真空發(fā)生器因其具有體積小、質(zhì)量輕、真空度高、產(chǎn)生真空快、運(yùn)動部件少、振動小、壽命長、噪音小、安裝方便, 維修簡單、控制方便、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)在汽車、化工、電子、玻璃制造、機(jī)械制造、家電制造等行業(yè)中得到廣泛地應(yīng)用。尤其與真空吸盤配合使用, 由于它受力均勻、不損壞工件、響應(yīng)快、體積小等優(yōu)點(diǎn), 所以在搬運(yùn)易損物品、常規(guī)方法難搬運(yùn)的物品、易產(chǎn)生應(yīng)力變形物品及微小物品的場合, 有著無可比擬的優(yōu)勢, 在自動化生產(chǎn)中起著越來越重要的作用。

1、真空發(fā)生器的工作原理

　　真空發(fā)生器主要由噴嘴和擴(kuò)張管組合而成(見圖1所示)。氣體一元定常等熵流動的能量方程即可壓縮流體的伯努里方程如下。

　　式中p為壓力; Q為密度; v 為流速; k =C_p/C_v, 其中C_p為定壓比熱, C_v為定容比熱,const為常數(shù)。

　　將0點(diǎn)的狀態(tài)參數(shù)代入式(1),由于流出噴管時的流速v₀為超音速, 可知該點(diǎn)的絕對壓力p₀值很小, 因而可得到所需的真空度。在低壓部S處如果導(dǎo)入二次氣流(G″、P_S、T_S、v_s) , 高速的一次氣流(G′、P_n、T_n) 將與之混合, 并交換動能, 二次氣流被加速,高速的混合氣體通過擴(kuò)張管減速, 動能再次轉(zhuǎn)化為壓力能。這樣, 若在S處接入欲抽真空的系統(tǒng), 則可達(dá)到抽真空之目的。

圖1　真空發(fā)生器工作原理圖

　　該過程的熱力學(xué)分析如下: 壓縮空氣G′通過噴管在0處變成超音速氣流, 由于氣流的速度很快,而噴管的尺寸很小, 故氣體在噴管中流動時, 來不及與外界發(fā)生熱交換, 可近似地看作絕熱過程。在流動過程中, 氣體的各種參數(shù)一般是連續(xù)變化的, 摩擦的影響較小, 可以忽略, 因而可近似地看作是可逆過程, 故該過程可近似地看作是等熵過程。整個熱力學(xué)過程可用焓—熵狀態(tài)變化圖表示(圖2)。圖2 中各點(diǎn)符號與圖1 相對應(yīng)。N點(diǎn)為噴管進(jìn)口狀態(tài)點(diǎn);O′為假想等熵過程噴管出口點(diǎn);O為實(shí)際噴管出口狀態(tài)點(diǎn); 3′為擴(kuò)張管假想等熵過程出口狀態(tài)點(diǎn); 3為擴(kuò)張管實(shí)際出口狀態(tài)點(diǎn)。如一次流體從進(jìn)口壓力P_n經(jīng)絕熱膨脹后在噴管出口處壓力為P₀, 則噴管出口流速v₀可由式(2)求出

　　式中G_n為速度系數(shù), 一般取0.94～0.96; R為氣體常數(shù), A= k/k-1。圖2中噴管兩端的焓差為

　　式中　A 為熱功當(dāng)量。

　　假設(shè)真空口吸入壓力P_S與噴管出口壓力P₀相等, 則混合后的流速v₁為

　　式中　G_m為速度系數(shù), 一般取G_m= 0.95～0.98; X=G′/C″ , 其中G′為噴管內(nèi)的一次流量, G″為真空口處吸入的二次流量; 混合后的焓值i1為

　　擴(kuò)張管出口處流速為v₃, 狀態(tài)點(diǎn)1至3過程近似可看成絕熱過程, 則

　　式中　G_d為擴(kuò)張管的效率, 一般取G_d= 0.6～0.8;狀態(tài)點(diǎn)1經(jīng)等熵過程到達(dá)3′點(diǎn), 對應(yīng)焓值i3′為

　　通過3′點(diǎn)的等壓線P₃即為擴(kuò)張管出口的壓力, 實(shí)際出口狀態(tài)點(diǎn)3的焓值為

圖2　狀態(tài)變化圖

2、真空發(fā)生器結(jié)構(gòu)及性能參數(shù)

2.1、真空發(fā)生器的性能參數(shù)

　　真空發(fā)生器的主要性能參數(shù)有:

　　① 空氣消耗量: 指從噴嘴流出的流量。用基準(zhǔn)狀態(tài)下的體積流量表示。

　　② 排氣量: 指從真空口吸入的空氣流量。當(dāng)真空口向大氣敞開時, 其排氣量最大, 稱最大排氣量。

　　③ 到達(dá)真空度: 指大氣壓力與真空腔內(nèi)的絕對壓力之差。當(dāng)吸入口被完全封閉, 即排氣量為0時,真空腔的真空度稱為最大到達(dá)真空度。

2.2、真空發(fā)生器的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

　　真空發(fā)生器主要由噴嘴和擴(kuò)張管組成, 由上述可知噴嘴的作用是將壓縮空氣的能量轉(zhuǎn)換為動能,產(chǎn)生超音速氣流; 擴(kuò)張管的作用是使超音速氣流減速以降低排出氣體時的噪音。由氣體動力學(xué)可知?dú)饬饕辉�定常等熵流動時通流截面積與氣流的速度間應(yīng)滿足公式

　　式中: f為通流截面積;M為馬赫數(shù),M=v/A; v為氣流的速度; A為當(dāng)?shù)匾羲?

　　由上式可見, 當(dāng)流速增加時, 通流截面積究竟擴(kuò)大還是縮小, 要看(M²-1) 的正負(fù),亦即M>1還是M<1。當(dāng)流速小于當(dāng)?shù)匾羲偌铀贂r,M 小于1, (M²-1)為負(fù), df符號與dv相反。故當(dāng)流速增高時, 氣流截面積應(yīng)縮小。當(dāng)流速等于音速時,M=1則M ²-1=0,即df=0,此時氣流截面積達(dá)最小值。當(dāng)流速大于當(dāng)?shù)匾羲偌闯�音速時,M大于1, (M ²- 1) 為正, d_f符號與d_v同號, 故當(dāng)流速增高時, 氣流截面積應(yīng)擴(kuò)大。因此, 為了獲得超音速氣流, 噴嘴的截面形狀應(yīng)當(dāng)是小于音速加速時先縮小, 當(dāng)?shù)扔谝羲贂r為最小, 然后超音速時逐漸擴(kuò)大, 即采用漸縮漸擴(kuò)的拉伐爾噴管結(jié)構(gòu); 同理, 為了使超音速氣流減速, 擴(kuò)張管的截面形狀應(yīng)采用超音速減速時先縮小, 當(dāng)流速等于音速時, 即M=1時截面為最小, 然后小于音速減速時截面逐漸擴(kuò)大的漸縮漸擴(kuò)結(jié)構(gòu)。圖3 是真空發(fā)生器的噴嘴和擴(kuò)張管結(jié)構(gòu)簡圖, 噴嘴漸縮角度A建議取120°～140°, 漸擴(kuò)角度B 建議取14°～16°;擴(kuò)張管漸縮及漸擴(kuò)角度C、H建議取6°～8°

圖3　真空發(fā)生器結(jié)構(gòu)簡圖