JP6101551B2 - 家庭用電気掃除機 - Google Patents
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Description
本発明は、家庭用電気掃除機に関する。
本技術分野の背景技術として、例えば、特開２０１１−２２６３９８号公報（特許文献１）がある。送風機入口に相当する電動送風機入口を通過した空気は、ひとまず目玉部近傍を通過した後、羽根車で昇圧及び増速される。その後、ディフューザを通過して流れは略１８０゜転向し、リターンガイドへと流入するが、この過程において流れは減速されて、その分、圧力が上昇すると記載されている。
特に、特許文献１には、羽根は周方向に等間隔に８枚設置されており、羽根車目玉部から径方向外側に向かうにつれ、回転方向及び反回転方向そして、もう一度回転方向に捩じられた形状が記載されている。
従来の電動送風機では効率向上について示されており、電気掃除機の吸込仕事率の向上が可能であることが記述されている。なお、吸込仕事率の測定方法は、JIS C ９１０８（２００９）「電気掃除機」で定められている。吸込仕事率は、風量と真空度の積から求まる空気力学的動力の測定値からなる空気力学的動力曲線の最大値のことである。高い吸込仕事率を実現するには、従来技術の電動送風機のように送風機の効率を向上する他に、電気掃除機の消費電力（電動送風機の消費電力）を大きくする方法がある。吸込仕事率の向上のために電動送風機の消費電力を増加する場合は、図３に示すように吸込仕事率を得る風量点（以下、吸込仕事率点）の電流を高めることが有効である。しかし、吸込仕事率点の電流を増加させると、吸込仕事率の向上は望めるが、吸込仕事率を測定する際の運転条件における最大電流が増加し、一般的な家庭で用いられている電源コンセントの電流容量（１５Ａ）を超えるといった懸念がある。
また、吸込仕事率点の電流を増加させるには、電動機の高トルク化、送風機の軸動力の増加、もしくは両者が必要となる。電動送風機の効率は、電動機の電流増加と、送風機の軸動力の増加による効率低下によって、吸込仕事率の向上量が小さくなるといった懸念もある。
そこで本発明は、吸込仕事率の向上と、最大電流を家庭用電源コンセントの上限値（１５Ａ未満）以下に低減することを両立した家庭用電気掃除機を提供することを目的としている。
また、本発明は、吸込仕事率点の電流を増加させた場合でも、最大電流を家庭用電源コンセントの上限値（１５Ａ未満）以下に低減し、羽根車の効率も高めることで吸込仕事率の向上が可能な家庭用電気掃除機を提供することを目的としている。
上記の目的を達成するため、例えば、特許請求の範囲に記載の構成を採用する。
本発明は上記課題を解決する手段を多数含んでいるが、その一例を挙げるならば、本発明は円環状のシュラウドと、前記シュラウドに対向して配置されるハブと、前記シュラウドと前記ハブとの間に円周方向に複数配置される羽根と、前記シュラウドと前記ハブと前記羽根とを回転する電動機とを備えた電動送風機を有する家庭用電気掃除機において、家庭用電気掃除機の定格消費電力が１１５０Ｗを超え１５００Ｗ以下で、かつ、吸込仕事率点の電流が１３.２Ａ以上で、かつ、最大電流が１５Ａ未満の特性を有し、前記羽根は、隣り合う羽根間で構成された重なり部の重なり長さLと、羽根車出口半径R 2 との重なり長さ比L/R 2 が０.９６以上１.１５未満となる形状を有することを特徴とする。
本発明によれば、吸込仕事率の向上と、最大電流を家庭用電源コンセントの上限値（１５Ａ未満）以下に低減することが両立した家庭用電気掃除機を提供することが可能となる。
また、本発明によれば、吸込仕事率点の電流を増加させた場合でも、最大電流を家庭用電源コンセントの上限値（１５Ａ未満）以下に低減し、羽根車の効率も高めることで吸込仕事率の向上した家庭用電気掃除機を提供することが可能となる。
以下、本発明の実施例１から実施例４を図に基づいて詳説する。
以下、本発明の一実施例を、図面を用いて説明する。
まず、図１を用いて、電気掃除機全体について説明する。図１に模式的に示した電気掃除機本体１００の上から見た横断面図において、電気掃除機本体１００の構成を説明する。電気掃除機本体１００に着脱自在なホース継ぎ手１０１を装着する側を電気掃除機本体１００の前側とする。
