CN1108196C - 旋风分离设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了旋风分离设备(10)，包括一旋风器主体(14)，其具有至少一个流体入口(18)和一流体出口，流体出口与旋风器主体(14)的一纵轴线同轴并包括一从旋风器主体的端面(24)伸入其内部的涡流探测器(26)，并且一长鼻(30)局部地设置在涡流探测器(26)内并伸出其远端边缘，使得旋风器主体(14)的端面(24)和长鼻(30)最远端之间的距离是涡流探测器(26)的最小直径的至少两倍，其中长鼻(30)的截面沿其长度在任何一点处是圆形的。

Description

旋风分离设备
技术领域
本发明涉及旋风分离设备，特别但并非绝对地涉及用于真空吸尘器的旋风分离设备。
背景技术
旋风分离设备基本上由一截锥形的旋风器主体构成，在其较大的通常是上部的端部有一切向入口，并在较小的通常是下部的端部有一锥形的开口。一内部夹带颗粒的流体经切向入口进入并绕旋风器主体遵循一螺旋形路径。在这一运动中颗粒从流体中分离出并通过该锥形开口被带入或落入一收集器，从该收集器可对它们作适当处理。清洁后的流体，通常是空气，朝旋风器主体的中心轴线运行以形成一涡流并经涡流探测器排出旋风分离器，该涡流探测器位于旋风器主体的较小(上)端部并与其中心轴线对齐。
涡流探测器通常取一简单的管子的形式，向下伸入旋风器主体，使得排出流体的涡流被可靠地引出旋风器。但是，涡流探测器有许多固有的缺点。其中一个缺点是由于排出流体的很高的角速度，在涡流探测器内有一明显的压降。在克服这一问题的企图中，中心体被引入已知的涡流探测器，与切向的出口结合，以便使流经和流出旋风器的流束变直。已经作了一些尝试以采用固定叶片减小流束的旋涡。在题为“采用切向出口在处理工业中节省能量”(TO’Doherty，M Biffin，N Syred：处理机械工程手册1992，206卷)的文章中说明了许多这些尝试。在WO97/46323和US5,444,982中说明了采用中心体或叶片的其他方案。在所有这些现有技术方案中，中心体被完全地包含在涡流探测器内，或者否则它仅在一极小的程度上伸入旋风器主体。这是因为中心体或叶片的唯一目的是从涡流探测器内的流束中消除旋涡，而非稳定它。
出于其他理由也将中心体引入旋风分离器。在US4,278,452中说明的一个理由是扩张向外走的流体，使得夹带任何颗粒的最外环流体通过分离区再循环。但是，不得已，中心体的大部分必须处在涡流探测器的外面所以不能稳定涡流探测器内的流体流束。中心体的另一用途是支承一电极，通过该电极可以在分离器的分离区产生一Corona放电。这样在分离区内提高了分离效率，但由于电极必须具有Corona放电的角状或点状区，所以不能稳定排出的流体。
在CH388267中，采用了伸出涡流探测器的中心体，以防止气泡从用以从液体悬浮液分离固体颗粒和气泡的设备的主出口逃逸。该中心体有一大体平的端部。使得在操作期间进入涡流芯的气泡通过构成旋风器出口的锥形开口排出设备。
与涡流探测器相关的另一问题是在旋风分离设备的操作期间，涡流芯绕涡流探测器的内部旋进引起一相当大的噪音。采用完全位于涡流探测器内的中心体被公认为有助于将与排出流体相关的噪音减小到一定程度，但仍未尝试利用一中心体进一步减小噪音。
发明内容
在家庭用具如真空吸尘器中，噪音总是不希望的并且有一种不断的要求以尽可能减小与用具相关的噪音。所以本发明的目的是提供适于装入一家庭用具中的旋风分离设备，其中噪音水平得以改善。本发明的另一目的是提供旋风分离设备，其中横跨涡流探测器出现的压降尽可能小。本发明的还一目的是提供适于家用真空吸尘器所用的旋风分离设备。
本发明提供了旋风分离设备，包括一旋风器主体，其具有至少一个流体入口和一流体出口，流体出口与旋风器主体的一纵轴线同轴并包括一从旋风器主体的端面伸入其内部的涡流探测器，并且一中心体局部地设置在涡流探测器内并伸出其远离端面的端部，使得旋风器主体的端面和中心体最远端之间的距离是涡流探测器的最小直径的至少两倍，中心体的截面沿其长度在任何一点处是圆形的，其特征在于中心体朝其最远端向内逐渐变细并在形状上是半球形的、锥形的或截锥形的。
