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機械工業雜誌
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摘要
現今社會工業模式逐漸趨向於多元發展，AI產業與半導體產業也逐漸蓬勃，壓縮空氣品質也逐漸被重視，進而無油空壓機需求上升，除了上述產業外，也可應用在食品、醫療等方面，以符合更嚴格的環保與品質標準，根據Persistence market與 ITRI IEK統計資料指出，從觀察三相感應馬達其對於市場無油空壓機產品運用分布分析，以螺桿式為大宗佔63.1%，其次為往復式25.4%，本文會分析目前空壓機關鍵零件設計趨勢，並以現今中馬力市場較大的110 kW無油雙段螺桿空壓機為對象，應以最大壓力10 bar G進行各段齒型對數研究探討與相關理論參數，並使用SCORG和SCCAD輔助分析各段最佳化齒對數參數。
Abstract
In today's society, the industrial model is gradually evolving towards diversification, with the AI and semiconductor industries flourishing. As a result, the quality of compressed air is gaining increasing attention, leading to a rising demand for oil-free air compressors. In addition to these industries, oil-free air compressors are also widely used in the food and medical sectors to meet stricter environmental and quality standards. According to statistical data from Persistence Market Research and ITRI IEK, an analysis of the application distribution of oil-free air compressor products utilizing three-phase induction motors shows that screw-type compressors dominate the market, accounting for 63.1%, followed by reciprocating compressors at 25.4%.
This article focuses on the 110 kW two-stage oil-free screw air compressor, which has a significant presence in the medium-power market today. The study will be conducted at a maximum pressure of 10 bar G, analyzing the logarithm of different rotor profiles and related theoretical parameters. Additionally, SCORG and SCCAD will be used to assist in the analysis and optimization of parameters for each stage.
前言
現今空壓機市場趨勢除了聚焦於節能減碳、智能化管理與環保永續、變頻驅動（VSD）、雙段壓縮進一步降低能耗之外，隨著AI裙帶產業(半導體製程)意識興起，連帶無油壓縮氣體(符合ISO 8573-1 Class 0標準氣體) 需求升溫，其中擁有5~400 kW廣泛應用功率的螺桿式空氣壓縮機最為主要，根據齒型幾何以及理論參數變化，進而產生性能多樣性。
無油螺桿空壓機主要以壓縮腔體中無任何油或其他雜質壓縮狀況排出氣體，故在設計上相較於微油空壓機有不同層面上須顧慮的地方，例如介質不同時齒型變化、理論特性與密封特徵等，都是主要影響無油螺桿空壓機之性能因素。
為了讓臺灣市場更理解無油螺桿空壓機設計理論趨勢，故訂定110 kW 10 bar G雙段無油螺桿空壓機為目標，探討其各段齒型選擇變化與理論表現，利用相關理論計算與分析軟體SCORG與SCCAD輔助驗證，並透過數據比對來觀察雙段無油螺桿空壓機每段適用範圍。
無油空壓機關鍵技術趨勢與理論分析
本文分成兩個部分，第一部分為介紹空壓機雙段壓縮原理與優勢，第二部分為空壓機相關理論與目標設定值，說明110 kW / 10 barG雙段無油螺桿空壓機的目標參數(理論風量、比功率等)，並以此參數進行齒型幾何比對，並觀察排氣溫度與比功率的變化，提出建議齒型的範疇。
1. 空壓機雙段壓縮原理
雙段壓縮在高壓力段空壓機是很常有的設計，當空氣壓縮機需要達到較高的壓力時，單段壓縮的方式並不是最理想的選擇。因為當空氣被壓縮時，溫度會大幅上升，而過高的溫度不僅會影響壓縮效率，還可能導致機械部件過度磨損，甚至影響潤滑油的性能，如圖1空氣壓縮時的P-V曲線，當未經過中間冷卻時b→1→2'→a，在壓縮過程中氣體會膨脹至2'，會造成不必要的功耗與風險，如果經過冷卻後b→1→c→d→2→a，則虛線曲線就會越接近實線等熵壓縮過程。[1]
在雙段壓縮的過程中，空氣首先經過第一級壓縮，這時候溫度會上升，但還不會達到極端的程度。接著，空氣會經過一個中間冷卻器，使溫度降低，這樣當它進入第二級壓縮時，就不會因為高溫而降低壓縮效率或損害設備。由於壓縮空氣的溫度降低了，它的密度也會增加，這使得第二級壓縮能夠更有效地完成，提高整體能效。
雖然雙段壓縮的設備結構相對複雜，成本也較高，但長期來看，它在能耗上的節省以及設備壽命的延長，使得許多需要高效壓縮的場景仍然選擇這種方式。這就是為什麼在許多高壓應用中，雙段壓縮成為了一種更具經濟效益的選擇。
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2025年06月號
(單篇費用：參考材化所定價)