공기 기계
압축 공기
PV = kWRΘ, *k(압축계수)가 1이면 이상기체. 일반적으로 설계/해석시에 이상기체로..
2.1.1. 공기 기계의 정의
공기기계는 기체를 송풍하거나 압축시키기 위해 공기를 작동 매개물로 이용하는 기계로 송풍 압력의 세기에 따라 통풍기, 송풍기, 압축기로 분류한다. 유체를 이용하는 PUMP나 Turbine과 기본 원리는 같다. 기계적인 에너지를 기체에 주어서 압력과 속도에너지로 변환시켜주는 기계가 송풍기 또는 압축기이고, 이와 반대로 기계적인 에너지로 변환시켜주는 것을 압축 공기기계라 한다.
공기기계는 기체를 취급하므로 다음과 같은 특성을 고려하여야 한다.
ㅇ 기체는 비중량이 액체에 비하여 매우 작다.(20oC의 경우에는 물의 1/830 이다.)
ㅇ 기체는 압축성 매질로 압축이나 팽창시에 온도가 변화한다.
ㅇ 관로에서의 경제유속은 물에 비해 10배 이상으로 할 수 있다.
2.1.2. Fan과 송풍기
팬(fan)은 공기 흐름을 발생시키는 장치로서 때때로 송풍기와 다르게 표현하기도 하지만 실제는 같은 의미이다. 송풍기는 일본에서 전해진 것이고 팬은 영어이며, 이에 대응되는 우리말은 부채라 할 수 있다.
산업현장에서 주로 사용되어지던 송풍기가 가전기기에 사용되면서 팬에 대한 관심이 증폭되었고 이때부터 국내에서 Fan 연구가 본격적으로 시작되었다. 기존의 송풍기가 주로 풍량과 정압에 중점을 둔 반면, 가전에서는 주로 저소음에 초점이 맞추어져 있다.
가전기기에서 팬의 주요 소음은 주로 발열부품을 냉각하면서 유체소음을 유발하는데, 분리형 에어컨을 예를 들면 실외기의 경우는 소음원이 팬과 압축기로 구분되나, 실내기의 경우는 팬이 주 소음원이 되어 팬 소음을 저감하는 것이 곧 제품의 소음을 저감하는 것이다.
가전과 산업현장에서의 팬은 여러 가지 측면에서 차이가 있는데 가전에서는 주로 제품의 일부가 되는 부품인 경우가 대부분이고 공장 등의 산업현장에서는 대부분 단독의 시스템으로서 기능을 수행한다. 그래서 가전에서는 팬과 시스템의 조화 기술이 중요하다.
소형팬 개발과정의 한 예가 그림1.에 나타나 있는데 설계, 해석(유동, 소음), 제작, 실험이 순차적으로 연결되어 있다. 각각의 과정을 거치면서 1개의 시제품(prototype sample)이 완성되는데 시험 결과가 목표에 부합될 때까지 시행착오를 반복해야 한다. 시행오차를 줄이기 위한 갖가지 노력과 방법이 알려져 있으나 최적인 방법은 없다. 여기서는 처음 설계자를 위하여 각 분야별로 현재 국내에서 소형팬을 연구 개발하고자 할 때 고려해야 할 점과 발생되고 있는 문제점을 위주로 설명하고자 한다.
팬 설계는 그림2.2와 같이 개발의 한 과정으로 가장 어려우면서 쉬운 부분이라고 할 수 있다. 설계하고자 하는 팬이 축류 팬 또는 원심 팬이냐에 상관 없이 팬을 구성하는 가장 주요한 것이 날개(blade) 이기 때문에 날개를 디자인 할 수 있으면 어떤 팬도 디자인 할 수 있다고 할 수 있다. 그림2.은 축류팬의 날개를 구성하는 인자를 그림2.4는 원심팬의 일종인 터보팬에 대하여 나타내었다.
