ファン（機械）

1849年、ウィリアム・ブラントンが設計した半径6mの蒸気駆動ファンが、南ウェールズのゲリー・ゲア炭鉱で稼働した。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・ボスウェル・リードが、リバプールのセント・ジョージ病院の天井に4台の蒸気駆動ファンを設置し、ファンによって発生する圧力で流入する空気を天井の通気口から上方に押し出した。^{[ 8 ] [ 9 ]}ジェームズ・ナスミス、フランス人のテオフィル・ギバル、JR・ワドルによって技術が改良された。^{[ 10 ]}

1882年から1886年の間に、シュイラー・ウィーラーは電気で動く扇風機を発明した。^{[ 11 ]}これはアメリカのクロッカー＆カーティス電気モーター会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＆カンパニーによって卓上直結式電気扇風機が市販された。^{[ 12 ]}

1882年、フィリップ・ディールは世界初の電気式天井扇風機を開発した。この技術革新が活発だった時代、20世紀初頭にはアルコール、油、灯油を動力源とする扇風機が一般的だった。

1909年、日本のKDKは家庭用扇風機の量産化に先駆けて着手した。1920年代には、工業技術の進歩により、さまざまな形状の鋼鉄製扇風機が大量生産できるようになり、扇風機の価格が下がり、より多くの家庭で購入できるようになった。1930年代には、エマーソンが最初のアールデコ調の扇風機（「シルバースワン」）をデザインした。^{[ 13 ]} 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気シーリングファンの世界最大のメーカーとなった。1950年代までに、テーブルファンやスタンドファンは鮮やかな色で製造され、人目を引くようになった。シーリングファンは、暑い気候で費用対効果の高い冷却を提供するインドなどの南アジア諸国で非常に人気がある。^{[ 14 ] [ 15 ]}

1960年代には窓型エアコンやセントラルエアコンの普及により多くの企業が扇風機の生産を中止しましたが^{[ 16 ]}、1970年代半ばには電気料金や家庭の暖房・冷房に使用されるエネルギー量への意識の高まりとともに、世紀末風のシーリングファンが装飾性と省エネ性の両方を兼ね備えた製品として再び人気を博しました。

1998年、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きな量の空気を移動させることでエネルギー消費を削減するように設計された、高風量低速（HVLS）シーリングファンを発明した。^{[ 17 ]}

軸流ファンは、羽根が回転軸に平行に空気を流す羽根を備えています。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大型ファンまで、幅広い用途で使用されています。軸流ファンは、空調設備や産業プロセス用途にも使用されています。標準的な軸流ファンは、直径が300～400mm または1,800～2,000mm で、最大800Pa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圧​​縮機段として使用されます。軸流ファンの例としては、以下のようなものがあります。

• 卓上扇風機：一般的な卓上扇風機の基本構成要素には、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、オシレーターギアボックス、オシレーターシャフトが含まれます。オシレーターは、ファンを左右に動かす機構です。アーマチュア軸シャフトはモーターの両端から出ており、シャフトの一端はブレードに、もう一端はオシレーターギアボックスに取り付けられています。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。オシレーターシャフトは、重りの付いたベースとギアボックスを連結します。モーターハウジングはオシレーター機構を覆います。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る家庭用換気扇は、住宅内の湿気やよどんだ空気を除去するために使用されます。浴室用換気扇は通常、4インチ（100  mm）のインペラを使用しますが、キッチン用換気扇は 部屋が広いことが多いため、通常6インチ（150 mm）のインペラを使用します。5インチ（125  mm）のインペラを備えた軸流ファンも、より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もよりますが、3  mまたは4  m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高くなり、ファンの性能が低下するためです。
• 連続運転式換気扇は、非常に低速で連続運転し、必要に応じて高速運転します。たとえば、浴室の照明が点灯したときなどです。運転速度では、通常の換気扇と同じです。 連続運転では通常 5 ～ 10 l/秒の換気を行い、消費電力は 1 ～ 2 ワットと少なく、年間コストは低く抑えられます。一部には、微弱運転を制御するための湿度センサーが搭載されています。換気を確保し、湿気の蓄積を防ぐという利点があります。あるいは、同じ目的で、通常の換気扇を断続的に最大出力で運転するように設定することもできます。^{[ 19 ]}
• 電気機械式扇風機：コレクターの間では、状態、サイズ、製造年、羽根の枚数によって評価されます。4枚羽根のものが最も一般的で、5枚羽根や6枚羽根のものは稀です。真鍮などの部品の材質も、扇風機の魅力度を左右する重要な要素です。
• シーリングファンとは、部屋の天井から吊り下げられた扇風機のことです。ほとんどのシーリングファンは比較的低速で回転し、羽根ガードは取り付け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、住宅用と産業用・商業用施設の両方で使用されています。
• 自動車において、機械式または電動式のファンは、冷却液で満たされたラジエーターに空気を送り込んだり吸い込んだりすることで、エンジンの冷却を行い、エンジンの過熱を防ぎます。ファンは、エンジンのクランクシャフトからベルトとプーリーを介して駆動される場合もあれば、サーモスタットスイッチによってオン/オフが切り替えられる電動モーターによって駆動される場合もあります。
• コンピューターの冷却ファンは、電子部品の冷却やノートパソコンの冷却装置などに使用されます。
• 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、給気ダクト内の静圧を精密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を中心に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、ブレードは制御ピッチハブに追従します。ハブがローターに向かって移動すると、ブレードの迎角が増加し、結果として流量が増加します。

