专利名称：用于物质和能量传输操作的三维编织的中空纤维模块的制作方法
技术领域：
本发明涉及根据权利要求1和4的前序中所述的用于容纳在物质传输装置中的中空纤维束，并且涉及用于容纳至少一个该中空纤维束的物质传输装置以及根据权利要求17 的前序中所述的用于制造用于容纳在物质传输装置中的中空纤维束的方法。
背景技术：
使用物质传输装置的领域存在于从化学或物理中的一般工业应用到医学技术中的应用的范围中。根据本发明所述的物质传输装置涉及在第一相与第二相之间的物质传输，该物质可以呈现为气相或甚至液相，所述第二相通过可透膜与所述第一相隔离。在该情形下，由于第一相与第二相之间的浓度梯度或压力梯度而确保物质传输。取决于所交换的物质以及相应地这些物质所呈现的相，膜的构型需要基本的技术条件以能够确保期望的物质传输。尽管本发明不仅仅限于医学工程应用，但是在下面将主要设想于医学工程应用， 将基于该应用解释本发明的主要原理。在用于物质传输的医学工程应用中，主要的焦点通常是消除有害的物质，相应地从病人体中传输健康促进或生命维持的物质或将传输健康促进或生命维持的物质传输到病人体内。例如，血液透析所考虑之处涉及净化病人的血液去除有害的劣化产物或有毒物质。在充氧器(Oxygenator)的情形下，一方面向病人的血液供应充足的氧气是最主要的考虑，而另一方面也需要净化血液去除所产生的二氧化碳。其他典型的医学技术的物质传输装置可以例如用于实现血浆分离(血液分离)或混合器官比如人造肝脏。如果在病人血液与另外的传输相(比如与氧气混合的气体)之间将发生物质传输，则必须确保病人的血液被充分治疗；即，确保物质传输充分进行。由此，对充氧器必须小心，使得来自传输相的足够氧气经由膜引入病人的血液内。类似地，必须考虑从病人的血液中移除所聚集的足够量的二氧化碳。取决于物质传输的体积，充氧器能够例如仅用于支承正常的肺功能，或相应地用于其完全的替代。在该情形下，例如能够将充氧器外部地以及内部地设置于病人的血液循环中，以在手术操作期间替代病人的肺功能。取决于需求，必要的膜具有特定的材料特性和几何形状以允许期望的物质传输。 医学技术中的很多现代的物质传输装置使用中空纤维的膜，该膜的纤维壁具有用于待传输物质的预定的透过性。这种膜能够由合适的聚合物塑料以及聚合物聚丙烯或聚合物聚甲基戊烯(polymethylpentene)制成或者另外地由聚硅酮制成。根据现有技术，多根平行定向的中空纤维在该情形下通常组合成毡(mat)以获得更大的总传输表面。这种毡可以分别以单层或者也可以以多层使用。在由多个毡制成的层的情形下，不同毡的中空纤维的纵向延伸轴线遵守相对于彼此的限定的发散角，以防止单根中空纤维彼此嵌套。在充氧器中，这些毡层随后主要布置为中空圆筒的形式，以使沿该圆筒的径向方向流动的血液在穿过单独的中空纤维时经受物质传输。作为医学技术中该广泛使用的技术的代表，参考文献EP 0 621 047 Bi，其中指定的中空纤维设置为双层的、交叉缠绕的中空纤维毡，每个毡具有平行布置的多根中空纤维。一个中空纤维毡的中空纤维在该情形下与平行的经线(其垂直于一个中空纤维毡的单独的中空纤维的纵向延伸轴线)缝合到一起，以限制单独的中空纤维相对于彼此的运动。第一中空纤维毡的中空纤维相对于第二中空纤维毡的中空纤维的布置例如成 22°的角度。另外，单独的中空纤维毡在可应用为且卷起成束时层叠在彼此的上面，其中中空纤维的端部借助于树脂嵌入到管中以由此锚定它们。除了几何形状的限制以外，物质传输装置通常必须满足源自于与病人护理以及医学考虑相关的安全方面的一系列性能需求。例如，血液填充容积在此必须被考虑，同样需考虑在传输相这侧(例如，在充氧器中的具有氧气的气体)以及血液这侧的相的压力的下降、 血液细胞的剪应力和膜表面的特性以及与血液相互作用时的表面效应。医学技术中不断提出解决方案，这些解决方案考虑多个影响，但是在改进了对特定需求的满足的同时降低了对其他需求的满足。衡量在物质传输装置中传输物质的传输效率及传输量的一个重要参数是局部的温度以及在血液相与传输相之间的局部温度的差异。