CN101437596B - 颗粒分离器 - Google Patents

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Abstract

一种用于从夹带颗粒的流体流中分离所述颗粒的设备，所述设备包括入口区、离心分离区、颗粒收集装置以及排出装置，其中所述入口区和分离区通过过渡区连通，以在所述液体流中产生旋涡流，所述过渡区的直径大于所述入口区的直径，并且所述过渡区包括将出口限定至所述分离区的装置，在挡板装置上游的所述过渡区中形成进口，进口和出口相互设置成最小化使用中所述流体流中的流体扰动。

Description

颗粒分离器
技术领域
本发明涉及颗粒分离器，其例如应用于所谓的“无袋”式家用真空吸尘器中。
背景技术
无袋真空吸尘器通过在离心管式或旋流管式离心分离器中对气流进行涡流处理使得颗粒物质从夹带这种颗粒的气流中分离出来，在气流减速并以相对清洁的状态排出至大气的同时，灰尘和其它尘埃颗粒在重力作用下沉降以便进行回收处理。
上述类型的已知家用真空吸尘器虽然可防止过滤器和袋的问题(即，在使用中过滤器和袋会被颗粒物质阻塞，从而通过吸尘器的流量很快地减小)，但其具有附带的缺点，即：这种吸尘器通常仅能捕捉直径大于5微米的颗粒，并且在排出气流中易于二次夹带一些颗粒，因此进一步导致效率下降。在已知的设备中，这些问题因夹带的气流中产生的湍流、特别地因用于在载有颗粒的气流中产生旋转运动的叶片或其它挡板而加剧。为了避免这些缺点，传统设备通常使用切向入口管，这样由于气流在从入口转移到离心分离器时限制在直径减小的路径中，因而增加了引入气流的旋转速度、以及作用在被气流夹带的颗粒上的离心力。尽管如此，已知的设备仍然具有无法在脱离夹带的颗粒与排出气体之间实现彻底的分割之类的缺点。
发明内容
根据本发明的一种方案，提供了一种真空吸尘器，包括用于从流体流中分离颗粒的设备，所述设备包括入口区、离心分离区、至少围绕离心分离区的颗粒收集装置以及排出装置，其中所述入口区和分离区通过一过渡区连通，以在流体流中产生旋涡流，所述过渡区的直径大于所述入口区的直径，并且所述过渡区包括将出口限定至所述分离区的装置，在一挡板装置上游的所述过渡区中形成进口，所述进口和出口相互设置成最小化使用中所述流体流中的流体扰动。
根据本发明的另一种方案，提供了一种用于从夹带颗粒的流体流中分离所述颗粒的方法，所述方法包括以下步骤：所述流体流基本线性流动地穿过真空吸尘器中的一设备，该设备包括入口区和离心分离区，其中所述流体流通过所述入口区和所述分离区之间的过渡区，以在所述分离区中产生旋涡流路径，并且在穿过所述过渡区时流体扰动最小，其中，所述离心分离区包括分离室，并且在所述分离室的上端，所述颗粒被离心力推入限定在所述分离室与收集室之间的环形空间中，其中所述分离室为离心分离装置，所述收集室为颗粒收集装置，所述颗粒收集装置至少围绕所述离心分离装置。
一方面，本发明提供一种用于从夹带颗粒的流体流中分离所述颗粒的设备，所述设备包括入口区、离心分离区、颗粒收集装置以及排出装置，其中入口区和分离区通过过渡区连通，以在流体流中产生旋涡流，该过渡区的直径大于入口区的直径，并且过渡区包括将出口限定至分离区的装置，在挡板装置上游的过渡区中形成进口，所述进口和出口相互设置成最小化使用中流体流中的流体扰动。
在此说明书中，具有特殊功能的区域可以理解为设备的这样一部分，所述部分由边界壁限定且构造并设置为实现此功能。
根据本发明的设备可以包括同轴的入口区、过渡区和离心分离区，其中该入口区的直径小于过渡区的直径，由此从进口进入过渡区的、载有颗粒的流体在到达分离区之前沿着直径比入口区的直径更大或更宽(expansive)的旋涡路径行进。但是，一个入口区(或多个入口区)可以与过渡区和分离区轴向平行但有偏移，且优选设置在由分离区的外壁限定并从分离区的外壁沿上游方向延伸的区域中。在另一种设置中，入口区与分离区相切，该过渡区包括半径减小的弯曲路径，以在颗粒进入分离区之前增加颗粒的径向速度分量。
