CN109876239B - 一种压电片驱动的注射系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种压电片驱动的注射系统，属医疗器械领域。主体装在底座上，注射器装在主体的缸腔端部；主体底部设有左右凸台及至少两直径不等的体台，左凸台上设有上入孔，右凸台上设有经上出孔与缸腔连通的上出口腔，体台上设有上进口腔和上出气孔；底座顶部设有左右腔及与体台数量和直径分别相等的体腔，左腔上设有下入孔，右腔上设有下出口腔，体腔上设有下进口腔和下出气孔；上下进出口腔与其内所安装的阀片分别构成上下进出口阀；左凸台置于左腔内、右凸台置于右腔内，体台经密封圈将压电驱动器压接在体腔内构成上下压缩腔，上压缩腔串联成上压缩单元、下压缩腔串联成下压缩单元，上下压缩单元并联；工作中左右相邻驱动器变形方向相反。

Description

一种压电片驱动的注射系统

技术领域

本发明属于医疗器械领域，具体涉及一种压电片驱动的注射系统。

背景技术

现有注射给药主要有静脉注射、肌肉注射和皮下注射等。静脉注射也称输液给药，现有输液装置大都由输液瓶、输液管及输液架构成，输液瓶吊挂在输液架上、依靠药液自重流动并经输液管注入到人的血管中。这种输液模式在实际使用中会带来许多问题：通过手动方法调节流量，流量控制精度不够；病人走动、如厕等情况下需他人高举输液瓶，活动不方便且输液瓶高度不够时还会使血液回流；需要病人或护理人员长时间看守，如未及时发现输液完成还可能造成事故；药液与空气接触，环境空气不洁时还有被污染的可能性。除了上述直接问题外，有时还会通过减少溶液量、加快输液速度等方法缩短输液时间，这不仅加重了心脏负担，还影响了治疗效果：肌肉注射和皮下注射在相对较短的时间内将药物注射到肌肉或皮下，其最大弊端是一个注射周期内血药浓度差异较大，不利于药物的有效吸收与利用，因为：大多数药物在人体内都有较佳浓度范围，药物浓度过高时具有毒副作用、过低时将不具治疗效果。因此，可延长药品注射时间、保持合理药品浓度的微小型便携式药品控释装置或系统是目前医疗领域所急需的。

发明内容

本发明提出一种压电片驱动的注射系统，本发明的实施方案是：主体经螺钉安装在底座上，注射器的药筒经螺纹装在主体顶部的缸腔端部，活塞置于药筒内并与药筒构成药腔，药筒与缸腔之间设有密封垫；活塞的推杆置于缸腔内，药筒上装有带流量阀和针头的输液管；主体底部设有左右凸台及至少两个直径不等的体台，从左到右的体台直径依次减小，左凸台上设有上入孔，右凸台上设有经上出孔与缸腔连通的上出口腔，体台上设有上进口腔和上出气孔；最左侧体台的上进口腔与上入孔连通，最右侧体台的上出气孔与上出口腔连通，其余两相邻体台的上进口腔和上出气孔相互连通；主体的上进出口腔与其内所安装的阀片分别构成上进出口阀，阀片为悬臂梁阀或碟形阀；底座顶部设有左右腔及与体台数量和直径分别相等的体腔，左腔的底壁上设有下入孔，右腔底壁上设有下出口腔，体腔底壁上设有下进口腔和下出气孔；最左侧体腔的下进口腔与下入孔连通，最右侧体腔的下出气孔与下出口腔连通，其余两相邻体腔的下进口腔和下出气孔连通；下进出口腔与其内所安装的阀片分别构成下进出口阀；左凸台置于左腔内并使上下入孔连通，右凸台置于右腔内并使上下出口腔及上出孔连通；体台经密封圈将驱动器压接在体腔内，密封圈位于驱动器上下两侧，驱动器由基板和压电片粘接而成，驱动器表面涂有绝缘漆或粘接有绝缘薄膜；驱动器与主体、上进口阀及密封圈构成上压缩腔，各上压缩腔串联成上压缩单元；驱动器与底座、下进口阀及密封圈构成下压缩腔，各下压缩腔串联成下压缩单元，上下压缩单元并联；工作中两左右相邻驱动器的变形方向相反。

以具有三个驱动器的注射系统为例，从左至右，上进口阀依次定义为上进口阀一、二和三，下进口阀依次定义为下进口阀一、二和三，驱动器依次定义为驱动器一、二和三，上压缩腔依次定义为上压缩腔一、二和三，下压缩腔依次定义为下压缩腔一、二和三，体台依次定义为体台一、二和三，体腔依次定义为体腔一、二和三；则具体工作过程为：上半周内，驱动器一和三向下弯曲变形、驱动器二向上弯曲变形，上进口阀一和三、下进口阀二及下出口阀开启，上进口阀二、上出口阀、下进口阀一和三关闭，上压缩腔一和三、下压缩腔二吸入气体，上压缩腔二、下压缩腔一和三排出气体，此为上吸下排过程；下半周内，驱动器一和三向上弯曲变形、驱动器二向下弯曲变形，上进口阀一和三、下进口阀二及下出口阀关闭，上进口阀二、上出口阀、下进口阀一和三开启，上压缩腔一和三、下压缩腔二排出气体，上压缩腔二、下压缩腔一和三吸入气体，此为上排下吸过程；在上述的上吸下排及上排下吸过程中，气体依次经历了上压缩腔一、二和三或下压缩腔一、二和三的逐级压缩，有效地提升了输出压力；逐级压缩后的气体经上出孔进入缸腔并推动活塞迫使药腔内的药液输出，药液的输出速度通过驱动器驱动电压或输液管上的流量阀控制；药液输出结束后更换新的注射器。