電気掃除機本体１００の前側に、紙パック１０３を保持するための集塵室１０２を備え、電気掃除機本体１００の後側に、電動送風機１０６を収納するためのモータ室１０５を備え、集塵室１０２とモータ室１０５との間に、万一、紙パック１０３から塵埃が漏れ出ても、集塵室１０２内の塵埃がモータ室１０５へ流入するのを抑制するためのフィルタ部１０４を備える。集塵室１０２とモータ室１０５とは、フィルタ部１０４を介して連通する。集塵室１０２には、着脱自在な紙パック１０３を備える。紙パック１０３の開口がホース継ぎ手１０１に連通する。紙パック１０３内に塵埃が堆積していくと、紙パック１０３が膨らみ、紙パック１０３の開口と反対側の底部がフィルタ部１０４に当接するようになる。モータ室１０５に、吸引力を発生する電動送風機１０６を備える。電動送風機１０６の前端とモータ室１０５の前側の壁面との間に、電動送風機１０６の振動が電気掃除機本体１００に伝達するのを抑制するための防振ゴム１０７（防振部材）を備える。防振部材は、ゴムの代わりバネであってもよい。電動送風機１０６は、前端に、空気を吸い込むための送風機入口１０８を備え、後側の側方に、空気を排出するための送風機出口１０９を備える。そして、送風機入口１０８がフィルタ部１０４に対して開口している。モータ室１０５の側方に、電源コードを巻きつけて収納するためのコードリール１１０を備える。また、電動送風機の電流を感知し、運転条件を制御する制御回路１１２を備える。また、電気掃除機本体１００の後側両側方に、車輪１１１を備える。尚、図示しないが、ホース継ぎ手１０１には、ホースが接続され、ホースには、操作管が接続され、操作管には、延長管が接続され、延長管には、吸込具が接続される。
次に、電気掃除機本体１００内の空気の流れを説明する。ホース継ぎ手１０１から流入した空気は、集塵室１０２に入る。図１では集塵手段として紙パック１０３が示されているが、パックの素材は問わない。また、サイクロン方式の場合は、サイクロン室（サイクロン式集塵ケース）が紙パック１０３の代わりに収まる。紙パック１０３で塵埃を取り除かれた空気は、その後モータ室１０５に流入する。電動送風機１０６は、モータ室１０５に防振ゴム１０７を介して懸架されており、送風機入口１０８から流入した空気は昇圧された後、送風機出口１０９から排気され、図示してないが、電気掃除機本体１００の排気口から外部に排出される。
次に、図２を用いて、電動送風機１０６について説明する。電動送風機１０６は、空気を吸い込むための送風機２０１と送風機２０１を駆動するための電動機２０２から構成されている。
電動機２０２は、ハウジング２０３及びエンドブラケット２０４からなる電動機外殻に、軸受２１８を介して回転軸２０５が支持され、回転軸２０５にはロータ２０６が取り付けられる。ロータ２０６の外周には固定部のステータ２０７が配置される。回転部のロータ２０６への電気の供給は、ブラシ２０８とそれに接触するコンミテータ２０９により伝えられている。
送風機２０１は、回転軸２０５に直結された羽根車２１０と、羽根車２１０の外周側に設置されるディフューザ２１１と、ディフューザ２１１に対して仕切り板２１２を挟んで対面に配置されるリターンガイド２１３が、ファンケーシング２１４内に収められる構成である。羽根車２１０は、目玉部２１５において、ファンケーシング２１４側に具備されたシール材２１６と概略接触しており、空気の漏れ、つまり循環流を防ぐ構造を有している。
図１の送風機入口１０８に相当する電動送風機入口２１７を通過した空気は、目玉部２１５近傍を通過した後、羽根車２１０で昇圧及び増速される。その後、ディフューザ２１１を通過した流れは略１８０゜転向し、リターンガイド２１３へと流入するが、この過程において流れは減速されて、その分、圧力が上昇する。リターンガイド２１３を通過した流れは、電動機２０２のハウジング２０３内に流入し、ロータ２０６、ステータ２０７、ブラシ２０８、コンミテータ２０９などを冷却してから排気される。回転軸２０５の軸方向が、電気掃除機本体１００の前後方向に略一致する。回転軸２０５を基準として、軸方向に直行する方向が半径方向である。
本発明が対象とする家庭用電気掃除機に用いられる電動送風機の羽根車外径はおおよそφ６０mm〜φ１２０mmの範囲にあり、羽根出口高さはおおよそ６〜１２mmの範囲にあり、羽根の板厚はおおよそ０.５〜１.５mmの範囲にあり、羽根枚数はおおよそ６〜１３枚の範囲にあり、最高回転数はおおよそ毎分３５、０００〜５０、０００回転の範囲にある。また、家庭用電気掃除機の定格消費電力はおおよそ１１５０Ｗを超え１５００Ｗ以下の範囲にある。
次に、図４を用いて、羽根車４００の形状について説明する。ここでは、図２中の羽根車２１０を羽根車４００として説明する。図４(ａ)は羽根車４００を軸方向前側から見た正面図である。図４(ｂ)は、羽根車４００の回転軸と垂直な面から見た側面図である。なお、図４は羽根４０１形状を見やすくするためにシュラウド壁４１０を半透明に図示したものである。羽根４０１は、シュラウド壁４１０とハブ壁４１１の間に、周方向に等間隔に８枚設置されており、羽根車入口４０２から半径方向外側に向かうにつれ、回転方向に後退した羽根形状を有する。また、図４の羽根は軸方向に略２次元形状の羽根を示しているが、径方向にひねった形状もしくは、３次元形状の羽根でも良い。また、羽根が板材をプレス加工した場合、ハブ壁とシュラウド壁があると、かしめで容易に構成できる。なお、本実施の形態例ではシュラウド壁を有する羽根車を説明したが、シュラウド壁を有していないオープンタイプの羽根車でもよい。
