用于污垢与灰尘的旋流分离装置 本发明涉及一种旋流分离装置。具体而言，而非排他地，本发明涉及适于用在真空吸尘器中的旋流分离装置。
使用旋流分离装置的真空吸尘器是公知的。此类真空吸尘器的实例在EP 0042473、US 4,373,228、US 3,425,192、US 6,607,572和EP1268076中有描述。在每个这类装置中，向第一和第二旋流分离单元提供顺续地通过每个分离单元的进气。在某些情况下，第二旋流分离单元包含多个相互并列地排布的旋流器。
现有的装置无一能够获得100％的分离效率(也就是将所夹带的污垢与灰尘从气流可靠地分离出来的能力)，尤其是在用于真空吸尘器时。所以，提供一种能够获得比现有技术更高分离效率的旋流分离装置是本发明的目的。
本发明提供的旋流分离装置包括：包含至少一个第一旋流器的第一旋流分离单元；位于第一旋流分离单元下游并包含至少一个第二旋流器的第二旋流分离单元；以及位于第二旋流分离单元下游并包含至少一个第三旋流器的第三旋流分离单元；其特征在于，第二旋流分离单元的分离效率与第一旋流分离单元或第三旋流分离单元的分离效率大致相同。
根据本发明的旋流分离装置具有这样的优点：当装置被作为整体考虑时，与单独的旋流分离单元的单独分离效率相比，其具有更高的分离效率。至少三个串联旋流分离单元的存在提升了系统的性能，因而，出现在下游单元的气流变化几乎很少或不会影响该单元保持其分离效率的能力。因此，与已知旋流分离装置相比，分离效率更加稳定。
应该理解的是，通过术语“分离效率”，我们指的是旋流分离单元将夹带的微粒从气流中分离出去的能力，为了进行比较，相关的旋流分离单元接收相同的气流。因此，为了使第一旋流分离单元具有比第二分离单元更高的分离效率，当二者处于相同环境下时，第一分离单元必须比第二分离单元能够从气流分离更高比例的夹带微粒。可以影响旋流分离单元的分离效率的因素包括入口与出口的大小、锥度的角度和旋流器的长度、旋流器的直径和位于旋流器上端的筒状入口部分的长度。
如果第二旋流分离单元具有与第一旋流分离单元的分离效率相同的分离效率，这具有的效果相当于在面对更高效的第三旋流分离单元之前，为进入气流提供了两次穿过相对低效的旋流分离装置的清扫(sweeps)。因此在进入第三旋流分离单元之前，气流被清除掉了大颗粒的污垢与灰尘，以及很大一部分的细小灰尘。因此，第三旋流分离单元可以在理想的条件下运转，这使其获得相对较高的分离效率。如此，作为整体的装置可靠地使空气清洁并且该清洁达到了更高的标准。
如果第二旋流分离单元具有与第三旋流分离单元的分离效率相同的分离效率，则在气流被从装置喷出之前，该气流经历了两次穿过相对高效的旋流分离单元的清扫。在将任何的相对较大的污垢与碎屑从气流除掉后，气流经历穿过相对高效的旋流分离单元的第一次清扫，在此旋流分离单元中，大部分的残留灰尘被去除掉。之后，第三旋流分离单元得以在有利的条件下运转，在此可以获得较高的分离效率。
优选地，第一旋流分离单元包括单独的第一旋流器，更优选地，该第一旋流器或每个第一旋流器大致为圆柱形。这样的结构使得大颗粒的灰尘和碎屑可以被可靠地收集并储存，同时具有相对较低的再次夹带的风险。
优选地，第二旋流分离单元包括多个并列地排布的第二旋流器而第三旋流分离单元包括多个并列地排布的第三旋流器，更优选地，第二旋流器的数量小于第三旋流器的数量。在每个连续的旋流分离单元中的旋流器的数量增加使得每个单独的旋流器的尺寸在气流的方向上减小。已经通过多个上游旋流器的气流的事实意味着大颗粒的污垢与灰尘已经被去除，这使得每个小的旋流器可以高效率地运转而不会有堵塞的风险。
现在将结合附图对本发明的各实施方案进行描述，图中：
图1和图2分别显示了具有根据本发明的旋流分离装置的筒式和立式的真空吸尘器；
图3为通过旋流分离装置的侧向剖视图，该旋流分离装置形成图1和图2中所示的真空吸尘器的局部；
图4为图3旋流分离单元的俯向剖视图，显示旋流分离单元的布局；
