JP2009216086A - 電動送風機 - Google Patents

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Abstract

【課題】吸込口から排出口までのインペラ内の気流の流路中の渦流れの発生を低減し、送風効率を向上させる。
【解決手段】インペラ3の側板32は、その高さが中央開口部32aの縁部32dから周縁部32bにいくにしたがって徐々に低くなるように形成される。中央開口部の縁部から周縁部までの出力軸に垂直な方向に沿った距離をL、中央開口部の縁部から周縁部までの出力軸方向に沿った距離をH、出力軸に垂直な方向において中央開口部の縁部から0.1×Lだけ離れた側板上の地点をP、中央開口部の縁部から地点Pまでの出力軸方向に沿った距離をΔHとしたとき、ΔH/H≧0.4を満足する。
【選択図】図6

Description

本発明は、電気掃除機等に好ましく使用される電動送風機に関する。また、本発明は電動送風機を備えた電気掃除機に関する。
特許文献1には、モータによって回転されるインペラを備えた、上記の技術分野に使用される電動送風機が記載されている。この電動送風機では、インペラ内の複数の羽根の中央側先端を結んだ、インペラ内の仮想円柱面の総面積をS1、インペラの吸込口の総面積をS0としたとき、S1/S0は1.0〜1.4の範囲に設定される。回転中心軸を含む断面において、インペラの側板の中央開口部近傍の曲率半径をR、インペラの羽根の中央側先端の回転中心軸方向の幅をbとしたとき、R/bは0.6〜0.9の範囲に設定される。これらにより、送風効率を高く維持することができると記載されている。
特開平9−14192号公報
図16は、上記の従来の電動送風機を構成するインペラ130の、回転中心軸を含む面に沿った部分断面図である。インペラ130が回転中心軸130aを中心として回転すると、側板132の中央開口部(吸込口)132aから流入し、側板132の周縁部132bと主板131の周縁部131bとの間の排出口139から流出する空気の流れ(気流)135が形成される。
ところが、図16からわかるように、従来の電動送風機では、側板132の中央開口部132aの近傍の流路中に渦流れ134と言われる乱流が発生し、送風効率が低下するという問題が生じていた。
本発明は、以上の問題を解決するものであり、吸込口から排出口までのインペラ内の気流の流路中の渦流れの発生を低減し、送風効率が向上した電動送風機を提供することを目的とする。また、本発明は、送風効率が向上した電動送風機を備えた電気掃除機に関する。
本発明の電動送風機は、ロータを有するモータと、前記ロータの出力軸に取り付けられた、周縁部が円形状の主板、前記主板に同軸に且つ所定の間隔をおいて配置され、気流を流入させる中央開口部が形成された、周縁部が円形状の側板、及び、前記主板と前記側板との間に配置された複数の羽根により構成されるインペラと、を備える。前記インペラの前記側板は、その高さが、前記中央開口部の縁部から前記周縁部にいくにしたがって徐々に低くなるように形成される。前記中央開口部の前記縁部から前記側板の前記周縁部までの前記出力軸に垂直な方向に沿った距離をL、前記中央開口部の前記縁部から前記側板の前記周縁部までの前記出力軸方向に沿った距離をH、前記出力軸に垂直な方向において前記中央開口部の前記縁部から0.1×Lだけ離れた前記側板上の地点をP、前記中央開口部の前記縁部から前記地点Pまでの前記出力軸方向に沿った距離をΔHとしたとき、ΔH/H≧0.4を満足する。
本発明の電気掃除機は、上記の本発明の電動送風機を備える。
本発明によれば、比ΔH/HがΔH/H≧0.4を満足するので、吸込口から排出口までのインペラ内の気流の流路中の渦流れの発生を低減することができ、送風効率を向上させることができる。
上記の本発明の電動送風機において、前記側板の前記中央開口部に、前記出力軸と同軸の円筒形状が形成されていることが好ましい。
