多功能可拆卸式霧化器設計及應用

鄭駱榮，夏慶國

（湖北文理學院理工學院，湖北 襄陽 441025）

隨著人們對居家環境衛生的重視，家庭消毒工具成為生活中不可或缺的工具。由于傳統的噴霧類消毒工具不太適用于衣物等紡織品的消毒需求，這就需要把液體細化成微粒才能更好地進行消毒處理。為了達到這一目的，所以對霧化器的內部結構及供電原理進行全新的布局和改進。使其區別于目前市面上常見的霧化器，目前工業上的霧化器，不僅體積大不方便攜帶，而且功率過高不適用于家庭這種小環境。市面上的小型霧化器出霧量太小，且功能單一，無法滿足實際使用需求。因此，本設計在保留原有的霧化器部分功能的同時為其增加了更多的功能，改變了其原有功能單一的問題，使其成為一款具有藍牙燈光音箱功能的小型便攜式霧化器。

1 原理分析

國內外對霧化器領域的研究較少，當今市面上的霧化器在家居等多個方面展現的效果不太理想，其中一點是體積上有所欠缺。超聲霧化器采用12 個超聲霧化片，將水分子打散成小分子水滴，改善傳統霧化器產生的霧化顆粒大、霧化快等問題。其可避免患有呼吸道疾病的患者吸入過多的小水滴。一般來說，這些小水滴會附著到呼吸道上，由于呼吸道內部堵塞支氣管的多種分泌物在吸收水分后會膨脹，增加了呼吸道的負擔，從而會導致患者出現缺氧、休克等問題。經過研究，該款霧化器實現了產品的理想化升級。

2 研究方向及內容

2.1 研究方向

基于時代的發展，人工智能已經走進大眾視野，人們追求極致的功能效應及極佳的用戶感受。經濟的飛速發展，科技的不斷提升，改善了當今的社會。順應時代發展，通過改善外觀、形狀、大小、功耗和效益等提升霧化器的品質，其在智能化方面也增設了新功能，并且在未來會陸續提升霧化器的系統，開放獨立APP，采用藍牙、WIFI 功能，通過手機就可對其進行操控，做到觸碰在指尖，萬物皆互聯。

2.2 研究內容

在傳統便攜式霧化器的基礎上，衍生出具備更多功能的便攜式霧化器。本研究在不破壞原有霧化功能的基礎上進行家用霧化器和醫用霧化器功能的結合，對霧化器的結構進行進一步的簡化和升級，使其在原有的霧化功率上提升約12%。

其次在霧化器的使用壽命方面也做了相應的改良，傳統霧化器在使用時會產生1.45 MHz 以上的電流，將霧化小水滴從霧化片部分吹入霧化器內時，小水滴附著在內表壁。由于水和空氣易發生反應會造成金屬部件生銹損壞，因此降低霧化片排風扇等電器元件的性能，從而縮短了霧化器的使用壽命。另外，在傳統霧化器基礎上，對超聲霧化片采用了環形均布的空間設計，以防止小水滴隨氣體反流，對內部電子元器件起到了一定的保護作用。

為保證充滿電后的霧化器使用時長，本設計對其電池進行了改裝，使電池效能在保證霧化功能正常的情況下，對其附帶的藍牙音箱及燈光提供能量，在設計中4 次針對續航效能進行了改善提升，由最初的最長續航41 h，提升到56 h。

更重要的是，未來霧化器在保證其便攜的優點下，計劃對各項功能進行可拆卸處理，使用者在不需要使用某一項功能時，可將其拆卸下來，以此換取更長的使用時間及更方便的攜帶。

3 內部介紹

主動排氣閥：排氣閥的構件采用的是高密度纖維復合材料，此材料即使長時間在化學藥劑的浸泡下也不會產生變形或者材料分解及腐爛變質。機械杠桿的密封端面部分采用小球彈簧支撐，可以隨機械杠桿的伸縮運動相應調節主動排氣閥，在不排氣的情況下能夠保證裝置的氣密性良好，并且主動排氣閥的尺寸是經過精確計算建模設計得出的，使其易于安裝和拆卸。

超聲波霧化片：超聲波霧化器利用超聲波高頻震蕩，同時高纖維霧化片的反射諧振，將液態水分子物理結構打散，產生自然漂浮的小水滴，再通過雙風扇把小水滴從底部吹向上部出霧口，其可使空氣濕度增大，在凈化空氣的同時，提升空間濕度，營造舒適安逸的環境。核心架構如圖1 所示。

圖1 核心架構圖

電子振動氣溶膠發生器：由一個用于控制霧滴大小的精密錐型孔的半球形金屬板和一個可進行細微抽吸振動以對藥劑進行霧化的振動單元組成。在重力的作用下，藥劑接觸到氣溶膠發生器，將這些液體抽吸并穿過金屬板孔，轉化成氣溶膠。

4 外觀特色

（1）本產品簡潔小巧，在家可智能化使用，外出時方便攜帶。外觀展示，如圖2 所示。

圖2 外觀展示圖

（2）充分利用消毒液體或藥劑，可將凝結液輸送回儲水器。

（3）功能多元化，可以充當藍牙燈箱，一機多用。

5 霧化器的清理

每次使用完都要徹底地清潔，主要是對消毒管口和口含嘴進行清潔，外部只要擦拭干凈即可。醫院里是用含氯的制劑泡的消毒液進行消毒，消毒液的比例是1∶50，也就是1 mL 的藥液加50 mL 的水浸泡半小時后撈出來沖洗干凈，晾干即可。