팬의 설계는 날개의 2차원 설계로부터 시작하는데 출발점은 속도 삼각형이라고 할 수 있다. 원심팬은 유동의 방향이 축 방향으로 유입되어 반경방향으로 방출되는 구조를 가지므로 2차원 유동이 지배적으로 근래는 날개 설치 각에 변화를 주면서 3차원 설계가 시도되고 있다. 이것은 팬의 고효율과 저소음화라는 명확한 목표때문이다. 특히 축류 팬에서는 날개를 통과하는 유동이 3차원이므로 3차원 설계를 반드시 하여야 한다.
팬의 이론적인 2차원 또는 3차원 설계는 날개의 형상에 대한 점(point) 데이터를 생성할 수 있는 이론적 설계 프로그램이 있어야 하는데 이에 대한 개발을 완료한 곳은 국내에서 몇 군데 밖에 없다. 그 이유는 프로그램을 개발하는데 드는 비용이 문제가 아니라 프로그램을 개발했다고 해서 당장 저소음, 고효율팬이 개발되는 것이 아니기 때문이다. 그렇기 때문에 주로 대기업을 비롯한 몇몇 업체에서만 개발 되었을 뿐이다. 확실히 팬 설계기술은 가전분야에서 지난 십 수년간 괄목할 만한 성장을 이루었다. 그것의 대부분은 설계치와 실험치가 있는 팬의 데이터 베이스인데 국내의 송풍기 산업이 발전하려면 대기업에 의해 개발된 설계기술과 데이터베이스를 널리 보급하는 방안을 강구하는 것이 당면 과제라고 할 수 있다.
팬을 설계한 후에는 모델링 작업을 거쳐 시제품(prototype sample)을 제작 하는데, 시제품을 만들 때는 (1)비용 절감, (2)설계대로 정확하게 제작, (3)양산품에 가깝게 제작, 이라는 기준을 따라야 한다.
축류팬인 경우, 초기에는 비용을 줄이고자 NC 밀링을 이용하여 팬 날개의 한 면인 상면(upper surface, 두개의 면 중 볼록한 면)만을 알루미늄 블록을 재료로 하여 가공한 다음 날개 두께만큼의 종이 왁스를 이용하여 가공면에 쌓아서 형상을 뜬 다음 그것을 원본으로 하여 진공성형하여 날개를 복사하여 조립한 다음 완성하는 방법을 사용하였다. 이 방법은 정밀도에 있어서 오차가 크나 비용측면에서 당시의 여건상 유용한 것이었다. 원심팬인 시로코팬인 경우는 날개 형상이 2차원이므로 보다 쉽게 만들 수 있었다. 시로코팬은 날개 수가 많으므로 wire cutting machine을 이용하여 다수의 원본을 만든 다음 진공성형으로 복사하여 수작업으로 조립하는 방법을 사용하였다. 그러다가 '93년도에는 같은 비용으로 레이저 광선을 이용하여 광경화성 수지를 굳히면서 날개를 가공하기 시작하였다.
SLA(Stereo-Lithography Apparatus) 로 소개된 이 방법은 날개의 상, 하면을 동시에 가공하기 때문에 축류팬 제작은 전부 이 방법을 이용하게 되었다. 그러나 SLA를 이용하여 가공된 날개는 실험을 하기에는 강도가 너무 낮았다. 따라서 진공성형을 이용하여 시제품을 완성하는 것은 변함이 없었다. 이 방법은 레이저를 정확성으로 인하여 정밀한 원본을 얻을 수 있으나 레이저 가공 후 원본의 경화과정, 후 작업등의 손 작업을 통해 정밀도가 좌우된다는 점에서 문제가 크다. 특히 광경화성 수지의 수축율 등의 정확한 예측이 어려우므로 그로 인한 오차는 피할 수가 없다. 이러한 오차의 극복은 SLA 장비를 운용하는 업체에서 개선할 부분이나 축류팬 날개와 같은 한쪽 부분만 구속되는 특별한 경우는 지금까지 특별히 발전된 것이 없다. 원심팬인 경우, 이 방법을 쓴다고 해서 개선되는 점은 거의 없다. 다만 축류팬과는 달리 날개 양쪽이 고정됨으로 인하여 강도가 나아짐으로 SLA로 가공된 원본을 그대로 실험에 사용하려고 시도를 하였으나 레이저 가공 중에 생기는 한쪽 면의 적층띠로 인한 날개의 거칠기를 없앨 수 없기 때문에(시로코팬은 날개 간격이 좁기 때문에 현실적으로 날개면을 가공할 수가 없다.) 현재는 거의 사용을 하지 않는다.
