CN109893720B - 一种压电叠堆式气动注射系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种压电叠堆式气动注射系统，属医疗器械领域。主体上装有注射器、设有缸腔和沉孔，主活塞将缸腔隔成左右腔；主活塞推杆经缸腔左壁伸出并顶靠在注射器活塞推杆上；底座上设有入孔、至少两个从左到右直径依次减小的沉腔、出口腔及储气室，沉腔上设有进口腔和出气孔，进出口腔与其的阀片构成进出口阀；主体将隔膜压接在底座上，沉孔和沉腔对称配置在隔膜的上下两侧，沉孔内的压电叠堆将顶块顶靠在隔膜上，隔膜与沉腔形成相互串联的压缩腔；左右腔经输气管与换向阀连接，换向阀经输气管与储气室相连；工作中两相邻压缩腔中隔膜的变形方向相反；换向阀的阀芯处于中位时药液无输出、处于左位时药液输出、处于右位时系统复位，更换注射器。

Description

一种压电叠堆式气动注射系统

技术领域

本发明属于医疗器械领域，具体涉及一种压电叠堆式气动注射系统。

背景技术

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

为提高气体输出压力，本发明提出一种压电叠堆式气动注射系统，本发明的实施方案是：底座上设有入孔、至少两个直径不等的沉腔、出口腔及储气室，从左到右沉腔的直径依次减小，沉腔的底壁上设有进口腔和出气孔，最左侧沉腔的进口腔与入孔连通，最右侧沉腔的出气孔经出口腔与储气室连通，其余两相邻沉腔的进口腔和出气孔连通；进出口腔与其内所安装的阀片分别构成进出口阀，阀片为悬臂梁阀或碟形阀；主体的顶部安装有注射器、设有带滑槽的挡板和缸腔，主体的底部设有与沉数量和直径分别相等的沉孔；缸腔的中心线处于水平面内，缸腔的内部套有主活塞，缸腔的侧壁端部装有缸盖；主活塞将缸腔分隔成左右腔；注射器由药筒和副活塞构成，副活塞置于药筒内并与药筒构成药腔，药筒一端的耳板置于挡板的滑槽内、另一端安装有带针头的输液管；主活塞的推杆经缸腔左壁上的通孔伸出并顶靠在副活塞的推杆上；主体经螺钉安装在底座上并将隔膜压接在底座上，沉孔和沉腔对称配置在隔膜的上下两侧，沉孔内的压电叠堆将顶块顶靠在隔膜上，顶块为T型且其小端与隔膜接触、大端侧壁与沉孔的内壁接触；隔膜与沉腔形成相互串联的压缩腔；左右腔经输气管与换向阀连接，换向阀经输气管与储气室相连，换向阀为三位四通阀；工作中，两相邻压缩腔中隔膜的变形方向相反、即两相邻压缩腔所对应的一个沉孔内的压电叠堆伸长、另一个沉孔内的压电叠堆缩短。

以具有三个压缩腔的气动注射系统为例，从左到右，沉孔依次定义为沉孔一、二和三，沉腔依次定义为沉腔一、二和三，压缩腔依次定义为压缩腔一、二和三，进口阀依次定义为进口阀一、二和三，顶块依次定义为顶块一、二和三；则具体工作过程为：上半周内，压缩腔一和三的容积增加、压缩腔二容积减小，进口阀一和三开启、进口阀二和出口阀关闭，压缩腔一和三吸入气体、压缩腔二排出气体，此为吸入过程；下半周内，压缩腔一和三的容积减小、压缩腔二容积增加，进口阀一和三关闭、进口阀二和出口阀开启，压缩腔一和三排出气体、压缩腔二吸入气体，此为排出过程；上述吸入和排出过程中，气体经历了压缩腔一、二和三的逐级累积压缩，逐级压缩后的气体进入储气室；换向阀的阀芯处于中位时，储气室内的气体及药腔内的药液均无输出；换向阀的阀芯处于左位时，储气室内的气体经输气管进入右腔并推动主活塞和副活塞向左运动，药腔中药液经输液管和针头输出；换向阀的阀芯置于右位时，储气室内的气体经输气管进入左腔并推动主活塞向右运动，右腔内的气体经输气管及换向阀排出，主活塞复位，更换注射器。

