eine erste Flüssigkeit bzw. eine zweite Flüssigkeit Strömungswege 310 und dgl. bzw. 320 und dgl. vorgesehen sind, worin jede Flüssigkeit auf einer Seite der Membran 300 vorhanden ist und entlang eines Strömungsweges gelenkt wird, der durch die Membran und die Konfiguration der angrenzenden Platte 110 begrenzt ist. Jede Platte 110 hat entweder die gleiche Konfiguration auf jeder Oberfläche oder sie weist Spiegelbildkonfigurationen auf den Oberflächen auf, mit Ausnahme der Tatsache, daß die Membranträger in der Massenübergangsfläche 200 identische Strömungswege begrenzen, um eine maximale Fläche zu gewährleisten, in welcher die erste und die zweite Flüssigkeit in bezug auf die Massenübertragung durch die Membran 300 in Beziehung zueinander gesetzt werden. Wenn der Stapel Platten 110 hergestellt worden ist, wird ein Kopfstück 60 oder 6OA an jedem Ende des Stapels befestigt mit ausgerichteten zentralen Stäben 125, die einen zentralen PfosteT

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bilden, und mit ausgerichteten zentralen Stäben 225, die einen weiteren zentralen Pfosten bilden, wobei jeder der zentralen Pfosten in die vertieften Oberflächen 103 auf den vorstehend beschriebenen Kopfstücken 60 und 6OA paßt.

Die in den Einlaß 61 eintretende Flüssigkeit wird durch das Kopfstück 60 in den Raum 100 verteilt zur Erzielung einer gleichmäßigen Verteilung der Flüssigkeit zu jeder Platten-Leitungsverzweigung 120 und insbesondere zu jedem der FlUssigkeitsströmungswege 140, 141 und 142. In entsprechender Weise wird die in den Einlaß 66 eintretende Flüssigkeit durch das Kopfstück 6OA in den Raum lOOA verteilt zur Erzielung einer gleichmäßigen Verteilung der Flüssigkeit an jede Platten-Leitungsverzweigung 120A und insbesondere an jeden der FlUssigkeitsströmungswege 140A, 141A und 142A. Die Unterlagen 130, 230 werden verwendet, um eine Membranverformung zu verhindern, wenn die in die Leitungsverzweigungen 120A eintretende Flüssigkeit unter einem höheren Druck steht als diejenige, welche in die Leitungsverzweigungen 120 eintritt. Die Unterlagen 130, 230 sind in den Vertiefungen 121 bzw. 221 angeordnet und die zugeordnete Membran liegt über der Unterlage. Die Unterlagen können gewünschtenfalls in Vertiefungen 121A und 221A verwendet werden. Wenn die in die Leitungsverzweigungen 120A eintretende Flüssigkeit unter einem höheren Druck steht als die in die LeitungsVerzweigungen 120 eintretende Flüssigkeit, tritt keine Membranverformung auf, wodurch ein Auslaufen der Flüssigkeit zwischen den Leitungsverzweigungen lOOA und 100 vermieden wird. Wenn die beiden Flüssigkeiten unter dem gleichen Druck stehen, dann sind die Unterlagen 130, 230 nicht erforderlich, wenn die Membran genügend steif ist; im übrigen werden die Unterlagen in allen Vertiefungen 121, 221, 121A und 221A verwendet.

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Wenn die Membran 300 genügend steif ist oder wenn die Kanalabstände eng genug sind, um eine Membranverformung zu verhindern, dann sind keine Unterlagen 130, 230 erforderlich.

Einige der Hauptvorteile der Massenübergangsvorrichtung 50 sind
die gleichmäßige Verteilung, die durch beide Kopfstücke 60 und 60A sowie die einzelnen Platten-Leitungsverzweigungen 120 und 120A,
220 und 220A für die erste und die zweite Flüssigkeit erzielt wird, wodurch praktisch alle Eintritts- und Austrittseffekte eliminiert werden« Die Kopfstücke 60, 60A verteilen und sammeln Flüssigkeiten in einer Richtung senkrecht zu den Ebenen der Platten 110, während die LeitungsVerzweigungen 120, 220, 120A, 220A Flüssigkeiten in
den Plattenebenen transversal (quer) zu den Platten 110 verteilen und sammeln« Die Kombination aus den Kopfstücken 60, 6OA und den
Leitungsverzweigungen 120, 120A, 220, 220A führt Flüssigkeiten den Räumen 190 und 290 und der Massenübergangsfläche 200 bei niedrigen Geschwindigkeiten und geringen Turbulenzen zu und zieht sie von diesen ab, wodurch eine gleichmäßige Verteilung des Druckes und der Strömung beim Eintritt und beim Austritt der Flüssigkeiten in und aus den Strömungskanälen in jeder Platte 110 sichergestellt wird. Die Flüssigkeiten strömen gleichmäßig durch die Massenübergangsfläche 200 ohne Strahleffekte, so daß die maximale Menge der Flüssigkeiten
mit den Membranen 300 in Kontakt kommt, was zu einem stark verbesserten Massenübergang fühet. Außerdem sind die Flüssigkeitsströmuηgskanüle verhältnismäßig flach, so daß das Oberflächen/Volumen-Verhältnis der Flüssigkeiten im Kontakt mit den Membranoberflächen sehr hoch ist. Das heißt mit anderen Worten, daß sehr dünne Flüssig-

