CN112797434A - 一种基于火焰的真空发生器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于火焰的真空发生器，包括壳体和燃烧组件，所述壳体具有空腔，空腔是具有至少一个开口的空间，所述燃烧组件包括燃烧物和点火器，点火器用于点燃燃烧物，燃烧物在空腔中产生火焰，且火焰在空腔中熄灭。本发明通过深入研究火焰燃烧产生真空的内部机理，发现火焰的熄灭过程是导致真空产生的关键，火焰越大、燃烧越充分，则空腔内火焰熄灭后产生的真空压力就越高；且进一步发现在密闭空腔内火焰的产生会在空腔内形成高压，这将极大影响火焰熄灭后空腔内真空的形成；基于此本发明通过结构改进，进一步提高了空腔内产生真空的大小，本发明的真空发生器不仅能耗低、噪音低，而且适用范围广，且可工业应用。

Description

一种基于火焰的真空发生器

技术领域

本发明属于真空技术领域，涉及一种基于火焰的真空发生器。

背景技术

真空广泛地应用于各行各业。通常，产生真空的机器有真空泵和射流真空管。真空泵通过消耗电力来驱动电机，电机带动叶片或螺杆等结构体运动来产生真空；射流真空管则是利用高压流体的高速运动的卷吸作用来产生真空。这样的真空发生机器有如下缺点：

(1)耗能大。在产生真空的过程中，能量发生了多次转换和传输。以真空泵为例，首先，发电厂燃烧煤炭产生电力，石化能量转化成电力能量；电力通过电力网络进行输送；电力输送到真空泵，电力能量转化成机械动能；机械动能带动叶片或螺杆等结构体运动，产生真空，机械动能转化成流体势能(真空的压力是一种流体势能形式)。整个过程发生了三次能量形式的转换和长距离的能量传输，因此会造成巨大的能量损失。再以射流真空管为例，它需要高压空气的驱动，因此，比真空泵还要再多一次能量形式的转换(流体压缩机的机械动能转化成高速流体的流体动能，流体动能再转化成流体势能)。

(2)使用场合受限。真空泵和射流真空管都需要大功率的电力供给，因此，它们只能在有电力供给的条件下使用。

(3)噪音大。真空泵的电机和结构体的运动会持续地产生巨大的噪音。电机和结构体旋转时会带动整个真空泵振动，振动产生噪音。因此，振动的真空泵是一个振动噪声源，持续第向外发出巨大的噪音。真空射流管的高速射流会产生大量的气流漩涡，气流漩涡产生巨大的空气动力噪音，并且，噪音会随着真空射流管的排气流动传递到外部，导致巨大的噪音。

根据生活经验和常识我们知道，利用火焰燃烧也可以形成真空，如拔火罐等。但是，拔火罐是利用火焰来预热火罐的空腔，然后把火焰拿出来，再把空腔倒扣在人的身体上。随着火罐的空腔内的温度逐渐降低，内部的空气冷缩而形成真空。然而，这样的真空产生方法具有两个缺点：(1)因为空气冷却的速度比较慢(数秒甚至数分钟)，所以真空形成过程的时间比较长；(2)温度降低无法产生高真空，因此，真空的吸附力不足，不具有工程应用价值。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出一种基于火焰的真空发生器，利用在空腔内产生火焰和熄灭火焰来产生真空，并通过研究真空形成的内部机理进行结构改进，进一步有效提高真空压力，有利于工程应用。

本发明所采用的技术方案如下：

一种基于火焰的真空发生器，包括壳体和燃烧组件，所述壳体具有空腔，空腔是具有至少一个开口的空间，所述燃烧组件包括燃烧物和点火器，点火器用于点燃燃烧物，燃烧物在空腔中产生火焰，且火焰在空腔中熄灭。

上述技术方案中，进一步的，所述的燃烧组件中还包括燃料补充单元，所述的燃料补充单元用于向所述空腔内补充燃烧物所需的燃料。通过燃料的补充使空腔内可持续的进行火焰燃烧熄灭的过程，以提高真空。

进一步的，所述的燃料补充单元向所述空腔内补充的燃料为可燃气体、可燃液体或是雾化的可燃液体。采用气态或雾化的燃料有利于火焰充满空腔即使得燃烧火焰更大更充分，以提高真空。

进一步的，所述的真空发生器还包括换气机构，所述换气机构用于向空腔内输送空气或助燃气体。在燃烧过程中空腔内的氧气不断消耗，这不利于真空的进一步提高，通过换气机构补入空气或助燃气体可使得燃烧过程可持续或更充分。

