Массообменное устройство

 

Использование: изобретение относится к медицинской технике и может быть использовано в мембранных массообменных устройствах. Сущность изобретения: устройство содержит чередующиеся камеры для кровли и обменной среды с герметизированными элементами. Герметизированные элементы собраны в пакет, который вместе с опорной и соединительной планками насажен на два технологических стержня. Штуцеры ввода и вывода крови и обменной среды соединены соосно со сквозными отверстиями герметизированных элементов. 7 ил.

Изобретение относится к медицинской технике, в частности к мембранным массообменным устройствам оксигенаторам, диализаторами может быть также использовано в аппаратах искусственного кровообращения.

Известен оксигенатор крови, содержащий параллельно соединенные пакеты, выполненные из двух газопроницаемых мембран, расположенных между опорными пластинами, и две крышки со штуцерами для ввода и вывода газа и крови. Для повышения герметичности и исключения контакта крови с опорными пластинами он дополнительно снабжен пористыми втулками для ввода и вывода газа, расположенными между мембранами, причем участки мембран каждого пакета между пористыми втулками, а также участки мембран для ввода и вывода крови смежных пакетов герметично соединены между собой [1] Устройство имеет следующие недостатки. В камеру крови оксигенатора, образованную двумя мембранами, помещена мелкоячеистая полимерная сетка, которая травмирует форменные элементы крови в большей степени, чем опорные пластины. Кроме того, использование в газовой камере дополнительной пористой втулки, а в камере крови распределительной втулки из полимера усложняет конструкцию оксигенатора. Наличие клеевых соединений не позволяет осуществлять изготовление оксигенатора в условиях массового производства, снижает его герметичность и, как следствие, надежность в работе.

Известно массообменное устройство, содержащее набор опорных элементов, расположенные между ними пары мембран, приспособление для стяжки опорных элементов, причем опорные элементы и мембраны имеют соосные отверстия равного размера для ввода и вывода жидкости, а опорные элементы выполнены с выемками вокруг отверстий и отношение диаметров выемок и отверстий 1,5:2,0 и отношение диаметра отверстий и глубина выемок меньше величины 2(n-1), где n количество опорных элементов в наборе [2] Данное устройство в связи с уменьшением местных сопротивлений при входе крови в камеру крови из коллекторных отверстий действительно снижает ее травму, однако использование в конструкции устройства клеевых соединений делает его ненадежным в работе, снижает его герметичность. Кроме того, использование для формирования полостей входа и выхода растворимых в жидкости таблеток приводят к значительному повышению трудоемкости изготовления устройства и к безвозвратной потере ценных веществ крахмала и глюкозы. Перечисленные недостатки не позволяют изготавливать данное устройство в условиях серийного и массового производства.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является массообменное устройство, содержащее чередующиеся камеры для крови и обменной среды, состоящее из параллельно соединенных пакетов, включающих полупроницаемые мембраны, сетки и опорные элементы с соосными равными вводными и выводными отверстиями, две крышки со штуцерами для ввода и вывода крови и обменной среды, соединенными с соответствующими сквозными отверстиями, средство для герметизации, приспособления для стяжки и нажимной элемент. Каждая камера включает три опорных элемента, заключенных в камере для крови между двумя полупроницаемыми мембранами, а в камере обменной среды между двумя сетками, каждое вводное и выводное отверстие центрального опорного элемента соединено с несколькими сквозными узкими пазами, два других опорных элемента каждой камеры установлены с возможностью контакта с центральным и имеют сквозные замкнутые окна для бокового ограничения потоков крови и обменной среды, средство для герметизации выполнено в виде эластичного обрамления вдоль периметра элементов пакетов и вокруг отверстий ввода и вывода, а пакеты прижаты друг к другу посредством нажимного элемента и зажаты крышками посредством приспособления для стяжки [3] Общими признаками прототипа и предлагаемого устройства являются наличие чередующихся камер крови и обменной среды, двух крышек и штуцеров ввода и вывода крови и обменной среды. Камеры содержат опорно-распределительные элементы и полупроницаемые мембраны с равными соосными отверстиями. Штуцеры соединены с соответствующими сквозными соосными отверстиями герметизированных элементов. Собранные в пакет герметизированные элементы камер зажаты крышками посредством приспособлений для стяжки.

Устройство прототип имеет следующие недостатки.

Форменные элементы крови получают значительную травму, так как конструкция крайних опорных элементов, формирующих полости камер, имеют перегородку, обходя которую кровь травмируется. Прямоугольная форма полостей камер создает в углах застойные зоны.

