(57)【要約】【課題】低圧力損失で粉塵の捕集効率の良い塵埃除去装置を用いた真空掃除機を提供する．【解決手段】入口管から送風機に至るまでを，入口直管部と重力沈降部からなる補助管路と，該重力沈降部に連接した第一集塵室と，該重力沈降部に連接し，スパン方向流路幅の半径方向流路幅に対するアスペクト比が３以上であり，内側曲率半径の外側曲率半径に対する比が２／３以上で，外壁を開放してなる第二集塵口を有した開放型主管路前半部と，内側曲率半径の仮想的な外側曲率半径に対する比が１／２以下でかつ外壁が開放された開放型主管路後半部からなる開放型主管路と，該第二集塵口に連接した第二集塵室部と，該開放型主管路後半部の開放された外壁側に形成された境界層吸引部と，該境界層吸引部に連なる最終捕集部及び第三集塵室部と，該開放型主管路後半部と該最終捕集部に連接し後方で合流している合流部と，補助フィルタと，縮小管，及び送風機からなる構造とする．【選択図】図５
2006026338.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
塵埃分離装置を用いた床面移動型真空掃除機において，掃除機本体の入口管から送風機に至るまでの構造が，後続する開放型主管路と同様のアスペクト比の入口直管部と，該入口直管部に連接し，重力沈降部上面壁と下方に傾斜した重力沈降部下面壁を有し，上下に相接している開放型主管路入口と第一集塵口に連接する重力沈降部からなる補助管路と，該第一集塵口に連なる第一集塵室と，該開放型主管路入口に連接し，スパン方向流路幅の半径方向流路幅に対するアスペクト比が３以上であり，内側曲率半径の外側曲率半径に対する比が２／３以上で，回転初期部分の外壁を開放してなる第二集塵口を有した開放型主管路前半部と，同様のアスペクト比で内側曲率半径の仮想的な外側曲率半径に対する比が１／２以下でかつ外壁が開放された開放型主管路後半部からなる該開放型主管路と，該第二集塵口に連接し凸形状の底面を有するとともに左右の壁が開放された第二集塵分岐室と，該第二集塵分岐室の左右に連なる第二右集塵室及び第二左集塵室からなる第二集塵室部と，該開放型主管路後半部の開放された外壁側に形成された境界層吸引部と，該境界層吸引部に連なり，半径方向面内の流路幅が開放型主管路後半部入口の半径方向流路幅の１／４以下である最終捕集部入口直管と最終捕集部出口直管，及び該２つの直管に挟まれ，流路が９０°以上回転し，内側曲率半径の仮想的な外側曲率半径に対する比が１／２以下でかつ外壁が開放された最終捕集部曲管からなる最終捕集部と，該最終捕集部曲管の開放部分に連なった第三集塵室部と，該開放型主管路後半部と該最終捕集部出口直管に連接し後方で合流している合流部と，該合流部に連接した補助フィルタと安全網，及び該安全網に連接した縮小管と送風機からなることを特徴とする真空掃除機．
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は塵埃分離装置を用いた真空掃除機に関するものであり，詳しくは，重力と慣性力を利用した塵埃分離装置を用いた真空掃除機に関するものである．
【背景技術】
