50多年,全球安裝9000餘臺,真空電梯正在走入尋常百姓家

2021-01-08 iVacuum真空聚焦

真空電梯的發展歷史

真空電梯雖屬現代產品，但其發展歷史較長。

早在1967年，1篇美國專利上就已經有了真空電梯的雛形（圖6）。該裝置用來對穀物進行脫粒和分離，實現物料的傳輸。該裝置最初目的是因為在2或3層房屋安裝電動或液壓升降機太昂貴，因此使用鼓風機從下方吹風（鼓風機下方的單向通道（24）為入口），做為驅動裝置進行驅動。該裝置安裝了大量電磁閥、限位開關、壓力傳感器（36、37)，並附有複雜繼電器電路，能判斷電梯是否到達上層並關閉電路，能實現下降時的自動緩衝、找平和精準定位，同時密封元件也相對完善。該裝置雖不像現代產品這樣精緻美觀，但其基本理論已經形成。

圖6 1967年美國專利中的真空電梯構想

1996年，Sors Carlos Alberto博士提出一種真空電梯的構想，該電梯靠轎廂上下壓差作用上行與下行，無需底坑、機房，擁有360°全透明井道外壁，轎箱亦為透明太空艙式結構，整體設計如同一件工業藝術品，相對於傳統電梯具有明顯的優勢。

真空電梯的商業歷史起始於上個世紀90年代。目前，Pneumatic Vacuum Elevators LLC（以下簡稱PVE）是全球規模最大、發展最早的真空電梯設計和生產商。PVE於2002年在美國佛羅裡達州邁阿密成立，共生產三種型號的真空電梯（PVE37—2002年生產、PVE52—2008年生產、PVE30—2010年生產）。PVE的經銷商遍布全球，已經在全球75個國家安裝了9000多臺真空電梯，在全網有超過250個授權經銷商，圖7為PVE歐洲經銷商分布圖。截至2014年2月，其位於西班牙的歐洲子公司成立。

圖7 PVE歐洲經銷商分布圖

除PVE外，目前國外進行真空電梯生產與銷售的公司還有VE Australia Pty Ltd.、Venz Vacuum Elevators NZ Ltd.和Vision Elevators等。VE Australia Pty Ltd.銷售的真空電梯有B30、B37、B52三種型號，Venz Vacuum Elevators NZ Ltd.銷售的真空電梯有M750、M933、M1316三種型號，Vision Elevators銷售的真空電梯有Vision350、Vision450、Vision550三種型號，性能與尺寸大致與PVE公司的三種產品型號對應。

真空電梯在國內的發展較為緩慢，國內對真空電梯的關注從2005年開始，2017年關注度大幅上升。真空電梯的產品最早進入臺灣。臺灣崇友實業（GFC）目前進行NuVa真空氣動梭系列產品的生產與銷售，共有兩人載重及三人載重兩種型號。此外，在大陸有允成機電科技（上海）和斯多克公司進行真空電梯的銷售，但並不具備生產能力。

真空電梯的研究現狀

真空電梯的發展時間較短，尚未形成大規模的產業集群。目前真空電梯相關的報導研究較少，一方面為各種產品報導與商業新聞，另一方面為各種相關專利的申報。下面主要從國內外專利的申報狀況來闡述真空電梯的研究現狀。

真空電梯相關的專利申報在20世紀70年代前基本處於零星申報狀態，且尚未形成較為完整的理論。1967年美國專利3318418介紹了一種真空電梯的雛形，理論相對比較完善。此後，真空電梯相關專利的申報數量有所增加，進入緩慢發展階段，截止1996年，申報的專利累計達10餘項。1996年Sors Carlos Alberto博士提出一種較為完善的真空電梯結構，開啟了真空電梯發展的新時代，真空電梯開始商業化發展，國外出現了PVE、VE Australia Pty Ltd.、Venz Vacuum Elevators NZ Ltd.和Vision Elevators等真空電梯生產商。

國內關於真空電梯的專利申報主要從21世紀開始，但前期一直發展的較為緩慢，處於基礎理論的研究階段。2013年至2016年為專利申報的爆發期，累計達30餘項，其中2015年為申報的頂峰，共計申報16項。我國真空電梯相關專利類型中，發明和實用新型基本各佔一半，發明的數量略少於實用新型，專利的水平仍待提高。

