유량제어 밸브와 방향변환 밸브의 구조와 원리에 대하여 !

 

 

 

4.2.2 유량제어밸브의 구조와 원리

(1) 교축 밸브

밸브는 유로의 단면적을 교축하여 유량을 제어하는 밸브로써, 공압 회로 내에 설치하여 공기의 유량, 압력 등을 변화시키며 공압 실린더의 급기, 배기를 교축하거나 또는 공기탱크와 함께 공압 시간 지연 밸브의 구성 요소로 사용된다.

 

 

 

(2) 속도 제어 밸브

A. 기능
액추에이터와 방향 제어 밸브 사이에 설치되어 액추에이터의 운동 속도를 제어하는 밸브로써 일명 스피드 컨트롤러라고 한다.

B. 구조와 원리
교축 밸브와 체크 밸브가 병렬로 조립된 구조로써 한 방향으로는 유량이 조절되어 속도 조절이 가능하고 반대 방향은 자유 흐름이 된다.

C. 종류
외관 및 사용 방법에 따라 실린더 직결형과 배관형으로 구별되며, 일반적으로 실린더 직결형이 많이 사용된다.

 

(3) 배기 교축 밸브

A. 기능
방향 제어 밸브의 배기 포트에 설치되어 배기 유량을 조절함으로써 액추에이터의 운동 속도를 제어한다.

B. 구조
배기 교축 밸브의 기본은 교축 밸브이며, 일반적으로 교축 밸브에 소음기를 부착하여 사용하는 경우가 많다.

 

 

 

(4) 급속 배기 밸브

A. 기능
액추에이터로부터 유출되는 공기의 배기 저항을 감소시켜 액추에이터의 속도를 증가시키는 밸브이다.

B. 원리와 구조
급속 배기 밸브의 구조는 립(lip) 패킹을 사용하거나 다이어프램, 플런저 등을 사용한다. 작동 원리는 공기가 들어갈 때는 입구 측에서 유입된 압축 공기가 다이어프램을 밀어 배기구를 막고 다이어프램 둘레를 따라 출구 측으로 흐른다. 공기가 나올 때는 입구 측과 출구 측의 차압으로 다이어프램이 이동하여 입구를 막게 되고 동시에 배기구가 열려 대기로 방출된다. 배기 교축 밸브의 배기 측 통로는 입구나 출구 측에 비해 유효 단면적이 크므로 출구 측 공기는 순간적으로 배출되어 배기 저항을 감소시키게 된다.

 

(5) 쿠션 밸브

A. 기능
실린더의 행정 끝단에서 기계적으로 유량을 조절하여 실린더의 속도를 떨어뜨려 충격을 완화할 목적으로 사용된다.

B. 구조
쿠션 밸브의 구조는 다양하며 일반적으로 교축 밸브, 체크 밸브, 차단 밸브 등이 병렬로 조립되어 도그(dog)나 캠(cam)에 의해 작동되도록 되어있다.

 

 

 

4.3.1 기능과 분류

방향제어 밸브랑 공기 흐름의 방향을 제어하는 밸브로써 시동과 정지, 그리고 흐름의 방향을 변환하는 기능을 하는 밸브를 말한다. 즉, 방향 제어 밸브는 액추에이터에 공급하는 공기 흐름의 방향을 제어하여 액추에이터의 운동 방향을 제어하기 위해 사용되는 것이다.

 

 

 

4.3.2 방향 변환 밸브

방향 변환 밸브는 크게 포트의 수와 제어 위치의 수에 따른 조합으로 기능이 결정되며, 그 밖에 밸브의 조작 방식, 밸브의 복귀 방식, 정상 위치에서 흐름의 형식, 중앙 위치에서의 흐름의 형식, 주 밸브의 구조에 따라 분류된다.

 

(1) 포트(port)의 수에 따른 분류

뱡향 변환 밸브는 그 사용 목적에서 제어 통로의 수가 기본적인 기능으로써, 이를 나타내는 것이 포트의 수, 즉 연결 접속구의 수이다. 포트 수에 따라서는 다음과 같은 종류가 있다.

 

(2) 제어 위치의 수

제어 위치란 공기의 흐름 상태를 결정하는 밸브 본체의 전환 위치의 수를 말하며, 공압 밸브는 보통 2위치나 3위치가 대부분이다.

 

 

 

(3) 조작 방식에 따른 분류

방향 변환 밸브에서 공기 흐름의 방향을 변환시키거나 차단하기 위해서는 밸브의 제어 위치를 전환해야 하고, 밸브의 제어 위치를 전환하는 것을 밸브의 조작이라 한다. 밸브의 조작 방식에는 다음과 같은 종류가 있다.

A. 인력 조작 방식
방향 제어 밸브의 제어 위치를 사람의 힘으로 제어하는 방식으로써 누름 버튼 방식, 레버 조작 방식, 페달 조작 방식 등이 있다.

B. 기계력 조작 방식
밸브의 제어 위치를 캠, 링크, 그 밖의 기계적인 힘으로 제어하는 방식으로써 플런저, 롤러, 한 방향 롤러 레버, 스프링 방식 등이 있다.

C. 공압 조작 방식
공기 압력을 가하거나 제거하여 밸브의 제어 위치를 제어하는 밸브로써 파일럿(pilot) 조작 방식이라고도 하며, 대표적인 것에 마스터 밸브가 있다.

D. 전자 조작 방식
제어 위치를 전자석에 의해 제어하는 것으로 직업 작동 방식(직동식)과 간접 작동 방식(파일럿식)이 있다. 직접 작동 방식이란 전자석, 즉 솔레노이드 자체가 직접 밸브의 스풀을 움직이는 것을 말하고, 간접 작동 방식은 솔레노이드로 파일럿 밸브를 조작하여 공기 압력으로 밸브를 제어하는 방식이다.

