JP2008169725A - 電動送風機およびそれを搭載した電気掃除機 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の課題は、小入力（低風量）の状態から大入力（高風量）の状態に至る広い範囲に亘って、安定かつ高い効率での運転することができる電動送風機を提供することにある。
【解決手段】本発明の電動送風機１０６は、内径側回転軸２０５を有する内径側電動機部２０１と、この内径側電動機部２０１の外径側に配置された外径側電動機部２０２と、内径側電動機部２０１に結合されて回転する内径側クローズド遠心羽根車２０３と、この内径側クローズド遠心羽根車２０３の外径側に配置されるとともに外径側電動機部２０２に結合されて回転する外径側クローズト遠心羽根車２０４とを備え、内径側クローズド遠心羽根車２０３から流出した気流が、外径側クローズト遠心羽根車２０４へ流入するようになっていることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、電動送風機およびそれを搭載した電気掃除機に関する。

電気掃除機に対する消費者のニーズとして恒常的な吸込力の強さがある。高い吸込力を得るためには、電気掃除機に搭載される電動送風機への電気的入力が大きいこと、および電気的・機械的な効率が高いことが必要である。また、それが恒常的であるためには、例えば掃除機内に塵埃が蓄積されたとしても搭載された電動送風機のサージングの発生を回避しつつ、安定かつ高効率な運転が実現されなければならない。

従来の電気掃除機では、最も高い吸込力、つまり、最も高い空力出力が要求される運転モードに合わせて最大入力を定めるとともに、それ以下の軽い負荷の運転モードに調整する場合には電流の位相制御を行って入力を低減している。これは交流の力率を低下させ、本来、電動送風機の駆動に使用すべき有効なエネルギを回路損失として捨てていることに相当する。このように最大入力に合わせて電動送風機の仕様を決定すると、低入力側で効率が悪化する。つまり、従来の電気掃除機は、幅広い入力範囲に適合させるために低入力時に効率を犠牲にしている。

一方、電気掃除機内に塵埃が蓄積すると、電気掃除機内の流体損失が増加するために、作動風量が減少する。特にサイクロン方式の電気掃除機では、紙パック方式の電気掃除機と比べて集塵機構部の圧力損失が大きい。そのため、サイクロン方式の電気掃除機は、より低風量側で運転されるために、空力的に不安定な状態に陥ることも少なくない。また、低風量時に安定かつ高効率な運転を行うためには、低風量側に合わせて電動送風機の仕様を設計することが考えられるが、その場合は大風量側で効率が悪化し、最高出力が伸び悩むこととなる。つまり、従来の電気掃除機は、幅広い風量範囲に適合させるために大風量時の効率や出力を犠牲にしている。

ところで、電気掃除機用の電動送風機では、比速度が小さく、漏れによる損失が大きいために、内部流路に隙間のあるオープン羽根車ではなく、隙間のないクローズド羽根車が使用されている。一般に、後向き羽根のクローズド遠心羽根車が電気掃除機用の電動送風機に用いられている。この後向き羽根のクローズド遠心羽根車は、ある風量点までは、風量の増加に伴って、空気動力（入力）が増大するというリミットオフ特性を持つ。そして、電気掃除機の風量範囲は、この入力が最大となる前記した風量点よりも小風量側で設定される。したがって、電動送風機における、小風量（低風量）と大風量（高風量）との関係は、小入力（低入力）と大入力（高入力）との関係と対応している。このことから、幅広い風量範囲（入力範囲）を実現するとは、小入力かつ小風量となる動作点と、大入力かつ大風量となる動作点との間隔をできるだけ広げることを意味する。

このような現状において、遠心羽根車を有する電動送風機の入力を増大させるための一般的な手段としては、例えば、遠心羽根車の外径を増大させること、羽根出口幅や羽根出口角度を増大させること、羽根枚数を増大させることなどがある。しかしながら、一般にこれらの手段の多くは、電動送風機の寸法が大きくなったり、不安定な作動状態を招くという問題がある。また、これらの手段では、入力を増大させることで最大入力を調整することはできるが、入力範囲を拡大することにはつながらない。

これに対し、特許文献１には、曝気用の送風機として、オープン遠心羽根車を径方向に２段積み重ねたものが開示されている。この送風機は、外径側の配置される２段目の羽根車を、内径側に配置される１段目の羽根車とは逆向きにそれぞれ別の電動機部によって回転させるようになっている。２段目の羽根車への流入流れは、予旋回を持っているため、軸動力（入力）を大きくすることができる。この送風機では、２段目の回転速度を調整することにより、入力範囲を拡大することができる。また、この送風機は、相互に逆回転する１段目、および２段目の遠心羽根車を備えることで、外径寸法を極端に大きくすることなく、入力の調整が可能となる。
特開平１１−６４９７号公報

しかしながら、この送風機では、小入力時（低風量時）に２段目の遠心羽根車の運転が不安定になるために、風量範囲の拡大が不充分となる。そして、２段目の遠心羽根車の運転を安定させるための手段としては、例えば、不安定となりやすい低風量域の仕様に合わせて遠心羽根車の形状を設計すること、遠心羽根車における気流出口での絶対流れ角を大きく立ててやること、ベーン付きディフューザを外周側に伴うような場合には、それと遠心羽根車との距離をとって、ベーンレスディフューザ部を拡大すること等が考えられる。しかしながら、これらの手段は、実施が困難であったり、仮に実施が行えたとしても、風量が設計点から大きくずれて最高効率が大きく悪化したりする場合がある。
したがって、このような送風機を電気掃除機に適用したとしても、幅広い入力範囲および風量範囲に亘って安定かつ高い効率で運転するという、両極端な状態を同時に実現することは困難であった。

