KR20200024278A - 진공청소기용 먼지 분리기 - Google Patents

진공청소기용 먼지 분리기 Download PDF

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찰스 하워드 퍼시-레인
앤드류 존 아이작스
알렉산더 마이클 캠벨-힐
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다이슨 테크놀러지 리미티드
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Abstract

먼지를 함유하는 유체가 유입되는 유입구 및 먼지가 제거된 유체가 챔버를 빠져 나가는 배출구를 갖는 챔버를 포함하는 진공청소기용 먼지 분리기. 배출구에 위치한 디스크가 회전축을 중심으로 회전하며 먼지가 제거된 유체가 통과하는 홀을 포함한다. 디스크는 천공 영역과 미천공 영역을 포함한다. 상기 홀은 천공 영역에 형성되고, 미천공 영역의 폭은 유입구의 직경 이상이다.

Description

진공청소기용 먼지 분리기
본 발명은 진공청소기용 먼지 분리기에 관한 것이다.
진공청소기의 먼지 분리기는 다공성 봉지 또는 사이클론 분리기를 포함할 수 있다. 그러나 두 유형의 분리기 모두 각자의 단점이 있다. 예를 들어, 사용 중에 봉지의 기공이 먼지로 빨리 막히고, 그에 반해 사이클론 분리기에 의해 소비되는 압력은 높을 수 있다.
본 발명은 진공청소기용 먼지 분리기를 제공하며, 먼지 분리기는 먼지를 함유하는 유체(dirt-laden fluid)가 챔버로 진입되는 유입구 및 먼지가 제거된 유체(cleansed fluid)가 챔버를 빠져나가는 배출구를 갖는 챔버; 및 배출구에 위치하는 디스크를 포함하고, 상기 디스크는 회전축을 중심으로 회전하도록 배치되고 먼지가 제거된 유체가 통과하는 홀을 포함하고, 상기 디스크는 천공 영역과 미천공 영역을 포함하고, 상기 홀은 천공 영역에는 형성되고, 상기 미천공 영역의 폭이 상기 유입구의 직경 이상이다.
챔버로 진입하는 먼지를 함유하는 유체는 회전 디스크를 접촉하고, 이는 상기 유체에 접선력(tangential force)을 부여한다. 먼지를 함유하는 유체가 반경 방향 외측으로 이동함에 따라 디스크에 의해 부여된 접선력이 증가한다. 그러면 유체는 디스크의 홀을 통해 흡인되고, 반면 먼지는 더 큰 관성으로 인해 외측으로 계속 이동하여 챔버의 바닥에 수집된다.
본 발명의 먼지 분리기는 다공성 봉지 또는 사이클론 분리기와 같은 종래의 분리기에 비해 장점이 있다. 예를 들어, 봉지의 기공은 사용 중에 먼지로 빠르게 막힌다. 그러면 청소기 헤드에서 얻어지는 흡입이 줄어든다. 본 발명의 먼지 분리기에 의하면, 디스크의 회전으로 인해 디스크의 홀에는 대체로 먼지가 없게 유지되게 된다. 그 결과, 사용 중에 흡입의 현저한 감소는 관찰되지 않을 수 있다. 진공청소기의 사이클론 분리기는 전형적으로 둘 이상의 분리 스테이지를 포함한다. 제1 스테이지는 종종 굵은 먼지를 제거하기 위한 하나의 큰 사이클론 챔버를 포함하고, 제2 스테이지는 미세한 먼지를 제거하기 위한 다수의 작은 사이클론 챔버를 포함한다. 그 결과, 사이클론 분리기의 전체 크기가 클 수 있다. 사이클론 분리기의 또 다른 어려움은 높은 분리 효율을 달성하기 위해서 전형적으로 높은 유체 속도가 필요하다는 것이다. 또한, 사이클론 분리기를 통해 이동하는 유체는 유입구에서 배출구로 이동할 때 종종 비교적 긴 경로를 따른다. 그 결과, 사이클론 분리기와 관련된 압력 강하가 클 수 있다. 본 발명의 먼지 분리기에 의하면, 보다 컴팩트한 방식으로 비교적 높은 분리 효율이 달성될 수 있다. 특히, 먼지 분리기는 단일 챔버를 갖는 단일 스테이지를 포함할 수 있다. 또한, 회전하는 디스크에 의해 먼지에 부여된 각 운동량의 결과로 분리가 주로 발생한다. 그 결과, 비교적 낮은 유체 속도에서 비교적 높은 분리 효율이 달성될 수 있다. 또한, 유체가 챔버의 유입구에서 배출구로 이동하는 경로가 비교적 짧다. 그 결과, 먼지 분리기 양단의 압력 강하가 동일한 분리 효율을 갖는 사이클론 분리기 양단의 압력 강하보다 작을 수 있다.
디스크는 천공(perforated) 영역과 미천공(non-perforated) 영역을 포함한다. 홀이 천공 영역에 형성되고 미천공 영역의 폭은 입구의 직경 이상이다. 미천공 영역이 원형인 경우, 그 폭은 미천공 영역의 직경에 대응한다. 대안적으로, 미천공 영역이 환상인 경우, 그 폭은 미천공 영역의 외부 직경과 내부 직경의 차이에 해당한다.
미천공 영역은 디스크의 중앙에 위치할 수 있다. 디스크의 접선 속도는 디스크의 둘레로부터 중심으로 감소한다. 그 결과, 디스크에 의해 먼지를 함유하는 유체에 부여되는 접선력은 둘레로부터 중심으로 감소한다. 디스크의 중심에 미천공 영역을 위치시킴으로써, 천공 영역의 홀은 접선 속도 및 그로 인해 접선력이 비교적 높은 곳에 위치할 수 있다. 또한 디스크의 중앙에 미천공 영역을 배치하면 디스크의 강성을 높이는 데 도움이 될 수 있다. 추가로 또는 대안적으로, 미천공 영역은 챔버로 유입되는 먼지를 함유하는 유체가 디스크에 가장 충돌할 가능성이 높은 곳에 위치할 수 있다. 그러면 적어도 두 가지 이점이 있다. 먼저, 유체는 미천공 영역에 의해 강제로 회전되어 디스크의 천공 영역을 지나간다. 그 결과, 홀 위로 이동하는 유체의 반경 방향 속도는 더 빠르며, 따라서 상기 회전과 일치하여 축 방향으로 홀을 통과할 수 있는 유체에 의해 운반되는 먼지의 양이 적다. 둘째, 유체에 의해 운반되는 비교적 딱딱한 물체가 디스크에 충돌하여 구멍을 내거나 홀 사이의 랜드(land)를 손상시킬 수 있다. 먼지를 함유하는 유체가 미천공 영역에 충돌하도록 함으로써, 유체에 의해 운반되는 물체로 인한 디스크 손상을 줄일 수 있다.
디스크의 총 개방 영역은 유입구보다 클 수 있다. 그러면 두 가지 이점이 있다. 첫째, 총 개방 영역이 클수록 유체가 홀을 통해 이동하는 축 속도가 느려진다. 그 결과, 홀을 통해 유체에 의해 먼지가 덜 운반될 수 있고, 따라서 분리 효율의 증가가 관찰될 수 있다. 둘째, 전체 개방 영역이 클수록 먼지 분리기의 압력 강하가 낮아진다.
천공 영역은 20 %보다 큰 개방 영역을 가질 수 있다. 그 결과, 비교적 소형의 디스크로 비교적 높은 총 개방 영역이 달성 될 수 있다.
챔버로 유입되는 먼지를 함유하는 유체는 디스크를 향할 수 있다. 즉, 먼지를 함유하는 유체는 디스크와 교차하는 유동 축을 따라 유입구를 통해 챔버로 들어갈 수 있다. 진공청소기의 먼지 분리기 내에 회전 디스크를 제공하는 것은 알려졌다. 그러나 유체로부터 먼지를 분리하기 위해서는 먼지 분리기가 사이클론 챔버를 포함해야 한다는 기존의 편견이 있다. 디스크는 유체가 사이클론 챔버를 빠져나갈 때 유체에서 잔류 먼지를 제거하기 위한 보조 필터로만 사용된다. 또 다른 편견으로서 사이클론 챔버로 들어가는 대량의 먼지로부터 회전 디스크를 보호해야 한다는 것이 있다. 그 결과, 먼지를 함유하는 유체가 디스크와의 직접적인 충돌을 피하는 방식으로 사이클론 챔버로 유입된다. 하지만, 먼지를 함유하는 유체가 디스크를 향하게 하면, 먼지가 회전 디스크와 접촉 시 비교적 높은 접선력을 받게 된다. 그러면 유체가 디스크의 홀을 축 방향으로 통과하면서 유체 내의 먼지는 반경 방향 외측으로 던져진다. 그 결과, 사이클론 유동이 필요 없이 효과적인 먼지 분리가 달성될 수 있다
챔버로 유입되는 먼지를 함유하는 유체는 디스크의 미천공 영역을 향할 수 있다. 즉, 유동 축이 미천공 영역과 교차할 수 있다. 이는 적어도 두 가지 이점이 있다. 먼저, 유체가 디스크의 천공 영역 위를 지나기 전에 강제로 회전한다. 그 결과, 홀 위를 이동하는 유체의 반경 방향 속도가 더 커지고, 그로 인해 상기 회전에 일치하여 축 방향으로 홀을 통과할 수 있는 유체에 의해 운반되는 먼지의 양이 적다. 둘째, 유체에 의해 운반되는 비교적 딱딱한 물체가 디스크와 충돌하여 홀 사이의 랜드에 구멍을 내거나 이를 손상시킬 수 있다. 먼지를 함유하는 유체가 미천공 영역을 향하도록 함으로써, 유체에 의해 운반되는 물체로부터의 디스크의 손상을 줄일 수 있다.
