ダクト換気システム用ファン

このモジュールでは、ダクト換気システムに使用される遠心ファンと軸流ファンについて説明し、その特性や動作属性などの特定の側面を検討します。

建物設備のダクトシステムに使用される一般的なファンは、一般的に遠心ファンと軸流ファンと呼ばれます。これは、ファンを通過する空気の流れの方向が明確に異なることに由来しています。これらの2つのタイプは、特定の流量／圧力特性やその他の動作特性（サイズ、騒音、振動、清掃性、メンテナンス性、堅牢性など）を提供するために開発された、いくつかのサブタイプに分類されます。

表1：米国および欧州で公表された直径600mmを超えるファンのピークファン効率データ

HVACで使用されるファンの種類の中で、特によく見られるもののいくつかを表1に示します。表1には、米国および欧州の複数のメーカーが公表したデータから収集したピーク効率の目安も記載されています。これらに加えて、「プラグ」ファン（実際には遠心ファンの一種）も近年人気が高まっています。

図1: 一般的なファン曲線。実際のファンはこれらの簡略化された曲線とは大きく異なる場合がある。

図1はファンの特性曲線を示しています。これらは誇張された理想化された曲線であり、実際のファンはこれらとは異なる可能性がありますが、概ね同様の特性を示すと考えられます。これには、ハンチングによる不安定領域が含まれます。ハンチングとは、ファンが同じ圧力で2つの流量の間を行き来する現象、またはファンの失速（「気流の失速」の項を参照）の結果として発生する不安定領域です。メーカーは、推奨される「安全な」動作範囲を資料に記載する必要があります。

遠心ファン

遠心ファンでは、空気はインペラの軸に沿って吸入され、遠心運動によってインペラから放射状に排出されます。これらのファンは、高圧と高流量の両方を実現できます。従来の遠心ファンの多くは、スクロール型のハウジング（図2参照）に収納されており、このハウジングは移動する空気を誘導し、運動エネルギーを効率的に静圧に変換します。より多くの空気を移動させるために、ファンを「ダブル幅ダブルインレット」インペラで設計し、ケーシングの両側から空気を吸入できるようにすることができます。

図2: 後方に傾斜したインペラを備えたスクロールケーシング内の遠心ファン

インペラを構成するブレードには様々な形状があり、主なものは前向き湾曲型と後向き湾曲型です。ブレードの形状によって、その性能、潜在的な効率、そしてファン特性曲線の形状が決まります。ファン効率に影響を与えるその他の要因としては、インペラホイールの幅、吸気コーンと回転するインペラ間のクリアランススペース、そしてファンから空気を排出する領域（いわゆる「送風領域」）が挙げられます。

このタイプのファンは、従来、ベルトとプーリーを組み合わせたモーターで駆動されていました。しかし、電子速度制御の進歩と電子整流（「EC」またはブラシレス）モーターの普及に伴い、ダイレクトドライブの使用頻度が高まっています。これにより、ベルト駆動に固有の非効率性（メンテナンス2に応じて2%から10%以上）が解消されるだけでなく、振動の低減、メンテナンスの軽減（ベアリングと清掃の必要性の低減）、そしてアセンブリのコンパクト化も期待できます。

後方湾曲遠心ファン

後方に湾曲した（または「傾斜した」）ファンは、回転方向から離れて傾斜したブレードが特徴です。図 3 に示すように、エアロフォイルブレード、または 3 次元形状のプレーンブレードを使用すると、効率は 90% 近くまで達しますが、プレーンカーブブレードを使用すると効率は若干低下し、単純な平板後方傾斜ブレードを使用すると、さらに効率が低下します。空気はインペラの先端から比較的低速で排出されるため、ケーシング内の摩擦損失は低く、空気によって発生する騒音も低くなります。動作曲線の両端で失速する場合があります。比較的幅の広いインペラを使用すると効率が最大になり、より頑丈なエアロフォイルプロファイルのブレードを容易に採用できます。スリムなインペラではエアロフォイルの使用によるメリットがほとんどないため、平板ブレードが使用される傾向があります。後曲ファンは、高圧と低騒音を両立させ、過負荷のない電力特性を備えていることで特に知られています。これは、システム内の抵抗が減少し、流量が増加すると、電気モーターの消費電力が減少することを意味します。後曲ファンの構造は、効率の低い前曲ファンよりも頑丈で、重量も重くなる傾向があります。ブレードを通過する空気の速度が比較的遅いため、埃やグリースなどの汚染物質が蓄積される可能性があります。

図3: 遠心ファンの羽根車の図

前向き湾曲遠心ファン

前向き湾曲ファンは、多数の前向き湾曲ブレードを備えているのが特徴です。通常、発生する圧力が低いため、同等の動力付き後向き湾曲ファンよりも小型、軽量、安価です。図3と図4に示すように、このタイプのファンインペラには20枚以上のブレードが含まれ、一枚の金属板から成形するほどシンプルなものもあります。個別に成形されたブレードを使用することで、より大きなサイズでも効率が向上します。空気はブレード先端から高い接線速度で放出され、この運動エネルギーはケーシング内で静圧に変換される必要があり、これが効率を低下させます。通常、低圧（通常1.5kPa未満）で低～中風量に使用され、効率は70%未満と比較的低くなります。最高の効率を達成するには、特にスクロールケーシングが重要です。空気はブレード先端から高速で放出され、運動エネルギーを効果的に静圧に変換するために使用されるためです。低回転速度で動作するため、機械騒音レベルは高速の後向き湾曲ファンよりも低くなる傾向があります。ファンは、低いシステム抵抗に対して動作する場合、過負荷電力特性を持ちます。

