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Gebiet der
Erfindung
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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und einen Apparat zur Herstellung
von gewickelten Rohrbündeln.
Insbesondere betrifft die Erfindung die Herstellung eines Rohrbündels für eine Blut-Kardioplegie-Abgabevorrichtung.
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Hintergrund
der Erfindung
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Die
Verwendung von Hohlfaserbündeln
als Stoffübertragungsvorrichtungen
und Energieübertragungsvorrichtungen
auf dem Gebiet der Medizintechnik ist wohl bekannt. Zum Beispiel
sind gewickelte Hohlfaserbündel
als Blut-Oxygenatoren und -Dialysatoren verwendet worden. Das typische
Wickelmuster für
Hohlfaserbündel
kann als eine spiralförmige Wicklung
beschrieben werden, wobei die Rohre um einen rotierenden Zylinder
herum gewickelt werden. Eine derartige Wickeltechnik ist in dem
US-Patent Nr. 4,975,247
von Badalato u. a. beschrieben, das die Mittel beschreibt, mit denen
ein Hohlfaser-Oxygenator mit einer spezialisierten Wickelausrüstung aufzuwickeln
ist. Badolato u. a. beschreiben das Wickeln einer einzelnen Faser
oder eines Faserbandes auf einen rotierenden Kern unter Verwendung
einer Faserführung,
die sich entlang einer zu der Achse des Kerns parallelen Linie hin-
und herbewegt. Die Faserführung
legt das Rohr spiralförmig
um den Kern herum ab, während
die Faserführung
sich hin- und herbewegt und der Kern sich dreht.
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Typische
Wickeltechniken, wie z. B. die in dem Badalato-Patent beschriebenen, sind auf große Kerne
mit zum Beispiel 50,8 mm (2,0 Zoll) Durchmesser beschränkt. Falls
der Kern kleiner ist, rutscht die Faser von dem Kern herunter, während das
Rohr aufgewickelt wird. Falls der Kern über einen Durchmesser von 50,8
mm (2,0 Zoll) oder mehr verfügt,
hält die Reibung
der Kontaktoberfläche
die Faser in Position, während
die Faser aufgewickelt wird. Leider führt der relativ große Durchmesser
zu einem größeren Ansaugvolumen,
was für
die meisten medizinischen Anwendungen nicht erwünscht ist. Das gesteigerte
Ansaugvolumen führt
zu einem erhöhten
Niveau von Blutverdünnung,
das für
den Patienten schädlich
sein kann. In bestimmten Fällen
kann das gesteigerte Ansaugvolumen die Verwendung der Vorrichtung
bei kleineren Erwachsenen und Kindern ausschließen.
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Alternativ
dazu können
Hohlfaserbündel
mit Faservliesen gewickelt werden, die den oben erwähnten Wickelproblemen
von Fasern oder Faserbändern
nicht unterwarfen sind. Im speziellen sind weder der Kerndurchmesser
noch der spezifische Winkel, in dem die Fasern um den Kern herum
gewickelt werden müssen,
um die Position der Faser im Verhältnis zu der Mittelachse des
Kerns aufrechtzuerhalten, Faktoren bei der Verwendung von gewobenen
Faservliesen. Tatsächlich
kann bei der Herstellung eines Faserbündels unter Verwendung eines Faservlieses
das Bündel
um einen Kern herum mit einem relativ kleinen Durchmesser gebildet
werden, und die Fasern können
im wesentlichen parallel zu der Achse des Kern sein. Faservliese
sind aufgrund der zusätzlichen
Komplexität
des Webprozesses jedoch teuer. Ferner schließt das Weben typischerweise
die direkte Kostenkontrolle über
den Herstellungsprozess aus, die vorhanden ist, wenn ein Bündel aus einer
einzelnen Faser oder einem Faserband gewickelt wird. Deshalb wäre es wünschenswert, über eine
Wickeltechnik und einen Apparat zu verfügen, die niedrige Kasten, ein
geringes Ansaugvolumen und direkte Kontrolle über die Herstellung verbinden, und
zwar ohne die Nachteile, die mit vorhandenen Wickeltechniken oder
Vorrichtungsausgestaltungen für
gewickelte Faservliese verbunden sind.
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Die
US 4,572,446 bezieht sich
allgemein auf einen Prozess zur Herstellung eines Bündels von Hohlfasern,
indem eine Länge
einer Hohlfaser um einen Kern herum gewickelt wird. Dieses Dokument lehrt
oder offenbart zumindest nicht die Verfahren und Apparate zur Herstellung
von gewickelten Rohrbündeln,
wie sie hierin beansprucht werden.
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Ein
weiterer Apparat und Verfahren zur Herstellung eines Bündels von
Hohlfasern durch Wickeln sind aus der JP-A-62011508 bekannt.
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Zusammenfassung der Erfindung
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In
einem Aspekt ist die Erfindung ein Apparat zur Herstellung eines
gewickelten Rohrbündels
für die
Verwendung in Anwendungen medizinischer Vorrichtungen, wie in Anspruch
1 definiert ist. Der Apparat schließt ein Rohr, einen Rohrzubringer,
einen Wickelkern, einen Zubringerantrieb und einen Kernantrieb ein.
Der Rohrzubringer ist gestaltet, um das Rohr aufzunehmen und um
den Wickelkern herum zu verteilen. Der Wickelkern weist einen Körper, eine erste
Wickelscheibe und eine zweite Wickelscheibe auf. Die erste Wickelscheibe
ist an einem ersten Ende des Körpers
angebracht, und die zweite Wickelscheibe ist an einem zweiten Ende
des Körpers angebracht.
Die erste Wickelscheibe und die zweite Wickelscheibe sind gestaltet,
um das Rohr von dem Rohrzubringer entgegenzunehmen. Der Zubringerantrieb
und der Kernantrieb sind ausgestaltet, um den Zubringer und den
Wickelkern zu drehen, damit das Rohr auf dem Wickelkern in Schichten
verteilt wird. Jede Schicht weist eine Vielzahl von Reihen auf,
die auf den Kern gewickelt und um ihn herum verteilt sind. Jede
Reihe ist im wesentlichen parallel zu den anderen Reihen und ist
ferner im wesentlichen parallel zu der Längsachse des Kerns. Der Zubringerantrieb
dreht den Rohrzubringer um eine Zubringerachse in einer kreisförmigen Wickelbewegung,
damit das Rohr auf den Kern gewickelt wird. Der Kernantrieb dreht
den Wickelkern inkrementierend um eine Längsachse des Kerns herum, wobei die
Längsachse
im wesentlichen senkrecht zu der Zubringerachse ist und sie im wesentlichen
schneidet. Der Kernantrieb kann ausgestaltet sein, um den Wickelkern
inkrementierend um eine Stufe nach jeder vollen Drehung des Rohrzubringers
um den Wickelkern herum zu drehen. Der Apparat kann ferner eine
Computersteuerung einschließen,
um den Rohrzubringer und den Wickelkern zu steuern. Die Computersteuerung
ist vorzugsweise konfiguriert, um mindestens eines aus Geschwindigkeit,
Grad und Zeitabstimmung der Drehung zu regulieren.
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Der
Apparat kann ferner eine Rohrspule zum Halten einer Länge des
Rohr und zum Abgegeben des Rohr an den Rohrzubringer einschließen. Die Spule
kann mit einem Spulenantrieb verbunden werden. Der Spulenantrieb
dreht die Rohrspule inkremental. Der Spulenantrieb kann mit einer
Computersteuerung verbunden werden. Die Computersteuerung reguliert
die Drehung der Spule. Vorzugsweise reguliert die Computersteuerung
mindestens eines aus Geschwindigkeit, Grad und Zeitabstimmung.
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Der
Apparat kann ferner ein Mittel zur Bereitstellung einer gleichmäßigen Spannung
auf das Rohr einschließen,
während
das Rohr von der Spule abgewickelt wird.
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Die
Wickelscheiben können
ferner eine Vielzahl von Rippen aufweisen, die sich radial aus einer Außenkante
der ersten und zweiten Wickelscheibe erstrecken. Die Vielzahl von
Rippen bestimmt eine Vielzahl von primären Einkerbungen. Die primären Einkerbungen
sind ausgestaltet, um das Rohr aufzunehmen und in Position zu halten,
während
es auf den Wickelkern gewickelt wird. Die Vielzahl von Rippen kann
ferner eine Vielzahl von sekundären
Einkerbungen bestimmen. Die sekundären Einkerbungen sind gestaltet,
um das Rohr von dem Rohrzubringer aufzunehmen. Die primären und
sekundären
Einkerbungen weisen jeweils eine Länge auf, die von der Außenkante
der Rippe in Richtung der Mittelachse gemessen wird. Die Länge der
primären
Einkerbungen ist größer als
die Länge
der sekundären
Einkerbungen. Die Vielzahl von Rippen kann ferner eine Vielzahl
von tertiären
Einkerbungen bestimmen, die gestaltet sind, um das Rohr von dem
Rohrzubringer auf zunehmen. Die Länge der tertiären Einkerbungen ist
kleiner als die Länge
der primären
und sekundären
Einkerbungen.
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Der
Wickelkern kann ferner Schneideeinlagen aufweisen, um das Wickeln
und Schneiden besser zu unterstützen.
