JP2007054371A - 慣性力、遠心力、重力等の物理的な力により塵を分離する真空掃除機 - Google Patents

Abstract

【課題】真空掃除機に於いて慣性力、遠心力、重力等の物理的な力で塵を分離する。導入口から入る主流の流れに物理的な力を効果的に働かせ塵を分離する。物理的な力により塵が短い移動距離で短時間に主流の外に分離させる。塵を分離の後に塵分離部の出口を出る主流の流れに分離した塵を巻き込ませない。二つ以上の物理力の相乗効果を得る。
【解決手段】主流の流れに対し凸となる曲面の案内板に沿って主流を回転させる。主流の流れの流域幅を広げ遠心力の働く方向の厚さを薄くする事で短い移動距離で且つ短い時間で主流の流れの外に出す。主流の回転面を垂直下方向とし重力方向と一致させることで重力と遠心力の相乗効果を得る。除塵の後に塵分離部の出口を出る主流の流れとはく離領域の間に引き込み防止板を設けはく離領域を分離する。
【選択図】 図１

Description

真空掃除機に於いて、吸い込み口（省略）から吸引ホース（省略）を経て吸引される塵を含む空気の流れが塵分離部の導入口５から出口６に向かって流れる間に慣性力、遠心力、重力等の物理的な力を働かせて塵と空気を直接分離し、空気だけを塵分離部の出口６から排出させるようにした真空掃除機に関する。

従来、掃除機に紙パックやフィルターを使用したものがあるが、集塵するにつれて目詰等により集塵能力は低下し紙パックの交換やフィルターの掃除等が必要であった。

サイクロン方式の掃除機も有るが構造が複雑となり、塵の分離に遠心力を効果的に働かせているとは言えない。
特表２００２−５３２１７８号 流体力学入門、森北出版、石綿良三著

真空掃除機に紙パックやフィルターを用いず、吸い込み口（省略）から吸引ホース（省略）を経て吸引される塵７を含んだ空気の流れが塵分離部の導入口５から出口６に向かって流れる間に物理的な力を働かせて塵７を流れの外に出して分離した後に、空気だけを塵分離部の出口６より吸引フアン９で排出させる。

流体力学に於いて空気は理想流体ではなく、粘性を持つニュートン流体であり、その持つ特質を真空掃除機に於いては考慮されなければならない。また掃除機に於いてはマッハ数（Ｍａｃｈ ｎｕｍｂｅｒ）は０．３以上にはならないと思われ圧縮性の影響は少なく非圧縮性流体と見なす事が出来る。

真空掃除機に於いて、吸引ホースの断面積と塵分離部の断面積とを比べればその断面積は大きく異なる。管路系の流れに於いて、掃除機はその流れの断面積がステップ状に大きく変化する急拡大管であると言える。

急拡大管では拡がり直後にはく離（ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ）を生じる。
はく離とは流線が壁面から離れ、その後方に逆流をともなう循環領域ができる状態をいう。
（流体力学入門、森北出版、石綿良三著を引用）

塵分離部の導入口５より導入され塵分離部の出口６に向かって流れる空気の流れを主流１と呼べば吸引された塵７は主流１に含まれて運ばれてくる。

主流１の流れは導入口５近くでは圧力が高く、吸引フアン９で吸引される出口６近くでは圧力が低くなり、圧力勾配に依って導入口５側から出口６側に向かって流れる流れである。

急拡大管である真空掃除機に於いて、空気等のニュートン流体では粘性等に依って主流１の流れに伴ってはく離領域２が生じるが、これはニュートン流体に於いて主流１の流れの外部に生じる二次的な流れであり塵の分離には直接的には関係する事はない。

はく離領域２は主流１の流れの外側に生じるものであり、主流１の流れの外部に在るはく離領域２を積極的に回転させても塵分離の効果が生じることは無く、塵溜容器８の底に捕獲された塵７を巻き上げることとなるので採らない。

塵分離部には主流１の流れとはく離領域２の流れの二つの流れが存在することになるが、塵分離部での塵の分離は、導入口５から入る主流１の流れに含まれる塵７に物理的な力を働かせて主流１の流れの外に出して分離し、空気だけとなった主流１の流れを出口６から排出することであり、主流１の流れの中に在る塵７に働かせた物理的な力だけが塵の分離には有効である。

