专利名称：微槽式有源流体传输装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具有一结构化聚合物表面的装置，所述表面包含用于传输流体的、分离的、微结构化槽道。该装置还具有一将所述分离的微结构化槽道流体连接于一势能源的连接器，所述势能源可促使流体通过槽道传输。本发明还涉及一种利用这样的装置来传输流体的方法，以及利用该装置的各种制品。
流体传输的特性取决于在装置中形成流动的机理。当流体传输涉及的是一种在大多数情况下是由于外力施加于该装置而造成的非自然流体流动状况时，就认为这种流体传输是“有源”的。另一方面，当流体传输涉及的是一种由于装置的内在性质而造成的自然流动状况时，就认为这种流体传输是“无源”的。导管是众所周知的一种有源流体传输装置的例子。通常，导管连接于一可将液体通过装置吸入的真空源。吸收垫或海棉是无源流体传输装置的一个例子。
有源流体传输装置的设计很大程度上取决于其特定的应用场合。在很多情况下，希望能控制流体的流道。就某种意义而言，可以对流体的流道加以控制，以使一特定的流体在另一个目标或流体附近流动，如在一热交换器中的情况。
授予Hoopman等人的美国专利5,317,805叙述了一种热交换器，该热交换器具有在第一和第二集流管之间延伸的分离的微槽。这种微槽式热交换器是这样制作的，即，例如围绕一将被放弃的内芯以电镀或蒸镀的方式沉积出一个壳体。同样授予Hoopman等人的美国专利5,070,606描述了另一种微槽式热交换器，该热交换器是这样制作的，即，围绕一种纤维结构形成一塑料或陶瓷体，随后将纤维结构去除而在成形体内留下多个微槽。
就另一种意义而言，可以对一流体流道加以控制，以按照特定的流动特性来形成流体流。也就是说，可以简单地通过各层之间的单个管道或通过多个槽道来促使流体流动。其它的例子包括可以附连于一势能发生装置的多孔产品，所述势能发生装置可导致流体流过多孔产品，例如授予Rainin的美国专利5,599,330、授予Beck等人的美国专利4,533,352和授予Kliger的美国专利3,935,863所述。
一流体传输流道可以由多个槽道限定，这些槽道可以用来将液体从一收集位置传输至另一个位置，如一储存容器。当频繁地使用该装置时，液体与气体混合，两相的流体有时会导致液体和气体紊流混合。按照流体流的混合比例和速度，液体和气体会组合成不希望有的流动形态。已知的带泡沫的、分散的和团状(slug)的流动形态有时会对被传输的流体造成不利的影响，或者说，这样的流动可能会影响传输系统和/或周围环境。
例如，在带有泡沫的流动情况下，气泡遍布于液体，空气与液体的密切接触可能会导致例如液体的加速氧化。在分散流动的情况下，几乎所有的液体都会以细小液滴的形式被夹带在气体中。此流动形态所产生的气悬液滴可以进入周围环境，从而造成危害(视液体的性质而定)。该情况的一个例子是在外科领域，其中当收集容器被打开时，被吸入以便处理的生物污染流体会变成气悬状态并进入工作环境。在团状流动的情况下，液体波会被快速移动的气体周期性地拾取，从而形成一个以高于平均液体速度的速度流过系统的多泡沫团状流。在此类流动情况下，当团状流撞击系统构件时，可能会导致设备振动。这种撞击除了会作用于系统构件(如管接头和弯头)以外，还会对流体施加很大的机械应力。猛烈的流体传输作用还可能破坏应力敏感型流体(例如在外科手术过程中被收集起来以便重新输入的血液)的细胞结构。
由于在流体传输过程中产生噪声，所以两相流体还会对工作场所造成不利的影响。也就是说，当紊流液体混合物流过装置时，经常会发出噪声。在很多环境中，噪声污染必须降至最小，特别是在需要良好通讯的场所，例如在手术室中。
授予Nguyen的美国专利4,966,584描述了一种可解决噪声问题的有源流体传输装置。具体地说，描述了一种可在外科手术过程中使用的吸气机。该装置结合有一个阀组件，该阀组件可对流过装置的流体加以控制，以降低噪声。该阀组件据称可以通过对经过装置的吸入流进行调节来控制噪声。
另一种用于医疗领域的有源流体传输装置是一种流体回收地板垫，即，可以从Technol医药产品股份有限公司购得的商标名为“流体控制”的地板吸收垫。这种产品既利用无源的装置也利用有源的装置，以除去在外科手术过程中从手术位置落下的流体。该装置具有一位于很多平行槽道上方的吸收垫。在槽道表面上设置有许多孔，这些孔与吸收垫连接，以便将吸收垫所回收的流体吸入槽道。各平行槽道连接于一集流管，该集流管连接于一吸收管。因此，当流体已经积聚在垫子上之后，可以借助施加真空而通过多个槽道来去除流体。由于回收的液体可以作为液体/空气混合物流过各槽道，所以该装置具有产生噪声的可能性。也就是说，当流体借助抽真空系统流过各槽道时，空气可以与液体混合而产生噪声，这将会给工作环境带来负面影响。
授予Skow的美国专利5,628,735揭示了一种有源流体传输装置，声称该装置可以在手术过程中从一工作现场平缓地和连续地除去不需要的流体。该装置利用了无源的和有源的流体传输机理来在手术过程中除去多余的流体。它包括一个具有很高毛细作用能力的柔性垫子，在这个垫子内嵌设有一柔性吸管，此吸管连接于一真空源，可从垫子中除去流体而防止流体饱和。该吸管有一个或多个孔，以允许回收的流体从垫子流入吸管。由于该装置没有采用多个分离的槽道，因而不能将抽吸作用分散于各个槽道，故采用一根吸管可能会限制装置的应用。
授予Todd等人的美国专利5,437,651和授予Hergenroeder的4,679,590描述了可以用来回收流体的其它有源流体传输装置。在Todd等人的专利中，揭示了一种医用抽吸装置，它可以用来在外科手术过程中收集积聚在一病人体内的血液或其它流体。该装置包括一吸收泡沫垫，该泡沫垫通过一柔性的背衬板连接于一抽气源。背衬板上具有将回收流体引向一小孔的槽道。由于液体/空气混合物被一起抽吸而流过装置，所以该装置很容易产生噪声。
Hergenroeder的专利描述了一种容器，该容器用于收集来自于手术室地板的流体。此装置特别适合于收集在手术时使用的冲洗流体，例如对一关节(如膝盖)进行的关节内窥镜检查。该容器是薄而且大致扁平的，并且具有一形成一个收集面的小盆网格组织，所述收集面上带有排水道，回收的流体可以通过此排水道流入形成在容器和地板之间的槽道。槽道将流体引向一共同的排放口，该排放口可以连接于一抽气装置。由于这种槽道构造，与前述的其它装置一样，该装置很容易产生一个两相的液体/空气流，这可能会产生很大的噪声污染。
例如在授予Degen的美国专利5,445,771、授予Drobish等人的4,623,329和授予Wepsic的3,598,127中揭示了其它的柔性管道装置或导管。在Degen的专利中，将中空的热塑性纤维束收集并固定在一起，并以分离型装置的方式加以使用。Drobish等人和Wepsic专利所描述的装置涉及到导管，此类导管具有一主流道和一个或多个设置在各管层之间的副流道。Drobish等人的装置包括一同心的副流道，副流道具有形成在用于加大表面积的限定表面之一中的许多凹槽，在副流道中流动的流体可到达所述限定表面。在Wepsic的专利中，围绕一主流道布置了多个V形的副流道(凹槽)。这些V形槽被一个可渗透抗菌物质的外管所包围。
本发明提供了一种有源流体传输装置，该装置包括一具有一第一主表面的聚合材料层。第一主表面包括一结构化表面，在该表面上具有多个基本上分离的流动槽道。这些流动槽道沿着结构化表面从第一点延伸至第二点，并具有大约10∶1的最小长宽比和不超过大约300微米(μm)的水力半径。该传输装置还包括一流体连通于所述各分离流道的连接器。连接器允许从结构化聚合材料表面外侧的势能源对各流动槽道施加一势能，以促使流体经过所述各流动槽道，从第一势能至达第二势能。
本发明具有很多特性，可将很多优点集中在能体现本发明的一个有源流体传输装置中。一个特别的特性是，采用一个由聚合材料制成的微结构化表面。在制造过程中，该聚合材料可允许结构化表面以相对低成本的方式精确地复制。带有该结构化表面的聚合材料层能利用一模制或铸造技术可靠地加以复制。因此，无需高成本的加工条件即可制造出该结构化表面，而当采用诸如机加工和化学腐蚀等其它技术时，就可能引起高成本的加工。采用聚合材料来形成微结构化表面还允许在制造过程中以相对较高的允差维持各种特征的精确度。另外，采用聚合材料还使得可以通过选择具有较低拉伸模量的聚合物来制造柔性的有源流体传输装置。利用这些聚合物的产品可以满足各种效用的各种不同的结构。
