多功能可拆卸式霧化器設(shè)計(jì)及應(yīng)用

鄭駱榮，夏慶國(guó)

（湖北文理學(xué)院理工學(xué)院，湖北 襄陽(yáng) 441025）

隨著人們對(duì)居家環(huán)境衛(wèi)生的重視，家庭消毒工具成為生活中不可或缺的工具。由于傳統(tǒng)的噴霧類消毒工具不太適用于衣物等紡織品的消毒需求，這就需要把液體細(xì)化成微粒才能更好地進(jìn)行消毒處理。為了達(dá)到這一目的，所以對(duì)霧化器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及供電原理進(jìn)行全新的布局和改進(jìn)。使其區(qū)別于目前市面上常見的霧化器，目前工業(yè)上的霧化器，不僅體積大不方便攜帶，而且功率過(guò)高不適用于家庭這種小環(huán)境。市面上的小型霧化器出霧量太小，且功能單一，無(wú)法滿足實(shí)際使用需求。因此，本設(shè)計(jì)在保留原有的霧化器部分功能的同時(shí)為其增加了更多的功能，改變了其原有功能單一的問題，使其成為一款具有藍(lán)牙燈光音箱功能的小型便攜式霧化器。

1 原理分析

國(guó)內(nèi)外對(duì)霧化器領(lǐng)域的研究較少，當(dāng)今市面上的霧化器在家居等多個(gè)方面展現(xiàn)的效果不太理想，其中一點(diǎn)是體積上有所欠缺。超聲霧化器采用12 個(gè)超聲霧化片，將水分子打散成小分子水滴，改善傳統(tǒng)霧化器產(chǎn)生的霧化顆粒大、霧化快等問題。其可避免患有呼吸道疾病的患者吸入過(guò)多的小水滴。一般來(lái)說(shuō)，這些小水滴會(huì)附著到呼吸道上，由于呼吸道內(nèi)部堵塞支氣管的多種分泌物在吸收水分后會(huì)膨脹，增加了呼吸道的負(fù)擔(dān)，從而會(huì)導(dǎo)致患者出現(xiàn)缺氧、休克等問題。經(jīng)過(guò)研究，該款霧化器實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的理想化升級(jí)。

2 研究方向及內(nèi)容

2.1 研究方向

基于時(shí)代的發(fā)展，人工智能已經(jīng)走進(jìn)大眾視野，人們追求極致的功能效應(yīng)及極佳的用戶感受。經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，科技的不斷提升，改善了當(dāng)今的社會(huì)。順應(yīng)時(shí)代發(fā)展，通過(guò)改善外觀、形狀、大小、功耗和效益等提升霧化器的品質(zhì)，其在智能化方面也增設(shè)了新功能，并且在未來(lái)會(huì)陸續(xù)提升霧化器的系統(tǒng)，開放獨(dú)立APP，采用藍(lán)牙、WIFI 功能，通過(guò)手機(jī)就可對(duì)其進(jìn)行操控，做到觸碰在指尖，萬(wàn)物皆互聯(lián)。

2.2 研究?jī)?nèi)容

在傳統(tǒng)便攜式霧化器的基礎(chǔ)上，衍生出具備更多功能的便攜式霧化器。本研究在不破壞原有霧化功能的基礎(chǔ)上進(jìn)行家用霧化器和醫(yī)用霧化器功能的結(jié)合，對(duì)霧化器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步的簡(jiǎn)化和升級(jí)，使其在原有的霧化功率上提升約12%。

其次在霧化器的使用壽命方面也做了相應(yīng)的改良，傳統(tǒng)霧化器在使用時(shí)會(huì)產(chǎn)生1.45 MHz 以上的電流，將霧化小水滴從霧化片部分吹入霧化器內(nèi)時(shí)，小水滴附著在內(nèi)表壁。由于水和空氣易發(fā)生反應(yīng)會(huì)造成金屬部件生銹損壞，因此降低霧化片排風(fēng)扇等電器元件的性能，從而縮短了霧化器的使用壽命。另外，在傳統(tǒng)霧化器基礎(chǔ)上，對(duì)超聲霧化片采用了環(huán)形均布的空間設(shè)計(jì)，以防止小水滴隨氣體反流，對(duì)內(nèi)部電子元器件起到了一定的保護(hù)作用。

為保證充滿電后的霧化器使用時(shí)長(zhǎng)，本設(shè)計(jì)對(duì)其電池進(jìn)行了改裝，使電池效能在保證霧化功能正常的情況下，對(duì)其附帶的藍(lán)牙音箱及燈光提供能量，在設(shè)計(jì)中4 次針對(duì)續(xù)航效能進(jìn)行了改善提升，由最初的最長(zhǎng)續(xù)航41 h，提升到56 h。

更重要的是，未來(lái)霧化器在保證其便攜的優(yōu)點(diǎn)下，計(jì)劃對(duì)各項(xiàng)功能進(jìn)行可拆卸處理，使用者在不需要使用某一項(xiàng)功能時(shí)，可將其拆卸下來(lái)，以此換取更長(zhǎng)的使用時(shí)間及更方便的攜帶。

