專利名稱：從流動(dòng)流體中分離粒子的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及從流動(dòng)流體中分離粒子的裝置，特別地但并不唯一涉及包括為從空氣流中分離污垢和塵土粒子的旋風(fēng)分離器的裝置。
從流動(dòng)流體中分離粒子的旋風(fēng)分離器為人們所熟知。最近15年內(nèi)，在真空吸塵器內(nèi)使用旋風(fēng)分離器方面取得很多進(jìn)展。這種進(jìn)展的例子有EP0018197，EP0134654，EP0489565和EP0636338。所有的例子都希望使旋風(fēng)分離器更有效，也就是說要生產(chǎn)一種旋風(fēng)分離器，它比類似的旋風(fēng)分離器能分離更高比例的一定直徑的粒子。大小、成本和材料的限制意味著專門用于真空吸塵器的旋風(fēng)分離器的基本特征不可能在特別的限制之外變化。因此，必須開發(fā)改善旋風(fēng)分離器效率的其它方式。
基本旋風(fēng)理論說明，有兩個(gè)相反的力徑向作用于在流動(dòng)流體中運(yùn)動(dòng)的粒子上。離心力Fz徑向向外作用于粒子，將其壓向旋風(fēng)壁，由下式?jīng)Q定Fz=(ρp-ρ)Vt,p2πx36r]]>式中，ρp＝粒子密度，kg.m-3ρ＝流體密度，kg.m-3Vt，p＝粒子的切線速度，m/sX＝粒子直徑，mr＝粒子軌道半徑，m然而一個(gè)相反的拖動(dòng)力Fw向旋風(fēng)的中心作用，由下式?jīng)Q定Fw=CDρπx28(Vr-Vr,p)]]>式中，Vr＝流體的徑向速度，m/sVr，p＝粒子的徑向速度，m/sCD＝拖動(dòng)系數(shù)(投射的粒子區(qū)域的每單位拖動(dòng)力/動(dòng)態(tài)壓力)當(dāng)Fz超過Fw時(shí)，粒子被甩向旋風(fēng)壁而從空氣流分離。當(dāng)Fw超過Fz時(shí)，粒子仍由空氣流挾帶并隨其離開旋風(fēng)分離器。顯然使Fz盡可能大具有極大好處。因?yàn)镕z正比于粒子的切線速度的平方，因此增加流體的切線速度將增加旋風(fēng)的效率。
在旋風(fēng)分離器理論中重要的一個(gè)參數(shù)是切割直徑或切割點(diǎn)。它是這樣一些粒子的直徑，它們對(duì)特定的流動(dòng)流體條件有50％被旋風(fēng)分離，而50％仍被挾帶。切割點(diǎn)是旋風(fēng)分離效率的一種計(jì)量，對(duì)給定條件來說切割點(diǎn)愈低，則保留在流動(dòng)流體中的粒子的比例愈低，因此分離效率愈高。因此希望對(duì)給定條件獲得盡可能低的切割點(diǎn)。
已經(jīng)提出一種半經(jīng)驗(yàn)旋風(fēng)理論來給出切割尺寸X50的表達(dá)式，對(duì)該切割尺寸有50％的粒子被收集。X50=kQμρpVt2]]>式中，Q＝容積流速率，m3/sμ＝粘滯度，kg/msk＝幾何因子Vt＝切線速度，m/s該理論稱，旋風(fēng)中心的Vt是Q的線性函數(shù)。這提示切割尺寸可以通過增加Vt(亦即
)而減小，從而增加分離效率。
對(duì)某種粒子尺寸范圍的分離效率的計(jì)算(通常稱為等級(jí)效率曲線)還依賴于流體的旋風(fēng)參數(shù)和流動(dòng)特性。對(duì)任何粒子尺寸的分離效率根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可表示為ξ=[1+(kVt2ρpx2μQ)-3.2]-1]]>這也提示，對(duì)任何固定旋風(fēng)設(shè)計(jì)和粒子尺寸，分離效率由切線速度和容積流速率決定，其中后者與前者有關(guān)。因此，分離效率再次隨切線速度的增加而增加。
所有上述理論都指出旋風(fēng)的效率可以通過增加切線速度而增加。獲得這種增加最簡(jiǎn)單的方式是只提供一個(gè)更大功率的馬達(dá)產(chǎn)生更高流動(dòng)流體速率。不幸的是對(duì)可以應(yīng)用于諸如家用吸塵器中這種類型的馬達(dá)有許多限制。這種馬達(dá)例如在物理尺寸、重量和成本這些因素方面受限。對(duì)于這類應(yīng)用必須尋求在旋風(fēng)的進(jìn)口增加流動(dòng)流體切線速度的方法。