通过设置具有大约10∶1的最小长宽比以及不超过大约300μm的水力半径的许多分离流动槽道所形成的微结构化槽道可以以高度分散的方式将势能分散作用于很多个槽道。势能不是全如通过一个大的槽道总地传送，而是可以分散很多个小槽道，因而不会有一个槽道对传输流过该槽道的流体有不良作用。高度分散的势能作用可以在流体流过各个槽道时对流体施加较小的应力。当流体比较灵敏或具有不应改变的形态时，减小应力是非常重要的。如果流体例如是血液、胶状流体和其它非均匀同质的液体混合物或悬浮液，这就是一个重要的考虑事项。
此外，高度分散的势能作用还使得作用在和槽道入口或出口相接触的零件上的应力减小。例如，当把本发明的有源流体传输装置构造成为连接于一真空源的导管形式时，采用微结构化分离的流动槽道可以使来自于真空源的势能高度地分散，从而使作用于暴露在槽道入口处的势能的人体组织的应力最小。因此，该有源流体传输装置可以允许从体腔中取出流体，同时仅对附近组织造成最小的伤害。
本发明的这种微槽式有源流体传输装置的另一个有利之处是，它可以很方便地以来自于周围环境的流体填满各槽道。分离的槽道系统还允许各槽道相互独立地填满或保持空置。例如，一个槽道可以完全填满一种液体，而其相邻的槽道则仅包含空气。在传统的流体传输装置中，各槽道要大得多和/或不是分离的，因而经常包含液体和空气的两相流体。由本发明促使的液体单相流还可以有利地减少作用在通过该装置的液体上的应力，并且可以使噪声污染降至最小。因此，本发明的有利之处在于，它可以安全并且安静地将液体从一个位置传输到另一个位置。
利用结构化表面上的小的流动槽道还使得装置可以承受相对较高的冲击力、压力、弯折角度和真空作用，不会破坏流动槽道。这一优点使有源流体传输装置可以被用于可能出现这些作用力的场合，例如，在重物下方、或人行走的地板上、或在水检眼镜检查外科手术过程中，其中流体被用来保持手术位置的膨胀和视力不受伤害，但经常需要一个柔性的流体抽吸装置，该抽吸装置会受到压缩或大角度地弯曲，否则可能会压断常用管子中的流体流动。
在以上描述的本发明中，出现了如下限定的一些术语。
“长宽比”是指一槽道的长度与其水力半径的比值；“连接器”意指诸如设备、装置或零部件组合之类的任何机构，该机构是构造成为可允许来自于一势能源的势能沿着分离的微结构化流动槽道来施加；“毛细管模块”是指一具有若干个分离的微结构化流动槽道的装置，所述槽道具有槽道入口和槽道出口；“分离的流动槽道”是指这样的一些槽道，即，它们能独立地接受一势能以使一流体基本上独立于相邻各槽道沿一特定的槽道流动；“水力半径”是指一槽道的可润湿横截面积除以其可润湿的周长。对一圆形槽道而言，水力半径是其直径的四分之一；“柔性的”意指能弯曲或挠曲而不会发生很大的流动阻碍；
“流体”意指气体和/或液体；“微观复制”或“被微观复制”意指通过某一工艺来形成微结构化表面的生产，其中在从产品一产品的制造过程中，使结构化表面的特征保持一单独特征的精确度不超过大约50μm；“微结构化槽道”或“微结构化流动槽道”在本文中是指最小长宽比为大约10∶1、水力半径不超过大约300μm的槽道；“聚合材料”意指这样形成的材料，即，通过合成各单体而形成一种天然的或合成的有机分子，其包含一个或多个重复的单元，这些单元规则地或不规则地排列在有机分子中。
“势能”意指能使一流体移动的能量；“势能源”或“能提供势能的源”意指能提供能量而做功使一流体移动的实体；以及“结构化表面”意指一个具有在一预定结构中的限定特征的非平表面。
图1是本发明的一种有源流体传输装置10的立体图，它具有一结合有一覆盖层24的结构层12，以提供多个与一真空源14相连通的分离槽道16；图2a至图2c是结构层12、12b、12c的端视图，它们示出了可以与本发明有源传输装置一起使用的、几种可能的槽道结构；图3a和图3b是结构层的俯视示意图，它们示出了可以与本发明有源传输装置一起使用的另一些槽道结构；图4是本发明的一种液体回收装置40的立体图；图4a是沿图4中线4a-4a截取的所述液体回收装置40的局部剖视图；图5是一个结构12的层叠块50的端视图，所述结构层的层叠块是由几层结构层12相互堆叠而构成的，从而使结构层12的底部主表面51覆盖一下层的结构化表面13，从而形成了多个分离的槽道16；图6是本发明的一抽吸器54的立体图，它采用了一由多个微结构层12构成的层叠块50；图7是本发明的另一种有源流体传输装置60的立体图，它具有一由覆盖层64覆盖而形成多个分离槽道(未示)的微结构层62，所述的多个分离槽道连接在第一集流管66和第二集流管68之间；图8示出了在一病人身上使用图6所示的抽吸器54的使用情况；以及图9示出了在一手术室内采用有源流体传输装置40、54和60的多个使用情况。
在这些附图中，凡是相同的编号均标示相同的构件。
在图1中，示出了一种有源流体传输装置10，它基本上包括一由聚合材料制成的层12，在其两个主要表面的其中之一上具有一结构化表面13。所述传输装置10还包括一用来有助于使流体移动经过所述有源流体传输装置10的结构化表面13的源14。聚合材料层12还包括一结构化表面13从其突伸出来的本体层15。本体层15可对结构化表面13加以支承，以将各个结构特征一起保持在聚合材料层12内。
聚合材料层12可以由柔性的、半刚性的、或刚性的材料制成，它可根据所述有源流体传输装置10的具体应用情况而定。聚合材料层12包括一种聚合材料，这是因为这些材料可以被精确地成形而形成一微结构化表面13。由于聚合材料具有很多适于各种需要的不同特性，因此，它具有非常显著的多用性。聚合材料可以例如根据柔性、刚性、渗透性等来选择。聚合材料层12的使用还可以使结构化表面得以一致地制造，以便生产出大量且高密度的槽道，当这些槽道被覆盖时将形成彼此分离的流体流动槽道16。因此，可以提供一种高分布的流体传输系统，它适于进行高精确度地且经济地制造。结构化的聚合面13可以用与本体层15相同或不同的材料制成。
如图2a所示，根据所示的实施例，各槽道16可以藉助一系列V形侧壁17和凸峰18而形成在聚合材料层12内部。在一些情况中，侧壁17和凸峰18可以从聚合材料层12的一个边缘整个地延伸至另一边缘而没有变化-虽然在一些应用场合中，人们希望缩短侧壁17，并使凸峰18仅仅沿着结构化表面13的一部分延伸。也就是，形成在凸峰18之间的各槽道16可以整个地从聚合材料层12的一个边缘延伸至另一边缘，或者这些槽道16可以仅仅延伸经过一部分聚合材料层12。仅延伸经过一部分聚合材料层的各槽道可以起始于聚合材料层12的一边缘，或者它们可以起始和终止于聚合材料层12的结构化表面13内部的中间位置。各槽道以一种预定的、最好有序的排列方式形成在由聚合材料制成的一个连续表面上。
如图1所示，每一槽道16均开口于层12的一边缘以形成一些槽道入口19。这样流体就可以通过那些由各槽道16所导引的各入口19而朝着层12的另一边缘流至一连接器20。所述连接器最好通过一些出口(未示)而与每一槽道呈流体连通，并与势能源14呈流体连通。除了图1所示的之外，连接器20还可以呈各种形式，它包括一集流管22。所述集流管22在其内部设置有一与各槽道16流体连通的压力通风系统(未示)。所述压力通风系统可以简单地包括一位于集流管22内部且与至少多个槽道16密封连接的腔室。集流管22可以像层12一样可以是柔性的、半刚性的或刚性的。一第二集流管(未示)也可以设置在层12的那一具有入口20的侧面，以便根据具体应用情况将流体供给至槽道16。
根据本发明，所述连接器基本上可以采取各种形式，只要能将势能从势能源传送至所述多个槽道即可。虽然上文已对一具有一压力通风系统的集流管和一管道作了描述，但是，也可考虑将其它的连接器-诸如那些可将一导管与流动槽道流体地连接起来并且可以使较高和较低势能与周围环境绝缘或分开的压缩联接件、或密封件和垫圈-用在本发明中。所述连接器也可以包括一些例如内径小于10微米的毛细纤维，每一毛细纤维均与一独立的槽道流体连通，以使各流体彼此分离地流过各槽道。所述连接器也可以是一(或几个)模腔、一相对于那些分离的流动槽道而言整体或非整体设置的微结构化流体导管、或者例如一可以使那些分离的微结构化流动槽道位于一离心机或可使诸如一射流之类的液流在各槽道入口或出口处得到导引的系统或机构。
为了将至少多个槽道16阻隔或封闭在各凸峰18处，可以将一覆盖层24并置在所述结构化表面上。这样，覆盖层24就可以覆盖住至少多个槽道，从而可以在一毛细管模块25内形成一些彼此分离的流动槽道16。所述毛细管模块25通常具有1至10毫米的厚度，更通常是是2至6毫米。覆盖层24同样可以密封地连接于集流管22，从而可以根据各槽道16两端的势能从第一势能变为第二势差时形成的势差，使多个分离槽道16用作有源的流体传输槽道。覆盖层24通常具有大约0.01至1毫米的厚度，更通常的是0.02至0.5毫米。如果本发明的槽道是密封的，由于各个小槽道的圆周强度，由各槽道所形成的柔性系统一般可以承受高压而不会发生断裂。
