# 文丘里噴射器與真空控制閥的物理原理

> Source: https://rodlesspneumatic.com/zh-hant/blog/the-physics-of-venturi-ejectors-and-vacuum-control-valves/
> Language: zh-Hant

## Summary

了解文丘里噴射器如何產生真空、噴嘴流量為何會阻塞，並用真空曲線、抽空時間、洩漏與節氣控制完成選型驗證。

## Page Content

# 文丘里噴射器與真空控制閥的物理原理

文丘里噴射器 是一種氣動真空發生器，讓壓縮驅動空氣通過噴嘴膨脹，從吸氣口引射空氣，使兩股氣流混合，並在擴散器中回收壓力。其性能由可壓縮流動與完整流道共同決定，不能只靠伯努力方程式判斷。

不要只根據最大真空度選擇噴射器。應在同一工作點讀取供氣壓力曲線、耗氣量、吸氣流量與真空度的關係，以及抽空時間資料。控制系統還要依照洩漏、所需保持壓力、反應時間與安全釋放來設計。

> 重點摘要 商用噴射器通常標示約低於大氣壓 80-90 kPa 的最大真空度，但這是封閉吸氣口條件，不代表可用的吸氣流量。 噴嘴流量可能在馬赫數 1 時發生阻塞，因此單靠伯努力方程式無法預測噴射器容量。 真空開關、遲滯與止回閥可以在達到保持門檻後停止驅動空氣。

## 文丘里噴射器如何產生真空？

氣動噴射器有三個外部接口，內部至少包含四個流動區域。SMC 將壓縮空氣供給、真空與排氣列為基本連接，而其 ZQ 系列依噴嘴尺寸列出 0.35 至 0.43 MPa 的標準供氣壓力（[SMC ZQ 系列](https://www.smcworld.com/catalog/en/vacuum/ZQ-E/7-7-2-p0599-0629-ZQ_en/data/7-7-2-p0599-0629-ZQ_en.pdf)）。

如果將驅動流與吸氣流分開來看，整個流程會更容易理解：

- 驅動空氣進入供氣接口。 上游壓力與溫度決定可用的氣體密度與能量。

- 噴嘴使驅動空氣加速。 氣體朝噴嘴出口膨脹時，靜壓下降。

- 吸氣腔內的低壓會吸入次級空氣。 這就是從吸盤、管路、歧管或容器中移除的空氣。

- 兩股氣流在混合段交換動量。 引射並非沒有代價，因為它會同時改變速度與壓力。

- 擴散器使混合氣流減速，並回收部分靜壓。 合併後的氣流接著排放到大氣中。

> Figure: 文丘里噴射器是由噴嘴、引射、混合與擴散器組成的耦合系統。吸氣口是次級質量流量通道，而不只是量測壓力的接口。

## 為什麼伯努力方程式不夠？

阻塞流 是指噴嘴喉部達到馬赫數 1，之後即使降低下游壓力也無法僅靠此方式通過更多質量流量的狀態。NASA 的可壓縮流推導顯示，最大流量出現在最小流通面積處，這也是氣動噴射器不能以定密度流動模型描述的原因（[NASA 質量流率阻塞](https://www.grc.nasa.gov/www/k-12/BGP/mflchk.html)）。

伯努力方程式仍可作為定性理解的起點：沿理想流線前進時，速度上升而靜壓下降。但它本身無法預測真實噴射器中的驅動質量流量、吸氣質量流量、混合損失、震波行為、擴散器回收效果或排氣背壓。

根據我們對製造商曲線的分析，實用的理解方式不是「通道越小就越能產生真空」。噴嘴建立高速驅動射流，而完整幾何形狀決定這股射流在所需吸氣壓力下能引射多少次級流量。即使速度很高，狹窄噴嘴仍可能限制驅動質量流量。

有三個邊界值得關注：

| 邊界 | 控制因素 | 買方應要求的資料 |
| --- | --- | --- |
| 驅動流量上限 | 噴嘴喉部、上游絕對壓力、溫度 | 耗氣量與供氣壓力的關係 |
| 吸氣性能 | 引射腔、混合幾何形狀、洩漏 | 吸氣流量與真空壓力的關係 |
| 排氣回收 | 擴散器、消音器、下游背壓 | 可接受的排氣限制與噪音資料 |

