JP4663259B2 - 送風機及び電気掃除機 - Google Patents

Description

本発明は、送風機及び電気掃除機に関する。

遠心型または斜流型の送風機やポンプにおいては、小型かつ高効率であることが要求される。また、幅広い流量運転範囲において、高効率を保持することも望まれている。

例えば、電気掃除機用の電動送風機は、遠心型の送風機を使用しているが、掃除機本体を小型軽量化するために、送風機の寸法を縮小する傾向にある。また、電気掃除機の最大電気入力には制約があることから、吸込仕事の出力値を向上させるためには、送風機の効率を改善する必要がある。更に、電気掃除機では、吸い込んだ塵埃の蓄積量によって流量が変化するが、送風機は、どのような流量にあっても安定して高効率で運転できることが望まれる。

このような背景から、実験的に流体の流れ場を調べたり、コンピュータによる流れシミュレーションを活用したりして、送風機の設計精度を向上させたりすることによって、より高効率を目指した送風機の開発が行われている。

しかし、例えば、電気掃除機のような大量生産品では、低コストで製作し易い２次元的な形状の送風機を用いることが前提となってきた。ところが、２次元形状のみでは、大幅な高効率化には限界がある。

これに対して、特許文献１のインデューサに見られるように、インペラ入口部に３次元のひねり形状を導入し、高効率化した例がある。

特開平３−１３８４９４号公報

しかしながら、特許文献１に示されたような、複雑な３次元形状の導入は、製作コストを大幅に押し上げるデメリットがある。

そこで、簡単な３次元形状化により、十分な送風効率向上を達成することが望ましい。この課題を解決するためには、送風機内の主流流れには影響が小さいが、損失の要因となっている２次流れや剥離を効果的に抑制できるような機能を持った簡易な３次元形状が導入できれば良い。２次流れや剥離を抑制することができれば、設計基準点における性能のみでなく、幅広い流量範囲での性能の改善も期待することができる。

本発明の目的は、送風機内の主流流れには影響が小さいが、損失の要因となっている２次流れや剥離を効果的に抑制できるような機能を持った簡易な３次元形状を導入したインペラを備えた送風機及びこの送風機を備えた電気掃除機を提案することにある。

本発明の送風機は、インペラについて、以下のような形状を導入することにより課題を解決するものである。

まず、インペラについては、羽根前縁に沿って、ハブ面からシュラウド面に向かう途中の位置で、ハブ側の部分をハブ面の位置から下流側に向かう１つの凹んだ部分と、シュラウド側の部分をシュラウド面から上流側に向かう１つの凸な部分とする前縁形状とすることで解決することができる。

または、羽根前縁に沿って、ハブ面からシュラウド面に向かう途中の位置で、ハブ側の部分をハブ面の位置から下流側に向かう１つの凹な部分を設けることによって解決することができる。

本発明の送風機におけるインペラは、羽根前縁の凹み部分の負圧面側において、周囲よりも低圧部を生ぜしめることが可能となり、羽根面上の２次流れをこの凹み部に向かうように制御することができる。同時に、羽根の前縁を、ハブ面からシュラウド面に向かう途中の位置で、ハブ側の部分をハブ面の位置から下流側に向かう１つの凹な部分とし、シュラウド側の部分をシュラウド面の位置から上流側に向かう１つの凸な部分とするようにして構成した羽根前縁の凹凸によって生じた縦渦によってハブ面上やシュラウド面上の羽根間の２次流れの方向を制御できる。これらの制御によって、２次流れが局所的に集積していかないようにし、羽根間の境界層流を全体的に薄く保つことができる。このようにして、２次流れそのものによる損失が低減できるとともに、一様な主流を得ることができ、効率を向上させることができる。

本発明は、ハブとシュラウドの間に羽根を備えた遠心または斜流型のインペラと、ディフューザを備えた送風機または該送風機を備えた電気掃除機において、
前記インペラの羽根は、その前縁に沿って、ハブ面からシュラウド面に向かう途中の位置で、ハブ側の部分をハブ面の位置から下流側に向かう１つの凹な部分とし、シュラウド側の部分をシュラウド面から上流側に向かう１つの凸な部分とする前縁形状とし、前記ディフューザは、その羽根の後縁のハブ面側に、上流側に向かう切欠きまたは凹な部分を設けた構成とする。

本発明は、送風機・ポンプの種別、遠心型・斜流型の種別を問わず同様に適用することができ、また、遠心型でも後向き羽根や前向き羽根といった種類があり、その種類も問わずに適用することができるが、実施例１は、遠心型送風機の例である。

