DE2523236A1

DE2523236A1 - Verfahren und vorrichtung zur gewaehrleistung eines waerme- und/oder masseuebergangs zwischen zwei fluiden

Info

Publication number: DE2523236A1
Application number: DE19752523236
Authority: DE
Inventors: Brian John Bellhouse
Original assignee: Johnson and Johnson
Current assignee: Johnson and Johnson
Priority date: 1974-05-24
Filing date: 1975-05-26
Publication date: 1975-12-11
Also published as: GB1505901A

Description

MÜLLER-BORE · GROENING · DEUFEL · SCHÖN HERTKL

PATENTANWÄLTE MÜNCHEN - BRAUNSCHWEIG - KÖLN M.W QROENING, D^L.-INQ - MÜNCHEN NAOHGEREOhTr" i DR ^a schön, d.pl-chsm. - München

J/J 10-41

Johnson & Johnson
501 George Street
New Brunswick, N.J-, USA

Verfahren und Vorrichtung zur Gewährleistung eines Wärme- und/oder Masseübergangs zwischen zwei Fluiden

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bewirkung eines Wärme- und/oder Masseübergangs zwischen zwei Fluiden über eine Membran und bezieht sich insbesondere auf eine Vorrichtung zur Blutoxygenierung und zur Blutdialyse.

Bei vielen biologischen und industriellen Prozessen und Verfahren wird vom Masse- und/öder Wärmeübergang von einem Fluid auf ein anderes,durch eine Membran getrenntes Fluid Gebrauch gemacht. Als besondere Beispiele sei auf die künstliche Lunge, eine künstliche Niere und einen Blutwärmeaustauscher hingewie-

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MUXCIIEX 80 · SIEBEHTSTn.4 · POB 86O7S0 · KABEL: MUEBOPAT · TEL·. (089) 471079 · TELEX: 0-82809

sen. In einer künstlichen Lunge wird Blut von gasförmigem Sauerstoff oder einem anderen sauerstoffreichen Fluid durch eine dünne permeable Membran getrennt. Der Sauerstoff gelangt über die Membran in das Blut,und das Kohlendioxid wird in umgekehrter Richtung aus dem Blut freigesetzt. Bei einer künstlichen Niere wird das sauerstoffreiche Fluid durch ein dialysierendes Fluid ersetzt, und zur Dialyse wird eine speziell dafür geeignete benetzbare durchlässige Membran verwendet.

Seit der Entwicklung der ersten Membran-Blutoxygenier- und Dialysiergeräte wurden die Membranen zunehmend dünner und in ihrem Wirkungsgrad verbessert. Es hat sich jedoch gezeigt, daß der durch das in Kanälen oder Röhren fließende Blut bewirkte Widerstand den Anteil des Masseübergangs über die Membran stark beeinträchtigt. Der Wirkungsgrad dieser Austauschvorgänge hängt sowohl von der Permeabilität der Membran, die die beiden Fluide trennt, als auch von der Leichtigkeit ab, mit der sich die zu übertragende Stoffart (d. h. z. B. Sauerstoff oder Kohlendioxid im Falle eines Oxygenators oder einer künstlichen Lunge) in den Fluiden verteilen läßt bzw. in diese eindiffundiert. Da Sauerstoff im Blut relativ unlöslich ist, diffundiert es sehr langsam, und der Wirkungsgrad einfacher künstlicher Lungen ist sehr gering. Wird das Blut im Inneren der Blutkanäle jedoch gut gemischt, so läßt sich der Sauerstoff übergang sehr stark beschleunigen.

Durch die gleiche Anmelderin wurde bereits ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Vergrößerung des Blutmischungsgrades und zur Erhöhung des Massedurchsatzes über die Membran vorgeschlagen. Insbesondere weist die vorgeschlagene Vorrichtung Blutkanäle mit furchenartig gewellten Oberflächen auf, wobei durch diese Oberflächen eine gewisse Pulsierung des Blutes erreicht wird, so daß in den gebildeten Hohlräumen Wirbel entstehen, durch die eine gute Durchmischung des Blutes und damit eine Ver-

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größerung des Gasübergangs erreicht wird. Insbesondere weist die Vorrichtung zur Bewirkung eines Wärme- oder Masseübergangs zwischen zwei Fluiden über eine Membran bei der bereits vorgeschlagenen Art einen Führungskanal für ein Fluid auf, der mindestens zum Teil durch die Membran gebildet wird, wobei sich der Querschnitt bzw. der Verlauf dieses Führungskanals in einer zur Hauptströmungsrxchtung des Fluids senkrechten Ebene periodisch ändert, und zwar inhärent oder in Abhängigkeit von dem darin auftretenden Fluiddruck in solcher Weise, daß sich, bei der sich einstellenden pulsierenden Fluidströmung entlang der Hauptströmungsrxchtung eine Bewegungskomponente ergibt und induziert wird, die wechselseitig senkrecht steht zur Oberfläche der Membran und zur Strömungsrichtung.

Bei einer bevorzugten im Zusammenhang mit der erwähnten bekannten Vorrichtung beschriebenen Ausführungsform ändert sich die Konfiguration bzw. der Querschnitt des Führungskanals periodisch entlang der Hauptströmungsrxchtung (entweder inhärent oder aufgrund des Fluiddrucks), um eine Abtrennung und Wiederanlegen der Strömung an einer Mehrzahl von Zonen im Inneren des Führungskanals zu bewirken, wobei eine Sekundärströmung in diesen Zonen induziert wird. Die Zonen, die in ihrem Verlauf bzw. Querschnitt beträchtlich variieren können, sind im allgemeinen voneinander durch Strömungshindernisse bzw. Kanalverengungen getrennt .

