車載空氣凈化器的設(shè)計(jì)與性能研究

王 領(lǐng) 何志超 張 巖 李 彬 王曉妮

（空調(diào)設(shè)備及系統(tǒng)運(yùn)行節(jié)能國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 珠海 519070）

引言

隨著時(shí)代發(fā)展，以及人們生活水平的提高，汽車逐步成為人們出行的主要交通工具，因此車內(nèi)空氣質(zhì)量也越來越被消費(fèi)者所關(guān)注[1]。相關(guān)研究表明[2]，車內(nèi)空氣污染程度是城市空氣污染的10倍。在車輛行駛過程中，由于車外空氣質(zhì)量和車內(nèi)人員吸煙等因素的影響，導(dǎo)致車內(nèi)的浮塵、細(xì)菌和有毒有害氣體的濃度過高，危害人體健康[3]。再者由于汽車在制作過程中，使用了塑料泡沫劑，以及大量的皮革等材料，導(dǎo)致車內(nèi)空氣質(zhì)量較差；特別是溫度較高的暴曬條件，皮革會(huì)揮發(fā)出強(qiáng)烈的苯，甲醛等有害物質(zhì)，對(duì)駕駛?cè)藛T的身體健康造成了二次傷害[4]。

為改善車內(nèi)空氣質(zhì)量問題，凈化車內(nèi)空氣；大量不同類型的車載空氣凈化器應(yīng)運(yùn)而生。目前市場(chǎng)上車載空氣凈化器[5]，很多都存在產(chǎn)品尺寸過大、顆粒物CADR值偏低、功能存在缺陷、濾網(wǎng)利用率不到等問題[6]。例如上進(jìn)風(fēng)前出風(fēng)的循環(huán)模式，導(dǎo)致該濾網(wǎng)的利用效率較低，進(jìn)而影響性能。

目前市場(chǎng)上車載空氣凈化器種類較多，按原理主要分為四類[7]：濾網(wǎng)式、集塵式、臭氧、負(fù)離子；本文將綜合市場(chǎng)上車載空氣凈化器的優(yōu)缺點(diǎn)，同時(shí)兼顧其應(yīng)用場(chǎng)景和用戶舒適性等因素，設(shè)計(jì)一款結(jié)構(gòu)尺寸小，凈化性能高，附帶殺病毒功能的車載空氣凈化器；增加車載空氣凈化器的市場(chǎng)豐富性，為消費(fèi)者提供更多選擇。

1 車載空氣凈化器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

產(chǎn)品設(shè)計(jì)主要包括風(fēng)機(jī)的選用，循環(huán)方式的選擇，以及整機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)等三大主要板塊[7]，其他零部件均需要以以上三大結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)與安裝。

1.1 風(fēng)機(jī)選用

風(fēng)機(jī)是樣機(jī)性能參數(shù)的重要零部件，在選用風(fēng)機(jī)時(shí)，需考慮風(fēng)速、風(fēng)壓及與整機(jī)裝配，同時(shí)還要考慮產(chǎn)品的尺寸要求。一般普通家用汽車車內(nèi)空間為（3～5）m3，考慮到駕駛員以及乘客抽煙情況，車外揚(yáng)塵等因素，綜合以上因素，選用大風(fēng)量離心風(fēng)機(jī)。這款風(fēng)機(jī)額定電壓為12 V，結(jié)構(gòu)小巧，噪音小、散熱效果好。

1.2 循環(huán)方式設(shè)計(jì)

循環(huán)方式的選擇對(duì)樣機(jī)的性能有直接影響，目前市場(chǎng)上車載常用的是上進(jìn)風(fēng)，前后或者左右出風(fēng)的方式，但是這種循環(huán)方式在降低濾網(wǎng)的使用效率的同時(shí)，還會(huì)增加整機(jī)尺寸高度。本文結(jié)合以上因素，設(shè)計(jì)一款上四周進(jìn)風(fēng)，下四周出風(fēng)的特殊循環(huán)方式，并同時(shí)將有弧度濾網(wǎng)放在風(fēng)機(jī)出風(fēng)口的合適位置。這種循環(huán)方式可以區(qū)分進(jìn)風(fēng)和出風(fēng)的流場(chǎng)，能夠更好的與車內(nèi)空間進(jìn)行空氣交換，提高凈化效率，同時(shí)濾網(wǎng)的放置也充分利用了整個(gè)濾網(wǎng)面積，降低了整機(jī)的尺寸高度。