本发明亦提供了装有这种旋风分离设备的真空吸尘器。进一步的和优选的特征在其它方案中提出。
采用具有一圆形截面和一半球形、锥形或截锥形的端部(其伸出涡流探测器最下端一距离，在该距离中心体最远端距旋风器主体的端面的距离至少是涡流探测器最小直径的两倍)的中心体在适当程度上减小了与排出的涡流相关的噪音。已经发现，与涡流探测器未在任何程度上伸出涡流探测器的情况相比，噪音的减小明显地更好。据信涡流芯的旋进(当由涡流探测器的壁界定时)在气流内引起表现为噪音的压力扰动。因此，希望在排出的空气进入涡流探测器之前完全地稳定该转动。在其到达涡流探测器之前中心体伸入涡流芯的低压区使得涡流芯在到达涡流探测器之前稳定。所以减小了噪音水平。采用特定设备的试验显示，对于旋风器、涡流探测器和中心体的具体尺寸，存在一中心体必须延伸的距旋风器上表面的最佳距离。从下面的描述和举例中可清楚地看出中心体不必一直在涡流探测器中向上延伸到旋风器的上表面。
附图的简要说明
现在参照附图描述本发明的优选实施例，其中：
图1以剖视图示出了根据本发明的并适于用在一真空吸尘器上的旋风分离设备；
图2a以放大的比例示出了构成图1所示设备的一部分的中心体；
图2b示出了图2a所示中心体的第一可选择的构形；
图2c示出了图2a所示中心体的第二可选择的构形；
图3是一通过本发明旋风分离设备的一部分的剖视图；
图4是试验设备的示意图，该设备用于确定下面要描述的试验的结果；和
图5是一曲线图，示出了在带有和没有一优化的涡流探测器中心体的旋风器中噪音的比较。
发明的实施方式
图1示出了适用在一旋风式真空吸尘器中的旋风分离设备10。事实上，在该例中，该旋风分离设备由两个用以按序清除一股气流的同心的旋风器12，14构成。在附图中未示出真空吸尘器的其他特征(例如吸尘器头或软管，电机，电机过滤器，手柄，支承轮等)，因为它们并不构成本发明的部分，这里将不作进一步的描述。确实，在该实施例中正是最内部的高效旋风器14与一涡流探测器配合，所以正是最内部的旋风器14是本发明的利益所在。但应当理解，本发明可应用于不只适用在真空吸尘器上的旋风分离设备，而且亦可应用于只有单独一个旋风器的旋风分离设备。
最内部的旋风器14包括一旋风器主体16，其在形状上通常为截锥形，并在其上端有一流体入口18，而在其下端有一锥形开口20。该锥形开口20由一封闭的收集室22包围，在该收集室内收集通过流体入口18进入旋风器14并从旋风器主体16内的气流分离出来的颗粒。旋风器主体16有一上表面24，在其中心设有一涡流探测器26。该涡流探测器在形状上通常为管状并具有一汇入上截锥部分26b的下圆柱部分26a，该上截锥部分26a引出旋风器主体16至一排放管道。所描述类型的旋风分离设备的操作是周知的并在许多地方有不少文件证明，所以这里将不再进一步详细描述。
本发明取一涡流探测器中心体30的形式，中心体30设置在涡流探测器26内并处在图1所示的位置。图2a亦以放大的比例示出了该中心体30。中心体30包括一中心细长件32，该细长件沿其长度的大部分是圆柱形并具有半球形的端部32a，32b。使端部32a，32b成半球形减小了由于中心体30的存在而将涡流引入气流的危险。细长件32支承两个在径向上相对的翼片34，该翼片在形状上通常是矩形的并从该细长件30向外径向地延伸足够远，以在圆柱部分26a内抵靠涡流探测器26的内壁上。翼片34的下游边缘有切成圆弧的外角，以减少引入涡流的危险。而且，在翼片34的外边缘上形成有槽口或槽36a，同时在涡流探测器26的圆柱部分26a的内壁上形成有形成有相应的凸舌或凸起36b。凸舌或凸起36b在径向上也是相对的并被设计和定位成与翼片34上的槽口或槽36a配合，并如此在涡流探测器26内将中心体30保持在位。可以理解，保持中心体在位的精确方法对于本发明而言并不重要，并且槽口/槽36a和凸舌/凸起36b可以用任何其他将中心体30保持在涡流探测器26内的适当装置代替，使得中心体30不会被通过旋风分离设备的流体的合理流率所挪动，亦不会承受难以接受的振动。一快速配合方法被认为是特别理想，因为其易于制造并易于使用。