図4: 一体型モーターを備えた前方湾曲遠心ファン

これらのファンは、たとえば空気がひどくほこりで汚染されていたり、グリースの液滴が混じっていたりする場所には適していません。

図5: 後方に湾曲したブレードを備えた直接駆動プラグファンの例

ラジアルブレード遠心ファン

ラジアルブレード遠心ファンは、汚染された空気粒子を高圧（10kPa程度）で移動させることができるという利点がありますが、高速運転時には騒音が大きく効率も低い（60%未満）ため、汎用HVACには使用すべきではありません。また、過負荷特性も問題となります。システム抵抗が減少すると（おそらくボリュームコントロールダンパーの開放などにより）、モーター出力が上昇し、モーターのサイズによっては「過負荷」状態になる可能性があります。

プラグファン

これらの専用設計の遠心インペラは、スクロールケーシングに取り付ける代わりに、空調ユニットのケーシング（あるいはダクトやプレナム）に直接取り付けることができ、初期コストはハウジング付き遠心ファンよりも低くなる可能性があります。「プレナム」遠心ファン、「プラグ」遠心ファン、または単に「非ハウジング」遠心ファンと呼ばれるこれらのファンは、スペース効率の点で有利ですが、その代償として運転効率が低下します（最高効率はハウジング付き前向き湾曲遠心ファンと同等です）。ファンは（ハウジング付きファンと同様に）吸気コーンから空気を吸い込み、その後、インペラの外周360°全体にわたって放射状に空気を排出します。これらのファンは（プレナムからの）出口接続の柔軟性が高いため、ダクト内の隣接する曲げ部や急激な変化部を設ける必要性が低くなります。これらの曲げ部や変化部は、システム圧力降下（ひいてはファン出力の増加）を増加させる可能性があります。プレナムから出るダクトにベルマウス入口を使用することで、システム全体の効率を改善できる場合があります。プラグファンの利点の 1 つは音響性能の向上です。これは主に、プレナム内での音の吸収と、インペラからダクトの口までが直接見えないことから生じます。効率は、プレナム内のファンの位置と、ファンと出口の関係に大きく左右されます。プレナムは空気中の運動エネルギーを変換し、静圧を高めるために使用されます。インペラのタイプによって、性能と動作の安定性が大幅に異なります。斜流インペラ (放射状流と軸流の組み合わせを提供) は、単純な遠心インペラで生成される強い放射状の空気流パターンから生じる流れの問題を克服するために使用されてきました3。

小型ユニットの場合、簡単に制御できる EC モーターの使用により、コンパクトな設計が補完されることがよくあります。

軸流ファン

軸流ファンでは、空気は回転軸に沿ってファンを通過します（図6のシンプルなチューブ型軸流ファンを参照）。加圧は揚力（航空機の翼に類似）によって発生します。軸流ファンは比較的小型、低コスト、軽量で、特に比較的低圧の空気を移動させるのに適しているため、給気システムよりも圧力損失が低い排気システムでよく使用されます（給気システムには、通常、空調ユニット内のすべての空調コンポーネントの圧力損失が含まれます）。シンプルな軸流ファンから排出される空気は、インペラを通過する際に回転するため、旋回します。図7に示すベーン型軸流ファンのように、下流にガイドベーンを配置して旋回を回収することで、ファンの性能を大幅に向上させることができます。軸流ファンの効率は、ブレードの形状、ブレード先端と周囲のケースとの間の距離、および旋回回収によって影響を受けます。ブレードのピッチを変更することで、ファンの出力を効率的に変化させることができます。軸流ファンの回転を逆転させることで、空気の流れも逆転させることができます。ただし、ファンは主方向に動作するように設計されます。

図6: チューブ軸流ファン

軸流ファンの特性曲線には失速領域があり、過負荷のない電力特性の利点があるものの、動作条件の範囲が広範囲にわたるシステムには適さない場合があります。

図7: 羽根式軸流ファン

羽根式軸流ファンは、後方に曲がった遠心ファンと同等の効率性があり、適度な圧力（通常 2kPa 程度）で高い流量を生成できますが、騒音が大きくなる可能性があります。

斜流ファンは軸流ファンの発展型で、図8に示すように、円錐形のインペラを備えています。空気は、拡張チャネルを通って放射状に吸い込まれ、その後、整流ガイドベーンを通って軸方向に流れます。この複合作用により、他の軸流ファンよりもはるかに高い圧力を発生させることができます。効率と騒音レベルは、後進カーブ遠心ファンと同等です。

図8: 混合流インラインファン

ファンの取り付け

効果的なファンソリューションを提供するための努力は、ファンと局所的な空気ダクト経路との関係によって著しく損なわれる可能性があります。

投稿日時: 2022年1月7日