本發(fā)明涉及一種膠囊型干粉吸入裝置的設(shè)計(jì)方法。
背景技術(shù)：
：干粉吸入劑是一種不含拋射劑的微粉化氣霧吸入劑，它是指微粉化藥物或載體以膠囊、泡囊或多劑量貯庫(kù)形式使用特制的干粉吸入裝置，由患者主動(dòng)吸入的制劑。近年來(lái)，隨著人們對(duì)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，更多的學(xué)者致力于肺部吸入給藥這種靶向性與非侵犯性于一身的藥物傳遞系統(tǒng)的研發(fā)。肺部吸入給藥是指借助特制的吸入裝置完成對(duì)藥物的分散、霧化作用，后經(jīng)呼吸道傳遞進(jìn)肺部。它與傳統(tǒng)的給藥方式如：注射、口服、外敷等相比，肺部吸入給藥具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，主要包括：(1)肺部的表面積大；(2)肺部的血管豐富、酶含量低；(3)患者對(duì)藥物適應(yīng)性好；(4)藥效快，作用迅速；(5)適合生物大分子傳遞等。基于肺部吸入給藥的優(yōu)勢(shì)及其廣闊的應(yīng)用前景，肺部吸入給藥裝置作為影響肺部給藥系統(tǒng)傳遞的重要因素，逐漸成為研究的熱點(diǎn)。二十世紀(jì)五十年代至今，肺部吸入給藥裝置主要有三種：霧化吸入裝置、壓力定量吸入器、干粉吸入器。霧化吸入裝置是將藥物通過(guò)射流、超聲等方式霧化成微小的顆粒，藥物通過(guò)患者呼吸吸入的方式進(jìn)入呼吸道和肺部沉積，從而達(dá)到無(wú)痛并迅速治療的目的。但是霧化吸入器體積較大，多適用于醫(yī)院治療，不適合隨身攜帶。壓力定量吸入器適用于各類(lèi)支氣管哮喘病的治療，其優(yōu)點(diǎn)是體積小、便于攜帶、可以反復(fù)定量給藥、不需要定期消毒等，但是壓力定量吸入器對(duì)患者的操作技術(shù)要求比較高，年幼的兒童和老年人難以掌握其操作過(guò)程，因此，會(huì)造成藥物經(jīng)肺部遞送效率低、治療效果差等缺點(diǎn)。并且傳統(tǒng)的壓力定量吸入器以氟利昂作為拋射劑，易破壞大氣層造成污染。因此為了避免壓力定量吸入器的弊端，人們?cè)?967年提出了干粉吸入器的概念。干粉吸入器是通過(guò)患者進(jìn)行主動(dòng)吸氣引發(fā)藥物干粉霧化分散的一種裝置，它不需要使用拋射劑，并消除患者的協(xié)同配合過(guò)程而且由于它便捷、無(wú)污染等特點(diǎn)正逐漸成為肺部吸入給藥裝置的主流。但目前膠囊型干粉吸入裝置的設(shè)計(jì)主要依靠仿制及實(shí)驗(yàn)試制，設(shè)計(jì)方法存在缺乏理論指導(dǎo)的問(wèn)題。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明是為了解決目前膠囊型干粉吸入裝置的設(shè)計(jì)主要依靠仿制及實(shí)驗(yàn)試制，其設(shè)計(jì)方法缺乏理論指導(dǎo)的問(wèn)題，而提供一種膠囊型干粉吸入裝置的設(shè)計(jì)方法。本發(fā)明的一種膠囊型干粉吸入裝置流道設(shè)計(jì)方法通過(guò)以下步驟實(shí)現(xiàn)：步驟一、對(duì)膠囊型干粉吸入裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，獲得關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)；所述關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)包括進(jìn)氣口尺寸、膠囊腔尺寸及出氣口尺寸；步驟二、以一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的進(jìn)氣口壓強(qiáng)、40l/min的出氣口流量及相對(duì)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓-4000pa的出氣口壓強(qiáng)為邊界條件，采用boda-canow公式得到流道進(jìn)氣口直徑、膠囊腔直徑及出氣口直徑的直徑比值，計(jì)算得到階梯型流道各截面面積的比值，再根據(jù)膠囊型干粉吸入裝置的形狀及尺寸確定流道的整體結(jié)構(gòu)尺寸，運(yùn)用2d/3d建模軟件建立膠囊型干粉吸入裝置的三維模型；步驟三、將三維模型導(dǎo)入到有限元軟件中，通過(guò)有限元仿真進(jìn)行流場(chǎng)分析，確定關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)的尺寸，得到優(yōu)化后的膠囊型干粉吸入裝置。