Dust collector and a vacuum cleaner equipped with the dust collector

本発明は、塵埃の回収効率を増加させることができる集塵装置と、この集塵装置を備えた電気掃除機に関する。

電気掃除機に用いられている集塵装置は、紙や繊維によって形成されたフィルタ体、或いはサイクロン分離機構などの気流力を利用して、空気と塵埃とを分離し、集塵するものである。

このうち、遠心分離を用いた集塵装置を備えた電気掃除機として、塵埃を遠心分離する二重円筒状のサイクロン分離筒と、このサイクロン分離筒により空気から分離されたごみを捕捉する補助フィルタを内部に有する集塵ケースとを、独立させて掃除機本体の下ケースに着脱可能に装着し、サイクロン分離筒の排気の一部を集塵ケースを介して電動送風機に流入させるようにしたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、遠心分離を用いた集塵構造を備えた電気掃除機の他の例として、空気から異物を遠心分離する二重円筒状の第１サイクロンチャンバーと、第１サイクロンチャンバーを経た空気から再度異物を分離する第２サイクロンチャンバーとからなる多重サイクロンユニットと、多重サイクロンユニットの下部に結合され、遠心分離された異物を回収するゴミ回収ユニットとを備えたものも知られている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００４−６５６９８号公報（第７図）

特開２００６−８８１３９号公報（第３図）

しかしながら、従来の二重円筒状のサイクロン分離筒にあっては、内部流路が一様な流路断面積となるように形成されていたため、流れ経路中での粘性摩擦による圧力損失によって逆圧力勾配が生じ、境界層の剥離が生じ易く、損失が大きい。

また、大塵埃と小塵埃を旋回させた場合には、旋回に伴う塵埃間の衝突や壁面との摩擦によって静電気が発生し、旋回室内の壁面へ小塵埃が付着し、集塵ケースへ分離される塵埃が減少し、壁面への塵埃の堆積に従って流路が狭小となり、空気動力学的損失が増大してしまう問題があった。

また、円筒状の分離部では旋回中心部の圧力が低下し、外壁の円筒に垂直な循環流が生じ、気流から分離した塵埃が舞い上がって塵埃の分離性能が低下するとともに、循環流による空気動力学的損失が生じていた。

また、集塵ケースやゴミ回収ユニットにおいては、収納された塵埃の一部が、前記逆圧力勾配の影響により集塵ケース内で舞い上がって分離部へと逆流するため、その対策が必要で構成が複雑となっていた。

本発明の技術的課題は、空気動力学的損失を抑制できて、塵埃の回収効率を高めることができるようにすることにある。

本発明に係る集塵装置は、 １組以上の流入口と流出口との間に形成された略環状の流路の外壁に塵埃排出口を持ち、前記流出口からの空気の流出方向が前記流入口と前記流出口との間の空気の移動方向と略直交方向となるように形成されるとともに、前記流入口から前記流出口にかけて前記流路の断面積がなだらかに減少するように形成された気塵分離部と、前記気塵分離部の外壁の外側に配置され、前記塵埃排出口を介して前記気塵分離部と連なった集塵ケースとを備え、 前記塵埃排出口の開口面形状は、前記流出口からの空気の流出方向にある辺を前記流出口からの空気の流出方向とは反対方向にある辺よりも長くした台形状からなるものである。

本発明の集塵装置によれば、略環状の気塵分離部の流入口から流出口にかけて流路断面積をなだらかに減少させているので、流入口から流出口にかけて流速が速まるとともに、圧力も漸増し、気流の旋回に伴った粘性摩擦による圧力損失を回復させることができる。 このため、塵埃の回収効率が増加し、空気動力学的損失が減少する。
また、塵埃排出口の開口面形状は、流出口からの空気の流出方向にある辺を流出口からの空気の流出方向とは反対方向にある辺よりも長くした台形状からなるので、塵埃排出口の開口面内における速度分布を平坦化し、塵埃排出口を基点とした集塵ケース内の気流循環を減少させることができる。 このため、塵埃の回収効率が増加する。