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keitsfilme (so dünn, daß sie nur dem 5-fachen des Durchmessers eines roten Blutkörperchens entsprechen) den Widerstand gegen den Massenübergang herabsetzen und den Wirkungsgrad der Erfindung erhöhen (verbessern). Nachdem die Flüssigkeit mittels der Platten-Leitungsverzweigungen 120 und 120A verteilt worden ist, strömt sie in Längsrichtung und gleichmäßig in die MassenUbergangsflache 200, wodurch sowohl die erste als auch die zweite Flüssigkeit mit fast genau der gleichen Geschwindigkeit strömen können, da sie beide einen identischen Strömungswiderstand zu überwinden haben. Es sei darauf hingewiesen, daß bei einigen Anwendungszwecken jedoch die Tiefe der Strömungskanäle auf einer Seite der Platte 110 verschieden sein kann von der Tiefe auf der anderen Seite. In

diesem Falle wären die Strömungswiderstände auf einer Seite anders als auf der andere Seite.

Da beide Flüssigkeiten durch den Flüssigkeitsstrom entlang der einzelnen Platten 110 und durch die Kanäle, die durch die Kooperation zwischen der einzelnen Platte und der benachbarten Membran gebildet werden, in die Massenübergangsfläche 200 eingeführt werden, sind keine Dichtungen oder anderen Mechanismen, die zu einem Leck führen können, erforderlich, um die Flüssigkeit entlang der einzelnen Platten zu verteilen. Die erfindungsgemäße Konstruktion erlaubt daher die Verwendung von Membranen 300, die im allgemeinen nicht perforiert sind, was sich in diesem Zusammenhang nicht auf die Fähigkeit der Membran bezieht, als Filter zu wirken, was bei bestimmten Anwendungszwecken der Fall sein kann, sondern sich auf die Tatsache bezieht, daß die Membran nicht durchbohrt za sein braucht, da die Flüssigkeit longitudinal zu der Membran anstatt transversal durch die Membran eingeführt wird. Da einzelne

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Blätter der Membran 300 zwischen jeder der einzelnen Platten 110 verwendet werden, wird erfindungsgemäß gegenüber den bekannten Konfigurationen, in denen rohrförmige oder doppelte Membranen zwischen den Trägern verwendet werden, ein wirtschaftliches Material verwendet und es wird ein leichter Aufbau erzielt.

Ein Hauptmerkmal der erfindungsgemäßen Massenübergangsvorrichtung 50 ist die im wesentlichen gleichmäßige Verteilung, die durch die Kopfstücke 60, 60A und die einzelnen Platten-Leitungsverzweigungen 120, 120A, 220 und 220A für die erste und die zweite Flüssigkeit erzielt wird. Nachdem die Flüssigkeiten in den Räumen 100 und

100A verteilt worden sind, fließt der Strom danach eher an den Platten 110 und der Membran 300 entlang als durch sie hindurch. Dies ist besonders vorteilhaft, wo Leckprobleme verhindert werden müssen.

Bei der hier erläuterten Kurzweg-Parallelstrom-Massenübergangsvorrichtung 50 könnten Eintritts- und Austritts-Effekte überwiegen. Diese Effekte werden erfindungsgemäß minimal gehalten durch die Kooperation des Kopfstückes 60, das eine gleichmäßige Verteilung der Flüssigkeit an jede Schicht ergibt, und die Platten-Leitungsverzweigungen 120, 220, 120A und 220A, die eine gleichmäßige Verteilung der Flüssigkeiten zwischen den Schichten ergeben. Die Flüssigkeiten fließen deshalb an den mehrfachen parallelen Strömungswegen in einer parabolischen Wellenfront entlang, wobei alle Strömungswege die gleiche Flüssigkeitsmenge mit der gleichen Geschwindigkeit führen. Wenn die Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeiten in der Massenübergangsvorrichtung 50 sehr niedrig ist, ist die Reynolds-Zahl niedrig genug, so daß die Turbulenz kein

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Faktor ist, wodurch die Strömungsverteilung und die dünnen Grenzschichten die kritischen Parameter des Massenübergangs werden.

