(57)【要約】【課題】  送風機の効率改善と騒音低減はトレードオフの関係があり、両立させることが困難であった。そこで、本発明は、高効率かつ低騒音を両立する電動送風機及びそれを搭載した電気掃除機を提供することを目的とする。【解決手段】  送風機内で隣接するディフューザ翼の最外径位置と回転中心とファンケーシングによって囲まれる領域内に入るディフューザ翼面上に貫通孔を設け、送風機騒音に支配的な羽根音を翼面の裏表で干渉させて低減させるとともに、貫通孔を通じての境界層制御によってディフューザ内流れを整流することによって効率を改善させる。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電動機と、前記電動機の回転軸に直結された空気流れ発生用の遠心羽根車と、前記遠心羽根車の外周側に略斜め放射状に配置された複数の静翼を有し、前記発生した空気流れを転向し流出するディフューザと、前記ディフューザから流出した空気流れを前記電動機へ誘導するリターンガイドと、前記ディフューザと前記リターンガイドを仕切る仕切り板と、前記電動機，前記遠心羽根車，前記ディフューザ，リターンガイド，仕切り板を内包するケースとを有する電動送風機において、
前記ディフューザを前記回転軸の軸方向から見た状態において、隣接する前記ディフューザ翼の最外径位置と前記回転軸中心とを結んだ直線と前記ケースによって囲まれる範囲内の前記ディフューザ静翼面上に、少なくとも１つの貫通孔を形成したことを特徴とする電動送風機。
【請求項２】
請求項１において、
前記貫通孔は該貫通孔を開ける位置における前記ディフューザの翼高さ全体に対して、前記仕切り板側に寄って設置されたことを特徴とした電動送風機。
【請求項３】
請求項２において、
前記貫通孔は該貫通孔を開ける位置における前記ディフューザの翼高さに対して、半分以下の高さであることを特徴とした電動送風機。
【請求項４】
請求項２または３において、
前記貫通孔を、回転軸方向から見た場合に、前記ディフューザ静翼の凸面側から凹面側に向かって小径側から大径側となるような方向に斜めに開けられていることを特徴とした電動送風機。
【請求項５】
集塵室及び電動送風機を備えた掃除機本体と、該掃除機本体に接続されたホース継ぎ手とを備えた電気掃除機において、
前記電動送風機は、
電動機と、前記電動機の回転軸に直結された空気流れ発生用の遠心羽根車と、前記遠心羽根車の外周側に略斜め放射状に配置された複数の静翼を有し、前記発生した空気流れを転向し流出するディフューザと、前記ディフューザから流出した空気流れを前記電動機へ誘導するリターンガイドと、前記ディフューザと前記リターンガイドを仕切る仕切り板と、前記電動機，前記遠心羽根車，前記ディフューザ，リターンガイド，仕切り板を内包するケースとを有し、
前記ディフューザを前記回転軸の軸方向から見た状態において、隣接する前記ディフューザ翼の最外径位置と前記回転軸中心とを結んだ直線と前記ケースによって囲まれる範囲内の前記ディフューザ静翼面上に、少なくとも１つの貫通孔を形成したことを特徴とする電気掃除機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電動送風機及びそれを搭載した電気掃除機に関わり、特に送風機の外周側ディフューザ翼面上に設けた貫通孔に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気掃除機に対する重要なニーズとして吸込力の大きさと騒音の小ささがある。
【０００３】
一定の消費電力という条件で吸込力を強めるには、電動送風機の効率向上が必要で、騒音低減にも音源である電動送風機の静音化が求められる。ここで送風機は、電動機によって直接駆動される動翼としての回転遠心羽根車と、静翼であるディフューザおよびリターンガイドを備えている。現在、電気掃除機に用いられている電動送風機は、送風機で自ら起こした気流によって電動機を冷却する自冷方式を採用しているのが特徴である。
【０００４】
送風機の効率を改善するための施策としては、遠心羽根車の回転数を上げて外径を小型化することによって相対的に円板摩擦損失を低減したり、動翼と静翼の間隙を小さくして、その間隙部位での流体摩擦損失を小さくしたり、より一般的には動翼，静翼の形状を最適化することによって流体損失を最少化することが有効である。しかし、これらの対策が進むと、動静翼以外の部位での損失低減が必要になってくる。例えば、特許文献１にあるように、電動送風機を覆うファンケーシングにおいてディフューザ外周部に相当する位置に穴を開けることによって、気流を一部外部へ逃がし、リターンガイドやモータ冷却流路を通る流量を減らして流体損失を減らすという施策が実施されている。
