DE2156295A1 - Wärmetauscher mit in Windungen verlaufender oder gefalteter Wärmeübertrag längswand - Google Patents

Description

dr. W.Schalk · dipl.-ing. P.Wirth · dipl.-ing. G. Dannenberg DR. V. SCHMIED-KOWARZIK · DR. P. WEI N HOLD · DR. D. GUDEL

6 FRANKFURTAM MAIN

CR. ESCHENHEIMER STRASSE 39

9. 11. 1971 US S.N. 91,477

Baxter Laboratories, Inc. Morton Grove, 111. .60053 U. S. A.

Wärmetauscher mit in Windungen verlaufender oder gefalteter

Wärmeübertragungswand

Bei Organperfusionen bzw. -durchströmungen ist eine kompakte Vorrichtung zum Wärmeaustausch zwischen getrennten strömenden Medien erforderlich, insbesondere zum Wärmeaustausch zwischen Blut und einem strömenden Medium für den Wärme transport. Eine derartige Wärmeaustauschvorrichtung ist ebenfalls zur Erwärmung oder Kühlung des Bluts eines Patienten bei Operationen und dergleichen brauchbar.

In der Sammlung "Transactions - American Society for Artificial Internal Organs", Band 6, S. 360-369 wird von Esmond u.a. ein Wärmetauscher aus rostfreiem Stahl für Blut beschrieben, der eine gewundene oder gefaltete Wärmeübertragungswand aufweist, durch welche zwei voneinander getrennte Reihen von sich nach entgegengesetzten Seiten öffnenden Taschen gebildet werden. Jede Reihe von Taschen bildet eine Vielfachströmungsbahn für je ein Medium, das vom anderen getrennt ist, wobei je ein Einzelströmungskanal der einen Vielfachströmungsbahn mit einem EinzelStrömungskanal der anderen Vielfachströmungsbahn abwechselt, wodurch eine große Oberfläche für den

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Wärmeaustausch in einem sehr kleinen Raum entsteht.

Diese bekannte Wärmetauschvorrichtung weist jedoch verschiedene Nachteile auf. Insbesondere sind die einzelnen Windungen oder Palten einer solchen gefalteten Wärmeübertragungswand

stark biegsam und federnd und können leicht seitlich nach hinten und vorn wie ein Zieharmonikabalg bewegt werden.

Hieraus ergibt sich, daß die durch die Windungen oder Palten gebildeten Strömungskanäle in den Taschen leicht unterschiedliche Dicken bzw. lichte Weiten annehmen können, insbesondere wenn zwischen den beiden Medien in den getrennten Strömungskanälen ein Druckunterschied besteht. Es ist daher bei der bekannten Vorrichtung schwierig, die Strömungskanäle auf einer für die beste Wärmeübertragung und den besten Wirkungsgrad der Strömung optimalen Dicke bzw. lichten Weite zu halten, weil die gefaltete Wärmeübertragungswand in hohem Maße biegsam ist.

Selbst wenn in den Taschen abwechselnde Stützzapfen vorgesehen sind, wie im USA-Patent 2,953|11O, kann dennoch eine wesentliche Veränderung der Dicke bzw. der lichten Weite der verschiedenen Strömungsbahnen sowohl infolge akkordeonartiger Biegung als auch durch Ausbiegung der Wände zwischen den Stützzapfen auftreten, wenn in den beiden Strömungsbahnen ein unterschiedlicher Druck herrscht. In den Vorrichtungen für Wärmeaustausch zwischen Blut und einem anderen strömenden Medium ist gewöhnlich ein Druckunterschied bis zu etwa 0,7 kp/cm zwischen den Medien vorgesehen.

Ferner kann bei den bekannten Vorrichtungen das Blut aus den öffnungen der Taschen in beachtlicher Menge frei austreten und in die nahe den Taschenöffnungen liegenden Zonen strömen, in denen die Strömungsgeschwindigkeit gering ist, und dort stagnieren und Klumpen bilden. Liegt eine große Menge solcher Blutklümpchen vor, so kann dadurch die Gerinnung des Bluts

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schnell fortschreiten, und es können Klumpen geronnenen Bluts in die Strömung des frischen Bluts gelangen und in dieser mitgeführt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die oben erwähnten Nachteile zu beseitigen.

