遠心ファン

遠心ファンは、空気やその他のガスを流入する流体に対して斜め方向に移動させる機械装置です。遠心ファンには、排出される空気を特定の方向に向けるか、ヒートシンクを横切るようにするためのダクト付きハウジングが含まれていることがよくあります。このようなファンは、ブロワー、ブロワーファン、またはリスケージファン（ハムスターの車輪に似ているため）とも呼ばれます。コンピューターで使用される小型のファンは、ビスケットブロワーと呼ばれることもあります。これらのファンは、ファンの回転する入口から出口に空気を移動させます。通常、ダクト付きアプリケーションで使用され、ダクト/熱交換器を介して空気を吸い込むか、同様のインペラを介して空気を押し出します。^{[1]標準的な}軸流ファン と比較して、より小さなファンパッケージから同様の空気の動きを実現し、気流のより高い抵抗を克服できます。 ^[2]

遠心ファンは、インペラの運動エネルギーを利用して空気の流れを動かし、ダクト、ダンパー、その他の部品による抵抗に逆らって空気の流れを動かします。遠心ファンは空気を放射状に動かし、空気の流れの方向（通常は90°）を変えます。遠心ファンは頑丈で、静かで、信頼性が高く、さまざまな条件下で動作できます。^[3]

遠心ファンは軸流ファンと同様に定容積装置であり、一定のファン速度で、一定の質量ではなく比較的一定の量の空気を移動させます。つまり、システム内の空気速度は一定ですが、実際に流れる空気の質量は空気の密度に応じて変化します。密度の変化は、流入する空気の温度や海抜の変化によって引き起こされる可能性があるため、これらのファンは一定量の空気を供給する必要がある用途には適していません。^[4]

遠心ファンは容積式装置ではなく、容積式送風機と比較した場合、遠心ファンには特定の利点と欠点があります。遠心ファンはより効率的ですが、容積式送風機は資本コストが低い場合があり、はるかに高い圧縮比を実現できます。^{[5] [6] [7] [8] [9]}遠心ファンは通常、住宅、産業、商業用途で軸流ファン と比較されます。軸流ファンは通常、高容量で動作し、より低い静圧で動作し、効率が高くなります。^[10] そのため、軸流ファンは通常、倉庫の排気や部屋の循環などの大量の空気の移動に使用され、遠心ファンは家や一般的なオフィス環境などのダクト用途で空気を移動させるために使用されます。

遠心ファンは、ハブの周りに取り付けられた多数のファンブレードで構成されたドラム形状をしています。アニメーション図に示すように、ハブはファンハウジング内のベアリングに取り付けられたドライブシャフト上で回転します。ガスはファンホイールの側面から入り、90度回転して遠心力により加速され、ファンブレードの上を流れてファンハウジングから出ます。^[11]

遠心ファンに関する最初の言及は、1556年にゲオルク・パウエル（ラテン語： Georgius Agricola）の著書「De Re Metallica」で、鉱山の換気にこのようなファンがどのように使用されていたかを示しています。^[12] その後、遠心ファンは徐々に使用されなくなりました。 19世紀初頭まで、遠心ファンへの関心は高まりませんでした。 1815年にシャバンヌ侯爵は遠心ファンの使用を提唱し、同年に英国特許を取得しました。^{[13] 1827年、ニュージャージー州ボーデンタウンのエドウィン・A・スティーブンスは、蒸気船}ノースアメリカのボイラーに空気を送り込むためのファンを設置しました。^[14] 同様に、1832年にスウェーデン系アメリカ人のエンジニアであるジョン・エリクソンは、蒸気船コルセアの送風機として遠心ファンを使用しました。^[15] 遠心ファンは1832年にロシアの軍事技術者アレクサンダー・サブルコフによって発明され、ロシアの軽工業（砂糖製造など）と海外の両方で使用されました。^[16]

鉱山産業にとって最も重要な開発の1つは、 1862年にベルギーでフランスの技術者テオフィル・ギバルによって特許を取得したギバルファンでした。ギバルファンは、ファンブレードを囲む螺旋状のケースと、脱出速度を制御する柔軟なシャッターを備えており、従来のオープンファン設計よりもはるかに優れており、深いところでの採掘が可能になりました。このようなファンは、イギリス全土で鉱山の換気に広く使用されました。^{[17] [18]}