本発明の課題は、小入力（低風量）の状態から大入力（高風量）の状態に至る広い範囲に亘って、安定かつ高い効率で運転することができる電動送風機およびそれを搭載した電気掃除機を提供することにある。

前記課題を解決する本発明の電動送風機は、回転軸を有する第１の電動機部と、この第１の電動機部の外径側に配置された第２の電動機部と、前記第１の電動機部に結合されて回転する第１の遠心羽根車と、この第１の遠心羽根車の外径側に配置されるとともに前記第２の電動機部に結合されて回転する第２の遠心羽根車とを備え、前記第１の遠心羽根車および前記第２の遠心羽根車の少なくとも一方をクローズド遠心羽根車とし、前記第１の遠心羽根車から流出した気流が、前記第２の遠心羽根車へ流入するように構成されたことを特徴とする。
そして、本発明の電機掃除機は、前記した電動送風機を備えることを特徴とする。

本発明によれば、小入力（低風量）の状態から大入力（高風量）の状態に至る広い範囲に亘って、安定かつ高い効率で運転することができる電動送風機およびそれを搭載した電気掃除機を提供することができる。

（第１実施形態）
次に、本発明の第１実施形態について適宜図面を参照しながら詳細に説明する。参照する図面において、図１は、第１実施形態に係る電気掃除機を模式的に示す横断面図である。なお、本実施形態において方向を説明する場合は、図１に示す前、後を基準として説明する。

図１に示すように、電気掃除機１００は、所定のケースＣ内の前側に集塵室１０２が区画されるとともに、後側にモータ室１０５が区画されている。この集塵室１０２とモータ室１０５とは、フィルタ部１０４を介して連通している。
集塵室１０２には、紙パック１０３が収納されている。この紙パック１０３の開口はホース継ぎ手１０１側に位置するように配置されている。モータ室１０５には、電動送風機１０６が収納されている。この電動送風機１０６は、その前側に形成された送風機入口１０８がフィルタ部１０４側に向くように、そして、その後側に形成された送風機出口１０９側がモータ室１０５の後端側に向くように防振ゴム１０７を介してモータ室１０５内に懸架されている。ちなみに、本実施形態での電動送風機１０６は、インバータモータ等の回転制御が可能なモータであって、後記する回転方向および回転速度が制御回路１１０で制御されている。

この電気掃除機１００は、電動送風機１０６が駆動して送風機入口１０８から吸い込んだ空気を昇圧した後に送風機出口１０９から排出する。この際、送風機出口１０９から排出された空気は、ケースＣに形成された図示しない排気口からケースＣ外に排出される。
その一方で、電気掃除機１００は、電動送風機１０６が空気を送風機入口１０８から吸い込むことによって、空気をホース継ぎ手１０１側から集塵室１０２内に吸引する。吸引された空気は、ホース継ぎ手１０１を介して紙パック１０３内に導入される。そして、紙パック１０３でろ過された空気は、フィルタ部１０４を介して前記した電動送風機１０６の送風機入口１０８から吸い込まれることとなる。この際、集塵室１０２内に吸引された空気に含まれる塵埃の大部分は、紙パック１０３で取り除かれるとともに、フィルタ部１０４を空気が通過することによって細かな塵埃も取り除かれる。
なお、本実施形態の電気掃除機１００では、紙パック１０３を使用する方式について説明しているが、本発明はサイクロン方式のものであってもよい。ちなみに、サイクロン方式の電気掃除機は、集塵室１０２に対応する部分にサイクロン室が形成されることとなる。

次に、電動送風機１０６について主に図２を参照しながら説明する。図２は、第１実施形態に係る電動送風機の断面図である。
図２に示すように、電動送風機１０６は、前側ケーシング２２５と後側ケーシング２２１とからなるケーシング内に、静止構造体２０９と、内径側電動機部２０１と、外径側電動機部２０２と、内径側電動機部２０１に結合される内径側クローズド遠心羽根車２０３と、外径側電動機部２０２に結合される外径側クローズド遠心羽根車２０４とを備えて構成されている。なお、内径側電動機部２０１は、特許請求の範囲にいう「第１の電動機部」に相当し、外径側電動機部２０２は、「第２の電動機部」に相当し、内径側クローズド遠心羽根車２０３は、「第１の遠心羽根車」に相当し、外径側クローズド遠心羽根車２０４は、「第２の遠心羽根車」に相当する。ちなみに、本実施形態では、内径側および外径側の両方にクローズド遠心羽根車を用いるように構成しているが、必要に応じてオープン型を用いてもよい。この場合、内径側および外径側のうち少なくとも一方はクローズ型を用いるのが望ましい。

静止構造体２０９は、次に説明する内径側電動機部２０１の内径側回転子２０８と、外径側回転子２１５とを前記したケーシング内で回転可能に支持するものであって、略軸対称の形状を呈している。ちなみに、本実施形態での静止構造体２０９は円筒形状となっている。本実施形態での静止構造体２０９は、この静止構造体２０９と略同じ内径と外径とを有する円筒形状の固定部材２２３を介して後側ケーシング２２１の内壁に固定されている。

