DE3711695A1 - Verteilerkappe fuer eine einrichtung zur extrakorporalen behandlung von blut oder blutbestandteilen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Verteilerkappe mit einem rotations­ symmetrischen diffusorähnlich ausgebildeten Strömungskanal für eine Einrichtung zur extrakorporalen Behandlung von Blut oder Blutbestandteilen (z. B. Blutplasma), wobei die über den örtlichen Querschnitt gemittelte axiale Strömungsgeschwindigkeit von dem kleineren Einlaufquerschnitt zu dem größeren Auslauf­ querschnitt über die gesamte Länge des Strömungskanals verzögert wird und im Strömungskanal koaxial zu diesem ein Kern angeordnet sein kann, der sich in einem Abstand vom Einlaufquerschnitt bis zum Auslaufquerschnitt erstreckt und dessen Länge kleiner ist als die Länge des Strömungskanals.

Verteilerkappen der eingangs beschriebenen Art sind beispielsweise aus der DE-OS 24 35 703, DE-OS 26 46 358, DE-OS 31 44 552, DE-OS 31 44 553, DE-OS 33 33 461 und DE-OS 33 33 462 bekannt.

Verteilerkappen der hier vorliegenden Art dienen der strömungsgünstigen Verteilung beispielsweise eines Blut- oder Blutplasmastromes von einer zentralen Zuflußleitung mit einem relativ kleinen Strömungsquerschnitt auf einen im allgemeinen größeren Strömungsquerschnitt, der häufig von den kreisförmig oder ringförmig angeordneten offenen Hohlfadenenden eines Hohlfadenbündels gebildet wird. Ganz allgemein besteht dabei das Problem, die Strömungsführung so zu gestalten, daß keine Ablösungen bzw. sogenannten Totwassergebiete entstehen. Aufgrund der in den Totwassergebieten herrschenden niedrigen Schubspannungen nämlich kann es dort zur Aneinanderlagerung von Erythrozyten und in weiterer Folge zur Bildung von Thromben kommen, was beispielsweise zum Verschluß eines oder mehrerer der ggf. verwendeten Hohlfäden bis hin zu schwerwiegenden Folgen (Gesundheitsschäden, Tod) für den behandelten Patienten führen kann. Dieses Problem stellt sich in besonderem Maße beispielsweise bei Dialysatoren, Oxygenatoren und Wärmeaustauschern zur Behandlung von Blut. Bei Einrichtungen dieser Art kann die Querschnittsfläche des Strömungskanals der Verteilerkappe am Eintritt zu der am Austritt in einem Verhältnis von 1 : 100 stehen. Dies bedeutet, daß die Strömungsgeschwindigkeit auf dem Weg vom Eintritt in den Strömungskanal bis zum Austritt aus diesem auf ein Hundertstel (1/100) verringert werden muß. Darüber hinaus soll die radiale Geschwindigkeitskomponente im Austrittsquerschnitt des Strömungskanals Null sein, um ein achsparalleles Anströmen der ggf. nachgeschalteten Hohlfadenöffnungen zu gewährleisten. Da der Durchmesser der für Blutbehandlungseinrichtungen der genannten Art verwendeten Hohlfäden häufig unterhalb 200 µm liegt, ist eine ablösungsfreie und damit thrombenfreie Strömung hierbei von größter Bedeutung.

Die genannten Anforderungen werden von den bekannten Ver­ teilerkappen nur unzureichend erfüllt.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Verteilerkappe zur Verfügung zu stellen, die den gestellten Anforderungen wesentlich besser gerecht wird.

Diese Aufgabe wird bei einer Verteilerkappe der eingangs beschriebenen Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Durch die Gleichungen wird also die Innenkontur der Verteilerkappe und die Außerkontur des ggf. vorhandenen Kerns festgelegt.

Die stetige Vergrößerung des Querschnitts des Strömungskanals in Strömungsrichtung ist dabei so bemessen, daß die über den örtlichen Querschnitt des Strömungskanals gemittelte Strömungsgeschwindigkeit in Strömungsrichtung quadratisch abnimmt, d. h., daß eine lineare Verzögerung dieser mittleren Strömungsgeschwindigkeit von der konstruktiv vorgegebenen Eintrittsgeschwindigkeit am kleineren Einlaufquerschnitt (A _E ) auf die ebenfalls konstruktiv vorgegebene Austrittsgeschwindigkeit am größeren Auslaufquerschnitt (A _A ) erfolgt.

Die Verteilerkappe ist immer dann mit Vorteil einsetzbar, wenn - in Absolutwerten betrachtet - der Druckanstieg im Strömungskanal zwischen dem Einlaufquerschnitt (A _E ) und dem Auslaufquerschnitt (A _A ) kleiner ist als der nachfolgende Druckabfall in dem nachgeschalteten Strömungswiderstand, also beispielsweise einem Hohlfadenbündel, da nur in diesem Fall der Druckanstieg verlustlos erfolgt, d. h. der Strömung im ganzen kein Druckanstieg abverlangt wird. Der Druckanstieg im Strömungskanal ist proportional der Querschnitts­ erweiterung, der Druckabfall in einem Hohlfadenbündel hängt von der Anzahl, dem Durchmesser und der Länge der Hohlfäden sowie der Strömungsgeschwindigkeit ab. Bei handelsüblichen Hohlfadendialysatoren und -oxygenatoren ist die oben genannte Voraussetzung in aller Regel erfüllt.