In einer Beschreibung der erwähnten vorgeschlagenen Vorrichtung zur Gewährleistung eines Wärme- oder Masseübergangs ist ausgeführt, daß sich eine Strömungsablösung ergibt, wenn das Fluid über eine Kanalverengung pulsiert, während Annäherungen an eine Verengung ein Wiederanlegen (an die Kanalwandung) ergeben, und sich in der Zone zwischen den Verengungen eine Gegenströmung ausbildet. Diese Gegenströmungen, die den Grenzschichteffekt vermindert, nehmen im allgemeinen die Form von Wirbeln an, deren Achsen quer zur Hauptströmungsrxchtung liegen.

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Es wurde weiter ausgeführt, daß sich die Wirbel vornehmlich während der Verzögerung des Fluids ausbilden, das einer Pulsation ausgesetzt war, und daß die Wirbel während der Beschleunigungsphase zum Austreiben neigen.

Die Oberfläche des Führungskanals, also üblicherweise die Membranoberfläche, kann in der Hauptströmungsrichtung variieren um die Zonen entweder intermittierend oder vorzugsweise kontinuierlich aufeinanderfolgend (beispielsweise mittels einer gewellten Membranoberfläche)zu erhalten. Diese Zonen können eine Vielzahl von Formen und Querschnitten aufweisen. Insbesondere können sie sich über die Oberfläche des Führungskanals quer zur Strömungsrichtung erstrecken, um Furchen zu bilden, oder sie können als lokale Eindruckstellen erscheinen, etwa als Vertiefungen in der Oberfläche eines Führungskanals. Diese Einbuchtungen weisen vorzugsweise gekrümmte Grundflächen auf und sind zweckmäßigerweise halbkugelförmig.

Es sei besonders betont , daß die Strömung in

dem Führungskanal - wenn das Fluid Blut ist - nicht turbulent sein darf, um Schaden sicher zu vermeiden. In Weiterentwicklung des bereits vorgeschlagenen Verfahrens und der dafür geeigneten Vorrichtung liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Strömungsverhältnisse in dem einen Fluidführungskanal, insbesondere dem blutführenden Führungskanal, so zu verbessern, daß im wesentlichen keine Turbulenz auftritt.

Die Lösung dieser technischen Aufgabe ergibt sich erfindungsgemäß durch das im Patentanspruch 1 angegebene Verfahren , dessen einzelne Verfahrensschrxtte gemäß den Merkmalen von Unteransprüchen vorteilhaft weitergebildet sein können.

Die Merkmale einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Gewährleistung eines Wärme- oder Masseübergangs bei ausgezeichneten

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Strömungsverhältnissen gibt der Patentanspruch 12 an, für den ebenfalls vorteilhafte Weiterbildungen durch Unteransprüche gekennzeichnet sind.

Bei Anwendung der Erfindung werden ausgezeichnete Übergangswerte zu oder von einem Fluid,insbesondere von Blut erreicht, wenn der bereits erwähnte Grundaufbau für den einen Fluidführungskanal vorgesehen, gleichzeitig jedoch eine pulsierende Strömung bewirkt wird, die eine niedrige Schwankungsamplitude im Vergleich zur mittleren Durchflußleistung bzw. Durchflußmenge aufweist. Diese pulsierende Strömung wird vorzugsweise durch eine Rollen- oder Walzenpumpe bewirkt.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung besteht in einer Vorrichtung zur Bewirkung eines Wärme- und/oder Masseübergangs, bei der die bereits erwähnte Wirbelbildung auftritt, die jedoch überraschenderweise gleichwohl voll zufriedenstellend arbeitet, wenn - bewirkt durch Walzenpumpen - eine pulsierende Strömung mit geringer Schwankungsamplitude erzeugt wird. Es wurde also gefunden, daß Wirbel durch Vorbeistreichen eines Fluids an einer Oberfläche mit Hohlräumen erzeugt werden können, etwa über Oberflächen der bereits beschriebenen Art, wobei sich bestimmte kontinuierliche Strömungsbedingungen ergeben, die durch eine Walzenpumpe im Gegensatz zu der umkehrenden Strömung erzeugt werden. Diese kontinuierlichen Strömungsbedxngungen unterscheiden sich jedoch von der vollständig gleichförmigen Strömung; wie sie beispielsweise aufgrund der Schwerkraft auftritt, wenn ein konstanter Zulaufbehälter verwendet wird.

Sowohl bei der umkehrenden Strömung,als auch bei der kontinuierlichen Strömung im hier verwendeten Sinn, tritt eine leicht schwankende pulsierende Strömung auf, wobei der beschleunigende Strömungsanteil zu einer Fluidverschiebung in den Hohlräumen führt,und sich während der Verzögerungsphase gut Wirbel bilden.

