ES2201781T3

ES2201781T3 - Aparato separador ciclonico.

Info

Publication number: ES2201781T3
Application number: ES99949264T
Authority: ES
Inventors: James Dyson; Simeon Charles Jupp; Andrew Macleod
Original assignee: Dyson Ltd
Current assignee: Dyson Ltd
Priority date: 1998-10-26
Filing date: 1999-10-20
Publication date: 2004-03-16
Anticipated expiration: 2019-10-20
Also published as: DE69909117D1; EP1124640B1; KR100597549B1; KR20010080209A; JP2002528250A; WO2000024519A1; JP4727042B2; GB9823418D0; EP1124640A1; US6482246B1; CN1113704C; AU6223299A; CN1324271A; ATE243565T1; ID29291A; MY119874A; DE69909117T2; AU743642B2

Abstract

Aparato separador ciclónico que comprende un ciclón conificado (60) que tiene un eje, un extremo mayor y un extremo menor, una entrada de fluido (66) y una salida de fluido (74) situadas en el extremo mayor del ciclón (60) estando situada la salida de fluido (74) coaxialmente con el ciclón (60), y un conducto de descarga tangencial (22) que comunica con la salida de fluido (74), caracterizado porque la distancia, medida paralelamente al eje, entre el conducto de descarga tangencial (22) y el extremo menor del ciclón (60) aumenta en la dirección aguas abajo del conducto de descarga tangencial (22).

Description

Aparato separador ciclónico.

La invención se refiere a un aparato separador ciclónico. Particularmente, aunque no exclusivamente, la invención se refiere a un aparato separador ciclónico destinado a usar con máquinas aspiradoras.

Ya se conocen los aparatos separadores ciclónicos en los que el material particulado es separado de un fluido, normalmente un gas, por medio de altas fuerzas centrífugas. Tal tipo de aparatos comprende un cuerpo de ciclón conificado que tiene una entrada para el fluido situada en el extremo mayor del cuerpo del ciclón y dispuesta para introducir el fluido en la superficie interior del cuerpo del ciclón de manera tangencial. El extremo menor de dicho cuerpo del ciclón está rodeado por un colector o, alternativamente, conduce a un salida de material particulado. Hay una salida para el fluido en forma de canalizador de vórtice que está situada en el centro del extremo mayor del cuerpo del ciclón. Durante el funcionamiento, la entrada del fluido introduce dicho fluido con el material particulado arrastrado por el mismo hacia el interior del cuerpo del ciclón de manera tangencial. La forma cónica del cuerpo del ciclón da lugar a que el fluido descienda aceleradamente por la longitud del cuerpo del ciclón, lo cual produce que el material particulado sea separado del fluido y recogido por el colector o, si conviene, que salga del aparato por la salida de material. El fluido forma un vórtice generalmente a lo largo del eje longitudinal del cuerpo de ciclón y sale del aparato a través del canalizador de vórtice por el centro del extremo mayor del cuerpo del ciclón.

Cuando el fluido saliente pasa por el canalizador de vórtice, el mismo gira con una gran velocidad angular. Si el conducto de descarga que proviene del canalizador de vórtice es lineal con respecto al mismo canalizador de vórtice (es decir, si el conducto tiene un eje central continuo con el eje central del canalizador de vórtice), entonces el fluido saliente continuará girando mientras el mismo corra a lo largo del conducto pero, definitivamente, se transformará en un flujo lineal y la energía cinética del flujo de fluido asociada con el movimiento giratorio se perderá, probablemente en forma de pérdidas por fricción. Se ha efectuado algún intento para recuperar alguna parte de la energía cinética del flujo que sale girando mediante el empleo de salidas de descarga tangenciales desde el canalizador de vórtice. La descarga se posiciona a fin de que sea tangencial a un lado del canalizador de vórtice para que el fluido giratorio entre en la descarga de manera lineal. En el artículo científico titulado "The Use of Tangencial Offtakes for Energy Savings in Process Industries" de T.O'Doherty, M. Biffin y N. Syred (Journal of Process Mechanical Enginering, Vol. 206, pag. 99ff) se ilustran y describen ejemplos de descargas tangenciales empleadas juntamente con los separadores ciclónicos. Las disposiciones ilustradas y descritas en este artículo intentan convertir alguna parte de la energía cinética del flujo de fluido en energía de presión. Sin embargo, la recuperación de presión no es del todo exitosa. Esto se debe en parte al hecho que el flujo de fluido que sale del separador ciclónico todavía necesita seguir un camino que contenga cambios pronunciados de dirección. En el artículo referido anteriormente, cada una de las descargas tangenciales está situada dentro de un plano horizontal que requiere que la componente de velocidad axial del fluido saliente gire con un ángulo de 90º en una corta distancia. Esto conlleva un flujo turbulento aguas abajo del canalizador de vórtice que lleva a una pérdida de energía del fluido.