Die Kopfstücke 60 und 6OA teilen die eintretenden Flüssigkeiten auf, bis eine gleichmäßige Verteilung in den Räumen 100 und 100A erzielt worden ist; es sind keine Eintritts- oder Austritts-Strahlen vorhanden und das Kopfstück wirkt als einzige Quelle oder Sammelbehälter für jede Flüssigkeit. Die geeigneten Dimensionen des Verteilungssystems, welches sowohl die Kopfstücke 60, 6OA als auch die einzelnen Platten-Leitungsverzweigungen 120 und dgl. umfaßt, sind kritisch für den Aufbau der Massenübergangsvorrichtung 50 und variieren entsprechend den anderen Dimensionen der Vorrichtung und dem Endverwendungszweck, für den sie bestimmt ist. In ähnlicher Weise verteilen die Leitungsverzweigungen 120 und dgl. die Flüssigkeiten gleichmäßig zur Erzielung einer Sammelstelle oder einer einzigen Quelle für den Massenübergangsbereich und insbesondere die Räume 190, 290, so daß keine Strahlbildung oder kein ungleichmäßiger Strom quer zu den Platten 110 auftritt. Durch Einstellung der Tiefe der verschiedenen Strömungskanäle kann der innere Widerstand der gesamten Vorrichtung 50 oder von Teilen davon je nach Verwendungszweck geändert werden zur Erzielung eines gleichmäßigen oder ungleichmäßigen hohen oder niedrigen Widerstandes.

Die erfindungsgemäße Massenübergangsvorrichtung 50 kann als Parallelstram-Hämodialysator verwendet werden. Bei einer solchen Verwendung können 80 Schichten der Membran 300, beispielsweise aus regenerierter Cellulose, in einer Vorrichtung mit einer das Gehäuse 51 umfassenden Außendimension von 21,3 cm χ 10,5 cm χ 6,7 cm (8,4 inch χ 4,125 inch χ 2,65 inch) mit einem Endgewicht von 1,3 kg (2,9 lbs) verwendet werden.

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Der Druckabfall an dem Dialysator bei einer Strömungsgeschwindigkeit von 300 ml pro Minute beträgt 42 mm Hg, während der mittlere Transmembrandruck in einem Fistel-Leitungsschema 46 mm Hg beträgt. Die minimale Ultrafiltrationsgeschwindigkeit bei einem Fistel-System bei einem Blutstrom von 300 ml pro Minute beträgt 0,5 ml pro Minute oder 30 ml pro Stunde. Die maximale Ultrafiltrationsgeschwindigkeit kann bis zu 40 ml pro Minute oder 2400 ml pro Stunde betragen. Dieser Bereich von einstellbaren Ultrafiltrationsgeschwindigkeiten Übersteigt denjenigen der derzeit bekannten

Vorrichtungen mit einer Membranoberflächengröße von 1 m und verbessert die klinische Brauchbarkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Ein Vorteil der erfindungsgemäßen MassenUbergangsvorrichtung bzw. Massenübertragungsvorrichtung 50 ist der, daß nur ein niedriges Primärvolumen (Fullvolumen) von 87 ml Blut erforderlich ist bei

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einer wirksamen Membranfläche von 9,667 cm oder fast Im·

Bei der Verwendung als Parallelstrom-Hämodialysator können die einzelnen Platten 110 aus irgendeinem Material bestehen, das sowohl mit Blut als auch mit anderen Körperflüssigkeiten biologisch verträglich ist. Es kann ein synthetisches organisches Harz, wie z.B. ein thermoplastisches Harz, das bei verhältnismäßig tiefen Temperaturen geformt werden kann, oder ein wärmehärtbares Harz verwendet werden. Dazu gehören Polyester, Polyurethane, Polycarbonate und Polystyrol. Bei dem Membranmaterial kann es sich um irgend' eine der anerkannten semipermeablen Membranen handeln, die in Dialysatoren verwendet werden, wie z.B. eine Membran aus regenerierter Cellulose, Celluloseacetat, Polycarbonat oder irgendeine andere semipermeable, nicht-toxische Polymermembran. Das Gehäuse 51 und das Kopfstück 60 müssen ebenfalls aus einem Material bestehen,

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das mit Blut und anderen Körperflüssigkeiten biologisch verträglich ist, wobei Polycarbonat ein Beispiel für ein solches Material ist.