中心体30的长度及其定位足以保证最远离上表面24的中心体30的端部32a处在一个点处，其在上表面24下方的距离至少等于涡流探测器26的最小直径的两倍。这样，中心体30凸出于涡流探测器26下端的长度加上涡流探测器26的总长度(在下表面24下方)必须至少是涡流探测器26直径的两倍。如果满足这一条件，可减小噪音。在图1所示的实施例中，中心体30的最下点在上表面24的下方处在这样一个距离，该距离等于涡流探测器26的最小直径的约2.58倍。具体说，中心体30的最下点处在上表面24下方82.5mm处，并且涡流探测器26的最小直径是32mm。
而且，中心体30的长度是60mm而其直径是6mm。中心体30在涡流探测器26的最下边缘伸出一16.5mm的距离。这种设置可成功地减小从1.5dBA的整个真空吸尘器发出的总声压水平(噪音)。
为了使中心体30正常工作，在沿其长度的任何点处使中心体30的截面成圆形。如上所述，中心体30的主体是圆柱形的，但上游端和下游端32a，32b可取各种形状。在图2a所示的实施例中，两个端部32a和32b是半球形。但是，端部中的一个或另一个例如可以是锥形的或截锥形的，尽管一锥形端部是优选的，因为这可以减少设备内的压降和/或能量损耗。图2b示出了另一种中心体50，其中中心体50的细长体52的中间部分还是圆柱形并且下游端52b是半球形，但上游端52a在形状上是锥形的。图2a所示的中心体50和图2b所示的另一种中心体之间的另一区别是出于支承目的设置在细长体52上的翼片54的数量。在图2b所示的实施例中，设置有四个等角度隔开的翼片54。为了将中心体50支承在其内，在涡流探测器26的壁上设有相应的凸舌。
在图2c中从两个不同的角度示出了另一可选择的实施例。在该图中，从两个不同的透视角度示出了中心体70，这样可以清晰地看到翼片74的螺旋形状。采用螺旋形状使得翼片74不会干涉经涡流探测器存在的空气的旋转运动。如同图2a中所示的实施例，细长体72在形状上通常是圆柱形并且上游端72a是半球形。下游端72b是平的。各翼片74在其远端被成形以包括槽74a，该槽与模制在涡流探测器上的凸起配合，使得中心体70被牢固地保持在涡流探测器内正确的位置上。
图3局部地示出了分离设备的另一种构造。该图只示出了分离设备80的上部，该分离设备和前述的一样包括一上游的低效旋风器82和一下游的高效旋风器84。低效旋风器84有一旋风器主体86，该旋风器主体86有一与旋风器84的上端连通的入口88并在其相对的端部有一由收集器(未示出)包围的锥形开口(未示出)，包围的方式与图1相同。旋风器84在其上端由一上表面90封闭，从该上表面悬垂一涡流探测器92，该涡流探测器沿其中心轴线延伸进入旋风器84的内部。涡流探测器92在其大部分长度上是圆柱形的，但在其上端向外扩张，而平滑地与上表面90交汇。
中心体94不可移动地安装在涡流探测器92内并从上表面90的高度上方的一个点延伸通过涡流探测器92，使得中心体94伸出涡流探测器92的下边缘。中心体94的主体大体是圆柱形，朝上游端94b略带一锥度。上游端94a在形状上是半球形但其下游端94b只是平的。中心体94有三个等角度隔开的翼片96，该翼片从中心体94的上端向外延伸到涡流探测器92的内壁。翼片96的最外边缘被成形为遵循涡流探测器92的内壁的形状，以帮助中心体94的正确定位。
在该实施例中，中心体30的直径是10mm，涡流探测器92的直径D1是30.3mm。涡流探测器的长度L1是50mm并且中心体94的下端94a和上表面90之间的距离L2是64.4mm。因此，中心体94的最下点处在上表面90下方的一距离处，该距离是涡流探测器92的(最小)直径的2.13倍。中心体94在涡流探测器92的下方伸出一14.4mm的距离。
已经进行了试验，以确定中心体最下端在图1所示设备中的最佳位置。现在，参照附图中的图4描述试验方法和设备。
带有一可变长度的涡流探测器120和一可变长度的中心体140的清洁旋风器100采用适当的夹具和安装装置(未示出)安装在一直立的位置。旋风器100有一140mm的最大直径和一360mm的高度。通过一个经第一柔性软管102连接的无噪声源可对旋风器100进行抽吸，以确保来自电机噪音的干扰最小。连接于旋风器入口106的第二柔性软管104从一远距离腔室取得进入的空气以避免与进入软管开口的空气相关的噪音的干扰。在旋风器100的入口106，安装有一流速计108，以允许精确地检测进入的流率。
