除塵黑板擦的設計與應用

太原工業學院 閆乙偉 李淑青 左赟 楊鎮丞 石紀賢 朱瑞 文雅

大多數學校教學中仍使用粉筆書寫。因其具有廉價易使用的特點，除教學之外，亦有用到粉筆黑板之處，但其粉塵大、難清潔、有擦痕的缺點仍未改變。據統計，教師職業病呈逐年上升的趨勢，職業病呈現多樣化方向發展，其中粉塵引起的塵肺以及各種急慢性呼吸道疾病是目前職業病中最主要、危害最嚴重的一種，其中男性教師慢性患病率58.53%；女性教師慢性患病率61.06%[1]。為響應國家綠色環保低碳計劃，最大可能減少環境的污染，我們設計了水溶性除塵黑板擦，它能解決粉塵對身體造成傷害的問題，并能延長黑板的使用壽命。

近年來，已有不少文獻、專利涉及無塵黑板擦，但各具特點。文獻[2]中可得到：其產品若運用于實際，只能夠實現板擦左右水平移動，并不能上下移動；以擦洗黑板為目的的產品，效果并不理想。文獻[4]雖用到清潔能源，但充滿電后使用時長過短，并不實際。文獻[5]中的產品空間利用率過低，要實現對黑板擦持續充電，那便意味著要一直連接到太陽能集光板，操作過于煩瑣。

與前人黑板擦的設計相比，本黑板擦的優點：極大地降低了粉塵飛揚的可能性，減少對使用者的傷害；對黑板有更好的清潔作用，易于使用，空間利用率高，更具有實際應用性。以下主要從模型介紹、模型各部分的設計原理和結論三個部分論述除塵黑筆擦的設計與應用。

1 除塵黑板擦的模型介紹

除塵粉筆擦的結構如圖1 所示，它的形狀是一個長方體，長×寬×高為15cm×7cm×4cm，體積小，便于攜帶，方便使用。圖中，1 是儲水口，方便儲存水。2 是橡膠管，起到了運輸水的作用，使水分通過橡膠管到達3 噴水口。4 是海綿粘板，用于固定海綿。5 和6 分別為小風口和大風口，小風口主要是為了做最后的處理，烘干最后的水分；大風口則主要是提供快速的干燥海綿的通道。7 是蓄電池（工作電壓為3.7v，電容量140mAh/g），為風扇提供動力。8 是風機，提供風力，主要作用是烘干海綿和使濕的黑板快速干燥，風扇的額定電壓為12V，額定電流為0.1A，功率為20W，轉速為2200±10%RPM，噪聲為18DB，風量為22.17—32.97CFM。9 是儲水擋板，防止水流入電機工作區，影響機器的使用。10 是開關，控制機器的電路。11 是儲水池，它的作用主要是為水的儲存提供空間。海綿主要采用的是EVA 泡棉與三聚氰胺海綿，其中EVA 泡棉的密度為10～65（g/cm3），三聚氰胺海綿的密度為4000～12000（g/cm3）。EVA 泡棉的長×寬×高為7cm×7cm×0.5cm，三聚氰胺海綿的長×寬×高分別為6cm×7cm×0.5cm，不同類型的海綿起到不同方式的除塵的作用。

