把「氣源」變可管理科研基礎設施:岩田無油渦卷式空壓機系統 × 未來服務工業 GoUseAir Service

在生技製藥、生命科學、化學/化工、醫學、半導體材料與光電材料實驗室,越精密的儀器越怕「看不見的干擾」:油霧、含水、微粒、壓力波動、噪音與震動。它們不只影響分析結果的重現性,更常以「儀器異常、耗材壽命縮短、停機等待」的形式,讓研究進度被迫重排。當氣體供應不穩,教授與研究人員就得把時間花在排除問題,而不是產出論文與專利。

日本岩田(ANEST IWATA)之所以適合作為科研實驗室的系統載具,是因為它用「無油渦卷技術」把潔淨與耐久做成可長時運轉的工業級解方;岩田亦在 1991 年推出全球首款商用無油渦卷式空壓機,奠定無油渦卷的產業化基礎。

而未來服務工業的 GoUseAir Service,則把這些高品質設備「服務化」,用固定費用、固定責任邊界,讓實驗室安心、輕鬆地使用好的工業級產品系統。

CDA(潔淨乾燥壓縮空氣)常被拿來驅動自動進樣器、氣動閥、實驗室自動化模組、噴霧/霧化與某些製程控制。當空壓機不夠穩定,壓力波動與污染就會反映在儀器不穩、基線漂移或動作失準。岩田無油渦卷式空壓機以 Class 0 無油訴求,適合做為儀器與實驗室公用氣源的核心。

許多研究場域需要「潔淨粗真空」:真空烘箱、真空濃縮/蒸發、手套箱相關流程、材料製程前段抽氣、儀器前級真空等。ISP 系列的特點在於 oil-free、低噪音低震動與空冷設計,降低油封泵的油霧回流、換油管理與異味風險。

當末端設備需要接近 1.0 MPa 等較高壓力(例如特定氣動需求、某些設備供氣規格),「整體系統拉高壓力」往往更耗能也更吵。岩田無油式增壓機主打低噪、低振、耐久與節能,並有相對容易安裝於狹小空間的定位,適合在末端做局部增壓。

在 LC-MS、樣品惰性覆蓋、手套箱惰性化、材料反應/保存、特定分析流程中,氮氣不是「有就好」,而是要穩定、連續、可控。NM 系列定位為「低純度且手輕易用」,相較 PSA 機種更省空間,並具有較高吐出壓力的特性,適合需要穩定氮氣流量與日常使用的研究場景。

LC-MS / LC-MS/MS(生技製藥、臨床、代謝體、藥物動力學):氮氣(乾燥/霧化/護套)需求穩定,搭配無油 CDA 讓整體供氣更可控;也常見整合式 N₂ / Zero Air 供應配置。

Mini Spray Dryer(化學/材料/製藥前期配方):霧化用氣對含水與油污染敏感,CDA 的品質會直接影響噴霧穩定與維護頻率。

手套箱/惰性氣氛實驗(半導體、光電材料、電池材料):氮氣連續供應與乾燥度,決定含氧/含水控制的天花板。

薄膜/表面處理前段、真空相關研究:乾式無油真空可避免油封泵常見的油霧與回流管理成本,並降低研究空間的氣味與維護負擔。

對大專院校之教授實驗室與研究中心,以及中研院、國衛院、法醫研究所與生醫製藥新創企業研發/品保中心而言,最昂貴的不是一台機器,而是「停機與不確定性」。未來服務工業推出的GoUseAir Service 的核心不是賣硬體,而是交付一個可被驗證、可被維護、可被擴充的氣源系統:由未來服務工業進行需求評估與規劃,採固定租金/服務化方式,並將維護保養與故障處置的責任納入服務範圍,讓實驗室用更平滑的預算,換取更高的稼動與更少的臨時狀況。

如果你的研究依賴:LC-MS、材料惰性環境、真空製程前段、或需要穩定 CDA/N₂ 的長時間運轉,岩田的無油渦卷空壓、乾式真空、無油增壓與氮氣產生機,能把風險往下壓、把穩定往上拉;而未來服務工業的 GoUseAir Service 則把這份穩定,變成你不必分心管理的日常。

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黃金祥 Simon Huang|0937-847981|02-29002797|simon.huang@nextut-service.com.tw

日本岩田無油渦卷式空壓機高能效原因解析

依據 負責國家能源效率制定與空壓機能效審查的主要機構 臺灣工業研究院 ITRI 研究報告指出,30馬力以下的空氣壓縮機種類以渦卷式空壓機的能效最高;而渦卷式空壓機中又以該產品品類的發明者日本岩田的效率最高、噪音最小、壽命最長!