有益效果：本發(fā)明是結(jié)合流體力學(xué)理論計(jì)算方法與有限元仿真分析手段的流道設(shè)計(jì)方法，通過(guò)本發(fā)明設(shè)計(jì)的膠囊型干粉吸入裝置具有較高的肺部沉積率，同時(shí)將患者個(gè)體差異對(duì)干粉吸入裝置性能的影響降至最低，而且使用簡(jiǎn)單，易于被患者接受。體積小便于患者攜帶、外形美觀、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、對(duì)環(huán)境無(wú)污染、價(jià)格便宜等要求。本發(fā)明所設(shè)計(jì)的膠囊型干粉吸入裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，其排空率大于90％。附圖說(shuō)明圖1為一種膠囊型干粉吸入裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為一種膠囊型干粉吸入裝置的分解結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為進(jìn)氣口直徑為3mm的有限元分析流速云圖；圖4為進(jìn)氣口直徑為3mm的有限元分析壓強(qiáng)云圖；圖5為進(jìn)氣口直徑為4mm的有限元分析流速云圖；圖6為進(jìn)氣口直徑為4mm的有限元分析壓強(qiáng)云圖；圖7為進(jìn)氣口直徑為5mm的有限元分析流速云圖；圖8為進(jìn)氣口直徑為5mm的有限元分析壓強(qiáng)云圖；圖9為膠囊腔底部進(jìn)氣口長(zhǎng)度為5.5mm的有限元分析速度云圖；圖10為膠囊腔底部進(jìn)氣口長(zhǎng)度為5.5mm的有限元分析壓強(qiáng)云圖；圖11為膠囊腔底部進(jìn)氣口長(zhǎng)度為6.5mm的有限元分析速度云圖；圖12為膠囊腔底部進(jìn)氣口長(zhǎng)度為6.5mm的有限元分析壓強(qiáng)云圖；圖13為膠囊腔底部進(jìn)氣口長(zhǎng)度為8mm的有限元分析速度云圖；圖14為膠囊腔底部進(jìn)氣口長(zhǎng)度為8mm的有限元分析壓強(qiáng)云圖；圖15為吸嘴內(nèi)徑為4.6mm的有限元分析速度云圖；圖16為吸嘴內(nèi)徑為4.6mm的有限元分析壓強(qiáng)云圖；圖17為吸嘴內(nèi)徑為5.1mm的有限元分析速度云圖；圖18為吸嘴內(nèi)徑為5.1mm的有限元分析壓強(qiáng)云圖；圖19為吸嘴內(nèi)徑為5.6mm的有限元分析速度云圖；圖20為吸嘴內(nèi)徑為5.6mm的有限元分析壓強(qiáng)云圖；圖21為吸嘴長(zhǎng)度為20mm的有限元分析速度云圖；圖22為吸嘴長(zhǎng)度為20mm的有限元分析壓強(qiáng)云圖；圖23為吸嘴長(zhǎng)度為25mm的有限元分析速度云圖；圖24為吸嘴長(zhǎng)度為25mm的有限元分析壓強(qiáng)云圖；圖25為吸嘴長(zhǎng)度為30mm的有限元分析速度云圖；圖26為吸嘴長(zhǎng)度為30mm的有限元分析壓強(qiáng)云圖；圖27為膠囊腔內(nèi)徑為7.1mm的有限元分析速度云圖；圖28為膠囊腔內(nèi)徑為7.6mm的有限元分析速度云圖；圖29為膠囊腔內(nèi)徑為8.1mm的有限元分析速度云圖；圖30為膠囊腔進(jìn)氣口內(nèi)徑為3.4mm的有限元分析速度云圖；圖31為膠囊腔進(jìn)氣口內(nèi)徑為3.4mm的有限元分析壓強(qiáng)云圖；圖32為膠囊腔進(jìn)氣口內(nèi)徑為3.7mm的有限元分析速度云圖；圖33為膠囊腔進(jìn)氣口內(nèi)徑為3.7mm的有限元分析壓強(qiáng)云圖；圖34為膠囊腔進(jìn)氣口內(nèi)徑為3.9mm的有限元分析速度云圖；圖35為膠囊腔進(jìn)氣口內(nèi)徑為3.9mm的有限元分析壓強(qiáng)云圖；圖36為以最優(yōu)參數(shù)設(shè)計(jì)的膠囊型干粉吸入裝置的流線示意圖；圖37為以最優(yōu)參數(shù)設(shè)計(jì)的膠囊型干粉吸入裝置的流場(chǎng)速度云圖；圖38為以最優(yōu)參數(shù)設(shè)計(jì)的膠囊型干粉吸入裝置的出口速度圖。