多模組無油渦卷式空壓機服務保養時間跨距與成本解析

最近接到南部一家客戶要求到其空壓機房檢測其無油式空壓機,想要瞭解是否需要做任何保養以及機器狀況;由於當初建置是由機電工程公司統包,工程結束之後並沒有專業服務廠商跟上做定期巡檢與保養,我們只獲得該設備已經運轉四年多且全年幾乎沒有停機,只有少數時間讓兩台 15HP 的無油往復式空壓機的備機啟動運轉避免長時間沒有使用產生問題。

原先獲得的訊息是 30HP 水潤滑無油式空壓機乙台搭配兩台 15HP 無油往復式空壓機 (較老舊的備機),當我們抵達客戶機房時發現實際是一台幾年前跟著工程整包進來的 岩田多模組無油渦卷式空壓機 一台 (為確保客戶現場照片保密,以下8模組無油渦卷式空壓機並非客戶機器)。

各種類無油式空壓機機體服務保養跨距比較

如果我們以本案例中的30hp無油式空壓機做比較基準,針對各種類 (乾式多模組無油渦卷式、水潤滑單螺旋式以及乾式雙螺旋式空壓機) 來做比較,我們大約就可以看出各種類無油式空壓機的主要保養費用_更換無油式機體的服務跨距時間長短與平均年費用了。

在此之前我們必須特別說明,無油式空壓機機體使用壽命達到一定時間 (當然必須參考客戶使用環境狀況條件) ,國際歐美日品牌的做法是更換機體,主要原因是大修機體後並無法確保能效與實際產出風量。國內許多品牌或服務修理商提出可以針對無油式機體大修更換軸承…等作法,除了無法保證大修後的能效或實際排氣量之外,後續的使用壽命也是無法保證的 (通常保固半年) ,因為以我們代理服務的日本神鋼螺旋式空壓機而言,軸承的型號與排列順序都是有一定要求且會影響機體使用壽命的 (低油耗螺旋式為例)。

岩田多模組無油渦卷式空壓機機體更換

這邊特別註明日本岩田係因為其機體壽命是業界最長的 ≧ 30,000小時,與國際其他品牌的20,000小時以及國內品牌宣稱的確保 ( ≦ ) 20,000小時情況不一樣,因此特別註明此處的比較是本次客戶的品牌機型為比較基礎。我們看看該台空壓機實際的運轉狀況數據如下:

總運轉時間 (照片左上角) 29,611 小時、各機體模組運轉時間12,602小時;四年多整機運轉將近 30,000 小時,平均一年空壓機任何一個模組啟動運轉時間約 7,000 小時。由於岩田多模組無油渦卷式空壓機機體模組設計採用均等磨潤設計,也就是說每個模組的啟動運轉時間會由控制器紀錄並確保運轉時間差異小於1小時,機體模組運轉時間達到 30,000小時 (含) 以上需要進行機體更換保養。

以上面的實際運轉工況計算,在現場設備沒有在增加用氣量的情況下,預估機體更換時間會是在10~12年左右。國際品牌無油渦卷式空壓機機體更換約在6~7年左右更換機體,而台灣國產品牌由於剛第二次上市 (2016年第一次上市,2018年第一次下市) 而與大陸品牌相同暫時無法評論。

但是針對無油式空壓機來看,無油渦卷式空壓機的能效與風量雖然較無油往復式佳;不過相較於無油螺旋式空壓機,雖然 25HP 以下能效無油渦卷式優於無油螺旋式,但是排氣量的確是比較小,這點也是必須承認的。

另外一點是多模組無油渦卷式的優點是只要多1到2個模組就能夠不需要像單機體空壓機一樣需要額外備機,但是請留意一點就是如果規劃的多模組無油渦卷式空壓機面對規劃需求風量會使用較多模組,或者說能夠休息待機的模組越少,總運轉時數與各模組運轉時數會越接近,當然上述的優勢就會變得不是那麼明顯,這時候乾式雙段無油螺旋式空壓機的優勢就會相對變明顯了!

資料來源:工研院研究報告

水潤滑無油螺旋式空壓機機體更換

水潤滑無油螺旋是空壓機有三類,第一類是以日本三井為代表的單螺旋水潤滑無油式空壓機,其機體更換壽命是運轉啟動時間 (不論空重車) 約為48,000小時;另一類是目前在國際上由Refcomp集團開發出來的雙螺旋水潤滑空壓機 (不帶齒輪) ,其機體更換壽命是運轉啟動時間 (不論空重車) 也是約為36,000~48,000小時各家不等。

第三類是目前台灣與大陸的品牌,為節省機體開發成本針對不同壓力或馬力數使用相同Frame的機體,採用增速齒輪設計,宣告可以針對機體做大保養半永久使用 (尚未得到驗證其修理後效率與風量狀況);但是由於齒輪箱油如何確保不滲入機體壓縮腔內部一直是國際品牌只有少數能夠有的技術,防止齒輪箱油滲入機體的技術可靠度有待確認。通常其機體更換軸承等大保養時間宣稱約為 18,000 ~ 20,000 小時不等。

如果以上面的客戶案例的實際運轉時數為基礎,且先以運轉時數而不以幾年先到者來看,水潤滑無油螺旋式空壓機機體更換 (或者是大保養) 如下:

  1. 日本三井單螺旋水潤滑:約 6.5 年左右需要更換機體。
  2. 國際品牌雙螺旋水潤滑:約 5 ~ 6 年左右需要更換機體。
  3. 大陸與國產帶齒輪雙螺旋水潤滑:約 2.5 年左右需要做機體大保養,但是無法確認機體能效與實際排氣量,也比較無法確認齒輪箱油不會滲入壓縮腔體內。

