吸尘器的工作原理

由:汤姆哈里斯

在它的100年历史中,电动吸尘器已经成为大多数人不可或缺的家用电器,原因很明显。想象一下用手把这些锯末从地毯上拣出来!"width=
在它的100年历史中,电动吸尘器已经成为大多数人不可或缺的家用电器,原因很明显。想象一下用手把这些锯末从地毯上拣出来!

当你用吸管喝苏打水时,你是在利用最简单的吸力机制。吸苏打水会导致吸管底部和顶部之间的压力下降。由于底部的流体压力大于顶部,苏打水被推到你的嘴里。

这与真空吸尘器中工作的基本机制是相同的,只是执行稍微复杂一点。在这篇文章中,我们将看看吸尘器的内部,看看它是如何发挥吸力来清理房间里的灰尘和碎片的。正如我们将看到的,标准真空吸尘器的设计非常简单,但它依赖于大量的物理原理来有效清洁。

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它可能看起来像一台复杂的机器,但传统的真空吸尘器实际上只由六个基本部件组成:

  • 一个进气口,可包括各种清洗配件
  • 一个排气口
  • 一个电动马达
  • 一个风扇
  • 一个多孔的包
  • 一个住房它包含了所有其他的成分

当你插上吸尘器的插头并打开它时,就会发生这样的事情:

  1. 电流操纵电动机.马达是连接在风扇,它有有角度的叶片(像飞机螺旋桨)。
  2. 随着风机叶片转身,他们迫使空气向前,朝向排气口(查看飞机是如何工作的找出原因)。
  3. 当空气粒子被向前驱动时,密度粒子(因此空气压力)在风扇前增大,在风扇后减小。

压降风扇后面就像你喝饮料时吸管上的压力下降。风扇后面区域的压力水平下降到低于真空吸尘器外面的压力水平环境空气压力).这就产生了吸力局部真空,在吸尘器里面。周围的空气通过进气口进入吸尘器,因为吸尘器内部的空气压力低于外部的压力。

只要风扇还在运行,通过真空吸尘器的通道保持打开,就会有一个恒流通过进气口和出排气口。但是气流是如何收集地毯上的灰尘和碎片的呢?关键的原则是摩擦

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吸尘器刷子和袋子

直立式吸尘器的底部通常有可旋转的刷子,可以把地毯上的灰尘掸掉。电刷可以通过真空的马达或简单地通过空气来旋转。"width=
直立式吸尘器的底部通常有可旋转的刷子,可以把地毯上的灰尘掸掉。电刷可以通过真空的马达或简单地通过空气来旋转。

在最后一节中,我们看到吸尘器的旋转风扇产生的吸力产生了流动的空气流,通过进气口和出排气口。这种气流的作用就像水流一样。移动的空气颗粒在移动过程中与任何松散的灰尘或碎片摩擦,如果碎片足够轻,吸力足够强,就会产生摩擦带着材料穿过真空吸尘器的内部。这和导致树叶和其他碎片顺流而下的原理是一样的。一些真空设计也有旋转刷子在进气口,它踢掉灰尘和污垢从地毯上松散,因此它可以被气流带走。

当充满灰尘的空气进入排气口时,它要经过吸尘器袋.这些袋子是由多孔的编织材料(通常是布或纸)制成的,作为空气过滤器.袋子上的小孔足够大,空气颗粒可以通过,但太小,大多数灰尘颗粒无法通过。因此,当气流进入袋内时,所有的空气都通过物料流动,但灰尘和碎片在袋内聚集。

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吸尘器袋只是一个过滤器,让空气通过,但不让灰尘进来。"width=
吸尘器袋只是一个过滤器,让空气通过,但不让灰尘进来。

只要有气流通过,就可以把吸尘器袋放在进气管和排气口之间的任何地方。在直立式真空吸尘器中,袋子通常是路径的最后一站:在它被过滤后,空气立即回流到外面。在罐真空吸尘器时,可将滤袋放置在风机前,使空气一进入真空就被过滤。

利用这个基本的想法,设计师创造了各种各样的真空吸尘器,具有广泛的吸力。在下一节中,我们将看看几个决定吸力的因素。

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真空吸尘器的变量

吸尘器附件的作用是在空气进入真空时集中气流。由于吸力取决于通道的大小和形状,不同的附件更适合不同的清洁工作。"width=
吸尘器附件的作用是在空气进入真空时集中气流。由于吸力取决于通道的大小和形状,不同的附件更适合不同的清洁工作。

在最后一节中,我们看到真空吸尘器通过空气过滤器(袋子)来收集灰尘。吸尘器的吸力取决于许多因素。吸力强弱取决于:

  • 风机功率如要产生强烈的吸力,电动机必须转动速度快。
  • 空气通道堵塞当前位置当真空袋中堆积了大量的碎片时,空气在排出时面临更大的阻力。由于阻力的增加,空气中的每个微粒移动得更慢了。这就是为什么当你刚换完真空吸尘器时,它的工作效率要比你已经用了一段时间的真空吸尘器好。
  • 进气道末端开口的大小由于真空风扇的速度是恒定的,所以单位时间内通过真空吸尘器的风量也是恒定的。不管你把进气口弄成什么大小,每秒都有相同数量的空气颗粒进入真空吸尘器。如果你让港口更小,单个的空气颗粒将不得不移动得更快,以使它们在这段时间内全部通过。在空气速度增加的地方,压力减小,因为伯努利定律(见飞机是如何工作的来学习这个物理原理)。压力的下降在进气道转化为更大的吸力。因为它们能产生更强的吸力,较窄的真空附件比较宽的附件可以吸附较重的灰尘颗粒。

在最基本的层面上,这就是真空吸尘器的全部。自从一个世纪前电子真空发明以来,许多创新的思想家扩展和修改了这个想法,创造了不同种类的真空系统。

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到目前为止,我们已经看了最典型的类型的真空吸尘器:正直的这两种设计都能在多孔的袋子里收集灰尘。在吸尘器历史的大部分时间里,这些都是最流行的设计,但还有许多其他方式来配置吸尘系统。我们将在下一节中研究其中一些。

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两个立式吸尘器模型,一个与传统袋系统(右),另一个与新的“旋风”系统(左)。

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中央真空系统和湿/干真空

始于20世纪50年代的费尔法克斯S-1系列:费尔法克斯系列将功能性与美感相结合。"width=
始于20世纪50年代的费尔法克斯S-1系列:费尔法克斯系列将功能性与美感相结合。
查尔斯·莱斯特

第一台真空吸尘器使用于19世纪中期手动波纹管创建吸入。它们形状各异,大小不一,对日常清洁的帮助微乎其微。20世纪初,第一台电动吸尘器出现了,并立即获得了成功(尽管在几十年里,它们只是作为奢侈品出售)。

这个时代的一种非常流行的吸尘器设计在今天又重新流行起来。这个设计,中央真空系统,把你的整个房子变成一个清洁工。地下室或室外的电动风扇通过一系列相互连接的风扇产生吸力墙上的管道.要使用吸尘器,你需要打开风扇马达,并将一根软管连接到房子各处的各种管道出口。污垢被吸进管道,沉淀在一个大罐子里,你一年只清空几次。有关更多信息,请参见中央真空系统是如何工作的

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干/湿真空吸尘器

对于重型清洁工作,很多人使用干/湿吸尘器这是一种既能拾取固体也能拾取液体的模型。液体材料会浸湿纸或布过滤器,所以这些清洁剂需要一种不同的收集系统。

它的基本设计很简单:在通过清洁器的过程中,气流通过一个更广泛的领域,它被放置在.当它到达这个更大的区域时,气流减慢,这和空气通过狭窄连接件时加速是一样的道理。这种速度的下降有效地放松了空气的抓地力,因此液滴和较重的灰尘颗粒可以从气流中掉落到桶中。在你用吸尘器清理完之后,你只需将收集到的东西倒出即可。

一种干湿式真空吸尘器是蒸汽清洁器。这些真空吸尘器将清洗液喷洒到地毯上,按摩地毯,然后将清洗液和任何污垢一起吸走。"width=
一种干湿式真空吸尘器是蒸汽清洁器。这些真空吸尘器将清洗液喷洒到地毯上,按摩地毯,然后将清洗液和任何污垢一起吸走。

接下来,我们将看看吸尘技术的另外两项创新:旋风真空和机器人真空。

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旋风真空和机器人真空

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James Dyson的Root Cyclone™DC07
照片礼貌戴森

最近的一种真空吸尘器是所谓的“旋风真空”。这种机器是詹姆斯·戴森(James Dyson)在20世纪80年代开发的,没有传统的袋或过滤系统。相反,它让气流通过一个或多个气缸,以及一个高速螺旋路径.这个动作有点像干衣机,一个过山车或者一个旋转木马。当气流呈螺旋状旋转时,所有的灰尘颗粒都经历了强大的离心力它们被吹向外,远离气流。这样,不使用任何过滤器就能从空气中提取污垢。它只是在圆柱体的底部聚集。

根气旋™。大量的空气同时通过几个旋风,提供更高的,持续的吸力。"width=
根气旋™。大量的空气同时通过几个旋风,提供更高的,持续的吸力。
照片礼貌戴森

与传统的真空吸尘器相比,旋风除尘器是一个显著的改进——无需更换袋,吸力也不会随着吸尘量的增加而减少。

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机器人真空吸尘器

直到最近,无论真空有多强大,总要有人在那里推动它。进入机器人真空.多亏了电动机、传感器和导航系统的组合,这些小玩意儿可以自己清洁。要更详细地探究其中一个,请查看机器人吸尘器是如何工作的

在未来,我们肯定会看到更多的改进,在基本的真空吸尘器的设计,新的吸力机制和收集系统。但它的基本原理是利用流动的气流来收集灰尘和碎片,很可能会在这里停留一段时间。

有关吸尘器和相关主题的更多信息,请查看下一页的链接。

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