具體實(shí)施方式具體實(shí)施方式一：本實(shí)施方式一種膠囊型干粉吸入裝置流道設(shè)計(jì)方法通過(guò)以下步驟實(shí)現(xiàn)：步驟一、對(duì)膠囊型干粉吸入裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，獲得關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)；所述關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)包括進(jìn)氣口尺寸、膠囊腔尺寸及出氣口尺寸；步驟二、以一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的進(jìn)氣口壓強(qiáng)、40l/min的出氣口流量及相對(duì)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓-4000pa的出氣口壓強(qiáng)為邊界條件，采用boda-canow公式得到流道進(jìn)氣口直徑、膠囊腔直徑及出氣口直徑的直徑比值，計(jì)算得到階梯型流道各截面面積的比值，再根據(jù)膠囊型干粉吸入裝置的形狀及尺寸確定流道的整體結(jié)構(gòu)尺寸，運(yùn)用2d/3d建模軟件建立膠囊型干粉吸入裝置的三維模型；步驟三、將三維模型導(dǎo)入到有限元軟件中，通過(guò)有限元仿真進(jìn)行流場(chǎng)分析，確定關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)的尺寸，得到優(yōu)化后的膠囊型干粉吸入裝置。具體實(shí)施方式二：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一的不同之處在于：步驟二中所述boda-canow公式為式中，hζ表示流體能量損失；ζ表示流體損失系數(shù)；v1表示階梯型流道的前截面流體速度；v2表示階梯型流道的前截面流體速度；g表示重力加速度；a1表示階梯型流道的前截面面積；a2表示階梯型流道的前截面面積。其他與具體實(shí)施方式一相同。本實(shí)施方式為了盡可能使整個(gè)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且成本低廉，本項(xiàng)目裝置設(shè)計(jì)采取刺針刺破的方式。刺針刺破膠囊后利用壓縮彈簧來(lái)復(fù)位刺針。為了改善刺針刺破后孔太小不利于藥物釋放的缺點(diǎn)，本設(shè)計(jì)利用氣流助推膠囊運(yùn)動(dòng)的方式來(lái)輔助藥物釋放。具體實(shí)施方式三：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一或二的不同之處在于：步驟三中所述優(yōu)化后的膠囊型干粉吸入裝置由膠囊1、下底2、上蓋3、膠囊腔4、膠囊腔進(jìn)氣口5、裝藥桶座7、吸嘴8和刺破裝置組成；所述刺破裝置由刺針6、彈簧9和刺針按鍵10組成；所述膠囊腔4的上端設(shè)置有裝藥桶座7，所述吸嘴8通過(guò)螺紋連接在裝藥桶座7上，所述吸嘴8的下端進(jìn)氣口與所述膠囊腔4的上端口連通，所述膠囊腔4的下端設(shè)置有膠囊腔進(jìn)氣口5；所述膠囊腔4的縱長(zhǎng)方向的側(cè)面設(shè)置有兩個(gè)供刺破裝置上的刺針6穿入的孔，所述兩個(gè)刺針穿入孔11沿膠囊腔4的軸線方向排列，所述刺破裝置設(shè)置在所述膠囊腔4的側(cè)面；所述刺針6的一端固定在刺針按鍵10上，另一端可進(jìn)出于刺針穿入孔11，所述兩個(gè)刺針6之間設(shè)置有彈簧9，所述彈簧9的一端支撐于刺針按鍵10上，另一端支撐于膠囊腔4的外壁；所述刺針按鍵10滑套在所述下底2的側(cè)壁上，所述下底2的上端設(shè)置有上蓋3，所述裝藥桶座7設(shè)置在下底2和上蓋3的連接處。其他與具體實(shí)施方式一或二相同。具體實(shí)施方式四：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式三的不同之處在于：所述吸嘴8的下方設(shè)置有篩網(wǎng)，所述篩網(wǎng)為不銹鋼網(wǎng)。其他與具體實(shí)施方式三相同。為了克服刺針刺破后可能存在的膠囊碎片，本設(shè)計(jì)將在裝置吸嘴處添加篩網(wǎng)防止較大的碎片進(jìn)入患者肺部。具體實(shí)施方式五：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式三或四的不同之處在于：所述吸嘴8的上部吸口與膠囊腔進(jìn)氣口5同軸設(shè)置。其他與具體實(shí)施方式三或四同。