乾式無油螺旋式空壓機機體更換

乾式無油螺旋式空壓機也是有區分成兩類,第一類是雙段設計,第二類是單段設計 (能效較差)。目前乾式無油螺旋式空壓機主要是以歐美日品牌為主,因為乾式壓縮的技術層次相對較高且雙段控制齒輪組潤滑油不滲入機體壓縮腔的技術也有各種專利與技術能量,只有少數國際品牌能夠設計生產機體。

乾式無油螺旋採用單段 (一級壓縮) 設計在低壓 3 Bar (含) 以下是不錯的想法,但是如果要產出壓力更高的壓縮空氣氣源,會因為非接觸壓縮過程壓縮比過高而產生回漏大大降低壓縮效能,由於本案例係需求 6 ~ 7 bar 操作壓力 ,所以我們以乾式雙段螺旋式空壓機為主要說明標的提供比較如下:

  1. 日本神鋼乾式雙段無油螺旋式空壓機 (請參考下圖):第一段機體運轉使用小時數為 72,000小時 (含) 以上,本案例約10年更換第一段機體;第二段機體運轉使用小時數為48,000小時 (含) 以上,本案例約6.5年更換第二段機體。
  2. 其他歐美日國際品牌乾式雙段無油螺旋式空壓機:第一段機體與第二段機體運轉使用小時數均為48,000小時 (含) 以上,本案例約6.5年更換兩個機體。

看起來好像日本神鋼乾式雙段螺旋式空壓機第二段機體與日本三井水潤滑單螺旋式空壓機更換機體壽命時間差不多都約6.5年,其中最主要需要留意的是水潤滑單螺旋式空壓機機體需要較穩定的壓力供應工況與合格潤滑水水質,如果選型不佳或者用氣壓力工況起起伏伏則容易讓機體電木磨耗較大 (水潤滑單螺旋多是如此) 而讓效能有較大幅度衰減,而如果採用的水質不佳 (例如 : 部分地區抽用地下水供應工廠用水) 則機體壽命也會縮短。不過整體而言,日本三井水潤滑單螺旋無油式空壓機相較於其他大陸或台灣品牌壽命還是好很多。

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為何商用型往復式空壓機只適用對應實驗室單一台輕負荷精密儀器設備?

最近與採用商用型無油往復式空壓機供氣給整個實驗室使用的客戶交流,客戶對於其去年購買的商用型無油往復式空壓機噪音越來越大的問題感到困擾;其實客戶通常無法衡量風量的狀況,要不然應該也會同時感受到風量衰減的情況,而還以為是自己的管路洩漏 (部分原因當然也是因為管路洩漏)。我們如果單純從商用型無油往復式空壓機的使用指南就能夠發現,該類型空壓機運轉20~40分鐘後必須停機15~30分鐘 (多數大陸製機體馬達採用鋁鍍銅馬達绕組情況會變更差) 讓機體溫度冷卻後才能再繼續啟動運轉使用,見下表。

我們想要先用工業型往復式空壓機機體結構,簡單地方式來說明為何無油往復式空壓機運轉一陣子之後噪音會越來越大?風量會越來越小?然後再進一步比對工業型往復式與商用型往復式的差異,了解商用型往復式衰減的情況又會比工業型往復式更大的原因,就會吃到為甚麼商用型無油往復式空壓機適合對應單一台實驗室精密儀器設備,而岩田無油渦卷式空壓機與無油往復式空壓機則適合實驗室或藥廠或IC品質設計驗證中心集中供氣配置的方案

工業級無油往復式空壓機的磨損影響

工業級往復式空壓機的活塞連桿組立

無油往復式空壓機體運作原理

當活塞連桿組立透過皮帶輪及皮帶與馬達皮帶輪及馬達傳動,運轉的時候就會像上圖一樣讓活塞 (有活塞環與壓縮環) 與氣缸壁上下作動壓縮吸入的大氣,並產生壓縮空氣。但是隨著壓縮熱的高溫與活塞氣缸壁的磨損,活塞與氣缸壁之間會產生間隙,如下圖。

當間隙產生之後,活塞與氣缸壁還是會持續上下來回作動運轉,可是間隙會越來越大,到達一定程度如果沒有維護保養,就會讓活塞與氣缸壁上下來回作動的時候變成不是垂直上下作動,而是活塞變成傾斜吃到兩側氣缸壁的孤邊,上去與下來時吃到的孤邊會反過來,而會產生金屬局部碰撞的狀況,噪音會越來越大,如下圖。

另外一方面,隨著活塞與氣缸壁的間隙越來越大,打算往上壓縮至排氣閥排出風量的部分壓縮空氣會沿著間隙回漏到下方的曲軸箱,壓力越大與間隙越大都會讓回漏越來越嚴重,實際排出給實驗室內設備裝置應用的壓縮空氣風量就會明顯衰減。

有些工業級無油往復式空壓機的品牌為減少因為活塞與氣缸壁磨損產生間隙對於運轉噪音與風量衰減的影響,而設計了二段式壓縮的機體;因為每一個機體的壓縮比變小,所以回漏也會變小,如下圖。

而岩田工業級無油往復式空壓機除了採用上述的二段式壓縮設計之外,另外也設計可以自動補償活塞與氣缸壁磨損產生的間隙,採用專利高分子密合樹脂活塞讓間隙產生時,活塞會自動膨脹補償磨耗掉的間隙,請參考下圖。

更進一步,壓縮熱的高溫也是讓磨耗變大的因素,岩田無油往復式空壓機除了第一段冷卻採用機體皮帶輪風扇之外,另外也設計第二段他力強制冷卻風扇,在停機時仍舊強制冷卻15~20秒以降低機體的內部磨耗,請參考下面照片。

岩田工業級無油往復式空壓機雖然相較於其無油渦卷式空壓機在運轉噪音、能效與耐久程度低;但是相較於其他工業級無油往復式與商用型無油往復式空壓機,則持續較低運轉噪音與維持高能效風量的績效是好很多的。接下來我們就在進一步看看商用型往復式空壓機為何噪音與風量衰減的更快的原因!