【０００２】  重力や慣性力（遠心力も含む）を利用した塵埃分離装置を真空掃除機に適用すると，捕集した塵埃が気流から分離されるので，紙パックを用いた真空掃除機と比べて微粒子の捕集効率は低いものの，吸引力の低下がなく，臭気の放散も無いという長所がある．【０００３】  真空掃除機が処理する塵埃には，固形物，繊維塵，粉塵等の多様なものが含まれており，代表的な慣性捕集装置であるサイクロンを真空掃除機に適用したものは，一般に主円筒内に挿入された出口管の側面からも吸引するとともに，これにネットを設けている．【０００４】  しかし，このような手法では，▲１▼既に捕集した塵埃や出口管に張られたネットが旋回流を妨げる，▲２▼出口管の側面からも吸引しているので良好な旋回流が形成されない等の理由により，粉塵の捕集効率は良くない．このため，サイクロンの後方に設けた補助フィルタの目詰まりが早く，小麦粉等の粉体を吸い込んだ場合はすぐに吸引力が低下する．【０００５】  このような一般的なサイクロン真空掃除機の欠点を補うため，特開平５−１７６８７１のサイクロンでは二重構造のサイクロンが示されている．また，特開平８−３２２７６９のサイクロンでは大小２つのサイクロンを直列に配置したタンデム型のサイクロンが示されている．【０００６】  しかし，二重構造やタンデム型のサイクロンでは粉塵の捕集効率は改善されるものの，圧力損失が大きくなるという問題がある．
【特許文献１】特開平５−１７６８７１
【特許文献２】特開平８−３２２７６９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】  本発明は，このような問題点を解決するため，低圧力損失で粉塵の捕集効率に優れた塵埃分離装置を用いた真空掃除機を提供することを目的としている．
【課題を解決するための手段】
【０００８】  本発明の真空掃除機は，掃除機本体の入口管から送風機に至るまでの構造が，（１）後続する開放型主管路と同様のアスペクト比の入口直管部と，該入口直管部に連接し，重力沈降部上面壁と下方に傾斜した重力沈降部下面壁を有し，上下に相接している開放型主管路入口と第一集塵口に連接する重力沈降部からなる補助管路と，（２）該第一集塵口に連なる第一集塵室と，（３）該開放型主管路入口に連接し，スパン方向流路幅の半径方向流路幅に対するアスペクト比が３以上であり，内側曲率半径の外側曲率半径に対する比が２／３以上で，回転初期部分の外壁を開放してなる第二集塵口を有した開放型主管路前半部と，同様のアスペクト比で内側曲率半径の仮想的な外側曲率半径に対する比が１／２以下でかつ外壁が開放された開放型主管路後半部からなる開放型主管路と，（４）該第二集塵口に連接し凸形状の底面を有するとともに左右の壁が開放された第二集塵分岐室と，該第二集塵分岐室の左右に連なる第二右集塵室及び第二左集塵室からなる第二集塵室部と，（５）該開放型主管路後半部の開放された外壁側に形成された境界層吸引部と，（６）該境界層吸引部に連なり，半径方向面内の流路幅が開放型主管路後半部入口の半径方向流路幅の１／４以下である最終捕集部入口直管と最終捕集部出口直管，及び該２つの直管に挟まれ，流路が９０°以上回転し，内側曲率半径の仮想的な外側曲率半径に対する比が１／２以下でかつ外壁が開放された最終捕集部曲管からなる最終捕集部と，（７）該最終捕集部曲管の開放部分に連なった第三集塵室部と，（８）該開放型主管路後半部と該最終捕集部出口直管に連接し後方で合流している合流部と，（９）該合流部に連接した補助フィルタと安全網，及び（１０）該安全網に連接した縮小管と送風機からなることを特徴とする．【０００９】  （１）〜（２）は重力捕集部，（３）〜（８）は慣性捕集部に相当する．以下，曲管におけるアスペクト比はスパン方向流路幅の半径方向流路幅に対する比とする．【００１０】  補助管路は入口直管部と重力沈降部からなり，入口直管部は後続の開放型主管路と同様のアスペクト比をしている．