具體實(shí)施方式六：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式三至五之一的不同之處在于：所述膠囊腔4上端面的直徑為9mm；所述膠囊腔進(jìn)氣口5的直徑為4mm。其他與具體實(shí)施方式三至五之一相同。膠囊腔的作用是承載膠囊并使膠囊在吸入氣流的作用下在腔內(nèi)快速轉(zhuǎn)動(dòng)，并與膠囊腔壁發(fā)生碰撞加速膠囊內(nèi)部藥物的解聚。同時(shí)膠囊腔還連接整個(gè)裝置的進(jìn)氣口與出氣口，所以在膠囊腔底部需要開(kāi)出一塊小于膠囊直徑的小孔。具體實(shí)施方式七：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式三至六之一的不同之處在于：所述吸嘴8的長(zhǎng)度為20mm～30mm，所述吸嘴8的上部吸口直徑為5mm～6mm。其他與具體實(shí)施方式三至六之一相同。吸嘴部分設(shè)計(jì)主要考慮的是吸嘴的結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)整個(gè)裝置性能的影響，吸嘴出口處流速過(guò)大或者出口截面流場(chǎng)不均勻都會(huì)造成藥物在吸嘴處和患者喉部的沉積。吸嘴的直徑大小會(huì)影響出口的流速，在吸氣量一定的情況下，出口直徑小可以提供更高的出口流速。出口直徑在增大后吸氣阻力也變小，吸入更輕松。但是在8mm和10mm的吸嘴內(nèi)徑膠囊旋轉(zhuǎn)情況不理想，同時(shí)吸氣完成后膠囊內(nèi)部分藥物殘留。當(dāng)吸嘴直徑為4mm和6mm時(shí)藥物無(wú)殘留或者殘留較少。但是4mm的吸嘴直徑在吸氣時(shí)比較費(fèi)力。具體實(shí)施方式八：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式三至七之一的不同之處在于：所述彈簧9為c級(jí)碳素彈簧鋼絲，旋繞比c＝6.25，彈簧中徑d＝5mm，長(zhǎng)度為12mm。其他與具體實(shí)施方式三至七之一相同。彈簧尺寸應(yīng)與裝置相適應(yīng)，還需滿足一定的剛度要求，剛度過(guò)小，則彈簧無(wú)法完成復(fù)位功能。剛度過(guò)大，患者難以按動(dòng)彈簧刺破膠囊。查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)選用c級(jí)碳素彈簧鋼絲，ⅱ類(lèi)許用應(yīng)力，根據(jù)結(jié)構(gòu)要求最大工作載荷f2＝15n，根據(jù)裝置外觀要求初選旋繞比c＝6.25，彈簧中徑d＝5mm。根據(jù)結(jié)構(gòu)要求估計(jì)，按機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)取標(biāo)準(zhǔn)值。由c＝d/d得彈簧鋼絲直徑d＝0.8mm。查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)得σb＝2010～2060mpa，取彈簧鋼絲的抗拉強(qiáng)度σb＝2040mpa，許用切應(yīng)力τp＝0.4，σb＝816mpa。由于則曲度因數(shù)將以上結(jié)果代入彈簧鋼絲直徑所以滿足強(qiáng)度約束條件。計(jì)算有效工作圈數(shù)：式中g(shù)表示切變模量，由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)取g＝80000mpa；f0表示彈簧初變形量，對(duì)壓縮彈簧沒(méi)有初變形量f0＝0mm；f1表示彈簧受力變形量。由于最小工作載荷f1≤0.2flim，其中flim為工作極限載荷，flim＝18.9n，因此取f1＝0.2flim＝3.78n。彈簧最大壓縮量x2＝0.00763m，由胡克定律得k＝f2/x2＝15/0.00763。f1＝f1/k＝1.92mm；取n＝5。由于彈簧兩端并緊一圈所以總?cè)?shù)n1＝n+2＝7。由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)d＝0.8mm，d＝5時(shí)，節(jié)距p＝1.99。自由高度或長(zhǎng)度h0＝p×n+1.5d＝11.55mm，取標(biāo)準(zhǔn)值h0＝12mm。具體實(shí)施方式九：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式三至八之一的不同之處在于：所述刺針6的直徑為1.6mm。其他與具體實(shí)施方式三至八之一相同。