静电式空气净化器的设计

李有余 / 张 杰

(霍尼韦尔环境自控产品(天津)有限公司全球研发中心， 天津 300457)

0 引言

随着我国经济的快速发展，生活方式的现代化，人们生产和生活越来越集中在室内进行。而现在的房屋密封性能很好，恶劣的室内空气很难通过自然循环得到改善，室内空气质量的改善和控制变得越来越重要。室内空气污染主要来源于家庭装修、不合格的建筑材料和家具、烹饪油烟、吸烟、进入室内的工业废气和汽车尾气、宠物生成的细菌和病毒等。

室内空气质量的改善和控制可以通过三种方法实现：从根源上禁止或控制污染源的进入、滤除室内污染、通风稀释室内污染。

针对滤除室内污染方法，本文介绍了一种静电式空气净化器的设计。静电式空气净化器具有运行阻力低、运行费用少、单位时间内净化空气量大、净化效率高等优点，同时高压静电也有很好的灭菌效果。

1 结构设计及各功能介绍

按照空气流经的路径，静电式空气净化器主要包括前置滤网、电离级、集尘级、风扇和后置滤网,如图1所示。其中电离级和集尘级统称集尘单元。净化器还包括产生高压静电的高压电源和方便用户操作的控制电路及显示电路等。

图1 静电式空气净化器的系统结构

前置滤网为细金属丝网、纤维粗效过滤器等，主要作用是去除空气中较大的灰尘、蚊虫等，同时避免较大颗粒进入后级集尘单元引起放电。

电离级由电离丝和金属平板组成。电离丝接通高压直流电后，产生电晕放电，将通过的污浊空气荷电。电离丝的电压有正电压和负电压两种。负电压的优点是产生电晕的电压低，生成的适量负离子对人体有益，缺点是产生的臭氧浓度高，对人体有害。正电压的优点是产生的臭氧浓度低，但正离子对人体有害。

当载有电荷的灰尘随着空气通过集尘级时，在库仑力的作用下，被相反极性的极板所吸附，从而降低了空气中的含尘量，达到净化的目的。

风扇的作用是将室内污浊的空气吸入静电除尘设备，并推动其依次通过滤网、电离级和集尘级，最后将清洁的空气排放到室内。风扇有直流和交流两种，前者可无极调速，噪音小，但成本高。后者只能固定几种风速，噪音较大，但成本较低。

后级滤网一般采用活性炭滤网，用于去除高压静电产生的臭氧及室内空气中的异味。

高压电源用于生成电离和集尘的高压直流电，电压一般为6kV～15kV。早期的高压直流电源一般采用工频铁心变压器升压的方案，而随着开关电源技术的出现，部分静电除尘设备开始采用开关电源的方案。它有体积小、效率高、输出电压稳定的优点。

控制电路和显示电路一般包括用于风速调节的按键、显示面板、控制质量显示等。

2 高压电源和集尘单元的设计

高压电源和集尘单元是整个系统的核心。电离丝上的电压、电离丝的直径、集尘级上的电压、集尘板的宽度和间距、经过集尘单元的空气流速都会影响最终的净化效率。在其他参数不变的情况下，当其中某个参数增加时，净化效率的变化如表1[1]所示。

同时，以上所有能增加净化效率的措施，除空气流速之外，都会造成高压电源输出功率的增大，更严重的会造成集尘单元不同极性金属间的放电。空气流速的降低，即风扇速度的降低，会增加净化效率，但会减少单位时间内净化空气量。所以在电源和集尘单元的设计中，需要综合考虑多种因素，最后选择最优的参数组合。

本文采用开关式电源生成两路高压静电，分别供给电离级和集尘级。

高压电源的原理如图1所示。输入110V～265V的交流电，经过整流和滤波后，变为直流电，直流电经过推挽式变换器和变压器升压，再经过倍压和整流，最后输出两路直流电源，分别是8 000V和4 000V。其中从变压器次级反馈的电压经过开关电源芯片控制推挽式变换器的占空比，达到稳定输出电压的目的。

图2 静电式空气净化器高压电源的原理

静电集尘单元分为电离级和集尘级两部分。电离级和集尘级既可以用相同电压的高压静电，也可以用不同电压的高压静电供电。前者的优点是可以简化高压电源和集尘单元的设计，而后者的优点是可以实现更高的净化效率。本文的静电集尘单元采用双级式设计。

3 性能测试

根据《空气净化器》(GB/T 18801-2008)标准[2]，将按以上原理设计的样机置于30m3的净化实验舱中，分别发生一定浓度的甲醛、苯、颗粒物，测定净化实验舱内被测对象的总衰减。按同样方法测定以上三种被测对象的自然衰减并计算洁净空气量和样品在1h内的净化效率。检测结果如表2所示。

表2 样机的净化效率

根据《消毒技术规范》，对样机的杀菌能力进行了测试。测试结果表明，此空气净化器对45 m3内空气中的自然菌作用120min后的杀菌率为90.3%。

4 结束语

本文研制的静电式空气净化器采用开关式高压电源和双级式静电集尘单元计，达到了很好的去除室内空气污染物的目的。

[1] 李杰，王宁会，张彦彬.新型封闭室内空气净化技术研究[J].大连理工大学学报，1998，第38卷(第3期)：273-276.

[2] 中华人名共和国国家质量监督检验检疫总局.,空气净化器(GB/T 18801-2008)[S].北京：中国标准出版社，2009.