商用型往復式空壓機振動噪音與風量快速衰減原因

商用型無油往復式活塞連桿組立結構

我們如果比對本篇分享一開始的圖片,會發現幾個商用型無油往復式空壓機間隙產生之後衰減會加劇的原因。其中就是商用型無油往復式空壓機的活塞長的並不像工業型往復式活塞是圓柱體,而是像一個較大的硬幣一樣。商用型對於活塞與氣缸壁的加工通常採用鋁壓鑄之後粗銑幾刀就套上類似O型環的襯套在活塞上充當活塞環,經過較粗表面的摩擦很快會將襯套磨損,間隙一產生時:

  1. 活塞在氣缸內上下來回作動的傾斜幅度會變大,甚至會造成卡死。
  2. 活塞與氣缸壁傾斜幅度較大也會讓間隙變得更大,壓縮空氣回漏的量會更多。
  3. 由於馬達與機體相連再一起且沒有任何風扇散熱,高溫會讓磨耗更加快速,請參考下圖結構。

這也就是為甚麼商用型無油往復式空壓機在運轉一定不長的時間之後,振動噪音會越來越大,風量會越來越少的原因!也因此商用型無油往復式空壓機對應單一台輕負荷精密儀器設備時是適合的,但是集中供氣配置或者是對應單一台負荷稍微高一點的精密儀器設備或實驗室設備則還是選擇工業級無油渦卷式空壓機或者噪音振動影響不是關鍵時選用工業級無油往復式空壓機較為合適!

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科研實驗室空壓機系統有哪幾種配置設計方式?

科研機構 : 新藥實驗室, 半導體研發中心或IC品質設計測設中心需要的空壓機系統通常會因為實驗或測試任務的不同以及精密儀器設備是否是經常性使用而需求不同;例如:我們曾經有 IC Design House 客戶針對每一台IC測試設備提供一套小型的空壓機(馬力數太小低於1馬力的通常是商用型空壓機),客戶使用的情形是部分測試儀器的空壓機系統持續打個不停超過20~30分鐘導致空壓機過熱自行停機休息15~20分鐘 (工作也就停擺),有的空壓機則閒置時間較多。每一套空壓機系統間則必須另外設計管路來連結,並以壓力差來控制誰為主機? 誰為副機? 管路距離造成的壓差又讓每一台空壓機偵測的操作壓力處於震盪狀態….結果所有空壓機在公司內全部打打停停,最後又關掉連結。

不同位置的空壓機系統透過管路與關斷閥進行連結,如果沒有一致的系統壓力偵測點作為共同基準作為控制啟停的依據時,每一套空壓機系統偵測到的壓力會因為接入與鄰近的管徑,壓損與使用氣量的區域變化會有所不同,因此會造成不同位置的空壓機壓力偵測處在一個不穩定的狀態。

例如:當A位置空壓機偵測到壓力不足時啟動,B位置空壓機也同時啟動而氣源會在管路內形成打架的脈衝,A位置空壓機可能馬上偵測到壓力湧升而停機…..等類似情況。不僅造成不同位置的空壓機系統起停頻繁容易故障,也導致啟動電力增加而浪費電能;更重要的是持續的壓力脈衝湧浪現象也可能損害到精密儀器設備。

因此,我們通常認為新藥實驗室或者是IC品質設計測試中心的潔淨乾燥壓縮空氣系統可以依據下列工況選擇不同的配置方式 :

  1. 操作壓力 (Working Pressure) 需求特別低或特別高的精密儀器設備可以採用分散式供氣:通常需求壓力 < 3.5 bar 以下或者 > 8.0 bar 以上,可以考慮獨立的無油空壓機系統供氣。
  2. 壓縮空氣品質差異性很大時:例如,有些需要極低的壓力露點 < -40℃;而大部分只需要到壓力露點5℃左右。則可以給一套小型獨立的低露點無油渦卷式空壓機,或者是在進入該應用區域的管路前加裝小型吸附式乾燥機與精密過濾裝置。必須考慮的是空壓機系統的儲氣桶與乾燥機等裝置會排水、位置放置何處才不會污染該區域的空氣品質條件也是必須講究的。
  3. 用氣量小且需要供氣負荷較小時:有些實驗室只有一套或兩套、每套用氣量<30L/min.且只需要準備足夠的儲氣桶打個三、五分鐘就能夠停機提供供氣使用好幾分鐘時。
  4. 經常需要與實驗精密儀器設備移動使用時:有些精密儀器設備可能是公用的,而為避免使用的場所沒有相關氣源或符合壓縮空氣品質的氣源,則採用單獨小型的空壓機系統也是較合宜的。

個別精密儀器設備分散獨立供氣方式

上述的幾個情境我們通常會建議就可以直接使用商用型的無油往復式空壓機或隔膜式空壓機 (類似下圖的機構構造) 來應對即可,因為這類的商用型無油式空壓機還是具有移動方便、價格便宜以及佔地空間小的優點。

但是如果實驗室的耗氣的精密儀器設備數量較多的時候,上述的優點就會逐漸消失。例如:實驗室有三台以上需要耗氣的精密儀器設備的話,就可能需要準備兩套以上的商用型無油式空壓機;四台或五台儀器設備,則可能需要準備三套或四套以上的商用型無油式空壓機。不僅新機構置成本預算連帶保養費用也會增加、總佔地空間可能超過集中供氣系統機房佔地面積、事實上整個實驗室已經佔有一定基礎的持續用氣負載。

新藥實驗室或藥廠集中供氣配置方式

每一類型實驗室或者是實驗室每一個區域的壓縮空氣品質需求不見得都一樣,因此在冷凍式乾燥機後面的0.01um的過濾器之後可以依據實際需求,在進入該區域之前配置合適的各種乾燥裝置或過濾裝置,以求達到空氣品質規範又能夠節省成本。