また、前記側板の前記中央開口部の総面積をS1、前記複数の羽根の外側端を通り前記出力軸を中心軸とした仮想円柱面の、前記主板と前記側板との間の部分の総面積をS2、前記側板の前記中央開口部の前記縁部と前記複数の羽根の前記外側端との間の範囲に形成される、前記出力軸を中心軸とした仮想円柱面の、前記主板と前記側板との間の部分の総面積をS3としたとき、S1<S3<S2の関係が成立することが好ましい。
以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を用いて説明する。但し、本発明は以下の実施形態に限定されないことはいうまでもない。図面は発明を容易に理解できるように概念的に描かれており、図面に描かれた各部の寸法及び寸法比は実際のものと一致していない。
図1は、本発明の一実施形態に係る電動送風機50を示す半断面図である。
本実施形態に係る電動送風機50は、ブラケット20に回転自在に保持されたロータ10を有するモータ1と、ロータ10の出力軸2に取り付けられたインペラ3と、インペラ3の外周および下部に通風路を形成するエアガイド4と、インペラ3とエアガイド4とを内包し、モータ1の外周に気密に取り付けられるファンケース5とを備える。
モータ1の界磁は、界磁コア11に界磁巻線12を巻装することで構成されている。ロータ10は、出力軸2の両端に設けられた軸受21によって回転中心軸10aの回りに回転自在に支承されている。界磁は、ブラケット20に固定される。また、ブラケット20には、一対のカーボンブラシ(図示せず)がブラシ保持器22を介してネジ23に固定されている。
ファンケース5には、その中央部に吸気口51が形成されている。ブラケット20の外周には、複数の排気口52が形成されている。
エアガイド4は、複数の静翼41を備えている。そして、隣接する静翼41間に、インペラ3の外周から排出された空気を導くボリュート室が形成される。
図2はインペラ3の平面図、図3は図2のIII−III線に沿ったインペラ3の断面図、図4はインペラ3の側面図、図5は図4のV−V線に沿ったインペラ3の断面図である。また、図6はインペラ3内の気流を示す、回転中心軸10aを含む面に沿った部分断面図である。
インペラ3は、ロータ10の出力軸2にこれと同軸に取り付けられた主板31と、主板31と同軸に且つ所定の間隔をおいて配置された側板32と、主板31と側板32との間に周方向に等間隔に配置された複数の羽根33とにより構成される。回転中心軸10aに沿って見た主板31の周縁部31bは円形状である。側板32の中央には気流を流入させる中央開口部32aが形成され、回転中心軸10aに沿って見た側板32の周縁部32bは円形状である。回転中心軸10aに沿って見た中央開口部32aの縁部32dは円形状である。回転中心軸10a(または出力軸2)に垂直な方向(半径方向)において、主板31の周縁部31b、側板32の周縁部32b、及び複数の羽根33の外側端(回転中心軸10aから最も遠い部分)の位置は一致している。図5において矢印3aはインペラ3の回転方向を示す。インペラ3が回転方向3aに回転すると、空気は中央開口部(吸込口)32aから流入し、側板32の周縁部32bと主板31の周縁部31bとの間の排出口39から流出する。
図6に示すように、インペラ3の側板32の空気の流路を形成する面(すなわち、主板31に対向する側の面、以下、この面を「内面」という)は、その高さ(出力軸2方向の位置)が、中央開口部32aの縁部32dから周縁部32bにいくにしたがって徐々に低くなるように(即ち、主板31に近づくように)形成される。
