CN111038226B - 放电和催化联合的车载空气净化器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种放电和催化联合的车载空气净化器，所述净化器包括壳体、高效过滤网、放电协同光催化净化单元、风机、催化单元、气体检测单元、控制单元和电源系统；作为优选方案，还包括负离子发生单元。本发明提供的放电和催化联合的车载空气净化器，这种净化器可以有效净化去除车内空气环境中的甲醛、苯系物、可吸入颗粒物、挥发性有机物、细菌、病毒等有害物质，这种净化器结构简单，操作方便，净化效果良好。

Description

放电和催化联合的车载空气净化器
技术领域
本发明涉及一种放电和催化联合的车载空气净化器，属于车用产品技术领域。
背景技术
随着技术以及人们生活质量的提高，目前国内的汽车数量在不断增长，越来越多的车内装饰以及车上皮革用品出现的同时，车内空气中的有害物质含量也在不断的提高，据调查，93辆新车中有33辆甲醛超标，而在200辆已使用的车中，90％的车车内TVOC有害气体含量严重超标，而这一类有害气体对人体有严重的致癌以及其他重病的诱发危害。
尽管如此，车内空气环境问题也一直得不到有效的改善，目前现有的空气净化装置采用的技术，主要分为两种，一种是过滤吸附式，主要使用高效过滤网分离环境中的粉尘以及颗粒有害物质，但对于细菌以及有毒气体并无太大效果，而且过滤吸附法存在着饱和问题，需要定时更换滤网，耗材且不环保。而且使用过一段时间的过滤网上附着着大量的粉尘颗粒与病毒，降低了其过滤效率，并且还存在着细菌繁殖导致过滤网成为污染源的问题，制约了此方式的发展前景，二是光催化、等离子体等新兴空气净化技术，它们以高效的去除效率优势脱颖而出，但也有其弊端。例如：光催化技术是在紫外线光照射的条件下，催化剂通过催化作用分解有害物质，灭菌效果良好，但净化效率过低，能力有限，难以单独支撑装置的净化功能。等离子体技术作为治理空气污染的热门技术，具有成本低、消耗小、效率高的特点，但也存在产生有害副产物，导致二次污染的问题。所以空气净化的标准，不仅是去除空气中原存的有害物质，更应该注重处理反应过程中产生的有害物质。
发明内容
由上可知，研发一种高效率、低能耗、无污染的车内空气净化器对环境保护和人体安全具有重大意义，为了解决现有技术存在的上述问题，本发明提供的放电和催化联合的车载空气净化器，利用放电活性成分清除车内有毒害气体，与催化剂联用彻底清除放电产生的氮氧化物和臭氧。这种净化器可以有效净化去除车内空气中的甲醛、苯系物、可吸入颗粒物、挥发性有机物、细菌、病毒等有害物质，不产生臭氧和氮氧化物。这种净化器结构简单，操作方便，净化效果良好。
本发明的技术方案如下：
一种放电和催化联合的车载空气净化器，所述净化器包括壳体、高效过滤网、放电协同光催化净化单元、风机、催化单元、气体检测单元、控制单元和电源系统；
所述壳体的侧壁开设若干通孔作为进气口，空气进入壳体内形成进气区域，进气区域从外至内依次设置筒状的高效过滤网、放电协同光催化净化单元；
所述放电协同光催化净化单元由三层绝缘管沿同一轴线套装，在外层绝缘管外部、中层绝缘管两侧和内层绝缘管内侧均设有均匀导电层，中层绝缘管表面的导电层和外层绝缘管、内层绝缘管表面的导电层分别对应连接经过电源系统处理后的高压电源和接地；在三层绝缘管中的两层夹层中填充以介质阻挡放电产生的紫外线光为能量来源的光催化剂氧化铝，形成放电协同光催化的空气净化单元；
