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天井扇風機は、部屋や空間の天井に取り付けられた扇風機で、通常は電気で駆動し、ハブに取り付けられた回転する羽根を使って空気を循環させます。風速を上げることで効果的に人を冷やします。扇風機は、エアコンとは異なり、空気の温度や相対湿度を下げることはありませんが、汗の蒸発を助け、対流による熱交換を増やすことで冷却効果を生み出します。扇風機は、主にモーターからの廃熱と摩擦によって、部屋にわずかな熱を加えます。空気を冷やすには熱力学的にコストがかかるため、扇風機はエアコンよりも大幅に少ない電力で済みます。冬には、扇風機は自然に上昇する暖かい空気を居住者のいる場所まで移動させます。[ 1 ]これは、サーモスタットの表示と居住者の快適さの両方に影響を与え、それによって空調のエネルギー効率を向上させます。多くの天井扇風機は照明器具としても機能するため、部屋に別途天井照明を設置する必要がなくなります。
パンカ型シーリングファンは、紀元前500年頃にインドで発明された最も古い形の扇風機に基づいています 。これは、インド産のパルミラヤシの葉から切り出されたかなり大きな羽根で、ゆっくりと振り子のように回転します。元々はコード[ 2 ]で手動で操作されていましたが、現在ではベルト駆動システムを使用して電気で動かされており、これらのパンカは前後に動くことで空気を動かします。回転する扇風機と比較すると、空気の流れではなく、そよ風のような穏やかな風を作り出します。
最初の回転式天井扇風機は、1860年代初頭から1870年代にかけてアメリカ合衆国で登場しました。当時、それらは電気モーターではなく、水流とタービンを組み合わせてベルト駆動システムを動かし、2枚羽根の扇風機を回転させていました。これらのシステムは複数の扇風機を接続でき、商店、レストラン、オフィスなどで人気を博しました。現在でもこれらのシステムの一部は残っており、かつて有用であったアメリカ南部の一部地域で見ることができます。
電動シーリングファンは、1882年にフィリップ・ディールによって発明されました。彼は、最初の電動シンガーミシンに使用された電動モーターを設計しており、1882年にそのモーターを天井に取り付けるファンに使用できるように改良しました。各ファンには独自の独立したモーターユニットがあり、ベルト駆動は必要ありませんでした。[ 3 ]
天井扇風機の商業的成功により、彼はすぐに激しい競争に直面した。彼は発明品の改良を続け、天井扇風機に取り付ける照明キットを開発し、両方の機能を1つのユニットに統合した。第一次世界大戦の頃には、ほとんどの天井扇風機は当初の2枚羽根ではなく4枚羽根で作られており、これにより扇風機はより静かになり、より多くの空気を循環させることができた。20世紀初頭に米国で天井扇風機の販売を商業的に成功させた企業は、今日ハンター・ファン・カンパニー、ロビンス＆マイヤーズ、センチュリー・エレクトリック、ウェスティングハウス・コーポレーション、エマーソン・エレクトリックとして知られる企業である。
1920年代までに、シーリングファンは米国で一般的になり、国際的にも普及し始めた。1930年代の世界恐慌から1950年代の電気式エアコンの導入まで、シーリングファンは米国で徐々に流行遅れになり、 [ 3 ] 1960年代には米国でほぼ完全に使われなくなり、残ったものは懐かしいものと見なされた。
一方、天井扇風機は、特にインド、パキスタン、バングラデシュ、中東などの暑い気候の国々で非常に人気を博しました。これらの国々では、インフラや資金が不足しているため、エネルギーを大量に消費し複雑なフロンベースのエアコン機器は実用的ではありませんでした。インドの多くの地域では、天井扇風機は、特に中流家庭で、家を冷やす主な方法です。[ 4 ] Superfan [ 5 ] 、Usha、Crompton、Bajajなどのブランドが 市場を支配していますが、[ 6 ]低価格帯や省エネセグメントでは新しいプレーヤーも登場しています。[ 7 ] 1973年、テキサスの起業家HW（ハブ）マークワードは、インドのCrompton Greaves , Ltd.が製造した天井扇風機を米国に輸入し始めました。Crompton Greavesは、インドのGreaves CottonとイギリスのCrompton Parkinsonが設立した合弁事業を通じて、1937年から天井扇風機を製造していました。インド製のこれらのシーリングファンは当初は普及が遅かったものの、マークワードのエンコン・インダストリーズ（ENergy CONservationの略）ブランドのシーリングファンは、1970年代後半から1980年代初頭のエネルギー危機において、他のほとんどのアメリカ製ファンに使用されていた旧式のシェードポールモーターよりも消費電力が少なかったため、最終的に大きな成功を収めた。これらのファンは、高価なエアコンを補完する穏やかな気流の柱として、住宅用および商業用の省エネ機器となった。