更に、側板32の内面の曲面は以下の条件を満足する。図6に示すように、中央開口部32aの縁部32dから側板32の周縁部32bまでの出力軸2に垂直な方向(半径方向)に沿った距離をL、中央開口部32aの縁部32dから側板32の周縁部32bまでの出力軸2の方向(回転中心軸10aの方向)に沿った距離をH、出力軸2に垂直な方向において中央開口部32aの縁部32dから0.1×Lだけ離れた側板32の内面上の地点をP、中央開口部32aの縁部32dから地点Pまでの出力軸2の方向に沿った距離をΔHとしたととき、ΔH/H≧0.4を満足する。この理由について、以下説明する。
図7は、側板32の内面の中央開口部32a近傍の地点Pの高さを変えたときに、比較例の電動送風機に対して効率がどのように変化するかを解析により求めた結果を示した図である。図7において、横軸は、中央開口部32aの縁部32dから周縁部32bまでの距離Hに対する、中央開口部32aの縁部32dから側板32の内面上の地点Pまでの距離ΔHの比((ΔH/H)×100(%))を示す。また、縦軸は、比較例の電動送風機に対する効率の差を示す。ここで、「比較例の電動送風機」では、比ΔH/Hは25%である。即ち、図7は、側板32の内面上の地点Pの出力軸2の方向の高さの変化に対する電動送風機の効率の変化を、比ΔH/Hが25%である場合を基準として示したものである。
なお、電動送風機の効率は、
(効率)=(ファン出力)/(モータ入力)
により定義される。ここで、
(ファン出力)=(風量)×(静圧)
(モータ入力)=(電流)×(電圧)×(力率)
である。
図7から分かるように、中央開口部32aの近傍に位置する、側板32の内面上の地点Pの縁部32dからの距離(地点Pの落ち込み量)ΔHの、周縁部32bの縁部32dからの距離(全落ち込み量)Hに対する比ΔH/Hが、電動送風機の効率に大きな影響を与える。
具体的には、側板32の内面の全落ち込み量に対する地点Pの落ち込み量の比ΔH/Hが40%未満のとき、比較例の電動送風機との効率差は0.2%未満である。ここで、「0.2%」の効率差は、電動送風機の特性を実測する際の一般的な測定限界である。
これに対し、比ΔH/Hが40%以上の場合には、比較例の電動送風機に対する効率差が0.2%以上となり、効率が飛躍的に上がっている。
インペラ3の流路内での空気の流れを解析により求めた結果を図8、図9に示す。図8は、比ΔH/Hが25%である比較例の電動送風機のインペラ3内で空気の流れを示し、図9は、比ΔH/Hが40%である本発明の一実施形態に係るインペラ3内で空気の流れを示す。これらの図はインペラ3の回転中心軸10aを含む断面図であり、図中に示した矢印は、当該断面上の各地点での空気の三次元内での流れ方向を当該断面へ投影したものである。矢印の長さは、流速と一致していない。
図8では地点Pの近傍で空気の渦流れが発生しているのに対して、図9では地点Pの近傍にそのような空気の渦流れが発生していないことが分かる。本発明者らは、上述した図16に示した従来の電動送風機では、図8に示されている比較例の電動送風機と同様に、空気の渦流れがインペラの流路内の地点Pの近傍で発生していることに着目した。そして、図9に示されているように地点Pでの側板32の内面の高さを低くする(即ち、ΔHを大きくする)ことで上記の空気の渦流れの発生を抑制することができ、その結果、図7で説明したように送風効率が飛躍的に向上することを見出した。
以上から、本発明に係る電動送風機のインぺラ3は、側板32の内面の全落ち込み量Hに対する地点Pの落ち込み量ΔHの比ΔH/HがΔH/H≧0.4を満足するように構成される。これにより、吸込口(中央開口部)32aから排出口39までのインペラ3内の気流の流路中での空気の渦流れの発生が低減され、送風効率を向上させることができる。
一方で、図7に示されるように、比ΔH/Hが90%を越えると、比較例の電動送風機との効率差は0.2%未満となる。これは、中央開口部32aの縁部32d付近で気流の流路の断面積が急激に縮小するため、気流の平均流速が急激に加速するためであると考えられる。
したがって、比ΔH/Hは、0.4≦ΔH/H≦0.9を満足することが好ましい。