Другим недостатком устройства прототипа является ненадежность герметизации, так как материал "Эластосил", из которого выполнено герметизирующее обрамление вдоль периметра и вокруг отверстий ввода и вывода, не имеет адгезии с элементами, выполненными из рулонного поливинилхлорида. При нарушении герметичности в процессе сборки брак становится неисправимым, так как все сдеформированные обрамления из эластичного материала "Эластосил" повторному сжатию не подлежат из-за потери упругости.

Третьим недостатком устройства является то, что оно имеет большое количество входящих в него элементов, что усложняет конструкцию в технологию изготовления, увеличивая себестоимость.

Четвертым недостатком устройства прототипа является то, что процесс нанесения герметизирующего обрамления из материала "Эластосил" вдоль периметра и вокруг отверстий является трудоемким к тому же "Эластосил" через 20-30 мин загустевает, поэтому используемая оснастка требует специальной промывки. Кроме того, оптимальные показатели материал "Эластосил" достигаются при вулканизации в условиях относительной влажности воздуха 60±10% в течение пяти суток (ТУ 6-02-1237), что увеличивает технологический цикл изготовления и делает конструкцию массообменного устройства при изготовлении очень трудоемкой.

Технической задачей, решаемой при создании изобретения, является уменьшение травмы форменных элементов крови, повышение герметичности устройства, упрощение его конструкции и технологии изготовления в условиях серийного и массового производства.

Задача решена тем, что в массообменном устройстве, содержащем чередующиеся камеры крови и обменной среды, включающие опорно-распределительные элементы и полупроницаемые мембраны с равными соосными отверстиями, две крышки, штуцеры ввода и вывода крови и обменной среды, соединенные с соответствующими сквозными соосные отверстиями герметизированных элементов, а собранные в пакет герметизированные элементы камер зажаты крышками посредством приспособлений для стяжки, согласно изобретению, предусмотрено следующее: в него введены два технологических стержня, планка соединительная, планка опорная и прокладки герметизации и формирования объема камеры, причем на планке соединительной с одной стороны расположены четыре штуцера, а с другой стороны выполнены рабочий участок в виде множества выступов и глухие узкие пазы, которые соединены с отверстиями штуцеров ввода и вывода обменной среды; на планке опорной с одной стороны выполнены два глухих соосных отверстия ввода и вывода крови и соединенные с ними глухие узкие пазы; прокладки герметизации и формирования объема камеры выполнены из упругого материала и имеют четыре сквозных соосных отверстия и сквозное окно для бокового ограничения потока крови или обменной среды; на гладкой стороне опорно-распределительных элементов выполнены глухие узкие пазы, соединенные с двумя соосными сквозными отверстиями ввода и вывода крови, а на другой стороне выполнены рабочий участок в виде множества выступов и глухие узкие пазы, соединенные с соосными сквозными отверстиями ввода и вывода обменной среды; на всех элементах пакета на центральной оси выполнено по два сквозных технологических отверстия, а на крышках соответствующие им глухие отверстия для установки технологических стержней, на которые насажен пакет элементов, причем планка опорная прижата к нижней крышке, а планка соединительная к верхней.

Отличительными признаками предлагаемого устройства является наличие в нем новых конструктивных элементов, новое конструктивное выполнение элементов, новые функциональные связи между элементами, новый материал, из которого выполнены прокладки герметизации и формирования объема камер.

Новые конструктивные элементы: два технологических стержня, планка соединительная, планка опорная, прокладки герметизации и формирования объема камер.

Новое конструктивное выполнение элементов: на планке соединительной с одной стороны расположены четыре штуцера, жестко связанные с гладкой стороной планки. С другой стороны планки соединительной выполнен рабочий участок в виде множества выступов. Кроме того, на этой стороне планки выполнены глухие узкие пазы, которые соединены с двумя отверстиями штуцеров ввода и вывода обменной среды. Кроме того, на центральной оси планки соединительной выполнено два сквозных технологических отверстия для установки на технологические стержни. На планке опорной с одной стороны выполнены два глухих соосных отверстия ввода и вывода крови и глухие узкие пазы, которые соединены с этими глухими отверстиями. Другая сторона планки опорной выполнена гладкой. На центральной оси планки опорной выполнены два сквозных технологических отверстия. Прокладки герметизации и формирования объема камер имеют четыре сквозных соосных отверстия и сквозное удлиненное окно для бокового ограничения потока крови или обменной среды. На центральной оси прокладки выполнено по два сквозных технологических отверстия. На гладкой стороне опорно-распределительных элементов выполнены глухие узкие пазы. Они соединены с двумя соосными сквозными отверстиями ввода и вывода крови. На другой стороне опорно-распределительных элементов выполнены рабочие участки в виде множества выступов и глухие узкие пазы, которые соединены с двумя соосными сквозными отверстиями ввода и вывода обменной среды. На центральной оси опорно-распределительных элементов, а также полупроницаемых мембран выполнено по два сквозных технологических отверстия, на крышках верхней и нижней соответствующие им глухие отверстия.

