環(huán)保型電動吸塵黑板擦的研究

劉涵宇　楊風(fēng)霞　湯蒙

摘 要：在日常教學(xué)中，粉筆灰嚴重的威脅到教師的健康，影響了投影儀、電腦等教學(xué)設(shè)備的運行和維護。人們對普通粉筆不斷改進更新推出無塵粉筆，但仍不能有效解決問題。所以本項目就其困境，將思維轉(zhuǎn)向?qū)诎宀恋母牧?。在傳統(tǒng)板擦的基礎(chǔ)上，在其內(nèi)部裝入電機、小風(fēng)扇等裝置，增強板擦對粉筆灰的吸附力，并改良其毛層的結(jié)構(gòu)與材料，起到更有效的作用，改良后該款板擦較已研發(fā)出的電動板擦更加輕巧便攜，適用性更強。

關(guān)鍵詞：負壓吸塵;集塵室;電動黑板擦

在國外，由于小班教學(xué)及教育發(fā)展較成熟，教學(xué)上大多使用白板及油墨筆，這種白板沒有粉筆灰的危害，但是成本較高;在國內(nèi)，基于我國的發(fā)展及人口現(xiàn)狀，教學(xué)上依舊普遍使用黑板和粉筆，并且這種現(xiàn)狀在未來較長一段時間內(nèi)無法改變。

對于教師，教師在教學(xué)過程中需要頻繁接觸粉筆書寫板書，粉筆灰不可避免的會殘留在他們的手上、頭發(fā)上，以及衣服的袖口和肩膀等處，不僅難以清洗且對皮膚有刺激性危害。人體皮膚所生存的環(huán)境為弱酸性，而粉筆灰的堿性會使皮膚變得干燥、粗糙并產(chǎn)生瘙癢的感覺，引起人們的不適，嚴重的還會引發(fā)毛囊炎，導(dǎo)致大量脫發(fā)等癥狀。此外，那些不可避免被吸入呼吸道的粉筆灰能否導(dǎo)致肺部功能下降甚至患癌一直是廣大教師關(guān)注的問題。上述情況已經(jīng)嚴重影響了教師的正常生活。

對于教學(xué)設(shè)備，如今國家在教育方面投資逐年增加，很多高校已經(jīng)配備了投影儀、電腦等電子教學(xué)設(shè)備，電子設(shè)備與黑板的距離不足一米，長期的使用令其縫隙中堆積了難以清除的粉筆灰，縮短了設(shè)備的正常使用年限，造成資源的浪費。

1 吸塵黑板擦材料選擇

1）外殼：采用塑料作為外殼材料。塑料性能穩(wěn)定，減磨耐磨性好，且密度小，質(zhì)地輕。最主要的是塑料加工性能良好，熔融后的熔體很容易成型成各種所需要的形狀，可通過相適應(yīng)的模具制成滿足要求的黑板擦外殼。

2）風(fēng)扇：渦輪風(fēng)扇。相較于傳統(tǒng)扇葉風(fēng)扇，渦輪風(fēng)扇轉(zhuǎn)速高，可以在最小的空間內(nèi)輸出更強的風(fēng)力，單位時間內(nèi)黑板擦內(nèi)部排出的空氣更多，產(chǎn)生的真空區(qū)域更大，即壓力差更大，對粉筆灰的吸力就越強。不同功率的風(fēng)扇產(chǎn)生的對粉筆灰的吸附效率不同，經(jīng)過進行不斷的實驗優(yōu)選，最終確定最佳風(fēng)扇型號為……

3）電源：5號電池盒帶線兩節(jié)裝，可提供3V穩(wěn)定電壓。

4）毛層：經(jīng)過多次實驗比較，電動吸塵黑板擦毛層采用羊氈毛層。羊氈毛柔軟易變形，可適應(yīng)不同角度細致的擦拭。且較傳統(tǒng)黑板擦的化纖毛層，羊氈毛稠密程度適當，在擦拭時增大與黑板間的摩擦力，不易產(chǎn)生打滑現(xiàn)象。羊氈毛中可夾雜少許雜質(zhì)毛絮和麻布，即降低成本又可增大摩擦力，起到更好的擦拭效果。