먼지를 함유하는 유체로부터 분리된 먼지는 챔버의 바닥에 수집되고 챔버의 상단을 향하는 방향으로 점차 채워질 수 있다. 배출구는 챔버의 상단에 또는 챔버의 상단에 인접하여 위치될 수 있고, 챔버의 하부는 챔버의 상단으로부터 축 방향으로 이격될 수 있다. 챔버의 상단에 또는 챔버의 상단에 인접하여 배출구를 위치시킴으로써, 디스크는 챔버 내에 수집되는 분리된 먼지가 없게 유지될 수 있다. 그 결과, 챔버가 먼지로 채워짐에 따라 효과적인 분리가 유지될 수 있다. 챔버의 하단은 챔버의 상단으로부터 축 방향으로(즉, 회전축과 평행한 방향으로) 이격된다. 이는 디스크에 의해 반경 방향 외측으로 던져지는 먼지와 유체가 챔버의 하단에 수집된 먼지를 흩뜨릴 가능성이 작다는 이점을 갖는다. 또한, 챔버 내의 임의의 소용돌이는 챔버의 상하가 아닌 챔버 주위를 이동할 것이다. 그 결과, 챔버에 수집된 먼지의 재동반이 감소되어 분리 효율이 향상될 수 있다.
유입구는 챔버의 하단으로부터 상향으로 연장되는 흡입 덕트의 단부에 의해 형성될 수 있다. 먼지 분리기가 스틱형 또는 직립형 진공청소기에 사용될 때, 청소기 헤드는 일반적으로 먼지 분리기 아래에 위치된다. 먼지 분리기의 하단으로부터 위로 연장되는 흡입 덕트를 구비함으로써, 청소기 헤드와 먼지 분리기 사이의 덕트는 덜 복잡한 경로를 취할 수 있어, 압력 손실을 감소시킬 수 있다. 캐니스터 진공청소기의 경우, 먼지 분리기의 하단이 섀시의 전면을 향하도록 먼지 분리기가 섀시에 장착될 수 있다. 청소기 헤드에서 먼지 분리기로 유체를 운반하는 덕트는 진공청소기를 조작하는 데 사용될 수 있다. 특히, 덕트는 섀시의 전면을 들어올리는 데 사용될 수 있으므로, 섀시를 앞으로 당기거나 섀시를 좌우로 쉽게 조작할 수 있다.
유입구는 챔버 내에서 선형으로 연장되는 흡입 덕트의 단부에 의해 형성될 수 있다. 이는 먼지를 함유하는 유체가 직선 경로를 따라 흡입 덕트를 통해 이동하고, 그리하여 압력 손실이 감소될 수 있다는 이점이 있다.
유입구와 디스크 사이의 이격 거리가 효과적인 분리를 달성하는데 중요한 역할을 할 수 있다. 그 이격 거리가 증가함에 따라, 홀에서의 먼지를 함유하는 유체의 반경 방향 속도가 감소할 수 있고, 따라서 더 많은 먼지가 홀을 통해 유체에 의해 운반될 수 있다. 그러므로 유입구의 중심과 디스크의 중심 사이의 이격 거리가 유입구의 직경보다 크지 않는 것이 유리할 수 있다. 이렇게 하면 유입구와 디스크 사이에 먼지가 통과할 충분한 공간을 제공하는 동시에 효과적인 분리를 촉진한다.
디스크는 금속으로 형성될 수 있다. 이는 플라스틱으로 제작된 디스크에 비해 적어도 두 가지 이점이 있다. 먼저, 비교적 높은 강성을 갖는 비교적 얇은 디스크가 얻어질 수 있다. 둘째, 디스크는 유체에 의해 운반되는 단단하거나 날카로운 물체로 인한 손상에 덜 민감하다. 이는 챔버에 유입되는 먼지를 함유하는 유체가 디스크를 향하기 때문에 특히 중요하다.
먼지 분리기는 디스크를 구동하기 위한 전기 모터를 포함할 수 있다. 그 결과, 디스크의 속도 및 그에 따른 먼지에 가해지는 접선력은 유량 및 유체 속도에 상대적으로 둔감하다. 그 결과, 터빈과 달리, 비교적 낮은 유량에서 비교적 높은 분리 효율이 달성될 수 있다.
본 발명은 또한 상기 단락들 중 어느 하나에 기재된 먼지 분리기를 포함하는 핸드헬드 진공청소기를 제공한다.
진공청소기의 먼지 분리기 안에 회전 디스크를 제공하는 것이 알려졌지만, 먼지 분리기가 먼지와 유체를 분리하기 위해 사이클론 챔버를 포함해야 한다는 기존의 편견이 있다. 그 결과, 먼지 분리기의 전체 크기가 상대적으로 커서 핸드헬드 장치에 사용하기에 부적합하다. 본 발명의 먼지 분리기에 의하면, 비교적 컴팩트한 방식으로 효과적인 분리가 달성될 수 있다. 그 결과, 본 먼지 분리기는 핸드헬드 장치에 사용하기에 특히 적합하다.
본 발명은 기다란 튜브에 의해 청소기 헤드에 부착되는 핸드헬드 유닛을 포함하는 스틱형 진공청소기를 추가로 제공하며, 여기서 핸드헬드 유닛은 전술한 단락들 중 어느 하나에서 기재된 바와 같은 먼지 분리기를 포함하고, 기다란 튜브는 회전축에 평행한 축을 따라 연장된다.
회전축에 평행하게 연장되는 기다란 튜브를 가짐으로써, 먼지를 함유하는 유체가 청소기 헤드로부터 먼지 분리기와 회전 디스크까지 비교적 직선 경로를 따라 운반될 수 있다. 그 결과, 압력 손실이 감소될 수 있다.
본 발명이 더욱 쉽게 이해될 수 있도록 하기 위해, 이제 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 예시로써 설명할 것이고, 여기서:
도 1은 진공청소기의 사시도이고;
도 2는 진공청소기의 일부를 통한 단면도이고;
도 3은 진공청소기의 먼지 분리기를 통한 단면도이고;
도 4는 먼지 분리기의 디스크의 평면도이고;
도 5는 먼지 분리기를 통한 먼지를 함유하는 유체의 흐름을 도시하고;
도 6은 먼지 분리기의 비우기를 도시하고;
도 7은 바닥 청소에 사용될 때 진공청소기의 일부를 통한 단면도이고;
도 8은 (a) 디스크의 중심을 향하는 그리고 (b) 중심을 향하지 않는 흡입 덕트의 원주에서 디스크에 의해 먼지를 함유하는 유체에 부여된 접선력을 도시하고;
도 9는 제1의 대안적인 먼지 분리기를 통한 단면도이고;
도 10은 제2의 대안적인 먼지 분리기를 갖는 진공청소기의 일부를 통한 단면도이고;
도 11은 제3의 대안적인 먼지 분리기를 통한 단면도이고;
도 12는 제3의 대안적인 먼지 분리기를 갖는 진공청소기의 일부를 통한 단면도이고;
도 13은 제3의 대안적인 먼지 분리기의 비우기를 도시하고;
도 14는 제4의 대안적인 먼지 분리기를 통한 단면도이고; 그리고
도 15는 먼지 분리기들 중 임의의 하나의 일부를 형성할 수 있는 대안적인 디스크 조립체를 도시한다.
도 1의 진공청소기(1)는 기다란 튜브(3)에 의해 청소기 헤드(4)에 부착된 핸드헬드 유닛(2)을 포함한다. 핸드헬드 유닛(2)이 독립형 진공청소기로서 사용될 수 있도록 기다란 튜브(3)는 핸드헬드 유닛(2)으로부터 분리 가능하다.