本发明中，驱动器上下两侧相对的上下压缩腔半径和高度分别相等；缸腔最大储气压力为P_max＝P₀η_p{(1+α)/(1-α)[β+(1+α)/(1-α)]^n-1-1}，其中：P₀为标准大气压，η_p为效率系数，α＞0为压缩比、即驱动器变形引起的上压缩腔容积变化量与上压缩腔的容积之比，β＞1为两左右相邻上压缩腔的半径比，n≥2为上压缩腔数量；工作中，两左右相邻上压缩腔相互连通、即其间阀片开启时半径较大者的容积变化量不小于半径较小者的容积变化量；为获得最大压缩比，上压缩腔的高度等于驱动器中心点的变形量，驱动器由等厚度PZT4晶片与黄铜基板粘接而成时上压缩腔的高度为

η_h、U₀分别为动态修正系数和驱动电压，d₃₁为压电常数，h_p为压电片厚度，r_i为上压缩腔半径、即上压缩腔中密封圈的内圆半径。

优势与特色：利用累积压缩的方法可大幅度提高气体压力；利用气体驱动药液，易于通过驱动电压精确地控制输液速度，无需吊挂装置、方便移动和携带；药液不与空气接触，不会发生药液被污染、气体进入血管及血液倒流等现象，无需实时看守、安全可靠。

附图说明

图1是本发明一个较佳实施例中注射系统的结构示意图；

图2是本发明一个较佳实施例中注射系统工作状态下的结构示意图；

图3是本发明一个较佳实施例中驱动器的结构示意图；

图4是本发明一个较佳实施例中注射器的结构示意图；

图5是本发明一个较佳实施例中主体的结构示意图；

图6是图5的仰视图；

图7是本发明一个较佳实施例中底座的结构示意图；

图8是图7的俯视图。

具体实施方式

主体a经螺钉安装在底座b上，注射器z的药筒z1经螺纹装在主体a顶部的缸腔a9端部，活塞z2置于药筒z1内并与药筒z1构成药腔z3，药筒z1与缸腔a9之间设有密封垫x；活塞z2的推杆置于缸腔a9内，药筒z1上安装有带流量阀m和针头的输液管q；主体a的底部设有左凸台a1、右凸台a2及至少两个直径不等的体台a3i，从左到右的体台a3i的直径依次减小，左凸台a1上设有上入孔a4，右凸台a2上设有经上出孔a8与缸腔a9连通的上出口腔a5，体台a3i上设有上进口腔a6和上出气孔a7；最左侧体台a3i的上进口腔a6与上入孔a4连通，最右侧体台a3i的上出气孔a7与上出口腔a5连通，其余两相邻体台a3i的上进口腔a6和上出气孔a7相互连通；主体a的上进口腔a6和上出口腔a5与其内所安装的阀片c分别构成上进口阀si和上出口阀s，阀片c为悬臂梁阀或碟形阀；底座b的顶部设有左腔b1、右腔b2及与体台a3i数量和直径分别相等的体腔b3i，左腔b1的底壁上设有下入孔b4，右腔b2的底壁上设有下出口腔b5，体腔b3i的底壁上设有下进口腔b6和下出气孔b7；最左侧体腔b3i的下进口腔b6与下入孔b4连通，最右侧体腔b3i的下出气孔b7与下出口腔b5连通，其余两相邻体腔b3i的下进口腔b6和下出气孔b7相互连通；下进口腔b6和下出口腔b5与其内所安装的阀片c分别构成下进口阀ti和下出口阀t；左凸台a1置于左腔b1内并使上入孔a4与下入孔b4连通，右凸台a2置于右腔b2内并使上出口腔a5、下出口腔b5及上出孔a8相连通；体台a3i经密封圈将驱动器di压接在体腔b3i内，密封圈位于驱动器di上下两侧，驱动器di由基板di1和压电片di2粘接而成，驱动器di表面涂有绝缘漆或粘接有绝缘薄膜；驱动器di与主体a、上进口阀si及密封圈构成上压缩腔xi，各上压缩腔xi串联成上压缩单元I；驱动器di与底座b、下进口阀ti及密封圈构成下压缩腔zi，各下压缩腔zi串联成下压缩单元II，上压缩单元I和下压缩单元II并联；工作中两个左右相邻驱动器di的变形方向相反。