覆盖层24可以粘结于一些或所有的结构化表面13的凸峰18，以增强分离槽道16的形成。这可以藉助热学方法或藉助采用适合于覆盖层材料24和结构化的聚合材料层12的传统粘接剂来进行。分离槽道16的成形可以通过热粘接、超声波焊接、压缩或诸如压配合之类的机械啮合来完成。粘接剂可以完全沿着凸峰18来施加于覆盖层20上，或者可以以一种有序或随机的排列方式对设置在其上的粘接剂进行点焊或点粘。
覆盖层24最好是由一种聚合材料制成，诸如将在下文中在所描述的用于结构化聚合材料层的聚合物。聚合物可选择为无需粘接剂就能将覆盖层固定于结构化表面13上。可以选择这样一种聚合物，即，藉助例如在进行超声波焊接作业时施加热量，可使覆盖层变得牢固地焊接于所述结构化表面上。
所述势能源基本上可以包括任何一种能沿着多个流动槽道16建立一势能差以促使流体从一第一位置流动至第二位置的装置。所述势能足以引起或有助于引起流体流过多个流动槽道16，它部分地是以任一具体应用情况的流体特性为基础的。如图1所示，势能源14可以包括一与收集器容器26按传统方法连接或其它方式连接的真空发生器(Ⅴ)。所述收集器容器26借助一传统的软管28与集流管18流体地连接。这样，就可以将流体从毛细管模块25之外抽吸入各入口19内，通过各槽道16、通过集流管22、通过管子28而抽吸入收集器容器16内。容器26最好是可以打开的，以便将其内的收容物排空或者可以按其它方式与传统的排放系统相连。
在势能源14包括一真空发生器(Ⅴ)的情况中，借助集流管22提供给各槽道16的真空可足以将覆盖层24充分地密封于各凸峰18上。也就是，真空本身就可以将覆盖层24吸持在各凸峰18上而形成彼此分离的槽道16。较佳的是，由结构化表面13所形成的每一槽道16均被覆盖层24所覆盖，从而可形成最多数量的、能独立地适应势能的分离槽道16。可以有效地将各槽道16之间流体穿越减至最小，并且可以将由一外源所提供的势能更有效且高效率地分布到聚合材料层12的结构化表面13上。
一具有微结构的表面或毛细管模块与一流体传输源或势能源的连接可以根据需要通过一固定的集流管或一些集流管来实现。也可以根据具体适应性或应用场合采用多个势能源。压差是一种有效的流体流动方法或可以用来使流体流过(那些)具有微结构的表面的势能。通过采用一泵送系统可以很方便地建立压差，并且可以施加正压或负压。
除了真空发生装置(Ⅴ)或者与其一起使用之外，本发明也可以采用其它的势能源14。基本上任何一种以人工方式导致或促使流体流过各槽道16(尤其是液体流动)的方式都可以用于本发明。所述势能源与槽道式结构和/或毛细管模块是分离的，或者换言之不是所述槽道式结构和/或毛细管模块所固有的。也就是，本发明不是仅仅依赖于槽道式结构的性能来例如藉助毛细作用使流体流动的。其它势能源的例子包括(但不限于)真空泵、压力泵和压力系统，诸如一风机、磁流体动力驱动装置、声波流动系统、离心旋转、静压头，以及其它已知或后来研制出来的、通过形成势差来使或促使流体作至少一定程度的流动的流体驱动系统。此外，诸如离心力或磁场之类直接作用于流体上使流体在本发明的各槽道内部流动的任一种所施加的场力都可以被当作一流体流动势能。但是，本发明没有将重力作为一沿着各流动槽道施加的势能，除非它是借助一连接器来这样使用的，诸如一与一定容量的液体呈流体连通的导管，例如一藉助重力驱使液体流入所述装置内的静压头。在大气压形成势能以使流体在各槽道中流动的情况中，也可以藉助一虹吸管的作用而促使流体流过各槽道。
虽然图1所示的流体传输装置具有一包括多个V形凸峰18(如图2a所示)的结构化表面，但是，也可以考虑采用其它的构造。例如，如图2b所示，各槽道16’在每两个略微平整的凸峰18’之间具有一较宽的平槽谷。与图2a所示实施例相同，一覆盖层可以沿着其中一个或多个凸峰18’固定从而形成分离的槽道16’。在这种情况中，底面30是在每两个槽道侧壁31之间延伸，而在图2a所示的实施例中，侧壁17是沿着各直线而连接起来的。
图2c示出了这样一种结构，其中，宽槽道32形成在每两个凸峰18″之间，不是在每两侧壁之间提供一平整表面，而是多个较小的凸峰33位于凸峰18″的侧壁之间。这样，这些较小的凸峰33就在其间形成了一些副槽道34。凸峰33的高度可以或不与凸峰18″的高度相同，并且如图所示形成了一第一宽槽道32，它包括一些分布在其内的较小槽道34。凸峰18″和33相对于它们自身或彼此不必是均匀分布的。小槽道34可用来藉助改变沿着槽道长度方向的摩擦力而控制流过宽槽道32的流体流动。
虽然图1和图2a-2c示出的是一些细长的、呈线性构造的槽道，但是，各槽道也可以采用其它的构造。例如，各槽道沿着槽道长度方向可以具有变化的横截面宽度一也就是，槽道可以沿着槽道的长度方向扩张和/或收拢。槽道侧壁的轮廓也可以被构造成不是沿着槽道的延伸方向或者沿着槽道的高度方向呈笔直的。通常，任何一种槽道都可以予以考虑，只要它们能提供至少多个可以在流体传输装置内部从一第一位置延伸至一第二位置的分离槽道部分即可。如果需要，可以将各槽道构造成沿着它们的总长方向保持彼此相互分离。
图3a和图3b示意性地示出了槽道结构的平面图，所述槽道沟槽可以形成本发明有源流体传输装置的结构化表面。如图所示，设置有多个彼此分离的、不平行的会聚形槽道36来中间收集流体。这些会聚形槽道36与单个分离槽道37相连。这样就可以将出口的设置减至最少。如图3b所示，一中心槽道38与多个槽道分支39相连，这些槽道分支由于类似原因可以设计成覆盖住某一特定区域。此外，本发明还可以采用任何一种图案，只要多个彼此分离的槽道是设置在所述结构化表面的那一自一第一位置至一第二位置的部分上即可。与上述的几个实施例类似，图3a和图3b所示设置样式的槽道最好是被一覆盖层所覆盖，以便进一步形成分离的流动槽道，从而可以基本上独立于其相邻槽道来沿着某一特定槽道提供势能。
对于上文中所提到的本发明任一种槽道，这些槽道都是藉助一结构层的第一主表面的结构化表面而形成在结构层内部。本发明的各槽道是被构造成彼此相互分离，从而可以使任一个槽道独立于其它槽道而承接来自于周围环境的流体。每一槽道的微结构化尺寸均有助于使大量的流体作单相的流动。由于液体内没有夹杂空气，因此，可以显著降低噪声的产生，而且可以将较小的应力施加于通过所述有源流体传输装置而传输的液体上。
本发明的微结构化表面的各个流动槽道基本上是彼此相互分离的。也就是，流体可以独立于相邻槽道内的流体而流动通过各槽道。各槽道相互之间单独地容纳势能，引导流体沿着或通过一特定槽道，而与相邻槽道无关。虽然相邻槽道之间可以有一些漫渗，但是，流入一个流动槽道的流体在很大程度上最好是不流入一相邻槽道。重要的是有效地保持住各微槽道的分离性以便有效地传输流体，并且保持住这些槽道所提供的优点。但是，对于所有的实施例来说，不是所有的槽道都必需是分离的。一些槽道可以是分离的，而其它槽道可以是不分离的。此外，槽道的“分离性”可以是一种例如藉助使压力上下波动而产生的暂时现象。
在美国专利申请No.09/09/099,565中，揭示了这样一种有源流体传输装置，它采用了一些未加以覆盖的微结构化流动槽道，当将所述传输装置放置在一具有匹配轮廓的表面(例如，放置在一平整表面上的平整结构化槽道式表面)上时，这些流动槽道将变成被顶盖住。该专利申请是与本申请同日申请的，其题为“用来与一流体传输源相连的、具有一敞口式结构化表面的流体导引装置”。
所述结构化表面是一形成有分离流动槽道的微结构化表面，所述流动槽道具有一最小的长宽比10∶1，在一些实施例中，该长宽比超过的100∶1，在其它一些实施例中，至少约为1000∶1。在顶端，所述长宽比可以是不确定地高，但一般是小于大约1,000.000∶1。一槽道的水力半径不超过大约300微米。在很多实施例中，它可以小于100微米，并且可以小于10微米。虽然对于很多的应用情况来说，水力半径越小越好(而且水力半径的大小可以是以亚微米为单位)，但是，对于大多数的实施例来说，水力半径通常是不小于1微米。正如将在下文中具体描述的那样，在这些参数范围内的槽道可以将大量的流体传输通过一有源流体传输装置。
所述结构化表面还可以设置一非常低矮的外形轮廓。这样，可以考虑采用结构化的聚合材料层的厚度小于5000微米，并且可能小于1500微米的有源流体传输装置。为此，可以由高度近似5至1200微米且凸峰间距约为10至2000微米的凸峰来形成各槽道。
