aa

第一章氣壓基本原理介紹 1-1 氣壓的基念概念 1-2 壓力之定義及使用單位 1-3 氣壓傳動的優缺點 1-4 氣壓系統圖圖形符號

氣壓基本原理介紹 氣壓學 (pneumatics pneumatics) 一詞係源自希臘文 Pneuma, 其含義為研究空氣運動及空氣現象的一門學問 亦即氣壓技術或氣壓學, 又名為空氣壓, 簡稱氣壓 氣壓學氣壓學 (pneumatics) 係利用空氣壓縮機將自由空氣吸入, 經壓縮並予儲存後將壓縮空氣送出, 藉各種控制閥控制其壓力控制閥控制其壓力 方向與流量, 並使空壓致動器產生運動並對外作功的一門學問 ( 全華 ) 氣壓的利用 : (1) 自古即有, 如風車使用於農田灌溉, 帆船使用於海洋運輸等 (2) 今日氣壓的使用, 已普及各行各業中, 如電車 船舶船舶 飛機等等, 或是公共汽車車門的啟閉等 (3) 目前國內之工業型態, 已由勞力密集轉向技術密集, 即工業自動化過程, 而此過程氣壓實為最重要之一環節 舉凡各種工具機, 產業機械 機器中的自動控制機器中的自動控制, 氣壓已成為不可或缺的重要能源與裝置, 故對氣壓的學習當是刻不容緩

1. 長度 : 氣壓常用單位換算表 2. 面積 : 3. 質量 : 4. 力或重量 : kp = kgf 1kp 為使質量 1kg 的物體產生 9.81m/s 2 加速度所需的力

5. 壓力 (P): 氣壓常用單位換算表 6. 體積 : 7. 流量 :

常用溫度的單位 1. 攝氏溫度 ( ) 9/5+32 9/5+32= 華氏溫度 ( ) 2. ( 華氏溫度 ( )-32 32) 5/9= 攝氏溫度 ( ) 3. 凱氏溫度 ( K) K)= 攝氏溫度 ( )+273 273.15 4. 朗氏溫度 ( R )= 華氏溫度 ( )+460

氣壓常用公式定律及原理 1 力量 : F = M.a 牛頓第二運動定律 N = kg.m/s 2 F 為力, 單位 : 牛頓 a 為加速度, 單位 : 公尺 / 秒 2 M 為質量, 單位 : 公斤 N 為牛頓, 力的單位 ( 絕對單位 ) 2 重量 : G = M.g N = kg. m/s 2 加速度與重力有關 G 為重量, 單位 :kgf( 力的重力單位 ) g 為重力加速度, 單位 : 公尺 / 秒 2

巴斯噶原理 巴斯噶原理 : 對密閉容器施加壓力, 壓力會遞至容器各部且垂直於管壁, 在容器中任一部分所生的壓力均相等 P=F/A P 為壓力 1Pa = N/m 2,1Pa = 10-5 bar 若作用力 F =100 kg 截面積 A = 10cm 2 求壓力 P =? P=F/A= 100kg/10cm 2 =10 kg/cm 2

氣壓常用定律與原理 空氣狀態之變化, 與溫度改變 壓力及體積大小有密切的關係, 以理想氣體之條件下而言, 大致可分為下列幾種情形 : 一 查理定律 ( 等壓變化 ) 當溫度提高時, 氣體分子之運動速度會加若容器為一定, 其壓力必增加 ; 反之, 若壓力椎持不變, 則必須使其自由膨脹, 所謂查理定律是指在一定壓力下, 定量氣體之體積與絕對溫度成正比, 即

氣壓常用定律與原理 例 在大氣壓力狀態下的空氣, 在 20 (293K 293K) 時的體積為 0.8 m, 將其加熱至 71 (344K 344K) 後其體積應為多少? 解 : V1/T /T1= V2/T /T2 V2 = V1 T2/T /T1= 0.8 344/293 = 0.939 m 3

