无线吸尘器的核心多锥旋风分离技术

　　一、本文的来由
　　这篇文章之前的一年多时间，我做了较多吸尘器的测评，主要是从用户端的使用、操控来评价一款吸尘器的性能和品质，我发现，2020年代市面上的主流吸尘器产品——无线手持吸尘器，从1000元以内到5000价位的产品，应对地面的日常浮灰，在吸尘能力上展现出来的结果差异并不明显。
　　我试着尝试过很多次，去搜索Dyson吸尘器的设计有什么高深之处，比如我关注到Dyson的气旋分离结构和国产机型完全不同。
　　为什么同样是多锥气旋分离，为什么数量不一样，为什么直径不一样，为什么Dyson是双层结构？
　　为什么它要把这个气旋设计成花里胡哨，这是一种虚浮的、唬人的工业设计吗？国内外的各种网站，基本上没有找到有效的信息，只能从一些类似吸尘器的产品中找到一些蛛丝马迹，经过一段时间各种知识点的累积和分析，我基本上摸清了Dyson多锥旋风结构的设计逻辑，下面为大家分享我分析的这些原理。
　　因为网上没有这些详细、客观的技术分解，所以我就自己来吧，于是写了这篇文章。 二、旋风分离的前世今生
　　我们日常的民用产品中的技术，很多一部分是来源于军事和工业，吸尘器的尘气分离技术，也不例外，旋风分离技术面世已经有130多年历史。
　　第一台＂旋风分离器＂于  1885 年由美国人John M. Finch 获得专利，并且将该设计应用于他的Knickerbocker公司，被用作＂集尘器＂。
　　旋风分离 是一种通过涡流分离从气体流或液体流中去除颗粒的方法，而无需使用传统筛状过滤器，它利用的是不同物质在高速旋转下产生不同的离心力。 旋转方向的力和重力合力下巧妙实现分离固体和流体的混合物。
　　空气以螺旋模式流动，从旋风分离器的顶部（大口径端）开始，在底部（小口径端）结束，然后以直线流离开旋风分离器，干净的空气穿过旋风分离器的中心并从顶部流出。旋转流中较大（密度较大）的颗粒有太大的惯性，无法跟随流的紧密曲线，因此撞击外壁，然后落到旋风分离器的底部，底部就是集尘器的尘仓。
　　早期，它被用于木工厂的木屑分离，下图中就是一个锯木厂里巨型的旋风分离装置：
　　在 1900 年代，这项技术通过在实际场景中提供大规模分离作用而在工业上获得了广泛的吸引力。另一位美国发明家OM Morse在1905年获得了一项类似的专利，发明了一种新的＂集粉器＂，这次被分离的对象变成了用于面粉厂中的粉尘，因为在当时发生过几起因为粉尘爆炸的事故。
　　在之后的七八十年内，气旋分离被应用于不同的工业场合，直到有一天，James.Dyson在木工厂观察到了这一巨型分离装置，他将这种巨型旋风装置设计成小型化，嵌入到当时的G-Force吸尘器，就是下图左边这台：
　　要知道，当时的吸尘器行业，还是以Hover、伊莱克斯这些传统吸尘器厂家为代表的， 尘袋式过滤结构 ，这种结构的原理非常简单，就是通过一定密度的滤网来拦截无法透过的颗粒物，但是当尘袋累积的垃圾越来越多，尘袋上的无数缝隙被逐渐塞满，导致吸尘器的吸力下降，用户需要重新更换尘袋来恢复吸力。
　　Dyson想要找他们合作，通过他的旋风分离方式改进到当时的吸尘器行业，结果是不断地碰壁，我想不是因为技术，而是这种技术挡住了他们源源不断的尘袋销售的财路。
　　是金子总会闪光，最终一家日本公司给Dyson带来了机会，在之后的很多年里，Dyson不断演进他们的气旋技术，直至今天：