本发明中，储气室最大储气压力为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、即压电叠堆变形引起的压缩腔的容积变化量与压缩腔的容积之比，β＞1为两左右相邻压缩腔的半径比，n≥2为压缩腔的数量；为获得最大压缩比，隔膜为0.1、0.2和0.3mm厚的铍青铜时最佳的顶块小端与大端半径比分别为0.79、0.65和0.55，压缩腔的高度为压电叠堆受电压作用的伸长量；两相邻压缩腔相互连通、即其间的阀片开启时，半径较大压缩腔的容积变化量不小于半径较小压缩腔的容积变化量。

优势与特色：利用压电驱动器与气体耦合作用控制药液输出，易于通过驱动电压高低精确地控制输液速度；静脉注射时无需吊挂装置，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；肌肉及皮下注射时，可根据需要延长注射时间，避免手动快速推注所造成人体内血药浓度不均的问题，有助于提高药品疗效。

附图说明

图1是本发明一个较佳实施例中注射系统的构成与结构剖面图；

图2是本发明一个较佳实施例中注射系统工作时阀片开关与压电叠堆变形的关系图；

图3是本发明一个较佳实施例中主体的结构示意图；

图4是图3的仰视图；

图5是图3的左视图；

图6是本发明一个较佳实施例中注射器的结构示意图；

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

底座c上设有入孔c1、至少两个直径不等的沉腔c2i、出口腔c3及储气室c6，从左到右沉腔c2i的直径依次减小，沉腔c2i的底壁上设有进口腔c4和出气孔c5，最左侧沉腔c2i的进口腔c4与入孔c1连通，最右侧沉腔c2i的出气孔c5经出口腔c3与储气室c6连通，其余两相邻沉腔c2i的进口腔c4和出气孔c5连通；进口腔c4和出口腔c3与其内所安装的阀片f分别构成进口阀vi和出口阀v，阀片f为悬臂梁阀或碟形阀；主体a的顶部安装有注射器z、设有带滑槽的挡板a1和缸腔a3，主体a的底部设有与沉腔c2i数量和直径分别相等的沉孔a2i；缸腔a3的中心线处于水平面内；缸腔a3的内部套有主活塞h，缸腔a3的侧壁端部装有缸盖g；主活塞h将缸腔a3分隔成左腔a5和右腔a6；注射器z由药筒z1和副活塞z2构成，副活塞z2置于药筒z1内并与药筒z1构成药腔z3，药筒z1一端的耳板z4置于挡板a1的滑槽内、另一端安装有带针头的输液管；主活塞h的推杆经缸腔左壁a4上的通孔伸出并顶靠在副活塞z2的推杆上；主体a经螺钉安装在底座c上并将隔膜k压接在底座c上，沉孔a2i和沉腔c2i对称配置在隔膜k的上下两侧，沉孔a2i内的压电叠堆d将顶块mi顶靠在隔膜k上，顶块mi为T型且其小端与隔膜k接触、大端侧壁与沉孔a2i的内壁接触；隔膜k与沉腔c2i形成相互串联的压缩腔Ci；左腔a5和右腔a6经输气管与换向阀e连接，换向阀e经输气管与储气室c6相连，换向阀e为三位四通阀；工作中，两相邻压缩腔Ci中隔膜k的变形方向相反、即两相邻压缩腔Ci所对应的一个沉孔a2i内的压电叠堆d伸长、另一个沉孔a2i内的压电叠堆d缩短。