Die Schneideeinlagen sind derart positioniert, dass eine erste Schneideeinlage
gegenüber
dem Körper
auf der ersten Wickelscheibe angebracht ist und eine zweite Schneideeinlage
gegenüber
dem Körper
auf der zweiten Wickelscheibe angebracht ist.
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In
dem zweiten Aspekt ist die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung
eines gewickelten Rohrbündels
wie in Anspruch 12 definiert. Das Verfahren schließt das Bereitstellen
eines Wickelkerns ein, der gestaltet ist, um ein Rohr aufzunehmen,
das Wickeln einer Reihe eines Rohrs um den Wickelkern herum parallel
zu der Längsachse,
während
der Wickelkern stationär
ist, das inkrementale Drehen des Wickelkerns und das Wickeln einer
zweiten Rohrreihe um den Wickelkern herum, während der Wickelkern stationär ist. Der
Wickelkern weist einen Körper
mit einem ersten und einem zweiten Ende und einer Längsachse
auf. Der Wickelkern kann ferner mit einer ersten Schneideeinlage,
die an dem ersten Ende des Wickelkerns angebracht ist, und einer
zweiten Schneideeinlage, die an dem zweiten Ende angebracht ist,
ausgestattet werden. Das Verfahren kann ferner das weitere inkrementale
Drehen des Kerns und das sequentielle Wickeln von Rohrreihen einschließen, bis
eine gewünschte
Anzahl von Reihen um den Wickelkern herum gewickelt ist.
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Das
Verfahren kann ferner das Einpassen des gewickelten Bündels in
ein Gehäuse
einschließen,
das gestaltet ist, um das Bündel
aufzunehmen. Nach dem Einpassen in das Gehäuse kann das Verfahren das
Verschließen
des ersten und des zweiten Endes des gewickelten Bündels in
dem Gehäuse
unter Verwendung eines Verschlussmaterials einschließen. Das
Verschlussmaterial kann ein Palyurethan sein. Nach dem Verschließen kann
das Verfahren das Schneiden der Enden des Bündels durch die Schneideeinlage
zum Freilegen des Lumens in den Rohren einschließen. Nach dem Schneiden des
Bündels
kann das Verfahren das Anbringen einer ersten Abschlußkappe über dem
ersten Ende des Gehäuses
und einer zweiten Abschlußkappe über dem zweiten
Ende des Gehäuses
einschließen,
so dass die Abschlußkappen
mit dem Lumen der Rohre in Verbindung stehen.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
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1 ist
ein schematisches Diagramm einer Ausführungsform eines Wickelapparates
gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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2 ist
eine isometrische Ansicht einer Ausführungsform des Wickelkerns.
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3 ist
eine Querschnitts-Ansicht der rippenlosen Wickelscheibe einer Ausführungsform
des Wickelkernes mit Rohren.
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4 ist
eine Endansicht der gerippten Wickelscheibe einer Ausführungsform
des Wickelkernes.
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5 und 6 sind
Endansichten von Wickelscheiben, die alternative Ausgestaltungen
der Rippen zeigen.
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7 ist
ein schematisches Diagramm einer Ausführungsform eines computergesteuerten
Wickelapparates gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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8A und 8B sind
eine Seitenansicht beziehungsweise eine Draufsicht einer Ausführungsform
eines Spulenspannungsmittels.
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9A, 9B und 9C sind
Draufsichten, die aufeinander folgende Wickelmuster der Rohre darstellen,
wie sie um einen Wickelkern herum gewickelt werden, der Wickelscheiben
aufweist, wie sie in der 5 gezeigt sind.
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10 ist
ein schematisches Diagramm einer alternativen Ausführungsform
des Wickelapparates, die über
zwei Spulen verfügt.
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11 ist
eine aufeinander gezogene Darstellung einer Wärmetauschervorrichtung mit
einem gewickelten Rohrbündel,
das gemäß der vorliegenden
Erfindung hergestellt wurde.
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12 ist
ein Querschnitt einer Ausführungsform
des Zentrifugenrotors, der während
des Verschließens
der Rohrbündel
verwendet wird.
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13A und 13B sind
Seitenansichten einer Wickelkerns mit Rohr beziehungsweise ohne Rohr.
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Detaillierte Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsformen
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Das
Verfahren und die Wickelvorrichtung der vorliegenden Erfindung können verwendet
werden, um hohle Rohre oder Rohrbündel für verschiedene medizinische
Anwendungen herzustellen, die eine Stoffübertragungsvorrichtung oder
eine Energieübertragungsvorrichtung
verwenden. Der Begriff "Übertragungsvorrichtung", wie hierin verwendet,
soll Anwendungen der Stoffübertragung
und Energieübertragung
einschließen.
Diese Anwendungen schließen,
ohne darauf beschränkt
zu sein, Blut-Oxygenatoren, Dialysatoren und Wärmetauscher ein. Der Begriff "Rohr", wie hierin verwendet,
soll sämtliche Rohrleitungen,
Hohlfasern oder andere flexible Leitungen einschließen, die
dem Fachmann bekannt sind. Das in der beschriebenen Ausführungsform
gebildete Rohrbündel
ist für
die Verwendung als Wärmetauscher
in einem Blut-Kardioplegie-Kreislauf geeignet, und die Abmessungen,
Rohrleitungen, der Oberflächenbereich
und andere in der Beschreibung gelieferte Einzelheiten sind dafür geeignet.
Die Anwendung dieses Verfahrens zur Konstruktion eines Rohrbündels für andere
Anwendungen kann die Verwendung von Rohren beinhalten, die über andere Abmessungen,
Spezifikationen und Materialien verfügen, wobei die grundlegenden
Prinzipien dieselben sind.
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Der
Apparat und das Verfahren zur Herstellung eines Rohrbündels der
vorliegenden Erfindung ist im Allgemeinen mit Bezug auf die 1 zu
verstehen. Die 1 zeigt einen Wickelapparat,
der allgemein mit 1 bezeichnet ist. Der Wickelapparat 1 wickelt
axial ein flexibles Rohr 30 um einen Wickelkern 10 herum.
Der Wickelapparat schließt
folgendes ein: einen Wickelkern 10, um das Rohr 30 aufzunehmen, ein
Kerndrehmittel 20 zum Drehen des Kerns 20 in der
Richtung des Pfeils 21, eine Rohrspule 22, von der
das Rohr 30 gezogen wird, einen Rohrzubringer 26,
der das Rohr 30 um den Kern 10 herumführt, und ein
Zubringerdrehmittel 28, das den Rohrzubringer 26 um
den Kern 10 herum in der Richtung des Pfeils 29 dreht.
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In
dem fertiggestellten Rohrbündel
führt das Rohr 30 ein
Fluid in seinem Lumen von einem Ende des Rohrbündels zu dem anderen Ende.
Das Rohr 30 kann ein beliebiges biokompatibles Material
sein, das flexibel genug zum Wickeln ist, ist aber für Anwendungen
mit Wärmeaustausch
typischerweise Polyurethan. Bei Blut-Oxygenatoren oder Dialysatoren wäre das Rohr 30 eine
Hohlfasermembran, wie in der Technik bekannt. Bei einem Kardioplegie-Wärmetauscher
kann das Rohr 30 einen Außendurchmesser von 0,259 bis
2,54 mm (0,01 bis 0,10 Zoll) und eine Wandstärke von 0,0254 bis 1,27 mm
(0,001 bis 0,050 Zoll) aufweisen, weist aber vorzugsweise einen
Außendurchmesser
von 0,762 bis 1,19 mm (0,030 bis 0,045 Zoll) und eine Wandstärke von
0,0508 und 0,127 mm (0,002 und 0,005 Zoll) auf. Die Rohrspule 22 hält das Rohr 30,
bevor das Rohr 30 auf den Wickelkern 10 gewickelt
wird. Die Rohrspule 22 hält eine ausreichende Länge des
Rohrs, um den Kern 10 kontinuierlich und vollständig aufzuwickeln.
