ダクト式換気システム用ファン

このモジュールでは、ダクト式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考察し、その特性や動作特性など、いくつかの側面を検討します。

建物設備におけるダクトシステムで使用される一般的なファンは、遠心ファンと軸流ファンの2種類に分けられます。この名称は、ファンを通過する空気の流れの方向を表しています。これらの2種類は、それぞれ特定の風量・圧力特性、およびサイズ、騒音、振動、清掃性、保守性、耐久性などの運転特性を実現するために開発された、数多くのサブタイプに分類されます。

表1：直径600mmを超えるファンに関する米国および欧州で公表された最大ファン効率データ

HVACで使用されるファンの中でも特によく見られるタイプを表1に示します。表1には、米国および欧州の様々なメーカーが公表したデータから収集した、目安となる最大効率値も併記されています。これらに加えて、近年では「プラグファン」（実際には遠心ファンの派生型）の人気が高まっています。

図1：一般的なファン特性曲線。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ります。

図1に代表的なファン特性曲線を示します。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、類似した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つの異なる流量の間を行き来したり、ファンが失速したりすることによって発生する不安定領域です（「エアフローボックスの失速」を参照）。メーカーは、推奨される「安全な」動作範囲を製品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方向に沿って流入し、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、高圧と大流量の両方を発生させることができます。従来の遠心ファンの大部分は、スクロール型のケーシング（図2参照）に収められており、このケーシングが空気の流れを誘導し、運動エネルギーを効率的に静圧に変換します。より多くの空気を送るために、ファンは「二重幅二重入口」インペラで設計することができ、ケーシングの両側から空気が流入できるようになっています。

図2：スクロールケーシング内の遠心ファン、後方傾斜インペラ付き

インペラを構成するブレードの形状には様々な種類があり、主なタイプ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、性能、潜在的な効率、および特性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の間のクリアランス、およびファンから空気を排出するために使用される面積（いわゆる「送風面積」）が挙げられます。

このタイプのファンは従来、ベルトとプーリー機構を備えたモーターで駆動されていました。しかし、電子速度制御の改良と電子整流式（「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がより頻繁に使用されるようになっています。これにより、ベルト駆動に内在する非効率性（メンテナンス状況によっては2%から10%以上になる場合もある）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（ベアリングや清掃の必要性の減少）、アセンブリの小型化も期待できます。

後方湾曲型遠心ファン

後方湾曲型（または「傾斜型」）ファンは、回転方向から外側に傾斜したブレードが特徴です。図3に示すように、翼型ブレードを使用した場合、または3次元形状のプレーンブレードを使用した場合、効率は90%近くに達することがあります。プレーン湾曲ブレードを使用した場合は効率はやや低下し、単純な平板後方傾斜ブレードを使用した場合はさらに低下します。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少なく、空気によって発生する騒音も低くなります。運転曲線の両端では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発揮し、より大型の翼型ブレードを容易に使用できます。細長いインペラは翼型を使用してもほとんどメリットがないため、平板ブレードを使用する傾向があります。後向き湾曲ファンは、低騒音で高圧を発生させる能力に特に優れており、過負荷にならない電力特性を備えています。つまり、システム内の抵抗が減少し、流量が増加すると、電動モーターの消費電力が減少します。後向き湾曲ファンの構造は、効率の低い前向き湾曲ファンよりも頑丈で、やや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、汚染物質（ほこりやグリースなど）が蓄積する可能性があります。

図3：遠心ファンのインペラの図解

前向き湾曲型遠心ファン

前向き湾曲ファンは、多数の前向き湾曲ブレードが特徴です。一般的に圧力が低いため、同等の動力を持つ後向き湾曲ファンよりも小型、軽量、安価です。図3および図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、1枚の金属板から成形するだけのシンプルな構造のものもあります。大型化すると、個々のブレードを成形することで効率が向上します。空気はブレード先端から高い接線速度で噴出し、この運動エネルギーをケーシング内で静圧に変換する必要があるため、効率が低下します。通常、低圧（通常1.5kPa未満）で低～中程度の風量に使用され、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、空気がブレード先端から高速で噴出し、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上で特に重要です。回転速度が低いため、機械的に発生する騒音レベルは、高速の後向き湾曲ファンよりも低くなります。このファンは、システム抵抗が低い状態で動作させた場合、過負荷電力特性を示します。

