JP4788350B2

JP4788350B2 - 電気掃除機

Info

Publication number: JP4788350B2
Application number: JP2006007074A
Authority: JP
Inventors: 剛西村; 康裕湯朝; 正樹高橋; 裕之妹尾
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2006-01-16
Filing date: 2006-01-16
Publication date: 2011-10-05
Anticipated expiration: 2026-01-16
Also published as: JP2007185413A

Description

本発明は、電気掃除機の低騒音化に関するものである。

従来の電気掃除機では、吸込み力を発生する電動送風機用の羽根車として、遠心型のターボファンが用いられている。このターボファンの特徴として、羽根の枚数と回転数周波数との積の整数倍の周波数に、耳障りな高周波音が発生することがあげられる。これらの高周波音は一般にＮＺ音と呼ばれ、近年の高吸込仕事率化に伴って、音のレベルも大きなものになってきており、これを低減することが、大きな課題の一つとなってきている。

そして、これを低減するためのさまざまなアプローチが提言されている。その中で、ある特定の周波数の音を消す手段として、共鳴型消音器というものがある。これは、音の発生源である電動送風機の排気口近傍に、騒音が通過する方向とは垂直な方向に、ある周波数のみに対して消音効果のある深さの凹部（サイドブランチ）を設け、その溝の深さで共鳴する周波数の音が反射し、逆位相となって、元の音源の特定周波数の音だけを音圧分布的に消去するものである。図７は、その凹部１１３を、電動送風機１１０外周を覆う、防音筒２１３に応用したもので、電動送風機の排気口から排出される排気音のうち、凹部１１３の深さＤで決まるある特定の周波数の音を消去しようとするものである（例えば、特許文献１参照）。
特開２００１−１６５０９７号公報

しかしながら前記従来の構成においては、ある一定の周波数の高周波音に対しては効果があるが、例えば、掃除機の集塵室にゴミがたまるなどして、風量低下となり、そのため電動送風機の負荷が変化し、その回転数が変化した場合には、高周波音の周波数も変化するので、あらかじめ設定してあった、サイドブランチのスリットの深さでは、共鳴しなくなり、高周波音を消音することができなくなるおそれがあった。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、従来の共鳴型消音器と、モータの回転数制御を組み合わせることで、モータの負荷変動に対して消音効果が低下しない電気掃除機を提供するものである。

前記従来の課題を解決するために本発明は、吸気口および排気口を具備するとともに、遠心ファンを備えた電動送風機と、前記電動送風機の排気口の近傍に配設され前記遠心ファンの羽根枚数と回転数との積の整数倍で定まる複数の周波数に共鳴する複数の凹部を有した共鳴型消音器と、前記電動送風機の回転数を検知する回転数検知手段と、前記回転数
検知手段からの信号を受けて、前記電動送風機の回転数を予め設定した所定の目標回転数に近づけるよう回転数制御する制御手段とを備え、前記電動送風機の風量が最大となる風量から前記電動送風機の吸込仕事率が最大となる風量までの間は複数の風量区間に区分されており、前記目標回転数は、前記共鳴型消音器に設けられた前記複数の凹部の共鳴周波数にそれぞれ対応するように、前記複数の風量区間毎に予め設定されており、前記制御手段は、前記回転数検出手段で検出された前記電動送風機の回転数が前記複数の風量区間毎に予め設定された前記目標回転数で一定となるように前記電動送風機の回転数を制御することで、前記周波数にて発生する高周波音を消音することを特徴としたことにより、集塵室へのごみだまりによる風量変化、掃除中の床面の変化による風量変化等が生じても、電動送風機の回転数が一定であり、共鳴型消音器の効果を常時発揮できるものである。