由此，现代的充氧器例如还包括一体的热交换器，该热交换器意为在物质传输期间通过例如使用呈板状构造的热传导材料使物质传输装置内的温度差异基本平衡。为了能够改进物质传输装置中的物质传输，特别是在充氧器中的氧气传输，以下的等式1能够视为对在充氧器中的气体传输速率的数学描述。dV/dt = K · A · Δ pln (1)其中，dV/dt指代在中空纤维内的气体传输相与在中空纤维外侧的血液相之间的气体传输速率。由此，气体传输速率dV/dt计算为总物质传输系数(K)、膜表面的尺寸(A)、 以及气体分压的对数平均值(ΔΡ η)的乘积，其代表物质传输的驱动能。物质传输系数K可以描述为对于在气相、膜和血液相(本文没有更详细地描述)中相应的气体的单独的物质传输系数的函数。从以上等式可见，理论上能够采用多个措施用于改进物质传输装置中的物质传输。但是，技术实践表明，用于改进一个参数的很多措施伴随有另一参数的劣化。具体地，当在物质传输装置中使用中空纤维时，技术力量主要关注优化物质传输装置的壳体的形状、 定位单独的中空纤维以及影响在物质传输装置内流动的血液相。但是，尽管有这些技术力量，在从现有技术已知的许多物质传输装置仍具有很多严重的缺点，这导致物质传输的减小。这些例如包括在内壳体壁与外中空纤维之间的血液相的壁效应、沟槽形成、短路流动和不工作区，所有这些均涉及在血液相与中空纤维中的传输相之间的显著减小的物质传输。具体地，通过在中空纤维毡中的多根中空纤维的布置(或在中空纤维束中的多个这种毡)，以上描述的现象随后能够在中空纤维毡(相应地中空纤维束绕中央地布置)在物质传输装置内的圆筒缠绕时被具体地确认。在该情形下，不但存在径向流动血液的短路流动，该径向流动血液能够从圆筒的内部直接流动到其内壁而基本不进入具有中空纤维的相互作用的物质传输；此外，在该构型中有时也能够发生在中空纤维毡与圆筒的内壁之间的显著的壁效应，由此大大减小期望的物质传输。
发明内容
根据以上展示的缺点，由此认为有必要提出一种中空纤维的布置(相应地，中空纤维束)，该中空纤维束设置为容纳在物质传输装置中，并且其减小以上描述的缺点，这些缺点引起物质传输装置中的减小的物质传输。具体地，本发明的任务是提出一种中空纤维束，其在容纳在物质传输装置中时允许改进的物质传输。此外，本发明的任务是提出用于容纳至少一个中空纤维束的对应的物质传输装置，以及用于制造这种中空纤维束的方法。根据本发明，该任务由如权利要求1和权利要求4所述的用于容纳在物质传输装置中的中空纤维束解决。此外，所述任务由如权利要求16所述的物质传输装置以及如权利要求17所述的用于制造用于容纳在物质传输装置中的中空纤维束的方法解决。具体地，所述任务由一种用于容纳在物质传输装置中的中空纤维束解决，其特征在于，所述中空纤维束包括用于物质传输和/或热传输的多个中空纤维股，所述多个中空纤维股至少局部地基本沿着优先方向排列，相对于彼此沿其局部优先方向布置，使得至少一个第一组中空纤维股基本沿第一优先方向指向，至少一个第二组中空纤维股基本沿第二优先方向指向，以及至少一个第三组中空纤维股基本沿第三优先方向，其中，所述三个优先方向彼此独立。此外，所述任务通过一种用于容纳在物质传输装置中的中空纤维束解决，其中，所述中空纤维束包括用于物质传输或物质和热传输的至少一个中空纤维股，所述至少一个中空纤维股包括彼此交织的多根中空纤维。此外，所述任务通过一种用于容纳至少一个中空纤维束的物质传输装置解决，其中，至少一个中空纤维束根据本发明的中空纤维束实现。另外，所述任务通过一种用于制造用于容纳在物质传输装置中的中空纤维束的方法解决，所述方法包括如下步骤设置用于物质传输或物质和热传输的至少多根中空纤维； 以及通过交织将至少多根所述中空纤维布置在至少一个中空纤维股中。本发明的主要构想是提供在中空纤维束中的多个中空纤维股，其中，不同的中空纤维股具有在空间中的不同的优先方向，使得三维结构被形成。根据本发明所述的中空纤维股能够是单根中空纤维以及多根中空纤维。在单根中空纤维的情形下，中空纤维股的优先方向由中空纤维的纵向延伸部限定，而且在具有多根中空纤维的中空纤维股的情形下， 通过股的基本平均的纵向延伸方向限定。