基于负压吸附和静电除尘的静音黑板擦设计

赵晨阳

（上海理工大学 能源与动力工程学院，上海 200093）

基于负压吸附和静电除尘的静音黑板擦设计

赵晨阳

（上海理工大学 能源与动力工程学院，上海 200093）

为了降低擦黑板时产生的粉尘污染，文章设计了一款除尘黑板擦。其工作原理是风机旋转形成负压，使粉尘经透气孔进入黑板擦。由于过滤网的过滤作用使灰尘留在集尘格，设置金属静电除尘以增强除尘效果。内设隔音棉，用于降低风机旋转产生的噪声。实验表明，除尘效率达到95.5%，有效减少了粉尘的飞扬。

负压吸附；静电除尘；静音；无尘

如果老师一节课用5只粉笔，一周上8节课，那么工作40年要用掉51 200支粉笔，重达193.894 4 kg。即便只吸1%的灰，也要吸掉约2 kg的粉笔灰。针对这一问题，本文介绍了一款除尘黑板。

1 工作原理

黑板的上下固定有水平滑轮导轨，上下导轨之间连接一个竖直导轨，板擦固定在竖直导轨上实现上下快速滑动，而竖直导轨又可以沿着水平导轨实现水平滑动，从而实现擦除整个黑板的功能。

整套装置的核心在于可拆卸的黑板擦，如图1—5所示，黑板擦包括离心风机1，静电除尘片2，透气孔3，上壳体4，过滤板5，下壳体6，开关7，毛刷8，止回阀9，放置可充电的锂离子电池的封闭盒10，充电插孔12，隔音材料，控制单元以及可充电的锂离子电池。黑板擦具有外壳，外壳包括上壳体4和下壳体6。上壳体4的侧面设置有充电插孔12和多个透气孔3。下壳体6套在上壳体4的外侧，开关7设置在下壳体6上。下壳体6四周是吸气孔，一端与上壳体4相连，另一端设置有集中气流的裙部和硬支撑刷毛。如图2所示，毛刷8固定设置在下壳体6上且位于下壳体6的外侧，用于擦拭板上的粉笔字迹。集尘格设置在下壳体6内，用于收集毛刷擦拭掉下粉尘，集尘格侧面设置有如图5所示的开口11，用于倒出粉尘。如图6所示的过滤板5设置在集尘格的下方，用于对粉尘进行过滤，过滤板5可与集尘格活动分离，便于清洗集尘格；过滤板5上设置有外形呈折叠形状的过滤材料，用于扩大接触的表面积。过滤材料为耗材，可更换，因此有利于节约成本。集尘箱设置在过滤板5的下方，用于收集过滤后的粉尘。集尘箱内设置有导流叶片和静电除尘片2，用于利用静电吸附粉尘，静电除尘片2可以用刷毛定期刷洗。集尘箱内壁及导流叶片的金属化表面，连接到控制电路中的高压发生器，当离心风机1工作时，整个集尘箱被充上电，使之成为能够吸附灰尘的过滤器。如图5所示，多个止回垫片9设置在下壳体6内，位于吸气孔边，用于在离心风机1关闭时封住吸气孔，防止粉尘落出。下壳体6套在上壳体4的一端上，兼做集尘箱的密封。离心风机1固定设置在上壳体4内且位于集尘箱的下方，用于提供吸引粉尘进入吸气孔的气流。可充电的锂离子电池设置在离心风机1一侧的封闭盒10中，用于向离心风机1提供电源。隔音材料设置在离心风机1的外壳上，实施例中，隔音材料采用隔音棉制成。控制单元包括与离心风机1相连的控制电路、高压发生器。

黑板擦操作过程：按下开关后启动离心风机1，擦黑板时，粉笔书写痕迹被毛刷8刷下，粉尘掉落后遇上从边缘吸入的气流，被气流带动，经过吸气孔和止回垫片9后进入集尘格，被过滤板5阻挡而留在集尘格内。气流中残余的粉尘进入集尘箱后，被导向槽内的静电除尘片2吸附，干净气流由风机抽出，从侧面透气孔3排出。