氣體從渦旋軸外周的進氣口吸入,隨著渦旋軸的旋轉逐漸被壓縮,然後從中心的排氣口排出。這個過程每旋轉360°重複一次,因此進氣、壓縮和排氣運動在一個旋轉週期內連續進行,導致每次旋轉的扭矩波動極小。此外,由於壓縮過程連續進行,進氣室和排氣室並非相鄰,腔室壓力差很小,因此洩漏極少,效率很高

以下面依據實際運轉的示意圖來看,每一段壓縮行程相鄰的密封狀態的壓縮室壓差均極小,因此會回漏至低壓側的機率與流量相對會變得很小。

往復式 (活塞式) 空壓機係利用活塞來回運動,讓活塞與氣缸形成的壓縮室空間容積變小,而讓壓縮室裡容積越來越小的空氣壓力越來越高;但是活塞下方連桿組與平衡錘所在的曲軸箱則是與外部空氣同樣都是維持一大氣壓,當活塞上方的壓縮空氣壓力越來越高,與下方曲軸箱的壓力壓差就會越來越大,讓壓縮室內的高壓空氣由活塞環與氣缸磨損出來的間隙回漏至曲軸箱,因此運轉時間越久能效會變得越來越低。

而為了讓越來越高的壓力抵抗還是能夠讓容積繼續變小,轉動機構所承受的壓力與電動機馬達的耗功也會越來越高,這是機構自然形成的較低能效情況。

日本岩田無油渦卷式高分子密合材料的專利密封芯條能夠在磨耗產生間隙時自動舒展,間隙得以自動補償而確保運轉過程持續高效節能。

渦卷式空壓機壓縮室的高壓側與低壓側原本壓差就很小,回洩機率小且回洩風量低而產生高能效,加上日本岩田的加工與組立技術控制部品間的匹配公差間隙僅約一根頭髮的間隙而能夠確保密合程度又不卡死。

日本岩田無油渦卷式空壓機7.5馬力以上機型採用多模組制御技術設計,除了能夠達到優於變頻式空壓機制御的節能技術之外,每個機體可以控制均等磨潤,確保每一個機體的密封芯條磨耗均等且能效持久。

渦卷式空壓機機構運轉本身就具備相當的能效優勢,而日本岩田的專利技術讓無油渦卷式空壓機的機構優勢更上層樓,讓日本岩田無油渦卷式空壓機成為30馬力以下空壓機最優勢的機種,同時讓日本岩田連續36年獲得全球渦卷式空壓機第一品牌。

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科研實驗室應用之中小型氮氣產生器

氮氣是一種無味、無臭、無色、不燃的惰性氣體。惰性氣體是指化學性質穩定的氣體,不容易與其他物質反應。我們呼吸的空氣中含有氮氣,約佔空氣總量的78%。其餘成分為氧氣(約佔21%)、二氧化碳和氬氣(約佔1%)。由於氮氣具有不可燃、不可爆、化學性質穩定等特性,因此被廣泛應用於食品、半導體、石油化工、科研等眾多行業,用於密封和吹掃以提高安全性,以及防止氧化和變色以維持產品品質。

在日常生活中,它被用來填充薯片和紀念品包裝袋以防止氧化,也被用來填充汽車輪胎,因為它比氧氣滲透性小,因此空氣更難逸出。事實上,早在汽車輪胎採用氮氣之前,飛機輪胎就已經開始充入氮氣了。氮氣不易燃、不易爆,即使在著陸時巨大的衝擊力導致高溫下,也能最大限度地降低起火或爆炸的風險;而且氮氣不會生鏽,因此不會腐蝕充裝區域的材料。飛行過程中,空氣溫度可低至攝氏零下50度左右,但由於氮氣不含水,其體積受熱變化很小,因此能夠維持輪胎內的恆定氣壓。

氮氣產生器採用變壓吸附 (PSA) 技術從大氣中分離氮氣。 1971年,德國 Bergbau-Forschung GmbH 公司開發了一種名為分子篩碳 (MSC) 的吸附材料。傳統的活性碳無法從空氣中分離氮氣和氧氣,但 MSC 利用氮氣和氧氣分子大小差異所導致的吸附速度差異,實現了這一目標。 PSA方法透過將壓縮空氣流經 MSC 並加壓來吸附氧氣,從而在 MSC 吸附罐的出口處分離出高純度氮氣和氧氣。

為了持續獲得氮氣,必須分離並排出已被MSC吸附的氧氣。這也是MSC的特性之一;將已吸附氧氣的MSC的壓力降低至常壓,即可分離出吸附的氧氣。分離出的氧氣隨後被排出(吹掃)到設備外部。這使得MSC得以再生,再次對MSC加壓即可再次獲得氮氣。

如果有兩個 MSC 吸附槽可用,則可以透過交替使用這兩個槽來分離並連續產生氮氣。

這種透過反覆加壓和減壓進行吸附的方法稱為變壓吸附(PSA)法。我們的氮氣產生器主要採用這種PSA法。而如果您需要方便地使用低純度氮氣,膜分離法是理想之選。

PSA (Pressure Swing Adsorption) 變壓吸附法型式的氮氣產生器主要應用在較高的氮氣純度需求,PSA氮氣發生機利用碳分子篩(MSC)材料,從壓縮空氣中剝離氧氣。MSC材料由多孔碳組成,孔徑可精細控制。當壓縮空氣通過材料時,氧分子被吸附到孔隙中,而較大的氮分子可以進入排放氣。最終,MSC將被氧分子飽和,氣體分離將不再發生。因此,PSA產生器始終設計有兩個(含)以上個吸附桶槽 (或稱吸附塔)。一個桶槽正在主動分離產生氮氣體。而另一個桶槽則在再生過程,高純度氮氣通過它來將氧氣作為廢氣排出。產生器大約每60秒在兩槽之間切換一次 (也可以做更精密的節能控制)。因為需要在兩個吸附桶槽之間切換,導致需要多個自動控制閥,增加了裝置中的潛在故障點。此外,通常需要一個氮氣緩衝槽或氮氣桶,以確保在兩個吸附桶槽柱之間切換期間,穩定輸出氮氣的壓力和流率。通常設計上會採用全自動控制,連續生產清潔、乾燥和高純度的氮氣,應用的適合純度區間會在99%~99.999% (下表左邊是氧氣含量而右邊則變成氮氣純度) ,考慮到維護成本則建議純度需求99.5% (含) 以上採用會是較佳的方案。

