CN1245450A - 从流动流体中分离粒子的装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种分离流动流体中粒子的设备,它具有一个旋风分离器(10)和一个使流体流过该旋风分离器(10)的风扇(12),旋风分离器(10)具有一个入口(16)和一个具有截头圆锥部分(18)的内壁,其从入口(16)向后变细,其中,风扇(12)放置在旋风分离器(10)的入口(16)内,使得穿过风扇(12)的流体向内壁(18)加速,从而给其足够的切线速度,使得粒子在旋风分离器(10)内从流动流体中旋风分离。

Description

从流动流体中分离粒子的装置

本发明涉及从流动流体中分离粒子的装置，特别地但并不唯一涉及包括为从空气流中分离污垢和尘土粒子的旋风分离器的装置。

从流动流体中分离粒子的旋风分离器为人们所熟知。最近15年内，在真空吸尘器内使用旋风分离器方面取得很多进展。这种进展的例子有EP0018197，EP0134654，EP0489565和EP0636338。所有的例子都希望使旋风分离器更有效，也就是说要生产一种旋风分离器，它比类似的旋风分离器能分离更高比例的一定直径的粒子。大小、成本和材料的限制意味着专门用于真空吸尘器的旋风分离器的基本特征不可能在特别的限制之外变化。因此，必须开发改善旋风分离器效率的其它方式。

基本旋风理论说明，有两个相反的力径向作用于在流动流体中运动的粒子上。离心力F_z径向向外作用于粒子，将其压向旋风壁，由下式决定： $F_z=({\mathrm{\ρ}}_p-\mathrm{\ρ})V_{t,p}^2\frac{{\mathrm{\πx}}^3}{6r}$ 式中，ρ_p＝粒子密度，kg.m^-3

  ρ＝流体密度，kg.m^-3

  V_t，p＝粒子的切线速度，m/s

  X＝粒子直径，m

  r＝粒子轨道半径，m然而一个相反的拖动力F_w向旋风的中心作用，由下式决定： $F_w=C_D\mathrm{\ρ}\frac{\mathrm{\π}{x}^2}{8}(V_r-V_{r,p})$ 式中，V_r＝流体的径向速度，m/s

  V_r，p＝粒子的径向速度，m/s

  C_D＝拖动系数(投射的粒子区域的每单位拖动力/动态压力)

当F_z超过F_w时，粒子被甩向旋风壁而从空气流分离。当F_w超过F_z时，粒子仍由空气流挟带并随其离开旋风分离器。显然使F_z尽可能大具有极大好处。因为F_z正比于粒子的切线速度的平方，因此增加流体的切线速度将增加旋风的效率。

在旋风分离器理论中重要的一个参数是切割直径或切割点。它是这样一些粒子的直径，它们对特定的流动流体条件有50％被旋风分离，而50％仍被挟带。切割点是旋风分离效率的一种计量，对给定条件来说切割点愈低，则保留在流动流体中的粒子的比例愈低，因此分离效率愈高。因此希望对给定条件获得尽可能低的切割点。

已经提出一种半经验旋风理论来给出切割尺寸X₅₀的表达式，对该切割尺寸有50％的粒子被收集。 $X_{50}=\sqrt{\frac{\mathrm{kQ\μ}}{{\mathrm{\ρ}}_p{V}_t^2}}$ 式中，Q＝容积流速率，m³/s

  μ＝粘滞度，kg/ms

  k＝几何因子

  V_t＝切线速度，m/s

该理论称，旋风中心的V_t是Q的线性函数。这提示切割尺寸可以通过增加V_t(亦即

)而减小，从而增加分离效率。

对某种粒子尺寸范围的分离效率的计算(通常称为等级效率曲线)还依赖于流体的旋风参数和流动特性。对任何粒子尺寸的分离效率根据经验可表示为： $\mathrm{\ξ}={[1+{\left(\frac{{\mathrm{kV}}_t^2{\mathrm{\ρ}}_p{x}^2}{\mathrm{\μQ}}\right)}^{-3.2}]}^{-1}$

这也提示，对任何固定旋风设计和粒子尺寸，分离效率由切线速度和容积流速率决定，其中后者与前者有关。因此，分离效率再次随切线速度的增加而增加。

所有上述理论都指出旋风的效率可以通过增加切线速度而增加。获得这种增加最简单的方式是只提供一个更大功率的马达产生更高流动流体速率。不幸的是对可以应用于诸如家用吸尘器中这种类型的马达有许多限制。这种马达例如在物理尺寸、重量和成本这些因素方面受限。对于这类应用必须寻求在旋风的进口增加流动流体切线速度的方法。

很久以来就认识到离开包含旋转推进器叶片的风扇的流体具有一个切线分量。迄今为止，对在旋风分离器中的切线分量没有真正有效使用。风扇总是安放在远离旋风进口的位置，通常在分离器的下游，使得进入旋风的流体的所有切线速度必须被强迫作用于旋风的上游流动流体。强迫施加切线速度分量由于摩擦损失必然引起流动速率总体稍微降低。

