CN110687256A - 模拟人体呼吸系统抽吸电子烟的仿生装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开的模拟人体呼吸系统抽吸电子烟的仿生装置，包括三通管，三通管竖直方向的支路通过软管依次连接阀门b和染毒仓；三通管水平方向的任一支路通过软管依次连接阀门a、接头和电子烟；三通管水平方向的另一支路通过软管依次连接直角弯管和呼吸单元；呼吸单元通过水管依次接通蓄水池和排水桶。本发明模拟人体呼吸系统抽吸电子烟的仿生装置利用液压达到吸烟的目的，通过出水口水压变化影响流速，控制水流的速度来控制吸烟的速度，通过停止排水来控制吸烟时长，从而准确的模拟出人体的实际抽吸电子烟过程，进而可精确地测量人体在使用电子烟的过程中所摄取的某种有害成分的量以及进行相关的毒理实验，测量精确度高。

Description

模拟人体呼吸系统抽吸电子烟的仿生装置

技术领域

本发明属于电子烟毒理研究设备技术领域，具体涉及一种模拟人体呼吸系统抽吸电子烟的仿生装置。

背景技术

电子烟(electronic cigarettes，ECs)是一种模仿传统卷烟外观，以锂电池为电源，通过加热雾化手段向呼吸系统传送尼古丁的装置，其初衷是帮助吸烟者戒烟或减少吸烟量，帮助其控制烟瘾或在禁烟场所替代卷烟，主要由锂电池(可充电)、雾化器(加热元件)、烟弹(通常看到的烟嘴)等元件构成。根据烟油添加使用方式不同，电子烟分为一次性、反复充电更换烟弹型和反复注油型，从含有尼古丁、丙二醇(PG)、甘油(VG)的电子烟油中雾化产生气溶胶。电子烟雾化产物是含有烟碱、醛酮类化合物、挥发性化合物、烟草特有亚硝胺和金属元素等多种有害成分，对人体健康造成极大危害。

目前，在烟气毒理学的研究中，由于电子烟的设计原理，抽烟者在抽吸电子烟的气溶胶的过程，在模拟吸烟装置不能很好的被模拟，因此电子烟烟气输出的效果不尽相同；而模拟出抽烟者在抽吸电子烟时的烟气，尤其是主流烟气的浓度，对于研究体外实验是很有意义的。

在研究烟气气溶胶的组成、分子的性质、数量、颗粒大小、毒性(体内和体外)等方面的研究中，一般均采用各种型号的吸烟机，然而不同的抽吸条件会对电子烟雾化产物有很大影响，现有的抽吸装置可对传统烟燃烧产生烟气，但无法在电子烟的使用中实现。针对电子烟的模拟检测数据，不同的装置检测出的结果也不同，为了使得到的检测数据具有可比性，法国标准化协会(AFNOR)、欧洲标准化委员会(CEN)和国际标准组织(ISO)规定电子烟的标准抽吸条件为：抽吸流量1.11L/min(18.3mL/s)，吹气周期持续30s，包括雾化3s和休息27s、一次抽吸容量55ml。在电子烟主流烟气成分测定时，由于目前吸烟机的抽吸方式可调范围不够灵活，难以模拟人体呼吸系统胸腔以及膈肌收缩而产生的负压环境，在实际的吸烟人群中，不同使用者的吸烟习惯也存在较大差异；每口抽吸容量：33-55cm³，抽吸时间0.8-3.0s，抽吸间隔为20-100s(Creighton and Lewis，1978；Schultz and Soehofer，1978；Darrall，1988)，因此，FTC/ISO制定的标准抽吸条件并不能反映吸烟者的真实吸烟行为。

常规吸烟机不能确保雾化气体保持稳定且持续的抽吸状态，另外电子烟使用过程中还需要电池能源加热使得甘油雾化，产生气溶胶，不同产品的温控也很难掌握，因此电子烟在实践吸烟实验过程中无法进行大量的、可重复性的吸烟实验；不同种类的电子烟雾化速率存在一定差异，可能导致其抽吸、间隔时间不同，实验表明检测到的主流烟气中毒性成分比如丙烯醛、丙二醇、丙三醇、烟碱的单口生成量可能存在较大误差，影响检测结果的准确性和真实性。

发明内容

本发明的目的是提供一种模拟人体呼吸系统抽吸电子烟的仿生装置，解决了现有吸烟机难以模拟人体膈肌收缩而产生的负压环境导致模拟的准确性差的问题。

本发明所采用的技术方案是，模拟人体呼吸系统抽吸电子烟的仿生装置，包括三通管，三通管竖直方向的支路通过软管依次连接阀门b和染毒仓；三通管水平方向的任一支路通过软管依次连接阀门a、接头和电子烟；三通管水平方向的另一支路通过软管依次连接直角弯管和呼吸单元；呼吸单元通过水管依次接通蓄水池和排水桶。