更进一步的，所述换气机构包括送风装置和遮断机构，遮断机构用于打开和关闭空腔与外界大气的连通，以便于送风装置向空腔内输入空气或助燃气体。

进一步的，所述的真空发生器还包括高压抑制装置，用于降低火焰产生时在空腔中所形成的高压。当空腔处于密闭状态，燃料在其内进行燃烧产生火焰的过程会显著提高空腔内的压力，这将极不利于后续火焰熄灭后空腔内真空的形成和提高，通过设计高压抑制装置可以有效的解决这一问题，并提高真空。

更进一步的，所述高压抑制装置仅当空腔内的压力大于壳体外压力时连通空腔和外界大气。

本发明通过深入研究火焰燃烧产生真空的内部机理，发现了其中的核心因素，即，火焰是一种类似气态的物质，火焰的熄灭过程是这种类似气态物质冷凝成液态或是固态，从而产生真空。而且，火焰越大、火焰熄灭后产生的真空压力就越高。此外，我们发现在密闭空腔内火焰的产生会在空腔内形成高压，这将极大影响火焰熄灭后所形成的真空大小。基于此，本发明提出一种基于火焰的真空发生器，并在其基础上进行了多种改进和优化；与现有的真空发生装置(真空泵、射流真空管等)相比，本发明的真空发生器具有如下优点。

(1)极低的耗能。本发明直接用燃料作为动力源。燃料的燃烧直接产生流体势能(即，真空压力)。整个过程只有一次能量形式的转换，最大限度地减小了能量的损耗。

(2)使用范围广。本发明不需要大功率的电力设备，因此也不需要大功率的电力供给。可以在极低电力供给(点火器产生点火火星的功率极低，用很小的纽扣电池即可实现点火)的条件下工作。

(3)噪音低。点火时，点火器的电火花的产生会发出极其微弱的声音。在非密闭的空腔内，火焰的产生几乎不发出声音。在密闭的空腔内，火焰的产生会产生一瞬间的响声，但是，因为空腔处于密闭状态，响声无法有效传导到外面，所以响声并不明显。火焰熄灭时也几乎不会发出声音。总之，本发明并不会产生持续的机械振动和高速气流，因此，不会产生明显的噪音。

附图说明

图1是本发明中最基本结构及过程示意图；

图2是火焰燃烧及熄灭全过程空腔内压力和温度的变化曲线；

图3是空腔内火焰大小及真空压力的关系实验(a)及结果图(b)；

图4是本发明一种具体实施方式结构示意图；

图5是图4所示结构的使用示意图；

图6是图5实验过程中空腔内压力的变化曲线；

图7是本发明另一种具体实施方式结构示意图；

图8是图7所示结构实验过程中空腔内压力的变化曲线；

图9是本发明另一种具体实施方式结构示意图；

图10是本发明另一种具体实施方式结构示意图；

图11是本发明另一种具体实施方式结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的方案进行进一步的解释说明。

实施例1

本例中真空发生器由壳体、燃烧物和点火器组成。燃烧物是酒精块。壳体内形成空腔，酒精块设置在空腔内。在所述空腔上设有一个开口。为了测试空腔内的压力和温度变化，在工件表面设置温度传感器和压力传感器。

如图1所示，首先，点火器点燃固体酒精块，固体酒精块在空腔里燃烧，形成火焰。然后，把壳体的开口的端面放置在工件上，工件遮盖住空腔的开口隔断空腔与外周大气，于是，空腔形成密闭空间。火焰消耗空腔内部的氧气，随着氧气浓度逐渐降低，火焰熄灭，空腔内部形成真空压力，壳体的开口把真空压力连通到工件表面，起到吸附工件的作用。

图2是壳体的开口端面放置在工件上之后的空腔内压力和温度的变化结果曲线。可以看到，在图1中步骤3之前，空腔和外周大气连通，空腔内的压力等于大气压力；在步骤3之后，空腔内的压力随着火焰的熄灭而下降，最终形成了50千帕的真空压力。关于空腔内部产生上述真空压力的原因分析如下：

1)固体酒精块的燃烧消耗氧气

氧气在空气中占比20％，在酒精燃烧过程中，假设燃烧是完全充分的，那么，酒精燃烧的化学反应消耗3个氧气分子同时产生2个二氧化碳分子，依此计算，火焰熄灭后，空腔内的气体减少了7％左右(＝20％/3)，换算成真空压力仅是7千帕。这一真空压力远远小于实验测量的真空压力。显然，该原因不是上述空腔内真空产生的主要原因。

