JP2001050194A - 電動送風機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】低コストで高効率・低騒音な遠心型羽根車を有
する電動送風機及びそれを搭載した電気掃除機を提供す
る。 【解決手段】遠心羽根車において、ホーン型の形状を持
つネジ部材４４を用いて羽根車を回転軸と締結し、かつ
ネジ部材４４によって決定される入口曲がり部の流路断
面積絞り率が流路後半ほど大きくなるようにする。 【効果】流れが剥離しやすくなる曲がり流路後半で流れ
を効果的に絞り、境界層の発達を抑制し流体損失、騒音
を低減する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は電気掃除機に係り、
特に、高効率な遠心型電動送風機を実現するために、送
風機羽根車の入口曲がり流路の構成および羽根車の軸へ
の締結方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の遠心型の羽根車においては、軸方
向に流入した流れが径方向へと転向されてから流出され
る。ほぼ９０°に近い流れの転向を伴う入口の曲がり部
においては、子午面内の流速に大きなスパン方向分布が
ついたり、境界層が成長したりする。このために、曲が
りのないダクト流と比較してより多くの流体損失が発生
する。この曲がりの損失を低減し高効率な羽根車を提供
するために、従来は主として以下のような２つの方法で
対応されてきた。

【０００３】一つ目は流体機械において一般的に考えら
れている方法で、羽根車入口曲がり部の流路断面積を絞
ること、もしくは拡大を小さく抑えることである。羽根
車の目玉部流路断面積に対して、羽根前縁部の流路断面
積をより小さくすることで流路を絞り、入口曲がり流れ
を平均的に加速流とし、境界層の発達を抑制し損失低減
を狙ったものである。さらには目玉部と羽根前縁のみで
なく、途中の流路断面積についても単調に減少するよう
にして、曲がり流路の至るところで絞り状態が継続され
るようにするために、シュラウド面やハブ面の形状を制
御して子午面形状を設計する場合もある。

【０００４】二つ目は特開平８−２４７０９２号公報に
見られるように、インデューサを取り付ける方法であ
る。インデューサを入口曲がり部に取り付けることによ
り、境界層などの低エネルギ部に羽根からエネルギを注
入できる。従って、過度な境界層の発達を抑制して損失
を低減することができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来手
法には次のような問題点がある。

【０００６】一つ目の流路断面積を絞る方法では、直線
的流路の絞りを前提としており、流れの転向の影響が考
慮されていない。即ち曲がり流路の流速変化は流れにか
かる遠心力を変化させるが、この遠心力の影響が考慮に
入れられていない。ここでいう遠心力とは、回転軸に垂
直な径方向の遠心力ではなく、入口曲がり流路における
流れの転向に伴う遠心力で、曲がる流れを外向きに追い
やる方向に働くものを指している。流路断面積を単調に
減少させた場合、曲がり流路の後半ほど流速が大きくな
るために曲がりの遠心力も大きくなる側面があり、流れ
が剥れやすくなることが考えられる。従って、曲がり流
路全体としての絞り比が同じ場合には、流速が上がって
遠心力の強い所ほど、絞りを強くして境界層の発達を抑
制する必要が出てくる。この意味で、流路断面積変化の
みでなく流路断面積変化率を制御する必要がある。

【０００７】二つ目のインデューサの場合は、製作上の
問題と、付加的に発生する損失の問題がある。インデュ
ーサを取り付ける場合は、羽根車構造が３次元的で複雑
になるので製作が難しいばかりでなく、コストがかか
る。また、インデューサを加えると断面積の小さい入口
曲がり流路に羽根を追加することになるので、入口での
流路断面積が小さくなり、流速が増大して摩擦損失が増
加する。逆に摩擦損失増加を抑えるために羽根枚数を減
らすと、羽根の後半で翼間が開き２次流れを誘引して負
荷損失が増大するというトレードオフの関係となる。従
って、電気掃除機のような家庭電化製品においては対コ
スト効果の小さい手法といえる。