天井扇風機が省エネ用途として再び商業的に成功を収めたことを受け、多くのアメリカのメーカーも天井扇風機の製造を開始、あるいは大幅に増加させた。輸入されたEnconの天井扇風機に加え、 1974年にはCasablanca Fan Companyが設立された。当時のアメリカのメーカーには、Hunter Fan Co.（当時はRobbins & Myers, Inc.の一部門）、FASCO（FA Smith Co.）、そしてSears-Roebuckブランドで販売されることが多かったEmerson Electricなどがあった。小規模で短命に終わった企業には、NuTone、Southern Fan Co.、A&G Machinery Co.、Homestead、Hallmark、Union、Lasko、Evergoなどがある。
1980年代から1990年代にかけて、シーリングファンはアメリカで依然として人気を博していた。多くの小規模なアメリカの輸入業者がシーリングファンの輸入を開始したが、そのほとんどは短命に終わった。1980年代を通じて、アメリカ製のシーリングファンと、インド、台湾、香港、そして最終的には中国のメーカーから輸入されたシーリングファンの販売バランスは劇的に変化し、1980年代後半には輸入ファンが市場の大部分を占めるようになった。最も基本的なアメリカ製のファンでさえ200ドルから500ドルで販売されていたのに対し、最も高価な輸入ファンでも150ドルを超えることはほとんどなかった。
天井扇風機の技術は1980年以降あまり進化していませんが、近年、エネルギー効率が高く、リモコンやアプリで制御できるブラシレスDCファンが一般に普及し始めたことは注目すべき例外です。しかし、モンテカルロ、ミンカエア、クォーラム、クラフトメイド、リテックス、ファニメーションなどの企業は、より装飾性の高い高価格の天井扇風機を提供することで、デザイン面で重要な進歩を遂げています。2001年、ワシントンポストの記者パトリシア・デーン・ロジャースは、「他の多くのありふれた家庭用品と同様に、これらの昔ながらの定番品もハイスタイルでハイテクになりつつある」と書いています。[ 8 ]
天井扇風機には複数の機能があります。扇風機は換気された空間の空気の混合を促進し、より均質な環境条件をもたらします。一般的に、特に温暖または中性環境では、停滞した空気よりも動いている空気が好まれるため、扇風機は居住者の満足度を高めるのに役立ちます。[ 9 ]扇風機は空気の温度と湿度を変えるのではなく、空気を移動させるため、扇風機は空間の暖房と冷房の両方に役立ちます。このため、天井扇風機は、建物の低エネルギーHVAC、パッシブ クーリング、または自然換気システムの重要な要素となることがよくあります。扇風機システムのエネルギー使用量によっては、扇風機は居住者を快適に保ちながら周囲の空気温度を高くすることで、熱的快適性を向上させる効率的な方法となる可能性があります。 [ 10 ] [ 11 ]扇風機は、温暖で湿度の高い環境では特に経済的な選択肢です。
天井扇風機は、共有スペースではまとめて制御でき、家庭やオフィスでは個別に制御することもできます。オフィス環境では、個別に制御できる天井扇風機は、熱的快適性に大きなプラスの影響を与え、居住者の生産性と満足度を高めることが示されています。[ 11 ]天井扇風機は、機械換気と自然換気の両方の空間で新鮮な空気の分配に役立ちます。自然換気の空間では、天井扇風機は新鮮な外気を吸い込んで循環させるのに効果的です。[ 12 ]機械換気の空間では、扇風機を集中させて室内の空調された空気を誘導して循環させることができます。
扇風機の回転方向は、部屋を暖める必要があるか冷やす必要があるかに応じて変えるべきです。エアコンとは異なり、扇風機は空気を移動させるだけで、直接温度を変えるわけではありません。そのため、羽根が空気を送る方向を反転させる機構（一般的には、本体のスイッチハウジング、モーターハウジング、または下部キャノピーにある電気スイッチ）を備えたシーリングファンは、暖房と冷房の両方に役立ちます。
天井扇風機メーカー（主にエマーソン社）は1930年代から電気的に回転方向を反転できるモーターを製造してきたが、1970年代半ば以前に製造された扇風機のほとんどは、回転方向を反転できないか、電気的に反転できるモーターではなく機械的に反転できる（羽根のピッチを調整できる）ものであった。この場合、羽根は下降気流の場合は上向きの縁が、上昇気流の場合は下向きの縁が前になるように角度を調整する必要がある。ハンター社の「Adaptair」機構は、おそらく機械的反転機構の最も有名な例であろう。