Новые функциональные связи между элементами: технологические стержни установлены в глухие отверстия крышек, на технологические стержни насажен набор элементов, собранный в пакет, причем планка опорная прижата к нижней крышке, а планка соединительная к верхней.

Новый материал: прокладки герметизации и формирования объема камер выполнены из упругого материала, например упругой пластмассы или резины.

В предлагаемом устройстве полости камеры крови и обменной среды, сформированные набором элементов, вытянуты в длину и плавно заужены ко входу и выходу, что способствует уменьшению травмы форменных элементов крови, так как кровь плавно, беспрепятственно проходит через камеры.

Наличие на планке соединительной и на стороне опорно-распределительного элемента, обращенного в сторону камеры обменной среды рабочего участка в виде множества выступов, позволяет избежать залипание полупроницаемой мембраны к поверхности планки соединительной и опорно-распределительного элемента и обеспечить свободное прохождение обменной среды через камеру, а также за счет облегчения их эластичной полупроницаемой мембраной создать в камере крови при прохождении потока крови кавитационные зоны, необходимые для интенсивного перемешивания крови, что способствует более эффективной работе массообменного устройства.

Наличие прокладок герметизации и формирования объема камер, выполненных из упругого материала, позволяет сформировать объем камер, обеспечить боковое ограничение потоков крови и обменной среды, повысить герметичность устройства, делает его ремонтоспособным в процессе сборки, снижает трудоемкость изготовления.

В предлагаемом устройстве каждые две камеры камера крови и камера обменной среды содержат один опорно-распределительный элемент. В прототипе каждая камера крови и каждая камера обменной среды содержит по три опорных элемента и две сетки, то есть по сравнению с прототипом предлагаемая конструкция массообменного устройства значительно упрощена.

Введение в устройство технологических стержней, на которые насажен пакет элементов, позволяет упростить сборку массообменного устройства.

Все элементы конструкции изготовлены высокопроизводительным методом: литьем под давлением или штамповкой, что позволяет выпускать изделие в условиях серийного и массового производства. Полупроницаемые мембраны могут быть изготовлены из тонкой пленки марки МДК или "Карбоксил АС".

На фиг. 1 схематично показано массообменное устройство с раздвинутыми элементами конструкции, общий вид; на фиг. 2 планка соединительная; на фиг. 3 планка опорная; на фиг. 4 опорно-распределительный элемент; на фиг. 5 - прокладка герметизации и формирования объема камеры; на фиг. 6 мембрана полупроницаемая; на фиг. 7 расположение глухих узких пазов на опорно-распределительном элементе относительно прокладки герметизации и формирования объема камеры.

На чертежах обозначено следующее: 1 камера обменной среды; 2 камера крови; 3 планка соединительная; 4 планка опорная; 5 опорно-распределительный элемент; 6 прокладка герметизации и формирования объема камеры;
7 полупроницаемая мембрана;
8 крышка верхняя;
9 крышка нижняя;
10 штуцер ввода обменной среды;
11 штуцер вывода обменной среды;
12 штуцер ввода крови;
13 штуцер вывода крови;
14 и 15 глухие отверстия крышек;
16 и 17 стержни технологические;
18 и 19 приспособление для стяжки;
20 выступ на опорно-распределительном элементе и на планке соединительной;
21 соосные отверстия вводной магистрали обменной среды;
22 соосные отверстия выводной магистрали обменной среды;
23 соосные отверстия вводной магистрали крови;
24 соосные отверстия выводной магистрали крови;
25 и 26 сквозные технологические отверстия;
27 и 28 глухие узкие пазы камеры обменной среды;
29 и 30 глухие узкие пазы камеры крови;
31 сквозное окно прокладки герметизации и формирования объема камеры.