【０００８】本発明は、以上のような問題を踏まえ、低
コストでありながら高効率な羽根車を提供するための、
羽根車入口曲がり部の構成について提案するものであ
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の電動送風機の羽根車の特徴とするところ
は、電動機と、その回転軸に直結された気流発生用の遠
心羽根車と、その羽根車を内包するファンケーシングと
を有し、少なくとも側面の一部を凹面にて構成されるホ
ーン型の形状を有するネジ部材によって、遠心羽根車を
回転軸に締結することにある。但し、このネジ部材は入
口曲がり部の流路断面積の絞り率が流路後半ほど大きく
なるような形状としてある。

【００１０】また、ホーン型部材の外径が羽根車の目玉
径より小さく、かつ羽根前縁の最小径が羽根車の目玉径
よりも大きく設定されている構成でもよい。

【００１１】また、ホーン型部材自身はネジを持たず
に、別のネジ部材によって挟まれるようにして回転軸に
締結されてもよい。

【００１２】また、ホーン型形状はハブ面と一体の構造
として成形されてもよい。

【００１３】また、ホーン型形状の部材は外部の非回転
部から羽根車目玉部へと挿入されることによって実現さ
れてもよい。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施例に係る電
動送風機及びそれを搭載した電気掃除機について、図を
用いて説明する。

【００１５】まず、図２に本発明を適用した電気掃除機
本体の断面図を示す。

【００１６】電気掃除機本体２０１は、下ケース３０１
と、上ケース３０２及び集塵蓋３０３により、外郭が構
成される。集塵蓋３０３には、吸込口３０４が形成さ
れ、その内側には、前記吸込口３０４に接合される集塵
袋３０５を収納する集塵室３０６が形成されている。集
塵室３０６の後方には、フィルタ３０９を介して、電動
送風機室３０７が接続し、電動送風機３０８が収納され
ている。

【００１７】吸込口３０４から吸い込まれた空気は、集
塵袋３０５にて粉塵を取り除かれ、フィルタ３０９を通
過した後、電動送風機３０８に流入する。電動送風機３
０８からの排気は、排気口３１０から外部に放出され
る。

【００１８】図３に本発明の電動送風機の断面図を示
す。

【００１９】電気掃除機用の電動送風機３０８は、電動
機２と送風機１から構成されている。電動機２は、ハウ
ジング３およびエンドブラケット９からなる電動機ケー
スと、前記電動機ケースに収納される回転軸４を有する
ロータ５及び、ステータコイル６が巻装されたステータ
７から構成されている。

【００２０】送風機１は、回転軸４に直結された遠心羽
根車１２と、遠心羽根車１２の外周側に設置されたディ
フューザ１１と、ディフューザ１１の背面に位置するリ
ターンガイド１４と、遠心羽根車１２と、ディフューザ
１１と、リターンガイド１４とを内包し、空気吸込口１
３ｂを持ち、電動機ケースに接続される送風機ケース１
３とから構成されている。

【００２１】電動機２を駆動して遠心羽根車１２を回転
させると、空気吸込口１３ｂから流入した空気１０１
は、遠心羽根車１２の外周部に近接するディフューザ１
１に流入する。ディフューザ１１に流入した空気１０２
は、リターンガイド１４に導かれ、ハウジング３に流入
する。ハウジング３に流入した空気１０４は、電動機２
のロータ５及びステータコイル６、ブラシ１５の冷却を
行った後、外部に排出される。

【００２２】図１に本発明の一実施例の電動送風機の羽
根車の断面を示す。

【００２３】図に示すように、本発明の羽根車１２は、
絞られて成形されたシュラウド板４０と、円盤状のハブ
板４１と羽根４２とから形成されている。この羽根車１
２ではハブ板４１の中心には回転軸を挿入する穴があい
ている。回転軸４と羽根車を締結するためのネジ部材と
して、側面の少なくとも一部を凹面４５とするようなホ
ーン型の形状を持つネジ部材４４を用いている。

【００２４】図４に羽根車の形状を説明するための断面
形状を示す。図４はネジ部材４４を用いることで形成さ
れる子午面流路の流路断面積変化についての定義を示し
たものである。