图5为根据本发明的旋流分离单元的可选实施方案的侧向剖视图；
图6为图5旋流分离装置的俯向剖视图，显示旋流分离单元的布局；
图7为适于形成图1和图2所示真空吸尘器的局部的第一可选旋流分离单元的示意图；而
图8和图9适用于形成图1和图2所示真空吸尘器的局部的第二和第三可选旋流分离单元的示意图。
图1显示了一个筒式真空吸尘器10，该吸尘器具有主体12、安装于主体12上用来操纵驾驭真空吸尘器10使之在待清理表面上行进的轮14，以及也是安装在主体12上的旋流分离装置100。软管16与旋流分离装置100连通，用来将载尘气流通过软管16吸入旋流分离单元100中的电机与风扇单元(未示出)被包容在主体12中。通常，与地板接合的吸头(cleaner head)(未示出)通过操纵杆(wand)装在软管16的末端上，便于在待清理表面上操纵载尘空气入口。
使用中，通过软管16被吸入旋流分离装置的空气载有即将在旋流分离装置100中被分离的污垢和灰尘。污垢与灰尘被收集在旋流分离装置100中，而清洁过的空气在从真空吸尘器10通过在主体12中的排出口被喷出之前，沿管道通过电机，用于进行冷却。
图2中所示的立式真空吸尘器20也具有电机与风扇单元(未示出)安装于其中的主体22，轮24安装于该主体上并使得该真空吸尘器20可以被操纵驾驭而在待清理表面上行进。吸头26被可枢转地安装于主体22的下端上，而载尘空气入口28位于面向地板的吸头26的下侧。旋流分离装置100位于主体22上，而导管30连通于载尘空气入口28与旋流分离装置100之间。把手32在旋流分离装置100的后面可松开地安装在主体22上，因而把手32既可用作把手又可用作操纵杆。这种结构是公知的，这里不再作进一步的描述。
使用中，电机与风扇单元通过载尘空气入口28或把手32(如果把手32被配置来用作操纵杆)将载尘空气吸入真空吸尘器20。载尘空气通过导管30到达旋流分离装置100，所夹带的污垢与灰尘被从气流中脱离并被保留在旋流分离装置100中。清洁的空气通过电机以作冷却之用，之后通过多个排出口34从真空吸尘器20喷出。
本发明只涉及下面即将描述的旋流分离装置100，因此，真空吸尘器10、20的其余特征相对而言是非实质性的。
形成每个真空吸尘器10、20的局部的旋流分离装置100如图3和图4所示。旋流分离装置的特定总体外形可以根据其中用到装置100的真空吸尘器的类型而变化。例如，相对于该装置的之间，该装置的总体长度可以增加或减小，或者，底部的形状可以变化以便成为例如截头圆锥体形。
图3和图4所示的旋流分离装置100包括外部舱室102，该外部舱室具有大致为圆柱形的外壁104。外部舱室102的下端被底部106封闭，该底部106通过枢轴108的方式被可枢转地安装在外壁上并被门扣(catch)110固定在关闭的位置(如图3所示)。在关闭位置上，底部压在外壁104的下端上被封闭。当出于下面即将说明的目的，松开门扣110时使得底部106枢转离开外壁104。第二圆柱形壁部112在径向上位于外壁104的内部并与之相间隔，从而在二者之间形成环形腔114。该第二圆柱形壁部112与底部106相接(当底部处于关闭位置)并挤靠密封。环形腔114总体上由外壁104、第二圆柱形外壁112、底部106以及位于外部舱室102的上端的上壁116所界定。
载尘空气入口118位于外部舱室102的上端并低于上壁116。载尘空气入口118被设置与外部舱室102相切(见图4)以确保进入的载尘空气被强制围绕环形腔114沿螺旋路线前进。流体出口以套管120(shroud)的形式位于外部舱室102中。该套管120包括圆柱形壁部122，在该圆柱形壁部中，形成有大量的穿孔124。仅有的源于外部舱室102的流体出口由在套管中的穿孔124形成。通道126形成于套管120与第二圆柱形壁部112之间，该通道126与环形腔128连通。
