DE3734857C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, insbesondere für die Verwendung bei klinischen Ausrüstungen, wie Dialyseeinrichtungen.

Zur Übertragung der Wärme von verbrauchter Dialyseflüssigkeit an eintretendes Frischwasser sind Wärmetauscher bekannt, die zwei durch eine dünne Schicht eines Stahlblechs getrennte Kunststoff-Formteile aufweisen, von denen jede einen einzelnen, gewundenen Strömungspfad zur Führung von Flüssigkeiten aufweisen, deren Wärme durch das Stahlblech ausgetauscht wird.

Aus der DE-OS 29 03 626 ist eine Vorrichtung bekannt, bei der zwischen mehreren fließenden Medien sowohl Stoffe als auch Wärme ausgetauscht werden. Bei der bekannten Einrichtung sind jeweils paarweise angeordnete Membranen, zwischen denen eines der Medien fließt, voneinander durch Elemente getrennt, die den Raum für das Fließen eines weiteren Mediums schaffen.

Aus der DE-OS 26 43 122 sowie aus der FR-PS 22 87 933 sind jeweils Vorrichtungen zum Stoffaustausch bekannt, bei denen durch ein zwischen zwei Membranen angeordnetes Trennelement mehrere parallel geschaltete Strömungswege gebildet werden.

Aus der US-PS 35 16 548 ist eine Vorrichtung bekannt, bei der jeweils ein Paar von Membranen, zwischen denen eine erste Flüssigkeit fließt, durch Trennelemente von einem weiteren Paar derartiger Membranen getrennt ist, wobei in dem durch das Trennelement geschaffenen Raum eine zweite Flüssigkeit fließt, welche mit der ersten Flüssigkeit im Stoffaustausch steht.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen leistungsfähigen Wärmetauscher zu schaffen, der trotz kleiner Abmessungen nur einen geringen Strömungswiderstand aufweist.

Diese Aufgabe wird durch einen Wärmetauscher mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist auf jeder Seite eines Trennelements, welches die im Wärmeaustausch stehenden Medien voneinander trennt, eine Mehrzahl von parallel durchströmten Strömungspfaden vorgesehen, wobei die Länge (L) der geraden Stücke des Strömungspfades relativ zum hydraulischen Durchmesser (D) desselben begrenzt ist, so daß sich im Strömungspfad keine laminare Gleichgewichtsströmung aufbauen kann und somit eine gute Wärmeübertragung bewirkt wird.

Vorteilhafte Ausbildungen des erfindungsgemäßen Wärmetauschers sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Im folgenden wird anhand der Zeichnung ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine etwas schematisierte Explosionsdarstellung des Ausführungsbeispiels,

Fig. 2 eine Schnittansicht des Bodenteils 12 längs der Linie 2-2 in Fig. 5, und des Oberteils 14 längs eines Schnittes durch zwei Schrauben und zwei Kanäle,

Fig. 3 eine teilweise Draufsicht auf ein Teil des Ausführungsbeispiels, wobei die Blickrichtung von dem unterteilenden Metallblech weggerichtet ist,

Fig. 4 einen Teilquerschnitt bei 4-4 in Fig. 4, wobei auch das daran anstoßende andere Teil und das dazwischen liegende Metallblech gezeigt ist,

Fig. 5 eine schematisierte Draufsicht auf das gesamte in Fig. 3 teilweise dargestellte Teil,

Fig. 6 einen Teilquerschnitt, der einander gegenüberlie­ gende O-Ringe mit dem dazwischen liegenden Metallblech zeigt.

Fig. 1 zeigt eine Explosionsansicht eines in seiner Gesamtheit mit 10 bezeichneten Wärmetauschers, welche die Innenseite eines ersten Teils 12, die Außenseite eines identischen zweiten Teils 14 und ein Trennelement 16 zeigt.

Die Teile 12, 14 sind jeweils ein einstückiges Plastik- Formteil (identisch, jedoch einander gegenüberliegend), welche mit einem außen herumlaufenden Flansch 18, einem Gehäuseabschnitt 20, welcher auf der Außenseite damit integrale Strukturrippen 22 trägt, und mit Einlaß- und Auslaßteilen 24, 26 ausgestattet ist. Eine Nut 28 mit einem wesentlichen rechteckigen Quer­ schnitt und in einer üblichen Anordnung (jedoch mit abgerundeten Ecken, wobei die Rinne vom Rand des Wärmetauschers einen gleichmäßigen Abstand hat, nur nicht an den abgerundeten Ecken) in jedem Wärmetauscher­ teil 12, 14 trägt darin einen dementsprechend geformten O-Ring 30 mit einem runden Querschnitt.

Ein Blatt 16 wird zwischen den O-Ringen 30 gehalten, welche aufgrund von durch Löcher 32 verlaufende Bolzen hervorgerufenen Kräften zusammengedrückt werden, so daß sich eine Abdichtung ergibt.

Entlang beider Enden eines jeden Wärmetauscherteils ist ein Verteiler 34 ausgebildet.

Wie in Fig. 5 schematisiert dargestellt, sind in jedem Teil des Wärmetauschers 14 Kanäle angeordnet, wobei die vertikalen Linien 36 die Scheitellinien der begrenzenden Querschnitte sind, welche dreieckig sind, und wobei die Scheitellinien sich in abdichten­ dem Kontakt mit dem Trennelement 16 befinden. Jede horizontale Linie 38 bezeichnet eine Scheitellinie längs der eine Kanalwand mit dreieckigem Querschnitt an dem Metallblech des Trennelements 16 anliegt, um damit benachbarte Wände von zwei Kanälen zu begrenzen.