Bei dem bevorzugten Hämodialysator-Gerät ist jede Platte Π0 aus Polypropylen 0,08 cm (0,03 inch) dick und hat Spiegelbild-Muster auf jeder ihrer Seiten, so daß das Dialysat in den Einlaß 61 eintritt und durch den Auslaß 67 austritt und das Blut in den Einlaß

66 eintritt und durch den Auslaß 62 austritt. Die Membranen bestehen vorzugsweise aus regenerierter Cellulose und die Unterlagen 130 und 230 bestehen vorzugsweise aus einem organischen synthetischen Polyesterharz. Daraus ist zu ersehen, daß sowohl die Dialysatkanüle 310 und dgl. als auch die Blutkanäle 320 und dgl. auf einer Seite durch die Membran 300 und auf der anderen Seite durch die jeweiligen Platten 110 gebunden sind.

Die Leitbleche 201 und dgl. haben eine Querdimension von 0,025 cm (0,01 inch) und einen Abstand von 0,25 cm (0,1 inch) voneinander, wobei die Kanäle 210 und dgl. 0,008 cm (0,003 inch) tief sind. Die Platten-Leitungsverzweigungen 120, 120A, 220 und 220A haben Kanaltiefen, die mehr als 0,008 cm (0,003 inch) betragen. Insbesondere die Platten-Leitungsverzweigungen 120, 120A, 220 und 220A haben eine Kanaltiefe von etwa 0,015 cm (0,006 inch), um die verminderte Strömungsfläche in den Leitungsverzweigungen, verglichen mit der Strömungsfläche in den Kanälen 310 und dgl. und 320 und dgl. zu kompensieren. Es ist klar, daß die Form der Kanäle und Ablenkbleche nur beispielhaft ist und daß sie aus technischen Gründen geändert werden kann.

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Der Zusammenbau der MassenÜbergangsvorrichtung 50 wird erleichtert durch die Zungen 114, 115 und die Rillen 117, 118, die gewährleisten, daß die einzelnen Platten 110 in dem Stapel übereinanderliegen.

Das Gehäuse 51 kann mit einem Epoxyharz oder einem Silikonkautschukklebstoff oder irgendeinem anderen Klebstoff, der für die Verwendung mit Körperflüssigkeiten geeignet ist, zusammengeklebt sein. Nachdem der Stapel in dem Gehäuse 51 befestigt worden ist, werden die Kopfstücke 60 mit einem geeigneten Klebstoff oder auf andere Weise befestigt· Das Übereinanderliegen des Kopfstückes 60 und des Stapels aus den einzelnen Platten 110 wird durch die zentralen Stäbe 125 und 225 gewährleistet. Da jede der Membranen 300 über die einzelnen Platten 110 gespannt wird und danach die. Platten zusammengeklammert werden, kooperieren die Zungen 114, 115 und die Rillen 117, 118 miteinander, wobei sie die Membranen 300 unter Spannung halten, so daß die Membranen eine Berstfestigkeit in dem Dialysator

2 von mehr als 2,1 kg/cm (30 psi) oder 1400 mm Hg haben.

Die erfindungsgemäße Massenübergangsvorrichtung 50 kann auch als Oxygenator (SauerstoffÜberträger) verwendet werden. Bei der Verwendung als Oxygenator besteht das Gehäuse 51 aus einem organischen Material, das mit Blut und anderen Körperflüssigkeiten biologisch verträglich ist, wie dies auch für die Verwendung als Dialysator erforderlich ist. Dies gilt auch für die Kopfstücke 60 sowie für die Platten 110. Die Membranen 300 bestehen aus einem Siliconkautschuk-Polymeren oder einem Copolymeren aus Siliconkautschuk und Polycarbonat. Weitere Membranen können aus extrudierten mikroporösen Materialien bestehen, wie sie beispielsweise von Gore-TeX hergestellt werden, oder sie können aus einem mikroporösen Polypropylen bestehen, wie es von der Cellanese Corporation hergestellt wird.

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Für die Verwendung in einem Oxygenator sind auch bestimmte katalytische Membranen akzeptabel und insbesondere bestimmte synthetische organische Harze mit einem Permanganatüberzug darauf sind vorteilhaft.

