DE2831569C2

DE2831569C2 -

Info

Publication number: DE2831569C2
Application number: DE2831569A
Authority: DE
Inventors: Ardis R. Clarks Summit Pa. Us Lavender
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1978-07-07
Filing date: 1978-07-18
Publication date: 1987-10-01
Also published as: GB2024653A; DE2831569A1; GB2024653B

Description

Die Erfindung betrifft eine Parallelstrom-Massenübergangs-Vor richtung zur Erzielung eines Massenübergangs zwischen einer ersten Flüssigkeit und einer zweiten Flüssigkeit, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Eine derartige Vorrichtung ist für den Bereich der Hämodialyse aus der US-PS 39 32 283 bekanntgeworden. Diese bekannte Vor richtung weist zwar einen vergleichsweise kompakten Aufbau auf, zeigt jedoch insbesondere im Dauerbetrieb einen verschlechter ten Wirkungsgrad, d. h., der Massenübergang verschlechtert sich im Laufe der Zeit.

Ferner ist aus der DE-OS 16 42 784 eine Dialysevorrichtung bekannt, die mit zwei Membranen zwischen einander benachbarten Platten innerhalb des Plattenstapels arbeitet. Diese Vorrich tung ist insbesondere hinsichtlich ihrer Berstfestigkeit ver besserungsfähig, da bei Druckstößen große Membranflächen sich unabgestützt bewegen. Zwar können durch die Membranbewegung kurzzeitige Druckspitzen abgepuffert werden, jedoch geht die Bewegung auf Kosten der Lebensdauer der Membran, insbesondere, da die dortige Konstruktion mit scharfen Plattenkanten arbeitet. Bei einer derartigen Dialysevorrichtung kann daher im Dauerbetrieb die Membran reißen, was tödliche Folgen haben kann.

In der US-Patentschrift 35 65 258 werden Parallelstrom- bzw. Gleichstrom-Massenübergangsvorrichtungen für die Hämodialyse verwendet. Bei diesen Vorrichtungen konnten Übertragungsraten des gelösten Stoffes, die zur Durchführung einer ausreichenden Hämodialyse innerhalb eines vernüftigen Zeitraums erforderlich sind, nicht erzielt werden. Die zuletzt genannte Vorrichtung hatte auch den Nachteil, daß die Übertragungsrate des gelösten Stoffes fortschreitend abnahm, was auf die Anreicherung von proteinhaltigem Material auf der Blutseite der Übergangsmembran zurückzuführen war.

Die Unwirksamkeit dieser Vorrichtungen wurde fälschlicherweise dem Aufbau der Membranträgerstruktur zugeschrieben. Mehrere Änderungen des Membranträgeraufbaus, bei dem das ursprüngliche Gewebe bzw. Netz ersetzt wurde, änderten jedoch die Leistungs fähigkeit des Dialysators nicht. Der Grund für das schlechte Leistungsvermögen wurde identifiziert als ungleichmäßige Strömungsverteilung sowohl zwischen den Schichten als auch innerhalb der einzelnen Schichten. Eine schlechte Verteilung war auch verantwortlich für den geringen Massenübergang und die Anreicherung von proteinhaltigem Material auf den Membranen. Die schlechte Verteilung ihrerseits war sekundär für die unzureichende Eintritts- und Austritts-Verteilung auf den einzelnen Platten, für die unzureichende Anordnung (Verteilung) der Platten in dem Stapel und für die Verformung der Flüssig keitsleitungsdimensionen durch Druckdifferentiale in der Konfiguration des Durchflußmusters.

Die in der US-Patentschrift 35 11 381 beschriebene Vorrichtung ist repräsentativ für einen Dialysator-Typ, bei dem zwei Membranen zwischen benachbarten Trägern verwendet werden zur Erzielung eines Strömungsweges für das Blut, während das Dialysat zwischen der Membran und dem angrenzenden (benachbar ten) Träger hindurchfließt. Bei dieser Konstruktion werden sowohl das Dialysat als auch das Blut in einer Richtung senkrecht zu dem Flüssigkeitsstrom während des Massenübergangs eingeführt, wodurch sowohl das Blut als auch das Dialysat Öffnungen in dem Träger und in den Membranen passieren. Diese Konstruktion führt zu schwierigen Abdichtungsproblemen und macht die Vorrichtung teuer in der Herstellung.

Die in der US-Patentschrift 35 47 271 beschriebene Vorrichtung ist repräsentativ für einen anderen Typ einer Masserübergangs vorrichtung, bei der es sich um eine Oxygenator (Sauerstoff überträger) handelt, in dem benachbarte Membranen einen Flüs sigkeitskanal bilden und der andere Flüssigkeitskanal durch einen Träger und eine Membran gebildet wird. Bei dieser Kon struktion treten die gleichen Probleme auf wie bei der vorstehend beschriebenen Konstruktion mit ihren schwierigen Abdichtungsproblemen.

In der US-Patentschrift 35 16 548 wird anerkannt, daß die Flüssigkeitsverteilungsvorrichtungen der oben erörterten US- Patentschrift 35 11 381 teuer und schwierig zu verwenden sind, weshalb die US-Patentschrift 35 16 548 eine weniger kostspie lige Flüssigkeitsverteilungsvorrichtung betrifft. Dennoch besteht bei der Verwendung eines Flüssigkeitsverteilungs systems, bei dem Flüssigkeit (Fluid) Öffnungen in den Membranen und in den Trägern passiert, die Möglichkeit der Leckbildung, und es ist teuer in der Herstellung.

In der US-Patentschrift 37 38 495 wird auf einen anderen kritischen Mangel des Standes der Technik hingewiesen. In der darin beschriebenen Vorrichtung weist jede Deckplatte eine Leitungsverzweigung für die Verteilung von Glüssigkeiten auf, und jede Strömungsplatte weist eine Leitungsverzweigung für die Verteilung von Flüssigkeiten auf, der Aufbau der Leitungsver zweigung macht jedoch die Erzielung der gleichmäßigen Stromver teilung schwierig. Bei vielen der bekannten Vorrichtungen werden der Flüssigkeitseinlaß und der Flüssigkeitsauslaß durch Löcher geführt, die in die Membranen und in die Trägerstruktur eingebohrt sind. Durch die Durchbohrung der Membran werden die Handhabung und die Herstellungskosten erhöht, und die Möglich keit des Auftretens von Lecks während des Betriebs nimmt zu. Bei anderen dieser Vorrichtungen müssen die beiden Flüssigkeiten entlang nicht-identischer Wege verteilt werden, wodurch der größte Teil der dünnen Filmkontaktfläche verlorengeht. Bei wieder anderen dieser Vorrichtungen ist keine ausreichende Flüssigkeitsverzweigung vorgesehen, wodurch die Flüssigkeits verteilung für die Erzielung geeigneter Massenübergangsraten unzureichend ist. Bei einigen dieser Vorrichtungen ist ein großes Flüssigkeitsprimärvolumen erforderlich, was bei bestimmten Massenübergangsoperationen, wie z. B. bei der Dialyse, unerwünscht ist. Andere dieser Vorrichtungen sind nicht leicht einstellbar zur Erzielung eines kleinen oder großen Druckabfalls an der Vorrichtung oder eines variablen Druckabfalles, und keine der bekannten Vorrichtungen kann allen diesen Anforderungen genügen. Schließlich ergeben einige bekannte Vorrichtungen einfach nicht die erforderliche Ober flächengröße für den Flüssigkeitskontakt, um die gewünschte Massenübergangsrate bzw. -geschwindigkeit zu erzielen.

Daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Parallel strom-Massenübergangs-Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 zu schaffen, die einerseits einen kompakten Aufbau aufweist und andererseits auch im Dauerbetrieb konstant hohe Massenübergangskoeffizienten ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch Anspruch 1 gelöst.