遠心ファンの主な部品は次のとおりです。

1. ファンハウジング
2. インペラ
3. 入口および出口ダクト
4. ドライブシャフト
5. 駆動機構
6. ファンダンパーとベーン
7. 入口および出口ダクト
8. ファンブレード
9. ファン排気ケーシング

その他の使用される部品としては、ベアリング、カップリング、インペラロック装置、ファン排出ケーシング、シャフトシールプレートなどが挙げられる。 ^[19]

ファンドライブはファンホイール（インペラ）の速度と、この速度をどの程度変化させることができるかを決定します。ファンドライブには2つの基本的なタイプがあります。^[11]

ファンホイールは、電気モーターのシャフトに直接接続できます。つまり、ファンホイールの速度はモーターの回転速度と同じになります。モーターの回転速度からファンの回転速度への変換に損失がないため、ダイレクトドライブは最も効率的なファン駆動形式です。

一部の電子機器メーカーは、外部ローターモーター（ステーターがローターの内側にある）を備えた遠心ファンを製造しており、ローターはファンホイール（インペラー）に直接取り付けられています。

モーターシャフトとファンホイールシャフトに一組のシーブが取り付けられており、ベルトがモーターからの機械的エネルギーをファンに伝達します。

ファンホイールの速度は、モーターシーブの直径とファンホイールシーブの直径の比によって決まります。ベルト駆動ファンのファンホイールの速度は、ベルトが滑らない限り一定です。ベルトの滑りにより、ファンホイールの速度が数百回転/分低下することがあります。 ^[20] ベルトはまた、追加のメンテナンス項目をもたらします。

ベアリングはファンの重要な部分です。スリーブリングベアリングはコンピューターファンなどの小型ファンに使用され、大型の住宅用および商業用アプリケーションではボールベアリングが使用されます。工業用アプリケーションでは、高温ガスを排出するための水冷スリーブベアリングなどの特殊なベアリングが使用される場合があります。^[21]

多くのターボブロワーは空気軸受か磁気軸受のいずれかを使用しています。^[22]

磁気軸受ブロワーは、伝達振動が少なく、浮上速度が速く、消費電力が少なく、信頼性が高く、オイルフリーで動作し、空気流中の粒子汚染物質に対する耐性があります。^[23]

現代のファンのファン速度は、モーター速度を直接制御する可変周波数ドライブによって制御され、さまざまな気流に合わせてモーター速度を増減します。移動する空気の量はモーター速度と非線形であるため、ファンの設置ごとに個別にバランスを取る必要があります。通常、これは設置時にテストおよびバランス調整業者によって行われますが、一部の現代のシステムでは、排気口近くの機器で気流を直接監視し、フィードバックを使用してモーター速度を変えることができます。

従来のファン設備では、入口または出口の羽根、つまりファンの出口で開閉調整可能な金属製のフラップが使用されていました。羽根が閉じると圧力が上昇し、ファンからの空気の流れが減少します。これは VFD よりも効率が低く、VFD はファン モーターの電力消費を直接削減しますが、羽根は一定のモーター速度で動作します。

ファンホイールは、多数のファンブレードが取り付けられたハブで構成されています。ハブ上のファンブレードは、前方湾曲、後方湾曲、放射状の3つの異なる方法で配置できます。^[11]

図 3(a) に示すように、前方に曲がったブレードは、ファンホイールの回転方向に曲がっています。これらは特に粒子に敏感で、通常は空調などのクリーンエア用途にのみ指定されます。^[24]前方に曲がったファンは、静圧が高すぎて羽根式軸流ファンが使用できない場合や、遠心ファンよりも小型でなければならないが、後方に曲がったファンの騒音特性がスペースを圧迫する場合によく使用されます。前方に曲がったファンは、羽根式軸流ファンに比べて静圧の上昇が大きくても、空気の流れを少なくすることができます。 [ ^{25]前方に曲がったファンは、通常、}ファンコイルユニットで使用されます。後方に曲がったファンよりも効率は低くなります。^[26]

