一種新型靜電除塵型空氣凈化器設(shè)計(jì)

沈雨帆， 秦會(huì)斌， 胡永才

(杭州電子科技大學(xué)，浙江 杭州 310018)

?

一種新型靜電除塵型空氣凈化器設(shè)計(jì)

沈雨帆， 秦會(huì)斌， 胡永才

(杭州電子科技大學(xué)，浙江 杭州 310018)

摘要:分析并探討了國內(nèi)空氣凈化器現(xiàn)狀，結(jié)合理論和實(shí)際，提出了需要改進(jìn)的不足之處。設(shè)計(jì)了一種以CY8C27443單片機(jī)為控制核心、結(jié)合多種傳感器的空氣凈化系統(tǒng)。主要通過高壓除塵裝置對室內(nèi)空氣進(jìn)行凈化，并可結(jié)合其他不同模塊，滿足凈化需求。運(yùn)用自行研發(fā)的高壓電源，通過改變PWM方波的占空比精準(zhǔn)控制電壓，避免打火。該空氣凈化器適用于不同環(huán)境，并可通過傳感器自適應(yīng)調(diào)整工作電壓，達(dá)到最高效率。經(jīng)實(shí)際使用證明：該凈化器運(yùn)行效果良好，具有安全系數(shù)高、綠色環(huán)保、便于操作等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：空氣凈化器； 可編程片上系統(tǒng)； 靜電集塵； 脈寬調(diào)制； 自適應(yīng)

0引言

隨著生活質(zhì)量的提高，人們開始對食品安全、水質(zhì)、空氣質(zhì)量提出了新的要求。研究表明，在日常生活中，多數(shù)人有80 %的時(shí)間生活在室內(nèi)，由此，室內(nèi)空氣質(zhì)量問題得到了越來越多的公眾關(guān)注，改善空氣質(zhì)量問題的方式和方法也得到了進(jìn)一步的研究[1]。靜電集塵技術(shù)適用于不同的溫度、濕度、機(jī)器尺寸要求，并可搭配其他空氣凈化技術(shù)。空氣凈化效率與集塵裝置的設(shè)計(jì)、粉塵半徑、粉塵濃度以及風(fēng)量等有關(guān)，此技術(shù)之前主要應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域，后期經(jīng)過不斷的研究，現(xiàn)已適用于家庭、辦公。

本文設(shè)計(jì)了一種新型靜電除塵空氣凈化器，經(jīng)實(shí)用證明：該凈化器具有安全、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。

1靜電集塵型空氣凈化器基本原理

靜電集塵裝置采用正極作為放電電極，使空氣中的污染顆粒物被電離而帶上正電荷。這些帶有正電荷的粒子，在庫侖力的作用下，從空氣中分離出來，被吸附在集塵區(qū)。

電離區(qū)工作原理大同小異，一般室內(nèi)靜電式凈化器采用正電暈放電，并用細(xì)金屬絲作為放電電極，這樣可以減少臭氧發(fā)生量，避免產(chǎn)生二次污染[2]。微粒進(jìn)入集塵區(qū)之后，在電場力的作用下，塵粒會(huì)被帶上不同極性的電荷，然后分別向極性相反的電極運(yùn)動(dòng)，并沉積在電極上。粉塵在電場中的運(yùn)動(dòng)軌跡受自身重力、風(fēng)速、電場強(qiáng)度、器件尺寸等影響。

電場作用在塵粒上的庫倫力

F=Eeqps,

(1)

式中qps為塵粒的所帶荷電量，C；Ee為荷電區(qū)的電場強(qiáng)度，V/m。

粉塵本身重力可忽略不計(jì)，其運(yùn)動(dòng)軌跡類似電子在電場中的運(yùn)動(dòng)軌跡，如圖1所示。

圖1　粉塵在電場中的運(yùn)動(dòng)軌跡Fig 1　Motion paths of dusts in electric field

若希望提高微粒捕捉能力，則可以加長集塵區(qū)長度L，減小集塵區(qū)間隙D，降低粉塵移動(dòng)速度(即風(fēng)速v)或增大電勢差U(從而改變電場強(qiáng)度)。對于給定尺寸的家用凈化器，集塵區(qū)長度L已有所限制；同時(shí)要求滿足至少3 m3/min的空氣凈化效率，即風(fēng)速大概在1 m/s左右。減小集塵區(qū)間隙D和增大電勢差U為所剩的可行方案。

