吸尘器的工作原理

由:汤姆哈里斯

在其100年的历史中,电动吸尘器已经成为大多数人不可或缺的家用电器,原因显而易见。想象一下用手从地毯上拣出这些木屑!"width=
在其100年的历史中,电动吸尘器已经成为大多数人不可或缺的家用电器,原因显而易见。想象一下用手从地毯上拣出这些木屑!

当你用吸管喝苏打水时,你是在使用所有吸入装置中最简单的。吸汽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比顶部大,苏打水被推到你的嘴里。

这和吸尘器的基本原理是一样的,只是执行起来有点复杂。在这篇文章中,我们将深入了解吸尘器内部,了解它在清理室内灰尘和杂物时是如何发挥吸力的作用的。正如我们将看到的,标准的吸尘器设计非常简单,但它依赖于一系列物理原理来有效清洁。

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它可能看起来是一台复杂的机器,但传统的吸尘器实际上只由六个基本部件组成:

  • 一个进气口,其中可能包括各种清洁配件
  • 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组件

当你把吸尘器插头插上并打开时,会发生这样的事情:

  1. 电流操纵着电动机.电机连接在风扇,它有倾斜的刀片(像一个飞机螺旋桨)。
  2. 随着风机叶片转向,它们推动空气向前,朝向排气口(查看飞机是如何工作的找出造成这一现象的原因)。
  3. 当空气颗粒被向前推动时,空气颗粒的密度粒子的(因此空气压力)在风扇前增大,在风扇后减小。

压降风扇的后面就像你喝饮料时吸管里的压降一样。风扇后面区域的压力水平下降到真空吸尘器外面的压力水平以下环境空气压力).这就产生了吸力局部真空,在吸尘器里面。由于吸尘器内部的气压比外部的气压低,环境空气通过进气口将自己推入吸尘器。

只要风扇在运转,通过吸尘器的通道保持打开,就有一个持续不断的气流通过进气口,出排气口。但流动的气流是如何收集地毯上的污垢和碎片的呢?关键的原则是摩擦

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吸尘器刷和袋

立式吸尘器底部通常有旋转刷子,可以把地毯上的污垢清除掉。刷子可以通过真空马达旋转,也可以简单地通过流动的空气旋转。"width=
立式吸尘器底部通常有旋转刷子,可以把地毯上的污垢清除掉。刷子可以通过真空马达旋转,也可以简单地通过流动的空气旋转。

在上一节中,我们看到吸尘器的旋转风扇产生的吸力产生了一股流动的气流,气流通过进气口和出气口。这股气流的作用就像一股水流。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,就会产生摩擦将物料送入吸尘器内部。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,它踢掉地毯上的灰尘和污垢,这样就可以被气流带走。

当充满灰尘的空气进入排气口时,它通过吸尘器袋.这些袋子是由多孔编织材料(通常是布或纸)制成的,它充当了一个空气过滤器.袋子上的小孔大到足以让空气颗粒通过,但又小到大多数污垢颗粒无法通过。因此,当气流进入袋子时,所有的空气通过材料移动,但污垢和碎片聚集在袋子里。

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吸尘器袋只是一个过滤器,让空气通过,但把污垢留在里面。"width=
吸尘器袋只是一个过滤器,让空气通过,但把污垢留在里面。

只要有气流通过,你可以把吸尘器袋放在进气管和排气口之间的任何位置。在立式真空吸尘器中,袋子通常是路径上的最后一站:在它被过滤后,空气立即回流到外部。在罐真空吸尘器时,可将袋置于风机前,这样空气一进入真空就被过滤。

利用这一基本思想,设计师们创造了各种各样的吸尘器,具有广泛的吸力。在下一节中,我们将讨论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将进入真空的空气集中起来。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将进入真空的空气集中起来。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。

在上一节中,我们看到吸尘器通过空气过滤器(袋子)驱动气流来清除污垢。吸尘器的吸力取决于许多因素。吸力的强弱取决于:

  • 风扇功率要产生强大的吸力,电机必须以良好的速度转动。
  • 空气通道堵塞当大量的碎片在真空袋中堆积时,空气在排出时面临更大的阻力。由于阻力增加,空气微粒移动得更慢。这就是为什么当你刚刚更换了袋子时,吸尘器比你用吸尘器吸了一段时间后效果更好。
  • 进气口末端开口的大小:由于真空风机的速度是恒定的,单位时间内通过吸尘器的风量也是恒定的。无论你把进气口做多大,每秒钟进入吸尘器的空气颗粒数量都是一样的。如果你把端口做得更小,单个的空气颗粒将不得不移动得更快,以便它们都能在那么长的时间内通过。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学习这个物理原理)。压力的下降转化为进气道的更大的吸力。因为它们产生了更强的吸力,窄的真空附件比宽的附件能吸附更重的污垢颗粒。

在最基本的层面上,这就是吸尘器的全部。自一个世纪前电子真空被发明以来,许多创新的思想家扩展和修改了这一想法,以创造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吸尘器:正直的而且这两种设计都能在多孔袋中收集污垢。在吸尘器的大部分历史中,这些都是最受欢迎的设计,但还有许多其他的方式来配置吸入系统。我们将在下一节中讨论其中一些。

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两种直立式吸尘器,一种采用传统的袋式系统(右),另一种采用新的“旋风”系统(左)。

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中央真空系统和湿/干式真空

费尔法克斯S-1可以追溯到20世纪50年代:费尔法克斯将功能性与美学魅力相结合。"width=
费尔法克斯S-1可以追溯到20世纪50年代:费尔法克斯将功能性与美学魅力相结合。
图片由Charles Lester提供

第一台真空吸尘器可以追溯到19世纪中期手动波纹管创建吸入。它们有各种形状和大小,在日常清洁中几乎没有帮助。20世纪初,第一台电动吸尘器出现了,并立即获得了成功(尽管几十年来,它们都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如今又重新流行起来。这个设计,中央真空系统,把你的整个房子变成一个清洁器。地下室或屋外的电动风扇通过一系列相互连接的管道产生吸力墙上的管子.要使用吸尘器,你需要打开风扇马达,把软管连接到整个房子的任何一个管道出口。污垢被吸入管道,沉积在一个大罐子里,你一年只清空几次。有关更多信息,请参见中央真空系统如何工作

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干/湿真空吸尘器

对于繁重的清洁工作,很多人使用干/湿吸尘器这种型号既可以收集液体,也可以收集固体。液体会浸泡纸或布过滤器,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,气流经过一个更广泛的领域,它位于a上.当它到达这个更大的区域时,气流减慢由于同样的原因,当空气通过一个狭窄的附件时,会加速。速度的下降有效地放松了空气的束缚,所以液滴和较重的污垢颗粒可以从气流中掉落到桶中。在你用吸尘器打扫完之后,你只要把这个桶里收集的东西倒出来就行了。

干湿真空的一种是蒸汽清洁器。这些真空吸尘器将清洗液喷洒到地毯上,进行按摩,然后将液体和污垢一起吸走。"width=
干湿真空的一种是蒸汽清洁器。这些真空吸尘器将清洗液喷洒到地毯上,进行按摩,然后将液体和污垢一起吸走。

接下来,我们来看看吸尘器的另外两项创新:旋风吸尘器和机器人吸尘器。

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旋风真空和机器人真空

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James Dyson的根旋风™DC07
照片礼貌戴森

吸尘器最近的一种变种是所谓的“旋风吸尘器”。这种机器由詹姆斯·戴森(James Dyson)在20世纪80年代开发,没有传统的袋式或过滤系统。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.这个运动类似于干衣机,一个过山车或者一个旋转木马。当气流呈螺旋状四处喷射时,所有的灰尘颗粒都经历了强大的离心力它们被甩向外面,远离气流。通过这种方式,不使用任何形式的过滤器就可以从空气中提取污垢。它只是在圆筒底部收集。

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

旋风系统是对传统真空吸尘器的显著改进——不需要更换袋,吸力不会随着你吸入更多的灰尘而减少。

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机器人真空吸尘器

直到最近,无论吸尘器有多强大,仍然需要有人在那里推动它。进入机器人真空.多亏了马达、传感器和导航系统的组合,这些小玩意可以自己清洁。要了解更多细节,请查看机器人吸尘器是如何工作的

在未来,我们肯定会看到在基本的吸尘器设计上有更多的改进,有新的吸入机构和收集系统。但基本的想法,利用流动的气流来捡拾污垢和碎片,很可能会在这里停留一段时间。

要了解更多关于吸尘器和相关主题的信息,请查看下一页的链接。

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