Die Rohrspule 22 ist drehbar angebracht, so dass das Rohr 34 von
der Spule 22 gezogen werden kann. Das Rohr 30 kann
passiv von der Spule 22 gezogen werden, oder es kann durch
ein Mittel zum Drehen der Spule unterstützt werden, wie z. B. einen
in der 7 gezeigten Spulenmotor. Das Rohr 30 wird
von der Rohrspule 22 durch den Rohrzubringer 26 eingefädelt. Der
Rohrzubringer 26 kann ein hohles Rohr sein, das passend
gewinkelt ist, um das Rohr zu führen,
während
es um den Kern 10 herum auf eine Art und Weise gewickelt
wird, die hiernach detaillierter beschrieben wird. Das Rohr wird
dann mit dem Wickelkern 10 auf eine Art und Weise verbunden,
die hiernach detaillierter behandelt wird. Der Rohrzubringer 26 ist
so gestaltet, dass das Rohr 30 auf den Kern 10 gewickelt
wird, wenn der Rohrzubringer 26 gedreht wird. Das Zubringerdrehmittel 28 dreht
den Rohrzubringer 26 um eine Achse, die im wesentlichen
senkrecht zu der Kernachse ist, wodurch das Rohr 30 von
der Spule 22 gezogen und auf den Kern 10 gewickelt
wird. Das Zubringerdrehmittel 28 ist vorzugsweise ein Schrittmotor,
der von einem Mikroschrittantrieb gesteuert wird, Der Rohrzubringer 26 dreht
sich um eine Achse herum, die im wesentlichen senkrecht zu der Kernachse
ist und sie schneidet. Die Drehung des Rohrzubringers 26 um
den Kern 10 herum wickelt das Rohr 30 axial auf
den Kern 10. Um das Rohr 30 um den Kern 10 herum
zu verteilen, wird der Kern 10 nach jeder Drehung des Zubringers
um den Kern herum in einem inkrementierenden Winkel oder Abstand
gedreht. Die Drehung des Kerns um diesen inkrementierenden Winkel
oder Abstand richtet die Peripherie des Kerns 20 so aus,
dass er eine weitere Wicklung des Rohrs 30 von dem Rohrzubringer 26 aufnehmen
kann. Bei der nächsten
Drehung wickelt dadurch der Rohrzubringer 26 ein Rohr auf, das
typischerweise an das zuvor gewickelte Rohr angrenzt und das sowohl
zu dem zuvor gewickelten Rohr als auch zu der Achse des Kerns 10 im
wesentlichen parallel ist. Der verwendete inkrementierende Winkel
ist von der jeweiligen in dem Bündel
verwendeten Ausgestaltung des Rohrs und Kerns abhängig. Der
Kern 10 wird durch das Kerndrehmittel 20 um die Längsachse
des Kerns herum in einer Ebene gedreht, die im Wesentlichen senkrecht
zu der Drehachse des Rohrzubringers ist. Das Kerndrehmittel 20 ist
vorzugsweise ein Schrittmotor, der von einem Mikroschrittantrieb
gesteuert wird.
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Die 2 zeigt
eine Ausführungsform
des Wickelkerns 10. Der Wickelkern 10 ist gestaltet,
um das Rohr von dem Rohr zubringer aufzunehmen und zu halten, ist
aber typischerweise zylindrisch. Der Wickelkern 10 kann
aus einem beliebigen Material ausreichender Stärke hergestellt sein, um der
Belastung des Wickelprozesses zu widerstehen, wobei er vorzugsweise
aus einem starren Thermoplasten hergestellt ist. Der Wickelkern 10 umfasst
einen Körper 12, der
zwischen einer ersten Wickelscheibe 14 und einer zweiten
im wesentlichen identischen Wickelscheibe 1b angeordnet
ist. Die Wickelscheiben liegen im Allgemeinen in einer Ebene, die
zu der Längsachse
des Körpers
senkrecht ist. Die Wickelscheiben halten das Rohr, während es
um den Kern 10 herum gewickelt wird. Typischerweise sind
die Wickelscheiben kreisförmig
und weisen einen größeren Durchmesser
als der Körper 12 auf.
Bei Rohrbündeln,
die in Kardioplegie-Wärmetauschern
verwendet werden, haben die Wickelscheiben vorzugsweise einen Durchmesser
von mehr als 25,9 mm (1,0 Zoll). Es ist möglich, eine Wickelscheibe mit
einem Außendurchmesser
von bis zu etwa 76,2 mm (3,0 Zoll) zu verwenden, obwohl das bei
den meisten modernen medizinischen Anwendungen zu unzulässig hohen
Ansaugvolumina führt.
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Wie
in der 2 gezeigt ist, können die Wickelscheiben optional
die Rippen 17 aufweisen, die sich radial von dem äußeren Umfang
der Wickelscheiben erstrecken. Die Rippen 17 bieten mehr Kontrolle über das
Rohrmuster während
des Wickelns, indem sie während
des Wickelns und Verschließens
die Reihen des Rohrs in Position halten. Die zusätzliche durch die Rippen bereitgestellte
Kontrolle gestattet eine bessere Regulierung der Bündelgröße und des
darauffolgenden Ansaugvolumens für spezifische
Anwendungen. Ferner trägt
die zusätzliche
Kontrolle zu einer verbesserten Leistungsbeständigkeit der Vorrichtung und
zu einer Reproduzierbarkeit der Herstellung bei. Das Rohr kann mit
einer besseren Beständigkeit
als bei den anderen Wickelprozessen positioniert werden. Jeweils
zwei aufeinander folgende Rippen definieren eine Einkerbung 19 dazwischen.
Die Einkerbungen 19 führen und
halten das Rohr auf dem Kern 10 während der Wickel- und anderen
Herstellungsschritte in Position, wie hiernach erläutert wird.
Der der Achse des Kerns 10 am nächsten liegende Punkt in einer
Einkerbung ist der Innendurchmesser der Einkerbung. Der von der
Achse des Kerns 10 am weitesten entfernte, aber noch zwischen
zwei Rippen liegende Punkt in einer Einkerbung ist der Außendurchmesser
der Einkerbung. Die gerippten Wickelscheiben weisen vorzugsweise
einen inneren Einkerbungsdurchmesser von mehr als 0,25 Zoll und
einen äußeren Einkerbungsdurchmesser
von weniger als 2,5 Zoll für
Wickelkerne auf, die in Kardioplegie-Wärmetauschern verwendet werden.
Die Rippen 17 sind derart voneinander beabstandet, dass
sie einen bestimmten Rohrdurchmesser in den Einkerbungen aufnehmen
können. Der
Abstand zwischen den Rippen 17 kann variieren, so dass
die Einkerbungen 19 das passend bemessene Rohr in Abhängigkeit
von der endgültigen
Anwendung für
das Rohrbündel
aufnehmen.
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Während des
Wickelns können
sich Falten bilden, weil sich das Rohr um die Wickelscheiben herum
biegt. Eine Schneideeinlage 15, die in der 2 gezeigt
ist, kann an jedes Ende des Kerns plaziert werden, um zu verhindern,
dass die Falten das Lumen des fertiggestellten Rohrbündels zusammenziehen.
Die Schneideeinlagen sind Verlängerungen
des Kerns, die das Rohr unterstützen,
während
das Rohr aufgewickelt wird. Die zusätzliche Unterstützung bewegt
den Punkt, an dem sich die Rohre falten, nach außen über die Wickelscheiben hinaus.
Dadurch ermöglichen
die Schneideeinlagen das Schneiden des Rohrs hinter der durch die
Falte verursachte Einengung in dem Lumen, ohne dass unterhalb der
oder durch die Wickelscheiben geschnitten werden müßte. Die
Schneideeinlagen 15 können
die Gestalt der kreisförmigen
Scheibe haben, die in der 2 gezeigt
ist, oder sie können
dieselbe Gestalt wie die Wickelscheibe und die Rippen haben, die
nicht gezeigt sind. Wenn die Schneideeinlagen dieselbe Gestalt wie
die Wickelscheibe und die Rippen aufweisen, können sich die Schneideeinlagen
entlang den Rippen über
einen Abstand bis zu dem äußeren Einkerbungsdurchmesser
erstrecken und sind derart ausgestaltet, dass sie es dem Rohr ermöglichen,
in die Einkerbungen zu passen. Die Schneideeinlagen 15 erstrecken
sich typischerweise etwa 4,06 mm (0,16 Zoll) von dem Ende des Wickelkerns.
Die Einlagen 15 können
in den Wickelkern mitgegossen werden, oder sie können nach dem Gießen auf
die Enden des Kerns geklebt werden. Die Einlage ist vorzugsweise aus
einem Material geringer Härte
hergestellt, das typischerweise eine Shore-Härte von 50A bis 70D aufweist,
damit die Klinge während
des Schneidens nicht beschädigt
wird.
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Ein
Wickelstift 18, in der 2 gezeigt,
erstreckt sich durch das Ende einer Längsachse des Körpers 22,
das durch die erste Wickelscheibe 14 und die zweite Wickelscheibe 16 herausragt.
Der Wickelstift 18 ist gestaltet, um an dem Kerndrehmittel gesichert
zu werden und das Wickeln zu erleichtern. Der Wickelstift 18 kann
ein einzelner Dübel
sein, der sich durch den Kern 10 erstreckt. Alternativ
kann der Wickelstift 18 aus dem Material des Kerns 10 integral gegossen
sein. Der Wickelstift 13 sollte aus einem Material geformt
werden, das über
eine ausreichende Stärke
verfügt,
um den Kern 10 während
des Wickelprozesses zu unterstützen,
ist jedoch typischerweise ein geeignetes Metall oder Polyurethan.
Der Wickelstift 18 kann mit dem Wickelapparat über entweder
ein Ende oder über
beide Enden verbunden werden.
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Die 3 zeigt
eine Querschnitts-Ansicht entlang der Außenoberfläche einer Wickelscheibe, nachdem
das Wickeln abgeschlossen wurde. Die 3 stellt
beispielhaft ein Rohrwickelmuster dar, das sich aus dem Wickeln
eines Kerns ohne Rippen ergeben kann. Während die Schicht A auf den
Kern gewickelt wird, schmiegt sich jede Rohrreihe in der Schicht
gegen die benachbarte Rohrreihe. Das Wickeln von Reihen in einer
Schicht setzt sich fort, bis die Schicht vollständig ist. Eine Schicht ist
vollständig,
wenn Reihen um 360 Grad des Umfangs der Wickelscheiben gewickelt
worden sind. Nachfolgende Schichten können über vorherige Schichten gewunden
werden, indem zusätzliche
Rohrreihen über
die vorherigen Schichten gewickelt werden. In der rippenlosen Ausgestaltung
schmiegen sich die nachfolgenden Schichten B, C ... N in die Rille,
die zwischen den Rohren der vorherigen Schicht erzeugt worden ist.