内径側電動機部２０１は、主に、内径側回転子２０８、内径側固定子２１０、軸受け２０６、および軸受け２０７を含んで構成されている。なお、内径側回転子２０８は、特許請求の範囲にいう「第１の回転子」に相当し、内径側固定子２１０は、特許請求の範囲にいう「第１の固定子」に相当する。
内径側回転子２０８は、内径側回転軸２０５と、この内径側回転軸２０５に取り付けられた内径側磁石２０８ａとで形成されている。内径側回転軸２０５は、静止構造体２０９および固定部材２２３のそれぞれに、軸受け２０６、および軸受け２０７を介して回転可能に支持されている。なお、この内径側回転軸２０５は、特許請求の範囲にいう「回転軸」に相当する。
静止構造体２０９の内径側には、電磁コイルで構成される内径側固定子２１０が取り付けられている。つまり、内径側固定子２１０は、内径側回転子２０８（第１の回転子）の外径側にこの内径側回転子２０８と対になるように設けられている。
以上のような内径側電動機部２０１（第１の電動機部）は、前記したように、内径側回転子２０８が内径側固定子２１０の内側に設けられた、いわゆるインナロータ型に構成されている。

外径側電動機部２０２は、主に、外径側回転子２１５、外径側固定子２１６、軸受け２１３、および軸受け２１４を含んで構成されている。なお、外径側回転子２１５は、特許請求の範囲にいう「第２の回転子」に相当し、外径側固定子２１６は、特許請求の範囲にいう「第２の固定子」に相当する。
外径側回転子２１５は、外径側回転筒２１１と、この外径側回転筒２１１に取り付けられた外径側磁石２１５ａとで形成されている。外径側回転筒２１１は、静止構造体２０９の外径よりも大きな内径の円筒状部材で形成されており、静止構造体２０９の周囲を取り囲むように配置されている。そして、外径側磁石２１５ａは、外径側回転筒２１１の静止構造体２０９と向き合う側に取り付けられている。このような外径側回転筒２１１は、静止構造体２０９および固定部材２２３のそれぞれに、軸受け２１３、および軸受け２１４を介して回転可能に支持されている。ちなみに、本実施形態での軸受け２１４は、固定部材２２４を介して外径側回転筒２１１に固定されるとともに、固定部材２２３を介して静止構造体２０９に固定されている。
静止構造体２０９の外径側には、電磁コイルで構成される外径側固定子２１６が取り付けられている。この外径側固定子２１６は、前記内径側固定子２１０（第１の固定子）の外径側に前記した外径側回転子２１５（第２の回転子）の外径側磁石２１５ａと対になるように設けられている。
以上のような外径側電動機部２０２（第２の電動機部）は、前記したように、外径側回転子２１５が外径側固定子２１６の外側に設けられた、いわゆるアウタロータ型に構成されている。
そして、これらの内径側電動機部２０１と外径側電動機部２０２とは、各々別々にインバータなどの制御回路１１０によって駆動され、回転方向と回転速度とが各々独立して調整されるようになっている。

内径側クローズド遠心羽根車２０３は、例えば、ナット２２６等の締結部材によって内径側回転子２０８の内径側回転軸２０５と結合されている。そして、外径側クローズド遠心羽根車２０４は、例えばボルト２１２等の締結部材によって外径側回転子２１５の外径側回転筒２１１と結合されている。ここで参照する図３（ａ）は、内径側クローズド遠心羽根車と外径側クローズド遠心羽根車とを有する送風機部分を回転軸方向からみた模式図である。図３（ｂ）の説明については後記する。

図３（ａ）に示すように、内径側クローズド遠心羽根車２０３は、回転方向３０１で示される方向に回転するようになっており、後向き羽根３０２を備えている。この後向き羽根３０２は、回転方向３０１と反対方向に後向き羽根３０２が倒れ込むように形成されている。
そして、外径側クローズド遠心羽根車２０４は、前記した回転方向３０１と逆の回転方向３０３に回転することができるとともに、回転方向３０１に回転することもできるようになっている。また、外径側クローズド遠心羽根車２０４は、内径側クローズド遠心羽根車２０３が回転方向３０１に回転している際に静止することもできるようになっている。ちなみに、外径側クローズド遠心羽根車２０４においては、回転方向３０３に回転したときに後ろ向き羽根３０４として機能するように形成されている。

次に、本実施形態に係る電動送風機１０６の動作について説明する。
この電動送風機１０６（図２参照）は、少なくとも内径側クローズド遠心羽根車２０３（図３参照）が回転方向３０１（図３参照）に回転した際に、図２に示すように、空気は、前側ケーシング２２５に形成された開口である、いわゆる目玉部２１７から電動送風機１０６内に流入する。そして、空気は、内径側クローズド遠心羽根車２０３の後向き羽根３０２（図３参照）同士の間に形成された経路２１８を通って外径側クローズド遠心羽根車２０４側に向かう。そして、内径側クローズド遠心羽根車２０３から流出した気流は、外径側クローズド遠心羽根車２０４の後向き羽根３０４（図３参照）同士の間に形成された経路２１９に至る。次いで、外径側クローズド遠心羽根車２０４からの気流は、前側ケーシング２２５の内壁に沿う方向に向かう転向流れとなって、前側ケーシング２２５および後側ケーシング２２１と、外径側回転筒２１１との間に形成された電動機部冷却流路２２０に至る。そして、電動機部冷却流路２２０を流れる空気は、内径側電動機部２０１および外径側電動機部２０２で発生した熱を吸収するとともに、後側ケーシング２２１に設けられた制御回路１１０で発生した熱を吸収する。その後、空気は、後側ケーシング２２１に形成された送風機出口１０９から排出される。

