DE3513924A1

DE3513924A1 - Waermeaustauscher

Info

Publication number: DE3513924A1
Application number: DE19853513924
Authority: DE
Inventors: Rolf Arne Hudson Ohio Oscarsson
Original assignee: Norton Co
Current assignee: Saint Gobain Abrasives Inc
Priority date: 1984-04-18
Filing date: 1985-04-17
Publication date: 1985-10-24
Also published as: GB2157820A; FR2563110A1; US4585056A; BR8501755A; GB8509588D0; GB2157820B; JPS60225575A

Description

^ D-8000 MÜNCHEN 90

Norton Co. schweigerstrasse 2

1. /5-59 132 telefon: (089) 6620 ji

telegramm: protectpatent

Telex: 524070

telefax: via (089) 271 6063 (111)

Beschreibung Wärmeaustauscher

Die Erfindung betrifft einen Wärmeaustauscher für die Regelung der Bluttemperatur innerhalb eines extrakorporalen Kreislaufs, wie in einer Vorrichtung zur Sättigung des Bluts mit Sauerstoff (Oxigenator).

In der Herzchirurgie wird häufig ein extrakorporaler Herz/ Lungen-Kreislauf erforderlich, um die Funktion des Herzens und der Lungen während der Operation aufrecht zu erhalten. In diesem Kreislauf wird das Blut umgepumpt und mit Sauerstoff gesättigt, wie dies normalerweise von Herz und Lungen geschieht.

Die Hauptbestandteile eines solchen extrakorporalen Kreislaufs ist daher eine Pumpe, um das Blut durch diesen Kreislauf wieder in den menschlichen Körper zu leiten^ und ein Oxigenator, der dem Blut Sauerstoff zuführt und Kohlendioxid entfernt. In großem Umfang wird die Sauerstoffssättigung des Blutes dadurch erreicht, daß ein sauerstoffreiches Gas in kleinen Blasen mit dem Blut so gemischt wird, daß das Blut den Sauerstoff aufzunehmen vermag. Obwohl bereits die verschiedensten Typen von "Blasen-Oxigenatoren" entwickelt worden sind, weisen sie alle einen Teil für die Sauerstoff-Sättigung, einen Teil für das Entschäumen des Bluts und einen arteriellen Vorrat auf.

Λ-

Sauerstoff und andere Gase werden in den Sauerstoffsättigungsteil über feine Rohre oder einen porösen Körper eingeleitet. Dadurch bilden sich kleine Blasen, die sich im Blut verteilen. Durch Mischen des Gases und Blutes wird Sauerstoff von letzterem aufgenommen und Kohlendioxid ausgetrieben. Bei den meisten derartigen Anlagen wird der Hauptteil der Sauerstoff-Sättigung in diesem Bauteil erfolgen. Bei einigen Ausführungsformen, derartiger Anlagen bleibt dem Blut jedoch innerhalb des Sauerstoff-Sättigungsteils nur eine geringe Verweilzeit, so daß die Sauerstoff-Sättigung noch in dem sich anschließenden Entschaumungsteil stattfindet.

Beim Durchperlen von Sauerstoff durch Blut in einem Blasen-Oxigenator kommt es zwangsläufig- in gewissem Umfang zum Schäumen. Dieser Schaum und mitgerissene Gasblasen müssen von dem Blut entfernt werden, bevor dieses wieder in den Körper eingeleitet wird, da sonst die Gasblasen zu einer Embolie führen können. Das Entschäumen wird im allgemeinen dadurch erreicht, daß man das Blut über ein Material mit großer Oberfläche leitet, welches mit einem Entschäumungsmittel behandelt ist.

Dann gelangt das Blut in den arteriellen Vorratsbehälter. Dieser stellt einen Bereich zur Verfügung, wo sich das entschäumte Blut vor dem Wiedereinleiten in den Körper sammeln kann. Dieser Vorrat dient auch als Sicherheit zur Verhinderung einer unbeabsichtigten Luftzufuhr in die Blutleitungen. Sollte die Blutzufuhr zu dem Oxigenator unbeabsichtigt unterbrochen werden, muß das Vorratsgefäß ausreichend Blut enthalten, damit die Blutableitung gestoppt werden kann, bevor in die arterielle Leitung Luft eintreten kann.