图1 黑板擦立体分解示意

图2 黑板擦剖面分解示意

图3 黑板擦离心风机

图4 黑板擦下壳体

图5 黑板擦上壳体

图6 黑板擦过滤板

2 黑板擦储尘容量测定实验

2.1 实验器材

实验器材包括板擦、粉笔（3～5支）、量尺、小漏斗、量筒、铁架台、电子天平、砂纸。

2.2 实验步骤

（1）用砂纸磨制3支粉笔，放在白纸上以备使用。

（2）选取100 mL左右的量筒，称量其净质量m0。

（3）将小漏斗、量筒安装在铁架台合适位置，调整水平。

（4）将粉尘缓慢倒入漏斗中。

（5）待漏斗中粉尘全部流出后，用刮片和毛刷将量筒上粉尘全部刮下去。

（6）将量筒中粉尘抖平，读出其体积v1。

（7）将量筒与粉尘放在电子天平上，称量其质量m1。

（8）测量板擦除尘槽尺寸，计算其体积V2。

（9）计算堆积密度ρ=（m1-m0）/v1，黑板擦可吸收的粉笔灰质量M=ρv2。

单只粉笔质量为m粉，换算成粉笔支数N=M/m粉。

2.3 实验数据记录与处理

量筒净重m0=18.314 g，量筒与粉笔灰总重m1=22.497 g。

粉尘的体积V1=7.40 mL

密度ρ=（22.497-18.314）/7.40=0.56 g/mL，经测量储尘槽的体积为180 000 mm3。

M=ρ×V2=0.56×180 000×10-3=100.8 g。

经测量单只粉笔的质量为3.787 g，储尘槽可储存的粉笔数N=M/m粉=26.617（支）。

3 吸收率测定实验及过滤膜性能验证试验

3.1 实验器材

实验器材包括可拆卸黑板擦、储尘盒、塑料袋、胶带、天平、粉笔、黑板、

3.2 实验原理

称量单支粉笔的质量，用该支粉笔在黑板上写字直至全部用完（注意，使用黑板书写的过程有部分粉笔灰掉落，用储尘盒接住）。用塑料袋套上黑板擦的后盖，用该黑板擦擦黑板。擦黑板过程中，粉笔灰有3个去处：（1）被黑板擦吸收至内部吸尘槽内；（2）未被吸收的粉笔灰漂浮进入空气中；C（3）少部分粉尘穿过板擦内过滤膜由通风孔进入塑料袋内，实验前后分别称量板擦，塑料袋及储尘盒的质量，通过计算可以得到黑板擦对粉笔灰的吸收率。此外可以计算出透过过滤膜的粉尘质量，以检验过滤膜的性能。

3.3 实验步骤

（1）称量单只粉笔、板擦、塑料袋、储尘盒的质量，分别记为：m粉，m10，m20，m30。

（2）将该支粉笔写粉笔字直至用完，同时黑板下放置一储尘盒来吸收掉落的粉尘。

（3）将塑料袋套在后盖通风口处（塑料袋足够大），用胶带将交接处密封好。同时将储尘盒从黑板处移开。

（4）打开黑板擦开关，将所有的字擦干净。

（5）分别称量黑板擦，吸尘塑料袋，储尘盒的质量，记为m11，m21，m31。

（6）计算吸尘率及过滤膜透过率。

根据类似吸尘产品的经验表明，若透过率η透≤6%，则认为过滤膜过滤性能良好。

实验重复进行3次，计算平均值。

3.4 实验数据（已计算为平均值）

单只粉笔质量m粉=3.787g；黑板擦质量m10=380.01g，m11=383.42g；吸尘塑料袋质量m20=10.125g，m21=10.287g；储尘盒质量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%。经过实验测得黑板擦吸收率可达95.5%，且过滤膜性能良好。

4 结语

除尘黑板总体结构合理，结构紧凑，材料轻便，轻巧耐用，易于加工，安全可靠。黑板轨道、锂离子电池、开关、风机、导流叶片、导线、垫片等元件均为标准件，成本低廉，易实现大规模生产，具有很强的可推广性。

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

赵晨阳（1996— ），女，河北唐山，本科。