Una de las aplicaciones de tales separadores está en las aspiradoras donde la suciedad y partículas de polvo son separadas de un flujo de aire dentro de la aspiradora a fin de que, cuando el aire sucio es arrastrado hacia la limpiadora, las partículas de suciedad y de polvo son separadas del flujo de aire y retenidas para su evacuación, mientras que el aire limpio es expulsado. Aspiradoras de este tipo se ilustran y describen en varias patentes publicadas anteriormente, tales como la EP 0 042 723, EP 0 636 338 y EP 0 134 654. La recuperación de una gran proporción de energía cinética del fluido que sale del aparato separador ciclónico supondría una aspiradora con un gran rendimiento y, por lo tanto, con un mejor nivel de funcionamiento.

Es un objetivo de la presente invención el proporcionar un aparato separador ciclónico en el que se recupera una mayor proporción de energía cinética del fluido saliente. Otro objetivo, además, de la presente invención es aportar un aparato separador ciclónico que, cuando se incorpora a una aspiradora, comporta un rendimiento de la aspiradora con una mayor eficiencia y/o un mejor funcionamiento.

La invención proporciona un aparato separador ciclónico que comprende un ciclón conificado que tiene un eje, un extremo mayor y un extremo menor, una entrada de fluido y una salida de fluido situadas en el extremo mayor del ciclón, estando situada la salida de fluido coaxialmente con el ciclón, y un conducto de descarga tangencial que comunica con la salida de fluido, en el que la distancia, medida paralelamente al eje, entre la descarga tangencial y el extremo menor del ciclón aumenta en dirección aguas abajo del conducto de descarga tangencial. Preferiblemente, dicho conducto de descarga tangencial sigue un camino sustancialmente helicoidal aguas abajo de la salida del fluido. Tal disposición permite que el fluido saliente del aparato separador se desvíe gradualmente con el ángulo requerido sin imponer cambios pronunciados de dirección. Esto reduce la cantidad de turbulencia inducida en el flujo de fluido en virtud del cambio de dirección y esto, a su vez, reduce la pérdida de energía por fricción.

El conducto de descarga tangencial tiene preferiblemente un eje central que está inclinado con un ángulo comprendido entre 35º y 70º, preferiblemente de 60º, con respecto al eje longitudinal del cuerpo del ciclón. Esta disposición desvía el fluido saliente con el ángulo requerido sin aumentar significantemente la posibilidad de que ocurra una separación a medida que el fluido pasa a través del conducto de descarga tangencial. Ello también permite que la energía cinética del fluido giratorio sea recuperada como energía de presión que, a su vez, comporta la aportación de un sistema altamente eficiente de separación de partículas de un fluido.

En una realización preferida, hay un cuerpo central que está situado en la salida del fluido, la cual consiste en un canalizador de vórtice. Luego, el conducto de descarga tangencial comunica con una cámara anular delimitada en el exterior por la salida de fluido y en el interior por el cuerpo central. La disposición de una cámara anular alrededor del cuerpo central asegura que todo el aire saliente esté alineado con el conducto de descarga tangencial de modo que la magnitud de turbulencia introducida en la entrada del conducto de descarga tangencial se mantenga en un mínimo.

