用于物质和热量传递的装置

技术领域

此项发明专利是有关于用于混合，分离，以及/或者将一种流体或气体引入另一种流体或气体的膜。更具体一些说，此项发明专利是有关于将流体蒸汽与气体(例如空气)混合但又防止流体液滴进入空气的设备和方法。

背景技术

为了有控制地混合多种液体或是一种液体和一种气体，多孔膜经常被做为气体和液体隔离接触面来使用。膜两边所存在的单一方向的压力差决定着流体流过膜时的流动方向。同时，膜本身的特性也影响着流体从膜的一侧流向另一侧。

图2是有关于此项专利发明之前的一种增湿器(标记如30)。增湿器30包含一个容器32。容器32有一层亲水性的微孔膜34将其隔成36和38两室。一种流体(例如水)从入口40引入室36，然后从出口42导出。另一种流体(例如空气)从另一个入口46引入室38，然后从出口44导出。这两种流体可以是同向或是逆向流动。

因为微孔膜34有亲水性，膜上的许多微孔201会充斥着水。为了防止水进入气室38，必须让气室38维持着比室36更高的压力。如果这样的压力差不维持着，水滴会进入气室38并弥漫在空气中。这种现象是不希望被看到的尤其当此设备用于呼吸道治疗用途时。那是因为在此用途中，水滴最好不要进入病人的肺部。

图3是有关于此项发明之前的另一种增湿器50增湿器50包含一个容器52。容器52有一层疏水性的膜54将其隔成56和58两室。一种流体(例如水)从入口60引入室56，然后从出口62导出。另一种流体(例如空气)从另一个入口64引入室58，然后从出口66导出。由于膜56的非亲水特性，膜的微孔202上充满着空气。为了防止空气进入水室56，水室56要维持比气室58高的压力。由于膜本身有限的特性，这样的压力差要一直监控着并维持着，要不然空气会进入水室，这并不是我们希望看到的。

当代的用于呼吸道治疗运用的气体增湿器是一个有亲水特性的中空纤维膜组件。这个中空纤维膜组件必须通过敏感且有效地维持压力差来防止水滴进入气流并随着气流进入患者的肺部。一直存在的一个问题是当设备闲置的时候，水滴会进入空气侧。所以最好能发明一种增湿器，无论有没有压力差存在于膜两侧或是不管仪器是不是在运作，水滴都不会透过膜进入空气。

发明内容

本发明便是针对现有技术的不足而发明的不受压力差和设备操作状态(闲置或运作)影响的新型增湿与传质传热方法与设备。此项发明的详细阐述如下。

一方面来说，此发明专利是关于一种用于物质和热量传递的膜装置或组件，在此膜装置中有一个容器，容器中内置的膜将其隔成两室。此膜的一侧具有亲水特性，而膜的另一侧具有非亲水特性。由于膜两侧相反的表面特性，导入一室的流体并不会透过膜进入另一室。

另一方面，此发明是关于膜本身的发明。膜可以是复合膜，或是由两层或是多层薄膜迭合组成，而每一层薄膜可有其自己的特性，例如亲水，疏水，亲油或是疏油。膜装置的结构可以是平板膜，折叠膜状，多管式或蜂窝状，板框式，或是卷式。

这个膜装置可以用于呼吸道疾病治疗的空气增湿和加热，气体吸收，特殊成分从气体到液体的选择性转移或是从液体到气体的选择性转移，液体提纯，膜精馏过程，固定的液体膜系统或是流动式液体膜系统。

