环保型电动吸尘黑板擦的研究

刘涵宇　杨风霞　汤蒙

摘 要：在日常教学中，粉笔灰严重的威胁到教师的健康，影响了投影仪、电脑等教学设备的运行和维护。人们对普通粉笔不断改进更新推出无尘粉笔，但仍不能有效解决问题。所以本项目就其困境，将思维转向对黑板擦的改良。在传统板擦的基础上，在其内部装入电机、小风扇等装置，增强板擦对粉笔灰的吸附力，并改良其毛层的结构与材料，起到更有效的作用，改良后该款板擦较已研发出的电动板擦更加轻巧便携，适用性更强。

关键词：负压吸尘;集尘室;电动黑板擦

在国外，由于小班教学及教育发展较成熟，教学上大多使用白板及油墨笔，这种白板没有粉笔灰的危害，但是成本较高;在国内，基于我国的发展及人口现状，教学上依旧普遍使用黑板和粉笔，并且这种现状在未来较长一段时间内无法改变。

对于教师，教师在教学过程中需要频繁接触粉笔书写板书，粉笔灰不可避免的会残留在他们的手上、头发上，以及衣服的袖口和肩膀等处，不仅难以清洗且对皮肤有刺激性危害。人体皮肤所生存的环境为弱酸性，而粉笔灰的碱性会使皮肤变得干燥、粗糙并产生瘙痒的感觉，引起人们的不适，严重的还会引发毛囊炎，导致大量脱发等症状。此外，那些不可避免被吸入呼吸道的粉笔灰能否导致肺部功能下降甚至患癌一直是广大教师关注的问题。上述情况已经严重影响了教师的正常生活。

对于教学设备，如今国家在教育方面投资逐年增加，很多高校已经配备了投影仪、电脑等电子教学设备，电子设备与黑板的距离不足一米，长期的使用令其缝隙中堆积了难以清除的粉笔灰，缩短了设备的正常使用年限，造成资源的浪费。

1 吸尘黑板擦材料选择

1）外壳：采用塑料作为外壳材料。塑料性能稳定，减磨耐磨性好，且密度小，质地轻。最主要的是塑料加工性能良好，熔融后的熔体很容易成型成各种所需要的形状，可通过相适应的模具制成满足要求的黑板擦外壳。

2）风扇：涡轮风扇。相较于传统扇叶风扇，涡轮风扇转速高，可以在最小的空间内输出更强的风力，单位时间内黑板擦内部排出的空气更多，产生的真空区域更大，即压力差更大，对粉笔灰的吸力就越强。不同功率的风扇产生的对粉笔灰的吸附效率不同，经过进行不断的实验优选，最终确定最佳风扇型号为……

3）电源：5号电池盒带线两节装，可提供3V稳定电压。

4）毛层：经过多次实验比较，电动吸尘黑板擦毛层采用羊毡毛层。羊毡毛柔软易变形，可适应不同角度细致的擦拭。且较传统黑板擦的化纤毛层，羊毡毛稠密程度适当，在擦拭时增大与黑板间的摩擦力，不易产生打滑现象。羊毡毛中可夹杂少许杂质毛絮和麻布，即降低成本又可增大摩擦力，起到更好的擦拭效果。

2 吸尘黑板擦原理研究

2.1 工作原理简介

真空负压吸尘黑板擦，是利用真空负压抽吸原理，将散落在讲台、设备及管道上的粉笔灰及其他细小灰尘收集起来，再进行转移处理的装置。

板擦毛毡层设有突出的接触按动开关，当板擦毛层接触黑板时，只需轻微的压力将开关按下且保持按住状态，内部电路便可接通，电动吸尘板擦即可启动并持续工作。

2.2 负压吸尘系统设备特性

1）原理简单，操作方便;依靠简单电路，通过一个小型涡轮风扇即可使黑板擦产生较强的负压吸尘能力。

2）运行安全;电动吸尘黑板擦电源采用的3V干电池足以使内部电路正常工作，电压低，且电元件均用绝缘材料与外部隔离，降低了安全风险。

2.3 粉尘逸散的控制的研究

市面已研发出的电动吸尘板擦对粉笔灰的吸力相差不大，故提高电动板擦的吸尘效率不在于吸收粉笔灰的多少，而在于增强对粉尘逸散的控制，这对集尘装置的要求非常高。集尘装置的设置须遵循以下基本原则：

1）集尘室的设置，要按防止粉尘逸散到周围环境空间的原则确定，集尘室的吸气宜尽可能利用含尘气流的运动作用。

2）集尘室不应设在气流含尘高的部位或粉笔灰飞溅区内。板擦体积较小，集尘室的空间更小，设在气流含尘高的位置很可能在集尘室内形成气流循环，反而对集尘效果造成极大的影响;设在粉笔灰飞溅区不易于收集粉笔灰，起不到良好的集尘作用。