如果是較大流量的氮氣需求,可以想見需要一定的空間配置做更好更穩定的輸出設計;科研實驗室採用的氮氣產生器則考慮實驗室空間有限佔地最好不要太大、需求流量較小且應用時間較短,不像工業用的氮氣產生機會需要持續工氣且維持必要壓力,因此可以設計得較符合實驗室需求。

而氮氣產生機本身又有區分為是否內置空壓戰系統或者由外部供應CDA (Clean Dry Air) 當作原料輸入的來源,我們的建議是:

「如果該氮氣產生機品牌本身沒有提供工廠用的專業基礎,則建議採用CDA原料來源由外部空壓機系統供應方式」,「如果該氮氣產生機設計製造服務的品牌本身有提供工廠用的專業基礎,則建議可以採用CDA原料來源由外部空壓機系統供應方式或者內置空壓站的機型」;確保昂貴的氮氣產生器不會因為內置空壓站經驗不足而故障點頻發。

(上述氮氣產生器內置空壓機係採用商用型空壓機系統; 歡迎參考本網站其他專業文章關於工業級與商用型空壓機的比較分析)

許多實驗室使用氮氣會非常在意氮氣中或壓縮空氣中是否能夠控制碳氫化合物含量,以確保實驗過程產生的分析資料不會扭曲或實驗無法有效進行;氮氣產生器品牌則有不同的對應方案,一類是仍舊採用原來的氮氣產生器而氮氣產生器出口再接觸媒轉換器的模組,有一些則直接將觸媒轉換模組配置於氮氣產生器內部而形成不同機型。

這個部分並沒有哪一類比較好的問題,主要還是看實驗室應用的專案是否有需要而選擇以及觸媒轉換器是否因為內置型的使用量較高而維護成本較高的考慮;例如 : 許多實驗設備雖然相同,但是有些實驗或研發是否會加入易燃易爆的有機溶劑,而決定需要用一定純度的氮氣或者是CDA就好 (氮氣產生成本較高),而提供該精密儀器設備兩種不同的氣體來源以更精實地使用各種預算。

未來服務工業總代理的氮氣產生機採用PSA法者可以區分為

內置空壓機型的氮氣產生器:

  1. 配備無油渦旋式壓縮機,運作極為安靜,節省空間,營造舒適的工作環境。
  2. 與採用獨立氣源的機型相比,安裝和操作也更加便捷。
  3. 同時採用彩色觸控螢幕操作簡單;彩色觸控螢幕可顯示多種訊息,包括設備出口氮氣壓力和純度等運作狀態,以及故障警告和計畫維護資訊。
  4. 用戶還可以根據實際情況直觀便捷地進行詳細設置,例如定時運行功能。

獨立型氮氣產生器:

  1. 節能模式效率提升–除傳統的吸附時間控制外,新增節能模式,可控制運作中的PSA單元數量。這顯著提高了對氮氣消耗的反應速度,確保更可靠的節能效果。
  2. 所需壓力降低至0.7 MPa:緊湊的模組化PSA單元在保持原有性能的同時,成功降低了進料空氣壓力,從而可以使用標準壓縮機運行。當進料壓力為0.83 MPa時,氮氣生成量增加約20%。排氣壓力也可提高至平均0.7 MPa。 –
  3. 顯著降低噪音:透過對每個PSA單元進行順序吹掃,即使在高產量機型中也能保持低噪音水平。
  4. 高度降低:節省空間的設計使設備高度降低約30%。
  5. 彩色觸控面板操作簡單:彩色觸控面板顯示各種訊息,包括運作狀態(如設備出口處的氮氣壓力和純度),以及故障警告和計畫維護資訊。

膜管式 (膜分離) 技術的氮氣產生機核心是分離膜。該膜管是由數千根中空絲膜纖維組合而成。每根中空絲膜的膜壁都可讓氣體分子滲透,氣體的分子大小不同且有些氣體比其他氣體更容易通過膜壁。這些氣體含氧氣、二氧化碳以及水蒸氣,通過中空絲膜膜壁並因為壓力被排放到大氣中。而氮氣則以更慢的速度通過纖維壁,如此在中空絲膜出口處便可得到高純度的氮氣流。中空絲膜並沒有轉動組件,只需控制通過膜的壓縮空氣的壓力和流速即可產生高純度的氮氣。這是一個相對比較簡單的系統提供較低純度97%~99.9%的氮氣,因為中空絲膜沒有再生的需要。而為了保護中空絲膜免受碳氫化合物的侵害,我們通常會在原料氣源輸入過程安裝活性碳過濾器,能夠採用無油式空壓機則是較佳的選擇。

未來服務工業進口代理經銷服務的膜管式氮氣產生器特點:

・適用於需要輕鬆使用低純度氮氣的客戶。
・與PSA型機型相比,更節省空間。
・氮氣排放壓力高。

未來服務工業針對科研實驗室客戶提供 GoUseAir Service 長期租用服務方案,實驗室客戶可以針對需求的氮氣產生器與日本岩田無由渦卷式空壓機系統要求我們提案規劃,長期租用客戶僅需支付固定租金,而不用煩惱維護保養與預算問題,提供客戶彈性應對服務。

