WO2020244934A1 - Vorrichtung für den stoff- und/oder energieaustausch zwischen zwei medien und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

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WO2020244934A1
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hollow fiber
package
hollow
axis
chamber
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PCT/EP2020/064280
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Niklas STEUER
Jutta Arens
Felix HESSELMANN
Andreas Kaesler
Peter SCHLANSTEIN
Thomas Schmitz-Rode
Ulrich Steinseifer
Georg Wagner
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Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule (Rwth) Aachen
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    • F28D2021/005—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for for medical applications

Definitions

  • the invention relates to a device for the exchange of substances and / or energy between a first exchange medium, in particular blood, and at least one second exchange medium, in particular a gas, comprising a housing that surrounds at least one chamber in which a packet of substance and / or
  • the energy-permeable hollow fibers is arranged and which is divided by the hollow fibers into two chamber areas, wherein the hollow fibers can flow around the first exchange medium in a first chamber area of the at least one chamber and the hollow fibers can flow through the at least one second exchange medium in a second chamber area of the at least one chamber are.
  • the invention also relates to a method for manufacturing such a device.
  • Hollow fibers are used, for example, to lower the carbon dioxide partial pressure in the blood of a living being, in particular by increasing the oxygen partial pressure.
  • Blood can thus serve as the first exchange medium and a gas as the second, which is also understood to mean a mixture of several gases, in particular which has a higher oxygen partial pressure than the blood to be treated.
  • Devices of this type are used e.g. referred to as oxygenators.
  • the device serves, for example, as a heat exchanger for exchanging heat between the media.
  • the said first chamber area is located in the housing of the device
  • the exchange of substances and / or energy between the exchange media can thus take place between the two chamber areas across the hollow fiber walls.
  • the first exchange medium can flow into one chamber area, e.g. Blood and, in the second chamber area, a second exchange medium, e.g. the gas for oxygen enrichment and / or carbon dioxide depletion.
  • the hollow fibers are understood to be material-permeable to the extent that they are permeable to certain substances that are hollow-fiber-specific, but not to other substances.
  • Such semipermeable hollow fibers can be used e.g. Carbon dioxide molecules and oxygen molecules through the walls of the hollow fiber in both directions, but blood components not.
  • Such hollow fibers are understood to be energy-permeable, which allow an energy exchange, e.g. Allow heat exchange between the media on both sides of the hollow fiber walls, in particular where such energy-permeable hollow fibers are not material-permeable, but can also be.
  • the invention also relates to the energy- and / or material-permeable devices mentioned at the outset, such as heat exchangers and / or oxygenator devices, but is not limited to these.
  • energy- and / or material-permeable devices mentioned at the outset, such as heat exchangers and / or oxygenator devices, but is not limited to these.
  • such devices are manufactured specifically for the size of the living being to be treated.
  • the devices for adult humans have larger housings and the hollow fiber packages have a larger exchange surface than for children and especially newborns.
  • the production and storage is accordingly complex and costly.
  • the hollow fibers of the hollow fiber package are materially connected to the housing by the adhesive bond. It is therefore not possible to remove a hollow fiber package from the housing without destroying it after such a device has been used
  • Housing arrangements can be used. It is preferred that one of the tasks is to subsequently retrieve a used hollow fiber package from a housing
  • Another object is to provide a method for producing such a device.
  • Hollow fiber package has a package axis to which all hollow fibers of the
  • Hollow fiber packet are oriented transversely, preferably vertically, the
  • Hollow fiber packet has on its outer circumference at least two circumferentially spaced apart and each axially extending sealing elements, in particular which are formed by the potting compound, preferably after it has hardened and the sealing elements in a state compressed in the radial direction lie tightly against the inner wall of the housing and the second
  • Chamber area is divided by the sealing elements in the circumferential direction into at least two chamber subareas.
  • These sealing elements preferably have an axial length which corresponds exactly or at least to the axial length of the hollow fiber packet viewed in the direction of the packet axis.
  • the axial ends of the sealing elements can each end in alignment with the axial end face of the hollow fiber packet or, according to one of the following, also end
  • An arrangement of the hollow fibers transversely to the package axis is preferably understood to mean that the directions of the hollow fiber longitudinal extensions cross the direction of the package axis, ie the two directions at least at an angle
  • an axial direction is understood as the direction of the package axis or parallel thereto, in particular the package axis being assumed to be preferably located centrally in the package.
  • a radial direction is a direction that points towards the package axis or starting away from it, in particular perpendicular to the package axis.
  • Inner area which thus represents a space in the hollow fiber package in which the hollow fibers are exposed in the chamber of the device.
  • This area represents the first chamber area of the at least one chamber or is at least fluidically connected to it.
  • the radial distance between the casting compound and the package axis does not have to be the same for all angular positions around the package axis.
  • the of potting compound free space in cross section perpendicular to the package axis angular, in particular rectangular, or part-circular or parabolic.
  • the cross section can preferably be the same for all axis positions.
  • the cross section can also change with the axial position, eg change from one axial end of the package in the direction of the other, eg decrease.
  • the radial distance of the casting compound from the package axis can also apply to everyone
  • Angular positions around the package axis, in particular for all axial positions in the package be the same.
  • the free space of the casting compound is in the
  • Hollow fiber package is a cylindrical space with a circular area as the base area, which is surrounded on the outside in the radial direction by potting compound.
  • the space free of casting compound can thus e.g. be a cylindrical space with any cylinder base or a cone section-shaped space with any cone base.
  • the respective base areas are preferably circular or angular.
  • the package axis is preferably an axis that lies in this space free of potting compound in the hollow fiber packet, more preferably lies centrally in the space free of potting compound.
  • the potting compound which surrounds the free area in the hollow fiber package over a full 360 degrees around the package axis, and which materially connects the hollow fibers to one another, is preferably not according to the invention with the
  • Hollow fiber package is arranged.
  • the sealing between the hollow fibers and the housing of the device does not take place via a material connection of the potting compound to the inner wall of the housing, but rather because the sealing elements, which extend axially, i.e. parallel to the package axis, attach to the outer circumference of the hollow fiber package in the compressed state the inner wall of the housing, thus due to the compression with a force on the
  • Housing inner wall are pressed and thereby preferably seal. There is thus a force fit and / or form fit between a respective sealing element and the housing wall, whereby the tightness is achieved.
  • the sealing elements are preferably formed by the potting compound, in particular after a potting compound that is liquid during potting has hardened, which compound also surrounds the hollow fiber package around the free area. If this is not the case, the sealing elements can also be integrated into the potting compound as separate elements.
  • the material of the sealing elements is preferably one which - especially in the set, hardened state - has a Shore A hardness of 1 to 100, e.g. an elastomer, preferably that sets by polymerization or vulcanization, for example a silicone or latex.
  • the advantage of the invention is that the hollow fiber package is not bonded to the inner wall of the housing of the device, but rather in a sealing manner,
  • the invention has the advantage that the hollow fiber package can be manufactured and stored separately from the housing of the device. Different hollow fiber packages can be used
  • the at least two sealing elements subdivide the second chamber region into at least two chamber subregions which are spaced apart in the circumferential direction, that is to say around the package axis, in particular that are different
  • the chamber subareas are connected through the hollow fibers of the hollow fiber packet and form an inlet area and an outlet area for the in this case a second exchange medium which flows through the hollow fibers.
  • the chamber subareas that are formed between adjacent sealing elements can, for example, consist of hollow fibers in different laying directions
  • the invention can preferably provide that the hollow fiber package comprises several flat layers of hollow fibers which are stacked on top of one another in the direction of the package axis.
  • the stacking can take place without a gap, but preferably also with a distance between the layers in the direction of the package axis, e.g. realized by a flat spacer element between adjacent layers.
  • a respective position can e.g. be formed by a mat of hollow fibers, preferably in which the hollow fibers are connected by warp threads.
  • the directions of the hollow fibers are preferably always the same, i.e. the hollow fibers are parallel.
  • the hollow fibers are all with within a layer
  • the same cross section is formed, preferably with identical material and / or energy permeability.
  • a layer can also be formed by a folded area of a mat.
  • the layers in the hollow fiber package can all have the same orientation of the hollow fibers, for example.
  • the invention can also provide that the hollow fiber package has different layers of hollow fibers with at least two different laying directions of the hollow fibers, i.e. so that different locations different
  • the layers are laid so that with a number of N different laying directions the hollow fibers of the layers are oriented at an angle of 180 degrees / N to one another.
  • Each two chamber subareas of the second chamber can be connected by the hollow fibers, in particular the hollow fibers of the layers, of at least one specific laying direction, in particular these chamber subareas being the single and
  • the hollow fiber package preferably has a number of 2 ⁇ N sealing elements, where N is an integer greater than or equal to 1. There are then 2xN
  • Chamber subareas which are arranged in the circumferential direction around the package axis.
  • the 2xN chamber subareas are preferably in N pairs of
  • N different laying directions of the layers of hollow fibers up to N different pairing of chamber sections can be generated.
  • N different second exchange media are passed through the hollow fiber packet if hollow fibers of different laying directions also lead different exchange media.
  • each chamber sub-area which is formed between two sealing elements preferably has its own connection leading through the housing wall, through which a second exchange medium enters the
  • Chamber portion can be introduced or removed from this.
  • the hollow fibers of different layers can also have different material and / or energy permeability.
  • energy-permeable hollow fibers be arranged, preferably wherein the
  • first hollow fiber package has hollow fibers with a first material permeability and another hollow fiber package has hollow fibers with a different (second) material permeability or only with one energy permeability , especially the
  • Hollow fiber packets with the same first exchange medium but different second exchange media are used. If a hollow fiber package has only energy-permeable hollow fibers, but no material-permeable hollow fibers, the information given in this application for a package also applies
  • Energy-permeable hollow fibers which are used together with a hollow fiber package with material-permeable hollow fibers in a device of the invention, can preferably be connected upstream of the hollow fiber package with the material-permeable hollow fibers in the flow direction of the first exchange medium, in particular blood.
  • the object is also achieved by a method in which to produce a device for the exchange of substances and / or energy between a first
  • Hollow fibers in particular a stack of several layers of mats of fabric and / or energy-permeable hollow fibers in the cavity of a mold cavity, the longitudinal direction of the hollow fibers being arranged transversely, preferably perpendicular to a package axis lying in the cavity of the mold cavity, which is parallel to an axis of rotation which the mold cavity is rotatable;
  • This axis of rotation can run through the cavity of the mold cavity, for example, and can in particular be identical to the axis of the package. In this case, the cavity rotates around itself.
  • An inner area free of casting compound is formed, preferably with a circular cylindrical shape, around the axis of rotation / package axis.
  • the axis of rotation can also lie outside the cavity of the mold cavity.
  • the centrifugal forces force the liquid casting compound radially outwards in the direction of a mold cavity wall and the filling mentioned below is repeated for several rotational angle positions of the mold cavity around the package axis.
