массообменное устройство

Формула изобретения

Массообменное устройство, содержащее чередующиеся камеры для крови и обменной среды, герметизированные элементы камер, включающие опорные элементы и газоразделительные 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, планку соединительную и планку опорную, при этом на планке соединительной с одной стороны расположены штуцеры ввода и вывода крови и обменной среды, а с другой стороны выполнены удлиненное глухое окно с рабочей поверхностью в виде множества выступов и глухие узкие пазы, соединяющие глухое окно с двумя отверстиями штуцеров ввода и вывода обменной среды, на планке опорной с одной стороны выполнены два глухих отверстия ввода и вывода крови, удлиненное глухое окно с гладкой рабочей поверхностью и глухие узкие пазы, соединяющие глухое окно с глухим отверстием ввода и вывода крови, на опорных элементах с одной стороны элемента выполнены удлиненное глухое окно с рабочей поверхностью в виде множества выступов и глухие узкие пазы, соединяющие глухое окно с двумя сквозными отверстиями ввода и вывода обменной среды, а с другой стороны выполнены удлиненное глухое окно с гладкой рабочей поверхностью и глухие узкие пазы, соединяющие глухое окно с двумя сквозными отверстиями ввода и вывода крови, на всех герметизированных элементах и обеих планках на центральной продольной оси выполнены по два технологических сквозных 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, опорные элементы и обе планки выполнены из упругого материала и имеют вокруг отверстий, пазов и глухих окон отбортовку.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к медицинской технике, в частности к мембранным массообменным устройствам - оксигенаторам, диализаторам и 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 меду 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 разного 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 приводит 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 предлагаемому изобретению является массообменное устройство, содержащее чередующиеся камеры для крови и обменной среды, состоящие из параллельно соединенных пакетов, включающих полупроницаемые мембраны, сетки и опорные элементы 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 сковными 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 прижимают друг к другу посредством нажимного элемента и зажаты крышками посредством приспособлений для стяжки /3/.

Общими признаками прототипа и предлагаемого устройства являются наличие чередующих камер крови и обменной среды, двух крышек, штуцеров ввода и вывода крови и обменной среды. Камеры содержат герметизированные опорные элементы и полупроницаемые (или газоразделительные) мембраны с равными сквозными соосными отверстиями. Штуцеры соединены с соответствующими сквозными соосными отверстиями герметизированных опорных элементов и газоразделительных мембран. Собранные в пакет герметизированные элементы камер зажаты крышками посредством приспособлений для стяжки.

Устройство - прототип имеет следующие недостатки. Форменные элементы крови получают травму, так как конструкция крайних опорных элементов, формирующих полости камер, имеет перегородку, которая создает неравномерный поток крови, так как кровь проходит по разным радиусам. Обходя перегородку, кровь травмируется. Кроме того, 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 сдеформированные обрамления из материала "Эластосил" повторному сжатию не подлежат из-за потери упругости.

Третьим недостатком устройства - прототипа является то, что оно имеет большое количество входящих в него элементов, что усложняет конструкцию и 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 материала "Эластосил" достигаются при вулканизации в условиях относительной влажности воздуха 6010% в течение пяти суток (ТУ 6-02-1237), что увеличивает технологический цикл изготовления и делает конструкцию массообменного устройства при изготовлении очень трудоемкой.

Целью изобретения является уменьшение травм форменных элементов крови, улучшение герметичности устройства, упрощение его конструкции и технологии изготовления в условиях серийного и массового производства.

