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吸尘器过滤结构的设计

发表时间：2021/4/15 来源：《基层建设》2020年第32期作者：裘苗松

[导读] 摘要：吸尘器是常用的家用电器之一，通过吸收空气带走灰尘。

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        摘要：吸尘器是常用的家用电器之一，通过吸收空气带走灰尘。吸尘器中的过滤结构可以允许空气通过，并且将尘埃固定下来。为了保证吸尘器的性能，就需要做好过滤结构的设计，满足清洁的要求，而且避免出现性能的削弱。该文研究了吸尘器过滤结构的设计。首先分析了吸尘器的工作原理和应用发展，然后研究了不同种类的吸尘器过滤结构的设计发展，包括集尘袋、尘杯和旋风过滤装置，帮助设计人员更好地了解吸尘器的过滤结构设计，推动吸尘器技术水平的提升。
        关键词：吸尘器；结构设计；灰尘过滤
        1 吸尘器的工作原理和发展
        1.1 吸尘器的工作原理
        吸尘器工作是内部电机带动叶片高速旋转，让内部尘杯呈现出负压甚至真空状态，进而从进气口吸入空气，然后通过滚刷、软管，进入尘杯的滤尘袋，将灰尘截留在滤尘袋内，干净的空气则进入电机，经过出口过滤器排出。吸尘器的过滤架构就是进行灰尘的过滤，用过滤片来防止滤尘网破裂，用过滤片来防止滤尘网破裂之后灰尘进入电机造成故障。
        由于电机在运行过程中会有磨损，所以会在吸尘设备的吸气口前再增加一道滤网，过滤材料比较细密，能够过滤掉体积比较小的灰尘，但是透气度相对比较差，会导致电机吸入的进风量低，降低吸尘器的效率。所以一般会使用波浪形网来增加透气面积。
        1.2 家用吸尘器的发展
        家用吸尘器经过了较长时间的发展，已经成为了家庭清洁的重要设备。人们通过使用气流来将灰尘吸入到容器当中，是吸尘器最开始的形态。后来，人们意识到吸尘器中的空气可以从容器中抽出，这样可以创造一个真空状态，从而完成吸尘的工作。1898年，美国人瑟曼圣易路斯提供了地毯吸尘器的专利，这个吸尘器的原理在于压缩空气将吸尘器吸入到容器当中，也成为了比较现代的吸尘器。但是由于这种吸尘器操作不利，当时并没有得到普及，所以吸尘器并没有得到大规模的生产，而是以租赁的形式交给有需要的客户。尤其是吸尘器最初并没有实现小型化，体积十分庞大，并不容易移动，很不适合家庭使用。随着技术的发展，真空吸尘器被人们创造破出来，吸尘器最初并没有刷头和滚刷作为辅助，仅仅是通过长管来进行吸尘，使用内燃机来提供动力。随着高速电机技术和过滤技术的成熟，原有的体积庞大的吸尘器被逐步淘汰，操作简便、体积小巧的现代吸尘器被广泛地使用。尤其是目前无线吸尘器的发展，让女性也能轻松地在室内到处进行清洁工作，降低了日常生活打扫的压力。
        2 吸尘器的过滤结构
        2.1 袋式过滤
        袋式过滤式吸尘器过滤结构的最早出现的形式，通过在吸尘器的内部安装一个具有过滤能力的集尘袋，就能够实现对灰尘的收集和过滤工作。为了提高袋式过滤的性能，对袋式过滤的设计思想为：过滤器要处于折叠状态，这样在灰尘随着空气进行吸尘器之前，过滤器都会折叠，在灰尘进入之后，由于灰尘和进入空气的增多，折叠会在吸尘器的内部慢慢展开，这样就增加了过滤面积，从而提高过滤的效果。但是这种方式的过滤袋在吸尘器吸入固定的量之后，不会允许吸尘器存在大量的褶叠，避免吸尘器的灰尘积累达到了吸尘器的额定容量。过滤袋的结构设计经过了一定的改进，通过食用纤维材料，利用纤维吸附来吸附灰尘，避免了由于褶叠所导致的资源消耗，但是纤维吸附的性能比较差，如果有大体积的垃圾或者大颗粒的灰尘进入，会导致纤维缝隙的堵塞，导致吸尘器的过滤效果降低。为此，又进一步进行了改进，在吸尘器吸入空气和灰尘以后，灰尘会先进入粗过滤的海绵结构，这样能够将大颗粒、大体积的灰尘和垃圾进行拦截，然后再由过滤袋进行小体积灰尘的过滤，获得了较好的效果。

