CN107185088A - 一种胶囊型干粉吸入装置的设计方法 - Google Patents

一种胶囊型干粉吸入装置的设计方法 Download PDF

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王咏
富宏亚
韩振宇
金鸿宇
韩德东
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Abstract

一种胶囊型干粉吸入装置的设计方法，本发明涉及一种胶囊型干粉吸入装置的设计方法。本发明要解决目前胶囊型干粉吸入装置的设计主要依靠仿制及实验试制，其设计方法缺乏理论指导的问题。方法：一、对胶囊型干粉吸入装置进行实验，获得关键结构参数；二、采用Boda‑Canow公式得到流道进气口直径、胶囊腔直径及出气口直径的直径比值，计算得到阶梯型流道各截面面积的比值，确定流道的整体结构尺寸，运用2D/3D建模软件建立胶囊型干粉吸入装置的三维模型；三、将三维模型导入到有限元软件中，通过有限元仿真进行流场分析，确定关键结构参数尺寸，得到优化后的胶囊型干粉吸入装置。本发明通过理论计算和分析手段设计胶囊型干粉吸入装置。

Description

一种胶囊型干粉吸入装置的设计方法
技术领域
本发明涉及一种胶囊型干粉吸入装置的设计方法。
背景技术
干粉吸入剂是一种不含抛射剂的微粉化气雾吸入剂，它是指微粉化药物或载体以胶囊、泡囊或多剂量贮库形式使用特制的干粉吸入装置，由患者主动吸入的制剂。近年来，随着人们对哮喘、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，更多的学者致力于肺部吸入给药这种靶向性与非侵犯性于一身的药物传递系统的研发。
肺部吸入给药是指借助特制的吸入装置完成对药物的分散、雾化作用，后经呼吸道传递进肺部。它与传统的给药方式如：注射、口服、外敷等相比，肺部吸入给药具有其独特的优势，主要包括：(1)肺部的表面积大；(2)肺部的血管丰富、酶含量低；(3)患者对药物适应性好；(4)药效快，作用迅速；(5)适合生物大分子传递等。基于肺部吸入给药的优势及其广阔的应用前景，肺部吸入给药装置作为影响肺部给药系统传递的重要因素，逐渐成为研究的热点。
二十世纪五十年代至今，肺部吸入给药装置主要有三种：雾化吸入装置、压力定量吸入器、干粉吸入器。雾化吸入装置是将药物通过射流、超声等方式雾化成微小的颗粒，药物通过患者呼吸吸入的方式进入呼吸道和肺部沉积，从而达到无痛并迅速治疗的目的。但是雾化吸入器体积较大，多适用于医院治疗，不适合随身携带。压力定量吸入器适用于各类支气管哮喘病的治疗，其优点是体积小、便于携带、可以反复定量给药、不需要定期消毒等，但是压力定量吸入器对患者的操作技术要求比较高，年幼的儿童和老年人难以掌握其操作过程，因此，会造成药物经肺部递送效率低、治疗效果差等缺点。并且传统的压力定量吸入器以氟利昂作为抛射剂，易破坏大气层造成污染。因此为了避免压力定量吸入器的弊端，人们在1967年提出了干粉吸入器的概念。
干粉吸入器是通过患者进行主动吸气引发药物干粉雾化分散的一种装置，它不需要使用抛射剂，并消除患者的协同配合过程而且由于它便捷、无污染等特点正逐渐成为肺部吸入给药装置的主流。
但目前胶囊型干粉吸入装置的设计主要依靠仿制及实验试制，设计方法存在缺乏理论指导的问题。
发明内容
本发明是为了解决目前胶囊型干粉吸入装置的设计主要依靠仿制及实验试制，其设计方法缺乏理论指导的问题，而提供一种胶囊型干粉吸入装置的设计方法。
本发明的一种胶囊型干粉吸入装置流道设计方法通过以下步骤实现：