冷却のためには、ファンの回転方向は通常、空気が下向きに吹き出すように設定する必要があります。通常は下から反時計回りですが、メーカーによって異なります。羽根は上向きの縁を先頭にして回転する必要があります。シーリングファンによって発生する風は、風冷効果を生み出し、皮膚上の汗の蒸発を早め、体の自然な冷却メカニズムをより効率的にします。この現象の結果、ファンが稼働しているときはエアコンのサーモスタットを通常より数度高く設定できるため、消費電力を大幅に削減できます。ファンは空気の温度を変えるのではなく、直接体に作用するため、消費電力をさらに削減するために、部屋に人がいないときはすべてのシーリングファンをオフにすることをお勧めします。廊下のようにファンが壁の近くにある場合など、場合によっては上昇気流によって空気の流れが良くなることがあります。上昇気流が冷却効果を高めるもう一つの例は、天井扇風機が寝室の中央にあり、ロフトベッドが壁際に設置されている場合です。つまり、空気の流れが上から来ることで、より心地よい風を感じることができるのです。
暖房の場合、シーリングファンは空気を上向きに送風するように設定する必要があります。空気は自然に層状化します。つまり、暖かい空気は天井に向かって上昇し、冷たい空気は下降します。そのため、人がほとんどの時間を過ごす床付近には冷たい空気が溜まります。シーリングファンの回転方向を、天井付近の暖かい空気が壁に沿って部屋の中へ押し下げられ、冷たい空気を暖めるように設定することで、室内の人に直接風が当たるのを防ぎ、冷え込みを抑えることができます。この動作により、室内の温度が均一化され、天井付近は涼しく、床付近は暖かくなります。そのため、暖房の温度設定を数度低く設定することで、快適さを維持しながらエネルギーを節約できます。
産業用シーリングファンにはリバーシブルモデルも存在するが、ほとんどはリバーシブルではない。ほとんどの産業用途では天井が高いため、リバーシブル機能は不要となる。その代わりに、産業用シーリングファンは通常、天井付近の熱気を床に向かって直接吹き下ろすことで、熱の層状化を解消する。
住宅用シーリングファンは、ほとんどの場合リバーシブルで、一般的に平らなパドル状の羽根を使用しており、下降気流と上昇気流の両方で同様に効果を発揮します。一方、産業用シーリングファンは通常リバーシブルではなく、下降気流のみで動作するため、下降気流に偏向するように成形された羽根を効果的に使用できます。
しかしながら、近年では、住宅用シーリングファンの設計者は、ファンの効率を高めるために、曲線状の羽根をますます多く使用するようになっている。この曲線形状は、下降気流での運転時にはファンの性能を効果的に向上させる一方で、上昇気流での運転時には性能を低下させる可能性がある。
現在、シーリングファンの最も一般的な用途は、エアコンとの併用です。シーリングファンが稼働していない場合、エアコンは通常、室内の空気を冷却すると同時に循環させるという2つの役割を担います。シーリングファンが設置する部屋の大きさに適切に設計されていれば、空気を循環させる効率はエアコンをはるかに凌駕します。したがって、最高の効率を得るには、エアコンの風量を弱めに設定し、シーリングファンで空気を循環させるのが理想的です。
Ceiling fans are usually installed in a space with other lighting fixtures, but if the fan is positioned too close to a light panel or fixture, a strobe or flicker effect may occur. A strobe or flicker effect is a phenomenon which occurs when light brightens and dims consistently as it penetrates and passes through a moving ceiling fan.