A continuación se describirán unas realizaciones de la invención, sólo a título de ejemplo, haciendo referencia a los dibujos que se acompañan, en los que:

La figura 1 es una vista lateral de una aspiradora que incorpora un aparato separador ciclónico acorde con la invención;

La figura 2 es una vista de la aspiradora de la fig.1 tomada por la flecha A;

La figura 3 es una vista parcialmente seccionada de una parte de la aspiradora de la fig.1 que incluye el aparato separador ciclónico;

La figura 4 es una vista lateral de un conducto de descarga tangencial y de un cuerpo central que forma parte del aparato separador ciclónico de acuerdo con la invención; y

La figura 5 es una vista en planta del conducto de descarga tangencial y del cuerpo central de la fig.4.

El aparato separador ciclónico de acuerdo con la invención se puede incorporar con buenos resultados en una aspiradora. En las figuras 1 y 2 se ilustra una aspiradora que incorpora un aparato separador ciclónico acorde con la invención. La aspiradora 10 tiene un chasis 12 que soporta una unidad de motor y ventilador 14 y un aparato separador ciclónico 50. Hay unas ruedas de soporte 16 que están montadas en el chasis 12 hacia la parte posterior del mismo y una rueda orientable 18 que está dispuesta debajo del chasis 12 hacia la parte frontal del mismo para permitir que la aspiradora 10 se pueda maniobrar por la superficie a limpiar. La unidad de motor y ventilador 14 está dispuesta sustancialmente entre las ruedas de soporte 16 para dar a la aspiradora 10 un alto grado de maniobrabilidad.

El aparato separador ciclónico 50 está diseñado para efectuar la separación de las partículas de polvo y suciedad de un flujo de aire que es arrastrado hacia la aspiradora 10 por la unidad de motor y ventilador 14. Una manguera (no representada), que lleva un accesorio de suelo, está conectada con una entrada de aire 20 del aparato separador ciclónico 50 a fin de que el flujo de aire sucio pueda ser arrastrado hacia la máquina. El aire sucio pasa al aparato separador ciclónico 50 que funciona de manera conocida para extraer, inicialmente, las motas y suciedad grandes y, luego, las partículas de suciedad y de polvo más pequeñas del flujo de aire. El flujo de aire del que se ha extraído la suciedad y el polvo sale del aparato separador ciclónico 50 y luego pasa a la unidad de motor y ventilador 14 por medio de un conducto de descarga 22. El flujo de aire pasa a través del ventilador y alrededor del motor a fin de proporcionar un efecto refrigerante de manera conocida. En los alojamientos 24, 26 se pueden prever unos filtros pre y post-motor (no ilustrados) con el objeto de proteger el motor y de impedir que las partículas desprendidas de las escobillas del mismo motor sean liberadas a la atmósfera. El aire limpio es expulsado a la atmósfera por una salida de aire limpio 28.

Hay una tapa 30 que está incorporada articuladamente al chasis 12 alrededor de un gozne 32 para proporcionar el acceso al alojamiento 24 del filtro pre-motor a fin de que dicho filtro pre-motor se pueda reemplazar periódicamente. La tapa 30 también descubre el aparato separador ciclónico para permitir sacarlo del chasis 12 a efectos de vaciado como y cuando sea necesario. La tapa 30 incluye el conducto de descarga 22 y un asa de transporte 34.

