ระบบนิวแมติกส์ Pneumatic System มีความจําเป็นมากที่จะต้องใช้ลมอัด เพื่อไปควบคุมการทํางานในระบบ และอุปกรณ์ที่ผลิตลมอัดก็คือ เครื่องอัดลม หรือ Air Compressor ซึ่งมีหน้าที่หลักคือ ทําการอัดลมหรืออากาศเข้าไปเก็บไว้ในถังเก็บลม

เครื่องอัดลมจะเปลี่ยนพลังงานลมอัดให้เป็นพลังงานกล อัดลมจากความดันปกติไปถึงความดันสูงแล้วนําเอาลมอัดที่อัดไว้ไปเก็บที่ถังพักลม (Air Tank) ส่วนการนําไปใช้งานนั้นต้องผ่านเข้าไปชุดปรับปรุงคุณภาพลมอัด

เนื่องจากอากาศที่ถูกอัดที่มีความดันสูง (High Pressure) จึงจําเป็นต้องปรับความดันลมอัดให้มีความเหมาะสมกับอุปกรณ์ใช้งานในระบบนิวแมติกส์

ความดันของลมอัดที่นําไปใช้งานมีตั้งแต่  4 – 15 กิโลกรัมแรงต่อตารางเซนติเมตร (kg/cm2) ขึ้นไป ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับความต้องการว่าจะนําไปใช้กับงานชนิดใดซึ่งมีผู้ให้ความหมายของเครื่องอัดลมไว้ดังนี้

หน้าที่ของ Air Compressor ในระบบนิวเมติก

เครื่องอัดลม (Air Compressor) ทําหน้าที่เป็นแหล่งผลิตพลังงานทางนิวแมติกส์  โดยเพิ่มความดันให้อากาศเครื่องอัดลมจะใช้พลังงานไฟฟ้าในการหมุนมอเตอร์

เครื่องอัดลมถูกออกแบบเพื่อทําการอัดลมที่ความดันบรรยากาศให้ได้ 1 กิโลกรัมแรงต่อตารางเซนติเมตร เรียกว่าโบลเวอร์ (Blower) ส่วนเครื่องอัดลมที่ให้ความดันลม น้อยกว่า 0.1 กิโลกรัมแรงต่อตารางเซนติเมตรนั้นเรียกว่าพัดลม (Fan) โดยทั่วไประบบนิวแมติกส์จะใช้เครื่องอัดลม เป็นต้นกําลัง

เครื่องอัดลมมีหน้าที่อัดอากาศให้มีความดันสูงขึ้นตามความต้องการจะขึ้นอยู่กับลักษณะงาน  และต้องพิจารณาถึงความดันใช้งานและปริมาณการจ่ายลมด้วย

จะเห็นได้ว่าเครื่องอัดลมเป็นแหล่งพลังงานที่เป็นตัวเพิ่มความดันอากาศให้มีความดันสูงและจ่ายไปยัง แหล่งที่ต้องการนําไปใช้งานโดยอาศัยมอเตอร์ไฟฟ้าเป็นตัวช่วยให้เครื่องอัดลมทํางาน