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Die umkehrende Störmung ermöglicht eine Wirbelbildung, sogar dann, wenn die mittlere Geschwindigkeit gering ist, weil die Spitzengeschwindigkeiten höher liegen, und die Beschleunig gungs- und Verzögerungsphasen der auftretenden Impulse eine gute Fluidmischung unterstützen. Bei einer leicht schwankenden pulsierenden Strömung mit geringer Strömungsgeschwindigkeit jedoch bilden sich die Wirbel nur durch Reibung, wobei sich ein vernachlässigbarer Austausch zwischen dem Fluid in den jeweiligen Hohlräumen und dem Fluid in den Hauptstrom ergibt. Überraschenderweise tritt bei bestimmten etwas höheren Zwischengeschwindigkeiten ein beträchtlicher Fluidaustausch zwischen den Wirbeln und der Hauptströiroing auf, selbst bei relativ kleinen Störungen aufgrund der Walzenpumpe, die wesentlich stärkere Wirbel erzeugt. Bei sehr viel höheren Geschwindigkeiten wird die Strömung turbulent_f wodurch empfindliche Flüssigkeitszusammensetzungen, wie etwa Blut_r möglicherweise beschädigt werden könnten.

Es ist zu fordern, daß die bei mittlerer leicht pulsieren-^· der, kontinuierlicher Strömung auftretenden Wirbel besonders wirksam zur Mischung von Blut sind, da sie konvektiv erzeugt werden, d.h. entweder durch kontinuierlich oder rasch, wechselnde Einström- und Ausströmvorgänge. Diese Wirbel bilden sich nur, wenn die Strömungsgeschwindigkeit hoch genug liegt^ um Viskositätseffekte zu überwinden^, die. dazu neigen_f. die Grenzschicht an der gewellten Wand des Fluidführungskajials festzuhalten.

Die Wirbelbildung wird bei einer leicht pulsierenden Strömung dann beobachtet, wenn die Reynolds-Zahl —^ einen Wert von etwa 200 erreicht, wobei mit U die Geschwindigkeit des strömenden Fluids im Kanal, mit ν die kinematische Zähigkeit und mit ρ der Hohlraumabstand _f d.h. die Teilung oder der Abstand zwischen den einzelnen Verengungen bzw, Wülsten bezeichnet sind. Für Wasser gilt bei 1 mm tiefen halbzylindrischen Hohlräumen oder Aushöhlungen, daß die mittlere Geschwindigkeit nur 3 cm/sec

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übersteigen muß, vorzugsweise jedoch mindestens 10 cm/sec betragen sollte, um konvektive Wirbel zu bilden. Für mittlere Geschwindigkeiten unter etwa 50 cm/sec wird keine nennenswerte Turbulenz beobachtet, jedoch sollte die mittlere Geschwindigkeit vorzugsweise nicht mehr als 30 cm/sec betragen, um sicherzugehen, daß irgendwelche nennenswerte Turbulenz vermieden wird. Diese Obergrenze für die mittlere Geschwindigkeit von 30 cm/sec entspricht einer Reynolds-Zahl, wie sie oben definiert wurde, von etwa 3000. Das Verhältnis der Teilung (also des Abstandes der einzelnen Vertiefungen bzw. Kämme des gewellten Führungskanals) zur Tiefe der Hohlräume oder Vertiefungen sollte wenigstens etwa 2:1 betragen, und im allgemeinen unter etwa 8:1 liegen. Ein Bereich von etwa 5:1 und insbesondere ein Wert von etwa 4:1 werden bevorzugt.

Es wurde beobachtet, daß sich Wirbel konvektiv auch dann bilden, wenn eine gleichmäßige Strömung in der erfindungsgemäßen Vorrichtung beispielsweise unter Verwendung eines konstanten Vorlaufbehälters angewendet wird. Um den Effekt zu erreichen, sind jedoch wesentlich höhere mittlere Geschwindigkeiten in der Größenordnung von 30 cm/sec erforderlich. Zusätzlich muß die auf der Kanalweite basierende Reynolds-Zahl den Wert 2000 überschreiten, wenn Turbulenz vermieden werden soll.

Für einen Oxygenator ist es notwendig, einen großen Flächenbereich und einen niedrigen Widerstand zur Verfügung zu haben. Dies bedeutet für die Praxis, daß die mittleren Blutgeschwindigkeiten zur Wirbelbildung bei leicht pulsierender Strömung zu niedrig liegen, wenn die verfügbare Blutzufuhr vom Patienten aus erfolgt - es sei denn, daß spezielle Maßnahmen getroffen sind, um diese Schwierigkeit zu überwinden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein System zur Anpassung der Blutbehandlungsvorrichtung,etwa an eine künstliche Lunge, vorgesehen, das eine Fluidlextungskonfiguration aufweist,

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die der bereits erläuterten Art entspricht, um unter Anwendung einer leicht pulsierenden Strömung die Erzeugung von Wirbeln zu erreichen. Als zusätzlicher Vorteil ergibt sich, daß eine einfachere leichter zu beschaffende Pumpvorrichtung verwendet werden kann, als sie erforderlich wäre, um eine umkehrende oder stark pulsierende Strömung zu erzeugen. Dieses System weist einen Blutspeicher, Mittel zur Überführung des Bluts des Patienten zum Blutspeicher, eine Walzenpumpe zur Förderung des Bluts vom Speicher durch einen Oxygenatorführungskanal (der Aufbau entspricht dem oben beschriebenen) in pulsierender Strömung bei niedriger Schwankungsamplitude im Vergleich zu mittleren Hauptströmungsmenge und bei einer mittleren Strömungsmenge, die eine Reynolds-Zahl zwischen etwa 200 und 3000 gewährleistet, Mittel zur Rückführung eines Teils des oxygenierten Bluts zum Patienten in einer bestimmten Perfusionsmenge unabhängig von der Strömungsmenge oder Geschwindigkeit des Bluts durch den Oxygenator sowie Mittel zur Rückführung eines Teils des oxygenierten Bluts zum Speicher auf. Vorzugsweise enthält dieses System außerdem Mittel, die üblicherweise mit einem Blutspeicher verbunden sind, um in das System gespeichertes Blut, Blutkomponenten oder andere Fluide einzuführen, und um die im System eingeschlossene Luft zu entfernen.

