影響IFD空氣凈化器潔凈空氣量的因素分析

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1 引言

室內空氣質量對人體健康影響的問題日趨嚴重，倍受人們關注，目前市場上室內空氣凈化技術涉及介質過濾、吸附、化學催化、光催化、高電壓（低溫等離子、負離子、臭氧、靜電）等多學科技術，其中高電壓的產品前期以ESP靜電除塵為主。隨著技術的發(fā)展，目前衍生于靜電除塵的電介質強電場的IFD除塵技術在產品應用上具有較多的優(yōu)點，使其在市場上逐漸普及，特別是在空氣凈化器、空調器等產品。IFD集塵模塊在空氣凈化器的設計上仍有較多的技術因素需合理匹配，從而達到最佳的性能指標，故本文針對搭載IFD集塵模塊的空氣凈化器關鍵性能指標影響因素進行研究。

2 IFD技術工作原理及應用優(yōu)勢

IFD英文全稱Intense Field Dielectric——是指利用電介質材料為載體的強電場，電介質材料形成蜂窩狀中空微通道，電介質包裹導電油墨材料的電極片，在其通道內形成強烈的電場?？諝饬魅搿胺涓C”后，預充電的塵埃微粒在極強電場力的作用下被吸附在中空腔體的內表面，結構示意圖見圖1。同時可將附著在顆粒物上的細菌、微生物等收集并在強電場中殺滅，因此IFD在高效去除PM2.5的同時還具有高效的除菌功效。

IFD集塵技術的基礎原理衍生于ESP靜電集塵，但是由于其獨特的結構使其相對于ESP靜電集塵在多方面具有優(yōu)勢，差異特點主要表現在如下幾方面：

（1）有效集塵面積大：采用電介質材料形成的蜂窩狀中空微孔通道，有效的集塵面積遠比ESP靜電集塵更大，從而集塵容量將更大。常見家用靜電集塵式空氣凈化器其集塵板極間距在6～16mm，ESP的極間距越小，其電場強度雖然更大但更不穩(wěn)定容易造成擊穿、打火等現象，而IFD的極間距一般在1.5～2.5mm范圍，所以相同主體尺寸下，IFD集塵面積是ESP靜電集塵的3～8倍。

（2）應用安全、可靠：IFD采用高絕緣的電介質包括由油墨形成的電極片，即使微通道沾染灰塵不會造成極間距減小而導致的電氣擊穿、打火現象。同時，電極片被電介質絕緣材料完全包裹，且IFD模塊極間電流小于2mA，放電量不超過45μC，滿足國標防觸電要求，使人觸摸不會被電擊。

（3）強集塵電場：因為有了電極片的保護，實現極間距可以縮小，施加相同的電壓下其電場強度明顯較大，對空氣中運動的帶電微粒將施加更為巨大的吸引力，特別是對微小的顆粒物集塵效果更為明顯。

3 IFD集塵基本理論及公式分析

為了便于對IFD模塊的集塵性能影響分析，首先通過基礎理論對各物理參數進行說明。對IFD模塊內通過微通道的顆粒物的運動和捕獲過程進行理論分析，依賴氣流運動模型描述的粒子運動見圖2。

根據經典力學和電學定律可知，荷電后的塵粒在電場內受到靜電力的作用將向集塵極運動，荷電顆粒物收到的靜電力：

Ej——集塵極周圍電場強度；

q——塵粒的預荷電量。

靜電力越大，IFD集塵模塊吸附顆粒物的能力就越大，從而反映到實際整機的除塵效率。通過公式1可知，影響到靜電力的關鍵參數是顆粒物的荷電量和集塵板的電場強度，下面進一步對影響這兩個指標的參數進行分解。

因為IFD集塵模塊高壓和接地極為平行電極，所以其電場強度可看做：

式中，E0——平均場強；

U——高壓板和接地電壓；

H——兩極板間距。

因此，選擇IFD集塵模塊合適的極間電壓和極間距，那么可以提高集塵性能。

一般空氣凈化器和空調中的荷電方式采用負離子進行擴散荷電，負離子通過放電針電暈放電產生。在飽和狀態(tài)下塵粒的荷電量按公式3計算：

式中：ε0——真空介電常數；

dc——粒徑；

Ef——放電極周圍的電場強度；

εp——塵粒的相對介電常數。

從公式3可以看出，影響塵粒荷電的主要因素是電場強度、塵粒直徑dc，所以在設計驗證中調節(jié)其電場強度即可提高塵粒的荷電效率。進一步的荷電電場強度依賴于荷電電極的電壓，參考公式2。