이제 도 2 내지 도 7을 참조하면, 핸드헬드 유닛(2)은 먼지 분리기(10), 프리-모터 필터(11), 진공 모터(12) 및 포스트-모터 필터(13)를 포함한다. 프리-모터 필터(11)는 먼지 분리기(10)의 하류에 위치하지만 진공 모터(12)의 상류에 위치하고, 포스트-모터 필터(13)는 진공 모터(12)의 하류에 위치한다. 사용 중에 진공 모터(12)는 먼지를 함유하는 유체가 청소기 헤드(4)의 하부에 있는 흡입구를 통해 유입되게 한다. 청소기 헤드(4)로부터, 먼지를 함유하는 유체는 기다란 튜브(3)를 따라 먼지 분리기(10) 내로 흡입된다. 이어서, 먼지는 유체로부터 분리되어 먼지 분리기(10) 내에 유지된다. 먼지가 제거된 유체는 먼지 분리기(10)를 빠져나가서 프리-모터 필터(11)를 통해 흡인되고, 필터는 유체가 진공 모터(12)를 통과하기 전에 유체에서 잔류 먼지를 제거한다. 마지막으로, 진공 모터(12)에 의해 배출된 유체가 포스트-모터 필터(13)를 통과하고 핸드헬드 유닛(2)의 환기구(14)를 통해 진공청소기(1)로부터 배출된다.
상기 먼지 분리기는 용기(20), 흡입 덕트(21), 및 디스크 조립체(22)를 포함한다.
용기(20)는 상단 벽(30), 측벽(31) 및 저벽(32)을 포함하고, 이들이 집합되어 챔버(36)를 형성한다. 상기 상단 벽의 중심에 있는 개구가 챔버(36)의 배출구(38)를 형성한다. 저벽(32)은 힌지(33)에 의해 측벽(31)에 부착된다. 저벽(32)에 부착된 캐치(34)가 저벽(32)을 폐쇄 위치에 유지하기 위해 측벽(31)의 리세스와 맞물린다. 캐치(34)를 해제하면 도 6에 도시된 바와 같이 저벽(32)이 개방 위치로 선회하게 된다.
흡입 덕트(21)는 용기(20)의 저벽(32)을 관통하여 상향으로 연장된다. 흡입 덕트(21)는 챔버(36) 내에서 중앙으로 연장되고 디스크 조립체(22)로부터 짧은 거리에서 종결된다. 흡입 덕트(21)의 일단은 챔버(36)의 유입구(37)를 형성한다. 흡입 덕트(21)의 반대측 단부는 기다란 튜브(3)에 부착되거나 또는 핸드헬드 유닛(2)이 독립형 청소기로서 사용될 때 액세서리 툴에 부착될 수 있다.
디스크 어셈블리(22)는 전기 모터(41)에 연결된 디스크(40)를 포함한다. 전기 모터(41)는 챔버(36)의 외부에 위치하고, 디스크(40)는 챔버(36)의 배출구(38)에 위치하여 이를 덮는다. 전원이 켜지면, 전기 모터(41)는 디스크(40)가 회전축(48)을 중심으로 회전하게 한다. 디스크(40)는 금속으로 형성되고 천공 영역(46)으로 둘러싸인 중앙 미천공 영역(45)을 포함한다. 디스크(40)의 주변부는 용기(20)의 상단 벽(30) 위에 가로놓인다. 디스크(40)가 회전함에 따라, 디스크(40)의 주변부는 상단 벽(30)과 접촉하여 시일을 형성한다. 디스크(40)와 상단 벽(30) 사이의 마찰을 감소시키기 위해, 저 마찰 재료(예를 들어, PTFE)의 링이 상단 벽(30) 주위에 제공될 수 있다.
사용 중에, 진공 모터(12)는 먼지를 함유하는 유체가 유입구(37)를 통해 챔버(36) 내로 유입되게 한다. 흡입 덕트(21)는 디스크(40)의 회전축(48)과 일치하는 축을 따라 챔버(36) 내에서 중앙으로 연장된다. 그 결과, 먼지를 함유하는 유체는 축 방향(즉, 회전축(48)에 평행한 방향)으로 챔버(36)로 진입한다. 또한, 먼지를 함유하는 유체는 디스크(40)의 중심을 향한다. 디스크(40)의 중앙 미천공 영역은 먼지를 함유하는 유체가 회전하여 반경 방향 외측(즉, 회전축에 수직인 방향으로) 이동하게 한다. 회전하는 디스크(40)는 먼지를 함유하는 유체에 접선력을 부여하여 유체가 소용돌이치게 한다. 먼지를 함유하는 유체가 반경 방향 외측으로 이동함에 따라, 디스크(40)에 의해 부여되는 접선력이 증가한다. 디스크(40)의 천공 영역(46)에 도달하면, 유체가 디스크(40)의 홀(47)을 통해 축 방향으로 흡인된다. 이를 위해서는 유체 방향의 추가 회전이 필요하다. 크고 무거운 먼지의 관성은 커서 먼지가 유체를 따라갈 수 없다. 그 결과, 먼지가 홀(47)을 통해 흡인되지 않고 계속 반경 방향으로 외측으로 이동하여 결국 챔버(36)의 바닥에 수집된다. 작고 가벼운 먼지는 디스크(40)를 통과하여 유체를 따라갈 수 있다. 이 먼지의 대부분은 그 후 프리-모터 및 포스트-모터 필터(11, 13)에 의해 제거된다. 먼지 분리기(10)를 비우기 위해서는, 캐치(34)가 해제되고 용기(20)의 저벽(32)이 선회하여 개방된다. 도 6에 도시된 바와 같이, 용기(20) 및 흡입 덕트(21)는 흡입 덕트(21)가 저벽(32)의 이동을 막거나 방해하지 않도록 구성된다.
바닥 표면을 청소하는 것 외에도, 진공청소기(1)는 선반, 커튼 또는 천장과 같은 바닥 위 표면을 청소하는 데 사용될 수 있다. 이러한 표면을 청소할 때 핸드헬드 장치(2)는 도 7과 같이 뒤집힐 수 있다. 그러면 챔버(36)에 수집된 먼지(50)가 디스크(40)를 향해 떨어질 수 있다. 디스크(40)로 떨어진 먼지는 천공 영역(46)의 홀(47)의 일부를 통해 흡인되거나 이를 막히게 할 수 있다. 그 결과, 디스크(40)의 이용 가능한 개방 영역이 감소하고 디스크(40)를 통해 축 방향으로 이동하는 유체의 속도가 증가할 것이다. 그러면 디스크(40)를 통해 유체에 의해 더 많은 먼지가 운반될 수 있고, 따라서 먼지 분리기(10)의 분리 효율이 감소할 수 있다. 용기(20)의 상단 벽(30)은 평평하지 않지만 대신 계단형이다. 그 결과, 챔버(36)는 측벽(31)과 상단 벽(30)의 계단 사이에 위치한 도랑부를 포함한다. 이 도랑부는 디스크(40)를 둘러싸고 챔버(36) 아래로 떨어지는 먼지(50)를 수집하도록 작용한다. 그 결과, 핸드헬드 유닛(2)이 뒤집힐 때 더 적은 양의 먼지가 디스크(40) 상에 떨어질 것이다.
먼지 분리기(10)는 다공성 봉지를 사용하는 종래의 분리기에 비해 몇 가지 장점이 있다. 봉지의 기공은 사용 중 먼지로 빠르게 막힌다. 그러면 청소기 헤드에서 달성되는 흡입이 줄어든다. 또한, 봉지가 차면 일반적으로 교체해야 하며, 봉지가 언제 찼는지 항상 쉽게 판단할 수 있는 것은 아니다. 여기서 기술한 먼지 분리기에 있어서, 디스크(40)의 회전은 천공 영역(46)의 홀(47)이 대체로 먼지 없이 유지되는 것을 보장한다. 그 결과, 사용 중에 흡입의 현저한 감소는 관찰되지 않는다. 또한, 먼지 분리기(10)는 용기(20)의 저벽(32)을 개방함으로써 비울 수 있고, 따라서 교체 봉지가 필요하지 않다. 또한, 용기(20)의 측벽(31)에 투명 재료를 사용함으로써, 사용자는 언제 먼지 분리기(10)가 가득 차서 비워야 할 필요가 있는지를 비교적 쉽게 결정할 수 있다. 다공성 봉지의 상기 단점은 잘 알려졌으며 사이클론 분리를 사용하는 분리기에 의해서도 마찬가지로 잘 해결된다. 그러나 여기서 기술한 먼지 분리기(10)는 또한 사이클론 분리기에 비해 이점이 있다.