Prinzipiell läßt sich die erfindungsgemäße Vorrichtung in ver schiedenen Bereichen der Technik einsetzen. Beispielsweise kann sie auch als Wärmetauscher verwendet werden, um einen Wärme übergang zwischen Flüssigkeiten bzw. Fluiden zu bewirken, wie z. B. in Automobilkühlern, in Kühleinheiten, in Raumerhitzungs einheiten und in Solarheizeinrichtungen. Ferner kann sie als Umkehrosmose-Vorrichtung verwendet werden, bei denen der Druck gradient die Trennung von gelöstem Stoff und Lösungsmittel bewirkt; z. B. bei der Entsalzung von Wasser, oder aber als Filtriervorrichtung, wobei Druckgradienten zur Trennung von Feststoffen und Flüssigkeiten verwendet werden. Ferner kann die erfindungsgemäße Vorrichtung beispielsweise als Oxygenator verwendet werden, wobei der Übergang von Kohlendioxid, Sauerstoff und Stickstoff zwischen einer Flüssigkeit wie Blut und Sauerstoff enthaltenden Gasen bewirkt wird. Besonders vorteilhaft läßt sich aber die erfindungsgemäße Vorrichtung als Dialysator einsetzen, wobei der gelöste Stoff und das Lösungs mittel zwischen dem Dialysant und dem Dialysat übergehen.

Die Vorrichtung zeichnet sich durch einen hohen Massenüber gangskoeffizienten aus, der auch im Dauerbetrieb erhalten bleibt. Hierfür spielt nicht nur der erzielbare dünne Flüs sigkeitsfilm eine Rolle, sondern insbesondere auch die Flüssigkeitsverteilung, wie sie sich erfindungsgemäß erzielen läßt.

Ferner können die Strömungsdruckgradienten in weiten Bereichen den Erfordernissen angepaßt werden, ebenso wie die Transmem brandruckgradienten in Abhängigkeit von der verwendeten Membran.

Mit der Erfindung läßt sich eine gleichmäßige Flüssigkeits verteilung von Platte zu Platte innerhalb des verwendeten Plattenstapels erzielen, und zudem eine gleichmäßige Flüs sigkeitsverteilung auf und entlang jeder Platte.

Durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Kopfstücke mit der in Anspruch 1 beschriebenen Ausbildung lassen sich die Eintritts- und Austrittseffekte exakt steuern. Zudem ergibt der besondere Aufbau eine maximale Membranunterstützung, die zu einer hohen Berstfestigkeit der Membran führt. Auch der innere Widerstand gegen den Flüssigkeitsstrom ist ein Strukturpara meter, der zur Erzielung eines breiten Bereichs des Druck abfalls an der Vorrichtung geändert werden kann - so in Rich tung auf einen großen Druckabfall für die Umkehrosmose und in Richtung auf einen geringen Druckabfall für Dialysatoren.

Ferner ist es auch besonders günstig, daß die Flüssigkeits strömungswege zu beiden Seiten einer Membran im wesentlichen identisch sind und daß alternierende Schichten von Membranen und Trägern unter Ausbildung der Flüssigkeitsdurchflußkanäle miteinander kooperieren.

Durch die erfindungsgemäßen Einlaß- und Auslaß-Leitungsverzwei gungen lassen sich eine Vielzahl von ersten Flüssigkeitswegen und zweiten Flüssigkeitswegen miteinander verbinden. Es wird eine gerade Anzahl von kleineren Strömen gebildet, die jeweils einen praktisch identischen Strömungswiderstand an ihren entsprechenden Teilen aufweisen. Insgesamt liegt bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein rechteckiger und kompakter Aufbau vor; es können eine Vielzahl von geeigneten Membranen eingesetzt werden, beispielsweise eine semipermeable Membran, die den Übergang von Verunreinigungen aus Blut in ein Dialysat erlaubt, wobei die Platten jeweils nicht perforiert sein müssen.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung können Rillen-Leitungs verzweigungen auf beiden Oberflächen an jedem Ende der Platte vorgesehen sein, die zur Erzielung von vier Leitungsverzwei gungen auf jeder Platte geeignet sind, wobei jede Leitungsver zweigung eine Flüssigkeitsverbindung zwischen der benachbarten Endkante der Platte und dem Mittelabschnitt der Platte herstellt. Besonders vorteilhaft ist ferner eine symmetrische Ausbildung der Kopfstücke dergestalt, daß Einlaß- und Auslaß einander entsprechen. Ferner kann jede Leitungsverzweigung einen Raum aufweisen, der sich im wesentlichen von fast der einen Seitenkante bis fast zur anderen Seitenkante quer über die Platte erstreckt.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale sind aus der nach folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnung ersichtlich. Es zeigt

Fig. 1 eine orthogonale Ansicht, welche das Massenübergangs gehäuse mit dem ersten und zweiten Flüssigkeitseinlaß und -auslaß zeigt;

Fig. 2 eine vergrößerte und im zerlegten Zustand dargestellte perspektivische Ansicht, welche mehrere übereinander liegende einzelne Platten zeigt, die einen Platten stapel bilden, jeweils mit einer Membran dazwischen;

Fig. 3 eine ebene Draufsicht auf eine Platte mit den Kopf stücken an beiden Enden;

Fig. 4 eine Schnittansicht des zusammengebauten Stapels von Platten und Membranen, wie er in Fig. 2 dargestellt ist, entlang der Linien 4-4 derselben;

Fig. 5 eine Schnittansicht des zusammengebauten Stapels von Platten und Membranen, wie er in Fig. 2 dargestellt ist, entlang der Linien 5-5 derselben;

Fig. 6 eine Stirnansicht eines der Kopfstücke (Sammler), wie in Fig. 3 dargestellt, entlang der Linien 6-6 der selben; und

Fig. 7 eine Schnittansicht des Kopfstückes und des Endab schnittes der in Fig. 3 dargestellten Massenübergangsvorrichtung entlang der Linien 7-7 derselben.

In den Zeichnungen ist eine Massenübergangsvorrichtung 50 dargestellt, die enthält oder besteht aus einem Stapel Platten 110, die jeweils durch eine Membran 300 voneinander getrennt sind, der von einem Gehäuse 51 mit einem Deckel 52 und einem Boden 53 umgeben ist, die durch die Seiten 54 miteinander verbunden sind. Das Gehäuse 51 ist an jedem Ende durch Kopfstücke (Sammler) 60 und 60 A abgeschlossen, wobei das Kopfstück 60 einen Flüssigkeitseinlaß 61 und einen Flüssigkeitsauslaß 62 und das Kopfstück 60 A einen Flüssigkeitseinlaß 66 und einen Flüssigkeitsauslaß 67 aufweisen.

Jedes der Kopfstücke 60 und 60 A ist in seinem Aufbau identisch und umfaßt einen Körper 70, der aus irgendeinem geeigneten Material bestehen kann und der ausgerichtete Flüssigkeitseinlässe oder -auslässe 61 und 62 aufweist. Ein Flansch 71 kann an den Körper 70 angeformt sein oder es kann verwendet werden zur Erzeugung einer Oberfläche für die Befestigung des Einlasses 61 oder des Auslasses 62 an dem Körper. Durch einen zentralen Durchgang 73, der sich durch den Einlaß 61 in eine erste Zweigleitung 74 erstreckt, wird eine Flüssigkeitsverbindung hergestellt. Die Zweigleitung 74 ver läuft senkrecht zu dem Durchgang 73 und wird dadurch halbiert, wobei die Enden der Zweigleitung 74 in den Schenkeln 76 und 77 enden, die senkrecht zu der Zweigleitung 74 und parallel zu dem Durchgang 73 verlaufen. Die Länge der Schenkel 76 und 77 ist identisch und jeder führt zu einer zweiten Zweigleitung 78 bzw. 79, wobei die Zweigleitungen 78 und 79 senkrecht zu den Schenkeln 76 und 77 und parallel zu der ersten Zweigleitung 74 verlaufen.

Die Schenkel 76 und 77 halbieren bzw. unterteilen jeweils die Zweigleitungen 78 und 79, von denen jede in den Schenkeln 81 und 82 für die Zweigleitung 78 und in den Schenkeln 83 und 84 für die Zweigleitung 79 enden. Jeder der Schenkel 81 bis 84 ver zweigt sich wiederum, so daß der Schenkel 81 zu einer Zweigleitung 86, der Schenkel 82 zu einer Zweigleitung 87, der Schenkel 83 zu einer Zweigleitung 88 und der Schenkel 84 zu einer Zweigleitung 89 führen, wobei wiederum jeder der Schenkel die jeweilige Zweig leitung halbiert bzw. unterteilt. Die Zweigleitung 86 teilt sich auf in zwei Schenkel 91 und 92, die Zweigleitung 87 teilt sich auf in zwei Schenkel 93 und 94, die Zweigleitung 88 teilt sich auf in zwei Schenkel 96 und 97 und die Zweigleitung 89 teilt sich auf in zwei Schenkel 98 und 99.

