ファン（機械）

ファンは動力で空気の流れを作り出す機械です。ファンは回転する羽根やブレードで構成されており、通常は木材、プラスチック、または金属でできており、空気に作用します。ブレードとハブの回転アセンブリは、インペラ、ローター、またはランナーと呼ばれます。通常、これは何らかの形のハウジングまたはケース内に収納されています。^{[1]これにより、空気の流れが導かれたり、物体がファンブレードに接触するのを防ぐことで安全性が向上したりします。ほとんどのファンは}電動モーターで駆動されますが、油圧モーター、手回しハンドル、内燃機関などの他の動力源が使用されることもあります。

機械的に言えば、ファンとは回転する羽根、または空気の流れを作り出すために使用される羽根のことです。ファンは、比較的少量で高圧を生み出すコンプレッサーとは対照的に、高容量で低圧（ただし周囲圧力より高い）の空気の流れを作り出します。ファンブレードは空気流体の流れにさらされると回転することが多く、風速計や風力タービンなど、これを利用する装置はファンに似た設計になっていることがよくあります。

一般的な用途としては、環境制御や個人の温熱快適性（例：電気卓上扇風機または床置き扇風機）、車両エンジン冷却システム（例：ラジエーターの前）、機械冷却システム（例：コンピューターやオーディオパワーアンプの内部）、換気、煙抽出、ふるい分け（例：穀物から籾殻を分離）、ほこりの除去（例：掃除機のように吸引）、乾燥（通常は熱源と組み合わせて）、火の通気などがあります。一部のファンは、工業用熱交換器の場合、間接的に冷却に使用されることがあります。

扇風機は人を冷やすのに効果的ですが、空気を冷やすわけではありません。代わりに、汗の蒸発冷却と、扇風機からの気流による周囲の空気への熱対流の増加によって機能します。したがって、周囲の空気が体温に近く、湿度が高い場合、扇風機による体の冷却効果は低下する可能性があります。

葉で作られた扇子は、古代エジプトやインドで普及していました。古代インドでは、それらは竹ひごやその他の植物繊維で作られた手持ちの扇子で、回転したりあおったりして空気を動かすことができました。英国統治時代には、この言葉はアングロ・インディアンによって、天井に固定され、パンカワラと呼ばれる召使いが引く、大きく揺れる平らな扇子を意味するようになりました。

漢代の職人で技術者の丁歓（180年頃）は、空調のために直径3メートル（10フィート）の7つの車輪を備えた手動で操作する回転扇を発明した。8世紀の唐代（618-907年）には、中国人は水力を利用して扇風機の車輪を回転させて空調に利用し、回転扇は宋代（960-1279年）にさらに普及した。 ^{[2] [3]}

日本の平安時代（794～1185年）には、扇子は機械的な役割だけでなく、社会階級の象徴としての役割も果たしました。封建時代に使われていた日本の扇子である鉄扇は、普通の扇子の形に隠れた危険な武器であり、刀が理想的ではなかった時代に武士が使用した武器でした。

17世紀には、オットー・フォン・ゲーリケ、ロバート・フック、ロバート・ボイルなどの科学者の実験により、真空と気流の基本原理が確立されました。イギリスの建築家サー・クリストファー・レンは、国会議事堂に、ふいごを使って空気を循環させる初期の換気システムを採用しました。レンの設計は、その後の改良と革新のきっかけとなりました。ヨーロッパで最初に使用された回転扇風機は、ゲオルク・アグリコラ（1494-1555）が描いたように、16世紀の鉱山の換気用でした。 ^[4]

イギリスの技術者ジョン・テオフィラス・デサグリエは、1727年に炭鉱からよどんだ空気を排出するファンシステムの有効性を実証した。炭鉱では窒息を防ぐために換気が不可欠だった。その後すぐに彼は同様の装置を国会に設置した。^[5]土木技術者のジョン・スミートン、後にジョン・バドルはイングランド北部の炭鉱に往復空気ポンプを設置したが、この機械は故障しがちだった。