Habiéndose descrito la estructura y funcionamiento básicos de la aspiradora 10, se describirá a continuación el aparato separador ciclónico 50 con mayor detalle, haciendo referencia a la figura 3. Se apreciará que el aparato separador en sí, o sea, la disposición del ciclón ya es conocida, pudiéndose encontrar detalles del mismo en el documento EP 0134 654B, inter alia. Esencialmente, el aparato separador ciclónico 50 comprende un ciclón exterior 52 y un ciclón interior 54. El ciclón exterior comprende un contenedor generalmente cilíndrico o recipiente 56 que tiene una pared lateral 56a, una base 56b y una entrada tangencial 58. El ciclón interior 54 comprende un cuerpo de ciclón troncocónico 60 pendiente de una superficie superior 62 del aparato separador 50. El ciclón interior 54 lleva una abertura del cono 64 en su extremo inferior y una entrada tangencial 66. Pendiente entre la pared lateral 56a del ciclón exterior 52 y el cuerpo del ciclón interior 60 hay una envolvente 68 de forma sustancialmente cilíndrica y que incluye una multiplicidad de perforaciones 70 dentro de una banda cilíndrica 68a de dicha envolvente 68. La envolvente 68 está soportada por medio de una brida 68a que se extiende entre dicha envolvente 68 y una porción superior del ciclón exterior 52. Tal envolvente 68 también está sellada con la superficie exterior del cuerpo del ciclón 60 por el extremo inferior de la misma envolvente 68. La parte superior del interior de la envolvente 68 comunica con la entrada tangencial 66. Debajo de la envolvente 68, hay un colector de polvo fino 72 que está situado de manera que rodea la abertura del cono 64. El colector de polvo fino 72 está sellado con la base 56b del contenedor 56 y también con cuerpo del ciclón 60, de modo que se forma un colector cerrado alrededor de la abertura del cono 64. Un canalizador cilíndrico de vórtice 74 está situado en el centro de la superficie superior 62 de modo que el mismo se extiende hacia el interior del ciclón interior 54 a lo largo del eje del cuerpo troncocónico 60 del ciclón.

Durante el uso, como se comprenderá por la técnica conocida, el aire sucio entra en el aparato separador ciclónico 50 por la entrada tangencial 58. La naturaleza tangencial de dicha entrada 58 obliga al aire entrante a seguir una trayectoria espiral con un movimiento turbulento alrededor de la superficie interior del contenedor 56, de modo que las partículas de suciedad y motas mayores se separan del flujo de aire y son recogidas en la zona inferior del contenedor 56 encima del colector de polvo fino 72. El flujo de aire se desplaza interiormente hacia la porción superior del colector de polvo fino 72 y luego avanza, todavía con turbulencia, hasta la superficie exterior de la envolvente 68. Luego el flujo de aire pasa por las perforaciones 70 de la envolvente 68 y después se introduce en el interior del ciclón interior 54 por medio de la entrada tangencial 66. La naturaleza tangencial de dicha entrada 66 obliga, también, al flujo de aire a seguir otra trayectoria espiral dentro del cuerpo 60 del ciclón. La forma troncocónica del cuerpo 60 del ciclón comporta que la velocidad del flujo de aire aumente a medida que desciende por el cuerpo 60 del ciclón y las altas velocidades alcanzadas por el flujo de aire permiten que las partículas muy pequeñas de suciedad y de polvo sean separadas del flujo de aire y recogidas en el colector de polvo fino 72. Entonces el flujo de aire limpio forma un vórtice sustancialmente a lo largo del eje longitudinal del cuerpo del ciclón 60 el cual sale del ciclón interior 54 por medio del canalizador de vórtice 74.

Como ya se ha enunciado, la construcción y funcionamiento de dicho aparato separador son bien conocidos y no hace falta describir otros detalles más precisos. La invención recae en el canalizador de vórtice 74 y en el conducto de descarga 22 situado inmediatamente aguas abajo de dicho canalizador de vórtice 74. La invención es, por lo tanto, aplicable a cualquier aparato separador ciclónico que tenga un cuerpo de ciclón troncocónico en el que se cree un vórtice y en el que el aire saliente se lleve fuera del aparato por medio de un canalizador de vórtice.