因此本发明的一个目的是提供一个使用旋风分离器从流动流体中分离粒子的设备，它与相应已知分离器相比，对于给定条件具有更高入口切线速度，从而有更高分离效率。本发明的另一目的是提供一个使用旋风分离器从流动流体中分离粒子的设备，它充分利用离开风扇的流体的切线速度分量。本发明的再一个目的是提供一个使用旋风分离器从流动流体中分离粒子的装置，它高效、小巧、重量轻并且容易使用和维护。

本发明提供在权利要求1中叙述的设备。在旋风分离器进口内风扇的位置意味着由于较低损失可以在旋风内获得较高进口切线速度，因此改进了旋风的效率。这样最大利用由风扇传递给流动流体的切线速度。另外，改善了每单位消耗功率通过分离器的空气流。另外有利的特征在从属权利要求中叙述。应该注意，与实际所有已知旋风真空吸尘器的设计不同，在本例中的流动流体是被推过旋风分离器，而不是被拉或吸过分离器。

现在参考附图叙述本发明的实施例，在附图中：

图1是按照本发明第一实施例的旋风分离器和风扇的示意性纵向剖面图；

图2是从图1的II-II线截取的断面图；

图3是类似于图1的本发明第二实施例的视图。

图1和图2所示装置包括一个旋风分离器10、一个风扇12和一个马达14。旋风分离器10在本实施例中形成真空吸尘器的一部分，它基本上具有标准的结构，它包括一个位于圆锥形旋风壁18的上缘的上圆柱壁16，圆锥形旋风壁18通向一个圆锥开孔20。与旋风壁18的外表面密封连接并围绕圆锥开孔20的是一个收集室22，其外直径至少是圆锥开孔20的直径的3倍。收集室22可卸下，以便倒掉其内收集的灰尘。在旋风分离器10的上端设有一个出口端口24，其与旋风壁18和收集室22的纵向轴线28同轴，且与要从其内分离粒子的流体的下游路径(未示出)相连通。

常规旋风分离器应该具有一个入口端口，它包括一个进入管道，用以在布置在该旋风分离器的下游处的马达和风扇的影响下将空气流向上圆柱壁16切向地引入旋风分离器10。这类结构可以在上述现有技术文献中看到。本发明的设备使用一个不同的入口结构，但是在进入端口的下游，该旋风分离器的操作相同。进入端口的下游，空气流沿螺旋路径在旋风壁18的内部向下运动，在前进过程中速度增加，直到通过圆锥开孔20出现在收集室22中。原来在空气流中挟带的较大粒子被抛向收集室22的外壁在其中收集。根据上述理论，一些较小的粒子依然由空气流挟带，它们随空气流经过圆锥开孔20离开收集室22，通常沿轴线28到出口端口24，从那里到下游空气流路径。

上述结构和分离作用已知。上述设备和本发明的设备之间的区别在于进入端口。代替给旋风分离器的上端提供切线进入端口，本发明的设备提供一个置于旋风分离器10的入口内中心处的风扇。的确，在所示实施例中，风扇12置于上旋风壁16内并可绕旋风壁18的纵向轴线28转动(见箭头30)。风扇23具有标准设计，并具有多个推进器叶片32，这些叶片的转动使空气流流过旋风分离器，同时加快空气流流向旋风壁18并给于足够切线速度而使灰尘粒子在分离器10内从空气流中旋风分离。

风扇12径向向外配置的多个叶片34确定了一系列从风扇12引向上圆柱壁16的管道36。这些进入管道36引导空气流，使其在上圆柱壁16附近出现而不损失其高切线速度。高切线速度的获得是由于由风扇提供给空气流的切线速度在空气流到达上圆柱壁16时产生。由于流体重定向而引起的摩擦为最小或较小。因此，旋风分离器10内的空气流的切线速度比上述公知的类似旋风分离器的要高，而旋风的分离效率得以改善。由于在这种结构中的固有损失比公知类似分离器内的固有损失小，因此也改善了单位消耗功率通过分离器的空气流。

在所示实施例中，马达14紧邻风扇12。这种布置简单有效。然而风扇12和马达14置于旋风分离器10之上且与其同轴意味着旋风分离器10的出口端口24不能取通常沿同一轴线28的旋风流出路径。在所示实施例中通过在入口管道36之间提供出口管道38解决，出口管道38通过其它通路或管道或者通过出口室40连接到出口端口24，出口室40从出口端口24向上圆柱壁16径向向外延伸。如果希望的话，离开旋风分离器10的空气流可以通过旋绕的通道引导，因为分离一旦完成，则不再需要维持高流动速率。如果希望的话，离开的空气流可以引导通过马达用于冷却。

本发明的第二实施例示于图3。图3所示结构等同于图1所示结构，不同之处在于驱动风扇12的马达14′的位置。在图3中，马达14′置于收集室22之下，其驱动轴42沿纵向轴线28穿过收集室22、旋风分离器10和出口端口24。驱动轴42直接连接到风扇12，风扇12在图3中占据和在图1中同样的位置。