Die Anordnung dieser Wände ist in größerer Detailliert­ heit in Fig. 3 dargestellt. Hier ist in einer Ecke des einen Teils des Wärmetauschers ein Ausschnitt von ungefähr 3 und einem halben der vierzehn Kanäle gezeigt. Die vertikalen Linien 36 und die horizontalen Linien 38 (und 40) sind hier detaillierter dargestellt. Ebene Flächen 42, 44, 46 sind von den Scheiteln 38 sowohl in Richtung der Dicke als auch in Längsrichtung nach unten geneigt. Ebene Flächen 48, 50, 52 sind von den Scheiteln 38 in Richtung der Dicke jedoch (in der Zeichnung) in Längsrichtung nach oben verlaufend nach unten geneigt. Die jeweils mit den Flächen 48, 50, 52 zusammentreffenden Flächen 42, 44, 46 bilden kegelstumpfförmige Flächen 54, 56, 58 mit einem Winkel von 180°. Gegenüber der Fläche 54 befindet sich unter 90° eine kegelstumpfförmige Fläche 60 und eine ebene Fläche 62. Alle Oberflächen sind in Richtung der Dicke nach unten geneigt. Öffnungen 64 und 66, 68 erlauben eine Bewegung der Flüssigkeit aus dem Verteiler 34 in jedem der vierzehn serpentinenförmig gewundenen Kanäle, wobei sie in Längsrichtung serpentinenförmig zwischen dem Trennelement 20 und dem Teil 12 führt. Überall stoßen die Scheitel der Teile 12 und 14 zusammen.

Die längsten geraden Strecken in den Kanälen verlaufen quer und sind die Entfernungen zwischen den Anfängen der kegelstumpfförmigen Teile (z. B. 54 und 56), wobei der Anfang eines kegelstumpfförmigen Teils eine Unterbrechung darstellt, welche den Aufbau einer laminaren Gleichgewichtsströmung unterbindet. Der hydraulische Durchmesser der dreieckigen Durchgänge ist 0,42 mal ihre Basislänge. L/D beträgt ungefähr 3.

Die Figuren geben die Proportionen wieder, sie sind jedoch nicht genau maßstabsgerecht. Die Entfernung zwischen den die Kanäle definierenden Linien 36 beträgt in Wirklichkeit ungefähr 10 mm.

Durch die vierzehn Kanäle auf der einen Seite des Trennelementes 16 fließt parallel von einem oberen (Fig. 5) Verteiler 34 zu einem unteren Verteiler 34 verbrauchte, warme Dialyseflüssigkeit. Auf der anderen Seite des Trennelementes 16, in entgegengesetz­ ter Netto-Flußrichtung, fließt frische, kühlere Dialyse­ flüssigkeit. Da die Druckwerte in jedem der nebeneinan­ derliegenden Kanäle an korrespondierenden Stellen ihrer Länge die gleichen sind, wird ein Kurzschluß zwischen den Kanälen verhindert - und ist auch vernach­ lässigbar, selbst wenn er möglich wäre. Wegen der verwendeten serpentinenförmigen Anordnungen ergibt sich bei niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten, wie oben beschrieben, eine gute Wärmeübertragung mit einem Wirkungsgrad von 70%. Wegen der niedrigen Strö­ mungsgeschwindigkeiten ist die Gesamtquerschnittsfläche der Strömungskanäle gegenüber bekannten Einrichtungen mit einem serpentinenförmigen Kanal auf jeder Seite eines Trennelements verbessert, der Druckabfall vermin­ dert und praktikable Strömungsgeschwindigkeiten gegeben. Da die Kontaktfläche zwischen den Kanalwänden und dem Trennelement im wesentlichen linienförmig und nicht flächig ist, wird die tatsächliche Wärmeübertra­ gungsfläche erhalten und der Wärmeübergang bei gleicher Größe verbessert.

Claims (9)

1. Wärmetauscher mit einem ersten Teil (12), einem zweiten Teil (14) und einem Trennelement (16), wobei
das erste Teil (12) und das zweite Teil (14) an dem Trennelement (16) derart anliegen, daß sich eine Flüssigkeitsabdichtung ergibt, und
das erste Teil (12) und das zweite Teil (14) jeweils mit dem Trennelement (16) eine entsprechende Mehrzahl von Strömungsdurchgängen begrenzt,
dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsdurchgänge Verhältnisse L/D von nicht mehr als vier aufweisen (Länge der geraden Stücke des Strömungspfades zum hydraulischen Durchmesser).

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine große Zahl von Strömungsdurchgängen.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Strömungsdurchgänge vierzehn beträgt.

4. Wärmetauscher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsdurchgänge einen dreieckigen Querschnitt aufweisen.

5. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsdurchgänge eine Vielzahl von Richtungsänderungen aufweisen, die den Aufbau einer laminaren Gleichgewichtsströmung verhindern.

6. Wärmetauscher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsdurchgänge serpentinenförmig angelegt sind.

7. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Teile (12, 14) identisch aufgebaut sind.

8. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß kein Wert für L/D größer als ungefähr 3 ist.

9. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsdurchgänge die Form eines gleichseitigen Dreieckes haben.