空氣凈化模塊的安全性分析與探討

丘珊珊 李蔭瓏 陳信勇

珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070

1 常用凈化裝置簡析

一般家用凈化器凈化方案的實現方式主要有：HEPA網、IFD、負離子發生裝置等。

采用單一HEPA網凈化的方式，凈化性能穩定，可靠性及安全性較高，但采用單一HEPA網凈化，HEPA網凈化效果在一定程度內與風量成正相關，如果采用貫流風葉，風量本身較離心風機小，又因家用空調對噪音要求較高，循環風量不可能太大，這就使得采用單一HEPA網的方式凈化效果受到限制。而且HEPA網風阻較大，對空調制冷制熱性能影響較大；容塵量限制等因素導致凈化性能衰減較快，需定期更換。

IFD凈化方式：IFD材料原理與靜電集塵技術相似，即利用高壓電壓形成的強電場吸附PM2.5顆粒，PM2.5等粉塵顆粒帶電后從除塵模塊經過，在電場的作用下帶電顆粒就被吸附在除塵模塊上，收集于微間距陣列的強電場孔道中，達到去除空氣中PM2.5顆粒的作用。IFD凈化方式風阻小，循環風量大，凈化效果較好，兼顧了空氣凈化性能及空調本身的制冷制熱性能。但IFD模塊在分體機上實現對結構要求較高，另外安全性亦不如物理過濾方式。

負離子發生裝置單獨使用時，凈化效果不明顯，一般搭配HEPA網一起使用，其與HEPA網搭配后的凈化效果并非簡單的代數相加，而是能起到互相增益的效果。

高壓靜電除塵[1][2]是應用得最廣泛的一種，它有四個過程：（1）電暈放電；（2）塵粒荷電；（3）帶電塵粒從氣體中分離；（4）整打清灰。

2 標準要求分析

部分凈化模塊輸入電壓雖然為低電壓，但峰值電壓實為高電壓。依據GB 4706.1-2005、IEC 60335-1《家用和類似用途器具的安全 第一部分：通用要求》第8.1.4條款的要求[3]，如果易觸及部件為下述情況，則不認為其是帶電的：

——該部件由安全特低電壓供電，且

對交流，其電壓峰值不超過42.4V；

對直流，其電壓不超過42.4V。

或

——該部件通過保護阻抗與帶電部件隔開。

在有保護阻抗的情況下，該部件與電源之間的電流：對直流應不超過2mA；對交流，其峰值應不超過0.7mA；而且：

——對峰值電壓大于42.4V小于或等于450V的，其電容量不應超過0.1μF；

——對峰值電壓大于450V小于或等于15kV的，其放電量不應超過45μC；

通過對由額定電壓供電的器具的測量確定其是否合格。

應在各相關部件與電源的每一極之間分別測量電壓值和電流值。在電源中斷后立即測量放電量。使用標稱阻值為2000Ω的無感電阻來測量放電量。

注1：測量電流的電路見GB/T 12113 (idt IEC 60990)的圖4。

注2：電量是通過記錄在電壓/時間曲線中的總面積計算得出，面積求和時不考慮電壓極性。

基于以上帶電部件的標準定義，可以從凈化模塊的內部元件組成以及供電方式進行判定。

（1）是否由安全特低電壓供電，對交流，其電壓峰值不超過42.4V；對直流，其電壓不超過42.4V。通過該模塊的供電方式可以初步判定。

（2）該模塊是否通過保護阻抗與帶電部件隔開，根據GB 4706.1-2005[1]的22.42的要求，“保護阻抗應至少由兩個單獨的元件構成，這些元件的阻抗在器具的壽命期間內不可能有明顯的改變。如果這些元件中的任何一個出現短路或開路，則8.1.4中規定的值不應被超過”。對于該要求，可以通過分析該模塊的電路圖以及實物來判定，另外條件允許情況下，可以對失效其中一個阻抗元件的模塊進行測試，來判定是否超過8.1.4中規定的值。