固形物，繊維塵，粉塵を含んだ掃除機吸引気流が，該入口直管部出口から開放型主管路入口に向かう際に，重力沈降速度の大きな固形物は，気流から離脱し，直接，あるいは重力沈降部下面壁を経て第一集塵口から第一集塵室に至る．【００１１】  補助管路に続く開放型主管路で粉塵や繊維塵が分離されるが，開放型主管路前半部は，曲率が比較的小さくアスペクト比が比較的大きな矩形断面曲管を基本とする．以下に，まず曲管を用いて粒子を捕集する際の特性について述べる．【００１２】  曲管を用いて粒子の分離を行う手法は圧損が小さいという利点があるが，遠心力に起因した流れが捕集効率に影響する．【００１３】  断面が円形や正方形の曲管で気流中の粒子等を分離する場合，主流方向に垂直な速度成分をもつ２次流れが発生し，粒子の捕集効率が低下する．２次流れは遠心力を受けた管路内の気流が側壁部では摩擦力を受ける一方，管路中央部ではこれを受けないために起こる現象である．【００１４】  一方，高アスペクト比の矩形断面曲管では，摩擦の影響は側面付近に限られ，外側の凹面壁と内側��凸面壁では異なった流れの性質が現れる．同心円流の流れの安定性と不安定性については，Ｐｒａｎｄｔｌらを初めとして次のように考えられている（非特許文献１）．【００１５】  半径ｙにおいて速度Ｕで流体が円運動をしている場合，遠心力と圧力勾配が釣り合っているので，圧力をｐ，空気密度をρａとして，
【数１】
ρａ（Ｕ２／ｙ）＝ｄｐ／ｄｙ
である．半径ｙ１，ｙ２における速度をＵ１，Ｕ２とする．今，半径ｙ１にある流体塊が半径ｙ２へ移動した時，速度がＵ’になったとすると角運動量は保存されるから，
【数２】
ρａｙ１Ｕ１＝ρａｙ２Ｕ’
である．この時，移動した流体塊に働く遠心力は
【数３】
ρａ（Ｕ’２／ｙ２）＝ρａ（ｙ１Ｕ１／ｙ２）２／ｙ２
であり，この値が半径ｙ２における圧力勾配ρａＵ２２／ｙ２より小さい場合（ｙ１Ｕ１＜ｙ２Ｕ２），擾乱は修復される方向に進み，流れは安定する．逆に前者が後者より大きい場合（ｙ１Ｕ１＞ｙ２Ｕ２），擾乱が増大する方向に進み，流れは不安定となる．即ち，同心円流では角運動量が半径方向に増大する場合は流れが安定し，減少する場合は流れが不安定となる．
【００１６】  高アスペクト比の矩形断面曲管では，半径方向の主流速度分布を加味すると，角運動量が増大するという流れの安定条件を満たすのは凸面壁であり，不安定となるのは凹面壁である．
【００１７】  これまでの多くの実験結果はこのことを実証している．凹面壁上の境界層内では進行方向に軸をもち，互いに逆回転する縦渦のペアであるゲルトラ渦が発生することがある．ゲルトラ渦は層流から乱流への遷移過程で発生する境界層内の定常的な縦渦であるが，乱流境界層でも観測されている．ゲルトラ渦発生の予想は難しく，装置全体の形状や入口の擾乱の影響が大きく，渦は発生したりしなかったりする．定常的な渦が発生しなくても凹面壁上での遠心力に起因した擾乱は大きい．
【００１８】  一方，凸面壁側ではむしろ乱流が抑制されることがスモークワイヤ法による流れの可視化や乱流エネルギーの測定により明らかになっている（非特許文献２，非特許文献３）．
【００１９】  次に，本発明の真空掃除機に用いられる塵埃分離装置の慣性捕集部についてであるが，初めに開放型主管路前半部が外壁の一部を開放してなる第二集塵口を有せず，高アスペクト比の閉じた管路である場合について述べる．この閉じた管路を仮に主管路前半部，該主管路前半部に続き，外壁が開放された曲管を主管路後半部と呼ぶことにする．