干粉吸入裝置刺針的作用是在膠囊上刺出小孔讓藥物、氣流進(jìn)出，對(duì)刺針的設(shè)計(jì)主要是關(guān)注刺針直徑的大小。刺針直徑越大，便于藥物和氣流流動(dòng)，但更容易產(chǎn)生膠囊碎片。膠囊內(nèi)藥粉從小孔內(nèi)流出時(shí)會(huì)與壁面發(fā)生接觸，這些接觸產(chǎn)生的摩擦碰撞促成了藥粉團(tuán)的解聚。一些直徑較大的藥物顆粒無(wú)法從小孔流出就會(huì)繼續(xù)留在膠囊內(nèi)部，隨著膠囊在外部氣流的作用下不斷地旋轉(zhuǎn)碰撞，這些大的團(tuán)聚體會(huì)不斷與膠囊壁發(fā)生碰撞，最終破碎成較小的粒子從小孔流出。顯然，小孔的直徑越小，對(duì)藥物的分解越有利。但是考慮到刺針強(qiáng)度、藥物流出的難易程度和刺孔大小對(duì)藥物解聚分散的影響，將最終設(shè)計(jì)的刺針直徑取為1.6mm。通過(guò)以下實(shí)施例驗(yàn)證本發(fā)明的有益效果：實(shí)施例：一種膠囊型干粉吸入裝置流道設(shè)計(jì)方法通過(guò)以下步驟實(shí)現(xiàn)：步驟一、對(duì)膠囊型干粉吸入裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，獲得關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)；所述關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)包括進(jìn)氣口尺寸、膠囊腔尺寸及出氣口尺寸；步驟二、以一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的進(jìn)氣口壓強(qiáng)、40l/min的出氣口流量及相對(duì)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓-4000pa的出氣口壓強(qiáng)為邊界條件，采用boda-canow公式得到流道進(jìn)氣口直徑、膠囊腔直徑及出氣口直徑的直徑比值，計(jì)算得到階梯型流道各截面面積的比值，再根據(jù)膠囊型干粉吸入裝置的形狀及尺寸確定流道的整體結(jié)構(gòu)尺寸，運(yùn)用2d/3d建模軟件建立膠囊型干粉吸入裝置的三維模型；步驟三、將三維模型導(dǎo)入到有限元軟件中，通過(guò)有限元仿真進(jìn)行流場(chǎng)分析，確定關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)的尺寸，得到優(yōu)化后的膠囊型干粉吸入裝置。步驟三中所述將三維模型導(dǎo)入到有限元軟件中，通過(guò)有限元仿真進(jìn)行流場(chǎng)分析是分別從進(jìn)氣口直徑、膠囊腔底部進(jìn)氣口長(zhǎng)度、吸嘴內(nèi)徑、吸嘴長(zhǎng)度、膠囊腔內(nèi)徑和膠囊腔進(jìn)氣口內(nèi)徑六個(gè)因素進(jìn)行流場(chǎng)分析。以藥廠提供的3號(hào)膠囊作為實(shí)驗(yàn)體。所述3號(hào)膠囊的質(zhì)量為48±3mg，膠囊內(nèi)藥粉質(zhì)量為25mg，空膠囊質(zhì)量最大值51mg。1、以進(jìn)氣口直徑分別為3mm、4mm和5mm進(jìn)行有限元分析。①選取進(jìn)氣口直徑分別為3mm，通過(guò)有限元分析得出吸嘴處流速云圖和壓強(qiáng)云圖，圖3為進(jìn)氣口直徑為3mm的有限元分析流速云圖；圖4為進(jìn)氣口直徑為3mm的有限元分析壓強(qiáng)云圖；通過(guò)計(jì)算可以得到膠囊與藥物的重力為：g＝mg＝(0.000051+0.000025)×9.8＝0.0007448n；根據(jù)壓強(qiáng)云圖可以得出膠囊在膠囊腔內(nèi)給定位置的壓強(qiáng)，膠囊豎直放置在膠囊腔內(nèi)時(shí)，根據(jù)p＝f/s得：f＝ps＝(3109-1938)×0.0000244＝0.0286n；由于0.0286n＞0.0007448n，裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)膠囊可以浮起。由壓強(qiáng)云圖可以得出膠囊兩側(cè)的壓強(qiáng)不同，取膠囊橫向放置時(shí)的狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算分析，根據(jù)p＝f/s得：f＝ps＝(3109-1938)×0.0000427＝0.05n；由于0.05n＞0.0007448n，則膠囊在裝置內(nèi)可以振動(dòng)。