2)火焰熄灭后温度降低、气体冷却收缩

固体酒精块燃烧时，释放大量的热量，使空腔内的温度上升。火焰熄灭后，燃烧中止，酒精块不再释放热量，空腔内的热量通过与壳体壁面之间的热交换散发，空腔内的温度降低，于是，空腔内的气体冷却收缩形成真空压力。但是，图2的数据显示，火焰没有完全熄灭之前，温度一直在上升。但是，即便温度还在上升阶段，真空压力已经在很短的时间内形成了。在温度上升到顶点时，已经有30千帕的真空压力。显然，这30千帕的真空压力是无法用温度下降来解释的。而且，温度下降是一个非常缓慢的过程，因此，温度下降也无法很好地解释真空压力快速产生的现象。

3)火焰的冷凝

火焰是一种类似气态的物质。火焰的熄灭本质上是这种类似气态物质冷凝成液态或固态的过程。也就是，火焰熄灭后，类似气态的火焰消失，从而产生了真空。火焰体积越大，火焰熄灭后产生的真空压力就越高。图3(a)是相应实验的示意图。在一个平面上放置若干个酒精棉球；点燃若干个酒精棉球，产生若干个火焰团；然后用壳体盖住火焰团，同时，用压力传感器测量壳体内部的压力，得到图3(b)的实验结果。实验结果显示，火焰团的个数越多，壳体内的真空压力越大，也就是说，火焰体积越大，真空压力越大。并且，在这一过程中，真空压力的产生与火焰熄灭同步进行，因此，真空压力的产生速度是非常快速的。

通常，人们只知道上述1)和2)，因此导致了一种误解：火焰熄灭后，真空形成非常缓慢(温度下降过程耗时长)，并且，真空压力非常小。这样的误解限制了人们对这一现象的开发和利用。此外，还导致另一个误解：真空的大小与火焰的大小无关。因此，目前的拔火罐技术并没有把火焰放置在腔体内部，也不会对火焰的大小提出任何设计要求。而本发明通过研究发现第三个原因是产生真空压力的核心原因，并将其应用于真空发生器中，只要确保充分的燃烧和获得足够大的火焰，就可以快速地产生高真空压力。这样的真空发生器能够具备工业应用的价值。

实施例2

图4是本发明的另一种实施方式。与实施例1相比，本实施例的真空发生器通过补充燃料来保持充分的燃烧，并得到很大的火焰。补充燃料的方法有很多，本例仅以一种具体方式进行说明。在本实施例中，燃烧物是一块浸透酒精的石棉块，石棉块设置在壳体空腔内。所述真空发生器还具有燃料补充单元，包括：设置在壳体外的燃料容器，所述燃料容器和石棉块之间用输送管连接，输送管上安装有开关阀；点火器设置在壳体外，点火器的点火头伸入壳体内靠近石棉块。

开关阀打开，燃料容器中存储的液体燃料(例如：酒精、煤油、汽油等)通过输送管流到石棉块，浸透石棉块，然后关闭开关阀，切断液体燃料供给。接着，点火器点着石棉块上的液体燃料，产生火焰。把壳体的开口端的面放置在工件上。工件遮盖住空腔的开口，隔断空腔与外周大气。火焰熄灭，空腔内部形成真空压力。壳体的开口把真空压力连通到工件表面，起到吸附工件的作用。多次燃烧之后，石棉块上的液体燃料变少，会导致火焰变小，可以再次打开开关阀，向石棉块补充燃料，确保石棉块上有足够的燃料，这样就能够燃烧形成很大的火焰，从而在火焰熄灭后得到较高的真空压力。

实施例3

在本实施例中，把图4的真空发生器预先放置在工件上，壳体和工件组成了一个密闭的空腔，如图5所示。然后点燃石棉块上的燃料。燃料和空腔里的空气发生燃烧，产生火焰。接着，空腔里的空气耗尽，火焰熄灭。图6是通过实验得到的上述过程中空腔内压力变化曲线。燃料在密闭空腔里燃烧时，火焰的产生会导致空腔内的压力快速地上升。这样的压力上升会抬高火焰熄灭时的压力下降曲线，导致空腔内的真空压力降低、甚至无法形成真空压力。因此，在工业应用时，抑制密闭空腔内燃烧物燃烧时的压力上升有助于增强真空压力。本实施例中通过设置高压抑制装置来抑制和降低火焰产生时的压力上升，进而达到提高真空压力的目的，所述高压抑制装置仅当空腔内压力大于壳体外压力时将空腔与外界大气连通。

