JP2011080409A - 遠心送風機および電気掃除機 - Google Patents

Abstract

【課題】高静圧、低風量の運転条件となる電気掃除機などに適用する遠心送風機において、騒音低減、送風効率向上を実現する。
【解決手段】電動機１０と、電動機により回転駆動される羽根車５と、羽根車を覆い中央部に空気を取り入れるベルマウス９を有するファンカバー７と、羽根車の外周に配置されたディフューザー１２とを備え、羽根車は、電動機の出力軸に結合されたハブ４と、ハブに対向して配置され中央部に流体の流入開口部を有するシュラウド２と、ハブとシュラウドとの間に回転方向に対して後ろ向きに配置され複数の流路を形成する翼３とを備え、回転中心を中心とする円筒断面における流路の軸方向高さが、シュラウドの内周端において最も高く、外周側に進むにつれて低くなり、内周端近傍および外周端近傍においては全周同じ高さであり、その間の流路断面では、圧力面側の軸方向高さを負圧面側の軸方向高さよりも低くする。
【選択図】図５

Description

本発明は、電気掃除機などに好適に使用される遠心送風機および遠心送風機を備えた電気掃除機に関するものである。

従来の遠心送風機は、ハブとシュラウドと隣接する２枚の翼とで囲まれる風路の断面は、軸方向寸法となるハブとシュラウドとの距離が周方向において一定であることが一般的である。しかしながら、風路内の流れは翼間で一定ではなく分布を有する。その分布に起因する剥離流れによって生じる騒音増加や送風効率低下といった送風性能低下を抑制するために、ハブまたはシュラウドを周方向に階段状に形成することによって、ブレードの圧力面側の出口幅を負圧面側の出口幅よりも小さくした遠心送風機がある（たとえば、特許文献１参照）。
その一方、シュラウド（側板とも呼ばれる）の曲率を周方向に変化させるようにした遠心送風機もある（たとえば、特許文献２参照）。

特開２００１−２６３２９４号公報（図４、図６） 特開２００８−２２３７４１号公報（図６、図７）

しかし、特許文献１、２に開示された遠心送風機は空気調和機などのように比較的低静圧、高風量の用途に適用するものであり、電気掃除機などのように高静圧、低風量の用途に対しては騒音性能、送風効率において満足のいくものではなかった。特に、特許文献２のように圧力面側の風路高さを相対的に高く（特許文献２では曲率α１を小さく）すると、圧力面側へ流れが集中する。電気掃除機用などのより高静圧の遠心送風機では、翼出口（空気吐出口）の周方向速度分布が大きいと出口部における損失が顕著になる。また、翼外周にあるディフューザーの静翼への流入速度変動が大きくなり、騒音が大きくなる。
特許文献１では、圧力面側の風路高さ（出口高さも同様）を負圧面側よりも低くしているものの、この風路高さの高低関係は回転軸を中心とする円筒断面においてのみ考慮されているにすぎない。そのため、風路高さの高低差の程度によっては流路における速度分布や圧力分布に偏りが生じ、騒音が大きくなる場合がある。

本発明は、上記のような課題に鑑み、空気調和機よりもはるかに高静圧、低風量の運転条件となる電気掃除機などに適用する遠心送風機において、騒音低減、送風効率向上を実現することを目的としている。

本発明に係る遠心送風機は、電動機と、電動機の出力軸に結合されて回転駆動される羽根車と、羽根車を覆い中央部に空気を取り入れるベルマウスを有するファンカバーと、羽根車の外周に配置されたディフューザーとを備え、
前記羽根車は、前記電動機の出力軸に結合されたハブと、ハブに対向して配置され中央部に流体の流入開口部を有するシュラウドと、ハブとシュラウドとの間に回転方向に対して後ろ向きに配置され複数の流路を形成する翼とを備え、
回転中心を中心とする円筒断面における前記流路の軸方向高さが、シュラウドの内周端において最も高く、外周側に進むにつれて低くなり、内周端近傍および外周端近傍においては全周同じ高さであり、その間の流路断面では、圧力面側の軸方向高さが負圧面側の軸方向高さよりも低くなっているものである。

