I. 壓縮機的概念
壓縮機概論（英文：Air Compressor）**是供氣系統中的重要設備，其功能是將馬達（通常是電動馬達）的機械能轉化為壓縮空氣的能量。這是一種用來產生氣壓的設備，能夠壓縮空氣並提供壓縮氣體給工業系統及其他應用領域。本章將從概論的角度出發，說明壓縮機的基本構造、分類與應用，幫助讀者快速掌握壓縮機的基礎知識與實際用途。
壓縮機屬於動力機械的一種，具備減少氣體體積並同時提升氣體壓力的能力。透過不同的工作原理，壓縮機可分為容積式與動力式兩大類，其壓縮氣體所產生的動能可用於機械動力輸出或根據需求應用於其他用途。
II. 壓縮機的分類
按結構分類：
- 容積式壓縮機：透過減少氣體體積來提升氣體壓力。
- 活塞式壓縮機：工作腔體的體積隨週期變化，但其空間位置不變。
- 迴轉式壓縮機：工作腔體的體積隨週期變化，且其空間位置也隨之改變。
- 動力式壓縮機：提高氣體分子的速度，進而將氣體分子的動能轉換為氣體壓力能。
- 離心式壓縮機：一種高速壓縮機，具備一個或多個轉子，用於提升氣體速度，使氣體沿著徑向方向移動。
按壓縮空氣壓力分類：
- 風扇：0.01 – 0.1 MPa
- 低壓：0.2 – 1.0 MPa
- 中壓：1 – 10 MPa
- 高壓：10 – 100 MPa
- 超高壓：> 100 MPa
按壓縮空氣流量分類：
- 超小型壓縮機：< 1m³/分鐘
- 小型壓縮機：1 – 10m³/分鐘
- 中型壓縮機：10 – 100m³/分鐘
- 大型壓縮機：> 100m³/分鐘
按冷卻方式分類：
- 空氣冷卻式：使用空氣作為冷卻介質，並利用風扇自動冷卻系統內的空氣。
- 水冷式：使用水作為冷卻介質，並搭配冷卻塔或循環水系統。
按潤滑方式分類：
- 有油潤滑：包括噴油式壓縮機或少油式壓縮機。
- 無油潤滑：
- 水潤滑式
- 乾式螺旋式
- 無油活塞式
- 無油離心式
III. 壓縮機的工作原理
1. 活塞式壓縮機
當活塞從上止點向下止點移動時，汽缸內的體積增大，氣壓降低。當汽缸內壓力低於外部大氣壓時，在壓力差的作用下，外部空氣克服彈簧張力，推動進氣閥打開進入汽缸（此時排氣閥仍為關閉狀態）。當活塞運行至下止點時，汽缸已被新鮮空氣充滿，內部壓力與外部大氣壓相等。由於汽缸內外壓力已平衡，彈簧便會推動進氣閥關閉。至此，吸氣過程完成。
當活塞繼續從下止點向上止點移動時，進氣閥與排氣閥均處於關閉狀態。此時，汽缸內的空氣開始被壓縮。隨著活塞向上運動，汽缸容積逐漸減小，空氣壓力逐漸升高，這就是壓縮過程。
當空氣壓力超過排氣閥彈簧張力與排氣管內壓力的總和時，排氣閥會被推開，壓縮空氣經由排氣口排出。此排氣過程會持續到活塞運行至上止點為止。此時汽缸內大部分空氣已被排出，壓力迅速下降，排氣閥會在彈簧力作用下關閉，這就是排氣過程。
當活塞再次從上止點向下止點移動時，新一輪的空氣又被吸入汽缸，進入新的吸氣週期。活塞式壓縮機就是透過這樣重複循環的吸氣－壓縮－排氣三個步驟來實現壓縮功能。
注意：目前在低壓壓縮機市場中，活塞式壓縮機已逐漸被螺旋式壓縮機所取代，因此，我們只需理解活塞式壓縮機的基本原理即可。
2. 螺旋式壓縮機
螺旋式壓縮機可分為雙螺桿壓縮機與單螺桿壓縮機兩種。
2.1）雙螺桿壓縮機的工作原理與介紹：
