공기압축기 종류 및 작동원리

압축기는 유체를 압축하여 유체에 기계적 에너지를 가한다는 점에서는 펌프와 원리는 기본적으로 같지만 펌프는 액체를 압축하는 것이고 이에 반해 압축기는 기체를 가압하여 압력과 속도를 변환시킨다는 점에서 펌프와 구별된다. 

 

 

 

공기압축기 종류 및 작동원리

 

압축기 중 공기를 압축하는 것이 공기압축기이고 산업안전보건법상의 정의는 공기의 사용을 위해 피스톤, 임펠러, 스크루우 등에 의하여 공기를 필요한 압력으로 압축시켜 탱크에 저장하는 공기 기계를 말하며 산업안전보건법의 적용을 받는 공기압축기는 에너지관리법의 적용을 받는 것을 제외하고 게이지 압력 2 kg/cm2이상인 것으로 공기탱크의 내경이 200mm 이상 또는 길이가 1,000mm 이상으로서 동력에 의하여 구동되는 공기압축기에 한 한다.

 

 * 공기기계는 작동압력에 따라 다음과 같이 구분된다.

   ① 휀(FAN) : 토출압력이 0.1 kg/cm2 미만

   ② 브로와(BLOWER) : 토출압력이 1 kg/cm2 미만

   ③ 압축기(COMPRESSOR) : 토출압력이 1 kg/cm2 이상

 

 

1. 공기압축기의 종류

공기압축기는 분류방식에 따라 여러 가지로 나뉠 수 있으나 압축방식에 따라 크게 원심형과 용적형으로 구분된다. 원심형은 다시 축류식, 사류식으로 나뉘고 용적형은 왕복동식과 회전식으로 구분된다.

 

사업장에 설치, 사용하고 있는 대부분의 압축기는 용적형이다. 즉 이동식 소형 공기압축기는 왕복동식 공기압축기이고 콤팩트하게 커버에 내장되어 있는 것이 스크루우(Screw)식 공기압축기로 이는 회전식 공기압축기이다.

  ① 원심형 : 축류식, 사류식

  ② 용적형 : 왕복동식, 회전식

 

● 원심형 공기압축기

사업장에서 흔히 볼 수는 없는 압축기지만 회전자의 회전에 의한 원심력을 이용하여 기체의 압력과 속도를 높이는 것으로 회전자의 각도에 따라 다익형, 레이디얼형, 터어보형이 있으며 대부분 터보형이다.

 

●  용적형 공기압축기

실린더내 피스톤의 왕복운동에 공기를 압축하는 기계로 공기의 흡입, 압축, 배출이 피스톤의 왕복운동으로 이루어지며, 고정식, 이동식으로 구분되고 실린더의 위치에 따라 횡형, 입형으로 구분되며 피스톤의 수량에 따라 단동식, 복동식으로 구분한다.

쉽게 고압을 얻을 수 있기 때문에 고압이 필요한 경우에 많이 사용되지만 피스톤의 왕복운동으로 공기를 압축하기 때문에 맥동현상이 있고 접촉면적이 많아 보수가 쉽지 않고 소음이 심한 단점이 있다.

2개의 서로 맞물려 돌아가는 로우터(ROTOR)에 의해 공기를 흡입하여 체적을 감소시켜 토출쪽으로 송출하는 압축기로 구조가 간단하고 소용량에 적합하나 고속 회전에는 적합하지 않다.

 

 

2. 공기압축기의 구조와 작동원리

공기압축기의 구조는 그 종류가 왕복동식이냐 회전식이냐에 따라 달라지고 또 같은 종류라 할지라도 중간 냉각방식을 이용한 다단 압축기이냐 중간 냉각기가 없는 1단 압축기냐에 따라 달라진다. 뿐만 아니라 냉각방식이 공랭식인가, 냉각수라인을 이용한 수랭식인가에 따라 그 구조가 크게 달라진다.

따라서 공기압축기에 대한 점검이나 검사 시에는 그 구조부터 파악하여야 한다. 여기서는 이동형 왕복동식 공기압축기와 최근 대부분 사업장에 보편화되어 있는 스크루우식 공기압축기의 일반적인 구조(공랭식, 1단)를 모델로 작동원리를 알아 보도록 한다.

 

 

●  왕복동식 공기압축기 구조와 작동원리

 

 

<그림 1> 왕복동식 공기압축기(이동식)(Source: KOSHA 교육 자료)

 

이 공기압축기는 1단, 공냉식 왕복동식 공기압축기로 실린더가 3개인 복동 구조의 압축기이다.