所述风机设置在内层绝缘管内侧底部，所述催化单元内填充催化剂，沿所述放电协同光催化净化单元同一轴线套装在所述内侧绝缘管内侧，所述催化单元上侧连接所述壳体顶部设置的出气口，所述气体检测单元设置在出气口旁，所述电源系统经过不同电路的处理模块分别连接到所述放电协同光催化净化单元、气体检测单元、控制单元和风机；所述控制单元连接在气体检测单元上，依据气体检测单元的信号，通过PWM驱动模块控制不同单元的工作状态。
上述高效过滤网由内向外依次设置活性炭滤网、HEPA滤网、初效滤棉。
上述催化单元能够自行拆卸更换。
上述催化单元内的催化剂为球状的负载有钯的二氧化锰。
上述电源系统为12V蓄电池，其处理模块包括BOOST升压电路1、逆变升压电路、BOOST升压电路2、BOOST稳压电路、信号发生与控制电路、PWM驱动模块1和PWM驱动模块2；
所述电源分为两条支路，分别为放电协同光催化净化单元、信号发生与控制电路、风机供电；
第一条多级升压支路依次通过BOOST升压电路1将电压升至V1，V1大约为50V，然后通过逆变升压电路逆变为交流电流并将电压提高到V2，V2大约为600V，BOOST升压电路2将电压升至VH2，VH2大约为200V，为放电协同光催化净化单元供电，交流电流经过倍压整流电路电压提升至电压为V3的直流电流，倍压整流电路为负离子发生单元供电；
第二条支路通过BOOST稳压电路将电压升高至V4，一般为15V，为信号发生和控制电路供电，再通过PWM驱动模块1驱动逆变升压电路，通过PWM驱动模块2驱动风机。
作为另一种优化的技术方案，上述净化器在上述技术方案的基础上还包括负离子发生单元，所述负离子发生单元设置在出气口旁，经过催化单元的空气与负离子发生单元产生的负离子混合后排出净化器。
上述负离子发生单元为负电晕放电反应器，包括金属线电极、金属筒电极、绝缘外壳、密封前端盖及密封后端盖；所述金属线电极设置在金属筒电极内，所述密封前端盖、密封后端盖固定金属线电极，所述密封前端盖设有进气孔，所述密封后端盖设有出气孔，绝缘外壳与密封前端盖及密封后端盖一起固定金属筒电极。
上述金属线电极的材料采用钨或铟或不锈钢。
电源系统为12V蓄电池，其处理模块在上述无负离子发生单元的技术方案的基础上还包括了倍压整流电路和PWM驱动模块3；
所述电源分为两条支路，分别为放电协同光催化净化单元、信号发生与控制电路、风机供电；
第一条多级升压支路依次通过BOOST升压电路1将电压升至V1，然后通过逆变升压电路逆变为交流电流并将电压提高到V2，BOOST升压电路2将电压升至VH2，交流电流经过倍压整流电路电压提升至电压为V3，V3大约为6000V的直流电流，倍压整流电路为负离子发生单元供电；
第二条支路通过BOOST稳压电路将电压升高至V4为信号发生和控制电路供电，再通过PWM驱动模块1驱动逆变升压电路，通过PWM驱动模块2驱动风机，通过PWM驱动模块3驱动倍压整流电路。
本发明所达到的有益效果：
本发明等离子体放电区域搭载光触媒联合处理空气中的挥发性有机物，效果、效率显著提高。在对比专利CN207140742U“一种车载等离子体空气净化器”中，对方装置激发光触媒的紫外线来源于内设的紫外光灯，而本装置激发光触媒的紫外线来源于介质阻挡放电过程中产生的副产物紫外线光，提高了产物的利用率和去除有害物质的效率，更加节能环保。在对比专利CN106512719A“等离子体、光催化剂和氮氧化物吸收剂复合的叠式管状空气净化装置”中，对方装置的气体流向为单向，装置整体结构占用空间大，且不适于使用在情况复杂的车内环境，而本装置的气体流向路线对于装置的体积要求较简单，整体结构利用空间更加合理。
附图说明
图1是实施例一的系统框图；
图2是实施例一的结构示意图；
图3是实施例一的电源处理模块；
图4是实施例二的系统框图；
