靜電式空氣凈化器的設計

李有余 / 張 杰

(霍尼韋爾環境自控產品(天津)有限公司全球研發中心， 天津 300457)

0 引言

隨著我國經濟的快速發展，生活方式的現代化，人們生產和生活越來越集中在室內進行。而現在的房屋密封性能很好，惡劣的室內空氣很難通過自然循環得到改善，室內空氣質量的改善和控制變得越來越重要。室內空氣污染主要來源于家庭裝修、不合格的建筑材料和家具、烹飪油煙、吸煙、進入室內的工業廢氣和汽車尾氣、寵物生成的細菌和病毒等。

室內空氣質量的改善和控制可以通過三種方法實現：從根源上禁止或控制污染源的進入、濾除室內污染、通風稀釋室內污染。

針對濾除室內污染方法，本文介紹了一種靜電式空氣凈化器的設計。靜電式空氣凈化器具有運行阻力低、運行費用少、單位時間內凈化空氣量大、凈化效率高等優點，同時高壓靜電也有很好的滅菌效果。

1 結構設計及各功能介紹

按照空氣流經的路徑，靜電式空氣凈化器主要包括前置濾網、電離級、集塵級、風扇和后置濾網,如圖1所示。其中電離級和集塵級統稱集塵單元。凈化器還包括產生高壓靜電的高壓電源和方便用戶操作的控制電路及顯示電路等。

圖1 靜電式空氣凈化器的系統結構

前置濾網為細金屬絲網、纖維粗效過濾器等，主要作用是去除空氣中較大的灰塵、蚊蟲等，同時避免較大顆粒進入后級集塵單元引起放電。

電離級由電離絲和金屬平板組成。電離絲接通高壓直流電后，產生電暈放電，將通過的污濁空氣荷電。電離絲的電壓有正電壓和負電壓兩種。負電壓的優點是產生電暈的電壓低，生成的適量負離子對人體有益，缺點是產生的臭氧濃度高，對人體有害。正電壓的優點是產生的臭氧濃度低，但正離子對人體有害。

當載有電荷的灰塵隨著空氣通過集塵級時，在庫侖力的作用下，被相反極性的極板所吸附，從而降低了空氣中的含塵量，達到凈化的目的。

風扇的作用是將室內污濁的空氣吸入靜電除塵設備，并推動其依次通過濾網、電離級和集塵級，最后將清潔的空氣排放到室內。風扇有直流和交流兩種，前者可無極調速，噪音小，但成本高。后者只能固定幾種風速，噪音較大，但成本較低。

后級濾網一般采用活性炭濾網，用于去除高壓靜電產生的臭氧及室內空氣中的異味。

高壓電源用于生成電離和集塵的高壓直流電，電壓一般為6kV～15kV。早期的高壓直流電源一般采用工頻鐵心變壓器升壓的方案，而隨著開關電源技術的出現，部分靜電除塵設備開始采用開關電源的方案。它有體積小、效率高、輸出電壓穩定的優點。

控制電路和顯示電路一般包括用于風速調節的按鍵、顯示面板、控制質量顯示等。

2 高壓電源和集塵單元的設計

高壓電源和集塵單元是整個系統的核心。電離絲上的電壓、電離絲的直徑、集塵級上的電壓、集塵板的寬度和間距、經過集塵單元的空氣流速都會影響最終的凈化效率。在其他參數不變的情況下，當其中某個參數增加時，凈化效率的變化如表1[1]所示。

同時，以上所有能增加凈化效率的措施，除空氣流速之外，都會造成高壓電源輸出功率的增大，更嚴重的會造成集塵單元不同極性金屬間的放電。空氣流速的降低，即風扇速度的降低，會增加凈化效率，但會減少單位時間內凈化空氣量。所以在電源和集塵單元的設計中，需要綜合考慮多種因素，最后選擇最優的參數組合。

本文采用開關式電源生成兩路高壓靜電，分別供給電離級和集塵級。

高壓電源的原理如圖1所示。輸入110V～265V的交流電，經過整流和濾波后，變為直流電，直流電經過推挽式變換器和變壓器升壓，再經過倍壓和整流，最后輸出兩路直流電源，分別是8 000V和4 000V。其中從變壓器次級反饋的電壓經過開關電源芯片控制推挽式變換器的占空比，達到穩定輸出電壓的目的。

圖2 靜電式空氣凈化器高壓電源的原理

靜電集塵單元分為電離級和集塵級兩部分。電離級和集塵級既可以用相同電壓的高壓靜電，也可以用不同電壓的高壓靜電供電。前者的優點是可以簡化高壓電源和集塵單元的設計，而后者的優點是可以實現更高的凈化效率。本文的靜電集塵單元采用雙級式設計。

3 性能測試

根據《空氣凈化器》(GB/T 18801-2008)標準[2]，將按以上原理設計的樣機置于30m3的凈化實驗艙中，分別發生一定濃度的甲醛、苯、顆粒物，測定凈化實驗艙內被測對象的總衰減。按同樣方法測定以上三種被測對象的自然衰減并計算潔凈空氣量和樣品在1h內的凈化效率。檢測結果如表2所示。

表2 樣機的凈化效率

根據《消毒技術規范》，對樣機的殺菌能力進行了測試。測試結果表明，此空氣凈化器對45 m3內空氣中的自然菌作用120min后的殺菌率為90.3%。

4 結束語

本文研制的靜電式空氣凈化器采用開關式高壓電源和雙級式靜電集塵單元計，達到了很好的去除室內空氣污染物的目的。

[1] 李杰，王寧會，張彥彬.新型封閉室內空氣凈化技術研究[J].大連理工大學學報，1998，第38卷(第3期)：273-276.

[2] 中華人名共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.,空氣凈化器(GB/T 18801-2008)[S].北京：中國標準出版社，2009.