공기압 시스템 구성

 

공기압의 압력과 유량을 이용하여 일을 하는 기기를 공기압 기기라고 하며, 일반적으로 폭넓게 공기압 기기가 사용되고 있는 것은 산업기계이다. 산업계의 자동화, 에너지절감에 꼭 필요한 요소기기로서 중요한 역할을 담당하고 있다.

 

 

공기압 시스템 구성

대기압 vs. 공기압

우리들이 살고 있는 지구는 공기로 둘러 쌓여 있고, 그 공기중의 산소는 동·식물이 살아가는데 없어서는 안되는 필수 요소이다. 그러면 공기는 어느 정도 있을까.

공기는 해면에서 고도 수십 키로미터까지 있는 것으로 알려져 있다. 체적으로 보면 해수(海水) 보다도 상당히 많은 양이다. 실제로는 공기와 함께 구름 등이 수분과 장소에 따라 공기이외의 가스로 존재하고 있으므로, 이러한 것도 합쳐서 공기라 한다. 그러므로 정확하게 지구는 대기로 둘러 쌓여 있는 것이 된다.

그러면, 왜 대기는 지구에서 분리되지 않을까. 그것은 [그림 1]과 같이 공기 뿐만 아니라 그 이외의 가스에도 중량이 있기 때문에 인력에 의해 지구 표면에 일정한 두께로 존재하고 있는 것이다.

[그림 1] 지구 표면의 대기 

 

 

또, 공기 등의 기체는, 체적을 변화 시키기 쉬운 특징을 갖고 있다. 이것은 풍선 등에서도 확인할 수 있고, [그림 2]와 같은 자동차의 공기흡입과 비슷한 장치라면, 누르는 힘이 강할수록 공기는 압축되고, 힘을 제거하면 원래의 크기로 팽창한다. 이것을 “압축성이 있다”라고 한다.

[그림 2] 기체의 압축성

 

대기중의 공기는 중량과 압축성이 있기 때문에, 하층은 상층의 공기 중량으로 누르고 있어서, 밀도가 높은 상태로 된다. 그러므로, 해면 근처의 공기가 가장 밀도가 높고, 에베레스트 산의 정상은 비정상적으로 공기가 희박하다.

[그림 2]도 압축하는 만큼 밀도가 높아지지만, 원래의 체적으로 돌아가려는 반발력도 동시에 강하게 된다. 이 반발력을 발생하는 능력은, 일반적으로 밀도가 아닌 압력의 고저로 표시된다. 기체를 압축하면, 밀도가 높아지고 동시에 압력도 높아진다. 압력을 표시하는 단위는 수은을 밀어 올리는 힘인 mmHg나 단위면적에 작용하는 힘의 크기인 MPa로 표시된다.

 

 

대기중에서 가장 압력이 높은 해면에서는, 어느 정도의 압력이 걸리는 것일까. 예를들면 이 압력은[그림 3]과 같이 수은주를 760mm의 높이까지 밀어 올리므로 760mmHg로 표시할 수 있고, 또한 1mm2의 면적에서 0.1013N 의 힘이 걸리므로, 0.1013MPa로 표시할 수 있다. 이것은 기상분야에서의 1013mbar와 같다. 이와 같은 압력 중에서 생활하고, 일을 하고 있는 것이다. 이 압력을 “대기압”이라 한다.

[그림 3] 수은주를 밀어 올리는 압력

 

대기압=760mmHg=0.1013MPa (1.003Kgf/㎢) = 1013mbar

 

 

대기압까지 압축된 공기는, 우리들 주변에 얼마든지 있는 것이다. 이것을 강제적으로 압축하면 압력은 더욱 높아지고, 그 높아진 압력에서는 힘(에너지)이 얻어진다. 이와 같이 어떤 목적을 위해 대기압보다 압력을 높게 만든 공기를 “공기압”이라 한다.

 

 

압력의 종류

압력측정에는 게이지압과 절대압의 2종류가 있으며, 게이지압은 대기압을 기준으로 하고, 절대압은 절대진공을 기준으로 하고 있다.(게이지압은 대기압 변화에 연동)

 

[그림 4] 압력의 종류

 

 

<진공>

 

진공이란 "보통 대기압에서 낮은 압력 기체로 가득찬 공간 안의 상태(압력 그 자체를 말하는 것이 아님)"로 정의된다.

결국, 특정 공간을 만들어 그 내부를 주위 대기압에서 낮은 압력으로 하면 그 상태를 진공이라 한다.

<진공의 압력단위>

일반 공기압 기기를 사용하는 경우의 압력 단위는 MPa이 사용되지만, 진공에서는 kPa을 사용하고 있다.

[그림 5]와 같이 대기압을 기준으로 한 진공압력 표시는 "-kPa", 절대압력을 기준으로 한 경우에는 "kPa"로 나타낸다.

 

 

[그림 5] 진공압력표시

 

공기압 시스템 구성

공기압 시스템은 액추에이터(에어실린더)와 솔레노이드밸브 등의 기기가 트러블 없이 목적하는 일을 행하기 위해 압축기로부터 공급된 공기의 청정 상태를 관리하는 기기로 구성된다.

 

[그림 5] 공기압 시스템 구성

 

공기압 시스템은 대기를 압축하는 것으로부터 최종단의 구동기기까지, 용도에 맞게 다양한 기기를 조합하여 시스템을 구성한다.

(1) 청정화기기 (애프터쿨러, 에어드라이어 등)
공기를 압축하면 매우 고온이 되기 때문에 애프터쿨러에서 압축공기를 냉각하여 에어탱크에 저장한다. 공기를 그대로 압축하면 대기 중의 먼지나 유분, 냄새 등이 함께 압축되어 장비에도 악영향을 미친다(녹이나 접동부의 저해 등).

따라서 압축공기를 냉각하고 에어드라이어에서 수증기를 제거해야 한다.

 

(2) 공기압 보조기기 (에어필터, 레귤레이터, 루브리케이터 등)
청정화기기에서 1차 처리된 압축공기이지만, 공기압 기기가 정확하게 작동하도록 압축공기의 상태를 조정하는 공기압 보조기기이다. 필터를 사용하여 이물질을 제거하고, 레귤레이터에서 압축공기의 압력을 조정한다. 또한 기기의 접동 부분이 부드럽게 움직일 수 있도록 윤활유를 공급한다.

 

(3) 방향제어기기 (솔레노이드 밸브, 메커니컬 밸브 등)
다음 단계는 압축공기의 컨트롤로서, 전자 밸브(솔레노이드 밸브)는 압축공기가 흐르는 방향을 전환하고, 실제로 일을 하는 구동장치의 전진·후퇴 동작을 결정한다.

 

(4) 구동기기 (에어실린더, 로터리 액추에이터, 에어척 등)
압축공기의 작용으로 실제 작동(일)을 실시한다. 직선 동작을 하는 실린더 이외에도 다양한 동작이 있다. 로터리 액추에이터는 설정된 각도 범위를 좌우로 요동하는 액추에이터 이고, 또한 워크를 반송시 워크를 잡는 역할을 하는 전용 액추에이터를 에어척이라고 한다.

 

 

Reference : SMC 기술자료