雙螺桿壓縮機由一對互相嚙合的轉子（包括陽轉子與陰轉子，也稱螺桿）組成。這兩根螺桿在汽缸內平行旋轉，在螺桿的凹槽與汽缸殼體之間週期性地產生變化的容積。空氣從吸氣口進入後，被捲入螺桿齒間的空腔，並沿著螺桿方向向排氣端推進。在此過程中，空氣被不斷吸入、壓縮並排出。壓縮機的進氣口與排氣口分別設置於壓縮機兩端。陽轉子與陰轉子由主電動機驅動旋轉，確保吸氣－壓縮－排氣三個過程連續進行。
2.2）單螺桿壓縮機的工作原理與介紹：
單螺桿壓縮機的特點是只使用一根主螺桿。然而，實際上它包含三根旋轉軸：一根主螺桿和兩個與螺桿垂直安裝的行星齒輪。雖然屬於螺桿壓縮機家族並具有與雙螺桿壓縮機相似的優點，但由於仍存在若干尚未克服的技術難題，單螺桿壓縮機在工業領域的應用仍不廣泛：
- 運動部件較多：單螺桿壓縮機有三根旋轉軸，主螺桿與行星齒輪之間剛性差異大，在運行過程中容易產生不均勻變形，導致嚙合精度偏差，從而造成容積效率低。此外，目前市面上的單螺桿壓縮機多採用非金屬材質製作行星齒輪，這類材料耐磨性較差。在高速運轉下，磨損嚴重會導致內部洩漏增加，進而使氣體流量在短時間內顯著下降（通常在運行 3000～4000 小時後，流量平均下降約 5～10%）。變形不均也會降低整機的機械穩定性，導致故障率和維護率提升，進一步限制了其在工業中的應用潛力。
- 行星齒輪的材料仍需改進：行星齒輪是單螺桿壓縮機的核心密封部件之一。如果使用鋼材，由於熱膨脹係數大，必須設置較大的間隙來避免卡死，這會造成氣體洩漏、效率下降且容易卡死，導致嚴重損壞。若採用合成材料來解決上述問題，又會面臨強度不足、耐磨性差的困境。在實際運行中，受剪切力和摩擦力影響，材料容易快速磨損，導致內漏、效率降低、維護頻率提升與維修成本上升。因此，尋找一種具備高強度、低膨脹率與優良耐磨性的材料，仍是當前技術面臨的重要課題。但以目前的材料科學水準，短期內仍難有突破性的解決方案。
- 螺桿輪廓仍需優化：由於前述兩大問題尚未有效解決，因此單螺桿壓縮機的研發仍受限制。目前，各大研究機構與製造廠商尚未對其螺桿輪廓進行深入優化設計，導致設計突破有限。找到最佳的螺桿輪廓形狀是將產品推向市場的前提條件。然而，由於市場潛力有限，各大廠商投資意願不足，因此短期內也難以期待設計上的顯著改進。
總結：從技術和實際應用的角度來看，雙螺桿壓縮機仍是目前最先進、且已被廣泛驗證為穩定且高效的壓縮技術。
2.3) 離心式壓縮機
離心式壓縮機採用安裝有導流葉片的葉輪繞軸旋轉的方式進行工作。當空氣進入葉輪時，旋轉的葉片會將動能傳遞給氣流，使其速度提升並伴隨壓力略微增加。隨後氣流進入擴壓器，在此過程中速度逐漸降低，動能轉換為壓力。之後氣體進入導流管與回流裝置，進入下一級（若有），整個壓縮過程持續進行直至達到所需壓力。
2.4) 渦旋式壓縮機（Scroll）
渦旋式壓縮機由一動一靜兩個渦旋盤構成，其輪廓基於雙函數數學方程。靜盤固定在機體上，動盤由偏心軸驅動，並由防自轉機構限制其自由旋轉，只允許其沿靜盤中心做偏心運動。空氣由靜盤邊緣經空氣濾清器進入，並被困在兩盤之間的月牙形壓縮腔中。隨著動盤的偏心旋轉，空氣逐漸被壓縮至中心，最終由靜盤中央的排氣口排出。整個吸氣－壓縮－排氣過程連續穩定進行。
2.5) 滑片式壓縮機（Vane）
滑片式壓縮機的轉子安裝於一圓柱形腔體內，並呈偏心狀態。轉子上裝有 4 至 6 片可徑向滑動的滑片，其底部裝有彈簧，使滑片始終緊貼腔體內壁。當轉子旋轉時，滑片之間形成的容積變化，依次完成吸氣、壓縮與排氣過程。該機構結構簡單、效率高、噪音低，適用於中小型氣體壓縮的多種應用場景。
