蜂巢復(fù)合結(jié)構(gòu)高壓靜電除塵式車用PM顆粒濾清器設(shè)計(jì)

張君　姜少瑋　張鑫　卓靜

摘要：文章提出一種基于靜電除塵技術(shù)的車用PM顆粒濾清器。根據(jù)荷蘭科學(xué)家羅森加德的銅通靜電實(shí)驗(yàn)，針對現(xiàn)代環(huán)境污染的特點(diǎn)，即PM顆粒物濃度大、微粒小、難清除，結(jié)合高壓靜電除塵技術(shù)提出全新的車用PM顆粒濾清器，在不改變汽車現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的前提下，吸附類似于PM2.5之類的微小顆粒，具有電路簡單、清潔方便、可反復(fù)利用、外型美觀等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：銅通靜電；靜電除塵技術(shù)；蜂巢復(fù)合結(jié)構(gòu)；車用PM顆粒濾清器；環(huán)境污染 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：X701 文章編號：1009-2374（2015）29-0020-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.29.010

1 概述

隨著中國社會的迅速發(fā)展，由于人類不顧環(huán)境開發(fā)，忽略環(huán)保，造成近年來我國環(huán)境污染逐年加劇?？偨Y(jié)我國城市大氣污染具有以下特點(diǎn)：（1）總懸浮顆粒物含量高，包括可吸入顆粒物（PM級顆粒污染物）；（2）細(xì)菌的含量較大；（3）由于煤煙造成的污染比較嚴(yán)重。眾多的污染物中，可吸入顆粒物已成為我國部分城市空氣污染的主要因素之一，給人們的健康帶來了嚴(yán)重的安全隱患。如果顆粒物（PM）附著有毒金屬、致癌物質(zhì)和致病菌等，那么將產(chǎn)生更大的危害，大大提高某些疾病發(fā)病率和死亡率。

2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 普通的汽車空氣濾清器

現(xiàn)有的普通空氣濾清器只能起抑制灰塵和顆粒物進(jìn)入的作用，其主要由樹脂浸漬的紙質(zhì)材料和非織造布折疊而成，纖維對顆粒細(xì)小的微粒阻擋量低，灰塵積聚在濾材表層，容塵量低；過濾范圍小，只能過濾大顆粒污染物，對于PM級的顆粒幾乎沒有過濾作用；只是用幾層濾紙折疊而成，所以要定期更換，一般要求10000公里更換一次，造成資源浪費(fèi)；若到期不更換，灰塵吸附在其表面，

細(xì)菌滋生，有異味產(chǎn)生，嚴(yán)重影響駕乘人員的健康。

2.2 活性炭汽車空氣濾清器

活性炭材質(zhì)的空氣濾清器不僅可以過濾大部分的大顆粒污染物，對去除異味也有很好的效果。但是它的吸附量有一定的限制，在達(dá)到其飽和吸附值后即喪失吸附功能，因此活性炭粉含量越多的過濾材料吸附功能越強(qiáng)。但是活性炭粉的含量越大的材料可打褶的數(shù)量越少，影響進(jìn)風(fēng)量，過濾效果也大大降低，仍然需要定期更換，造成材料的浪費(fèi)。

2.3 光觸媒空氣濾清器

目前市場上除塵效果最好的是光觸媒空氣濾清器，但是光觸媒必須在光照條件下才能發(fā)揮作用，反應(yīng)速度相對較慢，且各類光觸媒產(chǎn)品的生產(chǎn)成本仍較高，價(jià)格昂貴，產(chǎn)品加工的工藝也不成熟。

2.4 車載空氣凈化器

車載空氣凈化器對PM級的顆粒也有較好的吸附效果，但是要定期更換，維護(hù)價(jià)格昂貴，只能對汽車內(nèi)部的空氣進(jìn)行凈化，無法阻擋室外污染空氣的進(jìn)入。

3 汽車空氣濾清器及其過濾材料的發(fā)展方向

汽車空氣濾清器的好壞關(guān)鍵取決于過濾材料，因此近年來各國針對過濾材料的研究和開發(fā)都給予了高度重視。吸收性良好的過濾材料必定會在汽車空氣濾清器上得到廣泛應(yīng)用，能夠過濾不同級別的粉塵顆粒，小至PM級別的微塵顆粒，同時(shí)對吸收異味以及有機(jī)氣體也有顯著的效果。未來的汽車空氣濾清器不再屬于一次性產(chǎn)品，不需要定期更換，濾清器在清潔后可重復(fù)使用，因此可清洗以及自清潔型過濾器同樣具有很好的發(fā)展前景。同時(shí)對PM級別的微小顆粒有極好的過濾作用，可以實(shí)現(xiàn)近百分之百的過濾。更重要的是環(huán)保無污染，價(jià)格還便宜，能夠廣泛普及。

4 蜂巢復(fù)合結(jié)構(gòu)高壓靜電除塵式車用PM顆粒濾清器設(shè)計(jì)