氣壓常用定律與原理 二 波義耳定律 ( 等溫變化 ) 在一定溫度下, 定量氣體之體積與壓力成反比 ; 或壓力與體積之相乘積為一定值, 稱為 波義耳定律波義耳定律, 改寫成公式為 P 1 =5 kg/cm 2,V 1 =10 cm 3, 當 V 2 =2 cm 3 時 P 2 =? P 1 V 1 = P 2 V 2 5 10 = P 2 2 P 2 = 25 kg/cm

氣壓常用定律與原理 三 給呂薩克定律 ( 等容變化 ) 在一定容積下, 定量氣體之壓力與絕對溫度成正比, 稱為 給呂薩克定律給呂薩克定律, 或稱為 羅克士定律羅克士定律 (Locar's law), 改寫成公式為

氣壓常用定律與原理

氣壓常用定律與原理 四 理想氣體方程式 (1) 所謂 理想氣體理想氣體 是指某種氣體內之分子完全自由獨立, 彼此間無相互作用力 實際上並無任何一種氣體符合理想氣體的條件, 但在一般壓力及溫度下, 空氣 氧 氮 氫等氣體可視為理想氣體 (2) 根據前述之給呂薩克定律 查理定律及波義耳定律, 可歸納理想氣體方程式如下 : 上式中為氣體之 n 莫耳數 (mole);r 為氣體常數 (3) 對於同一系統而言, 系統內之氣體質量保持不變, 即 n 為一常數而 R 氣體常數, 所以 nr 為常數, 所以上式 PV = nrt 亦可表示為 = 常數

氣壓常用定律與原理 四 理想氣體方程式 : 式中 P 1 : 變化前之絕對壓力 V 1 : 變化前之體積 T 1 : 變化前之絕對溫度 P2: 變化後之絕對壓力 V 2 : 變化後之體積 : 變化後之絕對溫度 T 2

連續定理 流體在管路中流動時, 管路 A 與 A 的截面積不同, 但在穩定流動的狀況下, 其流經任一橫斷面的流量恆維持一定 此稱之為連續定理 以公式表示 : 流量 = Q1 Q = Q2 Q = A1=A =A2= 常數 Q = 流量立方公尺 / 秒 (m 3 /s) A = 截面積平方公尺 (m 2 ) ν = 速度公尺 / 秒 (m/s m/s) V = 體積立方公尺 (m 3 ) V = A S 體積 = 截面積 高度距離 ) 兩邊各除以時間 t V/t= A S/t =A ν( 距離 時間 = 速度 ) Q = A ν

氣壓之用途 日常生活中常常看到許多利用壓縮空氣的例子, 例如在公車門 氣動工具氣動工具 零件組裝零件組裝 工作臺升降 自動包裝等, 都是應用氣壓系統 目前氣壓在工業上已廣泛應用於機械加工 汽車工業 工程機械工程機械 生物產業生物產業 食品加工食品加工 印刷工業 電子業電子業 半導體業及醫療工程等方面, 氣壓與我們的日常生活密切相關, 未來的發展更是無遠弗屆

氣壓之用途

氣壓之用途

壓力之定義 義大利托利節利氏 (Torrlicelli Torrlicelli) 實驗 : 將一盛裝水銀的封閉管倒置於一水銀槽時, 管中水銀柱僅落下一段距離而已, 而沒有全部落入槽中, 此乃由於受大氣壓力的作用, 經測量為 760 mm-hg Hg, 而以此為標準氣體壓力, 而決定一大氣壓或稱為 1 atm 大氣壓力之實驗 ( 托利節利氏實驗 )

大氣壓力 大氣壓力 (1) 地球表面為厚厚一層氣體所覆蓋, 近地球表面較濃厚 ( 空氣 ), 離地球表面越高愈薄, 一直擴及 1000 公里之上空圍繞於地球之氣體稱之為大氣 地球表面至 15 公里所具有的氣體稱為空氣 空氣主要是由氧與氮以 1:4 之比例混合存在著, 亦含有少量的其他氣體 (2) 大氣層厚度大約 10km( 全華版 ), 由於空氣重量往下壓, 因而形成 大氣壓力大氣壓力 在海平面上 0 時之空氣壓力, 稱 一標準大氣壓力, 簡稱 一大氣壓一大氣壓 (1 atm), 一大氣壓等於 760mmHg( 水銀柱高 ), 即 1atm atm=760 760mmHg