图5是实施例二的结构示意图；
图6是实施例二中负离子发生单元的示意图；
图7是实施例二的电源处理模块；
图8是逆变升压电路与BOOST升压电路的电路图；
图9是PWM发生电路；
图10是PDM功率密度调制示意图；
图11是调档原理电路图；
图12是负电晕放电倍压整流电路。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例一：
一种放电和催化联合的车载空气净化器，所述净化器包括壳体1、高效过滤网3、放电协同光催化净化单元、风机12、催化单元10、气体检测单元9、控制单元8和电源系统6；
所述壳体的侧壁开设若干通孔作为进气口2，空气进入壳体1内形成进气区域，进气区域从外至内依次设置筒状的高效过滤网3、放电协同光催化净化单元；
所述放电协同光催化净化单元由三层绝缘管4沿同一轴线套装，在外层绝缘管外部、中层绝缘管两侧和内层绝缘管内侧均设有均匀导电层，中层绝缘管表面的导电层和外层绝缘管、内层绝缘管表面的导电层分别对应连接经过电源系统处理后的高压电源和接地；在三层绝缘管中的两层夹层中填充以介质阻挡放电产生的紫外线光为能量来源的光催化剂氧化铝5，形成放电协同光催化的空气净化单元；
所述风机12设置在内层绝缘管内侧底部，所述催化单元内填充催化剂，沿所述放电协同光催化净化单元同一轴线套装在所述内侧绝缘管内侧，所述催化单元上侧连接所述壳体顶部设置的出气口7，所述气体检测单元9设置在出气口7旁，所述电源系统6经过不同电路的处理模块分别连接到所述放电协同光催化净化单元、气体检测单元9、控制单元8和风机12；所述控制单元8连接在气体检测单元9上，依据气体检测单元的信号，通过PWM驱动模块控制不同单元的工作状态。
空气从进气口进入，经过初效滤棉、HEPA滤网、活性炭滤网，将空气中的大颗粒污染物吸附在过滤网上，过滤过的空气进入放电协同光催化单元，通过介质阻挡放电和光催化两个净化过程，将空气中的TVOC气体转化为二氧化碳、水、臭氧等产物，然后再通过风机将处理后的空气鼓入催化单元，利用催化单元里的催化剂二氧化锰钯将气体中的臭氧、氮氧化物等有害气体降解为二氧化碳和水，经过气体检测单元，最终洁净空气排出装置。
上述高效过滤网由内向外依次设置活性炭滤网、HEPA滤网、初效滤棉。
上述催化单元能够自行拆卸更换。
上述催化单元内的催化剂为球状的负载有钯的二氧化锰。
二氧化锰负载钯具有催化效率高，催化产物简单且无害等优点，同时二氧化锰负载钯对TVOC气体也有着一定的去除作用，催化单元在装置中可起到二次净化和去除有害副产物的作用。
目前用于去除氮氧化物和臭氧的催化剂种类众多。例如二氧化钛、卤氧化铋等。但二氧化钛禁带宽度大，光催化量子效率低，并不能高效的去除氮氧化物。而卤氧化铋催化去除氮氧化物的产物选择性较差，催化效率较低，并且会有许多副产物产生。
在装置催化单元工作环境的温度和湿度条件下，相比较分子筛、活性炭和部分金属氧化物这三类固体催化剂，金属氧化物的催化活性最高；且根据研究，在众多具有催化效果的金属氧化物中，锰氧化物的催化活性最高。为了进一步提高催化活性，本发明选取了具有高效催化活性的贵金属钯作为辅助材料，钯以单原子形式附着在二氧化锰表面，这种复合型催化剂催化活性更高。
考虑到表面积越大的催化剂，其表面的氧空位密度越大，活性位点就越多，从而催化活性更高，本发明优选了棒状、球状和粉末状三种形状的催化剂，进行多次实验分析，结果如表1所示，球状催化剂催化效果最优。
效率 气体流通
棒状 78％左右 畅通
球状 97％左右 畅通
粉末状 99％ 难以通过
表1催化剂形状影响