Jeder der obengenannten Schenkel öffnet sich dann in einen gemein samen Kopfstück-Raum (-Plenum) 100, wobei sich der Raum (Plenum) im wesentlichen über die gesamte Länge des Kopfstückes 60 erstreckt und die gleiche Ausdehnung hat wie der Stapel Platten 110 und eingerahmt ist durch einen rechteckigen Absatz 102. Das Kopfstück 60 nimmt die Einlässe 61 und 62 auf, wodurch zwei Kopfstück-Räume 100 und 100 A vorgesehen sein müssen. Wie aus der Fig. 6 der Zeichnungen ersichtlich, sind die nebeneinanderliegenden Kopfstück-Räume 100 und 100 A durch eine vertiefte Fläche 103 zwischen den einrahmenden Absätzen 102 und 102 A voneinander ge trennt. Jeder der Kopfstück-Räume 100 und 100 A steht in Verbindung mit 8 Öffnungen oder Schenkeln 91 bis 99 bzw. 91 A bis 99 A. Es ist absolut kritisch und wesentlich für den Betrieb des Kopfstückes 60 und der Massenübergangsvorrichtung 50, daß die Länge der Strömungs wege für die gesamte eintretende und austretende Flüssigkeit durch die Einlässe oder Auslässe 61, 66 und 62, 67 für die gesamte Flüssigkeit zwischen den Räumen 100 oder 100 A und dem zugeordneten Einlaß oder Auslaß 61, 66, 62, 67 identisch ist, so daß der Strömungswiderstand der gleiche ist, da alle Strömungswege an allen Punkten in den Kopfstück-Räumen 100 und 100 A den gleichen Durchmesser haben und alle Strömungsweglängen identisch sind, der Strömungswiderstand überall gleich ist und deshalb die Flüssigkeits verteilung innerhalb der Räume gleichmäßig und einheitlich ist. Da die Strömungsgeschwindigkeit einheitlich und fortschreitend abnimmt, wenn die Flüssigkeit aus den Einlässen 61 oder 66 in die Schenkel 91 bis 99 und in den Kopfstück-Raum 100 fließt, entsteht kein Strahleffekt und jede Platte 110 in dem Stapel nimmt eine identische Menge Flüssigkeit aus den Einlässen 61 und 66 auf. In entsprechender Weise verläßt die Flüssigkeit jede Platte 110, um in den Raum 100 einzutreten und die Schenkel des Kopfstückes 60 bis zu den Auslässen 62 und 67 zu passieren. Da die Strömungsge schwindigkeit in dem Kopfstück 60 gleichmäßig und fortschreitend zunimmt, gibt jede Platte 110 in dem Stapel eine identische Menge Flüssigkeit an die Auslässe 62 und 67 ab.

Die Massenübergangsvorrichtung 50 umfaßt eine Vielzahl von Platten 110, die in Form eines Stapels angeordnet sind. Da jede Platte 110 in ihrem Aufbau identisch ist, wird nur eine derartige Platte näher beschrieben. Es ist klar, daß die äußersten Platten 110 in dem Stapel nur eine Oberfläche haben, die den nachfolgend beschriebenen Aufbau hat, wobei die äußere Oberfläche glatt ist für die Bindung an den Deckel 52 und den Boden 53 des Gehäuses 51. Jede der Platten 110 ist rechteckig geformt und weist einander gegenüberliegende Oberflächen 111 und 112 auf, die nachfolgend der Einfachheit halber als obere Oberfläche 111 und untere Oberfläche 112 be zeichnet werden, wobei natürlich gilt, daß der Stapel bei seiner Verwendung in jeder beliebigen Ausrichtung angeordnet sein kann. Entlang der Umfangs-Längskanten sind in einem Abstand voneinander Zungen bzw. Laschen 114, 115 an einer Seitenkante der oberen Oberfläche 111 und im Abstand voneinander angeordnete Rillen 117, 118 an der anderen Seitenkante der oberen Oberfläche angeordnet, wobei die Rillen 117, 118 sich in Längsrichtung der Platte 110 erstrecken und so gebaut und angeordnet sind, daß sie darin die Zungen bzw. Laschen 114, 115 aufnehmen. Wie aus den Zeichnungen zu ersehen, ist die Seite der Platte 110, welche die sich in Längs richtung erstreckenden Zungen bzw. Laschen 114, 115 auf der oberen Oberfläche 111 aufweist, mit Rillen 117, 118 auf der unteren Ober fläche 112 ausgestattet, wobei die Rillen über den Zungen bzw. Laschen liegen. In entsprechender Weise sind auf der Seite der Platte 110, die mit den sich in Längsrichtung erstreckenden Rillen 117, 118 auf der oberen Oberfläche 111 versehen ist, darüberliegend auf der unteren Oberfläche 112 in Längsrichtung sich erstreckende Zungen bzw. Laschen 114, 115 vorgesehen. Dieser Aufbau macht es möglich, daß die Platten 110 wie in den Zeichnungen dargestellt gestapelt werden können, ohne daß berücksichtigt werden muß, welche Seite "oben" oder "unten" ist.

Jede der Platten 110 ist mit vier Leitungsverzweigungen ausgestattet, mit den Leitungsverzweigungen 120 und 220 auf der oberen Oberfläche 111 und den Leitungsverzweigungen 120 A und 220 A auf der unteren Oberfläche 112. Die Platten-Leitungsverzweigungen verteilen die Flüssigkeit trans versal zu der Platte, wobei die Flüssigkeit an der Stirnkante der Platte in die Massenübergangsfläche 200 im Mittelabschnitt der Platte eingeführt wird, wo Membranträger vorgesehen sind und ein Massenübergang durch die auf Träger aufgebrachten Membranen statt finden kann. Da die Geometrie auf einer Oberfläche das Spiegelbild der anderen Oberfläche ist, wird die Beschreibung nachfolgend auf die Leitungsverzweigungen 120 und 220 auf der oberen Ober fläche 111 beschränkt. Bei einigen Verwendungszwecken, beispiels weise als Dialysatoren, sind die Oberflächen vorzugsweise Spiegel bilder, wie dargestellt, bei anderen Verwendungszwecken, beispiels weise als Wärmeaustauscher, sind die Oberflächen jedoch vorzugsweise identisch, wobei beide Ausführungsformen in den Rahmen der vorlie genden Erfindung fallen.

Die Leitungsverzweigung 120 umfaßt eine Vertiefung 121, die durch die Wände 122, 123, 124 und 126 begrenzt ist, wobei die Wände 122 und 123 aneinandergrenzen und von den Wänden 124 und 126 getrennt sind. Die Oberfläche 111 weist eine zentrale Öffnung auf, die durch den Rand 111 a begrenzt ist. Die Öffnung in der Oberfläche 111 er streckt sich nach außen in Richtung auf die jeweilige Längskante der Platte 110 in einer Reihe von abgestuften Kanten 111 b, 111 c, 111 d, 111 e, 111 f und 111 g. Die Längen der Kanten111 a sind identisch wie die Oberflächen 111 b u. dgl., wodurch die durch die Kanten 111 a bis 111 g begrenzte Öffnung symmetrisch um die durch die Kanten 111 a begrenzte Öffnung herum gemacht wird.

Eine Schulter 128 erstreckt sich von den Wänden 122 und 123 nach außen und eine Schulter 129 erstreckt sich von den Wänden 124 und 126 nach außen. Die Stirnfläche (Endoberfläche) der Leitungs verzweigung 120 ist zwischen den Stirnflächen der Zungen 114, 115 und der Rillen 117, 118 nach innen vertieft. Zwischen den Zungen 114, 115 und den Rillen 117, 118 befindet sich ein zentraler Stab 125, der eine Dicke hat, die gleich der Ausdehnung der Zungen und Rillen jenseits der Stirnfläche der Platten-Leitungsverzweigung 120 ist, so daß die äußere Oberfläche des zentralen Stabes 125 in der gleichen Ebene liegt wie die Stirnfläche der Zungen und Rillen, wobei der Einsatz der Leitungsverzweigung 120 aus den nachfolgend angegebenen Gründen erfolgt. Eine rechteckige Unterlage 130 hat eine solche Dimension, daß sie fest in der Vertiefung 121 sitzt und an die Wände 122, 123, 124 und 126 anstößt. Wenn sie auf den Schultern 128 und 129 ruht, liegt die obere Oberfläche der Unterlage 130 in der gleichen Ebene wie die obere Oberfläche 111.