长度可变的涡流探测器120包括一长度固定和直径固定的管122，管122连接于第一柔性软管102并通过一密封和夹紧环124可滑动地安装在旋风器100的上板110上。在这种情况下，该管的直径是32mm。通过将管122在不同的位置夹紧，使得它以不同的量伸入旋风器100，就可以改变涡流探测器120的长度S。可变长度的中心体140包括一安装在涡流探测器120上端的弯头126处的细长件142。通过一密封和夹紧块144可将细长件142可滑动地安装在弯头126内。而且，通过从细长件142延伸到涡流探测器122内壁上的两个翼片146对细长件142提供支承。翼片146防止细长件142在试验过程中摆动。通过夹紧细长件使其以不同的量伸出管122的下端128，可以改变中心体140的长度L。
为了完成试验，涡流探测器的长度S被设定在所需的值，细长件142的端部被设定得与管122的下端平齐(即L＝0)。启动抽吸源，检测流率并通过适当的调整将流率设定在所需的水平。然后以5mm的步长下移中心体140，并在各步长取得声音检测值。中心体的最佳长度被认为是噪音水平减小到最小时的长度。当已经确定了中心体140的最佳长度的大约位置时，然后采用在中心体长度L上2mm的增量，以更精确地确定最佳长度的位置。
对于一给定的流率和一给定的涡流探测器长度S，在已经确定了中心体140的最佳长度后，然后通过调节抽吸源改变流率，并且重复中心体长度L的增量变化，以便对于该流率确定最佳的中心体长度。对于各所需的流率和一给定的涡流探测器长度，在已经确定了最佳的中心体长度后，然后调节涡流探测器长度，并采用相同的该组流率进行第二系列试验，以产生可比较的结果。所获得的结果给出如下。
    流率(升/秒)    涡流探测器长度S(mm)  最佳中心体长度L(mm)
    20    66  20
    22.5    66  22
    25    66  23
    20    40  45
    22.5    40  55
    25    40  49
    20    80  10
    22.5    80  6
    25    80  25
最佳长度被进一步限定为是中心体的这一长度，在该长度噪音减小颠倒为噪音水平的略微增加。所以最佳长度被视作一最小的总声压水平，通过继续延伸中心体不会获得明显减小的一个点或色调质量开始恶化的一个点。特别是涡流旋进的固有频率，用窄带分析识别出，被认为是在此最佳长度处于其最佳值。
进一步试验揭示，在直径为140mm，高度为300mm，涡流探测器直径为32mm和涡流探测器长度为6mm的一旋风器主体中，中心体30超出涡流探测器的最下端的最佳伸出距离是16.5mm。这在中心体30的最下端和上表面24之间给出了一个82.5mm的距离，这是涡流探测器26的直径的2.58倍。
采用类似于上述设备的设备但用具有不同直径的可替换涡流探测器进行了进一步的试验。在各种情况下，涡流探测器的长度是46mm，并采用了27升/秒的固定流率。所用的中心体与上面所描述的类似但具有一10mm的直径。采用了与上面所描述的类似的方法以为每个探测器直径找出最佳的中心体长度。所或结果如下：
    涡流探测器直径D1(mm)    最佳中心体长度L1(mm)
    38     85
    34     88
    30     76
    28     64
    26     61
这清楚地显示对于一给定的流率和一给定的中心体直径最佳的中心体长度通常随涡流探测器的直径减小。
中心体30优选由塑料制成并具有足够的刚性，以便在暴露于可能流经分离设备的流率时不会弯曲或振动。对于一适用于真空吸尘器的中心体而言，一种适当的材料是聚丙烯，这优选采用任何一种普通的技术例如注模来简单地及经济地模制中心体。
