自動干粉吸入器振動篩網的設計及試驗

植添德，李華寶，張明容，方彥奎

自動干粉吸入器振動篩網的設計及試驗

植添德，李華寶，張明容，方彥奎

（華南理工大學廣州學院，廣東廣州510800）

針對普通干粉吸入器吸氣流量大，排空率低的缺點，設計了一振動篩網結構的自動干粉吸入器。該吸入器的振動器與篩網相連，當吸氣時，振動器開啟工作，從而把藥粉振落下來，隨著吸氣氣流進入病人的呼吸系統。實驗證明，由于振落的干粉已經具有一定的動能，振動篩網的設計不僅使藥物更容易吸入，而且增加了排空率。

自動干粉吸入器；篩網；振動；排空率

近年來，隨著對哮喘、肺氣腫、慢性阻塞性肺病以及囊性纖維化等疾病的深入了解，越來越多的學者致力于肺吸入給藥這種集靶向性與非侵犯性于一身的藥物傳遞系統的研發[1-3]?！案煞鬯幬镂肫鳌辈粌H在治療呼吸道疾病上至關重要，近年來更開始應用到治療糖尿病方面，前途無量[4，5]。但現有治療呼吸道疾病的“干粉吸入器”乃完全靠使用者的吸氣流量來帶動藥粉細微顆粒，一直存在所需吸氣流率高以及排空率低的兩大缺點。本文欲在干粉吸入器中采用振動篩網，實現藥粉的自動分散和自動下落。

1 自動干粉吸入器振動篩網的結構設計

1.1 自動干粉吸入器整體結構設計

自動干粉吸入器的整體結構如圖1所示，由吸氣口、進氣口、電機、偏心輪以及藥粉罐組成。其工作原理是：采用“吸氣氣流傳感器”，以病人的吸氣氣流自動開啟電機工作，電機通過偏心輪與篩網相連接，從而把藥粉振落下來，隨著吸氣氣流進入用戶的呼吸系統。由于藥粉與篩網充分接觸，再通過氣流的打散作用，使得藥粉顆粒變細，適合在呼吸道沉積。

圖1 自動干粉吸入器的整體結構

1.2 篩網振動的結構設計

篩網振動采用了偏心輪旋轉振動原理，如圖2所示。電機帶動偏心輪旋轉，用偏心輪去使篩網做上下的振動。電機選用的型號是FF-050電機，能達到的振動頻率是40 kHz.

圖2 篩網振動的設計

由于篩網的質量很小，且極容易變形，為了實現篩網高頻低幅的振動，設計一個放置篩網的夾層空間，如圖3所示。本設計采用一個篩網的依附物（見圖4），使得篩網依附固定在上面，即可將其放置夾層中，依附物突出部分可依靠在偏心輪上，達到振動篩網的效果。設計夾層的半徑為5.5mm，寬度為0.2mm.

圖3 夾層

圖4 篩網依附物

2 振動篩網的試驗

2.1 實驗目的

為了驗證前文所提到的設計該自動干粉吸入器的作用，也即干粉吸入器的篩網添加高頻振動源后，是否能解決傳統干粉吸入器所需吸氣流率高以及排空率低這兩大問題。

2.2 實驗材料

藥粉采用滑石粉代替，滑石粉的規格為3 000目，篩網為不銹鋼篩網，其孔型為正方形，平均邊長為160μm、110μm、80μm和55μm四種，分別記為型號A、B、C和D四種型號。

2.3 實驗裝置

實驗裝置如圖5所示，由自動干粉吸入器、模擬呼吸道、真空泵及真空罐組成。模擬呼吸道采用兩條透明軟管代替，方便觀察；真空泵用于對真空罐進行抽真空；當連接真空罐的閥門打開時，實現吸氣動作。

圖5 實驗裝置

2.4 實驗方法

實驗采用無振動源和有振動源兩種形式。兩種形式用的滑石粉質量都相同，分別用A、B、C和D四種型號的篩網進行試驗。采用振動源時，篩網的振動頻率為40 kHz.

2.5 結果分析

2.5.1 無振動源時的有效微粒分數

不同型號的篩網，其通過篩網振動下來的滑石粉的質量不同。不同型號篩網振動下來的滑石粉的總體有效微粒分數如表1所示。

表1 四種篩網型號的排出有效微粒分數（%）

從表中可以分析得出：

（1）隨著篩網孔徑的減小，其總體有效微粒分數呈上升趨勢。由于篩網孔徑越小，藥物粉末與其接觸的面積越大，接觸碰撞的概率越大。因此，隨著碰撞概率的提升，干粉吸入的效果越好。

（2）但網格過密將阻礙藥物粉末通過篩網，不利于團聚粉末的有效分散。

2.5.2 使用高頻電機振動后的排空率

采用高頻電機振動后的排空率如表2所示。

表2 有無振動源兩種形式排空率的對比（%）

從表中可以分析得出：

（1）當添加了振動源時，在進行肺吸入時篩網始終處于40kHz的高頻振動狀態，各型號篩網所對應的干粉吸入器其裝置的排空率較無外在動力源相比得到很大的提升，從16%上升至80%；

（2）當添加外在動力源時，各型號篩網的排空率相似，均在80%左右。

2.5.3 使用高頻電機振動源前后裝置總體有效分數對比

采用高頻電機振動后的總體有效分數如表3所示。

表3 有無振動源兩種形式總體有效微粒分數的對比（%）

從表中可以看出：

（1）有外在動力源時各型號所對應的干粉吸入器其排出有效微粒分數均較無外在動力時低。

（2）雖然有外在動力源時裝置的排空率得到了明顯的提高，但排出有效微粒分數卻大大下降，平均從75%下降至50%，進一步說明前面提及的氣流在粉末的霧化過程中起到了至關重要的作用。

3 結束語

本吸入器采用振動篩網的設計，由于振落的干粉已經具有一定的動能，不僅更容易隨著吸氣氣流送入病人的呼吸系統，而且可以大大改善目前“干粉吸入器”排空率低的缺點，而且設計簡單成本低，可以被廣泛推廣使用。

[1]周恩龍，郭靜，陳曦，等.干粉吸入器的發展與設計[J].中國醫藥工業雜志，2013，44（10）：1047-1053.

[2]徐欣，劉哲鵬，陳嵐.干粉吸入劑給藥裝置研究現狀及前景[J].醫藥工程設計，2010，31（5）：32-34.

[3]劉天宜.基于人機工程學的集成式干粉吸入器研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2012.

[4]曹智臣.基于CFD的主動式干粉吸入器流場分析與結構參數優化[D].蘇州：蘇州大學，2014.

[5]劉春.膠囊型干粉吸入裝置的研究開發[D].廣州：華東理工大學，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，廣東韶關人，在讀本科生，研究方向：機械設計技術。