本实施例的高压抑制装置是一个单向阀，单向阀通过管子与空腔相互连通，如图7所示。当燃料燃烧时，空腔内的压力上升，单向阀在两侧压差(大气压低于空腔内压力)的作用下打开，空腔内的高压气体通过单向阀排出，起到降低空腔内的高压的作用。当空腔内开始形成真空压力时，单向阀在两侧压差(大气压高于空腔内压力)的作用下关闭，起到保持空腔内的真空压力的作用。图8是图7的装置的实验结果。对比图6和图8的结果可知，高压抑制装置能够有效地抑制和降低空腔内的压力上升，提高火焰熄灭后的真空压力。

实施例4

图9是本发明的另一种实施方式。本实施例是在上述实施例的基础上做的进一步的改进，可以实现方便地通过壳体的开口来使用真空压力。

本实施例的壳体的开口缩小成为一个孔。壳体的开口通过真空管把空腔内的真空压力连通到真空使用设备上，例如，吸盘。空腔内的真空使吸盘能够吸附工件。当吸盘脱开工件，外部的空气会流经吸盘和真空管进入空腔，使空腔内存在一定的氧气，可以进行第二次燃烧。

当完成一次燃烧之后，空腔内会产生废气。因为本实施例的壳体的开口比较小，废气难以有效排出。如果废气不能排出，这会降低空腔内的氧气含量，导致燃料的燃烧不充分，进而影响火焰的体积大小。因此，本实施例的真空发生器还设置了换气机构，用于排出燃烧废气和送入空气，如图10所示。换气机构包括送风装置、遮断机构。，遮断机构用于打开和关闭空腔和外界大气的连通，以便于送风装置向空腔内输入空气、以及空腔向外界排出废气的顺利进行。当进行下一次燃烧前，遮断机构打开，使空腔与外界大气连通；然后，送风装置启动，将外界的空气通过送气管向空腔内送入空气。在送气的过程中，上一次燃烧的废气通过开口的孔或遮断机构向外排出。当完成空腔内的废气排出和空气充满之后，遮断机构关闭空腔与外界大气的连通，同时送风装置停止。把吸盘放置在工件上之后，点火器点燃石棉块上的燃料，进行新一轮的工件吸附动作。

此外，为了增大燃烧的火焰，换气机构还可以向空腔内送入纯氧等助燃气体。氧气能使燃烧更充分、火焰更大。

实施例5

在本实施例中，真空发生器中采用的燃烧物是气态或准气态，例如甲烷、雾化的汽油等。如图11所示，燃料补充单元包括开关阀、燃料容器、和输送管。开关阀打开，燃料容器向空腔内输送这些可燃气体或油雾，与空腔内的空气混合。点火器点火后产生火焰，火焰熄灭形成真空压力。采用可燃气体或油雾等气态或准气态燃料来作为燃烧物的好处是能够在整个空腔内形成火焰，有助于提高真空压力。通过实验证明，相较于前述的酒精块和浸透酒精的石棉块，采用雾化的酒精作为燃料能够产生更高的真空压力。

Claims (7)

1.一种基于火焰的真空发生器，其特征在于，包括壳体和燃烧组件，所述壳体具有空腔，空腔是具有至少一个开口的空间，所述燃烧组件包括燃烧物和点火器，点火器用于点燃燃烧物，燃烧物在空腔中产生火焰，且火焰在空腔中熄灭。

2.根据权利要求1所述的基于火焰的真空发生器，其特征在于，所述的燃烧组件中还包括燃料补充单元，所述的燃料补充单元用于向所述空腔内补充燃烧物所需的燃料。

3.根据权利要求2所述的基于火焰的真空发生器，其特征在于，所述的燃料补充单元向所述空腔内补充的燃料为可燃气体、可燃液体或是雾化的可燃液体。

4.根据权利要求1-3任一项所述的基于火焰的真空发生器，其特征在于，所述的真空发生器还包括换气机构，所述换气机构用于向空腔内输送空气或助燃气体。

5.根据权利要求4所述的基于火焰的真空发生器，其特征在于，所述换气机构包括送风装置和遮断机构，遮断机构用于打开和关闭空腔与外界大气的连通，以便于送风装置向空腔内输入空气或助燃气体。

6.根据权利要求1-5任一项所述的基于火焰的真空发生器，其特征在于，所述的真空发生器还包括高压抑制装置，用于降低火焰产生时在空腔中所形成的高压。

7.根据权利要求6所述的基于火焰的真空发生器，其特征在于，所述高压抑制装置仅当空腔内的压力大于壳体外压力时连通空腔和外界大气。

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