Цель достигается тем, что в массообменном устройстве, содержащем чередующиеся камеры крови и обменной среды, включающие герметизированные опорные элементы и газоразделительные мембраны с равными сквозными соосными отверстиями, две крышки, штуцеры ввода и вывода крови и обменной среды, соединенные с соответствующими сквозными соосными отверстия элементов, собранные в пакет герметизировнные элементы камер зажаты крышками посредством приспособлений для стяжки. Согласно изобретению предусмотрено следующее: в него введены два технологических стержня, планка соединительная, планка опорная, причем на планке соединительной с одной стороны расположены четыре штуцера, а с другой стороны выполнено удлиненное глухое окно с рабочей поверхностью в виде множества выступов и глухие узкие пазы, соединяющие глухое окно с двумя отверстиями штуцеров ввода и вывода обменной среды; на планке опорной с одной стороны выполнены два глухих соосных отверстия ввода и вывода крови, удлиненное глухое окно с гладкой рабочей поверхностью и глухие узкие пазы, соединяющие глухое окно с глухими соосными отверстиями ввода и вывода крови; на опорных элементах с одной стороны выполнено удлиненное глухое окно с рабочей поверхностью в виде множества выступов и глухие узкие пазы, соединяющие глухое окно с двумя соосными сквозными отверстиями ввода и вывода обменной среды, а с другой стороны опорных элементов выполнено удлиненное глухое окно с гладкой рабочей поверхностью и глухие узкие пазы, соединяющие глухое окно с двумя соосными сквозными отверстиями ввода и вывода крови, на всех элементах пакета на центральной оси выполнено по два сквозных технологических отверстия, а на крышках соответствующие им глухие технологические отверстия для установки технологических стержней, на которые насажен пакет элементов; планка опорная прижата к нижней крышке, а планка соединительная к верхней, причем опорные элементы, планка соединительная и планка опорная выполнены из упругого материала, например, упругой пластмассы, и имеют вокруг отверстий, пазов и глухих окон отбортовку.

Отличительными признаками предлагаемого устройства являются наличие в нем новых конструктивных элементов, новое конструктивное выполнение элементов, новые функциональные связи между элементами, новый материал, из которого выполнены элементы.

Новые конструктивные элементы: планка соединительная, планка опорная, два технологических стержня.

Новое конструктивное выполнение элементов: на планке соединительной с одной стороны расположены четыре штуцера. С другой стороны планки соединительной выполнено удлиненное глухое окно с рабочей поверхностью в виде множества выступов и глухие узкие пазы, соединяющие глухое окно с двумя отверстиями штуцеров ввода и вывода обменной среды. Вокруг отверстий, пазов и глухих окон выполнена отбортовка. На центральной оси планки соединительной выполнены два сквозных технологических отверстий для установки на технологические стержни.

На планке опорной с одной стороны выполнены два глухих отверстия: соосное глухое отверстие ввода крови и соосное глухое отверстие вывода крови, удлиненное глухое окно с гладкой рабочей поверхностью и глухие узкие пазы, соединяющие глухое окно с глухими соосными отверстиями ввода и вывода крови. Вокруг отверстий, пазов и глухих окон выполнена отбортовка. Другая сторона планки опорной выполнена гладкой. На центральной оси планки опорной выполнены два сквозных технологических отверстия.

На опорных элементах с одной стороны выполнено удлиненное глухое окно с рабочей поверхностью в виде множества выступов и глухие узкие пазы, соединяющие глухое окно с двумя соосными сквозными отверстиями ввода и вывода обменной среды. С другой стороны опорных элементов выполнено удлиненное глухое окно с гладкой рабочей поверхностью и глухие узкие пазы, соединяющие глухое окно с двумя соосными сквозными отверстиями ввода и вывода крови. Вокруг отверстий, пазов и глухих окон выполнена отбортовка. На центральной оси опорных элементов выполнены два сквозных технологических отверстия.

На центральной оси газоразделительных мембран также выполнено два сквозных технологических отверстия. На верхней и нижней крышках выполнены соответствующие им глухие технологические отверстия.

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

Новый материал: планка соединительная, планка опорная, опорные элементы выполнены из упругого материала, например, упругой пластмассы.

