环境温度对车用空调滤清器的影响研究

田程　边嘉宸　魏蜀红　王骁

摘 要：人们对汽车座舱的空气质量关注度日益提高，空调滤清器在实际工况下的性能优劣起到关键作用。针对现有研究结果和现行标准中缺少温度处理后的性能试验，研究了空调滤清器在极端工作环境下的性能趋势，对空调滤清器进行了-40℃～120℃温度处理24h、高温100℃和低温-40℃不同处理时长后的性能试验，得出了高温会使压力降上升，分级过滤效率下降，储灰量下降的结论，为进一步提高车用空调滤清器的性能提供了参考，具有重要意义。

关键词：车用空调滤清器 颗粒物 温度处理 分级过滤效率 压力降

Research on the Influence of Ambient Temperature on Air-conditioning Filters for Vehicles

Tian Cheng Bian Jiachen Wei Shuhong Wang Xiao

Abstract：People are paying more and more attention to the air quality in the car cabin， and the performance of the air-conditioning filter under actual working conditions plays a key role. In view of the existing research results and the lack of performance tests after temperature treatment in the current standards， the performance trend of air-conditioning filters under extreme working environments was studied， and the air-conditioning filters were treated at -40℃～120℃ for 24h. The performance test after different treatment time at 100°C and low temperature -40°C has concluded that high temperature will increase the pressure drop， reduce the classification filtration efficiency， and reduce the ash storage capacity， which provides for further improvement of the performance of the car air-conditioning filter， and the reference is of great significance.

Key words：car air-conditioning filter， particulate matter， temperature treatment， graded filtration efficiency， pressure drop

1 引言

汽車保有量的逐年增多，由于交通拥堵人们在交通工具上，特别是汽车座舱内待的时间越来越长，而且道路周边的空气质量往往非常差，如图1所示，人们对汽车座舱的空气质量关注度日益提高。为了减轻车外空气通过空调系统进入车内造成的污染，空调滤清器作为汽车的“口罩”，其性能的优劣起到关键作用。目前常用的空调滤清器材料主要包括聚丙烯、聚乙烯、聚四氟乙烯材料以及纺粘滤料等。通过静电纺丝、电晕放电和摩擦起电都可使纤维带电[1]，可以过滤介质中的微小粒子，改善其过滤效率。目前所常见的注入静电的方式是电晕放电。汽车空调过滤器是在无纺布纤维上通过电晕放电的方式注入静电，使得过滤纤维在微观上是带电的而整体呈电中性，同时来自外界的细小微粒本身也具有极弱的正电荷或负电荷。这样的汽车空调过滤器不仅可以在不增加阻力的同时拥有较高的效率。

但是随着使用过程中灰尘的累积和环境变化，静电电荷作用逐渐减小，过滤效率降低。针对静电驻极过滤材料相关学者做了以下研究：Walsh和Stenhouse[2]研究了灰尘在过滤器上累积后的纤维上电荷的特性，对比了不带电滤材与带电滤材的容尘量差别，试验结果显示带静电的滤材的容尘量更大。华南理工大学唐敏[3]进一步研究了通过使粉尘颗粒带电加上带电滤材的组合形式来增加过滤材料的容尘性能，提出了复合驻极体滤材和超细纤维层，得到了制作新型过滤材料的思路。天津大学姜明秀[4]研究了不同颗粒污染物、气流速度及温湿度对过滤效率的影响，得出了常温下温度变化对过滤效率影响较小的结论。但是汽车空调滤清器的工作环境并不是常温，存在较为极端的工况，比如冬季的北方地区和夏季的海南地区，来自内蒙古极寒汽车试验场和海南高温试验场的数据显示，空调滤清器进气温度能达到-40℃～100℃的变化范围，个别车型发动机舱空调的进气温度甚至能达到110℃，极端温度对空调滤清器性能的影响数据缺失。现有标准中如GB/T 32085.1-2015[5]、QC/T 998-2015[6]和CAC-PV18-019：2020[7]，对空调滤清器的过滤效率试验只是测试初始状态的过滤效率，对其整个生命周期内的的过滤效率研究不足，尤其是静电效应减弱的影响。且在现有标准中，如QC/T 998-2015[6]中耐温性的技术要求只是观察温度处理后滤材与外框有无脱离、开胶，空调滤清器长、宽、高尺寸偏差等，并没有对温度处理后的空调滤清器进行初始压力降、分级过滤效率和储灰量等性能试验。针对上述问题进行相关研究为提高空调滤清器性能提供参考，具有重要意义。

2 温度高低的影响

在国内部分整车企业标准中，空调滤清器温度试验最高为100℃，而考虑到空调进气口位于发动机舱附近，在夏天极端条件下温度会很高，我们取试验最高温度为120℃。选用高静电密度驻极材料进行试验，将汽车空调滤清器滤芯分别放置在-40℃、-20℃、0℃、20℃、40℃、60℃、80℃、100℃、120℃恒温箱内，恒温24 h后取出，并进行初始压力降、分级过滤效率和储灰量试验，结果如下。