Während
zusätzliche
Schichten hinzugefügt
werden, erhöht
sich der Abstand zwischen den Rohren von nachfolgenden Schichten
relativ zu dem Abstand zwischen den Reihen der vorherigen Schichten,
wodurch der Abstand zwischen den Rohrreihen in der nachfolgenden Schicht
erhöht
wird. Bei Verwendung dieser Konfiguration kann ein Wickelkern, der
Wickelscheiben mit zum Beispiel einem Durchmesser von 22,9 mm (0,90
Zoll) aufweist, mit 40 Reihen von 1,02 mm (0,040 Zoll) Durchmesser
eines Polyurethanrohrs bis zu einem Maximum von acht Schichten gewickelt
werden. Bei Verwendung dieser Parameter sind insgesamt 300 geschnittene
Rohre in dem fertiggestellten Rohrbündel vorhanden. In dem obigen Beispiel
stoßen
die Reihen in der ersten Schicht nicht gegeneinander, sondern sind
stattdessen gleichmäßig um die
Wickelscheibe herum beabstandet.
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Die 4 zeigt
eine Endansicht einer Wickelscheibe mit Rippen in einer einschichtigen
Rippen-Ausgestaltung. Die Rippen bestimmen primäre Einkerbungen 27 als
den Abstand zwischen jeweils zwei aufeinander folgenden Rippen.
Die Rippen führen
das Rohr in die primären
Einkerbungen 27, während
das Rohr um den Kern herumgewickelt wird. Somit stellen die Rippen
eine Verbesserung gegenüber der
Ausgestaltung in 3 dar, weil die Rippen dabei helfen,
das Rohr während
des Wickelprozesses zu positionieren. Ferner gestatten die Rippen
das Aufwickeln auf einem Wickelkern, der über einen kleineren Innendurchmesser
verfügt.
Die Rippen sollten ausreichend dick sein, um Belastungsbrüche während des
Gießens
des Kerns oder ein Brechen während der
Herstellung des gewickelten Rohrbündels zu vermeiden. Typischerweise
sollte die Dicke nicht geringer sein als 0,508 mm (0,02 Zoll) für eine Anwendung in
Kardioplegie-Wärmetauschern.
Diese minimale Dicke vermeidet ferner das Auftreten von Formbarkeitsproblemen,
wie zum Beispiel die Möglichkeit
von Verzerrungen und die Bildung von Senklöchern während des Abkühlens.
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Während des
Wickelns der einschichtigen Rippen-Ausgestaltung werden bei jeder
vollständigen
Drehung des Rohrzubringers 26 um den Wickelkern 10 herum
zwei Reihen des Rohrs 30 abgelegt. Der Rohrzubringer legt
die zwei Reihen des Rohrs 30 auf im wesentlichen diametral
entgegengesetzten Seiten der Wickelscheibe ab. Nach jeder Drehung des
Rohrzubringers um den Kern herum wird der Kern um einen inkrementierenden
Winkel gedreht. Der inkrementierende Winkel ist die Winkelverschiebung
des Kerns und bestimmt die Stelle, an der die nächsten zwei Rohrreihen plaziert
werden. Für
einen Wickelkern mit einer Wickelscheibe wie in der 4 wird
der stufenweise zunehmende Winkel derart gewählt, dass der Kern sich um
eine Distanz dreht, die ausreicht, um es dem nächsten Wickelzyklus zu gestatten,
ein Rohr in der nächsten
Einkerbung oder den nächsten
gewünschten
mehreren Einkerbungen abzulegen. Eine Schicht um einen gerippten
Wickelkern herum ist fertig, nachdem der Wickelapparat das Rohr 30 in
sämtlichen
Einkerbungen um den 360-Grad-Umfang der Wickelscheiben herum abgelegt
hat. Zusätzliche
Schichten werden anschließend hinzugefügt, indem
zusätzliche
Reihen in den Einkerbungen über
den Reihen in der vorherigen Schicht plaziert werden. Somit stoßen Reihen
in nachfolgenden Schichten gegen entsprechende Reihen in den vorherigen
Schichten an, wobei sich die Reihen von der Achse des Kerns radial
nach außen
erstrecken.
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Unter
Verwendung der Rippen-Ausgestaltung in 4 kann ein
Wickelkern, der Wickelscheiben mit einem Außendurchmesser von 40,8 mm
(1,6 Zoll) aufweist, die für
Kardioplegie-Wärmetauscher typisch
sind, mit 42 Reihen von 1,02 mm (0,040 Zoll) Durchmesser eines Polyurethanrohres
bis zu einem Maximum von sechs Schichten umwickelt werden. Bei Anwendung
dieser Parameter sind insgesamt 252 geschnittene Rohre in dem fertiggestellten
Rohrbündel
vorhanden.
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Die 5 zeigt
eine Endansicht einer Wickelscheibe mit einer zweischichtigen Rippen-Ausgestaltung.
Die Ausgestaltung nutzt die zusätzliche Dicke
an der Außenkante
der Rippe, um eine zusätzliche
sekundäre
Einkerbung 28 zu positionieren. Die sekundären Einkerbungen 28 weisen
einen größeren Innendurchmesser
als die primären
Einkerbungen 27 auf, aber denselben Außendurchmesser. Deshalb halten
die sekundären
Einkerbungen 28 weniger Rohrschichten als die primären Einkerbungen 27. Vorzugsweise
ist die Dicke der Rippen nicht geringer als 0,508 mm (0,02 Zoll)
für eine
Anwendung in Kardioplegie-Wärmetauschern.
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Während des
Wickelns der zweischichtigen Rippen-Ausgestaltung werden anfänglich nur
die primären
Einkerbungen umwickelt. Nachdem die Rohrschicht in den primären Einkerbungen
den Innendurchmesser der sekundären
Einkerbungen erreicht hat, wird das Rohr sowohl in die primären Einkerbungen
als auch die sekundären
Einkerbungen gewickelt. An diesem Punkt wird eine Übergangsschicht erreicht.
Die Übergangsschicht
ist die erste Schicht, in der Rohre sowohl in die primären als
auch in die sekundären
Einkerbungen gewickelt werden. An der Übergangsschicht halbiert das
Kerndrehmittel den inkrementierenden Winkel des Wickelkerns. Das
Halbieren des inkrementierenden Winkels gestattet es dem Wickelapparat,
eine Rohrreihe sowohl in den primären als auch in den sekundären Einkerbungen zu
plazieren. Das Wickeln setzt sieh fort, bis die Schichten den Außendurchmesser
der Einkerbungen erreichen.
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Die
zweischichtige Rippen-Ausgestaltung verdoppelt die Anzahl und Dichte
von Rohren, wenn das Rohr sowohl in die primären als auch in die sekundären Einkerbungen
gewickelt wird, relativ zu der Anzahl und Dichte der einschichtigen
Rippen-Ausgestaltung.
Dadurch sorgt die zweischichtige Rippen-Ausgestaltung für eine effizientere
Raumausnutzung. Die erhöhte
Effizienz bedeutet, dass mehr Rohre in ein kleineres Volumen gewickelt
werden, was den Bereich der thermisch leitfähigen Kontaktoberfläche erhöht und deshalb
die thermische Effizienz einer Wärmetauschervorrichtung
oder die Gasaustauscheffizienz, falls das Bündel in einem Oxygenator verwendet
werden soll, steigert. Sie gestattet es auch, dass die das Rohrbündel verwendende
Vorrichtung über
ein kleineres Ansaugvolumen verfügt, weil
der Außendurchmesser
der Vorrichtung kleiner sein kann, was für die meisten Anwendungen medizinischer
Vorrichtungen wichtig ist.
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Bei
Verwendung der zweischichtigen Rippen-Ausgestaltung kann ein Wickelkern
für einen Kardioplegie-Wärmetauscher,
der Wickelscheiben mit einem Außendurchmesser
der Einkerbungen von 29,2 mm (1,15 Zoll) und einem Innendurchmesser der
primären
Einkerbungen von 11,9 mm (0,47 Zoll) aufweist und Polyurethanrohre
mit einem Durchmesser von 1,02 mm (0,040 Zoll) verwendet, acht Schichten
aufweisen. Die primären
Einkerbungen können mit
22 Reihen für
die ersten vier Schichten umwickelt werden. Die folgenden vier Schichten
weisen 44 Reihen aufgrund der kombinierten primären und sekundären Einkerbungen
auf. Bei Anwendung dieser Parameter sind insgesamt 264 geschnittene
Rohre in dem fertigen Rohrbündel
vorhanden.
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Die 6 zeigt
eine Endansicht der Wickelscheibe, die eine dreischichtige Rippen-Ausgestaltung
aufweist. Die dreischichtige Rippen-Ausgestaltung nutzt die verbleibende
Dicke an der Außenkante der
Rippe aus der zweischichtigen Rippen-Ausgestaltung in 5, um eine
zusätzliche
tertiäre
Einkerbung 29 unterzubringen. Dadurch integriert die dreischichtige
Rippen-Ausgestaltung
die primären
Einkerbungen 27 und die sekundären Einkerbungen 28 der
zweischichtigen Rippen-Ausgestaltung und fügt die tertiären Einkerbungen 29 zwischen
den primären
Einkerbungen 27 und den sekundären Einkerbungen 28 hinzu.