很久以來就認(rèn)識(shí)到離開包含旋轉(zhuǎn)推進(jìn)器葉片的風(fēng)扇的流體具有一個(gè)切線分量。迄今為止，對(duì)在旋風(fēng)分離器中的切線分量沒有真正有效使用。風(fēng)扇總是安放在遠(yuǎn)離旋風(fēng)進(jìn)口的位置，通常在分離器的下游，使得進(jìn)入旋風(fēng)的流體的所有切線速度必須被強(qiáng)迫作用于旋風(fēng)的上游流動(dòng)流體。強(qiáng)迫施加切線速度分量由于摩擦損失必然引起流動(dòng)速率總體稍微降低。
因此本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一個(gè)使用旋風(fēng)分離器從流動(dòng)流體中分離粒子的設(shè)備，它與相應(yīng)已知分離器相比，對(duì)于給定條件具有更高入口切線速度，從而有更高分離效率。本發(fā)明的另一目的是提供一個(gè)使用旋風(fēng)分離器從流動(dòng)流體中分離粒子的設(shè)備，它充分利用離開風(fēng)扇的流體的切線速度分量。本發(fā)明的再一個(gè)目的是提供一個(gè)使用旋風(fēng)分離器從流動(dòng)流體中分離粒子的裝置，它高效、小巧、重量輕并且容易使用和維護(hù)。
本發(fā)明提供在權(quán)利要求1中敘述的設(shè)備。在旋風(fēng)分離器進(jìn)口內(nèi)風(fēng)扇的位置意味著由于較低損失可以在旋風(fēng)內(nèi)獲得較高進(jìn)口切線速度，因此改進(jìn)了旋風(fēng)的效率。這樣最大利用由風(fēng)扇傳遞給流動(dòng)流體的切線速度。另外，改善了每單位消耗功率通過分離器的空氣流。另外有利的特征在從屬權(quán)利要求中敘述。應(yīng)該注意，與實(shí)際所有已知旋風(fēng)真空吸塵器的設(shè)計(jì)不同，在本例中的流動(dòng)流體是被推過旋風(fēng)分離器，而不是被拉或吸過分離器。
現(xiàn)在參考附圖敘述本發(fā)明的實(shí)施例，在附圖中圖1是按照本發(fā)明第一實(shí)施例的旋風(fēng)分離器和風(fēng)扇的示意性縱向剖面圖；圖2是從圖1的II-II線截取的斷面圖；圖3是類似于圖1的本發(fā)明第二實(shí)施例的視圖。
圖1和圖2所示裝置包括一個(gè)旋風(fēng)分離器10、一個(gè)風(fēng)扇12和一個(gè)馬達(dá)14。旋風(fēng)分離器10在本實(shí)施例中形成真空吸塵器的一部分，它基本上具有標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)，它包括一個(gè)位于圓錐形旋風(fēng)壁18的上緣的上圓柱壁16，圓錐形旋風(fēng)壁18通向一個(gè)圓錐開孔20。與旋風(fēng)壁18的外表面密封連接并圍繞圓錐開孔20的是一個(gè)收集室22，其外直徑至少是圓錐開孔20的直徑的3倍。收集室22可卸下，以便倒掉其內(nèi)收集的灰塵。在旋風(fēng)分離器10的上端設(shè)有一個(gè)出口端口24，其與旋風(fēng)壁18和收集室22的縱向軸線28同軸，且與要從其內(nèi)分離粒子的流體的下游路徑(未示出)相連通。
常規(guī)旋風(fēng)分離器應(yīng)該具有一個(gè)入口端口，它包括一個(gè)進(jìn)入管道，用以在布置在該旋風(fēng)分離器的下游處的馬達(dá)和風(fēng)扇的影響下將空氣流向上圓柱壁16切向地引入旋風(fēng)分離器10。這類結(jié)構(gòu)可以在上述現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)中看到。本發(fā)明的設(shè)備使用一個(gè)不同的入口結(jié)構(gòu)，但是在進(jìn)入端口的下游，該旋風(fēng)分離器的操作相同。進(jìn)入端口的下游，空氣流沿螺旋路徑在旋風(fēng)壁18的內(nèi)部向下運(yùn)動(dòng)，在前進(jìn)過程中速度增加，直到通過圓錐開孔20出現(xiàn)在收集室22中。原來在空氣流中挾帶的較大粒子被拋向收集室22的外壁在其中收集。根據(jù)上述理論，一些較小的粒子依然由空氣流挾帶，它們隨空氣流經(jīng)過圓錐開孔20離開收集室22，通常沿軸線28到出口端口24，從那里到下游空氣流路徑。