【００２５】ネジ部材４４の先端部５０を点Ａ、羽根前
縁ハブ側５１を点Ｃ、点Ａと点Ｃの間の流路の一位置５
２を点Ｂとする。点Ａ、Ｂ、Ｃのそれぞれの位置におい
て、ハブ面５３に接し、かつシュラウド面５４に接する
ような内接円５５を描く。その場合に、それぞれの内接
円の半径をｒａ、ｒｂ、ｒｃ、内接円中心と回転軸の距
離をＲａ、Ｒｂ、Ｒｃとする。さらに、点Ａ、Ｂのそれ
ぞれを含む内接円の中心間距離をＬａｂとし、同様に点
Ｂ、Ｃのそれぞれを含む内接円の中心間距離をＬｂｃと
する。点Ａ、点Ｂ、点Ｃにおける流路断面積は、例えば
点Ａでは、2×π×Ｒａ×2×ｒａで近似できる。本発明
では、羽根車の目玉部５９から羽根前縁５６に至るまで
の曲がり流路５７の流路断面積が徐々に絞られ、かつそ
の流れ方向に対する絞り率が曲がり後半になるほど大き
くなるようにする。これを図５を用いて説明する。

【００２６】図５は横軸に流れ方向距離（流路長さ）
を、縦軸に流路断面積をとったものである。すなわち、
流路断面積が単調に減少しつつ、かつ流路断面積変化を
示す曲線が上に凸な形状したものである。即ち、点Ａか
ら点Ｃへ単調に流路断面積を絞った場合の点Ｂ’におけ
る面積(Ｒａ×ｒａ×Ｌｂｃ＋Ｒｃ×ｒｃ×Ｌａｂ)/(Ｌ
ａｂ＋Ｌｂｃ)よりも実際の断面積Ｒｂ×ｒｂ(点Ｂ)が
大きくなるようにすることで、 Ｒｂ×ｒｂ>(Ｒａ×ｒａ×Ｌｂｃ＋Ｒｃ×ｒｃ×Ｌａ
ｂ)/(Ｌａｂ＋Ｌｂｃ) と表される。

【００２７】実際の製品においては製作加工上のばらつ
きがあるため、図５のグラフのようにきれいな曲線には
ならないが、本発明では平均的な挙動が上に凸な形状を
持つこととする。

【００２８】遠心羽根車の入口曲がり流路では、流れが
曲がりの遠心力を受け、それを打ち消すように流体にス
パン方向に静圧勾配が発生している。曲率半径が同じ場
合、遠心力は流速の２乗に比例して大きくなるため、曲
がり流路全体で断面積を絞る場合には、流路後半ほど流
速が大きくなり遠心力が増大する。従って、流路後半ほ
ど境界層が発達し、流れはシュラウド壁面から剥がれ易
くなる。特に曲がり流路の最後に羽根があるので、ブロ
ッケージにより局所的な強い逆圧力勾配が生じ特に剥が
れ易くなる。従って、流路後半では境界層を薄くし、主
流は十分な流速を持つ方がよい。この理由は、境界層が
厚くなると流れが剥離して損失が増大するばかりでな
く、通常、羽根前縁角度は、主流の流れ角に合致するよ
うに設計されているが、その角度に流れが合致しない領
域が増えることになり、さらなる損失を生んだり、乱れ
を生じて騒音を増大させるからである。

【００２９】本実施例の形状を有するネジ部材を用いれ
ば、曲がり流路後半ほど断面積絞り率を大きくしている
ので後半ほど強い加速流となり、境界層の発達を効果的
に抑制し低損失化を実現できる。また、このような面積
変化を実現するためにネジ部材は末広がりな形状とり、
ネジの締め付け面積を十分に確保できるので、別部品と
しての座金や抑え板は必要ではなくなる。これにより部
品点数を削減できる。