Массообменное устройство содержит чередующиеся камеры обменной среды 1 и камеры крови 2. Каждая камера обменной среды и крови расположена между полупроницаемой мембраной 7 и опорно-распределительным элементом 5.

Полупроницаемые мембраны 7 установлены так, что они способны пропускать обменную среду, например кислород, в камеры крови 2 и соответственно из камер крови углекислый газ в камеры обменной среды 1, в результате чего кровь освобождается от содержания в ней углекислого газа и насыщается кислородом. Полупроницаемые мембраны 7 не пропускают высокомолекулярные вещества белки и форменные элементы крови и поэтому содержание в крови этих веществ, белков и форменных элементов, остается неизменным.

Опорно-распределительный элемент 5 (фиг. 4) с одной стороны имеет гладкую поверхность, а на другой стороне рабочий участок выполнен в виде множества выступов 20, установлен опорно-распределительный элемента так, что гладкая поверхность обращена в камеру крови, чтобы кровь беспрепятственно, не травмируясь, проходила через камеру, что способствует сохранению форменных элементов крови, соответственно другая сторона с рабочим участком в виде множества выступов 20 обращена в камеру обменной среды. Выступы 20 не дают полупроницаемой мембране 7 под давлением в камере крови прилипнуть к его рабочей поверхности и перекрыть поток обменной среды. В то же время полупроницаемая мембрана 7 под давлением крови облегает эти выступы, создавая в камере крови кавитационные зоны, необходимые для интенсивного перемешивание крови, что способствует эффективному массообмену.

Конструкция опорно-распределительного элемента, а именно то, что одна сторона его гладкая, а другая выполнена со множеством выступов, упрощает сборку массообменного устройства, так как отпадает необходимость ориентировать полупроницаемые мембраны. В предлагаемом устройстве все полупроницаемые мембраны устанавливаются в одну сторону, а в прототипе каждая следующая должна быть перевернута.

Планка соединительная 3 (фиг. 2) с одной стороны имеет четыре штуцера - штуцер ввода обменной среды 10, штуцер вывода обменной среды 11; штуцер ввода крови 12; штуцер вывода крови 13, а с другой стороны рабочий участок выполнен в виде множества выступов 20, так как она обращена в сторону обменной среды; Планка соединительная 3 штуцерами входит в верхнюю крышку 8.

Планка опорная 4 (фиг. 3) имеет гладкую рабочую поверхность так как она обращена в сторону камеры крови. Другой стороной планка опорная 4 прижата к нижней крышке 9.

Между полупроницаемыми мембранами 7 и опорно-распределительными элементами 5 установлены прокладки герметизации и формирования объема камер 6 (фиг. 5) для бокового ограничения потоков крови и обменной среды, с их помощью образуются полости камер крови и обменной среды. Прокладки герметизации и формирования объема камер, сжатые до расчетной величины, обеспечивают высоту камер и их объем, а так же герметизацию всего устройства.

Крышка верхняя 8 имеет четыре сквозных отверстия для вывода штуцеров 10, 11, 12, 13, расположенных на планке соединительной 3, кроме того на центральной оси крышки 8 выполнены два глухих отверстия 14 и 15 для установки в них технологических стержней 16 и 17.

Крышка нижняя 9 имеет на центральной оси два глухих отверстия 14 и 15 для установки в них технологических стержней 16 и 17.

Все элементы, входящие в пакет, образующий камеры обменной среды и камеры крови, имеют по четыре сквозных отверстия 21, 22, 23, 24 одного диаметра (фиг. 2-6); кроме планки опорной 4, которая имеет два глухих отверстия 23 и 24 (ввода и вывода крови). НА центральной оси всех элементов, образующих пакет, выполнено по два сквозных соосных технологических отверстия 25 и 26.

При сборке массообменного устройства глухие отверстия 14 и 15 одной крышки вставляют технологические стержни 16 и 17, на которые насаживают пакет элементов, составляющих камеры обменной среды 1 и камеры крови 2, затем пакет накрывают другой крышкой так, чтобы в ее глухие технологические отверстия вошли свободные концы технологических стержней 16 и 17. Пакет сжимают и запирают приспособлением для стяжки 18 и 19, которое одновременно выполняет роль боковых сторон массообменного устройства.

В собранном пакете соосные отверстия входящих элементов 21 образуют магистраль ввода обменной среды, которая соединена с соответствующим штуцером 10, соосные отверстия 22 образуют выводную магистраль обменной среды, которая соединена с соответствующим штуцером 11; соосные отверстия 23 образуют вводную магистраль крови, соединенную с соответствующим штуцером 12, и соосные отверстия 24 образуют выводную магистраль крови, которая соединена с соответствующим штуцером 13.

