我們經常碰到客戶眼睛睜得大大的, 內心似乎很擔憂空壓機會出問題地詢問我們 : 剛才你們家的無油渦卷式空壓機持續不停運轉超過5分鐘將近6分鐘了, 這樣到底會不會有問題啊? 空壓機會不會過熱燒掉啊? 這是我們在牙醫診所或者是牙體技術所經常會被問到的問題, 很值得深入探討為何牙醫診所或牙體技術所會擔心這個問題.
這個問題應該先釐清這台空壓機是商用型空壓機 或者是 工業級空壓機為探討的起點再來擔心運轉超過5分鐘或者10分鐘空壓機會不會過熱燒掉. 當然, 最準確的方式就是準備一台商用型無油式空壓機與一台工業級無油式空壓機, 將兩台目前牙科最嚴苛的工藝設備 (例如車機或者是3D金屬列印機) 同時以最Tough的程式行程讓空壓機跑持續每10分鐘停1分鐘, 連續跑2小時看看空壓機是否會跳機或過熱.
工業級無油渦卷式空壓機設計基準
上表是日本岩田無油渦卷式空壓機的保養週期表, 係以每年空壓機馬達實際啟動運轉2,500小時為基準表示; 也就是說我們的設計基礎是使用這系列空壓機的客戶, 每天空壓機馬達實際啟動運轉的時間約10小時起算 (每年工作日250天計算).
在空壓機業界, 我們通常會定義空壓機每日馬達實際啟動運轉時數平均4小時, 每年實際啟動運轉超過1,000小時會稱為輕負荷工業級空壓機; 每日實際啟動運轉平均超過8小時, 每年實際啟動運轉超過2,000小時為工業級空壓機; 每年超過4,000小時至6,000小時為重工業級空壓機 (例如 : 日本神鋼低油耗螺旋式空壓機), 而超過8,000小時為重負荷全年全天候空壓機 (例如 : 日本神鋼無油螺旋式空壓機).
這也就是為何我們的空壓機可以應用在半導體光電產業工廠, 或者是生醫製藥PIC/S GMP工廠的原因; 因為工廠在正常運作通常會以上班8小時, 每日空壓機實際運轉超過4小時為基準; 而另外針對一些製程安排兩班制或三班制, 因此空壓機每日有可能超過10小時以上的運轉時數.
商用型無油式空壓機設計基準
商用型空壓機的設計與工業型的設計截然不同, 主要的差異還是在設計基準為起點的不同. 以無油往復式為例, 我們可以從下列的活塞連桿組來看出差異.
上圖空壓機體為無油往復式空壓機機體, 各位可以比對更上面的圖片來看活塞連桿組; 主要的差異還是在於加工精密程度. 廠商可以在型錄上標示可以打到115psig ( 8 bar ), 但是重點是可以持續打多久而不會有問題? 也可將馬達超載運轉, 讓空壓機在多少秒內從6 bar 打到 8 bar； 又或者設計基礎是4～5 bar 資料標稱 可以打到8～10 bar。但是問題還是在於能夠持續打多久？或者可以耐多長使用時間不需要更換機體馬達組或拆換零件修理？如果牙科客戶的車機或者是3D金屬列印機因為業績蒸蒸日上而需要持續加工, 又或者是客戶有許多台類似設備持續交替運轉，是否能夠滿足負荷持續運轉供氣?
工業級與商用型無油式空壓機的設計基準差異
機體加工精密程度
機體轉動部位的表面精度會影響空壓機機體運轉時的摩擦與震動, 例如 : 無油渦卷式空壓機的同心度與表面精度達到 µ 等級能夠確保長時間運轉與低震動噪音. 我們從上面同樣是無油往復式的空壓機活塞連桿組的活塞表面粗度就可以發覺工業級的精度遠遠比商用型精密很多, 這是能夠持續不停運轉與否的關鍵之一! 我們也可以從下圖同樣看看岩田工業級往復式機體與商用型機體實際比較照片可以看出誰比較耐久可靠 (上方是一組工業級無油往復式機體, 馬達在另外一邊; 下方是商用型是馬達帶動左右各乙組活塞機體的組合)!
加工過程的全自動化也是減少生產變異維持高品質的重要因素之一, 我們可以比較看看同樣是生產無油渦卷式空壓機, 為何岩田無油渦卷式空壓機機體壽命是其他無油渦卷式空壓機機體的1.5~2.0倍, 畢竟就像台積電與三星都宣稱可以製造3奈米, 但是製程良率就影響客戶使用的體驗.