Die Massenübergangsvorrichtung 50 kann auch als Wärmeübertrager verwendet werden, wobei die Platten aus Metall oder irgendeinem anderen, gegen hohe Temperaturen beständigen Material, wie z.B. Polypropylen, Polycarbonat oder wärmehärtbaren Harzen, wie Epoxiden, Resorcinalen oder Harnstofformaldehyden, bestehen können. Bei den Membranmaterialien kann es sich um eine dünne Aluminiumfolie einer Dicke von 0,013 bis 0,025 mm (i/2 bis 1 mil) handeln. Eine derartige Verwendung ist die als Automobi!kühler, bei dem die erforderliche Wärmeübertragungsgeschwindigkeit 60 000 Kalorien pro Sekunde bei einer Strömungsgeschwindigkeit von 49,2 1 (13 gallons) pro Minute und bei einem Druckabfall von 0,14 kg/cm (2psi) beträgt. Dabei geht man davon aus, daß beispielsweise in einem Automobilkühler Kühlmittel von dem Motor auf eine Seite der Membran 300 gepumpt werden kann, während Luft durch die andere Seite der Membran gepumpt werden kann. Die einzige Anforderung an den Motor ist die, daß eine Luftpumpe anstelle der bisher verwendeten Gebläse eingesetzt wird.

Da die Filmdicke des Kühlmittels in der Wärmeübertragungsvorrichtung 50 sehr dünn ist, tritt eine hohe Wärmeübertragung auf. Eine Platten-Vorrichtung ergibt eine Oberflächengröße von 10 m , die den heutigen Automobilkühlern entspricht. Eine 400 Platten-Vorrichtung, die erfindungsgemäß eufgebaut ist, hat eine Größe von etwa 35,6 cm χ 10,2 cm χ 25,4 cm (14 inch χ 4 inch χ 10 inch) und ein Volumen von

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etwa 1,9 1 (2 quarts) Flüssigkeit. Es ist daher klar, daß ein erfindungsgemäß aufgebauter Automobilkühler viel kleiner und wirtschaftlicher in der Herstellung sein könnte als die heutigen Kühler.

Die vorliegende Erfindung kann auch beim Gegenstück zu dem vorstehend beschriebenen Automobilkühler, d.h. in einer Heizvorrichtung, angewendet werden. So kann beispielsweise Luft als eine Flüssigkeit (Fluid) verwendet und im Wärmeaustausch mit heißem Wasser hindurchgeblasen werden. Bei diesem Aufbau wird eine einfache Luftpumpe zum Durchblasen von Luft durch die Massenübergangsvorrichtung verwendet, wodurch die Luft erhitzt und anschließend die erhitzte Luft in die gewünschte Fläche eingeführt wird.

Die erfindungsgemäße Massenübergangsvorrichtung 50 kann auch bei der Umkehrosmose verwendet werden, bei der ein hoher Austritts-Widerstand erforderlich ist. Zu diesem Zweck kann die Tiefe der Auslaß-Leitungsverzweigung 220 und 220A und damit des Raumes 290 so eingestellt werden, daß sie gleich oder geringer ist als die Tiefe der Kanäle 310 und dgl. Das Gehäuse besteht aus einem dicken Stahl, welcher den hohen Drucken standhalten kann, die im Innern des Behälters auftreten, und bei dem Membranmaterial handelt es sich um ein anerkanntes Material. Da ein hoher Innendruck auftritt, müssen die Unterlagen 130, 230 sorgfältig eingepaßt werden, um eine Kanalbildung der Flüssigkeit zurück in das Kopfstück zu verhindern. Das bedeutsame Prinzip ist die Anwendbarkeit der vorliegenden Erfindung auf viele Endverwendungszwecke.

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Zusammenfassend kann man sagen, daß die Massenübergangsvorrichtung 50 so aufgebaut ist, daß die Eintritts- und Austrittseffekte minimal gehalten werden, nachdem gefunden worden war, daß diese Bedingungen bei der Bestimmung der Wirksamkeit des Massenübergangs (Massenübertragung) in Kurzweg-Parallelstrom-Vorrichtungen vorherrschen. Die Kombination von Kopfstück und Leitungsverzweigung führt z\J einer gleichmäßigen Flüssigkeitsverteilung zu jeder Platte und entlang jeder Platte sowohl von Plattenende zu Plattenende als auch von Plattenseite zu Plattenseite. Obgleich es sich bei den beschriebenen Membranträgern um Rillen handelt und diese bevorzugt sind, können auch andere geometrische Formen, wie z.B. Pyramiden oder Kegel, verwendet werden, ohne daß dadurch der Rahmen der vorliegenden Erfindung verlassen wird. Da das Kopfstück und die Leitungsverzweigung an beiden Flüssigkeiteseinlässen und an beiden FlUssigkeitsauslässen die gleichen sind, wirkt auf jedes Flüssigkeitsteilchen in der Vorrichtung der gleiche Strömungswiderstand ein, so daß eine gleichmäßige Flüssigkeitsverteilung und eine gleichmäßige Strömung erhalten werden. In diesem Zusammenhang darf darauf hingewiesen werden, daß unter dem hier verwendeten Ausdruck "Flüssigkeit" stets auch "Fluids", d.h. gasförmige Ströme, zu verstehen sind.