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(氮氣純度 / 壓力露點 動態檢測)

岩田無油渦卷式空壓機體如何運轉壓縮空氣

日本岩田無油渦卷式空壓機是全球第一家研發商轉上市,在市場上36年至今已經累積超過800,000萬台的應用實績,在生醫製藥行業、科研實驗室、醫療院所以及食品飲料行業廣受採用。

無油渦卷式空壓機機體的主要結構是由一組 「定渦盤」 與一組「動渦盤」 相互嚙合由渦盤外側吸入口較大的容積,透過動渦盤的專利線型橢圓圓周運動與定渦盤連續性的容積變小而讓空氣被壓縮而導致壓力上升的過程。

從動畫將盤面容積不斷縮小至中心點被排放出去的過程理解一下渦卷的作動原理。

我們再來看看經過放慢影片速度的側面慢動作運轉情形。

因為是圓周運動,所以阻力相對比傳統往復式空壓機小很多,因此在工研院的研究以及許多研究文獻中均指出空壓機功率 < 22kW (30hp) 機型中,渦卷式空壓機的能效最佳。

而且也因為是圓周運轉的作動,本來運轉的震動噪音就是比較低,加上日本岩田本身的技術能力加持下,開發出世界最低運轉噪音41dB (分貝) 的無油渦卷式空壓機,我們就來身歷其境一下,聽聽看常見到的五馬力 49dB (分貝) 的日本岩田無油渦卷式空壓機的實際運轉噪音。

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專業科研實驗室首選:日本岩田 ANEST IWATA 工業級無油渦卷式空壓機與氮氣產生機系統深度解析

在生醫製藥、半導體製程及食品安全檢測(如 LC-MS/MS, ICP-MS)等高精密領域,氣體純度系統穩定性是實驗成敗的關鍵。本文透過實際拆解,對比「工業級」與「商用型」無油空壓機的本質差異,並探討為何「無油渦卷式」技術是 30 馬力以下能效指標的領導者。

日本岩田 ANEST IWATA 的 Air Energy Division 將工業級與商用型部門完全獨立,由不同工廠研發生產,核心邏輯在於「負載能力(Duty Cycle)」的根本區別:

商用型(Commercial/Professional Grade): 針對間歇性噴塗或氣動工具設計,無法負荷科研儀器所需的高頻率、長時效供氣,易因過熱導致密封件失效。

工業級(Industrial Grade): 針對實驗室 24/7 持續供氣需求設計。強化冷卻系統與耐磨損材料,確保在高負載下壓力穩定且不產生熱衰竭。

我們針對一台運轉達 7 年的岩田工業級無油往復式空壓機(CFP系列)與一台運轉不到 3 年的商用型無油活塞機進行拆解對比:

  • 工業級: 採用岩田專利「自動補償磨損間隙」的高分子樹酯活塞。具備極低摩擦係數與耐高溫特性,無須潤滑油即可維持長效密封。
  • 商用型: 多採用標準鐵氟龍環或低階複合材料,磨耗速度快,且磨損後的粉塵易汙染後端管路。
  • 工業級: 專門鑄造氣缸,具備高散熱鰭片與精密內徑加工。
  • 商用型: 普遍使用「無縫鋼管/鋼套」替代完整氣缸組,散熱效能差,長期運轉易導致活塞環過熱變形。

商用型: 採模組化設計(單一馬達驅動雙活塞),結構緊湊但散熱空間不足。

工業級(CFP系列): 具備兩段式強制冷卻設計(第一段皮帶輪風扇 + 第二段導風設計),有效降低排氣溫度,保護後端乾燥機與精密儀器。

空氣桶上方右側獨立的全密閉式東芝IE3馬達

一組馬達與兩組活塞氣缸組形成一個模組的設計

機體單純靠隔音罩兩側的吸排氣風扇散熱

根據工研院(ITRI)及國際機械產業研究文獻指出,在 30 馬力(22kW)以下的級距中,渦卷式空壓機的能效表現(Specific Power)最為優越。

能效與噪音對比表

比較項目無油渦卷式 (Scroll)無油往復式 (Reciprocating)差異優勢
能效比 (Energy Efficiency)最高標準比單段往復式高出 20% 以上
噪音值 (dB)日本岩田 41 – 52 dB普遍約 70 – 85 dB極靜音,可直接放置於實驗室內
震動 (Vibration)極低(連續壓縮)高(往復衝擊)不影響精密秤量或顯微觀測環境
氣體脈動極低壓縮脈動穩定供氣有脈動(需大儲氣桶緩衝)提高吸附式乾燥機與氮氣產生機的薄膜/分子篩壽命

在生化分析(如蛋白質體學研究)或半導體光電材料研發中,氮氣產生機(Nitrogen Generator)的穩定性高度依賴前端空壓機的氣體品質。

  • 潔淨度: 日本岩田無油渦卷式空壓機提供 100% 無油空氣,從源頭杜絕油霧汙染,保護氮氣產生機的 CMS 分子篩或中空纖維膜。
  • 系統整合: ANEST IWATA 提供的空壓機與氮氣機系統,已廣泛應用於醫學研究中心及農業生技中心,支持高效能液相層析串聯質譜儀(LC-MS/MS)的長時間運作。

對於化學化工、藥廠及各類研究機構而言,選擇空壓機不應僅考量初始採購成本。日本岩田 ANEST IWATA 以更低的維護頻率、卓越的能效比(省電 20%+)以及對精密儀器的保護力,證明了其在科研領域的不可替代性。