遠心ファンは、ペットのげっ歯類用の運動用ホイールに外観が似ていることから「リスかごファン」または「スクロールファン」と呼ばれることが多く、中央のシャフトの周りに螺旋状に配置された羽根（リブ）からなる可動部品（インペラ）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送り込み、偏向と遠心力によって空気を外側の出口へと回転させます。インペラが回転すると、シャフト付近から空気がファンに入り、シャフトからスクロール状のファンケーシングの開口部に向かって垂直に移動します。遠心ファンは、同じ風量に対してより高い圧力を発生させるため、リーフブロワー、ヘアドライヤー、エアマットレスのインフレーター、インフレータブル構造物、空調ユニットの空調制御、 およびさまざまな産業用途など、圧力が高いことが求められる用途で使用されます。一般的に、同等の軸流ファンよりも騒音が大きくなります（ただし、空調ユニットなどで使用される一部のタイプの遠心ファンは静音性に優れています）。

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  遠心ファンの図（空気の流れを示す上面図付き）
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  典型的な遠心ファン
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  ノートパソコン内部に搭載された遠心式冷却ファン。このファンは、一対のヒートパイプを内蔵したフィンスタックに空気を送り込む。

クロスフローファンまたはタンジェンシャルファンは、1893 年にライオネル・ハイトワーによって特許が取得され、^{[ 20 ] [ 21 ]}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、直径に比べて長いため、流れは端から離れるとほぼ二次元のままです。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内に配置された、前方に湾曲したブレードを持つインペラを使用します。ラジアルマシンとは異なり、メインフロー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、ファン吐出部付近の渦領域（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 つの明確な領域に分けられます。渦領域とパドリング領域はどちらも散逸性があり、その結果、インペラの一部のみが流れに対して有効な仕事を与えます。^{[ 22 ]}クロスフローファン、または横型ファンは、このように 2 段の部分流入機です。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、静音運転、および高圧係数を提供できる能力によるものです。入口と出口の形状に関しては実質的に長方形ファンであり、直径は利用可能なスペースに合わせて容易にスケーリングでき、長さは特定の用途の流量要件を満たすように調整できます。

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。^{[ 23 ]}初期の研究の多くは、高流量と低流量の両方の条件でクロスフローファンを開発することに焦点を当てており、多数の特許につながりました。重要な貢献をしたのは、Coester、IlbergとSadeh、PorterとMarkland、およびEckです。クロスフローファン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わることです。その結果、特定の位置ではブレードが圧縮機として機能し（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（圧力が低下します）。

流れがインペラに半径方向に流入および流出するため、クロスフローファンは航空機への応用の可能性について研究され、試作されてきた。^{[ 24 ]}流れが二次元的であるため、ファンは推力発生と境界層制御の両方に使用するために翼に統合することができる。翼の前縁にクロスフローファンを配置する構成は、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。この設計では、回転する前縁円筒と同様に、ファンの回転方向により後流を下方に偏向させることで大きなマグナス力を発生させ、揚力を発生させる。推力と流れ制御にクロスフローファンを使用する別の構成は、1990 年代と 2000 年代に最初に開発された別の実験的なコンセプトの試作機である推進翼である。この設計では、クロスフローファンは厚い翼の後縁付近に配置され、翼の吸引 (上面) 面から空気を吸い込む。こうすることで、推進翼は極めて高い迎角でも失速をほとんど起こさず、非常に高い揚力を生み出す。しかし、ファン翼と推進翼の概念は依然として実験段階であり、無人試作機にのみ使用されている。

クロスフローファンは、空気がファンを直角に通過するのではなく、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、圧力差を生み出す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。半径方向の隙間は、インペラの回転方向に沿って減少します。後壁は対数螺旋形状で、渦安定器は丸みを帯びた縁を持つ薄い水平壁です。^{[ 25 ]}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の空気の流れに逆らっていても、空気はファンをまっすぐに通過します。クロスフローファンは、ファンの幅全体に沿って気流を生み出しますが、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、一部のタイプのノートパソコンクーラー、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。^{[ 26 ]}

2009年に消費者市場に導入されたダイソン エア マルチプライヤーファンは、露出したファンブレードやその他の目に見える可動部品がないファンを製造する東芝の 1981 年の設計を普及させました (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)。 ^{[ 27 ]}ベース内に閉じ込められた高圧ブレード インペラ ファンからの比較的少量の空気は、翼型表面形状によって作られた低圧領域を介して、円形または楕円形の開口部を通過するより大きな空気塊のより遅い流れを誘発します(コアンダ効果)。^{[ 27 ] [ 28 ] [ 29 ]}

エアカーテンや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温風や冷風を保持します。エアカーテンは、オープンフェイスの乳製品、冷凍食品、野菜の陳列棚でよく使用され、陳列棚の開口部を横切る層流気流を利用して、庫内の冷気を保持します。気流は通常、この記事で説明されているように、あらゆる種類の機械式ファンによって生成され、陳列棚の底部に隠されています。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気流を均一に増加させ、同時に空調機の送風機のエネルギー消費を削減します。

車両において、ダクトファンとは、ファン、プロペラ、またはローターを空力ダクトまたはシュラウドで囲み、その性能を高めて空力推力または揚力を発生させ、車両を移動させる推進方式である。

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スペースを取らず、新鮮な空気の流入とよどんだ空気の排出の速度を大幅に向上させることができます。^{[ 30 ]}