步骤一、对胶囊型干粉吸入装置进行实验，获得关键结构参数；所述关键结构参数包括进气口尺寸、胶囊腔尺寸及出气口尺寸；
步骤二、以一个标准大气压的进气口压强、40L/min的出气口流量及相对一个标准大气压-4000Pa的出气口压强为边界条件，采用Boda-Canow公式得到流道进气口直径、胶囊腔直径及出气口直径的直径比值，计算得到阶梯型流道各截面面积的比值，再根据胶囊型干粉吸入装置的形状及尺寸确定流道的整体结构尺寸，运用2D/3D建模软件建立胶囊型干粉吸入装置的三维模型；
步骤三、将三维模型导入到有限元软件中，通过有限元仿真进行流场分析，确定关键结构参数的尺寸，得到优化后的胶囊型干粉吸入装置。
有益效果：
本发明是结合流体力学理论计算方法与有限元仿真分析手段的流道设计方法，通过本发明设计的胶囊型干粉吸入装置具有较高的肺部沉积率，同时将患者个体差异对干粉吸入装置性能的影响降至最低，而且使用简单，易于被患者接受。体积小便于患者携带、外形美观、结构简单、对环境无污染、价格便宜等要求。本发明所设计的胶囊型干粉吸入装置结构设计合理，其排空率大于90％。
附图说明
图1为一种胶囊型干粉吸入装置的结构示意图；
图2为一种胶囊型干粉吸入装置的分解结构示意图；
图3为进气口直径为3mm的有限元分析流速云图；
图4为进气口直径为3mm的有限元分析压强云图；
图5为进气口直径为4mm的有限元分析流速云图；
图6为进气口直径为4mm的有限元分析压强云图；
图7为进气口直径为5mm的有限元分析流速云图；
图8为进气口直径为5mm的有限元分析压强云图；
图9为胶囊腔底部进气口长度为5.5mm的有限元分析速度云图；
图10为胶囊腔底部进气口长度为5.5mm的有限元分析压强云图；
图11为胶囊腔底部进气口长度为6.5mm的有限元分析速度云图；
图12为胶囊腔底部进气口长度为6.5mm的有限元分析压强云图；
图13为胶囊腔底部进气口长度为8mm的有限元分析速度云图；
图14为胶囊腔底部进气口长度为8mm的有限元分析压强云图；
图15为吸嘴内径为4.6mm的有限元分析速度云图；
图16为吸嘴内径为4.6mm的有限元分析压强云图；
图17为吸嘴内径为5.1mm的有限元分析速度云图；
图18为吸嘴内径为5.1mm的有限元分析压强云图；
图19为吸嘴内径为5.6mm的有限元分析速度云图；
图20为吸嘴内径为5.6mm的有限元分析压强云图；
图21为吸嘴长度为20mm的有限元分析速度云图；
图22为吸嘴长度为20mm的有限元分析压强云图；
图23为吸嘴长度为25mm的有限元分析速度云图；
图24为吸嘴长度为25mm的有限元分析压强云图；
图25为吸嘴长度为30mm的有限元分析速度云图；
图26为吸嘴长度为30mm的有限元分析压强云图；
图27为胶囊腔内径为7.1mm的有限元分析速度云图；
图28为胶囊腔内径为7.6mm的有限元分析速度云图；
图29为胶囊腔内径为8.1mm的有限元分析速度云图；
图30为胶囊腔进气口内径为3.4mm的有限元分析速度云图；
图31为胶囊腔进气口内径为3.4mm的有限元分析压强云图；
图32为胶囊腔进气口内径为3.7mm的有限元分析速度云图；
图33为胶囊腔进气口内径为3.7mm的有限元分析压强云图；
图34为胶囊腔进气口内径为3.9mm的有限元分析速度云图；
图35为胶囊腔进气口内径为3.9mm的有限元分析压强云图；
图36为以最优参数设计的胶囊型干粉吸入装置的流线示意图；
图37为以最优参数设计的胶囊型干粉吸入装置的流场速度云图；
图38为以最优参数设计的胶囊型干粉吸入装置的出口速度图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式一种胶囊型干粉吸入装置流道设计方法通过以下步骤实现：