1849年、ウィリアム・ブラントンが設計した半径6メートルの蒸気駆動ファンがサウスウェールズのゲリー・ゲール炭鉱で稼働した。このモデルは1851年の万国博覧会で展示された。また1851年には、スコットランドの医師デイビッド・ボズウェル・リードがリバプールのセント・ジョージ病院の天井に4つの蒸気駆動ファンを設置し、ファンによって生み出される圧力で入ってくる空気を上方に押し上げ、天井の通気口から送り出すようにした。^{[6] [7]この技術は}ジェームズ・ナスミス、フランス人のテオフィル・ギバル、JR・ワドルによって改良された。 ^[8]

1882年から1886年にかけて、スカイラー・ウィーラーは電気で動く扇風機を発明した。^[9]これはアメリカのクロッカー・アンド・カーティス電動モーター社によって商業的に販売された。1885年には、ニューヨークのスタウト・メドウクラフト社によって卓上型ダイレクトドライブ電動扇風機が市販された。^[10]

1882年、フィリップ・ディールは世界初の電動天井ファンを開発しました。この革新の激しい時代、20世紀初頭にはアルコール、石油、灯油で動くファンが一般的でした。1909年、日本のKDKは家庭用の大量生産型電動ファンの発明に先駆けました。1920年代には、産業の進歩により、さまざまな形のスチール製ファンを大量生産できるようになり、ファンの価格が下がり、より多くの住宅所有者が購入できるようになりました。1930年代には、最初のアールデコファン（「シルバースワン」）がエマーソンによって設計されました。^[11] 1940年代までに、インドのクロンプトン・グリーブスは、主にインド、アジア、中東で販売される電動天井ファンの世界最大のメーカーになりました。1950年代までに、テーブルファンとスタンドファンは明るい色で製造され、人目を引くものになりました。

1960年代の窓用空調と中央空調の普及により、多くの企業がファンの生産を中止しましたが、 ^[12] 1970年代半ばには、電気代や家の冷暖房に使用されるエネルギー量に対する意識が高まり、世紀の変わり目スタイルの天井ファンが装飾的でエネルギー効率に優れていることから再び人気を博しました。

1998年にウィリアム・フェアバンクとウォルター・K・ボイドは、低速で回転する長いファンブレードを使用して比較的大量の空気を動かすことでエネルギー消費を削減するように設計された大容量低速（HVLS）天井ファンを発明しました。^[13]

動力扇風機が広く普及する以前は、その使用は社会階級間の社会的分断と関係がありました。英国と中国では、当初は国会議事堂と貴族の家にのみ設置されていました。古代エジプト(紀元前 3150 年)では、召使がファラオや重要人物に扇風機を使うことが義務付けられていました。

インドなど、気温が 100 °F (38 °C) を超える地域では、顧客の快適さと効率的な作業環境のために、スタンドファンや電動ボックスファンがビジネス界に不可欠です。エネルギー源が不安定な場所では、ファンは太陽光発電式、省エネ型、バッテリー駆動式になっています。

韓国では、扇風機は昔からの言い伝えの一部となっている。多くの年配の韓国人は、扇風機の使いすぎによるファンの故障という非科学的で根拠のない迷信を信じている。韓国の扇風機は、ファンの故障を防ぐために通常数時間後に電源が切れる。

一般的な室内扇風機の消費電力は 50 ～ 100 ワットですが、エアコンは 500 ～ 4000 ワットです。扇風機は消費電力は少ないですが、空気を冷やすわけではなく、汗の蒸発冷却を行うだけです。業務用扇風機はエアコンよりも騒音が大きく、騒音がうるさい場合があります。米国消費者製品安全委員会によると、ボックスファンに関連する事故として、火災 (266 件)、潜在的な火災 (29 件)、感電 (15 件)、感電 (4 件)、電気事故 (2 件) が報告されています。エアコンに関連する怪我のほとんどは、建物からの落下によるものです。

