基于電路控制防霧霾窗的設(shè)計(jì)

孟創(chuàng)睿

摘要：目前，由吸附性材料制成的防霧霾紗窗具有不易更換、一次使用性的缺點(diǎn)，因而難以滿足在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)的高質(zhì)量防霧霾需求。由此本文設(shè)計(jì)了一種基于電路控制的防霧霾窗，它能夠阻止霧霾中的有害顆粒物質(zhì)進(jìn)入室內(nèi)，又不妨礙使新鮮空氣進(jìn)入室內(nèi)，提高室內(nèi)的空氣質(zhì)量。該防霧霾窗結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單方便，易于實(shí)現(xiàn)。它通過(guò)電路控制模塊在三層窗戶網(wǎng)之間制造足夠強(qiáng)的外電場(chǎng)，使霧霾粒子受力，作用于粒子的運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到阻隔霧霾粒子的目的。此外，在防霧霾窗的設(shè)計(jì)上增加了防霧霾窗的自我保護(hù)能力，使用戶的安全得到保證。

關(guān)鍵詞： 電路控制;防霧霾窗;空氣質(zhì)量; 電場(chǎng); 自我保護(hù)

中圖分類號(hào)：X701 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）13-0257-02

Abstract： Nowadays， the smog-proof screen made of an adsorbent material has the characteristics of being disposable and difficult to replace， and it is difficult to meet the long-term high-quality anti-smog requirement. Therefore， a circuit-controlled defogging window is designed， which can prevent harmful particles in the smog from entering the room without hindering the entry of fresh air into the room and improving the indoor air quality. The design of the anti-smog window structure is simple and convenient， and is easy to implement. It uses the circuit control module to create a strong external electric field between the three-layer window nets， so that the smog particles are forced to act on the particles to achieve the purpose of blocking the smog particles. In addition， the self-protection ability of the anti-smog window is added to the design of the anti-smog window， which ensures the safety of the user.

Key words： circuit control; anti-fog window; air quality; electric field; self-protection;

1 研究背景和意義

如今，中國(guó)不少地區(qū)將霧并入霾一起作為災(zāi)害性天氣現(xiàn)象進(jìn)行預(yù)警預(yù)報(bào)，統(tǒng)稱為“霧霾天氣”。霧霾，是霧和霾的組合詞。一般情況下，相對(duì)濕度介于80%-90%時(shí)，由大氣混濁視野模糊導(dǎo)致能見(jiàn)度惡化的現(xiàn)象是霾和霧的混合物共同造成的，但其主要成分是霾。霾粒子的分布比較均勻，而且霧霾粒子的尺度比較小，從0.001微米到10微米不等，平均直徑大約在1-2微米左右，肉眼看不到空中飄浮的顆粒物[1]。所以無(wú)處不在的，帶著有害物質(zhì)的霧霾空氣會(huì)輕松進(jìn)入室內(nèi)，降低室內(nèi)空氣質(zhì)量，對(duì)人體產(chǎn)生危害。比如霧霾中混有大量這些有毒有害的小顆粒，會(huì)隨著空氣進(jìn)入人的呼吸道和肺部，對(duì)人的身體健康帶來(lái)威脅，輕者會(huì)引進(jìn)氣管炎、肺炎等疾病，重者會(huì)導(dǎo)致更加嚴(yán)重的疾病。因此，研究并設(shè)計(jì)一種新型防霧霾裝置，特別是霧霾易感人群，顯得尤為重要。

