空气净化器结构设计

沈栋梁

（纽福克斯光电科技（上海）有限公司，上海 201707）

0 引言

近些年来国内经济迅猛发展，人们的生活质量也逐步提高，但随之而来的工业排放、尾气排放、生态环境的破坏，导致雾霾天气时常发生，污染的大气和内饰挥发出来的有害气体等严重影响着室内环境。人们出于保护自身健康的需要，希望每天有清新的环境，因此人们通常会购买空气净化器来进行室内空气净化。经过一段时间的发展，市面上已存在各种净化原理的空气净化器，但是在其各相关净化技术[2]理论的研究也是刚刚起步，需要更深入的研究。该文主要研究如何通过优化结构，以提高洁净空气量和去除率、降低噪声，及如何在保证性能、质量的前提下利于生产，提高经济效益。

1 外形分析和布局

1.1 原始外形

如图1所示，该产品为空气净化器，也是室内摆设件，起到装饰和美化作用，因此外观上要求精细，表面光滑平整，皮纹、颜色清晰和样板一致，各部件配合间隙小于0.3 mm；上面外围为铝装饰环，表面喷细砂处理并做亚光阳极氧化；顶部为黑色喷漆进风网盖和烟灰色显示面板，通过OLED显示屏显示工作状态；中间为透明LENS，在正面丝印LOGO，透过LENS可以看见内部做装饰用的螺旋风页；底部为黑色通风底盖。

图1 原始外形图

1.2 外观布局优化

经过分析，考虑到增加的辅助充电功能，对产品的内部进行模块化和智能化设计，并在外观布局上进行了优化。1）在净化器的右侧增加USB充电输出和点烟器输出及电源输入口，符合人体操作和右手使用习惯，节省内部电线的同时，又规范走向、不至于凌乱，利于装配。2）在不破坏整体外观的基础上，于进风网盖下方布局PM2.5检测模块，实时监测室内空气质量，并经过数据采集和反馈功能调整风机运转转速，实现空气净化器运行的智能化；通过顶部的OLED显示屏和用户实现人机交互。3）对滤网、风机、主控板、USB板等模块通过PRO/E软件建模后优化排布，使布局清晰合理、结构紧凑、节省空间，各主要组成部件的整体装配布局如图2所示。

图2 整体布局图

2 细部设计与结构优化

2.1 壳体材料的选择

通过对空气净化器的使用环境研究，消费者将该产品摆放的位置，往往经受夏天的高温或者阳光暴晒，表面温度最高达90℃，冬季低温最低达-40℃的影响，为了解决高低温产生变形，主体材料选择耐高温塑料粒子奇美ABS PA-777E，透明LENS采用PC；兼具耐腐蚀性、耐冲击性、可加工性等要求。

2.2 离心风机的选择

由于空气净化器的主要指标是洁净空气净化量（CADR）、去除率和噪声，因此需要通过选择风机、并配合结构设计和风道设计，来降低工作噪声、提高净化速度、增加净化效果。通过对比，选用了高空气流量的12VDC离心风机，尺寸为Φ100×25.75 mm，流量为41.59 CFM，噪声53.4 dB，这种风扇的转速高、风速快，风力大、噪声相对较高。

经过计算此风机的风口面积为：2 779 mm2，按尽可能提高风口面积比的原则，通过设计进风口的面积（滤网的有效面积）为：6 588 mm2，同时增加出风口的面积为：7 200 mm2，并增加导流筋条，降低出风口处与大气间的气压差，减少气流在出风腔体内迂回和涡流，及时快速地将气流排入室内。

2.3 集流器分析设计

集流器位于风机的前面，是气流进入风机的导入装置，利于导入均匀的气流，并提高风机的进风效率，目前常用的集流器有如图3所示的四种类型，其中双曲线形集流器结构相对复杂，双曲线设计最大限度地减少气流和集流器之间的摩擦，使气流进入风机更加顺畅，因此广泛运用在高效风机上。为了减少气流在风口的涡流损失，结合净化器内部布局，在安装滤网的支撑中框上设计有集流器结构，如图4所示的红色线。