由於實驗室各個區域的作業時間需求不同,也因此可以在每個作業區域安裝該區域主管路入口的關斷閥,在下班前或者是知道不需要再用氣一段時間前先行關斷,以避免管路接頭或設備內部有洩漏時讓空壓機系統一直運作,以達到節能的目的。

這樣的集中供氣配置方式可以節省不少的佔地空間與配管的工程,如果目前使用分散式空壓機系統配置且使用多台空壓機來應對不同設備或不同區域時。

採用集中供氣配置的方式對於實驗室還有一個優點,那就是空壓機、乾燥機或儲氣桶其實是需要排水的,與實驗室無塵室區域隔離開可以避免排水或洩放時汙染空氣品質

集中供氣最大的優點是節省資本支出與維持較小的佔地空間; 當然, 通常多數集中供氣需要備機的設計,但是日本岩田多模組無油渦卷式空壓機7.5馬力以上機型就有雙模組到多模組的設計,一台空壓機也能夠免去需要備機的困擾以及透過模組均等磨潤控制延長服務時間跨距,是目前在日本深獲採用的原因之一。

岩田實驗室空壓機(系統)的種類

岩田無油式空壓機是日本新藥實驗室及高科技實驗室第一品牌,應用在分散式空壓機系統配置的空壓機種類有 :

而在新藥實驗室、半導體研發中心與IC設計品質設計測試中心,應用在集中供氣配置的空壓機系統空壓機種類有 :

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簡單創造安心:由岩田往復式與渦卷式無油空壓機機構複雜度比較

簡單 Simplicity"讓很多人事物透明"安心 Peace of Mind",而這個近乎常識的原理準則是放諸四海皆準。日本岩田在中小型工業級30馬力 (含) 以下的無油渦卷式空壓機國際市場佔有領導地位,尤其是20馬力 (含) 以下工業級無油渦卷式空壓機市場更是所有工業級無油式空壓機的第一品牌!

日本岩田無油式空壓機在將近95年前就因噴槍事業需要高度潔淨的壓縮空氣品質找不到可以滿足對應的空壓機而苦惱,為了讓噴塗系統能夠展現極佳的品質呈現給客戶開始了於1928年自主研發1937年開始自製小型無油式空壓機,並於1991年開發上市世界第一台無油渦卷式空壓機的道路。至今,在許多國家的應用上,日本岩田無油渦卷式空壓機已經成為新藥實驗室, 醫療院所, 以及半導體IC設計品質測試中心的第一品牌!

第一台單段無油往復式空壓機 (1937年)

第一座空壓機工廠 (1940年)

第一台雙段無油往復式空壓機(1960年)

世界第一台無油渦卷式空壓機(1991年)

無油渦卷式空壓機銷售量逐漸超越無油往復式?

日本岩田空壓機在30馬力以下中小型工業級無油式空壓機一直是世界前三名的位置,而無油渦卷式空壓機更是長年穩居世界第一的地位。然而,從岩田內部來看,無油渦卷式空壓機的出貨量卻逐漸往超越無油往復式空壓機的趨勢前進。主要原因是跟下列幾個因素有關:

  1. 岩田無油渦卷式空壓機超靜音程度大大贏過岩田無油往復式空壓機的運轉噪音:往復式空壓機本身的運轉噪音就比較高,加上往復式運轉噪音屬於低頻音,穿透力強且可以傳遞甚遠。以五馬力空壓機而言,岩田無油渦卷式空壓機噪音值49分貝 (其他品牌接近58~62分貝) 較岩田無油往復式空壓機的53分貝低,但是往復式的低頻音可以穿牆也能夠傳遞更遠。因此對於噪音要求較高的日本雖然都符合法令,工廠還是盡量選擇渦卷式。
  2. 無油渦卷式空壓機的簡單比較無油往復式空壓機的複雜:無油往復式空壓機的機構設計複雜程度相較於無油渦卷式空壓機高出許多,因此讓機器的穩定度與維護保養難度提高不少。多數客戶也因為妥善率較高以及維護保養較簡單而逐漸捨棄使用多年的無油往復式空壓機!我們先看看下兩張圖關於無油往復式空壓機的BOM表呈現的機構複雜度 (機體與整機),然後再來看看無油渦卷式空壓機的BOM表呈現的機構簡單俐落程度。

往復式空壓機機體與整機的機構複雜程度

五馬力無油往復式空壓機機體

五馬力無油往復式空壓機整機

無油渦卷式空壓機機體與整機的機構簡單化

五馬力無油渦卷式空壓機機體

五馬力無油渦卷式空壓機整機

實驗室常見的有油螺旋式空壓機機構

依據工研院的研究呈現,每一種種類的空壓機都有其最適用的範圍,例如 : 25kW以下是以渦卷式空壓機能效最佳,而無油螺旋式空壓機則是以55~150kW是能效的範圍! 如果再考慮是否有油與無油,有油螺旋式空壓機為處理潤滑油的次系統運作,多出了相當多數量的零件部品 (請參考上圖),讓使用時必須更留意各種關於油路系統的狀況!

漏油與油氣汙染堵塞精密儀器是最大困擾

有油式空壓機在實驗室應用最大的問題是漏油與潤滑油氣造成汙染堵塞精密儀器以及實驗室空調密閉空間的空氣品質;其次,必須經常檢查是否有失油,是否有潤滑油乳化現象,以及何時應該更換各種潤滑油相關零件部品…都是實驗室空壓機系統使用上的困擾! 當然,國產10馬力 (含) 以上微油螺旋式空壓機運轉噪音62~75dB(A)也是使用上的困擾。

簡單是創造安心的先決條件!