図１は、本発明のインペラの斜視図である。この実施例１におけるインペラ１は、ハブ板２、シュラウド板３、羽根（翼）４、軸締結部材の一例として挙げたコーン５を備える。

インペラ１から見た流体（気体または液体）の相対流れは、流入流れ６から流出流れ７の方向の流となる。羽根４の前縁８は、ハブ板２からシュラウド板３へ向かう方向に、下流側に向かう凹み部分９と、上流側へ向かう凸な部分１０を、この順序で有している。回転方向は、参照符号１１で示した通りであり、流入側開口部を目玉部１２と呼ぶ。

ここで、図２を参照して、従来の一般的な遠心型送風機のインペラにおける２次流れについて説明する。インペラの目玉部２０への軸方向流入流れ２１は、転向した後に、羽根流入流れ２２となる。その後、羽根間流れ２３となり、インペラ出口より流出する。

前半の軸方向流入流れ２１から羽根流入流れ２２へ到る過程では、経路の曲がりにより流体要素にかかる遠心力と周囲の圧力勾配から受ける力とが釣り合う。そのために、子午面流れにおいて考えると、外周側に相当するハブ板２４側の圧力が高く、内周側のシュラウド板２５側の圧力が低くなる。羽根前縁部の負圧面２６では、羽根先端で一旦加速された流れが急減速するために境界層流が発達するが、境界層内流れは慣性力が小さいために、前記子午面内圧力勾配に流される。即ち、羽根面上では、ハブ板２４側からシュラウド板２５側へ向かう２次流れ２７を生じる。このような２次流れ２７は、羽根前縁部の負圧面２６が、子午面曲がり途中に直接位置するような遠心型の場合や、斜流型の場合に顕著になるものである。

次に、羽根間流れ２３においては、圧力の高い圧力面２８から、圧力の低い負圧面２９に向かう圧力勾配が発生する。ハブ板２４側やシュラウド板２５側の壁面上に発達した境界層流は、前記したと同様な理由により、圧力勾配に流される２次流れ３０を生じる。

このようにして主流と対向する２次流れ成分が発生すると、それ自身が損失となるだけでなく、２次流れが局所的に蓄積するとインペラ出口流れが非一様になり、後流で損失となり、効率を悪化させる。

図３は、一般的な遠心型送風機を軸方向からみた場合に、シュラウド壁面の限界流線を可視化したもので、２次流れの様相を示している。この例では、図２を参照して説明した２次流れのうち、入口側の２次流れ２７は顕著でないが、後半の２次流れ３０は際立っており、羽根間流路を横切る方向に２次流れがある。

図４は、図１に示した実施例１の遠心型送風機における同様な限界流線を示している。

図３と図４の限界流線を比較すると、インペラ出口部周辺での限界流線の方向をみると、図３の従来のインペラでは、限界流線の向き４０は、羽根の向き４１との偏差が大きいのに対して、図４の実施例１のインペラでは、限界流線の向き４２は、羽根の向き４３との偏差が小さいことがわかる。主流は、羽根の向きと略一致しているので、図４に示した実施例１の場合は、境界層流れが主流と一致している、即ち、２次流れが抑制された状態であることがわかる。また、出口周辺のみでなく、羽根間流れ全体でも、定性的に実施例１の方が羽根に沿っていることがわかる。

このようにして、本発明の実施例１によれば、一様な流出流れを得ることができる。

図５は、図３に示した一般的な遠心送風機におけるインペラの目玉部の周辺を拡大して示したもので、一般の遠心型送風機のインペラの場合である。そして、図６は、図４に示した実施例１の遠心送風機におけるインペラの目玉部の周辺の拡大図である。

図５に示す一般的なインペラでは、羽根前縁近傍５０で子午面の方向５１に限界流線が流れていくのに対して、図６に示す実施例１のインペラでは、羽根前縁近傍６０では、凹み部分に限界流線が上下の方向６１から集まっている。このことは、図６の実施例１のインペラでは、凹み部が低圧となり、周囲から境界層流を吸い出していることを示している。一般的な遠心型送風機では、羽根前縁６０とシュラウド板６２が交差するコーナーにおいて境界層流が厚くなるが、前述した境界層流の吸い出しは、境界層流を薄くするように作用する。

また、図５に示した一般的なインペラでは、羽根間流れ入口部のハブ面で略羽根翼に沿った流れ５２となっているのに対して、図６に示した実施例１のインペラでは、羽根間流れ入口部のハブ面では、圧力面に一旦寄せる流れ６３となっている特徴がある。図２の２次流れ３０で示したように、羽根間では、境界層流れは、負圧面側に流される傾向にあるが、本発明の実施例１によれば、羽根間流れ入口部で境界層流れを一旦圧力面に寄せるので、両者の効果が打ち消し合うことから、インペラ出口で一様な流れが得られる。

