ITTO940368A1 - Struttura di scambio, ad esempio per dispositivi biomedicali. - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE dell'invenzione industriale dal titolo:
"Struttura di scambio, ad esempio per dispositivi biomedicali".
TESTO DELLA DESCRIZIONE
Campo dell'invenzione
L'invenzione si riferisce alle strutture di scambio e riguarda in particolare una struttura di scambio secondo il preambolo della rivendicazione 1.L'invenzione è stata sviluppata con particolare attenzione al possibile impiego, ad esempio, nell'ambito di dispositivi biomedicali.
In tale contesto sono correntemente utilizzate tanto strutture di scambio di massa (quali quelle presenti nei dispositivi per l'ossigenazione del sangue o per la purificazione del sangue), quanto strutture di scambio di calore (ad esempio per la realizzazione di scambiatori di calore utilizzabili nell'ambito di ossigenatori del sangue). Strutture sostanzialmente analoghe possono essere utilizzate in ambito industriale per scopi diversi, ad esempio per lo svolgimento di procedimenti di depurazione basati su un meccanismo di osmosi inversa.
Caratteristica pressoché comune di tutte queste strutture é quella di prevedere la disposizione o il flusso almeno di due mezzi (di solito fluidi) in posizione almeno localmente affacciata così da produrre, secondo meccanismi diversi, uno scambio - di solito di massa e/o di calore - fra tali due mezzi. Descrizione della tecnica nota
Per le strutture di scambio o trasferimento eli massa quali gli ossigenatari del sangue (va comunque precisato che l'invenzione non è da intendersi in alcun modo limitata a questo specifico contesto di applicazione), sono stati proposti ed utilizzati nella tecnica almeno quattro diversi tipi di configurazione, vale a dire:
gli ossigenatori a bolle (vedere ad esempio US-A-3915650 e US-A-4428934),
gli ossigenatori a film (vedere ad esempio US-A-3070092 e la descrizione contenuta nella parte introduttiva di U5-A-5 244 930),
gli ossigenatori a membrana piana (vedere ad esempio US-A-4 698 207), e
gli ossigenatori a fibre cave (vedere ad esempio EP-A-0292 445).
Gli ossigenatori a film o a bolle presentano numerosi elementi di criticità di funzionamento, quale - ad esempio - il problema di eliminare le bolle di gas residue nel sangue ossigenato prima che esso venga ri-immesso nel sangue del paziente .
Gli ossigenatoci a membrana pongono problemi realizzativi soprattutto per quanto riguarda l'orientamento delle membrane, ohe dev'essere quanto più possibile conservato durante il funzionamento; questa esigenza impone il ricorso a strutture meccaniche di sostegno piuttosto complesse.
Gli ossigenatoci a fibre cave risolvono molti dei problemi insiti nelle altre strutture. Essi presentano tuttavia l'inconveniente di andare soggetti, durante il funzionamento, a fenomeni di accumulo e condensazione di vapore d'acqua e di materiali organici (tipicamente proteine) che ne peggiorano gradualmente l'efficacia di funzionamento. Ciò soprattutto in quanto ilmateriale delle fibre, originariamente idrofobo, tende a divenire gradualmente idrofilo. In generale, poi, affinché possano essere autosostentanti, senza rischi di collabimento o di rottura per effetto del gradiente di pressione applicato durante il funzionamento, le fibre devono presentare uno spessorédi parete (tipicamente dell'ordine di 25-50 micron nel caso di fibre microporose per ossigenazione)tale da non potersi considerare ottimale ai fini del meccanismo di scambia, che di solito viene esaltato e reso più agevole da spessori di parete più ridotti.
Considerazioni nel complesso analoghe a quelle fatte in precedenza si pongono anche per le altre strutture di scambio menzionate all'inizio, ad esempio i dispositivi di depurazione del sangue (operanti seconda principi diversi quali dialisi, emofil trazione,emodiafiltrazione,etc.)e/o per gli scambiatori di calore™
Scopi e sintesi dell'invenzione
L'invenzione si prefigge pertanto lo scopo di Fornire una struttura di scambio che, richiamandosi nei suoi tratti essenziali alla tradizionale struttura di scambio a fibre cave, ne superi in modo radicale gli inconvenienti, in particolare quelli messi in luce in precedenza.