本发明的微结构化表面提供了一种可对系统容积进行高度分布的流动系统。也就是，可以将流过这种流动系统的流体容量分布到一较大面积上。密度约从每厘米10个(25/英寸)至每厘米1,000个(2500/英寸)(横向于各槽道进行测量)的微结构化槽道可以提供较高的流体传输速率。通常，当采用一共用集流管时，每一槽道的长宽比比将集流管设置在槽道入口和出口处时大至少400％，更佳的是至少900％。长宽比的这种显著增大有助于势能的分布，从而使本发明具有突出的优点。
图4示出了一种液体捕获和抽除垫40，它具有一种与图1所示且在上文中描述的装置10相类似的有源流体传输装置。所述液体捕获和抽除垫40可以包括一毛细管模块25’，它与图1所示的模块25相类似，但它是呈一细长三角形的构造，并且是夹设在一支承层42和一液体吸收层44之间。当垫40使用时，所述液体吸收层44是设置在毛细管模块25’的上方，用作液体的收集器或容器，而且它可以使与该吸收层相接触的液体穿过所述吸收层。液体吸收层44基本上可以包括任一种能具有这些作用的材料，诸如非织造纤维网，尤其是那些具有熔喷法微纤维和微纤维网的非织造材料。在授予Insley的美国专利No.4,813,948中揭示了一种较适当的纤维网材料的例子。支承层42不仅可以为液体捕获和抽除垫40提供结构上的支承和完整性，而且还可以形成一底面，该底面对于将要收集的液体来说最好是不可渗透的。这样，就可以将液体收集和保持在液体吸收层44内部，并且可以防止它们穿过支承层42。毛细管模块25’包括一诸如集流管46之类的连接器，它最好与一诸如真空发生器之类的势能源密封地连接。
所述毛细管模块25’最好具有一定形状，以便使各入口48暴露在沿液体抽除垫40的整个长度方向的各个位置处。一种作法是为毛细管模块25’设置一些角形边缘49，这些角形边缘自集流管46附近的一位置处朝着液体吸取垫40的一个相对边缘集中。角形边缘49的使用增大了每一入口48的横截面面积。图4a示出了一边缘49的一部分，其中各槽道的各入口48被放大。各入口48在液体吸取垫40的结构内部是敞口的，最好是沿着所述液体吸取垫40的基本整个长度敞口，并位于各个横向宽度处。也可以设置其它形状的边缘以实现类似或不同的效果。例如，人们希望在一可能需要更多回收流体的垫子制品的某一区域集中设置一些入口。同样，可以在一块液体抽除垫40内部设置多个毛细管模块25’。多个毛细管模块25’可以自所述液体抽除垫40的同一侧或不同侧来加以设置，并且每一毛细管模块均与一些单独集流管或一共用集流管相连。
藉助构造这样一种液体捕获和抽除垫40，即，它具有一夹设在一液体吸收层44和一支承层42之间的毛细管模块25’，在将液体吸收层44位于支承层42的正上方并且其间没有毛细管模块25’的地方就能提供垫40的绝大部分的流体保持性能。也就是，如果将一覆盖层24(它可以是不能渗透流体的)设置在所述有源液压流体传输装置41内部，则流体将趋于流入所述装置41周围的下部区域内。藉助在各入口48处将流体吸出，并使流体通过有源流体传输装置41的任意数量的分离的槽道，可以有效地将流体从液体吸取垫40的基本整个表面中除去。
垫40还可以被构造成这样，即，支承层42是一与层12相类似的微槽式结构面。也可以除去支承层42，并将结构层12制成一定尺寸，使其延伸超过毛细管模块25’，并且最好是至少位于所述液体吸收层44的整个表面的下方(或一主要部分的下方)。在这样一种实施例中，延伸的结构层12将起支承层的作用，它可以防止流体从垫40下方经过。延伸的结构层可以与层12形成一体。“一体”指的是所述支承层和结构层12是同一个物品，即，是同时制造，不是分开生产然后再将它们连接在一起。在这样一种支承层内的各槽道可以如图3a和图3b所示那样呈枝状构造，以有助于使流体从延伸层12的外端流入毛细管模块25’内。
本发明微结构化槽道的使用能藉助有源流体传输装置41来除去流体，而不会产生很大噪声。正如上文所指出的，这主要是由于微结构化槽道有助于使流体单相地流过每一独立的槽道，并且可以最大程度地减少空气/液体混合现象和紊流现象。单相流可以为塞状流或连续单相流的方式流过各槽道。
在需要排放和除去流体的应用场合中可以利用一种诸如本文所描述的液体吸取和抽除垫。这些应用可以包括从手术区的地板和设备、手术床单、床垫中除去流体，以及从个人护理装置中的一些小型结构，诸如失禁用尿布和尿垫中除去流体。所述吸收垫还可以用在一些工业应用中，以将从机器中泄漏或滴落下来的油和其它液体除去。
可以设计出多种构造的毛细管模块，以便提供所需的性能。可以采用多层线性微结构，以增大模块每单位宽度的流量。可以构造一些具有端部集流管的模块，以提供一些在一结构层的内边缘上而不是在附图所示的周缘或外边缘处暴露的槽道入口。藉助切掉结构层的一内部，可以使槽道入口暴露在结构层上。这将使那些槽道入口暴露在外，这些槽道入口是直接连接于诸如真空之类的势能源，以及那些借助一端部集流管和直接连接的槽道而与所述势能源相连的开口。
在与本专利申请同日申请且题为“微结构化分离装置”的美国专利申请No.09/100,163中，揭示了一种这样一种装置，它具有类似的构造，但是它具有一覆盖住微结构化流动槽道的、可有选择地渗透的分离介质。
如图5所示，可以对多个层12进行构造以形成一层叠块50，每一层均具有一微结构化表面13。由于每一层显著增大了流量，因此，这种构造显然可以成倍增大该结构传送流体的能力。各层可以包括不同的槽道构造和/或不同数量的槽道，视具体应用情况而定。此外，这种堆叠式的构造能特别适于那些宽度受到限制从而需要一相对较狭小的流体传输装置来获得一定的流体传输能力的应用情况。这样，就可以使所制造出来的狭小型装置具有增大的流动能力。
层叠块50的一个显著优点是各层12的一第二主表面51(与结构化表面13相对置的那一表面)可以封闭或覆盖住一相邻层12的各槽道。换言之，虽然可以利用一些彼此单独的覆盖层来特别覆盖住最上那层的裸露微结构化表面13，但是，这些覆盖层是不需要的。然而，可以将这些单独的覆盖层设置在所述第二主表面51上来作为一附加层。选择用于这样一种附加层的材料可以是一种聚合材料或视具体应用情况而定。所述层叠块内的各层可以以任何一种上文所描述的传统方式彼此相粘接，或者可以将它们很简单地彼此相互堆叠而使该层叠块的结构完整性能适当地形成一些彼此相互分离的流动槽道。如上所述，当将真空用作势能源时，该能力会有所增强。所述第二主表面51可以如图所示那样呈平面状，或者可以是一与表面13相类似或不同的结构化表面。
虽然图5所示装置包括一个由五层结构层12构成的层叠块，但是，也可以将各层叠块构造成具有其它数量的层叠块，例如具有大于10层或甚至大于100层的结构层，而且可以包括可聚合成一较大层叠块的一些辅助层叠块。例如，可以将图5所示的5层式层叠块一分为四，四个辅助层叠块的每个(具有一些层叠块入口)均可以聚合进入图5所示的较大层叠式构造，该较大层叠式构造随后再连接于一与势能源连通的连接器。所述层叠块可以包括多个连接器，以便可以连接多个具有各种势能的势能源，以用作该层叠块内的各子集。
在与本专利申请同日申请、题为“结构化表面过滤介质”的美国专利申请No.09/106,506中描述了一些可以用作过滤介质的层叠式微结构槽道。
在图6中，在一抽吸器54内采用了一种诸如图5所示的层叠式构造。所述抽吸器54采用一包括多个层12的层叠块50，每一层在其一个主表面上均具有一微结构化聚合材料表面13。各层12的第二主表面51起一覆盖层的作用，可以将相邻底层12的各槽道16封闭住而形成一层叠块或毛细管模块50，它在抽吸器54的顶端或端部具有多个层槽道入口19。所述第二主表面51可以是由聚合材料制成，或者可以根据需要用其它材料，例如金属箔来加以覆盖。
毛细管模块50能与一包括一管道56和一接头58的连接器55相连。所述管道56可以紧固于或连接于一诸如真空之类的势能源。所述接头58在密封连接区59处将横截面呈方形的毛细管模块50与横截面呈圆形的管道56相连。所述接头58可以按传统方式与管道56密封地连接，并藉助粘接剂或其它粘接技术与模块50相连接。所述层叠块或模块50可以用或也可以不用一导管或管道来进一步密封。或者，所述管道56和模块50可以藉助一段在收缩之前将所述管道56和模块50的端部插入其内的热收缩管道而连接起来。层12以及层叠块50可以自接头58仅延伸一小段距离，从而可以提供一个相对较坚强的抽吸器端部，或者各层12可以进一步延伸，以使抽吸器54更加柔软。为了能提供一柔性且舒适的抽吸器端部，各层12最好在层的整个表面上不彼此相互粘接或固定，尤其是在端部，以使各层能在各槽道12的纵向彼此相互滑动或移动。这种独立的滑动能使顶端围绕一垂直于各流动槽道16的轴线弯曲。当用在一抽吸器中时，所述模块的长度一般将约为1至10厘米。一种较坚强的抽吸器可能更适于插入紧密空间内，而柔性可能是需要的，从而可以将所述抽吸器的顶端定位在一更远的位置，同时还与一通向该位置的通道相适应。