電動送風機の負荷変動によらず、電気掃除機の耳障りな高周波音（突出音）を抑えることができる。

第１の発明は、吸気口および排気口を具備するとともに、遠心ファンを備えた電動送風機と、前記電動送風機の排気口の近傍に配設され前記遠心ファンの羽根枚数と回転数との積の整数倍で定まる複数の周波数に共鳴する複数の凹部を有した共鳴型消音器と、前記電動送風機の回転数を検知する回転数検知手段と、前記回転数検知手段からの信号を受けて、前記電動送風機の回転数を予め設定した所定の目標回転数に近づけるよう回転数制御する制御手段とを備え、前記電動送風機の風量が最大となる風量から前記電動送風機の吸込仕事率が最大となる風量までの間は複数の風量区間に区分されており、前記目標回転数は、前記共鳴型消音器に設けられた前記複数の凹部の共鳴周波数にそれぞれ対応するように、前記複数の風量区間毎に予め設定されており、前記制御手段は、前記回転数検出手段で検出された前記電動送風機の回転数が前記複数の風量区間毎に予め設定された前記目標回転数で一定となるように前記電動送風機の回転数を制御することで、前記周波数にて発生する高周波音を消音することを特徴としたことにより、集塵室へのごみだまりによる風量変化、掃除中の床面の変化による風量変化等が生じても、電動送風機の回転数が一定であり、共鳴型消音器の効果を常時発揮できるものである。また、風量によって変化する回転数の制御に自由度をもたせ、回転数を一定とする制御の実現性を高めたものである。

第２の発明は、共鳴型消音器の方式を、凹部の深さのみで定まるサイドブランチ方式としたことにより、幅方向の長さをあまり必要とせず、複数の凹部を連続的に組み合わせた消音器を電動送風機の近傍に設置することが可能となる。

第３の発明は、共鳴型消音器の方式を、凹部の深さ、断面積、背後空間の内容積で定まるヘルムホルツ方式としたことにより、３種類のパラメータで決定できるので、消音器設計の自由度が高くなる。

第４の発明は、複数の風量区間毎に予め設定された目標回転数は、風量が大きい風量区間から小さい風量区間に移行するに従って、段階的に高くなるよう設定されていることを特徴とすることにより、開放風量時は、掃除機の全体騒音を低減するため、あるいは省エネのために、低い回転数で運転し、最大仕事率時の風量まで段階的に回転数を上昇させることで、高周波音をも消音しながら、高い吸込仕事率を維持できるものである。

第５の発明は、吸込仕事率がピークとなる風量近傍において、電動送風機の回転数かつ入力を最大となるよう設定したことにより、第４の発明の作用、効果に加え、最大の吸込仕事率を発揮できるものである。

第６の発明は、ある入力ポジションの低次の高周波音の周波数と、前記ポジションより低い入力ポジションにおける高次の高周波音の周波数が、いくつか重複するよう各ポジションの入力（回転数）を設定したことにより、複数の運転ポジションを備えた電気掃除機の場合に、消音器の凹部の設計を、重複周波数で共通化して、その数を減らすことができるので、省スペース化が図れるものである。

第７の発明は、電動送風機として、インバータ駆動のブラシレスモータを用いたことにより、フィードバックゲイン信号を利用した、ＰＷＭ制御やＰＡＭ制御等によって、回数制御が行いやすいものである。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。尚、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
以下、本発明の第１の実施の形態について図１〜図４を用いて説明する。なお、従来例と同一構成部品については同一符号を付して、その説明を省略する。

図１は電気掃除機本体１０１の断面を示しており、２０２は塵埃を集積する集塵袋２０３を挿入する集塵室、２０４は電動送風機１１０を内蔵する電動送風機室である。２０５は電気掃除機本体１０１の吸込口であり、同部にはホース（図示せず）が取り付けられ、さらにその前方に延長管、床ノズル（図示せず）が取り付けられる。集塵室２０２と電動送風機室２０４との間は連通孔２０６を形成した隔壁２０７によって仕切られ、その前方にはプレフィルタ２０８が配されている。また、電気掃除機本体１０１の後方には本体の排気口２０９が備えられ、その直前に排気フィルタ２１０が設けられている。また、２１４は電動送風機１１０の回転数を制御する制御手段、２１５は電動送風機１１０の回転数を検知する回転数検知手段である。

