JP2009019506A - 電動送風機及びそれを搭載した電気掃除機 - Google Patents

Abstract

【課題】
羽根入口の流路に段差があるため、流れが一旦剥離し、羽根車内の流路壁面に再付着するまでに死水域が形成され、送風機損失が増大するという課題があった。
【解決手段】
掃除機用送風機のファンケーシングに具備された目玉シール部の先端部Ａと、羽根車の羽根前縁がシュラウド壁と交差する前縁端部Ｂの子午面内相対位置関係において、点Ａと点Ｂの径方向距離をΔＲ、軸方向距離をΔｂとする時、
０゜≦tan^-1（ΔＲ／Δｂ）≦２９゜ かつ ΔＲ≧０.５mm
となるようにする。
【選択図】図３

Description

本発明は、電動送風機及びそれを搭載した電気掃除機に関わり、特に送風機羽根車の入口部の構成に関する。

電気掃除機に対するニーズとして吸込力の強さがある。一定の消費電力という条件下で高い吸込力を得るためには、掃除機の空気力学的な損失を低減する必要がある。その中でも特に吸込力を生み出す元であり全体損失に占める割合が大きい送風機の損失低減が求められている。

掃除機に用いられる送風機は、風量よりも圧力を出すことを重視した低比速度型の送風機であり、小型化するためにおよそ毎分４５,０００ 回転という高速で駆動されるのが特徴である。送風機内部の最大流速は１６０ｍ／ｓにも達するため、流路が狭くなる部分の流速を極力低減し、流速の２乗に比例する翼間摩擦損失を小さくすることが重要である。この他、羽根車外表面での円盤摩擦損失，回転部と静止部の隙間に起因する漏れ損失などを低減する努力がこれまでの送風機開発で行われてきた。

例えば翼間摩擦損失を低減するためには、羽根入口径を小さくして入口周速を下げ、相対流速を下げる施策が段階的に行われてきた。また円板摩擦損失は羽根車外径の５乗、回転数の３乗に比例して大きくなるため、羽根車外径を縮小化しながら高速回転化を進めることで、一定の負荷を保持したまま円板摩擦損失を低減する施策がとられてきた。また漏れ損失については、その大部分が羽根車入口部における回転部と静止部の隙間流れによって引き起こされるが、特許文献１に示される事例のように固体潤滑シール材を用いたシール構造を導入するなどして漏れ量を最小化する施策がとられてきた。

特許３１１９６３３号

しかしながら、前述のように翼間摩擦損失低減のために羽根入口径を小さくしていくと、羽根前縁とシール部と距離が近くなってくる。シール部において静止部から回転羽根車内へと流れが流入するが、ここに流路の段差があるため流れが一旦剥離し、羽根車内の流路壁面に再付着するまでに死水域を形成する。そのため羽根前縁がシール部に近づきすぎると死水域が羽根前縁部分にかかるようになり、相対流速を下げたにもかかわらず性能が向上しなくなるという現象が発生した。死水域にかかった羽根前縁部では、羽根は有効に仕事をすることができないため、送風機損失が増大する。死水域を小さくするためには段差を小さくすればよいが、前述のシール構造を設けるには回転部と静止部の境に一定の隙間が必要で、段差を縮小することは困難である。また掃除機においてはシールがない場合の漏れ損失は翼間摩擦損失よりも大きいため、前述のシール構造そのものを排除することは一般には得策でない。

また掃除機用送風機は、薄い板材をプレス加工した部品を組み立てて作られる。即ち、羽根板材とそれらを挟み込む２枚のハブ板とシュラウド板というプレート材とを、互いにかしめることによって低コストで組み立てられる。掃除機用送風機は停止状態から毎分４５,０００ 回転という高速回転域までの領域を往復して運転されるため、残留応力が残るかしめ部に遠心力による繰り返し荷重がかかることとなり、かしめの応力状態によってはこの部分が破断して羽根車が壊れる場合がある。そこに前述の死水域が羽根前縁部にかかってくると、羽根車前縁部に非定常な空気力も作用するようになり、さらに壊れやすくなるという課題があった。