还可以将一护套套置在如上文所描述的毛细管模块50之外。根据应用情况，可以将一多孔或封闭的护套设置在所述层叠块周围。在那些将护套用作一滤网或过滤器的情况中，可以采用一种多孔护套，而在那些需要对液体进行流体传送或抽除的内窥镜手术应用场合中，一种封闭的护套构造可能是比较合适的。
还可以将一有源流体传输装置用作一烟雾或气体抽空器。例如所述柔性抽吸器可以用在那些可能遭遇到来自激光手术的缕缕烟雾影响的应用情况中。它还可以用作地质合成膜从填埋地中回收甲烷气体以及渗透的流体或气体。
各层12最好是不要彼此相互粘接，虽然如果需要可以将它们连接成这样。在各层12没有粘接在一起的情况中，可以依赖于层叠块50的完整性，和/或通过管道56所施加的真空来适当地形成各分离的流动槽道16。根据本发明，层12的微结构化表面13可形成促进单相液体流动的流动槽道16。这也有利于降低噪声，这在医学领域中是特别有利的。
包括一个由一些彼此未连接起来的各层12所形成的层叠块的抽吸器54还具有另一个优点可以将所述层叠块50分开，甚至可进一步细分为多个抽吸器分支。也就是，可以将层叠块50的一部分导引至一特定位置，在该处将流体X抽取出来，而将层叠块50的另一部分导引至另一区域，在该处将流体Y抽取出来。具体地说，在抽吸器54依靠一通过导管或管道56所提供的真空来除去流体时，可以将其分成任意数量的分支，由此可以在每一分支内部提供多个彼此分离的流动槽道。管道56也可以被细分，从而将来自于每一特定分支或层叠块50的细分块的流体导引至其各自的导管，从而使流体适当流动。同时还可以藉助这种装置来进行冲洗和/或抽吸。也就是，可以利用各独立导管来对一冲洗流体和一抽吸流体进行传输。由于每次可在一个以上的位置处进行抽吸，因此该特征对于包括牙齿治疗在内的医疗用途来说是特别有利的。
一种层叠式模块构造可以包括多个彼此相互紧靠设置的层叠块。也就是，可以将一种诸如图5所示的层叠块设置在一个相类似或不同的层叠块的附近。然后，可以藉助一诸如图6所示的接头将它们集合在一起，或者可以将它们单独地与一流体传输管道或其它类似物相连。
虽然图6所示的抽吸器具有一基本上呈直线形状的轮廓，但是，在一些实施例中，人们可能希望采用一种不同构造的抽吸器。例如，所述管道56或接头58以及/或层叠块50可以是弯曲的或可以弯曲的，从而可以使该抽吸器到达较困难的区域或者可以使抽吸器自我支承。例如，牙医可以利用图6所示的抽吸器来将病人口中的唾液和水漱洗流体抽吸出来。如果抽吸器的端部是具有弯钩的，则可以将它搁置在病人唇上。管道56或接头58最好是柔性的，以便获得这样一种弧形构造，并且可以由一种极柔材料制成，或者可以包括这样一种材料，以将该抽吸器暂时弯曲成这样一种弧形构造。这样一种装置是极为有益的更便于牙医和病人作相互沟通而无需克服在这传统的牙齿治疗用抽吸器中存在的噪声。
其它特征或零部件也可以设置在槽道16的各入口19的前部，以起到附加作用。例如，可以藉助粘附一块棉纱布或海绵状材料而将一柔软的纤维质端部设置在抽吸器上。该特征对于牙齿治疗或其它医学应用来说可能是特别有用的。还可以将一些特征添加在所述模块的槽道出口侧上，从而可以与一抽吸器一起或替代该抽吸器来提供例如冲洗作用。
目前的抽吸器技术通常采用大直径管子来获取和传送抽吸液体。对于这些管子来说，内径为1厘米或1厘米以上不是罕见的。除非这些管子在使用过程中被彻底淹没(这是不太常见)，所述抽吸器主要是对两相流起作用，其中空气是连续相，它促使液体在流动系统内流动。这就需要相对较大的气一液比，以这种气-液比，流动空气的动量将足以携带液体。气流的所需动量对于常用医疗抽吸器的功能具有很多负面影响。这些负面影响可以包括对在抽吸器顶端接触到的组织造成外伤、由于剪切和充气使抽吸出来的血细胞受损、大量的空气流动可能会导致潜在生物危害液体雾化、增大职业的照射，以及它们工作时的总噪声值。
图7示出了本发明的有源流体传输装置60的另一实施例。装置60可以包括一与图1所示装置10相类似的构造。也就是，它可以包括一层62，在该层的主表面之一上具有一微结构化表面，并且具有至少多个被一覆盖层64所覆盖而形成毛细管模块65的槽道。覆盖层64可以具有如上文结合图1所描述的厚度尺寸。为了能获得良好的传热特性，覆盖层64的厚度最好约为.02至.2毫米。所述毛细管模块也可以具有如上文结合图1所描述的尺寸。各槽道(未示)最好是设置成使各入口(未示)与一入口集流管66呈流体连通，而在所述装置60的另一边缘处，一出口集流管68可以与各槽道出口(未示)流体连接。势能源可以借助入口集流管66或出口集流管68而与传输装置60相连，这视需要如何将流体流动通过该装置而定。例如，可以采用一泵(未示)，通过一包括集流管66的连接器，将所述泵与所述入口集流管流体连接起来，可使流体从入口集流管66流动至出口集流管68。或者，可以通过一包括那一集流管的连接器，将一真空设置成与出口集流管69流体连通。
在希望使某一流体循环流过装置60以藉助其与层62或64相接触来改变流体的特性的情况中，有源流体传输装置60可能是特别有用的。也就是，藉助使流体通过那些由层62和64形成的槽道，可以对所述流体加以处理。流体处理作业可以包括藉助放置在各槽道表面上或其内的组分而促进的化学反应、催化反应和电离反应。由于槽道表面面积与槽道容积之比很大，因此，诸如藉助将流体组分吸收在适当准备的槽道表面上的分离处理作业将是有效的。可以采用相同的特征，以便在接触层62或64用作一监测或检测系统中的流体界面部分的情况中，可以对流通流体进行监测或检测。一流体检测系统可以对流体的传导率、PH值、温度或组分进行监测。或者，可以对一种当其循环流过各槽道时受周围环境影响的流体进行监测，作为一种其中装置60可自行起作用的检测系统的一部分并作为一监测或检测系统的组成部分。流动槽道的表面可以被功能化，以响应或检测这些物理状况。加热或冷却能够用来热处理该流体。在与本专利申请同日申请且题为“微槽化有源流体热交换器”的美国专利申请No.09/099,632(代理案号53634USA8A)中揭示了一种微结构化槽式有源流体热交换器。还可以将不同组分的流体液流合并在一起以彼此相互作用和处理，作为一种导致反应、稀释或混合的措施。否则，流体可以改变层62和/或64的特性，例如一热交换器。在远离层62或64处，可以采用一诸如显微镜或分光计之类的观察、检测或分析装置，以便当流体以薄膜形式通过各槽道时对流体进行分析。在任何一种情况中，正如所提到的任一个实施例那样，可以用柔性、半刚性或刚性的材料来制造所述结构。
如果采用柔性材料，这种装置的机械柔性特征可以使它用在一些廓形构造中。柔性装置可以是相对较大，从而可以很方便地对它们加以处理，而不会发生断裂，并且可以在一需要受该装置影响的较大区域上提供一种高度分布的流体流。一种柔性流体传输装置可以呈一毯子的形式，例如，用来对一病人进行冷却或加热。这样一种柔性装置可以与一物体相一致，或者可以使其与一(例如，设置在一软垫上的)物体整体结合在一起。虽然所述流体传输装置可以是柔性的，但是，这也证明了它具有抵抗因加载和扭弯而破坏的能力。毛细管模块65的微结构化特征能提供足够的结构，它可以用在任何一种有源流体传输装置中，以提供承载完整性以便支承住例如一站立着的人。流动槽道的小尺寸，以及它们的几何形状，可以将相对较大的作用力(例如，超过10kpa或者甚至大于50kpa)施加于所述表面上，而不会使各流动槽道被破坏。
图8示出了用在一病人身上并与一收集容器57相连的抽吸器54。在这种情况中，所述收集容器57可以与一势能源相连，诸如一较小的真空泵。可以利用一种如图8所示的抽吸器来将诸如血液、血浆或身体分泌物之类的体内流体，或者诸如缓冲盐溶液、无菌溶液等手术用冲洗流体从一手术场所中除去。
图9示出了本发明的有源流体传输装置的许多特定使用情况。在医疗领域，流体采集和抽除垫40可以放置在溢出可能发生的地方，以便吸收和去除溢出的液体。根据需要，可以连续或间断地进行清除操作。回收的液体可以是体液或医疗喷洗液体。也示出了以上所述的抽吸器54，用来在医疗过程中清除例如体液，而同时示出病人位于一装置60上，该装置可以是柔性毯的形式，以对病人进行例如加热或冷却。