次に、電動送風機１０６の内径側クローズド遠心羽根車２０３および外径側クローズド遠心羽根車２０４の動作について説明する。ここで参照する図３（ｂ）は、図３（ａ）中、内径側クローズド遠心羽根車における気流の出口位置Ｐでの速度三角形を示す図である。
内径側クローズド遠心羽根車２０３における気流の出口位置Ｐ（図３（ａ）参照）では、図３（ｂ）に示すように、周速３０６の速度成分と、相対速度３０７の速度成分と、絶対速度３０８の速度成分とからなる速度三角形を規定することができる。ここで周速３０６は、内径側クローズド遠心羽根車２０３における後向き羽根３０２（図３（ａ）参照）の外縁の周速に等しい。また、相対速度３０７は、後向き羽根３０２に沿って流れる気流を内径側クローズド遠心羽根車２０３から見た速度に等しく、絶対速度３０８は、後向き羽根３０２に沿って流れる気流を静止した、つまり回転していない観測者から見た速度に等しい。そして、周速３０６と、絶対速度３０８とのなす角度は、絶対流れ角３１０と規定され、周速３０６と、相対速度３０７とのなす角度は、相対流れ角３０９と規定される。ちなみに、前記した絶対速度３０８は、図３（ａ）に示す内径側クローズド遠心羽根車２０３から外径側クローズド遠心羽根車２０４に流れ込む気流の速度に略等しくなる。

次に、第１実施形態に係る電動送風機１０６を備えた電気掃除機１００（図１参照）を動作させた際の、風量と効率との関係、および風量と入力との関係について従来の電動送風機を備えた電気掃除機と対比しながら説明する。そして、第１実施形態に係る電動送風機１０６の外径側クローズド遠心羽根車２０４に流入する気流の速度三角形を、電気掃除機１００の作動点と対応付けて説明する。ここで参照する図４（ａ）は、第１実施形態に係る電動送風機を備えた電気掃除機における風量と効率との関係、および風量と入力との関係を示すグラフであって、左縦軸は効率（％）を表し、右縦軸は入力（Ｗ）を表し、横軸は風量（ｍ^３／分）を表す。図４（ｂ）は、第１実施形態に係る電動送風機の外径側クローズド遠心羽根車に流入する気流の速度三角形を示す図である。

まず、従来の電動送風機を備えた電気掃除機における風量と入力との関係について説明する。なお、この電動送風機はクローズド遠心羽根車を１基備えたものである。
従来の電気掃除機では、図４（ａ）の入力カーブ４０１が示すように、所定の風量点Ｘにおいて入力が最大となる、言い換えれば、ピークを迎えるリミットオフ特性を持つ。そして、電気掃除機の風量範囲（図４（ａ）中、「通常の掃除機の風量範囲」と記す）は、この入力が最大となる前記した風量点Ｘよりも小風量側で設定される。

これに対して、第１実施形態に係る電動送風機１０６においては、図３（ａ）に示すように、内径側クローズド遠心羽根車２０３を回転方向３０１に回転させるとともに、外径側クローズド遠心羽根車２０４を回転方向３０１とは逆の回転方向３０３に回転させることによって、図４（ａ）に示す大風量域４０３の運転が設定される。

このとき、電動送風機１０６の外径側クローズド遠心羽根車２０４（図３（ａ）参照）に流入する気流の速度三角形は、図４（ｂ）に示す「大風量域の速度三角形４０４」となる。この大風量域の速度三角形４０４が示すように、図３（ａ）に示す外径側クローズド遠心羽根車２０４の回転方向（周速４０５参照）と逆向きの予旋回成分があることから、外径側クローズド遠心羽根車２０４は、大きなヘッドを出すことができる。その結果、電動送風機１０６（図２参照）は、大きな入力を取りこむことができる。そして、図３（ａ）に示すように、内径側クローズド遠心羽根車２０３に対して外径側クローズド遠心羽根車２０４を逆回転させる運転では、相対流れ角４０８が絶対流れ角４０９よりも小さくなるため、元々の絶対流れ角４０９が大きい場合でないと安定運転ができないこととなって、通常では外径側クローズド遠心羽根車２０４の形状が成立しないと考えられる。しかしながら、その点、第１実施形態に係る電動送風機１０６の大風量域４０３（図４（ａ）参照）では、図４（ｂ）に示すように、絶対流れ角４０９が相対流れ角４０８よりも大きく余裕があるので、このような運転が可能となる。ちなみに、図４（ｂ）中、符号４０６は、絶対速度であり、符号４０７は、相対速度である。その結果、第１実施形態に係る電動送風機１０６の大風量域４０３での運転では、図４（ａ）に示す修正入力カーブ４１０を描くこととなる。つまり、入力が最大となる（ピークを迎える）所定の風量点Ｙが大風量側にシフトすることによって、設定し得る風量範囲が拡大することとなる。