推薦資訊參考:

  • 品牌: ANEST IWATA (日本岩田)
  • 技術: 無油渦卷式 (Oil-Free Scroll), 專利 渦卷式自動間隙補償密封芯條/ 往復式自動間隙補償樹脂活塞 (Patent Resin Piston)
  • 應用: 實驗室等級/工業等級空壓機, 氮氣產生機供氣, LC-MS 專用氣源
  • 認證/標準: 工業級 (Industrial Grade), ISO 8573-1 Class 0 (無油認證)

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再論日本岩田ANEST IWATA工業級往復式空壓機與傳統商用型活塞式空壓機

許多實驗室空壓機客戶會很好奇現在實驗室常見的活塞式空壓機如果用在工廠生產線能夠適用嗎? 我們大概可以理解客戶應該是對於實驗室常見的商用型活塞式空壓機與工廠產線或需要持續運轉供氣使用的工業級往復式空壓機需要較多的情報。雖然兩種空壓機作動的結構與原理一樣,但是卻有很多材料科學加工技術精密程度上的差異影響耐久穩定持續運轉供氣,在工廠產線或氣體產生系統應用的較重負荷的稱為「 工業級往復式 Reciprocating Type」,通常大學研究室或實驗室常見的為較輕負荷設計的稱為「 商用型活塞式 Piston Type」。

為了簡化了解工業級往復式空壓機與商用型活塞式空壓機的差異,我們先簡單分析驅動機體的馬達部分:

工業級馬達 (下圖右側藍色烤漆的馬達)

商用型馬達

透過上面圖片的比對,我們可以大致看得出工業級馬達與商用型馬達的差異,其實在兩者的馬達之間還有一個很大差異,就視 “馬達銅繞組" 的材質與絕緣設計,拆開兩者的馬達就能夠發現商用型的 馬達繞組 材質多為 “鋁鍍銅線" 而非工業級馬達的 “純銅"。

工業級往復式空壓機屬於容積式空壓機 (活塞式空壓機也是),因此機體氣缸與活塞的容積較大就相對會產生較大的氣量;各位可以參考下圖 日本岩田無油往復式空壓機的機體 (五馬力) 實際照片就可以發覺一個氣缸就將近等於一組兩馬力商用型空壓機馬達機體組的大小。

(五馬力機體)

我們可以借用其他工業級往復式空壓機實際機體的解剖圖來看看工業級往復式空壓機的機體主要結構狀況:請特別它與活塞式空壓機都有的 活塞、氣缸、連桿以及活塞式空壓機沒有的平衡錘與曲軸箱。

各位 實驗室前輩可以很容易在活塞與氣缸就發現其大小與結構與商用型活塞式空壓機有很大的差異,這其中還不包括看不到的 “加工精度",工業型為了避免氣缸與活塞壓縮時壓縮空氣從高壓側回漏至低壓側需要更高精密的加工 (請參考下圖)。

商用型活塞式空壓機為節省成本以及縮小其機體機構 (因為很多被利用來成為內置空壓機的車機或者是氮氣產生器應用),所以會沒有平衡錘與曲軸箱的設計,而加工精度上則採用壓鑄成型再粗加工部品接合面,搭配襯墊或O型環止洩。下面是商用型偏輕較耐久的機體結構解析(還有更輕負荷的商用型空壓機設計在實驗室流通),是否耐久與可靠的關鍵還是在活塞與氣缸的結構與加工精密程度。

下圖是以工業級往復式空壓機作範例說明經過運轉磨損之後,活塞與氣缸壁會產生較大間隙,然後活塞在氣缸內上下壓縮行程時會因為間隙變大的緣故傾斜而容易產生噪音與不正常接觸;如果是商用型活塞則可能會造成活塞翻轉幅度過大而卡死。

上面影片商用型活塞式空壓機運轉的噪音與震動可能原因為:

  1. 上述活塞與氣缸磨損已經造成間隙過大而震動噪音異常的結果。(上面活塞氣缸磨損造成間隙過大示意圖的情況)
  2. 超過設計基礎適用的操作壓力導致後期機體共振與負荷產生震動噪音,並且即將進入機體活塞與氣缸卡死的情況。(例如 : 下面數據中的商用型空壓機標示理論排氣量指壓力為1大氣壓條件下自由氣體流量FAD為428L/分鐘4 kg/cm2G壓力是其空壓機當初設計時的基礎下實際排氣量為274L/分鐘;雖然在其他文件標示最高達 8 kg/cm2G 壓力下實際排氣量為229L/分鐘,但是當初設計基礎是 4 kg/cm2G,長期在 8 kg/cm2G 下使用 或者 長期長時間持續運轉使用 都會讓空壓機很快產生問題)

日本岩田 3馬力 (2.2kW) 工業級無油渦卷式空壓機在0.8MPa (約8.16 kg/cm2G) 下,實際排氣量為255L/分鐘;姑且不論能否長期全天候持續運轉供氣,較上述4馬力商用型活塞式空壓機在 8 kg/cm2G 壓力下的229L/分鐘,能效高出48.5%以上 (從高出的風量與少掉的馬達功率計算)。

下圖是擷取至空壓機系統的維護保養手冊資料,我們在空壓機行業也接觸過很多製程或診療機器設備希望做到plug & play的功能,簡化客戶在使用上的複雜度,當然也包括空間利用的優勢。

