環境溫度對車用空調濾清器的影響研究

田程　邊嘉宸　魏蜀紅　王驍

摘 要：人們對汽車座艙的空氣質量關注度日益提高，空調濾清器在實際工況下的性能優劣起到關鍵作用。針對現有研究結果和現行標準中缺少溫度處理后的性能試驗，研究了空調濾清器在極端工作環境下的性能趨勢，對空調濾清器進行了-40℃～120℃溫度處理24h、高溫100℃和低溫-40℃不同處理時長后的性能試驗，得出了高溫會使壓力降上升，分級過濾效率下降，儲灰量下降的結論，為進一步提高車用空調濾清器的性能提供了參考，具有重要意義。

關鍵詞：車用空調濾清器 顆粒物 溫度處理 分級過濾效率 壓力降

Research on the Influence of Ambient Temperature on Air-conditioning Filters for Vehicles

Tian Cheng Bian Jiachen Wei Shuhong Wang Xiao

Abstract：People are paying more and more attention to the air quality in the car cabin， and the performance of the air-conditioning filter under actual working conditions plays a key role. In view of the existing research results and the lack of performance tests after temperature treatment in the current standards， the performance trend of air-conditioning filters under extreme working environments was studied， and the air-conditioning filters were treated at -40℃～120℃ for 24h. The performance test after different treatment time at 100°C and low temperature -40°C has concluded that high temperature will increase the pressure drop， reduce the classification filtration efficiency， and reduce the ash storage capacity， which provides for further improvement of the performance of the car air-conditioning filter， and the reference is of great significance.

Key words：car air-conditioning filter， particulate matter， temperature treatment， graded filtration efficiency， pressure drop

1 引言

汽車保有量的逐年增多，由于交通擁堵人們在交通工具上，特別是汽車座艙內待的時間越來越長，而且道路周邊的空氣質量往往非常差，如圖1所示，人們對汽車座艙的空氣質量關注度日益提高。為了減輕車外空氣通過空調系統進入車內造成的污染，空調濾清器作為汽車的“口罩”，其性能的優劣起到關鍵作用。目前常用的空調濾清器材料主要包括聚丙烯、聚乙烯、聚四氟乙烯材料以及紡粘濾料等。通過靜電紡絲、電暈放電和摩擦起電都可使纖維帶電[1]，可以過濾介質中的微小粒子，改善其過濾效率。目前所常見的注入靜電的方式是電暈放電。汽車空調過濾器是在無紡布纖維上通過電暈放電的方式注入靜電，使得過濾纖維在微觀上是帶電的而整體呈電中性，同時來自外界的細小微粒本身也具有極弱的正電荷或負電荷。這樣的汽車空調過濾器不僅可以在不增加阻力的同時擁有較高的效率。

但是隨著使用過程中灰塵的累積和環境變化，靜電電荷作用逐漸減小，過濾效率降低。針對靜電駐極過濾材料相關學者做了以下研究：Walsh和Stenhouse[2]研究了灰塵在過濾器上累積后的纖維上電荷的特性，對比了不帶電濾材與帶電濾材的容塵量差別，試驗結果顯示帶靜電的濾材的容塵量更大。華南理工大學唐敏[3]進一步研究了通過使粉塵顆粒帶電加上帶電濾材的組合形式來增加過濾材料的容塵性能，提出了復合駐極體濾材和超細纖維層，得到了制作新型過濾材料的思路。天津大學姜明秀[4]研究了不同顆粒污染物、氣流速度及溫濕度對過濾效率的影響，得出了常溫下溫度變化對過濾效率影響較小的結論。但是汽車空調濾清器的工作環境并不是常溫，存在較為極端的工況，比如冬季的北方地區和夏季的海南地區，來自內蒙古極寒汽車試驗場和海南高溫試驗場的數據顯示，空調濾清器進氣溫度能達到-40℃～100℃的變化范圍，個別車型發動機艙空調的進氣溫度甚至能達到110℃，極端溫度對空調濾清器性能的影響數據缺失?，F有標準中如GB/T 32085.1-2015[5]、QC/T 998-2015[6]和CAC-PV18-019：2020[7]，對空調濾清器的過濾效率試驗只是測試初始狀態的過濾效率，對其整個生命周期內的的過濾效率研究不足，尤其是靜電效應減弱的影響。且在現有標準中，如QC/T 998-2015[6]中耐溫性的技術要求只是觀察溫度處理后濾材與外框有無脫離、開膠，空調濾清器長、寬、高尺寸偏差等，并沒有對溫度處理后的空調濾清器進行初始壓力降、分級過濾效率和儲灰量等性能試驗。針對上述問題進行相關研究為提高空調濾清器性能提供參考，具有重要意義。

2 溫度高低的影響

在國內部分整車企業標準中，空調濾清器溫度試驗最高為100℃，而考慮到空調進氣口位于發動機艙附近，在夏天極端條件下溫度會很高，我們取試驗最高溫度為120℃。選用高靜電密度駐極材料進行試驗，將汽車空調濾清器濾芯分別放置在-40℃、-20℃、0℃、20℃、40℃、60℃、80℃、100℃、120℃恒溫箱內，恒溫24 h后取出，并進行初始壓力降、分級過濾效率和儲灰量試驗，結果如下。

如圖2所示，為-40℃～120℃溫度恒溫處理24h后的分級過濾效率試驗結果。取三個典型粒徑顆粒的過濾效率繪制曲線，分別為0.3μm、2.5μm和10μm。由圖中可以看到，空調濾清器濾芯在-40℃～80℃溫度下處理24h后，其各粒徑顆粒的分級過濾效率并無明顯變化;在100℃溫度下處理24h后，0.3μm粒徑顆粒效率開始下降，而2.5μm和10μm粒徑顆粒效率并無明顯變化;溫度繼續升高至120℃，處理24h后，0.3μm、2.5μm和10μm粒徑顆粒的過濾效率均出現較大幅度的下降，且0.3μm粒徑顆粒的過濾效率下降最為明顯，2.5μm粒徑次之。