ここで、図４に示した羽根の前縁（羽根の最内縁）４０３から回転方向側の隣の羽根（前進位置の羽根）４０４の負圧面４０５（羽根の回転方向に後進した側の壁面）に向け最短の距離で構成される線である入口スロート幅ａ10４０６と、前進する羽根４０４の後縁４０７（羽根の最外縁）から反回転方向側の隣の羽根（後退位置の羽根）４０１の圧力面４０８（羽根の回転方向に前進した側の壁面）に向けて最短の距離で形成する線を出口スロート幅ａ20４０９とする。羽根４０１がシュラウド壁４１０の内壁と接する圧力面４０８の形状と、前進位置の羽根４０４がシュラウド壁４１０の内壁と接する負圧面４０５の形状がなす羽根４０１と羽根４０４とが重なる部位を重なり部４１２と定義する。なお、羽根４０１、４０４がシュラウド壁４１０の内壁と設置していない場合は、羽根のシュラウド内壁側の端部を軸方向からみた正面に投影して構成される形状とする。また、重なり部４１２を軸方向からみた正面に投影して構成される形状のうち、入口スロート幅ａ10４０６と出口スロート幅ａ20４０９にかけて、重なり部４１２の形状に沿って略正接する円４１３を書き、各円の中心を通る線の長さ４１４を重なり長さＬと定義する。
図５は、前記重なり長さL４１４と羽根出口半径R2４１５の比を重なり長さ比L/R2としたときの、重なり長さ比と家庭用電気掃除機の吸込仕事率点の電流Idと最大電流Imaxの電流比Imax/Idとの関係（影響）や、重なり長さ比と羽根車効率との関係（影響）を示した図である。なお、最大電流はJIS C ９１０８（２００９）「電気掃除機」で定められた吸込仕事率の測定方法で測定した電流の最大値である。図５(ａ)は、横軸に重なり長さ比を、縦軸に電流比を、図５(ｂ)は横軸に重なり長さ比を、縦軸に吸込仕事率点における羽根車効率を流れ解析を用いて算出した結果を示す。なお、最大電流を１５Ａ未満にしつつ、吸込仕事率点の電流が１３.２Ａ以上となる電流比は１.１３６以下となる。すなわち、電流比が１.１３６よりも大きいと、最大電流は１５Ａ以上となる。
図５(ａ)より電流比が１.１３６以下を満足する重なり長さ比５０１は０.９６以上であることがわかる。一方、電気掃除機の運転制御は、ごみの集塵量を把握するために電動機の電流を検知している。電流を検知する方法では、図５(ａ)で示す電流比が１の場合、ごみの集塵量による電動機の電流値に差が無いことになり、制御が困難となる。即ち、電流比は１.１３６以下とし、１より大きい範囲５０２を有することで、どの風量での運転状態かを検知可能となり、掃除機の運転制御ができる。そのため、図５(ａ)に示す重なり長さ比の範囲は０.９６以上１.１５未満であることが必要となる。さらに、重なり長さ比の最適範囲について、図５(ｂ)を用いて説明する。図５(ａ)に示した重なり長さ比０.９６以上１.１５未満の範囲における羽根車の効率は、重なり長さ比が０．９のときの羽根車の効率よりも高いことがわかる。重なり長さ比０．９６以上１．１５未満の範囲では、特に重なり長さ比約１.１のときの羽根車の効率が最も高いことがわかる。
重なり長さは羽根の流路長さを意味する。このため、重なり長さが短いと羽根出口にかけて、羽根間の流路面積が急拡大となり剥離による損失が増える。逆に重なり長さが長くなると羽根間流路が長くなるため、摩擦損失が大きくなり効率が低下する。このため、本実施の形態例では、羽根車出口半径R2との比で考えた場合、重なり長さ比L/R2が０.９６以上１.１５未満の間で効率は最高となる。特に、重なり長さLが羽根車出口半径R2より大きいL/R2＝１.１付近で前述の剥離による損失と摩擦損失の和が最小となり、より好ましい。
次に図６に従来技術と本実施例の電動送風機効率、電流、吸込仕事率の比較を示す。図６(ａ)は、従来技術で消費電力を増加した際の風量に対する電動送風機効率や電流や空気力学的動力の特性の変化を、図６(ｂ)は本実施例で消費電力を増加した際の風量に対する電動送風機効率や電流や空気力学的動力の特性の変化を示す図である。
従来技術は羽根車の重なり長さ比が本発明品の最適範囲より小さいことが見てとれる。そのため、本発明品の図５(ａ)に示した電流比が１.１３６以上であると考えられる。すなわち、吸込仕事率の向上のために、電動送風機の電流を増加させると、吸込仕事率の向上は望めるが、最大電流となる風量点で電流が１５Ａ以上となることが考えられる。また、従来技術は、羽根車の重なり長さ比が本発明品の最適範囲より小さいことから、電流の増加による電動機効率の低下を補えるほど羽根車効率が高くできないことから、電動送風機効率が低下する懸念があり、吸込仕事率の向上量が小さい。
一方、実施例に示したように羽根車の重なり長さ比を最適範囲にすることで、最大電流を１５Ａ未満に抑えることができ、羽根車の効率も向上できるため、吸込仕事率点における電動送風機の効率を向上することが可能となり、吸込仕事率の向上量を大きくすることができる。これにより、最大電流を１５Ａ未満に低減しつつ、吸込仕事率の向上が可能な電動送風機を搭載した家庭用電気掃除機を得ることができる。