引射比有時寫成：

μ = m ˙ s m ˙ p \mu = \frac{\dot{m}_{\mathrm{s}}}{\dot{m}_{\mathrm{p}}}

其中： m ˙ s \dot{m}_{\mathrm{s}} 是次級吸氣質量流量，而 m ˙ p \dot{m}_{\mathrm{p}} 是初級驅動質量流量。這個比值取決於所述的壓力與溫度條件。若目錄中的引射比沒有附帶這些條件，就不能直接套用到另一台噴射器或另一個工作點。

如需更詳細了解音速邊界，請參閱 [音速導通量與臨界壓力比](/zh-hant/blog/what-is-sonic-conductance-in-pneumatic-valves-and-how-does-critical-pressure-ratio-affect-choked-flow/)。

## 如何閱讀噴射器性能曲線

最大真空度 是封閉吸氣口的端點，不是抽空過程中可用的流量。例如，SMC 的 0.5、0.7 與 1.0 mm ZQ 噴嘴標示最大吸氣流量分別為 5、10 與 22 L/min，而驅動空氣耗量分別為 15、25 與 47 L/min（[SMC ZQ 系列](https://www.smcworld.com/catalog/en/vacuum/ZQ-E/7-7-2-p0599-0629-ZQ_en/data/7-7-2-p0599-0629-ZQ_en.pdf)）。

真實應用會落在目錄兩個端點之間。最大真空度是在吸氣口封閉且流量接近零時測得；最大吸氣流量則是在吸氣口接近大氣壓、可用真空度接近零時測得。

SMC 對真空流量曲線的說明清楚指出兩者關係：封閉吸氣口會在吸氣流量為零時產生最大真空度；打開吸氣口則會增加吸氣流量並降低真空壓力（[SMC ZM 系列](https://www.smcworld.com/catalog/en/vacuum/ZM-E/zm-web_en/data/zm-web_en.pdf)）。多孔工件與洩漏會使工作點移向更高流量與更低真空度。

| 目錄數值 | 所代表的測試條件 | 常見誤用方式 |
| --- | --- | --- |
| 最大真空度 | 吸氣口封閉或幾乎封閉 | 被當成洩漏條件下的保證真空度 |
| 最大吸氣流量 | 低真空度、入口開放條件 | 被當成保持設定點可用的流量 |
| 耗氣量 | 標示的供氣壓力與參考狀態 | 未確認 ANR、NL/min 或 SCFM 的基準就直接比較 |
| 抽空時間 | 標示的容積、管路、壓力目標與測試回路 | 只按吸盤尺寸換算，忽略管路與接頭 |

有些噴射器在低於工廠總管壓力的供氣壓力下，就能達到預期工作點。過高的供氣壓力可能增加驅動空氣用量與噪音，卻不會帶來相稱的吸氣增益。請在設備端局部調壓，並依照所選型號的曲線操作。

氣體計算請使用絕對壓力：

p a b s = p a t m + p g a u g e p_{\mathrm{abs}} = p_{\mathrm{atm}} + p_{\mathrm{gauge}}

對於真空而言， p g a u g e p_{\mathrm{gauge}} 是負值。標準大氣壓下的 -85 kPa 表壓讀值，大約相當於 16 kPa 絕對壓力。請參閱 [絕對壓力指南](/zh-hant/blog/what-is-absolute-pressure-and-how-does-it-impact-pneumatic-system-performance/) 了解換算細節。

## 真空控制閥：調節與節省空氣

節能型噴射器不需要在整個保持期間持續消耗驅動空氣。Festo 的 VADM/VADMI 文件說明了真空開關、供氣電磁閥、止回閥與節氣功能：只有當真空度低於設定範圍時，才會重新啟動真空產生（[Festo VADM/VADMI](https://media.festo.com/media/251444_documentation.pdf)）。

「真空控制閥」一詞可能指幾種不同元件。選擇零件前，先定義其功能：

| 元件 | 主要作用 | 常見控制變數 |
| --- | --- | --- |
| 噴射器供氣閥 | 啟動與停止驅動空氣 | PLC 指令或本地邏輯 |
| 真空切換閥 | 連接或隔離真空源 | 循環狀態 |
| 止回閥 | 在產生真空停止後保持真空 | 壓力差 |
| 真空開關或感測器 | 回報保持門檻與真空損失 | 真空壓力 |
| 真空調節器 | 限制或穩定真空度 | 下游真空設定值 |
| 吹氣閥 | 導入正壓空氣以快速釋放 | 定時釋放指令 |