Secondo la presente invenzione, tale scopo viene raggiunto grazie ad una struttura, di scambio avente le caratteristiche richiamate in modo specifico nelle rivendicazioni che seguono. Descrizione particolareggiata dell'invenzione
L'invenzione verrà ora descritta, a puro titolo di esempio non limitativo, con riferimento ai disegni annessi, nei quali:
la figura 1 è una vista in prospettiva di un tratto di struttura di scambia realizzata seconda una prima possibile forma di attuazione dell'invenzione,
La figura 2 rappresenta una sezione trasversale della struttura della figura 1,
la figura 3 rappresenta un tratto di una struttura di scambio secondo un'altra possibile forma di attuazione dell'invenzione,
la figura 4 è una sezione trasversale della struttura di scambio seconda la figura 3,
le figure 5 e 6 illustrano due ulteriori possibili forme di attuazione di un tratto di una struttura di scambio secondo l'invenzione, e
la figura 7 è una sezione trasversale complessivamente comune ad entrambe le forme di attuazione della figura 5 e della figura 6-Come già si è detto in precedenza, la struttura di scambio secondo l'invenzione è in una certa misura affine alle strutture a fibre, nel senso che essa si presta ad essere realizzata sotto forma di un corpo filiforme di forma allungata e lunghezza indefinita di cui nelle figure 1, 3, 5 e 6 è rappresentato un tratto qualsiasi, mentre nelle figure 3, 4 e 7 è rappresentata una sezione presa in un qualsiasipiano diametrale (la posizione longitudinale in cui tale sezione è presa varia soltanto il possibile orientamento dei vari elementi considerati).
Una struttura di scambio secondo l'invenzione, indicata complessivamente con 1, si compone essenzialmente di due elementi,entrambi di lunghezza indefinita e quindisuscettibili di essere tagliati nella lunghezza desiderata ovvero avvolti secondo modalità del tutto analoghe a quelle utilizzate per le fibre, vale a dire:
un'armatura 2, 2', 2'', 2''', che definisce il generale sviluppo longitudinale della struttura di scambio 1, e
una guaina o tunica dallo sviluppo complessivamente tubolare (anche se questa configurazione non è di per sé imperativa) che avvolge in modo più o meno lasca l'armatura 2, 2', 2'' e 2''', ad esempio essendo calzata sull'armatura stessa.
La guaina 3 definisce pertanto una superficie di scambio fra almeno un primo mezzo, suscettibile di fluire nello spazio definito fra la superficie interna della guaina 3 e la superficie esterna dell'armatura 2, 2', 2'' e 2''', ed almeno un secondo mezzo, che nell'impiego lambisce la superficie esterna della guaina 3 secondo un meccanismo nel complessa affine a quello che regola il funzionamento delle strutture di scambio a fibre cave o a tubi.
Nella forma d:i.attuazione delle figure 1 e 2, l'armatura 2 è formata da due elementi filiformi o fibre (qui esemplificate sotto forma di fibre piene) di preferenza avvolte, almeno localmente, secondo un generale sviluppo elicoidale.
Una soluzione sostanzialmente analoga è adottata per l'armatura 2' della forma di attuazione delle figure 3 e 4, in cui sono presenti tre elementi filiformi 4 (anche qui rappresentati sotto forma di fibre piene), di preferenza accoppiati secondo una generale disposizione a trefolo, dunque così da avere, anche in questo caso, un generale sviluppo elicoidale.
Nella forma di attuazione delle figure 5 e 6, l'armatura è rappresentata da un corpo profilato 2'' o 2''' con sezione trasversale complessivamente lobata,ad esempio con quattro lobi complessivamente identici fra loro ed angolarmente equidistanziati di 90° intorno all'asse longitudinale dell'armatura stessa.
La differenza fra la forma di attuazione della figura 5 e la forma di attuazione della figura 6 risiede nel fatto che mentre l'armatura 2'' della figura 5 ha un andamento complessivamente rettilineo, l'armatura 2''' della figura 6 è, per così dire, ritorta lungo il suo asse, per cui i lobi 5 presentano uno sviluppo complessivamente elicoidale.
In relazione alla forma di attuazione illustrata nelle figure 1, 3 e 6 va precisato che, in tali figure, l'andamento elicoidale dell'armatura 2, 2', 2'', 2''' è stato Enfatizzato (per motivi di chiarezza di illustrazione del principio) rispetto alle situazioni reali al momento considerate come preferenziali.
Caratteristica comune a tutte le forme di attuazione illustrate è data dal fatto che la guaina 3 è avvolta intorno all'armatura 2, 2'', 2''' in modo da lasciare spazi di separazione 6 fra l'armatura e la faccia interna della guaina 3. Questi spazi di separazione definiscono, nell'ambito della struttura di scambio 1, canali longitudinali di flusso per uno dei mezzi che, nell'impiego della struttura, realizzano lo scambio (di massa o di calore). Ad esempio, nel caso di un dispositivo assigenatore del sangue, di un emofiltro o di un emodializzatore, gli spazi 6 definiscono i canali di flusso dell'ossigeno, dell'emofiltrato a della soluzione di dialisi, mentre il sangue che viene ossigenato o depurato lambisce esternamente la guaina 3.