空氣壓力實驗 當打氣筒起初打入空氣時並不覺得重, 但漸漸的變重, 什麼原因呢? 此乃由於有空氣壓力的感覺有空氣壓力的感覺 空氣壓力究竟是什麼? 空氣是由多數分子組合而成, 當打氣筒打氣時, 會將空氣壓縮, 空氣分子相碰撞, 單位體積之分子數會因而增加, 因此打擊於筒壁之分子衝擊數也會增加, 則壓力會上升 壓力的定義 : 單位截面積所受的力稱為壓力, 以數學式表示如下 :

壓力 1. 壓力的定義 : 壓力就是單位面積上所承受力的大小 2. 公式 : 式中 :P 為壓力, 單位為 kgf/cm 2 Pa bar Torr Psi F 為所負荷力, 單位為 N kgf lbf A 為面積, 單位為 m 2 cm 2 mm 2 in 2

壓力單位 : ( 一 ) 公制壓力單位 壓力單位 公制的壓力單位常以 kgf/cm 2 及 mmhg 表示 ( 二 )SI( 國際公制 ) 壓力單位 SI 壓力單位以 Pa bar 表示 ( 三 ) 英制的壓力單位 英制的壓力單位以 Psi 或 inhg 表示 工程上常用的壓力單位包括 atm bar kgf/cm 2 lbf/in 2 Torr N/m 2 Pa 等

壓力單位 (1)1 Pa( 巴 )=N/m 2 (2)1 bar=10 5 Pa 1 bar =10 5 Pa = 10 5 N/m 2 =10N/cm 2 =10/9.8 kp/cm 2 =1.02 kg/cm 2 (3)1 Psi=1 lbf/in 2 1 kg=2.2lb 1in=2.54cm 1 kg/cm 2 =2.2lb/(1/2.54) 2 =14.2 psi,1atm=760mmhg =760Toor=14.7psi

壓力的表示 空氣因分子互相踫撞而產生壓力, 如果沒有分子的互相踫撞, 當然不會產生壓力 完全真空狀態時的壓力是零, 以絕對零壓為標準者稱為絕對壓力 工業上大部分是以大氣壓力為基準, 以大氣壓力作為基準者稱之為錶壓力 其三者間之關係如下 : 大氣壓力 = 1 atm = 14.7 psi = 760 mm-hg = 760 Torr 絕對壓力 = 大氣壓力 + 錶壓力 大氣壓力 = 絕對壓力 + 真空壓力 真空壓力 : 低於大氣壓力的壓力 FLASH

氣壓之優點 : 氣壓傳動的優缺點 1. 適於遠距離傳送 2. 傳送速度較快 ( 空氣的黏性較小, 在配管的過程中壓力降小, 而且流速快, 所以能高速作動 ) 3. 控制安全性高 ( 對溫度的影響較小無爆發或著火的顧慮, 所以比較安全 ) 4. 壓力容易調整 ( 僅須調整調壓閥的壓力即可 ) 5. 速度容易調整 ( 要調整氣壓缸的速度只要加裝一流量調整閥, 以調整其進氣量或排氣量, 即可使速度變化 ) 6. 不易造成環境污染 7. 壓縮空氣容易儲存 ( 只要有一個儲氣槽, 即能簡單而又方便儲存能源 ) 8. 容易達成自動化 9. 構造簡單 價格便宜價格便宜 安裝容易