Während der Operation, wenn das Blut durch den extrakorporalen Kreislauf strömt, kann die Möglichkeit einer Temperatureinstellung des Bluts kritisch sein. Wie erwartet, kühlt sich

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Blut nach Austritt aus dem Körper in einer gewissen Zeit auf Raumtemperatur ab. Dieses Abkühlen des Bluts kann wünschenswert sein in einem bestimmten Fall bei der Operation; jedoch muß selbstverständlich nach Beendigung der Operation das Blut auf normale Bluttemperatur erwärmt werden können, um den Patienten wieder auf normale Temperatur zu bringen.

In der Herzchirurgie ist eine Unterkühlung allgemein üblich. Die Herabsetzung der Körpertemperatur verringert deutlich den Sauerstoffbedarf der lebenswichtigen Organe. Aus der Literatur ergibt sich, daß der Sauerstoffbedarf eines Patienten bei 30⁰C auf etwa die Hälfte, bei 25°C auf ein Drittel und bei 20⁰C auf ein Fünftel herabgesetzt ist. Unterkühlung ist besonders zweckmäßig zum Schutz von Organen wie Niere, Herz, Gehirn und Leber, die einen hohen Sauerstoffbedarf aufweisen und in hohem Umfang durchblutet sein müssen. Geringe (37 - 32°C), mäßige (32 - 28°C), beträchtliche (28 - 18°C) und tiefe (18 - 0⁰C) Unterkühlung wurden

bereits angewandt. Es wurde festgestellt, daß mäßige Unterkühlung im allgemeinen für übliche Operationen am offenen Herzen ausreicht. Beträchtliche und tiefe Unterkühlung wird manchmal befürwortet, insbesondere bei der Behebung angeborener Defekte von Säuglingen und Kleinkindern.

Einer der primären Faktoren bei dem Einsatz von Unterkühlung ist die Zeit, die für die Abkühlung und Wiederaufwärmung des Blutes benötigt wird. Die Zeiten, die für die Änderung der Bluttemperatur benötigt werden, verlängern die Operationszelt. Erfolgt die Temperaturänderung in kurzer Zeit, steht mehr Zeit für die Arbeit am offenen Herzen zur Verfügung und die Gesamtzeit für die Operation wird herabgesetzt. Es ist klar, daß eine Herabsetzung dieser Zeiten das gesamte Trauma des Patienten verringert, daher muß der Wärmeaustauscher für die Änderung der Bluttemperatur so wirksam als irgend möglich sein.

Die Einstellung der Bluttemperatur bei einem extrakorporalen

Kreislauf kann kritisch werden, insbesondere im Falle einer Unterkühlung. Es wurden schon die verschiedensten Wärmeaustauscher zur Einstellung der Bluttemperatur in der Herzchirurgie erprobt. Viele bekannte Wärmeaustauscher werden in dem extrakorporalen Kreislauf zusätzlich zu dem Oxigenator vorgesehen und nicht so sehr innerhalb des Oxigenators selbst, mit anderen Worten, der Wärmeaustauscher ist ein weiteres wesentliches Element des Kreislaufs. Dieser umfaßt dann den Pumpmechanismus, den Oxigenator und den Wärmeaustauscher. Der Wärmeaustauscher kann die verschiedensten Formen besitzen, wie Rohrwicklungen oder Platten, durch die das Austauschermedium zirkuliert. Dieses kann Leitungswasser sein, wie es im Operationsraum allgemein verfügbar ist.

Wärmeaustauscher und Oxigenator können sich auf einer einzigen Aufhängung, beispielsweise einem Kunststoff-Formkörper befinden. Das Design des Oxigenators und des Wärmeaustauschers bleibt im wesentlichen das gleiche. Das Blut durchströmt zuerst den Oxigenator und nach vollständiger Sauerstoff-Sättigung den Wärmeaustauscher. Werden diese beiden Bauteile in einer einzigen Tragkonstruktion untergebracht, lassen sich einige übliche Probleme eliminieren. Verschiedene Rohrstücke können vermieden werden und Oxigenator und Wärmeaustauscher werden so gelagert, daß das Blut leicht strömen kam, dre inner die Stelling der Teile des Kreislaufs im Auge zu haben.

Neuere Entwicklungen gingen dahin, Wärmeaustauscher und Oxigenator zu einer Einheit zusammenzufassen. Bei dieser wird im allgemeinen zuerst das Blut mit dem Sauerstoff in dem Oxigenatorteil gesättigt und durchströmt dann den Wärmeaustauscherteil, danach würde es in die Entschäumung gelangen und schließlich in das arterielle Vorratsgefäß zur neuerlichen Einleitung in den Körper. Bei derartigen Anlagen sind

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also die Funktionen des Wärmeaustauschs und der Sauerstoff-Sättigung zusammengefaßt. Aber auch bei dieser Konstruktion hat der Wärmeaustauscher, selbst wenn er sich innerhalb des Oxigenators befindet den bisher üblichen Typus.