空気との比重差が大きな塵７は物理的な力が効果的に働き分離が容易であるが、比重差が小さな塵７をいかに分離するかが課題であり主眼を置く。

主流１に働かせる塵分離の物理力として遠心力及び慣性力を効果的に働かせる。

主流１に働かせる塵分離の物理力として重力は有力な手段であるが、重力を働かせる時間を長くすることが課題であり、また遠心力や慣性力と重乗させて働かせることで相乗効果を得る。

主流１に含まれる塵７が物理力により短い移動距離で且つ短い時間で主流１の流れの外に出られる様にする。

急拡大管では空気等の粘性を有するニュートン流体に於いては、主流１の流れに伴いはく離領域２は生じるものであるので、はく離領域２の存在できる場を与える。

主流１の流れの外に塵７を分離した後の課題としては、空気だけとなった主流１の流れが塵分離部の出口６を出るときに、粘性により主流１の流れと共に分離された塵７を外に引き出されない様にする対策が必要である。

塵分離部で主流１の流れに働かせる塵分離のための物理力として、遠心力を働かせるには主流１の流れの方向を変える必要がある。

主流１の流れの方向を変えるには、塵分離部の導入口５と出口６との間に主流１の流れに対して凸となる曲面の空気案内板３を設ければ出来るが、構造上塵分離部の導入口５と出口６の位置で定まる主流１の流れを一回転以上回転させることは実現が困難である。

回転により塵７に働く遠心力は下記の数１式で表され、各物理量は下記の表１に示す。

数１式に依れば、塵分離部の内で速度ｖは大きく変わることはないので、回転半径ｒを大きくすれば遠心力Ｆは弱くなり、回転半径ｒを小さくすれば遠心力Ｆは強くなる。

塵分離部の限られた空間では空気案内板３の曲面の回転半径ｒを大きくすれば遠心力Ｆは弱くなるが働く時間を長くでき、また回転半径ｒを小さくすれば遠心力Ｆは強くなるが働く時間は短くなる。

空気の持つ粘性は物理力による塵の分離を妨げる方向に働き塵分離の阻害要因として働き塵７の表面積に比例して大きくなり、一方、塵分離の物理力は塵７の質量に比例して強くなり、塵７に物理力を強く働かせれば動粘度も強く働くので、塵分離に働かせる遠心力は強ければ強い程良いとは一概には言えず、働かせる時間との兼ね合いが考慮されるべきである。

大きな塵や空気との比重差の大きな塵７は物理的な力で容易に分離出来るが、物理力が働かせ難く分離が困難である空気との比重差の小さな塵７を分離する事に主眼を置くべきである。

遠心力Ｆを強くする手段としては回転半径ｒを小さくし曲面を折り曲げた様な形の空気案内板３として空気流にヘャーピンカーブを曲がる様な動きをさせれば強い遠心力が得られる。

また主流１をヘャーピンカーブを曲がる様な流れとすることで外側に生じるはく離領域２の流れを分けることが出来、その流れの分かれ目部分から塵７を下方に円滑に落とす事が出来る。

主流１の流れの回転面を垂直下方向とし空気案内板３の下端を回転部とすれば遠心力を重力方向と一致させる事が出来遠心力と重力を重乗して働かせ相乗効果を得る事が出来る。

塵分離部で実現できる限られた回転で生じる遠心力を効果的に働かせるため、空気案内板３により主流１の流れの流域幅を可能な限り広くすることで主流１の流れの物理力の働く方向での厚さを薄くし含まれる塵７が物理力により短い移動距離で且つ短い時間で主流１の流れの外に出られるようにする。

また物理力が均一に働くように主流１の流れが一部に偏らず均一な厚さと成る様に配慮する。

急拡大管に於いては主流１の流れに伴いはく離領域２は生じるものであり塵溜め容器８の塵を乱さないように考慮しはく離領域２の形成する場を与える必要があり、塵分離部はその場を与えるのに十分な容積が必要である。

塵を分離する物理力として重力は働く時間を長くすることで塵分離には有力な手段となる。

重力の働く時間を長くする方法として塵分離部で導入口５と出口６の位置を水平距離で出来る限り離し主流１の流れの水平方向での移動距離を出来る限り長くすれば重力の働く時間を長くする事が出来る。

