基于电路控制防雾霾窗的设计

孟创睿

摘要：目前，由吸附性材料制成的防雾霾纱窗具有不易更换、一次使用性的缺点，因而难以满足在长时间内的高质量防雾霾需求。由此本文设计了一种基于电路控制的防雾霾窗，它能够阻止雾霾中的有害颗粒物质进入室内，又不妨碍使新鲜空气进入室内，提高室内的空气质量。该防雾霾窗结构的设计简单方便，易于实现。它通过电路控制模块在三层窗户网之间制造足够强的外电场，使雾霾粒子受力，作用于粒子的运动，从而达到阻隔雾霾粒子的目的。此外，在防雾霾窗的设计上增加了防雾霾窗的自我保护能力，使用户的安全得到保证。

关键词： 电路控制;防雾霾窗;空气质量; 电场; 自我保护

中图分类号：X701     文献标识码：A

文章编号：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，中国不少地区将雾并入霾一起作为灾害性天气现象进行预警预报，统称为“雾霾天气”。雾霾，是雾和霾的组合词。一般情况下，相对湿度介于80%-90%时，由大气混浊视野模糊导致能见度恶化的现象是霾和雾的混合物共同造成的，但其主要成分是霾。霾粒子的分布比较均匀，而且雾霾粒子的尺度比较小，从0.001微米到10微米不等，平均直径大约在1-2微米左右，肉眼看不到空中飘浮的颗粒物[1]。所以无处不在的，带着有害物质的雾霾空气会轻松进入室内，降低室内空气质量，对人体产生危害。比如雾霾中混有大量这些有毒有害的小颗粒，会随着空气进入人的呼吸道和肺部，对人的身体健康带来威胁，轻者会引进气管炎、肺炎等疾病，重者会导致更加严重的疾病。因此，研究并设计一种新型防雾霾装置，特别是雾霾易感人群，显得尤为重要。

现阶段一些防雾霾窗由吸附性材料制成，既可以防止更多雾霾进入室内，又可以保证室内空气得到交换，保证对雾霾的一定吸收效率[2]。然而，吸附性材料的吸附性是有限的，可能一次之后纱窗就没有了吸附可吸入颗粒物的功能[3]。为此，人们进行了很多改进实验，都不能完全程度的吸附雾霾，于是设又计了另一种改良的防雾霾纱窗。该防雾霾纱窗在原有纱窗框架的纱窗网再贴上防雾霾过滤网。该防雾霾过滤网的四边通过带弹簧合页的固定夹紧板框贴合在原纱窗网。这种纱窗虽然能够进一步地利用防雾霾过滤网及其他辅助工具把雾霾空气过滤掉，使室内的空气长期保持清洁，但是仍然受限于吸附材料的饱和性，也不能实现对雾霾的完全过滤[4]。另一方面，基于静电除尘原理设计的防雾霾纱窗虽然取得了更好的效果，但是因其结构大多复杂，并且产生电场的电路功能良莠不齐，实现成本高，难以大规模推广[5，6]。

为此，本文设计了一种原理简单，功能强大的基于电路控制的防雾霾窗，突破了传统纱窗的局限性以及一次性使用问题。该防雾霾窗利用高电压正负极网吸附带电颗粒的原理[7]，保留了传统纱窗的结构，并将纱窗单层滤网取而代之为带有绝缘膜的多层滤网。控制电路模块在窗户网之间制造出不同极性高压电场[8]，使带电的雾霾粒子在外加电场作用下作定向移动，从而阻隔雾霾粒子进入室内。该防雾霾窗的优点在于其简便的设计结构，具有一定的安全保障措施，易于大规模推广，比如一般的平常纱窗经滤网外端涂上绝缘膜改装后，再加上简单的控制电路，就能达到吸尘吸霾的效果。

2 设计思路

2.1 防雾霾窗结构及原理

雾霾主要由二氧化硫、氮氧化物和可吸入颗粒物这三项组成。其中，可吸入颗粒物是加重雾霾天气污染的罪魁祸首，因此控制了可吸入颗粒物也就基本控制了霾。霾在大气中以气溶胶的状态存在，二氧化硫、氮氧化物分子依附在可吸入颗粒物上，这些粒子的直径通常在10微米到1微米之间。根据空气动力学原理：直径在微米级的粒子会漂浮在大气中，受到外力的作用时会受力而定向移动。