Gemäß der Erfindung wird bei einer Wärmeaustauschvorrichtung eine gewundene oder gefaltete Wärmeübertragungswand verwendet, die eine erste Reihe und eine zweite von sich in entgegengesetzter Richtung öffnenden Taschen bildet, und besitzt jede Reihe einen Einlaß und einen von diesem getrennten Auslaß für ein strömendes Medium anschließend an das eine bzw. an das entgegengesetzte Ende jeder der Reihen von Taschenöffnungen. Zwischen jedem Medium-Einlaß und Medium-Auslaß sind Reihen von durchlaufenden Dichtungsrippen vorgesehen und in jede der Taschenöffnungen eingepaßt. Hierdurch wird eine Querbewegung der Falten der" Wärmeübertragungswand stark herabgesetzt, so daß die Strömungskanäle selbst bei relativ hohem Druckunterschied von 0,7 kp/cm und mehr zwischen den in den getrennten Reihen von Taschen strömenden Medien eine unveränderte Weite behalten. Die Dichtungsrippen verringern in hohem Maße das Wandern des Mediums, vor allem von Blut, von der Haupts tr ömungshahn innerhalb der Taschen heraus in Zonen nahe den Taschenöffnungen, ,in denen die Strömung stagniert, wodurch weitgehend vermieden wird, daß größere Mengen von Blutklumpen in der Wärmeaustauschvorrichtung entstehen.

Ein weiterer Vorteil der Vorrichtung nach der Erfindung liegt darin, daß sie unabhängig von mäßigen Druckänderung en in den Strömungskanälen mit konstantem Volumen in den Strömungskanälen arbeitet. Dies ist vor allem bei chirurgischen Operationen von Bedeutung, damit die in der Wärmeaustauschvorrichtung nach der Erfindung vorhandene Blutmenge ohne Berechnung leicht bestimmt werden kann.

Nachstehend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert, und zwar zeigt:

Fig. 1 eine Draufsicht auf die Wärmeaustauschvorrichtung nach der Erfindung zur Darstellung einer der Sammelanschlußköpfe;

Fig. 2 eine Vorderansicht der Wärmeaustauschvorrichtung nach der Erfindung zur Darstellung "beider Sammelanschlußköpfe und eines Teils der gewundenen bzw. gefalteten Wärmeübertragungswand;

Fig. 3 einen lotrechten Querschnitt durch die Vorrichtung nach Pig. 2 zur Darstellung von Einzelheiten der gefalteten Wärmeübertragungswand und des allgemeinen Verlaufs der Strömungswege von getrennten Medien durch die Wärmeaustauschvorrichtung hindurch;

Pig. 4 eine Ansicht des durch die Linie 4-4 der Pig. 3 bezeichneten Bereichs einesbei der Vorrichtung nach der Erfindung verwendeten Sammelanschlußkopfes von unten zur Darstellung der Innenseite eines Sammelanschlußkopfes, mit der dieser gegen die Bogen bzw. Faltenkämme der Wärmeübertragungswand angedrückt ist und diese festhält, und

Fig. 5 einen Querschnitt nach der linie 5-5 der Fig. 2 und 3.

In den Zeichnungen ist ein Wärmetauscher dargestellt, bei dem zwei Sammelanschlußköpfe 10, 12 Windungen 14 einer Wärmeübertragungswand 16 dichtschließend umklammern und festhalten. Die Sammelanschlußköpfe 10, 12 können aus einem elastomeren Material hergestellt sein, am besten aus Silikon-Kautschuk oder anderem antithrombogenen Material, z.B. geeignete Polyurethan-Verbindungen oder andere thermoplastische oder vernetzte elastomere Materialien.

Jeder der Sammelanschlußköpfe 10, 12 weist je einen Einlaß 18 bzw. 18a sowie je einen Auslaß 20 bzw. 20a auf, ferner eine

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Vielzahl von durchlaufenden Dichtungsrippen 22 bzw. 22a, die in die Öffnungen der durch die gefaltete Wärmeübertragungswand 16 gebildeten, sich in entgegengesetzter Richtung öffnenden Taschen 24 bz2. 24a passen. Die Rippen 22 bzw. 22a verankern die einzelnen Bogen der Windungen 14 der Wärmeübertragungswand 16 und verhindern deren seitliche Bewegung, woraus sich die oben beschriebenen Torteile ergeben. Die Rippen 22 bzw. 22a sind so bemessen und genügend elastomer und elastisch, um an der Öffnung jeder der Taschen 24, 24a einen strömungsdichten Yerschluß zu bilden und dadurch zu verhindern, daß das strömende Medium, insbesondere Blut, durch die Taschenöffnungen in Zonen 26, 26a mit stagnierender Strömung austritt, in denen die Strömung durch die Vorrichtung hindurch wesentlich verringert ist und Blutverklumpung auftreten kann.

Es ist leicht einzusehen, daß der eine Anschlußkopf, nämlich derjenige, der nicht die Blutströmungsbahn (sondern die andere Strömungsbahn) abdichtet, die Taschenöffnungen nicht so unbedingt sicher abdichten muß wie derjenige Anschlußkopf, der die Blutströmungsbahn abdichtet; jedoch ist es im allgemeinen zweckmäßig, beide Sammelanschlußköpfe aus gleichem Werkstoff und in ein- und derselben Form zu formen.