Como se puede ver en la figura 3, el canalizador de vórtice 74 es cilíndrico y pende de la superficie superior 62 hacia el ciclón inferior 54 por medio de una pared inclinada de soporte 62a. El canalizador de vórtice 74 también se extiende hacia arriba desde la pared de soporte 62a de modo que dicho canalizador de vórtice 74 termina en un nivel coplanario con la superficie superior 62, aunque esto no es crítico. Extendiéndose a lo largo del eje central del canalizador de vórtice 74 hay un cuerpo central 76 que es generalmente cilíndrico, aunque podría estar ligeramente conificado desde el extremo superior hacia el extremo inferior. El cuerpo central 76 tiene un extremo distal de forma semiesférica 76a que termina dentro del canalizador de vórtice 74 sin extenderse más allá del extremo inferior del mismo. Igualmente, esto tampoco es crítico. El canalizador de vórtice 74 comunica con una cámara 78 situada inmediatamente encima de dicho canalizador de vórtice 74 y en el extremo aguas arriba del conducto de descarga tangencial 22. La cámara tiene una pared exterior arqueada 80 que tiene una forma generalmente en forma de espiral, modo que la cámara 78 comunica con la descarga tangencial 22 a modo de voluta.

El cuerpo central 76 está formado integralmente con una porción de soporte 84 que está configurada para ajustar dentro del extremo superior de la cámara 78 y hacer tope contra el techo de la misma cámara 78. La porción de soporte 84 define el límite superior de la cámara 78 y provee, también, un soporte para el cuerpo central 76. La forma de la superficie inferior 86 de la porción de soporte 84 es, en general, helicoidal para formar una espiral con un área transversal aproximadamente constante y es contigua con el conducto de descarga tangencial 22. Dicho conducto de descarga tangencial 22 comunica con la cámara 78 a modo de voluta y luego sigue una trayectoria que aumenta de distancia a partir de la abertura del cono 64 en la dirección del flujo de aire. Visto en planta, el conducto de descarga tangencial 22 también está ligeramente arqueado según se puede apreciar en la figura 2. Después de una distancia predeterminada, la porción de conducto de descarga tangencial 22 cesa de aumentar en distancia desde la abertura del cono 64 y luego se dirige hacia el alojamiento 24 del filtro pre-motor. El conducto de descarga tangencial 22 desemboca en el alojamiento 24 por una entrada 88.

En las figuras 4 y 5 se ilustra por separado un conducto de descarga helicoidal 122 adecuado para usar con la aspiradora 10 de las figuras 1 y 2. También se ilustran la cámara 178 y el cuerpo central 176 que forman parte de la misma pieza constructiva. El cuerpo central 176 se proyecta a lo largo de un eje 200 que, en la práctica es coaxial con el eje del canalizador de vórtice 74 representado en la figura 3. Un collarín cilíndrico 190 rodea el cuerpo central 176 y lleva una junta 192 que, en la práctica, hace tope contra el labio superior del canalizador de vórtice 74 para formar un cierre estanco con el mismo. El collarín 190 se abre hacia la cámara 178 que, como se puede ver en la figura 5, es en forma de voluta a fin de permitir que el conducto de descarga tangencial 122 comunique con la cámara 178 en espiral. Luego, dicho conducto de descarga tangencial 122 abandona la cámara 178 con un ángulo agudo con respecto al eje 200 del cuerpo central. El conducto de descarga tangencial 122 tiene un eje central 202 que confluye con el eje 200 con un ángulo ideal de unos 60º, pero que puede variar entre 35º y 70º. La distancia (medida paralelamente al eje 200) entre el conducto de descarga tangencial 122 y el extremo semiesférico 176a del cuerpo central 176 aumenta con la distancia a lo largo del conducto de descarga tangencial 122. La forma arqueada del mismo conducto de descarga tangencial 122 se puede ver claramente en la figura 5. El extremo distal 122a del conducto 122 está configurado y dispuesto para comunicar directamente con el alojamiento 24 del filtro pre-motor (ver figura 1). Si se desea, se puede disponer una junta alrededor de la boca abierta del extremo distal 122a del conducto 122.