機械式回転羽根ファンは、さまざまなデザインで作られています。床、テーブル、机の上、または天井から吊るして（シーリングファン）使用したり、窓、壁、屋根などに組み込んだりできます。タワーファンは、内部の羽根が小さい傾向があります。コンピューターなどの大量の熱を発生する電子システムには、ファンが組み込まれています。ヘアドライヤーやスペースヒーターなどの電化製品にもファンが使用されています。ファンは、空調システムや自動車のエンジン内で空気を動かします。室内の快適さのために使用されるファンは、熱伝達係数を高めることで風冷を作り出しますが、温度を直接下げるわけではありません。電気機器やエンジンまたはその他の機械を冷却するために使用されるファンは、機械の外側のより冷たい環境に熱い空気を排出してより冷たい空気が流入するようにすることで、機器を直接冷却します。空気を移動させるために使用されるファンには、軸流、遠心（ラジアルとも呼ばれる）、およびクロスフロー（接線とも呼ばれる）の3つの主なタイプがあります。アメリカ機械学会性能試験規格11（PTC）^[14]は、遠心流、軸流、混合流を含むファンの試験を実施し報告するための標準的な手順を規定している。

軸流ファンには、回転軸と平行に空気を移動させるブレードがあります。このタイプのファンは、電子機器用の小型冷却ファンから冷却塔で使用される巨大ファンまで、さまざまな用途に使用されています。軸流ファンは、空調や産業プロセス用途に使用されています。標準的な軸流ファンの直径は 300～400 mm または 1,800～2,000 mm で、最大 800 Paの圧力で動作します。特殊なタイプのファンは、航空機エンジンの低圧コンプレッサー段として使用されます。軸流ファンの例は次のとおりです。

• テーブルファン: 一般的なテーブルファンの基本要素には、ファンブレード、ベース、アーマチュア、リード線、モーター、ブレードガード、モーターハウジング、振動子ギアボックス、振動子シャフトが含まれます。振動子は、ファンを左右に動かす機構です。アーマチュアアクスルシャフトはモーターの両端から出ており、シャフトの一方の端はブレードに接続され、もう一方の端は振動子ギアボックスに接続されています。モーターケースはギアボックスに接続され、ローターとステーターを収容します。振動子シャフトは、重みのあるベースとギアボックスを結合します。モーターハウジングは振動子機構をカバーします。ブレードガードは、安全のためにモーターケースに接続されています。
• 家庭用換気扇: 壁または天井に取り付けられた家庭用換気扇は、住宅から湿気やよどんだ空気を除去するために使用されます。浴室の換気扇は通常 4 インチ (100 mm) の羽根車を使用しますが、キッチンの換気扇は通常、部屋が大きいため 6 インチ (150 mm) の羽根車を使用します。5 インチ (125 mm) の羽根車を備えた軸流ファンも、広い浴室で使用されますが、あまり一般的ではありません。家庭用軸流換気扇は、配管の曲がりの数に応じて 3 メートルまたは 4 メートルを超えるダクト配管には適していません。長い配管では空気圧が上昇し、ファンの性能が抑制されるためです。
• 連続運転型換気扇は、非常に低速で連続的に運転し、浴室の照明が点灯したときなど、必要に応じて高速運転します。運転速度では、通常の換気扇と同じです。連続速度では通常 5 ～ 10 l/秒の空気を排出し、消費電力は 1 ～ 2 ワットと少なく、年間コストが低く抑えられます。湿度センサーを備え、トリクル運転を制御するものもあります。換気を確保し、湿気の蓄積を防ぐという利点があります。または、通常の換気扇を取り付けて、同じ目的で断続的に全出力で運転することもできます。^[15]寒い天候では、換気扇がある部屋、またはドアが開いている場合は家全体が著しく冷えることがあります。^[16]
• 電気機械式ファン: コレクターの間では、ファンの状態、サイズ、使用年数、ブレードの数によって評価されます。4 枚ブレード設計が最も一般的です。5 枚ブレードまたは 6 枚ブレード設計はまれです。真鍮などのコンポーネントの材質は、ファンの好みを決める重要な要素です。
• シーリングファンは、部屋の天井から吊り下げられたファンです。ほとんどのシーリングファンは比較的低速で回転し、ブレードガードはアクセスしにくく扱いにくいため付いていません。シーリングファンは、住宅と産業/商業の両方の環境で使用されます。
• 自動車では、機械式または電動式のファンがエンジンを冷却し、冷却剤が満たされたラジエーターを通して空気を吹き込んだり吸い込んだりすることで、エンジンの過熱を防止します。ファンは、エンジンのクランクシャフトから外れたベルトとプーリー、またはサーモスタットスイッチでオン/オフを切り替える電動モーターで駆動されます。
• 電気部品の冷却やノートパソコンの冷却に使われるコンピューターファン
• オーディオパワーアンプ内部のファンは、電気部品から熱を逃がすのに役立ちます。
• 可変ピッチファン: 可変ピッチファンは、供給ダクト内の静圧を正確に制御するために使用されます。ブレードは、制御ピッチハブ上で回転するように配置されています。ファンホイールは一定速度で回転します。ブレードは制御ピッチハブに従います。ハブがローターに向かって移動すると、ブレードの迎え角が増加し、結果として流量が増加します。