Die Erfindung wurde zwar vorstehend unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsformen näher erläutert, es ist jedoch für den Fachmann selbstverständlich, daß sie keineswegs darauf beschränkt ist, sondern daß diese in vielfacher Hinsicht abgeändert und modifiziert werden können, ohne daß dadurch der Rahmen der vorlie-*. den Erfindung verlassen wird.

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Leerseite

Claims

8000 MÜNCHEN 2 18. Juli 1978 Tal 13 Unser. Akte: 3123-1-10.385 Ihr Zeichen ι Clarks Summit, Pa. USA Patentanmeldung Massenübergangs-Vorrichtung Patentansprüche :

1. Parallelstrom-Massenübergangs- Vorrichtung zur Erzielung eines Massenübergangs zwischen einer ersten Flüssigkeit (Fluid) und einer zweiten Flüssigkeit (Fluid), gekennzeichnet durch einen ersten Flüssigkeitseinlaß (61) und einen ersten Flüssigkeitsauslaß (62) sowie einen zweiten Flüssigkeitseinlaß (66) und einen zweiten Flüssigkeitsauslaß (67), eine Vielzahl von Platten (110),die einen Stapel bilden, eine zwischen benachbarten Platten (110) angeordnete und damit cooperierende Membran (300), so daß auf den einander gegenüberliegenden Seiten jeder Membran ein erster Flüssigkeitskanal und ein zweiter Flüssigkeitskanal entstehen, wobei die ersten und zweiten Flüssigkeitseinlässe (61, 62) und die ersten und zweiten Flüssigkeitsauslässe (62, 67) jeweils mit den ersten und zweiten Flüssig--

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ORIGINAL INSPEGTED

keitskanälen verbunden sind, zur Einführung einer Flüssigkeit in diese Kanäle und zum Abzug der Flüssigkeit aus diesen Kanälen in einer Richtung, die coplanar mit jeder der Platten (110) ist, wobei die Membranen (300) einen Massenübergang zwischen einer ersten Flüssigkeit in den ersten Flüssigkeitskanälen und einer zweiten Flüssigkeit in den zweiten Flüssigkeitskanälen ermöglichen, eine Leitungsverzweigung (120), die mit jeder Platte (110) verbunden ist, für die Aufnahme eines ersten Flüssigkeitsstromes aus dem ersten Flüssigkeitseinlaß (61) und die mehrmalige Aufteilung des Einlaßstromes in jeweils nur zwei identische Ströme zur Erzielung einer geraden Anzahl von Strömen, die einen gleichmäßigen und einheitlichen Abstand voneinander über der Platte (110) haben, wodurch der erste Flüssigkeitsstrom transversal über die damit verbundene Platte (110) an einem Ende des ersten Flüssigkeitskanals verteilt wird, eine Le itungsver zweigung (120A), die Mt jeder Platte (110) verbunden ist, zum Transport der Flüssigkeit in den ersten Flüssigkeitsauslaß (62) durch gleichmäßiges und einheitliches Sammeln der ersten Flüssigkeit transversal über der damit verbundenen Platte (110) von dem anderen Ende des ersten Flüssigkeitskanals, eine Leitungsverzweigung (220), die mit jeder Platte (110) verbunden ist, zur Aufnahme eines zweiten Flüssigkeitsstromes aus

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dem zweiten Flüssigkeitseinlaß (66) und zur mehrmaligen Aufteilung des zweiten Einlaßstromes in jeweils nur zwei identische Ströme zur Erzielung einer geraden Anzahl von Strömen, die einen gleichmäßigen und einheitlichen Abstand über der Platte (110) voneinander haben, wodurch der zweite Flüssigkeitsstrom transversal über der damit verbundenen Platte (110) an einem Ende des zweiten Fltissigkeitskanals verteilt wird, und eine Leitungsverzweigung (220A),die mit jeder Platte (110) verbunden ist, zum Transport der Flüssigkeit in den zweiten Flüssigkeitsauslaß (67) durch gleichmäßiges und einheitliches Sammeln der zweiten Flüssigkeit transversal über der damit verbundenen Platte (110) von dem anderen Ende des zweiten Flüssigkeitskanals, wobei jede Leitungsverzweigung eine identische gerade Anzahl von Zweigleitungen aufweist, um einen im wesentlichen identischen Strömungswiderstand in allen entsprechenden Zweigleitungen zu erzielen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Platte (110) in dem mit der ersten Flüssigkeit oder mit der zweiten Flüssigkeit in Kontakt kommenden Bereich nicht perforiert ist.