また、第１実施形態に係る電動送風機１０６においては、図３（ａ）に示す内径側クローズド遠心羽根車２０３を回転方向３０１に回転させるとともに、外径側クローズド遠心羽根車２０４を回転方向３０１と同じ方向に回転させることによって、図４（ａ）に示す小風量域４１１の運転が設定される。このように回転する外径側クローズド遠心羽根車２０４は、遠心ディフューザとして機能させることができる。

このとき、電動送風機１０６の外径側クローズド遠心羽根車２０４（図３（ａ）参照）に流入する気流の速度三角形は、図４（ｂ）に示す「小風量域の速度三角形４１２」となる。この小風量域の速度三角形４１２が示すように、絶対流れ角４１６が小さいので、通常、不安定な運転となりやすいと考えられる。しかしながら、その点、第１実施形態に係る電動送風機１０６の小風量域４１１（図４（ａ）参照）では、遠心ディフューザとして機能する外径側クローズド遠心羽根車２０４への相対流れ角４１７を大きくすることができる。ちなみに、図４（ｂ）中、符号４１４は、絶対速度であり、符号４１３は、周速である。つまり、実質的には、より高い効率、および高い安定性が達成できる大風量側の運転と同様の運転となるように、遠心ディフューザ（外径側クローズド遠心羽根車２０４）が機能することとなる。その結果、第１実施形態に係る電動送風機１０６の小風量域４１１での運転では、図４（ａ）に示す修正効率カーブ４１８を描くこととなる。つまり、電動送風機１０６は、安定性を確保しつつ、高い効率を得ることができる。

また、第１実施形態に係る電動送風機１０６においては、図３（ａ）に示す内径側クローズド遠心羽根車２０３を回転方向３０１に回転させるとともに、外径側クローズド遠心羽根車２０４を静止させることによって、図４（ａ）に示す中風量域４１９の運転が設定される。ちなみに、図４（ｂ）に示す中風量域の速度三角形４２０において、符号４２１は、絶対速度であり、符号４２２は、絶対流れ角である。
このように静止した外径側クローズド遠心羽根車２０４（図３（ａ）参照）は、羽根車と遠心ディフューザとして機能させることができる。その結果、第１実施形態に係る電動送風機１０６の中風量域４１９での運転では、図４（ａ）に示すように、入力、安定性、および効率のバランスが良好となる。

以上のような電動送風機１０６によれば、大入力が要求される大風量時には、相互に逆回転する内径側クローズド遠心羽根車２０３と、外径側クローズド遠心羽根車２０４の２つの遠心羽根車によって仕事が行われるため、入力を増大させ、高い吸込力を確保することができる。特に、外径側クローズド遠心羽根車２０４においては、内径側クローズド遠心羽根車２０３の出口旋回流れとして予旋回速度成分が存在しているため、入力を大きく増大させることができる。また大風量時には、内径側クローズド遠心羽根車２０３の出口流れの絶対流れ角４０８は相対的に大きいため、外径側クローズド遠心羽根車２０４の運転が不安定になりにくい。

また、電動送風機１０６によれば、低風量時に、内径側クローズド遠心羽根車２０３の出口流れの方向が寝てくるが、外径側クローズド遠心羽根車２０４を内径側クローズド遠心羽根車２０３と同じ方向に回転させることで、外径側クローズド遠心羽根車２０４の気流入口における相対流れ角４１７を立てることができ、実質的に大風量側の運転状態とすることができる。このとき外径側クローズド遠心羽根車２０４は、回転する遠心ディフューザとして位置づけられ、低風量域でも安定かつ高効率な運転が可能となる。

また、電動送風機１０６によれば、中間風量の場合に、外径側クローズド遠心羽根車２０４を静止させ、単体の遠心羽根車（内径側クローズド遠心羽根車２０３）と、ベーン付きのディフューザ（外径側クローズド遠心羽根車２０４）の構成として機能させることで、高効率な運転が可能になる。
このような電動送風機１０６によれば、風量（または入力）に応じて、外径側クローズド遠心羽根車２０４の回転方向と回転速度を適応的に制御することにより、同一形状の羽根車（クローズド遠心羽根車）を用いながらも、大風量時における更なる大入力化への対応や、低風量時において更に高効率で安定した運転への対応が可能となる。これにより、実施形態に係る電動送風機１０６を搭載した電気掃除機１００は、従来の電気掃除機の課題であった大入力、ハイパワーへの対応と、塵埃蓄積時の低風量安定作動への対応を同時に解決することができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について適宜図面を参照しながら詳細に説明する。参照する図面において、図５は、第２実施形態に係る電動送風機の断面図である。
本実施形態に係る電動送風機は、前記第１実施形態に係る電動送風機１０６（図２参照）における外径側磁石２１５ａ、および外径側固定子２１６を有していない他は電動送風機１０６と同様に構成されている。この第２実施形態において、前記第１実施形態と同様の構成要素については同一の符号を付してその詳細な説明は省略する。
図５に示すように、第２実施形態に係る電動送風機５０６は、外径側回転筒２１１を回転させる駆動装置を備えていない。つまり、電動送風機５０６の外径側クローズド遠心羽根車２０４は、第１実施形態での外径側クローズド遠心羽根車２０４（図２参照）とは異なって電動するものではなく、後記するように内径側クローズド遠心羽根車２０３の空気力（風力）によって回転するものである。なお、外径側クローズド遠心羽根車２０４自体は、第１実施形態での外径側クローズド遠心羽根車２０４（図３（ａ）参照）と同様に構成されている。そして、この外径側クローズド遠心羽根車２０４が結合される外径側回転筒２１１は、特許請求の範囲にいう「ロータ部」に相当する。
また、電動送風機５０６は、内径側クローズド遠心羽根車２０３の回転に伴って回転する外径側回転筒２１１に押し当てられるブレーキパッド５０３を更に備えている。このブレーキパッド５０３は、特許請求の範囲にいう「ブレーキ機構」に相当する。