また、吸込仕事率点の風量をQd、最大電流の運転条件の風量をQmaxと定義し、本実施例では吸込仕事率点の風量Qdを約１.９m3/min、最大風量Qmaxを約３m3/min、吸込仕事率点の電流Idを１３.２Ａ、最大電流Imaxを１５Ａ未満であることを得たので、電流勾配ａ=（Imax-Id）/（Qmax-Qd）は約１.６３となる。すなわち、本実施例で示した電流比及び重なり長さ比の最適範囲（０.９６以上１.１５未満）を満足する電流勾配ａは、１.６３以下とすると良い。
また、異なる電気環境においても同様な効果がある。例えば、使用電圧１１０Vの掃除機の吸込仕事率を消費電力で向上させる場合、電源コードの電流上限値１５Ａ未満を満足する上で最大電流の低減と言った課題がある。そのため、最大電流を増加させることなく、吸込仕事率点の電流を増加させ、吸込仕事率の向上を図るには、本発明で示したように羽根車の重なり長さ比を０.９６以上１.１５未満とすることが有効である。本発明の最適範囲にすれば、使用電圧１１０Vの掃除機においても、最大電流を抑えることができ、羽根車の効率も向上できるため、吸込仕事率点における電動送風機の効率を向上することが可能となり、吸込仕事率の向上量を大きくすることができる。
実施例１と基本的な構成は同じであるので同一要素については同一符号を付してその説明を省略する。
次に、図７を用いて、羽根車７００の形状について説明する。ここでは、図２中の羽根車２１０を羽根車７００として説明する。図７(ａ)は、羽根車７００を軸方向前側から見た正面図である。図７(ｂ)は、羽根車７００の回転軸と垂直な面から見た側面図である。なお、図７は羽根形状を見やすくするためにシュラウド壁７０７を半透明に図示したものである。羽根７０１は、周方向に等間隔に８枚設置されており、羽根車入口７０２から半径方向外側に向かうにつれ、回転方向に後退した羽根形状を有する。また、図７の羽根は、軸方向に略２次元形状の羽根を示しているが、径方向にひねった形状、３次元形状の羽根でも良い。また、羽根が板材をプレス加工した場合、ハブ壁とシュラウド壁があると、かしめで容易に構成できる。なお、本実施の形態例ではシュラウド壁を有する羽根車を説明したが、シュラウド壁を有していないオープンタイプの羽根車でもよい。
また、図７に示した羽根車７００の羽根７０１の前縁７０３（羽根の最内縁）と回転軸中心７０４、羽根７０１の後縁７０５（羽根の最外縁）と回転軸中心７０４を結ぶ各線からなる角度を巻き角７０６と定義する。なお、図７に示す巻き角７０６は、シュラウド壁７０７の内壁に接する羽根形状で示したが、ひねった羽根もしくは３次元形状の羽根の場合は、シュラウド壁７０７の内壁に接する側、ハブ壁７０８に接する側のどちらかの大きい方の巻き角７０６とする。
図８は前記巻き角による家庭用電気掃除機の吸込仕事率点の電流Idと最大電流Imaxの電流比Imax/Id、羽根車効率の影響を示す。図８(ａ)は、横軸に巻き角を、縦軸に電流比を、図８(ｂ)は横軸に巻き角を、縦軸に吸込仕事率点における羽根車効率を流れ解析を用いて算出した結果を示す。最大電流を１５Ａ未満にしつつ、吸込仕事率点の電流が１３.２Ａ以上となる電流比は１.１３６以下となる。すなわち、電流比が１.１３６よりも大きいと、最大電流は１５Ａ以上となる。
図８(ａ)より電流比が１.１３６以下を満足する巻き角８０１は１１５゜以上であることがわかる。一方、電気掃除機の運転制御は、ごみの集塵量を把握するために電動機の電流を検知している。電流を検知する方法では、図８(ａ)で示す電流比が１の場合、ごみの集塵量による電動機の電流値に差が無いことになり、制御が困難となる。即ち、電流比は１.１３６以下とし、１より大きい範囲８０２を有することで、どの風量での運転状態かを検知可能となり、掃除機の運転制御ができる。そのため、図８(ａ)に示す巻き角の範囲は１１５゜以上１２８゜未満が必要となる。さらに、巻き角の最適範囲について、図８(ｂ)を用いて説明する。図８(ａ)に示した巻き角１１５゜以上１２８゜未満の範囲における羽根車の効率は、巻き角が１１０°のときの羽根車の効率よりも高いことがわかる。巻き角１１５゜以上１２８゜未満の範囲では、特に、巻き角約１２３゜の効率が最も高いことがわかる。なお、羽根形状を図４に示した重なり長さ比を０.９６以上とし、巻き角の最適範囲で構成すれば、羽根車の効率を高く維持できる。
巻き角７０６は重なり部の入口スロート幅ａ10に影響がある。巻き角７０６を大きくすれば、重なり部の入口スロート幅ａ10が小さくなり、入口スロート幅ａ10と羽根高さの積で定義する羽根入口面積が小さくなり、羽根車入口７０２からの流れが縮流され縮流損失が発生し、さらに速度が大きいことから摩擦損失が増加する。逆に巻き角７０６を小さくすれば、羽根入口面積が大きくなり、羽根入口で剥離が生じ羽根車効率が低下する。
