ВИХРЕУЛОВИТЕЛЬ ЦИКЛОННОГО СЕПАРАТОРА
VORTEX TRAP OF CYCLONIC SEPARATOR

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к вихреуловителю циклонного сепаратора и к пылесосу, содержащему такой вихреуловитель.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В безмешковом пылесосе для отделения частиц пыли от воздуха используется циклон. Циклон состоит из цилиндрической камеры, в которой быстро вращается воздушный поток. Центробежная сила, создаваемая круговым потоком воздуха, отбрасывает частицы пыли к стенке циклонной камеры, откуда они попадают в сборную камеру. Очищенный воздух проходит в противоположном направлении через центр циклона и выходит через вихреуловитель в выпускное отверстие циклона. Функция вихреуловителя заключается в создании устойчивого вращательного потока для повышения эффективности сепарации. Вихреуловитель обычно имеет лопасти, направляющие воздух к выпускному отверстию.
В US2012167336 раскрыт пылесос с сепарационным модулем, который содержит вытяжную решетку, расположенную с возможностью переноса текучей среды между сепарационной камерой и выпускным отверстием для воздуха. Вытяжная решетка может содержать корпус, имеющий жалюзийные заслонки и входные отверстия, образованные между соседними жалюзийными заслонками. По меньшей мере одна из жалюзийных заслонок имеет аэродинамический профиль, выполненный с возможностью отведения пыли в сторону по меньшей мере от одного из входных отверстий. Передний конец жалюзийной заслонки может содержать аэродинамический край, выполненный с возможностью отклонения частиц пыли от зазора. В одном варианте осуществления аэродинамический край образован криволинейной направляющей поверхностью, сформированной на передней по ходу потока поверхности. Направляющая поверхность может быть расположена на наиболее удаленной от центра части передней по ходу потока поверхности. Направляющая поверхность может иметь меньший радиус кривизны в направлении к переднему концу по сравнению с радиусом кривизны передней по ходу потока поверхности в направлении к заднему концу. Направляющая поверхность имеет точку перегиба, которая определяет точку, в которой наклон первой касательной на стороне точки перегиба ближе к переднему концу меньше, чем наклон второй касательной на стороне точки перегиба ближе к заднему концу, что приводит к образованию вогнутой серповидной конфигурации на передней по ходу потока поверхности аэродинамического края.
В WO2015150435 раскрыт вихреуловитель циклонного сепаратора, через который воздух, проходящий по спиральной траектории вокруг оси циклонной камеры, проходит к выпускному отверстию. Вихреуловитель содержит неподвижные перекрывающиеся лопасти, проходящие в осевом направлении и разнесенные в радиальном направлении вокруг оси, причем лопасти расположены по отношению друг к другу так, что спиральный поток воздуха вокруг оси циклонной камеры проходит по внешней поверхности лопастей, а часть воздушного потока перенаправляется вокруг передней кромки каждой лопасти через зазор между соседними лопастями к выпускному отверстию. В любой точке вдоль оси часть внешней поверхности каждой лопасти лежит на окружности, центр которой расположен соосно этой оси, при этом указанная внешняя поверхность каждой лопасти имеет часть, которая ведет к передней кромке и которая проходит внутрь от указанной окружности, так что передняя кромка каждой лопасти, вокруг которой воздух перенаправляется через зазор между лопастями, расположена в пределах области, ограниченной этой окружностью, для создания области избыточного давления на внешней поверхности соседней лопасти вблизи зазора.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Помимо прочего, задачей изобретения является создание усовершенствованного вихреуловителя. Изобретение определено независимыми пунктами формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления изобретения определены в зависимых пунктах формулы изобретения.
Один аспект изобретения предлагает вихреуловитель циклонного сепаратора, содержащий неподвижные лопасти, имеющие круглый выпуклый передний конец, вокруг которого поступающий воздух направляется в вихреуловитель, причем там, где воздух отделяется от лопасти в вихреуловителе поперечное сечение лопастей имеет только одну острую кромку. Средняя линия поперечного сечения лопастей предпочтительно не пересекает линию хорды в передней по ходу потока половине поперечного сечения. Сторона лопастей, обращенная к поступающему воздуху, предпочтительно имеет выступ в точке стагнации. Выступ может иметь такую форму, чтобы направлять поступающий воздух в вихреуловитель, и может иметь вогнутую сторону, повторяющую форму соседней лопасти, и закругленную вершину. Выступ предпочтительно имеет высоту в диапазоне от 70% до 130%, более предпочтительно в диапазоне от 85% до 115% ширины зазора между лопастями. В другом предпочтительном варианте осуществления ширина зазора между соседними лопастями постепенно увеличивается от внешней части к внутренней части вихреуловителя. Пылесос, содержащий циклонный сепаратор, предпочтительно имеет такой вихреуловитель.