次に、第２実施形態に係る電動送風機５０６の動作について説明する。ここで参照する図６は、外径側クローズド遠心羽根車の回転速度が自律的に決まるメカニズムの説明図であり、（ａ）は、外径側クローズド遠心羽根車の回転速度が低速の場合における外径側クローズド遠心羽根車の挙動を示す部分拡大図、（ｂ）は、（ａ）に示す挙動を示す際の、外径側クローズド遠心羽根車に流入する気流の速度三角形を表す図、（ｃ）は、外径側クローズド遠心羽根の回転速度が高速の場合における外径側クローズド遠心羽根車の挙動を示す部分拡大図、（ｄ）は、（ｃ）に示す挙動を示す際の、外径側クローズド遠心羽根車に流入する気流の速度三角形を表す図である。

この電動送風機５０６の内径側クローズド遠心羽根車２０３が、図６（ａ）に示す回転方向３０１に回転すると、外径側クローズド遠心羽根車２０４は、内径側クローズド遠心羽根車２０３から流入する気流によって、内径側クローズド遠心羽根車２０３と同じ方向に回転する。

そして、外径側クローズド遠心羽根車２０４（図６（ａ）参照）が低速で回転する場合に、電動送風機５０６の外径側クローズド遠心羽根車２０４（図６（ａ）参照）に流入する気流の速度三角形は、図６（ｂ）に示す速度三角形６０１となる。この速度三角形６０１に示すように、外径側クローズド遠心羽根車２０４（図６（ａ）参照）に流入する気流の絶対速度６０４は、外径側クローズド遠心羽根車２０４の回転速度が一定で小さい（周速６０２が小さい）場合は、相対流れ角６０５が小さくなる。このとき外径側クローズド遠心羽根車２０４に流入する気流の方向、つまり相対速度６０３の方向は、図６（ａ）に示すように、後向き羽根３０４に対して寝る方向となる。その結果、後向き羽根３０４は、内径側クローズド遠心羽根車２０３と同じ回転方向３０１である空気力の方向６０８に付勢される。これにより、外径側クローズド遠心羽根車２０４は回転速度を徐々に上げていく。

これとは逆に、外径側クローズド遠心羽根車２０４が高速で回転する場合に、電動送風機５０６の外径側クローズド遠心羽根車２０４に流入する気流の速度三角形は、図６（ｄ）に示す速度三角形６０９となる。この速度三角形６０９に示すように、絶対速度６１２が前記した絶対速度６０４（図６（ｂ）参照）と同じであるのに対して、周速６１０が大きくなった分、相対流れ角６１３は大きくなる。このとき外径側クローズド遠心羽根車２０４に流入する気流の方向、つまり相対速度６１１の方向は、図６（ｃ）に示すように、後向き羽根３０４に対して立つ方向となる。その結果、後向き羽根３０４は、内径側クローズド遠心羽根車２０３の回転方向３０１と逆の空気力の方向６１６に付勢される。これにより、外径側クローズド遠心羽根車２０４の回転速度は徐々に下がっていく。

以上のように、この電動送風機５０６では、後向き羽根３０４に対する相対的な気流の流入角度が所定の値となるような状態でバランスするように回転速度が調整されることによって、このバランス点においては外径側クローズド遠心羽根車２０４における気流の流れ（内部流れ）は、常に近似的な流れ状態が実現される。したがって、この電動送風機５０６では、このバランスする状態で、効率がよく、安定な減速流路となるように後向き羽根３０４の形状を予め設計しておけば、風量が変化しても、自律的に外径側クローズド遠心羽根車２０４の回転速度が調整されるので、常に安定性を確保しながら効率の高い運転が実現される。そして、この電動送風機５０６では、第１実施形態に係る電動送風機１０６と比較して大入力の実現は期待できないものの、更に安定した運転への対応が可能となる。
この電動送風機５０６では、以上のメカニズムによって自律的に外径側クローズド遠心羽根車２０４の回転速度を調節するものであるが、外径側クローズド遠心羽根車２０４の回転速度は、図５に示すブレーキパッド５０３を外径側回転筒２１１に押し当てて調節することもできる。

なお、本発明は、前記実施形態に限定されることなく、様々な形態で実施される。
前記第１実施形態では、内径側電動機部２０１（第１の電動機部）の内径側回転子２０８が内径側固定子２１０の内側に設けられた、いわゆるインナロータ型に構成されているとともに、外径側電動機部２０２（第２の電動機部）の外径側回転子２１５が外径側固定子２１６の外側に設けられた、いわゆるアウタロータ型に構成されているが、本発明は内径側電動機部２０１および外径側電動機部２０２におけるロータの配置位置を制限するものではない。
したがって、本発明は、内径側電動機部２０１および外径側電動機部２０２の両方がインナロータ型に構成されていてもよいし、アウタロータ型に構成されていてもよい。また、本発明は、内径側電動機部２０１（第１の電動機部）がアウタロータ型に構成され、外径側電動機部２０２（第２の電動機部）がインナロータ型に構成されていてもよい。また、前記第２実施形態では、内径側電動機部２０１がアウタロータ型に構成されていてもよい。

