CN1154447A - 电动吸尘器 - Google Patents

Abstract

一种电动吸尘器，在电动吸尘器主体201内设有包括电机以及离心叶轮的电动鼓风机308。该电动鼓风机，在该电动鼓风机的用公式(1)求出的排气流量系数Φe为0.03到0.05的范围内时，该电动鼓风机的用公式(2)求出的比速Ns设定在140到180的范围内，Φe＝Q/(π·D₂·b₂·u₂)(1)Ns＝(N·Q^0.5·H^-0.75)(2)这样，可以获得吸入效率提高，且价格便宜、小型轻巧的电动吸尘器。

Description

电动吸尘器

本发明是关于使用具有离心叶轮的电动鼓风机的电动吸尘器，特别是关于小型而轻巧及输出功率高的电动吸尘器的发明。

已有的电动吸尘器，如日本特许公开公报55-87894号(1980)所公开的那种。该电动吸尘器的空气动力特性如图2所示，横轴的吸入风量越小，整流子电机的负荷也越小，电流值，即消耗电力降低。另一方面，图中表示的吸入效率(吸入风量×真空度)也就降低。此外，随着近年来电动吸尘器的大型化，吸入风量不断地在增大，但即便在最大风量档上吸入效率也还是很低，从电力消耗的观点看，提高由鼓风机效率与电机效率决定的上述吸入效率已成为当务之急。

根据上述的已有技术，一方面，为提高鼓风机效率，就要提高气密性能，防止各部位因高压力差而产生的泄漏，还要降低通气阻力，为此可以采用增设密封部件，提高零部件的尺寸精度，或者采取确保大的通气面积等手段，但都是与降低成本及小型化背道而驰的方法。

另一方面，为提高电机的效率，就要采取加大绕线直径来降低铜耗，使用高级硅钢片以降低铁芯的铁耗等手段，但也同样存在着与降低成本及小型化要求不符的问题。

这样，随着用电机作为鼓风机驱动源的电动鼓风机效率的提高，制造成本要增加，重量要增加，吸尘器变得更重，存在使用者，特别是老人和妇女，因机器太重而操作不便的问题。

本发明的目的是提供一种电动鼓风机效率、即吸尘器的吸入效率高、制造成本低的小型而轻巧的电动吸尘器。

达到上述目的的方法是，对于在电动吸尘器主体内具有由电机与离心叶轮构成的电动鼓风机的电动吸尘器，上述电动鼓风机，在该电动鼓风机用公式(1)求出的排气流量系数φe为0.03到0.05的范围内时，将该电动鼓风机用公式(2)求出的比速Ns设定在140到180的范围内。

φe＝Q/(π·D₂·b₂·u₂)    (1)

 Ns＝(N·Q^0.5·H^-0.75)     (2)

其中Q：风量(m³/min)、D₂：离心叶轮的外径(m)、

b₂：离心叶轮的出口宽度(m)、u₂：叶轮外周的圆周速度(m/min)

N：转速(rpm)、H：压力头(m)

该电动鼓风机最大风量档消耗的电力最好为约1Kw，上述离心叶轮的叶轮外周的出口宽度b₂与叶轮外径D₂之比可以设定在0.085到0.133的范围内，或者，连接上述离心叶轮的各轮叶中央前端的假想圆环面积S₁与该离心叶轮的入口面积S₀之比S₁/S₀可以设定在1.0-1.4的范围内。

另外，本发明的其它特征在于，电动吸尘器具有电动鼓风机，该电动鼓风机包括离心叶轮和电动机，将该离心叶轮的连接各轮叶中央前端的假想圆环的轮叶入口面积S₁与该离心叶轮的入口面积S₀的比S₁/S₀设定在1.0～1.4范围内，上述电动机使上述离心叶轮以40000～50000rpm的转速转动。