附图说明

图1是本发明膜装置的一种设计结构和其复合膜的局部图。

图1A是本发明膜装置的另一种设计和其整合膜的局部图。

图2是当前的含有亲水性膜的膜装置的局部图。

图3是当前的含有非亲水性膜的膜装置的局部图。

图4显示本发明膜装置的折叠型结构。

图5显示本发明膜装置叠加型示意图。

图6是本发明膜装置的中空纤维管或是管型膜的一个局部图。

图7是本发明膜装置板框式的一个局部示意图。

图8是本发明膜装置折叠式膜的一个侧面示意图。

图9是本发明膜装置折叠式膜的一个端面示意部图。

图10是本发明含有折叠式膜的圆柱形膜装置的侧面图。

图11是本发明卷式膜的局部图。

具体实施方式

在图1中，传质和传热膜装置10含有一个容器12。容器12中含有空间且含有相互紧贴在一起的亲水性膜14和疏水性膜16。亲水性膜一侧表面和疏水性膜的一侧表面相接触而形成迭合膜，并将容器12分隔成两个密闭的室。每一室都有其自己的出口和入口。这样的构造使得迭合膜具有一侧亲水而另一侧疏水的特性。

朝向膜14一边的分隔室22含有与其相通的流体入口18和流体出口26。朝向膜16一边的分隔室24有与其相通的流体入口20和流体出口28。

水性流体19，例如纯水，在压力P1作用下从入口18导入分隔室22。水润湿并充斥着膜14上的孔并达到膜14和膜16之间的分界面。而膜16的存在阻止了流体19流向室24。

另一种流体21，如空气或是氧气，(此流体可以是非亲水的或着不是非亲水的，但是不能是亲水的)，在压力P2作用下从入口20导入分隔室24。此压力P2可以小于，等于或大于压力P1。流体21充斥着膜16上的孔，并达到膜14和膜16之间的分界面。此分界面上充斥着水的膜14的存在同样阻止了流体21流向室22。

膜16的疏水特性阻止了亲水性流体19进入室24。另外一方面，膜14的亲水特性阻止了疏水流体21进入室22。尽管一种流体从一室到另一室的流动得到了阻止，膜14和膜16之间的界面仍然允许两种流体之间接触并进行质量和热量的交换，例如将热量和水气85从流体19传入室24。

多孔膜的使用给两种流体间质量和热量传递提供了一个良好的界面，引入膜装置10的两种流体不需要经过混合来完成质量和热量传递。这里所说的流体状态可以包括液体，气体，原子状态的液体和/或是固体等等。

孔径的大小决定了阻隔流体的效应。总的来说，孔越小，接触表面就越多，阻隔效应也越强。如果在膜两侧的孔性是一样的，在相同孔积率条件下，无论是单层膜或是多层膜，孔越小，接触表面就越好。一旦孔的尺寸决定了，只要俩分隔室里的流体压力差不超过亲水膜的起泡点压力，或是疏水膜的水渗入压力，膜防止一种流体从一侧流向另一侧的能力与压力差方向(P2＞P1，活P1＞P2)是无关的。

相对小的孔径的另一个好处是有效的防止细菌转移，尤其对亲水膜而言。0.01微米至50微米之间孔径可提供这样的效果。当孔径小于，等于0.22微米时，防止细菌转移的效果尤其明显并且同时能够拥有一个较令人满意的起泡点压力。

当与膜装置10相连的附属设备(例如空气增湿器或其他呼吸道疾病治疗器)在运行中，无论流体在膜装置10中向那个方向流动，这个阻隔流体流动混合和防止细菌转移的特性都是存在的。而且，当与膜装置10相连的附属设备闲置时，无论压力差是否被有效维持着，这个特性也是存在的。

前面所提到的发明特性在于膜的亲水特性和疏水特性防止了流体之间直接的相互流动混合；孔径的大小决定了亲水膜起泡点压力和疏水膜的水渗入压力，从而决定了的本发明的操作条件范围。

如图1A所示，单层膜111同时提供了亲水特性和疏水特性。膜111可以是由疏水材料116而制成后将其一侧表面经表面处理后变成亲水表面114而形成；或是由亲水材料114(在图中没有显示)将其一侧表面经表面处理后成疏水表面形成。如图1A所示，膜116上有许多充斥着流体21的孔117。流体21会流动到膜116和膜114界面之间。相反，膜114表面有许多充斥着流体19的孔。流体19也会流到膜116和114界面之间。