氣壓傳動的優缺點 氣壓傳動之缺點 1. 控制的效果較差 : 精確速度控制有困難 : 由於氣體之可壓縮性, 對於速度及任意點定位精確度較差, 但近年來已發展出定位的單元可克服上述困難 2. 空氣壓縮成本高且動力小 : 一般氣壓只可在一定輸出條件下使用方為經濟, 約 7kg/cm 2, 其可產生的力量約在 2.5~3 噸左右, 當然超過此力量的氣壓缸也可以做 但由於使用壓縮空氣量大成本較高, 所以超過 3 噸以上之力量一般以液壓為主 3. 速度變化不穩定 : 負改變時會產生速度變化 4. 信號傳遞較電氣慢 : 長距離的傳送宜用電氣控制 (10 10m 以上 ) 5. 須加裝消音器 6. 作動效率較低 : 因作動過程是由機械能或電能帶動空氣壓縮機產生壓力能, 再由壓力能轉換成機械能, 期間能量轉換所造成的損失大, 作動效率較低

壓縮機 1bar 以上 送風機 0.1~1bar 氣壓系統圖圖形符號 壓力控制閥, 方向控制閥及流量控制閥 控制信號 或電能 基本氣壓系統方塊圖 冷卻 乾燥器乾燥器 三點組合 : 濾清器 調壓閥 ( 附壓力錶 ) 及潤滑器 氣壓缸或氣壓馬達 氣壓迴路圖

氣壓控制系統及其壓力 氣壓系統之組成

氣壓系統基本構成

氣壓系統實體圖

氣壓控制系統主要元件 氣壓產生機構 ( 空氣壓縮機或送風機 ): 將電能或機械能轉變成氣體的壓力能 空氣壓縮機依型式可概分為三種 : ( 一 ) 往復式空壓機 (reciprocating compressor) 往復式空壓機又分 : 1. 活塞空壓機 (piston compressor): 活塞空壓機為目前使用極為廣泛之空壓機 如需要更高壓力之壓縮空氣, 可使用 雙級空壓機雙級空壓機 或 多級空壓機多級空壓機

往復活塞空壓機

往復活塞空壓機 Play Flash

往復活塞空壓機 2. 膜片空壓機 (diaphragm compressor): 其活塞與氣缸之間以膜片隔開, 故能避免壓縮空氣受潤滑油之污染 此種壓縮機常用於食品 醫藥醫藥 化學等工業化學等工業

空氣壓縮機的型式 ( 二 ) 迴轉式空壓機 (rotary compressor) 迴轉式空壓機 (rotary compressor) 又分 : 1. 輪葉空壓機 (vane compressor): 此種空壓機運轉時安靜無聲, 且壓縮空氣無脈動波, 輸出亦較平穩 2. 螺旋空壓機 (screw compressor) 3. 魯氏空壓機 (Root's compressor)

迴轉式空壓機 (rotary compressor)

迴轉式空壓機 (rotary compressor)

空氣壓縮機的型式 ( 三 ) 氣流式空壓機 (air flow compressor) 氣流式空壓機 (air flow compressor) 又分 : 1. 軸流空壓機 (axial flow compressor): 此種空壓機可高速迴轉, 且效率高, 但噪音大, 適用於低壓且需要大風量的場合 2. 徑流空壓機 (radial flow compressor): 此種空壓機與軸流空壓機之特性相同, 唯輸出之壓力更高

氣流式空壓機 (air flow compressor) 軸流空壓機 : 空氣沿軸向流動, 經輪葉而產生大排量的氣流 此種空壓機可高速迴轉, 且效率高, 但噪音大, 適用於低壓且需要大風量的場合, 例如高爐通風裝置 噴射引擎等高排量之設備

氣流式空壓機 (air flow compressor) 徑流空壓機 : 空氣被吸入後, 沿著葉片朝直徑方向流動, 經由一連串之葉片的加壓後排出 此種空壓機與軸流空壓機之特性相同, 唯輸出之壓力更高

空氣壓縮機之維護與檢查 空氣壓縮機 : (1) 空氣壓縮機之操作, 應指派人員負責管理並經常檢查 (2) 空氣壓縮機在起動之前, 操作者應先行巡視空氣壓縮機四周一次 清除靠近風扇皮帶及轉動機件之一切物件, 以防意外 (3) 空氣壓縮機之引擎 馬達, 如用皮帶傳動者, 應設置適當的護罩 (4) 不得將壓縮空氣吹向易燃油料及沾有油污之衣服棉紗, 以免產生靜電引起火花發生危險 (5) 不得將壓縮空氣吹向人體, 更不宜用以吹除頭上 手上手上 鞋上及衣服上之塵埃, 以免被壓縮空氣帶出之鐵屑 顆粒等雜物所擊傷 (6) 開動前應先檢查 : 檢查壓力錶 安全閥安全閥 壓力調節閥壓力調節閥 逆流防止閥, 是否需調整調壓閥的負荷調整裝置, 並放出空氣槽中水等, 經確認其機能正常後, 始得開動