图3 集流器形式示意图

图4 集流器结构图（红色线所示）

2.4 噪声来源分析

空气净化器其噪声主要来源有2类：机械噪声和空气动力噪声。机械噪声是由于加工工艺方面缺陷引起的，有轴承噪声、转子不平衡、壳体振动等引起，这些缺陷可以通过机械加工技术、离心风机进料检测以及装配工艺加以控制。空气动力噪声是由于气体流动时，气体本身相互摩擦和气体与壳体相互碰撞摩擦作用产生。由于离心风机工作时，气体流速非常快，因此必然会产生较大的气动噪声[3]。气动噪声主要分为旋转噪声和涡流噪声2类。

2.5 降低噪声措施

按照噪声产生的原因，我们在设计制造空气净化器时，主要有2种降低空气噪声的方式。

2.5.1 结构优化

设计时减少内部的尖角结构，减少内部阻挡结构；模具加工时，对模具表面进行抛光，控制零件表面粗糙度，减少摩擦阻力。

2.5.2 风机和中框集流器之间的间隙要合理

合理的风机和中框集流器之间的间隙能抑制涡流产生，降低噪声。在进风口和出风口中间是风机工作的一个低压空间，通过离心风机的离心抽气，形成一个真空层，通过产生的压力差（负压），吸入空气穿过滤网实现过滤。空气流动的同时，每个缝隙中就会通过气流，气流与内部壳体表面产生摩擦和阻力，风机和中框集流器间缝隙越小，真空度越高，缝隙间产生的气流速度也越高，伴随的涡流噪声越大；相反风机和中框集流器间隙越大，真空度就越低，产生的气流速度低而影响洁净空气量。

通过设计和实验对比，在不同间隙时，洁净空气量和噪音测试结果见表1：并结合离心风机的轴线窜动和径向跳动公差，设计一个合理的间距，同时解决了真空度、噪声2个特性之间的矛盾关系，并提高洁净空气量。在不同间隙时，洁净空气量和噪声测试结果见表1。

表1 集流器与风机不同间距对CADR、去除率和噪声测试对比

2.6 滤网的设计

滤网吸附技术是通过致密的塑料纤维和活性炭组合，使稍大的固态颗粒无法通过滤网并停留在表面，有害挥发性气态污染物与活性炭进行化学和物理作用，通过活性炭内部丰富的微孔结构和极大的表面积，针对分子量相对较小的气态污染物（如甲醛、硫化氢、氮氧化物等）进行化学吸附，和针对分子量相对较大的有机气体(如苯等）进行物理吸附，实现吸附净化。

提高洁净空气净化量的方法除了提高出风口风量，减少涡流损失，还需要减少滤网对进风产生的阻力。滤网的主要功能是净化过滤，净化的过程也是与带有有害物的空气与滤材接触的过程，空气和滤材的接触面积越大，过滤效率就越好，但风阻相对就越大，接触面积小过滤效率就低，但风阻小；因此滤网中的滤材和布局是关键，不仅直接影响到产品的洁净空气量，还影响有害物质的去除率。因此设计滤网结构，如图5所示，底层采用纱网滤层，中间活性炭滤层选用优质炭布，并进行风琴折页，增加有效面积，顶层采用零风阻HEPA。通过HEPA有效滤除悬浮颗粒，和活性炭布的主动拦截吸附有害气态污染物、并通过底层的纱网滤层有效截断震动过程中产生的炭粉，防止二次污染，完成对微观世界的净化。

图5 滤网结构

3 结论

综上所述，合理的风道设计、合适的滤网材料及结构布局能有效降低空气净化器噪声、提高洁净空气净化量、提高去除率，满足消费者健康需求、舒适需求、情感需求。我国目前正处于高速发展阶段，为解决大气、水源、土地等污染，以及能源资源短缺问题，国家也提出了生态环境建设和可持续发展。空气净化器的设计也将趋向低能耗、高洁净空气量、高净化率和智能化，未来还有更大更广阔的发展前景。