【０００５】
騒音を改善するための施策としては、特許文献２にあるように、ディフューザ翼の外径側に貫通孔を設けることによって、翼の表側と裏側を接続し、隣接する翼間流路中を伝播する音波を干渉させることによって、騒音、特に耳触りなピーク音である羽根音を低減させ、騒音を小さくする技術がある。
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−１３２３６９号公報
【特許文献２】特許第３５１０１０７号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、効率を上げるための上記の一連の施策はそれぞれ、送風機内部の流速を増大させたり、羽根音の音源となる動静翼間の空力干渉力を増大させたり、騒音をケーシングから直接外部に放出させたりすることになるため、電動送風機やそれを搭載した電気掃除機の騒音を増大させる結果となった。更に、ファンケーシングに穴を開けて気流を逃がす方式では、電動機の冷却に使われる風量が不足するために、電動送風機の信頼性が低下するという懸念も加わった。
【０００８】
一方で、騒音を下げるためのディフューザ外径側に貫通孔を設ける施策では、羽根音は抑制できるものの、貫通孔における漏れ流れがディフューザ内部を流れる主流の減速を阻害し、送風機効率を低下させてしまっていた。
【０００９】
このように効率改善と騒音低減はトレードオフの関係があり、従来技術では両立させることが困難であった。
【００１０】
本発明の目的は、上記課題を解決し、送風機の効率改善及び羽根音低減を図った電動送風機、またこの電動送風機を備えた電気掃除機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために本発明の特徴とするところは、電動機と、前記電動機の回転軸に直結された空気流れ発生用の遠心羽根車と、前記遠心羽根車の外周側に略斜め放射状に配置された複数の静翼を有し、前記発生した空気流れを転向し流出するディフューザと、前記ディフューザから流出した空気流れを前記電動機へ誘導するリターンガイドと、前記ディフューザと前記リターンガイドを仕切る仕切り板と、前記電動機，前記遠心羽根車，前記ディフューザ，リターンガイド，仕切り板を内包するケースとを有する電動送風機において、前記ディフューザを前記回転軸の軸方向から見た状態において、隣接する前記ディフューザ翼の最外径位置と前記回転軸中心とを結んだ直線と前記ケースによって囲まれる範囲内の前記ディフューザ静翼面上に、少なくとも１つの貫通孔を形成したことにある。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、送風機の効率改善及び羽根音低減を図った電動送風機、またこの電動送風機を備えた電気掃除機を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下に示す本発明の実施例は、電動機と、前記電動機の回転軸に直結された空気流れ発生用の遠心羽根車と、前記遠心羽根車の外周側に略斜め放射状に配置された複数の静翼を有し、前記発生した空気流れを転向し流出するディフューザと、前記ディフューザから流出した空気流れを前記電動機へ誘導するリターンガイドと、前記ディフューザと前記リターンガイドを仕切る仕切り板と、前記電動機，前記遠心羽根車，前記ディフューザ，リターンガイド，仕切り板を内包するケースとを有する電動送風機において、前記ディフューザを前記回転軸の軸方向から見た状態において、隣接する前記ディフューザ翼の最外径位置と前記回転軸中心とを結んだ直線と前記ケースによって囲まれる範囲内の前記ディフューザ静翼面上に、少なくとも１つの貫通孔を形成したことを特徴とするものである。
【００１４】
上述構成では、ディフューザにおいて境界層が発達する翼の凸面側の領域と、境界層が薄く主流が近接して流れる翼の凹面側の領域とを互いに接続する貫通孔を設けることになる。凸面側の圧力は凹面側よりも高いので、凸面側から凹面側に向かって漏れ流れが生じるが、この時、凸面側の境界層を吸い出して、凹面の主流側に向けて噴出する結果となって、それまで偏って流れていた主流を流路中央部分を流れるように転向せしめる効果が生じる。この効果によって、翼間流路幅を有効に用いた減速が可能となり、圧力回復が改善し、送風機効率が向上する。