本発明の目的は上記課題を解決し、羽根車の損失を低減を図った電動送風機及びこれを搭載した電気掃除機を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明の特徴とするところは、ファンケーシング側（静止体側）に具備されるシール構造部の流路面の最下流端部Ａと、羽根車側（回転体側）で羽根前縁がシュラウド板と接続する上端部Ｂとの子午面内相対位置関係について、２点Ａ，Ｂの半径差をΔＲ、軸方向高さの差をΔｂとした時、
０゜≦tan^-1（ΔＲ／Δｂ）≦２９゜ かつ ΔＲ≧０.５［mm］
となるように配置したことにある。

本発明によれば、段差で剥離した流れが羽根車の入口付近に再付着するまでの領域に形成される死水域が羽根前縁部と干渉しない羽根車を形成することができるので、羽根車の損失を低減し、掃除機の吸込力を改善することができる。

以下、本発明の実施例を図面を用いて説明する。

図７は本発明の一実施例に係る電気掃除機の全体外観図である。

１００は集塵室及び電動送風機を収容する電気掃除機本体、１０１は電気掃除機本体１００の前部に接続され集塵室と連通するホース継ぎ手、７０３はホース継ぎ手１０１に回動可能に接続されたホースである。ホース７０３の一端はホース継ぎ手１０１を介して電気掃除機本体１００に接続され、集塵室と連通している。７０４は一端がホース７０３の他端に回動可能に接続され、掃除機の運転の入切を行うスイッチ手段７０５を有する手元操作部、７０６は一端が手元操作部７０４の他端に接続された伸縮可能な延長管、７０７は延長管７０６の他端に接続され掃除面の塵埃を吸込む吸口体である。

掃除機は電気掃除機本体１００に収容された電動送風機で発生した吸引力により、延長管７０６、ホース７０３を介して吸口体７０７の下面から吸込んだ被清掃面の塵埃を集塵室内に搬送するようにしている。

図１に模式的に示した掃除機本体の横断面図において、電気掃除機本体１００内の空気流れを説明する。ホース継ぎ手１０１から流入した空気は、集塵室１０２に入る。図１では集塵手段として紙パック１０３が示されているが、パックの素材は問わない。また、サイクロン方式の場合は、サイクロン室が紙パック１０３の代わりに収まる。紙パック１０３で大部分の塵埃を取り除かれた空気は、さらにフィルター部１０４を通過するが、ここで細かな塵埃も取り除かれる。その後、空気流れはモータ室１０５に流入する。電動送風機１０６は、モータ室１０５に防振ゴム１０７を介して懸架されており、送風機入口１０８から流入した空気は昇圧された後、送風機出口１０９から排気される。

次に図２を用いて、電動送風機１０６について説明する。電動送風機１０６は、送風機２０１と電動機２０２から構成されている。

電動機２０２は、ハウジング２０３およびエンドブラケット２０４からなる電動機外殻に、回転軸２０５が支持され、回転軸２０５にはロータ２０６が取り付けられる。ロータ２０６の外周にはステータ２０７が配置される。ロータ２０６への電気の供給は、ブラシ２０８とそれに接触するコンミテータ２０９により伝えられている。

送風機２０１は、前記回転軸２０５に直結された羽根車２１０と、羽根車２１０の外周側に設置されるディフューザ２１１と、前記ディフューザ２１１に対して仕切り板２１２を挟んで対面に配置されるリターンガイド２１３が、ファンケーシング２１４内に収められる構成となっている。羽根車２１０は、目玉部２１５において、ファンケーシング２１４側に具備されたシール２１６と概略接触しており、漏れを防ぐ構造を有している。