空氣壓縮機之維護與檢查 空氣壓縮機 : (7) 壓力錶應為使用壓力之 1.5~2 倍之刻度 (8) 空氣壓縮機在開動時, 應注意壓力錶指示 (9) 安全閥應調整在較常用壓力稍高之位置 (10) 在運轉中, 應注意壓力錶壓力不得過高, 若超過使用壓力以上時, 需做適當之調整 (11) 在運轉中, 如發現機器部分有異狀時 ( 如壓力 溫度溫度 音響 震動等情況 ), 應即停車做緊急處置 (12) 切勿在運轉中修理機件, 修理工作完畢後應將護罩裝復 (13) 每日工作完畢或停用時間較久, 而無人看管時, 均應放洩儲氣筒內殘存之壓縮空氣及儲氣筒底部之積水

空氣調理組 空氣調理組 (service unit): 儲存於貯氣筒的壓縮空氣, 經由配管而輸送到各項氣壓機器之前, 必須經 : 過濾器 : 過濾固體雜質及水氣等 調壓閥 : 控制在適當之壓力內 潤滑器 : 將潤滑油混入壓縮空氣中, 使進入空壓系統之壓縮空氣具潤滑性 因此空氣調理組之過濾器過濾器 調壓閥及潤滑器等三構件所組成, 又稱為 三點組合三點組合 (3-device) (a) 空氣調理組詳細符號 (b) 空氣調理組簡化符號

空氣調理組

空氣調理組 過濾器 (filter) 由 IN 入口進入之壓縮空氣流過渦旋葉, 使之產生旋轉作用 利用該離心力將灰塵與水分投向濾清杯 的內壁, 然後聚集於杯底 壓縮空氣則通過濾清器 而將小灰塵, 與雜物分離乾淨的壓縮空氣由 OUT( 出口 ) 流出 濾網應定期清洗 更換, 以防堵塞, 凝結水亦須以手動或自動方式由下方排洩口排放之 導環 ( 渦旋葉 ) 空氣濾清器

空氣調理組 調壓閥 (pressure regulating valve): (1) 調壓閥的功能在設定並保持出口之工作壓力為一定值 (2) 壓力的調節係由膜片 所控制, 膜片一邊受輸出壓力控制, 另一邊受彈簧 所抵擋, 彈簧力可由調整螺絲 加以調整 (3) 當輸出壓力大於彈簧設定壓力時, 膜片向彈簧施加壓力並下降, 連帶使閥座也下降, 因而使空氣的通道減少甚至關閉 當空氣繼續使用而導致操作壓力下降到低於彈簧設定壓力時, 彈簧力頂開閥座, 如此閥座的連續開啟與關閉, 即可控制輸出壓力於調壓閥預先設定的數值

壓力錶實體圖 (b) 調壓閥 + 空氣羲濾清器 + 壓力錶 壓力錶構造圖 (a) 調壓閥附壓力錶

空氣調理組 潤滑器 (lubricator) (1) 係利用 文氏管文氏管 (Venturi tube) 原理, 將潤滑油霧化後混入壓縮空氣中, 使空壓構件得到適當之潤滑, 以減少磨耗及銹蝕 (2) 利用噴口前的壓力差 P 將油杯中的油吸入至空氣出口處, 被通過空氣噴成霧狀混合流出 (3) 一般滑油以使用 SAE 5 或 SAE10 為佳, 以中國石油為例則使用 R32 型 P1 P2 文氏管原理 由於 P1>P2, P1-P2= P2= P 利用此壓力差即可將管內的油由噴嘴噴出與空氣混合