3 內(nèi)部介紹

主動(dòng)排氣閥：排氣閥的構(gòu)件采用的是高密度纖維復(fù)合材料，此材料即使長(zhǎng)時(shí)間在化學(xué)藥劑的浸泡下也不會(huì)產(chǎn)生變形或者材料分解及腐爛變質(zhì)。機(jī)械杠桿的密封端面部分采用小球彈簧支撐，可以隨機(jī)械杠桿的伸縮運(yùn)動(dòng)相應(yīng)調(diào)節(jié)主動(dòng)排氣閥，在不排氣的情況下能夠保證裝置的氣密性良好，并且主動(dòng)排氣閥的尺寸是經(jīng)過(guò)精確計(jì)算建模設(shè)計(jì)得出的，使其易于安裝和拆卸。

超聲波霧化片：超聲波霧化器利用超聲波高頻震蕩，同時(shí)高纖維霧化片的反射諧振，將液態(tài)水分子物理結(jié)構(gòu)打散，產(chǎn)生自然漂浮的小水滴，再通過(guò)雙風(fēng)扇把小水滴從底部吹向上部出霧口，其可使空氣濕度增大，在凈化空氣的同時(shí)，提升空間濕度，營(yíng)造舒適安逸的環(huán)境。核心架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 核心架構(gòu)圖

電子振動(dòng)氣溶膠發(fā)生器：由一個(gè)用于控制霧滴大小的精密錐型孔的半球形金屬板和一個(gè)可進(jìn)行細(xì)微抽吸振動(dòng)以對(duì)藥劑進(jìn)行霧化的振動(dòng)單元組成。在重力的作用下，藥劑接觸到氣溶膠發(fā)生器，將這些液體抽吸并穿過(guò)金屬板孔，轉(zhuǎn)化成氣溶膠。

4 外觀特色

（1）本產(chǎn)品簡(jiǎn)潔小巧，在家可智能化使用，外出時(shí)方便攜帶。外觀展示，如圖2 所示。

圖2 外觀展示圖

（2）充分利用消毒液體或藥劑，可將凝結(jié)液輸送回儲(chǔ)水器。

（3）功能多元化，可以充當(dāng)藍(lán)牙燈箱，一機(jī)多用。

5 霧化器的清理

每次使用完都要徹底地清潔，主要是對(duì)消毒管口和口含嘴進(jìn)行清潔，外部只要擦拭干凈即可。醫(yī)院里是用含氯的制劑泡的消毒液進(jìn)行消毒，消毒液的比例是1∶50，也就是1 mL 的藥液加50 mL 的水浸泡半小時(shí)后撈出來(lái)沖洗干凈，晾干即可。

6 動(dòng)力系統(tǒng)及控制模塊

6.1 電池設(shè)計(jì)

6.1.1 電芯

儀器使用的是索尼電池，4 顆12 V 的可充電電池。通過(guò)計(jì)算，系統(tǒng)采用900 mAh 的雙體鎳氫電芯進(jìn)行組合，電池充滿電后總電壓為13.5 V，但是由于任何電池都存在能效降低的現(xiàn)象，所以放電工作平衡在12 V，在100 mA 的工作電流下可以保證5 h 以上的工作時(shí)間。此電池能夠?yàn)殪F化器提供所需要的電量，但考慮到功能的升級(jí)以及增加，改良后的霧化器選擇使用900 mAh 的雙體鎳氫電芯，該電池在儲(chǔ)存期自動(dòng)放電較小，即使1 a不充電也能保持其電壓和容量不改變，更不會(huì)出現(xiàn)充不進(jìn)去電或充滿電后電很快流失殆盡的情況。

6.1.2 電池保護(hù)元件

為保證霧化器在充放電過(guò)程中的可靠性和安全性，不會(huì)發(fā)生由于電池過(guò)熱，提前造成霧化器報(bào)廢等情況，所以為該電池設(shè)計(jì)了雙重的電池保護(hù)功能。

過(guò)流保護(hù)片（PTC）：這個(gè)元器件主要是針對(duì)電流過(guò)大，保護(hù)功能設(shè)計(jì)。PTC 可恢復(fù)保險(xiǎn)絲具有過(guò)流保護(hù)，自動(dòng)復(fù)原的雙重功能。霧化器里的PTC 可以防止電池不正常工作和不安全的大電流的發(fā)生。

NTC 溫控電阻：通過(guò)與霧化器主機(jī)電池相連的一個(gè)NTC 元件來(lái)偵測(cè)電池的溫度情況，當(dāng)電池表面溫度達(dá)到70℃時(shí)即停止對(duì)電池的充電和放電，防止電池過(guò)熱，造成安全風(fēng)險(xiǎn)。

6.2 控制系統(tǒng)及散熱

該設(shè)計(jì)采用雙螺旋槳設(shè)計(jì)，由于12 個(gè)超聲霧化器工作效能偏大需要較大散熱能力，據(jù)此選擇中等V 值電機(jī)搭配小槳葉以提供足夠推力。經(jīng)過(guò)多次測(cè)算，選擇的電機(jī)（空載電流）搭配5 寸5 扇葉螺旋槳葉，電池為組合電池。涉及到的相關(guān)計(jì)算為：