步骤一、对胶囊型干粉吸入装置进行实验，获得关键结构参数；所述关键结构参数包括进气口尺寸、胶囊腔尺寸及出气口尺寸；
步骤二、以一个标准大气压的进气口压强、40L/min的出气口流量及相对一个标准大气压-4000Pa的出气口压强为边界条件，采用Boda-Canow公式得到流道进气口直径、胶囊腔直径及出气口直径的直径比值，计算得到阶梯型流道各截面面积的比值，再根据胶囊型干粉吸入装置的形状及尺寸确定流道的整体结构尺寸，运用2D/3D建模软件建立胶囊型干粉吸入装置的三维模型；
步骤三、将三维模型导入到有限元软件中，通过有限元仿真进行流场分析，确定关键结构参数的尺寸，得到优化后的胶囊型干粉吸入装置。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一的不同之处在于：步骤二中所述Boda-Canow公式为式中，
hζ表示流体能量损失；
ζ表示流体损失系数；
V1表示阶梯型流道的前截面流体速度；
V2表示阶梯型流道的前截面流体速度；
g表示重力加速度；
A1表示阶梯型流道的前截面面积；
A2表示阶梯型流道的前截面面积。其他与具体实施方式一相同。
本实施方式为了尽可能使整个装置结构简单且成本低廉，本项目装置设计采取刺针刺破的方式。刺针刺破胶囊后利用压缩弹簧来复位刺针。为了改善刺针刺破后孔太小不利于药物释放的缺点，本设计利用气流助推胶囊运动的方式来辅助药物释放。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二的不同之处在于：步骤三中所述优化后的胶囊型干粉吸入装置由胶囊1、下底2、上盖3、胶囊腔4、胶囊腔进气口5、装药桶座7、吸嘴8和刺破装置组成；所述刺破装置由刺针6、弹簧9和刺针按键10组成；所述胶囊腔4的上端设置有装药桶座7，所述吸嘴8通过螺纹连接在装药桶座7上，所述吸嘴8的下端进气口与所述胶囊腔4的上端口连通，所述胶囊腔4的下端设置有胶囊腔进气口5；所述胶囊腔4的纵长方向的侧面设置有两个供刺破装置上的刺针6穿入的孔，所述两个刺针穿入孔11沿胶囊腔4的轴线方向排列，所述刺破装置设置在所述胶囊腔4的侧面；所述刺针6的一端固定在刺针按键10上，另一端可进出于刺针穿入孔11，所述两个刺针6之间设置有弹簧9，所述弹簧9的一端支撑于刺针按键10上，另一端支撑于胶囊腔4的外壁；所述刺针按键10滑套在所述下底2的侧壁上，所述下底2的上端设置有上盖3，所述装药桶座7设置在下底2和上盖3的连接处。其他与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式三的不同之处在于：所述吸嘴8的下方设置有筛网，所述筛网为不锈钢网。其他与具体实施方式三相同。
为了克服刺针刺破后可能存在的胶囊碎片，本设计将在装置吸嘴处添加筛网防止较大的碎片进入患者肺部。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式三或四的不同之处在于：所述吸嘴8的上部吸口与胶囊腔进气口5同轴设置。其他与具体实施方式三或四同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式三至五之一的不同之处在于：所述胶囊腔4上端面的直径为9mm；所述胶囊腔进气口5的直径为4mm。其他与具体实施方式三至五之一相同。