环形腔128沿径向向外排列在锥形旋流器130的上端，该旋流器位于与外部舱室102同轴的位置。旋流器130具有大致为圆柱形的上部入口部分132，两个空气入口134形成于该旋流器中。入口134环绕上部入口132的圆周间隔地布置。入口134为类似插槽的形状并与环形腔128直接连通。旋流器130具有从上部入口132悬垂的锥形部分136。该锥形部分136为截头圆锥形，并于其下端截止于锥体开口138。
第三圆柱形壁部140在底部106与旋流器130的锥形部分136的外壁部分上的一个位于锥体开口138上方的部分之间延伸。当底部106处于关闭的位置时，第三圆柱形壁部140被挤靠密封。因此，锥体开口138开向一个特定地封闭的圆柱形腔体142。涡旋溢流管(vortexfinder)144位于旋流器130的上端以允许空气离开旋流器130。
涡旋溢流管144与位于旋流器130上方的稳压腔(plenumchamber)146连通。围绕稳压腔146沿圆周排列的是多个相互并列地排布的旋流器148。每个旋流器148具有与稳压腔146连通的切向入口150。每个旋流器148与其它的旋流器148相同并包括圆柱形上部152以及由其悬垂而下的锥形部分154。每个旋流器148的锥形部分154伸入环形腔156并与之连通，该环形腔位于第二圆柱形壁部112与第三圆柱形壁部140之间。每个旋流器148的上端具有一个涡旋溢流管158，而且每个涡旋溢流管158与出口腔160连通，该出口腔具有用于将清洁空气输送出装置100之外的排出口162。
如上所述，旋流器130与外部舱室102同轴。八个旋流器148排列成一个以外部舱室102的轴线164为中心的圆环。每个旋流器148具有倾斜向下并趋近于轴线164的轴线166。各轴线166相对于轴线164以相同的角度倾斜。另外，旋流器130的锥形角大于旋流器148的锥形角，而且旋流器130的上部入口部分132的直径大于每个旋流器148的圆柱形上部152的直径。
使用中，载有灰尘的空气通过载尘空气入口118进入装置100，并且由于入口118的切向构造，所述气流围绕外壁104沿螺旋路线前进。大的污垢与灰尘颗粒通过旋流作用而在环形腔114中沉积并且被收集在其中。被部分地清洁过的气流通过位于套管122中的穿孔124离开环形腔114并进入通道126。之后，该气流进入环形腔128并从该处到达旋流器130的入口134。旋流分离在旋流器130的内部进行，因而对某些仍然夹带在气流中的污垢与灰尘进行分离。在旋流器130中被从气流分离出的污垢与灰尘沉积在圆柱形腔体142中，同时，被进一步清洁的气流通过涡旋溢流管144离开旋流器130。之后，该气流进入稳压腔146并从该处进入八个旋流器148之一中，在其中，进一步的旋流分离将某些仍然被夹带的污垢与灰尘除掉。所述污垢与灰尘沉积在环形腔156中，同时清洁过的空气通过涡旋溢流管158离开旋流器148并进入出口腔160中。之后，清洁过的空气通过排出口162离开装置100。
已经被从气流中分离的污垢与灰尘将会被收集在三个腔体114、142和156中。为了清空这些腔体，门扣110被松开以使底部106绕枢轴108转动，因此，该底部下落离开圆柱形壁部104、112和140的下端。如此，收集在腔体114、142和156中的污垢与灰尘可以被轻易地从装置100中清理出去。
从之前的描述中应该了解到，装置100包含三个明显不同的旋流分离阶段。外部舱室102构成第一旋流分离单元，该旋流分离单元包含大体为圆柱形的单独的第一旋流器。在此旋流分离单元中，外壁104的相对而言的大直径意味着，由于施加于污垢与碎屑的离心力相对较小，比较大的污垢与碎屑颗粒将会首先被从气流中分离出去。一些细小灰尘也会被分离。大碎屑的绝大多数将会被可靠地沉积在环形腔114中。