此发明的另一方面是所使用的膜可以是由单片合成膜或是由两片膜复合而成的一个组合膜，而组合膜两侧表面具有相反的表面性质，例如一面具有亲水性而另一面具疏水性。单片合成膜可以通过在基材膜上涂一层与基材膜具有相反表面性质的膜材料(例如亲水性或疏水性等)而形成。

本发明之合成膜的一个例子是将高分子聚合物涂在基材膜上，这与现在比较流行的制造反渗透膜和纳米过滤膜的方法是一样的。由此而得的合成膜的截面一般是不对称的，而且亲水层和疏水层之间没有明显的界面，这与由多层膜复合而成的膜是不同的。流体的流动是受这个界面的深度限制的。涂在基材膜上功能性材料可以由高分子聚合物和/或是无机材料形成。

如图6所示的本发明的另一特性，膜可以由内径为30微米至25毫米的中空纤维或管式制成。无论用中空纤维膜或还是平板膜，它们都可以做成以下几种结构形式：平面状如图1和1A，折叠状如图4，8-10，卷式膜状如图11，多管状或是蜂窝状，和/或是板框式如图5和7。以上无论哪种形式，流体都可是同向流动或是逆向流动。

对于多管型或是蜂窝型设计而言，内侧流动管道可以是从0.2毫米至30毫米。对于板框式设计而言，内侧流体的流动通道可以是从100微米至20毫米。

材料的选择和通道大小的选择是由流体流过通道时的膜所能承受或是所需要的流体阻力决定的。如果通道太小，流体流过通道的压降会太高，造成流体在入口处压力太高以使流体侵入膜的孔中。一旦通道选定了，材料的选择就容易了，因为任何一种以上所提到的膜材料可被做成所指定的通道结构。

如果设备是用于呼吸气的增湿，折叠型膜组件是比较有优势的因为它易于生产并且有多种亲水膜或疏水膜可选择。当然，有一点是要阐明的，任何别的膜组件型式的设计都可用于呼吸气增湿应用中。

图4是一个折叠型的例子。膜70被折叠形成72而形成一系列相互交替的通道。一种流体会从系列通道74流过，另一种流体会从系列通道76流过。将膜70放置于一容器内(如在图1中显示的容器12)中起到固定作用。此容器可以是规则的或是不规则的几何形状，如长方形，圆形，正方形，梯形等等。

根据图8和9，膜70的折叠膜的边73与容器12的侧边是密封的。膜70的另一边75和容器端盖13是密封的(如图8)。折叠边73可以通过超声波(振动)焊接，热熔焊接或是粘合剂处理的方法粘到容器壁上。适合的粘合剂有环氧树脂，聚亚胺脂或是别的热熔胶粘合剂。膜边75也可以用热熔焊接，或粘合剂，例如环氧基树脂，聚亚胺脂等，粘合到端盖13上。用这种方法，在容器12中形成了两个由膜隔分开的流体流动室。

流体19通过与入口18相连的分配口77进入室22。分配口77是由容器10的侧面和膜底边75形成。77a与通往室22的入口18相连。77b与室24的出口28相连将流体21导出。分配口77是处在容器12的靠近进口18一侧。

流体21通过与入口20相连的分配口79进入室24。分配口79也是由容器10的侧面和膜底边75形成。79a与使流体进入室24的入口20相连。79b与使流体流出室22的出口26相连。分配口79是处在容器20的靠近进口12一侧。

在另一种结构中如图10所示，折叠膜70被放置在圆柱形的容器10”中。为了便于引证的方便，我们用同样的数字去标记在不同发明结构中相似的成分。容器10”包含着一个与其同心的部分中空圆柱体11。膜70夹在11和10”中间。和别的范例一样，膜底边75与10”的端盖是密封的。流体19从入口18进入，接着流入分配口77，然后流入22，最后从出口26流出。

流体21从与圆柱体11内侧相连的入口20流入。圆柱体11与分配口25相连，而25又与室24相连。流体21流过25进入室24时，可以吸收从膜70透过来的蒸汽85，然后再从出口28排出，如图10所示。