Beispiele für Oxigenator/Wärmeaustauscher-Einheiten sind solche nach Harvey und Shiley. Der Harvey-Oxigenator weist ein hartes Gehäuse um einen konzentrischen Blasen-Oxigenator auf (US-A-37 68 977). Der Oxigenator ist auf einem Montagearm aufgehängt, und zwar oben und unten. Venöser Rückstrom und Herzschnitt-Drainage , sowie Gas strömen dem Boden des Oxigenators zu. Zur Sauerstoffverteilung dient eine Sinterplatte, die Blasen unterschiedlicher Größe erzeugt. Das mit Sauerstoff gesättigte Blut strömt nach oben durch eine Reihe von parallelen, vertikalen Rohren. Ein integraler Wärmeaustauscher umgibt die Rohre und steht in Berührung mit dem Blutweg währmd der Sauerstoff-Sättigung und Entschäumung,voiansih das arterielle Vorratsgefäß anschließt.

Bei dem Shiley-Oxigenator werden die gleichen Grundbauteile verwendet, jedoch ein unterschiedlicher Wärmeaustauscher (US-A-40 65 264). Bei dieser Art von Wärmeaustauscher strömt das austauschende Medium durch eine Rohrwicklung oder-schlange. Das Blut erreicht die Wicklung oder Schlange - wie bei der Vorrichtung nach Harvey - nach Sauerstoff-Sättigung und vor dem Entschäumen. An der Außenseite der Wicklung oder Schlange des Wärmeaustauschers nach Shiley befindet sich eine ununterbrochene hohle schraubenartige Leiste. Sie dient zur Verbesserung der Effizienz des Wärmeaustauschs durch Vergrößerung der Verweilzeit des Bluts auf seinem Weg durch den Wärmeaustauscher.

Es sind noch einige Abwandlungen der Wärmeaustauscher nach Shiley oder Harvey bekannt, beispielsweise Doppelschlangen in Abwandlung obigen Wärmeaustauschers nach Shiley und eine ganze Anzahl von unterschiedlichen Konfigurationen des

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Wärmeaustauschers nach Harvey, einschließlich einer Reihe paralleler Rohre in Längstrichtung des Oxigenators. Für einen entsprechenden Wärmeaustausch wiesen ältere Ausführungsformen gekrümmte Blutströmungen auf mit der Absicht,die Verweilzeit des Blutes im Wärmeaustauscher zu vergößern und den Grenzflächeneffekt herabzusetzen. Keine dieser bekannten Vorrichtungen erlaubt jedocheinen entsprechenden Wärmeaustausch ohne ungebührliche Vergrößerung der Oberfläche, die dem Blut ausgesetzt ist, die ihrerseits das Risiko der Blutschädigung einschließlich Hämolyse erhöht.

Pierre M. Galletti in "Heart-Lung Bypass" gibt mehere Kriterien für einen annehmbaren Wärmeaustauscher an,nämlich:

1. Der Werkstoff des Wärmeaustauschers sollte nicht-toxisch sein. Selbstverständlich kann ein Werkstoff, der Substanzen an das Blut abgibt^nicht akzeptiert werden. Daher bestanden viele der bekannten Wärmeaustauscher aus korrosionsbeständigem Stahl. Obwohl er im wesentlichen nicht-toxisch ist, so ist er speziell mit Blut nicht kompatibel.

2. Der Wärmeaustauscher sollte entweder leicht zu reinigen oder als Einwegelement ausgelegt sein. Wärmeaustauscher mit komplizierten Strömungswegen, z.B. mit komplexer Wicklungskonfiguration, sind außerordentlich schwierig zu reinigen.

3. Es darf keine innere Lekage auftreten. Wenn Wasser oder ein anderes Wärmeaustauschermedium in Blut einzudringen vermag, so kann dies für den Patienten katastrophal werden.

4. Der Wärmeaustauscher sollte den Strömungswiderstand des Blutes nicht nennenswert erhöhen. Wie leicht verständlich führen die bekannten Wärmeaustauscher mit verschlungenen Strömungspfaden zu einem beträchtlichen Anstieg des Strömungswiderstands .

5. Der Wärmeaustauscher sollte das Blut nur minimal beeinflussen. Je stärker gekrümmt der Strömungspfad und die Rohre werden ,um so höher wird die Möglichkeit einer Blutschädigung.

