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を検討し、その特性や動作特性などの選択された側面を検討します。

ダクトシステムの建築設備で使用される 2 つの一般的なファンタイプは、一般的に遠心ファンと軸流ファンと呼ばれます。この名前は、ファンを通る空気の流れの方向を定義することに由来しています。これら 2 つのタイプは、特定の体積流量/圧力特性、およびその他の動作特性 (サイズ、騒音、振動、洗浄性、保守性、堅牢性など) を提供するために開発された多数のサブタイプに分割されています。

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

HVAC で使用される最も頻繁に使用されるタイプのファンのいくつかを、米国および欧州のさまざまなメーカーが公開したデータから収集した 1 ピーク効率の目安とともに表 1 に示します。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) の人気が近年高まっています。

図 1: 一般的なファン曲線。実際のファンは、これらの単純化された曲線とは大きく異なる場合があります

特徴的なファン曲線を図 1 に示します。これらは誇張され、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。ただし、それらは同様の属性を示す可能性があります。これには、同じ圧力で、またはファンの失速の結果として、ファンが 2 つの可能な流量の間で切り替わる可能性があるハンチングによる不安定領域が含まれます (エアフローボックスの失速を参照)。メーカーはまた、推奨される「安全な」動作範囲を文献で特定する必要があります。

遠心ファン

遠心ファンでは、空気は羽根車の軸に沿って入り、遠心運動によって羽根車から放射状に排出されます。これらのファンは、高圧と大流量の両方を生成することができます。従来の遠心ファンの大部分は、スクロール型のハウジング (図 2 参照) に囲まれており、空気の移動を誘導し、運動エネルギーを静圧に効率的に変換するように機能します。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が入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

インペラを構成できるブレードの形状は数多くありますが、主なタイプは前方に湾曲したものと後方に湾曲したものです。ブレードの形状によって、その性能、潜在的な効率、および特徴的なファン曲線の形状が決まります。ファンの効率に影響を与えるその他の要素は、インペラホイールの幅、インレットコーンと回転するインペラの間のクリアランススペース、およびファンからの空気の排出に使用される領域 (いわゆる「送風領域」) です。。

このタイプのファンは従来、ベルトとプーリーを備えたモーターによって駆動されてきました。しかし、電子速度制御の改善と電子整流 (「EC」またはブラシレス) モーターの利用可能性の増加に伴い、ダイレクトドライブがより頻繁に使用されるようになりました。これにより、ベルトドライブに固有の非効率性 (メンテナンスの状況に応じて 2% から 10% 以上になる可能性があります 2) が除去されるだけでなく、振動が減少し、メンテナンスが軽減され (ベアリングとクリーニングの必要性が減り)、組み立てが容易になる可能性があります。よりコンパクトに。

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、回転方向から離れる方向に傾いたブレードによって特徴付けられます。図 3 に示すような翼型ブレードを使用する場合、または 3 次元に成形された平板ブレードを使用する場合、効率は 90% 近くに達しますが、平坦な湾曲ブレードを使用するとわずかに低下し、単純な平板の後方に傾斜したブレードを使用するとさらに低下します。空気は比較的低速でインペラの先端から出るため、ケーシング内の摩擦損失が低く、空気によって発生する騒音も低くなります。動作曲線の極端なところで失速する可能性があります。比較的幅の広いインペラは最大の効率を提供し、より充実した翼形のブレードを容易に使用できます。スリムなインペラでは翼型を使用しても利点がほとんどないため、平板ブレードを使用する傾向があります。後方湾曲ファンは、高圧を生成する能力と低騒音を兼ね備え、過負荷にならない出力特性を備えていることで特に注目されています。これは、システム内の抵抗が減少し、流量が増加すると、電気モーターが消費する電力が減少することを意味します。。後方に湾曲したファンの構造は、効率の低い前方に湾曲したファンよりも頑丈で、かなり重いと考えられます。ブレードを横切る空気の風速が比較的遅いため、汚染物質 (埃やグリースなど) が蓄積する可能性があります。

図 3: 遠心ファンの羽根車の図

前方湾曲遠心ファン

前方湾曲ファンは、前方に湾曲した羽根が多数あるのが特徴です。通常、生成する圧力が低いため、同等の動力を供給する後方湾曲ファンよりも小さく、軽く、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ており、これらのブレードは 1 枚の金属シートから形成されるのと同じくらい単純です。個別に形成されたブレードを使用することで、より大きなサイズで効率が向上します。空気は高い接線速度でブレード先端から排出され、この運動エネルギーはケーシング内の静圧に変換されなければなりません。これにより効率が損なわれます。これらは通常、低圧 (通常 <1.5kPa) で低から中程度の空気量に使用され、効率は 70% 未満と比較的低くなります。スクロールケーシングは、空気が高速でブレードの先端から排出され、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、最高の効率を達成するために特に重要です。これらは低速回転速度で動作するため、機械的に発生する騒音レベルは高速の後方湾曲ファンよりも低くなる傾向があります。ファンは、システム抵抗が低い場合に動作する場合、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、空気がほこりでひどく汚染されている場合や、グリース滴が混入している場合など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

