如果您對(duì)本文內(nèi)容感興趣請(qǐng)聯(lián)系作者鄧展威dengzw168@163.com

1 引言

室內(nèi)空氣質(zhì)量對(duì)人體健康影響的問題日趨嚴(yán)重，倍受人們關(guān)注，目前市場(chǎng)上室內(nèi)空氣凈化技術(shù)涉及介質(zhì)過濾、吸附、化學(xué)催化、光催化、高電壓（低溫等離子、負(fù)離子、臭氧、靜電）等多學(xué)科技術(shù)，其中高電壓的產(chǎn)品前期以ESP靜電除塵為主。隨著技術(shù)的發(fā)展，目前衍生于靜電除塵的電介質(zhì)強(qiáng)電場(chǎng)的IFD除塵技術(shù)在產(chǎn)品應(yīng)用上具有較多的優(yōu)點(diǎn)，使其在市場(chǎng)上逐漸普及，特別是在空氣凈化器、空調(diào)器等產(chǎn)品。IFD集塵模塊在空氣凈化器的設(shè)計(jì)上仍有較多的技術(shù)因素需合理匹配，從而達(dá)到最佳的性能指標(biāo)，故本文針對(duì)搭載IFD集塵模塊的空氣凈化器關(guān)鍵性能指標(biāo)影響因素進(jìn)行研究。

2 IFD技術(shù)工作原理及應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

IFD英文全稱Intense Field Dielectric——是指利用電介質(zhì)材料為載體的強(qiáng)電場(chǎng)，電介質(zhì)材料形成蜂窩狀中空微通道，電介質(zhì)包裹導(dǎo)電油墨材料的電極片，在其通道內(nèi)形成強(qiáng)烈的電場(chǎng)。空氣流入“蜂窩”后，預(yù)充電的塵埃微粒在極強(qiáng)電場(chǎng)力的作用下被吸附在中空腔體的內(nèi)表面，結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。同時(shí)可將附著在顆粒物上的細(xì)菌、微生物等收集并在強(qiáng)電場(chǎng)中殺滅，因此IFD在高效去除PM2.5的同時(shí)還具有高效的除菌功效。

IFD集塵技術(shù)的基礎(chǔ)原理衍生于ESP靜電集塵，但是由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)使其相對(duì)于ESP靜電集塵在多方面具有優(yōu)勢(shì)，差異特點(diǎn)主要表現(xiàn)在如下幾方面：

（1）有效集塵面積大：采用電介質(zhì)材料形成的蜂窩狀中空微孔通道，有效的集塵面積遠(yuǎn)比ESP靜電集塵更大，從而集塵容量將更大。常見家用靜電集塵式空氣凈化器其集塵板極間距在6～16mm，ESP的極間距越小，其電場(chǎng)強(qiáng)度雖然更大但更不穩(wěn)定容易造成擊穿、打火等現(xiàn)象，而IFD的極間距一般在1.5～2.5mm范圍，所以相同主體尺寸下，IFD集塵面積是ESP靜電集塵的3～8倍。

（2）應(yīng)用安全、可靠：IFD采用高絕緣的電介質(zhì)包括由油墨形成的電極片，即使微通道沾染灰塵不會(huì)造成極間距減小而導(dǎo)致的電氣擊穿、打火現(xiàn)象。同時(shí)，電極片被電介質(zhì)絕緣材料完全包裹，且IFD模塊極間電流小于2mA，放電量不超過45μC，滿足國(guó)標(biāo)防觸電要求，使人觸摸不會(huì)被電擊。

（3）強(qiáng)集塵電場(chǎng)：因?yàn)橛辛穗姌O片的保護(hù)，實(shí)現(xiàn)極間距可以縮小，施加相同的電壓下其電場(chǎng)強(qiáng)度明顯較大，對(duì)空氣中運(yùn)動(dòng)的帶電微粒將施加更為巨大的吸引力，特別是對(duì)微小的顆粒物集塵效果更為明顯。

3 IFD集塵基本理論及公式分析

為了便于對(duì)IFD模塊的集塵性能影響分析，首先通過基礎(chǔ)理論對(duì)各物理參數(shù)進(jìn)行說明。對(duì)IFD模塊內(nèi)通過微通道的顆粒物的運(yùn)動(dòng)和捕獲過程進(jìn)行理論分析，依賴氣流運(yùn)動(dòng)模型描述的粒子運(yùn)動(dòng)見圖2。

