蜂巢复合结构高压静电除尘式车用PM颗粒滤清器设计

摘要：文章提出一种基于静电除尘技术的车用PM颗粒滤清器。根据荷兰科学家罗森加德的铜通静电实验，针对现代环境污染的特点，即PM颗粒物浓度大、微粒小、难清除，结合高压静电除尘技术提出全新的车用PM颗粒滤清器，在不改变汽车现有结构的前提下，吸附类似于PM2.5之类的微小颗粒，具有电路简单、清洁方便、可反复利用、外型美观等优点。

关键词：铜通静电；静电除尘技术；蜂巢复合结构；车用PM颗粒滤清器；环境污染 文献标识码：A

中图分类号：X701 文章编号：1009-2374（2015）29-0020-02 DOI：10.13535/ki.11-4406/n.2015.29.010

1 概述

随着中国社会的迅速发展，由于人类不顾环境开发，忽略环保，造成近年来我国环境污染逐年加剧。总结我国城市大气污染具有以下特点：（1）总悬浮颗粒物含量高，包括可吸入颗粒物（PM级颗粒污染物）；（2）细菌的含量较大；（3）由于煤烟造成的污染比较严重。众多的污染物中，可吸入颗粒物已成为我国部分城市空气污染的主要因素之一，给人们的健康带来了严重的安全隐患。如果颗粒物（PM）附着有毒金属、致癌物质和致病菌等，那么将产生更大的危害，大大提高某些疾病发病率和死亡率。

2 国内外发展现状

2.1 普通的汽车空气滤清器

现有的普通空气滤清器只能起抑制灰尘和颗粒物进入的作用，其主要由树脂浸渍的纸质材料和非织造布折叠而成，纤维对颗粒细小的微粒阻挡量低，灰尘积聚在滤材表层，容尘量低；过滤范围小，只能过滤大颗粒污染物，对于PM级的颗粒几乎没有过滤作用；只是用几层滤纸折叠而成，所以要定期更换，一般要求10000公里更换一次，造成资源浪费；若到期不更换，灰尘吸附在其表面，

细菌滋生，有异味产生，严重影响驾乘人员的健康。

2.2 活性炭汽车空气滤清器

活性炭材质的空气滤清器不仅可以过滤大部分的大颗粒污染物，对去除异味也有很好的效果。但是它的吸附量有一定的限制，在达到其饱和吸附值后即丧失吸附功能，因此活性炭粉含量越多的过滤材料吸附功能越强。但是活性炭粉的含量越大的材料可打褶的数量越少，影响进风量，过滤效果也大大降低，仍然需要定期更换，造成材料的浪费。

2.3 光触媒空气滤清器

目前市场上除尘效果最好的是光触媒空气滤清器，但是光触媒必须在光照条件下才能发挥作用，反应速度相对较慢，且各类光触媒产品的生产成本仍较高，价格昂贵，产品加工的工艺也不成熟。

2.4 车载空气净化器

车载空气净化器对PM级的颗粒也有较好的吸附效果，但是要定期更换，维护价格昂贵，只能对汽车内部的空气进行净化，无法阻挡室外污染空气的进入。

3 汽车空气滤清器及其过滤材料的发展方向

汽车空气滤清器的好坏关键取决于过滤材料，因此近年来各国针对过滤材料的研究和开发都给予了高度重视。吸收性良好的过滤材料必定会在汽车空气滤清器上得到广泛应用，能够过滤不同级别的粉尘颗粒，小至PM级别的微尘颗粒，同时对吸收异味以及有机气体也有显著的效果。未来的汽车空气滤清器不再属于一次性产品，不需要定期更换，滤清器在清洁后可重复使用，因此可清洗以及自清洁型过滤器同样具有很好的发展前景。同时对PM级别的微小颗粒有极好的过滤作用，可以实现近百分之百的过滤。更重要的是环保无污染，价格还便宜，能够广泛普及。