  • a polygonal shape of the space free of potting compound is preferably formed around the package axis.
  • hardenable potting compound at at least one position radially spaced from the package axis and impregnation one radially to the package axis
  • Potting compound are firmly bonded to the hollow fiber package
  • the sealing elements being compressed in the radial direction and resting against the inner wall of the housing or being applied thereto.
  • the invention can provide that the hollow fiber packet has an oversize, preferably radial oversize, with regard to the arrangement of its sealing elements relative to the inner cross section of the housing, in particular the distance between opposing sealing elements is greater than the distance between the sealing elements
  • Sealing elements contacted surface areas of the housing, and is radially compressed by being inserted into the housing at least in the area of its sealing elements.
  • a manufacture of the hollow fiber package in which the sealing elements are arranged in excess relative to the housing can be carried out using the method described above, the hollow fiber package with radially compressed sealing elements being pushed axially into the housing.
  • the hollow fiber package can be passed through a funnel which, as the feed progresses, causes the radial compression.
  • the invention can provide that the housing has a tubular housing wall, the axis of which is parallel to the package axis, in particular the axis of the tubular housing wall and the package axis being collinear, the at least one hollow fiber package between two
  • Cover elements is arranged, which are permeable to the first exchange medium and delimit the chamber in the axial direction.
  • the housing wall preferably delimits an interior space that is cylindrical.
  • the tubular housing can also be cylindrical on the outside or a
  • Be conical section shape e.g. to get a
  • the cover elements can e.g. have a channel through which the first exchange medium can be guided, which opens into the inner area of the hollow fiber package free of potting compound.
  • the housing wall does not have to be circular, but this is preferred.
  • the base can, for example, also be angular. Is preferred Internal cross-section with a cylindrical housing wall constant over the axial extent, in particular apart from supply and discharge connections for the chamber subareas in the wall.
  • the tubular housing can also have an inner cross-section that tapers in the axial direction, in particular it can be designed as a conical section, which preferably brings about its radial compression when a hollow fiber packet is axially inserted.
  • the invention can particularly preferably provide that the radial compression of the sealing elements is generated by an axial application of force, in particular by an axial compression of the hollow fiber package after it has been inserted into the housing.
  • the hollow fiber package is or is compressed between the mentioned cover elements in the axial direction.
  • Cover elements in the interior of the tubular housing wall is displaceable.
  • Another one of the cover elements can in principle be displaceably but fixed locally on the housing, e.g. by a stop element.
  • a stop element can e.g. be formed by a cover which is placed axially from the outside onto the end face of the tubular housing wall.
  • the axial length of the chamber in the housing can be variably adapted to the length of the hollow fiber package and on the other hand the force can be transmitted to the hollow fiber package by applying force to the movable cover element.
  • the hollow fiber package is axially compressed, what a
  • the hollow fiber packet or at least its sealing elements is compressed radially as a result.
  • a further development of the invention can provide that at least two chambers located axially one behind the other are arranged in the housing, in particular in the space surrounded by its tubular housing wall. Two axially each spaced chambers are separated by an axially displaceable cover element, in particular which is permeable to the first exchange medium. A hollow fiber package is arranged in each of the chambers.
  • At least one of the hollow fiber packages in the device can be implemented
  • At least one other package can e.g. only have energy-permeable hollow fibers or hollow fibers of another
  • Training included between cover elements, at least one of which is axially displaceable.
  • the housing has a compression element with which an axial compression pressure can be exerted on the at least one displaceable cover element.
  • the compression element can be supported on one side on the housing and on the other side on the cover element.
  • the compression element can be designed as a compression spring or a screw, in particular a hollow screw. Both types of compression element have the advantage of being hollow on the inside so that the first medium can be passed through the compression element, e.g. can be guided by a hose or a pipe through the compression element to the channel in the cover element.
  • a preferred embodiment provides that on at least one of the axial end faces of the hollow fiber package, preferably on both, at least one sealing lip completely surrounding the package axis over 360 degrees, preferably several radially spaced sealing lips, each completely surrounding the package axis over 360 degrees, which rests against a cover element.
  • Sealing lips can be connected in the radial direction by sealing webs.
  • a further development can provide that a respective axially extending sealing element of the hollow fiber packet in the axial direction over at least one of the axial
  • At least one of the cover elements, preferably both, which axially enclose a hollow fiber packet, can be attached to a sealing element of the hollow fiber packet
  • Corresponding circumferential position have a recess in its axial end face facing the hollow fiber packet, which extends in the axial direction to a sealing ring which is arranged in a groove in the peripheral surface of the cover element and the sealing element of the hollow fiber packet contacts the sealing ring of the cover element.
  • Chamber subareas are prevented.
  • the invention furthermore preferably provides that the hollow fiber package removed from the mold cavity is trimmed on its outer circumference in areas between adjacent sealing elements before being inserted into the housing, in particular by making cuts in the axial direction. E.g. be achieved that the occupied by casting compound
  • Hollow fiber packet is designed so that it is free of contact with the housing wall on the outer circumference except for the areas in which the sealing elements are arranged. This ensures good axial compressibility, which then leads to a
  • hollow fiber mats can be positioned in a stable position in several layers one above the other in the cavity of the mold cavity, e.g. in that they are pressed axially between mold cavity walls and / or in that they are placed on guide rods which penetrate the cavity of the mold cavity and whose position corresponds to holes punched in the mats. It can be provided that holes are located in areas of the hollow fiber package which are later removed by trimming cuts.
  • the invention provides that during production with the aforementioned method with molded structures in the axial wall areas of the mold cavity on at least one of the axial end faces of the hollow fiber package, preferably on both, at least one completely surrounding the package axis over 360 degrees Sealing lip, preferably a plurality of radially spaced sealing lips, each completely surrounding the package axis over 360 degrees and / or an area of a sealing element extending in the axial direction over at least one of the axial end faces of the hollow fiber package is formed from the potting compound.
  • the sealing elements and sealing lips described for the construction of the wood fiber package can thus be created directly when the package is potted. They are preferably formed by a respective corresponding negative structure in the mold cavity walls.
  • the invention can also provide that, in the production process, a flat spacer element is inserted between two adjacent layers of hollow fiber mats, which has at least one recess in the area of the hollow fiber package that remains free of potting compound.
  • the hollow fibers of the hollow fiber package thus remain free of contact with one another in the area free of potting compound.
  • Endothelialization or another coating of the hollow fibers can thus be built up on the fibers without any gaps. Furthermore, it can be ruled out that the endothelialization or other coating is destroyed by a fiber movement.
  • Figure 1 shows an embodiment of a device of the invention with a
  • Housing which has a tubular housing wall 1, preferably with
  • the housing as a whole is formed by the housing wall 1 and the end caps 8, 10. In this
  • housing wall 1 two cover elements 2a and 2b of the housing are arranged, between which a hollow fiber package 3 according to the invention is located.
  • the hollow fiber package 3 thus lies in a chamber formed between the cover elements 2 a, 2 b and the tubular housing 1.
  • the hollow fiber packet is soaked / interspersed with hardened potting compound.
  • Volume area which is arranged around the hollow fibers in the inner area 3a free of potting compound, is part of a first chamber area 1 a in the housing 1, which is bounded in the axial direction by the cover elements 2a, 2b and is separated from a second chamber area by the hollow fiber walls.
  • This second chamber area is given by the volume radially on the outside around the hollow fiber package and the interior of the hollow fibers.
  • Sealing elements 5 molded in one piece, which with a radial force to the
  • Inner wall of the housing wall 1 are pressed and seal exclusively thereby, so without material connection to the wall.
  • the sealing elements 5 protrude in the axial direction on both sides over the axial end faces of the hollow fiber packet 3 and lie in recesses 6a in
  • Cover elements 2a, 2b which can be moved inside the housing wall 1. Through the recesses 6a, the axial ends of the sealing elements 5 come into contact with a respective sealing ring 2d in a groove in the peripheral surface of the respective cover element 2a, 2b.
  • a first medium can pass through a channel in the respective cover element 2a, 2b through the free inner area 3a of the
  • Hollow fiber package are performed. This forms a first chamber area 1 a of the device in which the exchange medium, e.g. Blood is passed around the hollow fibers.
  • the exchange medium e.g. Blood
  • Housing wall 1 are pressed. Obviously, the device can thus be taken apart again after use by loosening the hollow screw 7.
  • the hollow fiber package 3 can be removed non-destructively. It can also be clearly seen that hollow fiber stacks with different axial lengths can be inserted between the cover elements 2a, 2b. The device can thus be adapted well to the different exchange surfaces required by choosing different ones
  • Hollow fiber packages that can all be used in the same housing. In this way a housing can also be reused, e.g. after sterilization in an autoclave.
  • Figure 2 shows an alternative embodiment which differs from Figure 1 in that a compression spring element, e.g. at least one
  • Disk spring or a helical spring 9 is used, which is supported between the fixed cover element 8 and the displaceable cover element 2a. The compression force is applied by the spring 9.
  • FIG. 3 shows a further development of FIG. 1, which can also be combined with the embodiment of FIG. 2, in which two hollow fiber packages 3 in the axial direction in the preferably cylindrical interior of the tubular housing wall 1
  • Each of the hollow fiber packages 3 is surrounded by cover elements, namely 2a, 2c and 2c, 2b, which are permeable to the first exchange medium. All cover elements 2a, 2b, 2c are basically displaceable in the housing wall, but the lower 2b here is fixed in place by the lower fixed cover 10 which forms an axial stop.
  • Hollow screw 7 is exerted by the two upper cover elements 2a, 2c on both hollow fiber packages 3, compresses both axially and thereby expands them radially, which presses their sealing elements 5 radially against the housing wall 1 and seals there.
  • the two hollow fiber packages 3 can e.g. different properties
  • one package is material permeable and the other is only energy permeable but not
  • FIGS. 4, 5 and 6 show possible designs of the device in cross section perpendicular to the axial direction of the cylindrical housing wall 1 or the package axis 4.
  • the tubular housing walls 1 are in the free, preferably cylindrical inner cross-section with a circular
  • the fiber bundles 3 can be seen to be free of potting compound
  • the hardened potting compound itself forms the axially extending sealing elements 5 which, according to the embodiments shown, can be arranged in different numbers on the outer circumference of the fiber bundle and are pressed radially on the inside against the housing wall 1.
  • the second chamber area is divided into at least two
  • Chamber subareas 11 a and 11 b divided, or into several chamber subareas 11 a to 11 h. Each chamber section can have a feed or discharge through the
  • the fluff fibers of the flea fiber packet open into the peripheral wall of the fluff fiber packet between two sealing elements 5 each.
  • Sealing elements 5 to the housing wall 1 is free of system.