このため、本実施の形態例では、巻き角θを１１５゜以上１２８゜未満の間で羽根車効率は最高となる。特に、巻き角θが１２３゜付近で前途の摩擦損失と剥離による損失の和が最小となり、より好ましい。
なお、重なり部の出口スロート幅ａ20を一定にした場合、巻き角７０６を大きくすれば、重なり部の入口スロート幅ａ10が小さくなる。このため、重なり部の流路拡大が大きくなり、剥離が生じ損失が発生する。逆に巻き角７０６を小さくすれば、重なり部の入口スロート幅ａ10が大きくなる。このため、重なり部の流路拡大が小さくなりすぎて、流れの減速による圧力上昇の効果が小さくなり羽根車効率が低下する。
このため、本実施の形態例では、巻き角θを１１５゜以上１２８゜未満の間で羽根車効率は最高となる。特に、巻き角θが１２３゜付近で前途の剥離による損失を最小としつつ、減速による圧力上昇の効果を最大化でき、より好ましい。
また、吸込仕事率点の風量をQd、最大電流の運転条件の風量をQmaxと定義し、本実施例では吸込仕事率点の風量Qdを約１.９m3/min、最大風量Qmaxを約３m3/min、吸込仕事率点の電流Idを１３.２Ａ、最大電流Imaxを１５Ａ未満であることを得たので、電流勾配ａ=（Imax-Id）/（Qmax-Qd）は約１.６３となる。すなわち、本実施例で示した電流比及び巻き角の最適範囲（１１５゜以上１２８゜未満）を満足する電流勾配ａは、１.６３以下とすると良い。
以上より、実施例に示したように羽根車の巻き角を１１５゜以上１２８゜未満とすることで、最大電流を１５Ａ未満に低減しつつ、羽根車の効率も向上できるため、吸込仕事率点における電動送風機の効率を向上することが可能となり、吸込仕事率の向上量を大きくすることができる。これにより、最大電流を１５Ａ未満に低減しつつ、吸込仕事率の向上が可能な電動送風機を搭載した家庭用電気掃除機を得ることができる。
また、異なる電気環境においても同様な効果がある。例えば、使用電圧１１０Vの掃除機の吸込仕事率を消費電力で向上させる場合、電源コードの電流上限値１５Ａ未満を満足する上で最大電流の低減と言った課題がある。そのため、最大電流を増加させることなく、吸込仕事率点の電流を増加させ、吸込仕事率の向上を図るには、本発明で示したように羽根車の巻き角を１１５゜以上１２８゜未満とすることが有効である。本発明の最適範囲にすれば、使用電圧１１０Vの掃除機においても、最大電流を抑えることができ、羽根車の効率も向上できるため、吸込仕事率点における電動送風機の効率を向上することが可能となり、吸込仕事率の向上量を大きくすることができる。
実施例１と基本的な構成は同じであるので同一要素については同一符号を付してその説明を省略する。
次に、図９を用いて、羽根車９００の形状について説明する。ここでは、図２中の羽根車２１０を羽根車９００として説明する。図９は羽根車９００を軸方向前側から見た正面図である。なお、図９は羽根形状を見やすくするためにシュラウド壁を半透明に図示したものである。羽根９０１は、周方向に等間隔に８枚設置されており、羽根車入口９０２から半径方向外側に向かうにつれ、回転方向に後退した羽根形状を有する。また、図９の羽根は、軸方向に略２次元形状の羽根を示しているが、径方向にひねった形状、３次元形状の羽根でも良い。また、羽根が板材をプレス加工した場合、ハブ壁とシュラウド壁があると、かしめで容易に構成できる。なお、本実施の形態例ではシュラウド壁を有する羽根車を説明したが、シュラウド壁を有していないオープンタイプの羽根車でもよい。
ここで、図９に示した羽根９０１の後縁９０３と回転軸中心９０４とを結ぶ直線９０５に対し、羽根外縁部を通る直交線９０６を引き、羽根の外縁部の圧力面での接線９０７とがなす角度９０８を、羽根出口角度β2とする。なお、羽根の外縁部にテーパやR部などを設けた場合はこれらの部位を除いた最外径の外縁部での羽根出口角度をβ2とすれば良い。
図１０は羽根出口角度による家庭用電気掃除機の吸込仕事率点の電流Idと最大電流Imaxの電流比Imax/Id、羽根車効率の影響を示す。図１０(ａ)は、横軸に羽根出口角度を、縦軸に電流比を、図１０(ｂ)は横軸に羽根出口角度を、縦軸に吸込仕事率点における羽根車効率を流れ解析を用いて算出した結果を示す。なお、最大電流を１５Ａ未満にしつつ、吸込仕事率点の電流が１３.２Ａ以上となる電流比は１.１３６以下となる。すなわち、電流比が１.１３６よりも大きいと、最大電流は１５Ａ以上となる。
図１０(ａ)より電流比が１.１３６以下を満足する羽根出口角度β2１００１は２７゜以下であることがわかる。一方、電気掃除機の運転制御は、ごみの集塵量を把握するために電動機の電流を検知している。電流を検知する方法では、図１０(ａ)で示す電流比が１の場合、ごみの集塵量による電動機の電流値に差が無いことになり、制御が困難となる。即ち、電流比は１.１３６以下とし、１より大きい範囲１００２を有することで、どの風量での運転状態かを検知可能となり、掃除機の運転制御ができる。そのため、図１０(ａ)に示す羽根出口角度の範囲は１６゜より大きく２７゜以下にする必要がある。さらに、羽根出口角度の最適範囲について、図１０(ｂ)を用いて説明する。図１０(ａ)に示した羽根出口角度１６゜より上で２７゜以下の範囲は、羽根車の効率を高く維持できることがわかる。特に、羽根出口角度約２０゜の効率が最も高いことがわかる。
