自动干粉吸入器振动筛网的设计及试验

植添德，李华宝，张明容，方彦奎

自动干粉吸入器振动筛网的设计及试验

植添德，李华宝，张明容，方彦奎

（华南理工大学广州学院，广东广州510800）

针对普通干粉吸入器吸气流量大，排空率低的缺点，设计了一振动筛网结构的自动干粉吸入器。该吸入器的振动器与筛网相连，当吸气时，振动器开启工作，从而把药粉振落下来，随着吸气气流进入病人的呼吸系统。实验证明，由于振落的干粉已经具有一定的动能，振动筛网的设计不仅使药物更容易吸入，而且增加了排空率。

自动干粉吸入器；筛网；振动；排空率

近年来，随着对哮喘、肺气肿、慢性阻塞性肺病以及囊性纤维化等疾病的深入了解，越来越多的学者致力于肺吸入给药这种集靶向性与非侵犯性于一身的药物传递系统的研发[1-3]。“干粉药物吸入器”不仅在治疗呼吸道疾病上至关重要，近年来更开始应用到治疗糖尿病方面，前途无量[4，5]。但现有治疗呼吸道疾病的“干粉吸入器”乃完全靠使用者的吸气流量来带动药粉细微颗粒，一直存在所需吸气流率高以及排空率低的两大缺点。本文欲在干粉吸入器中采用振动筛网，实现药粉的自动分散和自动下落。

1 自动干粉吸入器振动筛网的结构设计

1.1 自动干粉吸入器整体结构设计

自动干粉吸入器的整体结构如图1所示，由吸气口、进气口、电机、偏心轮以及药粉罐组成。其工作原理是：采用“吸气气流传感器”，以病人的吸气气流自动开启电机工作，电机通过偏心轮与筛网相连接，从而把药粉振落下来，随着吸气气流进入用户的呼吸系统。由于药粉与筛网充分接触，再通过气流的打散作用，使得药粉颗粒变细，适合在呼吸道沉积。

图1 自动干粉吸入器的整体结构

1.2 筛网振动的结构设计

筛网振动采用了偏心轮旋转振动原理，如图2所示。电机带动偏心轮旋转，用偏心轮去使筛网做上下的振动。电机选用的型号是FF-050电机，能达到的振动频率是40 kHz.

图2 筛网振动的设计

由于筛网的质量很小，且极容易变形，为了实现筛网高频低幅的振动，设计一个放置筛网的夹层空间，如图3所示。本设计采用一个筛网的依附物（见图4），使得筛网依附固定在上面，即可将其放置夹层中，依附物突出部分可依靠在偏心轮上，达到振动筛网的效果。设计夹层的半径为5.5mm，宽度为0.2mm.

图3 夹层

图4 筛网依附物

2 振动筛网的试验

2.1 实验目的

为了验证前文所提到的设计该自动干粉吸入器的作用，也即干粉吸入器的筛网添加高频振动源后，是否能解决传统干粉吸入器所需吸气流率高以及排空率低这两大问题。

2.2 实验材料

药粉采用滑石粉代替，滑石粉的规格为3 000目，筛网为不锈钢筛网，其孔型为正方形，平均边长为160μm、110μm、80μm和55μm四种，分别记为型号A、B、C和D四种型号。

2.3 实验装置

实验装置如图5所示，由自动干粉吸入器、模拟呼吸道、真空泵及真空罐组成。模拟呼吸道采用两条透明软管代替，方便观察；真空泵用于对真空罐进行抽真空；当连接真空罐的阀门打开时，实现吸气动作。

图5 实验装置

2.4 实验方法

实验采用无振动源和有振动源两种形式。两种形式用的滑石粉质量都相同，分别用A、B、C和D四种型号的筛网进行试验。采用振动源时，筛网的振动频率为40 kHz.

2.5 结果分析

2.5.1 无振动源时的有效微粒分数

不同型号的筛网，其通过筛网振动下来的滑石粉的质量不同。不同型号筛网振动下来的滑石粉的总体有效微粒分数如表1所示。

表1 四种筛网型号的排出有效微粒分数（%）

从表中可以分析得出：

（1）随着筛网孔径的减小，其总体有效微粒分数呈上升趋势。由于筛网孔径越小，药物粉末与其接触的面积越大，接触碰撞的概率越大。因此，随着碰撞概率的提升，干粉吸入的效果越好。

（2）但网格过密将阻碍药物粉末通过筛网，不利于团聚粉末的有效分散。

2.5.2 使用高频电机振动后的排空率

采用高频电机振动后的排空率如表2所示。

表2 有无振动源两种形式排空率的对比（%）

从表中可以分析得出：

（1）当添加了振动源时，在进行肺吸入时筛网始终处于40kHz的高频振动状态，各型号筛网所对应的干粉吸入器其装置的排空率较无外在动力源相比得到很大的提升，从16%上升至80%；

（2）当添加外在动力源时，各型号筛网的排空率相似，均在80%左右。

2.5.3 使用高频电机振动源前后装置总体有效分数对比

采用高频电机振动后的总体有效分数如表3所示。

表3 有无振动源两种形式总体有效微粒分数的对比（%）

从表中可以看出：

（1）有外在动力源时各型号所对应的干粉吸入器其排出有效微粒分数均较无外在动力时低。

（2）虽然有外在动力源时装置的排空率得到了明显的提高，但排出有效微粒分数却大大下降，平均从75%下降至50%，进一步说明前面提及的气流在粉末的雾化过程中起到了至关重要的作用。

3 结束语

本吸入器采用振动筛网的设计，由于振落的干粉已经具有一定的动能，不仅更容易随着吸气气流送入病人的呼吸系统，而且可以大大改善目前“干粉吸入器”排空率低的缺点，而且设计简单成本低，可以被广泛推广使用。

[1]周恩龙，郭静，陈曦，等.干粉吸入器的发展与设计[J].中国医药工业杂志，2013，44（10）：1047-1053.

[2]徐欣，刘哲鹏，陈岚.干粉吸入剂给药装置研究现状及前景[J].医药工程设计，2010，31（5）：32-34.

[3]刘天宜.基于人机工程学的集成式干粉吸入器研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2012.

[4]曹智臣.基于CFD的主动式干粉吸入器流场分析与结构参数优化[D].苏州：苏州大学，2014.

[5]刘春.胶囊型干粉吸入装置的研究开发[D].广州：华东理工大学，2012.

The Design and Testof Automatic Dry Powder Inhaler Vibration Screen

ZHITian-de，LIHua-bao，ZHANG Ming-rong，FANG Yan-kui
（Guangzhou College，South China University of Technology，Guangzhou Guangdong 510800，China）

Automatic dry powder inhaler is a kind of the suction air flow sensor，to automatically open patient inspiratory airflow vibrator，the vibrator and the screen is connected to the powder vibration falling down，with a dry powder inhaler respiratory breathing air into the user.This project is aimed at the automatic dry powder inhaler vibrating screen design and test，proved by experiments，due to vibration falling powder has certain kinetic energy，the design of vibration screen is not only easier with inspiratory airflow into the patient’s respiratory system，and can greatly improve the current“dry powder inhaler”emptying rate is low.

automatic dry powder inhaler；screen；vibration；emptying rate

TH122

A

1672-545X（2017）02-0058-03

2016-11-12

植添德（1995-），男，广东韶关人，在读本科生，研究方向：机械设计技术。