日系空壓機的節能設計理念_以岩田渦卷式與神鋼螺旋式無油空壓機為例

30馬力 (含) 以下無油式空壓機主要是以渦卷式/往復式空壓機為主, 而30~500馬力空壓機則主要是以螺旋式空壓機為主; 有油式空壓機也是類似. 而這個馬力數範圍內的有油式空壓機採用這些類型的數量則佔約整體有油式空壓機的90%以上, 無油式空壓機在數量上則至少也佔75%以上.

資料來源 : 工研院

從上圖我們可以看到工研院的研究指出, 18kW (25hp) 以渦卷式能效最佳, 而55kW (75hp) 至370kW (500hp) 則以螺旋式為較佳選擇; 我們從實務經驗也發現是這樣沒有錯. 主要原因是螺旋式機體的空氣壓力昇壓是依靠機殼與公母兩對轉子的嚙合, 讓容積從吸入口到排氣緣口越來越小所致; 這中間會有公母轉子間的間隙回漏以及機殼個別與公的轉子/母的轉子間的間隙回漏技術克服問題, 機殼與公母轉子越小, 受限於加工精密技術, 相對間隙會越大, 因此小功率的螺旋式空壓機能源效率會大大降低.

日系空壓機品牌因為專注成為全球領導品牌

日系空壓機品牌的戰略主要多是採用專注聚焦於特定領域爭取成為第一的模式; 例如 :

岩田無油渦卷式空壓機 : 世界最早開發上市, 銷售量與銷售額世界第一.
北越工業移動式空壓機 : Airman品牌為移動式空壓機世界第一, 全球市佔率超過60%.
神鋼螺旋式空壓機 : 世界最盛使用壽命的螺旋式空壓機, 乾式無油雙螺旋式空壓機亞洲第一品牌, 全球前三大品牌.
三國高壓往復式壓縮機 : 鋼鐵與石化行業高壓空壓機暨高壓氣體壓縮機世界前三大品牌.
Mycom冷凍式冷媒壓縮機 : 世界船用冷凍冷媒壓縮機第一品牌.

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或許與生產各式各樣空壓機品牌的總體營收比較起來不是世界最大, 但是為何日系空壓機品牌能夠締造許多領域的世界第一? 我們深入才發現, 因為專注在特定種類與特定領域的日系空壓機品牌, 因為十分了解客戶的需求以及能夠有更多的時間與資源投入更深化的技術開發, 所以能夠成為世界第一或者是特定領域的領導品牌.

我們嘗試用世界使用台數佔有率最高的功率範圍無油式空壓機 : 日本岩田無油渦卷式空壓機以及日本神鋼乾式無油螺旋式空壓機來做說明, 闡述為何日系空壓機品牌在特定機型種類能夠成為高可靠度以及節能設計的空壓機.

日系空壓機可靠度與節能設計

空壓機的製造廠商區分成幾個層次, 不同層次的製造商技術能力截然不同, 因此決定能否在業界居於領導地位 :

組裝工廠 : 採購各種零件部品, 例如 : 採購空壓機機體, 馬達, 變頻器, 熱交換器, 過濾器, 鈑金, 管線…; 然後依據機體馬達協力廠商或者熱交換器廠商的建議匹配後, 組裝起來後販售. (多數中國與印度品牌)
西工加工組裝工廠 : 工廠有能力進行西工類 (油氣桶, 隔音罩以及鋼板類) 加工; 採購空壓機體與其餘零件部品由外部採購, 再組裝成為整機. (台灣與中國部份品牌)
設計加工組裝廠 : 具備機體自主加工能力 (例如 : 透過轉子研磨機廠商的指導可以採購其設備加工轉子與機殼) 但是不具備機體完全自主設計能力. (國產與中國部份品牌)
自主技術工廠 : 基礎材料研究與開發能力 (請參考下圖日本岩田無油渦卷式空壓機高分子密合材料), 機體自主設計開發能力, 精密加工工藝技術以及高度自動化組裝工廠. (多數世界級日系空壓機廠商與少數歐美領導品牌具備此等級)

基礎材料研究開發

岩田無油渦卷式機體密封芯條與機殼金屬材料

渦卷式機體動渦卷與定渦卷齧合精度控制在與頭髮粗細相當的間隙, 因此渦盤的金屬材料必須耐受乾式壓縮的高溫不變形; 動渦盤與定渦盤盤面的磨合仰賴密封芯條, 密封芯條的材質與設計為維持持續節能不回漏, 特殊專利設計與專利材料可以在磨合損耗的間隙透過自動伸展膨脹維持在最佳間隙. 同樣地, 即使是岩田無油往復式空壓機的活塞也是研究開發類似技術, 讓高分子密合材料製作的樹脂活塞能夠自動舒展來彌補活塞環與氣缸壁磨耗的間隙, 並設計雙段壓縮的設計讓能效大大提昇 (請參考下圖).

神鋼乾式螺旋式機體轉子與專利塗層

使用專利塗層與特殊鋼材質取代常見較不耐高溫與水氣的塗層與碳鋼, 並將塗層的厚度控制在50條以內, 比一般的100~130條精密; 運轉過程中, 專利塗層與特殊鋼結合不容易受到壓縮過程產生的高溫與水氣影響而剝落 (參考下列右圖), 與一般設計剝落產生的間隙不僅讓效率衰減超過15%以上, 更容易造成轉子鏽蝕損壞. 這就是為什麼日本神鋼乾式無油雙螺旋式空壓機的機體第一段壽命可以超過9年, 第二段機體壽命可以超過6年 (以年運轉8,000小時為基準) 的原因.

極簡整機設計降低各種損失

岩田無油渦卷式空壓機整機系統

神鋼乾式無油螺旋式空壓機整機設計

空氣管路與彎頭設計採用預鑄精密表面粗度與最小壓損的角度設計, 並且讓管徑以及長度壓損最小化設計; 減少不必要的長度與彎頭也自然提昇整機效率.

協同或自主設計不耗電部品能效降低耗電部品功率

以自主開發高效熱交換器與風扇扇葉以減少風扇功率

不耗電零件部品的設計優化以及高效率畫開發設計, 讓搭配的耗電零件部品採用相對可以達到一定水準功能的系統的功率降低, 達到持續節能的目標; 同樣地, 日本岩田無油渦卷式也是採用相同的技術, 讓節能極緻化 (請參考岩田無油渦卷式空壓機整機系統圖的設計) !

選用低損耗的零件部品並採用高效基準的匹配技術

日本岩田無油渦卷式空壓機採用三菱電器部品以及東芝高效能電機, 並且與廠商偕同開發各式過濾器與熱交換器尋求單一部品的高效化, 並且尋求機體與電機以及控制系統的優化!

日本神鋼採用安川電機與變頻器, 長期合作尋求與機體啟動, 運轉以及廷機過程的最佳可靠/節能曲線, 各種自主設計的控制邏輯以及低損耗部品, 用最穩定可靠以及最節能的單一部品, 加上匹配技術讓節能成為基因!

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