図 3(b) に示すように、後方に曲がったブレードは、ファンホイールの回転方向と反対に曲がっています。小型のブロワーには、湾曲ではなく直線の後方傾斜ブレードが付いている場合があります。大型の後方傾斜/湾曲ブロワーには、翼断面を模倣した後方湾曲のブレードが付いていますが、どちらの設計も比較的経済的な構造技術で良好な動作効率を提供します。これらのタイプのブロワーは、低～中程度の粒子負荷のガス流を処理するように設計されています^[要出典]。摩耗防止装置を簡単に取り付けることができますが、特定のブレードの曲率では固形物が蓄積しやすくなります^[要出典]。後方に曲がったホイールは、より高速で動作し、より強力な構造を必要とするため、対応する前方に曲がった同等のホイールよりも重いことがよくあります。^[27]

後方湾曲ファンは、広い範囲の比速度を持つことができますが、中程度の比速度の用途、つまり空調ユニットなどの高圧、中程度の流量の用途で最もよく使用されます。^[要出典]

後方湾曲ファンはラジアルブレードファンや前方湾曲ファンよりもエネルギー効率が高いため、高出力用途では低コストのラジアルブレードファンの適切な代替品となる可能性があります。^[27]

図 3(c) に示すように、ラジアルブロワーには、ハブの中心からまっすぐに伸びるブレードを持つホイールがあります。ラジアルブレードホイールは、ブレード上の固体堆積に対する感受性が最も低いため、粒子を含んだガス流によく使用されますが、ノイズ出力が大きいという特徴があります。ラジアルブロワーでは、高速、低容量、高圧が一般的であり^{[要出典] 、}掃除機、空気圧材料搬送システム、および同様のプロセス でよく使用されます。

遠心ファンは、インペラの回転から供給される遠心力を利用して、空気/ガスの運動エネルギーを増加させます。インペラが回転すると、インペラ近くのガス粒子がインペラから投げ出され、ファンケーシング内に移動します。その結果、ケーシングとダクトによって提供されるシステム抵抗のため、ガスの運動エネルギーは圧力として測定されます。その後、ガスは出口ダクトを介して出口に導かれます。ガスが投げ出された後、インペラの中央領域のガス圧力が低下します。これを正常化するために、インペラアイからのガスが流れ込みます。このサイクルが繰り返されるため、ガスを継続的に転送できます。

速度三角形と呼ばれる図は、ブレードの入口と出口での流れの形状を決定するのに役立ちます。ブレード上の 1 点に速度三角形を描くには、最小限の数のデータが必要です。速度の一部の要素は、流れの方向の変化により、ブレード上の異なる点で変化します。したがって、特定のブレードに対して、無限の数の速度三角形が可能です。2 つの速度三角形のみを使用して流れを説明するには、速度の平均値とその方向を定義します。どのターボ マシンの速度三角形も、図に示すように 3 つの要素で構成されます。

• Uブレード速度
• V _r相対速度
• V 絶対速度

これらの速度は、ベクトルの加算の三角法則によって関連しています。

${\displaystyle V=U+V_{r}}$

この比較的単純な方程式は、速度線図を描くときによく使用されます。図に示す前方および後方面のブレードの速度線図は、この法則を使用して描かれています。角度 α は、絶対速度と軸方向とのなす角度であり、角度 β は、ブレードと軸方向とのなす角度です。

遠心ファンとブロワーを区別する特性は、達成できる圧力比です。一般的に、ブロワーの方が高い圧力比を生成できます。アメリカ機械学会(ASME) によると、比比 (吐出圧力と吸入圧力の比) は、ファン、ブロワー、コンプレッサーを定義するために使用されます。ファンの比比は最大 1.11、ブロワーは 1.11 ～ 1.20、コンプレッサーは 1.20 を超えます。^[要出典] 通常、高圧が関係するため、ブロワーとコンプレッサーはファンよりもはるかに頑丈に作られています。