Die Schultern 128 und 129 liegen in der gleichen Ebene und sind durch einen ausgeschnittenen Teil, der durch eine Vielzahl von Trennwänden unterteilt ist, wie durch die beiden Trennwände 135 und 136 beispielhaft erläutert, unterteilt. Diese Trennwände sind als durchgehend dargestellt, sie können aber auch andere Konfigurati onen haben, beispielsweise die Form von Kegeln, Quadraten oder Pyramiden, welche die gleichen Zwecke erfüllen können. Die Trenn wände 135 und 136 sind parallel zueinander und haben einen Abstand voneinander, wobei jede Trennwand aus zwei parallelen Schenkeln besteht, die durch einen senkrechten Schenkel miteinander verbunden sind. Die Trennwände 135 und 136 kooperieren jeweils mit den be nachbarten Schultern 128 und 129 unter Bildung von drei Flüssigkeits strömungsdurchgängen 140, 141 und 142, von denen jeder von dem Ende der Leitungsverzweigung 120 zum Zentrum der Platte 110 führt und in einem Raum 145 endet, der sich quer zur Platte erstreckt und durch die Kanten 111 a gebildet wird. Die Anzahl der Strömungswege 140 bis 142 hängt von der Anzahl der Trennwände ab, die ihrerseits von der Membranfestigkeit, dem Flüssigkeitsdruck und anderen Faktoren abhängt.

Die in den Raum 145 eintretende Flüssigkeit strömt entweder ent lang des Weges 146 oder entlang des Weges 147, wobei die Wege durch die Kanten 111 b in Kooperation mit einem Leitblech 150 ge bildet werden, das einen Mittelabschnitt und zwei sich nach außen erstreckende Flügel 151 und 152 aufweist, die in bezug auf die Längsachse der Platte 110 transversal sind. An den Enden der Flügel 151 und 152 befinden sich jeweils Räume 153 und 154 und die in den Raum 153 einströmende Flüssigkeit fließt entlang der Wege 156 und 157, während die durch den Raum 154 strömende Flüssigkeit entlang der Wege 158 und 159 strömt. In den Zeichnungen nicht dargestellt sind Fortsetzungen der Vielzahl der Trennwände, die bei 135 und 136 gezeigt sind, die sich durch den Strömungsweg hindurch fort setzen können, der begrenzt ist durch das Leitblech 150 und die Kanten bzw. Ränder 111 a, 111 b und 111 c. Es ist klar, daß ähnliche Trennwände sich durch die Strömungswege der Leitungsverzweigung 120 hindurch erstrecken können oder nicht, wie nachfolgend beschrieben, je nach der speziellen Anwendung der Erfindung.

Die Flüssigkeit aus dem Raum 153 wird durch das Leitblech 161, das dem Raum gegenüberliegend angeordnet ist und jeweils Flügel 162 und 163 aufweist, die sich von diesem nach außen erstrecken, parallel zu dem Flügel 151 des Leitbleches 150 und zu der Kante 111 b in die Strömungswege 156 und 157 gelenkt. Die Flüssigkeits strömungswege 158 und 159 werden gebildet von dem Raum 154 in Zusammenarbeit mit einem Leitblech 166, das sich nach außen er streckende Flügel 167 und 168 aufweist, wobei die Flügel 167 und 168 in der gleichen Querebene (Stirnfläche) liegen wie die Flügel 162 und 163. Die entlang der Strömungswege 156 bzw. 157 strömende Flüssigkeit tritt in die Räume 171 und 172 ein, während die entlang der Strömungswege 158 und 159 strömende Flüssigkeit jeweils in die Räume 173 und 174 eintritt. Die Flüssigkeit in dem Raum (Plenum) 171 wird aufgeteilt in die Strömungswege 176 und 177, die durch das Leitblech 186, die Kante 111 b und den Flügel 162 begrenzt sind; die Flüssigkeit aus dem Raum (Plenum) 172 wird aufgeteilt in die Strö mungswege 178 und 179, die durch das Leitblech 187, das Leitblech 150 und den Flügel 163 begrenzt sind; die Flüssigkeit aus dem Raum (Plenum) 173 wird aufgeteilt in die Strömungswege 181 und 182, die durch das Leitblech 188, das Leitblech 150 und den Flügel 167 begrenzt sind; und die Flüssigkeit aus dem Raum (Plenum) 174 wird aufgeteilt in die Strömungswege 183 und 184, die durch das Leit blech 189, die Kante 111 f und den Flügel 168 begrenzt sind. Die um die Leitbleche 186, 161, 187, 150, 188, 166 bzw. 189 herum strömende Flüssigkeit tritt in den mittleren Verteilungsraum 190 ein. Es ist klar, daß die Anzahl der Unterteilungen in den Strömungswegen der Leitungsverzweigung 120 größer oder kleiner gemacht werden kann als sie für die Erläuterungszwecke dargestellt ist, wobei die er findungsgemäße Bedingung die ist, daß eine fortschreitende Aufspaltung jedes Strömungsweges in zwei gleiche Schenkel erfolgt, so daß der Strömungswiderstand überall in dem gleichen Abstand von den Einlässen 61 oder 66 identisch und gleichmäßig ist.

Der Verteilungsraum 190 erstreckt sich transversal zu der Platte 110 praktisch über die gesamte Platte zwischen den Zungen 114, 115 und den Rillen 117, 118, wobei darauf hingewiesen sein, daß die Tiefe des Raumes 190 sich von der oberen Oberfläche 111 in die Platte 110 hinein bis zu einer Tiefe erstreckt, die geringer, gleich oder größer sein kann als die vertikale Erstreckung der Trennwände 135 und 136 (die Tiefe des Raums 190 bestimmt das Ausmaß des Druckausgleichs darin, wie nachfolgend näher erläutert), wobei die oberen Oberflächen aller Leitbleche in der durch die obere Oberfläche 111 definierten Ebene liegen, wodurch eine diskontinu ierliche ebene Oberfläche zwischen den Kanten der Platte erzeugt wird, so daß die sich in Längsrichtung erstreckenden Zungen und die sich in Längsrichtung erstreckenden Rillen jeweils oberhalb und unterhalb dieser Oberfläche liegen, wenn sich die Unterlage 130 an ihrer richtigen Stelle befindet.

Es sei darauf hingewiesen, daß alle Flüssigkeitsströmungswege vom Beginn der Wege 140, 141 und 142 bis zu dem Raum 190 identische Längen, Breiten und Höhen haben und daher den gleichen Strömungs widerstand besitzen. Wenn das Kopfstück 60 montiert ist, wie nach folgend angegeben, wird die in das Kopfstück 60 eintretende Flüs sigkeit durch den Einlaß 61 in den Raum (Plenum) 190 gleichmäßig über die gesamte Länge des Raumes verteilt, weil der auf die gesamte Flüssigkeit in dem Raum 190 einwirkende Strömungswiderstand genau der gleiche ist. Die gleichmäßige Verteilung der Flüssigkeit in dem Raum 190 ist kritisch für die erfindungsgemäße Arbeitsweise. Die Höhe der Strömungswege in der Platten-Leitungsverzweigung 120 wird vorher festgelegt in Abhängigkeit von dem gewünschten Strömungs widerstand, dessen Bedeutung nachfolgend erläutert wird.

Die Massenübertragungsfläche 200, die in dem Mittelabschnitt jeder Platte 110 angeordnet ist, wird durch die sich in Längs richtung erstreckenden Zungen 114, 115 und die sich in Längs richtung erstreckenden Rillen 117, 118 und durch den sich quer dazu erstreckenden zentralen Verteilungsraum 190 und einen sich quer dazu erstreckenden zentralen Sammlungsraum 290 begrenzt. Der Abstand zwischen den Räumen 190 und 290 ist die Massenübergangsfläche 200 und er wird unterteilt durch eine Vielzahl von Membran-Trägern, die aus parallel im Abstand vonein ander angeordneten Leitblechen 201, 202, 203, 204 . . . 200+n in eine Vielzahl von sich in Längsrichtung erstreckenden Strömungs wegen 210, 211, 212. . . 210+n. Jeder der so definierten Kanäle 210, 211 u. dgl. hat die gleiche Höhe, Breite und Länge, wodurch der Strömungswiderstand für alle Kanäle der gleiche ist. Die obere Oberfläche jedes dieser Leitbleche 201, 202 u. dgl. liegt in der gleichen Ebene wie alle weiter oben be schriebenen anderen Leitbleche und in der durch die Oberfläche 111 und die Unterlage 130 definierten Fläche, wodurch alle oberen Leitblechoberflächen und die Unterlage einen Membranträger ergeben. Der Flüssigkeitsstrom durch die Kanäle 210, 211 u. dgl. ist gleich mäßig, wobei alle Kanäle gefüllt sind und die gleiche Menge Flüssigkeit mit der gleichen Geschwindigkeit führen.