本发明中，上进口阀si、下进口阀ti、驱动器di及上压缩腔xi、下压缩腔zi、体台a3i及体腔b3i中的i代表自左至右的序号，i＝1，2，3，...；以具有三个驱动器di的注射系统为例，从左至右，上进口阀si依次定义为上进口阀一s1、二s2和三s3，下进口阀ti依次定义为下进口阀一t1、二t2和三t3，驱动器di依次定义为驱动器一d1、二d2和三d3，上压缩腔xi依次定义为上压缩腔一x1、二x2和三x3，下压缩腔zi依次定义为下压缩腔一z1、二z2和三z3，体台a3i依次定义为体台一a31、二a32和三a33，体腔b3i依次定义为体腔一b31、二b32和三b33；则具体工作过程为：上半周内，驱动器一d1和三d3向下弯曲变形、驱动器二d2向上弯曲变形，上进口阀一s1和三s3、下进口阀二t2及下出口阀t开启，上进口阀二s2、上出口阀s、下进口阀一t1和三t3关闭，上压缩腔一x1和三x3、下压缩腔二z2吸入气体，上压缩腔二x2、下压缩腔一z1和三z3排出气体，此为上吸下排过程；下半周内，驱动器一d1和三d3向上弯曲变形、驱动器二d2向下弯曲变形，上进口阀一s1和三s3、下进口阀二t2及下出口阀t关闭，上进口阀二s2、上出口阀s、下进口阀一t1和三t3开启，上压缩腔一x1和三x3、下压缩腔二z2排出气体，上压缩腔二x2、下压缩腔一z1和三z3吸入气体，此为上排下吸过程；在上述的上吸下排及上排下吸过程中，气体依次经历了上压缩腔一x1、二x2和三x3或下压缩腔一z1、二z2和三z3的逐级压缩，有效地提升了输出压力；逐级压缩后的气体经上出孔a8进入缸腔a9并推动活塞z2迫使药腔z3内的药液输出，药液的输出速度通过驱动器di的驱动电压或输液管q上的流量阀m控制；药液输出结束后更换新的注射器z。

本发明中，驱动器di上下两侧相对的上压缩腔xi和下压缩腔zi的半径和高度分别相等；缸腔a9最大储气压力为P_max＝P₀η_p{(1+α)/(1-α)[β+(1+α)/(1-α)]^n-1-1}，其中：P₀为标准大气压，η_p为效率系数，α＞0为压缩比、即驱动器di变形引起的上压缩腔xi容积变化量与上压缩腔xi的容积之比，β＞1为两左右相邻上压缩腔xi的半径比，n≥2为上压缩腔xi的数量；工作中，两左右相邻上压缩腔xi相互连通、即其间阀片c开启时半径较大者的容积变化量不小于半径较小者的容积变化量；为获得最大压缩比，上压缩腔xi的高度等于驱动器di中心点的变形量，驱动器di由等厚度PZT4晶片与黄铜基板粘接而成时上压缩腔xi的高度为

η_h、U₀分别为动态修正系数和驱动电压，d₃₁为压电常数，h_p为压电片di2的厚度，r_i为上压缩腔xi半径、即上压缩腔xi中密封圈的内圆半径。

Claims (1)

1.一种压电片驱动的注射系统，其特征在于：主体装在底座上，注射器的药筒装在主体的缸腔端部，活塞置于药筒内并与药筒构成药腔；活塞的推杆置于缸腔内，药筒上装有带流量阀和针头的输液管；主体底部设有左右凸台及至少两个直径不等的体台，从左到右的体台直径依次减小，左凸台上设有上入孔，右凸台上设有经上出孔与缸腔连通的上出口腔，体台上设有上进口腔和上出气孔；最左侧体台的上进口腔与上入孔连通，最右侧体台的上出气孔与上出口腔连通，其余两相邻体台的上进口腔和上出气孔相互连通；上进出口腔与其内所安装的阀片分别构成上进出口阀；底座顶部设有左右腔及与体台数量和直径分别相等的体腔，左腔的底壁上设有下入孔，右腔底壁上设有下出口腔，体腔底壁上设有下进口腔和下出气孔；最左侧体腔的下进口腔与下入孔连通，最右侧体腔的下出气孔与下出口腔连通，其余两相邻体腔的下进口腔和下出气孔连通；下进出口腔与其内所安装的阀片分别构成下进出口阀；左凸台置于左腔内并使上下入孔连通，右凸台置于右腔内并使上下出口腔及上出孔连通；体台经密封圈将驱动器压接在体腔内，驱动器由基板和压电片粘接而成；驱动器与主体、上进口阀及密封圈构成上压缩腔，各上压缩腔串联成上压缩单元；驱动器与底座、下进口阀及密封圈构成下压缩腔，各下压缩腔串联成下压缩单元，上下压缩单元并联；工作中两左右相邻驱动器的变形方向相反；缸腔最大储气压力为P_max＝P₀η_p{(1+α)/(1-α)[β+(1+α)/(1-α)]^n-1-1}，其中：P₀为标准大气压，η_p为效率系数，α＞0为压缩比，β＞1为两左右相邻上压缩腔的半径比，n≥2为上压缩腔数量。

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