然而，電場強(qiáng)度和集塵區(qū)間隙并不是可以任意改變的，高壓電能夠電離氣體分子，使之成為離子，而離子可以導(dǎo)電。在mm級別的間隔中，上萬伏的電壓有時(shí)就可使空氣急速地發(fā)生破裂或分解，完全失去絕緣性能；從而出現(xiàn)火花[3]。持續(xù)的火花不僅會(huì)對凈化器本身產(chǎn)生損害；產(chǎn)生啪啪啪的聲音，影響用戶體驗(yàn)；若周圍有易燃易爆的氣體，可能導(dǎo)致嚴(yán)重危險(xiǎn)。與此同時(shí)，在不同外界條件下，對于給定的間隙D，擊穿電壓也會(huì)發(fā)生很大的變化。濕度和壓強(qiáng)對氣體放電有很大的影響。隨著空氣濕度的增加，空氣中所含的水分子增加，電離系數(shù)、光子吸收系數(shù)隨之增大，電子的漂移速度也隨之增大。總之，在mm級的板—板間隙情況下，濕度的升高會(huì)帶來擊穿電壓的下降。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)表明：不同地區(qū)的大氣壓強(qiáng)不同，對空氣擊穿也有顯著的影響。海拔高的地區(qū)，大氣壓較小，擊穿電壓下降。

2系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本文對市場上現(xiàn)有的空氣凈化器上進(jìn)行改進(jìn)，重新設(shè)計(jì)制作了高壓發(fā)生器，并調(diào)整了集塵區(qū)的結(jié)構(gòu)，提高了集塵效率并且更為安全、節(jié)能。凈化器適用于各海拔地區(qū)，在不同濕度條件下都可工作；一旦開啟，就會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)至最適合的電壓完成自適應(yīng)，具有學(xué)習(xí)、記憶功能。

空氣凈化流程如圖2所示。

在風(fēng)扇的驅(qū)動(dòng)下，污濁的空氣首先經(jīng)過初級濾網(wǎng)和HEPA網(wǎng)(HEPA網(wǎng)屬于耗材，更換費(fèi)用較高，客戶可自行決定是否安裝)，進(jìn)行初步凈化；然后通過含有四針狀氧化鋅晶須、活性炭、沸石的甲醛過濾網(wǎng)，從而彌補(bǔ)靜電集塵式空氣凈化器無法去除甲醛的缺點(diǎn)(甲醛過濾網(wǎng)主要應(yīng)用于新裝修的場地，客戶亦可自行拆除)。空氣隨后進(jìn)入電離區(qū)和集塵區(qū)，得到進(jìn)一步的除塵，最終凈化為清凈空氣[4]。

電離區(qū)、集塵區(qū)設(shè)計(jì)如圖3所示(俯視)。其中，圓為細(xì)金屬絲，連接至10 kV電壓；豎線為金屬板，部分接地，部分連接2～5 kV的可變電壓。相比市面上的集塵裝置，集塵區(qū)設(shè)計(jì)的更為緊密，板—板之間的縫隙為5 mm。這是因?yàn)榧瘔m區(qū)的電壓可以根絕客觀環(huán)境的不同而自適應(yīng)(避免打火)，從而提高了集塵的效率。

圖3　電離區(qū)與集塵區(qū)結(jié)構(gòu)Fig 3　Structure of ionized region and dust collectionregion

可變電壓由CPU通過調(diào)節(jié)PWM占空比進(jìn)行控制，程序邏輯如圖4所示。

圖4　電源主程序Fig 4　Main program of power supply

空氣凈化器在判定需要工作后，先檢測室內(nèi)濕度，從2 kV開始提高電壓，直至出現(xiàn)打火，然后再逐步降低電壓。通過這種方式，使凈化器工作效率保持安全情況下的最高。凈化器設(shè)有復(fù)位鍵，當(dāng)工作地點(diǎn)發(fā)生改變，例如:低海拔地區(qū)移至高海拔地區(qū)時(shí)，即可讓機(jī)器再次重新獲得工作曲線。鑒于程序設(shè)定，亦推薦每隔1～2周，復(fù)位1次。

3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1單片機(jī)與傳感器

系統(tǒng)組成如圖5所示。

圖5　系統(tǒng)組成Fig 5　Composition of system

采用CYPRESS公司的CY8C27443芯片，其具有12個(gè)模擬PSoC模塊，8個(gè)數(shù)字PSoC模塊；技術(shù)成熟，價(jià)格低廉，適用于各種工作環(huán)境。采用HR202L濕敏電阻器，可滿足凈化器所需，響應(yīng)時(shí)間也適合家用除塵。采用GP2Y1010AU0F灰塵傳感器，其中心有小孔可讓空氣自由流過，內(nèi)部定向發(fā)射LED光，通過檢測經(jīng)過灰塵折射過后的光線來判斷空氣中灰塵的含量。采用5516光敏電阻器，鑒于空氣凈化器內(nèi)部類似一個(gè)暗箱，將光敏電阻器放置于電離區(qū)附近，若空氣出現(xiàn)擊穿打火，則可以通過光敏電阻捕捉這一信號(hào)，從而調(diào)整電壓。

3.2高壓發(fā)生電路

高壓發(fā)生器輸入電壓范圍為180～240 V，輸入電流最大約60 mA,額定功率15 W,有兩路輸出：A路輸出電壓10 kV；B路輸出最高電壓5 kV，具體輸出電壓的大小由CPU通過PWM占空比進(jìn)行控制[5]。B路具體如圖6所示，Vin信號(hào)由CY8C27443芯片提供，為5 V方波，頻率為2 kHz，占空比可變。VCC為5 V電源，電感匝數(shù)比為1∶2000。理想條件占空比和Vout關(guān)系可參考下表1。A路電路結(jié)構(gòu)與B路類似，匝數(shù)比調(diào)整為1∶3000，占空比位67 %[6]。實(shí)物制作中考慮到電路的損耗等，占空比相應(yīng)提高2 %～5 %。