本発明の遠心送風機は、流路内の流れが圧力面側に偏ることを抑制し、羽根車から吐出する流出開口部において、圧力面側から負圧面側にかけての圧力分布、速度分布の偏りを抑制するので空力音を低減するという効果がある。
また、回転する翼の後縁において圧力面側からの流れと負圧面側からの流れとの混合による損失を低減するので、必要な動力の低減すなわち送風効率の向上を実現することができる。

本発明の実施の形態１に係る遠心送風機の断面図である。 実施の形態１における羽根車の斜視図である。 羽根車のシュラウドを除いた状態を示す斜視図である。 実施の形態１における羽根車の上面図である。 実施の形態１における羽根車の円筒断面位置における断面図である。 実施の形態１における羽根車の上面図である。 実施の形態１における羽根車の垂直断面位置における断面図である。 実施の形態１における羽根車内の流路における空気の流れを示す部分上面図である。 実施の形態１における羽根車と静翼の部分上面図である。 実施の形態１の遠心送風機の部分断面図である。 実施の形態２の遠心送風機を備えた電気掃除機の概要図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を詳細に説明する。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１に係る遠心送風機１を示す断面図で、回転軸を通る平面における断面図である。
本実施の形態に係る遠心送風機１は、電気掃除機に使用される遠心送風機（電動送風機）として構成されている。この遠心送風機１は、電動機１０の出力軸１１に連結される円形のハブ４と、中心に円形開口部を有するシュラウド２と、ハブ４とシュラウド２との間に回転方向に対し後ろ向きに配置された複数の翼３とから構成された羽根車５を備える。羽根車５は、回転軸６（図面では回転中心として示されている。）を中心に回転する。回転軸６は電動機１０の出力軸１１と同一または動力伝達された軸である。本例では回転軸が電動機の出力軸と同一の場合を示している。

羽根車５の上部はファンカバー７で覆われ、ファンカバー７の中心部には空気の吸込口８を形成するベルマウス９が一体に取り付けられている。羽根車５の外周にはファンカバー７と一体のディフューザー１２を構成する静翼１３が配設してあり、本例では電動機１０を冷却するために、気流を内周側に戻す風路を構成する戻り静翼１４が配設されている。なお、図１に示す矢印は空気の流れの方向を示している。１５は電動機１０のケーシングに設けられた排気口である。

図２は羽根車５のみを取り出した斜視図である。シュラウド２の中央には空気を取り入れるための流入開口部１６が設けられる。流入開口部１６はファンカバー７のベルマウス９により形成される吸込口８に連通している。ハブ４とシュラウド２の外周端における隣接する２枚の翼間の翼空間は空気を吐出するための流出開口部１７である。なお、矢印１８は羽根車５の回転方向（図面では反時計方向）である。

図３は羽根車５の内部を分かり易く説明するために、図２からシュラウド２を除いた状態を示す斜視図である。翼３は内周から外周に向かい回転方向１７とは反対に向かう後ろ向きの羽根である。なお、翼３はキャンバーを有する翼型形状に形成されていてもよい。
そして、翼３の圧力面３ａと回転方向１８に隣接する翼３の負圧面３ｂとハブ４とシュラウド２（図３では図示していない）とで囲まれた空間で羽根車５内に複数の流路２０を区画形成する。流路２０の高さとなる回転軸６と平行な方向の寸法は全体としては、流入開口部１６に近い内周端（シュラウド内周端）において最も高く、外周側に進むにつれて低くなり流出開口部１７付近では全周同じ高さとなっている。つまり、シュラウド２の外周端近傍はハブ４内側面と平行な環状平坦面となっている。したがって、流路２０の入口および出口は、後述する円筒断面で見た場合にはそれぞれ全周にわたって一定の高さを有する方形状となっている。