【００２０】  主管路前半部の凸面壁上では流れが安定しているので，捕集限界径の粒子は主管路前半部の出口で流路中央に偏倚する．高アスペクト比の管路では凹面壁側は遠心力のために静圧が高くて主流速度が遅く，凸面壁側は逆に静圧が低くて主流速度が速くなるので，凸面壁の安定した流れで粒子を分離するにはさらに都合がよい．続いて主管路前半部よりかなり大きな曲率の主管路後半部で粒子は主流から逸脱することになるが，該主管路後半部の外壁を完全に開放しても捕集効率は良くない．また，該主管路後半部の仮想的な外側曲率半径より大きな曲率半径の壁面を形成して集塵室へ導いても，該主管路後半部の開口部と該壁面の間の静水域で渦が発生して捕集効率は良くない．特に捕集限界に近い粒子は慣性が小さいので影響を受けやすい．このため，この静水域あるいは擾乱の大きい主流の凹面壁側境界層の一部を吸引して最終捕集部へ導き，流路幅が狭く曲率の最も大きな最終捕集部曲管で粒子を分離する．境界層吸引部は遠心力のために静圧が高くなっており，主管路凹面壁側気流を吸引するのにも都合が良い．
【００２１】  また，慣性の小さな粒子が気流に追随しやすいのに比べ，慣性の大きな粒子は気流中での直進性が強く，不定形な粒子は壁面で不規則反発を起こしやすい．このため慣性が大きく不定形な粒子は主管路前半部から主管路後半部にかけて逸出しやすい．そこで，主管路前半部の回転初期部分の外壁を開放して第二集塵口を設け，主管路前半部を開放型主管路前半部となし，慣性が大きく不定形な粒子をあらかじめ除いておく．繊維塵の多くも第二集塵口で除去される．また，主管路後半部の名称は開放型主管路後半部とする．
【００２２】  開放型主管路凹面壁側気流の吸引量は全体流量の約１０〜２０［％］である．
【００２３】  最終捕集部曲管は，開放型主管路後半部の外壁を開放して集塵室部を設けた場合と比べ，開口面積が小さく曲率も大きいので第三集塵室部からの再飛散が抑制される．
【００２４】  最終捕集部の曲管の回転角を９０°以上としているのは，なおも最終捕集部まで随伴してきた慣性が大きく不定形な粒子が，最終捕集部から集塵室部にかけての外壁で不規則反発して逸出するのを抑制するためである．
【００２５】  開放型主管路と境界層吸引部は慣性の小さな粒子の粒子濃度を濃縮する機能を持つとみることもできる．開放型主管路と境界層吸引部，及び最終捕集部からなる管路は，該最終捕集部と同様の形式の管路で全流量を処理する場合と比べ，管路のスパン方向長さを大幅に削減することができる．
【００２６】  なお，開放型主管路後半部または最終捕集部曲管は，内側曲率半径が０，即ち開放型主管路後半部または最終捕集部曲管の前後に連接する管路の内壁が直線的に接続しても良い．
【非特許文献１】Ｐｒａｎｄｔｌ  Ｌ：Ｅｆｆｅｃｔ  ｏｆ  ｓｔａｂｉｌｉｚｉｎｇ  ｆｏｒｃｅｓ  ｏｎ  ｔｕｂｕｌｅｎｃｅ，ＮＡＣＡ  ＴＭ−６２５（Ｔｒａｎｓｌａｔｉｏｎ  ｏｆ  ”Ｖｏｒｔｒａｇｅ  ａｕｓ  ｄｅｍ  Ｇｅｂｉｅｔｅ  ｄｅｒ  Ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｋ  ｕｎｄ  ｖｅｒ−ｗａｎｄｔｅｒ  Ｇｅｂｉｅｔｅ”，Ａａｃｈｅｎ，１９２９）．
【非特許文献２】志沢高朗，白井博光，他：凹壁上の乱流境界層内の縦渦に関する研究，日本機会学会論文集（Ｂ編），５０，５１，１９８４．
