基于負壓吸附和靜電除塵的靜音黑板擦設計

趙晨陽

（上海理工大學 能源與動力工程學院，上海 200093）

基于負壓吸附和靜電除塵的靜音黑板擦設計

趙晨陽

（上海理工大學 能源與動力工程學院，上海 200093）

為了降低擦黑板時產生的粉塵污染，文章設計了一款除塵黑板擦。其工作原理是風機旋轉形成負壓，使粉塵經透氣孔進入黑板擦。由于過濾網的過濾作用使灰塵留在集塵格，設置金屬靜電除塵以增強除塵效果。內設隔音棉，用于降低風機旋轉產生的噪聲。實驗表明，除塵效率達到95.5%，有效減少了粉塵的飛揚。

負壓吸附；靜電除塵；靜音；無塵

如果老師一節課用5只粉筆，一周上8節課，那么工作40年要用掉51 200支粉筆，重達193.894 4 kg。即便只吸1%的灰，也要吸掉約2 kg的粉筆灰。針對這一問題，本文介紹了一款除塵黑板。

1 工作原理

黑板的上下固定有水平滑輪導軌，上下導軌之間連接一個豎直導軌，板擦固定在豎直導軌上實現上下快速滑動，而豎直導軌又可以沿著水平導軌實現水平滑動，從而實現擦除整個黑板的功能。

整套裝置的核心在于可拆卸的黑板擦，如圖1—5所示，黑板擦包括離心風機1，靜電除塵片2，透氣孔3，上殼體4，過濾板5，下殼體6，開關7，毛刷8，止回閥9，放置可充電的鋰離子電池的封閉盒10，充電插孔12，隔音材料，控制單元以及可充電的鋰離子電池。黑板擦具有外殼，外殼包括上殼體4和下殼體6。上殼體4的側面設置有充電插孔12和多個透氣孔3。下殼體6套在上殼體4的外側，開關7設置在下殼體6上。下殼體6四周是吸氣孔，一端與上殼體4相連，另一端設置有集中氣流的裙部和硬支撐刷毛。如圖2所示，毛刷8固定設置在下殼體6上且位于下殼體6的外側，用于擦拭板上的粉筆字跡。集塵格設置在下殼體6內，用于收集毛刷擦拭掉下粉塵，集塵格側面設置有如圖5所示的開口11，用于倒出粉塵。如圖6所示的過濾板5設置在集塵格的下方，用于對粉塵進行過濾，過濾板5可與集塵格活動分離，便于清洗集塵格；過濾板5上設置有外形呈折疊形狀的過濾材料，用于擴大接觸的表面積。過濾材料為耗材，可更換，因此有利于節約成本。集塵箱設置在過濾板5的下方，用于收集過濾后的粉塵。集塵箱內設置有導流葉片和靜電除塵片2，用于利用靜電吸附粉塵，靜電除塵片2可以用刷毛定期刷洗。集塵箱內壁及導流葉片的金屬化表面，連接到控制電路中的高壓發生器，當離心風機1工作時，整個集塵箱被充上電，使之成為能夠吸附灰塵的過濾器。如圖5所示，多個止回墊片9設置在下殼體6內，位于吸氣孔邊，用于在離心風機1關閉時封住吸氣孔，防止粉塵落出。下殼體6套在上殼體4的一端上，兼做集塵箱的密封。離心風機1固定設置在上殼體4內且位于集塵箱的下方，用于提供吸引粉塵進入吸氣孔的氣流。可充電的鋰離子電池設置在離心風機1一側的封閉盒10中，用于向離心風機1提供電源。隔音材料設置在離心風機1的外殼上，實施例中，隔音材料采用隔音棉制成。控制單元包括與離心風機1相連的控制電路、高壓發生器。

黑板擦操作過程：按下開關后啟動離心風機1，擦黑板時，粉筆書寫痕跡被毛刷8刷下，粉塵掉落后遇上從邊緣吸入的氣流，被氣流帶動，經過吸氣孔和止回墊片9后進入集塵格，被過濾板5阻擋而留在集塵格內。氣流中殘余的粉塵進入集塵箱后，被導向槽內的靜電除塵片2吸附，干凈氣流由風機抽出，從側面透氣孔3排出。