  • the cut surfaces produced can, for example, form planar surfaces or surfaces that are concave or convex to the inner wall of the housing.
  • sealing lips 12 are arranged on the axial end face of the hollow fiber package 3, which is shown here in plan view, which cover the area penetrated with potting compound and which extend in
  • the cover elements 2a, 2b rest axially on the hollow fiber package in a sealed manner via these sealing lips 12.
  • the sealing lips 12 are like that
  • corresponding negative structures are molded in a mold cavity.
  • FIGS. 7 and 8 show a mold cavity for producing a hollow fiber package 3.
  • the mold cavity 20a forms the negative shape of the to be molded
  • Hollow fiber package 3 in which layers of mats of hollow fibers connected with warp threads are inserted to form a stack.
  • the stack is clamped between a cover 21 and an axially movable base 22 and is surrounded by the peripheral wall 23. Due to the axial mobility of the base 22, different hollow fiber packet thicknesses can be processed.
  • the bottom 22 is through a
  • variable length ring 22b positioned.
  • the hollow fiber mats are threaded onto pins 24 here and thus held in position.
  • the pin positions correspond to the hole positions in the mats that were punched beforehand.
  • FIG. 8 which shows the same mold cavity in a different cutting direction, makes it clear that a potting compound distributor 25 enables a liquid or
  • At least pasty potting compound is passed through channels 26 into the radially outer area of the stacked hollow fiber mats. This takes place when the mold cavity rotates about the axis of rotation 27, which is preferably to the axis of the package 4
  • Casting compound is driven radially outward and fills the mold cavity from the outside in, leaving the inner area 3a of the hollow fibers free.
  • the sealing elements 5 are accordingly formed directly from the potting compound.
  • the Cover 21 and the bottom 22 have negative molds 29 of the sealing lips 12, which are thus formed in the same way by the casting compound on the hollow fiber packet on their axial end faces by molding from the negative mold.
  • FIGS. 9 and 10 illustrate the formation of a stack of fabric and / or energy-permeable hollow fiber mats 3c, which in FIG. 9 all have the same direction as the hollow fibers 3h and in FIG. 10 have intersecting directions in adjacent layers. Both figures make it clear that the hollow fiber mats 3c are kept at a distance between two mats 3c by flat spacer elements 3d, so that the hollow fibers 3h of adjacent layers cannot touch one another.
  • the area 3a that remains free when casting compound is located here in the spacers 3d in the area of the recess 3e.
  • Recess 3e is located completely in the cast area after casting.
  • the diameter of the recess 3e is selected to be greater than that
  • the recesses 3f which are arranged radially around the area 3e, are later located in the potted area 3b and serve to improve the distribution of the potting compound during potting.
  • the holes 3g can serve to receive the pins 24 therein.
  • Hollow fiber package with cast-on sealing lips 12 and sealing elements 5 removed from the mold cavity, trimmed if necessary and stored for later use or inserted into housing wall 1 and compressed therein between cover element 6 to form a device according to the invention.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für den Stoff- und/oder Energieaustausch zwischen einem ersten Austauschmedium und wenigstens einem zweiten Austauschmedium umfassend ein Gehäuse (1), das wenigstens eine Kammer umgibt, in der ein Paket (3) von stoff- und/oder energiepermeablen Hohlfasern (3h) angeordnet ist und die durch die Hohlfasern (3h) in zwei Kammerbereiche (1a, 11a/b) unterteilt ist, wobei die Hohlfasern (3h) in einem ersten Kammerbereich (1a) der wenigstens einen Kammer von dem ersten Austauschmedium umströmbar sind und die Hohlfasern (3h) in einem zweiten Kammerbereich (11a/b) der wenigstens einen Kammer von dem wenigstens einen zweiten Austauschmedium durchströmbar sind, wobei das Hohlfaserpaket (3) eine Paketachse aufweist (4), zu der alle Hohlfasern (3h) des Hohlfaserpaketes (3) quer, bevorzugt senkrecht orientiert sind, wobei das Hohlfaserpaket (3) radial beabstandet zur Paketachse (4) über volle 360 Grad um die Paketachse (4) herum mit einer Vergussmasse durchsetzt ist, mittels der die Hohlfasern (3h) des Hohlfaserpaketes (3) untereinander verklebt sind, und das Hohlfaserpaket (3) an seinem äußeren Umfang wenigstens zwei in Umfangsrichtung zueinander beabstandete und jeweils axial erstreckte Dichtelemente (5) aufweist, insbesondere die durch die Vergussmasse ausgebildet sind, und die Dichtelemente (5) in einem in radialer Richtung komprimierten Zustand dicht an der Innenwandung des Gehäuses (1) anliegen und der zweite Kammerbereich (11a/b) der wenigstens einen Kammer durch die Dichtelemente (5) in der Umfangsrichtung in wenigstens zwei Kammerteilbereiche (11a, 11b) unterteilt ist.

Description

Vorrichtung für den Stoff- und/oder Energieaustausch zwischen zwei Medien und Verfahren zu dessen Herstellung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für den Stoff- und/oder Energieaustausch zwischen einem ersten Austauschmedium, insbesondere Blut, und wenigstens einem zweiten Austauschmedium, insbesondere einem Gas, umfassend ein Gehäuse, das wenigstens eine Kammer umgibt, in der ein Paket von Stoff- und/oder
energiepermeablen Hohlfasern angeordnet ist und die durch die Hohlfasern in zwei Kammerbereiche unterteilt ist, wobei die Hohlfasern in einem ersten Kammerbereich der wenigstens einen Kammer von dem ersten Austauschmedium umströmbar sind und die Hohlfasern in einem zweiten Kammerbereich der wenigstens einen Kammer von dem wenigstens einem zweiten Austauschmedium durchströmbar sind. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Vorrichtung.
Vorrichtungen dieser Art und Verfahren zu deren Herstellung sind im Stand der Technik grundsätzlich bekannt. Solche Vorrichtungen mit stoffpermeablen
Hohlfasern dienen zum Beispiel dazu, den Kohlendioxid-Partialdruck im Blut eines Lebewesens abzusenken, insbesondere unter Erhöhung des Sauerstoff- Partialdruckes. Als erstes Austauschmedium kann somit Blut dienen und als zweites ein Gas, worunter auch ein Gemisch mehrerer Gase verstanden wird, insbesondere das einen höheren Sauerstoffpartialdruck aufweist als das zu behandelnde Blut. Vorrichtungen dieser Art werden z.B. als Oxygenatoren bezeichnet.
Es sind des Weiteren solche Vorrichtungen bekannt, bei denen mittels
energiepermeablen Hohlfasern Energie zwischen den am Austausch teilnehmenden Medien transportiert wird, insbesondere über die Hohlfaserwandungen hinweg. Hier dient die Vorrichtung z.B. als Wärmetauscher zum Austausch von Wärme zwischen den Medien.
In Vorrichtungen der genannten Art können somit sowohl nur stoffpermeable als auch nur energiepermeable Hohlfasern, sowie auch Kombinationen beider
Fasertypen Vorkommen.
Im Gehäuse der Vorrichtung steht der genannte erste Kammerbereich in
Fluidverbindung mit den Außenflächen der Stoff- und/oder energiepermeablen Hohlfasern, wohingegen der genannte zweite Kammerbereich mit den inneren Volumina der Hohlfasern in Verbindung steht. Die Kammer der Vorrichtung ist somit faktisch durch die Hohlfaserwandungen bzw. Membranen in die beiden
Kammerbereiche unterteilt. Zwischen den beiden Kammerbereichen kann somit der Stoffaustausch und/oder Energieaustausch zwischen den Austauschmedien über die Hohlfaserwandungen hinweg stattfinden. So kann in den einen Kammerbereich das erste Austauschmedium fließen, z.B. Blut und in den zweiten Kammerbereich ein zweites Austauschmedium, z.B. das Gas zur Sauerstoffanreicherung und/oder Kohlendioxidabreicherung.
Die Hohlfasern werden insofern als stoffpermeabel verstanden, als dass diese für bestimmte Stoffe, die hohlfaserspezifisch sind, durchlässig sind, für andere Stoffe hingegen nicht. Solche semipermeablen Hohlfasern lassen in der beispielhaft genannten Anwendung z.B. Kohlendioxidmoleküle und Sauerstoffmoleküle durch die Wandungen der Hohlfaser in beiden Richtungen hindurch, jedoch Blutbestandteile nicht. Als energiepermeabel werden solche Hohlfasern verstanden, welche einen Energieaustausch, z.B. Wärmeaustausch zwischen den Medien beidseits der Hohlfaserwandungen erlauben, insbesondere wobei solche energiepermeablen Hohlfasern nicht stoffpermeabel sind, jedoch auch sein können.
Die Erfindung bezieht sich auch auf solche eingangs genannten energie- und/oder stoffpermeablen Vorrichtungen, wie z.B. Wärmetauscher und/oder Oxygenator- Vorrichtungen, ist jedoch nicht auf diese beschränkt. Im Stand der Technik werden solche Vorrichtungen größenspezifisch für die jeweils zu behandelnden Lebewesen hergestellt. Z.B. haben die Vorrichtungen für erwachsene Menschen größere Gehäuse und die Hohlfaserpakete eine größere Austauschoberfläche als für Kinder und besonders Neugeborene. Die Herstellung und Lagerhaltung ist somit entsprechend aufwändig und kostenintensiv.
Des Weiteren ist es im Stand der Technik vorgesehen, die Hohlfasern des
Hohlfaserpaketes untereinander und gleichzeitig auch mit dem Gehäuse, welches das Hohlfaserpaket aufnimmt, mit einer Vergussmasse zu verkleben. Dieser Vorgang wird auch Verpottung genannt. Hierdurch sind die Hohlfasern des Hohlfaserpaketes mit dem Gehäuse stoffschlüssig durch die Verklebung verbunden. Es ist daher nicht möglich ein Hohlfaserpaket nach einer Verwendung einer solchen Vorrichtung aus dem Gehäuse zerstörungsfrei zu entfernen, was jedoch für
Forschungsanwendungen wünschenswert wäre.