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

Наличие множества выступов на рабочих поверхностях глухих окон планки соединительной и опорных элементов исключает залипание газоразделительных мембран, что обеспечивает свободное прохождение обменной среды через камеру. А также за счет облегания множества выступов эластичной газоразделительной мембраной в камере крови образуются кавитационные зоны, необходимые для интенсивного перемешивания крови, что способствует более эффективной работе массообменного устройства.

Наличие вокруг отверстий, пазов и глухи окон отбортовок позволяет сформировать при сжатии необходимый объем камер, служит для бокового ограничения потока крови и обменной среды, а также является средством герметизации, так как планки (опорная и соединительная) и опорные элементы выполнены из упругого материала, например, упругой пластмассы. Упругий материал позволяет обеспечить при сжатии элементов пакета на расчетную величину необходимую высоту камер, надежную герметизацию массообменного устройства, а также упрощает сборку за счет сокращения количества входящих элементов и технологических операций.

В предлагаемом устройстве каждые две камеры - камера крови и камера обменной среды - содержит один опорный 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 и имеет меньшее количество деталей.

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

Все элементы конструкции изготовлены высокопроизводительным методом: литьем под давлением и штамповкой, что позволяет выпускать изделие в условиях серийного и массового производства.

Другие технические решения со сходными отличительными признаками не обнаружены в патентной и научно-технической литературе, следовательно, предлагаемое устройство удовлетворяет критериям новизны и изобретательского уровня.

На фиг. 1 схематично показан общий вид массообменного устройства с раздвинутыми элементами конструкции; на фиг. 2 - планка соединительная; на фиг. 3 - планка опорная; на фиг. 4 - опорный элемент; на фиг. 5 - мембрана газоразделительная.

На чертежах обозначено: 1 - камера обменной среды; 2 - камера крови; 3 - планка соединительная; 4 - планка опорная; 5 - газоразделительная мембрана; 6 - опорный элемент; 7 - крышка верхняя; 8 - крышка нижняя; 9 - штуцер ввода обменной среды; 10 - штуцер вывода обменной среды; 11 - штуцер ввода крови; 12 - штуцер вывода крови; 13, 14 - глухие технологические отверстия крышек; 15, 16 - стержни технологические; 17, 18 - приспособления для стяжки; 19 - выступ на опорном элементе и на планке соединительной; 20 - соосные сквозные отверстия ввода обменной среды; 21 - соосные сквозные отверстия вывода обменной среды; 22 - соосные сквозные отверстия ввода крови; 23 - соосные сквозные отверстия вывода крови; 24 - соосное глухое отверстие ввода крови; 25 - соосное глухое отверстие вывода крови; 26 - сквозные технологические отверстия; 28, 29 - глухие узкие пазы камеры обменной среды; 30, 31 - глухие узкие пазы камеры крови; 32 - глухое окно камеры обменной среды; 33 - глухое окно камеры крови; 34 - отбортовка.

Массообменное устройство содержит чередующиеся камеры обменной среды 1 и камеры крови 2, между которыми расположены газоразделительные мембраны 2.

Планка соединительная 23 (фиг. 2) выполнена из упругого материала, например, из упругой пластмассы. С одной стороны планки соединительной 3 расположены четыре штуцера - штуцер ввода обменной среды 9, штуцер вывода обменной среды 10, штуцер ввода крови 11, штуцер вывода крови 12.

Штуцеры 9 и 10 соединены с соответствующими сквозными соосными отверстиями и вывода обменной среды 20 и 21. Штуцеры 11 и 12 с соответствующими сквозными отверстиями ввода и вывода крови 22 и 23.

На другой стороне планки соединительной 3 выполнено удлиненное глухое окно 32, образующее камеру обменной среды. На рабочей поверхности глухого окна 32 выполнено множество выступов 19. Сквозные соосные отверстия ввода обменной среды 20 и вывода обменной среды 21 соединены с глухим окном 32 узкими глухими пазами 28 и 29, по которым обменная среда попадает в камеру обменной среды и выходит из нее.