Bei einer weiteren Ausbildung der Erfindung ist insbesondere ein Blutspeicher vorgesehen, der sich vorteilhaft für das eben beschriebene System eignet. Dieser Speicher dient ebenfalls als Mischkammer für das Blut und weist ein starres unteres Gehäuse, einen flexiblen taschenartigen oberen Abschnitt, der mit der Umrandung des unteren Gehäuses versiegelt ist, erste und zweite Einlasse, vorzugsweise im unteren Gehäuse, zur Einführung von Blut, beispielsweise von einem zu behandelnden Tier, bzw. vom Oxygenator in das Reservoir, Mittel zur Mischung des Bluts im Reservoir sowie Auslässe auf, um das gemischte Blut

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vom Reservoir abzuziehen und zum Oxygenator zu überführen. Wie in den nachfolgend beschriebenen Zeichnungen dargestellt ist, liegen die Einlasse tangential zum Gehäuse, so daß die Einführung des Bluts zur Erzeugung eines Wirbels in der Kammer beiträgt, wobei sich eine wirkungsvolle Durchmischung mit im . wesentlichen keiner nachteiligen Beeinflussung des Bluts ergibt. D. h., die zu bevorzugende Ausbildung der Einlasse dient ebenfalls als Mittel zur Erzielung einer besseren Durchmischung.

Die Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten werden nachfolgend unter Bezug auf die Zeichnungen näher beispielsweise erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einePerspektivansicht einer zur Oxygenierung von Blut · geeigneten Vorrichtung, wobei zur besseren Erläuterung einzelne Teile in aufgebrochener Darstellung gezeigt sind;

Fig. 2 eine vergrößerte Schnittdarstellung eines Abschnitts auf Fig. 1;

Fig. 3 eine Längsschnittansicht eines Teils einer rohrförmigen Membran, die sich als alternativer Fluidführungskanal für die Ausführungsform nach Fig. 2 eignet;

Fig. 4 die schematische Ansicht eines vollständigen Zirkulationssystems, für das sich die Vorrichtung nach Fig. 1 in vorteilhafter Weise verwenden läßt;

Fig. 5 die Vorderansicht (teilweise in Schnittdarstellung) eines Blutspeichers, der sich für das in Fig. 3 gezeigte Zirkulationssystem verwenden läßt;

Fig. 6 eine Schnittdarstellung, gesehen in Richtung der Pfeile an der Linie 6-6 in Fig. 5;

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Fig. 7 die Draufsicht auf einen Schnitt,gesehen in Richtung der Pfeile an der Linie 7-7 in Fio, 5 und

Fig. 8 zeigt die graphische Kurvendarstellung der Räumzeit (clearance time vs) über der Reynolds-Zahl bei gestörter Strömung.

Die Erfindung eignet sich besonders zur Herstellung von hochwirksamen künstlichen Lungen und Nieren und ebenso als Wärmetauscher für eine Vielzahl von Anwendungen, reichend von Wärmetauschern bis zur Regulierung der Bluttemperatur, zu Automobilradiatoren und Entsalzungsvorrichtungen, die mit leicht pulsierenden Fluidströmungen unter Verwendung von üblichen Walzenpumpen betrieben werden können, ohne daß dabei eine Fluidturbulenz auftritt. Die Turbulenz bewirkt möglicherweise eine Schädigung der das Blut bildenden Elemente und verursacht hohe Energieverluste bei industriell gefertigten und eingesetzten Masse- oder Wärmeaustauschern.

Die Erfindung ist aus der Beobachtung von leicht pulsierender Wasserströmung bei gemessenen Geschwindigkeiten über einen gefurchten Strömungskanal unter Verwendung von in die Höhlung einer Furche injiziertem Farbstoff entstanden, um das darin auftretende Strömungsmuster zu beobachten.

Die Wasserdurchflußmengen oder die Wasserdurchflußleistung durch den Kanal wurde mittels eines kalibrierten Zylinders und einer Stoppuhr gemessen, und außerdem wurde wiederum mittels einer Stoppuhr die Zeit gemessen, die der Farbstoff benötigte, um aus einer bestimmten hlabkreisförmigen Höhlung freizukommen.

Bei einem frühen Versuch, bei dem die mittlere Geschwindigkeit in dem Kanal unter etwa 10 cm/sec lag, waren die Farbstoff-Räumzeiten relativ lang, für höhere Geschwindigkeiten in dem Kanal jedoch wurde der Farbstoff relativ rasch ausgeräumt. Dieser

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Übergang konnte durch lückenlose Festlegung und Verfolgung der Strömungsmuster (sichtbar gemacht mittels des Farbstoffs) beobachtet werden und entspricht einem Wert der Reynolds-Zahl von etwa 200, wobei - wie zuvor angegeben - folgende Beziehung gilt:

Reynolds-Zahl =

Geschwindigkeit im Kanal χ Abstand oder Teilung der Hohlräume

kinematische Zähigkeit

Die Ergebnisse sind in Fig. 8 aufgetragen. Die Kurvendarstellung zeigt die Räumzeit über der Reynolds-Zahl.