【００１５】
この時、羽根音の低減効果は、特許文献１にあるように貫通孔を設けた時点で確保できているため、送風機の効率改善と羽根音低減を両立できる。また、このような電動送風機を電気掃除機に搭載することによって、信頼性を低下させることなく、吸込力の強化と低騒音化が図れる。
【００１６】
以下、本発明に係る実施例を図面を用いて説明する。
【実施例１】
【００１７】
図１に模式的に示した掃除機本体の横断面図を示す。図１において、掃除機本体１００内の空気流れを説明する。掃除機本体１００には、集塵室と連通するようにホース継ぎ手１０１が接続されている。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、遠心分離を利用したサイクロン方式の場合は、サイクロン室が紙パック１０３の代わりに収まる。紙パック１０３で大部分の塵埃を取り除かれた空気は、さらにフィルター部１０４を通過するが、ここで細かな塵埃も取り除かれる。その後、空気流れはモータ室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から排気される。１１０は電動送風機１０６を制御する制御回路である。
【００１８】
次に図２を用いて、電動送風機１０６について説明する。図２は電動送風機１０６の縦断面図である。電動送風機１０６は、送風機２０１と電動機２０２から構成されている。
【００１９】
電動機２０２は、一端が開口したハウジング２０３およびハウジング２０３の開口に配置されたエンドブラケット２０４からなる電動機外殻に、回転軸２０５が支持されている。回転軸２０５にはロータ２０６が取り付けられる。ロータ２０６の外周にはステータ２０７が配置される。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。
【００２０】
送風機２０１は、前記回転軸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、前記ディフューザ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となっている。ディフューザ２１１は複数のディフューザ翼（後述するディフューザ翼３０１，４０１，５０８，６０１）から構成されており、ディフューザ翼は仕切り板２１２の前面側に設けられている。リターンガイド２１３は複数のリターンガイド翼（図示せず）から構成されており、リターンガイド翼は仕切り板２１２の後面側に設けられている。羽根車２１０は、ファンケーシング２１４側に具備されたシール部材２１５と概略接触しており、漏れを防ぐ構造を有している。
【００２１】
電動送風機入口２１６を通過した空気は、羽根車２１０で昇圧および増速される。その後、ディフューザ２１１を通過して流れは略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、モータハウジング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。
【００２２】
ここでディフューザ２１１を回転軸２０５の軸方向（回転軸２０５と平行な方向）から見た場合に、仕切り板２１２側をハブ側２１７とし、電動送風機入口２１６側をシュラウド側２１８として定義することとする。
【００２３】
図３は、本実施例の対象となるディフューザ２１１であり、ディフューザ２１１を回転軸２０５の軸方向である電動送風機入口２１６側から見た図である。ディフューザ２１１とリターンガイド２１３が羽根枚数が異なるなどの理由で、ディフューザとリターンガイドの翼を別体の分離されたものとして具備した構成のディフューザ３００の場合を示している。ディフューザ翼３０１の後縁は、ファンケーシング３０４の近傍に位置している。ディフューザ翼３０１の後縁とファンケーシング３０４との間には、ディフューザ２１１の内側に向かって切り欠かれた略三角形状の三角窓３０７が形成されている。ディフューザ翼３０１間を出た風は三角窓３０７を通じて垂直方向に転向し、リターンガイド側に流れていく。
【００２４】