Die sekundären
Einkerbungen 28 verfügen über einen
Innendurchmesser, der größer ist
als bei den primären
Einkerbungen 27, und die tertiären Einkerbungen 29 verfügen über einen
Innendurchmesser, der größer ist
als bei den sekundären Einkerbungen 28.
Deshalb halten die sekundären Einkerbungen 28 weniger
Rohrschichten als die primären
Einkerbungen 27, und die tertiären Einkerbungen 29 halten
weniger Rohrschichten als die sekundären Einkerbungen 28.
Vorzugsweise ist die Dicke der Rippen für eine Anwendung in Kardioplegie-Wärmetauschern
nicht geringer als 4,548 mm (0,42 Zoll).
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Während des
Wickelns der dreischichtigen Rippen-Ausgestaltung wird das Rohr
anfänglich
nur in die primären
Einkerbungen gewickelt. Nachdem die Rohrschichten in den primären Einkerbungen
den Innendurchmesser der sekundären
Einkerbungen erreicht haben, wird das Rohr sowohl in die primären als
auch die sekundären
Einkerbungen gewickelt. An diesem Punkt ist eine erste Übergangsschicht
erreicht. Die erste Übergangsschicht
wird als die erste Schicht definiert, in der Rohre sowohl in die
primären als
auch in die sekundären
Einkerbungen gewickelt werden. An der ersten Übergangsschicht halbiert das Kerndrehmittel
den inkrementierenden Winkel des Wickelkerns. Dadurch plaziert der
Wickelapparat Rohrreihen sowohl in die primären als auch in die sekundären Einkerbungen.
Das Wickeln setzt sich dann fort, bis die Rohrschichten in den primären und sekundären Einkerbungen
den Innendurchmesser der tertiären
Einkerbungen erreichen. An diesem Punkt ist eine zweite Übergangsschicht erreicht.
Die zweite Übergangsschicht
ist die erste Schicht, in der die Rohre sowohl in die primären und
sekundären
als auch in die tertiären
Einkerbungen gewickelt werden. An der zweiten bergangsschicht halbiert
das Kerndrehmittel wieder den inkrementierenden Winkel des Wickelkerns.
Dadurch plaziert der Wickelapparat Rohrreihen in die primären, sekundären und
tertiären Einkerbungen.
Das Wickeln setzt sich dann fort, bis die Rohrschichten den Außendurchmesser
der Einkerbungen erreichen. Die dreischichtige Rippen-Ausgestaltung,
wie auch die zweischichtige Rippen-Ausgestaltung, verdoppelt die
Anzahl der Reihen und halbiert die inkrementierenden Winkel an jeder
bergangsschicht. Dadurch gestattet es die dreischichtige Rippen-Ausgestaltung,
dass mehr Rohre in einem dichteren Volumen aufgewickelt werden,
was wiederum die Bereiche der thermischen Kontaktoberfläche erhöht und deshalb
die thermische Effizienz der Vorrichtung steigert, wenn das Bündel als
Wärmetauscher
verwendet wird. Somit resultiert die dreischichtige Rippen-Ausgestaltung in
einer Vorrichtung mit einem noch kleineren Ansaugvolumen als die
einschichtige Rippen-Ausgestaltung oder die zweischichtige Rippen-Ausgestaltung.
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Bei
Verwendung der dreischichtigen Rippen-Ausgestaltung kann ein Wickelkern
für einen Kardioplegie-Wärmetauscher,
der Wickelscheiben mit einem Außendurchmesser
von 35,6 mm (1,40 Zoll) und einem Innendurchmesser von 13,7 mm (0,54
Zoll) aufweist und Polyurethanrohre mit einem Durchmesser von 1,02
mm (0,040 Zoll) verwendet, zehn Schichten aufweisen. Die primären Einkerbungen
können
mit 16 Reihen für
die ersten vier Schichten umwickelt werden. Die folgenden vier Schichten weisen
32 Reihen aufgrund der kombinierten primären und sekundären Einkerbungen
auf. Die letzten zwei Schichten weisen 64 Reihen aufgrund der kombinierten
primären,
sekundären
und tertiären
Einkerbungen auf. Bei Verwendung dieser Parameter sind insgesamt
352 geschnittene Rohre in dem fertigen Rohrbündel vorhanden.
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Der
Wickelapparat kann zusätzlich
eine Computersteuerung einschließen, die schematisch in der 7 dargestellt
ist. Die Computersteuerung reguliert das Kerndrehmittel und das
Zubringerdrehmittel. In der Ausführungsform
in 7 schließt die Computersteuerung
einen Computer 31, einen Zubringerschrittantrieb 33,
einen Zubringer-Schrittmotor 34, einen Kern-Schrittantrieb 33 und
einen Kern-Schrittmotor 39 ein. Die Rohrspule 22 kann
ferner mit einem Spulenschrittantrieb 37 und einem Spulenschrittmotor 38 versehen
sein. Der Computer 31 ist mit den Schrittantrieben verbunden.
Der Computer führt
die Wickel-Software aus und gibt Befehle an die Schrittantriebe
hinsichtlich darauf aus, wann jeder Motor aktiviert werden soll.
Die Schrittantriebe sind mit den Schrittmotoren verbunden. Die Schrittantriebe
initiieren dann die passende Winkelverschiebung der Schrittmotoren.
Die Schrittmotoren werden bevorzugt, weil ihre Drehung präzise gesteuert
werden kann, wodurch ein genaues Wickelmuster bei hohen Geschwindigkeiten
sichergestellt wird. Wenn zum Beispiel ein inkrementierender Winkel
von 22 Grad erforderlich ist, um ein Rohr in aufeinander folgenden
Einkerbungen im Kern abzulegen, wie durch Φ in der 6 dargestellt
ist, dann wird nach einer Wicklung des Rohrzubringers um den Kern
herum der Kern um 22 Grad gedreht. Der Schrittmotor ist in diesem
Beispiel so ausgestaltet, dass 22 Grad erzielt und genau eingehalten
werden. Eine geeignete Abfolge von Anweisungen würde wie folgt aussehen:
- 1. Ein Befehl zur Drehung um 22 Grad wird von der
Software in dem Computer 31 an den Kern-Schrittantrieb 35 ausgegeben;
- 2. Der Kern-Schrittantrieb 35 steuert den Kern-Schrittmotor 76 zur
Drehung um 22 Grad;
- 3. Ein Befehl zur Drehung um 360 Grad wird von der Software
in dem Computer 31 an den Zubringer-Schrittantrieb 33 ausgegeben;
und
- 4. Der Zubringer-Schrittantrieb 33 steuert den Zubringer-Schrittmotor 34 zur
Drehung um 360 Grad.
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Der
Prozess wiederholt sich dann, bis das Wickeln abgeschlossen ist.
Die Software steuert die Zeitabstimmung, die inkrementierenden Winkel
und die Anzahl von Wiederholungen um den Kern herum, um das Wickelmuster
des Bündels
zu steuern. Die Software kann derart implementiert werden, dass
ein externes Potentiometer 39 die Geschwindigkeit des Wickelprozesses
durch seine Verbindung mit dem Computer 31 steuern kann.
Die Software kann ferner so geschrieben werden, dass sie die Änderung
von Variablen, wie z. B. der Gesamtzahl von Wicklungen um den Kern 10 herum
und der Winkelverschiebung von einer Reihe zu der nächsten,
gestattet. Die Software kann ferner das Wickeln so einstellen, dass Übergangsschichten
für Kerne
mit gerippten Scheiben, die sekundäre und tertiäre Einkerbungen
aufweisen, erkannt und berücksichtigt
werden. Das gestattet es dem Wickelapparat 1, Bündel von
vielen verschiedenen Größen und
Mustern zu erstellen. In einer bevorzugten Ausführungsform implementiert der
Computer 31 eine Bündelausgestaltung
mit den geringsten Variablenänderungen.
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Beim
Betrieb des Wickelapparates 1 wird das Rohr 30 von
der Spule 22 durch den Rohrzubringer 26 geführt und
an dem Wickelkern 10 befestigt. Das Rohr 30 wird
vorzugsweise derart befestigt, dass das Ende des Rohrs 30 sich
nicht zwischen den zwei Wickelscheiben befindet. Das Rohr 30 kann
an dem Wickelkern 10 unter Verwendung eines Klebers, durch
Binden oder andere Mittel befestigt werden, die dem Fachmann wohlbekannt
sind. Das Zubringerdrehmittel 28 dreht den Zubringer um
die Wickelscheiben des Wickelkerns 10. Der Rohrzubringer 26 führt dadurch
das Rohr 30 um die erste Wickelscheibe 14 und
die zweite Wickelscheibe 16 des Wickelkerns 10 herum.
Jeder Zyklus ist eine vollständige Umdrehung
des Zubringers 26 um den Wickelkern 10 herum.