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Zusätzlich dazu führt eine Berührung des Bluts mit korrosionsbeständigem Stahl zu einer weitergehenden Beeinträchtigung des Bluts als die mehr biokompatiblen Flächen von Kunststoffen.

6. Der Wärmeaustauscher muß wirksam arbeiten, d.h. maximaler Wärmeaustausch bei minimaler dem Blut ausgesetzter Fläche und minimalem Blutvolumen füi die Füllung der Oxigenator/ Wärmeaustauscher-Einheit.

7. Schließlich muß der Wärmeaustauscher einen vernünftigen Preis haben.

Keiner der bekannten Wärmeaustauscher erfüllt die von Galletti aufgestellten Forderungen.

Es bestand daher ein dringender Bedarf nach einem Wärmeaustauscher zur Anwendung in Verbindung mit einem Blasen-Oxigenator, der weitergehend die Forderungen von Galletti erfüllt. Insbesondere bestand ein Bedarf nach einem Wärmeaustauscher, bei dem keine gekrümmten Strömungspfade erforderlich sind und in dem das Blut nur biokompatiblen Flächen ausgesetzt wird. Aufgabe der Erfindung ist weiter ein Wärmeaustauscher einfacher Konstruktion, sicheren Betriebes und geringer Herstellungskosten, der sich in einen genormten BIasen-Oxigenator integrieren läßt.

Der derzeit bevorzugte Wärmeaustauscher hat eine im allgemeinen zylindrische Form/ sein Kern ist vollständig eingeschlossen mit Ausnahme von zwei Anschlüßen, nämlich oben
für die Einführung eines Austauschermediums und für dessen Ableitung aus dem Kern des Wärmeaustauschers. Das Austauschermedium fließt in den Kern und wird durch ein inneres Rohr
zum Boden des Kerns befördert und fließt dann aufwärts um
die Außenwände des Austauscherkerns un zu erwärmen bzw. abzukühlen. Schließlich verläßt das Austauschermedium den Kern des Wärmeaustauschers über dessen obere Ableitung.

-Jo-

Der erfindungsgemäße Wärmeaustauscher kann getrennt von .oder in. einem üblichen Blasen-Oxigenator zur Anwendung gelangen. In letzterem Fall wird er zwischen dem Sauerstoff-Sättigungsteil und dem Entschäumungsteil vorgesehen.

Die Geometrie der Austauschfläche des erfindungsgemäßen Wärmeaustauschers bietet dem Blut eine sehr viel geringere Gesamtoberfläche als bei den bekannten Wärmeaustauschern, insbesondere solchen mit Heiz- oder Kühlschlangen. Der Wärmeübergang ist bei einfacher Konstruktion und Bauweise bemerkenswert hoch. Der Wärmeaustauscherkern minimiert die nachteilige Beeinflussung des Bluts, da dieses direkt aufwärts entlang der glatten Außenwände des Wärmeaustauscherkerns strömt. Die Austauscherfläche wird nicht durch Unregelmäßigkeiten unterbrochen, welche die Herstellungskosten erhöhen würden und die nachteilige Beeinflussung der Blutzellen begünstigen könnten. Gegebenenfalls kann man den Wärmeaustauscherkern in ein Kunststoffgefäß einfügen, welches durch seine Konfiguration den Grenzschichteffekt in strömendem· Blut stört und das Blut in direkten Kontakt mit der glatten Fläche des Wärmeaustauscherkerns bringt.

Der erfindungsgemäße Wärmeaustauscher, der eine beachtliche Verbesserung gegeüber bekannten Wärmeaustauschern im Hinblick auf die Forderungen von Galletti bringt, wird in Verbindung mit einem Blasen-Oxigenator bzw. innerhalb dieses angewandt. Der erfindungsgemäße Wärmeaustauscher zeichnet sich durch hohe Austauscherkapazität und gleichzeitig geringer Fläche, die dem Blut ausgesetzt ist,aus und benötigt darüberhinaus für die Füllung nur ein geringes Blutvolumen. Mit dem erfindungsgemäßen Wärmeaustauscher läßt sich das Blut schnell kühlen oder wieder aufwärmen, so daß die für die Operation benötigte Gesamtzeit herabgesetzt werden kann. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Wärmeaustauschers ist die

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-Jf-

außerordentlich geringe Beeinflussung des Bluts und darüber hinaus die einfache Konstruktion und Betriebsweise.