遠心ファンは、しばしば「リスかご」（ペットのげっ歯類の運動用車輪に外観が似ているため）または「スクロールファン」と呼ばれ、中心シャフトの周りに螺旋状またはリブを形成する一組のブレードが配置された可動部品（インペラと呼ばれる）を備えています。遠心ファンは、ファンの吸気口に対して直角に空気を吹き込み、その空気を外側に回転させて出口に送ります（偏向と遠心力により）。インペラが回転し、空気がシャフト付近からファンに入り、シャフトからスクロール形状のファンケースの開口部まで垂直に移動します。遠心ファンは、一定の空気量に対してより高い圧力を生成するため、リーフブロワー、ドライヤー、エアマットレスインフレータ、インフレータブル構造、空調ユニットの気候制御 、さまざまな産業用途など、圧力が求められる場合に使用されます。通常、同等の軸流ファンよりも騒音が大きくなります (ただし、空調ユニットなどに使用される一部のタイプの遠心ファンは静かです)。

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  遠心ファンの図。上から見た空気の流れを示す。
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  一般的な遠心ファン
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  HP 社のZBook モバイル ワークステーション ラップトップ内に取り付けられた遠心冷却ファン。ファンは、一対のヒート パイプを含むフィン スタック上の空気を押しのけます。

クロスフローファンまたは接線ファンは、チューブラーファンとも呼ばれ、1893年にポール・モルティエによって特許を取得しました^{[17] [18]。}暖房、換気、空調（HVAC）、特にダクトレススプリットエアコンで広く使用されています。ファンは通常、直径に対して長いため、流れは端から離れてほぼ2次元のままです。クロスフローファンは、後壁と渦壁で構成されるハウジングに配置された、前方に湾曲したブレードを備えたインペラを使用します。ラジアルマシンとは異なり、主な流れはインペラを横切って移動し、ブレードを2回通過します。

クロスフローファン内の流れは、ファンの排出口付近の渦領域（偏心渦と呼ばれる）、通過流領域、および正反対のパドリング領域の 3 つの異なる領域に分けられます。渦領域とパドリング領域は両方とも散逸性であり、その結果、インペラの一部のみが流れに使用可能な仕事を与えます。^[19]クロスフローファン、または横方向ファンは、2 段階の部分吸入機です。 HVAC におけるクロスフローファンの人気は、そのコンパクトさ、形状、静かな動作、および高圧係数を提供できる能力に由来しています。入口と出口の形状に関しては実質的に長方形のファンであり、直径は利用可能なスペースに合わせて簡単に調整でき、長さは特定のアプリケーションの流量要件に合わせて調整できます。

一般的な家庭用タワーファンもクロスフローファンです。^[20]初期の研究の多くは、高流量と低流量の両方の条件に対応するクロスフローファンの開発に重点が置かれ、多数の特許が取得されました。主要な貢献者は、Coester、Ilberg と Sadeh、Porter と Markland、および Eck でした。^{[いつ? ]}クロスフローファンに特有の興味深い現象の 1 つは、ブレードが回転すると、局所的な空気の入射角が変化するというものです。その結果、特定の位置ではブレードがコンプレッサーとして機能し (圧力が上昇)、他の方位角の位置ではブレードがタービンとして機能します(圧力が減少)。