遠心ファンの性能表や曲線に記載されている定格は、標準空気SCFMに基づいています。ファン製造元は、標準空気を、密度が 0.075 ポンド/立方フィート (1.2 kg/m ³ )、海面での大気圧が 29.92 水銀インチ (101.325 kPa)、温度が 70 °F (21 °C) の清潔で乾燥した空気と定義しています。標準空気以外の条件で動作する遠心ファンを選択するには、静圧と電力の両方を調整する必要があります。

標準より高い高度 (海抜) および標準より高い温度では、空気の密度は標準の密度より低くなります。空気の密度補正では、高温での連続動作用に指定されている遠心ファンを考慮する必要があります。遠心ファンは、空気の密度に関係なく、特定のシステム内で一定量の空気を排出します。

標準以外の条件で特定の CFM と静圧に対して遠心ファンが指定されている場合、空気密度補正係数を適用して、新しい条件を満たす適切なサイズのファンを選択する必要があります。200 °F (93 °C) の空気は 70 °F (21 °C) の空気の 80% の重さしかないため、遠心ファンは圧力が低くなり、必要な電力も少なくなります。200 °F (93 °C) で必要な実際の圧力を取得するには、設計者は標準条件での圧力に空気密度補正係数 1.25 (つまり、1.0/0.8) を掛けて、システムを正しく動作させる必要があります。200 °F (93 °C) での実際の電力を取得するには、設計者は標準条件での電力を空気密度補正係数で割る必要があります。

遠心ファンの性能表には、標準空気密度における特定の CFM と静圧に対するファンの回転速度と電力要件が記載されています。遠心ファンの性能が標準条件でない場合は、性能表に入力する前に、性能を標準条件に変換する必要があります。空気移動制御協会(AMCA) によって評価された遠心ファンは、そのタイプのファンの典型的な設置をシミュレートするテスト セットアップを備えた研究所でテストされます。通常、それらは AMCA 標準 210 で指定されている 4 つの標準設置タイプのいずれかとしてテストされ、評価されます。^[28]

AMCA 規格 210 は、所定の回転速度で、ハウジング付きファンの空気流量、圧力、電力、効率を測定するための実験室テストを実行するための統一された方法を定義しています。AMCA 規格 210 の目的は、ファン テストの正確な手順と条件を定義して、さまざまなメーカーが提供する評価が同じ基準に基づいて比較できるようにすることです。このため、ファンは標準化された SCFM で評価する必要があります。

遠心ファンは固定部分と可動部分の両方で効率が低下するため、一定レベルの空気の流れ性能に必要なエネルギー入力が増加します。

吸気口での流れと軸方向から半径方向への方向転換により、吸気口で損失が発生します。摩擦と流れの分離により、入射角が変化するため、インペラブレードの損失が発生します。^{[詳細な説明が必要]}これらのインペラブレードの損失もこのカテゴリに含まれます。

インペラの回転外周と入口のケーシングとの間に隙間があるため、空気の漏れや主流の乱れが発生します。

摩擦と流れの分離もディフューザーでの損失の原因となります。装置が設計条件を超えて動作している場合は、入射によるさらなる損失が発生します。インペラまたはディフューザーからの流れは、より大きな断面積を持つ渦巻き部内で拡大して渦を形成し、圧力ヘッドを低下させます。摩擦と流れの分離による損失は、渦巻き部の通路によっても発生します。

インペラディスクの背面の 粘性抵抗により、ディスクの摩擦損失が発生します。

ウォルター・ミラーのSF 小説『ライボウィッツの賛歌』 （1959 年）では、26 世紀の終末後の世界を舞台に、修道士たちが「リスの檻」の電気設計図を聖遺物として守るが、その「リス」をどうやって取り出すかに困惑する。

ウィキメディア・コモンズには、遠心ファンに関連するメディアがあります。

• 軸流ファン – 空気の流れを作り出す機械
• ダクトファン – 空気移動装置
• 機械式ファン – 空気の流れを作り出す機械
• 標準温度と圧力 – 温度と圧力の基準値
• ターボ機械における3次元損失と相関
• ワドルファン – 炭鉱の換気に使用される大型の遠心ファン
• 風力タービン – 風のエネルギーを電気エネルギーに変換する機械