传热装置，如图7和9所示的装置60具有某些优点。由于传热流体被保持在很小的槽道内，在各槽道内只有很小的流体停滞。各槽道内的层状流显示了这样一种流动速度分布，即，在槽道中心的流体的速度最大。在此流动状态下，槽道周边的流体基本上是停滞的。按照一槽道的尺寸、流体的导热性、以及流体流过槽道所需的时间，这流动分布图可以在槽道的横截面上产生一个很大的温度梯度。相反，根据本发明的具有最小长宽比和水力半径的槽道将在槽道的横截面上产生一个较小的温度梯度，这是因为其具有较小的传热距离。当流体通过槽道时受到一个不均匀的热载荷时，有一个较小的温度梯度是较为有利的。
传热流体在小槽道系统中的驻留时间，从入口集流管66至出口集流管68基本上是均匀的。由于能使流体受到的热载荷的不均匀性减至最低，所以均匀的驻留时间是比较有利的。
温度梯度的减小以及均匀的驻留时间还有助于提高总的效率，对于一给定的传热速率而言，可以允许在传热流体和被加热或冷却的元件之间有较小的温差。当把热交换器用于诸如皮肤或组织接触的热敏感场合，较小的温差可减少不希望有的局部热或冷的区域。传热模块中的单位体积的传热流体的大接触表面积会增加系统的容积效率。
该传热装置特别适用于有限的区域。这种以带有微观结构的薄膜为基础的装置在材料方面的节省使得它们非常适合于有限的或单个应用的场合，如医用装置，这些装置需要被丢弃而解决污染问题。
本发明之传热装置的优点在于，它可以是柔性的，使其能用于各种场合。该装置可以围绕尖陡的弯头或曲线来构形。其柔性还使装置可以用于需要和不规则表面接触的场合。包括热交换器在内的本发明的流体传输装置可以被制成为柔性的，使该装置或毛细管模块可以围绕一个直径约为1英寸(2.54cm)或更大的心轴，而不会对流动槽道或结构化的聚合材料层造成很大的压缩。本发明的装置还可以用这样的聚合材料来改造，这种材料可允许流体传输装置无损害地围绕一个直径约为1cm的心轴。
都是授予Marentic等人的美国专利5,069,403和5,133,516揭示了在一聚合材料层(如-聚合薄膜)上制作结构化表面特别是微结构化表面的方法。结构化表面还可以利用授予小Benson等人的美国专利5,691,846中所描述的原理和步骤来连续地微观复制。描述微结构化表面的其它专利包括授予Johnston等人的美国专利5,514,120、授予Noreen等人的5,158,557、授予Lu等人的5,175,030和授予Barber的4,668,558。
按照这些技术制作的结构化聚合材料层可以被微观地复制。设置微观复制的结构层是有利的，这是因为这些表面可以大批量地制作，无需从产品一产品作很大的变化，也无需用相对较为复杂的加工技术。这些微观复制的表面最好是这样制作的，即，在制造过程中，结构化表面的特征可以保持一单个特征的精确度，从产品一产品的变化不超过25微米。
用于本发明任何一个实施例的流体传输层可以用各种不同的聚合物或共聚物制成，包括热塑性、热固性和可硬化共聚物。在此，与热固性材料不同，热塑性材料指的是在受热时软化和熔化、在冷却时重新固化、并且可以熔融和固化多次的聚合物。另一方面，热固性共聚物则在受热和冷却之后不可逆地固化。聚合物链互连或交联的硬化聚合物系统可以通过利用化学制剂或离子辐射而在室温下成形。
可用于形成本发明制品的聚合物包括但不限于聚烯烃，如聚乙烯和聚乙烯共聚物、聚丙烯、乙烯/乙酸乙烯酯共聚物、乙烯/丙烯酸乙酯共聚物。其它有用的聚合材料包括乙烯基聚合物(例如聚氯乙烯、聚乙烯醇、氯乙烯/乙烯醇共聚物、聚偏二氯乙烯、聚偏二氟乙烯(PVDF))、丙烯酸酯共聚物(例如聚甲基丙烯酸甲酯)、聚碳酸酯共聚物、聚酯(例如聚对苯二甲酸乙二醇酯)、聚酰胺(例如尼龙)、聚氨酯、多糖(例如乙酸纤维素)、聚苯乙烯(例如聚苯乙烯/甲基丙烯酸甲酯共聚物)、聚硅氧烷共聚物(例如聚硅氧烷和有机聚硅氧烷共聚物)。流体传输构件可以用诸如丙烯酸树脂或环氧树脂之类的可硬化树脂材料(单体和预聚合物的混合物)模制，并且通过游离基聚合作用通道来硬化，并通过暴露于热、紫外线、γ射线或电子束辐射而加以化学地促进。在本发明的聚合物中可以采用增塑剂、填料或补充剂、抗氧化剂、紫外光稳定剂、表面活性剂等。
如上所述，有需要采用柔性有源流体传输装置的场合。可以利用授予Smith等人的美国专利5,450,235和授予小Benson等人的5,691,846中所描述的聚合物对一结构层赋予柔性。不必将整个聚合层都用柔性聚合材料制作。例如，本体层(图1中的15)可以有柔性聚合物构成，而结构化部分或某些部分可以由更具刚性的聚合物制成。在该段落中所引用的专利描述了以此方式来利用共聚物制作具有微结构化表面的柔性制品。可以设想的是，如果需要，本体层还可以用除聚合物以外的材料来制作。
包括聚合物混合体的聚合材料可以通过热熔混合一些增塑的活性制剂(如表面活性剂或抗菌制剂)来进行改型。可以通过蒸镀或利用离子辐射的功能部分(functional moeities)的共价接枝，实现结构化表面的表面改型。美国专利4,950,549和5,078,925揭示了，例如借助离子辐射来将单体接枝聚合于聚丙烯的方法和技术。这些共聚物还可以包含添加剂，以对结构化聚合材料层赋予各种性质。例如，可以添加增塑剂来降低弹性模量而提高柔性。
流体(包括气体和液体)的有源传输对很多装置的工作而言都是很重要的。这些工作包括例如传热、传质、离子交换和化学反应。另外，本发明提供了一种可用于诸如化学或辐射反应器场合的有源薄膜反应的装置和方法。在一化学反应器中，一种化学制剂或催化剂可以类似地被制成在一个微结构化表面上或一个交界面上。在一辐射反应器中，可以将某些形式的辐射通过一表面来传递，以在被传递的流体中产生一种作用。
本发明的较佳实施例可以采用薄的柔性聚合物薄膜，它具有作为带有微结构的元件的平行的直线构形。为实现本发明的目的，可以将“薄膜”看成是一个薄的(厚度小于5mm)、大致为柔性的聚合材料片。利用这种具有精确限定的带有微结构的薄膜表面的低成本的薄膜，在经济上有很大好处。柔性的薄膜可以与很宽范围的覆盖材料结合使用，可以不受支承或在需要时与一支承体相结合。由这样的微结构化表面和覆盖层形成的毛细管模块对很多场合都是柔性的，但也可以在适当的场合与一刚性的结构体相联系。例如，当采用结构化表面来抽吸流体时，希望将模块附连于一可作为把手的刚性体。结构化表面具有相互独立的槽道，它们可以压制在一个连续的表面区域上，以允许独立的流体在各个独立的结构化槽道之间移动。
由于本发明的有源流体传输装置包括微结构化槽道，每个装置都共同采用多个槽道。如上述的一些实施例所述，本发明的有源流体传输装置可以很容易地具有每个装置10或100个槽道。对某些应用场合，有源流体传输装置可以具有每个装置多于1,000或10,000个槽道。连接于一单个势能源的多个槽道可允许势能作用高度地分散。对诸如一抽吸器之类的装置而言，势能通常是采用大约20至大约40kPa，更通常的是采用大约40至大约60kPa。
本发明的有源流体传输装置可以具有每平方厘米横截面多达10,000个槽道入口。本发明的有源流体传输装置可以具有每平方厘米至少大约50个槽道入口。典型的装置可以具有每平方厘米大约1,000个槽道入口。由于在单位横截面积上有如此多的槽道入口，可以在有源流体传输装置的那些部位将势能作用高度地分散，因而对接触槽道入口区域的物体所施加的力是可以忽略不计的。
实例实例1--液体采集和抽除垫可以利用一由聚合材料层形成的毛细管模块来构造一个真空辅助液体采集装置，所述聚合材料层包含多个被一个平的薄膜所覆盖的微结构化槽道。该装置类似于图4所述的装置。为了完成该装置，可将一非织造吸收制品放到毛细管模块上，并使毛细管模块连接于一真空源。
毛细管模块是这样形成的，即，将带有微结构化槽道的聚合材料层层压于一层Scotch PackTM型29905薄膜上。所述微结构化的层是通过将熔融的聚合物浇注到一个镍质工具上而形成的，所述镍质工具的一个表面上有微结构化槽道。用于形成结构层的聚合物是低密度聚乙烯，如来自于Eastman化学公司的TeniteTM1550P。该聚合物的割线模量是193×106帕斯卡，这是用ASTMD 790来确定的。将一种非离子表面活化剂(如来自于Rohm & Haas公司的TritonX-102)熔化并混合于所述基体聚合物，以增加结构层的表面能量。各槽道是形成在模制聚合物的连续的长度方向上。镍质模制工具是这样制作的，即，用钻石划刻工具对一个平滑的铜表面进行成形处理以形成所需结构，随后再实施一个无电的镀镍步骤以形成一个镍质工具。对这个用来形成聚合材料层的工具加以制作，以制出如图2a所示那样的微结构化“V”形槽。这样形成的槽的标称深度为459微米，而其开口宽度为420微米。于是，当把槽道覆盖时，就能使其具有62.5微米的水力半径。结构化聚合材料层和覆盖层的尺寸都是40×10厘米(cm)。带有微结构层的线性微结构平行于层叠件的纵轴线。将聚合材料层和覆盖层并置，使各个微结构化槽道对着低熔点ScotchPackTM型薄膜。