优选地，进口和出口具有大致相同的截面面积，以最小化使用中流体的扰动。“大致相同的截面面积”表示出口至分离区的面积与进口至过渡区的面积相同，或者如果出口至分离区的面积与进口至过渡区的面积不同，则出口至分离区的面积优选为较大，但相对于进口面积不能大过20％，优选不大过10％。
当入口区、过渡区和离心分离区同轴或轴向平行时，从过渡区将出口至分离区的装置优选为包括横穿入口区设置并且部分地隔离过渡区和分离区的挡板装置，由此将出口限定至分离区，并且进口包括可以通向过渡区的、入口区的壁的被切割侧部。当入口区与分离区相切时，限定出口的装置可以包括设置成部分地隔离过渡区和分离区的挡板装置，并且由于采用弯曲的路径作为过渡区，因此进口由入口区的壁的内腔(lumen)限定。但是，在这种设置中，挡板装置对于产生旋涡流不是必要的，并且出口至分离区可以包括位于过渡区与分离区之间的想象的接口区域，该区域处于开放连通状态。
惊奇地发现，根据本发明，尽管引入的流体流经历从实质上的线型至旋涡流的转变，但是相对于已知的设备来说，具有较少的流体扰动、湍流以及分离效率降低得较少。实际上，总体来说，根据本发明的设备高效运行，且颗粒尺寸和密度的范围很大的颗粒的压力下降很小。
产生旋涡运动的过渡区可以包括如在入口区与离心分离区之间的涡卷进口(scroll entry port)，所述涡卷进口为已知结构，但其实际上以与传统设备相反的方式应用。传统的涡卷进口结构用于通向离心分离设备的切向出口，并包括90％、180％、270％和360％的涡卷和对数螺线涡卷。在根据本发明的设备中，特别在入口区和分离区为同轴或轴向平行的情况下，旋转运动通过涡卷进口在过渡区中产生，但开始于入口区的下游末端区域、过渡区的上游，由此使得流体流夹带的颗粒物质可以朝向入口区的围壁(boundingwall)运动，以作为在通过涡卷进口进入过渡区之前的预分离步骤。
优选地，离心分离装置还至少与排出装置同轴，并优选为还与收集装置同轴。曾位于离心分离装置中的载有颗粒的流体流沿着螺旋状路径到达远端或末端，其中颗粒在离心力的作用下朝向分离装置的周边区域运动，然后通过在分离装置与收集装置之间连通的接口装置(port means)穿过该周边区域至收集装置。离心分离装置可以为锥形，从而提供截头圆锥室，并使空气流朝向远端加速，由此更有效地分离颗粒。随后，流体以螺旋状路径向下回到分离装置的中央，并进入排出装置的检测器(finder)。因此，在根据本发明的设备中，颗粒与流体分离且位于远离朝向排出装置的流体流的区域中，由此明显减少了颗粒的二次夹带。
可选地，排出装置延伸至分离装置的近端，并且通过形成在排出装置的壁中的多个槽或多个其它孔组成的阵列与该近端连通。槽或其它孔可以穿过排出装置的壁放射性地形成，但是优选为以一定角度沿流体流的方向形成，从而提高效率并减少背压。槽或其它孔可以沿着排出装置从分离装置的上游或近端延伸直至到达与分离装置的下游或远端的距离的大约90％的位置处。在其它的实施例中，排出装置包括与所述分离装置的近端间隔开的端部开口管。排出装置可以从设备的远端(相对于入口装置)延伸，但是可选地，特别在入口装置与分离装置轴向偏移时，可以从与入口装置相同的端部延伸。
优选地，至少围绕离心分离装置的颗粒收集装置可以形成有可移动的底部，以便处理收集的颗粒，或者可选地，形成有具有适当密封的通道门(accessdoor)。可选地，收集装置可以与入口装置和分离装置一起移除，其后可以从收集装置移除收集的颗粒。颗粒收集装置由分离区的分离室构成，因而，由于分离室中存在的空气运动很小，且分离物质的二次夹带可能性也相应地变小，故收集的颗粒量很少，或者并不影响分离效率。
在优选的设置中，为了防止颗粒截留在入口区和离心分离区之间的区域中，因此过渡区的底部可以形成为螺旋状，以确保所有颗粒仍夹带在流体流中而不会被截留。
在根据本发明的设备中，其组件设置可以使得入口区、分离区和排出装置中的流体流的方向与收集装置中颗粒沉降的方向逆流，其中颗粒沉降是在分离区中的动能减小时在重力的作用下产生的，或者可选地使得流体流的方向与颗粒沉降的方向相同。