Es ist somit eine Aufgabe der Erfindung eine Vorrichtung der eingangs genannten Art, bevorzugt für die Anwendung als Oxygenator und/oder Wärmetauscher bereitzustellen, bei der auf einfache Art und Weise unterschiedlich große
Austauschflächen im Hohlfaserpaket realisiert werden können, bevorzugt
Hohlfaserpakete unterschiedlicher axialer Länge in ungeänderten
Gehäuseanordnungen eingesetzt werden können. Bevorzugt ist es eine Aufgabe, ein benutztes Hohlfaserpaket auch aus einem Gehäuse nachträglich wieder
zerstörungsfrei entfernen zu können, z.B. um Forschungsarbeiten daran vornehmen zu können. Weiterhin ist es eine Aufgabe ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Vorrichtung bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird hinsichtlich der Vorrichtung dadurch gelöst, dass das
Hohlfaserpaket eine Paketachse aufweist, zu der alle Hohlfasern des
Hohlfaserpaketes quer, bevorzugt senkrecht orientiert sind, wobei das
Hohlfaserpaket radial beabstandet zur Paketachse über volle 360 Grad um die Paketachse herum mit einer, insbesondere erhärteten, Vergussmasse
durchtränkt/durchsetzt ist, mittels der die Hohlfasern des Hohlfaserpaketes untereinander, insbesondere ausschließlich nur untereinander verklebt sind, und das Hohlfaserpaket an seinem äußeren Umfang wenigstens zwei in Umfangsrichtung zueinander beabstandete und jeweils axial erstreckte Dichtelemente aufweist, insbesondere die durch die Vergußmasse, bevorzugt nach deren Erhärtung, ausgebildet sind und die Dichtelemente in einem in radialer Richtung komprimierten Zustand dicht an der Innenwandung des Gehäuses anliegen und der zweite
Kammerbereich durch die Dichtelemente in der Umfangsrichtung in wenigstens zwei Kammerteilbereiche unterteilt ist. Diese Dichtelemente haben bevorzugt eine axiale Länge, die genau oder zumindest der axialen Länge des Hohlfaserpakete betrachtet in der Richtung der Paketachse entspricht. In einer möglichen Ausführung können somit die axialen Enden der Dichtelemente jeweils mit der axialen Stirnfläche des Hohlfaserpaketes fluchtend enden oder gemäß einer nachfolgend noch
beschriebenen Ausführung in axialer Richtung darüber hinausstehen.
Unter einer Anordnung der Hohlfasern quer zur Paketachse wird bevorzugt verstanden, dass die Richtungen der Hohlfaserlängserstreckungen die Richtung der Paketachse kreuzen, die beiden Richtungen also zumindest einen Winkel
verschieden von 0 oder 180 Grad zueinander einnehmen. Bevorzugt sind die
Hohlfasern senkrecht zur Paketachse orientiert.
Nachfolgend wird eine axiale Richtung als die Richtung der Paketachse oder parallel dazu verstanden, insbesondere wobei die Paketachse als bevorzugt zentrisch im Paket liegend angenommen wird. Eine radiale Richtung ist eine Richtung, die auf die Paketachse zuweist oder von dieser startend wegweist, insbesondere senkrecht zur Paketachse.
Dadurch, dass das Hohlfaserpaket radial beabstandet von der Vergussmasse durchsetzt ist ergibt sich direkt angrenzend an die Paketachse und diese umgebend im Hohlfaserpaket ein von Vergussmasse freier Bereich, insbesondere ein
Innenbereich, der somit einen Raum im Hohlfaserpaket darstellt, in welchem die Hohlfasern in der Kammer der Vorrichtung freiliegen. Dieser Bereich stellt den ersten Kammerbereich der wenigstens einen Kammer dar oder ist zumindest mit diesen fluidisch verbunden. Der radiale Abstand der Vergussmasse von der Paketachse muss nicht für alle Winkelpositionen um die Paketachse gleich sein. Z.B. kann der von Vergussmasse freie Raum im Querschnitt senkrecht zur Paketachse eckig, insbesondere rechteckig, oder teilkreisförmig oder parabolisch sein. In axialer Richtung kann der Querschnitt bevorzugt für alle Achspositionen gleich sein. Der Querschnitt kann sich auch mit der axialen Position ändern, z.B. von einem axialen Ende des Paketes in Richtung zum anderen ändern, z.B. verringern. Der radiale Abstand der Vergussmasse von der Paketachse kann hingegen auch für alle
Winkelpositionen um die Paketachse, insbesondere auch für alle Axialpositionen im Paket, gleich sein. In diesem Fall ist der von Vergussmasse freie Raum im
Hohlfaserpaket ein zylindrischer Raum mit einer Kreisfläche als Grundfläche, der in radialer Richtung außen von Vergussmasse umgeben ist.
Allgemein kann somit der von Vergussmasse freie Raum z.B. ein zylindrischer Raum mit beliebiger Zylindergrundfläche oder ein kegelabschnittförmiger Raum mit beliebiger Kegelgrundfläche sein. Bevorzugt sind die jeweiligen Grundflächen kreisförmig oder eckig. Die Paketachse ist bevorzugt eine Achse, die in diesem von Vergussmasse freien Raum im Hohlfaserpaket liegt, weiter bevorzugt zentrisch in dem von Vergussmasse freien Raum liegt.
Die Vergussmasse, welche im Hohlfaserpaket den freien Bereich über volle 360 Grad um die Paketachse herum umgibt, und die Hohlfasern untereinander stoffschlüssig verbindet, ist erfindungsgemäß bevorzugt nicht mit den
Innenwandungen des Gehäuses stoffschlüssig verbunden, in dem das
Hohlfaserpaket angeordnet ist.
Anders als im bisherigen Stand der Technik erfolgt die Abdichtung zwischen den Hohlfasern und dem Gehäuse der Vorrichtung nicht über einen stoffschlüssigen Anschluss der Vergussmasse an die Gehäuseinnenwandung, sondern darüber, dass die axial, also parallel zur Paketachse erstreckten Dichtelemente am Außenumfang des Hohlfaserpakets im komprimierten Zustand an der Gehäuseinnenwandung anliegen, somit also aufgrund der Kompression mit einer Kraft an die
Gehäuseinnenwandung angedrückt werden und bevorzugt hierdurch dichten. Es ergibt sich somit ein Kraftschluß und/oder Formschluß zwischen einem jeweiligen Dichtelement und der Gehäusewand wodurch die Dichtigkeit erzielt wird. Die Dichtelemente werden bevorzugt durch die Vergussmasse, insbesondere nach Erhärtung einer beim Vergiessen flüssigen Vergussmasse, ausgebildet, welche auch das Hohlfaserpaket um den freien Bereich herum umgibt. Sofern das nicht der Fall ist können die Dichtelemente auch als separate Elemente in die Vergussmasse stoffschlüssig eingebunden sein.
Das Material der Dichtelemente, bevorzugt der Vergussmasse ist vorzugsweise ein solches, das - insbesondere im abgebundenen, erhärteten Zustand - eine Shore A- Härte von 1 bis 100 hat, z.B. ein Elastomer, vorzugsweise, das durch Polymerisation oder Vulkanisation abbindet, beispielsweise ein Silikon oder Latex.
Der Vorteil der Erfindung ist es, dass das Hohlfaserpaket nicht stoffschlüssig an die Gehäuseinnenwandung der Vorrichtung angebunden, sondern dichtend,
insbesondere die Kammerbereiche dicht voneinander trennend, daran angedrückt ist durch die radial wirkenden Kräfte, so dass ein solches Hohlfaserpaket nach einer Benutzung aus der Vorrichtung zerstörungsfrei entnommen werden kann.
Selbst wenn eine spätere Entnahme nicht beabsichtig ist, hat die Erfindung den Vorteil, dass das Hohlfaserpaket separat vom Gehäuse der Vorrichtung gefertigt und bevorratet werden kann. Es können so verschiedene Hohlfaserpakete mit
verschiedener axialer Länge in der Richtung der Paketachse oder mit verschieden großen freien Innenbereichen gefertigt werden, um unterschiedlich große
Austauschflächen bereitstellen zu können, die aber beispielsweise alle den gleichen Außenquerschnitt haben und somit alle in Gehäuse mit demselben Innenquerschnitt eingesetzt werden können. So kann problemlos eine Maßfertigung für den jeweiligen Anwendungsfall unter Nutzung von standardisierten Gehäusekomponenten erfolgen.
Durch die wenigstens zwei Dichtelemente wird der zweite Kammerbereich in wenigstens zwei Kammerteilbereiche unterteilt, die in der Umfangsrichtung, also um die Paketachse herum, beabstandet sind, insbesondere also unterschiedliche
Winkelerstreckung um die Paketachse haben.
Bei z.B. genau zwei Dichtelementen können diese bevorzugt um 180 Grad
zueinander beabstandet sein, also einander gegenüberliegend am Hohlfaserpaket angeordnet sein. Die Kammerteilbereiche sind durch die Hohlfasern des Hohlfaserpaketes hindurch verbunden und bilden einen Einlassbereich und einen Auslassbereich für das in diesem Fall eine zweiteAustauschmedium, das durch die Hohlfasern fließt.
Die Kammerteilbereiche die zwischen benachbarten Dichtelementen ausgebildet sind, können beispielsweise durch Hohlfasern verschiedener Legerichtung
verbunden sein.
Bevorzugt kann die Erfindung vorsehen, dass das Hohlfaserpaket mehrere ebene Lagen von Hohlfasern umfasst, die in der Richtung der Paketachse übereinander gestapelt sind. Das Stapeln kann dabei abstandslos, bevorzugt aber auch mit einem Abstand zwischen den Lagen in Richtung der Paketachse erfolgen, z.B. realisiert durch ein flächiges Abstandselement zwischen benachbarten Lagen.
Eine jeweilige Lage kann z.B. durch je eine Matte von Hohlfasern ausgebildet sein, bevorzugt in welcher die Hohlfasern durch Kettfäden verbunden sind. Innerhalb einer Lage sind die Richtungen der Hohlfasern bevorzugt immer gleich, d.h. die Hohlfasern liegen parallel. Weiterhin sind innerhalb einer Lage die Hohlfasern alle mit
demselben Querschnitt ausgebildet, bevorzugt mit identischer Stoff- und/oder Energiepermeabilität. Eine Lage kann auch durch einen gefalteten Bereich einer Matte gebildet sein.
Die Lagen im Hohlfaserpaket können beispielsweise alle dieselbe Orientierung der Hohlfasern haben.
Die Erfindung kann aber auch vorsehen, dass das Hohlfaserpaket verschiedene Lagen von Hohlfasern mit wenigstens zwei verschiedenen Legerichtungen der Hohlfasern aufweist, d.h. also dass verschiedene Lagen verschiedene
Legerichtungen der Hohlfasern haben, wobei die Richtung aller Hohlfasern derselben Lage gleich ist. Lagen mit verschiedener Legerichtung können z.B. abwechselnd im Hohlfaserpaket gestapelt sein. Dabei kann es vorgesehen sein, dass bei
verschiedenen Legerichtungen die Lagen so gelegt sind, dass bei einer Anzahl von N verschiedenen Legerichtungen die Hohlfasern der Lagen unter einem Winkel von 180 Grad / N zueinander orientiert sind.
Je zwei Kammerteilbereiche der zweiten Kammer können durch die Hohlfasern, insbesondere die Hohlfasern der Lagen wenigstens einer bestimmten Legerichtung verbunden sein, insbesondere wobei diese Kammerteilbereiche die Ein- und
Auslassbereiche von einem zweiten Austauschmedium bilden.