비교적 높은 분리 효율을 달성하기 위해, 진공청소기의 사이클론 분리기는 전형적으로 둘 이상의 분리 스테이지를 포함한다. 제1 스테이지는 종종 굵은 먼지를 제거하기 위한 비교적 큰 단일 사이클론 챔버를 포함하고, 제2 스테이지는 미세한 먼지를 제거하기 위한 다수의 비교적 작은 사이클론 챔버를 포함한다. 그 결과, 사이클론 분리기의 전체 크기는 비교적 클 수 있다. 사이클론 분리기의 또 다른 어려움은 높은 분리 효율을 달성하기 위해서 높은 유체 속도가 필요하다는 점이다. 또한, 사이클론 분리기를 통해 이동하는 유체는 유입구로부터 배출구로 이동할 때 종종 비교적 긴 경로를 따른다. 긴 경로와 빠른 속도는 높은 공기 역학적 손실을 초래한다. 그 결과, 사이클론 분리기와 관련된 압력 강하가 클 수 있다. 여기서 기술한 먼지 분리기를 사용하면, 보다 컴팩트한 방식으로 비교적 높은 분리 효율이 달성될 수 있다. 특히, 먼지 분리기는 단일 챔버를 갖는 단일 스테이지를 포함한다. 또한, 분리는 주로 회전 디스크(40)에 의해 먼지를 함유하는 유체에 부여되는 각 운동량의 결과로 발생한다. 그 결과, 비교적 낮은 유체 속도에서 비교적 높은 분리 효율이 달성될 수 있다. 또한, 먼지 분리기(10)의 유입구(37)에서 배출구(38)로 이동함에 있어서 유체가 취하는 경로가 비교적 짧다. 낮은 유체 속도와 짧은 경로로 인해 공기 역학적 손실이 줄어든다. 그 결과, 동일한 분리 효율을 위해서, 먼지 분리기(10)의 양단의 압력 강하가 사이클론 분리기의 압력 강하보다 작다. 따라서, 진공청소기(1)는 덜 강력한 진공 모터를 사용하여 사이클론 진공청소기와 동일한 청소 성능을 달성할 수 있다. 진공청소기(1)가 배터리로 전력을 공급받는 경우, 진공 모터(11)의 전력 소비의 감소가 진공청소기(1)의 가동 시간을 증가시키기 위해 사용될 수 있기 때문에 이는 특히 중요하다.
진공청소기의 먼지 분리기 내에 회전 디스크를 제공하는 것이 알려졌다. 예를 들어, DE19637431 및 US4382804는 각각 회전 디스크를 갖는 먼지 분리기를 기재하고 있다. 그러나 먼지 분리기는 유체로부터 먼지를 분리하기 위해 사이클론 챔버를 포함해야 한다는 기존의 편견이 있다. 디스크는 유체가 사이클론 챔버를 빠져나갈 때 유체에서 잔류 먼지를 제거하기 위한 보조 필터로만 사용된다. 사이클론 챔버로 들어가는 대량의 먼지로부터 회전 디스크를 보호해야 한다는 다른 편견이 있다. 따라서, 먼지를 함유하는 유체는 디스크와의 직접적인 충돌을 피하는 방식으로 사이클론 챔버 내로 도입된다.
여기서 기술한 먼지 분리기는 사이클론 챔버를 필요로 하지 않고 회전 디스크로 먼지 분리를 달성할 수 있다는 발견을 이용한다. 본 먼지 분리기는 먼지를 함유하는 유체를 디스크를 향한 방향으로 챔버 내로 도입함으로써 효과적인 먼지 분리가 달성될 수 있다는 발견을 추가로 이용한다. 디스크로 먼지를 함유하는 유체를 향하게 함으로써, 먼지가 회전 디스크와 접촉할 때 비교적 강한 힘을 받는다. 유체 내의 먼지는 반경 방향 외측으로 던져지고, 반면 유체는 디스크의 홀을 축 방향으로 통과한다. 그 결과 사이클론 흐름이 없어도 효과적인 먼지 분리가 얻어진다.
먼지 분리기(10)의 분리 효율 및 먼지 분리기(10) 양단의 압력 강하는 디스크(40)의 홀(47)의 크기에 민감하다. 주어진 총 개방 영역에 대해, 먼지 분리기(10)의 분리 효율은 홀 크기가 감소함에 따라 증가한다. 그러나 먼지 분리기(10) 양단의 압력 강하는 홀 크기가 감소함에 따라 증가한다. 분리 효율 및 압력 강하는 디스크(40)의 전체 개방 영역에 민감하다. 특히, 전체 개방 영역이 증가함에 따라, 디스크(40)를 통해 이동하는 유체의 축 방향 속도는 감소한다. 그 결과, 분리 효율이 증가하고 압력 강하가 감소한다. 그러므로 넓은 개방 영역을 갖는 것이 유리하다. 그러나 디스크(40)의 총 개방 영역을 증가시키는 것이 어려움이 없는 것은 아니다. 예를 들어, 이미 언급한 바와 같이, 전체 개방 영역을 증가시키기 위해 홀의 크기를 증가시키는 것은 실제로 분리 효율을 감소시킬 수 있다. 대안으로서, 천공 영역(46)의 크기를 증가시킴으로써 총 개방 영역이 증가할 수 있다. 이는 디스크(40)의 크기를 증가시키거나 미천공 영역(45)의 크기를 감소시킴으로써 달성될 수 있다. 그러나 이러한 옵션들은 각각 단점이 있다. 예를 들어, 디스크(40)의 주변부와 상단 벽(30) 사이에 접촉 시일이 형성되기 때문에, 더 큰 직경을 갖는 디스크(40)를 구동시키기 위해 더 많은 동력이 필요할 것이다. 또한, 더 큰 직경의 회전 디스크(40)는 챔버(36) 내에서 더 많은 뒤섞임(stirring)을 일으킬 것이다. 그 결과, 챔버(36)에 이미 수집된 먼지의 재동반이 증가할 수 있고, 따라서 실제로 분리 효율의 순감소가 있을 수 있다. 한편, 미천공 영역(45)의 직경이 감소하면, 아래에 상세히 설명되는 이유로 디스크(40)를 통해 이동하는 유체의 축 방향 속도는 실제로 증가할 수 있다. 디스크(40)의 총 개방 영역을 증가시키는 다른 방법은 홀(47) 사이의 랜드(land)를 감소시키는 것이다. 그러나 랜드를 줄이는 것은 그 자체의 어려움이 있다. 예를 들어, 디스크(40)의 강성이 감소하고 천공 영역(46)이 더 약해져서 손상되기 쉽다. 또한, 홀 사이의 랜드를 줄이면 제조가 어려워질 수 있다. 그러므로 디스크(40)의 설계에서 고려해야 할 많은 요소가 있다.
디스크(40)는 천공 영역(46)으로 둘러싸인 중앙 미천공 영역(45)을 포함한다. 중앙 미천공 영역(45)의 제공은 이제 설명하게 될 몇 가지 장점을 가진다.
디스크(40)의 강성은 디스크(40)와 용기(20)의 상단 벽(30) 사이의 효과적인 접촉 시일을 달성하는데 중요할 수 있다. 천공되지 않은 중앙 영역(45)을 갖는 것은 디스크(40)의 강성을 증가시킨다. 그 결과, 더 얇은 디스크가 사용될 수 있다. 이는 디스크(40)가 보다 시기 적절하고 비용 효율적인 방식으로 제조될 수 있다는 이점을 갖는다. 또한, 특정 제조 방법(예를 들어, 화학적 에칭)에 대해, 디스크(40)의 두께가 홀(47) 및 랜드의 최소 가능 치수를 정의할 수 있다. 따라서, 더 얇은 디스크는 그러한 방법이 비교적 작은 홀 및/또는 랜드 치수를 갖는 디스크를 제조하는 데 사용될 수 있다는 이점을 갖는다. 또한, 디스크(40)의 비용 및/또는 중량과 함께 디스크(40)를 구동하는 데 요구되는 기계적인 동력이 감소할 수 있다. 그 결과, 디스크(40)를 구동하기 위해 덜 강력하고 잠재적으로 더 작고 저렴한 모터(41)가 사용될 수 있다.
중앙의 미천공 영역(45)을 가짐으로써, 챔버(36)로 유입되는 먼지를 함유하는 유체는 축 방향에서 반경 방향으로 강제 회전된다. 그 후, 먼지를 함유하는 유체는 디스크(40)의 표면 위에서 외측으로 이동한다. 이러면 이는 적어도 두 가지 이점이 있다. 먼저, 먼지를 함유하는 유체가 천공 영역(46) 위로 이동할 때, 유체가 디스크(40)의 홀(47)을 통과하기 위해서는 비교적 큰 각도(약 90도)를 통해 회전해야 한다. 그 결과, 유체에 의해 운반되는 먼지는 상기 회전에 맞춰서 홀(47)을 통과하기 어렵다. 둘째로, 먼지를 함유하는 유체가 디스크(40)의 표면 위에서 외측으로 이동하면서, 먼지를 함유하는 유체는 천공 영역(46)을 문질러 청소하는 것을 돕는다. 그 결과, 홀(47)에 포획될 수 있는 임의의 먼지는 유체에 의해 휩쓸려 제거된다.