Jede der Platten 110 ist mit einer Auslaß-Leitungsverzweigung 220 am Ende der der Einlaß-Leitungsverzweigung 120 gegenüberliegenden Platte ausgestattet, wobei die Leitungsverzweigungen im wesentlichen den gleichen Aufbau haben, obgleich sie auch Spiegelbilder zuein ander sein können. Die Leitungsverzweigung 220 umfaßt insbesondere eine Vertiefung 221, die durch Wände begrenzt ist, die den Wänden 122, 123, 124 und 126 entsprechen. Die Vertiefung 221 weist darin Zweigleitungen 211 a bis 211 g auf, die ähnlichen Teilen der Leitungs verzweigung 120 entsprechend und entsprechend numeriert sind.

Eine Schulter 228 erstreckt sich von den den Wände 122 und 123 entsprechenden Wänden nach außen und eine Schulter 229 erstreckt sich von der der Wand 124 entsprechenden Wand nach außen. Die Stirnfläche der Leitungsverzweigung 220 ist zwischen den Stirn flächen der Zungen 114, 115 und der Rillen 117, 118 nach innen vertieft. Zwischen den Zungen 114, 115 und den Rillen 117, 118 erstreckt sich ein zentraler Stab 225, der eine Dicke hat, die gleich der Ausdehnung der Zungen und Rillen jenseits der Stirn fläche der Platten-Leitungsverzweigung 220 ist, so daß die äußere Oberfläche des zentralen Stabes 225 in der gleichen Ebene wie die Stirnfläche der Zungen und Rillen liegt, wobei der Einsatz der Leitungsverzweigung 220 aus den nachfolgend angegebenen Gründen erfolgt. Eine rechteckige Unterlage 230 hat eine solche Dimension, daß sie fest in die Vertiefung 221 paßt und an die Wände 222, 223, 224 und 226 anstößt. Wenn sie auf den Schultern 228 und 229 ruht, liegt die obere Oberfläche der Unterlage 230 in der gleichen Ebene wie die obere Oberfläche 211.

Die Schultern 228 und 229 liegen in der gleichen Ebene und sind durch einen ausgeschnittenen Teil, der durch zwei Trennwände 235 und 236 unterteilt ist, voneinander getrennt. Die Trennwände 235 und 236 verlaufen parallel zueinander und haben einen Abstand von einander, wobei jede Trennwand aus zwei parallelen Schenkeln be steht, die durch einen senkrechten Schenkel miteinander verbunden sind. Die beiden Trennwände 235 und 236 kooperieren mit den jeweils benachbarten Schultern 228 und 229 unter Bildung von drei Flüssigkeits strömungswegen 240, 241 und 242, von denen jeder von dem Ende der Leitungsverzweigung 220 zum Zentrum der Platte 110 führt und in einem Raum 245 endet, der sich quer zu der Platte erstreckt und durch die Kanten 211 a gebildet wird. Die in den Raum 245 eintretende Flüssigkeit strömt entweder entlang des Strömungsweges 246 oder entlang des Strömungsweges 247, wobei die Strömungswege durch die Kanten 211 b in Kooperation mit dem Leitblech 250 gebildet werden, wobei das Leitblech einen Mittelabschnitt und zwei sich nach außen erstreckende Flügel 251 und 252 aufweist, die quer zu der Längsachse der Platte 110 verlaufen. An den Enden der Flügel 251 und 252 sind jeweils Räume 253 und 254 angeordnet und die in den Raum 253 einströmende Flüssigkeit fließt entlang der Strömungswege 256 und 257, während die durch den Raum 254 strömende Flüssigkeit entlang der Strömungswege 258 und 259 fließt.

Die Flüssigkeit aus dem Raum 253 wird entlang der Strömungswege 256 und 257 durch das Leitblech 261 gelenkt, das dem Raum gegenüberliegt und Flügel 262 bzw. 263 aufweist, die sich parallel zu dem Flügel 251 des Leitbleches 250 und zu der Kante 211 b nach außen erstrecken. Die Flüssigkeitsströmungswege 258 und 259 werden gebildet aus dem Raum 254 in Kooperation mit einem Leitblech 266, das sich nach außen erstreckende Flügel 267 und 268 aufweist, wobei die Flügel 267 und 268 in der gleichen Querebene (Stirnfläche) wie die Flügel 262 und 263 liegen. Die entlang der Strömungswege 256 bzw. 257 strömende Flüssigkeit tritt in die Räume 271 und 272 ein, während die entlang der Wege 258 und 259 strömende Flüssigkeit jeweils in die Räume 273 und 274 eintritt. Die Flüssigkeit in dem Raum 271 wird aufgeteilt auf die Strömungswege 276 und 277, die durch das Leitblech 286, die Kante 211 f und den Flügel 262 begrenzt sind; die Flüssigkeit aus dem Raum 272 wird aufgeteilt auf die Strömungs wege 278 und 279, die durch das Leitblech 287, das Leitblech 250 und den Flügel 263 begrenzt sind; die Flüssigkeit aus dem Raum 273 wird aufgeteilt auf die Strömungswege 281 und 282, die durch das Leitblech 288, das Leitblech 250 und den Flügel 267 begrenzt sind; und die Flüssigkeit aus dem Raum 274 wird aufgeteilt auf die Strömungswege 283 und 284, die durch das Leitblech 289, die Kante 211 f und den Flügel 268 begrenzt sind. Die um die Leitbleche 286, 261, 287, 250, 288, 266 bzw. 289 herum fließende Flüssigkeit tritt in den zentralen Sammelraum 290 ein. Es ist klar, daß die Richtung des Flüssigkeitsstromes von oder zu den Leitungsverzweigungen 120 und 220 beliebig ist. Wenn die Flüssigkeit bei 120 eintritt, tritt sie bei 220 aus, wenn sie bei 220 eintritt, tritt sie bei 120 aus.

Der Sammelraum 290 erstreckt sich, wie oben angegeben, quer zu der Platte 110 parallel zu dem Verteilungsraum 190. Daraus ist zu ersehen, daß die Räume 190 und 290 die longitudinalen Endbegrenzungen der Massenübergangsfläche 200 bilden, wobei die Vielzahl von sich in Längsrichtung erstreckenden Kanälen 210 u. dgl., die durch die Leitbleche 201 u. dgl. gebildet werden, sich dazwischen erstrecken und transversal durch die sich in Längsrichtung erstreckenden Zungen 114, 115 und die Rillen 117, 118 gebunden sind.

Eine Membran 300 ist zwischen benachbarten Platten 110 angeordnet und erstreckt sich von dem Ende der Leitungsverzweigung 120 bis zu dem Ende der Leitungsverzweigung 220 und sie erstreckt sich auch sowohl über die beiden in einem Abstand voneinander angeord neten Zungen 114, 115 als auch über die beiden in einem Abstand voneinander angeordneten Rillen 117, 118. Wenn der Stapel Platten 110 so angeordnet ist, daß sich eine Membran 300 zwischen jeder der Platten befindet und die Zungen 114, 115 einer Platte 110 in die jeweiligen passenden Rillen 117, 118 einer anderen Platte 110 eingedrückt sind, werden die Membranen 300 unter Spannung gehalten und begrenzen mit den angrenzenden Platten Flüssigkeits strömungswege 310, 311, 312 u. dgl. für eine erste Flüssigkeit zwischen der Membran 300 und der Oberfläche 111 der einen Platte und Flüssigkeitsströmungswege 320, 321, 322 u. dgl. für eine zweite Flüssigkeit zwischen der Membran 300 und der Oberfläche 112 der angrenzenden (benachbarten) Platte.