Der erfindungsgemäße Wärmeaustauscher wir anhand der beiliegenden Figuren weiter erläutert. In diesen zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht des Wärmeaustauscherkerns, herausgezogen aus einem Blasen-Oxigenator;

Fig. 2 einen Längsschnitt durch die derzeit bevorzugte Ausführungsform des Wärmeaustauscherkerns nach der Erfindung;

Fig. 3 einen Längsschnitt durch einen Blasen-Oxigenator mit eingesetztem Wärmeaustauscher nach der Erfindung;

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht - teilweise weggebrochen einer Ausführungsform eines Wärmeaustauschergehäuses;

Fig. 5 einen Querschnitt entlang 5-5 aus Fig.4;

Fig. 6 ist ein Diagramm.in welchem die Zeit zur Abkühlung eines Flüssigkeitsvolumens von 38°C auf etwa 28°C graphisch dargestellt ist.

Der Wärmeaustauscherkern 10 (Fig.2) ist im allgemeinen zylindrisch (Fig.!) und besteht aus Außenwänden 12 mit Boden 14, welche eine relativ dünne Aluminiumschicht besitzen. Diese Aluminiumstruktur läßt sich dann mit einer dünnen Lage eines biokompatiblen Materials überziehen. Dazu eignen sich alle Arten von biok^mpatiblen Materialien wie Polyurethane. Bei der hier gezeigten Ausführungsform soll die Beschichtung aus Polytetrafluorethylen bestehen, das bedeutet, daß die Außenflächendes Wärmeaustauscherkerns 10 gut geeignet sind für die Berührung mit Blut innerhalb eines Blasen-Oxigenators.

Der Wärmeaustauscherkern 10 hat einen Deckel 16, der Teil des Wärmeaustauscherkerns 10 sein kann oder abnehmbar und

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wiederverwendbar ist. In jedem Fall ist die Funktion des Deckels 16 der Abschluß des Wärmeaustauscherkerns, der die zum Betrieb des Wärmeaustauschers benötigten Anschlüsse aufweist.

Bei der derzeit bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmeaustauschers, wie sie in Fig. 3 gezeigt ist, befinden sich auf dem Deckel 16 zwei Anschlüsse zur Einführung des Wärmeaustauschmediums 18 und zu dessen Ableitung 20, Beide Abschlüsse können genormt sein und für die angestrebte Verbindung den gewünschten Durchmesser besitzen.

Innerhalb des Wärmeaustauschers befindet sich ein Rohr 22, welches oben mit einem Trichter 24 in Verbindung steht, in welchen die Zuleitung 18 mündet. Das untere Ende 26 des Rohrs 22 ist im Bereich des Bodens 14 offen. Das über die Zuleitung 18 eingespeiste Wärmeaustauschermedium wird über das Rohr 22 zum Boden des Wärmaaustauscherkerns 10 geführt.

Innerhalb des Wärmeaustauscherkerns 10 befindet sich ein Stopfen 28, der den Mittelteil des Wärmeaustauschers einnimmt, jedoch einen Raum frei läßt, damit das Wärmeaustauschermedium um den Stopfen 28 an den Außenwänden 12 entlang strömen kann. Zur Aufrechterhaltung der Oberflächentemperatur der Wände 12 und des Bodens 14 wird ein geringes Volumen an Wärmeaustauschermedium benötigt.

An die Zuleitung 18 wird ein Schlauch für Wasser oder ein anderes Wärmeaustauschermedium gewünschter Temperatur angeschlossen. Dieses fließt im Wärmeaustauscher durch das Rohr 22 nach unten und am Boden 14 entlang zu den Außenwänden 12, wo es im Zwischenraum 27 zwischen Stopfen 28 und Außenwand hochsteigt, also erfolgt dadurch der gewünschte Wärmeübergang auf dJ2 oder von der Außenfläche des Wärmeaustauscherkerns.

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Das Wärmeaustauschermedium sammelt sich oberhalb des Stopfens in einem Vorratsraum 30 und verläßt den Wärmeaustauscher über die Ableitung 20.

Der Wärmeaustauscherkern 10 ist eine außerordentlich einfache Konstruktion. Es werden keine Rohrschlangen oder -windungen benötigt oder auf andere Weise aufwendige Strukturen. Folglich ist der erfindungsgemäße Wärmeaustauscher in der Herstellung einfach und billig, so daß er leicht ersetzt werden kann. Durch die einfache zylindrische Konstruktion läßt sich der Wärmeaustauscherkern auch,wenn nötig.sterilisieren. Er erfüllt alle Forderungen an einen Wärmeaustauscher hinsichtlich Reinigungsfähigkeit und Sterilisierbarkeit bzw. der Austauschmöglichkeit.

