공압 발생장치

공압 발생장치

양질의 압축 공기를 생산하여 공압 자동화 장치나 플랜트 설비 등에 공급하기 위해서는 공기 압축기, 저장 탱크, 후부 냉각기, 에어 드라이어, 배관 및 공압 조정 유닛 등의 생산 설비가 필요하게 됩니다.

공압 발생 장치에는 컴프레서와 블로어가 있는데, 블로어는 1kgf/㎠미만의 공압 발생용이고, 컴프레서는 4~6 kgf/㎠을 사용 압력으로 하는 자동화용 공압 기기에 사용되는 공기 압축기입니다.

공기 압축기는 원리에 따른 분류 외에도 출력에 따라 0.2~14kW의 것을 소형, 15~75kW 이상의 것을 대형으로 분류합니다. 또 토출 압력에 따라 7~8 kgf/㎠까지를 저압, 10~25 kgf/㎠을 중압, 15 kgf/㎠이상의 것을 고압으로 분류하기도 합니다.

 

공기 압축기의 원리와 구조

왕복식 압축기

1단 피스톤 압축기

왕복식 압축기는 왕복 운동을 하는 피스톤 또는 다이어프램에 의해 실린더 내용적을 증가시키는 행정에서 흡입 밸브를 열어 공기를 흡입하고, 실린더 내용적이 줄어드는 행정에서 흡입 공기를 압축하여 토출 밸브를 열고 토출하는 원리로 피스톤식과 다이어프램식으로 대별됩니다.

피스톤 왕복식 압축기는 낮은 압력에서부터 높은 압력까지 사용할 수 있어 오늘날 가장 널리 사용되고 있는 압축기로서 그 구조 원리는 위 그림과 같습니다. 그림에서 왼쪽은 피스톤이 하강하면서 흡입 밸브를 열고 공기를 흡입하는 행정이고 오른쪽은 피스톤이 상승하면서 흡입된 공기를 압축하는 과정입니다.

위 그림은 1단식 피스톤 압축기의 원리도이지만 고압으로 압축하기 위해서는 다단식 압축기가 필요합니다. 다단식 압축기 중 2 단식 피스톤 압축기의 구조는 아래 그림과 같습니다. 2 단식 피스톤 압축기는 냉각 장치가 내장된 구조로서 흡입 공기는 첫 번째 피스톤에 의해 압축되고 1단 압축된 압축 공기는 냉각실을 통해 냉각된 후에 다음 피스톤으로 2단 압축됩니다. 왕복식 압축기에서 공기를 압축하면 압축 공기가 고운으로 상승하여 압축기 본체에 열전달되어 변형을 가져오므로 본체를 냉각하여야 합니다.

2단 피스톤 압축기

압축기의 냉각 방법으로는 공냉식과 수랭식이 있습니다. 소형 압축기에서는 방열판에 의한 방열이나 또는 팬에 의한 공랭식 냉각 방법을 주로 채용하고 중형 이상의 압축기는 공랭식으로 충분한 냉각 효과를 기대할 수 없으므로 실린더 헤드의 외주에 재킷을 설치하고 그 사이로 물을 순환시켜 냉각하는 수랭식을 채용합니다. 그러나 수랭식은 공랭식에 비해 냉각 효과는 크지만 수도 배관 설치의 번거로움과 한랭 시의 동결, 단수 시의 운전 정지 등의 문제가 있습니다.

 

회전식 압축기

대표적인 회전식 압축기로는 스크루식과 베인식, 루트 블로어 등 세 가지가 있습니다. 스크루식 압축기는 암수 두 개의 나사형 회전자를 서로 맞물려 케이싱에 둘러싸인 공간으로 배제 용적을 형성하고 나사형 회전자의 회전에 의해 공간의 용적이 축방향으로 압축되어 토출됩니다. 이들 흡입, 압축, 토출의 각 행정은 회전자의 회전과 함께 연속적으로 이루어지므로 왕복식 압축기에서와 같은 토출 공기의 맥동이 없습니다. 또한 스크루식 압축기는 회전축이 평행을 이루고 있어서 고속 회전이 가능하고 저주파 소음이 없어서 소음 대책이 필요 없어 최근 그 사용이 증대되고 있습니다.