Um zu ermitteln, wann der übergang von der konvektiven Bildung von Wirbeln zur Turbulenz in einer leicht pulsierenden Strömung auftritt, wurde Heißschicht-Windmessung (Heiß-Filmanemometrie) angewendet, um die momentanen Geschwindigkeiten im Inneren der Hohlräume zu bestimmen. Es wurde ermittelt, daß der Übergang zur Turbulenz bei Geschwindigkeiten von etwa 50 bis 150 cm/sec auftritt, was einer Reynolds-Zahl, bezogen auf die Hohlraumteilung _t von etwa 1000 bis 3000 entspricht.

Leicht pulsierende Strömungsgeschwindigkeiten bzw. Strömungsmengen, die einer wie oben angegebenen Reynolds-Zahl von etwa 200 bis etwa 3000 entsprechen, ergeben eine gewünschte Wirbelströmung und damit eine wirksame, im wesentlichen nicht turbulente Vermischung, wenn ein Fluid über den erwähnten gefurchten Strömungsweg strömen gelassen wird. Die Reynolds-Zahl liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 200 und etwa 2000 und vorzugsweise über 200 bis etwa 1000.

Bei späteren Versuchen unter Verwendung einer Walzenpumpe wurde beobachtet, daß periodische Geschwindigkeitsschwankungen auftraten, und zwar in einer Frequenz, die beim Doppelten der Wellenrotation lagen, da zwei Walzen verwendet wurden. Die Frequenz

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dieser Geschwindigkeitsschwankungen war direkt proportional zur Strömungsleistung bzw. Menge und betrug 7 l/min bei einer Strömung von 1000 ml/min. Das Verhältnis von Spitzen zu mittleren Strömungsgeschwindigkeiten schwankte zwischen 1,22 bei einer mittleren Strömung von 1860 ml/min bis 1,46 bei einer mittleren Strömung von 154 ml/min. Obgleich die Wellenformen der durch die Walzenpumpe erzeugten Strömung in der Form ähnlich waren für zwei Drittel des Zyklus bei im wesentlichen konstanter Geschwindigkeitj zeigte sich ein scharfer Geschwindigkeitsabfall im letzten Drittel des Zyklus, wobei die Formen sich mit der Pumpendrehgeschwindigkeit veränderten. Veränderungen im Kanalabstand veränderten nicht nur die Frequenz der Geschwindigkeitsschwankungen bei gleicher mittlerer Geschwindigkeit im Kanal, sondern auch die Amplitude.

Trotz dieses Sachverhalts korrelierten die Farbstoff-Räumzeiten gut mit der mittleren Geschwindigkeit im Kanal und waren im wesentlichen unabhängig von den Kanalabständen. .

Bei mittleren Geschwindigkeiten über 3 cm/sec bildeten sich die Wirbel im Inneren der Hohlräume stets konvektiv, so daß erwartet werden konnte, daß die Farbstoff-Räumzeit (T) von der Zeit abhängt, die ein Fluidpartikel benötigt, um die geraden und gekrümmten Flächenabschnitte einer Höhlung (L) zu durchmessen. Diese Zeit liegt in der Größenordnung von —, wobei mit ΰ die mittlere Geschwindigkeit im Kanal bezeichnet ist. Dies impliziert, daß -^- (ohne Dimension) konstant ist, vorausgesetzt, daß viskose Effekte vernachlässigbar sind.

Die Konstante —r— =62 wurde experimentell für die Walzenpumpen-Perfusionsversuche erhalten. Diese Gleichung korreliert in befriedigendem Umfang mit den Daten für die vier unterschiedlichen Hohlräume und die drei Kanalabstände, die in den Versuchen zur Diskussion standen. Sie zeigt auch, daß viskose Effekte weniger von Bedeutung sind als konvektive Effekte, mindestens in der Rangordnung des Interesses.

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Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung unter Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.

Die in den Fig. 1 und 2 gezeigte Vorrichtung umfaßt einen Stapel 11 von Platten 12, die jeweils aus zwei Membranen 13 aus Silikpnkautschuk oder dgl. bestehen, die durch eine starre Trägerplatte 14 getrennt und von dieser getragen werden, die eine Reihe von Graten bzw. Erhöhungen 15 aufweist. In der Membran 13 sind Furchen 16 ausgebildet, deren Grund von der Trägerplatte 14 jeweils einen Abstand aufweist. Der Abstand zwischen den Furchen 16 und der Trägerplatte 14 bildet Strömungskanäle 17 für Sauerstoff. Das Verhältnis der Furchenteilung zur Tiefe der Furchen beträgt bei der dargestellten Ausführungsform 4:1. Jede Platte ist durch Paare von Abstandsleisten 18 in Vertikalrichtung auf Abstand von den benachbarten Platten gehalten. Diese Abstandsleisten sind nahe einander gegenüberstehender Kantdn und parallel dazu mit der Membran versiegelt, so daß eine Membranhülle zwischen anexnandergrenzenden Platten gebildet ist, durch die beispielsweise Blut in rechtem Winkel zur Strömung des Sauerstoffs fließen kann. Die Anordnung benachbarter Platten 12 ist so getroffen, daß die Grate 15 in den Trägerplatten 14 in Vertikalrichtung einander entsprechen. Typischerweise liegen die Grate auf einem gegenseitigen Abstand von etwa 0,4 mm. Benachbarte Membrane werden - falls gewünscht - an ihren Kanten versiegelt, um eine weitere Sicherheit gegenüber eirem Austritt von Blut durch irgendwelche Spalte zu verhindern, die möglicherweise zwischen den Abstandsleisten 18 und der Membran 13 vorhanden sein können. Der Stapel 11 ist mit einer Sauerstoffverteilkammer 19 versehen, die mit einem Kanal 17 kommuniziert. Der Stapel ist außerdem über Bluteinlaß- und Auslaßöffnungen 21, 22 mit einer geeigneten, nicht gezeigten Pumpe, etwa einer herkömmlichen Walzenpumpe, verbunden, die eine ausreichende Leistungsfähigkeit aufweist, um die gewünschte Strömungsmenge und Geschwindigkeit durch den Stapel sicherzustellen.