実施形態１．
以下、図示実施形態により本発明を説明する。
図１は本発明の実施形態１に係る集塵装置を備えた電気掃除機の全体構成を示す斜視図、図２はその掃除機本体の構成を示す斜視図、図３はその気塵分離部および集塵ケース部における空気の流れを示す斜視図、図４はその気塵分離部および集塵ケース部における空気の流れを示す横断面図、図５はその気塵分離部および集塵ケース部における空気の流れを示す縦断面図、図６はその集塵装置の空気動力学性能を従来と比較して示すグラフで、縦軸に圧力損失（Ｐa ）を、横軸に体積流量（ｍ3/min ）をとっている。

本実施形態の集塵装置を備えた電気掃除機１は、図１及び図２のようにケース体４及び台座５を有する掃除機本体２と吸込具３を備えている。 掃除機本体２には、台座５の下面に、床面を走行可能とする走行車輪６が設けられ、走行車輪６の上方に、台座５を介して電動送風機７が設置され、電動送風機７の上方に、塵埃を気流から分離する気塵分離部８が設置され、気塵分離部８の側方に集塵ケース９が設置されていて、このうち電動送風機７と気塵分離部８はケース体４に内包されるように配置されている。 また、掃除機本体２の前側略中央には、吸込具３側の蛇腹ホース３ａが着脱自在に接続されるホース接続口１０が開口され、吸込具３を介して外部から気流を吸引するようになっている。

気塵分離部８は、図３乃至図５のようにホース接続口１０に連なる流入口４０と、流出口４１と、集塵ケース９に連なる塵埃排出口５４とを有し、外壁５０と内壁５１と上面５２と底面５３にて略環状に形成され、かつこの略環状である流路の断面積の流れ経路中の最小面積が流出口４１の開口面積と同一か或いはそれ未満となるように設定されている。 塵埃排出口５４は、気流から分離した塵埃を集塵ケース９に収納するために外壁５０に開けたものである。

外壁５０の上面から見た外形曲線は、ここでは図４のように代数螺旋（例えば放物螺旋、双曲螺旋、リチュース曲線等）に従う曲線形状とし、内壁５１の上面から見た外形曲線は、円形状としている。 上面５２は、図５のように外壁５０と内壁５1を接続する曲面に形成されている。 底面５３は、図５のように流入口４０から流出口４１に従ってなだらかに上面側に漸近する曲面に形成され、流路断面積が流入口４０から流出口４１にかけて減少するように構成されている。 このため、外壁５０の上面側から見た螺旋形を、代数螺旋のうちのアルキメデスの螺旋に従う曲線形状とすることも可能となっている。

このように構成された本実施形態の集塵装置を備えた電気掃除機を用いて清掃する際、電動送風機７によって生じた負圧により吸込具３からホース接続口１０を通じて掃除機本体２へと気流が誘起され、流入口４０から気塵分離部８へ塵埃を含んだ気流が流入する。 気塵分離部８へ流入した気流は、流出口４１へ向かう経路中において旋回流れとなり、塵埃と気流に対して遠心加速度に従った慣性力が働く。 その結果、塵埃と気流の密度差に従って塵埃は、外壁５０へ漸近する運動軌跡となり、塵埃排出口５４を通じて集塵ケース９へ流入する。 一方、塵埃が取り除かれた気流は、流出口４１へと排出される。

気塵分離部８の外壁５０と内壁５１は上面から見た外形曲線が半径を異にした円形となる２重円筒分離構造となっている。 この場合、既述したように内部流路が一様な流路断面積となっていれば、流入口４０から流出口４１へと旋回流を生じさせる過程で、乱流による粘性摩擦によって圧力損失が生じるため、逆圧力勾配が発生し、境界層のはく離など空気動力学的損失につながる。 しかし、本実施形態のように外壁５０の上面から見た外形曲線を代数螺旋に従う曲線とし、底面５３を流入口４０から流出口４１に従ってなだらかに上面側へ漸近させ、流路断面積を縮小せしめる、つまり気塵分離部８の圧力損失量と反比例して流路断面積を減少させることで、流入口４０から流出口４１にかけて流速が速まり、圧力も漸増し、気流の旋回に伴った粘性摩擦による圧力損失を回復させることができ、正圧力勾配とすることができる。 その結果、図６のグラフに示すように従来に比し空気動力学的損失を減少させることができ、塵埃の回収効率が増加する。