4 蜂巢复合结构高压静电除尘式车用PM颗粒滤清器设计

为了能高效便捷地过滤外界空气中的污染物，尤其是极难吸附的PM级微尘颗粒，给驾乘者一个健康舒适的环境，我们设想出一种“蜂巢复合结构高压静电除尘式车用PM颗粒滤清器”，可以吸附类似于PM2.5之类的微小颗粒，具有电路简单、可反复利用、外型美观等优点，具体设计原理如下：

第一，螺旋蜂巢式极板结构的设计：（1）能够保证充足的进气量；（2）能够使空气充分电离；（3）能够使被电离的粒子与极板充分接触，除尘效果更好。

第二，极板根据不同金属对不同级别颗粒的吸附作用，采用多种材料复合，使过滤层次更加明显：（1）引用荷兰科学家罗森加德博士的铜通静电实验，能够去除PM2.5这样的微小颗粒；（2）由外到内依次采用铝、镍、铜三种不同金属做三层极板（铝板针对于大颗粒污染物，镍板对PM10的吸附效果较好，铜板对PM2.5甚至更小的PM1有较好的吸附效果），最后用铜网过滤PM2.5，形成的三层蜂巢结构。

第三，高压静电除尘实验：（1）原理：用电晕线阴极高压放电，使进入的空气被电离，产生负离子，负离子在外电场力的作用下向周围的极板运动，同时在运动过程中与微尘颗粒碰撞，并带动微尘颗粒向极板运动，从而达到将所有微小颗粒全部除尽的效果。原理图如图1所示；（2）如何产生高压：汽车蓄电池电源电压为12V的直流电，通过LC振荡电路变为12V的交流电，再经过变压器升为高压的交流电，然后经过整流器变为高压的直流电，最后接到阴极电晕线上。

5 制作过程

5.1 滤网的制作

第一层采用普通的活性炭滤纸对空气进行初步过滤，不但可以去除灰尘以及颗粒较大的污染物，还可以有效去除空气中的异味。同时可以起到匀风的作用，为空气在接下来的电晕过程中与金属过滤网充分接触奠定基础。然后，采用多层复合材料，从上至下依次为铝、镍、铜，针对不同粒径的微粒进行分层次过滤，保证能够充分去除污染颗粒。三层蜂巢结构如图2所示。

最后采用细孔铜网对空气进行最后过滤，做到消除残余PM颗粒物等有害物质。

5.2 电晕线的制作

采用普通电晕线进行阴极放电，使其高度与三层金属网的高度相同。电晕线的布置原则是每根电晕线均插在各蜂窝形极板蜂窝孔的正中间。让电晕线的一端与阴极针架点焊接。最终阴极针架通过导线与整流电路相连接，构成放电电路。

电晕线与金属网的装配方法：在阴极针架上安装固定绝缘子，然后将其固定在金属网上，如图3所示。

5.3 外壳的制作

采用轻质塑料，做成绝缘外壳，将各滤网依次安装在壳体内，减少整体质量使其轻便美观。本滤清器的整体大小与汽车普通空气滤清器的尺寸相近，为了便于直接安装在汽车上，将其大小定为22mm×20mm。

6 结语

汽车空气滤清器是保护汽车驾乘室进气的第一道屏障，相当于汽车乘驾人员的总口罩，在污染严重的大环境下，蜂巢复合结构高压静电除尘式车用PM颗粒滤清器普及应用是必然的。高效的过滤材料、轻质耐用的材料、可反复利用的材料以及环保材料等新型过滤器材料的普及将是未来的发展方向，我国的相关企业应当加强原创技术的开发力度，鼓励科技创新，更好地为国内外汽车产业提供新型的国产过滤材料。在本作品的完成中，导师：沈阳理工大学汽车与交通学院讲师刘征老师给予了我们极大的帮助，在此表示非常感谢。

参考文献

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作者简介：张君（1992-），女，辽宁大连人，就读于沈阳理工大学汽车与交通学院。