根据本发明，因为可以提高电动鼓风机的效率，所以叶轮的外径可以小型化。这样，电动吸尘器可实现小型、轻巧化，同时吸入效率可得到提高，输出功率大。

图1是本发明的一个实施例的电动吸尘器所用的电动鼓风机的纵向截面图。

图2是表示电动吸尘器空气动力特性的附图。

图3是表示相对于转速的电动鼓风机效率的附图。

图4是表示相对于转速的比速和叶轮外周出口宽度与叶轮外径比的附图。

图5是表示电动鼓风机的空气动力特性的本发明与已有技术比较的附图。

图6是本发明的一个实施例的电动吸尘器外观的侧视图。

图7是图6的电动吸尘器的吸尘器主体纵向截面的侧面图。

图8是本发明的一个实施例的离心叶轮的纵向截面的侧面图。

下面，参照附图对本发明的实施形态进行说明。

首先，在对实施例进行说明之前，先对课题和发明思想进行详细的说明。

如上所述，在图2中，吸入效率是以风量×真空度来表示的，以鼓风机的特性与吸尘器主体的通气阻力等决定的工作风量表示最大值，以消耗电力1000W级的一般家庭用吸尘器为例，风量1.0-1.5(m³/min)为最大。已有的家庭用吸尘器使用的是消耗电力在500W左右的电机，但是，随着市场年年要求提高吸入效率而使耗电量增大，最近1Kw级的已经成为主流。

吸入效率是表示吸尘器吸尘能力的指标之一，要提高吸尘器的性能，提高这个指标非常重要。特别是近年来，以地面为代表的被吸尘表面越来越多样化，因为要求无论何种状况都能清扫干净，一定要有很强的吸入力。

正如“吸入效率＝风扇输出功率-通气损失”所表示的那样，为了提高吸入效率，就必须提高风扇的输出功率(电动鼓风机的气动力输出功率)，降低通气损失(吸尘器主体的通气损失)。但是，只要吸尘器的形态不变，因为例如加大管径、扩大吸尘器主体等会降低吸尘器的可操作性，要显著地降低通气损失是非常困难的。

另一方面，为了提高风扇的输出功率，正如“风扇功率＝电机输入功率(消耗电力)×电机效率×鼓风机效率”所表示的那样，只要提高右边的各项即可，但是，消耗电力已经以1000W级为主流了，从节能的时代潮流考虑，家用电器恐不应该再进一步提高了。

所以，为了提高风扇的输出功率，就必须提高电机和鼓风机的效率，即电动鼓风机的效率。所谓电动鼓风机的效率是以空气动力学的风扇输出功率(W)除以电机输入功率(W)而得出的。

关于这一点，以前对电机及鼓风机效率的提高是重视的，分别进行最佳设计，离心叶轮的外径设定为105-115mm左右，离心叶轮的出口宽度设定为7-8.5mm左右，转数设定为30000-35000rpm，风量为1.0-1.5(m³/min)时，可以达到45-48％。

已有，如将这里所示的数值换算成通过叶轮的流量的无因次数，即排气流量系数，是在0.03-0.05的范围内，与叶轮有关的量转速(N)及对叶轮直径(D₂)的比速(Ns)为130左右。

流体机械离心鼓风机的排气流量系数φe与比速Ns是按下列公式定义的。

φe＝Q/(π·D₂·b₂·u₂)    (1)

 Ns＝(N·Q^0.5·H^-0.75)     (2)

其中Q：风量(m³/min)、D₂：离心叶轮的外径(m)、

b₂：离心叶轮的出口宽度(m)、u₂：叶轮外周的圆周速度(m/min)

N：转速(rpm)、H：压力头(m)

H＝Pin/γ、Pin：吸入静压(mmAq)、γ：比重(kgf/m³)

现在对解决上述课题的发明思想进行说明。

首先，在图3中，表示了不同转速时的电机与鼓风机效率及其乘积，即电动鼓风机的效率。但是，该图的特性曲线因所用的零部件材料、形状不同会有所不同，它表示了根据已有的构成条件求出效率时的一个实例。

根据该图所示，一般地，随着转速的增加，被称为机械损耗的轴承损耗、摩擦损耗也随之增加，电机效率有下降的倾向。与此相反，采用离心风扇的鼓风机效率，如图3所示，则有提高的倾向。这是因为随着转速的增加，为了与风扇的负荷特性相适应，其外径较小，这样风扇圆盘摩擦损耗降低，鼓风机效率得以提高。

从电机和鼓风机效率的乘积，即电动鼓风机的效率来看，大约在45000rpm左右为峰值，在其上下均会下降，但在40000-50000rpm的范围内，效率超过50％。

因此，为了制成具有最高电动鼓风机效率，也即最高吸入效率的电动鼓风机，将转速设定为40000-50000rpm，便可获得高效率。

图4表示了在考虑到离心叶轮高速化，为降低圆盘摩擦损耗而进行的小径化以及必要输出特性的情况下，对转速的比速，以及叶轮外周出口宽度与叶轮外径之比的关系。如图所示，为了得到电动鼓风机最大效率的各合适的要素为，在转速设定在40000-50000rpm时，比速(Ns＝(N·Q^0.5·H^-0.75))为140至180的范围，这时叶轮外周出口宽度与叶轮外径之比为0.085至0.133的范围。