本发明的特征还在于，

染毒仓为亚克力材质；其内设置有烟雾浓度检测器，烟雾浓度检测器具体为ZRS-5559空气检测器。

排水桶内还设置有水泵。

呼吸单元包括圆筒状吸烟仓，吸烟仓顶部通过热熔胶与直角弯管粘接接通，吸烟仓底部沿径向设置一根亚克力管，亚克力管两端均穿出吸烟仓，且亚克力管两端分别设置有阀门d和阀门c，阀门c通过水管连接蓄水池；吸烟仓的底部还设置有阀门e；

吸烟仓内从上到下还依次设置有隔板a和隔板b。

隔板a与吸烟仓内径相同，且能在吸烟仓内做竖直运动。

隔板b与吸烟仓内壁相固接，隔板b表面还均匀分布若干微孔，微孔的内径为3mm；

隔板b具体为外壁包覆有一层铝箔的聚乙烯薄板。

吸烟仓为有机玻璃吸烟仓，体积不超过1000ml，直径为不超过100mm，其高度不超过12mm。

亚克力管位于距离吸烟仓底面2-3mm处，亚克力管上开设不少于4个流通孔，每个流通孔的直径为4mm。

亚克力管的内径为10-20mm。

阀门d的流速为0-37ml/s。

本发明的有益效果是：本发明模拟人体呼吸系统抽吸电子烟的仿生装置，模拟运用自然重力的方法建立肺内压与大气压之间产生压力差模仿吸烟过程，特别是针对电子烟的使用，有很好的效果，通过控制液体的流速来控制吸烟的强度，从而准确的模拟出人体每口吸烟速率逐渐衰减的实际吸烟过程，也间接的表达出机体肺泡收缩和舒张的渐进过程；液体可通过水泵的进行循环利用，通过烟雾浓度检测器的配合使用，进而可精确地测量人体在实际吸烟过程中所摄取的烟雾的浓度以及为进行烟气成分的实时监测，有很好的实用价值。

附图说明

图1是本发明模拟人体呼吸系统抽吸电子烟的仿生装置的结构示意图；

图2是本发明模拟人体呼吸系统抽吸电子烟的仿生装置中隔板b的结构示意图；

图3是本发明模拟人体呼吸系统抽吸电子烟的仿生装置中流通孔的结构示意图。

图中，1.电子烟，2.接头，3.阀门a，4.三通管，5.阀门b，6.吸烟仓，7.隔板a，8.隔板b，9.阀门c，10.水管，11.直角弯管，12.亚克力管，13.阀门d，14.水泵，15.排水桶，16.蓄水池，17.染毒仓，18.烟雾浓度检测器，19.阀门e，20.微孔，21.流通孔。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明模拟人体呼吸系统抽吸电子烟的仿生装置，如图1所示，包括三通管4，三通管4竖直方向的支路通过软管依次连接阀门b5和染毒仓17，用于抽吸电子烟雾化产物；三通管4水平方向的任一支路通过软管依次连接阀门a3、接头2和电子烟1，电子烟1为主要的烟油雾化来源；三通管4水平方向的另一支路通过软管依次连接直角弯管11和呼吸单元，主要作为是为了产生负压；呼吸单元通过水管10依次接通蓄水池16和排水桶15。

染毒仓17通过亚克力板制作而成，其内设置有烟雾浓度检测器18，烟雾浓度检测器18具体为ZRS-5559空气检测器，烟雾浓度检测器18可以检测PM2.5和PM10两种粒径的烟雾颗粒浓度，精确控制了烟气的浓度，减少操作的误差。

排水桶15内还设置有水泵14，为排给水提供动力，排水桶15用于承接打开阀门d13流出的液体，一般情况下，排水桶15内不蓄积液体。

呼吸单元包括圆筒状吸烟仓6，吸烟仓6顶部通过热熔胶与直角弯管11粘接接通，直角弯管11内径为8mm，吸烟仓6底部沿径方向设置一根亚克力管12，亚克力管12两端均穿出吸烟仓6，亚克力管12两端分别设置有阀门d13和阀门c9，阀门c9通过水管10连接蓄水池16；吸烟仓6的底面还设置有阀门e19；

吸烟仓6内从上到下还依次设置有隔板a7和隔板b8。

隔板a7与吸烟仓6内径相同，且能在吸烟仓6内随液体做竖直运动，隔板a7用以隔断液体与烟气，防止液体对电子烟烟油雾化产物的吸收。

蓄水池16的水平高度比吸烟仓6的水平高度高，且蓄水池16的底面高度至少与隔板b8平齐，方便液体流入吸烟仓6。

如图2所示，隔板b8与吸烟仓6内壁相固接，隔板b8表面还均匀分布若干微孔20，微孔20的内径为3mm，防止由于水流冲力作用形成暗涌造成隔板a7侧翻。

隔板b8具体为外壁包覆有一层铝箔的聚乙烯薄板。

吸烟仓6为有机玻璃吸烟仓，透明仓，外壁标有容量刻度，便于观察烟气在吸烟仓6内部的状态，吸烟仓6为有机玻璃吸烟仓且内壁光滑可以尽量减少烟油的粘附而影响其使用寿命。

吸烟仓6体积不超过1000ml，直径为不超过100mm，其高度不超过12mm。

亚克力管12位于距离吸烟仓6底面2-3mm处，如图3所示，亚克力管12位于吸烟仓6内中心位置开设有不少于4个的流通孔21，每个通孔21的直径为4mm。

亚克力管12的内径为10-20mm。

阀门d13处的流速为18-19ml/s。

本发明模拟人体呼吸系统抽吸电子烟的仿生装置的工作过程如下：

关闭阀门a3、阀门d13和阀门e19，打开阀门b5和阀门c9，从蓄水池16由于重力的作用向吸烟仓6中注入液体，液体顺着水管10从流通孔21进入吸烟仓6，使吸烟仓6中液体达到既定高度即0刻度线；