圖1 除塵粉筆模型

該設計具有以下優點。

（1）使用傳統的黑板擦對黑板進行擦拭，部分粉筆細末仍會附著于黑板表面，難以脫落，我們設計的黑板擦通過水溶解除去細末，解決了傳統黑板擦影響再次書寫的問題。

（2）新型黑板擦采用濕處理，干處理，風干處理，不僅讓黑板更加干凈，還極大地提高了擦黑板的效率，并延長了黑板的使用壽命。

（3）通過水溶式將粉塵除去，解決了擦拭過程中粉筆灰四處飛揚的問題，更加環保健康。

（4）海綿可以再次粘貼使用，節約了資源，低碳環保。電池可以充電循環使用，更節約減排。

2 模型設計原理

2.1 外觀設計

傳統黑板擦多以木頭為主體，在擦拭黑板時普遍出現板擦硌手、抓握不牢，及木刺扎手的現象。據統計，普通人的手掌寬度多在8～9cm，長度在15～18cm，新型板擦寬度設計在7cm，長度設計在15cm，高度設計在5cm 可以適合絕大多數人的抓握，根據人體力學在板擦的抓握處設計有9 顆/cm2，r=0.5mm 的半球狀凸起，來增加板擦與手之間的摩檫力，從而降低了擠壓噴水時的力度，同時避免了抓握不牢的問題。另外，板擦主體采用PVC 材質，避免了長時間使用后的老化現象，外觀整體為白色長方體，棱角處采用光滑處理，避免了長時間使用硌手的問題。該除塵板擦注水之前的質量約為175g，注水之后為325g，大小和重量在手掌中有很好的填充感，達到了良好的舒適度.

2.2 擦拭部分設計

抹布板擦和毛氈板擦是小學以及初高中常見的黑板清潔工具，抹布板擦不會揚起粉塵，但缺點是需要等待黑板由濕變干，時間被浪費。毛氈板擦則容易使粉塵四處飛散，不利于健康。所以我們需要一種吸水能力強、易干還容易清理黑板的材料。人們常用的海綿由木纖維或發泡塑料聚合物制成，具有良好的吸水性，清潔能力強，質量輕，海綿平常都能呈一定的形狀，稍加壓力就變形，但是變形之后解除壓力能很快恢復原狀，正好符合要求，它可以在擦完黑板的同時把水再吸走。在干海綿的側表面貼附塑料薄膜，隔絕干海綿與濕海綿，阻止水分滲透。同時，也降低了風機和擦拭黑板過程中產生的噪聲。

2.3 出水口設計

出水口的高度低于海綿兩毫米，將黑板擦按到黑板上，按壓黑板擦，當海綿形變時，會擠壓出水口，同時會推動小腔的活塞向里壓縮，由于水會壓死單向閥，不能通過單向閥進入大腔，最終水只能從出水口里被擠出來。我們在大腔前方的上部設有小孔，使得大腔內部的氣壓與大氣壓一樣，當松開手柄，彈簧會把活塞推回原來的位置，小腔內產生真空，使腔內外形成氣壓差，氣壓把大腔中的水通過單向閥壓入小腔，小腔內再次充滿水，之后再重復之前的操作，周而復始。由伯努利原理，流體會自動從高壓流向低壓，當內部大氣壓大于外部大氣壓時，水會自動從管中流出，在通過管口時，低速流動的水流向高速流動的空氣，水被高速空氣撕成一小滴一小滴，這便形成了水霧，均勻地濕潤了海綿。按壓力度決定了出水量。

2.4 電機倉設計

電機倉的大小為6cm×7cm×5cm，電機倉內包含：蓄電池組、低功率風扇、Micro USB 接口即電池充電口。蓄電池組采用兩節鎳鉻電池，工作電壓為3.7v，電容量140mAh/g，鎳鎘電池多用于充電寶的電芯，可以儲存較多電量，充滿電后可供風扇工作三日。風扇則采用大小為5cm×5cm×1cm，規格為：額定電壓為12V，額定電流為0.1A，功率為20W，轉速為2200±10%RPM，噪聲為18DB，風量為22.17～32.97CFM的電腦散熱風扇，該風扇多用于電腦CPU 散熱，其風力烘干效果極佳。充電口采用市面上普遍的Micro USB 接口即Android 充電口。電池充電口采用高通Quick Charge 2.0 快充技術，配套相應的充電線和電源適配器。可以達到原需3 個小時充滿的電，只需1 個小時即可充滿。電機倉底側和后側分別設有不同大小柵欄狀通風口，既為烘干海綿提供了條件，也為電池組的散熱提供了條件。

3 結論

該款除塵黑板擦基本上可以實現預期的功能，達到無塵擦拭和清理黑板的目的，操作簡單，且不影響環境。黑板被清理后可以立即再次書寫，非常方便。蓄電池可以充電再次使用，非常環保，此產品具有廣闊的發展前景。