また、前記第１実施形態では、図４（ａ）に示すように、大風量域４０３、中風量域４１９、および小風量域４１１の３段階の運転モードが実施される電動送風機１０６を例示したが、本発明はこれら全ての運転モードが実施されなくともよく、これらの一種類または任意の二種類の運転モードのみが実施されるものであってもよい。また、４段階以上の運転モードが実施されるものであってもよい。

また、前記第１実施形態および前記第２実施形態での外径側クローズド遠心羽根車２０４は、流体エネルギを受けて機械的仕事を取り出すタービンとしての機能をも有するので、外径側クローズド遠心羽根車２０４の回転力を次のような別の用途に用いることができる。

例えば、外径側電動機部２０２（第２の電動機部）を発電機として利用することにより、電動送風機１０６では、外径側クローズド遠心羽根車２０４が回転した際にエネルギ回生を行い、別途設けたバッテリー装置（図示せず）に電力を蓄積することができる。特に、このエネルギの回生は、小風量域４１１の運転時に効果的に発揮される。

また、電動送風機１０６，５０６では、例えば、外径側回転筒２１１（図２および図５参照）に冷却ファンなどの気流発生手段（図示せず）を取り付け、この気流発生手段が発生する気流によって内径側電動機部２０１（図２および図５参照）、および第１実施形態にあっては外径側電動機部２０２（図２参照）、ならびに制御回路１１０（図２参照）が冷却されるように構成することができる。

第１実施形態に係る電気掃除機を模式的に示す横断面図である。 第１実施形態に係る電動送風機の断面図である。 （ａ）は、内径側クローズド遠心羽根車と外径側クローズド遠心羽根車とを有する送風機部分を回転軸方向からみた模式図、（ｂ）は、（ａ）中、内径側クローズド遠心羽根車における気流の出口位置Ｐでの速度三角形を示す図である。 （ａ）は、第１実施形態に係る電動送風機を備えた電気掃除機における風量と効率との関係、および風量と入力との関係を示すグラフであって、左縦軸は効率（％）を表し、右縦軸は入力（Ｗ）を表し、横軸は風量（ｍ^３／分）を表す。（ｂ）は、第１実施形態に係る電動送風機の外径側クローズド遠心羽根車に流入する気流の速度三角形を示す図である。 第２実施形態に係る電動送風機の断面図である。 外径側クローズド遠心羽根車の回転速度が自律的に決まるメカニズムの説明図であり、（ａ）は、外径側クローズド遠心羽根車の回転速度が低速の場合における外径側クローズド遠心羽根車の挙動を示す部分拡大図、（ｂ）は、（ａ）に示す挙動を示す際の、外径側クローズド遠心羽根車に流入する気流の速度三角形を表す図、（ｃ）は、外径側クローズド遠心羽根の回転速度が高速の場合における外径側クローズド遠心羽根車の挙動を示す部分拡大図、（ｄ）は、（ｃ）に示す挙動を示す際の、外径側クローズド遠心羽根車に流入する気流の速度三角形を表す図である。

符号の説明

１００ 電気掃除機
１０６ 電動送風機
１１０ 制御回路
２０９ 静止構造体
２０１ 内径側電動機部（第１の電動機部）
２０２ 外径側電動機部（第２の電動機部）
２０３ 内径側クローズド遠心羽根車（第１の遠心羽根車）
２０４ 外径側クローズド遠心羽根車（第２の遠心羽根車）
２０５ 内径側回転軸（回転軸）
２０８ 内径側回転子（第１の回転子）
２１５ 外径側回転子（第２の回転子）
２１０ 内径側固定子（第１の固定子）
２１６ 外径側固定子（第２の固定子）
２１１ 外径側回転筒
５０６ 電動送風機
５０３ ブレーキパッド（ブレーキ機構）

Claims (16)