Jeder Zyklus ergibt zwei Rohrreihen, die auf den Wickelkern 10 gewickelt
werden. Nach jedem vollständigen
Zyklus um den Kern 10 herum dreht das Kerndrehmittel 20 den
Kern 10 um einen passenden inkrementierenden Winkel, so
dass die benachbarte Reihe auf die Schicht gewickelt werden kann. Der
inkrementierende Winkel ist der Grad der Drehung des Kerns 10,
der erforderlich ist, um den Rohrzubringer 26 mit dem Kern 10 auszurichten,
so dass die nächsten
gewickelten Reihen an die vorherige Reihe angrenzen. Wenn ein gerippter
Wickelkern verwendet wird, wird der Kern 10 so ausgerichtet
und der inkrementierende Winkel derart gewählt, dass die Ausrichtung zwischen
den Einkerbungen 19 und der Position aufrechterhalten wird,
an der das Rohr 30 den Rohrzubringer 26 verläßt. Der
Zyklus wird allgemein wiederholt, bis sich die Reihen um den Umfang des
Wickelkerns 10 herum erstrecken, wodurch die Schicht fertiggestellt
wird, obwohl dies in Abhängigkeit
von dem Wickelmuster variieren kann. Eine zweite Schicht wird dann
auf den äußeren Umfang
der ersten Schicht aufgetragen und so weiter.
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Wenn
ein Polyurethanrohr zum Wickeln verwendet wird, kann das Rohr klebrig
sein und von selbst haften, wenn es die Spule verläßt, was
zu einer ungleichmäßigen Spannung
in dem gewickelten Rohr führen
kann. Eine ungleichmäßige Spannung erzeugt
einen Durchhang in der Rohrleitung zwischen der Spule und dem Wickelkern,
was das Risiko erhöht,
dass das Rohr während
des Wickelns reißt, aus
seiner Form gedehnt wird oder schnappt. Daher kann der Wickelapparat
zusätzlich
ein Mittel zum Anlegen einer im wesentlichen konstanten Spannung an
das Rohr, während
das Rohr von der Spule gezogen wird, einschließen. Das Spannungsmittel hat
den weiteren Nutzen, dass Knicke in dem Lumen beseitigt werden,
während
das Rohr von der Spule genommen wird. Das Spannungsmittel schließt mindestens eine
Rolle ein, um welche herum das Rohr 34 gewickelt wird.
Eine Ausführungsform
des Spannungsmittels ist in den 8A und 8B gezeigt.
Die 8A liefert eine Draufsicht, und die 8B liefert eine
Seitenansicht einer Ausführungsform
des Spannungsmittels. Das Spannungsmittel 84 in 8A und 8B schließt einen
Spulenmotor 27, eine erste Rolle 42, eine zweite
Rolle 44 und eine dritte Rolle 46 ein. Das Rohr
wird von der Spule 22 um die erste Rolle 42, die
zweite Rolle 44 und die dritte Rolle 46 gewickelt
und dann durch zu dem Rohrzubringer, der nicht gezeigt ist. Während des
anschließenden
Wickelns ist die Geschwindigkeit der Rohrabgabe von dem Spulenmotor
etwas langsamer als die Geschwindigkeit, mit der das Rohr auf den
Kern gewickelt wird. Der Unterschied in den Geschwindigkeiten erzeugt
eine Spannung auf dem Rohr. Die Rollen sind beweglich angebracht
und durch Federn jeweils in die Richtung des ersten Pfeils 43,
des zweiten Pfeils 45 und des dritten Pfeils 47 für die erste
Rolle 42, die zweite Rolle 44 bzw. die dritte
Rolle 46 vorgespannt. Die Bewegung der Spannungsrollen
gleicht das Anheften der Rohre aus, indem der Durchhang aus der
Freigabe eines Rohres fortgenommen wird, das an der Spule anheftet.
Während
des Wickelns werden die Rollen durch die Spannung versetzt, die durch
den Motor 27 und den Rohrzubringer erzeugt wird, und übertragen
eine im Allgemeinen konstante Spannung über eine Entfernung, die zu
der Versetzung der Rollen proportional ist. Das Ausmaß der Versetzung
hängt von
der Länge
und Federkonstante für
jede Feder ab. Dadurch halten die Spannungsrollen eine im wesentlichen
konstante Spannung, sogar wenn das Rohr an der Spule anheftet.
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Das
Wickelmuster kann in Abhängigkeit
davon variieren, ob das Faserbündel
in einem Wärmetauscher,
Dialysator oder Oxygenator verwendet werden soll. In einer Ausführungsform,
die für
einen Kardioplegie-Wärmetauscher
verwendet wird, wird das Bündel
direkt über
jede Wickelscheibe des Kerns gewickelt, so dass das Rohr von einer
Einkerbung auf einer Seite des Kerns zu einer diametral gegenüberliegenden
Einkerbung gewickelt wird, wie in der 9A gezeigt
ist. Die erste abgelegte Reihe ist die Wickelreihe n. Die Wickelreihen
in dem Muster in 9A werden in diametral gegenüberliegenden Einkerbungen
abgelegt. Das führt
dazu, dass das Rohr um den Wickelstift 18 herum gewinkelt
und dagegen vorgespannt wird. Das stellt den kürzesten Abstand von einer Seite
des Kerns zu der anderen dar und minimiert deshalb die Rohrmenge,
die weggeworfen wird, nachdem die Wickelscheiben verschlossen und
geschnitten wurden. Nachdem die Reihe n abgelegt ist, wird der Kern
um einen inkrementierenden Winkel gegen den Uhrzeigersinn gedreht,
so dass der Rohrzubringer ausgerichtet wird, um das Rohr in die
Wickelreihe n + 1 zu wickeln. Während
die Zyklen sich fortsetzen, bauen sich die Schichten um den Wickelstift
an jedem Ende herum auf, um eine in der 13 gezeigte
Kuppel zu bilden. Bei etwa der vierten bis sechsten Schicht erreicht
die Kuppel eine Größe und einen
Winkel, bei dem die Oberflächenkontaktreibung
nicht mehr ausreichend ist, um die äußeren Rohrschichten daran zu
hindern, auf den Rohrkuppeln zu rutschen.
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Wenn
mehr als vier bis sechs Schichten erforderlich sind, sollte typischerweise
das Wickelmuster verändert
werden, um das Rutschen des Rohrs zu vermeiden, obwohl die Schicht,
bei der sich das Muster ändert,
von vielen Variablen abhängt,
die die Kernausgestaltung, Rohrgröße, das Rohrmaterial, die aufgebrachte Spannung
sowie andere Variablen einschließen, die von dem Fachmann erkannt
werden. Ein Beispiel dafür,
wie das Wickelmuster verändert
werden kann, ist in der 9B gezeigt.
Für exemplarische
Zwecke ändert
sich das Wickelmuster in der 9B nach
der vierten Schicht. Das Muster in 9B verwendet
den Wickelstift, um zu verhindern, dass das Rohr von der Kuppel
abrutscht. Das Rohr ist um den Wickelstift herum gewinkelt und spannt somit
das Rohr gegen den Stift vor und verhindert, dass das Rohr von der
Kuppel abrutscht. Ausschließlich
für exemplarische
Zwecke wurde in der 9B die Änderung des Wickelmusters an
der Übergangsschicht
vorgenommen. In der 9B ist die Übergangsschicht der Punkt,
an dem sich die Rohrzählung
von 22 Reihen pro Schicht auf 44 Reihen pro Schicht erhöht hat.
Die Änderung
des Wickelns, dargestellt in 9B, dreht
das Rohr gegen den Uhrzeigersinn um sechs Einkerbungen (mit 1 bis
6 numeriert), um zu verhindern, dass das Rohr von der Kuppel abrutscht.
Dieses Wickelmuster resultiert in zwölf Einkerbungen (mit 1 bis
6 und 1' bis 6' numeriert) ohne
Rohrreihen, wenn die nachfolgende Schicht anfängt, und zwölf Einkerbungen ohne Rohr,
nachdem das Wickeln abgeschlossen wurde. Abhängig von der Anwendung für das Rohrbündel kann
es möglich sein,
die letzten paar Einkerbungen auf der letzten Reihe offen zu lassen,
weil ein paar aus der Wicklung weggelassene Rohre keinen bedeutenden
Einfluss auf die Wärmeaustauschleistung
der Vorrichtung haben. Alternativ kann das Wickelmuster zu einer
dritten Konfiguration verändert
werden, wie in der 9C gezeigt ist, um die ohne
Rohre verbliebenen Einkerbungen zu füllen, nachdem das in der 9B gezeigte
Muster abgeschlossen wurde. Das Wickelmuster in 9C dreht
den Kern um ein Inkrement weniger als 360 Grad, so dass das Rohr
eine Drehung um 180 Grad um den Wickelstift herum macht. Somit werden
die benachbarten Reihen mit Rohrreihen gefüllt, bis sämtliche Einkerbungen eine Rohrreihe
aufweisen. Das wird in der 9C exemplarisch dargestellt,
indem die Wickelreihe n und die Wickelreihe n + 1 um den Kern abgelegt
werden, wobei jede Wickelreihe zwei Rohrreihen ablegt.