此时，关闭阀门b5和阀门c9，清空排水桶15，打开电子烟1工作，同时打开阀门a3和阀门d13，电子烟1产生的烟雾通过接头2、三通管4和直角弯管11吸入吸烟仓6中，烟雾在压缩隔板a7向下运动，液体顺着流通孔21和阀门d13到达排水桶15，待烟气达到预定体积时关闭阀门a3和阀门d13，停止电子烟1使用；

此时，再次打开阀门b5和阀门c9，通过液体压力将吸烟仓6中的气溶胶排入染毒仓17内，通过烟雾浓度检测器18检测处烟雾的浓度、进行烟气成分的测定及相关的毒理实验。

本发明模拟人体呼吸系统抽吸电子烟的仿生装置利用液压达到吸烟的目的，通过出水口水压变化影响流速，控制水流的速度来控制吸烟的速度，通过停止排水来控制吸烟时长，从而准确的模拟出人体的实际吸烟过程，进而可精确地测量人体在实际吸烟过程中所摄取的某种有害成分的量以及进行相关的毒理实验，测量精确度高。

Claims (10)

1.模拟人体呼吸系统抽吸电子烟的仿生装置，其特征在于，包括三通管(4)，所述三通管(4)竖直方向的支路通过软管依次连接阀门b(5)和染毒仓(17)；所述三通管(4)水平方向的任一支路通过软管依次连接阀门a(3)、接头(2)和电子烟(1)；所述三通管(4)水平方向的另一支路通过软管依次连接直角弯管(11)和呼吸单元；所述呼吸单元通过水管(10)依次接通蓄水池(16)和排水桶(15)。

2.根据权利要求1所述的模拟人体呼吸系统抽吸电子烟的仿生装置，其特征在于，所述染毒仓(17)为亚克力材质；其内设置有烟雾浓度检测器(18)，所述烟雾浓度检测器(18)具体为ZRS-5559空气检测器。

3.根据权利要求1所述的模拟人体呼吸系统抽吸电子烟的仿生装置，其特征在于，所述排水桶(15)内还设置有水泵(14)。

4.根据权利要求1所述的模拟人体呼吸系统抽吸电子烟的仿生装置，其特征在于，所述呼吸单元包括圆筒状吸烟仓(6)，所述吸烟仓(6)顶部通过热熔胶与直角弯管(11)粘接接通，所述吸烟仓(6)底部沿径向设置一根亚克力管(12)，所述亚克力管(12)两端均穿出吸烟仓(6)，且所述亚克力管(12)两端分别设置有阀门d(13)和阀门c(9)，所述阀门c(9)通过水管(10)连接蓄水池(16)；所述吸烟仓(6)的底部还设置有阀门e(19)；

所述吸烟仓(6)内从上到下还依次设置有隔板a(7)和隔板b(8)。

5.根据权利要求4所述的模拟人体呼吸系统抽吸电子烟的仿生装置，其特征在于，所述隔板a(7)与吸烟仓(6)内径相同，且能在吸烟仓(6)内做竖直运动。

6.根据权利要求4所述的模拟人体呼吸系统抽吸电子烟的仿生装置，其特征在于，所述隔板b(8)与吸烟仓(6)内壁相固接，所述隔板b(8)表面还均匀分布若干微孔(20)，所述微孔(20)的内径为3mm；

所述隔板b(8)具体为外壁包覆有一层铝箔的聚乙烯薄板。

7.根据权利要求4-6任一所述的模拟人体呼吸系统抽吸电子烟的仿生装置，其特征在于，所述吸烟仓(6)为有机玻璃吸烟仓，体积不超过1000ml，直径为不超过100mm，其高度不超过12mm。

8.根据权利要求7所述的模拟人体呼吸系统抽吸电子烟的仿生装置，其特征在于，所述亚克力管(12)位于距离吸烟仓(6)底面2-3mm处，所述亚克力管(12)上开设不少于4个流通孔(21)，每个流通孔(21)的直径为4mm。

9.根据权利要求7所述的模拟人体呼吸系统抽吸电子烟的仿生装置，其特征在于，所述亚克力管(12)的内径为10-20mm。

10.根据权利要求5所述的模拟人体呼吸系统抽吸电子烟的仿生装置，其特征在于，所述阀门d(13)处的流速为0-37ml/s。

Images