胶囊腔的作用是承载胶囊并使胶囊在吸入气流的作用下在腔内快速转动，并与胶囊腔壁发生碰撞加速胶囊内部药物的解聚。同时胶囊腔还连接整个装置的进气口与出气口，所以在胶囊腔底部需要开出一块小于胶囊直径的小孔。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式三至六之一的不同之处在于：所述吸嘴8的长度为20mm～30mm，所述吸嘴8的上部吸口直径为5mm～6mm。其他与具体实施方式三至六之一相同。
吸嘴部分设计主要考虑的是吸嘴的结构尺寸对整个装置性能的影响，吸嘴出口处流速过大或者出口截面流场不均匀都会造成药物在吸嘴处和患者喉部的沉积。吸嘴的直径大小会影响出口的流速，在吸气量一定的情况下，出口直径小可以提供更高的出口流速。
出口直径在增大后吸气阻力也变小，吸入更轻松。但是在8mm和10mm的吸嘴内径胶囊旋转情况不理想，同时吸气完成后胶囊内部分药物残留。当吸嘴直径为4mm和6mm时药物无残留或者残留较少。但是4mm的吸嘴直径在吸气时比较费力。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式三至七之一的不同之处在于：所述弹簧9为C级碳素弹簧钢丝，旋绕比C＝6.25，弹簧中径D＝5mm，长度为12mm。其他与具体实施方式三至七之一相同。
弹簧尺寸应与装置相适应，还需满足一定的刚度要求，刚度过小，则弹簧无法完成复位功能。刚度过大，患者难以按动弹簧刺破胶囊。查机械设计手册选用C级碳素弹簧钢丝，Ⅱ类许用应力，根据结构要求最大工作载荷F2＝15N，根据装置外观要求初选旋绕比C＝6.25，弹簧中径D＝5mm。根据结构要求估计，按机械设计手册取标准值。
由C＝D/d得弹簧钢丝直径d＝0.8mm。
查机械设计手册得σb＝2010～2060Mpa，取弹簧钢丝的抗拉强度σb＝2040Mpa，许用切应力τp＝0.4，σb＝816Mpa。
由于则曲度因数将以上结果代入弹簧钢丝直径所以满足强度约束条件。
计算有效工作圈数：
式中G表示切变模量，由机械设计手册取G＝80000MPa；
f0表示弹簧初变形量，对压缩弹簧没有初变形量f0＝0mm；
f1表示弹簧受力变形量。
由于最小工作载荷F1≤0.2Flim，其中Flim为工作极限载荷，Flim＝18.9N，因此取F1＝0.2Flim＝3.78N。
弹簧最大压缩量x2＝0.00763m，由胡克定律得K＝F2/x2＝15/0.00763。
f1＝F1/K＝1.92mm；取n＝5。
由于弹簧两端并紧一圈所以总圈数n1＝n+2＝7。
由机械设计手册d＝0.8mm，D＝5时，节距P＝1.99。
自由高度或长度H0＝P×n+1.5d＝11.55mm，取标准值H0＝12mm。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式三至八之一的不同之处在于：所述刺针6的直径为1.6mm。其他与具体实施方式三至八之一相同。
干粉吸入装置刺针的作用是在胶囊上刺出小孔让药物、气流进出，对刺针的设计主要是关注刺针直径的大小。刺针直径越大，便于药物和气流流动，但更容易产生胶囊碎片。胶囊内药粉从小孔内流出时会与壁面发生接触，这些接触产生的摩擦碰撞促成了药粉团的解聚。一些直径较大的药物颗粒无法从小孔流出就会继续留在胶囊内部，随着胶囊在外部气流的作用下不断地旋转碰撞，这些大的团聚体会不断与胶囊壁发生碰撞，最终破碎成较小的粒子从小孔流出。显然，小孔的直径越小，对药物的分解越有利。但是考虑到刺针强度、药物流出的难易程度和刺孔大小对药物解聚分散的影响，将最终设计的刺针直径取为1.6mm。
通过以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例：一种胶囊型干粉吸入装置流道设计方法通过以下步骤实现：