旋流器130形成第二旋流分离单元。在此第二旋流分离单元中，第二旋流器130的半径远小于外壁104的半径。第二旋流器130的长度相对较小而锥体开口138相对较大。入口134和涡旋溢流管144与精调(finely-tuned)的旋流器相比是被放大的，以使在第二旋流器130中的气流速度相对较低。第二旋流器130的尺寸的适当选取使得第二旋流分离单元的分离效率可被选择为与第一旋流分离单元的分离效率相同。然而，与第一旋流分离单元的效率相比，第二旋流分离单元的性能得到提升，这是因为第二旋流分离单元面对的是带有尺寸范围较小的夹带颗粒的气流，而较大的颗粒已经在第一旋流分离单元的第一旋流器中被去除掉了。
第三旋流分离单元由八个较小的旋流器148形成。在此第三旋流分离单元中，每个第三旋流器148具有比第二旋流分离单元的第二旋流器130更小的直径，因此可以比第二旋流分离单元分离更细小的污垢与灰尘。该第三旋流分离单元还具有随附的优点：面对的是已经被第一与第二旋流分离单元清洁过的气流，因而夹带颗粒的数量与大小都小于其它成问题的情形中的相应数量和大小。这降低了使旋流器148的入口与出口堵塞的任何风险。第三旋流分离单元的分离效率显著高于第一和第二旋流分离单元的分离效率。
第二旋流分离单元的分离效率等于第一旋流分离单元的分离效率而第三旋流分离单元的分离效率高于第一和第二旋流分离单元的分离效率。在此，我们指的是第一和第二旋流器各自的分离效率低于所有八个第三旋流器加起来的分离效率。
根据本发明的旋流分离装置200的第二实施方案显示于图5和图6中。装置200在结构上类似于显示在图3与图4中并在之前详细描述过的实施方案，其中，该装置既适用于图1中显示的真空吸尘器10也适用于图2中显示的真空吸尘器20并且包括三个连续的旋流分离单元。
如在前述实施方案中那样，第一旋流分离单元包括单独的、由外部圆柱形壁部204、底部206与第二圆柱形壁部212所界定的圆柱形第一旋流器202。载尘空气入口218与外壁204相切，以确保旋流分离在第一旋流器202中进行并且污垢与碎屑的大颗粒在旋流器202的下端被收集在环形腔214中。如上，仅有的源自第一旋流器202的通道为通过套管222中的穿孔224进入位于套管222与第二圆柱形壁部212之间的通道226。
在此实施方案中，第二旋流分离单元包括两个相互并列地布置的锥形的第二旋流器230。第二旋流器230在装置200的外壁内部并排布置，如在图6中所示。每个第二旋流器230具有一个上部入口部分232，该上部入口部分中具有至少一个入口234。每个入口234被定位用于使空气切向进入上部开口部分232并与腔体228连通，而该腔体228又与通道226连通。每个第二旋流器230具有从上部入口部分232悬垂的截头圆锥部分236并截止于锥体开口238。第二旋流器230凸入闭合腔体242中。每个第二旋流器230具有位于其上端并与腔体246连通的涡旋溢流管244。
第三旋流分离单元包括四个并列地排布的第三旋流器248。每个第三旋流器248具有一个上部开口部分252，该上部开口部分包含一个与腔体246连通的入口250。每个第三旋流器248还具有从入口部分252悬垂并通过锥体开口与闭合腔体256连通的截头圆锥部分254。腔体256相对于腔体242通过一对壁270(见图6)而闭合。每个第三旋流器248具有位于其上端并与具有排出口262的出口腔260连通的涡旋溢流管258。
第一旋流器202具有轴线264，每个第二旋流器230具有轴线265而每个第三旋流器具有轴线266。在此实施方案中，各轴线264、265和266相对于彼此平行设置。然而，第一旋流器202、第二旋流器230和第三旋流器248的直径递减。
装置200以与在图3和图4中显示的装置100的运转方式相类似的方式运转。载有灰尘的空气通过入口218进入第一旋流分离装置的第一旋流器202中并围绕腔体214绕行，因此，较大的灰尘颗粒与碎屑通过旋流作用而被分离。污垢与灰尘沉积在腔体214的下部，而被清洁的空气通过套管222中的穿孔224离开腔体214。空气穿过通道226到达腔体228，之后到达第二旋流器230的入口234。进一步旋流分离在并列地运转的各第二旋流器230中进行。从气流分离出的污垢与灰尘沉积在腔体242中，而进一步被清洁的空气通过涡旋溢流管244离开第二旋流器230。之后，空气通过入口250进入第三旋流器248并在其中进行进一步的旋流分离，污垢与灰尘沉积在腔体256中。清洁的气流通过腔体260与排出口262离开装置200。