ここでディフューザ翼３０１において凸面側３０２と凹面側３０３を図のように定義し、翼間流路の内、隣接する翼に囲まれる領域を重なり部３０５、片側の翼のみに面した出口側領域を出口側半開部３０６と定義することとする。
【００２５】
図４は、図３と同じ視点から見た、本実施例に係わる別の構成のディフューザ４００を示す図である。図４では、ディフューザ２１１とリターンガイド２１３が同じ羽根枚数で、一体となってつながっている構成の場合を示している。ディフューザ翼４０１はファンケーシング４０４の近傍の出口側曲がり部４０６において屈曲し、リターンガイド４０５となる。本構成ではディフューザとリターンガイドが一体の翼となっているのが特徴である。
【００２６】
次に図５を用いて、本発明の実施例について説明する。図５は、図３または図４のディフューザにおいて、本実施例の特徴である貫通孔をあける位置を説明するにあたり、共通的に示したものである。本実施例では特に図４のディフューザ構成を例示して説明するが、図３でも同様である。図５に示したような回転軸方向の投影図において、ディフューザ翼５０８がファンケーシング５０２と最も近接する最外径位置５０３を求め、次にその点を回転中心５０１と直線で結ぶ。隣接する２翼間に定義された直線と、ディフューザ翼，ファンケーシング５０２によって囲まれるディフューザ出口領域５０５が定義できる。このディフューザ出口領域５０５は、図３においては出口側半開部３０６として定義されていた部分に概略相当し、図４のようにディフューザとリターンガイドが一体化されていて出口側半開部を明確に定義できないような場合でもディフューザの出口領域を特定することができるものである。
【００２７】
本実施例では、このディフューザ出口領域５０５内にあるディフューザ翼面の貫通孔設置範囲５０４のいずれかに、少なくとも一つ以上の貫通孔５０６を設けることを特徴とする。ここで貫通孔５０６は、少なくともその一部が貫通孔設置範囲５０４と交わっていればよく、全てが含まれている必要はない。また、本定義法は図４のディフィーザ構成の場合で例示したが、図３のディフューザ構成でも同様である。
【００２８】
貫通孔５０６の位置や形状などについては任意でよいが、特に効果がある実施例を図６を用いて説明する。図６は、貫通孔６０２を具備したディフューザの斜視図を示している。ディフューザ翼６０１の出口部において、流れが三角窓６０５に転向する直前の位置にスリット状の貫通孔６０２を設ける。この貫通孔６０２は、仕切り板６０６側から立ち上げ、翼の高さ方向に途中まで開ける構成とする。
【００２９】
次に図７と図８を用いて本発明の効果について説明する。図７，図８はそれぞれ、貫通孔を設けない場合、貫通孔を設けた場合のディフューザの翼高さ方向についてハブ側断面（ａ），中央断面（ｂ），シュラウド側断面（ｃ）における流速分布を解析した結果を等高線で示したものである。この断面（ａ）（ｂ）（ｃ）は、図６のハブ側断面６０７，中央断面６０８，シュラウド側断面６０９のそれぞれに対応している。
【００３０】
図７から、ディフューザ翼の高さ位置によらず、主流は翼の凹面側に偏って流れており、逆に凸面側には境界層が発達して、低速な流れとなっていることがわかる。このことから、有効な流路拡大が実現されておらず、圧力回復が十分になされていないということがわかる。
【００３１】
一方で、図８に示した貫通孔を設けた場合では、貫通孔８０４を通じて翼の凸面側から凹面側に向かって漏れ流れが生じるため、貫通孔の存在するハブ面側（ａ）では、図７で見られた低速の境界層が翼の反対側（凹面側）に吸い出され、しかも吸い出された流れによって、主流が図面左の方向に転向されている様子がわかる。中央断面やシュラウド側の流れもハブ側の流れほどではないが、この順で転向の影響を受けている様子がわかる。この境界層制御の効果によって、主流は平均的に翼間流路の中央付近を流れることが可能となり、効果的な圧力回復が実現される。特に、図３に示したように、ディフューザとリターンガイドが分離していて、三角窓が間に存在するような場合には、翼の凸面側の方が三角窓が広く開いているので、この広い領域でハブ側流れを転向させるようにすることで、スムーズな曲がり流れを実現する効果がある。
【００３２】
図６の貫通孔６０２は、曲がり部（三角窓）への流入直前に開けられているが、貫通孔６０２を通る流れによって、流入入口側（凸面側）は吸引力のため周囲よりも負圧となるので、翼間流れはこの貫通孔の方へ引き寄せられて曲がる効果があるため、リターンガイドへのつながる曲がり流れを支援する効果もある。