現(xiàn)階段一些防霧霾窗由吸附性材料制成，既可以防止更多霧霾進(jìn)入室內(nèi)，又可以保證室內(nèi)空氣得到交換，保證對(duì)霧霾的一定吸收效率[2]。然而，吸附性材料的吸附性是有限的，可能一次之后紗窗就沒(méi)有了吸附可吸入顆粒物的功能[3]。為此，人們進(jìn)行了很多改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，都不能完全程度的吸附霧霾，于是設(shè)又計(jì)了另一種改良的防霧霾紗窗。該防霧霾紗窗在原有紗窗框架的紗窗網(wǎng)再貼上防霧霾過(guò)濾網(wǎng)。該防霧霾過(guò)濾網(wǎng)的四邊通過(guò)帶彈簧合頁(yè)的固定夾緊板框貼合在原紗窗網(wǎng)。這種紗窗雖然能夠進(jìn)一步地利用防霧霾過(guò)濾網(wǎng)及其他輔助工具把霧霾空氣過(guò)濾掉，使室內(nèi)的空氣長(zhǎng)期保持清潔，但是仍然受限于吸附材料的飽和性，也不能實(shí)現(xiàn)對(duì)霧霾的完全過(guò)濾[4]。另一方面，基于靜電除塵原理設(shè)計(jì)的防霧霾紗窗雖然取得了更好的效果，但是因其結(jié)構(gòu)大多復(fù)雜，并且產(chǎn)生電場(chǎng)的電路功能良莠不齊，實(shí)現(xiàn)成本高，難以大規(guī)模推廣[5，6]。

為此，本文設(shè)計(jì)了一種原理簡(jiǎn)單，功能強(qiáng)大的基于電路控制的防霧霾窗，突破了傳統(tǒng)紗窗的局限性以及一次性使用問(wèn)題。該防霧霾窗利用高電壓正負(fù)極網(wǎng)吸附帶電顆粒的原理[7]，保留了傳統(tǒng)紗窗的結(jié)構(gòu)，并將紗窗單層濾網(wǎng)取而代之為帶有絕緣膜的多層濾網(wǎng)?？刂齐娐纺K在窗戶網(wǎng)之間制造出不同極性高壓電場(chǎng)[8]，使帶電的霧霾粒子在外加電場(chǎng)作用下作定向移動(dòng)，從而阻隔霧霾粒子進(jìn)入室內(nèi)。該防霧霾窗的優(yōu)點(diǎn)在于其簡(jiǎn)便的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，具有一定的安全保障措施，易于大規(guī)模推廣，比如一般的平常紗窗經(jīng)濾網(wǎng)外端涂上絕緣膜改裝后，再加上簡(jiǎn)單的控制電路，就能達(dá)到吸塵吸霾的效果。

2 設(shè)計(jì)思路

2.1 防霧霾窗結(jié)構(gòu)及原理

霧霾主要由二氧化硫、氮氧化物和可吸入顆粒物這三項(xiàng)組成。其中，可吸入顆粒物是加重霧霾天氣污染的罪魁禍?zhǔn)祝虼丝刂屏丝晌腩w粒物也就基本控制了霾。霾在大氣中以氣溶膠的狀態(tài)存在，二氧化硫、氮氧化物分子依附在可吸入顆粒物上，這些粒子的直徑通常在10微米到1微米之間。根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)原理：直徑在微米級(jí)的粒子會(huì)漂浮在大氣中，受到外力的作用時(shí)會(huì)受力而定向移動(dòng)。

漂浮在大氣中的霾粒子一般都帶有電荷，所以霾在電場(chǎng)的作用下會(huì)發(fā)生定向移動(dòng)。帶有正電荷的霾粒子會(huì)被帶有正電荷的物體所排斥，會(huì)被帶有負(fù)電荷的物體所吸引。帶有負(fù)電荷的霾粒子會(huì)被帶有負(fù)電荷的物體所排斥，會(huì)被帶有正電荷的物體所吸引。不帶電荷的霾粒子會(huì)被帶電的物體所吸引?？紤]到霾粒子會(huì)在電場(chǎng)中發(fā)生定向移動(dòng)的特性，我們提出利用電場(chǎng)來(lái)控制霾粒子運(yùn)動(dòng)的想法。我們的防霧霾窗為三層網(wǎng)結(jié)構(gòu)，中間的網(wǎng)帶有負(fù)電荷，外面的兩層網(wǎng)帶有正電荷。三層網(wǎng)結(jié)構(gòu)及電場(chǎng)分布如圖1所示。