主流１の流れに含まれる塵７に物理力を働かせてはく離領域２に移行させて分離し、主流１から分離されたはく離領域２の塵７は重力等で下方に配置された塵溜容器８に落下させる。

主流１の流れから塵７を分離した後、塵分離部の出口６を出る主流１の流れと共に粘性によりはく離領域２に含まれる塵７が引き出されないようにする手段として、主流１とはく離領域２の間に引き込み防止板４を設け主流１側の流れを引き込み防止板４に押し当てながら出て行く様にすれば主流１とはく離領域２を引き離す機能を持たせる事が出来てはく離領域２が引き出される事は無く分離された塵７を外に出す事は無い。

空気との比重差が小さく空気中に浮遊する極めて軽い粉塵に物理力を働かせて分離することは困難であるが、掃除後に窓を開け部屋の空気を入れ換える等で対応は可能であり、必用が有れば出口６側にフィルターを用いる等の補助的手段を設ける。

物理的な力を塵の分離に有効である主流１の流れに効果的に働かせることで掃除機の構造を簡略化しエネルギーのロスを軽減出来る。

主流１の流れをヘアピンカーブを曲がる様な流れとすることで強い遠心力を発生させ、またはく離領域２の流れを分けることが出来るのでその分かれ目部分から塵７を円滑に下方に落とすことが出来る。

主流１の流れの流域幅を広くすることで物理力の働く方向の流れの厚さを薄くし、塵７が短い移動距離で、且つ短い時間で主流１の流れの外に出られて分離させる事ができる。

引き込み防止板４に主流１側の流れを圧接させながら排出させることではく離領域２を引き離し分離することで塵を分離後の主流１の流れが出口６を出るときにはく離領域２の塵７が引き込まれないので塵分離の効率を高める事が出来る。

空気案内板３で主流１の流れの流域幅を可能な限り広くすることで遠心力の作用方向に対する流れの厚さを薄くすることが出来て塵７が短い移動距離で且つ短い時間で主流１の流れの外に分離できるようにする。

物理力を働かせ難い軽くて小さな塵７を分離する事に主眼を置き強い遠心力を発生させる。

主流１の流れの回転面を垂直下方向とすることで重力方向と一致させ遠心力と重力を重乗させて働かせ相乗効果を得る。

主流１の流れがヘアピンカーブを曲がる様な流れとすることで強い遠心力を発生させ、またはく離領域２の流れを分けることが出来るのでその分かれ目部分から円滑に塵７を落下させる。

塵分離部の出口６に於いて主流１とはく離領域２の間に引き込み防止板４を設け主流１側の流れを引き込み防止板４に圧接させながら出ていく様にすることで分離された塵７の巻き込みを防止する。

はく離領域２の下部に塵溜め容器８を配置しはく離領域２に含まれる塵７を重力で塵溜め容器８に落下させる。

図１は本発明掃除機の実施例１の塵分離部の断面図であり、塵７は吸引口（省略）から吸引され吸引ホース（省略）を経て塵分離部の導入口５から導入される。

導入口５から導入された大きな塵は慣性力により下方の塵溜め容器８に落下させ、主流１は導入口５より導入され空気案内板３に沿って流れる。

空気案内板３は主流１の流れに対して凸となる曲面であり主流１の流域幅を可能な限り広げるために掃除機の横幅一杯の幅に設けられている。

主流１の流域幅を広くすることで物理力の働く方向の厚さを薄く出来て物理力により塵７が短い移動距離で且つ短い時間で主流１の流れの外に出られる。

空気案内板３は下方でＶの字型に折り曲げた形と成っており主流１の流れはヘアーピンカーブを曲がるような流れと成るため下方向に強い遠心力を発生させる。

空気案内板３で下方に向かう主流１の流れは重力が重乗して加わり、また空気案内板３の下端から上方に向かう主流１の流れは重力に逆らう流れとなり重力との相乗効果が得られる。