【００３３】
このようにディフューザ内を流れる主流の３次元的な偏向による有効な拡大流路面積の拡大と、ディフューザからリターンガイドへのスムーズな曲がり流れの実現によって、送風機効率を改善することができる。
【００３４】
また騒音、特に羽根音については、特許文献２で示されているとおり、翼間を通過する音波を貫通孔を通じて翼の両側で干渉させて弱めることができるので騒音は低減される。これは図３や図４の構成に関わらず、低減効果を見込むことができる。
【００３５】
以上のメカニズムにより、電動送風機の効率改善と羽根音低減を同時に解決することが可能となる。またこのような電動送風機を電気掃除機に搭載することにより、吸込力が強く、耳障りな騒音の小さい電気掃除機を提供することができる。本発明の実施例では、公知例にあったような電動機への冷却風が不足するという問題がないのも特徴である。
【００３６】
本実施例については、上記のメカニズムを考慮することによって、特に次のような制約条件を設けることで、更なる効果を期待できることを実験的に確認している。即ち、図６に示した貫通孔の高さ６０３（ｈ）は、ディフューザ高さ６０４（Ｈ）の１／２以下、即ち、ｈ≦Ｈ／２とするのが望ましい。これらの高さは、貫通孔を開ける径位置において測定するものとする。また、図６では貫通孔の形状は長方形として示されているが、これに限定するものではなく、台形や円形など他の形状であってもよい。また、図５において、ディフューザ翼５０８の貫通孔における接線と貫通孔５０６の中心線との角度差を貫通孔角度５０７（θ）と定義するとき、０°≦θ≦４５°とすることが望ましい。この角度に設定することによって、貫通孔を通じての漏れ流れと主流との合流がスムーズになるからである。
【００３７】
図９は、貫通孔の有無による電動送風機の効率と騒音の変化を実験的に検証した結果の一例を示している。ここで、電動送風機効率とは下記式で定義されるものである。
【００３８】
電動送風機効率η＝出力／入力
出力＝ρｇＱＨ
（ρ：密度、ｇ：重力加速度、Ｑ：風量、Ｈ：圧力）
（１）貫通孔を設けない場合、（２）貫通孔をハブ側から翼の１／２の高さで、θ＝４５゜の傾きで設けた場合の電動送風機の単体性能を比較している。貫通孔を設けることにより、電動送風機効率が各風量域において約０.６％向上している。また、騒音については、特にピーク音となる羽根音が約１５ｄＢ低減している。このように本実施例によれば、送風機効率の改善と騒音（特にピーク音となる羽根音）低減の両立が達成できる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】掃除機本体の模式的な横断面図である。
【図２】掃除機用電動送風機の断面図である。
【図３】ディフューザとリターンガイドが別体の静止流路である。
【図４】ディフューザとリターンガイドが一体の静止流路である。
【図５】本発明の実施の形態例である。
【図６】本発明の実施の形態例の斜視図である。
【図７】ディフューザの翼間流れの模式図である。
【図８】本実施例の効果を示す流れ解析の結果である。
【図９】本実施例の効果を示す実験結果である。
【符号の説明】
【００４０】
１０６  電動送風機
２０３  ハウジング
２１０  羽根車
２１１，３００，４００  ディフューザ
２１２，６０６  仕切り板
２１３，４０５  リターンガイド
２１４  ファンケーシング
２１７  ハブ側
２１８  シュラウド側
３０１，４０１，５０８，６０１  ディフューザ翼
３０２，４０２  凸面側
３０３，４０３  凹面側
３０５  重なり部
３０６  出口側半開部
３０７，６０５  三角窓
４０６  出口側曲がり部
５０１  回転中心
５０３  最外径位置
５０４  貫通孔設置範囲
５０５  ディフューザ出口領域
５０６，６０２，８０４  貫通孔
５０７  貫通孔角度
６０３  貫通孔高さ
６０４  ディフューザ高さ
【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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【図８】
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【図９】
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