베인식 압축기는 케이싱 내에 축과 편심된 로터를 가지고 있습니다. 이 로터의 방사선 홈에 베인이 삽입되어 있으며 케이싱과 베인에 의해 둘러싸인 용적에 공기가 흡입되고 로터의 회전에 의해 압축되어 토출 됩니다. 즉, 로터가 회전함에 따라 용적이 변화하고 토출구에 도달할 때 소정의 공기 압력으로 상승되는 구조이므로 왕복식 압축기처럼 흡입 밸브나 토출 밸브가 없습니다. 베인 압축기는 압축 공기의 공급을 부드럽게 연속적으로 공급하므로 맥동과 소음이 적고 크기가 소형이어서 공압 모터 등의 공압원으로 이용됩니다.

루트 블로어는 누에고치형 회전자를 서로 90˚ 이상 변위를 주고 회전자끼리 미세한 간격을 유지하면서 서로 반대 방향으로 회전합니다. 흡입구에서 흡입한 공기는 회전자와 케이싱 사이에서 밀폐되어 체적 변화없이 토출구 측으로 이동되어 토출구에서 토출 됩니다. 루트 블로어는 비접촉형 이므로 무급유식이며 소형이면서 고압으로 송풍 할 수 있습니다. 그러나 토크 변동이 크고 소움이 크므로 이것을 개선하기 위해 특수 형상의 회전자 또는 회전자에 비틀림 각을 준 헬리컬형이 사용됩니다.

 

터보형 압축기

이 압축기는 공기의 동역학적 유동원리를 이용하여 이차를 고속으로 회전시켜 날개를 통과하는 기체의 운동량을 증가시켜 압력과 속도를 높이는 것으로서 축류식과 원심 식이 있습니다. 축류식은 공기가 날개에 의해 축방향으로 가속되는 것이며 케이싱에 설치된 고정 날개를 지날 때 압력이 상승됩니다. 원심식 터보 압축기는 날개에 의해 공기가 반경 방향으로 압축되며 다음 날개의 축방향으로 흡입되어 다시 가속되는 압축기를 말합니다.

터보형 압축기의 특징으로는 회전운동만 하므로 진동이 적고, 고속회전이 가능하며 토출 시 공기 압력에 의한 맥동이 없습니다. 또한 왕복식 압축기와 같이 흡입, 토출 밸브가 없으므로 고장이 적고 압축 부분에 윤활이 필요 없으므로 무급유식이라는 특징이 있습니다. 터보형 공기 압축기는 각종 플랜트 설비, 고로 등의 대용량에 적합하고 일반적인 공압 시스템의 에너지원으로는 별로 이용되지 않습니다.

 

공기 압축기의 선정

작동 압력과 공기 소모량

공압 액추에이터나 공압 기기의 작동 압력은 주로 5~6kgf/㎠의 압력이 사용되므로 공기 압축기에서 토출 되는 압력은 배관과 공압 기기 등의 압력 강하를 고려하여 20% 정도의 여유를 주어야 합니다. 공압 시스템에서의 사용 공기 압력의 상한치는 10 kgf/㎠ 정도이므로 압축기의 기종은 왕복식이나 회전식 압축기가 적합합니다. 공압 시스템에서 공기의 소모량이 결정되면 이에 따라 토출 공기량을 선정하여야 하지만 대부분의 압축기 토출 용량 표시는 대기압 상태의 이론 공급 체적으로 표시되므로 공압 시스템에서 요구되는 유효 공급 체적으로 환산하여 비교하여야 합니다. 유효 공급 체적은 압축기의 형태와 압력에 따라 다르므로 압축기의 체적 효율을 알아야 합니다.

액추에이터의 공급 공기량에 의한 압축기의 피스톤 이론 공급체적은 아래 식과 같이 구합니다.

V : 왕복식 압축기의 이론 공급체적

α : 체적 효율

Q : 액추에이터 작동 압력 P에서의 공급 공기량

P : 사용 공기 압력

 

공기 압축기의 수량

공기 압축기 선정 시 압축기의 용량이 큰 것일수록 효율이 좋으므로 소용량의 압축기를 병렬로 여러 대 설치하는 것보다는 대용량 압축기를 분산 배치하는 것이 좋습니다. 그러나 대용량 압축기 한 대로 집중 공급 시 불시의 고장에 따른 작업 중지의 염려가 있으므로 이를 사전에 예방하기 위해서는 두 대가 가장 적합합니다.