Daraus ist zu ersehen, daß für eine erste Flüssigkeit bzw. eine zweite Flüssigkeit Strömungswege 310 u. dgl. bzw. 320 u. dgl. vorgesehen sind, worin jede Flüssigkeit auf einer Seite der Membran 300 vorhanden ist und entlang eines Strömungsweges gelenkt wird, der durch die Membran und die Konfiguration der angrenzenden Platte 110 begrenzt ist. Jede Platte 110 hat entweder die gleiche Konfi guration auf jeder Oberfläche oder sie weist Spiegelbildkonfigura tionen auf den Oberflächen auf, mit Ausnahme der Tatsache, daß die Membranträger in der Massenübergangsfläche 200 identische Strömungs wege begrenzen, um eine maximale Fläche zu gewährleisten, in welcher die erste und die zweite Flüssigkeit in bezug auf die Massenübertragung durch die Membran 300 in Beziehung zueinander gesetzt werden. Wenn der Stapel Platten 110 hergestellt worden ist, wird ein Kopfstück 60 oder 60 A an jedem Ende des Stapels befestigt mit ausgerichteten zentralen Stäben 125, die einen zentralen Pfosten bilden, und mit ausgerichteten zentralen Stäben 225, die einen weiteren zentralen Pfosten bilden, wobei jeder der zentralen Pfosten in die vertieften Oberflächen 103 auf den vorstehend beschriebenen Kopfstücken 60 und 60 A paßt.

Die in den Einlaß 61 eintretende Flüssigkeit wird durch das Kopf stück 60 in den Raum 100 verteilt zur Erzielung einer gleichmäßigen Verteilung der Flüssigkeit zu jeder Platten-Leitungsverzweigung 120 und insbesondere zu jedem der Flüssigkeitsströmungswege 140, 141 und 142. In entsprechender Weise wird die in den Einlaß 66 eintretende Flüssigkeit durch das Kopfstück 60 A in den Raum 100 A verteilt zur Erzielung einer gleichmäßigen Verteilung der Flüssigkeit an jede Platten-Leitungsverzweigung 120 A und insbesondere an jeden der Flüssigkeitsströmungswege 140 A, 141 A und 142 A. Die Unterlagen 130, 230 werden verwendet, um eine Membranverformung zu verhindern, wenn die in die Leitungsverzweigungen 120 A eintretende Flüssigkeit unter einem höheren Druck steht als diejenige, welche in die Leitungsver zweigungen 120 eintritt. Die Unterlagen 130, 230 sind in den Ver tiefungen 121 bzw. 221 angeordnet und die zugeordnete Membran 300 liegt über der Unterlage. Die Unterlagen können gewünschtenfalls in Vertiefungen 121 A und 221 A verwendet werden. Wenn die in die Leitungsverzweigungen 120 A eintretende Flüssigkeit unter einem höheren Druck steht als die in die Leitungsverzweigungen 120 ein tretende Flüssigkeit, tritt keine Membranverformung auf, wodurch ein Auslaufen der Flüssigkeit zwischen den Leitungsverzweigungen 100 A und 100 vermieden wird. Wenn die beiden Flüssigkeiten unter dem gleichen Druck stehen, dann sind die Unterlagen 130, 230 nicht erforderlich, wenn die Membran genügend steif ist; im übrigen werden die Unterlagen in allen Vertiefungen 121, 221, 121 A und 221 A verwendet.

Wenn die Membran 300 genügend steif ist oder wenn die Kanalabstände eng genug sind, um eine Membranverformung zu verhindern, dann sind keine Unterlagen 130, 230 erforderlich.

Einige der Hauptvorteile der Massenübergangsvorrichtung 50 sind die gleichmäßige Verteilung, die durch beide Kopfstücke 60 und 60 A sowie die einzelnen Platten-Leitungsverzweigungen 120 und 120 A, 220 und 220 A für die erste und die zweite Flüssigkeit erzielt wird, wodurch praktisch alle Eintritts- und Austrittseffekte eliminiert werden. Die Kopfstücke 60, 60 A verteilen und sammeln Flüssigkeiten in einer Richtung senkrecht zu den Ebenen der Platten 110, während die Leitungsverzweigungen 120, 220, 120 A, 220 A Flüssigkeiten in den Plattenebenen transversal (quer) zu den Platten 110 verteilen und sammeln. Die Kombination aus den Kopfstücken 60, 60 A und den Leitungsverzweigungen 120, 120 A, 220, 220 A führt Flüssigkeiten den Räumen 190 und 290 und der Massenübergangsfläche 200 bei niedrigen Geschwindigkeiten und geringen Turbulenzen zu und zieht sie von diesen ab, wodurch eine gleichmäßige Verteilung des Druckes und der Strö mung beim Eintritt und beim Austritt der Flüssigkeiten in und aus den Strömungskanälen in jeder Platte 110 sichergestellt wird. Die Flüs sigkeiten strömen gleichmäßig durch die Massenübergangsfläche 200 ohne Strahleffekte, so daß die maximale Menge der Flüssigkeiten mit den Membranen 300 in Kontakt kommt, was zu einem stark verbes serten Massenübergang führt. Außerdem sind die Flüssigkeitsströ mungskanäle verhältnismäßig flach, so daß das Oberflächen/Volumen- Verhältnis der Flüssigkeiten im Kontakt mit den Membranoberflächen sehr hoch ist. Das heißt mit anderen Worten, daß sehr dünne Flüssig keitsfilme (so dünn, daß sie nur dem 5fachen des Durchmessers eines roten Blutkörperchens entsprechen) den Widerstand gegen den Massenübergang herabsetzen und den Wirkungsgrad der Erfindung erhöhen (verbessern). Nachdem die Flüssigkeit mittels der Platten- Leitungsverzweigungen 120 und 120 A verteilt worden ist, strömt sie in Längsrichtung und gleichmäßig in die Massenübergangsfläche 200, wodurch sowohl die erste als auch die zweite Flüssigkeit mit fast genau der gleichen Geschwindigkeit strömen können, da sie beide einen identischen Strömungswiderstand zu überwinden haben. Es sei darauf hingewiesen, daß bei einigen Anwendungszwecken jedoch die Tiefe der Strömungskanäle auf einer Seite der Platte 110 verschieden sein kann von der Tiefe auf der anderen Seite. In diesem Falle wären die Strömungswiderstände auf einer Seite anders als auf der anderen Seite.

Da beide Flüssigkeiten durch den Flüssigkeitsstrom entlang der einzelnen Platten 110 und durch die Kanäle, die durch die Koopera tion zwischen der einzelnen Platte und der benachbarten Membran gebildet werden, in die Massenübergangsfläche 200 eingeführt werden, sind keine Dichtungen oder anderen Mechanismen, die zu einem Leck führen können, erforderlich, um die Flüssigkeit entlang der einzelnen Platten zu verteilen. Die erfindungsgemäße Kon struktion erlaubt daher die Verwendung von Membranen 300, die im allgemeinen nicht perforiert sind, was sich in diesem Zusammenhang nicht auf die Fähigkeit der Membran bezieht, als Filter zu wirken, was bei bestimmten Anwendungszwecken der Fall sein kann, sondern sich auf die Tatsache bezieht, daß die Membran nicht durchbohrt zu sein braucht, da die Flüssigkeit longitudinal zu der Membran anstatt transversal durch die Membran eingeführt wird. Da einzelne Blätter der Membran 300 zwischen jeder der einzelnen Platten 110 verwendet werden, wird erfindungsgemäß gegenüber den bekannten Konfigurationen, in denen rohrförmige oder doppelte Membranen zwischen den Trägern verwendet werden, ein wirtschaftliches Ma terial verwendet und es wird ein leichter Aufbau erzielt.

Ein Hauptmerkmal der erfindungsgemäßen Massenübergangsvorrichtung 50 ist die im wesentlichen gleichmäßige Verteilung, die durch die Kopfstücke 60, 60 A und die einzelnen Platten-Leitungsverzweigungen 120, 120 A, 220 und 220 A für die erste und die zweite Flüssigkeit erzielt wird. Nachdem die Flüssigkeiten in den Räumen 100 und 100 A verteilt worden sind, fließt der Strom danach eher an den Platten 110 und der Membran 300 entlang als durch sie hindurch. Dies ist besonders vorteilhaft, wo Leckprobleme verhindert werden müssen.