ラジアル羽根遠心ファン

ラジアルブレード付き遠心ファンには、汚染された空気粒子を高圧 (10kPa 程度) で移動できるという利点がありますが、高速で動作すると、非常に騒音が大きく、非効率 (<60%) となるため、使用しないでください。汎用HVACに使用されます。また、過負荷電力特性にも悩まされます。システム抵抗が減少すると (ボリュームコントロールダンパーが開くことによって)、モーター電力が上昇し、モーターのサイズによっては「過負荷」になる可能性があります。

プラグファン

これらの目的に設計された遠心羽根車は、スクロールケーシングに取り付ける代わりに、空気処理ユニットのケーシング (または実際には、あらゆるダクトやプレナム) で直接使用でき、初期コストは通常よりも低くなる可能性があります。遠心ファンを内蔵。「プレナム」、「プラグ」、または単に「非収容型」遠心ファンとして知られるこれらは、スペース上の利点を提供できますが、その代償として動作効率が失われます (最高の効率は収容型の前方湾曲遠心ファンと同様です)。ファンは、(内蔵ファンと同じように) 吸気コーンを通して空気を吸い込みますが、その後、インペラの 360° 外周全体に放射状に空気を排出します。これらは (プレナムからの) 出口接続に優れた柔軟性を提供することができます。つまり、システムの圧力降下 (したがって追加のファン電力) を増加させるダクト構造内の隣接する曲がりや急な移行の必要性が少なくなる可能性があります。全体的なシステム効率は、プレナムから出るダクトへのベルマウス入口を使用することによって改善され得る。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、プレナム内での吸音と、インペラからダクトの口への「直接視界」経路の欠如によるものです。効率は、プレナム内のファンの位置と、ファンとその出口の関係 (プレナムは空気中の運動エネルギーを変換して静圧を高めるために使用されます) に大きく依存します。実質的に異なる性能と動作の安定性は、インペラのタイプによって異なります。単純な遠心インペラを使用して作成される強力な半径方向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、混流インペラ (半径方向の流れと軸方向の流れの組み合わせを提供する) が使用されています3。

小型ユニットの場合、そのコンパクトな設計は、多くの場合、容易に制御可能な EC モーターの使用によって補完されます。

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 の単純なチューブ軸流ファンを参照)。加圧は空力揚力によって生成されます (航空機の翼と同様)。これらは比較的コンパクト、低コスト、軽量であり、比較的低圧で空気を移動させるのに特に適しているため、圧力降下が供給システムよりも低い抽出システムでよく使用されます。通常、供給にはすべての空調の圧力降下が含まれます。エアハンドリングユニットのコンポーネント。単純な軸流ファンから空気が出るとき、空気がインペラを通過する際に空気に与えられる回転により渦巻きが生じます。ファンの性能は、羽根車と同様に、下流のガイド羽根によって渦巻きを回復することによって大幅に改善される可能性があります。軸流ファンの効率は、羽根の形状、羽根の先端と周囲のケースとの距離、スワール回復量などに影響されます。ブレードのピッチを変更して、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にすると、空気の流れも逆にすることができますが、ファンは主方向に動作するように設計されています。

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、非過負荷電力特性という利点がありますが、動作条件が広範囲に変化するシステムには適さない可能性があります。

図 7: 羽根軸流ファン

ベーン軸流ファンは、後方に湾曲した遠心ファンと同じくらい効率的であり、妥当な圧力 (通常は約 2kPa) で高流量を生成できますが、より多くの騒音が発生する可能性があります。

斜流ファンは軸流ファンを発展させたもので、図 8 に示すように円錐形のインペラを備えており、空気は拡張チャネルを通って半径方向に引き込まれ、整流ガイドベーンを軸方向に通過します。組み合わせた動作により、他の軸流ファンよりもはるかに高い圧力を生成できます。効率と騒音レベルは、後方に湾曲した遠心ファンと同様になります。

図 8: 斜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取り組みは、ファンと局所的な空気のダクト経路との関係によって大きく損なわれる可能性があります。

投稿時刻: 2022 年 1 月 7 日