디스크(40)의 접선 속도는 디스크(40)의 둘레에서 중심으로 감소한다. 그 결과, 디스크(40)에 의해 먼지를 함유하는 유체에 부여되는 접선력은 둘레에서 중심으로 감소한다. 만약 디스크(40)의 중앙 영역(45)이 천공되었다면, 더 많은 먼지가 디스크(40)를 통과할 것이다. 중앙 미천공 영역(45)을 가짐으로써, 접선 속도 및 따라서 먼지에 부여된 접선력이 비교적 높은 디스크(40)의 영역에 홀(47)이 제공된다.
챔버(36) 내로 도입된 먼지를 함유하는 유체가 축 방향에서 방사 방향으로 회전함에 따라, 비교적 무거운 먼지는 축 방향으로 계속 진행하여 디스크(40)에 충격을 줄 수 있다. 만약 디스크(40)의 중앙 영역(45)이 천공되어 있다면, 디스크(40)에 충돌하는 비교적 단단한 물체는 홀(47) 사이의 랜드에 구멍을 내거나 손상시킬 수 있다. 천공되지 않은 중앙 영역(45)을 가짐으로써, 디스크(40)를 손상시킬 위험이 감소된다.
미천공 영역(45)의 직경은 유입구(37)의 직경보다 크다. 그 결과, 유체에 의해 운반되는 단단한 물체가 천공 영역(46)에 충격을 가하여 디스크(40)를 손상시킬 가능성이 작다. 또한, 먼지를 함유하는 유체가 챔버(36)로 진입할 때 축 방향에서 반경 방향으로의 회전이 더 잘되게 된다. 유입구(37)와 디스크(40) 사이의 이격 거리는 이들 이점을 달성하는데 중요한 역할을 한다. 유입구(37)와 디스크(40) 사이의 이격 거리가 증가함에 따라, 디스크(40)의 천공 영역(46)에서 먼지를 함유하는 유체의 속도의 반경 방향 성분이 감소하기 쉽다. 그 결과, 디스크(40)의 홀(47)을 통해 더 많은 먼지가 운반될 수 있다. 또한, 이격 거리가 증가함에 따라, 유체에 의해 운반되는 단단한 물체는 천공 영역(46)에 충격을 가하여 디스크(40)를 손상시킬 가능성이 더 크다. 따라서, 비교적 작은 이격 거리가 바람직하다. 그러나 이격 거리가 너무 작으면, 이격 거리보다 큰 먼지가 흡입 덕트(21)와 디스크(40) 사이를 통과하지 못하고 그 사이에 끼일 것이다. 유체에 의해 운반되는 먼지의 크기는 무엇보다 흡입 덕트(21)의 직경에 의해 제한될 것이다. 특히, 먼지의 크기는 흡입 덕트(21)의 직경보다 크지 않을 것이다. 따라서, 유입구(37)의 직경보다 크지 않은 이격 거리를 사용함으로써, 흡입 덕트(21)와 디스크(40) 사이에 먼지가 통과하기에 충분한 공간을 제공하면서 전술한 이점이 달성될 수 있다.
선택된 이격 거리에 관계없이, 디스크(40)의 미천공 영역(45)은 계속 장점을 제공한다. 특히, 미천공 영역(45)은 디스크(40)에 의해 먼지에 부여되는 접선력이 비교적 높은 영역에 디스크(40)의 홀(47)이 제공되는 것을 보장한다. 또한, 먼지를 함유하는 유체는 이격 거리가 증가함에 따라 더 벌어지는 경로를 따르지만, 챔버(36)에 진입할 때 비교적 무거운 물체는 여전히 비교적 직선 경로를 따라 계속될 가능성이 있다. 따라서 중앙 미천공 영역(45)은 디스크(40)를 잠재적인 손상으로부터 계속 보호한다.
이 장점들에도 불구하고, 미천공 영역(45)의 직경은 유입구(37)의 직경보다 클 필요는 없다. 미천공 영역(45)의 크기를 감소시킴으로써, 천공 영역(46)의 크기 및 따라서 디스크(46)의 전체 개방 영역이 증가할 수 있다. 그 결과, 먼지 분리기(10) 양단의 압력 강하가 감소할 것이다. 또한, 천공 영역(46)을 통해 이동하는 먼지를 함유하는 유체의 축 방향 속도의 감소가 관찰될 수 있다. 그러나 미천공 영역(45)의 크기가 감소함에 따라, 챔버(36)로 유입되는 유체가 천공 영역(46)을 만나기 전에 더는 축 방향에서 반경 방향으로 회전하지 않는 지점이 있을 것이다. 따라서, 더 큰 개방 영역으로 인한 축 속도의 감소가 더 작은 회전 각도로 인한 축 속도의 증가에 의해 상쇄되는 지점이 올 것이다.
생각하건대, 디스크(40)의 중앙 영역(45)이 천공될 수 있다. 전술한 많은 장점이 사라지더라도, 완전히 천공된 디스크(40)를 갖는 이점이 있을 수 있다. 예를 들어, 디스크(40)를 제조하는 것이 더 간단하고 그리고/또는 저렴할 수 있다. 특히, 디스크(40)는 연속 천공된 시트로부터 절단될 수 있다. 중앙 영역(45)이 천공되었더라도, 디스크(40)는 챔버(36)로 들어가는 먼지를 함유하는 유체에 비록 디스크(40)의 중심에서 비록 더 적은 힘이지만 접선력을 계속 부여할 것이다. 따라서, 디스크(40)는 감소한 분리 효율에도 불구하고 유체로부터 먼지를 계속 분리할 것이다. 또한, 디스크(40)의 중앙 영역(45)이 천공되면, 디스크(40)에 의해 부여된 비교적 낮은 접선력으로 인해 먼지가 디스크(40)의 가장 중앙에 있는 홀을 막을 수 있을 것이다. 중앙의 홀이 막힌 상태에서, 디스크(40)는 마치 디스크(40)의 중심이 천공되지 않은 것처럼 거동할 것이다. 대안적으로, 중앙 영역(45)은 천공될 수 있지만 주변 천공 영역(46)보다 작은 개방 영역을 갖는다. 또한, 중심 영역(45)의 개방 영역은 디스크(40)의 중심으로부터 반경 방향 외측으로 이동할 때 증가할 수 있다. 이는 디스크(40)의 접선 속도가 증가함에 따라 중앙 영역(45)의 개방 영역이 증가하는 이점을 갖는다.
흡입 덕트(21)는 디스크(40)의 회전축(48)과 일치하는 축을 따라 연장된다. 그 결과, 챔버(36)로 들어가는 먼지를 함유하는 유체는 디스크(40)의 중심을 향하게 된다. 이것은 먼지를 함유하는 유체가 디스크(40)의 표면에 고르게 분산되는 이점을 갖는다. 반대로, 흡입 덕트(21)가 디스크(40)에서 중심을 벗어나면 유체가 고르지 않게 분산될 것이다. 이점을 설명하기 위해, 도 8은 (a) 디스크(40)의 중심을 향한 그리고 (b) 중심에서 벗어난 흡입 덕트(21)의 외주에서 디스크에 의해 먼지를 함유하는 유체에 부여되는 접선력을 도시한다. 흡입 덕트(21)가 중심을 벗어났을 때, 먼지를 함유하는 유체가 디스크(40)의 표면에 고르게 흐르지 않는다는 것을 알 수 있다. 도 8의 (b)에 도시된 예에서, 디스크(40)의 하부 절반은 먼지를 함유하는 유체를 거의 볼 수 없다. 디스크(40) 위에서의 이러한 유체의 불균일한 분포는 하나 이상의 부작용을 가질 것이다. 예를 들어, 디스크(40)를 통한 유체의 축 방향 속도는 먼지를 함유하는 유체에 가장 많이 노출되는 영역에서 증가할 가능성이 있다. 그 결과, 먼지 분리기(10)의 분리 효율이 저하될 가능성이 있다. 또한, 디스크(40)에 의해 분리된 먼지는 용기(20) 내에서 불균일하게 수집될 수 있다. 그 결과, 먼지 분리기(10)의 용량이 손상될 수 있다. 용기(20) 내에 이미 수집된 먼지(50)의 재동반도 증가하여 분리 효율의 추가 감소로 이어질 수 있다. 먼지를 함유하는 유체를 중심에서 벗어나게 하는 또 다른 단점은 디스크(40)가 불균일한 구조적 하중을 받는다는 점이다. 결과적인 불균형은 용기(20)의 상단 벽(30)과의 시일 불량을 초래할 수 있고, 진공청소기(1) 내에서 디스크 조립체(22)를 지지하는데 사용되는 베어링의 수명을 감소시킬 수 있다.