次に電動送風機周辺について説明する。１１０は電動送風機であり、その前方にサポートゴムマエ２１１、後方にサポートゴムウシロ２１２が取り付けられ、電動送風機室２０４の中にそれらのサポートゴムを介する形で固定され格納されている。また、２１３は電動送風機の騒音を遮断するための防音筒であり、電動送風機１１０を覆うように装着されている。１１１、１１２は、電動送風機１１０の周辺に取り付けられた複数の凹部１１３を備えたサイドブランチ型の消音器である。

次に、電動送風機１１０の内部の構成について図２を用いて説明する。３０１は複数のブレード３０２より構成される気流を発生するインペラで、３０３はインペラで発生した気流を導くエアガイド、３０４は中央部に吸気口３０５をもち、インペラ３０１、エアガイド３０３を内包するケーシングである。ケーシング３０４の外周には、エアガイド３０３を通過した気流の一部を排出するための噴出口３１５が複数設けられている。３０６はインペラ３０１を回転駆動する電動機であり、両端を軸受３０７によって回転自在に支持されたロータ３０８、回転軸３０９、ロータ３０８の周りで磁界を発生するステータ３１０、整流子３１１に電力を供給する一対のカーボンブラシ３１２からなり、ブラケット３１３によって覆われている。

次に、電気掃除機１０１に搭載されている電動送風機１１０の制御方法について述べる。図３は本発明の電気掃除機の回路ブロック図、図４（ａ）は電気掃除機内部の通路を流れる風量と、電動送風機１１０の回転数との関係、その下（ｂ）に、同じく風量と、電動送風機１１０の入力との関係を示している。図４より、風量の変化に対して、電動送風機１１０の回転数は階段状にＮ１〜Ｎ４の４つのステップのいずれかを取るよう設定されている。入力のカーブは、ある風量区間で回転数が一定となることから、区間内で風量が絞
られるに従って、低下するようなカーブとなっている。

また、図２のサイドブランチ型消音器１１１、１１２の凹部１１３の深さは、Ｎ１〜Ｎ４の４つの回転数と一対一で対応するよう、Ｄ１〜Ｄ４の４つの凹部１１３が設けられている。すなわち、それらの関係は次式の（１）で与えられる。

ｆ＝Ｃ／４／Ｄ（１）
ここで、ｆは電動送風機１１０の回転数（Ｈｚ）、Ｄは凹部１１３の深さ（ｍ）、Ｃは音速（ｍ／ｓ）をあらわしている。この凹部１１３の深さＤ（ｍ）が周波数ｆ（Ｈｚ）の音を消音するのに効果があるといわれている。

以上の構成により、動作を説明すると、電動送風機１１０に電力が供給されると電動機３０６が回転し、それに直結されたインペラ３０１が回転する。そして、インペラ３０１内で増速された空気はエアガイド３０３にて減速されながら、その一部は、ケーシング３０４の外周から噴出し、防音筒２１３内部を流れて、電気掃除機１０１内部、排気口２０９へと流れていく。また、その他の空気は、電動機３０６へと導かれ、ロータ３０８、ステータ３１０、カーボンブラシ３１２を冷却しながら、ブラケット３１３の排気口３１４より排出され、防音筒２１３を経て、電動掃除機１０１外へと排出される。このとき、インペラ３０１のブレード３０２枚数Ｚと回転数Ｎ（Ｈｚ）の積またはその整数倍の周波数に、ＮＺ音と呼ばれる高周波音がその他の騒音に混じって、排気とともに排出されることになる。

しかしながら、本実施の形態においては、電動送風機１１０の回転数を検知し、制御手段２１４に信号を送ることで、電動送風機１１０の動作を図４の特性となるよう制御しているため、各風量において、電動送風機１１０の回転数は、あらかじめ定められた４つの回転数のいずれかをとる。すなわち、風量Ｑが風量区間Ｑ１＜Ｑ＜＝Ｑ０においては、電動送風機１１０はあらかじめ設定された回転数Ｎ１で運転し、風量区間Ｑ２＜Ｑ＜＝Ｑ１においては、電動送風機１１０はあらかじめ設定された回転数Ｎ２で運転するよう、制御手段２１４によって制御される。以下、Ｎ３、Ｎ４に対しても同様である。そのとき、電動送風機１１０周辺に備えられた消音器１１１、１１２の４つの凹部１１３の深さＤ１〜Ｄ４は、それぞれの回転数で発生する高周波音を消音するように設定されているので、いかなる風量に対しても、耳障りな高周波音が抑えられることになる。