【００３０】掃除機の電動送風機では、通常電動機に整
流子モータを用いている。しかし、整流子部では、ブラ
シの摩擦による発熱が大きいため、これを効果的に冷却
することがモータ寿命を伸ばすうえで重要である。従来
電動機の冷却は、送風機からの空気流を用いている。こ
のため、前述形状の部材を用いることで、整流子から回
転軸へと伝わる熱を、より広い表面積で放熱できるため
冷却効率が増す効果もある。

【００３１】図４、図５で示すような面積変化は、凹面
を持つホーン型形状を用いたとき、ネジ部材の最大外径
部を羽根車の目玉径（吸込口の径）よりも小さくし、か
つ羽根前縁の平均径を目玉部の径よりも大きくすること
によっても近似的に達成できる。この理由は、目玉径よ
りもネジ部材の外径を大きくすると、相対的に羽根前縁
近くの流路断面積が減少することになり、流路後半の面
積の絞りが弱くなってしまうからである。またネジ部材
の最大外径を羽根車目玉径よりも小さくし、逆に羽根車
前縁平均径を目玉径よりも大きくすることで、ネジ部材
外径位置から羽根前縁に至るまでの距離を確保すること
ができ、流れを整流できることで優れている。また、製
作上の問題からネジ部材の外縁はシャープエッジにでき
ないため、多少なりともハブ面と間に段差が生れ乱れが
発生する。しかし、上記したように距離を確保すること
で乱れを減衰させることができる。さらに、このような
寸法関係にすることによって、ネジ部材の取り付け、取
り外しがいつでも可能で、整備性を確保できる点も利点
である。

【００３２】図６は本発明の効果について示したもの
で、同一の羽根車に対して入口曲がり部の形状のみを変
更させた場合について比較した結果である。グラフの横
軸は風量、縦軸は送風機効率を示している。

【００３３】図において、ホーン形状のネジ部材を用い
ない場合(ナット絞め)よりも、流路断面積をほぼ一様に
絞る場合の方が効率が良い。しかし、本発明のように、
流路断面積変化を後半ほどきつくした場合が最も良い効
率を示している。これらのケースおのおので羽根車とし
ての動作点に違いは無いことから、本発明が入口曲がり
部の損失を有効に低減していることが判明した。

【００３４】図７は、本発明の他の実施例を示したもの
である。図１、図４に示した形状と略同じホーン型の部
材６０を用いている。本実施例では、ホーン型の部材に
ネジを切るのではなく、部材６０の中心は貫通孔６１を
設け、その孔に軸が通されるようして、ホーン型の部材
６０とは別に用意されたナット６２により、軸側に固定
されようにしたものである。本構成によっても流路後半
を重点的に絞り、流体損失を小さくすることができる。
尚、入口曲がり流れにおいては断面積の絞りは後半ほど
重要になるため、前半部はこのようにナット６２があっ
てもそれほど損失増加はない。本実施例では、従来通り
ナットを用いた軸締結を行うため、生産設備は従来のも
のを使用できる利点がある。さらにまたホーン型の部材
６０の内部を中空にすることによって、部材全体に弾性
を持たせ、ばね座と座金の働きを兼ねるようにすること
ができる。このため、ばね座と座金を省略することが可
能となり、従来よりも材料費はかかるが部品点数を低減
できる。しかも本構成にすれば、軸締結に伴う締め付け
応力を分散でき、ハブ面への応力集中を避けられる。

【００３５】図８は、本発明の他の実施例を示したもの
である。図１、図４に示されるようなホーン型の形状７
０をハブ面７１と一体に成形したものである。この場合
には、ホーン型の形状７０部にネジ７２が切られる。本
構成によっても流路絞りを後半重点型にすることがで
き、効率向上が得られる。図にはホーン型の形状７０の
エッジに段差を設けているが、一体成形で作る場合、こ
のエッジをなくすことも可能であり、さらに損失低減が
期待できる。また、ハブ面を一体化することによって、
部品点数を最小にすることができる。さらに、回転軸を
伝わってくるモータブラシ部からの熱の放熱する面積
を、ハブ面の全表面積として大きくできるので、電動機
の寿命を伸ばすことが可能である。