Für relativ große Strömungskanallängen (H) ist das Problem, durch geeignete Gestaltung des Strömungskanals eine ablösungsfreie, verlustlose Strömung ohne Totwassergebiete zu erzeugen, leichter zu lösen als bei Verteilerkappen mit einer im Verhältnis zum Auslaufquerschnitt (A _A ) des diffusor­ ähnlich ausgebildeten Strömungskanals geringen Strömungs­ kanallänge (H). Durch die erfindungsgemäße Lehre wird dieses Problem bereits vollständig bei einer Kanallänge (H) gelöst, die nur ³/₁₀ (drei Zehntel), also weniger als ¹/₃ (ein Drittel), des Durchmessers (d _DN ) des Auslaufquerschnitts (A _A ) des Strömungskanals beträgt.

Darüber hinaus ist es nunmehr möglich, mit Hilfe nur einer Gleichung einen geeigneten Strömungskanal sowohl mit als auch ohne Kern auszulegen, da für den Fall "Ohne Kern" in der Gleichung lediglich der Kernradius Null und die Länge (H) des Strömungskanals gleich dem "Abstand der Kernspitze vom Strömungskanaleinlaß (H _{S)′′ also H = H S gesetzt zu werden braucht, d. h. Kernlänge H - H S = 0. Der Abstand des Strömungsauslasses (Ebene 2 in Fig. 1 bzw. A A) zu ggf. vorhandenen Hohlfadeneintrittsöffnungen (nicht dargestellt) ist in Grenzen frei wählbar; ein übliches Maß hierfür ist beispielsweise 0,5 bis 3 mm. Die Länge (H) des Strömungskanals, der Durchmesser (d₁) bzw. der Querschnitt (A E ) am Strömungskanaleinlauf und der Durchmesser (d DN ) bzw. der Querschnitt (A A ) am Strömungs­ kanalauslauf sowie die Länge (H - H S ) und der größte Durchmesser (d KN ) des ggf. vorhandenen Kerns sind im Rahmen der angegebenen Grenzen (H/H S gleich oder kleiner 1,6 und H/d DN gleich oder größer 0,3) frei wählbar. Auf diese Weise läßt sich auch für eine in ihren Abmessungen bereits festgelegte Einrichtung egal ob mit oder ohne Kern(rohr) eine Verteilerkappe mit den oben und unten genannten Vorteilen erstellen. Der ggf. vorhandene Kern kann auch ohne Einfluß auf seine äußere Kontur als Hohlkörper ausgebildet, d. h. mit einem Strömungskanal versehen, sein und beispielsweise zur Zu- oder Abführung von Sauerstoff, Kohlendioxid (aus dem Blut), Dialysat, Kühlwasser usw. zu oder von einem zentralen Kernrohr verwendet werden, das beispielsweise die Außenumströmung eines Hohlfadenbündels bewirkt. Der Hohlraum (Strömungskanal) des Kerns kann zu diesem Zweck an ein umströmungsgünstig ausgebildetes (tragflügel- oder schaufel­ ähnliches) radial durch den Strömungskanal der Verteilerkappe hindurchführendes Rohrstück angeschlossen sein, das seinerseits mit einer Zu- oder Abführleitung ggf. über einen in der Verteilerkappe angeordneten Ringkanal verbunden ist. Die mit der erfindungsgemäßen Verteilerkappe erzielbaren Vorteile sind im wesentlichen folgende: 1. Achsparallele Einströmung in den Strömungskanal.2. Achsparallele Ausströmung aus dem Strömungskanal.3. Verlustlose, ablösungsfreie Strömung, die sowohl in axialer als auch in radialer Richtung keine unstetigen Verzögerungen aufweist.4. Keine Totwassergebiete.5. Lineare Verzögerung der Strömungsgeschwindigkeit und damit exakte parabolische (quadratische) Abnahme der gemittelten Strömungsgeschwindigkeit über die gesamte Länge des Strömungskanals.6. Die Länge des Strömungskanals kann im Verhältnis zum Durchmesser des Austrittsströmungsquerschnitts des Strömungskanals gering bemessen werden.7. Achsparalleles Anströmen der ggf. nachgeschalteten Hohl­ fadenöffnungen selbst in unmittelbarer Nähe des ggf. vorhandenen Kerns.8. Achsparallele Anströmung der Spitze des ggf. vorhandenen Kerns.9. Achsparallele Abströmung am Fuß des ggf. vorhandenen Kerns.}

In den Fig. 1 bis 3 sind Konturen des Strömungskanals 7 der Verteilerkappe bzw. des axial zum Strömungskanal 7 angeordneten Kerns 8 dargestellt.