На опорно-распределительных элементах 5 имеются глухие узкие пазы 27, 28, 29, 30, которые соединены со сквозными отверстиями, причем на стороне, обращенной в камеру обменной среды, глухие узкие пазы 27 и 28 соединены с вводными 21 и выводными 22 отверстиями обменной среды, а на стороне, обращенной в сторону камеры крови, глухие узкие пазы 29 и 30 соединены с вводными 23 и выводными 24 отверстиями крови.

Прокладки герметизации и формирования объема камеры 6 имеют сквозное удлиненное окно 31, плавно зауженное ко входу и выходу из камеры. Контуры окна 31 частично перекрывают глухие узкие пазы 27 и 28 с одной стороны опорно-распределительного элемента и глухие узкие пазы 29 и 30 с другой стороны (фиг. 7) через незакрытые участки пазов 27 и 28 обменная среда, а пазов 29 и 30 кровь имеют возможность проникать в полости камер и покидать их.

Работает массобменное устройство следующим образом. Кровь и обменная среда перемещаются в массообменном устройстве под действием избыточного давления. Кровь подается перфузионным насосом на штуцер 12, а на штуцер 10 - обменная среда. Кровь через вводную магистраль, образованную сквозными отверстиями 23, через глухие узкие пазы 29 попадает в камеры крови 2, проходит через них и через глухие узкие пазы 30 попадает в выводную магистраль крови, образованную соосными отверстиями 24 и проходит к к штуцеру 13. Аналогично обменная среда через вводную магистраль, образованную сквозными отверстиями 21, через глухие узкие пазы 27 попадает в камеры обменной среды 1, проходит через них и через глухие узкие пазы 28 попадает в выводную магистраль обменной среды, образованную соосными отверстиями 22, и проходит к штуцеру 11.

Разработано несколько типоразмеров массообменных устройств с различной площадью обменной поверхности. Экспериментальные образцы испытаны в лабораторных условиях.

Источники информации:
1. Авторское свидетельство СССР N 908365, кл. A 61 M 1/22, Б.И. N 8, 1982.

2. Авторское свидетельство СССР N 1063417, кл. A 61 M 1/03, 1/22, Б.И. N 48, 1983.

3. Патент РФ N 2017503, кл. A 61 M 1/22, Б.И. N 15, 1994.

Формула изобретения

Массообменное устройство, содержащее чередующиеся камеры для крови и обменной среды, герметизированные элементы камер, включающие опорно-распределительные элементы и полупроницаемые мембраны с равными сквозными вводными и выводными отверстиями, штуцеры ввода и вывода крови и обменной среды, соединенные с соответствующими сквозными отверстиями герметизированных элементов, а герметизированные элементы собраны в пакет так, что одноименные отверстия этих элементов размещены соосно, зажаты двумя крышками посредством приспособлений для стяжки, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит два технологических стержня, соединительную и опорную планки, а герметизированные элементы содержат прокладки герметизации и формирования объема камеры, на соединительной планке с одной стороны расположены штуцеры вводы и вывода крови и обменной среды, а на другой стороне выполнены рабочий участок в виде выступов и глухие узкие пазы, соединенные с соответствующими отверстиями штуцеров ввода и вывода обменной среды, на опорной планке на одной стороне выполнены два глухих отверстия ввода и вывода крови, соосных с соответствующими сквозными отверстиями герметизированных элементов, и соединенные с ними глухие узкие пазы, прокладки герметизации и фомирования объема камеры выполнены из упругого материала и имеют на каждой из них сквозные отверстия для ввода и вывода крови и обменной среды и сквозное удлиненное окно, на гладкой стороне опорно-распредедлительных элементов выполнены глухие узкие пазы, соединенные с соответствующими сквозными отверстиями ввода и вывода крови, а на другой стороне выполнены рабочие участки в виде выступов и глухие узкие пазы, соединенные с соответствующими сквозными отверстиями ввода и вывода обменной среды, на всех герметизированных элементах и обеих планках на центральной продольной оси выполнено по два сквозных технологических отверстия, а на крышах соответствующие им глухие отверстия для установки технологических стержней, на которые насажен пакет элементов, причем опорная планка прижата к нижней крышке, а соединительная планка к верхней крышке.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7