1.3 新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及相關(guān)特點(diǎn)分析

目前市場(chǎng)上常用的結(jié)構(gòu)為上下疊加方式，從上至下依次為上蓋，過濾網(wǎng)，底殼，風(fēng)機(jī)，底板；該結(jié)構(gòu)會(huì)大大增加產(chǎn)品本身的高度，同時(shí)還會(huì)降低濾網(wǎng)的使用效率，如圖1所示，產(chǎn)品為上進(jìn)風(fēng)前出風(fēng)的循環(huán)方式；其中濾網(wǎng)呈正方形，覆蓋在圓形的帶殼離心風(fēng)機(jī)上，風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，循環(huán)空氣通過濾網(wǎng)的中心位置，這導(dǎo)致濾網(wǎng)的四角沒有被充分利用，該結(jié)果導(dǎo)致濾網(wǎng)的使用壽命變短，產(chǎn)品的整機(jī)凈化效果變差[8,9]。

圖1 市場(chǎng)車載空氣凈化器

本文設(shè)計(jì)一款新的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，充分考慮以上缺點(diǎn)，將風(fēng)機(jī)放置在底殼固定，濾網(wǎng)做成弧形，擺放在風(fēng)機(jī)出風(fēng)口合適位置，上面設(shè)計(jì)成四周進(jìn)風(fēng)的環(huán)形上蓋，以上裝置構(gòu)成了一套風(fēng)機(jī)系統(tǒng)，如圖2所示，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)降低的整機(jī)高度，濾網(wǎng)面積基本全部被利用，整機(jī)凈化效率有所提高，同時(shí)延長(zhǎng)濾網(wǎng)壽命。

圖2 新型車載空氣凈化器

產(chǎn)品還自帶了儲(chǔ)電量為2 500 mAh充電電池，放置在產(chǎn)品最前端的電器盒里；該電器盒內(nèi)側(cè)呈弧形，與風(fēng)機(jī)形成的流場(chǎng)契合。風(fēng)機(jī)上端為遮擋板，該裝置能夠與底座扣合，同時(shí)密封電器盒；遮擋板兩側(cè)有弧形口，用于安裝弧形濾網(wǎng)。產(chǎn)品頂端是懸浮板和上蓋面板的組合件，通過上蓋面板后端的卡扣和前端的磁鐵固定在遮擋板上。以上結(jié)構(gòu)組合成了本文設(shè)計(jì)的樣機(jī)，尺寸為180*160*58 mm。

2 性能測(cè)試

2.1 實(shí)驗(yàn)部分

2.1.1 顆粒物潔凈空氣量實(shí)驗(yàn)

將車載凈化器置于3 m3試驗(yàn)艙中，按GB/T18801-2015《空氣凈化器》標(biāo)準(zhǔn)注入一定濃度的顆粒物（0.3 μm 以上顆粒物初始濃度 2×106個(gè)/升），車載凈化器連續(xù)運(yùn)20 min，每2 min記錄顆粒物數(shù)值，并計(jì)算顆粒物的衰減濃度及顆粒物潔凈空氣量（Clean air Delivery Rate，CADR），研究空氣凈化器提供潔凈空氣的速率。

2.1.2 氣態(tài)污染物潔凈空氣量實(shí)驗(yàn)

將車載凈化器置于3 m3試驗(yàn)艙中，按GB/T18801-2015《空氣凈化器》標(biāo)準(zhǔn)注入一定濃度的顆粒物甲醛氣態(tài)污染物（初始濃度：甲醛 1 mg/m3），車載凈化器連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)60 min，每2 min記錄顆粒物數(shù)值，最后計(jì)算車載凈化器對(duì)甲醛物質(zhì)的凈化效果。

2.1.3 病毒殺滅試驗(yàn)