在图3的实施例中马达14′置于收集室22之下作为整体与图1所示实施例相比具有降低真空吸尘器的重心的优点。这从稳定方面来说很有好处。如果马达14′如图3所示放置，则风扇12可以包括允许流出空气沿轴线28穿出分离器的通路，而不用通过出口管道38。这将简化结构从而节省制造成本。

可以理解，如果希望的话可以省掉叶片34而把离开风扇12的空气只用风扇推进器导向旋风壁。还可以理解，在实施例中作为径向风扇显示的风扇可以是轴向风扇，它也可以给穿过其中的空气流施加切线速度。

上述发明适宜用于真空吸尘器，特别是家用真空吸尘器。把风扇重新放置于旋风分离器内某一位置充分利用下述事实，即离开风扇的空气(或其它流体)具有一个切线速度分量，且其用于增强入口切线速度，从而增加旋风分离器的效率。在包括两个分离器的真空吸尘器中，优选把风扇置于紧邻第二、高效旋风分离器的上游，部分是为增强细尘土粒子的分离，但也是为了保证较大粒子在穿过风扇前从空气流中清除。这将减少对风扇的磨损，也减少在运行期间发生损坏的风险。如图1所示马达紧邻风扇放置提供一个紧凑的单元，其可以容易地接触到或拆卸以进行维护和/或修理。然而，提供一个如图3所示的驱动轴可以允许该电器中的马达必要时用于其它目的。可以想见，某些旋风分离器的应用可以使用两个或者更多相似于上面图示或叙述的旋风分离器，而每一分离器可能需要它自己的风扇。适当放置分离器将允许两个或多个风扇由同一马达直接驱动。

仅为说明起见，给出下述尺寸作为图1所示类型旋风分离器的例子，其适于使用在家用真空吸尘器中：

风扇12的直径：                  109mm

圆柱壁16的直径：                140mm

圆柱壁16的深度：                45mm

旋风壁18的深度：                325mm

圆锥孔20的直径：                25mm

收集室22的直径：                145mm

收集室的上部的直径：            80mm

圆锥开孔20在基座上的高度：      70mm

出口端口24的直径：              32mm

必须强调，本发明不限于从空气流中分离粒子的分离器或真空吸尘器的分离器。前面叙述的原理一般用于大多数流体，而本设备可以分离车辆废气、水、其它液体和其它气体中的粒子。申请时优选应用于真空吸尘器的事实并不打算只限制在这上面。

Claims (19)

1.一种用于分离流动流体中粒子的设备，其具有一个旋风分离器和一个使该流动流体流过旋风分离器的风扇，旋风分离器具有一个入口和一个具有截头圆锥部分的内壁，其离开入口后变细，其中，风扇放置在旋风分离器的入口内，使得穿过风扇的流体向内壁加速，从而给其足够的切线速度，使得粒子在旋风分离器内从流动流体中旋风分离。

2.如权利要求1所述的设备，其中，在风扇和旋风分离器的内壁之间设置多个确定一系列进入管道的叶片。

3.如权利要求2所述的设备，其中，当沿旋风分离器的中心轴线看时多个管道沿着一个总的螺旋路径。

4.如前述权利要求中任何一个权利要求所述的设备，其中，旋风分离器包括一个出口端口，从通过出口端口从中已分离出粒子的流动流体离开旋风分离器，该出口端口至少包括一个出口管道，用以引导所述流体径向向外朝向旋风分离器的内壁。

5.如权利要求4所述的设备，其中，设有多个出口管道。

6.如权利要求2或3和5所述的设备，其中，入口管道的数目与出口管道数目相同。

7.如权利要求6所述的设备，其中，入口管道和出口管道相对于旋风分离器的中心轴线交替排列。

8.如前述权利要求中任何一个权利要求所述的设备，其中，提供一个驱动风扇的马达，该马达邻近风扇放置。

9.如权利要求8所述的设备，其中，安排流动流体冷却马达。

10.如前述权利要求中任何一个权利要求所述的设备，其中，在风扇上游设置一个上游粒子分离器。

11.如权利要求8或9和10所述的设备，其中，上游粒子分离器置于马达的上游。

12.如权利要求10或11所述的设备，其中，上游粒子分离器是一第二旋风分离器。

13.如权利要求1到7中任何一个权利要求所述的设备，其中，提供一个驱动风扇的马达，该马达具有一个连接到风扇的驱动轴，其沿旋风分离器的中心轴线穿过旋风分离器。

14.如权利要求13所述的设备，其进一步包括一第二旋风分离器和一个使流体流过该第二旋风分离器的第二风扇，其中驱动轴连接到该第二风扇。

15.如前述权利要求中任何一个权利要求所述的设备，其中，所述风扇放置在旋风分离器入口中心。

16.如前述权利要求中任何一个权利要求所述的设备，其中，内壁包括一个上圆柱部分，一个截头圆锥从它开始变细，风扇放置在该上圆柱部分内。

17.如前述权利要求中任何一个权利要求所述的设备，其中，打算处理的流体是空气。

18.基本如前面参考附图说明的分离流动流体中粒子的设备。

19.包括权利要求17所述的设备的真空吸尘器。

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