ข้อดีของลมอัดในระบบนิวเมติก

  • ลมอัดไม่มีอันตรายจากการระเบิดหรือติดไฟ ดังนั้นจึงไม่จําเป็นต้องมี อุปกรณ์ราคาแพงสําหรับป้องกันการระเบิด
  • ลมอัดมีความรวดเร็วในการทํางานสูงลูกสูบลมมีความเร็วในการทํางาน 1 ถึง 2 เมตรต่อวินาที (m/s) ถ้าเป็นลูกสูบแบบพิเศษสามารถให้ความเร็วในการทํางานได้ถึง  10  เมตรต่อวินาที
  • การส่งลมอัดไปตามท่อในระยะทางไกล ๆสามารถทําได้ง่ายและลมอัดที่ใช้แล้วไม่ต้องนํากลับ สามารถปล่อยทิ้งสู่บรรยากาศได้เลย
  • ลมอัดสามารถกักเก็บไว้ในถังเก็บลมได้ง่าย  ดังนั้นอุปกรณ์ทํางานสามารถทํางานได้ต่อเนื่องจากการใช้ลมอัดนี้
  • ความปลอดภัยจากงานเกินกําลัง อุปกรณ์ที่ใช้กับระบบลมอัดจะไม่เกิดการเสียหายถึงแม้ว่างานจะเกินกําลัง (Over Load)
  • การควบคุมอัตราความเร็ว ความเร็วของลูกสูบสามารถปรับได้ง่ายๆ โดยใช้ วาล์วควบคุมอัตราการไหลของลม
  • การควบคุมความดัน ความดันของลมอัดที่ต้องการสามารถควบคุมได้ง่าย ๆ โดยใช้วาล์วควบคุมความดัน (Pressure Control Valve)
  • ลมอัดมีความสะอาดทําให้อุปกรณ์และเครื่องมือสะอาดหมดจด
  • โครงสร้างง่ายๆ เช่น ลูกสูบลมจะมีโครงสร้างง่าย ๆ ธรรมดามีการเคลื่อนที่ เป็นเส้นตรงจะไม่มีกลไกยุ่งยากในส่วนอื่น ๆ เช่น แขนเหวี่ยง เยื้องศูนย์ เพลาเกลียวและอื่น ๆ
  • การตั้งค่าระยะช่วงชัก โดยการปรับระยะหยุดหรือช่วงชักของลูกสูบทําให้สามารถปรับระยะช่วงชักได้ทุกตําแหน่งจากน้อยสุดจนถึงมากสุดตามที่ต้องการ
  • อุณหภูมิขณะใช้งาน ลมอัดที่สะอาดปราศจากความชื้น สามารถทํางานได้ดีในช่วงอุณหภูมิที่กว้าง
  • ไม่ต้องใช้ท่อลมกลับ ลมอัดที่ใช้แล้วสามารถปล่อยทิ้งสู่บรรยากาศได้เลยไม่จําเป็นต้องมีท่อนำกลับ
  • อุปกรณ์นิวแมติกส์กะทัดรัด ทนทาน น้ำหนักเบา และซ่อมแซมบํารุงรักษาได้ง่าย

ข้อเสียของลมอัดในระบบนิวเมติก

  • ลมอัดถูกอัดตัวได้เหตุที่อากาศสามารถอัดตัวได้ทําให้การเคลื่อนที่ของอุปกรณ์ ทํางานไม่สม่ำเสมอ
  • ลมอัดมีความชื้น ลมอัดจะถูกทําให้เย็นลงหลังจากการถูกอัดเข้าในถังเก็บซึ่งจะทําให้เกิดการกลั่นตัวของหยดน้ำภายในถังเก็บลมและท่อลมในวงจร
  • ลมอัดต้องการเนื้อที่มาก เนื่องจากความดันที่ใช้ในวงจรนิวแมติกส์ไม่สูงมาก(ประมาณ  6  Bar)  ทําให้กระบอกสูบลมต้องมีขนาดใหญ่เพิ่มขึ้นถ้าต้องการใช้แรงมาก ๆ
  • ลมอัดมีเสียงดัง เมื่อลมอัดระบายออกจากอุปกรณ์ทํางานไอเสียที่คายออกมาจะทําให้เกิดเสียงดังมากดังนั้นจึงต้องใช้ตัวเก็บเสียง (Silencer)
  • ความดันของลมเปลี่ยนแปลง ความดันของลมอัดจะเพิ่มขึ้นถ้าอุณหภูมิสูงขึ้นและความดันจะลดลงถ้าอุณหภูมิต่ำลง

คุณรู้จักเครื่องอัดลม (Air Compressors) ดีพอรึยัง

คอมเพรสเซอร์ จะทำหน้าที่เปลี่ยนพลังงานกลให้เป็นพลังงานลมอัดซึ่งมีความดันสูง คอมเพรสเซอร์สามารถแบ่งออกได้เป็น 2 กลุ่มใหญ่ด้วยกัน

  1. คอมเพรสเซอร์ที่ทำงานในลักษณะการเคลื่อนที่ที่เป็นแนวขึ้นลง (Reciprocating Compressors)
  2. คอมเพรสเซอร์ที่ทำงานในลักษณะของการหมุน

เรามาทำความรู้จักกับ Air Compressor แต่ละแบบกันดีกว่าครับ

คอมเพรสเซอร์ชนิดลูกสูบ คอมเพรสเซอร์ชนิดลูกสูบแบบอัดชั้นเดียว (Single Stage Piston Compressors)