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In
einer weiteren Ausführungsform
des in der 10 gezeigten Wickelapparats
verwendet der Wickelapparat gleichzeitig zwei Spulen. Diese Ausführungsform
des Wickelapparats schließt
folgendes ein: einen Wickelkern 110, ein Kerndrehmittel 120, das
den Kern 110 in der Richtung des Pfeils 121 dreht,
eine erste Rohrspule 122, die ein erstes Rohr 130 hält, eine
zweite Rohrspule 123, die ein zweites Rohr 131 hält, einen
Rohrzubringer 126, der gleichzeitig das erste Rohr 130 und
das zweite Rohr 131 um den Kern 110 herum in der
Richtung des Pfeils 129 führt, und ein Zubringerdrehmittel 128 zum
Drehen des Zubringers um den Kern 110 herum. Die erste
Rohrspule 122 und die zweite Rohrspule 123 sind drehbar
befestigt, so dass eine Länge
des Rohrs von den Spulen gezogen werden kann. Die erste Spule 122 und
die zweite Spule 123 können
an einen Schrittmotor und Schrittantrieb angeschlossen werden, so
dass die Drehung der Spulen durch die Computersteuerung koordiniert
wird. Das erste Rohr 130 und das zweite Rohr 131 können aus
einem beliebigen biokompatiblen Material bestehen, das flexibel genug
ist, um dem Wickeln zu widerstehen, wobei die Rohre für Wärmetauscheranwendungen
typischerweise aus Polyurethan sind. Das erste Rohr 130 und das
zweite Rohr 131 können
einen Außendurchmesser
von 0,254 bis 2,54 mm (0,01 bis 0,10 Zoll) und eine Wandstärke von
0,025 bis 1,27 mm (0,001 bis 0,050 Zoll) aufweisen, haben aber vorzugsweise
einen Außendurchmesser
von 0,762 bis 1,14 mm (0,03 Zoll bis 0,095 Zoll) und eine Wandstärke von
0,0508 und 0,127 mm (0,002 Zoll und 0,005 Zoll) für Anwendungen
von Kardioplegie-Wärmetauschern.
Der Rohrzubringer 126 nimmt das erste Rohr 130 und das
zweite Rohr 131 von der ersten Spule 122 bzw. der
zweiten Spule 123 auf. Während der Rohrzubringer 126 sich
um den Wickelkern 110 herum dreht, werden das erste Rohr 130 und
das zweite Rohr 131 von ihren jeweiligen Spulen gezogen
und Ende über Ende
auf den Wickelkern 110 gewickelt, wie in der 10 gezeigt
ist. In dieser Ausführungsform
muß der
Rohrzubringer die Rohre so ausrichten, dass das erste Rohr 130 und
das zweite Rohr 131 in benachbarten Reihen auf dem Wickelkern 110 verteilt
werden. Außerdem
muß der
Wickelkern 110 über
eine gerade Anzahl von Einkerbungen verfügen. Der Wickelapparat zieht
Rohre von den zwei getrennten Spulen und wickelt sie auf den Kern.
Das Kerndrehmittel 120 dreht inkrementierend den Kern 110 um eine
Achse, die im wesentlichen parallel zu und auf derselben Ebene wie
die Drehachse des Rohrzubringers ist, so dass die Reihen des Rohrs 130 und
des Rohrs 131 gleichmäßig auf
jeder um den Kern 110 herum gewickelten Schicht verteilt
werden. In dieser Ausführungsform
kann doppelt so viel an Rohr auf den Kern gewickelt werden wie mit
der Ausführungsform,
die in der 1 gezeigt ist.
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In
einer weiteren Ausführungsform,
die nicht gezeigt ist, kann eine mit zwei oder mehreren Rohren umwickelte
Spule verwendet werden, um mehrere Rohre gleichzeitig aufzuwickeln.
Die Rohre müssen kontinuierlich
extrudiert und so auf der Spule plaziert werden, dass der Wickelapparat
die Rohre zu der gleichen Zeit von der Spule ziehen kann. Diese
Ausführungsform
erfordert einen Zubringer, der ausgestaltet ist, um die zwei oder
mehr Rohre auf einem Kern zu verteilen. Ferner erfordert die Ausführungsform
den Zusatz eines Kamms, um die Rohre vor dem Wickeln auf den Kern
zu trennen.
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Nach
dem Wickeln wird das Rohrbündel
von dem Wickelapparat genommen, und die Bündelanordnung wird in ein Gehäuse 50 plaziert,
das gestaltet ist, um das Bündel
aufzunehmen. Das Gehäuse 50 schließt typischerweise
einen Fluideinlaß 52 und einen
Fluidauslaß 54 ein,
die ausgestaltet sind, um es einem Fluid zu gestalten, durch das
Gehäuse 50 zu
dringen und die Außenoberfläche der
Rohre 30 zu berühren.
Eine auseinander gezogene Ausführungsform
des Gehäuses 50,
die ein verschlossenes Fasenbündel
einschließt,
ist in der 11 gezeigt. Das Gehäuse 50 ist
ausgestaltet, um das gewickelte Bündel aufzunehmen und in der
Endanwendung der Vorrichtung zu fungieren. Das gewickelte Bündel kann ein
wenig überdimensioniert
oder unterdimensioniert sein, um in das Gehäuse zu passen, je nachdem,
wie die Anwendung es erfordert. In einer bevorzugten Ausführungsform
ist das Bündel
um mindestens 0,072 mm (0,003 Zoll) überdimensioniert, um eine Fluidableitung
zu verhindern, die die Leistungsfähigkeit der Vorrichtung insbesondere
bei Stoffübertragungsvorrichtungen
beeinträchtigen
könnte.
Für Wärmetauscheranwendungen
ist eine derartige Überdimensionierung
jedoch nicht notwendig, weil eine Fluidableitung die Leistungsfähigkeit
der Vorrichtung nicht wesentlich beeinträchtigt.
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Das
gewickelte Bündel
wird an beiden Enden in dem Gehäuse 50 verschlossen.
Das Verschlußmaterial
wird in das Gehäuse 50 eingebracht,
das einen abgedichteten Fluidfließweg zwischen dem Fluideinlaß 52,
dem Gehäuse 50 und
der Außenoberfläche der
Rohre und dem Fluidauslaß 94 definiert.
Das Verschlußmaterial
ist vorzugsweise eine wärmehärtbare Polyurethanverbindung
oder ein ähnliches
Material. Bei der Bestimmung des abgedichteten Fluidfließwegs stellt
das Verschlußmaterial
ferner eine Barriere zwischen dem trans-lumenalen Raum, durch das Lumen
der Rohre, und dem abgedichteten Fluidfließweg außerhalb der Rohre bereit. In
einem Wärmetauscher
für eine
Blut-Kardioplegie-Vorrichtung trennt das Verschlußmaterial
den Wasserweg, analog zu dem abgedichteten Fluidfließweg, von
dem Blutweg, analog zu dem trans-lumenalen Raum. Zusätzlich fungiert
das Verschlußmaterial,
um das Bündel
in dem Gehäuse
zu sichern.
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Das
gewickelte Bündel
wird vorzugsweise an beiden Enden gleichzeitig unter Verwendung
einer Zentrifuge verschlossen, wie in der 12 gezeigt ist.
Das gleichzeitige Verschließen
verringert die Zeit, die benötigt
wird, um die Faserbündel
herzustellen, weil eine einzige Aushärtungsperiode anstelle von getrennten
Perioden für
das erste und zweite Ende des Bündels
verwendet werden kann. Beide Enden werden gleichzeitig verschlossen,
indem Verschlußkappen 66 auf
jedes offene Ende des das Faserbündel
enthaltenden Gehäuses
aufgesetzt werden. Die Verschlußkappen 66 bilden
eine Dichtung über
den Enden des Gehäuses 50,
die verhindert, dass das Verschlussmaterial während der Aushärtung entweicht.
Die Verschlußkappen 66 sind
vorzugsweise aus einem hydrophoben Material, wie z. B. Polypropylen,
Polyethylen oder PTFE, hergestellt oder damit beschichtet. Das hydrophobe
Material verhindert, dass das Urethan-Verschlußmaterial an den Verschlußkappen
haftet. Das Gehäuse 50 ist
in einem Rotor 6B angebracht, wie in der 12 gezeigt
ist. Der Rotor wird dann in der Zentrifuge so angebracht, dass das
Gehäuse 50 sich
um eine Achse Y herum dreht, damit das Verschlußmaterial in die Endkappen 66 gedrückt wird.