如图2所示，为-40℃～120℃温度恒温处理24h后的分级过滤效率试验结果。取三个典型粒径颗粒的过滤效率绘制曲线，分别为0.3μm、2.5μm和10μm。由图中可以看到，空调滤清器滤芯在-40℃～80℃温度下处理24h后，其各粒径颗粒的分级过滤效率并无明显变化;在100℃温度下处理24h后，0.3μm粒径颗粒效率开始下降，而2.5μm和10μm粒径颗粒效率并无明显变化;温度继续升高至120℃，处理24h后，0.3μm、2.5μm和10μm粒径颗粒的过滤效率均出现较大幅度的下降，且0.3μm粒径颗粒的过滤效率下降最为明显，2.5μm粒径次之。

储灰量为空调滤清器滤芯压力降增加200Pa时，在测试样件上捕获的测试粉尘质量。如图3所示，为-40℃～120℃温度恒温处理24h后的初始压力降和储灰量试验结果。由图中可以看到，空调滤清器滤芯在-40℃～80℃温度下处理24h后，其初始压力降和储灰量无明显变化;在100℃～120℃温度下处理24h后，初始压力降开始快速上升，储灰量快速下降，储灰量的下降与初始压力降的上升是同步变化的。

在-40℃～80℃温度下处理24h后空调滤清器滤芯并无发生明显变形，材料结构、静电电荷没有因温度处理发生较大变化，故而各粒径颗粒过滤效率、初始压力降和储灰量无明显变化。在100℃～120℃温度下处理24h后，空调滤清器滤芯变形量明显加剧，如图4所示，材料内部纤维因高温变形粘结，分布不在均匀致密，且局部出现较大孔隙，故而全尺寸粒径颗粒的过滤效率均出现下降，并且由于静电电荷在高温下出现衰减，小颗粒如0.3μm粒径颗粒的过滤效率出现更大幅度的下降。因高温变形粘结透气度下降，初始压力降上升，且后续少量的灰尘阻塞就能造成压力降的快速上升，储灰量下降。

3 低温处理时长的影响

车辆使用时长或是在环境中暴露的时长是否会对空调滤清器滤芯的性能产生影响。将滤芯放置在低温-40℃恒温箱内，恒温处理6h、12h、18h、24h、30h、36h、42h、48h后取出，进行初始壓力降、分级过滤效率和储灰量的试验。

如图5所示，为-40℃温度恒温处理6h～48h后的分级过滤效率试验结果。取三个典型粒径颗粒的过滤效率绘制曲线，分别为0.3μm、2.5μm和10μm。由图中可以看到，各粒径颗粒过滤效率均没有发生较明显变化。

如图6所示，为-40℃温度恒温处理6h～48h后的初始压力降和储灰量试验结果。由图中可以看到，初始压力降和储灰量没有发生较明显变化。

-40℃温度下空调滤清器滤芯并无发生明显变形，材料结构和静电电荷没有因低温处理发生较大变化，低温对空调滤清器滤芯的性能几乎没有影响。

4 高温处理时长的影响

将滤芯放置在高温100℃恒温箱内，恒温处理6h、12h、18h、24h、30h、36h、42h、48h后取出，进行初始压力降、分级过滤效率和储灰量的试验。

如图7所示，为100℃温度恒温处理6h～48h后的分级过滤效率试验结果。取三个典型粒径颗粒的过滤效率绘制曲线，分别为0.3μm、2.5μm和10μm。由图中可以看到，0.3μm和2.5μm粒径颗粒的过滤效率有轻微的下降趋势，10μm粒径颗粒的过滤效率无变化。

如图8所示，为100℃温度恒温处理6h～48h后的初始压力降和储灰量试验结果。由图中可以看到，初始压力降有轻微的上升趋势，而储灰量的下降趋势较为明显。

在100℃温度下，空调滤清器滤芯开始出现变形，材料内部纤维因高温变形粘结，分布不在均匀致密，透气度下降，静电电荷减弱，这种情况随着处理时长增加越发严重。造成颗粒物分级过滤效率下降，初始压力降上升，储灰量下降。

5 结论

1.-40℃～80℃环境温度对空调滤清器的压力降、分级过滤效率和储灰量没有明显影响;从100℃开始，高温会使其压力降升高、分级过滤效率下降、储灰量下降，且滤清器出现外观的明显变形甚至脱胶开裂。

2.低温处理时长对空调滤清器各个性能几乎没有影响。

3.高温处理时长对分级过滤效率的影响较小，但对压力降和储灰量的影响较大，且处理时间越长，性能恶化越严重。

参考文献：

[1]Tsai PP，Schreuder-Gibson  H，  Gibson  P.  Different  electrostatic  methods  for making electret filters[J]. Journal of Electrostatics， 2002，54（3-4）：333-341.

[2]Walsh D C， Stenhouse J I T . The effect of particle size， charge， and composition on the loading characteristics of an electrically active fibrous filter material[J]. Journal of Aerosol Science， 1997， 28（2）：307-321.

[3]唐敏. 驻极体过滤材料对PM_（2.5）过滤性能的研究[D]. 华南理工大学，2016.

[4]姜明秀. 汽车空调过滤器在不同热湿环境下的过滤性能研究[D]. 天津大学，2009.

[5]GB/T 32085.1-2015《汽车 空调滤清器 第1 部分：粉尘过滤测试》[S]. 中华人民共和国国家标准，2015.

[6]QC/T 998-2015《汽车空调滤清器技术条件》[S]. 中华人民共和国汽车行业标准，2015.

[7]CAC-PV18-019：2020《CATARC 标志 认证实施规则-汽车空调滤清器过滤等级》[S]. 中汽研华诚认证（天津）有限公司.