4 影響空氣凈化器潔凈空氣量的幾個關鍵因素分析

根據上述理論分析，從微觀上看，粒子運動模型上可明確IFD模塊、荷電模塊的極電壓、極間距將影響到顆粒物的被吸附能力。從宏觀上看，考慮空氣凈化器是一個室內氣流循環(huán)過濾的凈化過程，循環(huán)風量、負離子密度、模塊體積尺寸等都將影響到整體空氣凈化器的凈化性能。

空氣凈化器的關鍵性能指標是潔凈空氣量CADR，潔凈空氣量表征空氣凈化器能力的參數，用單位時間提供潔凈空氣的量值表示。為進一步了解到理論分析中各設計參數對除塵性能的影響趨勢以及影響程度，通過實際產品開發(fā)的空氣凈化器進行實驗驗證和研究。

圖1 IFD凈化模塊過濾器除塵原理

圖2 顆粒物運動模型示意圖

圖3 不同循環(huán)風量對潔凈空氣量影響的測試結果

圖4 不同IFD極間距和網孔長度對潔凈空氣量影響的測試結果

圖5 集塵模塊和荷電模塊不同工作電壓對潔凈空氣量影響的測試結果

圖6 整機外殼靜電積累排斥負電荷顆粒的示意圖

4.1 循環(huán)風量的影響

循環(huán)風量的增加使空氣凈化器能夠過濾更多的污染空氣，間接提高整機除PM2.5凈化效率。實際測試中通過調節(jié)風機的轉速從而改變空氣凈化器的循環(huán)風量，經測試基本上風量越大其潔凈空氣量程增大趨勢，測試結果如圖3所示。

通過測試統(tǒng)計，一般空氣凈化器采用IFD集塵模塊其潔凈空氣量可以達到循環(huán)風量的82%～95%，但增加循環(huán)風量的同時帶來整機噪音值的增加，設計時需兼顧考慮。

4.2 IFD模塊的網孔極間距及長度

如公式2所示，當集塵模塊極間距減小后，電場密度增強，且?guī)щ婎w粒物運動至IFD微孔內表面路徑減小，從而提高吸附顆粒物能力。同時，IFD模塊的微通道網孔長度也對塵埃顆粒物具有明顯影響，如果網孔長度較短，則以固定的循環(huán)氣流速度通過微孔通道，可能帶電顆粒物不能達到集塵板或牢固附著于集塵板中。通過圖4可知，由于場強的變化，極間距越小其凈化性能指標潔凈空氣量越大。微孔通道越長其潔凈空氣量整體趨勢越大，但是微孔通道達到一定長度后，其潔凈空氣量將趨于穩(wěn)定。

4.3 集塵模塊、荷電模塊工作電壓

在高壓電場下尖頭針電離空氣產生電子e-，電子與粉塵顆粒物碰撞從而荷電，釋放電子e-的量大小影響著凈化器集塵效率。而影響荷電模塊電子e-釋放的影響主要由電壓大小、極間距、放電針材料等。通過實驗驗證不同電壓下，集塵電壓上升至8000V左右時，其潔凈空氣量達到最高，此后再提高電壓，集塵效率未有明顯提高。荷電電壓在電暈電壓范圍內呈現此趨勢，如果荷電電壓過大至電弧放電，無法釋放有效的負離子導致潔凈空氣量低，同時需注意荷電電壓過大極容易產生過量的臭氧，臭氧對人體有嚴重的危害。

4.4 荷電模塊安裝位置影響

荷電模塊安裝位置越靠近出風口，越有利于負離子從整機風道中完全釋放出來，否則安裝位置在風道內部越遠離出風口則負離子越容易被周圍的注塑件吸附而形成帶負離子的靜電場，最終阻擋了負離子的釋放，從而影響潔凈空氣量測試結果，見表1。荷電模塊安裝位置的合理性，可以使用離子測試儀，通過測試距離出風口負離子濃度是否持續(xù)穩(wěn)定在某個設定值即可。負離子經風口吹出后很容易消失，通過實驗室研究測試建議負離子出風口濃度大于800萬pcs/cm3（負離子釋放量測試距離出風口100mm位置的離子量濃度）。