Образованная по периметру глухого окна 32 отбортовка 34 формирует объем камеры и служит для бокового ограничения потока обменной среды. А также ввиду того, что планка соединительная 3 выполнена из упругого материала, отбортовка вокруг глухого окна 32, отверстий 20-23, пазов 28 и 29 выполняет роль средства герметизации.

Кроме того, на планке соединительной 3 выполнены два сквозных технологических отверстия 26 и 27, расположенные на центральной оси. Штуцеры 9-12, расположенные на планке соединительной 3, входят в верхнюю крышку 7.

Планка опорная 4 (фиг. 3) выполнена из упругого материала, например, из упругой пластмассы. С одной стороны планки опорной 4 выполнено удлиненно глухое окно 33, образующее камеру крови с гладкой рабочей поверхностью. Кроме того, на планке опорной 4 выполнены два глухих отверстия 24 и 25, соосные с соответствующими сквозными отверстиями ввода и вывода крови 22 и 23 на элементах пакета. Глухие соосные отверстия 24 и 25 соединены с глухим окном 33 глухими узкими пазами 30 и 31.

Через глухие отверстия 24 и 25 и глухие узкие пазы 30 кровь попадает из вводной магистрали крови в камеру и выводится через глухие узкие пазы 31 и отверстия 25 в выводную магистраль крови.

Образованная по периметру глухого окна 33 отбортовка 34 при сжатии формирует необходимый объем камеры и служит для бокового ограничения потока крови. Отбортовка вокруг глухого окна 33, отверстий 24 и 25 и пазов 30 и 31 является средством герметизации, так как планка опорная выполнена из упругого материала. Кроме того, на планке опорной 4 выполнены два сквозных технологических отверстия 26 и 27, расположены на центральной оси.

Планка опорная 4 одной стороной обращена в сторону камеры крови, а другой стороной прижата к нижней крышке 8.

Газоразделительная мембрана 5 (фиг. 5) представляет собой тонкую пленку, обладающую газообменными свойствами, выполненную из материала, например, марки МДК ТУ 6-55-221-890-88 или "Карбосил-АС" ТУ МП-066900.00. Газоразделительная мембрана имеет четыре соосных сквозных отверстия 20-23 ввода и вывода обменной среды и крови, а на центральной оси два сквозных технологических отверстия 26 и 27.

Опорный элемент 6 (фиг. 4) выполнен из упругого материала, например, из упругой пластмассы. С одной стороны опорного элемента выполнено удлиненное глухое окно 32, образующее камеру обменной среды. На рабочей поверхности глухого окна 32 выполнено множеств выступов 19. С другой стороны опорного элемента 6 выполнено удлиненное глухое окно 33, образующее камеру крови с гладкой рабочей поверхностью.

Кроме того, на опорном элементе 6 выполнено четыре сквозных соосных отверстия 20-23. Соосные сквозные отверстия 20 и 21 ввода и вывода обменной среды с помощью узких глухих пазов 28 и 29 соединены с глухим окном 32.

Через отверстия 20 и глухие узкие пазы 28 обменная среда попадает из вводной магистрали в камеру обменной среды и через узкие глухие пазы 29, отверстия 21 в выводную магистраль обменной среды. Соосные сквозные отверстия 22 и соосные сквозные отверстия 23 ввода и вывода крови с помощью узких глухих пазов 30 и 31 соединены с глухим окном 33. Через отверстия 22 и глухие узкие пазы 30 кровь попадает из вводной магистрали в камеру крови и выводится через узкие глухие пазы 31 и отверстие 23 в выводную магистраль крови.

На центральной оси опорного элемента 6 выполнены сквозные технологические отверстия 26 и 27.

Образованные по периметру глухих окон 32 и 33 отбортовки 34 формируют объемы камер, служат для бокового ограничения потоков крови и обменной среды. А также ввиду того, что опорный элемент выполнен из упругого материала, отбортовка вокруг глухих окон, соосных сквозных отверстий и глухих узких пазов является средством герметизации.