因此，中空纤维总是互连的，使得优先方向能够被限定。由于各单独的中空纤维以及在中空纤维束中的中空纤维股能够附加地具有弯曲， 所以中空纤维股的特征在于一种三维结构，该三维结构至少局部地包括中空纤维或中空纤维股，这些中空纤维或中空纤维股具有三个相互独立的空间方向。各单独的优先方向的独立性应当主要在数学意义上进行理解，使得三维结构由具有独立的优先方向的三根中空纤维(或中空纤维股)形成。此处并且在下面，一个独立的优先方向将等同于一个不同的优先方向。中空纤维束中的中空纤维股的三维布置由此可能一方面允许实现空间的最佳使用，而在另一方面获得一种几何形状的中空纤维基架，其调节流经中空纤维壁的外表面的相的动态流动。由此，例如在充氧器中，对于血液相特别重要的是，至少在一些区域中实现适当的湍流流动，从而一方面在统计上改进与中空纤维壁的表面接触，并且在另一方面也发生血液相的适当的充分混合。具体地，在从现有领域中已知的中空纤维毡(其在大多数情形下仅局部地限定二维结构，或仅具有两个优先方向的结构)，血液相中的湍流发展的程度常常很低。
本发明的另外的主要构想是还通过交织若干中空纤维而获得一种中空纤维股，从而一方面实现自动稳定的结构，并且在另一方面，所述结构具有一种表面形貌，该表面形貌由于彼此网织(交织)的单根中空纤维而又局部地实现经过中空纤维股的表面的相的湍流流动的改进。此外，由多根中空纤维制成的各单独的中空纤维股显示出特别适于通过以模块化构造的方式连接(或捆束)而获得更大的中空纤维束。在前述以及在下文中，单根中空纤维交织到一起应当理解为单根中空纤维彼此网织。但是，在该情形下网织执行为使得编织的中空纤维生成稳定结构以防止各单独的中空纤维本身与所述结构解联。此外，应当指出的是，单独的中空纤维的交织包括没有引导为彼此成直角的至少两根中空纤维。由此，交织基本不同于其中中空纤维基本位于以交叉方式缠绕的两组中空纤维中的织合(interweaving)或交叉(intercrossing)。由此，还能够理解的是，由于彼此相对于单个中空纤维股(或中空纤维)的布置的较低的限制，交织能够实现中空纤维束的更重要的图谱。在一个优选实施例中，中空纤维束的特征在于，中空纤维股中的至少一个包括多根中空纤维。当与单根中空纤维比较时，由多根中空纤维制成的中空纤维股的机械稳定性被改进，因此这也将导致作为整体的整个中空纤维束的机械稳定性的改进。具体地，该改进表现为当多根中空纤维彼此固定以防止单根中空纤维相对于彼此偏移。例如能够通过借助于保持元件或保持纤维的适当交联，或者另外仅通过彼此胶粘来现这种锚定。替代保持元件或保持纤维，所述锚定还能够通过另外地横向延伸的中空纤维实现。本发明的一个另外发展的实施例提供了用于至少一个中空纤维股的待交织的多根中空纤维。由于交织，中空纤维的表面相对于彼此排列，相应地中空纤维缠绕，使得在中空纤维股中的各单独的中空纤维的滑移或偏移是不可能的或者仅为减小的程度。这由此导致更机械稳定的结构(当与单根中空纤维比较时)。另外，中空纤维股的整个表面能够通过适当地交织各单独的中空纤维而被调节，以有利地影响与中空纤维的表面相接触的相的流动。在一个另外的实施例中，中空纤维束包括用于物质传输或物质和热传输的至少一个中空纤维股，所述至少一个中空纤维股本身还优选地包括彼此交织的多根中空纤维。在物质和热传输的情形下，至少一根中空纤维被设置用于物质传输并且至少一根中空纤维被设置用于热传输。在根据本发明的中空纤维束的一个另外的实施例中，中空纤维的交织实现为使得所述中空纤维使彼此稳定。由此，导致对于中空纤维束的更稳定结构，甚至当至少三组中空纤维股沿至少局部不同的优先方向交织时也如此。交织由此允许使用合适的编织技术使中空纤维束形成为整体。中空纤维束的机械稳定主要在以下情形显得必要在使用物质传输装置时，与中空纤维的外表面相接触的相在该外表面上施加流动压力。根据本实施例，由于中空纤维的交织而导致的稳定性足以能够抵抗这种流动压力而基本不会改变中空纤维束的结构。在一个另外的优选实施例中，中空纤维束的至少一个中空纤维股在所述中空纤维束内交连，所述中空纤维束具有至少一个另外的中空纤维股，所述至少一个另外的中空纤维股用于物质传输或物质和热传输，并包括交织到一起的多根中空纤维。