図７は、このような流れのメカニズムについて、羽根の前縁で発生する渦に着目して模式的に示したものである。

設計基準点近傍で運転されるインペラでは、羽根前縁の凹部と凸部において、渦７０，７１，７２が生じている。また、ハブ板７３とシュラウド板７４のそれぞれの壁面上において、馬蹄形渦７５，７６が存在している。なお、ここで、実線の矢印は渦度の方向を示し、馬蹄形渦７５，７６に示された点線は渦糸を示している。

本発明の実施例１のインペラの特徴は、羽根前縁で生じる渦７０，７１，７２が馬蹄形渦７５，７６とつながった一つの渦糸として働き、強い渦度を持った馬蹄形渦として作用する点にある。この作用によって、境界層流は、ハブ板７３側の壁面では、参照符号７７の方向に流れ、シュラウド板７４側では、参照符号７８の方向に吐出される。これが、図６に参照符号６３で示したような流れとなり、図２に参照符号３０で示した２次流れを打ち消すわけである。

更に、羽根前縁に存在する一連の渦７０，７１，７２は、その負圧効果から前縁の剥離を抑制するとともに、誘起速度により羽根面上の大部分の境界層流れを中央部に寄せ、ハブ板７３やシュラウド板７４の方には流れていかないようにしている。

また、直線的な羽根前縁形状を持つ一般的なインペラでは、羽根間流路面積が最も狭くなるスロートが前縁の位置に形成され、摩擦損失が最大となる。しかし、本発明の実施例１によれば、前縁の延べの長さが増大するので、前縁に沿った有効スロート面積は増大し、摩擦損失を低減することが可能である。

以上のように、比較的に簡単な３次元形状の導入により、遠心型送風機の設計基準点での動作における効率を向上させることができる。また、渦による羽根前縁の剥離抑制効果や、２次流れ制御による主流の一様化効果により、幅広い流量範囲でも高効率の運転を実現することができる。

図８は、本発明のディフューザの斜視図である。この実施例２におけるディフューザ８０は、ハブ板８１、羽根８２を備える。図８では図示を省略しているが、ハブ板８１と対向し、羽根８２を挟み込む反対側の壁面としてシュラウド板を備える。

流れは、流入流れ８３が、羽根間流路において減速させられて流出流れ８４となる。その後、子午面曲がり流路を通って軸方向に転向した流れ８５となる。

ディフューザの羽根８２の以降の流路形態としては、ボリュート、コレクタの他、外周に直接吐出されたりする場合があり、本発明は、いずれの形態も対象とするが、ディフューザの羽根出口近傍に子午面曲がりが存在する場合を考える。また、図８のようにハブ板側に転向するのではなく、逆にシュラウド壁側に転向したりするような場合は、以下の説明や構成を逆に解釈することとする。

図９は、図８に示したディフューザを、回転軸を含む平面でカットした断面図であり、ディフューザの子午面流れを示したものである。

ハブ板８１とシュラウド板８６に挟まれて羽根（翼）８２が設置されている。羽根８２の後縁８７のハブ板８１側が、上流側に向かう切欠き（凹部）８８を呈している。

図９に示すように、子午面曲がり流路中に羽根８２の後縁８７が位置する場合は、羽根８２の後縁８７の半径は、ハブ板８１側からシュラウド板８６側へ単調に増加するような形状とする。ここでいう後縁８７の半径の単調な増加とは、後縁８７の形状が滑らかでなければならないことを意味するものではなく、例えば、途中に角張った部分がある形状も含むものである。

一般に、ディフューザの羽根面の両側では圧力が異なるので、切欠きは、参照符号８８で示すような部位において回り込む流れが発生して、縦渦８９を発生させる。ここで矢印は、渦度の向きを示している。

羽根８２の後縁８７では、後縁に到るまでに羽根面上を成長してきた厚い境界層流が存在しているために、剥離が発生し易く、図に示すような急な子午面曲がりを曲がりきれない。

しかし、本発明の実施例２の構成においては、縦渦８９によって、これらの境界層流内の低エネルギー流体と周囲を流れる主流とを混合する効果があるので、剥離しにくくなる。この作用によって、ディフューザの後方の曲がり流路での圧力損失を低減し、効率を改善することができる。

また、前述したように、羽根８２の後縁８７の径を、ハブ板８１側からシュラウド板８６側に向かって増大させると、シュラウド板８６側の方がハブ板８１側よりもディフューザの圧力回復量が増すので、子午面曲がり流路の外周側が高圧で、内周側が低圧の圧力勾配を呈することとなる。したがって、子午面流れがスムースに曲がりやすいような状態となることも、ディフューザの効率を上げる要因となる。

以上に説明したようなインペラとディフューザを備えた送風機またはポンプは、簡単な３次元形状を導入するだけで、高効率な運転が可能となる。また、インペラとディフューザの作用は、独立であるから、インペラのみに導入しても、ディフューザのみに導入しても良い。