以下分析同理，橫向放置時(shí)壓強(qiáng)差一定，但接觸面積變大，所以膠囊受力只會(huì)增大不會(huì)減小，即膠囊橫向放置時(shí)一定會(huì)因壓差的原因在膠囊腔內(nèi)往復(fù)振動(dòng)。②選取進(jìn)氣口直徑分別為4mm，通過(guò)有限元分析得出吸嘴處流速云圖和壓強(qiáng)云圖，圖5為進(jìn)氣口直徑為4mm的有限元分析流速云圖；圖6為進(jìn)氣口直徑為4mm的有限元分析壓強(qiáng)云圖；根據(jù)云圖的讀數(shù)可以計(jì)算出膠囊的浮力，根據(jù)p＝f/s得：f＝ps＝(3118-2107)×0.0000244＝0.0247n；由于0.0247n＞0.0007448n，膠囊可以浮起。根據(jù)云圖讀數(shù)得出膠囊兩側(cè)壓強(qiáng)不同，所以膠囊可以在膠囊腔內(nèi)左右振動(dòng)。③選取進(jìn)氣口直徑分別為5mm，通過(guò)有限元分析得出吸嘴處流速云圖和壓強(qiáng)云圖，圖7為進(jìn)氣口直徑為5mm的有限元分析流速云圖；圖8為進(jìn)氣口直徑為5mm的有限元分析壓強(qiáng)云圖；根據(jù)云圖的讀數(shù)可以計(jì)算出膠囊的浮力，根據(jù)p＝f/s得：f＝ps＝(2986-2293)×0.0000244＝0.0169n；由于0.0169n＞0.0007448n，所以膠囊可以浮起。根據(jù)云圖讀數(shù)得出膠囊兩側(cè)壓強(qiáng)不同，所以膠囊可以在膠囊腔內(nèi)左右振動(dòng)。④分析對(duì)比并確定最終選用尺寸；通過(guò)對(duì)三種尺寸進(jìn)氣口直徑的云圖進(jìn)行分析計(jì)算并列出表格，如表1所示。表1進(jìn)氣口直徑對(duì)流速的影響經(jīng)對(duì)比分析得進(jìn)氣口直徑每增加1mm流速變化在2l/min以內(nèi)，所以說(shuō)5個(gè)進(jìn)氣口的直徑大小對(duì)裝置的流速影響不大，選取規(guī)定流速的最大值46l/min的裝置尺寸，即5個(gè)進(jìn)氣口直徑為4mm，最后通過(guò)主要影響流速的因素來(lái)改變這一數(shù)值。2、根據(jù)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尺寸以膠囊腔底部進(jìn)氣口長(zhǎng)度分別為5.5mm、6.5mm和8mm進(jìn)行有限元分析。圖9為膠囊腔底部進(jìn)氣口長(zhǎng)度為5.5mm的有限元分析速度云圖、圖10為膠囊腔底部進(jìn)氣口長(zhǎng)度為5.5mm的有限元分析壓強(qiáng)云圖、圖11為膠囊腔底部進(jìn)氣口長(zhǎng)度為6.5mm的有限元分析速度云圖、圖12為膠囊腔底部進(jìn)氣口長(zhǎng)度為6.5mm的有限元分析壓強(qiáng)云圖、圖13為膠囊腔底部進(jìn)氣口長(zhǎng)度為8mm的有限元分析速度云圖、圖14為膠囊腔底部進(jìn)氣口長(zhǎng)度為8mm的有限元分析壓強(qiáng)云圖；根據(jù)有限元分析結(jié)果及計(jì)算公式p＝f/s可計(jì)算出三種進(jìn)氣口長(zhǎng)度下膠囊的受到的浮力分別為0.0288n、0.0329n及0.0361n，均大于膠囊重力0.000748n，膠囊可以浮起。由壓強(qiáng)云圖讀數(shù)得出膠囊兩側(cè)壓強(qiáng)不同，所以膠囊可以在膠囊腔內(nèi)左右振動(dòng)。表2所示列出了三種進(jìn)氣口長(zhǎng)度對(duì)出口流速影響的分析結(jié)果。表2進(jìn)氣口長(zhǎng)度對(duì)出口流速的影響在改變膠囊腔進(jìn)氣口時(shí)，隨著直徑的增加流速逐漸降低。因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)選擇流速接近規(guī)定流速時(shí)的尺寸，同時(shí)滿足裝置結(jié)構(gòu)要求的膠囊腔進(jìn)氣口長(zhǎng)度，所以選用8mm的膠囊腔進(jìn)氣口。3、從用戶舒適度角度以吸嘴內(nèi)徑分別為4.6mm、5.1mm和5.6mm進(jìn)行有限元分析。