액추에이터 (복동식 vs. 단동식)

복동식(Double Acting)과 단동식(Spring Return) 액추에이터의 가장 큰 차이점은 밸브를 구동하는 에너지원과 비상시 안전 방향(Fail-safe)을 구현하는 방식에 있다.

 

 

 

액추에이터 (복동식 vs. 단동식)

복동식(Double Acting)과 단동식(Spring Return) 액추에이터의 가장 큰 차이점은 밸브를 구동하는 에너지원과 비상시 안전 방향(Fail-safe)을 구현하는 방식에 있다.

 

 

복동식 액추에이터 (Double Acting)

실린더의 양쪽에 공기를 공급하여 밸브를 열고 닫는 방식이다.

• 작동 원리: 밸브를 열 때(Open) 한쪽 포트에 공기를 넣고, 닫을 때(Close)는 반대쪽 포트에 공기를 주입한다. 공기의 압력차를 이용해 피스톤을 양방향으로 민다.
• 에너지원: 열림과 닫힘 모두 압축 공기(Instrument Air)가 필요하다.
• 에너지 상실 시 (Fail Case): 공기 공급이 끊기면 피스톤 양쪽의 압력이 평형을 이루거나 빠져나가며, 밸브는 그 자리에 멈추거나(Stay) 유체의 흐름에 따라 위치가 변한다.
• 장점: 동일한 크기의 실린더에서 단동식보다 더 큰 토크(Torque)를 낼 수 있으며, 제어가 안정적이다.
• 보완 장치: 비상시 특정 방향으로 움직여야 한다면, 볼륨 탱크(Volume Tank)나 에어 락 밸브(Air Lock Valve)가 추가로 필요하다.

 

 

단동식 액추에이터 (Spring Return)

한쪽은 공기압으로 밀고, 반대쪽은 물리적인 스프링(Spring)의 힘을 이용하는 방식이다.

• 작동 원리: 공기를 주입하면 스프링을 압축하면서 밸브가 움직이고(주로 Open), 공기를 빼면 압축되었던 스프링이 펴지는 힘으로 밸브를 원래 위치로 되돌린다(주로 Close).
• 에너지원: 한 방향은 압축 공기, 복귀 방향은 스프링의 탄성 에너지를 사용한다.
• 에너지 상실 시 (Fail Case): 공기 공급이 끊기면 스프링의 힘에 의해 강제적으로 설계된 위치(FC 또는 FO)로 복귀한다. 별도의 보조 탱크 없이도 자체적인 안전 확보가 가능하다.
• 장점: 구조적으로 Fail-safe 기능이 내장되어 있어 신뢰성이 높다.
• 단점: 스프링을 압축하는 힘까지 고려해야 하므로, 동일 토크 대비 실린더 크기가 복동식보다 크고 무겁다.

 

 

주요 특성 비교표

구분	복동식 (Double Acting)	단동식 (Spring Return)
구동 방식	공기압 vs 공기압	공기압 vs 스프링
Fail Position	Fail Last (기본)	FC 또는 FO (기본)
크기 및 무게	상대적으로 작고 가벼움	크고 무거움 (스프링 부피 때문)
비상시 작동	보조 장치(Volume Tank 등) 필수	자체 내장 스프링으로 작동
경제성	초기 비용 저렴	스프링 및 실린더 대형화로 비용 높음

 

 

PSM 현장확인 시 확인 사항

검사관은 현장에서 다음과 같은 수식적 근거와 물리적 상태를 대조한다.

1. 스프링 토크 (Spring Torque)

단동식의 경우, 스프링이 밸브를 완전히 닫을 수 있는 충분한 힘 Fₛₚᵣ을 가지고 있는지 확인한다. 유동 압력에 의한 저항력보다 스프링의 복원력이 커야 한다.

• Fₛₚᵣ > Fₛₑₐₜ + F𝒹ᵧₙ (Fₛₑₐₜ: 시트 밀착력, F𝒹ᵧₙ: 유동 저항력)

2. 공기 소비량 (Air Consumption)

복동식은 양방향 모두 공기를 쓰므로 공기 소요량 Vₐᵢᵣ 계산 시 단동식의 약 2배를 적용했는지 검토한다.