電機(jī)功率為

由電機(jī)功率轉(zhuǎn)速所得，所選電機(jī)理想空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為：

考慮到安裝扇葉后空氣阻力會(huì)變大，損失約動(dòng)能的25%，估算工作時(shí)轉(zhuǎn)速。在功率一定的情況下，可通過(guò)增加扇葉的數(shù)量去增大螺旋槳的機(jī)械功率。通過(guò)雙螺旋扇葉的旋轉(zhuǎn)，能夠持續(xù)工作，沒有任何安全問題。

6.3 超聲霧化片功率驅(qū)動(dòng)

該設(shè)計(jì)由12 個(gè)超聲霧化片環(huán)繞機(jī)芯構(gòu)成，上下分布排列2 個(gè)水箱，通過(guò)上下壓強(qiáng)不平衡，產(chǎn)生出水管和入水管壓強(qiáng)差，從而實(shí)現(xiàn)上下水箱的平衡。

超聲霧化片將機(jī)芯中的水震蕩成小水滴，由底部雙螺旋扇葉吹向上方出口，位于上方出口的管壁環(huán)繞有小孔，避免小水滴在管壁懸掛，形成大水滴，再由風(fēng)口吹出，影響體驗(yàn)者的感受。

7 材料分析

霧化器外部材料主要采用磨砂塑料材料，其原因是該材料觸覺較好，防腐性強(qiáng)，可加工性強(qiáng)，形態(tài)可以多樣化，同時(shí)在成本上可進(jìn)行節(jié)約。由于上下水箱的位置因素，下部水箱靠近電機(jī)，電機(jī)發(fā)熱較大，考慮特殊情況，如風(fēng)扇會(huì)突然停止工作，或者長(zhǎng)時(shí)間使用后，風(fēng)扇的性能下降，熱量堆積，形成局部較高的溫度，導(dǎo)致塑料中的一些有害成分受高溫分解，會(huì)對(duì)人體造成傷害，所以下水箱采用了聚丙烯塑料（PP）材質(zhì),無(wú)須擔(dān)心塑料的有害成分分解，對(duì)人體造成傷害。

8 色彩分析

在色彩的運(yùn)用上，這款超聲霧化器的配色主體用灰白色，輔以乳白色進(jìn)行搭配，在視覺上給人一種清新簡(jiǎn)約的感受?；野咨^白色耐臟，搭配乳白色，超聲霧化器煥然一新，十分美觀。再者，灰白色可以增添色彩的搭配，無(wú)論房間裝飾、汽車內(nèi)飾，灰白色不會(huì)產(chǎn)生違和感。乳白色則具有安靜、舒適的視覺感受。乳白色和灰白色結(jié)合會(huì)給人帶來(lái)一種簡(jiǎn)約的舒適感，具有很高的視覺感受。

9 布局運(yùn)行分析

霧化器整體為兩部分，即攜帶主體與燈箱主體，攜帶主體為核心，包含的超聲霧化片與散熱系統(tǒng)及控制模塊，在空間布局上完全合理，核心主體占據(jù)空間為，高25 cm，半徑6 cm。燈箱主體由上下兩個(gè)擴(kuò)充性散熱環(huán)形，中間部分為燈箱喇叭和渲染燈組成，燈座高18 cm，正六邊形布局，邊長(zhǎng)為8 cm?？紤]系統(tǒng)兩種狀態(tài)運(yùn)行方式，充電運(yùn)行和待充電運(yùn)行，充電狀態(tài)下考慮溫度升高，電池會(huì)產(chǎn)生可復(fù)原性擴(kuò)張，在燈箱及主體之間預(yù)留大于0.5 cm 的距離，在超聲霧化器的調(diào)試過(guò)程中，持續(xù)工作16 h，采用紅外溫度槍測(cè)試外表面溫度為30℃，內(nèi)部溫度為42℃，理論上參考鎳氫電池安全工作范圍：

鎳氫電池溫度之標(biāo)準(zhǔn)充電: 0℃～+70℃。

鎳氫電池溫度之涓流充電: 0℃～+70℃。

鎳氫電池溫度之標(biāo)準(zhǔn)放電: -20℃～+70℃。

在常溫蓄電工作下，溫度并沒有超出鎳氫電池的溫度范圍，所以霧化器的持續(xù)工作是可行的。

10 結(jié)束語(yǔ)

此款霧化器與傳統(tǒng)的霧化器相比，在外觀和功能上都有顯著性的提升且小巧方便攜帶。同時(shí)，還具有藍(lán)牙與WIFI 信號(hào)接收功能，不僅僅具備了霧化器本身的功能，還擁有休閑娛樂的屬性。本設(shè)計(jì)遵循“效率至上，體驗(yàn)至上”的原則，設(shè)計(jì)出便攜式可拆卸霧化器，符合新時(shí)代科技發(fā)展進(jìn)步的趨勢(shì)。