如图3所示，上述电源系统为12V蓄电池，其处理模块包括BOOST升压电路1、逆变升压电路、BOOST升压电路2、BOOST稳压电路、信号发生与控制电路、PWM驱动模块1和PWM驱动模块2；
所述电源分为两条支路，分别为放电协同光催化净化单元、信号发生与控制电路、风机供电；
第一条多级升压支路依次通过BOOST升压电路1将电压升至V1，V1大约为50V，然后通过逆变升压电路逆变为交流电流并将电压提高到V2，V2大约为600V，BOOST升压电路2将电压升至VH2，VH2大约为200V，为放电协同光催化净化单元供电；
第二条支路通过BOOST稳压电路将电压升高至V4，一般为15V，为信号发生和控制电路供电，再通过PWM驱动模块1驱动逆变升压电路，通过PWM驱动模块2驱动风机。
实施例二：
一种放电和催化联合的车载空气净化器，所述净化器包括壳体1、高效过滤网3、放电协同光催化净化单元、风机12、催化单元10、气体检测单元9、负离子发生单元13、控制单元8和电源系统6；
所述壳体的侧壁开设若干通孔作为进气口2，空气进入壳体1内形成进气区域，进气区域从外至内依次设置筒状的高效过滤网3、放电协同光催化净化单元；
所述放电协同光催化净化单元由三层绝缘管4沿同一轴线套装，在外层绝缘管外部、中层绝缘管两侧和内层绝缘管内侧均设有均匀导电层，中层绝缘管表面的导电层和外层绝缘管、内层绝缘管表面的导电层分别对应连接经过电源系统处理后的高压电源和接地；在三层绝缘管中的两层夹层中填充以介质阻挡放电产生的紫外线光为能量来源的光催化剂氧化铝5，形成放电协同光催化的空气净化单元；
所述风机12设置在内层绝缘管内侧底部，所述催化单元内填充催化剂，沿所述放电协同光催化净化单元同一轴线套装在所述内侧绝缘管内侧，所述催化单元上侧连接所述壳体顶部设置的出气口7，所述气体检测单元9设置在出气口7旁，所述电源系统6经过不同电路的处理模块分别连接到所述放电协同光催化净化单元、气体检测单元9、控制单元8和风机12；所述控制单元8连接在气体检测单元9上，依据气体检测单元的信号，通过PWM驱动模块控制不同单元的工作状态，所述负离子发生单元13设置在出气口7旁，经过催化单元11的空气与负离子发生单元13产生的负离子混合后排出净化器。
空气从进气口进入，经过初效滤棉、HEPA滤网、活性炭滤网，将空气中的大颗粒污染物吸附在过滤网上，过滤过的空气进入放电协同光催化单元，通过介质阻挡放电和光催化两个净化过程，将空气中的TVOC气体转化为二氧化碳、水、臭氧等产物，然后再通过风机将处理后的空气鼓入催化单元，利用催化单元里的催化剂二氧化锰钯将气体中的臭氧、氮氧化物等有害气体降解为二氧化碳和水，经过气体检测单元，最终洁净空气和负离子发生单元产生的负离子混合后排出装置。
上述高效过滤网由内向外依次设置活性炭滤网、HEPA滤网、初效滤棉。
上述催化单元能够自行拆卸更换。
上述催化单元内的催化剂为球状的负载有钯的二氧化锰。
如图6所示，上述负离子发生单元13为负电晕放电反应器，包括金属线电极13-1、金属筒电极13-2、绝缘外壳13-3、密封前端盖13-4及密封后端盖13-5；所述金属线电极13-1设置在金属筒电极13-2内，所述密封前端盖13-4、密封后端盖13-5固定金属线电极13-1，所述密封前端盖13-4设有进气孔13-6，所述密封后端盖13-5设有出气孔13-7，绝缘外壳13-3与密封前端盖13-4及密封后端盖13-5一起固定金属筒电极13-2。