步骤一、对胶囊型干粉吸入装置进行实验，获得关键结构参数；所述关键结构参数包括进气口尺寸、胶囊腔尺寸及出气口尺寸；
步骤二、以一个标准大气压的进气口压强、40L/min的出气口流量及相对一个标准大气压-4000Pa的出气口压强为边界条件，采用Boda-Canow公式得到流道进气口直径、胶囊腔直径及出气口直径的直径比值，计算得到阶梯型流道各截面面积的比值，再根据胶囊型干粉吸入装置的形状及尺寸确定流道的整体结构尺寸，运用2D/3D建模软件建立胶囊型干粉吸入装置的三维模型；
步骤三、将三维模型导入到有限元软件中，通过有限元仿真进行流场分析，确定关键结构参数的尺寸，得到优化后的胶囊型干粉吸入装置。
步骤三中所述将三维模型导入到有限元软件中，通过有限元仿真进行流场分析是分别从进气口直径、胶囊腔底部进气口长度、吸嘴内径、吸嘴长度、胶囊腔内径和胶囊腔进气口内径六个因素进行流场分析。以药厂提供的3号胶囊作为实验体。所述3号胶囊的质量为48±3mg，胶囊内药粉质量为25mg，空胶囊质量最大值51mg。
1、以进气口直径分别为3mm、4mm和5mm进行有限元分析。
①选取进气口直径分别为3mm，通过有限元分析得出吸嘴处流速云图和压强云图，图3为进气口直径为3mm的有限元分析流速云图；图4为进气口直径为3mm的有限元分析压强云图；通过计算可以得到胶囊与药物的重力为：G＝mg＝(0.000051+0.000025)×9.8＝0.0007448N；根据压强云图可以得出胶囊在胶囊腔内给定位置的压强，胶囊竖直放置在胶囊腔内时，根据P＝F/S得：F＝PS＝(3109-1938)×0.0000244＝0.0286N；由于0.0286N＞0.0007448N，装置进行实验时胶囊可以浮起。由压强云图可以得出胶囊两侧的压强不同，取胶囊横向放置时的状态进行计算分析，根据P＝F/S得：F＝PS＝(3109-1938)×0.0000427＝0.05N；由于0.05N＞0.0007448N，则胶囊在装置内可以振动。
以下分析同理，横向放置时压强差一定，但接触面积变大，所以胶囊受力只会增大不会减小，即胶囊横向放置时一定会因压差的原因在胶囊腔内往复振动。
②选取进气口直径分别为4mm，通过有限元分析得出吸嘴处流速云图和压强云图，图5为进气口直径为4mm的有限元分析流速云图；图6为进气口直径为4mm的有限元分析压强云图；根据云图的读数可以计算出胶囊的浮力，根据P＝F/S得：F＝PS＝(3118-2107)×0.0000244＝0.0247N；由于0.0247N＞0.0007448N，胶囊可以浮起。根据云图读数得出胶囊两侧压强不同，所以胶囊可以在胶囊腔内左右振动。
③选取进气口直径分别为5mm，通过有限元分析得出吸嘴处流速云图和压强云图，图7为进气口直径为5mm的有限元分析流速云图；图8为进气口直径为5mm的有限元分析压强云图；根据云图的读数可以计算出胶囊的浮力，根据P＝F/S得：F＝PS＝(2986-2293)×0.0000244＝0.0169N；由于0.0169N＞0.0007448N，所以胶囊可以浮起。根据云图读数得出胶囊两侧压强不同，所以胶囊可以在胶囊腔内左右振动。
④分析对比并确定最终选用尺寸；通过对三种尺寸进气口直径的云图进行分析计算并列出表格，如表1所示。
表1进气口直径对流速的影响
经对比分析得进气口直径每增加1mm流速变化在2L/min以内，所以说5个进气口的直径大小对装置的流速影响不大，选取规定流速的最大值46L/min的装置尺寸，即5个进气口直径为4mm，最后通过主要影响流速的因素来改变这一数值。