未來服務工業經營團隊俱備空壓機系統產業30年的實務經驗,也理解岩田空壓機有各種型式種類,品質也是國際相當受到肯定的系列;即使是工業級無油往復式空壓機也比其他品牌渦卷式空壓機還要靜音可靠。但是基於 “誠心讓客戶安心" 的經營理念而選擇了岩田無油渦卷式空壓機作為推進台灣市場的關鍵產品載具,因為 “簡單" 也因為 它能夠讓客戶與我們 “安心" !

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實驗室設備需要壓力5 bar (含) 以上且須持續供氣時該選擇何種空壓機?

實驗室空壓機依據產業行業會需要無油式空壓機或者是有油式空壓機,也有依據實驗室儀器設備是否需要持續運轉供氣會需要工業級空壓機或者是商用型空壓機,更重要的是需求的壓縮空氣壓力是否能夠滿足應對實驗室設備的要求。尤其是新藥實驗室特定設備 (例如 : 造粒機) 有時候會需要使要確保壓縮空氣品質無油無污染,而壓縮空氣操作壓力 (Working Pressure) 需求超過 5 kg/cm2G (6 bar) 且需要持續供氣時,往往涉及到實驗設備能否順暢運轉作動,更涉及實驗時程與成果是否受影響!

DIY或商用型無油式空壓機適用工況

每一種型式空壓機存在都有其適合的地方才會存在,新藥實驗室空壓機也是如此. 實驗室某些精密儀器與設備因為需求的操作壓力較低 ( ≦ 5 bar ) 或是使用供氣 ≦ 30分鐘。實驗室精密儀器設備這樣的需求工況則只需要使用 DIY型式 (隔膜式或稱搖擺式) 或者是商用型的無油式空壓機 (往復式;商用型機體結構請參考下圖) 就能夠滿足應對。

商用型無油式空壓機有其適用的條件 (使用壽命長短則必須要求廠商提供維護保養週期表來確認機體與整機壽命),通常可以多機體組合成更大輸出風量,但是使用條件與應用工況幾乎差不多像下列限制 :

  1. 壓力最好在5 kg/cm2G以下 ( 5 bar ):宣稱5.5 bar (80 psi) 為設計基礎的空壓機當然可以免強打到7.0 bar (100 psi),這僅限於短時間或瞬間可能可以達成,但是持續運轉可能無法超過一定分鐘數。主要原因是因為活塞 (上圖上方兩側如銅板的機構與讓像銅板的活塞上下活動的氣缸並無法承受較高的壓力。
  2. 持續運轉供氣 < 30分鐘以內:開啟電源使用30分鐘必須停機15~20分鐘休息,當過熱時 (機體溫度可能超過攝氏70℃) 必須立即關閉電源 (須留意避免燙傷)。

操作壓力 ≧ 5 bar & 持續不停運轉 ≧ 4 hrs 解決方案

以上條件工況下的無油式實驗室空壓機,通常需要採用結構設計較耐久可靠的工業級設計的空壓機;對於新藥實驗室而言,工業級雖然可以持續運轉,但是大多數的工業級空壓機噪音值往往高於55dB(A),而影響到實驗室科學家與研究工程師,實驗性動物以及實驗室前後左右鄰居的寧靜環境。

下列的條件對於新藥實驗室有一定的重要性 :

  1. 國際認證百分之百無油認證:確保壓縮空氣品質有多少保障,以免汙染物影響實驗結果;壓縮空氣不會產生化學潤滑油氣,讓密閉空調空間空氣品質受到影響。
  2. 超低運轉噪音須 < 55分貝:實驗性動物受到噪音干擾會變得焦躁讓體內分泌過量賀爾蒙影響實驗結果、科學家與研究助理受到干擾而分心甚至影響身心健康、鄰居受不了噪音干擾而申訴或檢舉造成營運困擾 (岩田無油渦卷式空壓機1~5馬力噪音值約41dB ~ 49dB)。
  3. 適合中央集中供氣給整個實驗室:工業級無油式空壓機通常不適合採用移動式的設計, 因為補氣速度快且供氣穩定可靠,非常適合新藥實驗室的中央集中供氣模式!
  4. 佔地空間相對小:從一馬力的 355x590x690mm 至 五馬力的 545x622x1058mm標準內置不銹鋼空氣桶,並可選配內置冷凍式乾燥機。

妥善率不能妥協外, 實驗室空壓機只有適合不適合

壓力較低、負荷較輕以及使用持續供氣時間較短的工況,選用商用型無油式空壓機是一種可行的選擇。

操作壓力需求最小 5 bar (含) 以上、負荷較重且使用持續不停運轉供氣超過4小時 (含) 以上,則選用工業級無油渦卷式空壓機則是非常適合的選擇。但是並非所有的無油渦卷式空壓機噪音都很低、也非壽命都很長、更非妥善率都很高!

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新藥實驗室如何安心輕鬆地使用好的無油式空壓機系統?

一套無油式空壓機如果使用10年, 使用這一套無油式空壓機的成本費用結構大約是 : 新機購置成本佔10%~20%, 營運費用 (電費) 約佔70%~80% 以及維護保養費用佔比約為7%~15% (通常有油式空壓機購置成本約佔10%, 維護保養費用約15%).

由於日常營運費用是每2個月收取電費, 因此多數人並不太能夠知覺到其對於一套空壓機整個使用的生命週期中其實花費相當多的費用; 甚至高達一套新機的5~7倍的金額. 如果一套實驗式空壓機的TCO (Total Cost of Ownership) 生命週期使用成本是100元, 營運費用是70~80元; 十年的期間每兩個月收費乙次, 所以總共收取60次, 每次是1.15元~1.33元, 感受因此不會那麼強烈而受到忽略!