所述中空纤维束由此能够由多个中空纤维股形成，所述多个中空纤维股又由多根中空纤维形成。单独的中空纤维股的交连能够通过合适的装置比如连接纤维或环圈或连接元件实现。此外，能够借助于胶粘或另外通过交织的连接。在根据本发明的中空纤维束的一个另外的实施例中，中空纤维股包括沿两个相互独立的优先方向指向的两组中空纤维股。在该情形下，每个中空纤维股可以还包括交织到一起的多根单一的中空纤维。由此，布置具有不同优先方向的单独的中空纤维束又容许特别有利的、相对柔性构成的中空纤维束的三维结构。在一个另外的实施例中，中空纤维束正好包括三组中空纤维股，每组沿一个优先方向指向，所述一个优先方向独立于其他优先方向。这又容许根据比如物质传输装置的壳体的给定尺寸而特别优选地形成合适的中空纤维束。在一个另外发展的实施例中，正好三个优先方向基本布置为彼此垂直。相对于彼此的垂直布置容许形成中空纤维束的特别稳定的结构，这是由于在中空纤维束内发生的流动力能够基本等同地分散在全部三个空间方向上。准确地，在其中在至少一些区域中向相中的一个设定湍流流动的中空纤维束的情形下，适当的力传递由此能够沿全部空间方向发生。此外，一个实施例设置待交织的第一组中空纤维股，第二组中空纤维股、以及第三组中空纤维股。借助于交织的连接一方面能较简单地实现，另一方面导致稳定的中空纤维束的结构。在一个另外的发展中，第一组中空纤维股、第二组中空纤维股和第三组中空纤维股的交织实现为使得由此生成能够承受机械负载的自支承结构。该结构的负载承受能力至少足够抵抗在中空纤维束内发生的流动压力。根据本发明的一个另外的实施例，交织形成相对于中空纤维股的规则结构。规则结构对于与中空纤维的外表面相接触的相的均与的充分混合而言是特别重要的。不同的物质传输效率、或干扰流或不工作流动或不工作体积由此能够被大量地避免或者甚至在区域中被完全阻止。优选地，当需要时，所述规则结构具有甚至能够与物质传输装置的壳体的形状的对称性相对应的对称性。根据本发明的中空纤维束的一个另外的实施例，第一组中空纤维股和第二组中空纤维股设置用于物质传输，而第三组中空纤维股设置用于热交换。由此，在纤维束内的温度梯度能够甚至局部地被较良好地均衡。特别是对于需要确保在中空纤维束内的高恒定的热水平的物质传输装置(例如，在充氧器中)，热量能够被引入到中空纤维束的基本整个体积内或被排出该体积。因此，对于与中空纤维的外表面相接触的相而言，能够确保在中空纤维束的整个体积上具有大致恒定的温度。通过经由对应的热排放(或热传递)来改变该温度， 也能够适当地调节中空纤维束内的物质传输速率。根据本发明的中空纤维束的一个实施例还设有第一组中空纤维股和第二组中空纤维股以形成基本沿着第三组中空纤维股的优先方向的一个沟槽或多个沟槽。借助于所述沟槽，能够实现对与中空纤维的外表面相接触的相的适当的流动调节。由此，能够以靶定的方式再次影响整个物质传输的速率。在根据本发明的中空纤维束的另一实施例中，至少一个中空纤维股的中空纤维至少位于由一个或多个穿孔盘的孔设定的区域中。通过所述孔，中空纤维能够具体地在终端部处与流体供给系统容易地相连，其中，所述终端部机械地固定在所述穿孔盘的区域中。在该情形下，所述穿孔盘适于接收单根中空纤维、相应地若干中空纤维的中空纤维束。本发明的另外的实施例将从从属权利要求中获得。
在下面将基于借助于附图更详细解释的示例性实施例描述本发明。所示的是图1 根据本发明的中空纤维束的一个实施例的示意截面图；图2 根据本发明的中空纤维束的一个另外的实施例的示意截面图；图3 根据本发明的另外的实施例的呈六边形形式的中空纤维束的布置的示意绘图；图4 如在图3中指示的实施例的中空纤维束的纵向分布S1和孔隙度ε的数学表示；图5 根据本发明的包括三根中空纤维的中空纤维股的实施例的示例绘图；图6 根据本发明的中空纤维股的另外的实施例的示例绘图；图7 根据本发明的中空纤维股的另外的实施例的示例绘图；图8 根据本发明的一个实施例的用于容纳中空纤维束的物质传输装置的一个实施例的横截面图。