หลักการทำงานคอมเพรสเซอร์ชนิดลูกสูบ – ในขณะที่ลูกสูบเคลื่อนที่ลงจะดูดอากาศจากภายนอกเข้ามาทางลิ้นดูด ส่วนลิ้นอัดจะถูกปิด และในขณะที่ลูกสูบเคลื่อนที่ขึ้นก็จะอัดให้อากาศมีความดันสูงขึ้น เนื่องจากปริมาตรน้อยลง เป็นผลให้ในลิ้นปิดปล่อยให้อากาศซึ่งมีความดันสูงออกสู่ภายนอก ส่วนลิ้นดูดจะถูกปิดคอมเพรสเซอร์ชนิดนี้โดยทั่วไปจะใช้กับระบบที่ต้องการความดันอยู่ในช่วง 7-3 บาร์

ภาพจาก 4mechtech

คอมเพรสเซอร์ชนิดลูกสูบอัดสองชั้น (Two Stage Piston Compressor)

ในกรณีที่ใช้คอมเพรสเซอร์แบบอัดชั้นเดียวแล้ว ต้องการความดันที่สูงกว่า 6 บาร์ จะส่งผลให้เกิดความร้อนขึ้นซึ่งเป็นผลต่อเนื่องให้ประสิทธิภาพลดลง ด้วยเหตุนี้จึงหันมาใช้คอมเพรสเซอร์แบบอัดสองชั้นแทน

หลักการทำงานคอมเพรสเซอร์ชนิดลูกสูบอัดสองชั้น – อากาศที่ความดันบรรยากาศจะถูกดูดเข้ามา หากต้องการความดันตอนสุดท้ายเป็น 7 บาร์ ให้ลูกสูบแรกอัดอากาศให้มีความดันประมาณ 3 บาร์ หลังจากนั้นผ่านเข้าท่อระบายความร้อนแล้วอัดให้มีความดันเป็น 7 บาร์ ในลูกสูบตัวที่สอง

ลมที่ถูกดูดเข้ามาที่กระบอกสูบชั้นที่สองนั้นจะถูกลดอุณหภูมิลงภายหลังจากที่ไหลผ่านอินเตอร์คูลเลอร์ซึ่งจะมีท่อน้ำอยู่ภายในท่อที่มีความดันไหลผ่าน เมื่ออัดลมที่มีอุณหภูมิและความดันไหลผ่าน น้ำจะรับความร้อนจากอากาศโดยวิธีการพาความร้อน ทำให้ลมอัดมีอุณหภูมิลดลงแต่ความดันไม่เปลี่ยน น้ำจะรับความร้อนและถ่ายเทออกมาข้างนอก แล้วนำน้ำเย็นไหลเวียนเข้าไป

จะเห็นว่าขั้นตอนนี้เป็นการปรับปรุงเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการผลิตลมอัดของคอมเพรสเซอร์ชนิดลูกสูบอัดสองชั้น ซึ่งมีความแตกต่างกับคอมเพรสเซอร์ชนิดลูกสูบแบบอัดชั้นเดียวก็คือ อุณหภูมิที่ได้มาท้ายสุดของกระบวนการในการผลิตลมอัดอาจสูงถึง 120 องศาเซลเซียส


คอมเพรสเซอร์ชนิดลูกสูบไดอะแฟรม (Diaphragm Compressor)

คอมเพรสเซอร์แบบนี้ถือเป็นชนิดลูกสูบเหมือนกัน แต่ระหว่างลูกสูบและส่วนที่อัดอากาศถูกปิดกั้นด้วยแผ่นไดอะแฟรมจะสร้างความดันอยู่ในช่วง 3-5 บาร์ ทำให้อากาศที่อัดออกมามีความสะอาดปราศจากน้ำมันหล่อลื่นจากลูกสูบเจือปน จะสร้างความดันอยู่ในช่วง 3-5 บาร์ ส่วนมากจะใช้ในอุตสาหกรรมอาหาร เคมีภัณฑ์และยา รุ่นเล็ก ๆ สามารถใช้กับมอเตอร์ขนาด 1 kw เพื่อเป็นตัวต้นกำลังได้