羽根出口角度は羽根車出口速度と相関がある。また、羽根出口では羽根の圧力面から負圧面へ流れ込む流れにより剥離が発生する。羽根出口角度を大きくすると、羽根車出口速度が大きくなり、羽根出口で他の羽根から流出された流れと衝突することで生じる混合損失が増加する。逆に羽根出口角度を小さくすると、羽根車出口速度が小さくなるが、羽根出口部で生じる剥離が増加し、再度混合損失が増加し、効率が低下する。このため、本実施の形態例では、羽根出口角度β2が１６゜より大きく２７゜以下の間で羽根車の効率は最高となる。特に、羽根出口角度β2が２０゜付近で前途の混合損失が最小となり、より好ましい。
従来技術の記述では、シュラウド壁側の羽根出口角度が約３５゜、ハブ壁側の羽根出口角度が約２０゜と記載がある。羽根車の軸動力は羽根出口角度の大きい方が支配的であるが、従来技術をシュラウド壁側とハブ壁側の羽根出口角度を使って平均した場合でも約２７.５゜となり本実施例の最適範囲外となる。また、羽根出口角度の平均値が約２７.５゜では、羽根車効率が羽根出口角度２０゜に比べて小さいことが考えられる。なお、羽根形状が３次元形状である場合は、羽根出口角度をシュラウド壁側、ハブ壁側の角度の大きい方もしくは、両者の平均値を本実施例の範囲にすると良い。
また、吸込仕事率点の風量をQd、最大電流の運転条件の風量をQmaxと定義し、本実施例では吸込仕事率点の風量Qdを約１.９m3/min、最大風量Qmaxを約３m3/min、吸込仕事率点の電流Idを１３.２Ａ、最大電流Imaxを１５Ａ未満であることを得たので、電流勾配ａ=（Imax-Id）/（Qmax-Qd）は約１.６３となる。すなわち、本実施例で示した電流比及び羽根出口角度の最適範囲（１６゜より大きく２７゜以下）を満足する電流勾配ａは、１.６３以下とすると良い。
以上より、実施例に示したように羽根車の羽根出口角度を１６゜より上で２７゜以下とすることで、最大電流を１５Ａ未満に低減しつつ、羽根車の効率も向上できるため、吸込仕事率点における電動送風機の効率を向上することが可能となり、吸込仕事率の向上量を大きくすることができる。これにより、最大電流を１５Ａ未満に低減しつつ、吸込仕事率の向上が可能な電動送風機を搭載した家庭用電気掃除機を得ることができる。
また、異なる電気環境においても同様な効果がある。例えば、使用電圧１１０Vの掃除機の吸込仕事率を消費電力で向上させる場合、電源コードの電流上限値１５Ａを満足する上で最大電流の低減と言った課題がある。そのため、最大電流を増加させることなく、吸込仕事率点の電流を増加させ、吸込仕事率の向上を図るには、本発明で示したように羽根車の羽根出口角度を１６゜より上で２７゜以下とすることが有効である。本発明の最適範囲にすれば、使用電圧１１０Vの掃除機においても、最大電流を抑えることができ、羽根車の効率も向上できるため、吸込仕事率点における電動送風機の効率を向上することが可能となり、吸込仕事率の向上量を大きくすることができる。
実施例１と基本的な構成は同じであるので同一要素については同一符号を付してその説明を省略する。
次に、図１１を用いて、羽根車１１００の形状について説明する。ここでは、図２中の羽根車２１０を羽根車１１００として説明する。図１１(ａ)は羽根車１１００を軸方向前側から見た正面図である。図１１(ｂ)は、羽根車１１００の回転軸と垂直な面から見た側面図である。なお、図１１は羽根形状を見やすくするためにシュラウド壁１１１０を半透明に図示したものである。羽根１１０１は、周方向に等間隔に８枚設置されており、羽根車入口１１０２から径方向外側に向かうにつれ、回転方向に後退した羽根形状を有する。また、図１１の羽根は、軸方向に略２次元形状の羽根を示しているが、径方向にひねった形状、３次元形状の羽根でも良い。また、羽根が板材をプレス加工した場合、ハブ壁とシュラウド壁があると、かしめで容易に構成できる。なお、本実施の形態例ではシュラウド壁を有する羽根車を説明したが、シュラウド壁を有していないオープンタイプの羽根車でもよい。
ここで、図１１に示した羽根１１０１のうち、図１１に示した羽根１１０１の前縁（羽根の最内縁）１１０３から回転方向側の隣の羽根（前進位置の羽根）１１０４の負圧面１１０５（羽根の回転方向に後進した側の壁面）に向け最短の距離で構成される線である入口スロート幅ａ10１１０６と、前進する羽根１１０４の後縁１１０７（羽根の最外縁）から反回転方向側の隣の羽根（後退位置の羽根）１１０１の圧力面１１０８（羽根の回転方向に前進した側の壁面）に向けて最短の距離で形成する線を出口スロート幅ａ20１１０９と定義する。なお、羽根１１０１、１１０４がシュラウド壁１１１０の内壁と設置していない場合は、軸方向からみた正面の面に投影して構成される部位とする。