任何一种折叠型膜，折叠高度(以A表示)，可以从2mm至100mm，折叠宽度(以B表示)，可以从5mm至1000mm。这个参考数据是根据呼吸道疾病治疗用途给出的，此数据可以根据不同的运用加以修改。折叠的折数也可以根据不同的运用加以调整。

膜70可以是单层膜或是由两层或多层膜复合而成。单层膜的一面经过表面处理可以具有和另外没经处理的一面相反的特性，例如亲水性或疏水性。复合膜可以是由两层或多层含有不同特性的膜组成。每一层膜可以有其自己的特性。

根据图5和7，板框式膜组件80中的膜84给两种流体提供了结构上和功能上的阻离。如图7所示，容器10’的侧面82和膜84之间形成了一个封闭的区域。膜84由隔离器83隔开并且底端用粘合剂，热容塑料，超声波或/和振动的方法粘合。隔离器的厚度可以从0.1mm到10mm。

隔离器83可以是编织网或是由聚合材料做成的热挤出成型的多孔网。另外也可以是熔喷无纺布，例如Typar或是Reemay(两者都是BBA公司生产的无纺布)。也可以使用由德星公司(Delstar Technologies)等所生产的热挤出成型的多孔网。这些材料都是在当前的过滤器和膜分离仪器中被广泛使用的。

膜84含有亲水侧86和疏水侧88。膜84是有规则排列以达到有相似特性的膜面相邻着。这样的构造形成了亲水侧通道90和疏水侧通道92。流体流入，分布及流出都有其特定的通道路线，如图4所示的一种结构。

膜84可以是单层膜也可以是多层膜。单层膜的一面可以经过表面改性处理从而具有和另外没经处理的一面相反的表面特性。多层膜可以是由多层含有不同表面特性的膜组成。

另一种结构是，膜84可以用多层有相同表面特性的膜组成，但其中一层膜被处理成含有与原膜相反表面特性的膜。板框式和其他形式的膜组件有相同的功能。亲水流体，例如水，可以被引入亲水通道90而另一种流体，例如空气，可以被引入疏水通道92。如同别的形式的膜组件，只要是两侧流体的压差不超过允许的亲水膜起饱点压力和疏水膜的水入渗压，两侧流体的压差不会影响膜84的亲水与疏水隔膜作用，而且会仍然允许流体间物质和热量的传递，包括汽(气)体成份85。

参考图6，容器10有一系列的中空亲水性管94和一系列的中空疏水性管96一同心方式排列，并在两端形成了两个封闭的圆柱形室22和24。膜上端由一密封圈或是管板98密封着。膜的下端由下端密封圈或是管板100密封着。每个密封板有一个中空的孔使流体可以通过流道口28，腔室24和流道口20。

与别的结构型一样，流体19，例如水，进入室22并且润湿膜面94直至饱和。流体19所形成的蒸汽85传递入腔室24并与流体21，例如空气，混合并随着空气进入另外一个更大的装置，例如呼吸空气增湿器(在此没有显示)。如同别的形式的膜组件，只要是两侧流体的压差不超过允许的亲水膜起饱点压力和疏水膜的水入渗压，两侧流体的压差不会影响膜84的亲水与疏水隔膜作用。

图11是卷式膜组件170。多个膜组合袋172固定在或整合于中心管171上并沿中心管171的圆周排列。每一个172都有一层膜172a置于框架179上。框架179上有一密封条176将172a固定住。边界密封175的位置决定了172的上下底边，并且与膜172a及封条176一起将172分隔形成了两个的室，175a和175b。多量的进口孔173与中心管171相通，以使流体进入腔室175a。175a和175b之间是不封闭的因为175a比172的宽度窄。多量的出口孔177将175b室与171管的内部相通。

流体19流入管171并经过入口孔173进入室175a。然后流体19流动并绕过封条176进入室175b。当流体流过这些室的时候，蒸汽85透过膜172a进入多个172间所隔成的空间。最后流体19经过出口孔圈177进入管171再流出。管171中间有隔断178以确保流体19必须经孔173进入室175a，再流经室175b和孔177进入管171另一端再流出。