另一方面，本发明提供一种用于从夹带颗粒的流体流中分离所述颗粒的方法，所述方法包括以下步骤：所述流体基本线性流动穿过包括入口区和离心分离区的设备，其中流体穿过入口区和所述分离区之间的过渡区，以在分离区中产生旋涡流路径，并且在穿过过渡区时的流体扰动最小。
附图说明
以下将参照附图以示例的方式描述本发明的实施例，其中：
图1示意性示出了流体主要沿向上的方向流动的实施例的侧视图；
图2为沿图1的线A-A的俯视图；
图3示意性示出了流体主要沿向下的方向流动的实施例；
图4示意性示出了图1所示设备的变型的侧视图；
图5示出了图4的设备的俯视图；
图6示出了图3的变型，其实施例适用于真空吸尘器；
图7示出了一个实施例的侧视图，其中排出流来自设备的、与进气流相同的端部；
图8为沿图7的线B-B的俯视图；
图9示意性示出了具有切向入口区的设备的侧视图；
图10为图9的设备的俯视图；
图11示意性示出了入口区与出口区逆流同轴设置的设备的侧视图；以及
图12为图11的设备的俯视图。
具体实施方式
首先参照图1和图2，该设备主要由入口管11、截头圆锥分离室12、收集室13以及排出管14组成。部件11、12、13和14同心地设置。入口管11的上端形成有遮蔽件或挡板15，尽管形成分离室的筒体的下端在板15的下方向下延伸至下壁16，但是所述遮蔽件或挡板15构成分离室的实际的下端或底部。如图2所示，板15遮蔽管11的上端并且部分地在限定于管11与室12之间的环形空间上延伸，以限定出为入口管与分离室之间的流体提供路径的入口或进口。在板15与下壁16之间的过渡区中，管11具有与板15连通的出口或排出孔11A，所述出口或排出孔11A使得向上流至管11并进入室12内的流体中产生旋涡运动，其中流体流以粗实线X表示。出口或排出孔的截面面积与进口的截面面积相同。
在使用中，如Y表示的，夹带在流体流中的颗粒物质被推向室12的外周边，并且在室12的上端，颗粒物质被离心力推入限定在室12与收集室13之间的环形空间中。此后，如以细实线Z表示的，相对地不含颗粒物质并且动能分量已减小的流体向下返回到室12，靠近排出管(outlet tube)14的壁，并进入排出管14中以脱离至大气。颗粒在重力作用下落在室13的底部以便随后进行移除。
参照图3，其示出了可选的实施例，该实施例以与图1中示出的设备相似的原理运行，但是引入的载有颗粒的流体流从上面通过管21进入，并沿着在本实施例中为筒形的分离室22进行旋涡运动。分离的颗粒收集在收集室23中。优选地，围绕排出室25设置一环形凸缘24，以促使相对地不含颗粒的流体流向上返回以进入排出管的上端，需注意：由于收集室23为闭合系统，因而防止了流体流在任何情况下都这样流动。此外，为了利于分离和收集可能二次夹带并与排出气体一起排出至大气的、通常为纤维状的较轻物质，可以在凸缘24上以向下悬垂的方式连接一套环26；已经发现这种套环能够明显地提高特别是对于较轻颗粒的保留能力(retention)，而且，由于一些收集的物质保留在由该套环和凸缘形成的倒置的杯状空间中，因而不会实质上影响由收集室提供的保留容积。此外，还发现在此区域中存在的静止物质能增强稳定性，并减少引入的颗粒物质的运动，由此有助于进一步提高保留效率。
在图3所示的实施例中，基本不含颗粒的排出气体向下通过排出管25排出。
现参照图4，其示出了与参照图1和图2描述的实施例相似的实施例，且使用相同的附图标记来表示相同的功能组件。但是，在图4的实施例中，分离室12的底部16由环形螺旋状轨道17替代，以防止颗粒被截留在图2中以附图标记18表示的封闭端中，且图1的排出管14在图4中向下延伸与板15接触，垂直设置的叶片或挡片(louvre)19组成的阵列之间限定有多个间隙20，以便使排出气体进入。如图5所述，叶片优选为设置成使其边缘具有角度，从而产生的槽20可以允许排出气体进入，同时基本不会产生不需要的背压。