在图5与图6中显示的实施方案中，第二旋流器230被设计为可以使第二旋流分离单元具有的分离效率与第三旋流分离单元的分离效率相同。可以通过提供具有相对较小入口234和涡旋溢流管244的第二旋流器230并提供具有相对较长、相对“苗条”(slender)的截头圆锥部分236来达到此目的。
每个旋流分离单元都从气流中去除掉部分夹带污垢与灰尘。由于面对的是其中夹带有小范围颗粒的气流，这使得第二与第三旋流分离单元运转更高效。
每个旋流分离单元可以包括不同数量和不同形状的旋流器。图7至9示意性地图示了落入本发明范围的三种其它的可选配置。在这些图示中，除了形成每个旋流分离单元的旋流器的数量与大致形状外，所有细节都将被忽略。
首先，在图7中，装置300包括第一旋流分离单元310、第二旋流分离单元320和第三旋流分离单元330。第一旋流分离单元310包括单独的圆柱形第一旋流器312。第二旋流分离单元320包括两个并列地排布的截头圆锥形第二旋流器322而第三旋流分离单元330包括八个同样是并列地排布的截头圆锥形第三旋流器332。在此实施方案中，第三旋流器332的尺寸远小于第二旋流器322的尺寸而第三旋流分离单元330的分离效率远高于第二旋流分离单元320的分离效率。第二旋流分离单元320的分离效率被设置为与第一旋流分离单元310的分离效率基本相同。
在图8显示的构造中，装置400包括第一旋流分离单元410、第二旋流分离单元420和第三旋流分离单元430。第一旋流分离单元410包括单独的圆柱形第一旋流器412。第二旋流分离单元420包括三个并列地排布的并且其直径远远小于第一旋流器410的直径的圆柱形第二旋流器422。第三旋流分离单元430包括二十一个同样是并列地排布的截头圆锥形第三旋流器432。该第三旋流器432的尺寸将远小于第二旋流器422的尺寸，因而第三旋流分离单元430的分离效率将高于第二旋流分离单元420的效率。第二旋流分离单元420的分离效率也被设置为与第一旋流分离单元410的分离效率基本相同。
在图9显示的构造中，装置500包括第一旋流分离单元510、第二旋流分离单元520和第三旋流分流单元530。第一旋流分离单元510包括两个相对较大的截头圆锥形第一旋流器512。第二旋流分离单元520包括三个并列地排布且其直径远远小于第一旋流器510的直径的截头圆锥形第二旋流器522。第三旋流分离单元530包括四个同样是并列地排布的截头圆锥形第三旋流器532。第三旋流器532的尺寸仍将小于第二旋流器522的尺寸，但是，第二旋流分离单元520的分离效率被设置为与第三旋流分离单元530的分离效率基本相同。所述第二与第三旋流分离单元的分离效率高于第一旋流分离单元510的分离效率。
在图7至9中显示的构造用来显示形成每个旋流分离单元的旋流器的数量与形状是可以变化的。应该理解的是，其它形式的构造也是可行的。例如，第一和第二旋流分离单元各自可以包括单独的旋流器而第三旋流分离单元可以包括十四个并列地排布的旋流器。而且，另一个合适的构造为使用包括单个旋流器的第一旋流分离单元、包括两个并列旋流器的第二旋流分离单元以及包括十八个并列旋流器的第三旋流分离单元。
可以理解的是，如果有必要的话，更多的旋流分离单元可以被附加至第三旋流分离单元的下游。同样可以理解到，旋流分离单元可以根据实际情况进行布置以适应相关的应用。例如，如果空间允许的话，第二和/或第三旋流分离单元在格局上可以被布置在第一旋流分离单元的外边。同样地，如果任何一个旋流分离单元包含多个旋流器的话，这些旋流器可以被分为两个或多个组进行布置或者还可以包含不同尺寸的旋流器。而且，包含于多旋流器分离单元中的旋流器可以布置为使各自的轴线相对于装置的中心轴线处于不同的角度。这可以有利于紧凑型包装的解决方案。