從圖1中可以看出，當(dāng)帶正電荷的霾粒子想從室外進(jìn)入室內(nèi)時(shí)，帶有正電荷的霾粒子會(huì)被最外層帶有正電荷的網(wǎng)排斥，假如帶有正電荷的霾粒子能通過(guò)第一層網(wǎng)，但是當(dāng)它想繼續(xù)進(jìn)入室內(nèi)時(shí)，會(huì)被中間帶有負(fù)電荷的網(wǎng)吸附住，從而難以進(jìn)入室內(nèi)。當(dāng)帶有負(fù)電荷的霾粒子想從室外進(jìn)入室內(nèi)時(shí)，會(huì)被最外層帶有正電荷的網(wǎng)所吸附，假如帶有負(fù)電荷的粒子能通過(guò)最外層網(wǎng)，但是它會(huì)被中間的網(wǎng)所排斥，從而難以進(jìn)入室內(nèi)。不帶電的霾粒子，會(huì)被三層網(wǎng)吸附，也難以從室外進(jìn)入室內(nèi)。本文防霧霾過(guò)濾窗規(guī)格參考參數(shù)如表1所示。

2.2防霧霾窗的控制電路設(shè)計(jì)

鑒于窗戶網(wǎng)需要帶有大量的電荷，因此我們需要有電路提供一定的正負(fù)電壓。防霧霾窗的控制電路圖如圖2所示。該電路主要由高頻振蕩電路、三倍壓整流電路和高壓電網(wǎng)三部分組成。當(dāng)按下電源開(kāi)關(guān)SB時(shí)，由三極管VT和高頻變壓器TU構(gòu)成的高頻振蕩器通電工作，把3 V直流電變成18 kHz左右的高頻交流電，經(jīng)TU升壓到約600 V，再經(jīng)二極管VD2～VD4、電容C1～C3的三倍壓整流升高到2000 V左右，加到金屬網(wǎng)上。HR為發(fā)光二極管，顯示電路是否在正常工作。由于網(wǎng)和網(wǎng)的距離比較近，根據(jù)電場(chǎng)強(qiáng)度與電壓大小成正比，與距離大小成反比的原理，網(wǎng)間會(huì)形成很大的電場(chǎng)強(qiáng)度，進(jìn)而可以牢牢的將霾粒子控制在窗戶網(wǎng)間。

2.3防霧霾窗保護(hù)措施

為了用戶的使用安全和防霧霾窗自身保護(hù)，本文在防霧霾窗設(shè)計(jì)中采用兩點(diǎn)保護(hù)措施：1） 由于網(wǎng)上加了高電壓，為使人免受傷害，需要在窗戶網(wǎng)上鍍一層絕緣膜。該絕緣膜既隔絕了金屬網(wǎng)與外界的接觸，又避免了窗戶在下雨天會(huì)發(fā)生短路的情況。同時(shí)絕緣膜不會(huì)影響網(wǎng)間的電場(chǎng)強(qiáng)度，所以可以給網(wǎng)加上千甚至上萬(wàn)伏的電壓，也不會(huì)破壞窗戶的工作原理。2） 在接正極網(wǎng)的電線安裝電磁繼電器，即使人為或是其他原因使得兩網(wǎng)間短路或是漏電等問(wèn)題時(shí)，電磁繼電器會(huì)流過(guò)電流并自動(dòng)跳閘斷電，達(dá)到保護(hù)效果。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文提出的霧霾除塵窗的本質(zhì)是用電治霾。通過(guò)電離、吸附等原理將空氣中的可吸入顆粒物和帶電粒子進(jìn)行一系列處理，防止這些有害物質(zhì)進(jìn)入室內(nèi)，從而達(dá)到凈化室內(nèi)空氣的效果。本產(chǎn)品的電路主要由高頻振蕩電路、三倍壓整流電路和高壓電網(wǎng)三部分組成，除塵過(guò)程無(wú)污染，不會(huì)產(chǎn)生二次污染物;考慮到安全性，紗窗渡有絕緣層，在雨雪等惡劣天氣的情況下也可以正常使用。

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