本発明の電動送風機を電気掃除機等に使用する場合には、図6に示すように、中央開口部32aの半径(回転中心軸10aから縁部32dまでの距離)をR0、インペラ3の半径(回転中心軸10aから複数の羽根33の外側端までの距離)をR1としたとき、R0/R1<0.5を満足することが好ましい。また、主板31の周縁部31bと側板32の周縁部32bとの回転中心軸10a方向の距離をH1としたとき、H1<Hを満足することが好ましい。また、複数の羽根33は、図5に示すように、インペラ3の回転方向3a側に凸である曲面を有する、いわゆる「後ろ向き羽根」であることが好ましい。
側板32の中央開口部32aに、出力軸2と同軸の円筒形状が形成されていることが好ましい。図10は、図6におけるX部を拡大して示した断面図であり、中央開口部32aに円筒形状であるストレート部32cが形成されていることを示している。仮に、ファンケース5の吸気口51と側板32の中央開口部32aとの境界近傍の流路を形成する壁面に屈曲部が存在すると、この屈曲部により気流に乱れが生じてしまう。このため、本実施形態では、側板32の中央開口部32aに、出力軸2と同軸のストレート部32cを形成して、ファンケース5と側板32との境界部分の流路を形成する壁面をスムーズな曲面としている。これにより、気流に乱れが生じにくくしている。このように中央開口部32aに円筒形状であるストレート部32cを形成することにより、ファンケース5の吸気口51から流入した気流を側板32の内面に沿ってスムーズに流すことができる。なお、ストレート部32cを形成した場合には、その上端が中央開口部32aの縁部32dとなる。
側板32の中央開口部32aの総面積をS1、複数の羽根33の外側端を通り出力軸2を中心軸とした仮想円柱面の、主板31と側板32との間の部分の総面積をS2、側板32の中央開口部32aの縁部32dと複数の羽根33の外側端との間の範囲に形成される、出力軸2を中心軸とした仮想円柱面の、主板31と側板32との間の部分の総面積をS3としたとき、S1<S3<S2の関係が成立することが好ましい。
このように構成すると、吸込口(中央開口部)32aから排出口39までのインペラ3内の流路中での気流がスムースとなる。この理由について、以下に説明する。
図11は、インペラ3において定義される面積S1,S2,S3を示した斜視透視図である。面積S1は、インペラ3の吸込口での流路面積を意味し、回転中心軸10aから中央開口部32aの縁部32dまで距離R0を半径とする円の面積により定義される。面積S2は、インペラ3の排出口39での流路面積を意味し、これを定義する仮想円柱面の半径はR1(=R0+L)である。面積S3は、インペラ3内の流路面積を意味し、回転中心軸10aからの距離Rを半径とする仮想円柱面によって定義される。ここで、半径Rは変数であり、その最小値は半径R0であり、その最大値は半径R1である。
図12は、インペラ3内の流路面積S3の半径方向に沿った変化を示した図である。図12の横軸は、半径方向における位置を示し、中央開口部32aの縁部32dからの距離を、縁部32dから複数の羽根33の外側端までの距離Lに対する割合(((R−R0)/L)×100(%))で表示している。図12の縦軸は、半径方向における各位置での流路面積S3を示し、流路面積S1,S2との相対的な関係で表示している。図12では、流路面積S3の半径方向における変化を、図6で説明した地点Pでの落ち込み量比ΔH/Hを「比較例」(25%)、40%、70%、100%の4通りに変えて示している。
図13は、インペラ3内の気流の平均流速の半径方向に沿った変化を示した図である。図13の横軸は、図12の横軸と同様に、半径方向における位置を示し、中央開口部32aの縁部32dからの距離を、縁部32dから複数の羽根33の外側端までの距離Lに対する割合(((R−R0)/L)×100(%))で表示している。図13の縦軸は、半径方向における各位置でのインペラ3内の気流の平均流速を示す。図12と同様に、図13でも、気流の平均流速の半径方向における変化を、図6で説明した地点Pでの落ち込み量比ΔH/Hを「比較例」(25%)、40%、70%、100%の4通りに変えて示している。
