[공압 제어 지식] 압력 제어(Pressure Control) vs 유량 제어(Flow Control) Part.2 기계적 및 전기적 제어 밸브의 구동방식 알아보기

[공압 제어 지식] 압력 제어(Pressure Control) vs 유량 제어(Flow Control) Part.2 기계적 및 전기적 제어 밸브의 구동방식 알아보기

 

25년 공압솔루션 와이에이치인터내셔날

 

안녕하세요, 

 

25년 공압 솔루션 전문 와이에이치인터내셔날입니다.

 

지난 글에서는 압력제어(Pressure Contol)과 유량제어(Flow Control)의 기본 개념에 대해 알아보았습니다.

 

지난글이 궁금하신 분들은 아래의 링크를 클릭해주세요~!

 

[공압 제어 지식] 압력 제어(Pressure Control) vs 유량 제어(Flow Control)

이번 글에서는 압력과 유량을 제어하는 밸브들에 대해 알아보도록 하겠습니다.

 

공압 밸브는 크게 기계적(Mechanical) 밸브와 전자(Electronic) 밸브로 나뉠 수 있습니다. 이 두가지 구동방식의 밸브들이 어떻게 압력과 유량을 제어하는지 알아보도록 할까요?

 

 

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Mechanical & Electronic Flow Control

 

유량제어 밸브는 밸브를 통과해 흐르는 유체의 체적(Volume)을 제어합니다. 일반적으로 오리피스의 크기를 변경하는 것은 유속을 조절하는 방법입니다. 니들 밸브를 이용하여 오리피스를 크거나 작게 변경하거나 볼 밸브 내부의 틈새를 열고 닫는 방법을 이용합니다. 체적 유량을 제어하는 것은 주로 유체의 속도를 제어하는데 이용됩니다. 예를 들어, 실린더의 피스톤 운동의 속도를 제어하거나 스프레이 혹은 디스펜싱의 속도를 제어하는데 사용됩니다. 

 

기계적 유량제어 밸브는 산업에서 가장 일반적으로 상요되는 유량제어 밸브 중 하나입니다. 이 밸브들은 일상 생활용품(수도꼭지 등)부터 정밀 의료 어플리케이션까지 다양한 산업에서 사용됩니다. 기계적 유량제어밸브로 이용되는 표준밸브들로는 니들 밸브, 볼 밸브 등이 있습니다. 기계적 유량제어 밸브는 매우 드물게 폐쇄 루프(Closed-Loop) 시스템에서 사용되며 주로 개방 루프(Open-Loop) 시스템에서 사용됩니다. 

 

프로판 탱크에는 표준적으로 개방 루프(Open-Loop)의 유량제어 밸브가 장착됩니다. 가압된 프로판 가스는 유량제어 밸브가 열리면 방출되며, 유속은 개구부의 크기와 직결됩니다. 탱크가 가득 차 있는 상태에서 유량의 최고점을 보여주며 시간이 지남에 따라 탱크 내 압력이 감소하고 외부 압력과의 차압이 낮아지면서 유량이 감소하게 됩니다. 기계적 유량제어 밸브는 피드백 신호를 받기 어렵기 때문에 폐쇄 루프(Closed-Loop)에 적합하지 않습니다. 그러나 간단한 예로는 변기의 플랩 밸브가 있습니다. 변기 탱크 안의 물이 차올라 플로트가 상승하면 탱크로 유입되는 유량을 줄이기 위해 닫히고 물을 사용하면 플로트가 하강하여 열리게 됩니다.

 

많은 경우 공정 상 원하는 수치가 변동하는데, 기계적 유량제어 밸브로는 반복 정확도가 높은 유량제어가 불가능합니다. 이러한 상황에서는 전기적 입력을 이용한 유량의 가변적 제어를 필요로하게 됩니다. 이러한 제어창치의 산업 용어는 비례제어 밸브입니다. 비례제어 밸브는 전압, 전류, 디지털 입력과 같은 매우 다양한 작동 방법을 제공합니다. 비례제어 밸브는 전자 유량계 또는 다양한 센서로부터 피드백을 받아 폐쇄 루프(Closed-Loop) 시스템으로 설계될 수 있습니다. 이러한 방식의 전자식 제어 밸브는 유량 요구사항이 지속적으로 변화하는 상황에서 이상적입니다.

 

폐쇄 루프(Closed-Loop) 시스템은 일반적으로 높은 수준의 정밀도를 필요로 하는 상황에서 비롯됩니다. 리모컨으로 제어되는 프로판 벽난로는 높은 정밀도를 필요로 하지 않으므로 개방 루프 시스템으로 설계될 수 있지만 환자에게 공급하기 위해 두 기체가 정확한 비율로 혼합되는 의료용 어플리케이션의 경우는 높은 정밀도를 필요로 하며 폐쇄 루프(Closed-Loop) 시스템이어야 합니다. 가스를 혼합하는 경우, 비율이 정확한지 지속적인 확인과 이 값에 대한 피드백을 받아야 하기 때문입니다.