【非特許文献３】Ｋｉｍ  ＷＪ，Ｐａｔｅｌ  ＶＣ：Ｏｒｉｇｉｎ  ａｎｄ  ｄｅｃａｙ  ｏｆ  ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ  ｖｏｒｔｉｃｅｓ  ｉｎ  ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ  ｆｌｏｗ  ｉｎ  ａ  ｃｕｒｖｅｄ  ｒｅｃｔａｎｇｕｌａｒ  ｄｕｃｔ，Ｊ  Ｆｌｕｉｄｓ  Ｅｎｇ，１１６，４５，１９９４．
【発明の効果】
【００２７】  本発明の真空掃除機は，上記のように構成されており，重力沈降速度の大きな固形物を重力沈降部で除き，気流中で直進性の強い慣性の大きな粒子や繊維塵を第二集塵口で捕集し，開放型主管路前半部の比較的安定した凸面壁側の流れで捕集限界径の粒子を流路中央に偏倚させ，該開放型主管路前半部よりかなり大きな曲率の開放型主管路後半部で主流から該粒子を逸脱させるとともに，境界層吸引部で開放型主管路凹面壁側気流を吸引して，慣性の小さな粒子について粒子濃度の高まった気流を最終捕集部へ導き，第三集塵室部への開口面積が小さく曲率の最も大きな最終捕集部曲管で該粒子の捕集を行うので，粉塵の捕集効率に優れながら，二重サイクロンやタンデム型のサイクロン掃除機に比べ，低圧力損失である．
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】  以下，図面を用いて本発明の真空掃除機の実施の形態を説明する．
図１は本発明の真空掃除機の塵埃分離装置と送風機及びコードリールの縦断面図，図２は図１の最終捕集部９を拡大して示した図，図３は上蓋ＰＴ１を取り外して示した本発明の真空掃除機の塵埃分離装置と送風機及びコードリールの平面図，図４は図３のＡＡ線断面図，図５は気流から塵埃が分離する様子を示した説明図，図６は本発明の真空掃除機で塵埃廃棄のために分解した様子を示す等角図，図７は清掃のために部材ＰＴ２から取り出した捕集中心部ＰＴ３と補助フィルタ１２を示した等角図である．【００２９】  補助管路は入口直管部１と重力沈降部２からなり，該入口直管部１のアスペクト比は４．２９である（図１，図３）．掃除機吸引気流が該入口直管部１の出口から開放型主管路入口４ａに向かう際に，重力沈降速度の大きな固形物は，気流から離脱し，直接，あるいは重力沈降部下面壁２ｂを経て，第一集塵口３ａから第一集塵室３に至る（図１，図３）．該第一集塵室３の上面壁と側面壁の一部は，開放型主管路前半部４の内壁が兼ねている．【００３０】  開放型主管路前半部４は，アスペクト比が４．２９，内側半径の外側半径に対する比が０．８２，開放型主管路後半部５は，アスペクト比が４．２９，内側半径の仮想的な外側半径に対する比が０．２２である．最終捕集部入口直管９ｄｉと最終捕集部出口直管９ｄｏの半径方向面内の流路幅の，開放型主管路後半部入口の半径方向流路幅に対する比は０．１７，最終捕集部曲管９ｃの内側半径の仮想的な外側半径に対する比は１／３である．【００３１】  該開放型主管路前半部４の回転初期部分の外壁には第二集塵口６ａが設けられており，慣性の大きな粒子や繊維塵の多くが第二集塵分岐室６に入る．該第二集塵分岐室６の底面は，断面が山形になっており，捕集された塵埃は第二右集塵室７ａと第二左集塵室７ｂに分かれて蓄積される（図４）．【００３２】  図５は気流から塵埃が分離される様子を示した図である．慣性が小さく気流への追随性が強い塵埃以外の塵埃は，重力沈降部または第二集塵口で除かれる．【００３３】  次に，慣性が小さく捕集限界に近い粒子は，開放型主管路前半部４の凸面壁側の比較的安定した流れによって流路中央に偏倚し，該開放型主管路前半部４よりかなり大きな曲率の開放型主管路後半部５を通過する際，主流から逸脱する．