流れがインペラに放射状に出入りするため、クロスフローファンは航空機への応用が期待されており、研究され、試作されてきた。^[21]流れが2次元的であるため、ファンを翼に組み込んで推力生成と境界層制御の両方に使用することができる。翼前縁に配置されたクロスフローファンを利用する構成は、1997年頃に最初に開発され、同名の会社によって開発中のFanWing設計コンセプトである。この設計は、ファンの回転方向によって後流を下方に偏向させることで揚力を生み出し、回転する前縁シリンダーに似た大きなマグナス力を引き起こす。クロスフローファンを推力と流れの制御に利用する別の構成は推進翼であり、これは1990年代と2000年代に最初に開発された別の実験的コンセプトプロトタイプである。この設計では、クロスフローファンを厚い翼の後縁近くに配置し、翼の吸引面（上面）から空気を吸い込む。これにより、推進翼は、非常に高い迎え角でも失速がほとんどなくなり、非常に高い揚力が得られます。ただし、ファン翼と推進翼のコンセプトはまだ実験段階であり、無人プロトタイプにのみ使用されています。

クロスフローファンは、空気が直角ではなくファンをまっすぐに流れる遠心ファンです。クロスフローファンのローターは、圧力差を作るために覆われています。クロスフローファンは、インペラの外側に2つの壁があり、内側に厚い渦壁があります。放射状の隙間は、インペラの回転方向に減少します。後壁は対数螺旋形状で、渦安定板は丸い縁を持つ薄い水平壁です。^[22]結果として生じる圧力差により、ファンブレードが回転の片側で空気の流れに逆らっても、空気はファンをまっすぐに流れます。クロスフローファンは、ファンの幅全体に沿って空気の流れを作りますが、通常の遠心ファンよりも騒音が大きくなります。クロスフローファンは、ダクトレスエアコン、エアドア、一部のタイプのラップトップクーラー、自動車の換気システム、およびコピー機などの中型機器の冷却によく使用されます。

2009年に消費者市場に導入されたダイソン エアマルチプライアーファンは、東芝が1981年に開発したデザインを普及させた。このファンは、ファンブレードやその他の可動部品が露出していない（首振りや方向調整などの他の機能が追加されている場合を除く）ファンを生み出した。^[23]高圧ブレードインペラファンからの比較的少量の空気は、露出しておらずベース内に収容されており、翼面形状によって作り出された低圧領域を経由して、円形または楕円形の開口部を通るより大きな空気塊の低速の流れを誘発する（コアンダ効果）。^{[23] [24] [25]}

エアカーテンとエアドアもこの効果を利用して、カバーやドアのない露出したエリア内の暖かい空気や冷たい空気を保つのに役立ちます。エアカーテンは、オープンフェイスの乳製品、冷凍庫、野菜の陳列棚でよく使用され、陳列開口部を循環する層流を使用してキャビネット内に冷たい空気を保つのに役立ちます。この記事で説明されているように、空気の流れは通常、あらゆる種類の機械式ファンによって生成され、陳列キャビネットのベースに隠されています。HVACリニアスロットディフューザーもこの効果を利用して、レジスターと比較して室内の空気の流れを均等に増やし、空気処理ユニットの送風 機で使用されるエネルギーを削減します。

ファンは、用途に応じてさまざまな方法で設置できます。ハウジングなしで自由に設置されることが多く、特殊な設置方法もあります。

車両において、ダクトファンは、ファン、プロペラ、またはローターが空気力学的ダクトまたはシュラウドに囲まれ、空気力学的推力または揚力を生み出して車両を輸送する性能を高める 推進方法です。

換気システムでは、ジェットファン（インパルスファンまたは誘導ファンとも呼ばれる）が空気の流れを噴射し、周囲の空気を巻き込んで循環させます。このシステムは従来の換気ダクトよりも場所をとりませんが、新鮮な空気の流入と古い空気の排出を大幅に増加させることができます。^[26]

ファンは、ブレードや障害物の周りの急速な空気の流れによって渦が発生し、またモーターから騒音が発生します。ファンの騒音はファン速度の5乗にほぼ比例し、速度を半分にすると騒音は約15dB減少します。 [ ^27]

ファンの騒音の大きさは、騒音の周波数分布にも左右されます。これは、特にブレードなどの可動部品と、特に支柱などの固定部品の形状と分布に依存します。タイヤのトレッドと同様に、音響拡散器の原理と同様に、不規則な形状と分布により、騒音スペクトルが平坦化され、騒音の不快感が軽減されます。^{[28] [29] [30]}

