제 1 장 공압 기술의 개요
공압 기술의 역사
압축 공기는 인간에게 알려진 가장 오래된 에너지의 일종이며 인간의 육체적 능력을 보강하는 데 사용되어 왔다.
압축 공기를 에너지로 이용하는데 관련된 최초의 책 중의 하나가 AD 1세기에 만들어 졌으며, 이는 더운 공기에 의해 움직이는 장치에 대하여 기술되었다.
“Pneuma”라는 말은 그리스에서 왔으며 호흡, 바람을 의미하고, 철학에서는 정신(영)을 의미했다.
Pneumatics(공기의 운동이나 현상에 관한 학문)는 "Pneuma"라는 말에서 유래되었다.
비록 공기학의 원리가 오랜 인간의 지식에서 나온 것이지만, 그 가동이나 원리에 대한 조직적인 연구가 시작된 것은 19세기로 광업이나 건설업 그리고 철도(압축 공기 브레이크) 등의 영역에서 사용되긴 했었으나 실제로 산업 생산에 적용된 것은 1950년경부터이다.
즉, 공기 학이 실제로 산업에 소개된 것은 공정의 자동화와 합리화의 문제가 증가하기 시작하면서부터 이다
오늘날 현대화된 공장에서 압축 공기가 없다는 것은 상상도 할 수 없는 일이며, 압축 공기의 응용 분야는 활용도가 점차 증가되고 있다.
공압의 특징
▶ 공압 기술의 장점
1) 동력원인 압축공기를 간단히 얻을 수 있다 – 공기는 무료이고 무한대로 많아 어느 장소에서든 쉽게 얻을 수 있다.
2) 힘의 전달이 간단하고 어떤 형태로든 전달 가능하다 - 유체에 의한 힘의 전달로서 멀리 떨어진 위치라도 배관만으로 간단하게 전달할 수 있다. 기계의 구동축처럼 방향을 맞출 필요가 없어 어느 방향이든 자유로이 전달이 가능하다.
3) 힘의 증폭이 용이하다 - 공압 실린더의 용량을 크게 함에 따라 같은 공압으로도 파워를 증대시킬 수 있다.
4) 속도변경이 가능하다 - 공기량의 증감에 따라 작동 기기(액추에이터)의 속도를 조절할 수 있다.
5) 제어가 간단하다 - 압력을 증감시키거나 방향의 변환, 유량조정 등의 조작과 그 제어가 비교적 간단하다. 이 점이 공압 기술이 자동화에 이용되고 있는 큰 원인이다.
6) 취급이 간단하다 – 공기를 외부로 방출해도 냄새가 발생하거나 오염될 염려가 없어 유압 기술에 비해 특히 장점이다.
7) 인화의 위험이 없다 – 일반적으로 사용하는 7 [kgf/㎠]이하의 압력하에서는 인화나 폭발의 염려가 없다.
8) 탄력이 있다 - 공기는 압축 가능한 물질이며, 이것은 충격을 받을 때 완충 작용을 한다. 이 성질을 응용한 것이 차량 등에 이용되고 있는 공기 스프링이다.
9) 에너지 축적이 용이하다 -압축이 가능하다는 것은 반대로 압력을 축적할 수 있다는 것으로 공기탱크만으로 축적이 가능하며, 정전 시 비상운전이나 단시간 내 고속 운전, 축압을 이용한 프레스의 다이쿠션 등에 이용되고 있다.
10) 안전하다 - 유압과 같이 서지 압력이 발생하지 않으므로 과부하에 대해 안전하다.
▶ 공압 기술의 단점
1) 유압과 비교하여 큰 힘을 얻을 수 없다 - 공기는 높은 압력을 가하여 압축한다. 이것은 탄력성이 있어 장점인 반면, 유압과 같이 큰 힘을 얻을 수 없다. 그러나 공압에서는 압축성과 공압 기기들의 내구성 등으로 인해 10 [kgf/㎠]까지가 한계이므로 유압과 비교가 안 된다.
2) 효율이 나빠 정밀 제어가 곤란하다 - 공압은 압축성 유체이므로 액추에이터의 위치 제어가 곤란하고, 또한 부하 변동 시 작동속도가 영향을 받기 때문에 정밀한 속도 제어가 어렵다.