Конструкция опорного элемента 6, а именно то, что одна его сторона обращена в сторону камеры крови, а другая, со множеством выступов, в сторону камеры обменной среды, упрощает сборку массообменного устройства, так как отпадает необходимость ориентировать газоразделительные мембраны и опорные элементы. В предлагаемом устройстве все газоразделительные мембраны и опорные элементы устанавливаются в одну сторону, а в прототипе каждая следующая мембрана должна быть перевернута, и по три опорных элемента в камерах крови и обменной среды развернуты относительно друг друга на 180^o.

Крышка верхняя 7 имеет четыре сквозных отверстия для вывода штуцеров 9-12, расположенных на планке соединительной 3. На центральной оси крышки верхней 7 и крышке нижней 8 выполнено по два глухих технологических отверстия 13 и 14, в которые установлены технологические стержни 15 и 16.

Все элементы, входящие в пакет, образующий камеры обменной среды 1 и камеры крови 2, имеют по четыре сквозных соосных отверстия 20, 21, 22, 23 одного диаметра (фиг. 1, 2, 4, 5), кроме планки опорной 4 (фиг. 3), которая имеет два глухих соосных отверстия 24 и 25 ввода и вывода крови. На центральной оси всех элементов, образующих пакет, выполнено по два сквозных технологических отверстия 26 и 27.

Глухие технологические отверстия крышек 13 и 14 соосны с соответствующими сквозными технологическими отверстиями 26 и 27 на элементах пакета.

При сборке массообменного устройства в глухие технологические отверстия 13 и 14 одной крышки вставляют технологические стержни 15 и 16, на которые предварительно 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 15 и 16. Пакет сжимают и запирают приспособлениями для стяжки 17 и 18, которые одновременно выполняют роль боковых сторон массообменного устройства.

В собранном пакете соосные сквозные отверстия 20 образуют вводную магистраль обменной среды, которая соединена со штуцером 9. Соосные сквозные отверстия 21 образуют выводную магистраль обменной среды, которая соединена со штуцером 10.

Соосные сквозные отверстия 22 образуют вводную магистраль крови, соединенную со штуцером 11, и соосные сквозные отверстия 23 образуют выводную магистраль крови, которая соединена со штуцером 12.

Работает массообменное устройство следующим образом.

Кровь и обменная среда перемещаются в массообменном устройстве под действием избыточного давления. Кровь подается на штуцер 11, а на штуцер 9 - обменная среда.

Кровь через штуцер 11, вводную магистраль, образованную соосным сквозными отверстиями 22, через глухие узкие пазы 30 попадает в камеры крови 2, проходит через них и через глухие узкие пазы 31 попадает в выводную магистраль крови, образованную сквозными соосными отверстиями 23, и выходит через штуцер 12.

Аналогично обменная среда через штуцер 9, вводную магистраль, образованную сквозными соосными отверстиями 20, через глухие узкие пазы 28 попадает в камеры обменной среды 1; проходит через них и через глухие узкие пазы 29 попадает в выводную магистраль обменной среды, образованную сквозными соосными отверстиями 21, и выходит через штуцер 10.

Между камерами крови и обменной среды расположены газоразделительные мембраны 5, которые с одной стороны омываются кровью, а с другой стороны обменной средой, газоразделительные мембраны 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 содержащегося в ней углекислого газа и насыщается кислородом. Газоразделительные мембраны не пропускают высокомолекулярные вещества - белки и форменные элементы крови и поэтому содержание в крови этих веществ, белков и форменных элементов, остается неизменным.

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, (БИ N 8, 82 г.).

2. Авторское свидетельство СССР N 1063417, кл. A 61 M 1/03, 1/22, (БИ N 48, 83 г.).

3. Патент РФ N 2017503, кл. A 61 M 1/22, (БИ N 15, 94 г.)р