【００３６】図９は、本発明の他の実施例を示したもの
である。図１、図４に示されるようなホーン形状の部材
８０を、非回転部から支え８１を介して羽根車の目玉部
８２を通して挿入する形で曲がり流路の絞りを実現して
いる例である。本構成でも流路後半を重点的に絞る構造
を実現でき、効率向上が可能である。しかも部材８０が
静止しているため、ハブ面側の流れに旋回成分が与えら
れることが無く、空気流のねじれ境界層の発達を抑制で
き、後方の羽根前縁とのマッチングがよくなる。また、
位置制御としては難しいが、静止部材８０の軸方向位置
を可変にすることによって流量を調節したり、部材８０
に回転運動を与えることで入口曲がり流れに予旋回を与
えて、羽根車のヘッドを調節したりすることが可能にな
る。

【００３７】本発明の構成の電動送風機は電気掃除機用
の電動送風機に限らず、一般の遠心型流体機械について
も適用できるものである。

【００３８】

【発明の効果】本発明によれば、遠心型羽根車の入口曲
がり流路において、流路断面積を後半ほど大きく絞るこ
とにより、流速の上がる後半部での境界層の成長を抑制
することが可能になり、曲がり部の流体損失を低減でき
る。この手法は低コストで実現できる。

【００３９】また境界層を薄く抑制することで、羽根入
口角とマッチングが取れるとともに乱れを小さくするこ
とができ低騒音な羽根車を提供できる。

【００４０】さらにホーン型のネジ部材はすそ野が大き
いので、軸締結時の抑えの面積を大きくとることがで
き、ナット等で固定する場合に必要な抑え板を不要にす
る。

【００４１】また、表面積の大きなネジ部材の構成とな
るため、ブラシでの発熱を軸を介して効果的に放熱でき
るので、モータ寿命を伸ばすことができる。

【図面の簡単な説明】

【図1】本発明の一実施の形態例に係る電動送風機羽根
車の縦断面図である。

【図２】本発明の羽根車を有する電動送風機の縦断面図
である。

【図３】本発明の羽根車を有する電動送風機を配した電
気掃除機の縦断面図である。

【図４】本発明の提案する羽根車入口曲がり部の形状定
義を示す。

【図５】本発明の提案する羽根車入口曲がり部の流路断
面積変化を示した図である。

【図６】本発明の効果を示すグラフである。

【図７】本発明の提案する羽根車入口曲がり流路の他の
実施例を示したものである。

【図８】本発明の提案する羽根車入口曲がり流路の他の
実施例を示したものである。

【図９】本発明の提案する羽根車入口曲がり流路の他の
実施例を示したものである。

【符号の説明】

１…送風機、２…電動機、３…ハウジング、３c…排気
口、４…回転軸、５…ロータ、６…ステータコイル、７
…ステータ、９…エンドブラケット、１０…静止流路
部、１１…ディフューザ、１２…回転羽根車、１３…送
風機ケース、１３a…気流ガイド、１３b…空気吸込口、
１４…リターンガイド、１５…ブラシ、３０…排気口、
４０…シュラウド板、４１…ハブ板、４２…羽根、４３
…回転軸穴、４４…ネジ部材、４５…凹面、５０…ネジ
部材先端部、５１…ハブ面側羽根前縁、５２…ハブ面上
の一点、５３…ハブ面、５４…シュラウド面、５５…子
午面内接円、５６…羽根前縁、５７…羽根入口曲がり流
路、５８…曲がり流路後半部、５９…目玉部、６０…部
材、６１…回転軸用穴、６２…ナット、７０…部材、７
１…一体成形ハブ、７２…ネジ、８０…部材、８１…挿
入支え、８２…目玉部、１０１… 吸い込み空気、１０
２…ディフューザ流入空気、１０４…ハウジング流入空
気、２０１…掃除機本体縦断面図、３０１…電気掃除機
本体の下ケース、３０２…電気掃除機本体の上ケース、
３０３…集塵蓋、３０４…吸込口、３０５…集塵袋、３
０６…集塵室、３０７…電動送風機室、３０８…電動送
風機、３０９…集塵用フィルタ、３１０…排気口。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 常楽 文夫 茨城県日立市東多賀町一丁目１番１号 株 式会社日立製作所電化機器事業部内 (72)発明者 原田 秀行 茨城県日立市東多賀町一丁目１番１号 株 式会社日立製作所電化機器事業部内 (72)発明者 田中 定司 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 Ｆターム(参考） 3B006 FA02 3H033 AA02 AA13 BB02 BB06 BB20 CC01 DD03 DD13 DD30 EE02 EE05 EE06 EE08 EE11