電動送風機入口２１７を通過した空気は、ひとまず目玉部２１５近傍を通過した後、羽根車２１０で昇圧および増速される。その後、ディフューザ２１１を通過して流れは略１８０゜転向し、リターンガイド２１３へと流入するが、この過程において流れは減速されて、その分圧力が上昇する。リターンガイド２１３を通過した流れは、モータハウジング２０３内に流入し、ロータ２０６，ステータ２０７，ブラシ２０８，コンミテータ２０９などを冷却してから排気される。

本実施例が対象とする掃除機用電動送風機の羽根車外径はφ６０mm〜φ１２０mmの範囲にあり、最高回転数は毎分３５,０００〜５０,０００回転の範囲にある。

次に図３を用いて、本発明に係わる第一の実施例について説明する。図３は図２における目玉部近傍を拡大した図である。シール材３０２はファンケーシング３０９に取り付けられたシール材固定部品３０１を介して固定されている。このシール材３０２に対して、羽根車目玉部３１５が食い込み、シール機構が構成されている。このシール機構はこの位置にあることは重要であるが、この方式に限定されるものではない。次に羽根前縁３０７が、シュラウド壁３０４と交差する点を羽根前縁上端部３１２と呼ぶこととする。今、流入流れ３１３は静止しているファンケーシング３０９の表面に沿って吸込まれるが、静止部先端３１４において一旦剥離し、それより下流に位置する羽根車のシュラウド壁３０４に再付着する。この剥離領域は死水域３１１として模式的に図示されている。

一方、羽根３０６はシュラウド壁３０４およびハブ壁３０５と、かしめ３１７によって互いに固定されている。かしめは一般に羽根３０６に沿って複数個用意されるが、ここではシュラウド壁側でかつ最内径側のものにのみ着目して図示した。この理由は前述の死水域との空力干渉を最も受けやすい位置であるとともに、構造的な応力も最も厳しい位置であるためである。即ち、翼間摩擦損失を低減するために、羽根前縁３０７を回転軸３０８に近づけて羽根入口径を小さくしていった場合、回転時の遠心力による羽根の変形を防止するためには、片持ち支持となる範囲を縮小するためにシュラウド壁３０４の内径側の曲率が大きい部分でかしめを実施せざるを得ないが、このような曲面上でのかしめは大きな残留応力が残るためである。

本実施例は、前述の死水域が羽根前縁と干渉しないように、静止部先端３１４（点Ａとする）と羽根前縁上端部３１２（点Ｂとする）との子午面内における位置関係を以下のように数値限定したものである。即ち、この２点Ａ，Ｂの径方向段差３１０をΔＲとし、軸方向幅をΔｂとするとき、両者の関係を図４の斜線で示した範囲内に限定するものである。

図４において、角度限界４００の直線は、次式
θ_gap＝tan^-1（ΔＲ／Δｂ）
によって定義される角度θ_gapが一定値２９゜となるラインであり、θ_gapに関する本実施例の数値限定の上限値を示している。原点を通り、傾きが角度限界４００よりも大きい直線においては、θ_gapがより小さい値となり、静止部端点から羽根前縁の上部端点までの領域サイズと比べて、死水域のサイズが相対的に小さくなることを示している。

一方で製作限界４０１は、漏れ防止用のシール部材を挿入し、かつ羽根車目玉部の真円からのズレを吸収するのに最低限必要な間隙、
ΔＲ＝０.５［mm］
を示したラインであり、この直線よりも右側に実行可能な領域がある。以上の２つの直線４００および４０１に囲まれた領域が本実施例が主張するところの数値限定領域である。

従来の設計でも、羽根車目玉部３１５と羽根前縁上端部３１２という回転体上の２箇所に着目した設計は行われてきたが、本実施例の特徴は羽根前縁上端部３１２と静止部端点３１４という回転部と静止部の２箇所に着目して死水域を考え、前述の通り数値限定した点にある。