図１２は出口スロート幅ａ20と入口スロート幅ａ10の比を拡大率ａ20/ａ10とし、拡大率による家庭用電気掃除機の吸込仕事率点の電流Idと最大電流Imaxの電流比Imax/Id、羽根車効率の影響を示す。図１２(ａ)は、横軸に拡大率を、縦軸に電流比を、図１２(ｂ)は横軸に拡大率を、縦軸に吸込仕事率点における羽根車効率を流れ解析を用いて算出した結果を示す。なお、最大電流を１５Ａ未満にしつつ、吸込仕事率点の電流が１３.２Ａ以上となる電流比は１.１３６以下となる。すなわち、電流比が１.１３６よりも大きいと、最大電流は１５Ａ以上となる。
図１２(ａ)より電流比が１.１３６以下を満足する拡大率１２０１は１.４５以下であることがわかる。一方、電気掃除機の運転制御は、ごみの集塵量を把握するために電動機の電流を検知している。電流を検知する方法では図１２(ａ)で示す電流比が１の場合、ごみの集塵量による電動機の電流値に差が無いことになり、制御が困難となる。即ち、電流比は１.１３６以下とし、１より大きい範囲１２０２を有することで、どの風量での運転状態かを検知可能となり、掃除機の運転制御ができる。そのため、図１２(ａ)に示す拡大率の範囲は１.０６より上で１.４５以下であることが必要となる。さらに、拡大率の最適範囲について、図１２(ｂ)を用いて説明する。図１２(ａ)に示した拡大率１.０６より上で１.４５以下の範囲は、羽根車の効率を高く維持できることがわかる。特に、拡大率が約１.２で効率が最も高いことがわかる。
拡大率は重なり部における流路面積の変化を意味する。このため、拡大率が大きいと羽根間の流路面積が急拡大となり剥離による損失が増える。逆に拡大率が小さいと羽根間流路の摩擦損失が大きくなり効率が低下する。このため、本実施の形態例では、拡大率ａ20/ａ10が１.０６より上で１.４５以下の間で効率は最高となる。特に、拡大率ａ20/ａ10が１.２付近で前途の剥離による損失と摩擦損失の和が最小となり、より好ましい。
また、吸込仕事率点の風量をQd、最大電流の運転条件の風量をQmaxと定義し、本実施例では吸込仕事率点の風量Qdを約１.９m3/min、最大風量Qmaxを約３m3/min、吸込仕事率点の電流Idを１３.２Ａ、最大電流Imaxを１５Ａ未満であることを得たので、電流勾配ａ=（Imax-Id）/（Qmax-Qd）は約１.６３となる。すなわち、本実施例で示した電流比及び拡大率の最適範囲（１.０６より上で１.４５以下）を満足する電流勾配ａは、１.６３以下とすると良い。
以上より、実施例に示したように羽根車の拡大率を１.０６より上で１.４５以下とすることで、最大電流を１５Ａ未満に低減しつつ、羽根車の効率も向上できるため、吸込仕事率点における電動送風機の効率を向上することが可能となり、吸込仕事率の向上量を大きくすることができる。これにより、最大電流を１５Ａ未満に低減しつつ、吸込仕事率の向上が可能な家庭用電動送風機を搭載した電気掃除機を得ることができる。
また、異なる電気環境においても同様な効果がある。例えば、使用電圧１１０Vの掃除機の吸込仕事率を消費電力で向上させる場合、電源コードの電流上限値１５Ａを満足する上で最大電流の低減と言った課題がある。そのため、最大電流を増加させることなく、吸込仕事率点の電流を増加させ、吸込仕事率の向上を図るには、本発明でしたように羽根車の拡大率を１.０６より上で１.４５以下とすることが有効である。本発明の最適範囲にすれば、使用電圧１１０Vの掃除機においても、最大電流を抑えることができ、羽根車の効率も向上できるため、吸込仕事率点における電動送風機の効率を向上することが可能となり、吸込仕事率の向上量を大きくすることができる。
１００ 電気掃除機本体
１０１ ホース継ぎ手
１０２ 集塵室
１０３ 紙パック
１０４ フィルタ部
１０５ モータ室
１０６ 電動送風機
１０７ 防振ゴム
１０８ 送風機入口
１０９ 送風機出口
１１０ コードリール
１１１ 車輪
１１２ 制御回路
２０１ 送風機
２０２ 電動機
２０３ ハウジング
２０４ エンドブラケット
２０５ 回転軸
２０６ ロータ
２０７ ステータ
２０８ ブラシ
２０９ コンミテータ
２１０、４００、７００、９００、１１００ 羽根車
２１１ ディフューザ
２１２ 仕切り板
２１３ リターンガイド
２１４ ファンケーシング
２１５ 目玉部
２１６ シール材
２１７ 電動送風機入口
２１８ 軸受
３００ 電流と吸込仕事率の変化
４０２、７０２、９０２、１１０２ 羽根車入口
４０３、７０３、１１０３ 前縁
４０４、１１０４ 前進羽根
４０５、１１０５ 負圧面
４０６、１１０６ 入口スロート幅
４０７、７０５、９０３、１１０７ 後縁
４０８、１１０８ 圧力面
４０９、１１０９ 出口スロート幅
４１０、７０７、１１１０ シュラウド壁