압축기 선정 시에는 현재의 공급 공기량에 추가하여 향후 공기압의 추가 증설로 인한 사용 공기량의 수요 증가 또는 공기 누설 등의 손실 공기량을 고려하여 최소 50% 정도의 여유를 고려하여 필요량을 결정한 후, 그대로 분산시켜 이에 적합한 공기 압축기를 선정하는 것이 바람직합니다. 또한 부하 변동으로 예측되는 시간적 사용 공기량의 변화를 각 라인마다 파악하고 에너지 절약면에서 주 부하용 공기 압축기오 부 부하용 공기 압축기로 나누어 사용하여도 좋습니다.

 

공기탱크의 크기

공기 저장 탱크는 공기 소모량이 많아도 압축 공기의 공급을 안정화시킵니다. 또한 공기 소비 시 발생되는 압력 변화를 최소화시키며 정전 시에도 탱크에 저장된 유량에 의해 짧은 시간 동안 운전이 가능하고 공기 압력의 맥동을 앲애는 역할을 합니다. 또한 탱크의 넓은 표면적에 의해 압축 공기를 냉각시켜 압축 공기 중의 수분을 드레인으로 배출시키므로 그 크기와 용량의 결정은 매우 중요합니다.

공기탱크의 전용적

구동용 전동기의 정격 출력(kW)	공기 탱크의 전용적 (ℓ)	구동용 전동기의 정력 출력(kW)	공기 탱크의 전용적 (ℓ)
0.2	15이상	2.2	80이상
0.4	25이상	3.7	100이상
0.75	35이상	5.5	100이상
1.5	60이상

※ 0.2kW 전동기의 공기탱크 전용적은 사용 상황에 따라 15ℓ미만이어도 좋습니다.

 

공기탱크의 크기는 위 표와 같이 규정하고 있으며 그 크기의 설정 요소는 압축기의 공기 체적, 압축기의 압력 비, 시간당 스위칭 횟수 등에 의해 결정됩니다.

 

공기 압축기의 압력 제어

공기 압축기를 운전할 때는 적정 압력 범위로 압력을 제어하지 않으면 고압으로 되어 공기 압축기에 무리한 부하가 걸리거나 또는 낮은 압력으로 되어 액추에이터 힘의 저하나 공압기기의 작동 불량의 원인이 됩니다.

공기 압축기 압력 제어 방법에는 다음과 같은 방법이 있습니다.

무부하 조절

배기 조절

가장 간단한 조절 방법으로 탱크 내의 압력이 설정된 압력에 도달하면 안전밸브가 열려서 압축공기를 대기 중으로 방출시켜 설정 압력으로 조절하는 방법이며 연속 사용으로 도장용 스프레이 건, 공압 구동 공구, 샌드블라스트 등 7 kgf/㎠이하의 압력으로 많은 공기량이 사용될 때 사용됩니다. 

차단 조절

이 조절 방식은 압축기의 흡입구를 차단하여 압력을 낮추는 방법이며 흡입구를 닫음으로써 공기를 흡입하지 못하게 하여 대기압보다 낮은 진공 범위의 압력에서 계속적으로 운전하게 됩니다. 이 형태의 조절은 회전 피스톤 압축기와 왕복 피스톤 압축기에 많이 사용됩니다.

그립-암 조절

이 방식은 흡입과 토출 밸브가 있는 피스톤 압축기에 이용되는 방식으로 압력이 상승되면 피스톤이 상승 시에도 흡입 밸브가 그립-암에 의해 열려 있으므로 공기를 압축할 수 없어 압축공기를 생산할 수 없게 하는 간단한 조절 방법입니다.

ON-OFF 제어

이 제어 방식은 압축기의 운전과 정지를 반복시키며 조절하는 방식으로 압축기의 구동 모터는 최대 설정 압력에 도달되면 압력 스위치에 의해 정지하고 최소 설정 압력까지 떨어지면 다시 작동되는 원리입니다. 스윗칭 횟수를 줄이기 위해서는 비교적 대용량의 탱크가 필요하며, 높은 압력을 사용하는 경우나 단속 작업 등에 적당한 조절 방법입니다.