0. 前言

真空是在指定的空間內(nèi)，低于大氣壓力的氣體狀態(tài)統(tǒng)稱為真空。真空狀態(tài)下氣體稀薄程度稱為真空度，通常用壓力值表示^[1]。真空包裝是將物料裝入包裝袋，抽出包裝袋內(nèi)的空氣，達(dá)到預(yù)定真空度后，完成封口的工序。真空包裝的主要作用是除氧，有利于防止物品氧化。因食品霉腐變質(zhì)主要由微生物的活動(dòng)造成，大多數(shù)微生物（如霉菌和酵母菌）的生存是需要氧氣的，真空包裝就是運(yùn)用這個(gè)原理，把包裝袋內(nèi)和食品細(xì)胞內(nèi)的氧氣抽掉，使微生物失去生存的環(huán)境，從而達(dá)到保鮮的目的。實(shí)驗(yàn)證明：當(dāng)包裝袋內(nèi)的氧氣濃度≤1% 時(shí)，微生物的生長(zhǎng)和繁殖速度就急劇下降；氧氣濃度≤0.5% 時(shí)，大多數(shù)微生物將受到抑制而停止繁殖^[2]。

真空包裝具有抗氧化、保水、防潮、保鮮和延長(zhǎng)產(chǎn)品保質(zhì)期等優(yōu)點(diǎn)，因而在食品工業(yè)中應(yīng)用十分廣泛。在食品工業(yè)中應(yīng)用的真空包裝機(jī)基本上是腔式真空包裝機(jī)，此類型的真空包裝機(jī)需要有一個(gè)比較大的真空室，裝好物料的真空袋需要放置在真空室內(nèi)，然后再對(duì)真空室進(jìn)行抽真空。所以，此類型機(jī)器的體積一般都較大。

隨著社會(huì)的發(fā)展，人們生活水平的提高，人們對(duì)食品安全的要求越來(lái)越高，真空保鮮技術(shù)逐漸向家庭使用方向發(fā)展。但是，現(xiàn)有的工業(yè)用真空包裝機(jī)體積大，價(jià)格高，且受真空室大小的限制，并且不能對(duì)比真空室大的真空袋進(jìn)行抽真空。

 

1. 設(shè)計(jì)的目標(biāo)及要求

由于此款機(jī)器是面向家庭用戶，因此有以下的設(shè)計(jì)目標(biāo)和要求：

1）體積小、質(zhì)量輕；

2）價(jià)格便宜；

3）使用方便；

4）具有較強(qiáng)的適用性，盡量能使用不同規(guī)格的真空袋；

5）盡量減少真空泵的油煙污染。

2. 結(jié)構(gòu)及工作原理
   1. 結(jié)構(gòu)

家用微型真空包裝機(jī)主要由外殼、電機(jī)、真空泵、真空室、密封圈、熱壓封口裝置、活塞式氣缸、控制系統(tǒng)等零部件組成，見(jiàn)圖1。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.活塞式氣缸A；2.上真空室；3.下真空室；4.壓力傳感器；5.壓力表；

6.電磁閥A；7.電磁閥B；8.真空泵A；9.真空泵B；10.電磁閥C；

11.電磁閥D；12.活塞式氣缸B；13.熱壓封口裝置；14.真空袋；

15.食物；16.橡塑發(fā)泡密封圈

圖1   微型真空包裝機(jī)原理示意圖

 

為了達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)和要求，本機(jī)構(gòu)舍棄工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛的腔式真空包裝機(jī)的結(jié)構(gòu)形式和油封真空泵，而是采用外抽式真空包裝機(jī)的形式和小型雙活塞無(wú)油真空泵?？刂葡到y(tǒng)采用單片機(jī)控制各電器元件，液晶屏及真空表顯示工作狀態(tài)，方便家庭用戶使用。

1. 2. 工作原理

通過(guò)單片機(jī)的程序控制，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，真空泵工作。首先，打開(kāi)電磁閥B所在的通道，活塞式氣缸A形成真空狀態(tài)， 從而推動(dòng)上真空室往下運(yùn)動(dòng)，并與下真空室以及真空袋形成密閉的一個(gè)空間。然后再關(guān)閉電磁閥B，讓上下真空室保持密封的狀態(tài)。

