効率よく送風できるターボファンの原理

遠心送風機のひとつであるターボファン

空気を流すということは、さまざまなところで使われる技術です。気体に圧力をかけて送る機械を送風機と呼びます。その中でも、低圧用をファンと呼びますが、さまざまな方法を使って作られている機械です。現在の建物は密閉性が高まっており、自然に換気ができなくなっています。冷暖房効率を上げることには効果を上げることができますが、その反面で計画的に換気をおこなう必要が出てきているといえるでしょう。他にも、ボイラーなどにも送風機は欠かせない機械です。

ファンにもいろいろな種類がありひとつではありません。その中には、ターボファンやシロッコファンといった種類があり、それぞれ特性に違いがありますし形状も異なる存在です。中でもターボファンは、1枚の鉄板で羽を作っています。形状としては羽が後ろに傾いており、丈夫なところも特徴といっていいでしょう。羽自身の強度を高めることによって、性能を安定させることができることから、さまざまなところで使われているファンです。比較的風量は多く、風圧も高くなり、効率としても最も高いファンといっていいでしょう。

こうしたファンは、遠心送風機ともいわれます。風の向きは決まっており、軸に対して直角であり、遠心後方に流れるようになるのも特徴です。これは逆回転でも同じになります。ターボファンは直接排気や短いダクトに対応しており、高層住宅に使うこともでき風の強い場所でも負けません。

静圧が高い理由と原理

空気を吐き出すことがファンの目的ですが、この時に装置などには必ず抵抗が発生します。送風するためには、これを押しのけ風を送る力が必要となるでしょう。これを静圧と呼びます。狭い所に空気を送らなければいけないときには、必ず発生すると考えられるでしょう。

なぜ圧力が発生するのかといえば、ダクトなどの狭い空間に対して、空気を押し込もうとすれば、パワーを上げればそれだけの容量を送らなければいけなくなります。そうなると、空気を押しつぶして送ることになるでしょう。押しつぶされた空気は、当然元の状態に戻ろうとして力が発生します。これが静圧の正体です。ダクト自体にも力がかかり、これが送風の速度にもなってきます。

この時の力は、ダクトが狭く長くなればなるほど力を必要とするでしょう。広い管で短くなればそれだけ力はいりません。たとえば、ターボファンにパワーを与え多くの風量を送ろうと思えば、同じダクトを使っても静圧は高くなります。それだけ多くの空気を押し込まなければいけないからです。これに負けないだけのパワーを持つのがターボファンで、他のファンと比較してもかなり高くすることができます。

ターボファンが空気を送れるわけ

遠心送風機であるターボファンの原理を考えてみると、空気にも重さがあるということが重要になってきます。ファンを雨傘に見立ててみるとわかりやすくなるでしょう。雨の日に傘をさせば、そのまま雨は傘に落ちてきます。この雨粒を払うために、傘を回転させると、そのまま外側に飛んでいくはずです。これは、傘を回転させたことによって、傘の表面にあった雨粒が遠心力で飛んでいくからというのは子供でもわかることでしょう。実際に数回転もさせれば、雨はきれいに落ちてしまうことになります。この時働いている力は遠心力であり、傘の表面にある空気も一緒に影響を受けていることがわかるはずです。正面で回してもらうと、なんとなくでも風が発生していると感じることでしょう。これがターボファンの原理です。

空気にも重さである質量があり、回転させることで遠心力を受けます。これを効率よく働かせるために、羽がついていると考えるとわかるでしょう。空気は遠心力で外側に押し出されていくことになるため、排気口の位置や大きさによって力が変わっていくことになります。つまり、羽の回転によって生まれた遠心力をつかって、気体には速度というエネルギーを与えるという構造だからです。これを、圧力に変換することができるのがターボファンの原理といえます。

単純に風を大量に送るだけならば、軸流ファンのほうが向いていることは確かです。その代わり、静圧は低くなってしまうため、力ということで考えればターボファンのほうがはるかに高くなります。この原理から考えた場合、ファンの回転速度が上がれば必然的に風量が上がることがわかるでしょう。ファンの枚数も増加させることができれば影響も大きくなることがわかります。その代わりに、枚数がある程度なければ効率が低下する恐れがあります。ファンの幅に関しても、大きくなれば風量も比例して大きくなります。もちろん、条件としてはこれらが複雑に絡みあっていきますので、単純に答えの出ない部分も出てきます。ですが、小さな力で大きな力を作り出すことができる方法だからこそ、さまざまなところで使われるファンであるといえるでしょう。