對於密封工件，高效率的流程通常是：

- 打開驅動空氣閥。

- 確認真空度在允許時間內越過安全拾取門檻。

- 在上限門檻處停止驅動空氣。

- 透過止回閥保持真空。

- 若洩漏使真空度降到下限門檻以下，重新啟動噴射器。

- 放置工件時，隔離真空並施加短促且受控的吹氣脈衝。

> Figure: 節氣效益取決於洩漏程度。多孔零件可能迫使系統持續吸氣，而密封零件則可在驅動空氣閥關閉時保持真空。

真空開關遲滯 是關閉空氣與重新啟動之間的壓力帶。範圍太窄會使閥件抖動；範圍太寬則可能降低保持裕量。請監測兩次重新啟動之間的時間。間隔縮短是洩漏與吸盤磨耗的實用訊號。

## 抽空時間估算

對於具有固定有效抽氣速度的封閉容積，Leybold 提供了容積、抽氣速度、初始壓力與目標壓力之間的簡化對數關係。Leybold 也提醒，導通量、洩漏、解吸以及抽氣速度變化，都會使實際抽空時間變長（[Leybold 抽空時間](https://www.leybold.com/en/knowledge/vacuum-fundamentals/vacuum-generation/calculating-pump-down-time)）。

簡化估算式為：

t = V S e f f ln ⁡ ( p i p f ) t = \frac{V}{S_{\mathrm{eff}}}\ln\left(\frac{p_i}{p_f}\right)

其中：

- t t 是抽空時間；

- V V 是抽空總容積，包括吸盤、管路、接頭與歧管；

- S e f f S_{\mathrm{eff}} 是連接至容積的有效吸氣流量；

- p i p_i 是初始絕對壓力；

- p f p_f 是目標絕對壓力。

例如，取 2.0 L 容積、1013 mbar 初始絕對壓力、400 mbar 目標壓力與 20 L/min 有效吸氣流量，理想化結果約為 5.6 秒。

這個結果只能作為篩選估算。噴射器流量通常會隨真空度升高而下降，因此固定 S e f f S_{\mathrm{eff}} 是一種近似。若反應時間是釋放條件，請使用製造商的抽空曲線。SMC 同樣會依吸氣能力與吸附反應時間來選擇噴射器及切換閥（[SMC 真空設備選型](https://www.smcworld.com/catalog/BEST-technical-data-en/pdf/Vacuum-Common_en.pdf)）。

[Tool Vacuum & gripping Vacuum Evacuation Time Calculator 在查看噴射器曲線前，先根據真空總容積、有效流量、初始絕對壓力、目標絕對壓力、洩漏與效率估算抽空時間。 Evacuation Time = Volume / Flow x ln Initial Pressure / Final Pressure System volume Pump or ejector flow Initial absolute pressure Final absolute pressure Open calculator ->](/zh-hant/online-tools/vacuum-evacuation-time-calculator/)

長管路可能使小型吸盤的管內容積變成主要因素，也會限制導通量。若要快速確認拾取，請將噴射器安裝在吸氣點附近，並把壓縮空氣管路接到噴射器，而不是將長真空管路拉回控制櫃。

## 實際負載的真空噴射器應如何選型？

真空度本身不足以完成搬運系統的選型。Schmalz 將吸盤理論保持力定義為壓力差乘以有效吸氣面積， F = Δ p ⋅ A F = \Delta p \cdot A 並指出表面狀況與應用動態需要另外設定安全係數（[Schmalz 真空吸盤](https://www.schmalz.com/en/support/know-how/vacuum-knowledge/the-vacuum-system-and-its-components/vacuum-suction-cups)）。

請進行兩項獨立檢查：

- 保持力檢查： 在最低允許真空度下，吸盤能否承受重力、加速度、姿態與製程作用力？

- 流量與反應檢查： 噴射器能否快速移除初始容積與持續洩漏，使真空度及時達到目標？

理想靜態關係為：

F i d e a l = Δ p ⋅ A e f f F_{\mathrm{ideal}} = \Delta p \cdot A_{\mathrm{eff}}

其中： F i d e a l F_{\mathrm{ideal}} 是理論法向保持力； Δ p \Delta p 是環境壓力減去吸盤壓力； A e f f A_{\mathrm{eff}} 是製造商提供的有效吸氣面積。請另外考慮加速度、姿態、摩擦、不均勻負載分配、表面紋理、污染、吸盤磨耗，以及適當的安全係數。