흡입 덕트(21)는 저벽(32)에 부착되어 그와 일체로 형성될 수 있다. 따라서 흡입 덕트(21)는 저벽(32)에 의해 챔버 내에서 지지가 된다. 흡입 덕트(21)는 대안적으로 용기(20)의 측벽(31)에 의해, 예를 들어 흡입 덕트(21)와 측벽(31) 사이에서 반경 방향으로 연장되는 하나 이상의 버팀대를 사용하여 지지가 될 수 있다. 이 구성은 저벽(32)이 흡입 덕트(21)의 이동 없이 자유롭게 개폐된다는 이점을 갖는다. 그 결과, 더 큰 먼지 용량을 갖는 높이가 더 큰 용기(20)가 사용될 수 있다. 그러나 이 구성의 단점은 저벽(32)이 개방될 때 흡입 덕트(21)를 지지하기 위해 사용된 버팀대가 챔버(36)로부터 낙하하는 먼지를 방해하기 쉽고, 따라서 용기(20)의 비우기를 더 어렵게 만든다는 것이다.
흡입 덕트(21)는 챔버(36) 내에서 선형으로 연장된다. 이는 먼지를 함유하는 유체가 유입 경로(21)를 통해 직선 경로를 따라 이동한다는 이점을 갖는다. 그러나 이러한 구성에 어려움이 없는 것은 아닙니다. 저벽(32)은 개폐되도록 구성되고 힌지(33)와 캐치(34)에 의해 측벽(31)에 부착된다. 따라서, 사용자가 청소기 헤드(4)를 조작하기 위해 핸드헬드 유닛(2)에 힘을 가할 때(예를 들어, 청소기 헤드(4)를 앞뒤로 조작하기 위한 미는 힘 또는 당기는 힘, 청소기 헤드(4)를 좌우로 조종하기 위한 비틀림 힘, 또는 청소기 헤드(4)를 바닥에서 들어올리기 위한 리프팅 힘), 힌지(33) 및 캐치(34)를 통해 청소기 헤드(4)로 힘이 전달된다. 따라서 힌지(33)와 캐치(34)는 필요한 힘을 견딜 수 있도록 설계되어야 한다. 대안적인 구성으로서, 저벽(32)은 측벽(31)에 고정될 수 있고, 측벽(31)은 상단 벽(30)에 제거 가능하게 부착될 수 있다. 그러면 용기(20)는 상단 벽(30)에서 측벽과 저벽(31, 32)을 제거하고 뒤집어서 비워진다. 이러한 구성은 필요한 힘을 견딜 수 있는 힌지 및 캐치를 설계할 필요가 없다는 장점이 있지만, 먼지 분리기(10)를 비우는 게 편리하지 않다.
대안적인 먼지 분리기(101)가 도 9에 도시되어있다. 흡입 덕트(21)의 일부는 용기(20)의 측벽(31)을 따라 연장되고 이에 부착되거나 이와 일체로 형성된다. 저벽(32)이 힌지(33)와 캐치(미도시)에 의해 측벽(31)에 다시 부착된다. 그러나 흡입 덕트(21)는 더는 저벽(32)을 관통하여 연장되지 않는다. 따라서, 저벽(32)이 폐쇄 위치와 개방 위치 사이에서 이동할 때, 흡입 덕트(21)의 위치가 변하지 않는다. 이는 요구되는 힘을 견딜 수 있는 힌지와 캐치를 설계할 필요 없이 용기(20)를 비우기 편리하다는 이점을 갖는다. 그러나 도 9로부터 명백한 바와 같이, 흡입 덕트(21)는 더 이상 직선형이 아니다. 그 결과, 흡입 덕트(21)의 굽힘으로 인한 손실이 증가할 것이고, 따라서 먼지 분리기(10)와 관련된 압력 강하가 증가하기 쉽다. 도 9에 도시된 장치의 흡입 덕트(21)는 더 이상 직선적이지 않지만, 흡입 덕트(21)의 단부는 디스크(40)의 회전축(48)과 일치하는 축을 따라 계속 연장된다. 그 결과, 먼지를 함유하는 유체는 디스크(40)의 중심을 향하는 축 방향으로 챔버(36)에 계속 유입된다.
도 10은 흡입 덕트(21)가 용기(20)의 측벽(31)을 통해 선형으로 연장되는 다른 먼지 분리기(102)를 도시한다. 저벽(32)은 힌지(33)에 의해 측벽(31)에 부착되고 캐치(34)에 의해 폐쇄된 상태로 유지된다. 도 3 및 도 9에 도시된 구성에서, 먼지 분리기(10, 101)의 챔버(36)는 실질적으로 원통형이며, 챔버(36)의 종축은 디스크의 회전축(48)과 일치한다. 디스크(40)는 이어서 챔버(36)의 상단을 향해 위치되고, 흡입 덕트(21)는 챔버(36)의 하단으로부터 위로 연장된다. 상단 및 하단에 대한 언급은 유체로부터 분리된 먼지가 챔버(36)의 하단에서 우선적으로 수집되고 챔버(36)의 상단을 향하는 방향으로 점진적으로 채워지는 것을 의미하는 것으로 이해해야 한다. 도 10에 도시된 구성에서, 챔버(36)의 형상은 원통형 상단 부분과 입방형 하단 부분의 결합으로 생각될 수 있다. 디스크(40) 및 흡입 덕트(21)는 챔버(36)의 상단을 향해 위치된다. 흡입 덕트(21)가 용기(20)의 측벽(31)을 통해 연장되기 때문에, 이 구성은 용기(20)가 청소기 헤드(4)를 조작하는 데 필요한 힘을 견딜 수 있는 힌지와 캐치에 대한 필요 없이 저벽(32)을 통해 편리하게 비워 질 수 있다는 이점을 갖는다. 또한, 흡입 덕트(21)는 선형이므로, 흡입 덕트(21)와 관련된 압력 손실이 감소한다. 상기 구성은 적어도 3개의 추가 장점이 있다. 먼저, 먼지 분리기(102)의 먼지 용량이 상당히 증가한다. 둘째, 핸드헬드 유닛(2)이 바닥 위 청소를 위해 뒤집힐 때, 용기(20) 내의 먼지가 디스크(40)에 떨어지기 어렵다. 따라서, 챔버(36)가 디스크(40) 주위에 보호용 도랑부를 포함할 필요가 없으므로, 더 큰 총 개방 영역을 갖는 더 큰 디스크(40)가 사용될 수 있다. 셋째, 용기(20)의 저벽(32)은 평평한 표면에 놓일 때 핸드헬드 유닛(2)을 지지하는 데 사용될 수 있다. 그러나 이러한 구성이 단점이 없는 것은 아니다. 예를 들어, 더 큰 용기(20)는 가구 또는 가전제품 사이와 같이 좁은 공간에 접근하기 어렵게 할 수 있다. 또한, 챔버(36)의 하단은 챔버(36)의 상단으로부터 반경 방향으로 이격되어 있다. 즉, 챔버(36)의 하단은 디스크(40)의 회전축(48)에 수직인 방향으로 챔버(36)의 상단으로부터 이격되어 있다. 그 결과, 디스크(40)에 의해 반경 방향 외측으로 던져진 먼지 및 유체가 챔버(36)의 하단에 수집된 먼지를 건드릴 수 있다. 또한, 챔버(36) 내의 임의의 소용돌이는 챔버(36)의 상하로 이동하는 경향이 있을 것이다. 그 결과, 먼지의 재동반이 증가하여 분리 효율이 떨어질 수 있다. 반면, 도 3 및 도 9에 도시된 구성에서, 챔버(36)의 하단은 챔버(36)의 상단으로부터 축 방향으로 이격되어 있다. 따라서 디스크(40)에 의해 반경 방향 외측으로 던져진 먼지 및 유체가 챔버(36)의 하단에 수집된 먼지를 건드릴 가능성이 작다. 또한, 챔버(36) 내의 임의의 소용돌이는 챔버(36)의 상하가 보다는 챔버(36) 주위를 이동한다.