　　从单一的旋风分离、到双旋风、到多旋风、再到多级旋风，以及优化过的具体结构，比如锥底的微振动装置，这有助于减小越来越小尺寸旋风被堵塞的风险：
　　现在，越来越多吸尘器选用了Dyson引入的这种气旋分离装置，越来越多手持吸尘器采用了多锥体气旋分离设计。 三、多锥分离深入分析
　　我们先看几个例子，会好理解一些。
　　每个人都玩过的呼啦圈：
　　运动会上的铁饼运动：
　　以及，在大球体转动时，内部的各种小球开始分布在球壁上：
　　有一个规律显而易见——速度是离心力很重要的参数，呼啦圈要快速转动才会不掉下去，铁饼被投掷出去前运动员要快速转几圈，圆球的速度越快，内部小球就越均匀散布在大球球壁上。
　　很容易我就找到了关于离心力的公式：
　　上图公式中，离心力的三个因素： 物体质量、圆周半径、速度 （有的公式会用w角速度，其实角速度w和速度v是成正比的，与半径有关，所用用w或者v，对趋势研究来说是一样的）。
　　对应到吸尘器中，就是： 物体质量对应灰尘颗粒的质量； 圆周半径对应多锥体的半径； 速度对应气流速度。
　　再详细一点： 同样的一堆灰尘，同样的气旋尺寸下，气流速度越快，分离效果越好； 同样的一堆灰尘，同样的气流速度下，气旋尺寸越小，分离效果越好； 同样的气旋尺寸，同样的气流速度下，颗粒物越大越重，分离效果越好。 四、Dyson的气旋分离还有优势吗？
　　我们再回过头看这个图：
　　同样是气旋分离，左边的Dyson锥体数量远远大于右边的，而且它是双层结构，右边的吸尘器是单层结构。
　　我和大家一样，在没有深入了解它的技术原理之前，肉眼感知到的应该是左边的更强，复杂的设计往往更容易让人造成更专业的感觉。
　　现在有了第三章的理论分析，我们很容易得出一些结论：
　　1、Dyson使用了更小的锥体，单个锥体的分离效率更好了。
　　2、Dyson使用了二级分离，在第一级分离残留后的空气里，再次做了一次分离，这一次的锥体设计是为了分离更小的颗粒。通过二级分离后，微米级的颗粒被更多滤除，所以Dyson的吸尘器，后级HEPA滤网几乎不会脏。
　　3、从V6~V15，dyson的电机转速在不断提升，大家可能只关注到吸力的提升，而我分析得出，即使是100AW左右的dyson产品，吸力早就够了，电机转速的一再提升，一方面是营销目的，另一方面它确实也提升了旋风分离的效率。
　　4、虽然锥体更小，但是数量更多，总的风道面积并未减少，而且相比于单个大旋风，多个小旋风的方式，对电能的利用效率更高，更加节电。
　　为此，我今天特意又拍了下家里Dyson V8的照片，一个我使用3年多，从未清洗和更换的后级HEPA滤网，它几乎还是白的，干净的不可思议，作为参考，我在左边放了一个V10 Slim的新HEPA滤网：
　　关于旋风技术的原理，我只能研究到皮毛，如果要深入到具体的设计，锥体的角度、长度、进出风口的形状和开口大小，这些需要有系统的空气动力学基础。
　　就像Dyson公司的设计总监Alex Knox说的，在解释气旋的隐藏意义时，戴森有一个人知道这一切，他就是旋风专家Ricardo Gomiciaga)博士，他的整个职业生涯几乎都在研究气旋技术。 五、几个结论
　　1、目前的大多数新推出的吸尘器，初始吸力足够清洁正常的家庭粉尘，但注意这只是初始吸力。
　　2、转速的提升对吸力有一定加成，但是对尘气分离的性能提升意义更大，它可以分离更小的粉尘，搜集到尘仓里。
　　3、一款优秀的吸尘器，多锥分离的结构设计，至关重要，它可以让吸尘器的二次污染更小，而且能大大延长吸尘器的使用寿命。