主流１の流れがヘアーピンカーブ状の流れと成ることではく離領域２の流れを分ける事が出来その分かれ目から塵を円滑に下方の塵溜容器８に落とすことが出来る。

塵を分離された主流１は塵分離部の出口６より排出されるが、主流１は引き込み防止板４の後方下向きに吸引されるため主流１の流れは引き込み防止板４に押し当てられながら流れるためはく離領域２を引き込む事はなく分離された塵を外に出す事はない。

本実施例では構造を簡単にするために空気案内板３横幅一杯に直線的に設けられているが流域幅を広げられれば良いもので曲げて設けても良い。

図２は本発明掃除機の実施例２の塵分離部の断面図であり、主要部の働きは実施例１と同じである。

塵を分離された主流１は引き込み防止板４に押し当てられるように曲げられて排出され、導入口５の両脇を通って吸引フアン９で吸引され排出される。

図３は本発明掃除機の実施例３の塵分離部の断面図であり、主要部の働きは実施例１と同じである。

塵分離部の構造を簡略化したものであるが、吸引フアン９とモーター１０の配置が従来のものとは逆に成っている。

粘性を有するニュートン流体と固体粒子を分離する集塵機等に利用可能である。

本発明掃除機の実施例１に於ける塵分離部の縦断面図 本発明掃除機の実施例２に於ける塵分離部の縦断面図 本発明掃除機の実施例３に於ける塵分離部の縦断面図

符号の説明

１ 主流
２ はく離領域
３ 空気案内板
４ 引き込み防止板
５ 導入口
６ 出口
７ 塵
８ 塵溜容器
９ 吸引フアン
１０ モーター
（吸引口、及び、吸引ホースは図面より省略する）

Claims (3)

1. 空気は理想流体ではなく粘性を持つニュートン流体であることを考慮し、真空掃除機は管路系の流れに於ける急拡大管であると考え、塵分離部の容積は急拡大管で生じるはく離領域２の存在出来る場を与えるのに十分なものとし、吸引口から吸引ホースを経て吸引される塵７を含む空気流である主流１の流れに遠心力を働かせるために塵分離部の導入口５と出口６の間に主流１の流れに対して凸となる曲面の空気案内板３を設けたもので、主流１が塵分離部の導入口５から出口６に向かって流れる間に慣性力や遠心力や重力等の物理的な力を働かせて塵７を主流１の流れの外に出して分離させるもので、塵分離部で実現できる限られた回転で生ずる遠心力を効果的に働かせる為、また物理的な力を働かせ難い軽い塵７を分離することに主眼を置き、空気案内板３で主流１の流れの流域幅を可能な限り広くすることで物理力が働く方向の厚さを薄くし塵７が短い移動距離で且つ短い時間で主流１の流れの外に出られる様にし、また導入口５と出口６を出来るだけ離すことで主流１の水平方向の移動距離を長くし重力が主流１の塵７に働く時間を長くするように考慮され、また主流１の回転方向を下方向に向けるように空気案内板３を設けることで重力との相乗効果が得られるようにした真空掃除機。
2. 急拡大管である真空掃除機では粘性を持つニュートン流体である主流１の流れに伴ってはく離領域２が生じるが、空気案内板３をVの字型に上方に折り曲げた形とすることで主流１の流れがヘアピンカーブを曲がるような流れと成る様にして強い遠心力を発生する様にし、また主流１をヘアピンカーブ状の流れとすることではく離領域２の流れを分けることが出来ることから、そのはく離領域２の分かれ目部分から塵７を円滑に下方の塵溜容器８に落とすことが出来る様にし、主流１の流域幅を可能な限り広くすることで物理力が働く方向の厚さを薄くすることが出来て塵７が短い移動距離で、且つ短い時間で主流１の流れの外に出られる様にし、また重力と重乗させて働かせることで相乗効果を得られる様にした請求項１記載の真空掃除機。
3. 真空掃除機の塵分離部で主流１の流れから塵７を分離された後、空気だけとなった主流１の流れが出口６を出る際に粘性による塵７の引き込みを防止するため主流１とはく離領域２の間にはく離領域２を引き離す為の引き込み防止板４を設けて、主流１を引き込み防止板４の後方下向きに吸引することで主流１側の流れを引き込み防止板４に押し当てながら出口６から排出される様にしてはく離領域２の引き込みを防止して塵７が引き出されない様にした請求項１記載の真空掃除機。

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