In Fig. 1 sind die frei wählbare und sich aus den Gleichungen ergebenden Kenngrößen für die Bemessung des Strömungskanals 7 der Verteilerkappe und des Kerns 8 angegeben. Darin bedeutet:

A _E = Einlaufquerschnitt des Strömungskanals (Ebene 1), also der kleinste Querschnitt des Strömungskanalsd₁= Durchmesser des Einlaufquerschnitts A _E des Strömungskanals, also der kleinste Strömungskanaldurchmesser r= Richtung, in welcher der Radius des Strömungskanals bzw. des Kerns gemessen wird H _{S= Abstand der Kernspitze vom Einlaufquerschnitt A E z= Abstand des Querschnitts des Strömungskanals mit dem Durchmesser d DZ vom Einlaufquerschnitt A E (z = 0 bis H) H= Gesamtlänge des Strömungskanalsd DZ = Durchmesser des Strömungskanals im Abstand z (= 0 bis H) vom Einlaufquerschnitt A E (d DZ = d₁ bis d DN )d KZ = Kerndurchmesser im Abstand z (= H S bis H) vom Einlauf­ querschnitt A E d KN = Kerndurchmesser in der Ebene des Auslaufquerschnitts A A des Strömungskanals (also bei z = H), also der größte DurchmesserA A = Auslaufquerschnitt des Strömungskanals (Ebene 2), also der größte Querschnitt des Strömungskanalsd DN = Durchmesser des Auslaufquerschnitts A A des Strömungskanals (also bei z = H), also der größte Strömungs­ durchmesser.Fig. 2 zeigt die erfindungsgemäße Kontur 1 des Strömungskanals 7 und die erfindungsgemäße Kontur 2 des Kerns 8 einer Verteilerkappe, wobei der Kern 8 als Hohlkörper ausgebildet, d. h. mit einem Strömungskanal 3 versehen ist. In Fig. 3 ist die erfindungsgemäße Kontur 1 eines Strömungskanals 7 einer Verteilerkappe ohne Kern und in vereinfachter schematischer Darstellungsweise ein Hohlfadenbündel 5 dargestellt. Die zum Strömungskanal hin offenen Hohlfäden 5 sind dabei in einem Abstand 4 vom Auslaufquerschnitt A A des Strömungskanals 7 angeordnet. Die Endbereiche der Hohlfäden 5 sind üblicherweise in einer ausgehärteten Vergußmasse eingebettet. Die Figuren machen die geringe Länge H des Strömungskanals 7 und die dadurch mögliche niedrige Bauhöhe der Verteilerkappe deutlich, die Dank der Erfindung nunmehr verwirklicht werden kann, ohne daß dies zu strömungstechnischen Nachteilen wie Ablösungen oder Totwassergebieten führt. Bei den in den Fig. 1 bis 3 dargestellten Konturen liegt das Verhältnis H/d DN im Bereich von 0,313 bis 0,316 und das Verhältnis H/H S im Bereich von 1,3 bis 1,4. In den Fig. 1 bis 3 sind die äußeren Umrisse der Verteilerkappe, also deren Außenkontur, nicht dargestellt, da diese nicht Gegenstand der hier vorliegenden Erfindung ist und praktisch beliebig gestaltet sein kann. Zu diesem Zweck sei beispielsweise auf den eingangs zitierten Stand der Technik verwiesen.}

Claims (1)

1. Verteilerkappe mit einem rotationssymmetrischen diffusorähnlich ausgebildeten Strömungskanal für eine Einrichtung zur extrakorporalen Behandlung von Blut oder Blutbestandteilen (z. B. Blutplasma), wobei die über den örtlichen Querschnitt gemittelte axiale Strömungsgeschwindigkeit von dem kleineren Einlaufquerschnitt (A _E ) zu dem größeren Auslaufquerschnitt (A _A ) über die gesamte Länge (H) des Strömungskanals verzögert wird und im Strömungskanal koaxial zu diesem ein Kern angeordnet sein kann, der sich in einem Abstand (H _S ) vom Einlaufquerschnitt (A _E ) bis zum Auslaufquerschnitt (A _A ) erstreckt und dessen Länge (H - H _S ) kleiner ist als die Länge (H) des Strömungskanals, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des Strömungskanals bzw. der Radius des Kerns durch folgende Gleichung beschrieben wird: mit worin:d₁der Durchmesser des Einlaufquerschnitts A _E , Hdie Gesamtlänge des Strömungskanals, zder Abstand des Querschnitts des Strömungskanals mit dem Durchmesser vom Einlaufquerschnitt A _E , D _s das Verhältnis aus Einlaufquerschnitt zu Auslaufquerschnitt des Strömungskanals, also D _s = A _E /A _A oder anders ausgedrückt der Durchmesser des Aulaufquerschnitts A _A des Strömungskanals,der Kerndurchmesser in der Ebene des Auslauf­ querschnitts A _A des Strömungskanals, also bei z = H, also der maximale Kerndurchmesser,H _S der Abstand der Kernspitze vom Einlaufquerschnitt A _E , der Kernradius in der Ebene des Auslaufquerschnitts A _A des Strömungskanals, also bei z = H, also der maximale Kernradius, istund wobei das Verhältnis
   H/H _S gleich oder kleiner 1,6 und
   H/ gleich oder größer 0,3 zu wählen ist.