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Die in der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu verwendende Membranart ist in Einzelheiten in der US-Patentanmeldung Serial No. 371 986 beschrieben. Natürlich hängt die Art der Membran von dem Anwendungszweck ab. Für einen Wärmeaustauscher besteht die Membran in üblicher Weise aus Metall. Für die Oxygenierung von Blut oder die Entfernung von Kohlendioxid aus Blut kann die Membran beispielsweise ein siliziumhaltiges Elastomer, ein mikroporöses Polyestermaterial, ein Polyurethanmaterial oder ein Polytetrafluoräthylenmaterial sein. Für Hämodialyse oder umgekehrte Osmose kann die Membran aus einem benetzbaren porösen Material wie etwa Cellophan oder Cuprophan bestehen. Es versteht sich, daß alle Materialien, die mit dem Blut in Berührung kommen, d. h., etwa das Material für die Fluidführungskanäle und die Membran, blutverträglich sein müssen.

Die Fig. 3 zeigt eine andere Übergangsmembran 23 mit kreisringförmigem Querschnitt, die einen Führungskanal 24 für eine Fluidströmung bildet. Der Führungskanal 24 weist Verengungen 25 über seine Länge auf, so daß auf Abstand voneinander stehende Zonen gebildet sind, die etwa die Form von Umfangsfurchen 26 aufweisen. Strömt ein Fluid durch diesen Führungskanal in der durch einen Pfeil A angedeuteten Richtung und in gleichmäßiger Strömungsgeschwindigkeit, so bilden sich in den angegebenen Zonen Wirbel. Ist das strömende Fluid Blut und wird ein dialysierendes Fluid oder ein Sauerstoff enthaltendes Gas über die äußere Oberfläche dieser Membran geleitet, so läßt sich eine gute Dialyse oder Oxygenierung erreichen.

Die Fig. 4 zeigt schematisch ein geeignetes Blutzirkulierungssystem,bei dem ein Oxygenator mit erfindungsgemäßen Merkmalen verwendet wird. Das Blut eines Tieres 27 wird abgezogen und über die Leitung 29 zu einem Behälter 31 transportiert. Zusätzliches Blut, Blutkomponenten oder andere gewünschte Additive lassen sich auf einfache Weise im Reservoir 31 über eine geeignete, nicht gezeigte öffnung zuführen. Das Blut wird in konstanter, jedoch gestörter Strömungsgeschwindigkeit bzw. Durchflußleistung vom Speicher 31 über eine Leitung 33 mittels einer ersten Pumpe

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(geeignet ist eine herkömmliche Walzenpumpe) zum Oxygenator 37 befördert.

Ein Anteil des im Oxygenator 37 vorhandenen sauerstoffangereicherten Bluts wird über eine Leitung 39 zum Tier 27 unter Wirkung einer zweiten Pumpe 41 zurückgeführt. Die Pumpe kann hinsichtlich des Aufbaus der Pumpe 35 entsprechen. Die Leistungen der beiden Pumpen werden so eingestellt, daß die Strömungsmenge durch die Leitung 39 sicher ausreicht, um dem Tier 27 genügend Blut zuzuführen, im allgemeinen also in der gleichen Menge, die vom Tier abgezogen wird. Das Blut wird in gleichbleibender Strömungsgeschwindigkeit durch den Oxygenator 37 gepumpt, um die gewünschte Reynolds-Zahl zu erhalten. Der Rest des oxygenierten Bluts wird über eine Leitung 43 zum Speicher 31 zurückgeführt, wo es mit dem sauerstoffarmen Blut des Tiers gemischt wird. In anderen Worten: die Pumpe 41 läuft auf gewünschter Perfusionszuführgeschwindigkeit für das Tier, während die Pumpe 35 auf einer solchen Drehzahl läuft, daß die Reynolds-Zahl im Oxygenator 37 über etwa 200 gehalten wird.

Ein zu bevorzugender Blutspeicher, der sich gut zur Verwendung in dem beschriebenen System eignet, ist in den Fig. 5 bis 7 dargestellt. Dieser Speicher 43 weist einen starren unteren Abschnitt 45 und einen flexiblen oberen Abschnitt 47 auf, die beide aus einem geeigneten blutverträglichen synthetischen Polymermaterial hergestellt sind. Im unteren starren Abschnitt 45 sind zwei tangentiale Einlasse 49, 51 vorgesehen, über die das vom Tier bzw. vom Oxygenator stammende Blut dem Speicher zugeführt wird. Ein Auslaß 53, vorzugsweise an der Unterseite des starren Abschnitts 45, dient zur Verbindung mit der Leitung zum Pumpeneinlaß. Die tangentiale Strömung an den Einlassen erleichtert die Mischung des Bluts im Speicher und drückt die möglichen schädlichen Einflüsse auf das Blut auf ein Minimum herab. Die Anordnung des Auslasses an der Unterseite des Speichers erleichtert und vergrößert diesen Effekt.