本发明中，沉孔a2i、沉腔c2i、压缩腔Ci、进口阀vi及顶块mi中的i代表从左到右的序号，i＝1，2，3，...；以具有三个压缩腔Ci的气动注射系统为例，从左到右，沉孔a2i依次定义为沉孔一a21、二a22和三a23，沉腔c2i依次定义为沉腔一c21、二c22和三c23，压缩腔Ci依次定义为压缩腔一C1、二C2和三C3，进口阀vi依次定义为进口阀一v1、二v2和三v3，顶块mi依次定义为顶块一m1、二m2和三m3；则具体工作过程为：上半周内，压缩腔一C1和三C3的容积增加、压缩腔二C2容积减小，进口阀一v1和三v3开启、进口阀二v2和出口阀v关闭，压缩腔一C1和三C3吸入气体、压缩腔二C2排出气体，此为吸入过程；下半周内，压缩腔一C1和三C3的容积减小、压缩腔二C2容积增加，进口阀一v1和三v3关闭、进口阀二v2和出口阀v开启，压缩腔一C1和三C3排出气体、压缩腔二C2吸入气体，此为排出过程；上述吸入和排出过程中，气体经历了压缩腔一C1、二C2和三C3的逐级累积压缩，逐级压缩后的气体进入储气室c6；换向阀e的阀芯处于中位时，储气室c6内的气体及药腔z3内的药液均无输出；换向阀e的阀芯处于左位时，储气室c6内的气体经输气管进入右腔a6并推动主活塞h和副活塞z2向左运动，药腔z3中药液经输液管和针头输出；换向阀e的阀芯置于右位时，储气室c6内的气体经输气管进入左腔a5并推动主活塞h向右运动，右腔a6内的气体经输气管及换向阀e排出，主活塞h复位，更换注射器z。

本发明中，储气室c6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、即压电叠堆d变形引起的压缩腔Ci的容积变化量与压缩腔Ci的容积之比，β＞1为两左右相邻压缩腔Ci的半径比，n≥2为压缩腔Ci的数量；为获得最大压缩比，隔膜k为0.1、0.2和0.3mm厚的铍青铜时最佳的顶块mi小端与大端半径比分别为0.79、0.65和0.55，压缩腔Ci的高度为压电叠堆d受电压作用的伸长量；两相邻压缩腔Ci相互连通、即其间的阀片f开启时，半径较大压缩腔Ci的容积变化量不小于半径较小压缩腔Ci的容积变化量。

Claims (1)

1.一种压电叠堆式气动注射系统，其特征在于：底座上设有入孔、至少两个直径不等的沉腔、出口腔及储气室，从左到右沉腔的直径依次减小，沉腔的底壁上设有进口腔和出气孔，最左侧沉腔的进口腔与入孔连通，最右侧沉腔的出气孔经出口腔与储气室连通，其余两相邻沉腔的进口腔和出气孔连通；进出口腔与其内所安装的阀片分别构成进出口阀；主体的顶部安装有注射器、设有带滑槽的挡板和缸腔，主体的底部设有与沉数量和直径分别相等的沉孔；缸腔的内部套有主活塞，缸腔的侧壁端部装有缸盖，主活塞将缸腔分隔成左右腔；注射器由药筒和副活塞构成，副活塞置于药筒内并与药筒构成药腔；主活塞的推杆经缸腔左壁上的通孔伸出并顶靠在副活塞的推杆上；主体装在底座上并将隔膜压接在底座上，沉孔和沉腔对称配置在隔膜的上下两侧，沉孔内的压电叠堆将顶块顶靠在隔膜上，隔膜与沉腔形成相互串联的压缩腔，顶块为T型且其小端与隔膜接触，隔膜为0.1mm、0.2mm和0.3mm厚的铍青铜薄膜时顶块的小端与大端的最佳直径比分别为0.79、0.65和0.55，压缩腔的高度为压电叠堆受电压作用的伸长量；左右腔经输气管与换向阀连接，换向阀经输气管与储气室相连，储气室最大储气压力为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为两左右相邻压缩腔的半径比，n≥2为压缩腔的数量；工作中两相邻压缩腔中隔膜的变形方向相反。

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