図4：一体型モーターを備えた前方湾曲型遠心ファン

これらのファンは、例えば空気中に大量の粉塵が含まれている場合や、油滴が混入しているような場所には適していません。

図5：後方湾曲ブレードを備えた直結駆動式プラグファンの例

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）で移動できるという利点がありますが、高速運転時には非常に騒音が大きく効率も悪い（60%未満）ため、一般的な空調設備には使用すべきではありません。また、過負荷電力特性という問題もあります。システム抵抗が減少すると（例えば、風量制御ダンパーが開くなど）、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」になる可能性があります。

プラグファン

スクロールケーシングに取り付ける代わりに、これらの専用設計の遠心インペラは、空調ユニットのケーシング（または実際には任意のダクトやプレナム）に直接使用でき、初期費用はハウジング付き遠心ファンよりも低くなる可能性が高いです。「プレナム」、「プラグ」、または単に「ハウジングなし」遠心ファンとして知られるこれらは、スペースの利点を提供できますが、運転効率の低下という代償があります（最高の効率は、ハウジング付き前方湾曲遠心ファンの効率と同程度です）。ファンは、入口コーンを通して空気を吸い込みますが（ハウジング付きファンと同じ方法）、その後、インペラの外周 360° 全体に放射状に空気を排出します。出口接続（プレナムから）の柔軟性が非常に高いため、ダクトワークに隣接する曲がりや急な遷移が少なくなり、それ自体がシステム圧力損失（したがって、追加のファン電力）を増大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が向上する可能性があります。プラグファンの利点の 1 つは、音響性能が向上していることです。これは主に、プレナム内の吸音と、インペラからダクトの開口部への「直接的な視線」経路がないことに起因します。効率は、プレナム内のファンの位置とファンと出口との関係に大きく依存します。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。インペラの種類によって、性能と動作の安定性が大きく異なります。混合流インペラ (ラジアル流とアキシャル流の組み合わせを提供する) は、単純な遠心インペラを使用して生成される強いラジアル空気流パターンに起因す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、そのコンパクトな設計に加えて、制御しやすいECモーターが使用されることが多い。

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に示すように）。加圧は、航空機の翼と同様に、空気力学的揚力によって発生します。これらは比較的コンパクトで低コストかつ軽量であり、特に比較的低い圧力に対して空気を移動させるのに適しているため、圧力損失が供給システムよりも低い排気システムでよく使用されます。供給システムには通常、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。単純な軸流ファンから空気が排出されるとき、インペラを通過する際に空気に回転が加わるため、空気は旋回します。図7に示すベーン軸流ファンのように、下流側のガイドベーンで旋回を回復することで、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、ブレードの先端と周囲のケーシングとの距離、および旋回回復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。軸流ファンの回転方向を反転させることで、気流の方向も反転させることができる。ただし、ファン自体は主回転方向で動作するように設計される。

図6：管状軸流ファン

軸流ファンの特性曲線には失速領域が存在するため、運転条件が大きく変動するシステムには適さない場合があるが、過負荷にならないという利点がある。

図7：羽根軸流ファン

羽根軸流ファンは、後向き湾曲遠心ファンと同等の効率を発揮でき、妥当な圧力（通常2kPa程度）で高い流量を生み出すことができるが、騒音は大きくなる傾向がある。

混合流ファンは軸流ファンの発展型であり、図8に示すように、円錐形のインペラを備えています。空気は膨張する流路を通って半径方向に吸い込まれ、その後、整流ガイドベーンを通って軸方向に流れます。この複合的な作用により、他の軸流ファンでは不可能なほど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、後向き曲線遠心ファンと同程度です。

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、ファンと空気の局所的な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る。

投稿日時：2022年1月7日