에어는 흡입 휠터로 들어와 실린더 내 피스톤의 왕복운동에 의해 압축되고 공기탱크에 저장되어 필요한 라인으로 공급된다.

작동원리는 구동모터에 의해 동력이 발생하여 동력 전달장치(풀리, 벨트)에 의해  크랭크실의 크랭크축으로 전달되고 축과 커넥팅로드로 연결된 피스톤이 실린더를 왕복하면서 공기가 압축된다.

 

 

●  스크루우식 공기압축기 구조와 작동원리

<그림 2> 스크루우식 공기압축기

 

이 공기압축기는 1단, 공랭식 스크루우 공기압축기로 오일 세퍼레이터가 있는 급유식이다. 

최근에는 오일이 없는 무급유식(OIL FREE) 방식도 많이 보편화되어 있다.  

 

에어는 흡입 휠터로 통해 들어와  압축기(스크루우)에 의해 압축되고 오일 세퍼레이터에서 오일과 분리되어 냉각 휀에 의해 냉각된 다음 토출 라인을 거쳐 별도로 설치된 공기탱크에 저장되어 있다가 필요한 라인으로  공급된다.

 

작동원리는 구동모터에 의해 동력이 발생하여 이와 커플링 등으로 직결된  압축기가 에어를 압축한다.

 

* 스크루우 공기압축기의 공기 및 오일의 상세 흐름도는 다음과 같다.

 ① 대기 중의 에어는 흡입 휠터를 통해 흡입되며 모터에 의해 구동되어지는 스크루우식 압축기가 회전하면서 필요한 압력으로 압축되어 배관을 통해 오일 리시버에 저장된 후 리시버 내부의 오일 세퍼레이터에 의해서 에어와 오일이 분리된다.

 ② 분리된 에어는 리시버 상부로 토출되고 이때 에어는 고온 다습하므로 보통 냉각 휀에 의해 냉각되고 워터 휠터에서 수분이 제거된 뒤 밸브를 통해 필요한 라인으로 공급된다.

 ③ 오일은 오일 세퍼레이터에서 공기와 분리된 후 오일쿨러에 의해 냉각되고 오일휠터를 거쳐 다시 압축기로 공급된다.

 

 

3. 공기압축기 윤활관리

가. 윤활유의 선택

윤활유는 규정의 것을 사용하도록 할 것. 규정의 것을 사용하지 않으면 단시간에 밸브 등에 카본이 부착되어 밸브 및 각종 부품의 마멸, 소손의 원인이 되므로 압축기 제작회사에서 지정한 윤활유를 사용하도록 하여야 한다.

 

나. 급유 및 오일 교환

① 급유 시는 압축기를 정지시키고 크랭크케이스 전면에 부착된 브리드 켑을 열고 유면게 상한선까지 급유한다(이동식 왕복동 압축기 경우).

② 급유 후 브리드 캡을 완전히 체결하여야 한다(불안전하게 조이면 대기가 크랭크실 안으로 유입되어 오일의 오염과 열화를 촉진시킨고 오일 누설의 원인이 된다).

③ 윤활유는 오염 및 열화 되지 때문에 통상 최초시 200시간, 이후 500∼1,000 시간마다 교환한다(한신 컴프레서, 경원세기 권장).

 

4. 압력 제어

설정압이 일정치 않을 때 다음과 같이 조정한다.

 

가. 언로드에 의한 제어

① 압력이 최고 사용압력보다 높은 상태에서 작동할 경우에는 압력조정 나사를 푼다.

② 압력이 최고사용압력보다 낮은 상태에서 작동할 경우에는 압력조정나사를 조여준다.

③ 규정 압력차가 감소했을 경우에는 차압 조정 나사 아래에 있는 패킹을 배고 더 조여준다.

④ 규정압력차가 증가하였을 경우에는 차압조정나사 아래에 얇은 종이 패킹을 추가시킨다.

 

나. 압력스위치에 의한 제어

① 압력을 높게 할 때에는 ⓐ를 + 방향으로 돌린다.

② 압력을 낮게 할 때에는 ⓐ를 - 방향으로 돌린다.

③ 압력차를 크게 할 때에는 ⓑ를 시계방향으로 돌린다.

④ 압력차를 작게 할 때에는 ⓑ를 반시계 방향으로 돌린다.

<그림 3> 압력스위치 및 제어방법