 

(4) 밸브의 복귀 방식에 따른 분류

방향 제어 밸브는 조작력이나 제어 신호를 제거하면 초기 상태로 복귀되어야 한다. 이 조작을 밸브의 복귀 방식이라 하며, 공압 밸브의 복귀 방식에는 크게 스프링 복귀 방식, 공압 복귀 방식, 디텐드 방식 등이 있다.

 

 

 

(5) 정상 상태에서의 흐름의 형식

방향 변환 밸브에 조작력이나 제어 신호를 가하지 않은 상태를 그 밸브의 정상 상태 또는 초기 상태라 한다. 정상 위치에서 밸브가 열려 있는 상태를 정상 상태 열림형(Normally Open Type)이라 하고, 정상 상태에서 닫혀 있는 밸브는 정상 상태 닫힘형(Normally Close Type)이라 한다. 단, 이 구별은 2포트와 3포트 밸브에서만 존재한다.

 

(6) 중립 위치에서의 흐름의 형식

공압 실린더의 중간 정지나 기계의 조정작업을 위해 3위치나 4위치 밸브를 사용하는 경우, 밸브의 제어 위치 중 중앙 위치를 중립 위치라 하며, 공압 밸브에는 이 중립 위치에서 흐름의 형식에 따라 올포트 블록(클로즈드 센터)형, PAB 접속형은 중앙 위치에서 A, B포트에 압력을 가하고 있으며 ABR 접속형은 중앙 위치에서 A, B포트가 배기 포트에 연결되어 모두 배기됨을 의미한다.

 

 

 

(7) 주 밸브의 구조에 따른 밸브

방향 제어 밸브 내에서 실제로 유로를 전환하는 기구를 주 밸브라 하며, 주 밸브는 구조에 따라 포핏식, 스풀식, 미끄럼식(슬라이드 식)과 이것들을 조합한 것 등으로 분류된다.

A. 포핏 밸브
밸브 몸통이 밸브 자리에서 직각 방향으로 이동하는 방식으로, 구조가 간단하고 먼지나 이물질의 영향을 적게 받으므로 소형의 밸브에서 대형의 밸브까지 폭넓게 이용된다.
포핏식 밸브의 특징은 다음과 같다.
1. 실(seal)성이 양호하고 또한 스프링이 파손되어도 유체 압력에 의해 닫힌다.
2. 가동 부분의 이동 거리가 짧아 개폐 속도가 빠르다.
3. 유량 조절이 가능하고 대구경도 적합하다.
4. 밸브의 조작력은 유체압력에 비례해서 커져야 한다.

B. 스풀 밸브
스풀 밸브는 빗 모양의 스풀이 원통형 미끄럼면을 축 방향으로 이동하여 밸브를 개폐하는 구조로 되어 있다. 스풀 밸브는 여러 개의 가로 구멍이 뚫린 원통 모양의 슬리브 안쪽을 스풀이 이동하여 위치에 따라 유로의 연결 상태를 달리하므로, 복잡한 기능의 밸브도 비교적 간단히 할 수 있으며 다음과 같은 특징이 있다.
1. 구조가 간단하고 고정밀도 제작이 용이하다.
2. 밸브의 조작력이 작다.
3. 고압력용이나 자동 조작 밸브에 적합하다.
4. 밸브의 리프트량이 커서 포핏형에 비해 응답이 느리다.

C. 미끄럼 식 밸브
미끄럼 식 밸브는 밸브 몸통과 밸브체가 미끄러져 개폐 작용을 하는 형식으로, 스풀 밸브를 평면적으로 한 구조이다. 미끄럼 식 밸브는 공기 누설은 거의 없으나, 이동 거리가 멀고 섭동 저항이 커서 조작력이 크므로 수동 조작 밸브에 주로 이용되고 있다.

 

 

 

(8) 방향 변환 밸브의 구조와 원리

A. 2포트 2위치 밸브
2포트 2위치 밸브는 어느 한 제어 위치에서는 압축 공기를 통과시키고 다른 제어 위치에서는 차단하는 기능의 방향 변환 밸브로 주로 차단용 밸브로 이용된다. 밸브는 구조가 간단하고 크기가 작기 때문에 가격도 싸서 일반적인 수동 조작이나 기계력 조작 등으로 주로 작동되며, 공기 흐름을 차단하는 차단 밸브의 용도로 많이 사용된다.

B. 3포트 2위치 밸브
3포트 2위치 밸브는 어느 제어 위치에서는 압축공기를 공급하고 다른 제어 위치에서는 공급한 압축 공기를 배기시키는 기능의 밸브로써 단동 실린더의 방향 제어, 한 방향 회전형 공압 모터의 방향 제어, 액추에이터의 작동 위치를 검출하는 리밋 밸브, 시동, 정지용의 명령 조작 밸브 등의 용도로 사용된다.

C. 4포트 2위치 밸브
4포트 2위치 밸브는 두 개의 출구 포트 중 하나의 포트에는 압축 공기를 공급하고 다른 하나의 포트는 배기시키며, 다른 제어 위치에서는 공급과 배기를 서로 반대로 실시하므로 복동 실린더의 방향 제어, 양방향 회전형 공압 모터의 방향 제어, 요동형 액추에이터의 방향 제어 등의 용도로 사용된다.

D. 5포트 2위치 밸브
5포트 2위치 밸브는 4포트 2위치 밸브와 기능이 동일하며 복동 실린더의 방향 제어나 양방향 회전 공압 모터의 방향 제어, 요동형 액추에이터의 방향 제어 등의 용도로 사용된다.