上述結(jié)構(gòu)和分離作用已知。上述設(shè)備和本發(fā)明的設(shè)備之間的區(qū)別在于進(jìn)入端口。代替給旋風(fēng)分離器的上端提供切線進(jìn)入端口，本發(fā)明的設(shè)備提供一個(gè)置于旋風(fēng)分離器10的入口內(nèi)中心處的風(fēng)扇。的確，在所示實(shí)施例中，風(fēng)扇12置于上旋風(fēng)壁16內(nèi)并可繞旋風(fēng)壁18的縱向軸線28轉(zhuǎn)動(dòng)(見箭頭30)。風(fēng)扇23具有標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，并具有多個(gè)推進(jìn)器葉片32，這些葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)使空氣流流過旋風(fēng)分離器，同時(shí)加快空氣流流向旋風(fēng)壁18并給于足夠切線速度而使灰塵粒子在分離器10內(nèi)從空氣流中旋風(fēng)分離。
風(fēng)扇12徑向向外配置的多個(gè)葉片34確定了一系列從風(fēng)扇12引向上圓柱壁16的管道36。這些進(jìn)入管道36引導(dǎo)空氣流，使其在上圓柱壁16附近出現(xiàn)而不損失其高切線速度。高切線速度的獲得是由于由風(fēng)扇提供給空氣流的切線速度在空氣流到達(dá)上圓柱壁16時(shí)產(chǎn)生。由于流體重定向而引起的摩擦為最小或較小。因此，旋風(fēng)分離器10內(nèi)的空氣流的切線速度比上述公知的類似旋風(fēng)分離器的要高，而旋風(fēng)的分離效率得以改善。由于在這種結(jié)構(gòu)中的固有損失比公知類似分離器內(nèi)的固有損失小，因此也改善了單位消耗功率通過分離器的空氣流。
在所示實(shí)施例中，馬達(dá)14緊鄰風(fēng)扇12。這種布置簡(jiǎn)單有效。然而風(fēng)扇12和馬達(dá)14置于旋風(fēng)分離器10之上且與其同軸意味著旋風(fēng)分離器10的出口端口24不能取通常沿同一軸線28的旋風(fēng)流出路徑。在所示實(shí)施例中通過在入口管道36之間提供出口管道38解決，出口管道38通過其它通路或管道或者通過出口室40連接到出口端口24，出口室40從出口端口24向上圓柱壁16徑向向外延伸。如果希望的話，離開旋風(fēng)分離器10的空氣流可以通過旋繞的通道引導(dǎo)，因?yàn)榉蛛x一旦完成，則不再需要維持高流動(dòng)速率。如果希望的話，離開的空氣流可以引導(dǎo)通過馬達(dá)用于冷卻。
本發(fā)明的第二實(shí)施例示于圖3。圖3所示結(jié)構(gòu)等同于圖1所示結(jié)構(gòu)，不同之處在于驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇12的馬達(dá)14′的位置。在圖3中，馬達(dá)14′置于收集室22之下，其驅(qū)動(dòng)軸42沿縱向軸線28穿過收集室22、旋風(fēng)分離器10和出口端口24。驅(qū)動(dòng)軸42直接連接到風(fēng)扇12，風(fēng)扇12在圖3中占據(jù)和在圖1中同樣的位置。