地点Pでの落ち込み量比ΔH/Hが100%の場合、図12に示されているように、インペラ3内に、流路面積S3が流路面積S1以下となる部分が存在する。そして、この場合には、図13に示されているように、インペラ3内に、気流の平均流速が中央開口部32aでの気流の平均流速を上回る部分が存在する。
これは、側板32の吸込口(中央開口部)32aから流入した気流が、インペラ3の吸込口32aでの流路面積S1よりも小さい流路面積の部分を通過入する際に、急激に加速して互いに反発し合い乱流を生じさせることが原因であると考えられる。すなわち、図14に示すように、側板32の吸込口32aから流入した気流が急激に加速されると、空気は羽根33の圧力面33a側に偏って流れる。そうすると、羽根33の負圧面33b側の気流と、羽根33の圧力面33a側の気流との間に速度差が生じ、これらの速度差のある気流同士の摩擦により、摩擦損失が増加する。したがって、インペラ3内に、流路面積S3がインペラ3の吸込口32aでの流路面積S1以下となる部分が存在する場合には、送風効率が低減する。このため、インペラ3において上記の通り定義される流路面積S1,S2,S3がS1<S3<S2の関係を満足することが好ましい。
インペラ3の製造方法は、特に限定はなく、公知の製造方法を用いることができる。例えば、プレス加工により一定厚さの金属製の板材から所望する外形及び曲面を有する主板31、側板32、羽根33を別個に成形し、次いで、これらをカシメ加工により接合することができる。これにより、電気掃除機等に好適な小型且つ軽量のインペラ3を作成することができる。プレス加工を用いると、側板32の中央開口部32aに円筒形状のストレート部32cを容易に形成することができ、且つ、ストレート部32cの肉厚は、側板32のこれ以外の部分の肉厚と同じかこれより僅かに薄くなる。
図15に、本発明の電動送風機50を備えた電気掃除機80の一例の概略構成を示す。電動送風機50は掃除機本体81内に内蔵されている。掃除機本体81に、可撓性を有する吸引ホース82、操作スイッチ等が配されたハンドル83、接続管84、吸口体85がこの順に接続されている。電動送風機50と吸引ホース82との間に、吸口体85から吸引された気流中の塵を分離し捕獲する集塵部(図示せず)が設けられている。図15は一例であって、本発明の電気掃除機は図15に限定されない。本発明の電動送風機は、公知の如何なる電気掃除機にも用いることができる。本発明の電動送風機を用いることにより、吸引力に優れた電気掃除機を実現できる。
上記の実施形態は一例に過ぎず、本発明はこれに限定されず、種々に変更することができる。
例えば、上記の実施形態では、半径方向において、主板31の周縁部31b、側板32の周縁部32b、及び複数の羽根33の外側端の位置は一致していたが、これらのうちの少なくとも1つが他と異なっていても良い。
インペラ3に設けられる羽根33の数やその曲面形状は任意に設定することができる。
インペラ3以外の電動送風機の構成は、上記の実施形態に限定されず、例えば電動送風機の用途などに応じて公知の構成を適宜選択して適用することができる。
本発明の電動送風機の用途は、電気掃除機に限定されず、送風機が必要とされる各種装置に用いることができる。
以上に説明した実施の形態は、いずれもあくまでも本発明の技術的内容を明らかにする意図のものであって、本発明はこのような具体例にのみ限定して解釈されるものではなく、その発明の精神と請求の範囲に記載する範囲内でいろいろと変更して実施することができ、本発明を広義に解釈すべきである。
本発明は、吸込口から排出口までのインペラ内の気流の流路中の渦流れの発生が低減され、送風効率が向上した電動送風機として広く利用することができ、例えば電気掃除機等に使用される電動送風機として有用である。