該開放型主管路後半部５の外壁側には境界層吸引部８が形成されており，開放型主管路凹面壁側気流を吸引して，最終捕集部９に導く（図１，図５）．【００３４】  該最終捕集部曲管９ｃは，開放型主管路後半部５の外壁を開放してそのまま集塵室とした場合と比べ，集塵室部への開口面積が狭く曲率も最も大きいので，再飛散が抑制される．該最終捕集部曲管９ｃの流路回転角は１００°であり，なおも該最終捕集部９まで随伴してきた慣性が大きく不定形な粒子が不規則反発して逸出するのを抑制する（図２）．第三集塵室部は該最終捕集部曲管９ｃの開放部から１０ａのように幅が徐々に拡がって第三集塵室１０が形成される（図１）．【００３５】  次に，本発明の真空掃除機における塵埃の廃棄，清掃等について述べる．開放型主管路前半部４の上部内壁４ｂは上蓋ＰＴ１と一体に成形されており，上蓋ＰＴ１と第３集塵室１０を取り外して捕集塵埃を廃棄する（図��，図６）．その際，第二集塵分岐室６の下部６ｃに指を入れて持ち上げることができる（図１，図４，図６）．【００３６】  第一集塵室３と一体に成形された捕集中心部ＰＴ３は，クリップ２１ａ，２１ｂによって第二集塵室部を形成する部材ＰＴ２に着脱が可能であり，管路内の清掃が可能である（図３，図６，図７）．【００３７】  また，扉１８を閉めると，該扉１８のやや凸に形成された部分１８ａが部材ＰＴ２の背面を圧して密閉度を高める（図６）．なお，図には示してないが，左右の主輪３５ａ，３５ｂの他に前方と後方に補助輪がある．【００３８】  上蓋ＰＴ１の先端ＰＴ１ａと第一集塵室３が掃除機筐体に組み込まれた管路と接する部分にはシールド部材１７が装着してある（図１，図３，図６）．【００３９】  補助フィルタ１２はウレタンフォーム等の深部捕集部材の他，ステンレス製金網等の表面捕集部材を用いてもよい．【００４０】  また，上蓋ＰＴ１が第一集塵室３と部材ＰＴ２に接する部分にもシールド部材を装着する方が望ましい．【００４１】  また，上蓋ＰＴ１，部材ＰＴ２，捕集中心部ＰＴ３，及び第三集塵室１０は，導電性プラスチック等の静電気防止材料を用いる方が望ましい．
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の真空掃除機の塵埃分離装置と送風機及びコードリールの縦断面図，
【図２】図１の最終捕集部９を拡大して示した図，
【図３】上蓋ＰＴ１を取り外して示した本発明の真空掃除機の塵埃分離装置と送風機及びコードリールの平面図，
【図４】図３のＡＡ線断面図，
【図５】気流から塵埃が分離する様子を示した説明図，
【図６】本発明の真空掃除機で塵埃廃棄のために分解した様子を示す等角図，
【図７】清掃のために部材ＰＴ２から取り出した捕集中心部ＰＴ３と補助フィルタ１２を示した等角図である．
【符号の説明】
【００４３】１…入口直管部，２…重力沈降部，２ｂ…重力沈降部下面壁，３…第一集塵室，３ａ…第一集塵口，４…開放型主管路前半部，４ａ…開放型主管路入口，５…開放型主管路後半部，６…第二集塵分岐室，７ａ…第二右集塵室，７ｂ…第二左集塵室，８…境界層吸引部，９…最終捕集部，９ｄｉ…最終捕集部入口直管，９ｄｏ…最終捕集部出口直管，９ｃ…最終捕集部曲管，１０…第三集塵室，１１…合流部，１２…補助フィルタ，１３…安全網，１４…縮小管，１５…送風機，１６…コードリール．
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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