Bevorzugt weist das Hohlfaserpaket eine Anzahl von 2xN Dichtelemente auf, wobei N eine ganze Zahl größer gleich 1 ist. Es ergeben sich dann 2xN
Kammerteilbereiche, die in Umfangsrichtung um die Paketachse herum angeordnet sind. Bevorzugt sind die 2xN Kammerteilbereiche in N Paare von
Kammerteilbereiche aufgeteilt, wobei die Kammerteilbereiche eines Paares durch die Hohlfasern verbunden sind, bevorzugt durch diejenigen einer von mehreren
Legerichtungen. Bei N verschiedenen Legerichtungen der Lagen von Hohlfasern können so bis zu N verschiedene Kammerteilbereich-Paarungen erzeugt werden. Es können so z.B. N verschiedene zweite Austauschmedien durch das Hohlfaserpaket geführt werden, wenn Hohlfasern verschiedener Legerichtungen auch verschiedene Austauschmedien führen.
Bevorzugt weist im Gehäuse der Vorrichtung jeder Kammerteilbereich der zwischen zwei Dichtelementen gebildet ist, einen eigenen durch die Gehäusewandung führenden Anschluss auf, durch den ein zweites Austauschmedium in den
Kammerteilbereich eingeführt oder aus diesem abgeführt werden kann.
Die Hohlfasern verschiedener Lagen können auch unterschiedliche Stoff- und/oder Energiepermeabilität aufweisen. Es können in einem Hohlfaserpaket Lagen mit ausschließlich stoffpermeablen Hohlfasern und Lagen mit ausschließlich
energiepermeablen Hohlfasern angeordnet sein, bevorzugt wobei die
energiepermeablen Hohlfasern keine Stoffpermeabilität für die betrachteten
Austauschmedien haben. Auch innerhalb einer Lage können Stoff- und
energiepermeable Hohlfasern gemischt sein. Sofern in einer Vorrichtung gemäß der Erfindung mehr als ein Hohlfaserpaket der erfindungsgemäßen Art eingesetzt ist, kann es vorgesehen sein, dass ein erstes Hohlfaserpaket Hohlfasern mit einer ersten Stoffpermeabilität aufweist und ein anderes Hohlfaserpaket Hohlfasern mit einer anderen (zweiten) Stoffpermeabilität oder nur mit einer Energiepermeabilität aufweist, insbesondere jeweils die
Hohlfaserpakete mit demselben ersten Austauschmedium aber verschiedenen zweiten Austauschmedien verwendet werden. Sofern ein Hohlfaserpaket nur energiepermeable Hohlfasern, aber keine stoffpermeablen Hohlfasern aufweist gelten die in dieser Anmeldung genannten Angaben zu einem Paket mit
stoffpermeablen Hohlfasern in gleicher weise auch für ein Paket mit
energiepermeablen Hohlfasern und umgekehrt. Ein Hohlfaserpaket mit
energiepermeablen Hohlfasern, insbesondere ausschließlich nur mit
energiepermeablen Hohlfasern, das zusammen mit einem Hohlfaserpaket mit stoffpermeablen Hohlfasern in einer Vorrichtung der Erfindung eingesetzt wird, kann bevorzugt in der Fließrichtung des ersten Austauschmediums, insbesondere Blut dem Hohlfaserpaket mit den stoffpermeablen Hohlfasern vorgeschaltet sein.
Die Aufgabe wird weiterhin durch ein Verfahren gelöst, bei dem zur Herstellung einer Vorrichtung für den Stoff- und/oder Energieaustausch zwischen einem ersten
Austauschmedium, insbesondere Blut, und wenigstens einem zweiten
Austauschmedium, insbesondere einem Gas, folgende Schritte umfasst sind:
• Die Bildung eines Paketes von Stoff- und/oder energiepermeablen Hohlfasern durch Anordnen einer Vielzahl von Stoff- und/oder energiepermeablen
Hohlfasern, insbesondere eines Stapels mehrerer Lagen aus Matten von stoff und/oder energiepermeablen Hohlfasern in dem Hohlraum eines Formnestes, wobei die Längsrichtung der Hohlfasern quer, bevorzugt senkrecht zu einer im Hohlraum des Formnestes liegenden Paketachse angeordnet ist, die parallel ist zu einer Rotationsachse, um die das Formnest rotierbar ist;
• Rotieren des Formnestes um die Rotationsachse. Diese Rotationsachse kann z.B. durch den Hohlraum des Formnestes laufen, insbesondere mit der Paketachse identisch sein. In diesen Fall rotiert das Formnest um sich selbst. Es bildet sich ein von Vergussmasse freier Innenbereich, bevorzugt mit kreiszylindrischer Form, um die Rotationsachse / Paketachse aus. Die
Rotationsachse kann auch außerhalb vom Hohlraum des Formnestes liegen. So wird durch die Zentrifugalkräfte die flüssige Vergussmasse radial nach außen in Richtung einer Formnestwandung gedrängt und das nachfolgend benannte Befüllen wird für mehrere Drehwinkel-Positionen des Formnestes um die Paketachse wiederholt. Bevorzugt bildet sich so eine mehreckige Form des von Vergussmasse freien Raumes um die Paketachse aus.
• Befüllen des Hohlraumes während der Rotation mit einer flüssigen
erhärtbaren Vergussmasse an wenigstens einer Position radial beabstandet zur Paketachse und Durchtränkung eines zur Paketachse radial
beabstandeten Bereiches des Hohlfaserpaketes mit der flüssigen
Vergussmasse, wobei ein die Paketachse unmittelbar umgebender Bereich des Hohlfaserpaketes von der Vergussmasse durch die Zentrifugalkräfte freigehalten wird;
• Erzeugen von wenigstens zwei in Umfangsrichtung zueinander beabstandeten und jeweils axial erstreckten Dichtelementen am äußeren Umfang des
Hohlfaserpaktes durch Befüllen korrespondierend ausgeformter
Hohlraumbereiche des Formnestes, die das Hohlfaserpaket radial und/oder axial außen umgeben mit Vergussmasse, bevorzugt derselben Vergußmasse, oder durch Einlegen von separaten Dichtelementen in korrespondierend angeordnete Formnestbereiche, wobei die Dichtelemente durch die
Vergussmasse an das Hohlfaserpaket stoffschlüssig angebunden werden;
• Entnehmen des gebildeten Hohlfaserpaketes aus dem Formnest,
insbesondere nach Erhärtung der Vergussmasse;
• Einsetzen des gebildeten Hohlfaserpaketes in ein rohrförmiges Gehäuse, bevorzugt mit einem zylindrischen Innenquerschnitt, zwischen zwei
Deckelelementen, wobei die Dichtelemente in radialer Richtung komprimiert an der Innenwandung des Gehäuses anliegen bzw. an diese angelegt werden. Die Erfindung kann vorsehen, dass das Hohlfaserpaket hinsichtlich der Anordnung seiner Dichtelemente relativ zum Innenquerschnitt des Gehäuses ein Übermaß, bevorzugt radiales Übermaß aufweist, insbesondere der Abstand einander gegenüberliegender Dichtelemente größer ist als der Abstand der von den
Dichtelementen kontaktierten Flächenbereiche des Gehäuses, und durch das Einsetzen in das Gehäuse zumindest im Bereich seiner Dichtelemente radial komprimiert ist.
Eine Fertigung des Hohlfaserpaketes, bei der die Dichtelemente im Übermaß relativ zum Gehäuse angeordnet sind kann mit dem vorbeschriebenen Verfahren erfolgen, wobei das Hohlfaserpaket mit radial komprimierten Dichtelementen axial in das Gehäuse eingeschoben wird. Z.B. kann das Hohlfaserpaket dafür durch einen Trichter geführt werden, der mit fortschreitenden Vorschub die radiale Kompression bewirkt.
In bevorzugter Ausführung kann die Erfindung vorsehen, dass das Gehäuse eine rohrförmige Gehäusewandung aufweist, deren Achse parallel zur Paketachse liegt, insbesondere wobei die Achse der rohrförmigen Gehäusewandung und Paketachse kollinear sind, wobei das wenigstens eine Hohlfaserpaket zwischen zwei
Deckelelementen angeordnet ist, die für das erste Austauschmedium durchlässig sind und die Kammer in axialer Richtung begrenzen. Die rohrförmige
Gehäusewandung umgrenzt bevorzugt einen Innenraum der zylindrisch ausgebildet ist. Das rohrförmige Gehäuse kann außen ebenso zylindrisch sein oder eine
Kegelabschnittsform aufweisen, z.B. um beim Spritzgießen eine
Entformungsschräge zu bieten.
Die Deckelelemente können z.B. einen Kanal aufweisen, durch den das erste Austauschmedium führbar ist, der in den von Vergussmasse freien Innenbereich des Hohlfaserpaketes mündet.
Die Zylindergrundfläche des freien Innenquerschnitts der rohrförmigen
Gehäusewandung muss nicht kreisrund sein, dies ist jedoch bevorzugt. Die
Grundfläche kann z.B. auch eckig ausgebildet sein. Bevorzugt ist der Innenquerschnitt bei zylindrischer Gehäusewandung über die axiale Erstreckung hinweg gleichbleibend, insbesondere abgesehen von Zu- und Abführanschlüssen für die Kammerteilbereiche in der Wand.
Auch kann das rohrförmige Gehäuse einen in axialer Richtung sich verjüngenden Innenquerschnitt aufweisen, insbesondere als Kegelabschnitt ausgebildet sein, bevorzugt der beim axialen Einschieben eines Hohlfaserpaketes dessen radiale Kompression bewirkt.
Die Erfindung kann besonders bevorzugt vorsehen, dass die radiale Kompression der Dichtelemente erzeugt wird durch eine axiale Kraftbeaufschlagung, insbesondere durch eine axiale Kompression des Hohlfaserpaketes nach dessen Einsetzen in das Gehäuse. Dafür kann es vorgesehen sein, dass das Hohlfaserpaket zwischen den genannten Deckelementen in axialer Richtung komprimiert ist bzw. komprimiert wird.
Bevorzugt ermöglicht dies die Erfindung dadurch, dass wenigstens eines der
Deckelelemente im Inneren der rohrförmigen Gehäusewandung verschieblich ist. Ein anderes der Deckelelemente kann grundsätzlich verschieblich aber am Gehäuse örtlich fixiert werden, z.B. durch ein Anschlagelement. Ein solches Anschlagelement kann z.B. durch einen Deckel gebildet sein, der axial von außen auf die Stirnfläche der rohrförmigen Gehäusewandung aufgesetzt ist.