図４は羽根車５をシュラウド２側から回転軸に平行な視点で見た上面図である。図４に破線で示す円筒断面線２１は、回転軸を中心とした円筒断面位置を示す線である。
図５は図４で示す円筒断面位置で羽根車５を切断したときの断面側面図であり、流路２０の形状を説明するための図である。
シュラウド２の形状は周方向で一定ではなく、ハブ４と対向する内側の面（以下、内面という）およびファンカバー７に向いた外側の面（以下、外面という）に周方向に段差２２を有する。そのため、翼３の圧力面３ａはシュラウド２の段差２２に沿って配置されているので、流路断面の圧力面側高さ（翼３の圧力面の高さ）Ｈａが負圧面側高さ（隣接する翼３の負圧面の高さ）Ｈｂよりも低くなっている。
なお、シュラウド２の外面にも段差２２を形成しているが、好ましくは外面は山形状の滑らかな曲面の隆起に形成する方がよい（図示省略）。このような外面形状にすることにより、シュラウド２の回転による空気の乱れや渦が外面の段差から生じるのを抑制することができ、騒音の低下、送風効率の向上を図ることができる。

ここで、円筒断面における流路高さの圧力面側と負圧面側の差と円筒断面の半径位置との関係について説明する。
流路２０の内周端および外周端近傍ではそれぞれ圧力面側と負圧面側の高さは同じ、つまりＨａ＝Ｈｂであり、その間の流路断面では圧力面側高さＨａが負圧面側高さＨｂよりも低く、つまりＨａ＜Ｈｂとなっている。すなわち、流路２０の内周端および外周端近傍における断面形状はいずれも矩形となっており、その間の流路断面形状は矩形の上辺が負圧面３ｂから圧力面３ａに向かって下向きに傾斜した横向きの台形状で連続する形態となっている。

そして、ＨａとＨｂの差が最大となるのは、シュラウド２の流入開口部１６の半径をＲｉ、流出開口部１７の半径をＲｏとしたときに、両者の平均よりも内周側、つまり（Ｒｉ＋Ｒｏ）／２よりも内周側の半径位置である。これは、上流（内周）側で速度分布がついてしまうと、下流（外周）側で是正するのは困難であるという理由による。しかし、最内周で大きく高さの差（圧力面と負圧面の高さの差）を付けると流路２０の入口にできる高さの差から渦が発生し昇圧性能を低下させてしまうため、最内周は高さの差を付けないものとする。その基で上流側で速度分布を抑制する効果を最大限に得るために「圧力面側と負圧面側の高さの差が最大となる半径位置」を上記のように設定するものである。
また、内周端および外周端近傍でそれぞれＨａ＝Ｈｂである範囲は、内周側は（Ｒｏ−Ｒｉ）の５％程度、外周側は２０％程度が適当である。

図６は図４と同じく羽根車５の上面図である。翼３を翼間の半ピッチ分だけ回転させた位置にあたる流路中央線２１を想定し、流路中央線２１に垂直かつ回転軸（回転中心）に平行となる面で切断する流路垂直断面線２２を考える。つまり、流路中央線２１は翼３を翼間の半ピッチ分だけ回転させたときの翼３のハブ面への投影線（翼中心線の投影線）である。
図７は図６に点線で示した丸鋸歯状の流路垂直断面線２２で羽根車５を切断したときの断面図であり、流路２０の形状の特徴を説明するための図である。
すなわち、垂直断面における流路２０の圧力面側高さ（翼３の圧力面の高さ）Ｈｃは、負圧面側高さ（隣接する翼３の負圧面の高さ）Ｈｄよりも高く、または同じとしている。つまり、Ｈｃ≧Ｈｄである。これは、先に述べたＨａ＜Ｈｂの関係を制限する狙いを有しているものであり、円筒断面における流路２０の圧力面側高さＨａが過度に低くなるのを防ぐためである。

次に動作について説明する。
上記のように構成された遠心送風機１においては、電動機１０の出力により回転軸とともに羽根車５が回転する。羽根車５内の気体は全体的には遠心力を受け外周へ向かう力を受け、流入開口部１６から流出開口部１７へと向かう流路２０内の流れができる。

羽根車５内の流路２０における流れを図８を用いて説明する。図８は上面視であり、流路２０内を分かり易くするためにシュラウドは図示していない。流入開口部１６の縁は破線で示している。回転する羽根車５を基準とした相対場で見ると、矢印で示す流れは翼３の圧力面３ａ、負圧面３ｂに概ね平行であり、詳細には負圧面側から圧力面側に傾いた流れである。図４や図５のような円筒断面における流れは当然負圧面３ｂから圧力面３ａに向いた流れであるが、図６や図７のような垂直断面においても負圧面３ｂから圧力面３ａに向いた流れとなる。