如果這樣的設計是應用在空壓機系統持續運轉Cycle低於70% (也就是說空壓機啟動運轉35分鐘必須讓它停機休息15分鐘,或者啟動17.5分鐘必須讓它停機休息7.5分鐘),或者更低並考慮空間的熱氣溫度與排風設計,則可以考慮採用內置空壓機系統製程或診療設備。(請參考第一張照片空壓機表示該商用型空壓機只能間歇性使用,無法長時間持續使用)。

許多實驗室客戶反映大多數有問題都不是昂貴的加工機或氣體產生器那部分有問題,而是內置的空壓機系統產生一堆問題 (包括:水氣無法處理造成精密設備故障、空壓機震動、空壓機過熱停機或燒毀…)。反之,如果昂貴的精密設備可以不需要空壓機系統支援,而且能夠滿足加工或診療需求並具有穩定可靠品質,我們則覺得這是很值得推廣的產品。

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生醫製藥實驗室為何選擇日本福原FUKUHARA高效率除菌過濾器?

壓縮空氣中從機房環境中的大氣含有微生物或微生物孢子,空壓機系統的供應頭端、傳輸、需求末端有多次消滅或擄獲攔阻微生物的過程機會 (請參考下列示意圖)。

例如,空壓機房位置環境如果通風不良且相當潮溼 (請參考下面實際照片),可以想見高溫不通風潮濕的環境,正式微生物快速滋長的環境,環境本身就隱藏許多微生物,大量的微生物將會隨著空壓機啟動運轉時吸入的大氣跟著進入空壓機系統。

在許多行業都需要進行確效認證,例如:衛福部 (前身為行政院衛生署) 發佈的「無菌操作作業指導手冊」主要參考FDA Guidance for Industry on Sterile Drug Products Produced by Aseptic Processing(September, 2004)之內容,並參酌PIC/S GMP Guide及國內相關資料制訂,目的在於提供無菌作業之各作業程序及實務要求,協助以無菌操作製造無菌藥物及生物製劑之製造業者,俾能符合現行藥品優良製造規範之規定。

參考Pharmaceuticals規範:壓縮空氣品質至少要等於或優於無塵室等級的空氣品質要求;並且可以透過使用<0.22μm除菌過濾器確保菌落數汙染。這也就是 未來服務工業 遵循創辦人關於壓縮空氣與壓縮氣體的準則「Oil Free、Germ Free、Trouble Free」的行業經營。

未來服務工業 團隊成員超過三十年的產業應用經驗,深知空壓機系統與氣體系統無菌的要求取決於系統每個環節中的產品載具發揮應有的功效,因此我們只選擇最適合的優質產品載具來構築穩定可靠的系統!

日本福原Fukuhara除菌過濾器的重要參數與規格請參考下列圖表。

空壓機機房接入作業現場出口 (M系列) 以及 作業區末端 (ILF系列) 可以依據實際需求狀況以及查廠輔導建議建置Fukuhara除菌過濾裝置,確保符合微生物檢出的標準!

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空壓機房 (位置) 不利環境案例分享_排水溝沼氣腐蝕乾燥機熱交換器銅管

沼氣主要的成分包括甲烷 (CH4)、二氧化碳 (CO2)、硫化氫 (H2S)…等物質,而因為空壓機系統比較不受重視,通常在主要設備規劃完成後才找有空間的地方放置的情況也經常發生。因此科研實驗室的空壓機系統設備有可能會像照片所顯示的放在後陽台或者是房子後面防火巷空間…,照片所看到的位置是在一樓建築物後方的空間,是整排商辦併排建築物的排水溝所在。

客戶告知乾燥機不會作動了,因此我們配合通路夥伴前往客戶處所勘察實際狀況。

首先發現放置空壓機系統設備位置的是牆壁有許多受潮產生的苔癬污漬;空氣桶的出入口是採用銅材質的彎頭與球閥,表面全部都變成黑色像煙燻的狀況。(註釋:該案例並非應用在實驗室,但是由於是醫事機構仍就是需要採用無油式空壓機系統)

由於客戶每日會進行排水需要轉動手動球閥,所以相對於空氣桶的銅彎頭,手動銅排水閥相對沒有沾附這麼多的沼氣與銅結合的黑色污漬(如右邊所示)。

乾燥機出入口有採用銅接頭與銅彎頭配置,同樣也是被沼氣燻得看不到銅材質的顏色,實際上我們也是提供備機而將故障的乾燥機載回去之後拆解時才發現是銅材質。

我們在現場檢查、風扇、溫度控制感測器以及各種部品之後,發現毛細管與Orifice膨脹管焊接的地方備沼氣腐蝕破管,導致冷媒壓縮機、銅管與熱交換器內的冷媒漏光了 (其實看蒸發壓力錶也能夠初步判斷),必須載回去使用更換新的毛細管與Orifice組重新燒焊再灌冷媒。

本次冷凍式乾燥機故障無法運轉的原因如果進行多層次真因分析,可以發現:

  1. 毛細管與Orifice燒焊的地方破孔導致冷媒漏光,CP閥關段電路而無法啟動。
  2. 銅管燒和地方破孔的原因是沼氣腐蝕銅材質管壁。
  3. 沼氣發生的原因是因為地面鋪設鐵板的下方是社區的排水溝,有水氣與生活排汙物質導致產生沼氣源。
  4. 後方有將四周蓋圍牆並加蓋屋頂且沒有通風,導致沼氣積累嚴重。
  1. 造成沼氣物質累積腐蝕設備的零件部品或管路,導致洩漏或設備無法作動發揮功能。
  2. 空氣中的溼度會變高,吸氣效率或者說耗能會變差。
  3. 由於空氣中相對濕度較高可能影響電氣線圈受潮短路 (如果放長假全部斷電之後可能造成線圈積累受潮水氣,啟動瞬間短路)。
  4. 機器設備壽命變短。
  5. 空氣管路中含菌量會提增加。

我們針對新建置的機房與本處所位置提供建議如下–

  1. 本處所建議建置吸排風扇系統,排風扇位置建議放置在靠近空壓機上方側,吸風側則建議外面遠離排水溝或容易有影響空氣品質的粉塵或酸鹼物質處。
  2. 新建置空壓機防位置建議:1) 避免日曬、2) 避免酸鹼物質或粉塵較多的地方、3) 避免靠近鍋爐或發熱物質的場所、4) 保持通風良好並維持環境溫度在攝氏35℃以下。

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科研實驗室空壓機CDA系統/氮氣產生器系統 GoUseAir Service 訂閱式使用服務

科研實驗室使用 Lab CDA 無油式空壓機系統或者 On-Site 氮氣產生器系統經常會面臨一種情況:每年真正使用CDA (Clean Dry Air) 或 On-Site Gas Generator 的流量成本較採用鋼瓶Cylinders 經濟,但全年設備系統使用時數 (例如: 500小時) 遠低於年度保養運轉時數 (例如 : 4,000小時),卻每年需要支付維護保養耗材的高昂費用。

原因主要在於不論是空壓機系統或者是氣體產生器系統的維護保養耗材更換,都是以使用起算一年或者運轉超過多少千小時較早到者為主。也就是說,以上面的範例4,000小時為例,假設更換開始起算機器實際運轉七個月已經達到4,000小時,則運轉未滿一年也必須更換過濾器濾芯、排水器…等耗材;同時,更換後滿一年只實際運轉500小時,也必須更換昂貴耗材。以此類推,使用滿2年、3年或4年都個別需要更換越來越多耗材,即使滿四年才運轉2,000小時。

以空壓機每年耗材更換為例

選擇氣體鋼瓶Cylinder或者瓦特瓶的關鍵還是在使用流量的多寡,但是如果將On-Site CDA 或者 On-Site Gas Generators 年累積運轉實際時數維護保養也考慮進去,許多科研實驗室也會面臨一些困擾,這些困擾就是持續使用CDA或者氣體的流量與時間的確是一段時間,但是實際使用工況是 「一年有一段時間或整年分散的數個時段會持續使用 」 ,是否有較合理善用預算的服務方案?

  1. 訂閱使用期間:Easy Rent Program 1週~12週; GoUse Air Service 6個月~48個月
  2. 訂閱計費單位:Easy Rent Program: 週(使用未滿一週視同一週);GoUseAir Service: 月 (使用未滿一個月視同一個月)。
  3. 訂閱使用對象:大專院校實驗室、國家機構實驗室、科研實驗室應用需求 或 生醫製藥/高科技公司展覽需求 / 專案需求 / 長期服務需求。
  4. 產品系統範圍(A) 日本岩田 ANEST IWATA 無油渦卷式空壓站 (SLP07EED~SLP37EFD; P.D.P. < 15℃)、(B) 日本岩田 ANEST IWATA 氮氣產生器 ( NM-07 : 純度 97% ~ 99.9% ; 流量 4~21LPM / NM-15 : 純度 97% ~ 99.9% ; 流量 12~70LPM)、 (C) 吸附式乾燥機 (P.D.P. -40℃) 以及 (D) 依實際需求提供自動排水器、各式過濾器、無油增壓機、氣體儲氣桶或管線。
  5. 維護保養費用:訂閱使用方不須負擔任何耗材或保養費用。
  6. 訂閱使用區域:臺灣本島。
  1. 訂閱使用期間:(A) ≦ 12個月 或 (B) > 12個月~48個月 (每年可以由承租方評估重新簽約或依據約定期間簽約)。
  2. 訂閱計費單位:月 (使用未滿一個月按當月使用比例設算)。
  3. 訂閱使用對象:科研實驗室應用需求。
  4. 產品系統範圍(A) 日本岩田 ANEST IWATA 無油渦卷式空壓站 (SLP07EED~SLP37EFD; P.D.P. < 15℃)、(B) 日本岩田 ANEST IWATA 氮氣產生器 ( NM-07 : 純度 97% ~ 99.9% ; 流量 4~21LPM / NM-15 : 純度 97% ~ 99.9% ; 流量 12~70LPM)、(C) 吸附式乾燥機 (P.D.P. -40℃)以及 (D) 依據實際需求提供自動排水器、各式過濾器、無油增壓機、氣體儲氣桶或管線。
  5. 維護保養費用:訂閱使用方不須負擔任何耗材或保養費用。
  6. 訂閱使用區域:臺灣本島;外島地區請洽本公司人員確認。

實驗室對於研究發展過程使用支援系統 (CDA空壓機系統及On-Site氣體產生器系統)的各種決策主要都是依據使用的流量、使用的頻率負荷以及各種預算的考量;面對實驗室研發或驗證專案高頻率使用期間小於一年的情況,未來服務工業的CDA空壓機系統與On-Site氣體產生器系統訂閱式服務能夠彈性應對使用需求,讓實驗室經費預算獲得最有利的利用!

