影响IFD空气净化器洁净空气量的因素分析

2018-05-16邓展威,刘光有

家电科技 2018年5期

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1 引言

室内空气质量对人体健康影响的问题日趋严重，倍受人们关注，目前市场上室内空气净化技术涉及介质过滤、吸附、化学催化、光催化、高电压（低温等离子、负离子、臭氧、静电）等多学科技术，其中高电压的产品前期以ESP静电除尘为主。随着技术的发展，目前衍生于静电除尘的电介质强电场的IFD除尘技术在产品应用上具有较多的优点，使其在市场上逐渐普及，特别是在空气净化器、空调器等产品。IFD集尘模块在空气净化器的设计上仍有较多的技术因素需合理匹配，从而达到最佳的性能指标，故本文针对搭载IFD集尘模块的空气净化器关键性能指标影响因素进行研究。

2 IFD技术工作原理及应用优势

IFD英文全称Intense Field Dielectric——是指利用电介质材料为载体的强电场，电介质材料形成蜂窝状中空微通道，电介质包裹导电油墨材料的电极片，在其通道内形成强烈的电场。空气流入“蜂窝”后，预充电的尘埃微粒在极强电场力的作用下被吸附在中空腔体的内表面，结构示意图见图1。同时可将附着在颗粒物上的细菌、微生物等收集并在强电场中杀灭，因此IFD在高效去除PM2.5的同时还具有高效的除菌功效。

IFD集尘技术的基础原理衍生于ESP静电集尘，但是由于其独特的结构使其相对于ESP静电集尘在多方面具有优势，差异特点主要表现在如下几方面：

（1）有效集尘面积大：采用电介质材料形成的蜂窝状中空微孔通道，有效的集尘面积远比ESP静电集尘更大，从而集尘容量将更大。常见家用静电集尘式空气净化器其集尘板极间距在6～16mm，ESP的极间距越小，其电场强度虽然更大但更不稳定容易造成击穿、打火等现象，而IFD的极间距一般在1.5～2.5mm范围，所以相同主体尺寸下，IFD集尘面积是ESP静电集尘的3～8倍。

（2）应用安全、可靠：IFD采用高绝缘的电介质包括由油墨形成的电极片，即使微通道沾染灰尘不会造成极间距减小而导致的电气击穿、打火现象。同时，电极片被电介质绝缘材料完全包裹，且IFD模块极间电流小于2mA，放电量不超过45μC，满足国标防触电要求，使人触摸不会被电击。

（3）强集尘电场：因为有了电极片的保护，实现极间距可以缩小，施加相同的电压下其电场强度明显较大，对空气中运动的带电微粒将施加更为巨大的吸引力，特别是对微小的颗粒物集尘效果更为明显。

3 IFD集尘基本理论及公式分析

为了便于对IFD模块的集尘性能影响分析，首先通过基础理论对各物理参数进行说明。对IFD模块内通过微通道的颗粒物的运动和捕获过程进行理论分析，依赖气流运动模型描述的粒子运动见图2。

根据经典力学和电学定律可知，荷电后的尘粒在电场内受到静电力的作用将向集尘极运动，荷电颗粒物收到的静电力：

Ej——集尘极周围电场强度；

q——尘粒的预荷电量。

静电力越大，IFD集尘模块吸附颗粒物的能力就越大，从而反映到实际整机的除尘效率。通过公式1可知，影响到静电力的关键参数是颗粒物的荷电量和集尘板的电场强度，下面进一步对影响这两个指标的参数进行分解。

因为IFD集尘模块高压和接地极为平行电极，所以其电场强度可看做：

式中，E0——平均场强；

U——高压板和接地电压；

H——两极板间距。

因此，选择IFD集尘模块合适的极间电压和极间距，那么可以提高集尘性能。

一般空气净化器和空调中的荷电方式采用负离子进行扩散荷电，负离子通过放电针电晕放电产生。在饱和状态下尘粒的荷电量按公式3计算：

式中：ε0——真空介电常数；

dc——粒径；

Ef——放电极周围的电场强度；

εp——尘粒的相对介电常数。

从公式3可以看出，影响尘粒荷电的主要因素是电场强度、尘粒直径dc，所以在设计验证中调节其电场强度即可提高尘粒的荷电效率。进一步的荷电电场强度依赖于荷电电极的电压，参考公式2。

4 影响空气净化器洁净空气量的几个关键因素分析

根据上述理论分析，从微观上看，粒子运动模型上可明确IFD模块、荷电模块的极电压、极间距将影响到颗粒物的被吸附能力。从宏观上看，考虑空气净化器是一个室内气流循环过滤的净化过程，循环风量、负离子密度、模块体积尺寸等都将影响到整体空气净化器的净化性能。

空气净化器的关键性能指标是洁净空气量CADR，洁净空气量表征空气净化器能力的参数，用单位时间提供洁净空气的量值表示。为进一步了解到理论分析中各设计参数对除尘性能的影响趋势以及影响程度，通过实际产品开发的空气净化器进行实验验证和研究。