图6示出了与参照图3描述的实施例相似的实施例，其特别适用于自容式真空吸尘单元中。对于对应的部件，在图6中使用的附图标记与在图3中使用的附图标记相同。与图3所示的一样，载有颗粒的流体X通过管21进入设备的上端，并且沿着分离室22中的旋涡路径行进。收集的颗粒27堆积在收集室23中。随后，排出气体通过过滤器28以去除残留的颗粒物质；根据所需的过滤效率等级，过滤器28可以为相对低效的过滤器或高效HEPA过滤器。在过滤单元28的下方设置电机单元和风扇29，从而将空气抽吸通过整个设备，排出气体通过适当构造的孔30排出去。在孔30的下方可以设置具有适当充电电子组件和连接件的可再充电的电池单元31，或者可选地，对于电源供电设备可以使用电源驱动的电机和风扇。该设备可以从例如连接至肩带的承载柄悬挂下来，由此可获得稳定且便携的单元，或者还可适用于在地板上行进。
参照图7和图8，该设备包括两个入口管32，所述两个入口管32彼此沿直径方向相对地设置，且位于排出管33的两侧。分离室34为截头圆锥，并且颗粒通过分离室34的下开口端以便进行收集。如图1所示，以X表示引入的载有颗粒的空气通过过渡区的方向，颗粒的分离由Y表示，排出气体由Z表示。
参照图9和图10，该设备具有切向入口管41，所述切向入口管41进入限定出半径减小的圆形路径42的过渡区，由此限制引入的空气沿着该路径运动以在与前述实施例相比增加的路径长度上以连续且增加的径向加速度行进。随后，气流通过形成在挡板43中的开口流至分离室44。颗粒45被收集在环形收集室中，并且排出气体通过排出管46离开设备。在可选的构造中，通过包括移除了挡板43的中央部分(在图9中由“A”表示)的排出管47以及阻塞或移除排出管46，设备可以适用于逆流操作，这样排出气体通过管47排出去。在此种设置中，由于引入的气流沿着路径42中的旋涡流行进，因此可以省略挡板43，根据设备是否包括管47，空气自由地通过环形或圆形开口区域通向分离室44。
参照图11和图12，其示出了入口管和出口管的逆流同轴设置，其中入口管50围绕出口管51，图11和图12的全部设置与参照图1和图2描述的实施例类似，只是其示出了逆流结构。然而，与图1和图2相比，在图11和图12描述的设备中没有挡板15的中央部分，其中可以使用标准的反向旋流设置，且进口和出口便利地设置在下端并彼此相邻。如果相应地选择收集室52的尺寸，还可以使用筒形截面的分离器来代替示出的截头圆锥截面的分离器。
尽管已经特别参照流体为空气的真空吸尘器描述了本发明，但本发明还可以应用于其它用途，例如汽车排气装置中的火花避雷器，此外也可以在流体是气体时或者流体是水或其它液体时使用。

Claims (6)

1.一种真空吸尘器，包括用于从流体流中分离颗粒的设备，所述设备包括入口区、离心分离区、至少围绕离心分离区的颗粒收集装置以及排出装置，其中所述入口区和分离区通过一过渡区连通，以在流体流中产生旋涡流，所述过渡区的直径大于所述入口区的直径，并且所述过渡区包括将出口限定至所述分离区的装置，在一挡板装置上游的所述过渡区中形成进口，所述进口和出口相互设置成最小化使用中所述流体流中的流体扰动。
2.如权利要求1所述的真空吸尘器，其中所述离心分离区包括筒形分离室。
3.如权利要求1所述的真空吸尘器，其中所述离心分离区包括截头圆锥形分离室。
4.一种用于从夹带颗粒的流体流中分离所述颗粒的方法，所述方法包括以下步骤：所述流体流基本线性流动地穿过真空吸尘器中的一设备，该设备包括入口区和离心分离区，其中所述流体流通过所述入口区和所述分离区之间的过渡区，以在所述分离区中产生旋涡流路径，并且在穿过所述过渡区时流体扰动最小，其中，所述离心分离区包括分离室，并且在所述分离室的上端，所述颗粒被离心力推入限定在所述分离室与收集室之间的环形空间中，其中所述分离室为离心分离装置，所述收集室为颗粒收集装置，所述颗粒收集装置至少围绕所述离心分离装置。
5.如权利要求4所述的方法，其中所述收集室为环形收集室。
6.如权利要求4所述的方法，其中所述分离室和所述收集室同心地设置。
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