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流体机械囊括制程排/抽气 提升真空系统节能效率
 

【作者: 陳念舜】2020年01月13日 星期一

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在近年来受到中美贸易战波及,造成台湾制造业哀鸿遍野,唯有半导体和面板设备产业因受惠於5G、AI所需次世代先进制程驱动成长。部份台商也趁机回流扩厂,带动周边厂务及制程设备需求,却仍有长期缺水、电及土地等疑虑未消。工研院则自2014年起积极辅导台湾产业节能有成,建议高科技产业可针对真空泵等流体机械的马达动力系统改善节能效率。


根据工研院产科国际所指出,台湾含半导体和平面显示器为主的高科技产业向来居全球领先地位,又以掌握先进制程技术、产能和设备为影响该产业兴衰的关键因素,当近年来全球保护主义兴起,各国对於关键设备、技术的保护、重视与管制更甚以往。


尤其展??2020年当5G基础建设日益完善後,将会创造,如5G手机、穿戴型装置、车用电子、AI高效能运算等越来越多终端产品需求,可??引领下一波先进制程技术演进,带动半导体产业景气回温,相关制程设备、零组件及关键元件的重要性亦将水涨船高;各显示器设备大厂也看好下一波投资,将聚焦於AMOLED与次世代显示技术Micro/Mini LED等,良率、量产效益和成本将是最大挑战。



图1 : 目前在高科技产业的半导体与光电厂务设施中,均由多部大小不同马力的真空泵组成,并藉由多机联锁系统,保持系统真空压力在特定合理范围内使用。(source:rqg.no)
图1 : 目前在高科技产业的半导体与光电厂务设施中,均由多部大小不同马力的真空泵组成,并藉由多机联锁系统,保持系统真空压力在特定合理范围内使用。(source:rqg.no)

但由於台湾高科技设备厂商多为营收约新台币100亿元以下的中小企业,又以後段封装测试设备与零组件厂商居多,亟待整合产业链上中游厂商自制关键元件,才能有效提升出囗竞争力。其中乾式真空泵即为现今高科技制程设备必备的关键元件,且随着业者投入制程产能愈来愈大,对於真空泵排气量要求也与日俱增。


根据金属工业研究发展中心(MIRDC)指出,与以往开发小型真空泵有别,现今业者开发大排量鲁氏真空泵首要之务,在於须完成真空泵在高度抽真空压力下,恐造成变形的强度分析;以及因为真空泵腔体体积放大後,或将大幅拉高在铸造上的失败率,对於铸造技术的模拟分析也变得十分重要,以避免因此浪费投资昂贵的模具失败。


目前台湾虽然受高科技产业发达之赐,於乾式真空泵使用量居全球市场首位,但相关制程设备厂商却几??全倚赖自国外进囗,而欧日系真空泵大厂又为了降低成本,均将生产基地移往南韩或中国大陆,对於台湾高科技产业发展十分不利。


所幸拜该中心近年来积极叁与经济部工业局平面显示器自制率倍增计画支持下,除已能提供完整的模流分析,以确保开模制造的成功率之外;并加入台湾空压机大厂多年来自主研发经验,终於成功开发出符合市场需求的大排量鲁氏真空泵,至今已取得国内外买主下单,陆续导入台湾半导体、平面显示器、太阳能与LED等高科技光电产业应用。


此外,回顾经济部自2014年8月公告《能源用户订定节约能源目标和执行计画规定》以来,由於要求契约用电容量超过800kW的法人及自然人,均须於2019年达到平均年节电率1%以上目标,已促使相关业者为符合政策要求及实际降低运转电力成本,而不断改善节能效率,於厂务导入制程真空系统产业,更是短期内可立竿见影的良好指标。


到了2016年7月经济部正式宣告,禁止进囗或制造未符合国际IE3规范的低压三相鼠笼式感应马达在台湾销售使用之後,除已成功推动高效率马达替代,而提高2%~8%节能效率,就连藉此驱动真空泵、空压机等流体机械的动力系统,更是重点节能对象。


依负载导入变频控制 真空系统节能立竿见影

根据工研院机械所对於「真空(vacuum)」定义,系指在任一处空间里的气体压力须小於一大气压,又可依压力从大到小不等区别真空度,分为:粗略真空、中度真空、高真空、超高真空,压力越低越耗电kW。


其中目前在高科技产业的半导体与光电厂务设施中,均由多部大小不同马力的真空泵组成,再经过PLC依空气瓶压力感测器的反??信号控制,将粗略真空导入制程使用。倘若真空抽气量需求(demand)够大时,便起动多部真空泵,并在需求量降低时循序停止,保持系统真空压力在特定合理范围内使用。


然而,由於业者在厂务真空系统设计之初,通常会采取最大抽气量需求,加上备用抽气量计算,使得一般设置皆大於实际运转时需求,可利用节能改善措施包含:适当保养维护、采用高效/变频真空泵、多机联控等。其中添购变频真空泵比起定频机种更节能的主因,除了藉此汰旧换新,取代长年使用的旧机,原本就可提高能源使用效率之外;一旦达到预定真空压力需求时,还能经过变频或多机联控来降低抽气负载,以确保真空系统稳定,不会过度耗电。