Лопасти известного вихреуловителя создают относительно большую турбулентность воздушного потока, отходящего от лопастей. Турбулентность потока в целом характеризуется высокими затратами энергии. Варианты осуществления изобретения предлагают новую геометрию лопасти вихреуловителя, которая значительно снижает турбулентность потока, при этом сохраняя такое свойство как удобство при изготовлении. В вариантах осуществления изобретения лопасти вихреуловителя имеют форму капли или аэродинамический профиль. У него есть только одна острая кромка, на которой поток отделяется от формы.
В значительной степени варианты осуществления настоящего изобретения аналогичны варианту осуществления по WO2015150435, включенному в настоящий документ посредством ссылки. Основное различие состоит в форме лопастей вихреуловителя, причем варианты осуществления настоящего изобретения включают лопасти, имеющие каплевидное поперечное сечение лопастей, то есть с круглой поверхностью спереди и только с одним острым краем на заднем конце капли.
В US2012167336 форма лопастей выполнена с возможностью отведения пыли по меньшей мере от одного из впускных отверстий вихреуловителя, предназначенных для впуска воздуха. С этой целью известные лопасти имеют на передней по ходу потока поверхности края лопасти вогнутую серповидную конфигурацию. Явным недостатком такой конфигурации в известном решении является то, что не только пыль, но также и воздух отклоняется от впускных отверстий вихреуловителя, хотя воздух в конечном итоге должен входить в эти отверстия. Таким образом, требуется огромная энергия всасывания, чтобы заставить воздух совершить такой поворот, чтобы войти во впускные отверстия вихреуловителя, и такая потеря энергии всасывания особенно нежелательна с учетом все более строгих требований по энергопотреблению, предъявляемых к пылесосам. В вариантах осуществления настоящего изобретения каплеобразная форма лопастей, обусловленная круглым выпуклым передним концом, гарантирует, что воздух не будет сначала направлен в неправильном направлении в сторону от вихреуловителя, но что воздух может прямо и плавно входить в зазоры между лопастями вихреуловителя.
Эти и другие аспекты изобретения будут очевидны и разъяснены со ссылкой на варианты осуществления изобретения, описанные далее в настоящем документе.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг. 1-3 показано поперечное сечение первого варианта осуществления вихреуловителя согласно настоящему изобретению;
На фиг. 4 поток воздуха показан более подробно.
Фиг. 5A-7B иллюстрируют другие варианты осуществления вихреуловителя согласно настоящему изобретению, снабженного выступом.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На фиг. 1 показано поперечное сечение первого варианта осуществления вихреуловителя F согласно настоящему изобретению. Вихреуловитель F имеет лопасти V. Вокруг вихреуловителя F циркулирует поступающий поток воздуха A.
На фиг. 2 более подробно показано сечение лопастей, показанных на фиг. 1. Как схематично показано на фиг. 2, воздух A поступает между лопастями в вихреуловитель F в результате всасывания, осуществляемого вентилятором (не показан). Благодаря инерции частицы D пыли либо не попадают в вихреуловитель F, следуя по прямой линии к внешнему корпусу циклона, либо отталкиваются следующей лопастью V. Таким образом, пыль D отделяется от воздуха A. На задней кромке лопастей V, где воздух A отделяется от лопастей V, лопасти имеют только одну острую кромку E. Когда лопасть имеет аэродинамический профиль поперечного сечения, острая кромка означает, что в задней по ходу потока половине поперечного сечения верхняя и нижняя поверхности профиля пересекаются под углом менее 90°. Хотя на практике производственные допуски могут привести к небольшому закруглению, все же считается, что в задней по ходу потока половине поперечного сечения лопастей прямые линии, аппроксимирующие верхнюю и нижнюю поверхности аэродинамического профиля, пересекаются под углом менее 90°.