將車載凈化器置于3 m3試驗(yàn)艙中，參照《消毒技術(shù)規(guī)范》（2002年版），注入一定濃度病毒接種液，待背景濃度達(dá)到規(guī)定值后，車載空凈開啟高風(fēng)擋進(jìn)行循環(huán)凈化，運(yùn)行90 min后，記錄病毒數(shù)值。實(shí)驗(yàn)分為對(duì)照組和實(shí)驗(yàn)組分別進(jìn)行，采用甲型流感病毒A/PR8/34（H1N1），腸道病毒EV71，冠狀病毒HCoV-229E。該部分實(shí)驗(yàn)由廣州市微生物研究所有限公司完成。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

通過以上實(shí)驗(yàn)，得出相關(guān)測(cè)試，并通過數(shù)據(jù)繪制了顆粒物和甲醛污染物濃度衰減曲線，如圖3，圖4；從顆粒物污染物衰減曲線中可以發(fā)現(xiàn)，隨著時(shí)間的增加，車載空凈通過濾網(wǎng)攔截，持續(xù)的凈化實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)膽污染物，前10 min凈化速率較快，后續(xù)速率變慢，可能是因?yàn)榕搩?nèi)污染物濃度下降，導(dǎo)致污染物凈化器梯度不明顯；或者車載空氣凈化器的濾網(wǎng)表面附著大量顆粒物，導(dǎo)致濾網(wǎng)凈化器效果不明顯。通過相關(guān)計(jì)算公式得到顆粒物潔凈空氣量為18.46 m3/h。

圖3 顆粒物污染物濃度衰減曲線

圖4 甲醛污染物濃度衰減曲線

通過分析甲醛污染物衰減曲線，艙內(nèi)總體甲醛濃度在持續(xù)下降，濾網(wǎng)分解甲醛機(jī)理為：濾網(wǎng)表面的除醛活性炭利用手相不對(duì)稱Darzens反向催化反應(yīng)將甲醛氣態(tài)污染物常溫高效轉(zhuǎn)化為無害的羥酸等物質(zhì)。再利用納米構(gòu)造技術(shù)和非極性材料斥水汽特性，在單分子擔(dān)載雙氨基酸來實(shí)現(xiàn)對(duì)甲醛的完全轉(zhuǎn)換。通過計(jì)算每次取樣的甲醛濃度，得出甲醛潔凈空氣量為12.6 m3/h。

車載空氣凈化器的病毒殺滅試驗(yàn)是通過委托外部測(cè)試得出試驗(yàn)結(jié)論[10]，根據(jù)表1中數(shù)據(jù)可知，車載空氣凈化器對(duì)流感病毒、腸道病毒和冠狀病毒的殺滅率均在99.9 %以上，效果明顯。

表1 車載空氣凈化器病毒殺滅率統(tǒng)計(jì)表

根據(jù)以上測(cè)試結(jié)果，結(jié)合市場(chǎng)調(diào)研情況，繪制車載空氣凈化器各指標(biāo)對(duì)比表，如表2所示，結(jié)合表中數(shù)據(jù)，綜合考慮各項(xiàng)性能指標(biāo)，本產(chǎn)品具有明顯優(yōu)勢(shì)。

表2 車載空氣凈化器各指標(biāo)對(duì)比表

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種新式車載空氣凈化器，并在風(fēng)機(jī)選型，循環(huán)方式，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面和市場(chǎng)上現(xiàn)有產(chǎn)品進(jìn)行對(duì)比，綜合分析了各因素對(duì)整機(jī)尺寸，凈化效率的影響，并通過性能試驗(yàn)，得出本設(shè)計(jì)新型產(chǎn)品的各項(xiàng)指標(biāo)，即尺寸為180*160*58 mm，顆粒物潔凈空氣量為18.46 m3/h，甲醛潔凈空氣量為12.6 m3/h，同時(shí)對(duì)流感病毒、腸道病毒和冠狀病毒的殺滅率均在99.9 %以上；結(jié)合市場(chǎng)現(xiàn)有樣機(jī)指標(biāo)，該新型樣機(jī)指標(biāo)有較大優(yōu)勢(shì)，處于行業(yè)前列。

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中，樣機(jī)的尺寸不能無限追求小巧，需要同時(shí)考慮噪聲等因素，因此在后續(xù)開發(fā)新型車載空氣凈化器過程中，需要綜合考慮相關(guān)矛盾因素的影響。