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3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Flüssigkeitseinlaß (61) und der erste Flüssigkeitsauslaß (62) und der zweite Flüssigkeitseinlaß (66) und der zweite Flüssigkeitsauslaß (67) mit den Flüssigkeitskanälen an den Endkanten jeder Membran (300) und jeder Platte (HO) in Flüssigkeitsverbindung stehen.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie außerdem aufweist ein Kopfstück (60), welches den ersten Flüssigkeitseinlaß (61) und ein Ende der ersten Flüssigkeitskanäle miteinander verbindet, zur Verteilung der ersten Flüssigkeit aus dem ersten Flüssigkeitseinlaß (61) in einer Richtung senkrecht zu der Ebene der Platten (110) und über eine Fläche, welche die gleiche Ausdehnung hat wie der Stapel der Platten (110),in gleichmäßiger Weise in jeden der ersten Flüssigkeitskanäle, ein Kopfstück, welches den ersten Flüssigkeitsauslaß (61), und das andere Ende der ersten Flüssigkeitskanäle miteinander verbindet, zum Sammeln der ersten Flüssigkeit aus den ersten Flüssigkeitskanälen, ein Kopfstück (60A), welches den zweiten Flüssigkeitseinlaß (66) mit einem Ende der zweiten Flüssigkeitskanäle verbindet, zum gleichmäßigen Verteilen der zweiten Flüssigkeit aus dem zweiten Flüssigkeitseinlaß (66) in jeden der zweiten Flüssigkeitskanäle und ein Kopfstück, welches den zweiten Flüssigkeitsauslaß (67) mit

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dem anderen Ende der zweiten Flüssigkeitskanäle verbindet, zum Sammeln der zweiten Flüssigkeit aus den zweiten Flüssigkeitskanälen, wobei jedes der Kopfstücke (60, 60A) eine gerade Anzahl von Zweigleitungen enthält, um den Flüssigkeitseinlaßstrom, der von dem Kopfstück (60) aufgenommen wird, mehrfach aufzuteilen in jeweils nur 2 identische Ströme oder um mehrfach jeweils nur 2 der von dem Stapel aufgenommenen Flüssigkeitsströme miteinander zu kombinieren zu einem Flüssigkeitsauslaßstrom, wobei jedes der Kopfstücke Flüssigkeit einführt oder Flüssigkeit aufnimmt aus den Endkanten des Stapels der Platten (HO) und den Membranen (300), um die Flüssigkeit zu verteilen und zu sammeln, ohne die Platten (110) oder Membranen (300) zu durchbohren.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Flüssigkeitskanäle in beiden Oberflächen jeder Platte (HO) in dem Stapel Rillen darstellen.

6. Parallelstrom-Dialysator zur Erzielung eines Massenübergangs zwischen menschlichem Blut und einer Dialysatlösung, gekennzeichnet durch einen Bluteinlaß und einen Blutauslaß und einen Dialysateinlaß und einen Dialysatauslaß, eine Vielzahl von Platten

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(110), die einen Stapel bilden, eine zwischen benachbarten Platten (110) angeordnete und damit cooperierende semipermeable Membran (300), so daß jeweils auf den einander gegenüberliegenden Seiten jeder Membran (300) ein Blutkanal und ein Dialysatkanal entstehen, wobei die semipermeablen Membranen (300) den Übergang von Verunreinigungen in dem Blut in das Dialysat ermöglichen, ein Kopfstück, welches den Bluteinlaß und ein Ende der Blutkanäle miteinander verbindet, zur gleichmäßigen Verteilung von Blut in einer Richtung senkrecht zu den Ebenen der Platten (110) und über eine Fläche, welche die gleiche Ausdehnung hat wie das Ende des Stapels aus den Platten (110), aus dem Einlaß in jeden der Blutkanäle durch mehrfache Aufteilung des Blutes aus dem Einlaß in jeweils nur 2 identische Ströme unter Bildung einer geraden Anzahl von identischen und getrennten kleineren Strömen, die jeweils einen praktisch identischen Strömungswiderstand in ihren entsprechenden Teilen aufweisen, eine Leitungsverzweigung in jedem Blutkanal für die Aufnahme von Blut aus dem Kopfstück und die mehrfache Aufteilung des Blutes in jeweils 2 identische Ströme unter Bildung einer geraden Anzahl von Strömen, die jeweils einen praktisch identischen Strömungswiderstand in ihren entsprechenden Teilen aufweisen,