圖15為吸嘴內(nèi)徑為4.6mm的有限元分析速度云圖、圖16為吸嘴內(nèi)徑為4.6mm的有限元分析壓強(qiáng)云圖、圖17為吸嘴內(nèi)徑為5.1mm的有限元分析速度云圖、圖18為吸嘴內(nèi)徑為5.1mm的有限元分析壓強(qiáng)云圖、圖19為吸嘴內(nèi)徑為5.6mm的有限元分析速度云圖、圖20為吸嘴內(nèi)徑為5.6mm的有限元分析壓強(qiáng)云圖；根據(jù)有限元分析結(jié)果及理論計(jì)算膠囊受到的浮力分別為0.0314n、0.0294n及0.0325n，均大于膠囊重力0.000748n，所以膠囊可以浮起。且根據(jù)壓強(qiáng)云圖讀數(shù)得出膠囊兩側(cè)壓強(qiáng)不同，膠囊可以在膠囊腔內(nèi)左右振動(dòng)。表3所示列出了三種吸嘴內(nèi)徑對(duì)出口流速影響的分析結(jié)果。表3吸嘴內(nèi)徑對(duì)出口流速的影響經(jīng)分析得到直徑每增加0.5mm流速變化范圍在2l/min左右，對(duì)裝置流速影響不大。在滿足要求流速的前提下，考慮到后期3d打印成型的精度，設(shè)計(jì)時(shí)吸嘴內(nèi)徑定為6mm。4、從適用人群角度以吸嘴長(zhǎng)度分別為20mm、25mm和30mm進(jìn)行有限元分析。圖21為吸嘴長(zhǎng)度為20mm的有限元分析速度云圖、圖22為吸嘴長(zhǎng)度為20mm的有限元分析壓強(qiáng)云圖、圖23為吸嘴長(zhǎng)度為25mm的有限元分析速度云圖、圖24為吸嘴長(zhǎng)度為25mm的有限元分析壓強(qiáng)云圖、圖25為吸嘴長(zhǎng)度為30mm的有限元分析速度云圖、圖26為吸嘴長(zhǎng)度為30mm的有限元分析壓強(qiáng)云圖；根據(jù)有限元分析結(jié)果及理論計(jì)算得到三種吸嘴內(nèi)徑下膠囊受到的浮力分別為0.0209n、0.0216n及0.0174n，均大于膠囊重力0.000748n，所以膠囊可以浮起。由壓強(qiáng)云圖讀數(shù)得出膠囊兩側(cè)壓強(qiáng)不同，所以膠囊可以在膠囊腔內(nèi)左右振動(dòng)。表4所示列出了三種吸嘴內(nèi)徑對(duì)出口流速影響的分析結(jié)果。表4吸嘴長(zhǎng)度對(duì)流速的影響通過(guò)分析得20mm、25mm和30mm的吸嘴長(zhǎng)度對(duì)裝置流速影響不大，但是25mm時(shí)所能提供的流速比較大，并且30mm長(zhǎng)的吸嘴在小孩使用時(shí)可能會(huì)因吸嘴過(guò)長(zhǎng)而受到傷害，20mm長(zhǎng)的吸嘴又太短，在吸氣時(shí)不方便，所以為了使裝置適用于更多人群最終選擇25mm長(zhǎng)得吸嘴。5、根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求以膠囊腔內(nèi)徑分別為7.1mm、7.6mm和8.1mm進(jìn)行有限元分析。圖27為膠囊腔內(nèi)徑為7.1mm的有限元分析速度云圖、圖28為膠囊腔內(nèi)徑為7.6mm的有限元分析速度云圖、圖29為膠囊腔內(nèi)徑為8.1mm的有限元分析速度云圖；表5所示列出了三種吸嘴內(nèi)徑對(duì)出口流速影響的分析結(jié)果。表5膠囊腔內(nèi)徑對(duì)流速的影響改變膠囊腔內(nèi)徑對(duì)吸嘴處流速影響很大，且當(dāng)膠囊腔內(nèi)徑為7.1mm時(shí)，膠囊外壁距離膠囊腔壁很近，在有限元分析中發(fā)現(xiàn)該位置多處流速為零，不利于膠囊在腔內(nèi)的振動(dòng)。隨著膠囊腔內(nèi)徑加大，膠囊振動(dòng)的空間也相應(yīng)增加，振動(dòng)更為劇烈?？紤]到刺針的刺破效果，膠囊腔需提供一定的定位作用，內(nèi)徑不宜過(guò)大。兼顧樣機(jī)制造、加工等因素，最終選擇9mm的膠囊腔直徑。6、由于膠囊腔承載膠囊，進(jìn)氣口直徑應(yīng)小于膠囊直徑(5.86mm)，還要防止膠囊一端卡在進(jìn)氣口位置影響刺破位置。所以以膠囊腔進(jìn)氣口內(nèi)徑分別為3.4mm、3.7mm和3.9mm進(jìn)行有限元分析。圖30為膠囊腔進(jìn)氣口內(nèi)徑為3.4mm的有限元分析速度云圖、圖31為膠囊腔進(jìn)氣口內(nèi)徑為3.4mm的有限元分析壓強(qiáng)云圖、圖32為膠囊腔進(jìn)氣口內(nèi)徑為3.7mm的有限元分析速度云圖、圖33為膠囊腔進(jìn)氣口內(nèi)徑為3.7mm的有限元分析壓強(qiáng)云圖、圖34為膠囊腔進(jìn)氣口內(nèi)徑為3.9mm的有限元分析速度云圖、圖35為膠囊腔進(jìn)氣口內(nèi)徑為3.9mm的有限元分析壓強(qiáng)云圖；由有限元分析結(jié)果及計(jì)算公式p＝f/s可計(jì)算出三種膠囊腔進(jìn)氣口內(nèi)徑下膠囊受到的浮力分別為0.0484n、0.0279n及0.0390n，均大于膠囊重力0.000748n，膠囊可以浮起。