軸流ファンモーターとは？構造と原理・特性・用途を解説
軸流ファンモーターは使い勝手のよい冷却装置として、さまざまな機器類や空間に設置されています。風量が多く、シンプルな構造で取り付けがしやすいといった特徴があります。今回は軸流ファンモーターの基本情報から、構造と原理、特性や長所・注意点、用途までを幅広く解説します。
軸流ファンモーターとは
ここでは、軸流ファンモーターの定義や種類、軸流以外のファンモーターとの比較について解説します。
軸流ファンモーターの定義
軸流とは「軸方向に水平に流れること」を意味します。また、ファンモーターは機器内部の熱を外部へ排出したり、逆に外部から機器内部へ給気したりして機器内の熱処理や温度制御をおこなうための装置です。したがって、軸流ファンモーターとは、プロペラファンのような軸と同一方向に給気・排気をする機構を持つ、機器内冷却を目的にした装置ということができます。
二重反転ファン
前後に直列した2個の軸流ファンの羽根を持つファンモーター。後段の羽根を逆回転させて直進性の高い風を送り出すことができ、静圧が高く、通風抵抗が高い装置にも有効です。
耐環境ファン
特殊な（厳しい）環境でも安定した性能を達成できる軸流ファンモーター。防塵、防水や耐油、耐湿、耐塵、など製品の使用環境に合わせて選びます。
軸流以外のファンモーターとの比較
プロペラファンを用いる軸流式のほかに、ブロワまたはシロッコファンやラジアルファンのような遠心式もあります。遠心式は羽根の側面へ排気する仕組みで、吸い込み方向と吐き出し方向が90°もしくは360°変わるファンモーターです。遠心ファンモーターは産業機器や制御盤、通信機器などでよく採用されています。軸流式より空気を送り出す性能が高いため、部品が密集した製品内部の冷却にも適しています。
軸流ファンモーターの構造と原理
ここでは軸流ファンモーターの仕組みを知るために、構造と原理について解説します。
軸流ファンモーターの構造
軸流ファンモーターはプロペラファンで風の流れを生み出す構造です。ファン全体を支える「ケーシング（フレーム）」、プロペラ（羽根）のついた「ハブ」、ハブを回転させる「モーター」で構成されています。風の流れと回転軸が同一方向であるため、コンパクトな構造にすることが可能です。
軸流ファンモーターの原理
プロペラファンが風を発生させるのは、飛行機のプロペラや船舶のスクリューが推力を得るのと同じ原理です。プロペラファンの回転によって羽根周辺の空気に作用を与え動圧（風速）が上昇します。同時に、ハブとケーシング間の環状流路の面積変化が起こって静圧も上昇します。静圧とはファンの前後にある空気の差圧のことです。静圧が高いと空気を送り出すときの抵抗に強くなります。
軸流ファンモーターは軸方向に吸い込んだ空気をそのまま軸方向に送り出すため、シロッコファン(ブロワファン)や遠心ファンのように高い静圧で風を送ったり、同心円状に風を拡散することはできません。しかし、シンプルな構造と原理であることから、小型でも比較的大きな風量を生み出すことが可能です。
軸流ファンモーターの特性
軸流ファンモーターを含め、ファンモーターの特性は風量と静圧の関係で決まります。これを「P-Q特性」といい、ファンモーターを選ぶ際の重要項目です。ここでは、P-Q特性の概要を説明し、軸流ファンモーターがどのようなP-Q特性を持つのか解説します。
P-Q特性（風量-静圧特性）とは
P-Q特性（風量-静圧特性）はファンがどのような性能を持つかを表すものです。メーカーカタログにはファンの特性を示すために、縦軸にP、横軸にQをとった曲線が掲載されています。Pが静圧（Pa）、Qが風量（m3/min）を表し、Pが最大のときにQが0に、Qが最大のときにPが0になります。P-Q特性はファンの種類によって異なりますが、同じ種類のファンでも型番やメーカーが違えば曲線に差が出るケースもあります。