図４には、従来技術による送風機４０２と、本実施例であるΔＲとΔｂの制御を施した複数の送風機４０３について、ΔＲとΔｂの関係と、制御前後の送風機効率の向上代の実測値も示してある。θ_gap≒２９゜の領域で効率改善があることが確認されている。一般にこれよりもθ_gapを小さくすればするほどよいと考えられるが、シール構造を備えるに必要な寸法には限度があるため直線４０１を数値限定の下限として設定した。

本構成とすることで死水域が羽根前縁と干渉することを避けることができるため、送風機効率を改善できる。また同時に羽根前縁への非定常空気力を低減することが可能となるので、かしめ部の破断を抑制することができる。

図４には標準的な羽根前縁形状を示したが、図５に示すように例えば羽根前縁５０１のシュラウド壁５０４近傍で切り欠５０２を設けたり、この他極端に羽根前縁を湾曲させたりしているような場合には、図中に示すように補助線５０３を引き、それがシュラウド壁５０４と交差する点か、もしくは静止部端点５０６から同心円５０７を描き、最も距離が近くなる羽根前縁上の点を羽根前縁上端点５０５として定義する。そして両者の内、θ_gapが小さくなる方の定義を採用することとする。

また本実施例では別部材によるシール構造を持つ送風機を前提としたが、ファンケーシングと羽根車の隙間を小さくしたような単純なシール構造であっても、図４に示した数値限定範囲を適用できる。

さらに図３に示した実施例においては、ファンケーシングに沿った流れがほぼ軸方向に向いたところに静止部端点が設置されているが、そのような構成に限定するものではない。例えば、ファンケーシング側がより羽根車側に進入して、本来の羽根車シュラウド壁の一部を兼ねるような構成とし、静止部端点を図３の構成よりも下流側に設定するなどしてもよい。

次に図６を用いて、本発明に関わる第２の実施例を説明する。実施例１では、シール構造により段差が生じていたが、本実施例では図６に示すように、シール材４０２を具備しながら実施例１で見られたような段差を極力排除した形態の例である。本構成は例えば、シュラウド壁を肉厚の板材を元に成形したり、切削加工したりすることによって実現できる。

この場合には、段差はほとんどなくなるが、回転部と静止部という運動状態の差があるため、静止部から流入した流れ４１４が混合・整流されるまでに距離が必要であることは実施例１の場合と同様である。この場合には図６中に示したように径方向距離ΔＲと軸方向距離Δｂを取り、図４に示した角度範囲のみを適用するものとする。効果については実施例１と同様である。

本発明の一実施例に係る掃除機本体の模式的な横断面図である。 本発明の一実施例に係る掃除機用電動送風機の断面図である。 本発明の一実施例に係る羽根車目玉部近傍の構成図である。 本発明の一実施例に係る数値限定範囲と効果を示したものである。 本発明の一実施例に係る特殊な場合を示したものである。 本発明の別の実施例に係る羽根車目玉部近傍の構成図である。 本発明の一実施例に係る電気掃除機の全体外観図である。

符号の説明

１００ 電気掃除機本体
１０６ 電動送風機
１０８ 送風機入口
１０９ 送風機出口
２０１ 送風機
２０２ 電動機
２０３ ハウジング
２０４ エンドブラケット
２０５ 回転軸
２１０，３０３，６０３ 羽根車
２１１ ディフューザ
２１３ リターンガイド
２１４，３０９，６０９ ファンケーシング
２１５，３００，５００，６００ 目玉部
２１６ シール
２１７ 電動送風機入口
３０１，６０１ シール材固定部品
３０２，６０２ シール材
３０４，５０４，６０４ シュラウド壁
３０５，６０５ ハブ壁
３０６，６０６ 羽根
３０７，５０１，６０７ 羽根前縁
３１０，６１０ 径方向段差
３１１ 死水域
３１２，５０５，６１２ 羽根前縁上端部
３１３，６１３ 流れ
３１４，６１４ 静止部先端
３１５，６１５ 羽根車目玉部
３１６，６１６ 軸方向段差
５０６ 静止部端点

Claims (6)