在圖3的實(shí)施例中馬達(dá)14′置于收集室22之下作為整體與圖1所示實(shí)施例相比具有降低真空吸塵器的重心的優(yōu)點(diǎn)。這從穩(wěn)定方面來說很有好處。如果馬達(dá)14′如圖3所示放置，則風(fēng)扇12可以包括允許流出空氣沿軸線28穿出分離器的通路，而不用通過出口管道38。這將簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)從而節(jié)省制造成本。
可以理解，如果希望的話可以省掉葉片34而把離開風(fēng)扇12的空氣只用風(fēng)扇推進(jìn)器導(dǎo)向旋風(fēng)壁。還可以理解，在實(shí)施例中作為徑向風(fēng)扇顯示的風(fēng)扇可以是軸向風(fēng)扇，它也可以給穿過其中的空氣流施加切線速度。
上述發(fā)明適宜用于真空吸塵器，特別是家用真空吸塵器。把風(fēng)扇重新放置于旋風(fēng)分離器內(nèi)某一位置充分利用下述事實(shí)，即離開風(fēng)扇的空氣(或其它流體)具有一個(gè)切線速度分量，且其用于增強(qiáng)入口切線速度，從而增加旋風(fēng)分離器的效率。在包括兩個(gè)分離器的真空吸塵器中，優(yōu)選把風(fēng)扇置于緊鄰第二、高效旋風(fēng)分離器的上游，部分是為增強(qiáng)細(xì)塵土粒子的分離，但也是為了保證較大粒子在穿過風(fēng)扇前從空氣流中清除。這將減少對(duì)風(fēng)扇的磨損，也減少在運(yùn)行期間發(fā)生損壞的風(fēng)險(xiǎn)。如圖1所示馬達(dá)緊鄰風(fēng)扇放置提供一個(gè)緊湊的單元，其可以容易地接觸到或拆卸以進(jìn)行維護(hù)和/或修理。然而，提供一個(gè)如圖3所示的驅(qū)動(dòng)軸可以允許該電器中的馬達(dá)必要時(shí)用于其它目的。可以想見，某些旋風(fēng)分離器的應(yīng)用可以使用兩個(gè)或者更多相似于上面圖示或敘述的旋風(fēng)分離器，而每一分離器可能需要它自己的風(fēng)扇。適當(dāng)放置分離器將允許兩個(gè)或多個(gè)風(fēng)扇由同一馬達(dá)直接驅(qū)動(dòng)。
僅為說明起見，給出下述尺寸作為圖1所示類型旋風(fēng)分離器的例子，其適于使用在家用真空吸塵器中風(fēng)扇12的直徑 109mm圓柱壁16的直徑140mm圓柱壁16的深度45mm旋風(fēng)壁18的深度325mm圓錐孔20的直徑25mm收集室22的直徑145mm收集室的上部的直徑80mm圓錐開孔20在基座上的高度 70mm出口端口24的直徑 32mm必須強(qiáng)調(diào)，本發(fā)明不限于從空氣流中分離粒子的分離器或真空吸塵器的分離器。前面敘述的原理一般用于大多數(shù)流體，而本設(shè)備可以分離車輛廢氣、水、其它液體和其它氣體中的粒子。申請(qǐng)時(shí)優(yōu)選應(yīng)用于真空吸塵器的事實(shí)并不打算只限制在這上面。
權(quán)利要求
1.一種用于分離流動(dòng)流體中粒子的設(shè)備，其具有一個(gè)旋風(fēng)分離器和一個(gè)使該流動(dòng)流體流過旋風(fēng)分離器的風(fēng)扇，旋風(fēng)分離器具有一個(gè)入口和一個(gè)具有截頭圓錐部分的內(nèi)壁，其離開入口后變細(xì)，其中，風(fēng)扇放置在旋風(fēng)分離器的入口內(nèi)，使得穿過風(fēng)扇的流體向內(nèi)壁加速，從而給其足夠的切線速度，使得粒子在旋風(fēng)分離器內(nèi)從流動(dòng)流體中旋風(fēng)分離。
2.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，在風(fēng)扇和旋風(fēng)分離器的內(nèi)壁之間設(shè)置多個(gè)確定一系列進(jìn)入管道的葉片。
3.如權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其中，當(dāng)沿旋風(fēng)分離器的中心軸線看時(shí)多個(gè)管道沿著一個(gè)總的螺旋路徑。