且由壓強(qiáng)云圖得到膠囊兩側(cè)壓強(qiáng)不同，所以膠囊可以在膠囊腔內(nèi)左右振動(dòng)。表6所示列出了三種膠囊腔進(jìn)氣口內(nèi)徑對(duì)出口流速影響的分析結(jié)果。表6膠囊腔進(jìn)氣口內(nèi)徑對(duì)流速的影響經(jīng)過(guò)分析得改變膠囊腔進(jìn)氣口內(nèi)徑使裝置流速變化很大，所以膠囊腔底部進(jìn)氣口直徑的大小直接影響到裝置的流速。結(jié)合前文階梯型流道截面理論計(jì)算，膠囊腔進(jìn)氣口內(nèi)徑定為4mm。在后期的處理階段就可以通過(guò)改變膠囊腔底部進(jìn)氣口的直徑來(lái)控制流速，也可分別制作不同尺寸的膠囊型干粉吸入裝置來(lái)滿足各種人群的需要。綜上所述，對(duì)裝置流速影響關(guān)鍵因素是膠囊腔底部進(jìn)氣口內(nèi)徑及膠囊腔內(nèi)徑。同時(shí)確定其他各部件設(shè)計(jì)尺寸：5個(gè)小進(jìn)氣口直徑為4mm，吸嘴內(nèi)徑為6mm，吸嘴長(zhǎng)度為25mm，膠囊腔進(jìn)氣口長(zhǎng)度為8mm，膠囊腔底部進(jìn)氣口內(nèi)徑為4mm。以下建立樣機(jī)流道模型有限元仿真驗(yàn)證其性能。7、以最優(yōu)參數(shù)設(shè)計(jì)的膠囊型干粉吸入裝置流場(chǎng)有限元仿真分析。以最優(yōu)參數(shù)設(shè)計(jì)的膠囊型干粉吸入裝置流道模型導(dǎo)入流體仿真軟件fluent進(jìn)行有限元分析，圖36為以最優(yōu)參數(shù)設(shè)計(jì)的膠囊型干粉吸入裝置的流線示意圖、圖37為以最優(yōu)參數(shù)設(shè)計(jì)的膠囊型干粉吸入裝置的流場(chǎng)速度云圖、圖38為以最優(yōu)參數(shù)設(shè)計(jì)的膠囊型干粉吸入裝置的出口速度圖。在出口壓強(qiáng)為-4000pa條件下，裝置的出口流速為14.51m/s，經(jīng)計(jì)算可得出口氣體流量為44.6l/min，滿足40l/min±15％，即34～46l/min的設(shè)計(jì)要求。8、選用3d打印機(jī)進(jìn)行最優(yōu)參數(shù)設(shè)計(jì)的膠囊型干粉吸入裝置制備，打印精度為0.1mm，行程為400mm×400mm×400mm，噴嘴出口直徑為0.06mm，打印材料為聚乳酸pla材質(zhì)。9、為考察最優(yōu)參數(shù)設(shè)計(jì)的膠囊型干粉吸入裝置性能，進(jìn)行氣阻檢測(cè)實(shí)驗(yàn)及藥粉排空率檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。①氣阻檢測(cè)實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表7所示：表7氣阻檢測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果干粉吸入裝置出口流量(l/min)hitdpi45.73handihaler43.02從上表中可以看出所設(shè)計(jì)的膠囊型干粉吸入裝置的出口流量與德國(guó)思力華的handihaler非常接近，同時(shí)與有限元仿真結(jié)果44.6l/min吻合得較好，滿足設(shè)計(jì)要求，驗(yàn)證了本裝置流道設(shè)計(jì)的正確性。②藥粉排空率檢測(cè)實(shí)驗(yàn)；經(jīng)數(shù)據(jù)處理整理得到如表8所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，所設(shè)計(jì)的膠囊型干粉吸入裝置，藥粉排空率相比其他廠家更好。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中觀測(cè)抽氣一次基本可實(shí)現(xiàn)藥粉的排空，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的膠囊型干粉吸入裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。表8各廠家排空率對(duì)比評(píng)價(jià)指標(biāo)思力華正大天晴仙琚實(shí)施例排空率(％)約60％90％高于90％高于90％當(dāng)前第1頁(yè)12