试验和研究显示，根据旋风器的具体结构，优化中心体的长度可导致一旋风器的总声压水平减小2至6dB。在家用真空吸尘器的总噪音水平上，足以获得听觉上的区别。图5示出了由装有和未装有一优化中心体的特定真空吸尘器的旋风器所产生的在噪音(声压水平)上的差别。如清除所见的，中心体的存在(以实线表示的噪音水平)消除了没有中心体时(虚线所示的噪音水平)存在的很大的声音。减小家用真空吸尘器的噪音水平的优点是改善消费者的满意程度并允许使用者听到在使用吸尘器的环境中的其他声音和噪音。这可以改善使用者在使用吸尘器时的安全性。

Claims (22)

1.旋风分离设备，包括一旋风器主体(16)，其具有至少一个流体入口(18)和一流体出口，流体出口与旋风器主体(16)的一纵轴线同轴并包括一从旋风器主体(16)的端面(24)伸入其内部的涡流探测器(26)，并且一中心体(30)局部地设置在涡流探测器(26)内并伸出其远离端面(24)的端部，使得旋风器主体(16)的端面(24)和中心体(30)最远端之间的距离是涡流探测器(26)的最小直径的至少两倍，中心体(30)的截面沿其长度在任何一点处是圆形的，其特征在于中心体(30)朝其最远端向内逐渐变细并在形状上是半球形的、锥形的或截锥形的。
2.如权利要求1所述的旋风分离设备，其中旋风器主体(16)的端面(24)和中心体(30)最远端之间的距离至少是涡流探测器(26)的最小直径的2.3倍。
3.如权利要求2所述的旋风分离设备，其中旋风器主体(16)的端面(24)和中心体(30)最远端之间的距离至少是涡流探测器(26)的最小直径的2.5倍。
4.如上述任一权利要求所述的旋风分离设备，其中中心体(30)通常是圆柱形的，带有至少一个半球形端部。
5.如权利要求1至3中任一项所述的旋风分离设备，其中中心体(30)通常是圆柱形的，带有至少一个锥形形端部。
6.如上述任一权利要求所述的旋风分离设备，其中中心体(30)的直径不超过涡流探测器(26)的最小直径的一半。
7.如权利要求6所述的旋风分离设备，其中中心体(30)的直径不超过涡流探测器(26)的最小直径的三分之一。
8.如权利要求7所述的旋风分离设备，其中涡流探测器(26)的最小直径大体是32mm，并且中心体(30)的直径大体是6mm。
9.如权利要求8所述的旋风分离设备，其中中心体(30)最远端距旋风器主体(16)的端面(24)的距离是在80mm和110mm之间。
10.如权利要求9所述的旋风分离设备，其中中心体(30)最远端距旋风器主体(16)的端面(24)的距离是在85mm和95mm之间。
11.如权利要求7所述的旋风分离设备，其中涡流探测器(26)的最小直径大体是30mm并且中心体(30)的直径大体是10mm。
12.如权利要求11所述的旋风分离设备，其中中心体(30)最远端距旋风器主体(16)的端面(24)的距离是在50mm和90mm之间。
13.如权利要求12所述的旋风分离设备，其中中心体(30)最远端距旋风器主体(16)的端面(24)的距离是在60mm和70mm之间。
14.如上述任一权利要求所述的旋风分离设备，其中中心体(30)伸出涡流探测器(26)的下边缘一至少10mm的距离。
15.如权利要求14所述的旋风分离设备，其中中心体(30)伸出涡流探测器(26)的下边缘一大体14.4mm的距离。
16.如权利要求14所述的旋风分离设备，其中中心体(30)伸出涡流探测器(26)的下边缘一大体16.5mm的距离。
17.如上述任一权利要求所述的旋风分离设备，其中中心体(30)通过支承翼片(34；74)支承在涡流探测器(26)内，所述翼片延伸至涡流探测器(26)的内壁。
18.如权利要求17所述的旋风分离设备，其中所述翼片(34；74)在径向上是相对的。
19.如权利要求17或18所述的旋风分离设备，其中翼片(34；74)包括螺旋形叶片。
20.如权利要求17或18或19所述的旋风分离设备，其中所述翼片(34；74)和所述涡流探测器(26)的内壁具有保持装置(36a，36b)，用以将中心体(30)在涡流探测器(26)内保持在位。
21.如权利要求20所述的旋风分离设备，其中保持装置包括与相应的槽(36a)啮合的弹性凸舌(36b)。
22.具有如上述任一权利要求所述的旋风分离设备的一真空吸尘器。
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