本実施の形態の遠心送風機１では、流路２０の軸方向高さを図５のように円筒断面において圧力面側の軸方向高さＨａを負圧面側の軸方向高さＨｂよりも低くしているので、圧力面側の流路が負圧面側に比べて相対的に狭くなるため負圧面側から圧力面側への流れの傾きが抑制される。その結果、翼３の後縁３ｃにおいて圧力面側からの流れと負圧面側からの流れの混合による乱れが抑制されるため、騒音の小さい送風機とすることができる。また、流れの混合による圧力損失が少なく、送風効率の高い送風機とすることができる。

また、図７を用いて説明したように、流路中央線２１に垂直な断面においては流路高さを圧力面側と負圧面側で同じ、もしくは圧力面側を高くしているので、円筒断面において、圧力面側が負圧面側に対して過度に低くならないために低騒音、高効率の遠心送風機とすることができる。

次に、羽根車５からの流れと静翼１３との関係について説明する。図９は図８に静翼１３の前縁側を追記したものである。従来技術の場合、流出開口部１７からの流れは絶対場で見て、翼３の圧力面側では羽根車外周における接線に対する角度が相対的に大きく、負圧面側では小さい。また速度は圧力面側が相対的に小さく、負圧面側が大きい。つまり、静翼１３への入射角度、速度は、翼３との位置関係によって変動する。このことは、設計入射角からのずれが生じることを意味し、騒音増加、効率低下の要因である。特に翼３の後縁３ｃが通過する時は瞬時に大きく変動するとともに、圧力面側からの流れと負圧面側からの流れが混合し大きく乱れた流れが入射する。

本実施の形態の遠心送風機１では、流路２０の軸方向高さを図５のように円筒断面において圧力面側の軸方向高さＨａを負圧面側の軸方向高さＨｂよりも低くしていることで、負圧面側から圧力面側への流れの傾きが抑制され、流出開口部１７において圧力面側から負圧面側へかけての流れの角度、速度の変化が抑制される。このことにより、静翼１３へ入射する流れの角度、速度の変動が小さく、騒音を小さく、効率の高い送風機を得ることができる。

さらに、シュラウド外周部近傍の高さ位置つまり軸方向位置における流れについて説明を補足する。流路２０の出口高さを圧力面側から負圧面側にかけて同一としているので、流路２０の出口高さにおける流路からの吹出し風速つまり静翼１３への入射流れの変動を抑制する効果を有する。

次に、シュラウド２とファンカバー７との間の空間の流れについて説明する。
図１０は図１に示した遠心送風機１の部分断面拡大図である。ベルマウス９を介して遠心送風機１に入った空気は羽根車５の作用により流出開口部１７から吐出されディフューザー１２の静翼１３へ流入する。この時、一部の空気はシュラウド２の外周端とファンカバー７との隙間から、シュラウド２とファンカバー９との間の空間へ流れ込む。ここではこの空気を「漏れ流れ」（漏れ流れを矢印２５で示す）と呼ぶ。漏れ流れはベルマウス９とシュラウド２の流入開口部１６の縁との隙間から羽根車５の内部へと流れ込む。しかし、以下に説明するように、この漏れ流れの流量分を羽根車５で昇圧する動力は送風機としての出力にはなっていない。

本実施の形態の遠心送風機１では、図５からもわかるようにシュラウド２のファンカバー側の面（シュラウド外面）に、翼３の圧力面３ａに沿って段付の壁（段差２２）が回転方向に向かって設けられている。このような段差２２を持つシュラウド外面では空気を外周側へ押し出す作用を持ち、シュラウド２とファンカバー７との間を外周側から内周側へ向かう漏れ流れに対して抵抗なり、漏れ流れを抑制する。そのため、送風機として出力とならない、漏れ流れ流量分の羽根車の出力が抑えられ、効率の高い遠心送風機とすることができる。または所定の送風機出力において必要な羽根車出力を小さくできるので騒音も小さくすることができる。