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電動機と、該電動機の回転軸に直結された
   気流発生用の遠心羽根車と、該遠心羽根車を内包するフ
   ァンケーシングとを有する電動送風機において、 前記回転軸を含む子午面断面で見て少なくとも側面の一
   部が凹面にて構成されるホーン型のネジ部材によって、
   前記遠心羽根車を前記回転軸に締結することを特徴とす
   る電動送風機。
2. 【請求項２】電動機と、該電動機の回転軸に直結された
   気流発生用の遠心羽根車と、該遠心羽根車を内包するフ
   ァンケーシングとを有する電動送風機において、 遠心羽根車の入口曲がり流路子午面断面において、ネジ
   部材の先端部を点Ａ、ハブ側羽根前縁部を点Ｃ、ＡとＣ
   の間のハブ面流路の一部所を点Ｂとするとき、点Ａ、
   Ｂ、Ｃを通過し、シュラウド面とハブ面に接する内接円
   の半径をそれぞれｒａ、ａｂ、ｒｃとし、当該内接円の
   中心と前記回転軸との距離をそれぞれＲａ、Ｒｂ、Ｒｃ
   とし、内接円ＡとＢ、ＢとＣの中心間距離をそれぞれＬ
   ａｂ、Ｌｂｃとするとき、次式 Ｒｂ×ｒｂ>(Ｒａ×ｒａ×Ｌｂｃ＋Ｒｃ×ｒｃ×Ｌａ
   ｂ)/(Ｌａｂ＋Ｌｂｃ) を満たすような形状のホーン型部材を配することを特徴
   とする電動送風機。
3. 【請求項３】電動機と、該電動機の回転軸に直結された
   気流発生用の遠心羽根車と、該遠心羽根車を内包するフ
   ァンケーシングとを有する電動送風機において、 前記回転軸を含む子午面断面で見て少なくとも側面の一
   部を凹面にて構成されるホーン型の形状を有するネジ部
   材を用いて、前記遠心羽根車を前記回転軸に締結し、前
   記ネジ部材の最外径は前記羽根車の入口径よりも小さ
   く、前記羽根車の羽根前縁の最内径は前記羽根車の入口
   径よりも大きいことを特徴とする電動送風機。
4. 【請求項４】電動機と、該電動機の回転軸に直結された
   気流発生用の遠心羽根車と、該遠心羽根車を内包するフ
   ァンケーシングとを有する電動送風機において、 前記遠心羽根車は、前記回転軸を含む子午面断面で見て
   少なくとも側面の一部を凹面にて構成されるホーン型の
   形状部材を有し、該部材は前記回転軸に回転自由なよう
   に取り付けられ、前記部材と前記遠心羽根車はナットに
   よって前記回転軸に締結されることを特徴とする電動送
   風機。
5. 【請求項５】請求項２記載の電動送風機において、 前記遠心羽根車のハブ面は、前記ホーン型の形状を持つ
   ように一体成形され、かつ前記ハブ面にネジ穴を有する
   ことを特徴とする電動送風機。
6. 【請求項６】電動機と、該電動機の回転軸に直結された
   気流発生用の遠心羽根車と、該遠心羽根車を内包するフ
   ァンケーシングとを有する電動送風機において、 前記回転軸を含む子午面断面で見て少なくとも側面の一
   部を凹面にて構成されるホーン型の部材を有し、前記羽
   根車の外部の静止した場所から静止したままの状態で前
   記部材は挿入されていることを特徴とした電動送風機。