На фиг. 3 показаны средняя линия M и линия C хорды, проведенные в одной из лопастей V. В соответствии с определениями, используемыми в разделе Википедии о аэродинамических профилях, геометрия аэродинамического профиля описывается некоторыми из следующих терминов:
передняя кромка является местом в передней части аэродинамического профиля, которое имеет максимальную кривизну (минимальный радиус);
задняя кромка определяется аналогично как место максимальной кривизны в задней части аэродинамического профиля;
линия C хорды является прямой линией, соединяющей переднюю и заднюю кромки; длина хорды, или просто хорда, является длиной линии хорды;
средняя линия изгиба или средняя линия M является геометрическим местом точек на середине расстояния между верхней и нижней поверхностями профиля. Его форма зависит от распределения толщины вдоль хорды.
В показанных вариантах осуществления средняя линия M имеет С-образную форму, которая не пересекает линию C хорды. По меньшей мере предполагается, что средняя линия M не пересекает линию C хорды в передней по ходу потока половине лопасти V. Напротив, в известном решении по US2012167336 средняя линия имеет S-образную форму и пересекает линию хорды по меньшей мере один раз в передней по ходу потока половине лопасти. Вследствие наличия в известном решении вогнутой серповидной конфигурации на передней по ходу потока поверхности аэродинамического края, воздух не поступает в вихреуловитель плавно, что приводит к большой потере давления.
Благодаря форме лопастей согласно настоящему изобретению воздух A плавно поступает в вихреуловитель F, тем самым минимизируя потерю давления, так что энергия всасывания используется наиболее эффективно. Этот положительный эффект также является результатом того, что на своих задних концах лопасти имеют только одну острую кромку, что позволяет избежать турбулентности, возникающей из-за тупых задних концов. Такие завихрения также способствуют нежелательной потере давления.
Вихреуловитель предпочтительно имеет форму цилиндра, что позволяет легко изготавливать лопасти желаемой формы путем литья.
Фиг. 4 иллюстрирует поток воздуха более подробно. Хотя на схематическом изображении согласно фиг. 2 предполагалось, что большая часть воздушного потока входит в вихреуловитель F в результате всасывания электровентилятором пылесоса (не показан), фактически некоторая часть воздушного потока наталкивается на лопасть V, а другая часть проходит вокруг лопасти V. Там, где воздух наталкивается на лопасть V, будет накапливаться пыль. Место, где воздух наталкивается на лопасть V, называется точкой S стагнации, которую обычно определяют (см., например, Википедию) как точку в поле потока, где локальная скорость текучей среды равна нулю. Точки стагнации существуют на поверхности объектов в поле потока там, где текучая среда оказывается остановлена объектом.
В соответствии с предпочтительными вариантами осуществления изобретения сторона лопастей V, обращенная к поступающему воздуху A, снабжена выступом P в точке S стагнации, чтобы тем самым предотвратить накапливание пыли на лопастях V в точках S стагнации. Таким образом, загрязнение может быть значительно уменьшено без влияния на эффективность сепарации или потерю давления.
Следует отметить, что хотя выступы P описаны здесь в контексте лопастей V, имеющих только одну острую кромку E, где воздух внутри вихреуловителя F отделяется от лопасти V, проблема накапливания пыли в точках стагнации, где воздух наталкивается на лопасти вихреуловителя, и решение снабдить боковые стороны лопастей выступами не ограничивается такими лопастями, при этом заявитель оставляет за собой право отдельно защищать (см. нашу заявку EP20150969.2, ссылка 2019PF00905) различные решения лопастей (например, описанных в US2012167336 или WO2015150435) с выступами для предотвращения случаев накапливания пыли.
Важно, чтобы выступы P располагались как можно ближе к точкам S стагнации. На фиг. 12b в WO 2015150435 показаны внешние задние кромки 45, полученные в результате вырезания части из лопастей 41. Однако это решение не сможет предотвратить накапливание пыли внутри полых частей на задних поверхностях 42, в которых расположены точки стагнации. Таким образом, в этом известном решении в точках стагнации нет выступов, которые предотвращают накапливание пыли в точках стагнации, а есть полости, которые собирают пыль.
На фиг. 5A и 5B показан первый вариант осуществления лопастей V, снабженных выступами P для предотвращения накапливания пыли. Здесь обе стороны выступов P являются вогнутыми.