3）集尘室需要有一定的空间，以缓冲气流减小正压。

4）集尘室应尽可能将尘源点包围起来，使粉笔灰的扩散限制在最小的范围，便于收集粉笔灰。

5）集尘室应力求结构简单，便于安装，可拆卸清理积攒的粉笔灰，且不影响吸尘系统的操作和维护管理。

2.4 吸尘效率最优的研究

吸尘系统设计中还须合理确定系统的设计风量，使整个吸尘系统的设计既经济又合理，在确保对粉尘逸散点的有效控制的前提下，不要肆意放大吸尘风量，否则会引起吸尘系统庞大，设计尺寸偏大，耗能加大，成本和运行费用增大，加大机组工作的负担。

1）风量最大的时候其吸尘风扇叶轮高速旋转，风向向前，吹出的空气比补进的空气多，因此风叶的后部产生负压，就是“真空”，负压将灰尘吸进机器，在集尘袋中过滤下来。风机叶轮的后部是吸入，前部是排出，效率最高。

2）当真空度大于最有值时，随着真空度的增加，其吸尘效率逐步降低。

由上述兩点可知道，计算吸尘器的吸力基本没有任何意义，最佳吸力是通过实验得出的一个结论，通常来说，这个最佳值在一个大气压到-0.03MPa（G） 之间，当压力进一步低的时候，其吸尘效率就会逐步大幅降低。

2.5 过滤装置的研究

过滤材料越细密就可以将空气过滤的越干净，但透气度就差，这样影响了涡轮风扇吸入的风量，降低了吸尘器的效率。因此做成波浪形以增加透气面积。任何过滤材料都有“寿命”，也就是长期使用后过滤材料的微孔已被小颗粒灰尘堵死，因此，一次性布制材料时比较理想的，卫生又方便。SMS三层复合过滤材料耐洗，但透气度稍低。

3 成果

根据设计要求和适用的场合，最后确定电动吸尘黑板擦的底部尺寸为13×7cm，高为4cm。上部外壳两端设计成符合使用者手掌曲线的圆弧状。在吸尘黑板擦上设计可方便清理的装置，并为了合理利用板擦内部空间，节约成本，则将涡轮风扇与隔尘布固定在一起，电池盒固定在毛层背面。

把开关安装在底面毛层中间，开关受力均匀，易于开关。

部件说明。按动开关：开关表层同样设置毛层，使吸尘黑板擦在运行时不影响擦拭效果。

电池盒：固定在底面毛层上，更换电池时可直接拆卸底层，操作简便。

隔尘布：隔尘布安装在使板擦内部空间可分为1：1的位置处，拦截过滤粉笔灰。

圆孔：用直径为8mm的细密圆孔作为排气出口，设计在吸尘板擦外壳两个圆弧面处，不影响使用手感。

4 问题讨论

对于目前的研究成果，还存在很多需要改进的方面。

1）在集尘方式方面：目前的集尘原理为负压吸尘，依靠过滤网布阻挡拦截吸入的粉笔灰，使其落入集尘室内。此方法虽然操作简单且成本低，但是长时间工作后过滤网布易堵塞，对涡轮风扇产生的负压吸力有阻碍作用，影响吸引粉笔灰的效率。因此提出对集尘方式的改良设想：更换电源，改用交替电流，在吸尘时涡轮风扇正常工作，产生较强的风速，将粉笔灰吸入板擦内。待粉笔灰吸进板擦后，涡轮风扇风扇的风速變小，使粉笔灰由于重力作用下降，落入集尘装置中。

2）在电路控制方面：我们设计在板擦底部装置接触按动开关，在使用时接触黑板轻压开关即可运行，擦拭结束时离开黑板黑板擦便停止工作。但是使开关接通于电路的最小压力没有进行具体研究，对于按动开关可能存在的滞塞等日常维护问题也未得到解决之法。电池盒处于板擦内部，更换电池需要拆卸底层毛层，若改换成可充电的蓄电池，即可解决电池更换的麻烦并提高了提供给电路的电压，可换用功率更大的涡轮风扇产生更大的负压，提高效率。

5 结语

电动吸尘黑板擦在传统板擦的基础上进行创新性改良优化，使其具有吸收并收集粉笔灰的功能，原理简单，操作方便，有效地解决了长期以来粉笔灰对教师健康的困扰，为孩子们提供了一个更加洁净舒适的学习环境。但就目前研究成果来看还存在许多需要改进的方面，仍需不断试验研究出实用性更强的电动吸尘黑板擦。远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，则会对我国教育事业以及环保事业具有积极的意义。

参考文献：

[1]高志春.负压吸尘与正压输灰一体机，2013.3.

[2]宋永刚.真空清扫机负压吸尘机理及系统设计方法初探.1992.5.