漂浮在大气中的霾粒子一般都带有电荷，所以霾在电场的作用下会发生定向移动。带有正电荷的霾粒子会被带有正电荷的物体所排斥，会被带有负电荷的物体所吸引。带有负电荷的霾粒子会被带有负电荷的物体所排斥，会被带有正电荷的物体所吸引。不带电荷的霾粒子会被带电的物体所吸引。考虑到霾粒子會在电场中发生定向移动的特性，我们提出利用电场来控制霾粒子运动的想法。我们的防雾霾窗为三层网结构，中间的网带有负电荷，外面的两层网带有正电荷。三层网结构及电场分布如图1所示。

从图1中可以看出，当带正电荷的霾粒子想从室外进入室内时，带有正电荷的霾粒子会被最外层带有正电荷的网排斥，假如带有正电荷的霾粒子能通过第一层网，但是当它想继续进入室内时，会被中间带有负电荷的网吸附住，从而难以进入室内。当带有负电荷的霾粒子想从室外进入室内时，会被最外层带有正电荷的网所吸附，假如带有负电荷的粒子能通过最外层网，但是它会被中间的网所排斥，从而难以进入室内。不带电的霾粒子，会被三层网吸附，也难以从室外进入室内。本文防雾霾过滤窗规格参考参数如表1所示。

2.2防雾霾窗的控制电路设计

鉴于窗户网需要带有大量的电荷，因此我们需要有电路提供一定的正负电压。防雾霾窗的控制电路图如图2所示。该电路主要由高频振荡电路、三倍压整流电路和高压电网三部分组成。当按下电源开关SB时，由三极管VT和高频变压器TU构成的高频振荡器通电工作，把3 V直流电变成18 kHz左右的高频交流电，经TU升压到约600 V，再经二极管VD2～VD4、电容C1～C3的三倍压整流升高到2000 V左右，加到金属网上。HR为发光二极管，显示电路是否在正常工作。由于网和网的距离比较近，根据电场强度与电压大小成正比，与距离大小成反比的原理，网间会形成很大的电场强度，进而可以牢牢的将霾粒子控制在窗户网间。

2.3防雾霾窗保护措施

为了用户的使用安全和防雾霾窗自身保护，本文在防雾霾窗设计中采用两点保护措施：1） 由于网上加了高电压，为使人免受伤害，需要在窗户网上镀一层绝缘膜。该绝缘膜既隔绝了金属网与外界的接触，又避免了窗户在下雨天会发生短路的情况。同时绝缘膜不会影响网间的电场强度，所以可以给网加上千甚至上万伏的电压，也不会破坏窗户的工作原理。2） 在接正极网的电线安装电磁继电器，即使人为或是其他原因使得两网间短路或是漏电等问题时，电磁继电器会流过电流并自动跳闸断电，达到保护效果。

3 结束语

本文提出的雾霾除尘窗的本质是用电治霾。通过电离、吸附等原理将空气中的可吸入颗粒物和带电粒子进行一系列处理，防止这些有害物质进入室内，从而达到净化室内空气的效果。本产品的电路主要由高频振荡电路、三倍压整流电路和高压电网三部分组成，除尘过程无污染，不会产生二次污染物;考虑到安全性，纱窗渡有绝缘层，在雨雪等恶劣天气的情况下也可以正常使用。

参考文献：

[1] 王润清. 雾霾天气气象学定义及预防措施[J]. 现代农业科技， 2012（7）： 44-44.

[2] 李豇， 吴兴贺， 殷耀兵. 防雾霾技术专利分析与展望[C]//第十三届全国气溶胶会议. 2017.

[3] 青木. 德国制造神话遭质疑防雾霾窗纱被指夸大宣传[J].广西质量监督导报， 2016， 2）： 48-49.

[4] 金维民. 防雾霾纱窗： CN204040866U[P]. 2014.

[5] 司昌昊. 一种智能预警清灰防雾霾通风窗[J].中国科技信息， 2018（Z1）：68-69.

[6] 张伟， 刘波， 杨炳耀， 等. 静电除尘式防雾霾纱窗除尘试验及效率分析[J]. 西安工业大学学报， 2016， 36（6）： 456-460.

[7] 赵琴霞， 蒋春跃. 静电除尘技术的发展趋势及其对策[J]. 机电工程， 2002， 19（4）： 68-69.

[8] 谢广润.高压静电除尘[M] .北京：水利电力出版社，1993.

【通联编辑：梁书】