Bei der hier erläuterten Kurzweg-Parallelstrom-Massenübergangsvor richtung 50 könnten Eintritts- und Austritts-Effekte überwiegen. Diese Effekte werden erfindungsgemäß minimal gehalten durch die Kooperation des Kopfstückes 60, das eine gleichmäßige Verteilung der Flüssigkeit an jede Schicht ergibt, und die Platten-Leitungs verzweigungen 120, 220, 120 A und 220 A, die eine gleichmäßige Ver teilung der Flüssigkeiten zwischen den Schichten ergeben. Die Flüssigkeiten fließen deshalb an den mehrfachen parallelen Strö mungswegen in einer parabolischen Wellenfront entlang, wobei alle Strömungswege die gleiche Flüssigkeitsmenge mit der gleichen Geschwindigkeit führen. Wenn die Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeiten in der Massenübergangsvorrichtung 50 sehr niedrig ist, ist die Reynolds-Zahl niedrig genug, so daß die Turbulenz kein Faktor ist, wodurch die Strömungsverteilung und die dünnen Grenz schichten die kritischen Parameter des Massenübergangs werden.

Die Kopfstücke 60 und 60 A teilen die eintretenden Flüssigkeiten auf, bis eine gleichmäßige Verteilung in den Räumen 100 und 100 A erzielt worden ist; es sind keine Eintritts- oder Austritts- Strahlen vorhanden und das Kopfstück wirkt als einzige Quelle oder Sammelbehälter für jede Flüssigkeit. Die geeigneten Dimen sionen des Verteilungssystems, welches sowohl die Kopfstücke 60, 60 A als auch die einzelnen Platten-Leitungsverzweigungen 120 u. dgl. umfaßt, sind kritisch für den Aufbau der Massenübergangs vorrichtung 50 und variieren entsprechend den anderen Dimensionen der Vorrichtung und dem Endverwendungszweck, für den sie bestimmt ist. In ähnlicher Weise verteilen die Leitungsverzweigungen 120 u. dgl. die Flüssigkeiten gleichmäßig zur Erzielung einer Sammel stelle oder einer einzigen Quelle für den Massenübergangsbereich und insbesondere die Räume 190, 290, so daß keine Strahlbildung oder kein ungleichmäßiger Strom quer zu den Platten 110 auftritt. Durch Einstellung der Tiefe der verschiedenen Strömungskanäle kann der innere Widerstand der gesamten Vorrichtung 50 oder von Teilen davon je nach Verwendungszweck geändert werden zur Erzielung eines gleichmäßigen oder ungleichmäßigen hohen oder niedrigen Widerstandes.

Die erfindungsgemäße Massenübergangsvorrichtung 50 kann als Parallel strom-Hämodialysator verwendet werden. Bei einer solchen Verwendung können 80 Schichten der Membran 300, beispielsweise aus regenerierter Cellulose, in einer Vorrichtung mit einer das Gehäuse 51 umfassenden Außendimension von 21,3 cm × 10,5 cm × 6,7 cm (8,4 inch × 4,125 inch × 2,65 inch) mit einem Endgewicht von 1,3 kg (2,9 lbs) verwendet werden.

Der Druckabfall an dem Dialysator bei einer Strömungsgeschwindig keit von 300 ml pro Minute beträgt 42 mm Hg, während der mittlere Transmembrandruck in einem Fistel-Leitungsschema 46 mm Hg beträgt. Die minimale Ultrafiltrationsgeschwindigkeit bei einem Fistel- System bei einem Blutstrom von 300 ml pro Minute beträgt 0,5 ml pro Minute oder 30 ml pro Stunde. Die maximale Ultrafiltrations geschwindigkeit kann bis zu 40 ml pro Minute oder 2400 ml pro Stunde betragen. Dieser Bereich von einstellbaren Ultrafiltrations geschwindigkeiten übersteigt denjenigen der derzeit bekannten Vorrichtungen mit einer Membranoberflächengröße von 1 m² und ver bessert die klinische Brauchbarkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Massenübergangsvorrichtung bzw. Massenübertragungsvorrichtung 50 ist der, daß nur ein niedriges Primärvolumen (Füllvolumen) von 87 ml Blut erforderlich ist bei einer wirksamen Membranfläche von 9,667 cm² oder fast 1 m².

Bei der Verwendung als Parallelstrom-Hämodialysator können die einzelnen Platten 110 aus irgendeinem Material bestehen, das sowohl mit Blut als auch mit anderen Körperflüssigkeiten biologisch ver träglich ist. Es kann ein synthetisches organisches Harz, wie z. B. ein thermoplastisches Harz, das bei verhältnismäßig tiefen Temperaturen geformt werden kann, oder ein wärmehärtbares Harz verwendet werden. Dazu gehören Polyester, Polyurethane, Polycarbo nate und Polystyrol. Bei dem Membranmaterial kann es sich um irgend eine der anerkannten semipermeablen Membranen handeln, die in Dialysatoren verwendet werden, wie z. B. eine Membran aus regenerier ter Cellulose, Celluloseacetat, Polycarbonat oder irgendeine andere semipermeable, nicht-toxische Polymermembran. Das Gehäuse 51 und das Kopfstück 60 müssen ebenfalls aus einem Material bestehen, das mit Blut und anderen Körperflüssigkeiten biologisch ver träglich ist, wobei Polycarbonat ein Beispiel für ein solches Material ist.

Bei dem bevorzugten Hämodialysator-Gerät ist jede Platte 110 aus Polypropylen 0,08 cm (0,03 inch) dick und hat Spiegelbild-Muster auf jeder ihrer Seiten, so daß das Dialysat in den Einlaß 61 ein tritt und durch den Auslaß 67 austritt und das Blut in den Einlaß 66 eintritt und durch den Auslaß 62 austritt. Die Membranen 300 bestehen vorzugsweise aus regenerierter Cellulose und die Unterlagen 130 und 230 bestehen vorzugsweise aus einem organischen syntheti schen Polyesterharz. Daraus ist zu ersehen, daß sowohl die Dialysat kanäle 310 u. dgl. als auch die Blutkanäle 320 u. dgl. auf einer Seite durch die Membran 300 und auf der anderen Seite durch die jeweiligen Platten 110 gebunden sind.

Die Leitbleche 201 u. dgl. haben eine Querdimension von 0,025 cm (0,01 inch) und einen Abstand von 0,25 cm (0,1 inch) voneinander, wobei die Kanäle 210 u. dgl. 0,008 cm (0,003 inch) tief sind. Die Platten-Leitungsverzweigungen 120, 120 A, 220 und 220 A haben Kanaltiefen, die mehr als 0,008 cm (0,003 inch) betragen. Ins besondere die Platten-Leitungsverzweigungen 120, 120 A, 220 und 220 A haben eine Kanaltiefe von etwa 0,015 cm (0,006 inch), um die verminderte Strömungsfläche in den Leitungsverzweigungen, verglichen mit der Strömungsfläche in den Kanälen 310 u. dgl. und 320 u. dgl. zu kompensieren. Es ist klar, daß die Form der Kanäle und Ablenkbleche nur beispielhaft ist und daß sie aus technischen Gründen geändert werden kann.

Der Zusammenbau der Massenübergangsvorrichtung 50 wird erleichtert durch die Zungen 114, 115 und die Rillen 117, 118, die gewährleisten, daß die einzelnen Platten 110 in dem Stapel übereinanderliegen. Das Gehäuse 51 kann mit einem Epoxyharz oder einem Silikonkautschuk klebstoff oder irgendeinem anderen Klebstoff, der für die Ver wendung mit Körperflüssigkeiten geeignet ist, zusammengeklebt sein. Nachdem der Stapel in dem Gehäuse 51 befestigt worden ist, werden die Kopfstücke 60 mit einem geeigneten Klebstoff oder auf andere Weise befestigt. Das Übereinanderliegen des Kopfstückes 60 und des Stapels aus den einzelnen Platten 110 wird durch die zentralen Stäbe 125 und 225 gewährleistet. Da jede der Membranen 300 über die einzelnen Platten 110 gespannt wird und danach die Platten zusammen geklammert werden, kooperieren die Zungen 114, 115 und die Rillen 117, 118 miteinander, wobei sie die Membranen 300 unter Spannung halten, so daß die Membranen eine Berstfestigkeit in dem Dialysator von mehr als 2,1 kg/cm² (30 psi) oder 1400 mm Hg haben.