♣ 각종 동력 전달과 제어방식의 비교
| 전달방식 항 목 |
공 압 | 유 압 | 전 기 | 기 계 |
| 에너지 축적 | 공기탱크에 의한 저장이 간단 | 어큐뮬레이터로 저장 | 직류만 콘덴서로 저장 | 스프링, 추 등 소규모 |
| 동력원의 집중 | 용 이 | 곤 란 | 용 이 | 다소 곤란 |
| 동력원의 발생 | 다소 용이 | 다소 곤란 | 용 이 | 곤 란 |
| 인 화․폭 발 | 압축성에 의한 폭발을 제외하고는 염려 없음 |
작동유가 인화성이 있음 |
누전에 의한 가스 등에 인화성이 있음 |
영향 없음 |
| 외 부 누 설 | 영향 없음 | 오염, 인화 | 감전, 인화 | 관계 없음 |
| 과부하 안전대책 | 압력 조절 밸브 | 릴리프 밸브 | 복 잡 | 복 잡 |
| 출 력 유 지 | 용 이 | 다소 곤란 | 곤 란 | 곤 란 |
| 작 동 속 도 | 10[m/sec]도 가능(대) | 1[m/sec] 정도(중) |
가장 빠르다 | 소 |
| 보 수 관 리 | 용 이 | 다소 곤란 | 다소 곤란 | 용 이 |
| 에너지 변환 효율 | 다소 나쁘다 | 다소 좋다 | 좋 다 | 다소 좋다 |
| 출 력 | 중(1[ton]정도) | 대(10[ton]이상가능) | 중 | 소 |
| 속 도 제 어 | 다소 나쁘다 | 우수하다 | 우수하다 | 나쁘다 |
| 중 간 정 지 | 곤 란 | 용 이 | 용 이 | 다소 곤란 |
| 응 답 성 | 나쁘다 | 좋 다 | 매우 좋다 | 좋 다 |
| 부 하 특 성 | 변동이 크다 | 조금 있다 | 거의 없음 | 거의 없음 |
| 소 음 | 크 다 | 다소 크다 | 적 다 | 적 다 |
공압의 이용 분야
| 공 압 기 기 의 응 용 |
공 압 응 용 기 기 |
공기 구동 공구 | 회전력 이용 - 그라인더, 드릴, 에어 드라이버, 렌치 |
| 왕복동력 이용 - 공기톱, 줄, 리벳터 | |||
| 압력과 압축성 이용 - 공기 바이스, 공기 척, 공기 스프링 | |||
| 공기 착암기 | |||
| 에어 프레스 | |||
| 공기수송기 : 공기 컨베이어, 공기 슈터(Shooter), 공기 slide | |||
| 중기 : 에어 호이스트, 에어 리프트, 에어 권상기 | |||
| 기타 : 스프레이건, 에어 커튼, 공기 타이머, 공기 브레이크, 공기 클러치등 | |||
| 공 압 관 련 기 기 |
철도 차량 분야 : 압축기, 브레이크, 안전장치 기기 | ||
| 자동차 분야 : 브레이크, 안전장치 기기, 현가 장치 | |||
| 공조 분야 : 공기 세정기, 필터, 조절기 | |||
| 광산 기계 : 보링기, 착암기, 채굴기, 적재기, 운반기 등 | |||
제 2 장 공압의 기본 법칙
■ 공기의 성질
대기의 구성 성분
| 성 분 | 질소 | 산소 | 알곤 | 이산화탄소 | 수소 | 기타네온,헬륨 등 |
| 체적(%) | 78.03 | 20.99 | 0.933 | 0.03 | 0.01 | 0.007 |
지구 표면의 1㎤ 에는 1.033kgf의 공기가 쌓여 있다. 일반적으로 이것을 대기압이라 하고, 1표준 기압(1atm)이라는 단위로 나타낸다.
압력이란 ? 단위 면적에 작용하는 힘
P=W/A [kgf/㎠]
압력(P) = 전체의 무게[kgf] / 밑 면적[㎠]
(가) 대기압 : 현재 대기중의 압력
1표준기압= 1.033kgf/㎠
(나) 게이지 압력 : 대기압을 0으로 하여 측정한 값
- 대기압보다 높은 압력 : + 게이지 압력
- 대기압보다 낮은 압력 : - 게이지 압력, 진공압
(다) 절대압력 : 완전진공 0을 기준으로 표시한 값
절대압력= 대기압 + 게이지 압력
■ 공기의 상태 변화(1)
3-1 보일의 법칙
온도가 일정 할 때 압력과 체적은 반비례 한다. P1V1=P2V2=일정 (P는 절대압력, V는 체적)
3-2 샤를의 법칙
압력이 일정 할 때 온도와 체적은 비례 한다. T1/T2=V1/V2 (T는 절대온도, V는 체적)
3-3 보일-샤를의 법칙
기체의 압력,체적, 온도와의 관계를 나타낸 식 P1V1/T1=P2V2/T2
@기체의 특성 방정식 PV=GRT (G는 기체중량, R은 기체상수, T는 절대온도)
■ 공기의 상태 변화(2)
3-4 파스칼의 원리
밀폐된 용기 속에 정지된 유체의 일부에 가해지는 압력은 유체의 모든 부분에 동일한 힘으로 동시에 전달 된다.
(1) 경계를 이루고 있는 어떤 표면 위에 정지하고 있는 유체의 압력은 그 표면에 수직으로 작용한다.
(2) 정지 유체내의 점에 작용하는 압력의 크기는 모든 방향으로 같게 작용한다.
(3) 정지하고 있는 유체중의 압력은 그 무게가 무시 될 수 있으면, 그 유체 내의 어디에서나 같다.
압력의 전달 원리
P = F1/A1 = F2/A2 (F는 힘, A는 단면적)
F2 = F1(A2/A1)
힘은 피스톤의 단면적에 비례하므로 A2에 비해 A1이 작으면 F1에 비해 충분히 큰 힘 F2가 얻어진다.
유압 프레스나 수압기가 이 원리를 응용한 것이다.
■ 공기의 흐름
압축 공기는 압력이 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 흐르는 성질을 가지고 있다.
즉, 압력차가 생기면 공기가 흐르게 되는데, 이 때 단위 시간에 흐르는 체적을 유량(流量) 이라 한다.
공기가 배관 속을 흐를 때 그림과 같이 배관의 단면적 ①과 ②가 차이가 있더라도 ①과 ②를 흐르는 유량은 같다. 이것을 연속 방정식이라 한다.
연속 방정식은 질량 불변의 법칙을 유체의 흐름에 적용한 것으로, 폐곡선의 관로 속 유체는 도중에 생성되거나 소멸되지 않는다는 것을 뜻한다.
유체가 배관 내를 흐를 때는 관내 저항이 있으므로 실제 단면적분의 유체가 모두 흐르는 것은 아니다. 1차측 절대압력이 2차측 절대압력보다 1.89배 이상의 압력차(임계 압력비)가 있으면 공기의 흐름은 음속으로 흐르고, 그 이하이면 공기의 흐름이 아음속으로 흐르기 때문이다.