ファンの吸気口の形状もファンから発生する騒音レベルに影響を与える可能性がある。^[31]

扇風機を使って体を冷やすのに最適な温度は不明です。扇風機は一般的に蒸発冷却によって体温を下げるために使用されますが、空気の対流効果によってこの効果が打ち消されてしまう温度があります。扇風機の使用が有害になる温度は、現在のところ不明です。^[32]

保健機関は、高温時の扇風機の使用についてさまざまなガイドラインを出している。疾病予防管理センター（CDC）は、気温が32.2℃（90℉）を超える場合は扇風機を使用しないよう勧告しており、世界保健機関（WHO）は、気温が40℃（104℉）を超える場合は扇風機の使用を避けるよう提案している。^[32]

最近の研究はこの問題にさらなる光を当てていますが、その研究結果は多少矛盾しています。ある研究では、35℃（95℉）以上の温度で扇風機を使用することによる追加の利点は限られていることがわかりましたが、別の研究では、38℃（100℉）で扇風機を使用した高齢者の心臓ストレスが31％減少したと報告されています。^[32]

スタンドアロン ファンは通常、電気モーターによって駆動され、ギアやベルトなしでモーターの出力に直接取り付けられていることがよくあります。モーターはファンのセンター ハブに隠れているか、その背後まで伸びています。大型の産業用ファンでは、3 相非同期モーターが一般的に使用され、ファンの近くに配置され、ベルトとプーリーを介してファンを駆動します。小型ファンは、多くの場合、くま取り極 AC モーター、またはブラシ付きまたはブラシレス DC モーターによって駆動されます。AC 電源ファンは通常、主電源電圧を使用しますが、DC 電源ファンは通常、低電圧 (通常は 24 V、12 V、または 5 V) を使用します。

ファンは、別々に動力を得るのではなく、回転部分のある機械に接続されることが多い。これは、内燃機関、大型冷却システム、機関車、選別機を備えた自動車でよく見られるもので、ファンは駆動軸に接続されるか、ベルトとプーリーを介して接続される。もう 1 つの一般的な構成は、2 軸モーターで、シャフトの一方の端で機構を駆動し、もう一方の端にはモーター自体を冷却するためのファンが取り付けられている。窓用エアコンでは、通常、2 軸ファンを使用して、デバイスの内部と外部の部品で別々のファンを作動させる。

電力や回転部品が容易に利用できない場合は、他の方法でファンを駆動できます。蒸気などの高圧ガスは小型タービンを駆動し、高圧液体はペルトン水車を駆動します。どちらもファンの回転駆動力を提供できます。

川の流れなどの大きくて動きの遅いエネルギー源も、水車と一連の減速ギアまたは滑車を使用してファンに動力を与え、回転速度をファンの効率的な動作に必要な速度まで上げることができます。

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  内燃エンジンは、エンジン冷却ファンを直接駆動したり、別の電気モーターを使用したりすることがあります。
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  大型の電気モーターには、背面またはケース内部に冷却ファンが付いている場合があります。(黒い背面カバーを取り外した状態)
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  窓用エアコンの二軸ファンモーター

換気用の電気ファンは、主電源の代わりにソーラーパネルで駆動できます。ソーラーパネルの資本コストをカバーすれば、発生する電力は無料になるため、これは魅力的な選択肢です。晴天時に換気の必要性が最も高くなる場合は、ソーラー電源ファンが適しています。

典型的な例では、独立した 10ワット、12 インチ × 12 インチ (30 cm × 30 cm) のソーラー パネルが使用され、適切なブラケット、ケーブル、およびコネクタが付属しています。最大 1,250 平方フィート (116 m ² ) の面積を換気でき、最大 800 立方フィート/分 (400 L/s) の空気を移動できます。12 Vブラシレス DC 電気モーターは広く入手可能であり、このような低電圧の配線は便利なため、このようなファンは通常 12ボルトで動作します。

取り外し可能なソーラー パネルは通常、日光が最も当たる場所に設置され、25 フィート (8 m) 離れた場所に設置されたファンに接続されます。その他の固定式ファンや小型ポータブル ファンには、一体型 (取り外し不可) のソーラー パネルが搭載されています。

• ウィキメディア・コモンズのファン（機械式）に関連するメディア