2、根据装置结构设计尺寸以胶囊腔底部进气口长度分别为5.5mm、6.5mm和8mm进行有限元分析。
图9为胶囊腔底部进气口长度为5.5mm的有限元分析速度云图、图10为胶囊腔底部进气口长度为5.5mm的有限元分析压强云图、图11为胶囊腔底部进气口长度为6.5mm的有限元分析速度云图、图12为胶囊腔底部进气口长度为6.5mm的有限元分析压强云图、图13为胶囊腔底部进气口长度为8mm的有限元分析速度云图、图14为胶囊腔底部进气口长度为8mm的有限元分析压强云图；根据有限元分析结果及计算公式P＝F/S可计算出三种进气口长度下胶囊的受到的浮力分别为0.0288N、0.0329N及0.0361N，均大于胶囊重力0.000748N，胶囊可以浮起。由压强云图读数得出胶囊两侧压强不同，所以胶囊可以在胶囊腔内左右振动。表2所示列出了三种进气口长度对出口流速影响的分析结果。
表2进气口长度对出口流速的影响
在改变胶囊腔进气口时，随着直径的增加流速逐渐降低。因此设计时应选择流速接近规定流速时的尺寸，同时满足装置结构要求的胶囊腔进气口长度，所以选用8mm的胶囊腔进气口。
3、从用户舒适度角度以吸嘴内径分别为4.6mm、5.1mm和5.6mm进行有限元分析。
图15为吸嘴内径为4.6mm的有限元分析速度云图、图16为吸嘴内径为4.6mm的有限元分析压强云图、图17为吸嘴内径为5.1mm的有限元分析速度云图、图18为吸嘴内径为5.1mm的有限元分析压强云图、图19为吸嘴内径为5.6mm的有限元分析速度云图、图20为吸嘴内径为5.6mm的有限元分析压强云图；根据有限元分析结果及理论计算胶囊受到的浮力分别为0.0314N、0.0294N及0.0325N，均大于胶囊重力0.000748N，所以胶囊可以浮起。且根据压强云图读数得出胶囊两侧压强不同，胶囊可以在胶囊腔内左右振动。表3所示列出了三种吸嘴内径对出口流速影响的分析结果。
表3吸嘴内径对出口流速的影响
经分析得到直径每增加0.5mm流速变化范围在2L/min左右，对装置流速影响不大。在满足要求流速的前提下，考虑到后期3D打印成型的精度，设计时吸嘴内径定为6mm。
4、从适用人群角度以吸嘴长度分别为20mm、25mm和30mm进行有限元分析。
图21为吸嘴长度为20mm的有限元分析速度云图、图22为吸嘴长度为20mm的有限元分析压强云图、图23为吸嘴长度为25mm的有限元分析速度云图、图24为吸嘴长度为25mm的有限元分析压强云图、图25为吸嘴长度为30mm的有限元分析速度云图、图26为吸嘴长度为30mm的有限元分析压强云图；根据有限元分析结果及理论计算得到三种吸嘴内径下胶囊受到的浮力分别为0.0209N、0.0216N及0.0174N，均大于胶囊重力0.000748N，所以胶囊可以浮起。由压强云图读数得出胶囊两侧压强不同，所以胶囊可以在胶囊腔内左右振动。表4所示列出了三种吸嘴内径对出口流速影响的分析结果。
表4吸嘴长度对流速的影响
通过分析得20mm、25mm和30mm的吸嘴长度对装置流速影响不大，但是25mm时所能提供的流速比较大，并且30mm长的吸嘴在小孩使用时可能会因吸嘴过长而受到伤害，20mm长的吸嘴又太短，在吸气时不方便，所以为了使装置适用于更多人群最终选择25mm长得吸嘴。
5、根据结构设计要求以胶囊腔内径分别为7.1mm、7.6mm和8.1mm进行有限元分析。
图27为胶囊腔内径为7.1mm的有限元分析速度云图、图28为胶囊腔内径为7.6mm的有限元分析速度云图、图29为胶囊腔内径为8.1mm的有限元分析速度云图；表5所示列出了三种吸嘴内径对出口流速影响的分析结果。
表5胶囊腔内径对流速的影响