6 動力系統及控制模塊

6.1 電池設計

6.1.1 電芯

儀器使用的是索尼電池，4 顆12 V 的可充電電池。通過計算，系統采用900 mAh 的雙體鎳氫電芯進行組合，電池充滿電后總電壓為13.5 V，但是由于任何電池都存在能效降低的現象，所以放電工作平衡在12 V，在100 mA 的工作電流下可以保證5 h 以上的工作時間。此電池能夠為霧化器提供所需要的電量，但考慮到功能的升級以及增加，改良后的霧化器選擇使用900 mAh 的雙體鎳氫電芯，該電池在儲存期自動放電較小，即使1 a不充電也能保持其電壓和容量不改變，更不會出現充不進去電或充滿電后電很快流失殆盡的情況。

6.1.2 電池保護元件

為保證霧化器在充放電過程中的可靠性和安全性，不會發生由于電池過熱，提前造成霧化器報廢等情況，所以為該電池設計了雙重的電池保護功能。

過流保護片（PTC）：這個元器件主要是針對電流過大，保護功能設計。PTC 可恢復保險絲具有過流保護，自動復原的雙重功能。霧化器里的PTC 可以防止電池不正常工作和不安全的大電流的發生。

NTC 溫控電阻：通過與霧化器主機電池相連的一個NTC 元件來偵測電池的溫度情況，當電池表面溫度達到70℃時即停止對電池的充電和放電，防止電池過熱，造成安全風險。

6.2 控制系統及散熱

該設計采用雙螺旋槳設計，由于12 個超聲霧化器工作效能偏大需要較大散熱能力，據此選擇中等V 值電機搭配小槳葉以提供足夠推力。經過多次測算，選擇的電機（空載電流）搭配5 寸5 扇葉螺旋槳葉，電池為組合電池。涉及到的相關計算為：

電機功率為

由電機功率轉速所得，所選電機理想空轉轉速為：

考慮到安裝扇葉后空氣阻力會變大，損失約動能的25%，估算工作時轉速。在功率一定的情況下，可通過增加扇葉的數量去增大螺旋槳的機械功率。通過雙螺旋扇葉的旋轉，能夠持續工作，沒有任何安全問題。

6.3 超聲霧化片功率驅動

該設計由12 個超聲霧化片環繞機芯構成，上下分布排列2 個水箱，通過上下壓強不平衡，產生出水管和入水管壓強差，從而實現上下水箱的平衡。

超聲霧化片將機芯中的水震蕩成小水滴，由底部雙螺旋扇葉吹向上方出口，位于上方出口的管壁環繞有小孔，避免小水滴在管壁懸掛，形成大水滴，再由風口吹出，影響體驗者的感受。

7 材料分析

霧化器外部材料主要采用磨砂塑料材料，其原因是該材料觸覺較好，防腐性強，可加工性強，形態可以多樣化，同時在成本上可進行節約。由于上下水箱的位置因素，下部水箱靠近電機，電機發熱較大，考慮特殊情況，如風扇會突然停止工作，或者長時間使用后，風扇的性能下降，熱量堆積，形成局部較高的溫度，導致塑料中的一些有害成分受高溫分解，會對人體造成傷害，所以下水箱采用了聚丙烯塑料（PP）材質,無須擔心塑料的有害成分分解，對人體造成傷害。

8 色彩分析

在色彩的運用上，這款超聲霧化器的配色主體用灰白色，輔以乳白色進行搭配，在視覺上給人一種清新簡約的感受。灰白色較白色耐臟，搭配乳白色，超聲霧化器煥然一新，十分美觀。再者，灰白色可以增添色彩的搭配，無論房間裝飾、汽車內飾，灰白色不會產生違和感。乳白色則具有安靜、舒適的視覺感受。乳白色和灰白色結合會給人帶來一種簡約的舒適感，具有很高的視覺感受。

9 布局運行分析

霧化器整體為兩部分，即攜帶主體與燈箱主體，攜帶主體為核心，包含的超聲霧化片與散熱系統及控制模塊，在空間布局上完全合理，核心主體占據空間為，高25 cm，半徑6 cm。燈箱主體由上下兩個擴充性散熱環形，中間部分為燈箱喇叭和渲染燈組成，燈座高18 cm，正六邊形布局，邊長為8 cm。考慮系統兩種狀態運行方式，充電運行和待充電運行，充電狀態下考慮溫度升高，電池會產生可復原性擴張，在燈箱及主體之間預留大于0.5 cm 的距離，在超聲霧化器的調試過程中，持續工作16 h，采用紅外溫度槍測試外表面溫度為30℃，內部溫度為42℃，理論上參考鎳氫電池安全工作范圍：

鎳氫電池溫度之標準充電: 0℃～+70℃。

鎳氫電池溫度之涓流充電: 0℃～+70℃。

鎳氫電池溫度之標準放電: -20℃～+70℃。

在常溫蓄電工作下，溫度并沒有超出鎳氫電池的溫度范圍，所以霧化器的持續工作是可行的。

10 結束語

此款霧化器與傳統的霧化器相比，在外觀和功能上都有顯著性的提升且小巧方便攜帶。同時，還具有藍牙與WIFI 信號接收功能，不僅僅具備了霧化器本身的功能，還擁有休閑娛樂的屬性。本設計遵循“效率至上，體驗至上”的原則，設計出便攜式可拆卸霧化器，符合新時代科技發展進步的趨勢。