根据上述设定，可以获得电动鼓风机的最大效率，提高电动吸尘器的吸入效率。此外，由于叶轮外径实现小径化，电动鼓风机也就小型化，所以吸尘器本身也可实现小型、轻巧化，使用及操作性能得到提高。

下面，参照附图对本发明的实施例进行说明。

首先对附图进行说明。图1是本发明的一个实施例的电动吸尘器所用的电动鼓风机的纵截面图。图2是电动吸尘器的空气动力特性图。图3是表示不同转数的电动鼓风机效率的附图，图4是表示不同转数的比速和叶轮外周出口宽度与叶轮外径比的附图。图5是表示电动鼓风机的空气动力特性的本发明与已有技术比较的附图。图6是本发明的一个实施例的电动吸尘器外观的侧视图。图7是图6的电动吸尘器的吸尘器主体纵向截面的侧面图。图8是本发明的一个实施例的离心叶轮的纵向截面的侧面图。

电动吸尘器，如6图所示，在内设电动鼓风机与集尘过滤器的电动吸尘器主体201中，设置了遥控操作用的红外线接收部202，在能自由转动地连接在该电动吸尘器主体201上的管子203的前端所设的管子手持部204上，通过延长管205装着吸尘口206。管子手持部204有控制电动吸尘器主体201中的电动鼓风机用的开关操作部207，以及将控制信号以红外线的形式传到红外线接收部202的红外线发射部208、209。

电动吸尘器主体201，如图7所示，由下盖301，上盖302以及集尘盖303构成外廓。在集尘盖303中形成吸尘口304，在其内侧形成容纳与上述吸尘口304连接的集尘袋305的集尘室306。在集尘室306的后面是由下盖301与上盖302形成的电动鼓风机室307，在该电动鼓风机室307中容纳了电动鼓风机308。该电动鼓风机308的吸气侧通过辅助过滤器309与集尘室306连通。电动鼓风机308的排气侧通过排气室与排气过滤器从排气口310向外部开放。

下面，参照图1对电动鼓风机308进行详细说明。

该电动鼓风机室308可分为鼓风机1与电机2。鼓风机1由离心叶轮12，以及从两侧夹持该离心叶轮12、将其容纳的风扇罩13与扩压器10构成。

电机2由电机罩3与轴端托架9构成的机罩、有容纳在该机罩内的转轴4的转子5、以及装着定子线圈6的定子7构成。电机罩3，在其开放端形成设有窄凸缘部3a的深杯状，在其端面的中央部形成的轴承保持部3b上设有支承上述转轴4一端的轴承8a。在该电机罩3端面部一侧的外周部形成排气口3c。该电机罩3端开放一侧与轴端托架9结合，通过该轴端托架9，该电机2与上述鼓风机1相接。

轴端托架9，由在其中央部形成轴承保持部9a的端面部与在其开放端设有宽凸缘部9b的筒状外周部构成浅杯状，在外周部形成将从鼓风机1出来的空气引入电机2内的吸气口9c。在轴承保持部9a设有支承转轴4另一端的轴承8b。

在该轴端托架9的外侧，设置了与吸气口9c相连的扩压器10，在其上游侧设置了用螺栓11固定于转轴4的端部的离心叶轮12。扩压器10与离心叶轮12覆盖着以与轴端托架9的凸缘部9b外周密封连接方式压入固定的风扇罩13。

在风扇罩13的中央，即位于轴芯附近的吸气口13b设有引导从该吸气口13b的上游向下游流动的空气顺利地吸入离心叶轮12的气流导流器13a。该气流导流器13a的截面形状形成圆弧形，在圆弧的内侧装有与上述离心叶轮12的侧板中央部形成的入口部滑动接触的密封部件14，使吸气口保持气密。

该气流导流器13a，可减少随电动吸尘器的大型化、风量增加而产生的、因如图7所示的位于离心叶轮12的吸气口13b的上游的辅助过滤器309和保护装置(图中未表示出)等的影响造成的气流紊乱和剥离，避免了吸入效率的降低。

扩压器10具有在离心叶轮12的外周侧延长部分形成的17枚扩压扇翼10a，以及在其背面形成的回流通道10b，回流通道10b与轴端托架9一起引导空气流至上述吸气口9c，形成回流通路。