随后，通过热熔接将结构层和覆盖层相互熔合。热熔接接头大约是5毫米(mm)宽，并且仅在外侧边缘上平行于层叠件的纵轴线。毛细管模块的构造是这样实现的，即，将熔接的层叠件的一端切割成V字形，从而沿模块的长轴线暴露毛细管开口。
通过将该毛细管模块夹设于一层非织造吸收制品和一薄的不透液薄膜之间，即可完成装置的组装。如授予Insley的美国专利4,813,948所述的那样制备吹制的微纤维吸收制品，它是由与15旦尼尔的PET短纤维(20wt％)相结合的聚丙烯(Fina 400 MFI)微纤维(60wt％)纤维网源(其带有直径为5-10微米的纤维)、以及微纤维的微纤维网(20wt％)构成的。在挤出过程中，在所有微纤维成分中以10wt％的纤维添加率将一种非离子表面活性剂(如可以从北卡罗莱纳州的Charlotte的Henkel购得的OP9型)熔化并混合于树脂，以使纤维马上能被水润湿。所获得纤维网的重量和充实度分别是每平方米180克(180g/m2)和6％。纤维网的体积吸收性为2000cm3/m2。支承层是-0.02毫米的薄膜(75wt％的PP和25wt％的EVA，来自于Dow化学公司)。吸收纤维网和支承层通过一热熔喷射的粘合剂相互结合。粘合剂(来自于明尼苏达州圣保罗市的H.B.Fuller的HL-1358-X ZP)是以10g/m2的密度涂敷于吸收制品。毛细管模块位于结构内，只有一小部分模块伸出吸收纤维网和支承层。模块的V形端部对准吸收片的中心。
随后，将一集流管装配于毛细管模块的伸出端。该集流管是这样形成的，即，在例如来自于纽约州Rochester市的Nalge公司的Ⅵ级、内径3.18mm、壁厚1.6mm的管材的侧壁上形成一切缝。该切缝是借助一剃刀顺着沿管子轴线方向的一根直线切割出来的。切缝的长度大致等于毛细管模块的宽度。随后，将管子套到毛细管模块的端部上，并热熔地胶接到位。可以用热熔粘合剂将毛细管模块处的管子敞开端封闭。
该装置的流体抽除能力是这样估计的，即，使吸收剂饱和，并通过所述管材将毛细管模块连接于一真空源。将被测试装置以吸收侧向上的方式放到位于一顶载型秤的顶部的盘子上。在对测试装置施加了28毫米汞柱(Hg)的真空作用之后，记下垫子中的水含量，并确定液体的抽除速率。抽除速率的结果如以下的表1所示。
表1
如上可证明，该装置可以有效地从排放点采集和抽除液体。该测试装置特别适合于处理高度饱和的或满滥程度的流体，并且能以接近1升/分钟的速率来抽除流体。该装置能接受多种流体的负荷，并且基本上都是以无声的方式工作。在吸气瓶中观察到，在抽出的流体中只夹带了相对少量的空气。该液体采集和抽除垫是耐用的和柔性的，并具有覆盖和顺从于它所放置于上的表面外形的能力，而且可以弯曲在成尖陡的外形之上，不会损害毛细结构。毛细管模块的微结构化表面在机械性能方面是耐久的，并且能承受站立或坐在带有滑轮的凳子上的一个人的重量(大约25Kpa)，不会使模块破坏。
实例2-医用抽吸装置利用类似于图5所示层叠块那样的一叠微结构化槽式聚合材料层，可以构造成类似于图6所示抽吸器的真空辅助抽吸装置。该层叠块是这样制作的，即，将实例1中的微结构化带槽道的条层叠在一起，使一个薄膜层的微结构对着相邻层的光滑的后侧面，藉以生成一个毛细管模块。微结构化聚合材料层的直线槽道结构的取向为平行于层叠块的纵轴线。各结构聚合材料层的尺寸是5mm×115mm。用10层结构层来形成毛细管模块。将一个集流管附连于层叠块的一端，以便于附连一真空源。集流管是由热收缩管材制成，与实例1中一样，套在层叠块和一连接管子的端部。随后，使该收缩管(可购自于明尼苏达州圣保罗市的3M公司)围绕连接管和层叠块被热膨胀而后收缩。
为测试装置的采集和传输能力，将一个25毫升(ml)的量筒装满水并抽空。在将一个28mm Hg的真空源连接于毛细管模块的集流管之后，使抽吸器的末端接触并伸入液体表面下方大约5mm。抽吸器的末端将随着支柱的下降而向下移动。抽空量筒所需的时间是7秒，因而平均抽除速率是214ml/min。
由于抽吸器中的小槽道的作用，在所采集的液体中只夹带有很少量的空气。这相对于已有技术的抽吸器技术而言是一个非常重要的区别。
该实例的装置带有大约200个分开的槽道，每个槽道均具有1840∶1的长宽比和62.5微米的水力半径。毛细管模块的小槽道很容易被吸入的流体所充满，因而不会以两相流的方式来携带流体。
由于吸气模块两端的压差较小，所以可将该装置用作一导管或外科排放装置。由于是用充满的毛细管而不是用敞开的管子来工作，所以该装置可以使空气回流进入体腔的可能性减至最小。
权利要求
1．一种有源流体传输装置，包括(a)一聚合材料层，该材料层具有一包括一个结构化表面的第一主表面，所述结构化表面上设置有多个分离的流动槽道，各流动槽道沿着结构化表面从一第一位置延伸至一第二位置，并具有约为10∶1的最小长宽比和不超过约300微米的水力半径；以及(b)一流体连通于各分离流动槽道的连接器，该连接器允许来自结构化聚合材料表面外的势能源对各流动槽道施加一势能，以促使流体经过所述各流动槽道，从第一位置移动至第二位置。
2．一种有源流体传输装置，包括(a)一聚合材料层，该材料层具有一包括一个结构化表面的第一主表面，所述结构化表面上设置有多个分离的流动槽道，各流动槽道沿着结构化表面从一第一位置延伸至一第二位置，并具有约为10∶1的最小长宽比和不超过约300微米的水力半径；以及(b)一位于所述聚合材料层外的作用源，该作用源可提供一作用于各流动槽道的势能，以促使流体经过所述各流动槽道从第一位置流动至第二位置。
3．一种有源流体传输装置，包括(a)一毛细管模块，该模块包括一聚合材料层，该材料层具有一包括一个结构化表面的第一主表面，所述结构化表面上覆盖有一个限定了多个分离的流动槽道的覆盖层，分离流动槽道允许一流体从一第一位置传输至一第二位置，并具有10∶1的最小长宽比和不超过300微米的水力半径；以及(b)一流体连通于各分离流动槽道的连接器，该连接器允许来自结构化聚合材料表面外的势能源对各流动槽道施加一势能，以促使流体经过所述各流动槽道，从第一位置移动至第二位置。
4．如权利要求1或3所述的有源流体传输装置，其特征在于，它还包括一位于所述结构化表面外侧的势能源，该势能源可促使流体经过各流动槽道，从第一位置流动至第二位置。
5．如权利要求1-4所述的有源流体传输装置，其特征在于，所述聚合材料层是微观复制的。
6．如权利要求1或3所述的有源流体传输装置，其特征在于，所述连接器包括一其内限定有一空腔的集流管，该集流管流体连通地设置在各流动槽道和势能源之间，来自于势能源的势能通过集流管施加于各流动槽道。
7．如权利要求1或3所述的有源流体传输装置，其特征在于，所述连接器包括以下的一个或多个一集流管、一压缩联接件、密封件、或将一管道流体连通地连接于各流动槽道的垫圈、毛细纤维、一微结构化流体管道、一用于使各分离的微结构化流动槽道座落在一离心机中的系统、以及一用于在槽道入口或槽道出口处对流体流加以引导的系统。
8．如权利要求1-7所述的有源流体传输装置，其特征在于，所述各流动槽道包括一相对于所述结构化表面并列的覆盖层。
9．如权利要求8所述的有源流体传输装置，其特征在于，所述覆盖层密封地固定于所述结构化表面，以限定所述各分离的流动槽道。
10．如权利要求2或4所述的有源流体传输装置，其特征在于，所述势能源包括以下的一个或多个一真空发生器、一泵、一风机、一磁性水力驱动器、一声音流动系统、一离心机和一静水压头。
11．如权利要求1-10所述的有源流体传输装置，其特征在于，所述结构化表面包括若干个V形槽道，和/或各流动槽道是构造成为在略为平的凸峰之间有一个平的槽谷，和/或所述结构化表面包括多个槽道，在这些槽道之间设置有较小的槽道。
12．如权利要求1-11所述的有源流体传输装置，其特征在于，所述流动槽道包括多个分离的会聚槽道，它们连接于一较大的分离槽道。
13．如权利要求1-12所述的有源流体传输装置，其特征在于，所述各流动槽道的最小长宽比超出100∶1，所述水力半径不超过100微米。