4.如前述權(quán)利要求中任何一個(gè)權(quán)利要求所述的設(shè)備，其中，旋風(fēng)分離器包括一個(gè)出口端口，從通過出口端口從中已分離出粒子的流動(dòng)流體離開旋風(fēng)分離器，該出口端口至少包括一個(gè)出口管道，用以引導(dǎo)所述流體徑向向外朝向旋風(fēng)分離器的內(nèi)壁。
5.如權(quán)利要求4所述的設(shè)備，其中，設(shè)有多個(gè)出口管道。
6.如權(quán)利要求2或3和5所述的設(shè)備，其中，入口管道的數(shù)目與出口管道數(shù)目相同。
7.如權(quán)利要求6所述的設(shè)備，其中，入口管道和出口管道相對(duì)于旋風(fēng)分離器的中心軸線交替排列。
8.如前述權(quán)利要求中任何一個(gè)權(quán)利要求所述的設(shè)備，其中，提供一個(gè)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇的馬達(dá)，該馬達(dá)鄰近風(fēng)扇放置。
9.如權(quán)利要求8所述的設(shè)備，其中，安排流動(dòng)流體冷卻馬達(dá)。
10.如前述權(quán)利要求中任何一個(gè)權(quán)利要求所述的設(shè)備，其中，在風(fēng)扇上游設(shè)置一個(gè)上游粒子分離器。
11.如權(quán)利要求8或9和10所述的設(shè)備，其中，上游粒子分離器置于馬達(dá)的上游。
12.如權(quán)利要求10或11所述的設(shè)備，其中，上游粒子分離器是一第二旋風(fēng)分離器。
13.如權(quán)利要求1到7中任何一個(gè)權(quán)利要求所述的設(shè)備，其中，提供一個(gè)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇的馬達(dá)，該馬達(dá)具有一個(gè)連接到風(fēng)扇的驅(qū)動(dòng)軸，其沿旋風(fēng)分離器的中心軸線穿過旋風(fēng)分離器。
14.如權(quán)利要求13所述的設(shè)備，其進(jìn)一步包括一第二旋風(fēng)分離器和一個(gè)使流體流過該第二旋風(fēng)分離器的第二風(fēng)扇，其中驅(qū)動(dòng)軸連接到該第二風(fēng)扇。
15.如前述權(quán)利要求中任何一個(gè)權(quán)利要求所述的設(shè)備，其中，所述風(fēng)扇放置在旋風(fēng)分離器入口中心。
16.如前述權(quán)利要求中任何一個(gè)權(quán)利要求所述的設(shè)備，其中，內(nèi)壁包括一個(gè)上圓柱部分，一個(gè)截頭圓錐從它開始變細(xì)，風(fēng)扇放置在該上圓柱部分內(nèi)。
17.如前述權(quán)利要求中任何一個(gè)權(quán)利要求所述的設(shè)備，其中，打算處理的流體是空氣。
18.基本如前面參考


的分離流動(dòng)流體中粒子的設(shè)備。
19.包括權(quán)利要求17所述的設(shè)備的真空吸塵器。
全文摘要
本發(fā)明提供一種分離流動(dòng)流體中粒子的設(shè)備,它具有一個(gè)旋風(fēng)分離器(10)和一個(gè)使流體流過該旋風(fēng)分離器(10)的風(fēng)扇(12),旋風(fēng)分離器(10)具有一個(gè)入口(16)和一個(gè)具有截頭圓錐部分(18)的內(nèi)壁,其從入口(16)向后變細(xì),其中,風(fēng)扇(12)放置在旋風(fēng)分離器(10)的入口(16)內(nèi),使得穿過風(fēng)扇(12)的流體向內(nèi)壁(18)加速,從而給其足夠的切線速度,使得粒子在旋風(fēng)分離器(10)內(nèi)從流動(dòng)流體中旋風(fēng)分離。
文檔編號(hào)B01D45/14GK1245450SQ9718158
公開日2000年2月23日 申請(qǐng)日期1997年11月27日 優(yōu)先權(quán)日1996年11月29日
發(fā)明者G·M·布爾林頓, J·戴森 申請(qǐng)人:諾特特里有限公司