На фиг. 6A и 6B показан второй вариант осуществления лопастей V, снабженных выступами P для предотвращения накапливания пыли. В этом случае стороны выступов P, обращенные внутрь вихреуловителя F, являются вогнутыми, а стороны выступов P, обращенные наружу от вихреуловителя F, являются выпуклыми.
Вогнутые конфигурации, представленные на фиг. 5A - 6B, служат для того, чтобы форма выступов P обеспечивала относительно плавное направление поступающего воздуха A в вихреуловитель F.
Выступы P предпочтительно имеют закругленную вершину, которая более практична с точки зрения производственных допусков, чем острая вершина. Однако возможна и острая вершина.
В практическом варианте осуществления лопасти разделены зазорами, имеющими ширину около 1,75 мм; при другой ширине зазора величина других размеров, обсуждаемых ниже, должна быть пересчитана соответствующим образом.
В варианте осуществления, показанном на фиг. 5A и 5B, задача, заключающаяся в том, чтобы выступы P были расположены как можно ближе к точкам S стагнации, означает, что выступы P предпочтительно отклоняются менее чем на 1 мм от точек S стагнации. Диаметр любой из закругленных вершин выступов P предпочтительно находится в диапазоне от 0,25 мм до 0,35 мм, например, составляет около 0,3 мм. По сравнению с основной формой лопастей, показанной на фиг.1-4, высота выступов P предпочтительно находится в диапазоне от 0,75 мм до 1,25 мм, например, составляет около 1 мм. Величина основания выступов P предпочтительно находится в диапазоне от 2,5 мм до 3,5 мм, например, составляет около 3 мм.
В варианте осуществления, показанном на фиг. 6A и 6B, вогнутые стороны выступов P предпочтительно имеют такую форму, что ширина зазора между соседними лопастями V по существу постоянна, то есть эти вогнутые стороны повторяют форму соседних лопастей V. По сравнению с основной формой лопастей, как показано на фиг.1-4, высота выступов P предпочтительно находится в диапазоне от 1,25 мм (70% от ширины зазора 1,75 мм) до 2,25 мм (130% 1,75 мм) и более предпочтительно в диапазоне от 1,5 мм ( 85% от 1,75 мм) до 2,0 мм (115% от 1,75 мм), например около 1,75 мм, что лучше всего обеспечивает расположение выступов P в точках S стагнации. Вогнутые стороны выступов P предпочтительно имеют такую форму, что от основной формы лопасти в направлении вершин выступов P можно провести непрерывную кривую. Диаметр любой из закругленных вершин выступов P предпочтительно находится в диапазоне от 0,15 мм до 0,25 мм, например, составляет около 0,2 мм.
В вариантах осуществления, показанных на фиг.7A и 7B, выступы P имеют такую форму, что ширина зазора между соседними лопастями V увеличивается от внешней части вихреуловителя F в направлении его внутренней части. Ширина зазора предпочтительно увеличивается постепенно и/или непрерывно. В результате зазор приобретает форму подобную диффузору. Диффузоры известны, например, из Справочника по гидравлическому сопротивлению, (1960), I.E. Idel’chik. Увеличение ширины зазора (в данном случае между криволинейными формами соседних лопастей V) предпочтительно сравнимо с увеличением ширины зазора между плоскими пластинами, расположенными под углом от 5° до 30°, более предпочтительно около 12°. В одном примере зазор имеет начальную ширину Wi, равную 0,9 мм, а за выступом P ширину We, равную 1,75 мм. Выступ P имеет закругленную вершину, высоту равную 2,3 мм и основание FP равное 7 мм.
Следует отметить, что вышеупомянутые варианты осуществления иллюстрируют, а не ограничивают изобретение, при этом специалисты в данной области техники смогут разработать множество альтернативных вариантов осуществления, не выходя за пределы объема прилагаемой формулы изобретения. Никакие ссылочные позиции в формуле изобретения не должны рассматриваться как ограничивающие объем изобретения. Слово «содержащий» не исключает наличия элементов или этапов, отличных от перечисленных в формуле изобретения. Присутствие одного элемента не исключает наличия множества таких элементов. Заявленная особенность, что лопасти V имеют выступ P в точке S стагнации, означает не то, что выступ P должен находиться точно в точке S стагнации, а лишь то, что выступы P расположены вблизи точек S стагнации. Меры, изложенные в различных зависимых пунктах формулы изобретения, могут для получения преимущества быть использованы в комбинации.