儲灰量為空調濾清器濾芯壓力降增加200Pa時，在測試樣件上捕獲的測試粉塵質量。如圖3所示，為-40℃～120℃溫度恒溫處理24h后的初始壓力降和儲灰量試驗結果。由圖中可以看到，空調濾清器濾芯在-40℃～80℃溫度下處理24h后，其初始壓力降和儲灰量無明顯變化;在100℃～120℃溫度下處理24h后，初始壓力降開始快速上升，儲灰量快速下降，儲灰量的下降與初始壓力降的上升是同步變化的。

在-40℃～80℃溫度下處理24h后空調濾清器濾芯并無發生明顯變形，材料結構、靜電電荷沒有因溫度處理發生較大變化，故而各粒徑顆粒過濾效率、初始壓力降和儲灰量無明顯變化。在100℃～120℃溫度下處理24h后，空調濾清器濾芯變形量明顯加劇，如圖4所示，材料內部纖維因高溫變形粘結，分布不在均勻致密，且局部出現較大孔隙，故而全尺寸粒徑顆粒的過濾效率均出現下降，并且由于靜電電荷在高溫下出現衰減，小顆粒如0.3μm粒徑顆粒的過濾效率出現更大幅度的下降。因高溫變形粘結透氣度下降，初始壓力降上升，且后續少量的灰塵阻塞就能造成壓力降的快速上升，儲灰量下降。

3 低溫處理時長的影響

車輛使用時長或是在環境中暴露的時長是否會對空調濾清器濾芯的性能產生影響。將濾芯放置在低溫-40℃恒溫箱內，恒溫處理6h、12h、18h、24h、30h、36h、42h、48h后取出，進行初始壓力降、分級過濾效率和儲灰量的試驗。

如圖5所示，為-40℃溫度恒溫處理6h～48h后的分級過濾效率試驗結果。取三個典型粒徑顆粒的過濾效率繪制曲線，分別為0.3μm、2.5μm和10μm。由圖中可以看到，各粒徑顆粒過濾效率均沒有發生較明顯變化。

如圖6所示，為-40℃溫度恒溫處理6h～48h后的初始壓力降和儲灰量試驗結果。由圖中可以看到，初始壓力降和儲灰量沒有發生較明顯變化。

-40℃溫度下空調濾清器濾芯并無發生明顯變形，材料結構和靜電電荷沒有因低溫處理發生較大變化，低溫對空調濾清器濾芯的性能幾乎沒有影響。

4 高溫處理時長的影響

將濾芯放置在高溫100℃恒溫箱內，恒溫處理6h、12h、18h、24h、30h、36h、42h、48h后取出，進行初始壓力降、分級過濾效率和儲灰量的試驗。

如圖7所示，為100℃溫度恒溫處理6h～48h后的分級過濾效率試驗結果。取三個典型粒徑顆粒的過濾效率繪制曲線，分別為0.3μm、2.5μm和10μm。由圖中可以看到，0.3μm和2.5μm粒徑顆粒的過濾效率有輕微的下降趨勢，10μm粒徑顆粒的過濾效率無變化。

如圖8所示，為100℃溫度恒溫處理6h～48h后的初始壓力降和儲灰量試驗結果。由圖中可以看到，初始壓力降有輕微的上升趨勢，而儲灰量的下降趨勢較為明顯。

在100℃溫度下，空調濾清器濾芯開始出現變形，材料內部纖維因高溫變形粘結，分布不在均勻致密，透氣度下降，靜電電荷減弱，這種情況隨著處理時長增加越發嚴重。造成顆粒物分級過濾效率下降，初始壓力降上升，儲灰量下降。

5 結論

1.-40℃～80℃環境溫度對空調濾清器的壓力降、分級過濾效率和儲灰量沒有明顯影響;從100℃開始，高溫會使其壓力降升高、分級過濾效率下降、儲灰量下降，且濾清器出現外觀的明顯變形甚至脫膠開裂。

2.低溫處理時長對空調濾清器各個性能幾乎沒有影響。

3.高溫處理時長對分級過濾效率的影響較小，但對壓力降和儲灰量的影響較大，且處理時間越長，性能惡化越嚴重。

參考文獻：

[1]Tsai PP，Schreuder-Gibson? H，? Gibson? P.? Different? electrostatic? methods? for making electret filters[J]. Journal of Electrostatics， 2002，54（3-4）：333-341.

[2]Walsh D C， Stenhouse J I T . The effect of particle size， charge， and composition on the loading characteristics of an electrically active fibrous filter material[J]. Journal of Aerosol Science， 1997， 28（2）：307-321.

[3]唐敏. 駐極體過濾材料對PM_（2.5）過濾性能的研究[D]. 華南理工大學，2016.

[4]姜明秀. 汽車空調過濾器在不同熱濕環境下的過濾性能研究[D]. 天津大學，2009.

[5]GB/T 32085.1-2015《汽車 空調濾清器 第1 部分：粉塵過濾測試》[S]. 中華人民共和國國家標準，2015.

[6]QC/T 998-2015《汽車空調濾清器技術條件》[S]. 中華人民共和國汽車行業標準，2015.

[7]CAC-PV18-019：2020《CATARC 標志 認證實施規則-汽車空調濾清器過濾等級》[S]. 中汽研華誠認證（天津）有限公司.