Durch die axiale Verschiebbarkeit zumindest eines der Deckelelemente kann zum einen die axiale Länge der Kammer im Gehäuse variabel an die Hohlfaserpaketlänge angepasst werden und zum anderen kann durch eine Kraftbeaufschlagung auf das bewegliche Deckelelement die Kraft auf das Hohlfaserpaket weitergeleitet werden. Hierdurch wird das Hohlfaserpaket axial komprimiert, was eine
Querschnittsvergrößerung bewirken will, die durch die starre Gehäusewandung verhindert ist. Daher wird das Hohlfaserpaket bzw. zumindest dessen Dichtelemente hierdurch radial komprimiert.
Eine Weiterbildung der Erfindung kann es vorsehen, dass im Gehäuse, insbesondere in dem von dessen rohrförmiger Gehäusewandung umgebenen Raum, wenigstens zwei axial hintereinander liegende Kammern angeordnet sind. Je zwei axial beabstandete Kammern sind dabei durch ein axial verschiebbares Deckelelement getrennt, insbesondere welches für das erste Austauschmedium durchlässig ist. In jeder der Kammern ist ein Hohlfaserpaket angeordnet ist. In einer möglichen
Ausführung kann wenigstens eines der Hohlfaserpakete in der Vorrichtung
stoffpermeable Hohlfasern aufweisen. Wenigstens ein anderes Paket kann z.B. nur energiepermeable Hohlfasern aufweisen oder Hohlfasern einer anderen
Stoffpermeabilität. Die Gesamtheit aller Hohlfaserpakete ist bei einer solchen
Ausbildung zwischen Deckelementen eingeschlossen, von denen wenigstens eines axial verschiebbar ist.
In bevorzugter Konstruktion - unabhängig von der Anzahl der Kammern - weist das Gehäuse ein Kompressionselement auf, mit dem ein axialer Kompressionsdruck auf das wenigstens eine verschiebliche Deckelelement ausübbar ist. Dieses
Kompressionselement kann sich zu einer Seite am Gehäuse abstützen und zur anderen Seite am Deckelelement. Z.B. kann das Kompressionselement als eine Druckfeder ausgebildet sein oder eine Schraube, insbesondere Hohlschraube. Beide Arten von Kompressionselement haben den Vorteil innen hohl ausgebildet zu sein, so dass das erste Medium durch das Kompressionselement hindurchführbar ist, z.B. durch einen Schlauch oder eine Rohrleitung durch das Kompressionselement zum Kanal im Deckelelement führbar ist.
Eine bevorzugte Ausführung sieht es vor, dass auf wenigstens einer der axialen Stirnflächen des Hohlfaserpaketes, bevorzugt auf beiden, wenigstens eine die Paketachse über 360 Grad vollständig umgebende Dichtlippe, bevorzugt mehrere radial beabstandete, jeweils die Paketachse über 360 Grad vollständig umgebende Dichtlippen angeordnet sind, die an einem Deckelelement anliegt. Mehrere
Dichtlippen können in radialer Richtung durch Dichtungsstege verbunden sein.
Eine Weiterbildung kann vorsehen, dass ein jeweiliges axial erstrecktes Dichtelement des Hohlfaserpaketes in axialer Richtung über wenigstens eine der axialen
Stirnflächen des Hohlfaserpaketes, bevorzugt über beide vorsteht. Weiterhin kann wenigstens eines der Deckelelemente, bevorzugt beide, welche ein Hohlfaserpaket axial umschließen, an einer zu einen Dichtelement des Hohlfaserpakets korrespondierenden Umfangsposition in seiner axialen, zum Hohlfaserpaket weisenden Stirnfläche eine Ausnehmung aufweisen, die in axialer Richtung bis zu einem Dichtring reicht, der in einer Nut in der Umfangsfläche des Deckelelementes angeordnet ist und das Dichtelement des Hohlfaserpaketes den Dichtring des Deckelelementes kontaktiert.
So kann besonders vorteilhaft eine Leckage eines zweiten Austauschmediums durch die Nut in Umfangsrichtung des Deckelelementes zwischen zwei
Kammerteilbereichen verhindert werden.
Bei der Fertigung des Hohlfaserpaketes sieht es die Erfindung weiterhin bevorzugt vor, dass das aus dem Formnest entnommene Hohlfaserpaket vor dem Einsetzen in das Gehäuse an seinem äußeren Umfang in Bereichen zwischen benachbarten Dichtelementen besäumt wird, insbesondere durch in axialer Richtung durchgeführte Schnitte. So kann z.B. erzielt werden, dass die von Vergussmasse belegten
Hohlfaserenden freigeschnitten werden, aber auch, dass der Querschnitt des
Hohlfaserpaketes so gestaltet wird, dass dieses am äußeren Umfang bis auf die Bereiche, in denen die Dichtelement angeordnet sind anlagefrei zur Gehäusewand ist. Dies stellt eine gute axiale Komprimierbarkeit sicher, die sodann zu einer
Querdehnung in radialer Richtung und zur Kompression der Dichtelemente führt.
Für die Bildung des Hohlfaserpaketes können mehrere Hohlfasermatten in mehreren Lagen übereinander im Hohlraum des Formnestes lagestabil positioniert werden, z.B. dadurch, dass diese axial zwischen Formnestwänden gepresst werden und/oder dadurch, dass diese auf Führungsstangen aufgelegt werden, die den Hohlraum des Formnestes durchdringen und deren Position mit in den Matten eingestanzten Löchern korrespondiert. Es kann vorgesehen sein, dass Löcher in Bereichen des Hohlfaserpaketes liegen, die durch Besäumungsschnitte später entfernt werden.
Bevorzugt sieht die Erfindung vor, dass bei der Herstellung mit dem genannten Verfahren mit Formstrukturen in den axialen Wandbereichen des Formnestes auf wenigstens einer der axialen Stirnflächen des Hohlfaserpaketes, bevorzugt auf beiden, wenigstens eine die Paketachse über 360 Grad vollständig umgebende Dichtlippe, bevorzugt mehrere radial beabstandete, jeweils die Paketachse über 360 Grad vollständig umgebende Dichtlippen und/oder ein in axialer Richtung über wenigstens eine der axialen Stirnflächen des Hohlfaserpaketes erstreckter Bereich eines Dichtelementes aus der Vergussmasse ausgebildet wird. Die zur Konstruktion der Holfaserpaketes beschrieben Dichtelemente und Dichtlippen können so direkt beim Verguss des Paketes erstellt werden. Sie formen sich bevorzugt durch eine jeweilige korrespondierende Negativstruktur in den Formnestwänden ab.
Die Erfindung kann auch vorsehen, dass bei Herstellungsverfahren zwischen zwei benachbarten Lagen von Hohlfasermatten ein flächiges Abstandselement eingelegt wird, das zumindest eine Ausnehmung aufweist im Bereich des Hohlfaserpaketes, der von Vergussmasse freibleibt. Die Hohlfasern des Hohlfaserpaketes bleiben so in dem von Vergussmasse freien Bereich zueinander kontaktfrei. Eine
Endothelialisierung oder auch eine andere Beschichtung der Hohlfasern kann so auf den Fasern lückenlos aufgebaut werden. Weiterhin kann so ausgeschlossen werden, dass die Endothelialisierung oder andere Beschichtung durch eine Faserbewegung zerstört wird.
Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Figuren erläutert:
Die Figur 1 zeigt eine Ausführung einer Vorrichtung der Erfindung mit einem
Gehäuse, das eine rohrförmige Gehäusewandung 1 , bevorzugt mit
kreiszylindrischem Innenquerschnitt aufweist. Das Gehäuse insgesamt ist durch die Gehäusewandung 1 und die stirnseitigen Deckel 8, 10 ausgebildet. In dieser
Gehäusewandung 1 sind zwei Deckelemente 2a und 2b des Gehäuses angeordnet, zwischen denen ein Hohlfaserpaket 3 gemäß der Erfindung liegt. Das Hohlfaserpaket 3 liegt somit in einer zwischen den Deckelelementen 2a, 2b und dem rohrförmigen Gehäuse 1 gebildeten Kammer. Ein innerer Bereich 3a des Hohlfaserpaketes 3, insbesondere der direkt um die Paketachse 4 angeordnet ist, ist frei von
Vergussmasse. Der radial um den Innenbereich 3a liegende Bereich 3b des
Hohlfaserpaketes ist mit erhärteter Vergussmasse getränkt/durchsetzt. Der
Volumenbereich, der im von Vergussmasse freien Innenbereich 3a außen um die Hohlfasern angeordnet ist, ist Teil eines ersten Kammerbereichs 1 a im Gehäuse 1 , der in axialer Richtung von den Deckelelementen 2a, 2b begrenzt ist und durch die Hohlfaserwandungen von einem zweiten Kammerbereich getrennt ist. Dieser zweite Kammerbereich ist durch das Volumen radial außen um das Hohlfaserpaket herum und das Inneren der Hohlfasern gegeben.
Durch die erhärtete Vergussmasse selbst sind am Außenumfang des
Hohlfaserpaketes 3 an zwei hier im Schnitt gegenüberliegenden Positionen
Dichtelemente 5 einstückig angeformt, die mit einer radialen Kraft an die
Innenwandung der Gehäusewandung 1 angepresst sind und ausschließlich dadurch dichten, also ohne Stoffschluß zur Wandung.
Die Dichtelemente 5 sind in axialer Richtung beidseits über die axialen Stirnflächen des Hohlfaserpaketes 3 überstehend und liegen in Ausnehmungen 6a in
Deckelelementen 2a, 2b, die innen in der Gehäusewandung 1 verschieblich sind. Durch die Ausnehmungen 6a gelangen die Dichtelemente 5 mit Ihren axialen Enden in Kontakt mit einem jeweiligen Dichtring 2d in einer Nut in der Umfangsfläche des jeweiligen Deckelelementes 2a, 2b.
Durch die Zu- und Abführungen 6b, kann ein erstes Medium durch einen Kanal im jeweiligen Deckelelement 2a, 2b durch den freien Innenbereich 3a des
Hohlfaserpaketes geführt werden. Dieser bildet einen ersten Kammerbereich 1 a der Vorrichtung, in welchem das Austauschmedium, z.B. Blut um die Hohlfasern herumgeführt wird.
Durch die Hohlschraube 7, die in einem Gewinde an einem ortsfesten Deckel 8 des Gehäuses abgestützt und gelagert ist kann eine Kompressionskraft auf den verschieblichen Deckel 2a ausgeübt werden, durch den das Hohlfaserpaket 3 axial komprimiert wird. Dadurch ergibt sich eine Querdehnung, also in radialer Richtung. Weil die Dichtelemente 5 innen an der unbeweglichen Gehäusewandung 1 anliegen, werden diese hierdurch radial komprimiert. Dies bewirkt eine radiale Andruckkraft, mit der die Dichtelemente 5 ohne Stoffschluß und somit wieder lösbar an die
Gehäusewand 1 angedrückt werden. Ersichtlich kann somit die Vorrichtung nach einer Benutzung durch Lösen der Hohlschraube 7 wieder auseinandergenommen werden. Das Hohlfaserpaket 3 kann zerstörungsfrei entnommen werden. Ebenso ist gut erkennbar, dass zwischen die Deckelelemente 2a, 2b Hohlfaserpakete mit verschiedenen axialen Längen eingesetzt werden können. Die Vorrichtung kann somit gut an verschiedene benötigte Austauschflächen angepasst werden durch Wahl verschiedener
Hohlfaserpakte, die alle in demselben Gehäuse verwendet werden können. So kann ein Gehäuse auch wiederverwendet werden, z.B. nach einer Sterilisation in einem Autoklaven.