加えて、風量Ｑ２近傍で吸込仕事率がピークとなることがわかっている場合には、Ｑ２で電動送風機１１０の入力と回転数が最大になるよう設定しておけば、高い吸込仕事率が得られることになる。

このように、本発明の実施の形態によれば、いかなる風量の変化に対しても、電動送風機１１０の回転数をあらかじめ設定したいくつかの回転数をとるよう制御することで、共鳴型消音器の効果を常に発揮することができ、耳障りな高周波音を低減することができる。

なお、本実施の形態においては、電動送風機の周辺にサイドブランチ型の消音器を配置したが、その配置は限定されるものではなく、音が通過する通路に対して、凹部（溝もしくは、穴）が垂直方向に配されていれば、同様の効果は得られる。さらに、サイドブランチ型ではなく、一般に知られている、凹部の深さ、断面積、その背後空間の内容積で定まるヘルムホルツ型の消音器を音の通過する方向と垂直に配しても、同様の効果が得られる。可能な範囲で、いくつもの異なる深さの凹部を設定しておけば、回転数の変動に対して頑強な消音器となるのに加え、回転数の段階をそれに応じて細かく設定することもできるので、よりスムーズな変化をする制御を実現することができる。

また、本実施の形態では、整流子モータに、回転数検知手段を設けて、電動送風機の回転数を精度よく制御する方式を述べたが、回転数と電動送風機に流れる電流値は一対一の関係にあり、回転数検知の代わりに、電流センサを用いた、電流検知で実現してもよい。整流子モータ以外の、ロータの位置検出を行う、マグネットを用いたインバータ駆動のブラシレスモータや、ＳＲモータなどにおいては、回転数検知が容易であり、ＰＷＭやＰＡＭといった制御手段と組み合わせることで、本実施の形態のような消音システムを構成しやすい利点がある。

（実施の形態２）
以下、本発明の第２の実施の形態について、図５、図６を用いて説明する。なお第１の実施の形態と同一構成部品については同一符号を付して、その説明を省略する。

図５はインペラ３０１の羽根枚数が９枚（Ｚ＝９）の電動送風機１１０を用いて、実施の形態１同様にサイドブランチ型の消音器１１１、１１２を電動送風機１１０周辺に配した電動送風機の側面図、図６は、そのときの風量と回転数および入力の関係を示した特性図である。図６には、３つの特性曲線が描いてあり、これらは電気掃除機１０１の３つの運転ポジション（強、中、弱）に対応した特性曲線を示している。このうち、強は実施の形態１と同様、階段状の回転数制御を行い、中と弱は、開放風量から密閉までの回転数が一定となる制御を行っている。図６より、電動送風機１１０が運転される回転数としては、Ｎ１〜Ｎ４の４つが存在する。いま、具体的に、Ｎ１を３６０００ｒ／ｍｉｎ（６００Ｈｚ）、Ｎ２を４２０００ｒ／ｍｉｎ（７００Ｈｚ）、Ｎ３を４８０００ｒ／ｍｉｎ（８００Ｈｚ）、Ｎ４を２４０００ｒ／ｍｉｎ（４００Ｈｚ）とする。このとき、発生するＮＺ音の基本周波数はそれぞれ、Ｎ１：５４００Ｈｚ、Ｎ２：６３００Ｈｚ、Ｎ３：７２００Ｈｚ、Ｎ４：３６００Ｈｚとなる。さらに、各ＮＺ音に対して、高次の周波数まで考えれば、設定すべきサイドブランチの凹部の深さは相当な数になるが、１０ｋＨｚ以上の周波数は、人間の耳には聞き取りにくいため、それらを無視すると仮定すると、Ｎ１〜Ｎ３に対しては、基本周波数のみ、Ｎ４に対しては、２次の項まで考慮し、３６００Ｈｚおよび７２００Ｈｚとなる。よって、対応すべき高周波音は、全部で５つとなるが、７２００ＨｚはＮ３の基本周波数と重複するため、実際に設けるサイドブランチの凹部の数としては、４種類で済むことになる。よって、図５に示すように、４種類の凹部を設け、そのそれぞれを実施の形態１で示した数式に従って、深さを設定すればよい。