改变胶囊腔内径对吸嘴处流速影响很大，且当胶囊腔内径为7.1mm时，胶囊外壁距离胶囊腔壁很近，在有限元分析中发现该位置多处流速为零，不利于胶囊在腔内的振动。随着胶囊腔内径加大，胶囊振动的空间也相应增加，振动更为剧烈。考虑到刺针的刺破效果，胶囊腔需提供一定的定位作用，内径不宜过大。兼顾样机制造、加工等因素，最终选择9mm的胶囊腔直径。
6、由于胶囊腔承载胶囊，进气口直径应小于胶囊直径(5.86mm)，还要防止胶囊一端卡在进气口位置影响刺破位置。所以以胶囊腔进气口内径分别为3.4mm、3.7mm和3.9mm进行有限元分析。
图30为胶囊腔进气口内径为3.4mm的有限元分析速度云图、图31为胶囊腔进气口内径为3.4mm的有限元分析压强云图、图32为胶囊腔进气口内径为3.7mm的有限元分析速度云图、图33为胶囊腔进气口内径为3.7mm的有限元分析压强云图、图34为胶囊腔进气口内径为3.9mm的有限元分析速度云图、图35为胶囊腔进气口内径为3.9mm的有限元分析压强云图；由有限元分析结果及计算公式P＝F/S可计算出三种胶囊腔进气口内径下胶囊受到的浮力分别为0.0484N、0.0279N及0.0390N，均大于胶囊重力0.000748N，胶囊可以浮起。且由压强云图得到胶囊两侧压强不同，所以胶囊可以在胶囊腔内左右振动。表6所示列出了三种胶囊腔进气口内径对出口流速影响的分析结果。
表6胶囊腔进气口内径对流速的影响
经过分析得改变胶囊腔进气口内径使装置流速变化很大，所以胶囊腔底部进气口直径的大小直接影响到装置的流速。结合前文阶梯型流道截面理论计算，胶囊腔进气口内径定为4mm。在后期的处理阶段就可以通过改变胶囊腔底部进气口的直径来控制流速，也可分别制作不同尺寸的胶囊型干粉吸入装置来满足各种人群的需要。
综上所述，对装置流速影响关键因素是胶囊腔底部进气口内径及胶囊腔内径。同时确定其他各部件设计尺寸：5个小进气口直径为4mm，吸嘴内径为6mm，吸嘴长度为25mm，胶囊腔进气口长度为8mm，胶囊腔底部进气口内径为4mm。以下建立样机流道模型有限元仿真验证其性能。
7、以最优参数设计的胶囊型干粉吸入装置流场有限元仿真分析。
以最优参数设计的胶囊型干粉吸入装置流道模型导入流体仿真软件FLUENT进行有限元分析，图36为以最优参数设计的胶囊型干粉吸入装置的流线示意图、图37为以最优参数设计的胶囊型干粉吸入装置的流场速度云图、图38为以最优参数设计的胶囊型干粉吸入装置的出口速度图。在出口压强为-4000Pa条件下，装置的出口流速为14.51m/s，经计算可得出口气体流量为44.6L/min，满足40L/min±15％，即34～46L/min的设计要求。
8、选用3D打印机进行最优参数设计的胶囊型干粉吸入装置制备，打印精度为0.1mm，行程为400mm×400mm×400mm，喷嘴出口直径为0.06mm，打印材料为聚乳酸PLA材质。
9、为考察最优参数设计的胶囊型干粉吸入装置性能，进行气阻检测实验及药粉排空率检测实验。
①气阻检测实验；实验结果如表7所示：
表7气阻检测实验结果
干粉吸入装置 出口流量(L/min)
HITDPI 45.73
Handihaler 43.02
从上表中可以看出所设计的胶囊型干粉吸入装置的出口流量与德国思力华的Handihaler非常接近，同时与有限元仿真结果44.6L/min吻合得较好，满足设计要求，验证了本装置流道设计的正确性。
②药粉排空率检测实验；经数据处理整理得到如表8所示的实验结果，所设计的胶囊型干粉吸入装置，药粉排空率相比其他厂家更好。在实验过程中观测抽气一次基本可实现药粉的排空，验证了所设计的胶囊型干粉吸入装置结构设计的合理性。
表8各厂家排空率对比