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Der obere Abschnitt 47 des Speichers läßt sich ausdehnen und zusammenziehen, um sich an verschiedene Blutvolumina anpassen zu können, da - wie bekannt - eine Berührung mit Luft für das Blut schädlich ist. Der Blutpegel im Speicher liegt daher zweckmäßigerweise über dem starren Abschnitt 45. Dazu alternativ kann der flexible Abschnitt 47 auch so ausgebildet sein, daß er in den unteren Abschnitt, d. h. in die durch den starren Abschnitt 45 gebildete Höhlung hineinfällt, für den Fall, daß der Blutpegel unter die Oberkante des Abschnitts 45 absinkt. Für den Behälter 43 sind geeignete Stützmittel vorgesehen. Wie die Fig. 5 zeigt, können diese Mittel einen Metallrahmen 55 umfassen, der am starren Abschnitt 45 beispielsweise an einer Nut 57 angreift. Der Rahmen 55 ist zweckmäßigerweise mit einer zusätzlichen Hängevorrichtung 53 für den flexiblen Abschnitt 47 verbunden, wobei die Hängevorrichtung 59 über Ringe 51 am flexiblen Abschnitt 47 angreift. Zur Einleitung des gespeicherten Bluts und anderer Fluide ist der flexible Abschnitt 47 mit einer verschließbaren öffnung 63 versehen. Die öffnung 63" kann auch als Belüftungsöffnung dienen, um das System während des ersten Füllens zu belüften.

Zusammenfassend läßt sich feststellen, daß mit der Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bewirkung eines Wärmeoder Masseübergangs zwischen zwei Fluiden über eine Membran geschaffen wurde. Die Vorrichtung weist einen ersten Führungskanal für das eine Fluid und einen zweiten Führungskanal für ein zweites Fluid auf. Die Membran bildet für die beiden Führungskanäle mindestens einen gemeinsamen Wandabschnitt, und ihre Form oder Konfiguration ist so gewählt, daß wenigstens ein Teil der Membranoberfläche für den ersten Führungskanal in einer Ebene liegt, die senkrecht steht zur Hauptströmungsrichtung, wodurch die Strömung periodisch verändert wird. Die Membran weist mindestens in Teilbereichen eine vorzugsweise wellen- oder furchenföriuige Oberfläche auf, wobei die Verhältnisse der Furchen-

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teilung zur Furchentiefe wenigstens etwa 2:1 betragen und im allgemeinen nicht größer sind als etwa 8:1. Eine Walzenpumpe ist mit dem ersten Führungskanal verbunden und erzeugt darin eine kontinuierliche pulsierende Strömung mit geringer Amplitudenschwankung im Vergleich zur mittleren Durchflußleistung oder Strömungsmenge bei geeignet gewählter Strömungsgeschwin-' digkeit, wodurch eine 3ewegungskomponente konvektiv induziert wird, die orthogonal zur Oberfläche der Membran und zur Hauptströmungsrichtung steht. Die Vorrichtung ist besonders zur Blutoxygenierung und Dialyse und als Wärmeaustauschvorrichtung für unterschiedliche Fluide einschließlich Blut geeignet. Weiterhin wurde ein Zirkulationssystein beschrieben, das sich in Verbindung mit der beschriebenen Vorrichtung zur Blutoxygenierung gut eignet, und es wurde ein Blutspeicher erläutert, der sich vorteilhaft in das Zirkulationssystem einsetzen läßt.

Claims

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2. "/erfahren nach Anspruch "\ , dadurch gekennnsicjhn e t , daß die Membran iw wesentlichen iaaiue.r ist bsvj= Laminarstruktur auf we i s t.,

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4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Membran rohrförmig ausgebildet ist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zonen durch Umfangsfurchen in der rohrförmigen Membran gebildet werden.

6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das in dem ersten Führungskanal strömende Fluid Blut ist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß Sauerstoff über die Membran in das im ersten Führungskanal strömende Blut übertragen wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß Blutverunreinigungen durch die.Membran von in dem ersten Führungskanal enthaltenen Blut übertragen werden.

9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Reynolds-Zahl einen Wert von etwa 3000 nicht übersteigt.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Reynolds-Zahl zwischen etwa 200 und etwa 2000 liegt.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Reynolds-Zahl in einem Bereich von über bis etwa 1000 liegt.