（3）對實物的爬電距離、電氣間隙進行判定。考慮相應的PCB板材、工作電壓以及污染等級，判定該模塊是否滿足標準要求。

3 放電量測試

3.1 放電量測試方法

結合標準，可以搭建如圖1示的測試電路。

其中，依據標準要求R采用的是2000Ω無感電阻，指的是2000Ω金屬膜電阻。如果是容性電阻，則電量測試結果偏小，如果是感性電阻，則電量測試結果偏大。

測試步驟：

（1）確保測試條件：測試環境：23f2℃；電源：額定電壓±1%，頻率±1Hz（優選穩壓電源或變頻電源）。

（2）閉合開關S，使模塊處于穩定運行狀態。

（3）斷開開關S，立即合上開關K同時立即觀察示波器圖像以及對放電曲線進行捕捉。

（4）根據q=∫Udt/R，對捕捉到的放電曲線利用示波器自帶的積分功能進行積分，求出該過程的放電量q，見圖2。

其中：

q=∫Udt/R/R=124.8mVs/2000Ω=62.4μC

將計算得到的放電量q與標準條款進行對比，即可判斷符不符合標準要求。

3.2 放電量計算

放電量測試結果的準確性受以下因素限制：

圖1 測試電路

圖2 積分后的圖形曲線以及數據

圖3 間隔為10.9ms

圖4 間間隔為10.9ms的積分圖形及數據

①模塊屬于高壓發生器，需要示波器用到高壓探頭。當用100:1的探頭去測量，電壓讀數會比較準確，但同時該探頭的阻抗比較小，造成分流損失的電流比較大；當用1000:1的探頭去測量時，電壓讀數的準確性較前者差，但該探頭的阻抗較高，造成的分流損失較小。綜合來看，由于示波器測試導致的不可避免的實驗偏差是存在的。

圖5 間隔為20.9ms

圖6 間隔為20.9ms的積分圖形及數據

圖7 放電能量測試波形以及數據

②對于同一個模塊、同一工況，斷開開關S到合上開關K的時間間隔的長短會直接影響到放電量的多少。

圖4中：

q=∫Udt/R/R=81.38mVs/2000Ω=40.69μC

圖6中：

q=∫Udt/R/R=78.25mVs/2000Ω=39.13μC

圖3、圖4、圖5、圖6，可以看到斷開開關S到合上開關K的時間間隔的長短會直接影響放電量的大小，故對于標準的“立即”的理解以及實驗設備的靈敏度都會造成放電量q的偏差。

鑒于實驗測試結果存在偏差，我們可以通過理論計算來提供參考保障。根據：

電量q=CU（C為電容量，U為電壓）

可以根據模塊的電路圖以及模塊里面元件的參數來計算出高壓端的電容量C，計算過程中需要考慮到電容的串并聯的算法以及二極管導致的不同通路，避免電容量的計算錯誤，得到高壓端的電容量C后與高壓端的U相乘即可得到放電量q。

由于模塊里面元件的參數只是標稱值，并不是實測值，存在偏差，故理論計算得到的電容量C存在偏差，所以最終計算出的放電量q也存在偏差。但可依據電容C的上偏差，計算出放電量的最大值。將計算得到的放電量q與標準條款進行對比，即可判斷符不符合標準要求。

4 放電能量測試

對于超過15kV的器具，還要依據GB 4706.45-2008/IEC 60335-2-65《家用和類似用途器具的安全 空氣凈化器的特殊要求》[4]：峰值電壓高于15kV時，其放電能量不應超過350mJ。對于僅在清潔或使用者維護保養時拆卸蓋子后成為易觸及的帶電部件，其放電在拆下蓋子2s后測量。

W=E=0.5qU=0.5CU2

q=CU

q=∫Udt/R/R

所以，W=0.5∫Udt/R*U/R

將放電量測試過程中捕捉到的波形按照上述公式進行積分。即可得到圖7的波形和數據。再將積分后的數值除以R，即可得到放電能量W。

W=0.5∫Udt/R*U/R=37.56V2s/2000Ω=18.78mJ

把計算結果與標準條款對比，即可判斷是否符合標準要求。

5 總結

對于凈化空調上的凈化模塊的安全性分析，不僅僅要考慮空調的通用標準，還要考慮到空氣凈化器的特標。同時，由于測試過程中存在不可避免的實驗誤差，需要結合理論計算來保證實驗測試的可靠性。通過對凈化模塊基本結構的對標分析、放電量、放電能量的實驗測試以及理論計算，綜合起來考慮，才可以對凈化模塊的安全性作出較為準確的判定。