在早期变频技术尚未普及,传统真空泵未达到预订压力前,只能以定频(速)全力运转,即使接下来抽气量需求降低,仍会造成极大能量损失。直到近年来随着变频技术成熟与降价趋势,导致变频真空泵日渐普及。


当使用者抽气需求量低於真空泵最大抽气能力时,即可考虑将定频真空泵改为变频机种,再透过其中变频控制与专利转子设计制造技术,依前端制程需求增减抽气量需求时调控负载;并配合小马力高转速马达降速,节省保养费用;以及进气调控阀於真空泵起动时微开,让启动电流最小化,得以在不同负载条件下,比起传统定速真空泵节省耗电量约20~50%。


Atlas Copco强化节能减碳优势 融入变频与最隹化结构设计

因应5G、AI等领域的创新产品需求和全球减缓气候变迁潮流趋势下,来自瑞典的流体机械大厂Atlas Copco则致力打造在同等或较小输出功率情况下,可提供比起市面上同级产品更高能效的空压机、真空泵和氮/氧气制造设备。所推出的新一代变频驱动油润滑/乾式螺杆真空泵,适用於厂务中央真空系统。



图2 : Atlas Copco最新推出的变频螺杆真空泵,既融入VSD变频驱动技术,并内建Elektronikon图形化控制器,比起其他真空技术约节能50%。(摄影/陈念舜)
图2 : Atlas Copco最新推出的变频螺杆真空泵,既融入VSD变频驱动技术,并内建Elektronikon图形化控制器,比起其他真空技术约节能50%。(摄影/陈念舜)

既融入了该公司强项的VSD变频驱动技术,在20~100%流量范围内比起其他抽速>300m3/hr的真空技术节能约50%、性价比更高;并加入设定点控制功能,可让使用者用来最隹化,维持制程真空度所需能耗,仅须与真空度或抽速匹配的最小流量而不会浪费,从而提高生产效率。且因为采用即??即用设计原理,将所有部件都安装於一个整洁外罩内,占地面积不超过标准托盘,且能大幅减少客户维护需求、拉长平均回收时间,使之生命周期成本约可削减50%左右,加快投资回报周期。


同时将Atlas Copco在空压机领域高效的双螺杆结构设计移转到真空泵,加上真空系统可承受空气撞击力道从7~8kg降至约0.1kg,只要5~6年定期保养一次真空泵即可,几??未曾发生重大故障事件。加上该公司特别为真空泵设计的Elektronikon图形化控制器串连监控系统节能,并与工厂管理系统整合远端监控,还能从操作面板上监控真空泵实际耗电、油温等数据;或透过智联星监控程序SMARTLINK呈现於行动装置,随时检视抽气效率是否衰退,或维持设定真空压力,从而得知转子效能。



图3 : 透过Atlas Copco智联星监控程序SMARTLINK呈现於行动装置,可随时检视抽气效率是否衰退,或维持设定真空压力,从而得知转子效能。(摄影/陈念舜)
图3 : 透过Atlas Copco智联星监控程序SMARTLINK呈现於行动装置,可随时检视抽气效率是否衰退,或维持设定真空压力,从而得知转子效能。(摄影/陈念舜)

Atlas Copco Taiwan Ltd.公司总经理John Demers进一步表示:「面对当今工业4.0、智慧机械主流,该公司其实早在15年前开始导入自家工厂的生产线应用,先做好准备。」目前除了可让客户藉机上控制器显示,即时监控产品制程外;还能用来搜集制造关键数据,使之创造更高价值,唯有让客户可长期持有产品15~20年并稳定生产才是重点。


值得一提的是,由於该公司变频式螺杆真空泵具备最隹化专利创新设计的回油系统技术,得以避免油气分离器不致过载,而延长使用寿命。且即使在最大负荷下的排气含油量仍维持3mg/m3以下,避免发生传统定速油式真空泵油分离器过载常导致的喷油现象;以及在全压力段运行时排气含油量极低,将大幅优化废气排放品质,有利於维护环境与操作人员的健康。


John Demers强调:「Atlas Copco至今仍以正确的思考方式来维持成长,特别针对空压机与真空泵市场,更强调与客户密切互动,再将改善资讯反??技术与RD研发部门。」也因为在台湾具有优质团队和职能训练,乐於倾听客户心声,让产品更有效益,已成为目前少数同时符合工研院、经济部台湾绿色生产力基金会节能补助标准者。现也透过扩大投资台湾团队相关技术与服务,确实掌握台商回流商机,未来除了持续开发更有效率产品,协助客户打造解决方案之外,还将兼顾环境和企业社会责任,致力於洁净、减碳与高效能方向发展。


**刊头照(source:sterne-silicone-rubber.com)


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