1. 電動機と、該電動機の回転軸に直結された羽根車と、該羽根車の外周側に設置され翼付ディフューザと、前記羽根車と前記ディフューザからなる送風機部を覆うファンケーシングと、前記羽根車の入口部に前記ファンケーシング側に取り付けられたシール部を備えた電動送風機において、
   前記ファンケーシングの流路壁部分の最下流端部Ａと、前記羽根車の羽根前縁がシュラウド壁と交差する羽根前縁上端部Ｂの子午面内相対位置関係において、前記ＡとＢの径方向距離をΔＲ，回転軸方向距離をΔｂとした時、
   ０゜≦tan^-1（ΔＲ／Δｂ）≦２９゜ かつ ΔＲ≧０.５mm
   としたことを特徴とする電動送風機。
2. 電動機と、該電動機の回転軸に直結された羽根車と、該羽根車の外周側に設置され翼付ディフューザと、前記羽根車と前記ディフューザからなる送風機部を覆うファンケーシングと、前記羽根車の入口部に前記ファンケーシング側に取り付けられたシール部を備えた電動送風機において、
   前記羽根車の入口目玉部端点Ａと、前記羽根車の羽根前縁がシュラウド壁と交差する羽根前縁上端部Ｂの子午面内相対位置関係において、前記ＡとＢの径方向距離をΔＲ、回転軸方向距離をΔｂとした時、
   ０゜≦tan^-1（ΔＲ／Δｂ）≦２９゜
   としたことを特徴とする電動送風機。
3. 請求項１又は２において、
   前記電動機は毎分３５,０００〜５０,０００回転の運転領域を有し、前記羽根車は外径がφ６０〜１２０mmであることを特徴とする電動送風機。
4. 集塵室及び電動送風機を有する電気掃除機本体と、該電気掃除機本体に接続されたホースと、該ホースに接続された手元操作部と、該手元操作部に接続された延長管と、該延長管に接続された吸口体とを備え、
   前記電動送風機は、
   電動機と、該電動機の回転軸に直結された羽根車と、該羽根車の外周側に設置され翼付ディフューザと、前記羽根車と前記ディフューザからなる送風機部を覆うファンケーシングと、前記羽根車の入口部に前記ファンケーシング側に取り付けられたシール部を備えた電動送風機において、
   前記ファンケーシングの流路壁部分の最下流端部Ａと、前記羽根車の羽根前縁がシュラウド壁と交差する羽根前縁上端部Ｂの子午面内相対位置関係において、前記ＡとＢの径方向距離をΔＲ，回転軸方向距離をΔｂとした時、
   ０゜≦tan^-1（ΔＲ／Δｂ）≦２９゜ かつ ΔＲ≧０.５mm
   としたことを特徴とする電気掃除機。
5. 集塵室及び電動送風機を有する電気掃除機本体と、該電気掃除機本体に接続されたホースと、該ホースに接続された手元操作部と、該手元操作部に接続された延長管と、該延長管に接続された吸口体とを備え、
   前記電動送風機は、
   電動機と、該電動機の回転軸に直結された羽根車と、該羽根車の外周側に設置され翼付ディフューザと、前記羽根車と前記ディフューザからなる送風機部を覆うファンケーシングと、前記羽根車の入口部に前記ファンケーシング側に取り付けられたシール部を備えた電動送風機において、
   前記羽根車の入口目玉部端点Ａと、前記羽根車の羽根前縁がシュラウド壁と交差する羽根前縁上端部Ｂの子午面内相対位置関係において、前記ＡとＢの径方向距離をΔＲ，回転軸方向距離をΔｂとした時、
   ０゜≦tan^-1（ΔＲ／Δｂ）≦２９゜
   としたことを特徴とする電気掃除機。
6. 請求項４又は５において、
   前記電動機は毎分３５,０００〜５０,０００回転の運転領域を有し、前記羽根車は外径がφ６０〜１２０mmであることを特徴とする電気掃除機。

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