具体实施例方式在下面的描述中，相同的附图标记用于相同的部件或具有相同效果的部件。图1示出了根据本发明的中空纤维束1的第一实施例的示意截面图，其包括总共三组不同的中空纤维股10a、10b和10c，这些中空纤维股的相应的优先方向V1、V2和V3彼此独立。优先方向具体地布置为使得第一组中空纤维股IOa具有优先方向VI，第二组中空纤维股IOb具有优先方向V2，而第三组中空纤维股IOc具有优先方向V3。为了更清楚地描绘，图示了仅仅两个中空纤维股IOa(其中的每一个由两根中空纤维11形成)以及仅仅两个中空纤维股IOb(其中的每一个类似地由两根中空纤维11形成)。两个中空纤维股IOa 由此各布置在一个平面中，而两个中空纤维股IOb位于直接在前述一个平面的上面的平面中。在该情形下，平面没有进一步由附图标记指定，但是能够基于几何表达方式而容易地识另O。第一组中空纤维股IOa的优先方向Vl以及第二组中空纤维股IOb的优先方向V2在该情形下设置为彼此垂直。每个中空纤维股10a(相应地IOb)的两根中空纤维11通过网织与第三组中空纤维股IOc中的中空纤维股IOc交织。为了更好地识别，第一和第二组中空纤维股IOa和IOb在示图中显示为比第三组中空纤维股IOc的中空纤维11细。但是，三组中空纤维股10a、10b和IOc的所有中空纤维11在此能够具有相同的外径。在截面图中，第三组中空纤维股IOc在中空纤维束1的边缘侧处在各情形下都包括三根中空纤维11，这三根中空纤维在图1中图示的横截面中布置为相对于彼此的三角形构型。根据图1中的截面图，布置在中空纤维束1的内侧的另外的中空纤维股IOc仅仅包括一根中空纤维11 ；并且根据图示截面图，这些另外的中空纤维股沿边缘侧的中空纤维股 IOc中的一个的延伸部布置，使得这些中空纤维股在纸平面中以相对于彼此线性布置的方式排列。由此，指定的内部中空纤维股IOc布置为使得在各情形下均包括一根中空纤维11 的三个中空纤维股IOc在各情形下均布置在每个都包括三根中空纤维11的两个中空纤维股IOc之间。由此，能够通过与基本布置为彼此平行的单根中空纤维股IOc的网织而使布置为垂直于优先方向V3的平面中的中空纤维11交织。为了交织例如第一组中空纤维股IOa 的一根中空纤维11，一根中空纤维由此被引导在中空纤维束1的布置在侧面的中空纤维股 IOc的两根中空纤维11之间，以便随后绕中空纤维束1的以上指出的中空纤维股IOc (其位于更内侧)弯曲前行，并且由此与该中空纤维股IOc交织。本示图表明了根据本发明的中空纤维束1的第一可能实施例的示意图，但是仅仅绘出了中空纤维股IOa和IOb的两个平面。为了更好地理解，如图1中的示图另外具有多根辅助线，这些辅助线容许更好地识别单根中空纤维股IOc相对于彼此的相对布置。但是， 根据本发明的实施例，仅相互不同的三个组的中空纤维股10a、10b和IOc形成中空纤维束的物理部分。本领域的技术人员理解，任意数目的中空纤维股IOa和IOb的平面能够通过与单独的中空纤维股IOc的网织而沿着优先方向V3以交替的方式布置。因此，例如可以形成立方体或长方体的中空纤维束1，其沿着优先方向V3的延伸部由中空纤维股IOc的纵向延伸部限定。中空纤维股IOa与中空纤维股IOc的交织(相应地中空纤维股IOb与中空纤维股IOc的交织)以及这些布置沿着优先方向V3的交替顺序产生机械稳定的中空纤维束
Io优选地，中空纤维股IOc还设置用于在中空纤维束1中的热交换，而中空纤维股 IOa和IOb的组中的两个中空纤维股设置用于物质传输。在充氧器中使用中空纤维束1的情形，第一和第二组中空纤维股IOa和IOb将由此被灌注氧气，以在血液相中(本示图中未示出)交换氧气。此外，CO2交换也将在血液相与在中空纤维11中流动的气相之间发生。 与之不同，第三组中空纤维股IOc能够被灌注热交换流体，这确保在中空纤维束1内的基本均勻的热分布。根据该实施例，中空纤维股IOc的中空纤维11能够实现为相似于(或不同于)两组中空纤维股IOa和10b。具体地，应当注意的是，单独的中空纤维11能够具有 200 μ m至280 μ m的典型内径和300 μ m至380 μ m的典型外径。