14．如权利要求1-13所述的有源流体传输装置，其特征在于，所述各流动槽道具有至少为1,000∶1的最小长宽比。
15．如权利要求1-14所述的有源流体传输装置，其特征在于，所述长宽比小于1,000,000∶1。
16．如权利要求1-15所述的有源流体传输装置，其特征在于，所述水力半径小于10微米。
17．如权利要求1-15所述的有源流体传输装置，其特征在于，所述聚合材料层的厚度小于5,000微米，所述各流动槽道是由各凸峰限定而成的，这些凸峰的高度约为5-1,200微米，并且具有大约为10-2,000微米的峰距。
18．如权利要求1-3所述的有源流体传输装置，其特征在于，所述微结构化槽道的密度是大约每厘米10个至每厘米1,000个。
19．如权利要求6所述的有源流体传输装置，其特征在于，所述各流动槽道的长宽比至少比所述集流管大400％。
20．如权利要求1-19所述的有源流体传输装置，其特征在于，所述装置包括层叠块形式的多层结构层。
21．如权利要求20所述的有源流体传输装置，其特征在于，所述聚合材料层具有一第二主表面，该表面覆盖所述第一主表面上的结构化表面。
22．如权利要求20-21所述的有源流体传输装置，其特征在于，所述层叠块包括至少10层结构层。
23．如权利要求1-22所述的有源流体传输装置，其特征在于，它还包括设置在各流动槽道入口和出口处的第一和第二集流管。
24．如权利要求1-23所述的有源流体传输装置，其特征在于，所述各流动槽道可影响从中流过的流体的某一特性，或者各流动槽道可提供一分离处理，使从中流过的流体具有来自于其流体流的多个组分。
25．如权利要求1-24所述的有源流体传输装置，其特征在于，所述各流动槽道是构造成为能使不同组分的流体流汇合在一起相互作用。
26．如权利要求1-24所述的有源流体传输装置，其特征在于，所述各流动槽道是由所述结构化表面和一覆盖层限定的，所述结构化表面和覆盖层相互结合成毛细管模块的形式，该毛细管模块可以围绕一直径约为2.5厘米的心轴，不会对流动槽道造成很大的压缩。
27．如权利要求1-26所述的有源流体传输装置，其特征在于，所述聚合材料层包括一本体层，构成该本体层的聚合物的柔性高于形成结构化表面的聚合物的柔性。
28．如权利要求1-27所述的有源流体传输装置，其特征在于，所述聚合材料层是薄膜形式的。
29．如权利要求1-28所述的有源流体传输装置，其特征在于，它具有100个以上的分离的流动槽道。
30．如权利要求1-29所述的有源流体传输装置，其特征在于，它具有1,000个以上的分离的流动槽道。
31．如权利要求1-30所述的有源流体传输装置，其特征在于，它在每平方厘米上具有10,000个槽道入口。
32．如权利要求1-31所述的有源流体传输装置，其特征在于，所述连接器包括多个分离的管道，它们都流体连通于各分离的流动槽道。
33．如权利要求1-32所述的有源流体传输装置，其特征在于，所述各槽道沿着它们的整个长度分离。
34．如权利要求1-33所述的有源流体传输装置，其特征在于，所述水力半径小于10微米，而所述聚合材料层的厚度小于5,000微米。
35．如权利要求1-34所述的有源流体传输装置，其特征在于，所述聚合材料层具有一第二主表面，该表面包括一结构化表面，在该结构化表面上设置有分离的流动槽道。
36．如权利要求35所述的有源流体传输装置，其特征在于，所述第二主表面包括一聚合材料。
37．如权利要求3所述的有源流体传输装置，其特征在于，所述毛细管模块的厚度为1-10微米。
38．如权利要求3所述的有源流体传输装置，其特征在于，所述毛细管模块的厚度为2-6微米。
39．如权利要求3所述的有源流体传输装置，其特征在于，所述毛细管模块是柔性的。
40．如权利要求1-2所述的有源流体传输装置，其特征在于，所述各流动槽道是由所述结构化表面和一覆盖层形成的，所述结构化表面和覆盖层相互结合成一毛细管模块的形式，该毛细管模块可以围绕一直径约为2.5厘米的心轴，不会对流动槽道造成很大的压缩。
41．如权利要求1-40所述的有源流体传输装置，其特征在于，所述各流动槽道包含能在流体流过各槽道时使之发生化学反应、催化反应和离子反应的组分。
42．如权利要求1-41所述的有源流体传输装置，其特征在于，所述各流动槽道可检测从中流过之流体的物理性质。
43．一种液体采集和抽除垫，包括如权利要求1-42所述的有源流体传输装置，并且还包括一当垫子被使用时设置在聚合材料层上方的液体吸收层，该液体吸收层可允许与该层接触的液体透过。
44．如权利要求43所述的液体采集和抽除垫，其特征在于，所述液体吸收层包括一融吹微纤维制的非织造纤维网。
45．如权利要求43-44所述的液体采集和抽除垫，其特征在于，它还包括一当垫子被使用时设置在液体吸收层下方的支承层，该支承层不可渗透液体。
46．如权利要求45所述的液体采集和抽除垫，其特征在于，所述支承层包括一其上设置有流动槽道的微结构层。
47．如权利要求45-46所述的液体采集和抽除垫，其特征在于，所述支承层是所述有源流体传输装置中的聚合材料层的一个整体延伸部。
48．如权利要求43-47所述的液体采集和抽除垫，其特征在于，它包括一具有三角形构造的毛细管模块。
49．一种抽吸器，包括如权利要求1-42所述的有源流体传输装置。
50．如权利要求49所述的抽吸器，其特征在于，它包括一聚合材料层叠块。
51．如权利要求50所述的抽吸器，其特征在于，所述层叠块是柔性的，其长度约为1-10厘米，多个结构层在所述层叠块的入口端处没有相互固定。
52．如权利要求50-51所述的抽吸器，其特征在于，所述连接器包括一连接于一真空源的管道，该连接器流体连通地连接于所述层叠块中的各流动槽道。
53．如权利要求50-51所述的抽吸器，其特征在于，所述层叠块可被细分成多个支路。
54．如权利要求49-53所述的抽吸器，其特征在于，多个管道被布置成流体连通于所述多个支路，以使流体在独立于其它管道的某些管道中输送通过。
55．如权利要求53所述的抽吸器，其特征在于，一第一管道可输送一冲洗流体，而一第二管道可输送一吸入流体。
56．如权利要求49-50所述的抽吸器，其特征在于，该抽吸器是可放置在人的嘴唇上，以便抽取该人口腔中的唾液或其它流体。
57．一种热交换器，包括如权利要求1-42所述的有源流体传输装置。
58．如权利要求57所述的热交换器，其特征在于，所述热交换器是柔性的，其中分离的流动槽道包括一厚度为大约0.02-0.2mm的覆盖层。
59．一种毯子，包括如权利要求57-58所述的热交换器。
60．一种传输流体的方法，包括使流体流过如权利要求1-42所述的有源流体传送装置。
61．如权利要求60所述的方法，其特征在于，所述流体包括人体的流体。
62．如权利要求61所述的方法，其特征在于，所述人体的流体包括唾液。
63．如权利要求61所述的方法，其特征在于，所述人体的流体包括血液、血浆或人体分泌物。
64．如权利要求60所述的方法，其特征在于，所述流体包括烟雾。
65．如权利要求60所述的方法，其特征在于，所述流体包括液体。
66．如权利要求65所述的方法，其特征在于，两种或多种不同的液体分别单独地通过所述装置。
67．如权利要求66所述的方法，其特征在于，一种液体是冲洗流体，而另一种液体是人体流体。
68．一种传输流体的方法，包括使甲烷气体流过权利要求60所述的抽吸器。
69．一种微结构化带槽装置，包括一具有一第一主表面的聚合材料层，所述第一主表面包括一结构化表面；所述结构化表面包括各流道槽道，流动槽道具有约为10∶1的最小长宽比和不超过约300微米的水力半径；所述各流动槽道还具有当流体与各槽道接触时能使之发生化学反应、催化反应和离子反应的组分。
70．一种抽吸器，包括如权利要求69所述的有源流体输送装置。
全文摘要
一种有源流体传输装置(10、40、54、60),包括一聚合材料层(12)。该材料层(12)具有一包括多个基本上分离的流动槽道(16)的结构化表面(13)。各流动槽道(16)具有约为10∶1的最小长宽比和不超过约300微米的水力半径。该装置还可以包括一连接器(20,55),该连接器使位于结构化聚合材料表面(13)外的势能源(14)流体连通于各流动槽道(16)。势能源(14)可促使流体经过所述各流动槽道(16),从一第一位置移动至一第二位置。
文档编号A61M1/00GK1306446SQ99807619
公开日2001年8月1日 申请日期1999年5月18日 优先权日1998年6月18日
发明者T·I·英斯利, R·P·约翰斯顿, R·L·诺尔 申请人:3M创新有限公司