공기 압축기의 구조와 원리를 알아봅시다.

 

 

 

2.1 공압 발생 장치

공압을 이용하여 일하려면 먼저 요구되는 작업 압력까지 공기를 압축해야 하며, 공기를 압축하고 정화하기 위해서는 공기 압축기, 저장 탱크, 후부 냉각기, 에어 드라이어, 배관 및 공압 조정 유닛 등의 압축 공기 생산 설비가 필요하게 된다. 공압 발생 장치는 크게 공기 압축기와 송풍기로 분류되는데, 토출 압력이 1kgf/cm$^2$ 이상의 것을 공기 압축기라 부른다. 송풍기는 다시 펜과 블로워로 나뉘며 토출 압력이 0.1kgf/cm$^2$ 미만을 블로어, 그 이상은 펜이라 부르고 있다. 따라서 대부분이 4~6kgf/cm$^2$의 공기 압력을 사용 압력으로 하는 자동화용 공압 발생 장치로 사용되는 것은 공기 압축기로서 일반적으로 컴프레서라고 부르는 경우가 많다. 그밖에도 공기 압축기는 작동 원리에 따라 분류되며, 출력이나 토출 압력에 따라서도 분류된다.

 

 

 

2.1.1 공기 압축기의 구조와 원리

(1) 왕복식 공기 압축기

왕복식 압축기는 왕복 운동하는 피스톤이나 다이어프램에 의해 실린더 내용 적을 증가시키는 행정에서 흡입 밸브를 열어 공기를 흡입하고, 실린더 내 용적이 줄어드는 행정에서 흡입 공기를 압축한 후 토출 밸브를 열어 토출하는 원리로 피스톤식과 다이어프램식으로 대별된다.

피스톤 왕복식 압축기는 낮은 압력에서부터 높은 압력까지 사용할 수 있어 오늘날 가장 널리 사용되고 있는 압축기로서 그 구조 원리를 그림 2-2에 나타냈다. 그림 (a)는 피스톤이 하강하면서 흡입 밸브를 열고 공기를 흡입하는 행정이고, 그림(b)는 피스톤이 상승하면서 흡입된 공기를 압축하는 행정이다.

그림 2-2는 1단식 피스톤 압축기이나 피스톤식 압축기에는 이외에도 2 단식 등의 다단식 압축기가 있고, 냉각 방법에 따라서도 공랭식과 수랭식으로 나누어지는데 주로 소형의 압축기는 공랭식을 채용하며 중, 대형에서는 수랭식 냉각 방법을 채용한다. 또한, 피스톤 압축기는 압축기 실내의 마찰 부분에 윤활을 한 급유 식이 대부분이나, 다이어프램식 압축기는 급유하지 않는 무급유식이라는 특징을 가지고 있다.

 

 

 

피스톤 압축기의 일반적인 압축 능력은 다음과 같다.

1단 압축 : 12Kgf/cm$^2$까지

2단 압축 : 30Kgf/cm$^2$까지

3단 압축 : 220Kgf/cm$^2$까지

이는 기술적인 압축 능력으로 실제적으로는 이보다 다소 떨어진다.

 

 

 

(2) 스크루식 압축기

스크루 압축기는 그림 2-3과 같이 암, 수 2개의 나사형 회전자를 서로 맞물려 케이싱에 둘러싸인 공간으로 배제 용적을 형성하여, 나사형 회전자의 회전에 의해 공간의 용적이 축 방향으로 압축되어 도출한다. 이들 흡입, 압축, 토출의 각 행정은 회전자의 회전과 함께 연속적으로 이루어지므로 왕복식 압축기에서와 같은 토출 공기의 맥동이 없으며 다음과 같은 특징이 있다.

1. 회전축이 평행하므로 고속 회전이 가능하고 진동이 적다.

2. 저주파 소음이 적고 소음 제거가 용이하다.

3. 연속적으로 압축 공기가 토출되므로 맥동이 없고, 큰 공기탱크가 필요하지 않다.

4. 압축기 실내의 섭동 부분이 적으므로 급유하지 않아도 된다.

 

 

 

(3) 베인식 압축기

베인식 압축기는 케이싱 내에 축과 편심 된 로터(rotor)가 있으며, 이 로터의 방사상 홈에 베인(vane)이 삽입되어 있고, 케이싱과 베인에 의해 둘러싸인 용적에 공기가 흡입되고 로터의 회전에 의해 압축되어 토출 된다. 즉, 로터가 회전함에 따라 용적이 변화하고 토출구에 도달할 때 소정의 공기 압력으로 상승하는 구조이므로, 왕복식 압축기처럼 흡입 밸브나 토출 밸브가 없다.

베인 압축기의 특칭은 압축 공기의 공급을 부드럽게 연속적으로 공급하므로 맥동과 소음이 적고 크기가 소형이어서 공압 모터 등의 공압원으로 많이 이용된다.

 

 

 

(4) 루트 블로어

루트 블로어는 두 개의 회전자를 90° 위상 변화를 주고, 회전자끼리 미소한 간격을 유지하면서 서로 반대 방향으로 회전하며, 흡입구에서 흡입된 공기는 회전자와 케이싱 사이에서 밀폐되어 체적 변화 없이 토출구 쪽으로 이동되어 토출 된다. 루트 블로어의 특징은 비접촉 형이므로 무급유식으로 소형, 고압의 송풍이 가능하지만 토크 변동이 크고 소음이 크므로 특수 형상의 회전자를 사용하는 경우가 많다.

 

 

 

(5) 터보형 압축기

이 압축기는 공기의 동역학적 유동 원리를 이용하여 익차를 고속으로 회전시켜 날개를 통과하는 기체의 운동량을 증가시켜 압력과 속도를 높이는 것으로서, 축류식과 원심식이 있다. 축류식은 공기가 날개에 의해 축 방향으로 가속되는 것으로서 케이싱에 설치된 고정 날개를 지날 때 압력이 상승한다. 원심식 터보 압축기는 날개에 의해 공기가 반경 방향으로 압축되며, 다음 날개의 축 방향으로 흡입되어 다시 가속되는 압축기를 말한다. 터보형 압축기는 회전 운동만 하므로 진동이 적고 고속 회전이 가능하고 토출 시 공기 압력에 의한 맥동이 없다. 또, 왕복 압축기와 같이 흡입, 토출 밸브가 없으므로 고장이 적고, 압축 부분에 윤활이 필요 없으므로 무급유가 가능한 특징으로, 유량이 많이 필요한 곳에 적당하다.