หลักการทำงาน – เมื่อลูกสูบเคลื่อนที่ลง แผ่นไดอะไดแฟรมจะดูดอากาศจากภายนอกผ่านวาล์วไอดีเข้ามาภายในห้องเก็บลม เมื่อลูกสูบเคลื่อนที่ขึ้น แผ่นไดอะแฟรมจะอัดอากาศภายในห้องเก็บลมให้มีความดันสูงขึ้น และไหลออกไปทางวาล์วไอเสีย จะเห็นว่าลมอัดภายในห้องเก็บลมจะไม่สัมผัสกับชิ้นส่วนที่เป็นลูกสูบเคลื่อนที่

  • คอมเพรสเซอร์ที่ทำงานในลักษณะของการหมุน (Rotary Compressors)
  • คอมเพรสเซอร์แบบใบพัดหมุน (Rotary Sliding Vane Compressor)

คอมเพรสเซอร์แบบนี้จะดูดอากาศเข้ามาทางด้านเข้า โดยอาศัยใบพัดซึ่งมีลักษณะคล้ายใบมีดแล้วลดปริมาตรให้น้อยลงเพื่ออากาศจะได้มีความดันสูงขึ้นแล้วส่งออกไปใช้งาน หรือเข้า ถังคอมเพรสเซอร์แบบนี้จะใช้น้ำมันเป็นตัวหล่อลื่นเพื่อลดความร้อนในขณะทำงาน


คอมเพรสเซอร์แบบสกรู (Screw Compressor)

หลักการทำงานของคอมเพรสเซอร์แบบนี้จะอาศัยตัวหมุน 2 ตัว ซึ่งทำเป็นเกลียวมีทิศทางตรงกันข้ามระหว่างเกลียวทั้งสอง จะมีช่องว่างสำหรับดูดอากาศเข้ามาแล้วอัดให้มีปริมาตรน้อยลง เพื่อเพิ่มความดันแล้วส่งออกภายนอก คอมเพรสเซอร์แบบนี้จะให้อัตราการไหลเวียนของลมสูงถึง 400 m3/min ที่ความดันสูงสุดได้ถึง 10 บาร์

หลักการทำงาน – เมื่อเพลาสกรูหมุน ลมภายนอกจะถูกดูดผ่านท่อเข้ามาและถูกอัดตามร่องฟันที่ขบกัน และเรือนปั๊มด้วยความเร็วสูง ทำให้อากาศถูกอัดมีความดันสูงขึ้น และไหลออกอีกทางหนึ่ง เครื่องอัดอากาศแบบนี้ไม่มีเสียงดัง ไม่มีการหล่อลื่น แต่จะใช้วิธีฉีดน้ำมันหล่อลื่นเข้าไปในห้องอัดอากาศเพื่อช่วยระบายความร้อน และป้องกันการรั่วไหลของอากาศ ทำให้ความดันอากาศสูงขึ้น

Compressor Rating – อัตราการผลิตอากาศอัด

ความสามารถของคอมเพรสเซอร์ หรือสมรรถภาพทางด้านเอาต์พุตขึ้นอยู่กับปริมาตรการไหล ซึ่งอาจจะอยู่ในหน่อยของ m3/min , m3/s , dm3/min , dm3/s หรือ l/m ปริมาตรในการดูดในเชิงทฤษฏีของคอมเพรสเซอร์แบบลูกสูบสามารถหาค่าได้จากสมการดังต่อไปนี้

Q = AL.n.N (l/min)

Q = ปริมาตรการดูด (l/min)
A = พื้นที่หน้าตัดของลูกสูบ (dm2)
L = ระยะชัก (dm)
n = จำนวนลูกสูบ
N = ความเร็วรอบ (RPM)

ในกรณีที่เป็นคอมเพรสเซอร์แบบอัดสองชิ้นสามารถใช้สมการเดียวกันได้ แต่ต้องพิจารณาลูกสูบในแต่ละชั้น ในความเป็นจริงปริมาตรที่ดูดเข้ามาไม่สามารถที่จัดส่งผ่านออกไปภายนอกทั้งหมดได้ เนื่องมาจากส่วนที่เรียกว่า Dead Volume และนอกจากนี้ความร้อนก็มีผลต่อปริมาตรด้วย

ทั้งหมดนี้ก็เป็นสาระความรู้เกี่ยวกับ Air Compressor หรือเครื่องอัดลมในระบบนิวเมติก ที่ผู้เกี่ยวข้องจำเป็นต้องรู้ เพื่อให้การปฏิบัติงานเป็นไปอย่างมีประสิทธิภาพและปลอดภัยครับ