真空度更高不一定更好。SMC 指出，真空壓力加倍時，理論提升力也會加倍；吸盤直徑加倍時，理論提升力則會變成四倍。但過高的真空度也可能拉長反應時間、增加能耗並縮短吸盤壽命（[SMC 真空設備型號選擇](https://www.smcworld.com/catalog/BEST-Guide-en/pdf/6-4-p0002-0048-sinku_en.pdf)）。

在中等真空度下使用較大吸盤，可能勝過讓小吸盤接近最大真空度。請使用 [真空吸盤力量計算器](/zh-hant/online-tools/vacuum-suction-force-calculator/)，再依洩漏與反應時間選擇噴射器流量。

若要估算運轉成本，請在 [真空發生器耗氣成本計算器](/zh-hant/online-tools/vacuum-generator-air-cost-calculator/)中使用實測耗氣量與實際通氣時間。節氣邏輯會改變工作週期，不會改變瞬時驅動空氣流量。

## 真空度低、反應慢或耗氣量高的原因

先從症狀開始，因為最大真空度與最大吸氣流量分別位於性能曲線的兩端。SMC 的流量曲線說明指出，洩漏會提高吸氣流量、同時降低真空度，因此系統可能出現高流量低真空，而噴射器本身並未故障（[SMC ZM 系列](https://www.smcworld.com/catalog/en/vacuum/ZM-E/zm-web_en/data/zm-web_en.pdf)）。

| 症狀 | 最可能的檢查項目 | 診斷線索 |
| --- | --- | --- |
| 最終真空度低 | 吸盤密封、多孔工件、管路裂縫、噴嘴堵塞、排氣背壓 | 封住吸氣口時真空度改善 |
| 抽空慢但最終真空度可接受 | 容積過大、管路過長且過細、濾芯堵塞、噴射器容量不足 | 封口測試可達到目標，但連接系統抽空很慢 |
| 驅動空氣用量高 | 供氣壓力過高、沒有節氣邏輯、洩漏導致反覆重啟 | 達到安全拾取門檻後空氣仍持續供給 |
| 真空訊號不穩定 | 遲滯過窄、感測器安裝距離過遠、脈動式洩漏 | 在一個壓力點附近快速切換閥件 |
| 釋放慢或不可靠 | 缺少吹氣、排氣受限、吸盤黏滯或變形 | 供氣閥關閉後真空仍然存在 |
| 噪音過大 | 供氣壓力過高、消音器損壞或堵塞、排氣受限 | 背壓變化影響真空性能 |

在更換噴射器前，先進行三項測試：

- 封住吸氣口。 這可以測試幾乎沒有次級流量時可達到的真空度。

- 在已知容積上量測抽空時間。 這可以測試可用的吸氣能力。

- 記錄噴射器流動時的供氣壓力。 這可以抓出上游壓降，而靜態調壓器壓力表可能無法顯示這個問題。

這些測試可以區分密封、流量與供氣故障。封口真空度正確但抽空緩慢，表示問題可能在導通量或容量；封口真空度偏低，則應檢查噴嘴、消音器、供氣或噴射器。若兩項檢查都通過，請調查機械側洩漏或工件本身。

也要檢查壓縮空氣路徑。即使噴射器入口在靜止時讀值正確，尺寸不足的閥件、接頭或管路仍可能降低動態供氣壓力。以下指南涵蓋這些上游檢查： [氣動壓降](/zh-hant/blog/what-causes-pressure-drop-in-pneumatic-systems-and-how-to-fix-it/) 與 [氣動管路配置](/zh-hant/blog/how-do-you-properly-route-pneumatic-tubing-in-automated-machinery-to-ensure-optimal-performance-and-reliability/) 。

請參閱 [關於倍拓氣動](/zh-hant/about-us/) 以了解作者背景。若要進行回路檢討，請 [聯絡工程團隊](/zh-hant/contact/) 提供型號、壓力、目標真空度、抽空時間、容積與洩漏資料。