Die erfindungsgemäße Massenübergangsvorrichtung 50 kann auch als Oxygenator (Sauerstoffüberträger) verwendet werden. Bei der Ver wendung als Oxygenator besteht das Gehäuse 51 aus einem organischen Material, das mit Blut und anderen Körperflüssigkeiten biologisch verträglich ist, wie dies auch für die Verwendung als Dialysator erforderlich ist. Dies gilt auch für die Kopfstücke 60 sowie für die Platten 110. Die Membranen 300 bestehen aus einem Siliconkautschuk- Polymeren oder einem Copolymeren aus Siliconkautschuk und Polycar bonat. Weitere Membranen können aus extrudierten mikroporösen Ma terialien bestehen, wie sie beispielsweise von Gore-Tex herge stellt werden, oder sie können aus einem mikroporösen Polypropylen bestehen, wie es von der Cellanese Corporation hergestellt wird.

Für die Verwendung in einem Oxygenator sind auch bestimmte katalytische Membranen akzeptabel und insbesondere bestimmte synthetische organische Harze mit einem Permanganatüberzug dar auf sind vorteilhaft.

Die Massenübergangsvorrichtung 50 kann auch als Wärmeüberträger verwendet werden, wobei die Platten aus Metall oder irgendeinem anderen, gegen hohe Temperaturen beständigen Material, wie z. B. Polypropylen, Polycarbonat oder wärmehärtbaren Harzen, wie Epoxiden, Resorcinalen oder Harnstofformaldehyden, bestehen können. Bei den Membranmaterialien kann es sich um eine dünne Aluminium folie einer Dicke von 0,013 bis 0,025 mm (¹/₂ bis 1 mil) handeln. Eine derartige Verwendung ist die als Automobilkühler, bei dem die erforderliche Wärmeübertragungsgeschwindigkeit 60 000 Kalorien pro Sekunde bei einer Strömungsgeschwindigkeit von 49,2 l (13 gallons) pro Minute und bei einem Druckabfall von 0,14 kg/cm² (2 psi) beträgt. Dabei geht man davon aus, daß beispielsweise in einem Automobilkühler Kühlmittel von dem Motor auf eine Seite der Membran 300 gepumpt werden kann, während Luft durch die andere Seite der Membran gepumpt werden kann. Die einzige Anforderung an den Motor ist die, daß eine Luftpumpe anstelle der bisher ver wendeten Gebläse eingesetzt wird.

Da die Filmdicke des Kühlmittels in der Wärmeübertragungsvorrichtung 50 sehr dünn ist, tritt eine hohe Wärmeübertragung auf. Eine 400 Platten-Vorrichtung ergibt eine Oberflächengröße von 10 m², die den heutigen Automobilkühlern entspricht. Eine 400 Platten-Vorrichtung, die erfindungsgemäß aufgebaut ist, hat eine Größe von etwa 35,6 cm × 10,2 cm × 25,4 cm (14 inch × 4 inch × 10 inch) und ein Volumen von etwa 1,9 l (2 quarts) Flüssigkeit. Es ist daher klar, daß ein erfindungsgemäß aufgebauter Automobilkühler viel kleiner und wirtschaftlicher in der Herstellung sein könnte als die heutigen Kühler.

Die vorliegende Erfindung kann auch beim Gegenstück zu dem vor stehend beschriebenen Automobilkühler, d. h. in einer Heizvorrich tung, angewendet werden. So kann beispielsweise Luft als eine Flüssigkeit (Fluid) verwendet und im Wärmeaustausch mit heißem Wasser hindurchgeblasen werden. Bei diesem Aufbau wird eine einfache Luftpumpe zum Durchblasen von Luft durch die Massen übergangsvorrichtung verwendet, wodurch die Luft erhitzt und an schließend die erhitzte Luft in die gewünschte Fläche eingeführt wird.

Die erfindungsgemäße Massenübergangsvorrichtung 50 kann auch bei der Umkehrosmose verwendet werden, bei der ein hoher Austritts- Widerstand erforderlich ist. Zu diesem Zweck kann die Tiefe der Auslaß-Leitungsverzweigung 220 und 220 A und damit des Raumes 290 so eingestellt werden, daß sie gleich oder geringer ist als die Tiefe der Kanäle 310 u. dgl. Das Gehäuse besteht aus einem dicken Stahl, welcher den hohen Drucken standhalten kann, die im Innern des Behälters auftreten, und bei dem Membranmaterial handelt es sich um ein anerkanntes Material. Da ein hoher Innendruck auftritt, müssen die Unterlagen 130, 230 sorgfältig eingepaßt werden, um eine Kanalbildung der Flüssigkeit zurück in das Kopfstück zu verhindern. Das bedeutsame Prinzip ist die Anwendbarkeit der vorliegenden Erfindung auf viele Endverwendungszwecke.

Zusammenfassend kann man sagen, daß die Massenübergangsvorrichtung 50 so aufgebaut ist, daß die Eintritts- und Austrittseffekte minimal gehalten werden, nachdem gefunden worden war, daß diese Bedingungen bei der Bestimmung der Wirksamkeit des Massenübergangs (Massenübertragung) in Kurzweg-Parallelstrom-Vorrichtungen vorherr schen. Die Kombination von Kopfstück und Leitungsverzweigung führt zu einer gleichmäßigen Flüssigkeitsverteilung zu jeder Platte und entlang jeder Platte sowohl von Plattenende zu Plattenende als auch von Plattenseite zu Plattenseite. Obgleich es sich bei den beschriebenen Membranträgern um Rillen handelt und diese bevorzugt sind, können auch andere geometrische Formen, wie z. B. Pyramiden oder Kegel, verwendet werden, ohne daß dadurch der Rahmen der vorliegenden Erfindung verlassen wird. Da das Kopfstück und die Leitungsverzweigung an beiden Flüssigkeitseinlässen und an beiden Flüssigkeitsauslässen die gleichen sind, wirkt auf jedes Flüssig keitsteilchen in der Vorrichtung der gleiche Strömungswiderstand ein, so daß eine gleichmäßige Flüssigkeitsverteilung und eine gleichmäßige Strömung erhalten werden. In diesem Zusammenhang darf darauf hingewiesen werden, daß unter dem hier verwendeten Ausdruck "Flüssigkeit" stets auch "Fluids", d. h. gasförmige Ströme, zu verstehen sind.

Die Erfindung wurde zwar vorstehend unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsformen näher erläutert, es ist jedoch für den Fachmann selbstverständlich, daß sie keineswegs darauf beschränkt ist, sondern daß diese in vielfacher Hinsicht abgeändert und modifi ziert werden können, ohne daß dadurch der Rahmen der vorlie genden Erfindung verlassen wird.

Claims

1. Parallelstrom-Massenübergangs-Vorrichtung zur Erzielung eines Massenübergangs zwischen einer ersten Flüssigkeit und einer zweiten Flüssigkeit, in Form eines Stapels von Platten (110), wobei zwischen benachbarten Platten (110) je eine Membran (300) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet,
daß jede Platte an einem Ende der ersten Seite eine Leitungs verzweigung (120) für die erste Flüssigkeit aufweist, die eine mehrmalige Aufteilung des Einlaßstromes in jeweils nur zwei identische Teilströme zur Erzielung einer geraden Anzahl von Strömen, die einen gleichmäßigen und einheitlichen Abstand voneinander haben, bewirkt,
daß jede Platte auf der gleichen Seite am gegenüberliegenden Ende eine identische Leitungsverzweigung (220) zum Sammeln der ersten Flüssigkeit aufweist,
daß jede Platte auf der zweiten Seite identische Leitungsver zweigungen zum Verteilen und Sammeln der zweiten Flüssigkeit aufweist,
daß die Zu- und Abführkanäle für die erste bzw. zweite Flüssigkeit in die sich gegenüberliegenden Stirnseiten der Platten münden,
daß Kopfstücke (60 bzw. 60 a) vorgesehen sind, die Verteilungs systeme bzw. Sammelsysteme aufweisen, die die erste und die zweite Flüssigkeit senkrecht zu den Platten (110) verteilen bzw. sammeln, wobei jedes Verteilsystem die Flüssigkeitsein lässe (61, 66) mit den Stirnseiten der Platten (110) so verbin den, daß senkrecht zu diesen Platten (110) der Einlaßstrom mehrfach in jeweils nur zwei identische Teilströme aufgeteilt wird und jedes Sammelsystem senkrecht zu den Platten mehrfach jeweils nur zwei identische Flüssigkeitsströme zusammenführt.

2. Verwendung der Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1 zur Hämodialyse.