Nelle forme di attuazione di cui alle figure I a 4, gli spazi 6 presentano una generale sezione a V con rami laterali arrotondati (definiti dalla superficie esterna delle fibre 4). A questi si aggiunge, nella soluzione di cui alle figure 3 e 4, uno spazio o canale centrale 6' di forma approssimativamente triangolare. Non essendo esposto alla guaina 3 e non potendo pertanto essere utilizzato per attuare il meccanismo di scambio, tale spazio centrale 6 ' può essere otturato ovvero utilizzato per altri fini (ad esempio per il passaggio di un filo di guida).
Va da sé che la soluzione descritta nelle figure 1 a 4 si presta ad essere estrapolata per la realizzazione di ulteriori varianti dell'invenzione (qui non illustrate) in cui l'armatura è formata in generale da un trefolo o treccia di quattro o più elementi filiformi o fibre 4.
La generale disposizione avvolta di tale pluralità di fibre 4 permette di far sì che la superficie esterna della guaina 3 presenti anch'essa,se avvolta stretta o anche leggermente lasca sull'armatura 2 o 2', un generale andamento nervato con nervature elicoidali. Questa particolare conformazione risulta vantaggiosa in tutte le situazioni in cui, per lo svolgimento dell'azione di scambio, risulti utile promuovere una certa turbolenza del mezzo che lambisce la superficie esterna della struttura di scambio;ad esempio,nei casi citati in precedenza, il sangue che deve essere ossigenato o depurato.Una sostanziale analoga turbolenza,o quanto meno ηοπ-stagnazione,del mezzo che fluisce all'interno della struttura di scambio 1 è promossa dall'andamento genericamente mosso dei canali 6.
Guanto detto sopra vale in sostanza anche per le forme di attuazione di cui alle figure 5 a 7, soprattutto per la forma di attuazione di cui alla figura ó, in cui l'armatura 2''' presenta un generale sviluppo elicoidale.
Le varianti di attuazione di cui alle figure 5 a / presentano l'ulteriore vantaggio dato dalla possibilità di modificare selettivamente i.1 profilo delle superfici di raccordo, indicate con óa, fra i lobi 5. Le superfici óa definiscono, insieme alla superficie interna delle porzioni di guaina 3 ad esse affacciate, il profilo della sezione degli spazi o canali 6.
Così, ad esempio, mentre nel disegno della figura 7 sono state rappresentate superfici 6a dall'andamento genericamente arcuato, le stesse superfici potrebbero avere un andamento a L o a V, poligonale, mistilineo, ecc. Tutto ciò ferma restando la preferenza riconosciuta a profili tale da far sì che i lobi 5 presentino un andamento genericamente arrotondato nelle zone destinate ad entrare in contatto con la guaina 3 per sostenerla: spigoli troppo vivi potrebbero infatti indurre fenomeni di logoramento ed eventualmente di rottura della tunica 3 stessa.
Si apprezzerà altresì che, in tutte le forme di attuazione illustrate, è possibile conferire ai canali 6 un andamento tale ria determinare, nelle zone in cui il profilo dei lati 5 si approssimano alla guaina 3, la formazione di parti di spigolo con raggio estremamente ridotto. Tutto ciò al fine di produrre, nel caso di liquidi presenti o che fluiscono nei canali A, l'insorgere di fenomeni di capillarità tali da evitare la formazione di frammentazioni gas-liquido all'interno della struttura di scambio,secondo gli insegnamenti forniti in EP-A-0 521 430„
Per quanto riguarda la scelta dei materiali costituenti, la struttura secando l'invenzione dimostraun'estremaflessib.ilità, in funzione degli specifici possibili campi di applicazione.
Ad esempio, per la realizzazione di strutture di scambio di massa (ossigenatori, dializzatori,strutture per osmosi inversa, ecc.) è possibile ricorrere, per la guaina 3, a tutti i materiali tradizionalmente utilizzati la realizzazione di membrana o di fibre di scambio quali, ad esempio polimeri, polietilene,polipropilene,poliuretano,polisullone,silicone, materiali cellulosici, ecc., per arrivare, nel caso delle strutture per lo scambio di calore, all'impiego di materiali metallici ad es. con elevata conducibilità termica (rame, alluminio, acciaia, ecc.).
Π tutto con la possibilità di arrivare,per quanto riguarda lo spessore di parete della guaina 3, a valori estremamente ridotti, ad esempio dell'ordine di alcuni micron, che risultano ottimali per la maggior parte delle applicazioni sopra richiamate, e facendo ricorso a tecnologie consolidate (ad esempio estrusione, filatura, co-estrusione, ecc.) che non impongono oltretucto particolari limitazioni per quanto riguarda le dimensioni della struttura.Queste possono essere dunque scelte in specifica funzione delle esigenze di impiego, ad esempio per quanto riguarda la sezione complessiva dei canali 6. A titolo orientativo, strutture del tipo di quelle illustrate nelle figure annesse possono essere realizzate con dimensioni diametrali dell'ordine di 150-400 micron, il che fa agevolmente comprendere come, nelle figure, ed in particolare nelle sezioni delle figure 2, 4 e 7, lo spessore della guaina 3, costituente un corpo a parete sottile, sia rappresentato con dimensioni ampiamente maggiorate rispetto alle dimensioni relative reali per motivi di chiarezza d'illustrazione.