Jeder der Anschlußköpfe weist Außenwände 28 bzw. 28a solcher Form auf, daß an den äußeren Faltenstegen bzw. Windungen der Wärmeübertragungswand angreifen und einen sowohl gegen das strömende Medium dichten Verschluß herstellen als auch die Palten in der richtigen Lage halten.

Pig. 3 zeigt den Verlauf der Strömung zweier getrennter Medien in zwei nach gegenüberliegenden Seiten bzw. Anschlußköpfen hin ausgerichteten Taschen 24, 24a. Das eine Medium, vorzugsweise Blut, gelangt durch den Einlaß 18 in die Wärmetauschvorrichtung und wird im Verteilerraum 30 verteilt, wodurch das Blut

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in jede mit dem Raum 30 in Verbindung stehende Tasche 24 gelangt. Die Blutströmungsbahn ist durch Pfeile 32 dargestellt, die zeigen, wie das Blut in jede der Taschen 24 gelangt, und waagerecht die Taschen entlang ihrer Längsrichtung durchströmt, wobei es durch die fortlaufenden Dichtungsrippen 22 daran gehindert wird, aus den Öffnungen jeder der Taschen 24 auszuströmen, wonach es im Sammelraum 34 gesammelt wird und durch den Auslaß 20 nach außen gelangt.

In gleicher Weise gelangt ein strömendes Medium, vorzugsweise eine Wärmeaustauschflüssigkeit wie z.B. eine Kochsalzlösung, durch einen zweiten Flussigkeitseinlaß 18a, der mit jeder der Taschen 24a in Verbindung steht. Die Strömungsbahn ist durch gestrichelte Pfeile 36 dargestellt, da sie hinter einem Steg der gefalteten Wärmeübertragungswand 16 liegt; nur in einem Bereich, in dem ein Teil der Wand 16 zur besseren Darstellung weggebrochen ist, wird ein Teil einer Tasche 24a in Fig. 3 direkt gezeigt. Die Strömungsbahn 36 der Wärmeübertragungsflüssigkeit verläuft ähnlich wie die Bahn 32 entlang jeder der Taschen 24a, und die Flüssigkeit gelangt durch den Flüssigkeit sauslaß 20a aus dein Wärmetauscher heraus.

Jede Tasche 24 ist in enger Berührung mit mindestens einer und gewöhnlich zwei der Taschen 24a. yfexm also das Blut durch die Taschen 24 und das Wärmetauschmedium durch die Taschen 24a strömt, erfolgt ein Wärmeaustausch zwischen beiden Medien durch die gefaltete Wand 16 hindurch, ohne daß die beiden Medien miteinander vermischt werden.

Das Wärmeübertragungsmedium wird gewöhnlich von einer großen Fluss igke its quelle geliefert, in der die Temperatur von außen wie gewünscht geregelt wird, und die beiden Strömungsgeschwindigkeiten werden so eingestellt oder geregelt, daß das Blut die gewünschte Temperatur hat, wenn es den Auslaß 20 erreicht.

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Die Enden der gefalteten Wärmeübertragungswand 16 sind mit einem Dichtungsmittel 35 ausgefüllt, tun Leckverlust an strömendem Medium an den Enden der Taschen 24 und 24a zu verhindern. Ein derartiges Dichtungsmittel ist vorzugsweise ein handelsübliches Organosilikon-Elastomer (organische Siliziumverbindung), welche(s) bei Zimmertemperatur vulkanisiert. Die Bereiche zwischen den Seitenteilen der Außenwände 28 bzw. 28a jedes der Anschlußköpfe und der gefalteten Wärmeübertragungswand 16 sind gleichfalls mit in deren Längsrichtung verlaufenden Dichtungsstreifen 37 (z.B. aus Teilchen aus Dichtungsmasse) ausgefüllt, um Leckverlust zu verhindern. Zwischen den beiden Dichtungsstreifen besteht jedoch ein Zwischenraum, wodurch ein Teil der gefalteten Wand 16 nach außen freigelegt ist, damit die Gefahr weiter verringert wird, daß das strömende Medium von einer Strömungsbahn in die andere sickert.

Zur zusätzlichen Verankerung der Bogen der Wand 16 und zur besseren Aufnahme und Halterung des Dichtungsmittels 35 sind Verlängerungen 38 der Rippen 22 und 22a vorgesehen, die in die Enden der Öffnungen der Taschen 24, 24a passen. Diese Dichtungsverlängerungen 38 sind zur Aufnahme des Dichtungsmittels 35 nach außen hin keilförmig verjüngt (Fig. 3). Die Dichtungsverlängerungen und das Dichtungsmittel 35 schaffen eine feste Dichtverbindung der Enden der Anschlußköpfe 10, 12 mit den Enden der Wand 16 und verhindern unerwünschtes seitliches Spiel •zwischen diesen Teilen und zufälliges sich Ablösen der Anschlußköpfe.