전술한 각각의 먼지 분리기(10, 101, 102)에서, 흡입 덕트(21)의 적어도 단부 부분(즉, 유입구(37)를 갖는 부분)은 디스크(40)의 회전축(48)과 일치하는 축을 따라 연장된다. 그 결과, 먼지를 함유하는 유체가 디스크(40)의 중심을 향하는 축 방향으로 챔버(36)에 유입된다. 이것의 장점은 위에서 설명했다. 그러나 대안적인 구성을 갖는 것이 바람직한 경우가 있을 수 있다. 예를 들어, 도 11-13은 흡입 덕트(21)가 디스크(40)의 회전축(48)에 대해 기울어진 축을 따라 연장되는 먼지 분리기(103)를 도시한다. 즉, 흡입 덕트(21)는 회전축(48)과 평행하지 않은 축을 따라 연장된다. 이러한 구성의 결과로서, 먼지를 함유하는 유체는 회전축(48)과 평행하지 않은 방향으로 챔버에 들어간다. 그럼에도, 챔버(36)로 들어가는 먼지를 함유하는 유체는 디스크(40)로 계속 향하게 된다. 실제로, 도 11 내지 도 13에 도시된 먼지 분리기(103)에서, 먼지를 함유하는 유체는 디스크(40)의 중심으로 계속 향한다. 이러한 특정 구성은 몇 가지 이유로 유리할 수 있다. 먼저, 진공청소기(1)가 바닥 청소를 위해 사용될 때, 도 1에 도시된 바와 같이, 핸드헬드 유닛(2)은 일반적으로 약 45도의 각도로 아래로 향한다. 그 결과 먼지 분리기 내부에 먼지가 고르게 모이지 않는다. 특히, 먼지는 챔버(36)의 일 측을 따라 우선적으로 수집될 수 있다. 도 3에 도시된 먼지 분리기(10)에서, 이 불균일한 먼지 수집은 먼지가 챔버의 한쪽을 따라 챔버(36)의 상단까지 채워져서, 챔버(36)의 반대쪽에는 먼지가 비교적 없음에도, 챔버가 가득 찬 상태를 유발한다는 것을 의미할 수 있다. 도 12에 도시된 바와 같이, 도 11 내지 도 13의 먼지 분리기(103)는 이용 가능한 공간을 더 잘 이용할 수 있다. 그 결과, 먼지 분리기(10)의 용량이 향상될 수 있다. 도 9의 먼지 분리기(101)도 이러한 장점이 있다고 말할 수 있다. 그러나 먼지 분리기(101)의 흡입 덕트(21)는 2개의 굴곡부를 포함한다. 반면, 도 11 내지 도 13의 먼지 분리기(103)의 흡입 덕트(21)는 일반적으로 선형이므로, 압력 손실이 더 작다. 도 11 내지 13에 도시된 구성의 다른 장점은 비우기에 관한 것이다. 도 3에 도시된 구성에서와 같이, 흡입 덕트(21)는 저벽(32)에 부착되고 저벽(32)과 함께 이동 가능하다. 도 6에 도시된 바와 같이, 도 3의 먼지 분리기(10)가 수직으로 유지되고 저벽(32)이 개방 위치에 있을 때, 흡입 덕트(21)는 수평으로 연장된다. 반면, 도 13에 도시된 바와 같이, 도 11 내지 도 13의 먼지 분리기(103)가 수직으로 유지되고 저벽(32)이 개방될 때, 흡입 덕트(21)는 아래쪽으로 기울어진다. 그 결과, 먼지가 흡입 덕트(21)로부터 미끄러져 나오게 유도된다.
도 11 내지 도 13에 도시된 구성에서, 챔버(36)로 들어가는 먼지를 함유하는 유체는 디스크(40)의 중심을 계속 향한다. 이러한 구성에는 장점이 있지만, 그럼에도 불구하고, 먼지를 함유하는 유체를 중심에서 벗어나게 함으로써 효과적으로 먼지를 분리할 수 있다. 또한, 먼지를 함유하는 유체를 중심에서 벗어나게 하는 것이 바람직한 경우가 있을 수 있다. 예를 들어, 디스크(40)의 중앙 영역이 천공된 경우, 접선 속도가 가장 느린 디스크(40)의 영역을 피하기 위해 먼지를 함유하는 유체는 중심을 벗어난 방향으로 향할 수 있다. 그 결과, 분리 효율의 순 이득이 관찰될 수 있다. 예로서, 도 14는 챔버(36)로 들어가는 먼지를 함유하는 유체가 디스크(40)에서 중심을 벗어난 방향으로 향하는 구성을 도시한다. 도 9에 도시된 구성과 유사하게, 흡입 덕트(21)는 용기(20)의 측벽(31)과 일체로 형성되고, 저벽(32)은 힌지(33) 및 캐치(미도시)에 의해 측벽(31)에 부착된다. 저벽(32)이 폐쇄 위치와 개방 위치 사이에서 이동할 때, 흡입 덕트(21)의 위치는 고정된 상태로 유지된다. 이는 청소기 헤드(4)를 조작하는데 필요한 힘을 견딜 수 있는 힌지 및 캐치를 설계할 필요 없이 용기(20)를 비우기 편리하다는 이점을 갖는다. 또한, 도 9의 먼지 분리기(101)와 달리, 흡입 덕트(21)는 직선형이므로, 흡입 덕트(21)를 통한 먼지를 함유하는 유체의 이동으로 인해 발생하는 압력 손실이 감소된다.
더욱 일반적인 의미에서, 먼지를 함유하는 유체는 유동 축(49)을 따라 챔버(36)로 진입한다고 할 수 있다. 먼지를 함유하는 유체가 디스크(40)를 향하게 하도록 유동 축(49)은 디스크(40)와 교차한다. 이것은 먼지를 함유하는 유체가 챔버(36)에 들어간 후 바로 디스크(40)에 충돌한다는 이점을 갖는다. 디스크(40)는 이어서 먼지를 함유하는 유체에 접선력을 부여한다. 유체는 디스크(40)의 홀(47)을 통해 흡인되고, 반면 먼지는 그의 더 큰 관성으로 인해 반경 방향 바깥쪽으로 이동하여 챔버(36)에 모이게 된다. 도 3, 도 9, 도 10 및 도 11에 도시된 구성에서, 유동 축(49)이 디스크(40)의 중심을 교차하는 반면, 도 14에 도시된 구성에서는 유동 축(49)이 중심을 벗어나 디스크(40)와 교차한다. 디스크(40)의 중심을 교차하는 유동 축(49)을 갖는 이점이 있지만, 그럼에도 불구하고 중심에서 벗어나서 디스크(40)와 교차하는 유동 축(49)을 가짐으로써 먼지의 효과적인 분리가 달성될 수 있다.
전술한 각각의 구성에서, 흡입 덕트(21)는 원형 단면을 가지므로 유입구(37)는 원형 형상을 갖는다. 생각하건대, 흡입 덕트(21) 및 유입구(37)는 대안적인 형상을 가질 수 있다. 마찬가지로, 디스크(40)의 형상이 원형일 필요는 없다. 하지만, 비원형 디스크를 가짐으로써 어떤 이점을 얻을 수 있는지는 명확하지 않다. 디스크(40)의 천공 및 미천공 영역(45, 46)은 또한 상이한 형상을 가질 수 있다. 특히, 미천공 영역(45)은 원형이거나 디스크(40)의 중심에 위치할 필요가 없다. 예를 들어, 흡입 덕트(21)가 디스크(40)에서 중심을 향하지 않는 경우, 미천공 영역(45)은 고리의 형태를 취할 수 있다. 상기 논의에서, 때때로 특정 요소의 직경을 참조하고 있다. 그 요소가 비원형인 경우, 직경은 요소의 최대 너비에 해당한다. 예를 들어, 유입구(37)가 직사각형 또는 정사각형 형상인 경우, 유입구(37)의 직경은 유입구(37)의 대각선에 대응할 것이다. 대안적으로, 유입구가 타원형 형상인 경우, 유입구(37)의 직경은 주축을 따른 유입구(37)의 폭에 대응할 것이다.
디스크(40)는 스테인리스 스틸과 같은 금속으로 형성되는데, 이는 플라스틱보다 적어도 두 가지 장점이 있다. 먼저, 비교적 높은 강성을 갖는 비교적 얇은 디스크(40)를 얻을 수 있다. 둘째, 도 7에 도시된 바와 같이, 핸드헬드 유닛(2)이 뒤집힐 때, 유체에 의해 운반되어 디스크(40)에 떨어지는 딱딱하거나 날카로운 물체에 의한 손상에 덜 취약한 비교적 단단한 디스크(40)를 얻을 수 있다. 그럼에도, 이러한 장점에도 불구하고, 디스크(40)는 플라스틱과 같은 대안적인 재료로 형성될 수 있다. 실제로, 플라스틱의 사용은 금속보다 장점이 있을 수 있다. 예를 들어, 폴리옥시메틸렌과 같은 저 마찰 플라스틱의 디스크(40)를 형성함으로써, 용기(20)의 상단 벽(30) 주위에 제공된 저 마찰 재료(예를 들어, PTFE)의 링이 생략될 수 있다.