Cuando el fluido abandona el aparato separador ciclónico 50 ilustrado en la figura 3 por medio del canalizador de vórtice 74, el mismo gira con una gran velocidad anular. Dicha velocidad angular es todavía muy alta cuando el flujo de fluido entra en la cámara 78. Sin embargo, la conexión en espiral entre el conducto de descarga tangencial 22 y dicha cámara 78 permite que el fluido giratorio entre en el conducto de descarga 22 de manera tangencial y progrese a lo largo del mismo conducto de descarga 22 como un flujo lineal. La forma helicoidal de la superficie inferior 86 de la porción de soporte 84 guía el fluido giratorio hacia el extremo abierto del conducto de descarga tangencial 22. Además, debido a que el conducto de descarga tangencial 122 está inclinado con respecto al eje del canalizador de vórtice 74 y con ello aumenta en su distancia de la abertura del cono 64 en dirección aguas abajo, el flujo de fluido no es desviado con una curva pronunciada de 90º, lo que significa que se induce menos turbulencia en el fluido que la que habría en otro caso. La formación helicoidal del conducto de descarga 22 proporciona una trayectoria suave para el flujo que sale del aparato separador, de modo que de la energía cinética del fluido giratorio se recupera tanta energía de presión como es posible. Dicha recuperación de energía comporta un rendimiento mayor del conjunto del aparato.

Se apreciará que, en cualquier situación donde tenga lugar la separación en un ciclón con un canalizador de vórtice previsto a la salida del fluido, se puede aplicar una descarga tangencial helicoidal o inclinada. Más arriba se describió la aplicación a una aspiradora, pero la invención no debe considerarse como limitada a dicha aplicación. Se contemplan otras aplicaciones tales como otros tipos de sistemas de separación o filtraje para separar partículas de un fluido, por ejemplo, sistemas de escape de motores diesel y sistemas de acondicionamiento de aire.

Claims

1. Aparato separador ciclónico que comprende un ciclón conificado (60) que tiene un eje, un extremo mayor y un extremo menor, una entrada de fluido (66) y una salida de fluido (74) situadas en el extremo mayor del ciclón (60) estando situada la salida de fluido (74) coaxialmente con el ciclón (60), y un conducto de descarga tangencial (22) que comunica con la salida de fluido (74), caracterizado porque la distancia, medida paralelamente al eje, entre el conducto de descarga tangencial (22) y el extremo menor del ciclón (60) aumenta en la dirección aguas abajo del conducto de descarga tangencial (22).

2. Aparato separador ciclónico según se reivindica en la reivindicación 1, en el que el conducto de descarga tangencial (22) sigue una trayectoria sustancialmente helicoidal aguas debajo de la salida de fluido (74).

3. Aparato separador ciclónico según se reivindica en la reivindicación 2, en el que el conducto de descarga tangencial (22) está inclinado con un ángulo comprendido entre 35º y 70º con respecto al eje longitudinal del cuerpo del ciclón (60).

4. Aparato separador ciclónico según se reivindica en la reivindicación 3, en el que el conducto de descarga tangencial (22) tiene un eje central que está inclinado con un ángulo comprendido entre 50º y 65º con respecto al eje longitudinal del cuerpo del ciclón (60).

5. Aparato separador ciclónico según se reivindica en la reivindicación 4, en el que el eje central está inclinado con un ángulo sustancialmente de 60º con respecto al eje longitudinal del cuerpo del ciclón (60).

6. Aparato separador ciclónico según se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que la salida de fluido (74) consiste en un canalizador de vórtice.

7. Aparato separador ciclónico según se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que hay un cuerpo central (76) situado en la salida de fluido (74).

8. Aparato separador ciclónico según se reivindica en la reivindicación 7, en el que el conducto de descarga tangencial (22) comunica con una cámara anular (78) delimitada en el exterior por la salida de fluido (74) y en el interior por el cuerpo central (76).

9. Una aspiradora que incorpora un aparato separador ciclónico según se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones precedentes.

10. Una aspiradora según se reivindica en la reivindicación 9, en la que el aparato separador está adaptado para separar partículas de suciedad y de polvo de un flujo de aire.

11. Una aspiradora según se reivindica en la reivindicación 9 ó 10, en la que el conducto de descarga tangencial (22) comunica con un filtro pre-motor situado inmediatamente aguas arriba de una unidad de motor y ventilador (14).