なお、ここまでに説明したインペラやディフューザの部品構成は、一例であり、例えば、インペラのハブ板と羽根が一体となっているような部品構成としても良い。

図１０は、インペラの実施例３を示した図であり、回転軸を含む平面でカットした子午面断面を示している。

インペラ１００は、ハブ板１０１、シュラウド板１０２、羽根（翼）１０３、軸締結部材の例としてのコーン１０４を備える。インペラ１００から見た流体の相対流れは、矢印１０５のように流れる。

羽根１０３の前縁１０６は、ハブ板１０１からシュラウド板１０２に至る中間位置に下流側に向かう凹み１０７を有している。この実施例３では、図１に示したような上流側に向かう凸な部分は備えていない。

入口部の曲がりが急でない場合や、曲がった後にしばらく距離を置いて羽根１０３の前縁１０６を設けるような場合などには、シュラウド板１０２の面上に境界層流れ１０８があまり発達しない。このような場合は、シュラウド板１０２の壁面上の２次流れがそれほど発達しない。そのようなケースにおいては、図１で示したような羽根の前縁の上流側の凸な部分１０を省いて、図１０に示すような形状としても効果がある。

本発明の実施例１のインペラの斜視図である。 一般的なインペラの流路内の２次流れを示した模式図である。 一般的なインペラの２次流れを限界流線で示した図である。 本発明の実施例１のインペラの２次流れを限界流線で示した図である。 図３に示した一般的なインペラの目玉部周辺の拡大図である。 図４に示した実施例１のインペラの目玉部周辺の拡大図である。 本発明のインペラの流れ場の特徴を示した模式図である。 本発明の実施例２のディフューザの斜視図である。 本発明の実施例２のディフューザの羽根後縁形状を示す子午面断面図である。 本発明の実施例３のインペラの子午面断面図である。

符号の説明

１…インペラ、２…ハブ板、３…シュラウド板、４…羽根（翼）、５…コーン、６…インペラ目玉部の流入流れ、７…インペラ流出流れ、８…羽根前縁、９…羽根前縁凹部、１０…羽根前縁凸部、１１…回転方向、１２…目玉部、２０…目玉部、２１…軸方向流入流れ、２２…羽根流入流れ、２３…羽根間流れ、２４…ハブ板、２５…シュラウド板、２６…羽根前縁部負圧面、２７…羽根前縁部２次流れ、２８…圧力面、２９…負圧面、３０…羽根間２次流れ、４０…出口部の２次流れの向き、４１…出口部の羽根の向き、４２…出口部の２次流れの向き、４３…出口部の羽根の向き、５０…羽根前縁近傍、５１…子午面の方向、５２…羽根に沿った２次流れ、６０…羽根前縁近傍、６１…限界流線の集まる方向、６２…シュラウド板、６３…圧力面に寄る２次流れ、７０…ハブ側の渦、７１…スパン中央位置の渦、７２…シュラウド側の渦、７３…ハブ板、７４…シュラウド板、７５…ハブ側馬蹄形渦、７６…シュラウド側馬蹄形渦、７７…ハブ側２次流れ、７８…シュラウド側２次流れ、８０…ディフューザ、８１…ハブ板、８２…ディフューザ羽根、８３…ディフューザ流入流れ、８４…ディフューザ流出流れ、８５…曲がり流路出口流れ、８６…シュラウド板、８７…ディフューザ羽根後縁、８８…ディフューザ羽根後縁のハブ側切欠、８９…縦渦、１００…インペラ、１０１…ハブ板、１０２…シュラウド板、１０３…インペラ羽根、１０４…コーン、１０５…インペラ相対流れ、１０６…インペラ羽根前縁、１０７…インペラ羽根前縁凹部、１０８…境界層流。

Claims (4)

1. ハブとシュラウドの間に羽根を設けたインペラを備えた遠心または斜流型の送風機において、
   前記羽根は、その前縁に沿って、ハブ面からシュラウド面に向かう途中の位置で、ハブ側の部分をハブ面の位置から下流側に向かう１つの凹な部分とし、シュラウド側の部分をシュラウド面の位置から上流側に向かう１つの凸な部分とする前縁形状としたことを特徴とする送風機。
2. ハブとシュラウドの間に羽根を設けたインペラを備えた遠心または斜流型の送風機において、
   前記羽根は、その前縁に沿って、ハブ面からシュラウド面に向かう途中の位置で、ハブ側の部分をハブ面の位置から下流側に向かう１つの凹な部分を設けた前縁形状としたことを特徴とする送風機。
3. 請求項１に記載した送風機を搭載した電気掃除機。
4. 請求項２に記載した送風機を搭載した電気掃除機。

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