上述金属线电极的材料采用钨或铟或不锈钢。采用高纯度钨针(99.9％)作为放电的高压电极的原因是：钨的化学性质、物理性质稳定：常温下钨在空气中稳定，在400-500℃才形成致密氧化膜，实际电晕放电根本无法达到这个温度。硬度大，熔沸点高，电子发射性能良好，二次电子发射系数(即离子或光子高能状态下轰击钨金属表面发射出的电子数与入射的离子数之比)为1.4δm，能够二次发射较多电子。同时，钨针的电阻约比铜大3倍，使得电晕放电回路电流较小，更安全。类似的，采用金属铟作为电极材料的原因是从常温到铟的熔点之间，铟与空气中的氧作用缓慢，表面形成氧化膜的过程极为缓慢。因此，当高电压加在铟电极上时，电子容易逸出。不锈钢作为常见的金属，成本低且放电较为容易进行。
此外，线电极的表面为普通螺纹，因此在电极表面形成许多尖端，这种尖端有利于电子逸出，以此增强电晕放电效果，从而产生更多的电子及负离子。
如图7所示，电源系统为12V蓄电池，其处理模块在实施例一方案的基础上还包括了倍压整流电路和PWM驱动模块3；
所述电源分为两条支路，分别为放电协同光催化净化单元、信号发生与控制电路、风机供电；
第一条多级升压支路依次通过BOOST升压电路1将电压升至V1，然后通过逆变升压电路逆变为交流电流并将电压提高到V2，BOOST升压电路2将电压升至VH2，为放电协同光催化净化单元供电，交流电流经过倍压整流电路电压提升至电压为V3，V3大约为6000V的直流电流，倍压整流电路为负离子发生单元供电；
第二条支路通过BOOST稳压电路将电压升高至V4为信号发生和控制电路供电，再通过PWM驱动模块1驱动逆变升压电路，通过PWM驱动模块2驱动风机，通过PWM驱动模块3驱动倍压整流电路。
下面就实施例一和实施例二中涉及的电路原理进行阐述：
升压逆变电路原理：
如图8所示，本发明采用NE555定时器芯片作为震荡器，工作电压5V，通过调节Rp来控制输出频率，可达300kHz，同时采用过流熔断电阻R6保护，通过555芯片reset脚接PWM波调制占空比，低逻辑电位会重置定时器，进而可以控制芯片正常工作，进而调控输入U3管的方波，再由C4，C5组成的电容和U3晶闸管，变压器T可以使得实现DC-AC的变换,变压器后端接入倍压整流即可使电压Vout(Vout为300-600V)进行放大。
L1与Ls的扎数比为1：50，设DBD放电反应器等效电容为CDBD，则通过公式1即可算出DBD放电反应器的激励震荡频率fO，
公式1中，Ls和Lm分别指图8中的变压器T4的次级电感和匹配电感。
信号发生与控制电路：
PWM控制电路通过输出不同占空比的PWM达到控制装置工作档位的作用。通过PWM的占空比调控控制其工作挡位：一档至四档，各挡位占空比分别是20％，40％，60％，80％。
具体实现为：在图9中利用施密特触发器，上升沿D触发器产生占空比为50％的方波脉冲，通过反向积分电路输出端得到三角波信号。三角波与可调输入电压VR通过比较器达到输出可调控占空比的PWM信号的功能，如图10所示。
调档电路：
通过开关控制VR电位：
在图11中采用按压式开关SW1，VCC接上拉电阻R13，开关按压即可在CLK1处产生输入脉冲，据输入口D1的信息在时钟脉冲的上升沿传输到Q1口，为Q1的相反电平，控制开关管Q4的通断，同理Q1电平脉冲传到CLK2端上升沿触发把D2的电平传输到Q2,/>为Q2的相反电平,控制开关管Q5的通断。通过两个开关管控制，设置R15:R16＝1:2,VRA电压经过运算放大器由公式2可得输出VR，
设R15//R16＝R18，
VR通过外部脉冲控制信号输入CLK1端控制VR端输出电压，脉冲信号数与VR及占空比的关系如表2(VRA＝0.5V)。
表2脉冲信号数与VR及占空比的关系
倍压整流电路原理：
逆变升压电路输出后接入倍压整流电路，经过倍压整流电路的整流以及倍压作用后输出给反应器供电。