2 吸塵黑板擦原理研究

2.1 工作原理簡介

真空負壓吸塵黑板擦，是利用真空負壓抽吸原理，將散落在講臺、設(shè)備及管道上的粉筆灰及其他細小灰塵收集起來，再進行轉(zhuǎn)移處理的裝置。

板擦毛氈層設(shè)有突出的接觸按動開關(guān)，當板擦毛層接觸黑板時，只需輕微的壓力將開關(guān)按下且保持按住狀態(tài)，內(nèi)部電路便可接通，電動吸塵板擦即可啟動并持續(xù)工作。

2.2 負壓吸塵系統(tǒng)設(shè)備特性

1）原理簡單，操作方便;依靠簡單電路，通過一個小型渦輪風(fēng)扇即可使黑板擦產(chǎn)生較強的負壓吸塵能力。

2）運行安全;電動吸塵黑板擦電源采用的3V干電池足以使內(nèi)部電路正常工作，電壓低，且電元件均用絕緣材料與外部隔離，降低了安全風(fēng)險。

2.3 粉塵逸散的控制的研究

市面已研發(fā)出的電動吸塵板擦對粉筆灰的吸力相差不大，故提高電動板擦的吸塵效率不在于吸收粉筆灰的多少，而在于增強對粉塵逸散的控制，這對集塵裝置的要求非常高。集塵裝置的設(shè)置須遵循以下基本原則：

1）集塵室的設(shè)置，要按防止粉塵逸散到周圍環(huán)境空間的原則確定，集塵室的吸氣宜盡可能利用含塵氣流的運動作用。

2）集塵室不應(yīng)設(shè)在氣流含塵高的部位或粉筆灰飛濺區(qū)內(nèi)。板擦體積較小，集塵室的空間更小，設(shè)在氣流含塵高的位置很可能在集塵室內(nèi)形成氣流循環(huán)，反而對集塵效果造成極大的影響;設(shè)在粉筆灰飛濺區(qū)不易于收集粉筆灰，起不到良好的集塵作用。

3）集塵室需要有一定的空間，以緩沖氣流減小正壓。

4）集塵室應(yīng)盡可能將塵源點包圍起來，使粉筆灰的擴散限制在最小的范圍，便于收集粉筆灰。

5）集塵室應(yīng)力求結(jié)構(gòu)簡單，便于安裝，可拆卸清理積攢的粉筆灰，且不影響吸塵系統(tǒng)的操作和維護管理。

2.4 吸塵效率最優(yōu)的研究

吸塵系統(tǒng)設(shè)計中還須合理確定系統(tǒng)的設(shè)計風(fēng)量，使整個吸塵系統(tǒng)的設(shè)計既經(jīng)濟又合理，在確保對粉塵逸散點的有效控制的前提下，不要肆意放大吸塵風(fēng)量，否則會引起吸塵系統(tǒng)龐大，設(shè)計尺寸偏大，耗能加大，成本和運行費用增大，加大機組工作的負擔(dān)。

1）風(fēng)量最大的時候其吸塵風(fēng)扇葉輪高速旋轉(zhuǎn)，風(fēng)向向前，吹出的空氣比補進的空氣多，因此風(fēng)葉的后部產(chǎn)生負壓，就是“真空”，負壓將灰塵吸進機器，在集塵袋中過濾下來。風(fēng)機葉輪的后部是吸入，前部是排出，效率最高。

2）當真空度大于最有值時，隨著真空度的增加，其吸塵效率逐步降低。

由上述兩點可知道，計算吸塵器的吸力基本沒有任何意義，最佳吸力是通過實驗得出的一個結(jié)論，通常來說，這個最佳值在一個大氣壓到-0.03MPa（G） 之間，當壓力進一步低的時候，其吸塵效率就會逐步大幅降低。