実施の形態２．
図１１は、本発明の遠心送風機１を電気掃除機に適用した例を示している。図に示すように掃除機本体３０内に、実施の形態１で説明した遠心送風機１を備え、吸引口３１から棒状のパイプ３２、屈曲自在のホース３３を介して気流とともに塵埃を吸引し、吸引した塵埃を集塵ボックス３４にためる。
遠心送風機１は、実施の形態１で説明したように、低騒音で高効率の遠心送風機である。掃除機に求められる騒音低減、高効率を実現することができ、掃除機に適する遠心送風機である。

本発明の活用例として、電動送風機としては電気掃除機などの家庭用電化機器はもちろんのこと、液体用ポンプなど産業機器にも適用できる。またハンドドライヤーにも適用できる。

１ 遠心送風機、２ シュラウド、３ 翼、３ａ 圧力面、３ｂ 負圧面、３ｃ 後縁、４ ハブ、５ 羽根車、６ 回転軸、７ ファンカバー、８ 吸気口、９ ベルマウス、１０ 電動機、１１ 出力軸、１２ ディフューザー、１３ 静翼、１４ 戻り静翼、１５ 排気口、１６ 流入開口部、１７ 流出開口部、１８ 羽根車の回転方向、２０ 羽根車内の流路、２１ 円筒断面線、２２ 段差、２３ 流路中央線、２４ 流路垂直断面線、２５ 漏れ流れ、３０ 掃除機本体、３１ 吸引口、３２ パイプ、３３ ホース、３４ 集塵ボックス。

Claims (8)

1. 電動機と、電動機の出力軸に連結されて回転駆動される羽根車と、羽根車を覆い中央部に空気を取り入れるベルマウスを有するファンカバーと、羽根車の外周に配置されたディフューザーとを備え、
   前記羽根車は、前記電動機の出力軸に連結されたハブと、ハブに対向して配置され中央部に流体の流入開口部を有するシュラウドと、ハブとシュラウドとの間に回転方向に対して後ろ向きに配置され複数の流路を形成する翼とを備え、
   回転中心を中心とする円筒断面における前記流路の軸方向高さが、シュラウドの内周端において最も高く、外周側に進むにつれて低くなり、内周端近傍および外周端近傍においては全周同じ高さであり、その間の流路断面では、圧力面側の軸方向高さが負圧面側の軸方向高さよりも低くなっていることを特徴とする遠心送風機。
2. 前記円筒断面における流路の圧力面側と負圧面側の高さの差が最大となる半径位置が、シュラウドの内周端半径と外周端半径との平均よりも内周側にあることを特徴とする請求項１に記載の遠心送風機。
3. 翼を翼間の半ピッチだけ回転した位置における流路中央線を想定し、該流路中央線に垂直かつ回転中心に平行な垂直断面において、圧力面側の軸方向高さが負圧面側の軸方向高さと同じ、または前者が後者より高くしたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の遠心送風機。
4. ディフューザーに静翼を備えることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の遠心送風機。
5. シュラウドのファンカバーに向いた面に、翼の圧力面に沿って段差が設けられていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の遠心送風機。
6. 電動機と、電動機の出力軸に連結されて回転駆動される羽根車とを備え、
   前記羽根車は、前記電動機の出力軸に連結されたハブと、ハブに対向して配置され中央部に流体の流入開口部を有するシュラウドと、ハブとシュラウドとの間に回転方向に対して後ろ向きに配置され複数の流路を形成する翼とを備え、
   回転中心を中心とする円筒断面における前記流路の軸方向高さが、シュラウドの内周端において最も高く、外周側に進むにつれて低くなり、内周端近傍および外周端近傍においては全周同じ高さであり、その間の流路断面では、圧力面側の軸方向高さが負圧面側の軸方向高さよりも低くなっており、
   さらに、翼を翼間の半ピッチだけ回転した位置における流路中央線を想定し、該流路中央線に垂直かつ回転中心に平行な垂直断面において、圧力面側の軸方向高さが負圧面側の軸方向高さと同じ、または前者が後者より高くしたことを特徴とする遠心送風機。
7. 前記円筒断面における流路の圧力面側と負圧面側の高さの差が最大となる半径位置が、シュラウドの内周端半径と外周端半径との平均よりも内周側にあることを特徴とする請求項６に記載の遠心送風機。
8. 請求項１から請求項７のいずれかに記載の遠心送風機を備えたことを特徴とする電気掃除機。

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