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看懂科研實驗室常見的傳統商用型活塞式空氣壓縮機規格表與設計基礎使用特性

許多實驗室 老師與 前輩反映他們依據活塞式空壓機的規格表來採購,看空壓機規格表資料應該能夠對應實驗室精密科學儀器或氣體產生器的需求,但是不同的客戶碰到了不同的情況:

  1. 廠商提供的空壓機規格表資料顯示的風量是足夠的,但是用起來就是經常顯示低壓告警壓力不足。
  2. 剛開始的時候風量可以對應設備用氣需求,但是用了一陣子之後風量開始吃緊,而且運轉噪音越來越大。

這兩個問題可以分兩個層面來探討,我們先依據上述問題的先後來說明。

是指該活塞式空壓機機體的活塞、氣缸與氣缸蓋在空氣進行壓縮的時候,在沒有任何阻力(含壓力是1大氣壓時) 的情況下,該活塞式空壓機機體能夠輸出的空氣量;換句話說,活塞連桿組與氣缸壁之間完全密合沒有組合間隙、活塞能夠完全往上壓到底與氣缸蓋完全密合沒有間隙、組件之間零摩擦而且是在吸入是一大氣壓的空氣而壓縮時也處在一大氣壓的空氣壓力時,該活塞式空壓機的理論活塞變位量 (理論排氣量)。

但是現實是組件之間肯定有間隙、組件之間也會產生摩擦熱讓組件熱膨脹而加劇摩擦阻力、空氣吸入壓縮造成容積變小也會造成壓力上升而產生阻力與從間隙回漏 (請參考上圖說明);所以每一種類型空壓機都會有實務經驗上驗證的「容積壓縮效率」,商用型活塞式空壓機容積壓縮效率約為40~50%左右,工業級活塞式空壓機容積壓縮效率約為45~55%左右 (通常馬力數越小容積壓縮效率越差,而且不代表該空壓機持續都能維持這種效率)。

0.6馬力無油活塞式空壓機

3馬力無油活塞式空壓機

通常會以標示壓力,例如上表標示為FAD @ 8 bar 表示商用型0.6馬力活塞式空壓機在操作壓力 8 bar 時實際排氣風量是44L/min.,而商用型3馬力活塞式空壓機在操作壓力 8 bar 時實際風量是220L/min.。我們以商用型3馬力活塞式空壓機的「壓力-風量曲線」來討論下列幾個在採購實驗室空壓機時需要特別注意的地方:

  1. 活塞變位量Displacement (理論排氣量) 是424L/min.,在8 bar時實際排氣量是220L/min.;從上圖曲線來分析,如果操作壓力是 4 bar 時顯示的實際排氣量每分鐘是多少 Liter?從壓力是 4 bar 的地方往上畫一條垂直線到 60Hz 頻率的曲線,然後從這個點位再劃一條水平線向左延伸至實際風量的位置,在操作壓力 4 bar 時實際排氣量約為275L/min.。換句話說,同一組商用型活塞式機體,在操作壓力 4 bar 時實際風量為275L/min.,在操作壓力 8 bar 時實際風量為220L/min.。選型的時候需要先釐清需要用氣設備到底最少要多少操作壓力才能夠順暢運轉。
  2. 該空壓機是否能夠持續維持相同的容積壓縮效率 或者說 即使衰退也在可以控制的衰退範圍內 (例如還能夠維持原容積壓縮效率98%以上),這個部分我們將在下一個章節說明。

活塞因為馬達轉動帶動皮帶輪與連桿而在氣缸內來回作動,活塞式為避免活塞整個貼合氣缸摩擦產生熱膨脹時整組與氣缸壁高溫熔融,因此設計壓縮環與活塞環等O型環作為兩個關鍵組件之間的緩衝以密合間隙;經過一段時間來回作動會將活塞環磨耗掉,因此很快地兩個結果產生了:活塞與氣缸壁間隙變大讓高壓空氣回漏變大 (實際排氣量快速衰退,請參考下圖一) 以及 間隙變大讓運轉的噪音變大 (請參考下圖二)。

間隙變大讓高壓氣體回漏變大風量下降

間隙變大讓活塞作動產生斜角敲擊氣缸壁

活塞式空壓機機體上方有吸氣閥與排氣閥易損耗變形、活塞有活塞環與壓縮環易磨損、軸承數量多 (活塞與連桿、連桿與平衡錘、主軸與曲軸箱) 磨損容易影響順暢度…;每一個零件部品傳動都會造成能源效率損失,這也是為什麼活塞式空壓機耗能耗電較渦卷式空壓機高出20%~30%的原因。

姑且不論商用型活塞式空壓機是否能夠適合持續運轉供氣而不會過讓當機或燒毀,在選型空壓機的時候除了無油式與有油式的考量,應該是以能夠滿足對應需要用氣的設備需求 (例如氮氣產生器通常會設定CDA輸入的操作壓力建議在 6 bar 以上) 為主,包括:

  1. 操作壓力至少需要多少 Bar ? 而且還必須考慮停機壓力與啟動壓力的設定區間需求。
  2. 實際流量每分鐘需要多少公升以上?

而不能只看活塞變位量或者是廠商提供的特定操作壓力下的實際流量數據 (可能是 @ 4 bar 或者是 @ 5 bar 而非到達 @ 6 bar ~ 8 bar 或 更高操作壓力)。

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