评价指标 思力华 正大天晴 仙琚 实施例
排空率(％) 约60％ 90％ 高于90％ 高于90％

Claims (9)

1.一种胶囊型干粉吸入装置流道设计方法，其特征在于胶囊型干粉吸入装置流道设计方法通过以下步骤实现：
步骤一、对胶囊型干粉吸入装置进行实验，获得关键结构参数；所述关键结构参数包括进气口尺寸、胶囊腔尺寸及出气口尺寸；
步骤二、以一个标准大气压的进气口压强、40L/min的出气口流量及相对一个标准大气压-4000Pa的出气口压强为边界条件，采用Boda-Canow公式得到流道进气口直径、胶囊腔直径及出气口直径的直径比值，计算得到阶梯型流道各截面面积的比值，再根据胶囊型干粉吸入装置的形状及尺寸确定流道的整体结构尺寸，运用2D/3D建模软件建立胶囊型干粉吸入装置的三维模型；
步骤三、将三维模型导入到有限元软件中，通过有限元仿真进行流场分析，确定关键结构参数的尺寸，得到优化后的胶囊型干粉吸入装置。
2.根据权利要求1所述的一种胶囊型干粉吸入装置流道设计方法，其特征在于步骤二中所述Boda-Canow公式为式中，
hζ表示流体能量损失；
ζ表示流体损失系数；
V1表示阶梯型流道的前截面流体速度；
V2表示阶梯型流道的前截面流体速度；
g表示重力加速度；
A1表示阶梯型流道的前截面面积；
A2表示阶梯型流道的前截面面积。
3.根据权利要求1所述的一种胶囊型干粉吸入装置流道设计方法，其特征在于步骤三中所述优化后的胶囊型干粉吸入装置由胶囊(1)、下底(2)、上盖(3)、胶囊腔(4)、胶囊腔进气口(5)、装药桶座(7)、吸嘴(8)和刺破装置组成；所述刺破装置由刺针(6)、弹簧(9)和刺针按键(10)组成；所述胶囊腔(4)的上端设置有装药桶座(7)，所述吸嘴(8)通过螺纹连接在装药桶座(7)上，所述吸嘴(8)的下端进气口与所述胶囊腔(4)的上端口连通，所述胶囊腔(4)的下端设置有胶囊腔进气口(5)；所述胶囊腔(4)的纵长方向的侧面设置有两个供刺破装置上的刺针(6)穿入的孔，所述两个刺针穿入孔(11)沿胶囊腔(4)的轴线方向排列，所述刺破装置设置在所述胶囊腔(4)的侧面；所述刺针(6)的一端固定在刺针按键(10)上，另一端可进出于刺针穿入孔(11)，所述两个刺针(6)之间设置有弹簧(9)，所述弹簧(9)的一端支撑于刺针按键(10)上，另一端支撑于胶囊腔(4)的外壁；所述刺针按键(10)滑套在所述下底(2)的侧壁上，所述下底(2)的上端设置有上盖(3)，所述装药桶座(7)设置在下底(2)和上盖(3)的连接处。
4.根据权利要求3所述的一种胶囊型干粉吸入装置流道设计方法，其特征在于所述吸嘴(8)的下方设置有筛网，所述筛网为不锈钢网。
5.根据权利要求3所述的一种胶囊型干粉吸入装置流道设计方法，其特征在于所述吸嘴(8)的上部吸口与胶囊腔进气口(5)同轴设置。
6.根据权利要求3所述的一种胶囊型干粉吸入装置流道设计方法，其特征在于所述胶囊腔(4)上端面的直径为9mm；所述胶囊腔进气口(5)的直径为4mm。
7.根据权利要求3所述的一种胶囊型干粉吸入装置流道设计方法，其特征在于所述吸嘴(8)的长度为20mm～30mm，所述吸嘴(8)的上部吸口直径为5mm～6mm。
8.根据权利要求3所述的一种胶囊型干粉吸入装置流道设计方法，其特征在于所述弹簧(9)为C级碳素弹簧钢丝，旋绕比C＝6.25，弹簧中径D＝5mm，长度为12mm。
9.根据权利要求3所述的一种胶囊型干粉吸入装置流道设计方法，其特征在于所述刺针(6)的直径为1.6mm。
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