In der Ausführungsform
in 12 wird das Verschlußmaterial von einem Verschlußaufsatz 69 geliefert,
der eine von der Zentrifuge erzeugte Zentripetalkraft verwendet,
um das Verschlußmaterial
aus dem Aufsatz 69 und in die Endkappen 66 auf dem
Gehäuse 50 zu
ziehen. Somit wird das Verschlußmaterial
aus dem Aufsatz 69 über
den Einlaß 52 und
den Auslaß 54 des
Gehäuses 50 in
die Endkappen 66 gelenkt. Alternativ kann das Verschlußmaterial
aus dem Aufsatz 69 über
Rohre, nicht gezeigt, die den Verschlußaufsatz 69 mit den
Endkappen 66 verbinden, in die Endkappen 66 gelenkt
werden. Das Gehäuse 50,
das gewickelte Bündel,
die Endkappen 66 und der Verschlußaufsatz 69 werden mit
einer Geschwindigkeit zentrifugiert, die ausreicht, um die Verschlußmaterialien
an die Enden des Gehäuses
zu drücken
und eventuell eingeschlossene Bläschen
zu entfernen, Typischerweise liegt die aufgebrachte Kraft zwischen
dem 100-fachen und dem 220-fachen der Schwerkraft. Vorzugsweise
wird die Zentrifuge bei einer Temperatur über 25 Grad Celsius gehalten,
um die Aushärtung
zu beschleunigen. Die Zentrifuge wird zwischen 15 bis 60 Minuten
lang betrieben, abhängig
von der Zeit, die erforderlich ist, damit das Urethan ausreichend
für eine
sichere Handhabung vorbereitet ist. Diese Kraft stellt sicher, dass das
Urethan das Bündel
vollständig
durchdringt, sich an die Oberflächen
der Rohre 30, des Gehäuses 50 und
des Wickelkerns 1Q anheftet und aufgrund der Entgasung
während
der Aushärtung
des Urethans verhindert, dass sich Mikrobläschen bilden. Nach dem Zentrifugieren
wird die Vorrichtung bei 40 Grad Celsius mindestens 13 Stunden lang
weiter ausgehärtet.
Nach dem Aushärten
werden die Verschlußkappen 66 entfernt
und die verschlossenen Enden der Vorrichtung freigelegt.
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Die
verschlossenen Enden 71 werden mit einem Querschnitt 72 entfernt,
um das Lumen der Rohre freizulegen, wie in den 13A und 13B gezeigt
ist. Vor dem Schneiden kann die gesamte Anordnung erwärmt werden.
Das Erwärmen
des Bündels
erweicht das Bündel,
so dass das Schneiden der Enden leichter wird. Der Schnitt 72 wird
an jedem Ende der Vorrichtung vorgenommen und schneidet durch das
Verschlußmaterial
(nicht gezeigt), das Rohr 30, die Schneideeinlage 15 und
typischerweise den Wickelstift 18. Wenn der Wickelstift 18 aus
einem nicht schneidbaren Material besteht, dann muss der Stift 18 vor
dem Schneiden entfernt werden. Die Schnitte 72 werden auf
eine solche Art und Weise durchgeführt, dass an jedem Ende eine
gleichmäßige, flache
Oberfläche
gebildet wird. Die Schnitte 72 werden parallel zu der oberen
Oberflächenebene
der Vorrichtung vorgenommen. Die Schnitte 72 erfolgen proximal
zu den Falten, die während
des Wickelprozesses gebildet wurden. Die Falten werden an jedem Ende
des Bündels
erzeugt, wo sich das Rohr um die Schneideeinlage 15 biegt.
Deshalb ist es wünschenswert,
dass der Schnitt unterhalb der Falte vorgenommen wird, um sicherzustellen,
dass das Lumen der Rohre nicht verkleinert wird. Typischerweise resultiert
das in Schnitten 72, die etwa 0,83 mm (0,033 Zoll) über dem
oberen und unteren Rand des Gehäuses
erfolgen, das das verschlossene Bündel enthält. Die Schnitte 72 werden
mit einer zweiseitigen Mikrotom-Klinge oder einer ähnlichen
Schneidetechnik vorgenommen. Normalerweise weise wird ein erster
Grobschnitt durchgeführt,
um einen Großteil des
Materials zu entfernen, gefolgt von zwei oder drei Schnitten mit
einer Dicke zwischen 0,00254 und 0,127 mm (0,001 und 0,005 Zoll),
um die endgültige erwünschte Oberflächenbeschaffenheit
zu erhalten. Das Schneiden aus diese Art und Meise verhindert, dass
sich eine konkave Oberfläche
bildet, die aufgrund einer schlechten Fließdynamik und einer möglichen
Erzeugung von stockenden Bereichen, die sieh gegenüber dem
Blut als thrombogen erweisen könnten,
unerwünscht
sein kann. In einer bevorzugten Ausführungsform bestehen die Schneideeinlagen 15,
die Rohre und das Verschlußmaterial
aus demselben Material. Typischerweise ist das Material Polyurethan.
Die Verwendung desselben Materials erleichtert eine gleichmäßige Verformung
und erhöht den
Scherwiderstand während
des Schneideprozesses. Das stellt die Erzeugung einer relativ flachen Oberfläche sicher,
im Gegensatz zu dem Risiko eines Rutschens der Klinge, das beim
Durchschneiden von Materialien mit unterschiedlicher Härte stattfindet, und
der Gewelltheit der geschnittenen Oberfläche, die resultieren kann.
Eine typische gleichmäßige Härte, wie
z. B. Shore 65D, stellt sicher, dass während des Schneideprozesses
eine flache Oberfläche entsteht.
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Um
ein fertiggestelltes Faserbündel
zum Beispiel in einem Wärmetauscher
zu verwenden, werden Endkappen über
die geschnittenen Enden des Bündels
in dem Gehäuse
plaziert. Die erste Endkappe weist einen Bluteinlaß auf, und
die zweite Endkappe weist einen Blutauslaß auf. Die Endkappen sind derart
ausgestaltet, dass das Lumen der Rohre am ersten Ende mit dem Bluteinlaß und am
zweiten Ende mit dem Blutauslaß in
Verbindung steht. Im Betrieb wird Blut, das in den Bluteinlaß eintritt,
durch das Lumen der Rohre geleitet und verläßt die Vorrichtung über den
Blutauslaß.
Gleichzeitig wird ein Wärmeaustauschfluid
durch den Wassereinlaß geleitet, das
die Außenoberfläche der
Rohre berührt
und durch den Wasserauslaß austritt.
Dadurch wird Wärme
zwischen dem Blut und dem Wärmeaustauschmedium über die
Rohrwand der Rohre in dem Bündel
ausgetauscht.
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Das
in den oben beschriebenen Ausführungsformen
gebildete Bündel
ist für
die Verwendung als Wärmetauscher
in einem Blut-Kardioplegie-Kreislauf
geeignet, und die Abmessungen, die Rohre, der Oberflächenbereich
und andere Einzelheiten sind dafür
geeignet. Wie zuvor erwähnt,
können
das Verfahren und die Wickelvorrichtung der vorliegenden Erfindung
ferner verwendet werden, um Rohrbündel für Anwendungen wie z. B. Blut-Oxygenatoren
oder Hämokonzentratoren
herzustellen, die eine Stoffübertragungsvorrichtung
verwenden.
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Wenn
das vorliegende Verfahren und der Apparat verwendet werden, um einen
Blut-Oxygenator herzustellen, ist ein größerer Oberflächenbereich
der Rohre erforderlich als in den Ausführungsformen für die Verwendung
als Wärmetauscher.
Typischerweise können
Stoffübertragungsvorrichtungen
für einen Blut-Oxygenator über so wenig
Oberflächenbereich verfügen wie
z. B. 1,8 Quadratmeter. Die in Oxygenatoren verwendeten Rohre weisen
typischerweise einen Durchmesser von zwischen 0,457 bis 0,559 mm (0,018
bis 0,022 Zoll) auf. Die Rohre haben typischerweise eine nominale
Wandstärke
von 0,03 bis 0,20 Mikrometern und eine Porosität von etwa 40%. Bei diesen
Abmessungen würde
ein Oxygenator-Bündel mit
einem Oberflächenbereich
von 1,8 Quadratmetern etwa 14.800 Fasern einschließen, wenn
das Bündel
etwa 152 mm (sechs Zoll) lang wäre.
Das ergibt einen Bündeldurchmesser
von etwa 50,8 bis 127 mm (zwei bis fünf Zoll), je nach der gewählten Ausgestaltung
der Einkerbungen. Der kleinere Durchmesser dieser Ausgestaltung
geht mit einem geringeren Ansaugvolumen und deshalb geringerer Blutverdünnung einher.
Typischerweise wäre
in derartigen Anwendungen der Weg des Blutflusses außerhalb
der das Bündel
bildenden Hohlfasern oder Rohren.
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Ähnliche
Spezifikationen können
für Polymer-basierte
Hämokonzentratoren
und Dialysatoren verwendet werden. Das für diese Anwendungen verwendete
Rohr ist typischerweise ein Polymer, das ein Zellulose-basiertes
Polymer oder ein synthetisches Polymer sein kann. Das verwendete
Zellulose-Rohrmaterial kann Kupferseide, Viskoseseide und Zelluloseacetat
einschließen.
Das verwendete synthetische Rohrmaterial kann Polyvinylalkohol,
Ethylenvinylalkohol, Polysulfon, Polypropylen oder Polymethylmethacrylat
einschließen.
Das Rohr hat normalerweise einen Durchmesser von 300 μm bis 300 μm und eine Wandstärke von
5 μm bis
20 μm. Die
Gesamtausgestaltung für
Hämokonzentratoren
und Dialysatoren ist im allgemeinen dieselbe wie oben für Wärmetauscher
beschrieben. Im speziellen können
Hämokonzentratoren
und Dialysatoren eine ähnliche
Geometrie, ähnliche
Anzahl von Rohren und ähnliche
Oberflächengrößen aufweisen.
Typischerweise verläuft der
Blutfluß in
dem Hämokonzentrator
oder Dialysator durch das Lummen der Rohre, und die Dialyselösung oder
Salzlösung
läuft über die
Außenoberfläche der
Rohre.