圖1 黑板擦立體分解示意

圖2 黑板擦剖面分解示意

圖3 黑板擦離心風機

圖4 黑板擦下殼體

圖5 黑板擦上殼體

圖6 黑板擦過濾板

2 黑板擦儲塵容量測定實驗

2.1 實驗器材

實驗器材包括板擦、粉筆（3～5支）、量尺、小漏斗、量筒、鐵架臺、電子天平、砂紙。

2.2 實驗步驟

（1）用砂紙磨制3支粉筆，放在白紙上以備使用。

（2）選取100 mL左右的量筒，稱量其凈質量m0。

（3）將小漏斗、量筒安裝在鐵架臺合適位置，調整水平。

（4）將粉塵緩慢倒入漏斗中。

（5）待漏斗中粉塵全部流出后，用刮片和毛刷將量筒上粉塵全部刮下去。

（6）將量筒中粉塵抖平，讀出其體積v1。

（7）將量筒與粉塵放在電子天平上，稱量其質量m1。

（8）測量板擦除塵槽尺寸，計算其體積V2。

（9）計算堆積密度ρ=（m1-m0）/v1，黑板擦可吸收的粉筆灰質量M=ρv2。

單只粉筆質量為m粉，換算成粉筆支數N=M/m粉。

2.3 實驗數據記錄與處理

量筒凈重m0=18.314 g，量筒與粉筆灰總重m1=22.497 g。

粉塵的體積V1=7.40 mL

密度ρ=（22.497-18.314）/7.40=0.56 g/mL，經測量儲塵槽的體積為180 000 mm3。

M=ρ×V2=0.56×180 000×10-3=100.8 g。

經測量單只粉筆的質量為3.787 g，儲塵槽可儲存的粉筆數N=M/m粉=26.617（支）。

3 吸收率測定實驗及過濾膜性能驗證試驗

3.1 實驗器材

實驗器材包括可拆卸黑板擦、儲塵盒、塑料袋、膠帶、天平、粉筆、黑板、

3.2 實驗原理

稱量單支粉筆的質量，用該支粉筆在黑板上寫字直至全部用完（注意，使用黑板書寫的過程有部分粉筆灰掉落，用儲塵盒接住）。用塑料袋套上黑板擦的后蓋，用該黑板擦擦黑板。擦黑板過程中，粉筆灰有3個去處：（1）被黑板擦吸收至內部吸塵槽內；（2）未被吸收的粉筆灰漂浮進入空氣中；C（3）少部分粉塵穿過板擦內過濾膜由通風孔進入塑料袋內，實驗前后分別稱量板擦，塑料袋及儲塵盒的質量，通過計算可以得到黑板擦對粉筆灰的吸收率。此外可以計算出透過過濾膜的粉塵質量，以檢驗過濾膜的性能。

3.3 實驗步驟

（1）稱量單只粉筆、板擦、塑料袋、儲塵盒的質量，分別記為：m粉，m10，m20，m30。

（2）將該支粉筆寫粉筆字直至用完，同時黑板下放置一儲塵盒來吸收掉落的粉塵。

（3）將塑料袋套在后蓋通風口處（塑料袋足夠大），用膠帶將交接處密封好。同時將儲塵盒從黑板處移開。

（4）打開黑板擦開關，將所有的字擦干凈。

（5）分別稱量黑板擦，吸塵塑料袋，儲塵盒的質量，記為m11，m21，m31。

（6）計算吸塵率及過濾膜透過率。

根據類似吸塵產品的經驗表明，若透過率η透≤6%，則認為過濾膜過濾性能良好。

實驗重復進行3次，計算平均值。

3.4 實驗數據（已計算為平均值）

單只粉筆質量m粉=3.787g；黑板擦質量m10=380.01g，m11=383.42g；吸塵塑料袋質量m20=10.125g，m21=10.287g；儲塵盒質量m30=12.248g，m31=12.463g；η吸=（383.42-380.01）/[3.787-（12.463-12.248）]=0.955=95.5%；η透=1-0.955=0.045=4.5%。經過實驗測得黑板擦吸收率可達95.5%，且過濾膜性能良好。

4 結語

除塵黑板總體結構合理，結構緊湊，材料輕便，輕巧耐用，易于加工，安全可靠。黑板軌道、鋰離子電池、開關、風機、導流葉片、導線、墊片等元件均為標準件，成本低廉，易實現大規模生產，具有很強的可推廣性。

Design of mute blackboard eraser based on negative pressure adsorption and static electricity dust removal

Zhao Chenyang
（Energy and Power Engineering School of University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China）

In order to reduce the dust pollution when cleaning the blackboard, a dust elimination blackboard eraser was designed in this paper.The working principle is that the fan rotates to form negative pressure, and the dust enters the blackboard eraser through the air hole. The dust is left in the dust collecting box because of the fi ltering function of the fi lter screen, and the metal electrostatic dust removing is arranged to enhance the dust removal effect. Equipped with noise proof cotton in the blackboard eraser to reduce the noise caused by fan rotation. Experimental results show that the removal ef fi ciency reached 95.5%, which has effectively reduced the fl ying of dust.

negative pressure adsorption; electrostatic dust removal; mute; dust-free

趙晨陽（1996— ），女，河北唐山，本科。