ところで、従来は気塵分離部８では流出口４１から電動送風機７へと流路を形成する際に、流出口４１において流れの拡大が生じ、空気動力学的損失が発生していた。 すなわち、流出口４１の開口面積が流路断面積より大きいと流速が減少し、流出口４１付近での塵埃の堆積が生じやすくなり、空気動力学的損失が生じ易くなっていた。 本実施形態においては、気塵分離部８の外壁５０と内壁５１と上面５２と底面５３にて形成される略環状である流路の断面積の流れ経路中における最小面積に対して、流出口４１の開口面積を同一か或いはそれ未満に設定している。 このため、流出口４１部における流れの急拡大を防ぐことができる。 この結果、流速の減少を抑制することができ、空気動力学的損失を更に低減することが可能となって、塵埃の回収効率をより向上させることができる。

実施形態２．
図７は本発明の実施形態２に係る集塵装置の集塵ケース部の構成を示す斜視図であり、図中、前述の実施形態１のものに相当する部分には同一符号を付してある。 なお、外壁と内壁と上面と底面にて形成される略環状の構成は、前述の実施形態１のものと同一であるため、説明にあたっては前述の図１乃至図６を参照するものとする。

集塵ケース９に収納された塵埃の中には、集塵ケース９内で舞い上がって気塵分離部８へと逆流する塵埃がある。 これは、図３における気塵分離部８と略直方体形状の集塵ケース９とを連通させる塵埃排出口５４の開口面内において、気塵分離部８から流入する塵埃と気流の間で流入速度がばらつき、その結果、異なった速度分布となることで塵埃排出口５４を基点とした集塵ケース９内での気流循環現象が生じることに起因することが本発明者等の実験の結果判明した。 さらに、塵埃排出口５４の開口面内における圧力分布は、当該塵埃排出口５４の上部で低く、下部で高くなることが分かった。

そこで、本実施形態の集塵装置では、図７のように塵埃排出口５４Ａの開口面形状を台形状とし、かつその上辺を下辺の４分の３未満の長さとすることで、塵埃排出口５４Ａの開口面内における上部での圧力を高め、塵埃排出口５４Ａの開口面内における速度分布を平坦化した。 これにより、塵埃排出口５４Ａを基点とした集塵ケース９内の気流循環が減少し、塵埃の回収効率を高めることができた。

すなわち、本実施形態においては、掃除機本体２の略環状の気塵分離部８の上面から見た螺旋形を、代数螺旋にて形成し、塵埃分離部８の流出口４１の開口面積を流路断面積の流れ経路中の最小面積と同一か或いはそれ未満とし、さらに集塵ケース９の塵埃排出口５４Ａの形状を台形状とし、かつその上辺を下辺の４分の３未満の長さとしたので、流体損失の少ない集塵装置を実現できた。

なお、前述の各本実施形態では外壁５０の上面から見た外形曲線を代数螺旋に従う曲線形状とし、内壁５１の上面から見た外形曲線を円形状としたものを例に挙げて説明したが、これらの関係は逆でもよく、このような場合でも前述の各本実施形態と同等の作用効果を奏する。

また、前述の各本実施形態では本発明の集塵装置を電気掃除機に適用したものを例に挙げて説明したが、これに限るものでなく、集塵装置が使用される空気調和機や電動工具の塵埃回収機構など、空気を作動流体とする製品、洗濯機の塵埃回収機構といった水を作動流体とする製品への応用も可能であることは言うまでもない。

本発明の実施形態１に係る集塵装置を備えた電気掃除機の全体構成を示す斜視図である。

本発明の実施形態１に係る集塵装置を備えた電気掃除機の掃除機本体の構成を示す斜視図である。

本発明の実施形態１に係る集塵装置の気塵分離部および集塵ケース部における空気の流れを示す斜視図である。

本発明の実施形態１に係る集塵装置の気塵分離部および集塵ケース部における空気の流れを示す横断面図である。

本発明の実施形態１に係る集塵装置の気塵分離部および集塵ケース部における空気の流れを示す縦断面図である。

本発明の実施形態１に係る集塵装置の空気動力学性能を従来と比較して示すグラフである。

本発明の実施形態２に係る集塵装置の集塵ケース部の構成を示す斜視図である。

符号の説明

１ 電気掃除機、８ 気塵分離部、９ 集塵ケース、４０ 流入口、４１ 流出口、５４，５４Ａ 塵埃排出口。