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        2.2 尘杯过滤器
        使用过滤袋式的过滤方法垃圾把过滤袋填满之后，过滤袋需要和垃圾一同扔掉，会造成大量浪费，也不利于循环利用，还会继续造成环境上的污染。为了解决这个问题，尘杯式过滤器就此提出。尘杯式过滤结构是使用尘杯替代传统的过滤袋，来进行吸入空气的灰尘过滤，尘杯里面灰尘满了之后，就要将尘杯中的灰尘手动倒出，尘杯能重复使用。尘杯也同样要面临大颗粒灰尘落入其中的问题，如果没有采取其他措施，就会导致吸尘器排出的气流中也有一定的灰尘，这就会导致电机周围充满灰尘，增加电机的发热，甚至影响电机气隙，最终影响吸尘器的性能和使用寿命。其次，含有灰尘的气流还会对空气产生二次污染，不仅没能提高居住环境的清洁程度，反而造成环境的破坏，会给生活带来很多的困扰。
        为了解决尘杯的问题，可以在尘杯的排风口加入高效过滤器来解决。使用高效过滤器（比如折叠海帕等）能够对吸尘器的气流进行再过滤，在排尘口处通过设置过滤器的基础上，还可以在尘杯的排风口处设置海绵等富有吸附能力的材料，这样也能够将灰尘吸附住，避免排出的空气不干净。这些思路的问题在于海绵和高效过滤器的过滤能力都比较有限，导致在吸尘器吸附的过程中容易出现堵塞的情况，使得吸尘的效率降低，并且如果发生堵塞，吸尘器的吸尘功能无法正常使用。为了解决洗吸尘器的问题，就需要对过滤器进行敲打才能够继续使用。除了加装海绵或者高效过滤器，还有的企业针对过滤结构进行了改装，比如，在过滤器上设置凸棱，这样能够改善排气结构周围的气体流动情况，让尘杯能够充分利用气流的动能，提高过滤的效果。
        2.3 旋风过滤器
        旋风过滤器的主要特点在于，带着灰尘进入吸尘器的空气会在吸尘器的内部形成旋风，由于灰尘颗粒本身有一定的质量，依靠离心力的作用就会和容器壁碰撞，然后会跌入集尘盒中，从而让吸尘器的灰尘和空气更好地分离。这种使用离心力的工作原理可以让吸尘器保持长时间的吸尘能力，并且具备非常好的过滤效果。
        旋风过滤器的概念在很早以前就被提出过，戴森技术公司在1981年提出了使用单个旋风过滤器进行过滤的方案，2002年中国苏州的泰怡凯电气提出专利申请，让整个过滤桶都有螺旋气流通过。旋风过滤器的安装可以拥有更大的面积，会产在旋风分离的时候离心力很大，这样就增加了过滤的面积，提高了对灰尘过滤的效果。通过对旋风分离器和过滤材料的改良，也能够在吸尘器内部形成螺旋气流，这样就能够对质量较大的垃圾进行离心分离，再对滤流进行二次过滤，就保证了过滤的效果。
        除了通过过滤器结构和材料的改进，也可以在设计时增加旋风过滤器的数量来获得更好的效果，比如，在过滤结构中进行两个或者多个过滤器的组合，通过反复过滤来保证过滤的效果。再比如，双旋风筒过滤器，就是通过两个旋风过滤器组合而得到的结构，这样的机构能够获得很强的过滤效果。乐金电子在旋风过滤器的设计当中，使用了二级旋风分离技术，这样就能从外部吸入空气异物时通过旋风流动进行双重过滤，有效提升了过滤器的效果。戴森使用了多旋风筒双层的旋风分离器，让吸尘器获得了更好的过滤效果，通过多层旋风分离，获得较高的过滤效果，提升了吸尘器的整体性能。
        3 结语
        吸尘器的过滤结构设计对吸尘器而言十分重要，就目前的性能来看，旋风过滤是比较好的设计结构，下一步就是在旋风过滤器上优化结构，比如多旋风过滤器的串联、并联等。甚至可以使用干净空气反冲高效过滤器，达到一键自清洁，延长过滤器寿命。企业仍然需要加强对过滤结构的研发和投入，提高吸尘器的性能。
        参考文献：
        [1]周梦德.新型吸尘器过滤结构设计[J].科技资讯，2020，018（010）：35-36.
        [2]张庆男，樊兴菊.家用吸尘器轴向入口二级旋风分离结构设计[J].轻工科技，2020，v.36；No.263（10）：67-68+101.
        [3]钱柯彬.基于隐喻设计理念的吸尘器形态设计[J].华东科技（综合），2019（4）：0279-0279.