下面，对电动鼓风机308内的空气流进行说明。电机2被驱动后，离心叶轮12转动，空气从吸气口13b流入风扇罩13内。这时，气流导流器13a对流入离心叶轮12的空气流进行整流。从离心叶轮12排出的空气流从扩压扇翼10a之间通过，在扩压器10的外周与风扇罩13的内周之间的环状间隙内转向180°，然后，在通过回流通道10b之后，通过吸气口9c被引入电机罩3内。被引入电机罩3内的空气冷却了转子5，同时通过定子7与电机罩3的里面形成空气通道，冷却定子线圈6，从排气口3c排向外部。

图8详细地表示了上述离心叶轮12的形状。该离心叶轮12由6片叶片17在侧板18与主板19之间呈放射状配置构成。在各叶片17的两侧，形成与侧板18及主板19结合的卡爪，上述卡爪嵌合于侧板18与主板19上所设的孔中，并加固，使其分别结合在一起。在侧板18的中央部开口的入口18a由圆滑口向上延伸的入口部18b形成，W使其与由上述气流导流器13a形成的吸气口13b上所设的上述密封部件14滑动接触。这样的离心叶轮12之所以能提高效率，重要的原因是因为使吸入的空气顺畅地、不产生损失地流动，对此后面再进行详细说明。

现在回到图3、图4对采用上述构成的电动鼓风机的电动吸尘器的实施例进行详细说明。首先，图3中表示了根据本实施例的对于不同的转速的电机2的效率，鼓风机1的效率，以及两者的乘积，即电动鼓风机308的效率的计算结果。

如图3所示，电机效率与鼓风机效率的乘积，即电动鼓风机的效率大约在45000rpm时为峰值，在大约40000-50000rpm的范围内效率超过50％。因此，为了获得最大的电动鼓风机效率，即最大的吸入效率，电动鼓风机的转速应当设定在40000-50000rpm。

在考虑到为降低离心叶轮12的圆盘摩擦损耗而进行的小径化以及必要输出特性的情况下，适合的外径，如图3所示，80-100mm时效率最高。因此，根据上述情况，为了得到组装好的电动鼓风机的最大效率，适合的指标为40000-50000rpm，离心叶轮12的外径为80-100mm。

所以，叶轮外径可以缩小，这样，吸尘器主体可以小型、轻巧化。因为实现了轻巧化，搬运就容易了，操作性得到提高。

图4根据上述结果，表示了不同转数的比速和叶轮外周出口宽度与叶轮外径比的关系。适合的指标40000-50000rpm的比速(Ns＝(N·Q^0.5·H^-0.75))为140至180的范围，这时叶轮外周出口宽度与叶轮外径的比为0.085至0.133的范围。通过上述设定，电动鼓风机的排气流量系数(φe＝Q/(π·D₂·b₂·u₂))在0.03至0.05的范围内，电动鼓风机的效率达到50％以上。

离心叶轮2以40000-50000rpm的转速转动时，如上所述，随着叶轮外径的小径化至80-100mm的程度，就有必要进行图8所示的叶轮入口面积的最佳化。研究的结果表明，以该离心叶轮12的吸气侧的侧板18的入口18a的直径尺寸为D₀时的入口面积S₀(＝πD₀ ²/4)，与以连接各叶片17的叶片中央部前端17a的假设圆环的直径(叶片的入口直径)尺寸为D₁时的叶片的入口面积S₁(＝πD₁·b₁)的入口面积比S₁/S₀，最好是在1.0至1.4的范围内。

这就是说，入口面积比S₁/S₀超过1.4时，相对于入口面积S₀的叶片的入口面积S₁过大，从入口吸入的空气流从离心叶轮12的中心部向外周部，流到叶片17的叶片中央部前端17a时，流路中的减速过快，气流被剥离，产生紊乱，噪音很大，叶轮内损失增大，效率降低。

另一方面，入口面积比S₁/S₀低于1.0时，叶片的入口面积S₁相对于入口面积S₀过小，从入口吸入的空气流，从离心叶轮12的中心部向外周部流到叶片17的翼中央部前端17a时，流速激增，空气过量地吸入，从而摩擦损耗、冲突引起的损失增大，效率降低。

为供参考，已有的入口面积比S₁/S₀为1.58-1.63的范围，本发明这样的范围的面积比尚未为作为电动吸尘器的电动鼓风机所采用过。

换言之，电动吸尘器只要装有使入口面积比S₁/S₀设定在1.0至1.4的范围内的离心叶轮以40000-50000rpm的转速转动的电机的电动鼓风机，该电动鼓风机的效率可以达到50％以上，电动吸尘器可以实现小型、轻巧化，输出功率可以提高。