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die transversal zu der Platte (110) über ihre Breite verteilt sind, ein Kopfstück, welches den Blutauslaß und das andere Ende der Blutkanäle miteinander verbindet, zum Sammeln von Blut aus jedem der Blutkanäle in einer Richtung senkrecht zu den Ebenen der Platten (110) und von einer Fläche, welche die gleiche Ausdehnung hat wie das Ende des Stapels der Platten (HO), unter Aufrechterhaltung eines gleichmäßigen Strömungswiderständes innerhalb der Blutkanäle, ein Kopfstück, welches den Dialysateinlaß und ein Ende der Dialysatkanäle miteinander verbindet, zur gleichmäßigen Verteilung des Dialysats in einer Richtung senkrecht zu den Ebenen der Platten (110) und über eine Fläche, welche die gleiche Ausdehnung hat wie das Ende des Stapels der Platten (HO), von dem Einlaß in jeden der Dialysatkanäle durch mehrmaliges Aufteilen des Dialysats aus dem Einlaß in jeweils nur zwei identische Ströme unter Bildung einer geraden Anzahl von kleineren Strömen, die jeweils einen praktisch identischen Strömungswiderstand in ihren entsprechenden Teilen aufweisen, eine Leitungsverzweigung in jedem Dialysatkanal für die Aufnahme des Dialysats aus dem Kopfstück und für die mehrfache Aufteilung des Dialysats in jeweils 2 identische Ströme unter Bildung einer geraden Anzahl von Strömen, die jeweils einen praktisch identischen Strömungswiderstand in ihren entsprechenden Teilen

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aufweisen, die transversal zu der Platte über ihre Breite verteilt sind, ein Kopfstück, welches den Dialysatauslaß und das andere Ende der Dialysatkanäle in einer Richtung senkrecht zu den Ebenen der Platten (110) verbindet und aus einer Fläche, welche die gleiche Ausdehnung hat wie das Ende des Stapels der Platten (110) zum Sammeln des Dialysats aus jedem der Dialysatkanäle unter Aufrechterhaltung eines gleichmäßigen Strömungswider Standes in den Dialysatkanälen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Stapel in der ebenen Draufsicht rechteckig ist und daß der Flüssigkeitseinlaß und der Flüssigkeitsauslaß an den Endkanten des Stapels angeordnet sind.

8. Nicht-perforierte Platte für die Verwendung in einer ParalIeIstrom-Vorrichtung zur Erzielung eines Massenübergangs zwischen einer ersten Flüssigkeit und einer zweiten Flüssigkeit, gekennzeichnet durch ein flaches Element mit einander gegenüberliegenden Oberflächen, wobei jede Oberfläche einen kontinuierlichen Flüssigkeitsströmungsweg von einem Ende zu dem anderen Ende desselben für eine Flüssigkeit ergibt, die an dem einen Ende in den Strömungsweg eintritt und aus dem anderen Ende desselben austritt, wobei jeder der Flüssigkeitsströmungswege an dem einen Ende eine Einlaß-Leitungsverzweigung und an dem anderen Ende eine Auslaß-Leitungsverzweigung

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aufweist, wobei die Einlaß-Leitungsverzweigungen die parallel zu den Plattenseitenkanten strömende Flüssigkeit aufnehme* und die Flüssigkeit transversal zu der Platte im wes^ntliehen von einer Seitenkante zu der anderen Seiten-kante verteilen durch mehrfache Unterteilung eines Stromes in jeweils 2 identische Ströme, um dadurch die aufgenommene Flüssigkeit in eine gerade Anzahl von kleineren getrennten Strömen aufzuteilen, die jeweils einen praktisch identischen Strömungswiderstand in ihren entsprechenden Teilen aufweisen, wobei die Auslaß-Verzweigungsleitungen die parallel zu den Plattenseitenkanten strömende Flüssigkeit von praktisch einer Seitenkante zu der anderen Seitenkante sammeln durch mehrfache Vereinigung von jeweils 2 identischen Strömen zu einem Strom, wobei jeder der FlüssigkeitsStrömungswege eine Vielzahl von länglichen Rillen aufweist, die Membranträger bilden zwischen den miteinander verbundenen Einlaß- und Auslaß-Leitungsverzweigungen.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Leitungsverzweigungen einen Raum (ein Plenum) aufweist, der sich im wesentlichen über die Platte erstreckt von fast der einen Seitenkante bis fast zu der anderen Seitenkante.

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10, Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Membranträger im Abstand voneinander angeordnete, Flüssigkeitskanäle bildende Rillen darstellen.

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