馬達耐用等級
這個部份工業級與商用型無油式空壓機有兩個主要差異 :
馬達使用的繞組工業級多數會採用銅線繞組 (當然筆者也曾經在海外看過許多中國製的工業馬達採用非銅線繞組; 請參考下圖於斯里蘭卡市場考察工業型空壓機市場), 工業級馬達繞組唯一的差別是銅線的純度可能有好壞; 例如 : 岩田無油渦卷式採用長期共同研發配合機體機械特性的日本東芝馬達, 該馬達係取得日本TOP RUNNER認證的馬達. 商用型則依據設計者的概念, 或許選用銅線繞組 (下下圖商用型強調100%銅線馬達) 又大多數是選用鋁線鍍銅繞組, 並不是說這樣做有何問題, 而是設計時是以何每年累積運轉時數以及是否可以持續不停運轉為基礎所設計, 當然選用也會有所不同!
另一個重要因素是馬達有沒有過載使用運轉? 我們經常發現被用來作為安全係數 (S.F. Safety Factor ) 的裕度被拿來實際作為運轉, 而讓馬達長期處於過載運轉狀態, 當然壽命會縮短也比較無法持續運轉. 更重要的是容易發生過熱燒毀的狀況, 有時候會引發工安風險!
零件部品選用等級與品牌
當然選用不同的電氣元件或部品, 耐用等級也會不同; 例如 : 岩田無油渦卷式空壓機選用日本東芝馬達以及日本三菱電磁接觸器就是為了延長使用壽命以及增加環境耐受程度. 當然選用國產東元馬達或者是士林電機也不差, 也都有一定品質水準; 至於商用型的電氣元件部品或者馬達通常因為其設計基礎, 也不一定會選用較高等級的部品.
整機散熱設計技術
許多空壓機為了降低噪音而將噪音源 (機體與馬達) 以隔音罩整個封起來, 但是整體散熱反而造成了空壓機馬達與機體容易過熱無法持續運轉的原因. 通常空壓機是否能夠散熱良好, 有幾個要因 :
- 如果空壓機有設計隔音罩想要降低噪音, 那麼就必須考慮空壓機運轉不會讓機體, 馬達以及電氣部品的熱源交互作用, 形成空壓機內部更高的溫度, 導致電氣絕緣破壞, 橡膠或電線電纜老化加速 以及 機體馬達過熱燒毀.
- 馬達與機體必須善加設計, 本身級具備很好的熱傳導效果將內腔熱源傳導到外殼而透過材質與特殊設計鰭片加速散熱, 熱轉動元件可以持續不停的運轉. 我們可以這麼說, 機殼散熱鰭片材質傳導效果越好, 外型深度越深, 面積越大或者形狀越密, 加工成本就會越高! 但是散熱效果就會越好!
- 機體與馬達本身除了機殼熱傳導材質與鰭片設計散熱, 本身也設計散熱風散加速散熱; 例如：東芝全密馬達尾部設計有風扇，岩田不論是無油往復式 (多翼式風扇) 或無油渦卷式 (希洛克風扇) 空壓機機體都設計有他力風扇強制散熱（請參考下下圖無油渦卷式空壓機機體拆解照片最後面就是希洛克風扇）.
- 整機也設計小型工業風扇與後部冷卻器讓熱源可以充分釋出, 讓整個空壓機能夠長時間不停持續運轉!
空壓機耐熱防火等級
馬達本身是有耐溫絕緣等級的, 耐溫等級越高當然成本越高, 也就會更能夠持續運轉以耐受環境變化; 岩田無油渦卷式空壓機採用的東芝馬達是全密閉外扇式, F級絕緣的IE3高能效馬達, 馬達可以耐受到攝氏155度C的能力.
機體本身壓縮內腔會產生壓縮熱, 因此機體材質與鍍層也必須耐受到攝氏350度C的高溫而不產生變形; 因此能夠持續不停運轉.
隔音罩通常會使用泡棉, 往往只在會在意吸音效果, 但是會因為成本因素或者是忽略掉材質必須是耐熱防火材質而選用不合格容易引發工安材質, 也必須加以注意!
空壓機保護機制設計
空壓機本身是否有一些保護裝置來確保空壓機能夠在環境或本身零件部品出現異常時保護空壓機重要部品, 以免造成更重大的損失; 例如 : 供電出現瞬間Surge而導致大電流時是否有過電流保護? 空壓機因為環境通風不良造成排氣溫度過高時是否能夠產生保護? 這些都必須有偵測的感測器, 並設計控制元件來進行保護延長使用壽命!
空壓機持續運轉1個小時會不會有問題? 我們的答案是 : 如果 您採用的是工業級空壓機持續運轉1小時不但不是問題, 反而會是我們希望能夠持續運轉讓空壓機持續供氣發揮其工業級空壓機應有的能效! 當然, 持續運轉時數越久, 每日運轉時數越多, 唯一的條件就是縮短定期維護保養時間而已. 但是, 如果是商用型空壓機, 我們則無法代表回答, 因為雖然大多數是會有過熱或擔心燒毀而自動休息的設計無法持續運轉, 但是或許有的是可以達到的, 問題是空壓機可以使用的壽命長短差別而已!
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