以上のように本実施の形態によれば、ある運転ポジションの高周波音の高次の周波数と、それより高い入力の運転ポジションの高周波音の周波数が重複するように、各運転ポジションを設定することで、サイドブランチの凹部の数を減らすことができるため、省スペース化を図ることができる。

なお、言うまでもなく、ヘルムホルツ型の消音器の場合でも同様である。

以上のように、本発明にかかる電気掃除機の電動送風機は、電気掃除機以外の、遠心ファンを用いた高周波音が問題となるような機器においても有用である。

本発明の実施の形態１における電気掃除機の断面図同電動送風機の部分断面図同電気掃除機の制御ブロック図（ａ）同電気掃除機の風量に対する回転数の特性図（ｂ）同電気掃除機の風量に対する入力の特性図本発明の実施の形態２における電動送風機の断面図（ａ）同電気掃除機の風量に対する回転数の特性図（ｂ）同電気掃除機の風量に対する入力の特性図従来の電気掃除機の消音構成を示す防音筒の部分断面図

１０１電気掃除機
１１０電動送風機
１１１消音器
１１２消音器
１１３凹部
２０２集塵室
２０３集塵袋
２０４電動送風機室
２０５吸込口
２０６連通孔
２０７隔壁
２０８プレフィルタ
２０９排気口
２１０排気フィルタ
２１１サポートゴムマエ
２１２サポートゴムウシロ
２１３防音筒
２１４制御手段
２１５回転数検知手段
３０１インペラ
３０２ブレード
３０３エアガイド
３０４ケーシング
３０５吸気口
３０６電動機
３０７軸受
３０８ロータ
３０９回転軸
３１０ステータ
３１１整流子
３１２カーボンブラシ
３１３ブラケット
３１５噴出口

Claims

吸気口および排気口を具備するとともに、遠心ファンを備えた電動送風機と、前記電動送風機の排気口の近傍に配設され前記遠心ファンの羽根枚数と回転数との積の整数倍で定まる複数の周波数に共鳴する複数の凹部を有した共鳴型消音器と、前記電動送風機の回転数を検知する回転数検知手段と、前記回転数検知手段からの信号を受けて、前記電動送風機の回転数を予め設定した所定の目標回転数に近づけるよう回転数制御する制御手段とを備え、前記電動送風機の風量が最大となる風量から前記電動送風機の吸込仕事率が最大となる風量までの間は複数の風量区間に区分されており、前記目標回転数は、前記共鳴型消音器に設けられた前記複数の凹部の共鳴周波数にそれぞれ対応するように、前記複数の風量区間毎に予め設定されており、前記制御手段は、前記回転数検出手段で検出された前記電動送風機の回転数が前記複数の風量区間毎に予め設定された前記目標回転数で一定となるように前記電動送風機の回転数を制御することで、前記周波数にて発生する高周波音を消音することを特徴とした電気掃除機。
共鳴型消音器の方式を、凹部の深さのみで定まるサイドブランチ方式とした請求項１記載の電気掃除機。
共鳴型消音器の方式を、凹部の深さ、断面積、背後空間の内容積で定まるヘルムホルツ方式とした請求項１記載の電気掃除機。
前記複数の風量区間毎に予め設定された前記目標回転数は、風量が大きい風量区間から小さい風量区間に移行するに従って、段階的に高くなるよう設定されていることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の電気掃除機。
吸込仕事率がピークとなる風量近傍において、電動送風機の回転数及び入力が最大となるよう設定した請求項４記載の電気掃除機。
ある入力ポジションの低次の高周波音の周波数と、前記ポジションより低い入力ポジションにおける高次の高周波音の周波数が、いくつか重複するよう各ポジションの入力（回転数）を設定した、複数の運転ポジションを備えた請求項１〜５の何れか１項に記載の電気
掃除機。
電動送風機として、インバータ駆動のブラシレスモータを用いた請求項１〜６のいずれか１項記載の電気掃除機。