JP4598060B2 - サイクロン式分離装置 - Google Patents

Description

本発明はサイクロン式分離装置に関する。サイクロン式分離装置を、通常は異なる相である物質同士を互いに(たとえば気体から固体を、液体から固体を、あるいは気体から液体を)分離させるのに使用することが知られているが、そうした装置を、密度の低い気体または液体から、密度の高い気体または液体を分離させるのに使用することは申し分なく可能である。サイクロン式分離装置を真空掃除機において有効利用することもよく知られており、この場合、固形物質(埃、塵および屑)は空気流から分離させられ、処分に先立って真空掃除機内に保持され、その一方で、きれいになった空気は大気中に放出される。本発明は、特に(ただしそれに限られない)、真空掃除機において使用するのに適する。

真空掃除機に関連するものとして知られた問題の一つは騒音に関するものである。より高い「エアワット」数(これは掃除機の吸入口においてそれによって発生させられる吸引量に関連する)を有する真空掃除機は、低いエアワット数を有する真空掃除機よりも、より良好に機能することも認識されている。後者に関して、掃除機内での摩擦損失および圧力降下を最小限に抑えることによって、極大化されたエアワット数が実現されることが分かっている。

概して言うと、サイクロン式分離装置の排出口は、通常、円筒形チューブ(渦ファインダーとしても知られている)から形成される。螺旋状の空気流が直線的なものとなるようブレードまたは羽根からなる対称構造物を、その排出口に設けることにより、サイクロン式分離装置において圧力を回復することが公知であることを従来技術は示している(たとえば特許文献１参照)。ブレードすなわち羽根は、一般に、上流側端部が湾曲し、概して螺旋形状となるように形成されている。だが、こうした構造には、真空掃除機および他の装置における騒音問題への取り組みは見られない。
米国特許第2,771,157号明細書

本発明の目的は、使用時に相対的に静かで、しかも真空掃除機において使用されたとき、真空掃除機に相対的に高いエアワット数をもたらすサイクロン式分離装置を提供することである。本発明のさらなる目的は、こうした改良を実現する簡単かつ経済的な手法を提供することである。

本発明は、分離チャンバーと、この分離チャンバーと連通する吸入口と、排出口とを有するサイクロン式分離装置であって、排出口が、分離チャンバーの内部と連通すると共に長手方向軸線を有する管によって形成されており、単一の平坦なバッフルが管の内面から長手方向軸線に向って半径方向内側に突出しているサイクロン式分離装置を提供する。

管内に単一のバッフルを設けたことにより、そうしたバッフルを持たないサイクロン式分離装置と比べて、本サイクロン式分離装置を通過することによる圧力降下が低減されることが証明されている。このバッフルは簡素であり、しかももし望むのであれば渦ファインダーと一体的に形成するのも容易である。

特に騒音に関する観測された利点が、なぜバッフルを設けたことによって実現されるのかについては完全に解明されていない。バッフルの存在によって空気流が装置から出るときに管を廻る内部渦のすりこぎ運動(プリセッション)を阻止でき、これによって、こうした渦により発生する騒音量が低減されるからであると考えることができる。だが、後日、別な説明が見出されるであろう。

好ましくは、上記バッフルは、管の直径の少なくとも４分の１にわたって、さらに好ましくは実質的にその３分の１にわたって突出する。上記バッフルは、管の長さの少なくとも４分の１に沿って延在することが好ましく、さらに好ましいのは管の長さの少なくとも半分に沿って延在することであり、さらに一層好ましいのは実質的に管の全長に沿って延在することである。試験によって、こうした構造が良好な結果をもたらすことが判明している。

好ましい実施形態では、上記バッフルの上流側端部は上記管の上流側端部に隣接して存在する。これは、騒音低減に関するバッフルの有効性が、バッフルが管の上流側端部の近くに存在している場合に最大となるからである。

上記バッフルの上流側および下流側端部はまた、好ましくは、綿毛または糸がこのバッフルによって捕らえられるリスクが最小限に抑えられるよう湾曲しているかあるいは先細となっている。