为了使各单独的组中空纤维股10a、10b和IOc填满相应的流体，这些中空纤维股能够通过例如连接件经受适当的流体压力，这些中空纤维股被胶粘或密封在所述连接件中。因此，也能够有针对性地在各单独的组中空纤维股10a、IOb和IOc中设定限定的流体流动。与图1对比，图2以截面图示出了根据本发明的中空纤维束1的另外可能的实施例。在该情形下，第三组中空纤维股的各单独的中空纤维股IOc (每个包括一根中空纤维 11)形成编织点，以便中空纤维11在沿着优先方向V3的截面中与第一组中空纤维股IOa的中空纤维11和第二组中空纤维股IOb的中空纤维11进行网织。编织点主要限定在形成中空纤维股IOa或IOb的两根中空纤维11交叉点(本截面图中图示)。与之不同，在图1中示出的实施例的各自由一根中空纤维11形成的中空纤维股IOc不需要具有编织点。相反， 一组中空纤维股IOc的三根中空纤维11中的仅仅两根构成编织点。取决于编织的方式，能够形成中空纤维束1的密度更大的、相应更强的编织结构。具体地，不同的编织方式容许设定对于中空纤维束11的不同的孔隙度，该孔隙度源自于中空纤维束1中的自由体积与中空纤维束1的总体积的关系。图3示出了抽象化的中空纤维束1(本示图中未示出)的示意横截面图，该中空纤维束被设置用于容纳在物质传输装置2 (本示图中未示出)的六角形壳体中。在该情形下，
10图3中图示的横截面图类似于图1和图2中图示的横截面图。但是，图3中没有绘出第一和第二组中空纤维股IOa和10b。第三组中空纤维股IOc仅通过包括三根中空纤维11的一个中空纤维股IOc示意性地示出。在本情形下实现为六边形的壳体形状由壳体3的周缘线表不。根据本实施例，图示的中空纤维股IOc的三根中空纤维11的布置能够就倾斜角度 β进行优化，以利用具有期望的几何形状和孔隙度的各单独的中空纤维11的交织构成中空纤维束1。角度β在该情形下由一连接线与图示的正方形基准图案的理想侧面边界线之间的角度限定，该连接线穿过位于最靠近所述边界线的中空纤维股IOc的两根中空纤维11 的各自的中点。由此，具有预定孔隙度的中空纤维束1能够作为三根中空纤维11相对于彼此的布置的函数；即也作为图示的角度β的函数而生成。孔隙度还能够作为中空纤维11 的横向分布 和纵向分部S1的函数而实现。此处，纵向分布S1定义为两根中空纤维之间沿轴向方向(沿着中空纤维11的纵向延伸部)的间距。横向分布s,由两根中空纤维11之间沿径向方向(垂直于中空纤维11的纵向延伸部)的间距产生。在一方面，计算合适的角度β允许当在物质传输装置2中使用中空纤维束时确定壁效应以及围绕由中空纤维束1包括的中空纤维循环的流量的大小。在该情形下，又能够理解的是，中空纤维能够设置为用于不同目的(物质传输、热传输)的组。从图4中能够注意到，用于图3中图示的构型的纵向分布S1和孔隙度ε作为角度 β的函数的一个示例性计算。这里，横向分布S,的参数设定为150μπι，而一根中空纤维11 的外径da设置为380 μ m。图示的计算使得清楚的是，随着角度β的增大，中空纤维束1的纵向分布S1以及孔隙度ε将增大。根据这两个图示的曲线，现在能够设定用于预定的物质传输装置2的合适的纵向分布S1以及合适的孔隙度ε。由此，应当再次指出，孔隙度ε 源自于中空纤维束1的自由体积与中空纤维束1的总体积之间的关系。合适的布置，特别是中空纤维11在物质传输装置2内的倾斜布置能够确保冷凝水 (其通常在流过物质传输装置2的气相中形成)滴落。由此，将不存在阻塞或所不期望形成的池。一个中空纤维束1内的各单独的中空纤维11的适当交织(相应地，各单独的中空纤维股10a、10b或IOc)允许不但设定不同的安装几何形状而且设定不同的孔隙度。当中空纤维束1形成为用于容纳在人造器官(混合器官)比如人造肝脏中时，该特性示出为特别显著。图5示出了根据本发明的中空纤维股IOa的一个可能实施例，其包括三根单独的中空纤维11。三根中空纤维11的适当交织能够形成中空纤维股10a，该中空纤维股在与各单独的中空纤维11比较时具有改进的机械稳定性。另外，绘出的中空纤维股IOa具有特征表面形貌，其能够在流动动力学上适当地调节与各单独的中空纤维11的表面相接触的相的流动。由此，特别是在充氧器中，期望形成局部的湍流以增大各单独的血液成分与各单独的中空纤维11的表面的统计上的接触可能性。与图5对比，图6示出了各单独的中空纤维11的替代交织，但是其中，两个不同组的垂直的中空纤维股IOa和IOc在图6中设置为一个在另一个的上面。在该情形下，既能使中空纤维股IOa的各单独的中空纤维11的交织在清楚限定的平面中进行，也能使各单独的中空纤维11不在能够清楚地限定的平面中延伸。该实施例例如在图7中图示，其中仅仅