為了能高效便捷地過濾外界空氣中的污染物，尤其是極難吸附的PM級微塵顆粒，給駕乘者一個(gè)健康舒適的環(huán)境，我們設(shè)想出一種“蜂巢復(fù)合結(jié)構(gòu)高壓靜電除塵式車用PM顆粒濾清器”，可以吸附類似于PM2.5之類的微小顆粒，具有電路簡單、可反復(fù)利用、外型美觀等優(yōu)點(diǎn)，具體設(shè)計(jì)原理如下：

第一，螺旋蜂巢式極板結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)：（1）能夠保證充足的進(jìn)氣量；（2）能夠使空氣充分電離；（3）能夠使被電離的粒子與極板充分接觸，除塵效果更好。

第二，極板根據(jù)不同金屬對不同級別顆粒的吸附作用，采用多種材料復(fù)合，使過濾層次更加明顯：（1）引用荷蘭科學(xué)家羅森加德博士的銅通靜電實(shí)驗(yàn)，能夠去除PM2.5這樣的微小顆粒；（2）由外到內(nèi)依次采用鋁、鎳、銅三種不同金屬做三層極板（鋁板針對于大顆粒污染物，鎳板對PM10的吸附效果較好，銅板對PM2.5甚至更小的PM1有較好的吸附效果），最后用銅網(wǎng)過濾PM2.5，形成的三層蜂巢結(jié)構(gòu)。

第三，高壓靜電除塵實(shí)驗(yàn)：（1）原理：用電暈線陰極高壓放電，使進(jìn)入的空氣被電離，產(chǎn)生負(fù)離子，負(fù)離子在外電場力的作用下向周圍的極板運(yùn)動(dòng)，同時(shí)在運(yùn)動(dòng)過程中與微塵顆粒碰撞，并帶動(dòng)微塵顆粒向極板運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到將所有微小顆粒全部除盡的效果。原理圖如圖1所示；（2）如何產(chǎn)生高壓：汽車蓄電池電源電壓為12V的直流電，通過LC振蕩電路變?yōu)?2V的交流電，再經(jīng)過變壓器升為高壓的交流電，然后經(jīng)過整流器變?yōu)楦邏旱闹绷麟?，最后接到陰極電暈線上。

圖1

5 制作過程

5.1 濾網(wǎng)的制作

第一層采用普通的活性炭濾紙對空氣進(jìn)行初步過濾，不但可以去除灰塵以及顆粒較大的污染物，還可以有效去除空氣中的異味。同時(shí)可以起到勻風(fēng)的作用，為空氣在接下來的電暈過程中與金屬過濾網(wǎng)充分接觸奠定基礎(chǔ)。然后，采用多層復(fù)合材料，從上至下依次為鋁、鎳、銅，針對不同粒徑的微粒進(jìn)行分層次過濾，保證能夠充分去除污染顆粒。三層蜂巢結(jié)構(gòu)如圖2所示。

最后采用細(xì)孔銅網(wǎng)對空氣進(jìn)行最后過濾，做到消除殘余PM顆粒物等有害物質(zhì)。

5.2 電暈線的制作

采用普通電暈線進(jìn)行陰極放電，使其高度與三層金屬網(wǎng)的高度相同。電暈線的布置原則是每根電暈線均插在各蜂窩形極板蜂窩孔的正中間。讓電暈線的一端與陰極針架點(diǎn)焊接。最終陰極針架通過導(dǎo)線與整流電路相連接，構(gòu)成放電電路。

電暈線與金屬網(wǎng)的裝配方法：在陰極針架上安裝固定絕緣子，然后將其固定在金屬網(wǎng)上，如圖3所示。

圖2 圖3

5.3 外殼的制作

采用輕質(zhì)塑料，做成絕緣外殼，將各濾網(wǎng)依次安裝在殼體內(nèi)，減少整體質(zhì)量使其輕便美觀。本濾清器的整體大小與汽車普通空氣濾清器的尺寸相近，為了便于直接安裝在汽車上，將其大小定為22mm×20mm。

6 結(jié)語

汽車空氣濾清器是保護(hù)汽車駕乘室進(jìn)氣的第一道屏障，相當(dāng)于汽車乘駕人員的總口罩，在污染嚴(yán)重的大環(huán)境下，蜂巢復(fù)合結(jié)構(gòu)高壓靜電除塵式車用PM顆粒濾清器普及應(yīng)用是必然的。高效的過濾材料、輕質(zhì)耐用的材料、可反復(fù)利用的材料以及環(huán)保材料等新型過濾器材料的普及將是未來的發(fā)展方向，我國的相關(guān)企業(yè)應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)原創(chuàng)技術(shù)的開發(fā)力度，鼓勵(lì)科技創(chuàng)新，更好地為國內(nèi)外汽車產(chǎn)業(yè)提供新型的國產(chǎn)過濾材料。在本作品的完成中，導(dǎo)師：沈陽理工大學(xué)汽車與交通學(xué)院講師劉征老師給予了我們極大的幫助，在此表示非常感謝。

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基金項(xiàng)目：本文由沈陽理工大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目資助，項(xiàng)目編號：14qc002。

作者簡介：張君（1992-），女，遼寧大連人，就讀于沈陽理工大學(xué)汽車與交通學(xué)院。

（責(zé)任編輯：周 瓊）