さらに好ましい実施形態では、上記バッフルは、上記管の内面に形成された少なくとも一つの軸方向延在溝と組み合わされて設けられる。この組み合わせは、実現可能な範囲で騒音を最大限に低減する。

ここで、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

本発明によるサイクロン式分離装置を図１に概略的に示す。本装置１０は概して、吸入口１４と排出口すなわち渦ファインダー２０とを有するサイクロンボディ１２を具備してなる。ここではサイクロンボディ１２を、上部円筒形部分１２ａと下部円錐台部分１２ｂ(これは円筒形部分１２ａから離れる方向に先細となっている)とを有するものとして図示している。円錐台部分１２ｂの終端部分は、コレクター(図示せず)につながる円錐開口部１２ｃとなっている。だがサイクロンボディは、同様に、完全に円筒形であっても、完全に先細であっても、外側に先細であってさえよいことに留意されたい。さらに円筒形部分と比べた先細部分の長さは、テーパー角がそうであってもよいように、図１に示したものと異なっていてもよい。サイクロンボディ１２の正確な形状は、本発明にとって重要事項ではない。

吸入口１４は、ここでは、サイクロンボディ１２に対して概して接線方向に存在するものとして示している。だが、これに代わる吸入口構造物を設けることもできる。必要なのは、入ってきた流体がサイクロンボディ１２内で渦を巻くようにして運動させられることであり、これによってサイクロンボディ１２内に渦が形成される。接線方向の吸入口１４は、必要な回転運動を引き起こすためのさらなる手段、たとえば螺旋状の羽根(図示せず)を伴って半径方向あるいは軸方向吸入口で置き換えることができる。吸入口１４は単一のパイプとして形成され、しかもサイクロンボディ１２の内部とその上端部においてつながっている。渦ファインダー２０も概して単一のチューブとして形成されかつ管をなしているが、渦ファインダー２０の構成のさらなる詳細は以下で説明する。渦ファインダー２０はサイクロンボディ１２の中心であって、しかもその上端に、すなわち吸入口１４と同じ端部に配置されている。

上記タイプのサイクロン式分離装置の機能は公知である。その中に物質が混入した流体(真空掃除機の場合、これは、その中に混入した埃、塵および屑を含む空気流である)は、吸入口１４を経てサイクロンボディ１２に入る。吸入口１４の構造は、サイクロンボディ１２の内部を廻るように流体が旋回運動し、これによって渦が形成されるようなものである。流体流に混入した物質は流体から分離させられ、そしてサイクロンボディ１２の下側端部に落下する。そしてそれは円錐開口部１２ｃからサイクロンボディ１２を出て、コレクター(図示せず)内に落下する。円錐開口部またはコレクターを設けない場合、分離させられた物質はサイクロンボディ１２内で、その下端部に集まることになる。

一方で、物質が分離させられた流体はサイクロンボディ１２の縦方向軸線１６に向って内側に流動し、そして渦ファインダー２０から装置１０を出る。流体は、装置１０を出るとき依然として非常に高い角速度で旋回しており、この旋回流体が渦ファインダー２０を通過する際、かなり大きな騒音が生じる。

比較のために、従来公知の渦ファインダー１８を図２に示す。公知の渦ファインダー１８は中空円筒形状を有し、しかも滑らかな内外壁１８ａ,１８ｂを有する。

図３、図４ａ、図４ｂは、図１に示す装置の渦ファインダー２０をさらに詳細に示している。渦ファインダー２０は概して円筒形状であり、しかも長手方向軸線２６を有する管２４を形成するようプラスチック素材から成形されている。円筒壁２２は外面２２ａおよび内面２２ｂを有する。内面２２ｂには、そこから管２４の長手方向軸線２６に向って延在する単一のバッフル３０が設けられている。バッフル３０は、図４ａに示すように、管２４の直径にわたって延在する平面内に存在する。バッフル３０は実質的に管２４の直径の３分の１にわたって延在しており、しかもそれは管２４と一体に成形可能である。