膜分隔器121被放置在172和172之间。分隔器121的存在使膜层之间得以分开并且使得流体流过膜时没有过多的阻力。这一点对本发明的结构来说尤其重要，当然也包括卷式膜结构。流体21在172之间流动并与蒸汽85混合后从组件170流出。

无论是合成膜或是单一膜，膜或是膜起作用的表层的厚度一般在0.01微米和5000微米之间。膜孔的大小一般是在0.001微米到1000微米。合成膜或是单一膜两侧的表面特性可以是：亲水，蔬水，亲油或是疏油。但是有一点要注意的是，无论是合成膜或是单一膜，膜两侧的特性一定要是不同的，也就是说一侧一定要有与另一侧不同的特性。

膜可以是由高分子聚合物，金属材料，陶瓷材料或是三者的混合体做成的。对于折叠型构造或是板框式构造中用的平板膜来说，放在容器中的膜可以是没有经过任何与结构件进行粘接处理的，也可以使用点焊粘接处理以方便加工过程中的操作。但是这种处理并不是要达到提高性能的目的。

疏水性膜可以是由一层或多层含有纳米孔或是微米孔的天然疏水性氟聚合物做成膜，例如有贴合的或是没有贴合的铁氟龙-聚四氟乙烯拉伸膜，聚偏氟乙烯，，环氧基氟碳聚合物(PerFluoroAlkoxy或PFA)其衍生物的膜，氯三氟乙烯聚合物(Ethylene-Chloro-Tri-FluoroEthylene，或ECTFE)和其衍生物膜，，以及上述氟碳聚合物的混合物形成的微孔膜；还有碳素膜。其他可供选择的疏水性膜材料包括含纳米孔或微米孔聚烯烃膜，例如聚丙烯，高密度聚乙烯，超高分子量聚乙烯和它们的混合物。任何分子重量的用于商业用途的多孔聚乙烯膜都是可以使用的。

还有一类其它的可以进行疏水表面改性的可供选择的膜材料，例如聚醚砜，聚砜，尼龙6，尼龙66，再生的纤维素，混合的纤维素脂，聚碳酸酯，聚酯等等。

亲水性膜可以由一层或是多层疏水的纳米孔膜或微孔膜经过亲水性水表面改性后采用，例如有铁氟龙-聚四氟乙烯拉申膜，聚偏氟乙烯膜，环氧基氟碳聚合物(PerFluoroAlkoxy或PFA)其衍生物的膜，氯三氟乙烯聚合物(Ethylene-Chloro-Tri-FluoroEthylene，或ECTFE)和其衍生物膜，，以及上述氟碳聚合物的混合物形成的膜；等等。另外也可以是经过亲水性水表面改性后的聚丙烯，高密度聚乙烯，超高分子量聚乙烯等用材料做成的纳米膜或是微孔膜。

亲水性膜可以由以下一种或多种物质制造形成的，例如亲水性的聚醚砜(PES)，聚砜(PS)，尼龙6(PA6)，尼龙66(PA66)，再生的纤维素，混合乙酸纤维素，聚碳酸脂，陶瓷，聚脂膜，等等或是它们的混合物。

当用于呼吸道疾病的治疗用途的时候，本发明装置允许可控地将水蒸发转换为蒸气进入空气中以达到呼吸气的充分增湿。在这种情况下，无论水和气流之间存在哪一方向的压差，呼吸气的增湿不需要靠水流进入空气流中或者空气进入水。当然前提是这个压差并不能超过亲水膜的起泡点压力或是疏性膜的水入侵压力。

如果气相压差超过了亲水膜亲水膜的起泡点压力，空气会将使亲水膜的孔中的水吹膜孔造成空气进入水室。如果水相压差超过了疏水膜的水入侵压力，水会通过疏水膜的孔进入气室。膜孔径越小，其水的起泡点压力或是疏性膜的水入侵压力就越高。