[13] This is due to the fan blades intermittently blocking the light, causing shadows to appear across the room's interior surface leading to visual discomfort. The rotating area of a moving fan blade can commonly obstruct the light source when a ceiling fan is positioned underneath an artificial lighting fixture, which can be increasingly distracting to occupants within the space.[14] To ensure that the ceiling fans seamlessly co-exists with the lighting fixtures to avoid strobing, it is recommended that the horizontal separation between the blade and the lighting fixture is maximized. In addition, increasing the vertical distance between the light and the blade will reduce the concentration and frequency of strobing. Never position a light fixture directly above a ceiling fan's blades, and downlight and point source fixtures should be set such that their beam angles do not cross them. Generally, to ensure uniformly adequate light levels, any recessed ceiling lighting and fixtures that emit light above the level of the fan blades should be placed as far away from the ceiling fan as possible.[15] Another recommended strategy is to ensure that the light's angle of dispersion or the field angle is reduced, which minimizes the strobing effect from the fan blades. It is well known that human eyes can detect flicker at low frequencies (between 60 and 90 hertz), but not at high frequencies (beyond 100 hertz), which is also known as non-visible flicker. The strobe effect can have significant physiological and psychological effect on humans.[16] Two test rooms were utilized in an experiment to compare the effects of visual flicker induced the ceiling fan. The findings revealed statistical proof that one out of three cognitive performances (digit-span task) may have been reduced slightly as a result of an increased effect of visual flicker.[17]
The key components of a ceiling fan are the following:
モデルやスタイルによって異なりますが、その他の構成要素には以下のようなものがあります。
扇風機の操作方法は、製造元、スタイル、製造年代によって異なります。操作方法には以下のようなものがあります。
シーリングファンは、用途と機能に基づいて大きく3つのカテゴリーに分類できます。それぞれのタイプには独自の利点があり、特定の用途に適しています。これらには、家庭用、産業用、大口径ファンが含まれます。
エネルギー消費に対する意識の高まりやインテリアスタイルの変化など、さまざまな要因に対応して、長年にわたり多くの種類のシーリングファンが開発されてきました。新技術の登場と進化も、シーリングファンの開発に大きな役割を果たしています。以下に、主要なシーリングファンの種類とその特徴を一覧で示します。