図1は、本発明の一実施形態に係る電動送風機を示す半断面図である。 図2は、本発明の一実施形態に係る電動送風機に搭載されるインペラを示す平面図である。 図3は、図2のIII−III線に沿ったインペラの矢視断面図である。 図4は、本発明の一実施形態に係る電動送風機に搭載されるインペラを示す側面図である。 図5は、図4のV−V線に沿ったインペラの矢視断面図である。 図6は、インペラ内の気流を示す部分断面図である。 図7は、側板の内面の中央開口部近傍の地点Pの高さと、比較例の電動送風機に対する効率差との関係を示す図である。 図8は、比ΔH/Hが25%である比較例のインペラの流路内での空気の流れの解析結果を示した図である。 図9は、比ΔH/Hが40%である本発明の一実施形態に係るインペラの流路内での空気の流れの解析結果を示した図である。 図10は、図6のX部の拡大断面図である。 図11は、インペラの流路面積S1,S2,S3を示す斜視透視図である。 図12は、インペラ内の流路面積S3の半径方向に沿った変化を示した図である。 図13は、インペラ内の気流の平均流速の半径方向に沿った変化を示した図である。 図14は、インペラ内の気流を示した平面断面図である。 図15は、本発明の一実施形態に係る電気掃除機の概略構成を示す図である。 図16は、従来の電動送風機を構成するインペラの一部を拡大して示す部分断面図である。
1 モータ
2 出力軸
3 インペラ
4 エアガイド
5 ファンケース
10 ロータ
10a 回転中心軸
11 界磁コア
12 界磁巻線
20 ブラケット
21 軸受
22 ブラシ保持器
23 ネジ
31 主板
31b 主板の周縁部
32 側板
32a 側板の中央開口部
32b 側板の周縁部
32c ストレート部(円筒形状)
32d 中央開口部の縁部
33 羽根
33a 圧力面
33b 負圧面
39 排出口
41 静翼
50 電動送風機
51 吸気口
52 排気口
80 電気掃除機
81 掃除機本体
82 吸引ホース
83 ハンドル
84 接続管
85 吸口体

Claims (4)

  1. ロータを有するモータと、
    前記ロータの出力軸に取り付けられた、周縁部が円形状の主板、前記主板に同軸に且つ所定の間隔をおいて配置され、気流を流入させる中央開口部が形成された、周縁部が円形状の側板、及び、前記主板と前記側板との間に配置された複数の羽根により構成されるインペラと、
    を備え、
    前記インペラの前記側板は、その高さが、前記中央開口部の縁部から前記周縁部にいくにしたがって徐々に低くなるように形成され、
    前記中央開口部の前記縁部から前記側板の前記周縁部までの前記出力軸に垂直な方向に沿った距離をL、前記中央開口部の前記縁部から前記側板の前記周縁部までの前記出力軸方向に沿った距離をH、前記出力軸に垂直な方向において前記中央開口部の前記縁部から0.1×Lだけ離れた前記側板上の地点をP、前記中央開口部の前記縁部から前記地点Pまでの前記出力軸方向に沿った距離をΔHとしたとき、ΔH/H≧0.4を満足することを特徴とする電動送風機。
  2. 前記側板の前記中央開口部に、前記出力軸と同軸の円筒形状が形成されている請求項1に記載の電動送風機。
  3. 前記側板の前記中央開口部の総面積をS1、前記複数の羽根の外側端を通り前記出力軸を中心軸とした仮想円柱面の、前記主板と前記側板との間の部分の総面積をS2、前記側板の前記中央開口部の前記縁部と前記複数の羽根の前記外側端との間の範囲に形成される、前記出力軸を中心軸とした仮想円柱面の、前記主板と前記側板との間の部分の総面積をS3としたとき、S1<S3<S2の関係が成立する請求項1または2に記載の電動送風機。
  4. 請求項1〜3のいずれかに記載の電動送風機を備えた電気掃除機。
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