４１１、７０８、１１１１ ハブ壁
４１２ 重なり部
４１３ 重なり部に正接する円
４１４ 重なり長さ
４１５ 羽根車出口半径
４１６、７０４、９０４ 回転軸中心
４１７、７０９、９０９、１１１２ 回転方向
５００、８００、１０００、１２００ 電流比と羽根車効率の影響
５０１、８０１、１００１、１２０１ 電流比上限
５０２、８０２、１００２、１２０２ 必要電流比範囲
６００ 電動送風機効率と電流と吸込仕事率の変化
７０６ 巻き角
９０５ 羽根の後縁と回転軸中心とを結ぶ直線
９０６ 直交線
９０７ 羽根の外面での接線
９０８ 羽根出口角度
１０１ ホース継ぎ手
１０２ 集塵室
１０３ 紙パック
１０４ フィルタ部
１０５ モータ室
１０６ 電動送風機
１０７ 防振ゴム
１０８ 送風機入口
１０９ 送風機出口
１１０ コードリール
１１１ 車輪
１１２ 制御回路
２０１ 送風機
２０２ 電動機
２０３ ハウジング
２０４ エンドブラケット
２０５ 回転軸
２０６ ロータ
２０７ ステータ
２０８ ブラシ
２０９ コンミテータ
２１０、４００、７００、９００、１１００ 羽根車
２１１ ディフューザ
２１２ 仕切り板
２１３ リターンガイド
２１４ ファンケーシング
２１５ 目玉部
２１６ シール材
２１７ 電動送風機入口
２１８ 軸受
３００ 電流と吸込仕事率の変化
４０２、７０２、９０２、１１０２ 羽根車入口
４０３、７０３、１１０３ 前縁
４０４、１１０４ 前進羽根
４０５、１１０５ 負圧面
４０６、１１０６ 入口スロート幅
４０７、７０５、９０３、１１０７ 後縁
４０８、１１０８ 圧力面
４０９、１１０９ 出口スロート幅
４１０、７０７、１１１０ シュラウド壁
４１１、７０８、１１１１ ハブ壁
４１２ 重なり部
４１３ 重なり部に正接する円
４１４ 重なり長さ
４１５ 羽根車出口半径
４１６、７０４、９０４ 回転軸中心
４１７、７０９、９０９、１１１２ 回転方向
５００、８００、１０００、１２００ 電流比と羽根車効率の影響
５０１、８０１、１００１、１２０１ 電流比上限
５０２、８０２、１００２、１２０２ 必要電流比範囲
６００ 電動送風機効率と電流と吸込仕事率の変化
７０６ 巻き角
９０５ 羽根の後縁と回転軸中心とを結ぶ直線
９０６ 直交線
９０７ 羽根の外面での接線
９０８ 羽根出口角度
Claims (5)
- 円環状のシュラウドと、前記シュラウドに対向して配置されるハブと、前記シュラウドと前記ハブとの間に円周方向に複数配置される羽根と、前記シュラウドと前記ハブと前記羽根とを回転する電動機とを備えた電動送風機を有する家庭用電気掃除機において、家庭用電気掃除機の定格消費電力が１１５０Ｗを超え１５００Ｗ以下で、かつ、吸込仕事率点の電流が１３.２Ａ以上で、かつ、最大電流が１５Ａ未満の特性を有し、前記羽根は、隣り合う羽根間で構成された重なり部の重なり長さLと、羽根車出口半径R 2 との重なり長さ比L/R 2 が０.９６以上１.１５未満となる形状を有することを特徴とする家庭用電気掃除機。
- 円環状のシュラウドと、前記シュラウドに対向して配置されるハブと、前記シュラウドと前記ハブとの間に円周方向に複数配置される羽根と、前記シュラウドと前記ハブと前記羽根とを回転する電動機とを備えた電動送風機を有する家庭用電気掃除機において、家庭用電気掃除機の定格消費電力が１１５０Ｗを超え１５００Ｗ以下で、かつ、吸込仕事率点の電流Idと最大電流Imaxの比Imax/Idが１.１３６以下の特性、かつ、前記羽根は、隣り合う羽根間で構成された重なり部の重なり長さLと、羽根車出口半径R 2 との重なり長さ比L/R 2 が０.９６以上１.１５未満となる形状を有することを特徴とする家庭用電気掃除機。
- 請求項１または請求項２に記載の家庭用電気掃除機において、
前記羽根は、羽根車の前縁（羽根の最内縁）と回転軸中心を結ぶ線と、後縁（羽根の最外縁）と回転軸中心を結ぶ線とがなす角度（巻き角）が１１５゜以上１２８゜未満の形状を有することを特徴とする家庭用電気掃除機。 - 請求項１乃至３の何れか１項に記載の家庭用電気掃除機において、
前記羽根は、羽根車の羽根の後縁と回転軸中心とを結ぶ直線に対して後縁を通る直交線を引き、後縁の圧力面の接線と、前記直交線がなす羽根出口角度を１６゜より上で２７゜以下とした羽根形状を有することを特徴とする家庭用電気掃除機。 - 請求項１乃至４の何れか１項に記載の家庭用電気掃除機において、
前記羽根は、羽根車の羽根の前縁から回転方向に前進側の隣の羽根の負圧面に向け最短の距離で構成される線である入口スロート幅ａ10と、前進する羽根の後縁から反回転方向に存在する羽根の圧力面に向けて最短の距離で形成する線を出口スロート幅ａ20とした拡大率ａ20/ａ10が１.０６より上で１.４５以下の羽根形状を有することを特徴とする家庭用電気掃除機。
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