根據(jù)經(jīng)典力學(xué)和電學(xué)定律可知，荷電后的塵粒在電場(chǎng)內(nèi)受到靜電力的作用將向集塵極運(yùn)動(dòng)，荷電顆粒物收到的靜電力：

Ej——集塵極周圍電場(chǎng)強(qiáng)度；

q——塵粒的預(yù)荷電量。

靜電力越大，IFD集塵模塊吸附顆粒物的能力就越大，從而反映到實(shí)際整機(jī)的除塵效率。通過公式1可知，影響到靜電力的關(guān)鍵參數(shù)是顆粒物的荷電量和集塵板的電場(chǎng)強(qiáng)度，下面進(jìn)一步對(duì)影響這兩個(gè)指標(biāo)的參數(shù)進(jìn)行分解。

因?yàn)镮FD集塵模塊高壓和接地極為平行電極，所以其電場(chǎng)強(qiáng)度可看做：

式中，E0——平均場(chǎng)強(qiáng)；

U——高壓板和接地電壓；

H——兩極板間距。

因此，選擇IFD集塵模塊合適的極間電壓和極間距，那么可以提高集塵性能。

一般空氣凈化器和空調(diào)中的荷電方式采用負(fù)離子進(jìn)行擴(kuò)散荷電，負(fù)離子通過放電針電暈放電產(chǎn)生。在飽和狀態(tài)下塵粒的荷電量按公式3計(jì)算：

式中：ε0——真空介電常數(shù)；

dc——粒徑；

Ef——放電極周圍的電場(chǎng)強(qiáng)度；

εp——塵粒的相對(duì)介電常數(shù)。

從公式3可以看出，影響塵粒荷電的主要因素是電場(chǎng)強(qiáng)度、塵粒直徑dc，所以在設(shè)計(jì)驗(yàn)證中調(diào)節(jié)其電場(chǎng)強(qiáng)度即可提高塵粒的荷電效率。進(jìn)一步的荷電電場(chǎng)強(qiáng)度依賴于荷電電極的電壓，參考公式2。

4 影響空氣凈化器潔凈空氣量的幾個(gè)關(guān)鍵因素分析

根據(jù)上述理論分析，從微觀上看，粒子運(yùn)動(dòng)模型上可明確IFD模塊、荷電模塊的極電壓、極間距將影響到顆粒物的被吸附能力。從宏觀上看，考慮空氣凈化器是一個(gè)室內(nèi)氣流循環(huán)過濾的凈化過程，循環(huán)風(fēng)量、負(fù)離子密度、模塊體積尺寸等都將影響到整體空氣凈化器的凈化性能。

空氣凈化器的關(guān)鍵性能指標(biāo)是潔凈空氣量CADR，潔凈空氣量表征空氣凈化器能力的參數(shù)，用單位時(shí)間提供潔凈空氣的量值表示。為進(jìn)一步了解到理論分析中各設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)除塵性能的影響趨勢(shì)以及影響程度，通過實(shí)際產(chǎn)品開發(fā)的空氣凈化器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和研究。

圖1 IFD凈化模塊過濾器除塵原理

圖2 顆粒物運(yùn)動(dòng)模型示意圖

圖3 不同循環(huán)風(fēng)量對(duì)潔凈空氣量影響的測(cè)試結(jié)果

圖4 不同IFD極間距和網(wǎng)孔長(zhǎng)度對(duì)潔凈空氣量影響的測(cè)試結(jié)果

圖5 集塵模塊和荷電模塊不同工作電壓對(duì)潔凈空氣量影響的測(cè)試結(jié)果

圖6 整機(jī)外殼靜電積累排斥負(fù)電荷顆粒的示意圖

4.1 循環(huán)風(fēng)量的影響

循環(huán)風(fēng)量的增加使空氣凈化器能夠過濾更多的污染空氣，間接提高整機(jī)除PM2.5凈化效率。實(shí)際測(cè)試中通過調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速?gòu)亩淖兛諝鈨艋鞯难h(huán)風(fēng)量，經(jīng)測(cè)試基本上風(fēng)量越大其潔凈空氣量程增大趨勢(shì)，測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

通過測(cè)試統(tǒng)計(jì)，一般空氣凈化器采用IFD集塵模塊其潔凈空氣量可以達(dá)到循環(huán)風(fēng)量的82%～95%，但增加循環(huán)風(fēng)量的同時(shí)帶來整機(jī)噪音值的增加，設(shè)計(jì)時(shí)需兼顧考慮。