P-Q特性を理解する上で重要なのが「風量はファンの回転速度に比例する」「静圧はファンの回転速度の2乗に比例する」という法則です。例えば、ファンの回転速度が2倍になると風量は2倍に、静圧は4倍になります。この法則を利用すれば現在の風量と静圧の数値から、目的のP-Q特性図を概算で求めることができます。ただし、回転速度を上げると騒音が大きくなったり、モーターの寿命が縮まったりすることにも留意しなければなりません。
軸流ファンモーターの特徴
軸流ファンモーターの主な特徴は以下の2つです。
風量が多い
軸流式のプロペラファンは、静圧が低い代わりに風量が大きいという特徴があります。風量の大きさは冷却効果に直結しやすいため、機器内部の温度を素早く下げたい場合に最適です。コンパクトで風量が大きいことから、省スペース性と機能性を両立させることができます。
取り付け簡単
軸流ファンモーターは遠心式のファンなどに比べて構造がシンプルなため、取り付けがしやすいのが特徴です。サイズや特性のバリエーションが多く、選択肢が豊富です。
軸流ファンモーターの注意点
軸流ファンモーターには次のような注意点が考えられます。
静圧の上昇が少ない
軸流ファンモーターは遠心ファンモーターと比較すると静圧が低く、ダクトや機器内の抵抗が大きいときに風を送り込もうとすると風量が著しく減少します。外部で強い風が吹くような場所では、気圧の差で給気と排気がうまくおこなわれない可能性もあります。
漏洩磁束が発生する
漏洩磁束とは、モーターの外側に漏れ出している磁束のことです。軸流ファンモーターの磁気回路設計によっては磁束が漏れ出して、センサーなど磁力の影響を受けやすい機器類の誤動作や故障の原因になることがあります。
軸流ファンモーターの用途
冷却用途として
軸流ファンは、さまざまな機器を冷却するために利用されています。洗濯機のような家庭用電化製品、あるいはコピー機・複合機といったOA機器への活用はもっとも身近な例といえるでしょう。軸流ファンは比較的安価ながらも、機器の内部温度を効果的に下げられるモジュールです。
太陽光発電パネルや工業用ロボット、FA先端装置、繊維機械、3Dプリンタなどの産業向け設備・機械においても、冷却用途として軸流ファンが活用されています。太陽光発電パネルの制御部は直射日光の熱を受けて高温になりやすいため、軸流ファンを使用して適切な温度に保つことが必要です。産業用ロボットやFA先端装置、繊維機械、3Dプリンタなども連続使用により制御部が発熱します。軸流ファンにより内部の温度を安定させて正確な制御の維持を図るとともに、内蔵部品の劣化や故障を防ぐことが可能です。
また、データサーバーには二重反転ファンを使用した冷却システムが活用されています。二重反転ファンは直列に配置した異なる２つの羽根形状の軸流ファンがそれぞれ逆に回転し静圧値を高めた直進的な風を発生するようにした高静圧、高風量の空冷ファンです。部品が密集している筐体内に高静圧で大きな風量を送ることができ、24時間体制で稼働するデータサーバーを効率的に放熱します。
医療関連機器である人工透析装置や血液検査装置の制御部にも軸流ファンが組み込まれています。正確で信頼性の高い測定を実現するために、機器内の温度を安定させて誤差が発生しないようにすることが重要です。
以上のように、軸流ファンは多くの機器類の冷却用途で活躍しています。現代社会に欠かせない機器およびシステムが、正常かつ安定して動作するために重要な役割を果たしています。
送風用途・給排気用途として
送風と給排気についても、軸流ファンの用途例は数多くあります。
送風の主な目的は、空気を循環させて室温を平均化したり結露を防止したりすることです。一般空調やビル空調、あるいはHVACシステムにおいて、送風装置として軸流ファンが採用されています。特に工場や体育館などの大きな空間では、エアコンよりも大型送風機のほうが効率的に室内温度を下げられる場合があります。