IV. 無油與有油空氣壓縮機介紹
1. 無油螺旋式空壓機介紹
2. 無油螺旋式空壓機內部結構介紹
3. 無油螺旋式空壓機結構示意圖說明
1- 進氣口
2- 消音腔
3- 空氣過濾器
4- 低壓螺旋壓縮轉子
5- 中間冷卻器
6- 除水裝置與排水管
7- 高壓螺旋壓縮轉子
8- 消音裝置
9- 單向閥
10- 後冷卻器
11- 壓縮空氣出口
12- 排氣閥與消音裝置
13- 進水管
14- 出水管
15- 油冷卻器
16- 油過濾器
17- 油路切換閥
18- 油泵
4. 有油螺旋式空壓機的工作原理
V. 空氣壓縮機的重要技術參數
1. 排氣壓力
定義：指空壓機最終輸出的空氣壓力。
• 活塞式空壓機的排氣壓力通常測量於儲氣罐。
• 螺旋式空壓機則測量於油氣桶出口處。
額定排氣壓力：根據標準工作條件設計的排氣壓力，亦為機器銘牌上標示的壓力值。
空壓機可在低於額定壓力下運行，如機械結構允許，亦可短時間超壓運行。
常用單位：bar 或 MPa
2. 容積流量（或稱排氣流量）
定義：空壓機最後一級所輸出的空氣體積，通常在後冷卻器、單向閥與除水裝置之後測量，並換算為第一級吸氣狀態下的條件。
計算公式：
容積流量 = 吸入氣量 – 漏氣量
常用單位：
• m³/min（立方米/分鐘）
• L/min（公升/分鐘）
• CFM（立方英尺/分鐘）
單位換算：
1 m³ = 1000 L = 35.315 CFM
在中國，常用單位為 m³/min（亦稱標準流量：Nm³/min），有時也稱為排氣流量或銘牌流量。
3. 排氣溫度
定義：每級壓縮後空氣的溫度，通常測量於壓縮空氣出口管道處。
常用單位：
• °C（攝氏）
• °F（華氏）
• K（絕對溫度）
4. 壓力露點
當空氣被冷卻時，若水蒸氣的分壓等於飽和壓力，該時刻的溫度即為露點溫度，亦即空氣中水氣達100%飽和的狀態。
壓力露點：在工作壓力下測得的露點溫度。
大氣露點：在標準大氣壓下測得的露點溫度。
任何進一步冷卻都將導致水氣凝結，形成冷凝水。
5. 排氣含油量
單位：PPM（mg/m³）
表示壓縮空氣中油的質量濃度（包含油滴、懸浮油顆粒與油蒸氣），並換算為標準狀態下的條件：
• 絕對壓力：0.1 MPa
• 溫度：20°C
• 相對濕度：65%
通常，PPM 是指質量比，例如：
1 PPM（質量） = 百萬分之一公斤 = 1 毫克
換算標準：
1 PPMw = 1.2 mg/m³（在 P = 0.1MPa, t = 20°C, φ = 65% 的條件下）
VI. 常見的空氣壓縮機品牌
- 國際品牌：
- Atlas Copco（瑞典）
- Ingersoll-Rand（美國）
- Compair/Demag（德國）
- Sullair（美國）
- Fusheng（台灣）
- Kaeser（德國）
- Quincy（美國）
- Boge（德國）
- ZSCREW（日本）
- Kobelco（日本）
- Hitachi（日本）
- 國內品牌（中國）：
- Bolite（上海）
- Fuda（柳州）
- Unites（上海）
- Weiken（上海）
- Skerlo（上海）
- Langchao（上海）
- Risheng-Schneider（上海）
- Dongfang（上海）
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