 

 

 

 

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Mechanical & Electronic Pressure Control

 

압력제어 밸브는 유체 시스템에서 발생되는 힘의 양을 제어하도록 설계됩니다. 압력 레귤레이터는 압력제어 밸브로 가장 일반적으로 알려져 있으며 유량 제어밸브와 마찬가지로 기계적 및 전자적 구동 방식 모두 존재합니다. 압력 레귤레이터는 유량을 제어하도록 설계되어 있지 않습니다.

 

압력제어 밸브는 본질적으로 폐쇄 루프 방식입니다. 압력 설정지점을 유지하기 위해 공정 상의 압력을 감지하여 자동으로 조정되는 피드백 루프를 통해 압력을 제어하기 때문입니다. 압력제어 밸브의 출력 압력이 설정 지점 아래로 감소한 것을 감지하면 밸브는 열리게 되어 더 많은 압력을 통과시키며, 압력이 설정점에 도달하면 밸브는 닫히고 더 이상의 흐름을 허용하지 않습니다. 

 

기계적 압력제어 밸브에는 다양한 형태가 존재하지만 모든 밸브에는 아래의 세가지 요소들이 포함됩니다.

 

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Restriction - 압력의 흐름에 제한을 줄 수 있는 밸브부분

 

Load - 밸브부분을 구동하는 부품으로 출력 압력에 도달하는데 사용됨(피스톤 혹은 다이아프램)

 

Reference - 출력압력이 설정 압력과 일치하는지 감지하는 힘

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기계적 압력제어 밸브는 피스톤 스타일과 다이아프램 스타일의 두가지 일반적인 유형이 있습니다. 피스톤 스타일 밸브는 견고함을 자랑합니다. 그러나 피스톤 씰과 밸브 본체사이의 마찰로 인해 약간의 히스테리시스를 경험할 수 있습니다. 출력 압력의 허용오차가 작아야 하는 어플리케이션에서는 사용될 수 없습니다. 피스톤 스타일의 압력제어 밸브는 정확성보다는 내구성이 중요한 용도에 우수합니다. 예를 들어 공압펌프가 90psig이고 타 밸브는 60psig인 경우 피스톤 압력제어 밸브를 이용하여 타 밸브가 손상되지 않도록 압력을 감압시키는 용도로 적합합니다.

 

압력제어 밸브가 저압 또는 고정밀도의 어플리케이션을 제어해야하는 경우 다이아프램 스타일의 레귤레이터를 권장합니다. 다이아프램 레귤레이터는 압력 변화를 감지하기 위해 보통 탄성중합체로 이루어진 디스크 모양의 횡경막을 사용하며, 피스톤 스타일의 레귤레이터에서 발생하는 마찰을 제거합니다. 마찰 감소는 정밀도와 정확성을 향상시켜 정밀하고 반복 가능한 압력 조절이 필요한 어플리케이션에 적합하도록 합니다. 여기에는 의료, 반도체 및 생명과학 분야의 대부분의 용도가 포함될 수 있습니다. 

 

기계적 압력제어 밸브는 상단 압력 및 유량의 변화가 적은 경우 혹은 압력을 세팅한 후 이 상태를 지속하는 경우에 적합합니다. 그러나 유량 제어와 마찬가지로 일부 어플리케이션은 가변 압력 출력, 원격 제어, 자동화, 데이터 획득 또는 더 나은 반복성을 요구할 수 있으며 이때 전자 압력 조절기(Electronic Pressure Regulator)가 필요합니다. 

 

EPR의 가장 일반적인 구성은 2개의 밸브와 센서입니다. 입구 밸브 1개, 배기 밸브 1개 및 내부 압력 센서가 다운스트림 압력을 능동적으로 측정하여 아날로그 또는 디지털 회로 기판에 지속적으로 피드백을 제공합니다. 명령 신호 발생기(일반적으로 PLC)는 EPR에 명령 신호를 제공하는 데 사용됩니다. 예를 들어, EPR의 보정된 범위와 직접 동일한 0-10VDC 신호(많은 옵션이 존재함), 이 경우 0-100 psig. 0에서 10V 사이의 전압 명령은 최대 스케일의 백분율로 동등한 압력 출력을 생성합니다. 예를 들어, 5VDC(50%) 명령으로 흡기 밸브가 열려 다운스트림 압력이 허용됩니다. 내부 센서가 "이봐, 내가 5VDC(50psig)를 측정하니 이제 닫아도 돼"라고 말할 때까지 입구 밸브는 열린 상태를 유지합니다. 하류에서 유량이 증가하면 압력이 떨어지고 센서는 5VDC 명령의 편차를 즉시 감지한다. 센서가 만족할 때까지 흡기 밸브가 다시 열립니다. 이러한 관계와 자동화된 프로세스는 전체 범위에 걸쳐 확장되며 비례제어 및 서보제어로 알려져 있습니다.

 

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두 편에 걸쳐 압력제어와 유량제어에 대해 알아보았습니다. 다음 시간에는 더욱 유익한 내용으로 돌아오겠습니다.

 

와이에이치인터내셔날은 이제 산업자동화를 넘어 의료장비 및 실험용 장비 산업에 저희의 20년 노하우를 전달하고자 합니다.

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