11垂直于纸平面延伸的中空纤维11位于能够清楚地限定的平面中，而与该中空纤维11网织的中空纤维股IOa的中空纤维11则不在能够清楚地限定的平面中。取决于需求，适当地捆束到中空纤维束1中能够通过各单独的中空纤维11(或中空纤维股10a、IOb和IOc)的适当地交织而实现。由此，图5至图7中图示的中空纤维股 10a(相应地IOc)通常被理解为通过布置多个相似结构而构成的更大中空纤维束1的子单元。此外，对于本领域的技术人员清楚的是，能够应用任意其他形式的交织，特别是当使用任意数量的中空纤维时。图8示出了根据本发明的物质传输装置2的一个实施例的横截面图，其中容纳有本发明的中空纤维束1的一个实施例。这里，仅示意性地示出了中空纤维束1。具体地，在示图中中空纤维束1具有仅仅一个第一组中空纤维股IOa和一个第三组中空纤维股10c。 第二组中空纤维股IOb能够布置在垂直于纸平面的优先方向V2上。中空纤维束1的中空纤维11经由合适的连接件连接至物质传输装置2的必要的入口(或出口)上。具体地，物质传输装置2包括用于传输介质的入口 41 (在充氧器的情形下为血液入口 41)，经由该入口 41，传输介质垂直于第一组中空纤维股IOa的优先方向Vl 且垂直于第二组中空纤维股IOb的优先方向V2流动到物质传输装置2内。在已经流过物质传输装置2之后，传输介质经由出口 42 (在充氧器的情形下为血液出口 4 排放。为了向第一组中空纤维股IOa供应合适的传输相，设置气体入口 43 (在充氧器的情形下为O2入口 43)通过该入口 43，氧气能够流入中空纤维股IOa内，并且在已经完成物质传输且沿着优先方向Vl穿过物质传输装置2之后，通过气体出口 44(在充氧器的情形下为AAD2出口 44) 再次从物质传输装置2中排放。能够设置另外的入口及相应的出口。具体地，能够设置任意数目的入口和出口以供给沿优先方向V2布置的第二组中空纤维股10b。另外，本物质传输装置2还具有设置用于热传输(或热调节)的第三组中空纤维股10c。由此，中空纤维股IOc配备有适当的连接部，经由该连接部，热介质能够被引入或排出。因此，本实施例具有用于热介质的入口 45以及用于热介质的出口 46。此时应当强调的是，以上描述的所有部件、特别是在附图中图示的细节，无论以单独的或以任意组合的方式采用，都被认为对本发明是重要的。本领域的技术人员将熟悉其变型。附图标记1中空纤维束2物质传输装置3壳体IOa 中空纤维股IOb 中空纤维股IOc 中空纤维股11 中空纤维20 沟槽41 传输介质的入口 /血液入口42 传输介质的出口 /血液出口43 传输相的入口 /O2入口
44传输相的出口 /02/0)2出口45热介质的入口46热介质的出口Vl优先方向V2优先方向V3优先方向β倾斜角度ε孔隙度S1纵向分布Sq横向分布da夕卜径
权利要求
1.一种用于容纳在物质传输装置中的中空纤维束，其特征在于，所述中空纤维束(1)包括用于物质传输和/或热传输的多个中空纤维股(10a、10b、 10c)，所述多个中空纤维股至少局部地基本沿着优先方向排列，相对于彼此沿其局部优先方向(VI、V2、V3)布置，使得至少一个第一组中空纤维股(IOa)基本沿第一优先方向(Vl) 指向，至少一个第二组中空纤维股(IOb)基本沿第二优先方向(V2)指向，以及至少一个第三组中空纤维股(IOc)基本沿第三优先方向(V； )指向，其中，所述三个优先方向(VI、V2、 V3)彼此独立。