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12. Vorrichtung zur Gewährleistung eines Wärme- oder Masseübergangs zwischen zwei Fluiden mit einem ersten und einem zweiten Führungskanal für unterschiedliche Fluide sowie mit einem mindestens einen Abschnitt einer gemeinsamen Wand der beiden Führungskanäle bildenden Membranmaterial, das einen Wärme- oder Masseübergang zuläßt, dadurch gekennzeichnet , daß sich der Verlauf wenigstens eines Abschnitts des ersten Führungskanals (24) periodisch in der Hauptströmungsrichtung des Fluids so ändert, daß eine Mehrzahl von Zonen gebildet ist, für die das Verhältnis von einander entsprechenden gleichbleibenden Abständen (Teilung) zur Tiefe wenigstens etwa 2:1 beträgt, daß eine Walzenpumpe vorgesehen ist, die im ersten Führungskanal eine pulsierende Strömung geringer Schwankungsamplitude im Vergleich zur mittleren Durchflußleistung bzw. Strömungsmenge, jedoch von solcher Geschwindigkeit erzeugt, daß sich eine Reynolds-Zahl —^ von wenigstens etwa 200 ergibt, und sich damit bei einer Fluidströmung durch diesen Führungskanal eine induzierte Bewegungskomponente einstellt, die wechselseitig senkrecht zur Oberfläche der Membran und zur Hauptströmungsrichtung des Fluids steht.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeich net, daß der erste Führungskanal aus blutverträglichen Materialien hergestellt ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet , daß die Zonen in dem Übergangsmaterial ausgebildet sind.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeich net, daß das Übergangsmaterial eine Membran ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeich net, daß die Membran im wesentlichen laminare Struktur aufweist.

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17. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Zonen durch Rillen oder Furchen in der Membran gebildet sind, die quer liegen zur Hauptströmungsrichtung des Fluids.

18. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichn e t , daß die Membran rohrförmig ausgebildet ist.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Zonen durch umlaufende Furchen bzw. Vertiefungen an der rohrförmigen Membran gebildet sind.

20. Vorrichtung nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch Mittel zur Einschnürung der Membran, so daß der Führungskanal in Abhängigkeit von dem darin auftretenden Fluiddruck die gewünschte Konfiguration annimmt.

21. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran für Sauerstoff durchlässig ist.

22. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran eineHämodialysemembran ist.

23. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 12 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Teilung zur Tiefe unter etwa 8:1 liegt.

24. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 13 bis 23, dadurch gekennzeichnet , daß das Verhältnis der Teilung zur Tiefe zwischen etwa 2:1 und etwa 5:1 liegt.

25. Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis etwa 4:1 beträgt.

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26. Zirkulationssystem zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch einen Blut-. speicher (31), eine Vorrichtung nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche 13 bis 25, eine Einrichtung zur Entnahme und Überführung von Blut von einen· Lebewesen (27) zu dem Speicher, eine Vorrichtung zur Überführung des Bluts τοπ dem Speicher über die erwähnte Austauschvorrichtung iTiit einer Walzenpumpe zur Bewirkung einer pulsierenden Strömung mit einer niedrigen Schwankungsamplitude im Vergleich zur mittleren Strömungsmenge des Bluts durch den ersten Führungskanal, jedoch mit solcher Geschwindigkeit, daß sich eine Reynolds-Zahl --*- von wenigstens etwa 200 einstellt; eine Vorrichtung zur Rückführung eines Teils des Bluts von der Austauschvorrichtung zu dem Lebewesen in einer wählbaren Perfusionsmenge, unabhängig von der Menge des durch die Austauschvorrichtung fließenden Bluts und durch eine Vorrichtung zur Rückführung eines Teils des Bluts von der Austauschvorrichtung (3?) zu dem Reservoir (31) .

27. System nach Anspruch 26, gekennzeichnet durch "eine Vorrichtung zur Mischung des Bluts in dem Speicher.

28. System nach Anspruch 26, gekennzeichnet durch eine öffnung zur Einführung des in dem System angesammelten Materials und mit einer Vorrichtung zur Belüftung des Systems.

„ Blutspeicher zur Verwendung in dem System nach wenigstens einem der Ansprüche 26 bis 28, gekennzeichnet durch einen starren unteren Abschnitt (45) _p einem flexiblen oberen Abschnitt (47), einen ersten Einlaß (49) zur Einführung von Blut in den Speicher (31) von ainem Lebewesen (27) _r siiien zweiten Einlaß zur Zuführung ve-^ Elut L·'. den -?-nsich-i-r (31) von einer Yorrlchirvdi^ i'.^:'·^) zv:r Γ ε ".:.ι:.:"λ::.:^: ;mss ?7i'i'Lv.s-

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oder Masseübergangs zwischen dem Blut und einem anderen Fluid, mit einem Auslaß (51) zur Abführung des Bluts aus dem Speicher (31) sowie mit einer Vorrichtung zur Mischung des Bluts in dem Speicher.

30. Blutspeicher nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet , daß der untere starre Abschnitt (45) einen im wesentlichen kreisrunden Querschnitt aufweist, daß der erste und zweite Einlaß mit dem starren Abschnit verbunden sind, und daß wenigstens einer dieser Einlasse tangential in den starren Abschnitt mündet.

31. Blutspeicher nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß der Auslaß (53) auf der Unterseite des starren Abschnitts (45) vorgesehen ist.

32. Speicher nach Anspruch 29, gekennzeichnet durch eine öffnung zur Einführung von konserviertem Blut und/oder therapeutischen Zusätzen in den Speicher.

33. Speicher nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, daß die öffnung 63 am oberen flexiblen Abschnitt vorgesehen ist.

34. Speicher nach Anspruch 29, gekennzeichnet durch Halte- und Stützmittel (55, 57) zur hängenden Halterung und Abstützung des Speichers am unteren Abschnitt sowie mit einer Vorrichtung (59, 61) zur unabhängigen Halterung des oberen flexiblen Abschnitts (47).

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