図４ｂからわかるように、バッフル３０の上流側および下流側端部３０ａ,３０ｂは、渦ファインダー２０の上流側および下流側端部２０ａ,２０ｂに隣接して存在する。したがって、バッフル３０の全長は渦ファインダーの長さと等しい。だが、上流側端部３０ａは管２４を通る流れの方向に深さ(高さ)が増大するような形状となっており、それゆえ、その上流側端部３０ａにおいて外側に先細となった形状を有する。この形状は、大きくて軽い屑片(たとえば繊維および綿毛)がバッフル３０の上流側端部３０ａにつかえて、潜在的な詰まりを発生させるのを阻止するのに役立つ。下流側端部３０ｂはまた図４ｂに示すように流れの方向に深さ(高さ)が減少するような形状となっており、しかも湾曲すなわち弧形状を有している。この形状は、渦ファインダーを出る空気流に乱流が発生するのを回避するのに役立つ。

図３、図４ａおよび図４ｂに示す渦ファインダー２０は、空気流から埃および塵を分離させることができる改良された分離装置を提供するために装置１０において使用される。渦ファインダー２０にバッフル３０を設けたことにより、空気流が装置を出るときに過大な騒音の発生が回避される。その上、これは、バッフル３０を設けたことにより、装置１０によって達成できるエアワット数を著しく低減させることなく実現される。

図５、図６ａ、図６ｂおよび図６ｃには、本発明によるサイクロン式分離装置において使用するのに適した代替渦ファインダーを示す。図５に示す渦ファインダー１２０は、バッフル１３０が、長手方向軸線１２６に向って管１２４の直径の端から端までの距離の概ね４分の１だけ延在していることを除いて、図３、図４ａおよび図４ｂに示すものと極めて類似している。その他の点では、バッフル１３０は図４ｂに示すバッフル３０と同じ形状を有し、すなわち外側に先細な上流側端部と弧状の下流側端部とを有し、各端部は管１２４のそれぞれの端部と並んで存在している。

図６ａに示す渦ファインダー２２０は、バッフル２３０の形状に関してのみ、図４ｂに示す渦ファインダー１２０と異なる。図６ａの渦ファインダー２２０においては、バッフル２３０は、弧状下流側端部２３０ｂと類似形状の弧状上流側端部２３０ａを有する。バッフル２３０は軸線２２６に向って実質的に管２２４の３分の１にわたって延在し、しかも管２２４のそれと等しい全長を有する。

図６ｂにはさらなる変形例を示すが、このものでは、バッフル３３０は図６ａに示すバッフル２３０と類似形状である。だが、バッフル３３０は管３２４の端から端までの距離の概ね４分の１だけ延在している。バッフル３３０の全長は管３２４の長さの概ね半分に等しい。さらに、バッフル３３０は管３２４の中央セクションに配置されている。すなわち、バッフル３３０の上流側および下流側端部３３０ａ,３３０ｂは、実質的に管３２４のそれぞれの端部から等距離にある。

図６ｃには図４ａおよび図４ｂに示す渦ファインダー２０に対する変更を示すが、ここでバッフル４３０の長さは管４２４の長さの概ね４分の３である。バッフル４３０の上流側端部４３０ａは渦ファインダー４２０の上流側端部４２０ａと並んで存在し、しかもバッフル４３０の下流側端部４３０ｂは渦ファインダー４２０の下流側端部４２０ｂから離間している。加えて、渦ファインダー４２０の上流側端部４２０ａは外面４２２ａに付与された丸みを有する。この変更は、先に説明した実施形態のいずれにも適用可能である。

図７ａには、図３、図４ａおよび図４ｂに示すものと類似の、さらなる代替渦ファインダー５２０を示す。渦ファインダー５２０は、複数の溝５００が円筒壁５２２の内面５２２ｂに形成されている点で、先に説明したものと相違する。溝５００は三角形状であり、しかも内面５２２ｂから外面５２２ａに向って延在している。図示の実施形態では、七つの溝５００が設けられており、しかもそれらはバッフル５３０の両側に軸線５２６を中心として等間隔で配置されている。バッフル５３０は図４ｂに示すものと同一である。溝５００は管５２４の全長に沿って延在している。バッフル５３０と溝５００との相乗効果は、渦ファインダー５２０が使用される装置から発生する騒音を最小限に抑えるというものである。