Figur 2 zeigt eine alternative Ausführung, die sich von Figur 1 dadurch unterscheidet, dass als Kompressionselement ein Druckfederelement, z.B. wenigstens eine
Tellerfeder oder eine Schraubenfeder 9 verwendet wird, die zwischen dem ortsfesten Deckelelement 8 und dem verschieblichen Deckelelement 2a abgestützt ist. Durch die Feder 9 wird die Kompressionskraft aufgebracht.
Figur 3 zeigt eine Weiterbildung der Figur 1 , die aber auch mit der Ausführung von Figur 2 kombinierbar ist, bei der in axialer Richtung in dem bevorzugt zylindrischen Innenraum der rohrförmigen Gehäusewandung 1 zwei Hohlfaserpakete 3
hintereinanderliegen. Jedes der Hohlfaserpakete 3 ist von Deckelelementen, nämlich 2a, 2c bzw. 2c, 2b umgeben, die für das erste Austauschmedium durchlässig sind. Alle Deckelelemente 2a, 2b, 2c sind grundsätzlich in der Gehäusewandung verschieblich, aber das hier untere 2b örtlich festgelegt durch den unteren ortfesten Deckel 10 der einen axialen Anschlag bildet. Die Kompressionskraft der
Hohlschraube 7 wird durch die beiden oberen Deckelelemente 2a, 2c auf beide Hohlfaserpakete 3 ausgeübt, komprimiert beide axial und dehnt diese dadurch radial, was deren Dichtelemente 5 radial an die Gehäusewandung 1 anpresst und dort dichtet.
Die beiden Hohlfaserpakete 3 können z.B. unterschiedliche Eigenschaften
hinsichtlich der Stoffpermeabilität und/oder Energiepermeabilität haben oder ein Paket ist stoffpermeabel und das andere nur energiepermeabel aber nicht
stoffpermeabel. Die Figuren 4, 5 und 6 zeigen im Querschnitt senkrecht zur Achsrichtung der zylindrischen Gehäusewandung 1 bzw. der Paketachse 4 mögliche Ausführungen der Vorrichtung. In den Figuren 4 und 6 sind die rohrförmigen Gehäusewandungen 1 im freien, bevorzugt zylindrischen Innenquerschnitt mit einer kreisförmigen
Grundfläche, bei den Figuren 5 mit eckiger Grundfläche ausgeführt.
Die Flohlfaserpakete 3 können erkennbar einen von Vergussmasse freien
Innenbereich 3a aufweisen, der ebenso kreisförmig oder eckig im Querschnitt sein kann. In jedem Fall ist das Flohlfaserpaket im radial außen um den freien
Innenbereich 3a angeordneten Bereich 3b mit erhärteter Vergussmasse durchsetzt, welche die Flohlfasern verklebt.
Durch die erhärtete Vergussmasse selbst werden die axial erstreckten Dichtelemente 5 gebildet, die gemäß den gezeigten Ausführungen in unterschiedlicher Anzahl am Außenumfang des Flohlfaserpaketes angeordnet sein können und radial innen gegen die Gehäusewandung 1 gepresst sind.
Je nach Ausführung wird der zweite Kammerbereich in wenigstens zwei
Kammerteilbereiche 11 a und 11 b unterteilt, oder in mehrere Kammerteilbereiche 11 a bis 11 h. Jeder Kammerteilbereich kann eine Zu- oder Abführung durch die
Gehäusewandung 1 aufweisen, für die Führung eines zweiten Austauschmediums, dass durch die inneren Volumina der Flohlfasern des Flohlfaserpaketes 3 geführt wird.
Bei allen Ausführungen, auch den hier nicht gezeigten, münden die Flohlfasern des Flohlfaserpaketes in die Umfangswandung des Flohlfaserpaketes zwischen je zwei Dichtelementen 5.
Alle Figuren 4 bis 6 zeigen, dass das Flohlfaserpaket außen durch Schnitte in axialer Richtung so besäumt sein kann, so dass das Paket außer im Bereich der
Dichtelemente 5 zur Gehäusewandung 1 anlagefrei ist. Die erzeugten Schnittflächen können z.B. plane oder auch zur Innenwand des Gehäuses konkave oder konvexe Flächen bilden. Bei den Figuren 4 bis 6 ist weiterhin erkennbar, dass auf der axialen Stirnfläche des Hohlfaserpaketes 3, die hier in Aufsicht gezeigt ist, Dichtlippen 12 angeordnet sind, die den mit Vergussmasse durchsetzten Bereich überdecken und die sich in
Umfangsrichtung über volle 360 Grad erstrecken und die radial ineinander
angeordnet sind. Über diese Dichtlippen 12 liegen die Deckelelemente 2a, 2b gedichtet auf dem Hohlfaserpaket axial auf. Die Dichtlippen 12 sind wie die
Dichtelemente 5 durch die erhärtete Vergussmasse ausgebildet und durch
korrespondierende Negativstrukturen in einem Formnest abgeformt.
Die Figuren 7 und 8 zeigen ein Formnest zur Herstellung eines Hohlfaserpaketes 3.
Der Formnesthohlraum 20a bildet die Negativform des zu formenden
Hohlfaserpaketes 3, in den zu einem Stapel geschichtete Matten von mit Kettfäden verbundenen Hohlfasern eingelegt werden. Zwischen einen Deckel 21 und einem axial beweglichen Boden 22 wird der Stapel eingespannt und von der Umfangswand 23 umgeben. Durch axiale Beweglichkeit des Bodens 22 können verschiedene Hohlfaserpaketdicken verarbeitet werden. Der Boden 22 wird durch einen
längenvariablen Ring 22b positioniert.
Die Hohlfasermatten werden hier auf Stifte 24 aufgefädelt und so in Position gehalten. Dafür korrespondieren die Stiftpositionen mit Lochpositionen in den Matten, die zuvor eingestanzt wurden.
Die Figur 8, welche dasselbe Formnest in einer anderen Schnittrichtung zeigt, verdeutlich, dass durch einen Vergussmasseverteiler 25 eine flüssige oder
zumindest pastöse Vergussmasse über Kanäle 26 in den radial außen liegenden Bereich der gestapelten Hohlfasermatten geführt wird. Dies erfolgt bei einer Rotation des Formnestes um die Drehachse 27, die bevorzugt zur Paketachse 4
korrespondiert. Aufgrund der Zentrifugalkräfte wird die noch nicht erhärtete
Vergussmasse radial nach außen getrieben und füllt das Formnest von außen nach innen unter Freilassung des Innenbereiches 3a der Hohlfasern. In den die
Negativform der Dichtelemente 5 bildenden Hohlraumbereichen 28 werden demnach direkt die Dichtelemente 5 aus der Vergussmasse gebildet. Ebenso weisen der Deckel 21 und der Boden 22 Negativformen 29 der Dichtlippen 12 auf, die in gleicher Weise somit durch die Vergussmasse an das Hohlfaserpaket auf deren axialen Stirnflächen durch Abformung von der Negativform angeformt werden.
Die Figuren 9 und 10 verdeutlich die Bildung eines Stapels von Stoff- und/oder energiepermeablen Hohlfasermatten 3c, die in der Figur 9 alle die gleiche Richtung der Hohlfasern 3h haben und in der Figur 10 sich kreuzende Richtungen aufweisen bei benachbarten Lagen. Beide Figuren verdeutlichen, dass die Hohlfasermatten 3c durch flächige Abstandselemente 3d zwischen je zwei Matten 3c auf einem Abstand gehalten sind, so dass sich die Hohlfasern 3h benachbarter Lagen nicht berühren können. Der beim Verguss von Vergussmasse freibleibende Bereich 3a liegt hier in den Abstandshaltern 3d im Bereich der Ausnehmung 3e. Die Kante von der
Ausnehmung 3e befindet sich nach dem Verguß vollständig im vergossenen Bereich. Hierfür ist der Durchmesser der Ausnehmung 3e größer gewählt als der
Durchmesser des freigelassenen Bereichs 3a. Die Ausnehmungen 3f, die radial um den Bereich 3e angeordnet sind, befinden sich später im vergossenen Bereich 3b und dienen der besseren Verteilbarkeit der Vergussmasse beim Verguss. Die Löcher 3g können dazu dienen, hierin die Stifte 24 aufzunehmen.
Nach dem Verguss und Aushärtung der elastomeren Vergussmasse wird das
Hohlfaserpaket mit den angegossenen Dichtlippen 12 und den Dichtelementen 5 aus dem Formnest entnommen, ggfs besäumt und zur späteren Verwendung gelagert oder in die Gehäusewandung 1 eingelegt und darin zwischen den Deckelelement 6 komprimiert, um eine Vorrichtung gemäß der Erfindung auszubilden.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung für den Stoff- und/oder Energieaustausch zwischen einem ersten Austauschmedium, insbesondere Blut, und wenigstens einem zweiten
Austauschmedium, insbesondere einem Gas, umfassend ein Gehäuse (1 ), das wenigstens eine Kammer umgibt, in der ein Paket (3) von Stoff- und/oder energiepermeablen Hohlfasern (3h) angeordnet ist und die durch die
Hohlfasern (3h) in zwei Kammerbereiche (1 a, 11 a/b) unterteilt ist, wobei die Hohlfasern (3h) in einem ersten Kammerbereich (1 a) der wenigstens einen Kammer von dem ersten Austauschmedium umströmbar sind und die
Hohlfasern (3h) in einem zweiten Kammerbereich (11 a/b) der wenigstens einen Kammer von dem wenigstens einen zweiten Austauschmedium durchströmbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass a. das Hohlfaserpaket (3) eine Paketachse aufweist (4), zu der alle
Hohlfasern (3h) des Hohlfaserpaketes (3) quer, bevorzugt senkrecht orientiert sind, wobei das Hohlfaserpaket (3) radial beabstandet zur Paketachse (4) über volle 360 Grad um die Paketachse (4) herum mit einer Vergussmasse durchsetzt ist, mittels der die Hohlfasern (3h) des Hohlfaserpaketes (3) untereinander verklebt sind, und das
Hohlfaserpaket (3) an seinem äußeren Umfang wenigstens zwei in Umfangsrichtung zueinander beabstandete und jeweils axial erstreckte Dichtelemente (5) aufweist, insbesondere die durch die Vergussmasse ausgebildet sind, und b. die Dichtelemente (5) in einem in radialer Richtung komprimierten
Zustand dicht an der Innenwandung, insbesondere der radial außen liegenden Innenwandung des Gehäuses (1 ) anliegen und c. der zweite Kammerbereich (11 a/b) der wenigstens einen Kammer
durch die Dichtelemente (5) in der Umfangsrichtung in wenigstens zwei Kammerteilbereiche (11 a, 11 b) unterteilt ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das
Hohlfaserpaket (3) mehrere ebene Lagen von Hohlfasern (3h) umfasst, die in der Richtung der Paketachse (4) übereinandergestapelt sind, insbesondere mit einem Abstand zueinander in Richtung der Paketachse (4).