2.根据权利要求1所述的中空纤维束，其特征在于，所述中空纤维股(10a、10b、10C)中的至少一个包括多根中空纤维(11)。
3.根据权利要求2所述的中空纤维束，其特征在于，所述至少一个中空纤维股(10a、10b、10C)的所述多根中空纤维(11)交织到一起。
4.一种用于容纳在物质传输装置中的中空纤维束，其特征在于，一个中空纤维束(1)包括用于物质传输或物质和热传输的至少一个中空纤维股 (IOa)，所述至少一个中空纤维股继而包括交织到一起的多根中空纤维(11)。
5.根据权利要求4所述的中空纤维束，其特征在于，所述中空纤维(11)的所述交织实现为使得所述中空纤维(11)相互稳固彼此。
6.根据权利要求4或5中任一项所述的中空纤维束，其特征在于，所述至少一个中空纤维股(IOa)与至少一个另外的中空纤维股(IOb)相关，在所述中空纤维束(1)内与交织到一起的多根中空纤维(11)相交连，以用于物质传输或物质和热传输。
7.根据前述权利要求4至6中任一项所述的中空纤维束，其特征在于，所述中空纤维束(1)包括沿两个相互独立的优先方向(V1、V2)指向的两组中空纤维股 (IOaUOb)。
8.根据前述权利要求中任一项所述的中空纤维束，其特征在于，所述中空纤维束包括各沿一个优先方向(V1、V2、V3)指向的正好三组中空纤维股 (10a、10b、10c)，所述优先方向(V1、V2、V3)的一个独立于其他优先方向(V1、V2、V3)。
9.根据权利要求8所述的中空纤维束，其特征在于，所述正好三个优先方向(V1、V2、V3)布置为彼此基本垂直。
10.根据前述权利要求中任一项所述的中空纤维束，其特征在于，所述第一组中空纤维股(10a)、所述第二组中空纤维股(IOb)以及所述第三组中空纤维股(IOc)彼此交织。
11.根据权利要求10所述的中空纤维束，其特征在于，所述第一组中空纤维股(10a)、所述第二组中空纤维股(IOb)以及所述第三组中空纤维股(IOc)的所述交织实现为使得由此生成能够承受机械负载的自支承结构。
12.根据前述权利要求3至11中任一项所述的中空纤维束，其特征在于，所述交织形成相对于所述中空纤维股(10a、10b、10c)的规则结构。
13.根据前述权利要求1至12中任一项所述的中空纤维束，其特征在于，所述第一组中空纤维股(IOa)和所述第二组中空纤维股(IOb)被设置用于物质传输， 而所述第三组中空纤维股(IOc)被设置用于热传输。
14.根据前述权利要求中任一项所述的中空纤维束，其特征在于，所述第一组中空纤维股(IOa)和所述第二组中空纤维股(IOb)形成基本沿着所述第三组中空纤维股(IOc)的优先方向的一个沟槽或多个沟槽00)。
15.根据前述权利要求中任一项所述的中空纤维束，其特征在于，至少一个中空纤维股(I0a、10b、10c)的所述中空纤维(11)至少定位在一个或多个穿孔盘(31)的孔区域中。
16.一种用于容纳至少一个中空纤维束的物质传输装置，其特征在于， 至少一个中空纤维束(1)根据前述权利要求中任一项形成。
17.一种用于制造用于容纳在物质传输装置(2)中的中空纤维束(1)的方法，其特征在于以下步骤-设置用于物质传输或物质和热传输的至少一组多根中空纤维(11)； -通过交织将至少一组多根所述中空纤维(11)布置在至少一个中空纤维股(10a、10b、 10c)中。
全文摘要
本发明涉及一种用于容纳在物质传输装置中的中空纤维束(1)，所述中空纤维束包括用于热传输和/或物质传输的多个中空纤维股(10a、10b、10c)，所述多个中空纤维股(10a、10b、10c)至少局部地基本沿着优先方向排列并且相对于彼此关于它们的局部优先方向布置，使得至少一个第一组中空纤维股基本沿第一优先方向(V1)指向、至少一个第二组中空纤维股基本沿第二优先方向(V2)指向、以及至少一个第三组中空纤维股基本沿第三优先方向(V3)指向，所述三个优先方向彼此独立。
文档编号B01D63/02GK102470322SQ201080036284
公开日2012年5月23日 申请日期2010年8月17日 优先权日2009年8月24日
发明者A·卡舍菲 申请人:第三专利投资有限两合公司