4.2 IFD模塊的網(wǎng)孔極間距及長(zhǎng)度

如公式2所示，當(dāng)集塵模塊極間距減小后，電場(chǎng)密度增強(qiáng)，且?guī)щ婎w粒物運(yùn)動(dòng)至IFD微孔內(nèi)表面路徑減小，從而提高吸附顆粒物能力。同時(shí)，IFD模塊的微通道網(wǎng)孔長(zhǎng)度也對(duì)塵埃顆粒物具有明顯影響，如果網(wǎng)孔長(zhǎng)度較短，則以固定的循環(huán)氣流速度通過微孔通道，可能帶電顆粒物不能達(dá)到集塵板或牢固附著于集塵板中。通過圖4可知，由于場(chǎng)強(qiáng)的變化，極間距越小其凈化性能指標(biāo)潔凈空氣量越大。微孔通道越長(zhǎng)其潔凈空氣量整體趨勢(shì)越大，但是微孔通道達(dá)到一定長(zhǎng)度后，其潔凈空氣量將趨于穩(wěn)定。

4.3 集塵模塊、荷電模塊工作電壓

在高壓電場(chǎng)下尖頭針電離空氣產(chǎn)生電子e-，電子與粉塵顆粒物碰撞從而荷電，釋放電子e-的量大小影響著凈化器集塵效率。而影響荷電模塊電子e-釋放的影響主要由電壓大小、極間距、放電針材料等。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證不同電壓下，集塵電壓上升至8000V左右時(shí)，其潔凈空氣量達(dá)到最高，此后再提高電壓，集塵效率未有明顯提高。荷電電壓在電暈電壓范圍內(nèi)呈現(xiàn)此趨勢(shì)，如果荷電電壓過大至電弧放電，無法釋放有效的負(fù)離子導(dǎo)致潔凈空氣量低，同時(shí)需注意荷電電壓過大極容易產(chǎn)生過量的臭氧，臭氧對(duì)人體有嚴(yán)重的危害。

4.4 荷電模塊安裝位置影響

荷電模塊安裝位置越靠近出風(fēng)口，越有利于負(fù)離子從整機(jī)風(fēng)道中完全釋放出來，否則安裝位置在風(fēng)道內(nèi)部越遠(yuǎn)離出風(fēng)口則負(fù)離子越容易被周圍的注塑件吸附而形成帶負(fù)離子的靜電場(chǎng)，最終阻擋了負(fù)離子的釋放，從而影響潔凈空氣量測(cè)試結(jié)果，見表1。荷電模塊安裝位置的合理性，可以使用離子測(cè)試儀，通過測(cè)試距離出風(fēng)口負(fù)離子濃度是否持續(xù)穩(wěn)定在某個(gè)設(shè)定值即可。負(fù)離子經(jīng)風(fēng)口吹出后很容易消失，通過實(shí)驗(yàn)室研究測(cè)試建議負(fù)離子出風(fēng)口濃度大于800萬pcs/cm3（負(fù)離子釋放量測(cè)試距離出風(fēng)口100mm位置的離子量濃度）。

4.5 整機(jī)外殼的靜電屏蔽導(dǎo)致回風(fēng)集塵失效

研究發(fā)現(xiàn)在荷電模塊和IFD集塵模塊的高壓電極的負(fù)高壓電場(chǎng)作用下，周圍的注塑件高分子材料具有靜電傳導(dǎo)（通過導(dǎo)電觸點(diǎn)傳導(dǎo)至塑料件）、感應(yīng)靜電（塑料件在高壓電場(chǎng)下產(chǎn)生感應(yīng)電荷）、靜電吸附（外殼吸附空氣中的負(fù)電荷）作用，使整機(jī)外殼均帶上較強(qiáng)的靜電荷。我們實(shí)測(cè)未經(jīng)卸荷處理的外殼表面靜電變化如表2所示。