小型空壓機最合適的空壓機種類

依據工研院機械所的研究發現, 25馬力 (含) 以下最適合且能效最高的空壓機種類是渦卷式空壓機; 目前空壓機由於新機購置成本的原因, 15馬力 (含) 以下多會採購往復式空壓機而較忽略未來的運轉電費, 而20馬力 (含) 以上則多會被促進採購螺旋式空壓機而忽略維修保養費用與未來運轉電費.

GoUseAir以租代購服務方案如何安心輕鬆使用?

未來服務工業提供實驗室空壓機客戶GoUseAir以租代購服務方案, 客戶在簽約的四年期間定期支付固定的租金, 租金內含維護保養與工資費用就可以不需要分心評估維護保養申請, 也不需要另外讓總務或工務人員產生負荷. 也就是說, 上述10%~20%的新機購置成本與7%~15%的維修保養費用都在租金保護傘所涵蓋. 如果我們也用租用十年來看, 使用GoUseAir以租代購的客戶不需要負擔資本支出資金成本 (利息), 不需要負擔維護保養耗材與零件部品費用, 也不需要負擔工資費用, 是一套空壓機使用生命週期成本費用的25%左右.

更重要的是, 四年合約期滿可以再選用能效更高或者是技術更新的一套實驗室空壓機; 租用期間可以主張一次的彈性換機選擇更增添營運彈性與財務彈性!

營運費用(電費)小型空壓機最省

一套TCO佔比最高的營運費用 (電費) 高達70%~80%, 依據經濟部能源局委託工研院編制的"壓縮空氣系統 能源查核及節約能源案例手冊"研究顯示渦卷式空壓機的能效較往復式空壓機高出23%~35%不等; 因此, 單從空壓機單機就能夠大大節省使用者較不容易產生成本費用意識的營運費用產生極大節約.

除了TCO成本費用, 還要考慮….

並不是所有的無油渦卷式空壓機都能夠做到噪音值50分貝以內; 實驗室空壓機通常會被建議55分貝以內. 也並非所有的無油渦卷式空壓機機體壽命都能夠達到30,000小時 (含) 以上, 更重要的是並不是所有的無油渦卷式空壓機都能夠穩定可靠地保持高妥善率….這些都是影響客戶能否安心輕鬆地使用好的實驗室空壓機系統的主要考慮因素! 歡迎參考上幾篇分享文章.

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現金流量與資產哪個應對多變的經營環境有利? GoUseAir服務方案的價值

近幾年由於新冠疫情的影響,當然有些生醫製藥行業因為和防疫與疫苗有關而獲得灌頂,但是大多數的企業經營上卻面臨了極端嚴峻的考驗;企業家直言,未來的經營環境將面臨地緣政治、流行病、技術、能源與金融環境的變數而變得更多變!能夠比氣長,讓自己企業能夠有更多底氣好好經營的關鍵在於 “彈性的現金流量!"

重資產投資與輕資產投資的營運彈性差異

假設有兩家相同行業的公司都經營工廠,每年營收5,000萬元,稅前息前毛利同樣都是500萬元 (假設公司所得稅20%)。

A公司籌資自有資金5,000萬元沒有貸款建廠與營運工廠,投資1,000萬買土地, 投資1,000萬建自己的廠房,投資1,000萬採購機器設備,手頭上剩餘資金則作為支付每個月營運資金100萬之用。

B公司籌資自有資金4,000萬元以及貸款1,000萬建廠與營運工廠,建廠租用相同坪數大小的土地廠房每個月支付10萬元, 租約20年;長期租用相同機器設備合約 (租金含維護保養費用) 8年96期每個月支付15萬元;銀行貸款每年利息30萬元,而剩餘的資金作為支付每個月營運資金100萬之用。

股東權益投資報酬率(ROE)

A公司股東權益報酬率 = 稅後淨利400萬元 / 股東權益5,000萬元 x 100% = 8.00%

B公司股東權益報酬率 = 稅後淨利370萬元 / 股東權益4,000萬元 x 100% = 9.25%

適切的財務槓桿有助於投資報酬率的提升。

現金流量(一年後)

A公司現金流量 = (資本5,000萬-土地1,000萬-廠房1,000萬-機器設備1,000萬) – 營運資金100萬/月 x 12個月 + 稅後息後淨利400萬 = 1,200萬

B公司現金流量 = 資本4,000萬-土地廠房租金10萬/ 月 x 12個月-機器設備租金15萬/月 x 12個月-營運資金100萬/月 x 12個月 + 稅後息後淨利370萬 = 2,870萬

新冠疫情影響近3年營收50%;稅前息前剩300萬/年

現金流量(疫情第一年; 假設營運資金需求皆降為70萬)

A公司現金流量 = 資金1,200萬-營運資金70萬 x 12個月 + 稅後息後淨利240萬 = 600萬

B公司現金流量 = 資金2,870萬-土地廠房租金10萬/ 月 x 12個月-機器設備租金15萬/月 x 12個月-營運資金70萬/月 x 12個月 + 稅後息後淨利210萬 = 1,940萬

現金流量(疫情第二年; 假設營運資金需求皆降為70萬)

A公司現金流量 = 資金600萬-營運資金70萬 x 12個月 + 稅後息後淨利240萬 = 0萬

B公司現金流量 = 資金1,940萬-土地廠房租金10萬/ 月 x 12個月-機器設備租金15萬/月 x 12個月-營運資金70萬/月 x 12個月 + 稅後息後淨利210萬 = 1,010萬

現金流量(疫情第三年; 假設營運資金需求皆降為70萬)

A公司現金流量 = 資金0萬-營運資金70萬 x 12個月 + 稅後息後淨利240萬 = -600萬

B公司現金流量 = 資金1,010萬-土地廠房租金10萬/ 月 x 12個月-機器設備租金15萬/月 x 12個月-營運資金70萬/月 x 12個月 + 稅後息後淨利210萬 = 80萬