Quanto detto sopra vale in sostanza anche per quanto riguarda la realizzazione dell'armatura 2, 2', 2'', 2'''. Anche qui la scelta dei materiali è quanto mai ampia, potendosi andare dai tipi più diversi di polimeri ai materiali metallici (soprattutto quando si desideri conferire alla struttura una certa qual consistenza o rigidezza longitudinale,ad esempio per la realizzazione di dispositivi per cateterismi). Il tutto potendo ricorrere, in sede di realizzazione, a tecnologie realizzative note quali, tipicamente, l'estrusione, la coestrusione della guaina sull'armatura o la calzatura di guaine termoretraifaili, e/o (nel caso di strutture quali quelle illustrate nelle figure 1 e 3) a tecniche di trecciatura e di avvolgimento.
Naturalmente, fermo restando il principio dell'invenzione, i particolari di realizzazione e le forme di attuazione potranno essere ampiamente variati rispetto a quanto descritto ed illustrato, senza per questo uscire dall'ambito della presente invenzione.
Claims (11)
- RIVENDICAZIONI 1. Struttura di scambio (1) suscettibile, nell'impiego, di realizzare un rapporto di scambio fra almeno due mezzi in corrispondeoza di almeno una superficie di scambio, caratterizzata dal fatto che comprende: un'armatura (2, 2', 2'', 2''') di forma complessivamente allungata, e una guaina (3), definente detta superficie di scambio, che avvolge detta armatura (2, 2', 2'', 2''') così da definire, rispetto all'armatura (2, 2,' 2'', 2''') stessa, almeno un passaggio (6)per uno di detti due mezzi, l'altro di detti mezzi lambendo, nell'impiego, la superficie esterna di detta guaina (3).
- 2. Struttura di scambio secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che detta guaina (3) è di struttura complessivamente tubolare.
- 3. Struttura di scambio secondo la rivendicazione 1 o la rivendicazione 2, caratterizzata dal fatto che detta guaina (3) è costituita da un corpo a parete sottile.
- 4. Struttura di scambio secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, caratterizzata dal fatto che detta guaina (3) avvolge detta armatura (2, 2', 2'', 2''') in modo stretto.
- 5. Struttura di scambio secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni 1 a 3,caratterizzata dal fatto che detta gauina (3) avvolge detta armatura (2, 2', 2'', 2''') in modo lasco.
- 6. Struttura di scambio secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, caratterizzata dal fatto che detta armatura (2, 2 ' ) comprende una pluralità di elementi filiformi (4).
- 7. Struttura secondo la rivendicazione 6, caratterizzata dal fatto che detti elementi filiformi (4) sono disposti secondo una generale disposizione ad avvolgimento, per cui detta guaina <(>3) presenta un andamento esterno complessivamente nervato.
- 8. Struttura di scambio secondo la rivendicazione 6 o la rivendicazione 7, caratterizzata dal fatto che detti elementi filiformi (4)sono almeno localmente avvolti secondo un generale andamento elicoidale.
- 9. Struttura di scambio secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, caratterizzata dal fatto che detta armatura è' definita da un corpo profilato (2'', 2''') dal generale andamento lobato (5).
- 10. Struttura di scambio secondo la rivendicazione 9, caratterizzata dal fatto che detta armatura (2'', 2''') comprende una pluralità di lobi angolarmente equidistanziati fra loro.
- 11. Struttura di scambio secondo la rivendicazione 9 o la rivendicazione 10, caratterizzata dal fatto che detto corpo profilato presenta,almeno localmente,un andamento ritorto,per cui detti lobi (5) si sviluppano secondo un generale andamento elicoidale. 13. Struttura di scambio secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, caratterizzata dal fatto che detta armatura (2, 2', 2'', 2''') presenta, almeno nelle zone destinate ad entrare in contatto con detta guaina (3), un andamento genericamente arrotondato, 14. Struttura di scambio secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, caratterizzata dal fatto che detta armatura (2, 2', 2'', 2''') presenta, almeno nelle zone in cui il profilo dell'armatura (2, 2', 2'', 2''') stessa si approssima a detta guaina (3), un andamento tale da definire, in tali zone parti di spigolo con raggio di curvatura ridotta tale da indurre, in un fluido che fluisce in dette zone (6)fenomeni di capillarità. Il tutto sostanzialmente come descritta ed illustrato e per gli scopi specificati.
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