如图12所示为负电晕放电装置所用的倍压整流电路，前一级逆变升压电路输出电压Vout(Vout为300-600V)，则经过该倍压整流后输出电压可达 可直接给反应装置供电。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种放电和催化联合的车载空气净化器，其特征在于：所述净化器包括壳体、高效过滤网、放电协同光催化净化单元、风机、催化单元、气体检测单元、控制单元和电源系统；
所述壳体的侧壁开设若干通孔作为进气口，空气进入壳体内形成进气区域，进气区域从外至内依次设置筒状的高效过滤网、放电协同光催化净化单元；
所述放电协同光催化净化单元由三层绝缘管沿同一轴线套装，在外层绝缘管外部、中层绝缘管两侧和内层绝缘管内侧均设有均匀导电层，中层绝缘管表面的导电层和外层绝缘管、内层绝缘管表面的导电层分别对应连接经过电源系统处理后的高压电源和接地；在三层绝缘管中的两层夹层中填充以介质阻挡放电产生的紫外线光为能量来源的光催化剂氧化铝，形成放电协同光催化的空气净化单元；
所述风机设置在内层绝缘管内侧底部，所述催化单元内填充催化剂，沿所述放电协同光催化净化单元同一轴线套装在所述内侧绝缘管内侧，所述催化单元上侧连接所述壳体顶部设置的出气口，所述气体检测单元设置在出气口旁，所述电源系统经过不同电路的处理模块分别连接到所述放电协同光催化净化单元、气体检测单元、控制单元和风机；所述控制单元连接在气体检测单元上，依据气体检测单元的信号，通过PWM驱动模块控制不同单元的工作状态；
所述净化器还包括负离子发生单元，所述负离子发生单元设置在出气口旁，经过催化单元的空气与负离子发生单元产生的负离子混合后排出净化器；
所述负离子发生单元为负电晕放电反应器，包括金属线电极、金属筒电极、绝缘外壳、密封前端盖及密封后端盖；所述金属线电极设置在金属筒电极内，所述密封前端盖、密封后端盖固定金属线电极，所述密封前端盖设有进气孔，所述密封后端盖设有出气孔，绝缘外壳与密封前端盖及密封后端盖一起固定金属筒电极；
所述电源系统为12V蓄电池，其处理模块包括BOOST升压电路1、逆变升压电路、BOOST升压电路2、BOOST稳压电路、倍压整流电路、信号发生与控制电路、PWM驱动模块1、PWM驱动模块2以及PWM驱动模块3；
所述电源分为两条支路，分别为放电协同光催化净化单元、信号发生与控制电路、风机供电；
第一条多级升压支路依次通过BOOST升压电路1将电压升至V1，然后通过逆变升压电路逆变为交流电流并将电压提高到V2，BOOST升压电路2将电压升至VH2，为放电协同光催化净化单元供电；交流电流经过倍压整流电路电压提升至电压为V3的直流电流，倍压整流电路为负离子发生单元供电；
第二条支路通过BOOST稳压电路将电压升高至V4为信号发生和控制电路供电，再通过PWM驱动模块1驱动逆变升压电路，通过PWM驱动模块2驱动风机，通过PWM驱动模块3驱动倍压整流电路。
2.根据权利要求1所述的放电和催化联合的车载空气净化器，其特征在于：所述高效过滤网由内向外依次设置活性炭滤网、HEPA滤网、初效滤棉。
3.根据权利要求1所述的放电和催化联合的车载空气净化器，其特征在于：所述催化单元能够自行拆卸更换。
4.根据权利要求1所述的放电和催化联合的车载空气净化器，其特征在于：所述催化单元内的催化剂为球状的负载有钯的二氧化锰。
5.根据权利要求1所述的放电和催化联合的车载空气净化器，其特征在于：所述金属线电极的材料采用钨或铟或不锈钢。
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