Bei dem Wärmetauscher nach der Erfindung verläuft die Strömung der beiden Medien im Gegenstrom. Dies ist die bevorzugte Ausführung; die Strömung kann jedoch auch gleichsinnig verlaufen, so daß beide Medien in der gleichen Richtung strömen.

Am Ende jedes der Einlasse 18, 18a und der Auslässe 20, 20a ist je ein Plansch 40 ausgebildet. Hierdurch kann die Verbindung mit einem anderen mit einem Jlansch versehenen Rohr hergestellt und der Wärmetauscher nach der Erfindung mit einer

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Organperfusionsvorrichtung, einer Quelle für das Wärmeaustauschmedium, Blutleitungen oder einem beliebigen gewünschten Gerät verbunden werden. Die Planschen 40 können mit einem anderen mit einem Plansch versehenen Rohr mittels einer beliebigen Verbindungseinrichtung verbunden sein, etwa einer Einrichtung nach dem USA-Patent 3,456,965.

Diejenige Oberfläche der gefalteten Wand 16, die mit dem Blut in Berührung gebracht wird, ist gewöhnlich mit einem dünnen Überzug eines Silikonharzes oder Elastomers versehen, woduash die Wand 16 antithrombogen wird.

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Claims (2)

1. Baxter Laboratories, Inc. 3 PW/ks

   Morton Grove, 111. 60053 9.11.1971

   U. S. A.

   Patentansprüche

   Wärmetauscher, insbesondere für Organperfusion, z.B. Bluterwärmung, mit einer in Windungen verlaufenden bzw. gefalteten Wärmeübertragungswand, durch die eine erste und eine zweite Reihe von Taschen gebildet werden, die ihrerseits Strömungskanäle bilden, bei denen die Taschen der ersten Reihe sich mit ihren Öffnungen in entgegengesetzter Richtung zu den Taschen der zweiten Reihe öffnen, dadurch gekennzeichnet, daß an entgegengesetzten Enden der Öffnungen der Taschen (24 bzw. ZAb.) bzw. der Taschen jeder der beiden Taschenreihen je ein Einlaß (18 bzw. 18a) und je ein Auslaß (20 bzw. 2Oa) für je ein strömendes Medium je Reihe vorgesehen ist, und daß zwischen je einem Einlaß und je einem zugehörigen Auslaß für jede Reihe von Taschen eine Reihe von ununterbrochenen Dichtungsrippen (22 bzw. 22a) angeordnet ist, die in die Öffnungen der Taschen der zugehörigen Reihe von Taschen eingepaßt sind und eine unveränderliche lichte Weite der durch die Taschen gebildeten Strömungskanäle aufrechterhalten, wobei sie Querbewegungen der Falten der Wärmeübertragungswand (16) verhindern und die Taschen zwischen dem zugehörigen Einlaß und Auslaß fest abdichten.
2. 2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η - zeich· net, daß bei jeder der Reihen von Taschen (24 oder 24a) die ununterbrochenen Dichtungsrippen (22 oder 22a), welche den Öffnungen der Taschen der einen bzw. der anderen Reihe in einer entsprechenden Reihe zugeordnet sind, und sowohl der Einlaß (18 oder 18a), der dieser

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   Taschenreihe zugeordnet ist, als auch der Auslaß (20 oder 20a), der dieser Taschenreihe zugeordnet ist, gemeinsam durch einen Sammelanschlußkopf (10 oder 12) aus elastomerem Material, vorzugsweise in einem Stück je Reihe gebildet sind, der über die zugehörige Taschenreihe paßt.

   Torrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Stirnenden der gefalteten Wärmeübertragungswand (16) mit einem Dichtungsmittel (35) abgedichtet sind, das Leckverlust an strömendem Medium an den Stirnenden der Taschen verhindert.

   Wärmetauscher nach Anspruch 3» dadurch g e k e η η zeichnet, daß an den Stirnenden jedes der Sammel— anschlußköpfe (10, 12) getrennte Verlängerungsstücke (38) der Dichtungsrippen (28, 28a) passend und dichtend in die Taschen (24, 24a) eingesetzt und zur Aufnahme des"" Dichtungsmittels (35) nach außen schräg abgesetzt sind.

   Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Seitenteile der Außenwände der Sammelanschlußköpfe (10,12) durch Dichtungsmasse oder -perlen (37) mit der gefalteten Wärmeüb er tr agungawand (16) verbunden sind und diese Dichtverbindungen derart in Abstand voneinander angeordnet sind, daß zwischen diesen Teile der Wärmeübertragungswand nach außen freigelegt sind.

   Der Patentanwalt

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