さらなる変形例を図７ｂに示すが、ここでは、渦ファインダー６２０は図４ｂに示すタイプのバッフル６３０を含み(ただしこのバッフルは同様に他の図に示すいずれのタイプであってもよい)、しかも溝６００は円筒壁６２２の内面６２２ｂに設けられている。この例では溝６００が四つだけ設けられており、しかもそれらは、バッフル６３０が二つの隣接する溝６００同士の間の中間点に配置された状態で、軸線６２４を中心として等間隔だけ離れている。溝６００は矩形断面を有するよう形成されると共に、管６２４の全長に沿って延在している。

図８には図７ｂに示す渦ファインダーの変形例を示すが、ここでは、溝７００は管７２４の概ね３分の２に沿ってのみ延在している。溝７００は渦ファインダー７２０の上流側端部７２０ａから延在し、そしてその下流側端部７２０ｂから距離をおいて終端をなしている。

図９ａ、図９ｂおよび図９ｃには三つの異なるタイプの真空掃除機を示すが、このものでは、本発明によるサイクロン式分離装置が都合よく利用可能である。図９ａに示すシリンダー型真空掃除機は一列に配置された二つの単体サイクロン３２,３４を含み、その一方は他方の内部に配置されている。本発明が、内部サイクロン３４に関して、その最も有利な形で利用されることは明白である。図９ｂおよび図９ｃはシリンダー型および直立型真空掃除機をそれぞれ示すが、そのそれぞれにおいては単一の上流側サイクロン３６に続いて、並列配置された複数の下流側サイクロン３８が設けられている。本発明は、下流側サイクロン３８のいくつかまたは全てに関して使用された場合に最も有益であると考えられる。

従来型の円筒形渦ファインダーを、その長さの少なくとも一部に沿って延在する内部バッフルを有する渦ファインダーで置き換えることによって、少なくとも真空掃除機において使用される場合に、サイクロン式分離装置から生じる騒音が低減されることがわかっている。さらに、上記バッフルは、空気流がサイクロン式分離装置を出るとき、空気流における圧力回復を際立った程度まで達成できることは明白である。これは、真空掃除機によって達成可能なエアワットが増大し、これが今度は掃除機のピックアップ性能に有益な作用を及ぼす点で、消費者にとって著しく有益である。

本発明を、図示の実施形態の寸分違わぬ細部に限定することは意図していない。当業者であれば、その変更および改変は自明であろう。たとえば、バッフルの長さが正確に図示するようなものである必要はなく、しかもその両端の先細／弧形状は変更可能である。配された溝の数は変更可能であり、しかもその形状もまた矩形あるいは三角形以外のものであってもよい。

本発明によるサイクロン式分離装置の概略側面図である。 従来技術による渦ファインダーの斜視図である。 図１のサイクロン式分離装置の一部を構成する渦ファインダーの斜視図である。 図３の渦ファインダーを通る横断面図である。 図３の渦ファインダーを通る縦断面図である。 図４ａに示すものと類似の、第１の代替渦ファインダーを通る横断面図である。 図４ｂに示すものと類似の、第２の代替渦ファインダーを通る縦断面図である。 図６ａに示すものと類似の、第３の代替渦ファインダーを通る縦断面図である。 図６ａに示すものと類似の、第４の代替渦ファインダーを通る縦断面図である。 図５に示すものと類似の、第５の代替渦ファインダーを通る横断面図である。 図５に示すものと類似の、第６の代替渦ファインダーを通る横断面図である。 図７ｂに示すものと類似の、第７の代替渦ファインダーを通る縦断面図である。 本発明によるサイクロン式分離装置を利用可能な真空掃除機の図である。 本発明によるサイクロン式分離装置を利用可能な真空掃除機の図である。 本発明によるサイクロン式分離装置を利用可能な真空掃除機の図である。