如果亲水性膜的孔径等于或是小于0.22微米，其水的起泡点压力应该大于2巴(bars)。该膜还可以防止细菌从水侧进入空气。对于疏水性膜，应该选择水入侵压从0.3到4巴(bars)的孔径。

膜孔径的选择是根据膜的材料的选择而定的，因为不同的材料所具有的不同的表面特性会影响膜孔径的选择范围。我们最终的目的是根据能够达到特定应用所要求的最小起泡点压力和水入侵压力的材料选择孔径。亲水膜的大小可以从0.01微米至1.2微米。疏水膜的大小可以是从0.01微米至10微米。当用于呼吸道治疗应用时，我们可以选择临界压力比较低的膜。因为在此应用中，水压相对较低，一般小于4巴(bars)。

根据图1，水19被引入了亲水膜一侧的室22。水流入并充满了膜14上的孔。当流体19到达膜14和膜16之间的交界面时，流体19的移动被阻止了。于此同时或是在通水之后，空气21被引入了室24并充满了膜16上的孔。

因为膜14上充满了水，空气试图进入膜14会被水阻止。只要压力不等于或是超过亲水膜起泡点压力，即使在空气侧的压力会高与水侧时，这种效果仍然是存在的。无论水，气两侧是否存在压差，在亲水膜和疏水膜之间形成的水蒸汽仍然会进入气室。也就是说，水蒸气会经过膜16上的孔进入空气并将空气增湿。如果水侧流动的是含有可气化的，具有疗效的药液，那么通过本发明之装置所产生的气流中可以含有从药液中经气化进入气流中带疗效的成分。通过对水(液体)温度的控制和控制空气/气体在设备中的停留时间，本发明之装置也可以应用于实现对空气温度的控制方法。

如果水侧有较高的压力，只要压力小于疏水性膜的水入侵压，疏水性膜16仍可以阻止水19流过膜16并进入室24。因此，与压差存在和方向无关，本发明之装置对于控制流体-流体之间的流动或/和控制流体-气体之间流动方面提供了很强的灵活性。

本发明之装置在诸如呼吸道疾病治疗，常规的气体增湿，气体吸收器或气体吸收反应器，或是膜反应器，都有很多的优越性。空气中的某种特定分子可通过亲水膜和疏水性膜的交界面吸收入液体中并有选择地被水溶液中特定加入成分吸收或反应。此设备另外的用途是用于水溶液的脱气或汽提操作以去除液体中的易挥发有机杂质，氧气，或是其他溶解在液体中的气体分子；也可用于液体-液体萃取过程，例如通过在有机溶济中的金属螯合剂将重金属离子从水溶液中提取出来。

另一些用途可以是用于生物反应器和介质促进传递(carrier-facilitated transport)过程；或是制造人工肺器以便向血液中的输送氧气以及二氧化碳的去除。如果亲水性膜也同时是具疏油性的，本发明之装置也可被用于水及油溶液的萃取过程。

关于复合膜系统，例如，由两层或是多层膜组成的系统，膜可以是由几层膜通过物理的(超声波点焊)，热熔处理，或是化学的(化学粘合剂)等方法堆积起来。关于单层膜，膜的一侧可以通过化学或是物理的方法处理使得与另一侧未经处理的面具有相反的表面特性。

疏水性膜的表面改性可以通过使用交联聚合反应方法将高分子胺单体或是聚乙酸乙烯脂(PVA)交联聚合在疏水性膜表面以使其具有亲水的特性。详细内容可查看美国专利Nos.6,159,369；5,376,274与5,554,414以获知更多相关信息。

虽然此项发明只是提到几种结构和应用，但对与有相关背景的技术人员可以在不脱离本发明的核心技术和范围的情况下，对本发明提及的技术，结构和应用进行相应的修改或扩充。因此，上述实施例只是对本发明的说明，而不是对本发明的限制，任何不超出本发明实质精神范围内的发明创造，均落入本发明的保护范围之内。