第二步，打開(kāi)電磁閥A所在的通道，真空泵對(duì)上下真空室以及真空袋所形成的密封空間抽真空，真空袋與真空室的空氣被抽出。當(dāng)真空度達(dá)到我們預(yù)定的真空值后，壓力傳感器工作，并反饋到控制系統(tǒng)，然后指令電磁閥A關(guān)閉其通道。

第三步，打開(kāi)電磁閥D所在的通道，真空泵對(duì)活塞式氣缸B抽真空，從而推動(dòng)熱壓封口裝置往上運(yùn)動(dòng)，壓緊真空袋口并開(kāi)始發(fā)熱。真空袋熱封完成后停止發(fā)熱。

第四步，真空泵停止工作，然后打開(kāi)全部電磁閥的通道，外界空氣通過(guò)電磁閥C所在的通道進(jìn)入整個(gè)機(jī)器的所有管道，真空室、活塞式氣缸A和活塞式氣缸B的真空狀態(tài)解除， 熱壓封口裝置和上真空室回復(fù)到原來(lái)的位置。

第五步，取出真空袋，真空包裝工作完成。

 

3. 主要部件的設(shè)計(jì)和選用
   1. 真空室

本機(jī)構(gòu)為外抽式真空包裝機(jī)，工作時(shí)，只需要把真空袋的袋口放入真空室即可進(jìn)行抽真空工作，真空袋的長(zhǎng)度不受限制，可以裝更多的物料。

本真空包裝機(jī)的真空室體積只有同規(guī)格的腔式真空包裝機(jī)的真空室體積的1/40左右。那么，在相同的真空狀態(tài)下， 其所受的壓力也比腔式真空包裝機(jī)所受的壓力要少，所以選用了質(zhì)量較輕的聚碳酸酯塑膠作為真空室和外殼的材料。因此，本機(jī)構(gòu)的整體質(zhì)量和體積都比腔式真空包裝機(jī)要小。

1. 2. 真空泵及電機(jī)

本真空包裝機(jī)在對(duì)真空袋抽真空的整個(gè)過(guò)程中，真空袋的空氣不斷減少，在外界大氣壓的作用下，真空袋逐漸被壓扁，直達(dá)貼緊食物為止。真空泵的真空能力與真空室以及真空袋的真空度是基本上保持一致。

工業(yè)用的腔式真空包裝機(jī)在抽真空的過(guò)程中，由于真空袋放是整個(gè)放置于真空室內(nèi)，真空袋與真空腔的真空度是一致的，所以真空袋并不會(huì)逐漸被壓扁，而是在熱封完成后， 真空袋才在外界大氣壓的作用下才被壓扁并貼緊食物。

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，腔式真空包裝機(jī)的真空泵的真空能力達(dá)到1.33 kPa，被抽真空后的真空袋內(nèi)的真空度一般只能達(dá)到

8 kPa左右（視抽真空前真空袋內(nèi)除食物外的空間的大小而定）。

所以，本真空包裝機(jī)采用真空度能力為8 kPa的真空泵與采用真空能力為1.33 kPa的真空泵的腔式真空包裝機(jī)的包裝效果是基本一樣的。

另外，本真空包裝機(jī)主要是面向家庭用戶，而家庭用戶使用特點(diǎn)是使用頻率較低，對(duì)真空泵產(chǎn)生的油煙的污染要求高。

結(jié)合上述兩個(gè)條件，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，我們舍棄了腔式真空包裝機(jī)常用的真空能力較高，但有油煙污染的油封式真空泵，而是采用雙活塞無(wú)油真空泵配以特殊定制的直流電機(jī)，見(jiàn)圖2。本真空包裝機(jī)采用一個(gè)電機(jī)帶動(dòng)2個(gè)真空泵，結(jié)構(gòu)緊湊。另外，真空泵B的排氣口與真空泵A的進(jìn)氣口通過(guò)管道串聯(lián)連接，有效提高整體的真空能力。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，其真空能力達(dá)到8 kPa。而相同規(guī)格的單個(gè)真空泵或者2個(gè)不串聯(lián)連接的真空泵工作，其真空度只有23 kPa。