图5表示了本发明的实施例的电动吸尘器的实验结果与已有的产品的比较。该图表示了电动鼓风机的空气动力特性，横轴表示排气流量系数，纵轴表示压力系数与电动鼓风机效率以及比速。

本实施例的离心叶轮，外径尺寸D₂＝φ95mm，外周出口宽度b₂＝8.1mm，叶片入口直径尺寸D₁＝φ36.7mm，叶片17的数目为6枚。叶轮的外周出口宽度b₂与叶轮外径尺寸D₂的比为0.085，入口面积比S₁/S₀为1.2。已有的离心叶轮，外径尺寸D₂＝φ110mm，外周出口宽度b₂＝7.0mm，叶片入口直径尺寸D₁＝φ42.5mm，叶片17的数目为6枚。叶轮的外周出口宽度与叶轮外径尺寸的比为0.064，入口面积比为1.58。

本实施例消耗的电力为1000W，表示最大吸入效率的动作风量约为1.4(m³/min)，仍在消耗的电力为1000W级的一般家庭用吸尘器的风量范围在1.0-1.5(m³/min)之内。

排气流量系数大约在0.045左右。在这点附近的比速从已有的产品的约135增加到本发明的范围的150，随之电动鼓风机的效率也从46％提高到50％，提高4个百分点。由于效率的提高，风扇的输出功率提高了，吸入效率大约提高了40W。也就是说，这证明了上述图3、图4的以适合的指标算出的结果是正确的。

如上所述，根据本发明的上述的实施例，电动鼓风机的效率可以提高到50％以上，电动吸尘器的吸入效率可以得到提高。由于叶轮外径实现了小径化，所以电动鼓风机变得小型了。

这样，电动吸尘器主体可实现小型、轻巧化，工作性能得到提高。

Claims (6)

1  一种电动吸尘器，在该电动吸尘器的主体内设有包括电机和离心叶轮的电动鼓风机，其特征在于：上述电动鼓风机，在该电动鼓风机的用公式(1)求出的排气流量系数φe为0.03到0.05的范围内时，该电动鼓风机的用公式(2)求出的比速Ns设定在140到180的范围内，

φe＝Q/(π·D₂·b₂·u₂)    (1)

Ns＝(N·Q^0.5·H^-0.75)     (2)

其中Q：风量(m³/min)、D₂：离心叶轮的外径(m)、

b₂：离心叶轮的出口宽度(m)、u₂：叶轮外周的圆周速度(m/min)

N：转速(rpm)、H：压力头(m)。

2  一种电动吸尘器，在该电动吸尘器的主体内设有包括电机和离心叶轮的电动鼓风机，其特征在于：该电动鼓风机的最大风量档的消耗电力约1KW，上述电动鼓风机，在该电动鼓风机的用公式(1)求出的排气流量系数φe为0.03到0.05的范围内时，该电动鼓风机的用公式(2)求出的比速Ns设定在140到180的范围内，

φe＝Q/(π·D₂·b₂·u₂)    (1)

 Ns＝(N·Q^0.5·H^-0.75)     (2)

其中Q：风量(m³/min)、D₂：离心叶轮的外径(m)、

b₂：离心叶轮的出口宽度(m)、u₂：叶轮外周的圆周速度(m/min)

N：转速(rpm)、H：压力头(m)。

3  根据权利要求1或2所述的电动吸尘器，其特征在于：上述离心叶轮的叶轮外周出口宽度b₂与叶轮外径D₂的比设定在0.085至0.133的范围内。

4  根据权利要求1或2所述的电动吸尘器，其特征在于：上述离心叶轮的连接叶片中央部前端的假设圆环的叶片入口面积S₁与该离心叶轮的入口面积S₀的比S₁/S₀设定在1.0至1.4的范围内。

5  一种电动吸尘器，其特征在于：具有电动鼓风机，该电动鼓风机包括离心叶轮和电机，该叶轮的连接叶片中央部前端的假设圆环的叶片入口面积S₁与该离心叶轮的入口面积S₀的比S₁/S₀设定在1.0至1.4的范围内，上述电机使该离心叶轮以40000-50000rpm的转速转动。

6  根据权利要求1至权利要求5中任何一项的电动吸尘器，其特征在于：容纳上述离心叶轮的风扇罩在位于该电扇罩的轴心的附近的吸气口上具有能让从该吸气口的上游向下游流动的空气顺畅地吸入上述离心叶轮的、引导该空气的气流导流器。

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