Diese außerordentlich einfache Konstruktion des Kerns 10 des erfindungsgemäßen Wärmeaustauschers ist auch sehr sicher im Betrieb. Es gibt keine komplizierten Anschlußstellen oder Verbindungen, die - wie bei den bekannten Wärmeaustauschern zu einer Lekage führen können. Die einzige Verbindung 31 innerhalb des Kerns des Wärmeaustauschers besteht zwischen der Außenwand 12 und dem Deckel 16, die flüssigkeitsdicht sein muß und leicht auf Dichtigkeit geprüft werden kann. Strukturelle Integretät und keine Lekage sind also bei dem erfindungsgemäßen Wärmeaustauscher gewährleistet.

Der Wärmeaustauscherkern 10 wird eingesetzt in eine Hülse 52, die ein getrennter Behälter sein kann oder^wie in der dargestellten Ausführungsform_/Teil eines Blasen-Oxigenators ist. Ein Beispiel für so einen Blasen-Oxigenator kann der ÜSSN 541 988 vom 14.10.83 entnommen werden.

In der Fig. 3 ist nun gezeigt wie ein erfindungsgemäßer Wärmeaustauscher innerhalb eines Blasen-Oxigenators 50 untergebracht sein kann. Der Wärmeaustauscherkern 10 befindet sich in der Hülse 52, so daß zwischen dieser und dem Entschäumerteil 54 sich ein Raum bildet, in dessen unteren

Teil sich eine Verteilerplatte 56 zur Einführung von Sauerstoff in das Blut befindet.

Der durch die Verteilerplatte 56 tretende Sauerstoff mischt sich mit dem Blut unterhalb des Bodens des Wärmeaustauscherkerns 10. Das mit Sauerstoff gesättigte Blut steigt über den zwischen den Wänden 12 und der Hülse 52 gebildeten Raum auf; dieser Raum 13 ist sehr eng bemessen und zwar im Hinblick auf die Strömungsgeschwindigkeit des Bluts durch den Wärmeaustauscher. Bei der gezeigten Ausführungsform hat der Raum 13 eine Breite von 3,05 bis 1,02 mm. Während das Blut durch den Raum 13 an den Wänden 12 des Wärmeaustauscherkerns aufsteigt, kann der Wärmeaustausch stattfinden.

Aus der Fig. 3 ergibt sich, daß das für die Füllung des Oxigenators 50 benötigte Blutvolumen aufgrund des erfindungsgemäßen Wärmeaustauschers sehr beträchtlich gesenkt werden konnte. Der größte Teil des Volumens innerhalb der Hülse 52 über der Verteilerplatte 56 wird vom Wärmeaustauscherkern 10 eingenommen. Dies steht im Gegensatz zu den bekannten Konstruktionen, bei denen Rohrwicklungen oder Rohrschlangen vorliegen, die ein sehr viel geringeres Volumen einnehmen, so daß das Differenzvolumen des Blutes beträchtlich größer sein muß. So beträgt beispielsweise das für die Oxigenator-Füllung benötigte Blutvolumen für übliche Schlangen- oder Rohraustauscher 335 bzw. 289 cm³, während für den erfindungsgemäßen Wärmeaustauscher nur etwa 27 cm³ benötigt werden. Oben wurde bereits die Bedeutung eines minimalen Blutvolumens für die Füllung des Oxigenators bei der Herz-Lungen-Maschine diskutiert.

Ein weiterer besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Wärmeaustauschers ist die gerade und ungehinderte Blutströmung an den Wänden 12 während die bekannten Oxigenatoren mit

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Schlangenkühlern ausgerüstet einen mehrfach gewundenen oder umgelenkten Blutstrom ergaben. Zusätzliche Umlenkungen in der Blutströmung erfolgten bei bekannten Wärmeaustauschern, indem an den Außenwänden der Kühlschlangen Rippen oder andere Unebenheiten vorgesehen wurden. Dies geschah insbesondere zur Verringerung der Grenzflächeneffekts durch Brechen der Strömung _f jedoch erforderte dies zusätzliche Herstellungskosten für den Wärmeaustauscher.