2.1.3. 공기기계의 구분
가. 기능에 따른 분류
(가) 원심 송풍기
날개 바퀴의 회전에 의하여 공기에 작용하는 원심력으로 기체에 압력을 가하는 기계이다.
① 날개차가 회전하면 공기는 원심력으로 날개 사이를 지나 케이싱에 고정되어 있는 안내 날개로 들어간다.
② 이 공기는 안내 날개 속에서 흐름이 멈추고 속도가 느려져서 케이싱에 모인다. 케이싱의 단면적이 증가됨에 따라 송풍압이 커진다.
③ 낮은 압력의 공기가 다량으로 사용될 때 이용되며, 송풍 압력이 낮은 송풍기에는 고정 안내 날개가 없는 것도 있다.
④ 고압용 송풍기는 날개차를 2단 이상으로 하여 각 단에서 압력을 높여 다음 단으로 보내게 한 고압용 다단 송풍기가 있다.
(나) 왕복 압축기
① 피스톤의 왕복 운동에 의해 공기를 압축한다.
② 실린더 양 끝에 있는 흡입 밸브, 배출 밸브의 개폐에 의하여 흡입, 압축이 이루어진다.
③ 공기실이 있으며 공기의 압력이 높고 비교적 소량의 압축 공기가 필요한 경우에 사용된다.
(다) 공ㆍ유압 장치
압축된 유체, 즉 공기나 물, 기름 등의 액체를 매체로 하여 동력을 전달하거나 기계 기구를 제어하는 장치를 공ㆍ유압장치라 한다. 현대 산업용 기계 기구의 모든 분야에 폭 넓게 이용되고 있으며, 특히 자동화 장치에는 공ㆍ유압 장치가 필수적으로 활용되고 있다.
(라) 공기압 장치
공기를 사용 매체로 하며, 공기압의 에너지를 기계적인 운동으로 바꾸어 기계 설비의 자동화에 이용하는 장치이다.
① 구성 부품은 송풍기, 압축기, 액추에이터, 각종 배관, 밸브, 여과기, 주유기, 소음기 등으로 되어 있다.
② 용도로는 공기 드릴, 공압 자동 기기, 착암기 등이 있다.
(마) 유압 장치
주로 기름을 매체로 유압을 이용해 힘을 전달하며, 여러 가지 장치를 구동하거나 제어하는 장치
① 특성은 유압의 전달 제어를 하는 부분이 각종 배관과 밸브 등을 통하여 이루어지므로 그 구조가 간단하고 작동이 원활하다. 정확하고 안정된 추력이나 토크를 얻을 수 있다. 연속 운동이나 간헐 운동이 가능하다.
② 용도로는 자동차의 제어 장치, 비행기의 각종 제어, 공작 기계의 유압 구동, 불도저의 삽날 움직임 장치 등에 이용된다.< 자동차용 유압 브레이크 장치 >
나. 압력에 따른 구분
일반적으로 배출압력에 의한 분류에 따르면 송풍기는 저압용 팬(Fan)과 고압용 블로어(Blower)로 구분된다.
ㅇ 저압공기기계 : 작동유체를 비 압축성으로 취급할수 있는 것으로 송풍기,풍차가 있다.
ㅇ 고압 공기기계 : 작동기체를 압축성으로 취급할 수 있는 것으로 압축기,진공펌프,압축공기기계..
냉각탑에 사용된다.
(d)는 축류팬의 전후에 가이드 베인(guide vane)을 설치한 것으로, 기류를 정류하는 역할도 가지므로 국소통풍이나 터널의 환기에 주로 사용된다.