由于一般空氣凈化器沒有接地途徑去泄漏其表面積累的靜電，外殼的電荷密度逐漸增大，使得整個(gè)外殼都處于荷電狀態(tài)，外殼整體各處?kù)o電電勢(shì)較大。這樣，循環(huán)氣流中已荷電顆粒物由于同性排斥作用難以趨近外殼和IFD集塵模塊。簡(jiǎn)而言之，持續(xù)運(yùn)行時(shí)會(huì)使外殼整體累積負(fù)電荷至穩(wěn)定，最終會(huì)阻止氣流中帶負(fù)電顆粒進(jìn)入IFD集塵模塊，間接導(dǎo)致集塵電極吸附灰塵的能力下降，影響整機(jī)除塵效率，如圖6所示。

持續(xù)運(yùn)行造成凈化效率衰減較為關(guān)鍵的原因是整機(jī)外殼靜電積累，故需從靜電的卸荷和減少靜電的累積方面進(jìn)行優(yōu)化。針對(duì)于帶接地的空氣凈化器，可通過外殼接地進(jìn)行卸荷，外殼材料推薦采用具有導(dǎo)電性能的材料，比如增加抗靜電劑。針對(duì)于不帶接地的空氣凈化器，其整機(jī)外殼以及與高壓電極接觸的結(jié)構(gòu)件需采用抗高壓極化且材料表面電阻率高的材料。

我們分別使用對(duì)比加強(qiáng)靜電的卸荷、減少靜電的累積以及表面積累高密度靜電情況下進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，結(jié)果見表3,可以看出加強(qiáng)靜電卸荷和減少表面靜電累積可以改善對(duì)凈化性能的影響。

5 總結(jié)

一般的靜電集塵器其電極片直接裸露，采用電介質(zhì)阻隔的強(qiáng)電場(chǎng)集塵模塊相對(duì)于常規(guī)的靜電除塵裝置，其具有安全可靠、凈化效果優(yōu)良等特點(diǎn)，隨著家庭需求的空氣凈化器和空調(diào)器質(zhì)量要求越來越高，IFD集塵裝置的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)也越來越明顯。雖然IFD模塊的加工工藝及產(chǎn)品成熟度已經(jīng)較高，但是實(shí)際產(chǎn)品開發(fā)過程中，一些設(shè)計(jì)技術(shù)因素仍是需要特別注意直接影響到除塵的凈化性能。整理上述研究結(jié)果，得知如下幾方面較為關(guān)鍵：

（1）設(shè)計(jì)目標(biāo)潔凈空氣量需要匹配合適的循環(huán)風(fēng)量，一般各參數(shù)設(shè)計(jì)穩(wěn)定后其潔凈空氣量可以達(dá)到循環(huán)風(fēng)量的86%～95%。

（2）電場(chǎng)強(qiáng)度直接影響到顆粒物的荷電和被吸附能力，需要驗(yàn)證合適的荷電模塊的極間距、極間電壓和集塵模塊的極間距、極間電壓，使在保證臭氧較低釋放、電氣安全等前提下，匹配到較為合適的集塵電場(chǎng)，建議極間電壓在5000～7000V范圍。

表1 荷電模塊距離出風(fēng)口的不同安裝位置對(duì)潔凈空氣量影響的測(cè)試結(jié)果

表2 連續(xù)運(yùn)行整機(jī)注塑外殼表面靜電值測(cè)試結(jié)果

表3 表面靜電對(duì)樣機(jī)連續(xù)運(yùn)行后潔凈空氣量影響的測(cè)試結(jié)果

（3）一般在空氣凈化器和空調(diào)器中多采用擴(kuò)散荷電，主要是設(shè)計(jì)方便、安全可靠，為保證荷電模塊產(chǎn)生的負(fù)離子充分?jǐn)U散至空氣中，盡可能將荷電模塊設(shè)計(jì)在風(fēng)道的靠近出風(fēng)口位置。

（4）整機(jī)的外殼可能存在靜電累積現(xiàn)象，長(zhǎng)時(shí)間累積后，人體觸摸可能導(dǎo)致電擊傷害，同時(shí)也會(huì)間接影響到凈化效果，所以設(shè)計(jì)過程中應(yīng)考慮外殼靜電的卸荷處理和采用抗靜電的材料。

目前IFD集塵效果的驗(yàn)證多依賴于實(shí)驗(yàn)室的大量組合測(cè)試，欠缺更深入的理論對(duì)凈化性能指標(biāo)潔凈空氣量轉(zhuǎn)換的研究。如何從理論上最大限度的匹配合適的極間距、極間電壓，以及如何提高其容塵量等，這些都是應(yīng)用于空氣凈化器或空調(diào)器中值得繼續(xù)深入研究的關(guān)鍵問題。

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