In Fig. 4 ist nun eine andere bevorzugte Ausgestaltungsform perspektivisch und in Fig. 5 im Querschnitt gezeigt. Der Mantel 58 kann ein integraler Teil des Blasen-Oxigenators 50 sein oder ein selbständiges Bauteil aus Polycarbonat oder einem anderen formbaren Material. Bei der gezeigten Ausführungsform weist das Innere des Mantels 58 integral angeformte Leitelemente 60 beliebiger Konfiguration auf, die an die Innenfläche des Mantels 58 vorzugsweise angeformt sind. Die Leitelemente 60 sind in der dargestellten Ausführungsform im wesentlichen schneckenförmig, was das Ausformen des Mantels erleichtert. Diese Leitelemente lassen sich auf dem billigen Kunststoffmantel sehr viel leichter vorsehen als bei bekannten aufwendigen metallischen Wärmeaustauscherkernen und letztlich können beliebig ausgestaltete Leitelemente vorhanden sein vorausgesetzt, daß sie zu einer turbulenten Strömung führen.

Die Funktion der Leitelemente 60 geht dahin, die Tendenz zur Bildung einer flüssigen Grenzschicht entweder an der Innenfläche 64 des Mantels 58 oder auf der Außenwand 12 des Wärmeaustauscherkerns 10 herabzusetzen und turbulente Strömung zu begünstigen.

Befinden sich die Leitelemente 60 an der Innenfläche 64 des Mantels 58, so kommt es zu einem besonders wirksamen Wärmeaustausch. Die Leitelemente stören die Flüssigkeitsströmung_/

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rufen Turbulenz hervor und zerreißen damit sich bildende Grenzschichten. Dies steigert den Wärmeübergang zwischen Wärmeaustauscherkern 10 auf das Blut bzw. andere in der Anlage strömenden Flüssigkeiten.

Wie im folgenden noch näher ausgeführt werden soll, ist der erfindungsgemäße Wärmeaustauscher auch ohne Leitelemente außerordentlich wirksam, so daß diese nur den Wärmeübergang bzw. den Wärmeübergangskoeffizienten steigern.

Wie bereits mehrfach darauf hingewiesen, ist bei dem erfindungsgemäßen Wärmeaustauscher der Wärmeübergang außerordentlich wirksam, so daß die Austauschfläche, die mit Blut in Berührung kommt,klein gehalten werden kann. Bei üblichen Rohr- und Schlangen-Wärmeaustauschern beträgt die Austauscherfläche, die mit Blut in Berührung kommt etwa 2378 bzw. 1578 cm², während diese Fläche bei dem erfindungsgemäßen Wärmeaustauscher nur in der Größenordnung von 263 cm² liegt. Die bei den verschiedenen Konstruktionen übertragene Wärme läßt sich vergleichen. Der Gesamt-Wärmeübergangskoeffizient bei dem erfindungsgemäßen Wärmeaustauscher ist ein vielfaches gegenüber dem eines Schlangen- oder Rohraustauschers. Die entsprechenden Taten gehen aus der folgenden Tabelle vor:

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- νί-

Tabelle

Fig.3 Fig.4

1. Austauscher-Fläche Blut-seitig cm²

263

Rohr-Aus- Schlangentauscher Austauscher

2378

1758

2. Volumen

Blut-seitig cm³

27 27

289

335

3. Verhältnis Fläche/ Volumen cm²/cm³

4. Austauscherwand Stärke cm

9,6 9,6

0,02 0,02

8,2

0,04

5,2

0,06

5. Reynolds-Zahl

978 978

307

434

6. Zeit zur Abkühlung von 38⁰C auf 26°C min

4,22 3,33

3,43

2,35

7. Wärmeübergangskoeffizient (cal/cm² . min-k

kJ/m² .h-K

(4,62) (6,37)
1,160 1,601

(0,67) (1,66) 0,168 0,417

8. übertragene Wärme (cal/min)

kJ/min (25,735) (32,546) (31,789) (46,170) 107,75 136,27 133,10 193,31

Alle angegebenen Werte sind Mittelwerte aus 3 Versuchen. Bei allen Versuchen herrschten folgende Bedingungen:

1. Luftzuführung zu der Verteilerplatte 1,66 bar (24 psig.).

2. Kühlmittelzufuhr 5,76 l/min von 9⁰C.

3. Strömungsgeschwindigkeit 2,61 l/min bei 38°C.

4. Volumen des Vorratsgefäßes 7

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Aus obiger Tabelle ergibt sich, daß der erfindungsgemäße einfache und billige Wärmeaustauscher in etwa so wirksam ist wie die bekannten, komplizierten und aufwendigen. Tatsächlich ist der Wärmeübergangskoeffizient beim erfindungsgemäßen Wärmeaustauscher mit und ohne Leitelementen ein Vielfaches des Wärmeübergangskoeffizienten bei den bekannten Wärmeaustauschern.