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das
Hohlfaserpaket (3) verschiedene Lagen (3c) von Hohlfasern (3h) mit wenigstens zwei verschiedenen Legerichtungen der Hohlfasern (3h) aufweist.
4. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass je zwei Kammerteilbereiche (11 a, 11 b) des zweiten Kammerbereichs (11 a/b) der wenigstens einen Kammer durch die Hohlfasern (3h) wenigstens einer bestimmten Legerichtung verbunden sind, insbesondere diese Kammerteilbereiche (11a, 11 b) die Ein- und Auslassbereiche von einem zweiten Austauschmedium bilden.
5. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass das Hohlfaserpaket (3) hinsichtlich der Anordnung seiner Dichtelemente (5) relativ zum Innenquerschnitt des Gehäuses (1 ) ein Übermaß aufweist, insbesondere der Abstand einander gegenüberliegender Dichtelemente (5) größer ist als der Abstand der von den Dichtelementen (5) kontaktierten Flächenbereiche des Gehäuses (1 ), und durch das Einsetzen in das Gehäuse (1 ) zumindest im Bereich seiner Dichtelemente (5) radial komprimiert ist.
6. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass das Gehäuse (1 ) eine rohrförmige Gehäusewandung (1 ) aufweist, deren Rohrachse parallel zur Paketachse (4) des wenigstens einen Hohlfaserpaketes (3) liegt, insbesondere wobei Rohrachse und
Paketachse (4) kollinear sind, wobei das wenigstens eine Hohlfaserpaket (3), insbesondere jedes Hohlfaserpaket (3), zwischen zwei Deckelelementen (2a, 2c; 2c, 2b) angeordnet ist, die für das erste Austauschmedium durchlässig sind, insbesondere welche die wenigstens eine Kammer in axialer Richtung begrenzen.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das
wenigstens eine Hohlfaserpaket (3) zwischen den Deckelementen (2a, 2b) in axialer Richtung komprimiert ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass
wenigstens eines der Deckelelemente (2a, 2b) im Inneren der rohrförmigen Gehäusewandung (1 ) verschiebbar ist.
9. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche 6 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, dass im Gehäuse (1 ), insbesondere in dem von dessen rohrförmiger Gehäusewandung (1 ) umgebenen Raum, wenigstens zwei axial hintereinanderliegende Kammern angeordnet sind, die durch ein axial verschiebbares Deckelelement (2c) getrennt sind, wobei in jeder der Kammern ein Hohlfaserpaket (3) angeordnet ist, insbesondere von denen wenigstens eines stoffpermeable Hohlfasern (3h) aufweist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (1 ) ein Kompressionselement (7,9) umfasst, mit dem ein
Kompressionsdruck auf das verschiebliche Deckelelement (2a) ausübbar ist, insbesondere wobei das Kompressionselement (7,9) eine Druckfeder (8) oder eine Schraube (7) ist, insbesondere Hohlschraube (7), durch die das erste Medium hindurchführbar ist.
11.Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass auf wenigstens einer der axialen Stirnflächen des wenigstens einen Hohlfaserpaketes (3), bevorzugt auf beiden, wenigstens eine die Paketachse (4) über 360 Grad vollständig umgebende Dichtlippe (12), bevorzugt mehrere radial beabstandete, jeweils die Paketachse über 360 Grad vollständig umgebende Dichtlippen (12) angeordnet sind, die an einem Deckelelement (2a, 2b, 2c) anliegt.
12. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass ein jeweiliges axial erstrecktes Dichtelement (5) des wenigstens einen Hohlfaserpaketes (5) in axialer Richtung über wenigstens eine der axialen Stirnflächen des Hohlfaserpaketes (3), bevorzugt über beide vorsteht.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der Deckelelemente (2a, 2b, 2c), welche ein Hohlfaserpaket (3) axial umschließen, an einer zu einem Dichtelement (5) des Hohlfaserpakets (3) korrespondierenden Umfangsposition in seiner axialen, zum Hohlfaserpaket (3) weisenden Stirnfläche eine Ausnehmung (6a) aufweist, die in axialer Richtung bis zu einem Dichtring (7) reicht, der in einer Nut in der
Umfangsfläche des Deckelelementes (2a, 2b, 2c) angeordnet ist und das Dichtelement (5) des Hohlfaserpaketes (3) den Dichtring (7) des
Deckelelementes (2a, 2b, 2c) kontaktiert.
14. Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung für den Stoff- und/oder
Energieaustausch zwischen einem ersten Austauschmedium, insbesondere Blut, und wenigstens einem zweiten Austauschmedium, insbesondere einem Gas, umfassend folgende Schritte: a. Bildung eines Paketes von Stoff- und/oder energiepermeablen
Hohlfasern (3h) durch Anordnen einer Vielzahl von Stoff- und/oder energiepermeablen Hohlfasern (3h), insbesondere eines Stapels mehrerer Lagen von Stoff- und/oder energiepermeablen Hohlfasern (3h) in dem Hohlraum (20a) eines Formnestes (20), wobei die
Längsrichtung der Hohlfasern (3h) quer, bevorzugt senkrecht zu einer im Hohlraum (20a) des Formnestes (20) liegenden Paketachse (4) angeordnet ist, die parallel ist zu einer Rotationsachse (27), um die das Formnest (20) rotierbar ist, b. Rotieren des Formnestes (20) um die Rotationsachse (27),
insbesondere die mit der Paketachse (4) identisch ist, c. Befüllen des Hohlraumes (20a) während der Rotation mit einer
Vergussmasse an wenigstens einer Position radial beabstandet zur Paketachse (4) und Durchtränkung eines zur Paketachse (4) radial beabstandeten Bereiches des Hohlfaserpaketes (3) mit der
Vergussmasse, wobei ein die Paketachse (4) unmittelbar umgebender Bereich des Hohlfaserpaketes (3) von der Vergussmasse durch die Zentrifugalkräfte freigehalten wird, d. Erzeugen von wenigstens zwei in Umfangsrichtung zueinander beabstandeten und jeweils axial erstreckten Dichtelementen (5) am äußeren Umfang des Hohlfaserpaktes (3) durch Befüllen
korrespondierend ausgeformter Hohlraumbereiche (28) des Formnestes (20), die das Hohlfaserpaket (3) radial und/oder axial außen umgeben mit Vergussmasse, bevorzugt derselben
Vergussmasse oder durch Einlegen von separaten Dichtelementen (5) in korrespondierend angeordnete Formnestbereiche (28), wobei die Dichtelemente (5) durch die Vergussmasse an das Hohlfaserpaket (3) stoffschlüssig angebunden werden e. Entnehmen des gebildeten Hohlfaserpaketes (3) aus dem Formnest (20), insbesondere nach Erhärtung der Vergussmasse f. Einsetzen des gebildeten Hohlfaserpaketes (3) in ein rohrförmiges Gehäuse (1 ), insbesondere mit einem zylindrischen Innenquerschnitt, zwischen zwei Deckelelementen (2a, 2b), wobei die Dichtelemente (5) in radialer Richtung komprimiert an die Innenwandung des Gehäuses (1 ) angelegt werden.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die radiale Kompression der Dichtelemente (5) erzeugt wird durch eine Fertigung des Hohlfaserpaketes (3) , bei der die Dichtelemente (5) im Übermaß relativ zum Gehäuse (1 ) angeordnet sind und das Hohlfaserpaket (1 ) mit radial komprimierten Dichtelementen (5) axial in das Gehäuse (1 ) eingeschoben wird.
16. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die radiale Kompression der Dichtelemente (5) erzeugt wird durch eine axiale
Kraftbeaufschlagung, insbesondere axiale Kompression des Hohlfaserpaketes (3) nach dessen Einsetzen in das Gehäuse (1 ).
17. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 14 bis 16, dadurch
gekennzeichnet, dass das aus dem Formnest (20) entnommene
Hohlfaserpaket (3) vor dem Einsetzen in das Gehäuse (1 ) an seinem äußeren Umfang in Bereichen zwischen benachbarten Dichtelementen (5) besäumt wird, insbesondere durch in axialer Richtung durchgeführte Schnitte.
18. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 14 bis 17, dadurch
gekennzeichnet, dass zur Bildung des Hohlfaserpaketes (3) mehrere
Hohlfasermatten (3c) in mehreren Lagen übereinander im Hohlraum (20a) des Formnestes (20) lagestabil positioniert werden, insbesondere auf
Führungsstangen (24) aufgelegt werden, deren Position mit in den Matten (3c) vorhandenen, insbesondere eingestanzen Löchern (3g) korrespondiert, insbesondere die in Bereichen des Hohlfaserpaketes (3) liegen, die durch Besäumungsschnitte entfernt werden.
19. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 14 bis 18, dadurch
gekennzeichnet, dass mit Formstrukturen (28, 29) in den axialen
Wandbereichen des Formnestes (20a) aus der Vergussmasse auf wenigstens einer der axialen Stirnflächen des Hohlfaserpaketes (3), bevorzugt auf beiden, wenigstens eine die Paketachse über 360 Grad vollständig umgebende Dichtlippe (12), bevorzugt mehrere radial beabstandete, jeweils die
Paketachse über 360 Grad vollständig umgebende Dichtlippen (12) und/oder ein in axialer Richtung erstrecktes Dichtelement (5) ausgebildet wird, insbesondere das über wenigstens eine der axialen Stirnflächen des
Hohlfaserpaketes (3) hinausragt.
20. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 14 bis 19, dadurch
gekennzeichnet, dass zwischen zwei benachbarte Lagen von
Hohlfasermatten (3c) ein flächiges Abstandselement (3d) eingelegt wird, das zumindest eine Ausnehmung (3e) aufweist im Bereich des Hohlfaserpaketes (3), der von Vergussmasse freibleibt.
21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die
benachbarten Lagen von Hohlfasermatten (3c) Hohlfasern (3h) mit einer Beschichtung, insbesondere mit einer Endothelialisierung aufweisen, insbesondere auf den mit Blut in Kontakt stehenden äußeren Oberflächen der Hohlfasern (3h).
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