图1 IFD净化模块过滤器除尘原理

图2 颗粒物运动模型示意图

图3 不同循环风量对洁净空气量影响的测试结果

图4 不同IFD极间距和网孔长度对洁净空气量影响的测试结果

图5 集尘模块和荷电模块不同工作电压对洁净空气量影响的测试结果

图6 整机外壳静电积累排斥负电荷颗粒的示意图

4.1 循环风量的影响

循环风量的增加使空气净化器能够过滤更多的污染空气，间接提高整机除PM2.5净化效率。实际测试中通过调节风机的转速从而改变空气净化器的循环风量，经测试基本上风量越大其洁净空气量程增大趋势，测试结果如图3所示。

通过测试统计，一般空气净化器采用IFD集尘模块其洁净空气量可以达到循环风量的82%～95%，但增加循环风量的同时带来整机噪音值的增加，设计时需兼顾考虑。

4.2 IFD模块的网孔极间距及长度

如公式2所示，当集尘模块极间距减小后，电场密度增强，且带电颗粒物运动至IFD微孔内表面路径减小，从而提高吸附颗粒物能力。同时，IFD模块的微通道网孔长度也对尘埃颗粒物具有明显影响，如果网孔长度较短，则以固定的循环气流速度通过微孔通道，可能带电颗粒物不能达到集尘板或牢固附着于集尘板中。通过图4可知，由于场强的变化，极间距越小其净化性能指标洁净空气量越大。微孔通道越长其洁净空气量整体趋势越大，但是微孔通道达到一定长度后，其洁净空气量将趋于稳定。

4.3 集尘模块、荷电模块工作电压

在高压电场下尖头针电离空气产生电子e-，电子与粉尘颗粒物碰撞从而荷电，释放电子e-的量大小影响着净化器集尘效率。而影响荷电模块电子e-释放的影响主要由电压大小、极间距、放电针材料等。通过实验验证不同电压下，集尘电压上升至8000V左右时，其洁净空气量达到最高，此后再提高电压，集尘效率未有明显提高。荷电电压在电晕电压范围内呈现此趋势，如果荷电电压过大至电弧放电，无法释放有效的负离子导致洁净空气量低，同时需注意荷电电压过大极容易产生过量的臭氧，臭氧对人体有严重的危害。

4.4 荷电模块安装位置影响

荷电模块安装位置越靠近出风口，越有利于负离子从整机风道中完全释放出来，否则安装位置在风道内部越远离出风口则负离子越容易被周围的注塑件吸附而形成带负离子的静电场，最终阻挡了负离子的释放，从而影响洁净空气量测试结果，见表1。荷电模块安装位置的合理性，可以使用离子测试仪，通过测试距离出风口负离子浓度是否持续稳定在某个设定值即可。负离子经风口吹出后很容易消失，通过实验室研究测试建议负离子出风口浓度大于800万pcs/cm3（负离子释放量测试距离出风口100mm位置的离子量浓度）。

4.5 整机外壳的静电屏蔽导致回风集尘失效

研究发现在荷电模块和IFD集尘模块的高压电极的负高压电场作用下，周围的注塑件高分子材料具有静电传导（通过导电触点传导至塑料件）、感应静电（塑料件在高压电场下产生感应电荷）、静电吸附（外壳吸附空气中的负电荷）作用，使整机外壳均带上较强的静电荷。我们实测未经卸荷处理的外壳表面静电变化如表2所示。

由于一般空气净化器没有接地途径去泄漏其表面积累的静电，外壳的电荷密度逐渐增大，使得整个外壳都处于荷电状态，外壳整体各处静电电势较大。这样，循环气流中已荷电颗粒物由于同性排斥作用难以趋近外壳和IFD集尘模块。简而言之，持续运行时会使外壳整体累积负电荷至稳定，最终会阻止气流中带负电颗粒进入IFD集尘模块，间接导致集尘电极吸附灰尘的能力下降，影响整机除尘效率，如图6所示。

持续运行造成净化效率衰减较为关键的原因是整机外壳静电积累，故需从静电的卸荷和减少静电的累积方面进行优化。针对于带接地的空气净化器，可通过外壳接地进行卸荷，外壳材料推荐采用具有导电性能的材料，比如增加抗静电剂。针对于不带接地的空气净化器，其整机外壳以及与高压电极接触的结构件需采用抗高压极化且材料表面电阻率高的材料。

我们分别使用对比加强静电的卸荷、减少静电的累积以及表面积累高密度静电情况下进行对比测试，结果见表3,可以看出加强静电卸荷和减少表面静电累积可以改善对净化性能的影响。

5 总结

一般的静电集尘器其电极片直接裸露，采用电介质阻隔的强电场集尘模块相对于常规的静电除尘装置，其具有安全可靠、净化效果优良等特点，随着家庭需求的空气净化器和空调器质量要求越来越高，IFD集尘装置的应用优势也越来越明显。虽然IFD模块的加工工艺及产品成熟度已经较高，但是实际产品开发过程中，一些设计技术因素仍是需要特别注意直接影响到除尘的净化性能。整理上述研究结果，得知如下几方面较为关键：

（1）设计目标洁净空气量需要匹配合适的循环风量，一般各参数设计稳定后其洁净空气量可以达到循环风量的86%～95%。

（2）电场强度直接影响到颗粒物的荷电和被吸附能力，需要验证合适的荷电模块的极间距、极间电压和集尘模块的极间距、极间电压，使在保证臭氧较低释放、电气安全等前提下，匹配到较为合适的集尘电场，建议极间电压在5000～7000V范围。