## 文丘里噴射器 FAQ：工程師應驗證哪些項目？

製造商範例涵蓋不同工作點，並不存在一個適用所有情況的通用規格。SMC 列出的 ZQ 最大真空度約為 -80 kPa，而 Schmalz 某些高真空噴射器列出的數值為 -850 至 -900 mbar；兩者仍都需要依型號確認吸氣流量與耗氣量（[SMC ZQ](https://www.smcworld.com/catalog/en/vacuum/ZQ-E/7-7-2-p0599-0629-ZQ_en/data/7-7-2-p0599-0629-ZQ_en.pdf)； [Schmalz SBPL](https://www.schmalz.com/en-gb/products/automation-743270/vacuum-generators-307617/pneumatic-vacuum-generators-739752/basic-ejectors-307659/basic-ejectors-sbpl-307673/10.02.01.01586)）。

### 文丘里噴射器能達到什麼真空度？

許多工業型號標示的最大真空度約低於大氣壓 80–90 kPa，但數值取決於具體型號，通常是在吸氣流量接近零時測得。請在應用的洩漏流量下查看曲線，並以表壓真空度或絕對壓力表述結果，避免誤解需求。

### 供氣壓力越高，就一定能產生更高真空度嗎？

不一定。每台噴射器都有建議或標準供氣壓力。超過該壓力後，驅動空氣耗量與噪音可能上升，性能卻不一定按比例提升。請使用動態入口壓力與所選型號的曲線，不要自動把工廠總管壓力全數施加到噴射器。設備總管為 0.6 MPa，不代表每台噴射器都應接收 0.6 MPa。

### 最大吸氣流量與最大真空度有什麼差別？

最大吸氣流量出現在吸氣口開放、真空度較低時；最大真空度則出現在吸氣口封閉、吸氣流量接近零時。實際吸盤或容器的工作點位於兩者之間。應按照所需真空度從曲線選型，不要把兩個目錄最大值當成同時出現的性能。

### 什麼時候應停用節能型真空回路？

對於多孔工件或大型持續洩漏，持續吸氣可能更穩定。Festo 提醒，快速洩漏可能造成頻繁切換，並提供在循環過度時恢復持續吸氣的邏輯。對於密封零件，止回閥與真空開關遲滯可以大幅降低驅動空氣通氣時間。

### 多孔工件應如何選擇真空噴射器？

請量測或保守估算所需保持真空度下的持續洩漏，再選擇其吸氣流量曲線能有裕量地維持該工作點的噴射器。僅有高最大真空度規格並不適合。核准機台放行前，請測試實際材料、吸盤幾何形狀、濾芯、管路與循環。

### 來源與技術參考

- [NASA 格倫研究中心：質量流率阻塞](https://www.grc.nasa.gov/www/k-12/BGP/mflchk.html)，介紹可壓縮噴嘴質量流量與馬赫數 1 的阻塞條件。查閱日期：2026-07-19。

- [SMC ZQ 系列真空噴射器](https://www.smcworld.com/catalog/en/vacuum/ZQ-E/7-7-2-p0599-0629-ZQ_en/data/7-7-2-p0599-0629-ZQ_en.pdf)，介紹噴嘴尺寸、標準供氣壓力、最大吸氣流量、耗氣量與最大真空度。查閱日期：2026-07-19。

- [SMC ZM 系列真空噴射器](https://www.smcworld.com/catalog/en/vacuum/ZM-E/zm-web_en/data/zm-web_en.pdf)，說明真空壓力與吸氣流量曲線。查閱日期：2026-07-19。

- [SMC 真空設備型號選擇](https://www.smcworld.com/catalog/BEST-technical-data-en/pdf/Vacuum-Common_en.pdf)，介紹依吸氣能力與反應時間選擇噴射器與切換閥。查閱日期：2026-07-19。

- [Festo VADM/VADMI 真空發生器](https://media.festo.com/media/251444_documentation.pdf)，介紹整合式供氣閥、真空開關、止回閥、吹氣脈衝與節氣控制。查閱日期：2026-07-19。

- [Schmalz 真空吸盤](https://www.schmalz.com/en/support/know-how/vacuum-knowledge/the-vacuum-system-and-its-components/vacuum-suction-cups)，說明壓力差與有效面積之間的保持力關係。查閱日期：2026-07-19。

- [Leybold：如何計算抽空時間](https://www.leybold.com/en/knowledge/vacuum-fundamentals/vacuum-generation/calculating-pump-down-time)，介紹固定有效抽氣速度的抽空估算及其限制。查閱日期：2026-07-19。