전술한 구성들에서, 디스크 조립체(22)는 전기 모터(41)의 샤프트에 직접 부착된 디스크(40)를 포함한다. 생각하건대, 디스크(40)는 예를 들어 기어 박스 또는 드라이브 도그를 통해 전기 모터에 간접적으로 부착될 수 있다. 또한, 디스크 어셈블리(22)는 디스크(40)가 부착된 캐리어를 포함할 수 있다. 예로서, 도 15는 캐리어(70)를 갖는 디스크 조립체(23)를 도시한다. 캐리어(70)는 디스크(40)의 강성을 증가시키기 위해 사용될 수 있다. 그 결과, 더 얇은 디스크(40) 또는 더 큰 직경 및/또는 더 큰 총 개방 영역을 갖는 디스크(40)가 사용될 수 있다. 캐리어(70)는 또한 디스크 어셈블리(23)와 용기(20) 사이에 시일을 형성하는데 사용될 수 있다. 이와 관련하여, 디스크(40)와 상단 벽(30) 사이의 접촉 시일이 지금까지 설명되었지만, 대안적인 유형의 시일, 예를 들어 래버린스 시일 또는 유체 시일이 동일하게 사용될 수 있다. 캐리어(70)가 또한 완전히 천공된 디스크의 중앙 영역을 막는데 사용될 수 있다. 도 15에 도시된 예에서, 캐리어(70)는 방사형 스포크(73)에 의해 림(72)에 연결된 중앙 허브(71)를 포함한다. 이어서 유체는 인접한 스포크(73) 사이의 개구(74)를 통해 캐리어(70)를 통과하여 이동한다.
전술한 각각의 디스크 어셈블리(22, 23)는 디스크(40)를 구동하기 위한 전기 모터(41)를 포함한다. 생각하건대, 디스크 어셈블리(22, 23)는 디스크(40)를 구동하기 위한 대안적인 수단을 포함할 수 있다. 예를 들어, 디스크(40)는 진공 모터(12)에 의해 구동될 수 있다. 이 구성은 진공 모터(12)가 디스크(40)의 회전축(48)과 일치하는 축을 중심으로 회전하는 도 1에 도시된 레이아웃에서 특히 가능하다. 대안적으로, 디스크 어셈블리(22, 23)는 디스크 어셈블리(22, 23)를 통해 이동하는 유체의 흐름에 의해 구동되는 터빈을 포함할 수 있다. 터빈은 일반적으로 전기 모터보다 저렴하지만, 터빈의 속도, 따라서 디스크(40)의 속도는 터빈을 통해 이동하는 유체의 유량에 의존한다. 그 결과, 낮은 유량에서 높은 분리 효율을 달성하기 어려울 수 있다. 또한, 먼지가 디스크(40)의 임의의 홀(47)을 막게 되면, 디스크(40)의 개방 영역이 감소하여 터빈으로의 유체의 흐름이 제한될 것이다. 그 결과, 디스크(40)의 속도가 감소하여 막힘 가능성이 증가할 것이다. 그러면 디스크(40)가 막히면서 디스크(40) 점점 느려지고, 속도가 느려짐에 따라 디스크(40)가 점차 막히게 되는 활주로 효과가 발생한다. 또한, 청소기 헤드(4)의 흡입구가 순간적으로 막히게 되면, 디스크(40)의 속도는 상당히 감소할 것이다. 그러면 디스크(40)에 먼지가 많이 쌓일 수 있다. 이후에 장애물이 제거될 때, 터빈이 먼지를 제거하기에 충분한 속도로 디스크(40)를 구동할 수 없을 정도로 먼지가 디스크(40)의 개방 영역을 제한할 수 있다. 전기 모터는 일반적으로 더 비싸지만, 디스크(40)의 속도는 유량 또는 유체 속도에 상대적으로 둔감하다는 이점을 갖는다. 그 결과, 낮은 유량과 낮은 유체 속도에서 높은 분리 효율이 달성될 수 있다. 또한, 디스크(40)는 먼지로 막힐 가능성이 작다. 전기 모터를 사용하는 것의 또 다른 이점은 더 적은 전력을 필요로 한다는 것이다. 즉, 주어진 유량 및 디스크 속도에서, 전기 모터(41)에 의해 인출된 전력은 터빈을 구동시키기 위해 진공 모터(12)에 의해 인출된 추가 전력보다 적다.
지금까지 먼지 분리기(10)를 독립형 청소기로서 사용될 수 있거나 또는 스틱형 청소기(1)로서 사용하기 위해 기다란 튜브(3)를 통해 청소기 헤드(4)에 부착될 수 있는 핸드헬드 유닛(2)의 부분을 형성하는 것으로 설명하였다. 핸드헬드 장치에 디스크 어셈블리를 제공하는 것은 결코 직관적이지 않다. 진공청소기의 먼지 분리기 내에 회전 디스크를 제공하는 것이 알려졌지만, 먼지와 유체를 분리하기 위해서는 먼지 분리기가 반드시 사이클론 챔버를 포함해야 한다는 기존의 편견이 있다. 그 결과, 먼지 분리기의 전체 크기는 비교적 크고 핸드헬드 유닛에 사용하기에 부적절하다. 여기서 설명된 먼지 분리기를 사용하면, 효과적인 분리가 비교적 컴팩트한 방식으로 달성될 수 있다. 그 결과, 먼지 분리기는 핸드헬드 장치에 사용하기에 특히 적합하다.
핸드헬드 장치의 무게는 디자인에서 중요한 고려 사항입니다. 따라서 진공 모터 외에 전기 모터를 포함시키는 것은 자명한 설계적 선택이 아니다. 또한, 핸드헬드 유닛이 배터리 전원을 사용하는 경우, 전기 모터에 의해 소비되는 전력이 진공청소기의 작동 시간을 단축시키는 것으로 합리적으로 가정할 수 있다. 그러나 디스크를 구동하기 위해 전기 모터를 사용함으로써, 비교적 작은 압력 강하로 비교적 높은 분리 효율이 달성될 수 있다. 그 결과, 종래의 핸드헬드 청소기와 비교하여, 덜 강력한 진공 모터를 사용하여 동일한 청소 성능이 달성될 수 있다. 따라서 더 적은 전력을 소비하는 더 작은 진공 모터가 사용될 수 있다. 그 결과, 중량 및/또는 전력 소비의 순 감소가 가능할 수 있다.
여기서 설명한 먼지 분리기가 비록 핸드헬드 진공청소기에 사용하기에 특히 적합하지만, 본 먼지 분리기는 직립형, 캐니스터 또는 로봇 진공청소기와 같은 다른 유형의 진공청소기에도 동일하게 사용될 수 있음을 이해할 것이다.

Claims (13)

  1. 진공청소기용 먼지 분리기로서,
    먼지를 함유하는 유체가 챔버로 유입되는 유입구 및 먼지가 제거된 유체가 챔버를 빠져나가는 배출구를 갖는 챔버; 및
    상기 배출구에 위치하는 디스크를 포함하고, 상기 디스크는 회전축을 중심으로 회전하도록 배치되고 먼지가 제거된 유체가 통과하는 홀을 포함하며,
    상기 디스크는 천공 영역과 미천공 영역을 포함하고, 상기 홀은 상기 천공 영역에 형성되고, 상기 미천공 영역의 폭은 상기 유입구의 직경 이상인, 먼지 분리기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 천공 영역은 유입구보다 큰 총 개방 영역을 가지는, 먼지 분리기.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 천공 영역은 20 %보다 큰 개방 영역을 가지는, 먼지 분리기.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 챔버에 유입되는 먼지를 함유하는 유체는 상기 디스크를 향하는, 먼지 분리기.
  5. 제4항에 있어서, 상기 챔버에 유입되는 먼지를 함유하는 유체는 상기 미천공 영역을 향하는, 먼지 분리기.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 먼지를 함유하는 유체로부터 분리된 먼지는 챔버의 하단에서 수집되어 챔버의 상단을 향한 방향으로 점진적으로 채워지고, 상기 배출구는 챔버의 상단에 위치하거나 또는 챔버의 상단에 인접하여 위치하며, 상기 챔버의 하단은 챔버의 상단으로부터 축 방향으로 이격되어 있는, 먼지 분리기.
  7. 제6항에 있어서, 상기 유입구는 챔버의 하단으로부터 위로 연장되는 흡입 덕트의 단부에 의해 형성되는, 먼지 분리기.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유입구는 챔버 내에서 선형으로 연장되는 흡입 덕트의 단부에 의해 형성되는 먼지 분리기.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유입구의 중심과 상기 디스크의 중심 사이의 이격 거리는 유입구의 직경보다 크지 않은, 먼지 분리기.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 디스크는 금속으로 형성되는, 먼지 분리기.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 먼지 분리기는 상기 회전축을 중심으로 디스크를 구동하기 위한 전기 모터를 포함하는 먼지 분리기.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 먼지 분리기를 포함하는 핸드헬드 진공청소기.
  13. 기다란 튜브에 의해 청소기 헤드에 부착된 핸드헬드 유닛을 포함하는 스틱형 진공청소기로서, 상기 핸드헬드 유닛은 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 먼지 분리기를 포함하고, 상기 기다란 튜브는 회전축에 평행한 축을 따라 연장되는, 스틱형 진공청소기.
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