また、送風によって水分を蒸発させることも可能です。代表的な用途として食洗機やトイレの乾燥機能が挙げられます。高温多湿な日本では送風機能が求められるシーンが多く、さまざまな機器・設備で軸流ファンが活躍しています。
一方、給排気用途においても軸流ファンが幅広く活用されています。一般家屋にある壁付けタイプの換気扇や空調設備から、パソコンを含めた電子機器類、地下駐車場などの地下施設、トンネル工事現場および産業プラントまで、給排気に軸流ファンが用いられる事例は数え切れないほどです。求められる性能の軸流ファンを必要な台数だけ設置すれば、密閉された空間のチリやホコリ、熱、湿気を効果的に取り除くことができます。
このように送風用途と給排気用途の両方で広く活躍している軸流ファンのおかげで、私たちの周囲にある環境・施設の快適さや、機器の安定性および信頼性が支えられています。
軸流ファンの選定方法
ファンを選定する場合には下記の要領で行います。
a） 装置内の発熱量を見積もる。
b） 装置内の温度上昇値を決定する。
c） 必要風量を試算する。
d） 装置内のシステムインピーダンスを推定する。
△P = KQn（Pa）
△P ：低下圧力（m3/min）
K：定数 装置ごとに実測する
Q：風量
N：装置内の空気の流れにより決められる値で、定常流のときn = 1、乱流のとき、n = 2とするが一般的にはn = 2とする。
e） ファンカタログのP-Q特性よりファンを選定する。
f） 装置に実装し、温度上昇を測定する。
例：発熱量300Wのとき温度上昇値 T = 10℃ とした場合
システムインピーダンスを予測し、ファンを選定し、実装運転を行い、温度上昇を測定し、ファンの検討を行う。
軸流ファンの最新技術動向
軸流ファンは原理や構造がシンプルであるため、使用部品や製品精度による性能差が出やすいです。また、各メーカーの最新技術を駆使して開発された軸流ファンもあります。軸流ファンは種類やサイズも豊富で手軽に利用できるため冷却、放熱、排気に最適なモジュールとしての用途はいまだに多く、世界的に見ても当面は軸流ファンの需要は拡大するとみられています。
軸流ファンの最新技術
エネルギー効率と寿命を考慮するとファンにとって軸受けは重要な部品となります。軸受けにはスリーブ、特殊形状の長寿命スリーブ、動圧軸受け(FDB)、ボールベアリングなどがありますがそれぞれ使われる用途で選択されます。例えば比較的安価で低騒音、低振動なものを探しているのであればスリーブベアリングの軸流ファンや長寿命スリーブファンなどが選択肢となります。
長寿命、高耐久性を求めるのであればボールベアリングタイプのファンが選択肢となりますし、低騒音、低振動かつ薄型ファンを探しているのであれば動圧軸受け(FDB)ファンが選択肢となると思われます。また機能性が高められている軸流ファンの例として、耐環境ファンが挙げられます。これらはボールベアリング仕様に加えてPＣＢ基板やステーター部分をポッティングという技術で特殊コーティングし耐水性、防水防油防塵性能を高めているものになります。屋外などの過酷な環境条件下のインフラ設備や耐油性を求められる産業機器用途で利用される耐環境ファンの要望も増えています。
軸流ファンの市場予測
株式会社グローバルインフォメーションの予測によると、軸流ファンの市場規模は2028年に32億1980万USドルまで達すると予想されています。2020年の23億140万USドルを基準にすると約140%の成長となる見通しです。
COVID-19の感染症対策による工場の閉鎖や貿易の禁止といった逆風はありましたが、電子機器、化学、食品・飲料、医療といった幅広い分野で活用される軸流ファンは、今後も高い需要が見込まれています。将来的には人工知能（AI）を活用して、制御性や省エネ性を高めたチップなどをを実装した軸流ファンが登場する可能性もあります。