重資產投資與GoUseAir長期租用保留現金流量

姑且不論B公司是否有撐過疫情或經營大環境其他挑戰而迎接市場回溫而存活下來的情況,可以確認的是重資產投資的A公司在第一年就面臨資金緊迫存活的挑戰;或許可以說就將部分廠房土地或機器設備賣掉,但是可能會影響營收;或者說土地廠房脫手的確不易,而機器設備出售則面臨景氣不佳脫手不易之外,也面臨舊設備折價的問題…。

GoUseAir長期租用增加營運彈性

面臨類似新冠疫情的情形,或者說業務緊縮的情況,採用GoUseAir長期租用服務方案的客戶可以要求大機換小機降低租金費用來彈性應對;當然日後渡過疫情或者是大環境挑戰 (例如 最近中國市場的衰落以及美國國債風險),也可以要求小機換回大機來應對日益增加的業務榮景。最重要的是,GoUseAir長期租用服務方案不需要一次投入較高的資本支出以及後續的維修保養費用,維持良好的現金流量營運彈性,通過類似新冠疫情的營運壓力測試!

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有油式空壓機的石化潤滑油跑到哪裡去了?

用過有油式空壓機的人都會被交代每天或者至少每週必須去看一下觀油鏡的油位,看看潤滑油是否太少了,以免機體燒毀或失去潤滑卡死。觀油鏡的種類不盡相同,例如:有的類似直尺狀刻劃上上下限油位 (例如下圖),有的則是圓形的油位視窗 (通常小型的空壓機會採用)。

觀油鏡 (油位計)

但是油到底跑到哪裡去了?否則潤滑油油位為甚麼會下降?下面我們舉三個最常見的可能原因, 然後做相關分析。

一、潤滑油隨著壓縮空氣跑到空氣管路及科學家工作現場

下表是油耗量 (排氣含油量 Oil Carryover) 相對較少的螺旋式空壓機使用手冊資料 (有油往復式的壓縮空氣含量通常是有油螺旋式的5~8倍不等),進行分析。

壓縮空氣排氣口含油量 01

使用手冊提到油細分離器(必須定期更換), 且隨著更換時間使用越久,排氣含油量會越高; 前期排其含油量約3ppm;也就是說,假設一台五馬力有油往復式空壓機排氣量425L/分鐘,一年運轉2,000小時 (12,000分鐘), 就會產氣量5,100,000L/年。約略計算最好的狀況只有15.3公升 (約將近機車4L的黑油4罐) 的潤滑油會跑到工作現場或積在管路當中。

排氣含油量 02

壓縮空氣排氣含工業化學潤滑油有何影響?

  1. 工業潤滑油氣隨著空氣管路跑到昂貴的精密儀器氣動閥或氣壓缸或噴嘴, 會釋放具有油氣的壓縮空氣至密閉空調空間影響科學家與研發工程師的實驗室環境;並且造成精密儀器堵塞影響精度。
  2. 工業潤滑油氣隨著空氣管路跑到機器設備,冷凝水混合到潤滑油會產生油乳化,如果跑到電磁閥或機器主軸軸承,容易造成設備故障。
  3. 管路中積累油垢,長期容易在管路中滋生細菌,對於空氣環境衛生與空氣品質是看不到的影響。(請見下圖靠近機器設備的冷凍式乾燥機熱交換器吸入側吸入機器設備周圍空氣積累了一堆油垢;該乾燥機已經經過清潔之後仍舊從鈑金縫不斷滲出潤滑油)。

二、工業化學潤滑油因空壓機內部跑油路的管路漏油

有油式空壓機因為必須處理潤滑油的運作,因此多了不少油管、電磁閥、油過濾耗材…這些零件部品、耗材或者管路的連結都需要接頭或者襯墊或者O型環,有接合面就會產生洩漏的可能性且賣得越便宜的空壓機越想省成本,因此省錢的作法越容易漏油!

有油式空壓機內部漏油

三、潤滑油與冷凝水結合成劣化的油乳化冷凝水被排放

排放油乳化冷凝水

有油式空壓機系統必須耗費許多人員無形的成本去關注運轉狀況,包括:油位是否正常?冷凝水中是否含有乳化的油?潤滑油與耗材是否要更換了?留意現場不要滑倒…。

多道過濾裝置可以完全擄獲攔阻潤滑油(氣)?

許多廠商會告訴客戶後面使用濾油的過濾器就能夠克服, 實際上會有兩個問題:

  1. 空壓管路及精密過濾器無法完全過濾掉油霧,且完全無法過濾油氣;活性碳過濾器雖然可以吸掉部分油氣,但是前期效果較佳,隨著濾材吸油的飽和程度效果會越來越差 (請參考下面影片)。
  2. 濾材越多,維護保養的成本越高;人員必須注意耗材是否要更換的關注度要越高。最後可能就不會去關注了,因為許多指派護理師或技師兼著管理空壓機,也的確為難了!

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安心:實驗室空壓機操作要簡單,安全與保護卻不能省!

協助新藥實驗室與IC高科技品質設計測試中心選用的無油式實驗是空壓機時必須考慮到許多重點,但是不論空壓機強調其特性再如何重要,都不能讓客戶操作使用起來過於複雜;而另一方面,卻也不能夠因為要讓操作使用簡單或降低產品成本就採用可靠度不高的控制方式!因此,前臺操作使用簡單,但是後臺有能力整合安全性與可靠度…等重要特性就需要靠相當的經驗與技術來達成。

未來服務工業總代理的日本岩田無油渦卷式空壓機系列,1馬力 至 5馬力選用微電腦控制器界面 (7.5馬力 至 40馬力採用設計簡易操作使用的液晶螢幕界面) 提供客戶簡單且可靠的操作!我們可以由實驗室較常採用的小馬力無油渦卷式空壓機1~5馬力機型來探討既要操作簡單、又要如何確保安全與保護已達成穩定可靠的設計!