2.5 過濾裝置的研究

過濾材料越細密就可以將空氣過濾的越干凈，但透氣度就差，這樣影響了渦輪風(fēng)扇吸入的風(fēng)量，降低了吸塵器的效率。因此做成波浪形以增加透氣面積。任何過濾材料都有“壽命”，也就是長期使用后過濾材料的微孔已被小顆粒灰塵堵死，因此，一次性布制材料時比較理想的，衛(wèi)生又方便。SMS三層復(fù)合過濾材料耐洗，但透氣度稍低。

3 成果

根據(jù)設(shè)計要求和適用的場合，最后確定電動吸塵黑板擦的底部尺寸為13×7cm，高為4cm。上部外殼兩端設(shè)計成符合使用者手掌曲線的圓弧狀。在吸塵黑板擦上設(shè)計可方便清理的裝置，并為了合理利用板擦內(nèi)部空間，節(jié)約成本，則將渦輪風(fēng)扇與隔塵布固定在一起，電池盒固定在毛層背面。

把開關(guān)安裝在底面毛層中間，開關(guān)受力均勻，易于開關(guān)。

部件說明。按動開關(guān)：開關(guān)表層同樣設(shè)置毛層，使吸塵黑板擦在運行時不影響擦拭效果。

電池盒：固定在底面毛層上，更換電池時可直接拆卸底層，操作簡便。

隔塵布：隔塵布安裝在使板擦內(nèi)部空間可分為1：1的位置處，攔截過濾粉筆灰。

圓孔：用直徑為8mm的細密圓孔作為排氣出口，設(shè)計在吸塵板擦外殼兩個圓弧面處，不影響使用手感。

4 問題討論

對于目前的研究成果，還存在很多需要改進的方面。

1）在集塵方式方面：目前的集塵原理為負壓吸塵，依靠過濾網(wǎng)布阻擋攔截吸入的粉筆灰，使其落入集塵室內(nèi)。此方法雖然操作簡單且成本低，但是長時間工作后過濾網(wǎng)布易堵塞，對渦輪風(fēng)扇產(chǎn)生的負壓吸力有阻礙作用，影響吸引粉筆灰的效率。因此提出對集塵方式的改良設(shè)想：更換電源，改用交替電流，在吸塵時渦輪風(fēng)扇正常工作，產(chǎn)生較強的風(fēng)速，將粉筆灰吸入板擦內(nèi)。待粉筆灰吸進板擦后，渦輪風(fēng)扇風(fēng)扇的風(fēng)速變小，使粉筆灰由于重力作用下降，落入集塵裝置中。

2）在電路控制方面：我們設(shè)計在板擦底部裝置接觸按動開關(guān)，在使用時接觸黑板輕壓開關(guān)即可運行，擦拭結(jié)束時離開黑板黑板擦便停止工作。但是使開關(guān)接通于電路的最小壓力沒有進行具體研究，對于按動開關(guān)可能存在的滯塞等日常維護問題也未得到解決之法。電池盒處于板擦內(nèi)部，更換電池需要拆卸底層毛層，若改換成可充電的蓄電池，即可解決電池更換的麻煩并提高了提供給電路的電壓，可換用功率更大的渦輪風(fēng)扇產(chǎn)生更大的負壓，提高效率。

5 結(jié)語

電動吸塵黑板擦在傳統(tǒng)板擦的基礎(chǔ)上進行創(chuàng)新性改良優(yōu)化，使其具有吸收并收集粉筆灰的功能，原理簡單，操作方便，有效地解決了長期以來粉筆灰對教師健康的困擾，為孩子們提供了一個更加潔凈舒適的學(xué)習(xí)環(huán)境。但就目前研究成果來看還存在許多需要改進的方面，仍需不斷試驗研究出實用性更強的電動吸塵黑板擦。遠期如果可以得到更好的研究成果，并投入到日常的教育使用中去，則會對我國教育事業(yè)以及環(huán)保事業(yè)具有積極的意義。

參考文獻：

[1]高志春.負壓吸塵與正壓輸灰一體機，2013.3.

[2]宋永剛.真空清掃機負壓吸塵機理及系統(tǒng)設(shè)計方法初探.1992.5.