1. 回転軸を有する第１の電動機部と、
   この第１の電動機部の外径側に配置された第２の電動機部と、
   前記第１の電動機部に結合されて回転する第１の遠心羽根車と、
   この第１の遠心羽根車の外径側に配置されるとともに前記第２の電動機部に結合されて回転する第２の遠心羽根車と、を備え、
   前記第１の遠心羽根車および前記第２の遠心羽根車の少なくとも一方をクローズド遠心羽根車とし、
   前記第１の遠心羽根車から流出した気流が、前記第２の遠心羽根車へ流入するように構成されたことを特徴とする電動送風機。
2. 前記第２の遠心羽根車の回転方向および回転速度と、前記第１の遠心羽根車の回転方向および回転速度とは、個別に制御されることを特徴とする請求項１に記載の電動送風機。
3. 前記第１の電動機部が、前記回転軸を有する第１の回転子と、
   前記第１の回転子の外径側に前記第１の回転子と対になって設けられた第１の固定子とを備え、
   前記第２の電動機部が、前記第１の固定子の外径側に設けられた第２の固定子と、
   前記第２の固定子のさらに外径側に前記第２の固定子と対になって設けられた第２の回転子とを備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電動送風機。
4. 前記第２の遠心羽根車と、前記第１の遠心羽根車とが、互いに逆の方向に回転するように前記第１の電動機部および前記第２の電動機部が制御されることを特徴とする請求項２に記載の電動送風機。
5. 前記第２の遠心羽根車と、前記第１の遠心羽根車とが、互いに同じ方向に回転するように前記第１の電動機部および前記第２の電動機部が制御されることを特徴とする請求項２に記載の電動送風機。
6. 前記第２の遠心羽根車が静止し、前記第１の遠心羽根車のみが回転するように前記第１の電動機部および前記第２の電動機部が制御されることを特徴とする請求項２に記載の電動送風機。
7. 回転軸を有する第１の電動機部と、
   この第１の電動機部の外径側に配置された第２の電動機部と、
   前記第１の電動機部に結合されて回転する第１の遠心羽根車と、
   この第１の遠心羽根車の外径側に配置されるとともに前記第２の電動機部に結合されて回転する第２の遠心羽根車と、を備え、
   大風量とする運転では、前記第１の遠心羽根車と前記第２の遠心羽根車とが互いに逆方向に回転するようにし、中間風量とする運転では、前記第２の遠心羽根車が静止し、前記第１の遠心羽根車が回転するように前記第１の電動機部および前記第２の電動機部を制御することを特徴とする電動送風機。
8. 回転軸を有する第１の電動機部と、
   この第１の電動機部の外径側に配置された第２の電動機部と、
   前記第１の電動機部に結合されて回転する第１の遠心羽根車と、
   この第１の遠心羽根車の外径側に配置されるとともに前記第２の電動機部に結合されて回転する第２の遠心羽根車と、を備え、
   大風量とする運転では、前記第１の遠心羽根車と前記第２の遠心羽根車とが互いに逆方向に回転するようにし、低風量とする運転では、前記第１の遠心羽根車と前記第２の遠心羽根車とが同方向に回転するように前記第１の電動機部および前記第２の電動機部を制御することを特徴とする電動送風機。
9. 回転軸を有する第１の電動機部と、
   この第１の電動機部の外径側に配置された第２の電動機部と、
   前記第１の電動機部に結合されて回転する第１の遠心羽根車と、
   この第１の遠心羽根車の外径側に配置されるとともに前記第２の電動機部に結合されて回転する第２の遠心羽根車と、を備え、
   中間風量とする運転では、前記第２の遠心羽根車が静止し、前記第１の遠心羽根車が回転するようにし、低風量とする運転では、前記第１の遠心羽根車と前記第２の遠心羽根車とが同方向に回転するように前記第１の電動機部および前記第２の電動機部を制御することを特徴とする電動送風機。
10. 回転軸を有する第１の電動機部と、
    この第１の電動機部の外径側に配置された第２の電動機部と、
    前記第１の電動機部に結合されて回転する第１の遠心羽根車と、
    この第１の遠心羽根車の外径側に配置されるとともに前記第２の電動機部に結合されて回転する第２の遠心羽根車と、を備え、
    大風量とする運転では、前記第１の遠心羽根車と前記第２の遠心羽根車とが互いに逆方向に回転するようにし、中間風量とする運転では、前記第２の遠心羽根車が静止し、前記第１の遠心羽根車が回転するようにし、低風量とする運転では、前記第１の遠心羽根車と前記第２の遠心羽根車とが同方向に回転するように前記第１の電動機部および前記第２の電動機部を制御することを特徴とする電動送風機。
11. 回転軸を有する第１の電動機部と、
    この第１の電動機部の外径側に配置された第２の電動機部と、
    前記第１の電動機部に結合されて回転する第１の遠心羽根車と、
    この第１の遠心羽根車の外径側に配置されるとともに前記第２の電動機部に結合されて回転する第２の遠心羽根車と、を備え、
    低風量とする運転では、第１の遠心羽根車と前記第２の遠心羽根車とが同方向に回転するように前記第１の電動機部および前記第２の電動機部を制御することを特徴とする電動送風機。
12. 前記第２の遠心羽根車が、前記第１の遠心羽根車から流れこむ空気力によって回転するようになっており、前記第２の遠心羽根車の回転によって回転する前記第２の電動機部が発電した電力を回生することを特徴とする請求項１に記載の電動送風機。
13. 回転軸を有する電動機部と、
    この電動機部の外径側に配置されたロータ部と、
    前記電動機部に結合されて回転する第１の遠心羽根車と、
    この第１の遠心羽根車の外径側に配置され、前記ロータ部に結合される第２の遠心羽根車と、を備え、
    前記第１の遠心羽根車および前記第２の遠心羽根車の少なくとも一方をクローズド遠心羽根車とし、
    前記第２の遠心羽根車は、前記第１の遠心羽根車から流出した気流から受ける力によって、自律的に回転方向と回転速度が決定されることを特徴とする電動送風機。
14. 前記電動機部が、前記回転軸を有する回転子と、
    前記回転子の外径側に前記回転子と対になって設けられた固定子とを備えることを特徴とする請求項１３に記載の電動送風機。
15. 前記ロータ部の回転を制動して前記第２の遠心羽根車の回転速度を調整するブレーキ機構を有することを特徴とする請求項１３に記載の電動送風機。
16. 集塵室に塵埃を吸込むための気流を形成する電動送風機が、請求項１から請求項１５のいずれか１項に記載された電動送風機であることを特徴とする電気掃除機。

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