インドでは、Versa DrivesのSuperfanは、The Times of Indiaによって同国初のエネルギー効率の高いシーリングファン（2012年）と評されました。ブラシレスDC（BLDC）モーターを使用しています。[ 23 ]唯一の欠点は、高コストと、故障しやすく修理が難しい複雑な電子機器の存在です。しかし、新しい技術の出現とより優れた品質管理技術により、後者はそれほど懸念されなくなっています。[ 24 ]これらはAC/DCアダプターとともにACワイヤーに接続されています。
天井扇風機は、特に室温が高い場合、エアコンよりも手頃でエネルギー効率の良い代替手段となります。全体として、二酸化炭素発生抑制の観点から見ると、天井扇風機の使用は地球温暖化への影響を軽減します。天井扇風機は、熱的快適性の向上やエアコンのエネルギー消費量の削減に加えて、空気感染による感染症の伝播や拡散に影響を与える可能性のあるツールとしても研究されています。[ 26 ]
天井扇風機は、感染性エアロゾルを含む空間内の空気と汚染物質の分布に影響を与えます。天井扇風機は、感染性エアロゾルの伝播リスクを低減する可能性があります。[ 27 ] [ 28 ]
ガスを用いて呼気中の飛沫核をシミュレートする実験では、シーリングファンが被曝者の呼吸域におけるエアロゾルの濃度を20%以上低減できることがわかった。[ 27 ]咳をしている感染者がシーリングファンの真下にいる場合、シーリングファンは飛沫感染や空気感染に対してより大きな効果を発揮することが証明されている。シーリングファンは、ファンの中心に近い場所にいる人に対して咳による飛沫への曝露からより優れた保護を提供する。ファンの中心では、粒子軌道を床に向かって下向きに変化させる方向付けられた気流が最大となる。[ 27 ]
トレーサー粒子を用いたより現実的な実験では、天井扇風機は近距離での感染リスクを47%低減するのに効果的であるが、長距離での感染リスクをわずかに増加させることがわかった。[ 28 ]天井扇風機の利点は、部屋の換気が良好で、マスク着用対策が実施されており、病原体の感染力が強くない場合に最も高くなる。[ 28 ]しかし、遠距離にいる人が多い場合、部屋がASHRAE 241の推奨事項に従っていても、天井扇風機は麻疹やSARS-CoV-2オミクロン変異株のような感染力の強い呼気中の病原体を拡散させることで、より多くの人が病気になる原因となる可能性がある。[ 28 ]
一般的なシーリングファンは、組み立てた状態で3.6kgから22.7kgの重さがあります。多くのジャンクションボックスは、ファンが静止している状態ではその重さを支えることができますが、ファンが作動すると、吊り下げられている物体にねじれなどの多くの追加的な応力がかかります。そのため、不適切なジャンクションボックスでは故障する可能性があります。このため、米国では国家電気規程（NFPA 70、第314条）において、シーリングファンは、その用途に適合した電気ジャンクションボックスで支えなければならないと規定されています。住宅所有者が照明器具をシーリングファンに交換する際に、適切なジャンクションボックスに交換しないのはよくある間違いです。最終的には、ファンの重さは天井の梁などの頑丈な構造要素で支えられなければなりません。不適切に取り付けられたファン、特に22.7kgの鋳鉄製のファンが落下した場合、壊滅的な結果を招く可能性があります。
天井扇風機の設置に関するもう 1 つの懸念事項は、羽根と床との高さです。米国全土の建築基準では、住宅用天井扇風機の羽根を床から 7 フィート以内に設置することを禁止しています。[ 29 ]しかし、この高さでは十分でない場合もあります。天井扇風機をオンにして、着替え、ストレッチ、シーツの交換などの通常の作業中に人が両腕を空中に完全に伸ばすと、羽根が手に当たって怪我をする可能性があります。また、長くて扱いにくい物を持っている場合、片方の端が誤って天井扇風機の羽根の回転経路に入り込み、扇風機を損傷する可能性があります。米国全土の建築基準では、これらの理由から、工業用天井扇風機の羽根を床から 10 フィート以内に設置することも禁止しています。
他の国では、天井扇風機には通常、IECや同様の機関の指示に従って羽根が床から2.3メートル以上になるように設置するようにという警告が付いています。この規則は、天井扇風機を含むすべての「高所用扇風機」 [ 30 ]に適用されます。
オーストラリアでは、[ 31 ]建築基準法により、ファンは少なくとも2.1メートルの高さに設置する必要があると定められています。
