概述
科研實驗室的空壓機系統主要用於提供潔淨、穩定的壓縮空氣，以支持各類實驗設備、氣動工具和控制系統的運行。良好的空壓機規劃能確保實驗精度、安全性及設備壽命。另外一方面，運轉噪音也是不容輕忽的重要因素，因為科研實驗室通常位在育成中心、廠辦大樓或者是科技廠辦，運轉噪音過高不僅影響實驗動物的穩定性，更會干擾科學家或研究人員的專注度與身心健康；甚至導致鄰居或隔壁機構的申訴抗議，影響正常營運。
空壓機系統需求分析
在規劃空壓機系統前，需要評估以下因素：
- 應用需求：確定壓縮空氣的用途，如氣相色譜（GC）、質譜（MS）、細胞培養、氣動閥控制、乾燥或腔體形成正壓避免粉塵或異物維持乾淨…等。
- 氣源品質：
o 潔淨度：是否需要無油空氣壓縮機或額外的多道過濾設備；包括：固態顆粒與油氣含量要求。
o 乾燥度：壓縮空氣大氣露點或壓力露點要求（例如：-40°C 露點或更低）；在生技製藥實驗室甚至會要求動態檢測微生物結果規格。
o 壓力穩定性：壓力波動是否影響實驗結果。 - 用氣量：
o 計算所有設備的總用氣量（L/min 或 m³/h）；同時精算經常性用氣量與高低峰用氣量。
o 預留未來擴展的餘量（通常額外增加 20-30%）或擴充的空間以及機電管路接入預留彈性。 - 環境條件：
o 實驗室空間限制、通風條件及噪音影響。
o 供電需求及電力可用性。
空壓機選型
無油空壓機（適用於高潔淨要求，如生技醫療、半導體或高科技光電電子實驗室）；優勢：從源頭就無油污染，符合潔淨空氣標準。缺點：成本高，相同機種產氣效率相對於有油式空壓機較低。科研實驗室通常會建議採用無油式空壓機，依據需求選擇適合的空壓機類型：
- 活塞式空壓機（適用於間歇使用；運轉機構如上動畫）：
o 優勢：價格低、維修簡單。
o 缺點：噪音大、震動大、含油量較高。 - 螺旋式空壓機（適用於長時間運行；半導體研發機構的大型實驗室可以考慮）：
o 優勢：噪音較往復式低很多但是教渦卷式高出不少、壓力穩定、壽命長。
o 缺點：價格較高，需定期保養且維護保養耗材成本較高。 - 無油渦旋式空壓機（適用於中小型精密設備；運轉機構如下動畫）：
o 優勢：體積小、無油、噪音低；在22kW以下為能效最高機種。
o 缺點：氣量相較於螺旋式較小，1~5小馬力非常適用於分散式配置應用，7.5~30馬力則適合應用於中央供氣應用。
輔助設備與管路規劃
- 過濾與乾燥設備：
o 初級過濾器：去除固體顆粒及水分（5μm 過濾）。
o 精密過濾器：去除細微油霧及雜質（0.01μm 過濾）。
o 冷凍式乾燥機：將露點降至 3°C 左右。
o 吸附式乾燥機（如有低露點需求，如 -40°C）。 - 儲氣桶：
o 減少壓力波動，提升系統穩定性。
o 容量建議為空壓機產氣量的 20-30%並且必須考慮其材質與表面處理要求。 - 管路材質選擇：
o 不鏽鋼管：適用於高純度需求（如半導體、實驗室）。
o 鋁合金管：重量輕、安裝方便，適合一般應用。
o 銅管：適用於醫療氣體，但成本較高。 - 管路佈局：
o 環狀設計：如果場所格局較大且總管長較常為了達到壓力均勻，減少壓降，環狀設計是最佳的設計配置；但是因為環狀設計成本較高，如果總管長並非很長 (須依據流速壓損計算)，則必須謹慎設計管徑大小。
o 末端調壓閥或增壓機：調節不同設備所需壓力。為降低系統壓力節能，有時也會採用增壓機來提高局部用氣壓力，但是不建議使用耗氣量極大的增壓缸 (噪音與耗氣比較如下影片)。
o 排水系統：設置自動排水閥，避免積水影響設備。
增壓缸與增壓機運轉能源消耗(節能)比較
增壓缸與增壓機運轉噪音比較
安全與維護
- 安全措施：
o 定期檢查壓力安全閥與壓力開關作動是否正常，避免超壓運行。
o 設置過載保護裝置，防止電機過熱。
o 空壓機房需具備良好通風，避免高溫影響效率；建議年平均溫度不要超過攝氏30℃並設計冷空氣流入與熱空氣排出的自然通風或強制進排風設計。 - 維護保養：
o 依據空壓機原廠建議，定期更換進氣過濾器濾芯、機體軸承黃油及密封件。
o 每年檢測乾燥機與儲氣罐內部狀況，確保系統正常運行。
o 監測管路洩漏，降低能耗。
案例與應用
實驗室類型 推薦空壓機類型 壓縮空氣品質要求
化學分析實驗室 無油渦旋式空壓機 高潔淨、低露點、穩定供氣及低噪音
物理研究實驗室 螺旋式空壓機 穩定供氣、低噪音
生物醫學實驗室 無油渦卷式空壓機 高潔淨、低露點、穩定供氣及低噪音
半導體實驗室 無油式空壓機 超高潔淨度與低露點要求、穩定供氣
結論與建議
科研實驗室的空壓機系統規劃需根據實驗需求選擇適合的設備，並搭配適當的過濾與乾燥裝置，以確保壓縮空氣的品質與穩定性。此外，合理的管路設計與維護計畫有助於延長設備壽命，提升實驗效率及安全性。
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