圖6　高壓發(fā)生電路Fig 6　High voltage generating circuit

占空比(%)輸出電壓(V)505000??303000??202000

4實(shí)驗(yàn)測試

實(shí)物如圖7所示，為展示內(nèi)在構(gòu)造，樣品外殼為有機(jī)玻璃。實(shí)際產(chǎn)品外部為塑料，以確保內(nèi)部為暗箱。

選用兩間房屋結(jié)構(gòu)完全相同，朝向樓層一致，空間體積大約50 m3的房間，作為空氣凈化器使用效果測試場地。使用油漆作為揮發(fā)性有機(jī)物發(fā)生源；蚊香、香煙作為顆粒物發(fā)生源。為模擬日常生活中通風(fēng)的狀態(tài)，兩間房間均在開始記錄數(shù)據(jù)后打開門窗。使用TSI8532檢測室內(nèi)PM 2.5的濃度變化，并同時(shí)檢測TVOC[7]。實(shí)驗(yàn)時(shí)室內(nèi)溫度21 ℃，濕度38 %RH，氣壓1 016 hPa，微風(fēng)；空氣凈化器配有抽風(fēng)量為6 m3/min的雙滾珠風(fēng)扇；對照組配有相同的風(fēng)扇。PM 2.5與TVOC濃度實(shí)時(shí)變化狀況如圖8、圖9所示。

圖7　空氣凈化器實(shí)物圖Fig 7　Physical map of air purifier

圖8　空氣凈化效果對照(PM 2.5)Fig 8　Comparison chart of air purification effect on PM 2.5

圖9　空氣凈化效果對照(TVOC)Fig 9　Comparison chart of air purification effect on TVOC

5結(jié)論

本文將工業(yè)靜電除塵技術(shù)運(yùn)用到室內(nèi)空氣凈化，并結(jié)合了其他技術(shù)，克服了靜電除塵技術(shù)對甲醛等室內(nèi)污染無效的缺點(diǎn)。設(shè)計(jì)的新型空氣凈化器采用調(diào)整PWM方波占空比改變輸出高壓，從而達(dá)到適用于各種環(huán)境，在保證安全的同時(shí)具有最高凈化效率的目的，完成自適應(yīng)。通過測試表明，成品運(yùn)行穩(wěn)定，凈化功能達(dá)到要求，對室內(nèi)空氣的凈化效果明顯。

參考文獻(xiàn):

[1]鄧高峰.室內(nèi)空氣質(zhì)量及空氣凈化裝置凈化效果評價(jià)[D].北京：北京化工大學(xué),2012.

[2]盛立丞.靜電除塵器高頻電源控制系統(tǒng)研制[D].杭州：浙江大學(xué),2010.

[3]陳垠錕.高壓靜電除塵電源的設(shè)計(jì)與開發(fā)[D].北京：華北電力大學(xué),2012.

[4]呂洪柱，齊懷琴，李春林.基于信息融合技術(shù)的靜電凈化器智能控制的研究[J].高師理科學(xué)刊,2008(6):47-50.

[5]陳峰,劉鈺華,曾慶軍.一種新型靜電除塵用高頻高壓電源的設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程,2013(1):107-110.

[6]康寧.高壓靜電除塵控制器研究與研制[D].大連：大連理工大學(xué),2005.

[7]卜鐘鳴，向建幫，陳姚波，等.空氣凈化器細(xì)顆粒物去除效果的環(huán)境艙測試與實(shí)際評價(jià)[J].暖通空調(diào)，2013(12)：64-67.

沈雨帆(1990-)，男，浙江杭州人，碩士研究生，研究方向?yàn)榍度胧郊夹g(shù)。

Design of a new type of electrostatic dedusting air purifier

SHEN Yu-fan， QIN Hui-bin， HU Yong-cai

(Hangzhou Dianzi University，Hangzhou 310018，China)

Abstract:Status of domestic air purifiers is discussed, combined with theory and practice,propose flaws.Design air cleaning system which uses CY8C27443 as control core assisted by several other sensors.It primarily adopts high voltage dust precipitator to remove dusts;in addition to that,it also works with other modules.A self-designed high-voltage supply is introduced,voltage can be accurately controlled through changing PWM duty ratio,thus avoiding electrical breakdown.It has been proven that the purifier can apply to different circumstances，by sensor self-adaptively adjust working voltage to achieve the highest efficiency.Practical application prove that its operation effect is good,and has advantages of high safety factor,environment protecting and easy to operate.

Key words:air purifier； programmable system on chip(PSoC)； electrostatic precipitator； PWM； self-adaptive

作者簡介:

中圖分類號(hào)：TN 402

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000—9787(2016)01—0076—03

收稿日期：2015—11—23

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)01—0076—03