2004年、MythBustersは、人が回転中のシーリングファンに首を突っ込むと首が切断される可能性があるという説を検証した。この説は2つのバージョンで検証され、1つ目は「ジャンプする子供」で、子供がベッドの上で飛び跳ね、高くジャンプしすぎて下からファンに入り込むというもの、2つ目は「恋人の跳躍」で、夫がベッドに向かって跳び、横からファンに入り込むというものだった。カリ・バイロンとスコッティ・チャップマンは、通常の家庭用ファンと、木製ではなく金属製の羽根とより強力なモーターを備えた工業用ファンを購入した。彼らは家庭用ファンと産業用ファンの両方で両方のシナリオでその神話を打ち破った。テストの結果、家庭用シーリングファンは、明らかに設計上、軽傷以上の怪我を引き起こすことはほとんど不可能であることが証明された。低トルクモーターは障害物があるとすぐに停止し、羽根は軽量素材でできており、高速で衝撃を受けると簡単に折れる傾向がある（「恋人の飛び降り」シナリオの家庭用ファンのテストでは、実際にファンの羽根が折れた）。一方、鋼鉄製の羽根と高速回転の産業用ファンは、怪我や裂傷を引き起こす可能性があることがわかった。建築基準法では、産業用ファンは羽根を床から3.048mの高さに取り付けることが義務付けられており、「恋人の飛び降り」シナリオの産業用ファンのテストでは、ファンが頸静脈を切り裂き、脊椎に達する致命傷が発生した。しかし、産業用ファンは障害物があるとすぐにエネルギーを失い、テスト用ダミーの首を切断することはできなかった。[ 32 ]
ファンブレードの揺れは、通常、ブレードの重量バランスが崩れていることが原因です。これは、ブレードの歪み、ブレードの支柱の曲がり、ブレードや支柱のねじ込み不良、ブレード間の重量差など、さまざまな要因によって発生する可能性があります。また、すべてのブレードが空気に対して均等な力を及ぼさない場合（例えば、ブレードの角度が異なる場合）、垂直方向の反力が揺れを引き起こすことがあります。モーターの不具合によって揺れが発生することもありますが、これは非常にまれです。ファンの取り付け方法や取り付け面は、揺れに影響を与えません。
よくある誤解とは異なり、揺れるだけではシーリングファンが落下することはありません。[ 33 ]シーリングファンはクレビスピンで固定され、スプリットピンまたはRクリップでロックされているため、ピン/クリップが固定されていない場合を除き、揺れがファンの安全性に影響を与えることはありません。現在までに、ファンが揺れて天井から落ちたという報告はありません。ただし、激しい揺れは、照明器具のシェードやカバーが徐々に緩んで落下する原因となり、ファンの下にいる人に怪我を負わせる危険性があり、また、ガラスが割れて怪我をする危険性もあります。MythBustersが人の首を切り落とすことを目的としたファンを設計したとき、スコッティはエッジファインダーを使用してブレードの正確な中心を見つけ、鋼鉄製のブレードの非常に危険な揺れをなくすことを目指しました。
天井（または床）の固定点から各羽根の先端までの距離を測定し、それぞれの先端が同じ高さになるようにすることで、揺れを軽減できます。モーターと羽根の間に金属板がある場合は、これを軽く曲げて調整できます。また、すべての羽根のピッチを同じにし、隣接する羽根との距離を同じにすることでも揺れを軽減できます。さらに、羽根にバランスウェイトを取り付けることでも揺れを軽減できます。
ファンが適切な回転数で回転している場合、わずかな揺れでもプルチェーンが揺れる可能性があり、プルチェーンが揺れることで、曲がる部分が弱くなり、最終的には破損する可能性があります。つまり、プルチェーンが人に落下する可能性があるということです。
場合によっては、モーター内部の配線がぐらつき、最終的にモーター上部まで達して、巻線から配線が引き抜かれてしまうことがあります。これは修理可能ですが、修理は容易ではないかもしれません。
ハム音は、ファン速度の制御に調光スイッチやソリッドステート速度制御器（これらは通常、ハム音が許容される産業環境向けに作られている）を使用することで発生することが多い。これらの制御器はチョッピング電流を発生させ、それが巻線の振動を引き起こすためである。[ 34 ]ハム音は、始動/運転コンデンサの不良、またはモーターに対して容量が不適切なコンデンサによっても発生する可能性がある。不良または不適切な始動/運転コンデンサは、主巻線と補助巻線の巻線電流の位相を適切に同期させず、ハム音の原因となる可能性がある。また、巻線にニスを塗ることでハム音を軽減できる場合もある。
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