符号の説明

１０ サイクロン式分離装置
１２ サイクロンボディ
１４ 吸入口
１６ 縦方向軸線
１８,２０ 渦ファインダー
２２ 円筒壁
２４ 管
２６ 長手方向軸線
３０ バッフル
３２,３４ 単体サイクロン
３６ 上流側サイクロン
３８ 下流側サイクロン
１２０ 渦ファインダー
１２４ 管
１２６ 長手方向軸線
１３０ バッフル
２２０ 渦ファインダー
２２４ 管
２２６ 軸線
２３０ バッフル
３２４ 管
３３０ バッフル
４２０ 渦ファインダー
４２４ 管
４３０ バッフル
５００ 溝
５２０ 渦ファインダー
５２２ 円筒壁
５２４ 管
５２６ 軸線
５３０ バッフル
６００ 溝
６２０ 渦ファインダー
６２２ 円筒壁
６２４ 軸線
６２４ 管
６３０ バッフル
７００ 溝
７２０ 渦ファインダー
７２４ 管

Claims (17)

1. 分離チャンバーと、前記分離チャンバーと連通する吸入口と、前記分離チャンバーの中心に配置されている排出口と、を有するサイクロン式分離装置であって、前記排出口は前記分離チャンバーの内部と連通すると共に長手方向軸線を有する管によって形成されており、単一の平坦なバッフルが、前記管の内面から前記長手方向軸線に向って半径方向内側に突出していることを特徴とするサイクロン式分離装置。
2. 前記バッフルは、前記長手方向軸線の直径の少なくとも４分の１にわたって突出していることを特徴とする請求項１に記載のサイクロン式分離装置。
3. 前記バッフルは、前記管の直径の実質的に３分の１にわたって突出していることを特徴とする請求項２に記載のサイクロン式分離装置。
4. 前記バッフルは、前記管の少なくとも半分の長さに沿って延在していることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のサイクロン式分離装置。
5. 前記バッフルは、前記管の少なくとも４分の３の長さに沿って延在していることを特徴とする請求項４に記載のサイクロン式分離装置。
6. 前記バッフルの長さは前記管の長さと実質的に等しいことを特徴とする請求項５に記載のサイクロン式分離装置。
7. 前記バッフルの上流側端部は、前記管の上流側端部に隣接して存在することを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載のサイクロン式分離装置。
8. 前記バッフルの前記上流側端部は、前記管の前記上流側端部から下流側端部に前記管を通る流れの方向に高さが増大することを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載のサイクロン式分離装置。
9. 前記バッフルの前記上流側端部は、外側に先細となった形状を有することを特徴とする請求項８に記載のサイクロン式分離装置。
10. 前記バッフルの下流側端部は、前記管を通る流れの方向に深さが減少することを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載のサイクロン式分離装置。
11. 前記バッフルの前記下流側端部は弧状であることを特徴とする請求項１０に記載のサイクロン式分離装置。
12. 前記管の内面には、少なくとも一つの軸線方向に延在する溝が設けられていることを特徴とする請求項１ないし請求項１１のいずれか１項に記載のサイクロン式分離装置。
13. 前記溝は前記バッフルと平行に延在していることを特徴とする請求項１２に記載のサイクロン式分離装置。
14. 前記溝は、実質的に前記管の全長に沿って延在していることを特徴とする請求項１２または請求項１３に記載のサイクロン式分離装置。
15. 少なくとも四つの溝が設けられていることを特徴とする請求項１２ないし請求項１４のいずれか１項に記載のサイクロン式分離装置。
16. 少なくとも六つの溝が設けられていることを特徴とする請求項１５に記載のサイクロン式分離装置。
17. 前記管の上流側端部は、その外面に丸みが付けられていることを特徴とする請求項１ないし請求項１６のいずれか１項に記載のサイクロン式分離装置。

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