微電腦控制器界面啟停壓力設定與平日操作相當簡單,平日基本上是以 ON / OFF 兩個按鍵即可;當應對會耗用壓縮空氣的設備需求壓力與空壓機原設定的啟停壓力有需要調整時,可依據下列方式即可調整空壓機系統的啟停壓力 (啟動壓力與停機壓力)。

任何空壓機系統日常操作有一個十分簡單的原則 “謹守不要讓未經過乾燥的壓縮空氣流到使用現場"為核心;開機時先開乾燥機運轉三分鐘讓冷媒壓縮機暖機發生效能後,再開啟空壓機運轉,關機實則先關空壓機再關閉乾燥機即可。

安全與保護不能因為要操作簡單而被忽略掉

內置不銹鋼空氣桶

我們經常在實驗室機構發現廠商提供未經勞動部工檢合格的空氣桶,該類空氣桶往往沒有設計安全閥或者是安全閥使用不合吹洩量的規格降低成本;岩田無油渦卷式空壓機內置不銹鋼空氣桶在桶子上安裝符合JIS標準的安全閥,確保空壓機系統壓力超過安全標準值時自動吹洩降壓!

標準安裝積熱電驛與溫度感測器

當電流異常過電流或者運轉排氣溫度異常時,微電腦控制器接收到超過標準值的訊號時,除了電器部品本身會跳脫,微電腦控制器也會即時停機跳脫或顯示警告訊號!確保空壓機不會受損或者造成不可挽回的工安事故,確保人身安全與財產保全。

安裝壓力感測器而不使用壓力開關

傳統壓力開關使用上有幾個問題:當啟停壓力需要重新調整時,使用者調整有難度或者必須呼叫廠商到場調整(如果廠商服務無法快速到達或無法回應就產生麻煩);壓力開關係採用活塞彈簧結構,品質良窳會影響啟停壓力作動反應的精準度或者靈敏度,因此價值較高的無油渦卷式或者是螺旋式空壓機多採用壓力感測器而不會使用壓力開關,以避免壓力開關容易異常造成壓力持續不正常上升的風險。

採用微電腦控制器顯示壓力與各種數據

壓力、使用時數與各種顯示數值均透過感測器在微電腦控制器顯示,而不使用傳統機械式壓力錶(若不得已採用傳統壓力錶,較在乎品質的品牌又多會以不銹鋼充油式壓力錶,因為品質質量較穩定)。

微電腦控制可選配遠端控制或停電自動啟動

有時候實驗室會要求於辦公室或較方便的地方啟廷空壓機系統而需要遠端控制啟停,這個部分也可以透過選配加裝控制模組基板與微電烤控制器做連結,即可達到相關需求的滿足。

常見節省成本犧牲安全/可靠的空壓機控制界面

將應該確保安全性或提昇可靠度作保護的裝置不設計安裝,並採用下列常見的經濟型做法來降低成本。

埋入式或充油式壓力錶

應用在空壓機本身的壓力接入口螺牙是在壓力錶背面的正中央接入 (上圖是相同型式的壓力錶示意)。

機械式計時器

啟停旋鈕開關

許多空壓機採用上面簡易經濟型的控制介面,除了沒有辦法對空壓機整體作整合而僅能個別項目控制之外,由於從中國或印度地方型廠商到區域型品牌廠商都有類似的設計,因此品質與可靠度也參差不齊,單純靠品牌空壓機廠商的設計理念與品質思維而定!

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安心 : 空壓機設計選用機體、馬達、電氣部品不過載(Overload)超限使用

由於國際趨勢在採購行為導出的競爭產品組合M型化,許多歐美第一線國際品牌會採用兩個系列:高階型與經濟型兩個系列。日本品牌多數會採用高階型,以與中國或印度極經濟型產品區隔。台灣國產產品則略高階於中國或印度產品,但是由於深受中國空壓機產品的低價威脅,過去十年為了大陸市場競爭並且應對中國品牌侵蝕台灣市場,設計上仍舊會有過載運轉(Overload)的情形。

我們可以從歐美同樣30馬力的產品來說明如何設計出高階型與經濟型:

  1. 機體大小不同:高階型機體容積大不少、經濟型則採用增速齒輪增加轉速來帶動小很多的機體。
  2. 電機與電氣部品不同:高階型可能採用西門子IE4品牌馬達、經濟型可能採用大陸河北電機IE2/IE3馬達。
  3. 經濟型容易設計過載運轉(Overload):例如 安全係數在銘牌標稱1.25,實際使用到34.5馬力,造成安全係數實際不到10% (9.8%)。
  4. 中國或國產馬達或變頻器等電氣部品可能過載運轉使用的更嚴重:例如上述30馬力空壓機,馬達可能會用到36馬力,安全係數只有到5.4%。

主要原因都是因為經濟型是採用價格競爭導向,如果低價競爭還要能夠有賺錢,那麼就只能使用比歐美經濟型更低階的金龍馬達或再更低階段清江馬達貼牌成自己的空壓機品牌銘牌,降低成本才行。

我們舉一個30馬力有油式變頻螺旋式空壓機電氣部品實際案例來看看,空壓機的變頻器為了節省成本,選擇較低框號的變頻器(澄清:本案例問題不在變頻器,而是空壓機廠選型較小一個框號的產品);並解除變頻器設定安全係數超過SF1.1時自動跳脫保護的機制,結果造成變頻器超過工作負荷高溫起火⋯⋯。

馬達與部品零件過載運轉有何風險?

誠如上面的客戶現場實際影片所呈現的, 最大的風險當然是工安問題_火災; 其次, 不管增加轉速驅動空壓機小機體或者是馬達或電氣過載使用, 都會縮短使用壽命. 最後, 由於過載使用, 所以會產生何時故障停擺的不確定性, 對客戶實驗室的生命財產與鄰居企業住家的延伸風險成相當程度的影響!

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