目前，我國關於真空電梯的專利申報，主要集中在驅動結構改型、附屬部件創新及控制系統優化等三個方面。

在驅動結構改型方面——

專利201410088090.04公開了一種氣動電梯的驅動裝置及其驅動方法，通過將抽風機分組並設置獨立的抽氣室，可根據轎廂內的實際載重選擇同時開啟的抽風機數量，既能節約能源，又能增加轎廂運行的平穩性。

專利201410692632.9提出在真空電梯井道內各層頂部設置密封隔板，通過該隔板將井道分為若干密閉空間，驅動電梯時，只需抽取某一樓層中的空氣即可，從而提高抽氣效率並降低能耗，且能一定程度上增加真空電梯的安裝樓層，最高可達6層。

專利201410837084.4通過設置與轎頂一起上下滑動的隔板，形成第一抽氣空間和第二抽氣空間，並設置可伸縮的管道針對第一抽氣空間進行抽氣，能有效提高抽氣效率，節約能源，具體結構見圖8。

圖8 一種新型真空電梯結構示意圖

除了驅動結構的改型，針對真空電梯其他附屬部件的專利申報也較多，如井道結構、平層機構、安全鉗、制動裝置、過載保護裝置等。這其中——

專利201510197697.0提出採用橢圓形井道和轎廂，能利用井道自身形狀對轎廂進行限位和導向，防止轎廂旋轉，避免了凸起導軌對密封效果的影響，解決了密封效果不好導致的氣流噪聲問題。

專利201410130706.X公開了一種電磁驅動的轎廂鎖止機構（見圖9），由底座、卡爪、電磁線圈、鐵芯以及開設於電梯井道側壁上的卡口等組成，反應靈敏，定位準確，結構簡單，安裝方便。

圖9 電磁式鎖止機構

1-電梯轎廂鎖止機構；10-底座；11-卡爪；110-鎖頭；12-電磁線圈；13-鐵芯；14-卡口；15-立柱；16-彈簧；17-頂針；2-電梯井道；20-電梯導軌；3-電梯轎廂

專利201420760659.2公開了一種利用凸輪機構驅動的平層機構（見圖10），由於反行程止動原理，能防止平層以後異常情況下的自動解鎖，提高了電梯平層的穩定性和可靠性。

圖10 平層機構

201-平層豁口；701-電機；702-大齒輪；703-小齒輪；704-凸輪機構；705-平層頂杆；706-固定件；708-連接軸

專利201410309861.8公開了一種利用轎廂頂部壓差驅動的安全鉗（見圖11），該安全鉗的啟動完全受電梯轎頂密封板上下的壓差控制，在發生壓差異常時，能依靠純機械零部件鉗住導軌，電梯轎廂停止運行而不會急速下墜，保證乘客安全。

圖11 氣動安全鉗

A-鎖止結構；1-電梯井道；2-轎廂導軌；3-電梯轎廂；30-轎廂本體；300-8根導柱；310-密封蓋；311-橫板；312-弓形板；4-安全鉗；5-彈簧

隨著數據採集、數據傳遞及數據處理等技術的不斷發展，電梯控制系統日益精確化、高效化及智能化。和傳統電梯控制技術相比較，當前電梯控制技術更具穩定性、效率性、安全性與節能性。電梯控制技術的發展大大提高了電梯的安全性能與運行效率。大量控制新技術的出現，推動了真空電梯控制技術的發展。例如——

專利201510197860.3公開了一種氣動電梯控制系統及控制方法，該系統包括可編程邏輯控制器、輸入信號單元、輸出執行器件以及電源單元，所述輸入信號單元與所述可編程邏輯控制器的輸入埠相連，所述輸出執行器件與所述可編程邏輯控制器的輸出埠相連，所述電源單元為該控制系統供電。該發明在現有的氣動電梯的結構基礎上，對氣動電梯進行穩定、有效的控制，利用可編程邏輯控制器作為核心控制器，具有高穩定性、強抗幹擾能力，且易於後期功能的擴展。圖12為其控制系統框圖。

圖 12 真空電梯PLC控制系統圖

本文發表於《真空》雜誌2019年第6期

原文標題：真空電梯現狀與發展趨勢探討

本文作者：劉朝，邢洪碩，蘇家豪，張鈞深，梁帥，謝元華，韓進

作者單位：東北大學機械工程與自動化學院

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