4.5 整機外殼的靜電屏蔽導致回風集塵失效

研究發(fā)現在荷電模塊和IFD集塵模塊的高壓電極的負高壓電場作用下，周圍的注塑件高分子材料具有靜電傳導（通過導電觸點傳導至塑料件）、感應靜電（塑料件在高壓電場下產生感應電荷）、靜電吸附（外殼吸附空氣中的負電荷）作用，使整機外殼均帶上較強的靜電荷。我們實測未經卸荷處理的外殼表面靜電變化如表2所示。

由于一般空氣凈化器沒有接地途徑去泄漏其表面積累的靜電，外殼的電荷密度逐漸增大，使得整個外殼都處于荷電狀態(tài)，外殼整體各處靜電電勢較大。這樣，循環(huán)氣流中已荷電顆粒物由于同性排斥作用難以趨近外殼和IFD集塵模塊。簡而言之，持續(xù)運行時會使外殼整體累積負電荷至穩(wěn)定，最終會阻止氣流中帶負電顆粒進入IFD集塵模塊，間接導致集塵電極吸附灰塵的能力下降，影響整機除塵效率，如圖6所示。

持續(xù)運行造成凈化效率衰減較為關鍵的原因是整機外殼靜電積累，故需從靜電的卸荷和減少靜電的累積方面進行優(yōu)化。針對于帶接地的空氣凈化器，可通過外殼接地進行卸荷，外殼材料推薦采用具有導電性能的材料，比如增加抗靜電劑。針對于不帶接地的空氣凈化器，其整機外殼以及與高壓電極接觸的結構件需采用抗高壓極化且材料表面電阻率高的材料。

我們分別使用對比加強靜電的卸荷、減少靜電的累積以及表面積累高密度靜電情況下進行對比測試，結果見表3,可以看出加強靜電卸荷和減少表面靜電累積可以改善對凈化性能的影響。

5 總結

一般的靜電集塵器其電極片直接裸露，采用電介質阻隔的強電場集塵模塊相對于常規(guī)的靜電除塵裝置，其具有安全可靠、凈化效果優(yōu)良等特點，隨著家庭需求的空氣凈化器和空調器質量要求越來越高，IFD集塵裝置的應用優(yōu)勢也越來越明顯。雖然IFD模塊的加工工藝及產品成熟度已經較高，但是實際產品開發(fā)過程中，一些設計技術因素仍是需要特別注意直接影響到除塵的凈化性能。整理上述研究結果，得知如下幾方面較為關鍵：

（1）設計目標潔凈空氣量需要匹配合適的循環(huán)風量，一般各參數設計穩(wěn)定后其潔凈空氣量可以達到循環(huán)風量的86%～95%。

（2）電場強度直接影響到顆粒物的荷電和被吸附能力，需要驗證合適的荷電模塊的極間距、極間電壓和集塵模塊的極間距、極間電壓，使在保證臭氧較低釋放、電氣安全等前提下，匹配到較為合適的集塵電場，建議極間電壓在5000～7000V范圍。

表1 荷電模塊距離出風口的不同安裝位置對潔凈空氣量影響的測試結果

表2 連續(xù)運行整機注塑外殼表面靜電值測試結果

表3 表面靜電對樣機連續(xù)運行后潔凈空氣量影響的測試結果

（3）一般在空氣凈化器和空調器中多采用擴散荷電，主要是設計方便、安全可靠，為保證荷電模塊產生的負離子充分擴散至空氣中，盡可能將荷電模塊設計在風道的靠近出風口位置。

（4）整機的外殼可能存在靜電累積現象，長時間累積后，人體觸摸可能導致電擊傷害，同時也會間接影響到凈化效果，所以設計過程中應考慮外殼靜電的卸荷處理和采用抗靜電的材料。

目前IFD集塵效果的驗證多依賴于實驗室的大量組合測試，欠缺更深入的理論對凈化性能指標潔凈空氣量轉換的研究。如何從理論上最大限度的匹配合適的極間距、極間電壓，以及如何提高其容塵量等，這些都是應用于空氣凈化器或空調器中值得繼續(xù)深入研究的關鍵問題。

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