Um die Wirksamkeit des erfindungsgemäßen Wärmeaustauschers weiter zu verdeutlichen,dient das Diagramm der Fig. 6. Darin ist der Wärmeübergang in Abhängigkeit von Temperatur und Zeit angegeben. Die Kurven ergeben sich aus den für die Tabelle durchgeführten Versuche. Bei einer Gesamt-Austauscherkapazität der erfindungsgemäßen Wärmeaustauscher in der Größenordnung der bekannten wird für den Erfindungsgemäßen ^1/10 des Blutvolumens benötigt, welches für die bekannten Wärmeaustauscher benötigt wird,und (15 % der Austauschfläche.

Der Wärmeaustauscher läßt sich an die verschiedensten Situationen anpassen. Wie in Fig. 1 gezeigt, läßt sich der Wärmeaustauscherkern 10 leicht in einen üblichen Blut-Oxigenator einschieben. Form und Größe des Wärmeaustauschers läßt auf den jeweiligen Oxigenator anpassen, ohne daß damit die Grundkonzeption geändert werden müßte. Der erfindungsgemäße Wärmeaustauscher eignet sich in gleicher Weise für das Aufwärmen und Abkühlen in anderer Umgebung als bei einem Blut-Oxigenator. Ganz allgemein gesagt, geht es erfindungsgemäß um einen Wärmeaustauscher, der hinsichtlich des Anwendungsgebietes flexibel und anpassungsfähig ist. Aufgrund seiner Einfachheit und Billigkeit kann er nach Gebrauch durch einen neuen ersetzt werden. Es besteht nicht die Gefahr einer Lekage, da innerhalb der Blutkammer sich keine Verbindungen, Schweißstellen oder dergleichen befinden. Er führt zu keiner nennenswerten Erhöhung des Strömungswiderstandes, da der Strompfad gerade und ungestört ist. Die

nachteilige Beeinflussung des Blutes durch den biokompatiblen Überzug und die gerade Blutströmung ist minimal. Die zu Übertragung der Wärmeenergie läßt sich auf extrem kleinen Übertragungsflächen vornehmen. Die Füllung des Wärmeaustauschers mit Blut beträgt gegenüber den bekannten Wärmeaustauschern nur 1/10.

Claims

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1. Wärmeaustauscher für die Temperatureinstellung von Blut aus einem Wärmeaustauscherkern mit einer glatten Austauschfläche sovze Zu- und Ableitungen für das Wärmeaustauschmedium und einer Hülse 52 oder einem Mantel 58, wobei sich zwischen der Außenfläche 12 des Kerns 10 und der Hülse bzw. dem Mantel ein vorbestimmter schmaler Raum 27 befindet und eine Blutzuführung zu diesem Raum.

2. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Rohr 22 im Kern 10 mit Anschluß an die Zuleitung für das Wärmeübertragungsmedium am oberen Ende, welches am unteren Ende offen ist und mit dem Raum in Verbindung steht.

3. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum 27 gebildet ist zwischen der Außenwand 12 des Wärmeaustauscherkerns und einem da? Rohr umgebenden Stopfen 28.

4. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenfläche der Kernwand glatt ist.

5. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern aus Aluminium besteht.

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6. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenfläche der Wand 12 mit einem biokompatiblen Material überzogen ist.

7. Wärmeaustauscher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das biokompatible Material Polytetrafluorethylen ist.

8. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeaustauscherkern 10 mit einem abnehmbaren Deckel 16 verschlossen ist.

9. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse 52 oder der Mantel 58 aus Kunststoff besteht.

10. Wärmeaustauscher nach Anspruch 9 dadurch g e k e η η zeichnet, daß die Hülse oder der Mantel innenseitig

/ Leitelemente aufweist.

11. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1 bis 10 dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeaustauscherkern zylindrisch ist und in eine zylindrische Hülse 52 oder einen solchen Mantel 58 paßt.

12. Anwendung des Wärmeaustauschers nach Anspruch 1 bis 11 in einem extra-korporalen Blutkreislauf, insbesondere in Verbindung mit der Sauerstoff-Sättigung des Blutes in einer Herz-Lungen-Maschine.

13. Anwendung des Wärmeaustauschers nach Anspruch 12, eingesetzt in die Vorrichtung zur Sättigung des Bluts mit Sauerstoff.

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