공압 시스템(Pneumatic System) - 방향제어밸브 분류 및 특징

공압 시스템(Pneumatic System)-방향제어밸브 분류 및 특징

① 조작방식에 의한 분류

가) 전자조작방식(Solenoid Valve)

전자석(Solenoid)에 의해 유체의 흐름을 조작(전환)하는 방식을 전자 밸브(Solenoid 밸브)라 부르며 가장 많이 사용되고 있다. 이 전자 조작 방식에는 직동형과 파일럿(Pilot)형 두 종류가 있다.
직동형은 전자력 그 자체로서 유체의 흐름을 전환하고, 파일럿형은 파일럿 밸브(일반적으로 3포트 전자 밸브)로 유체 흐름을 전환하며 피스톤 등을 매개체로 하여 큰 조작력으로 변환하여 그 힘으로서 주밸브를 전환하는 것이다.

나) 공기압 조작방식(Air operated Valve)

공기압력에 의해 밸브 몸체를 조작하는 것으로서 마스터 밸브(Master Valve)라 불리어진다. 사용환경면에서 전기를 사용할 수 없는 경우 즉 방폭성이 요구되는 장소나 전공압회로에서 사용된다

다) 기계조작 방식

기계력에 의하여 공기의 흐름방향을 전환하는 밸브로서 플런저형, 롤러형, 롤러레버형 등이 있다. 전공압 회로의 마스터 밸브등으로의 신호용에 이용되는 외에 구동기기의 구동용에 이용된다

라) 인력조작 방식

인력에 의해 공기흐름을 전환하는 것으로서 손으로 조작하는 것은 수동 밸브라 부르며 레버형, 누름 버튼형 등이 있다. 발로서 조작하는 것은 푸트 밸브라 부른다. 공기압 회로의 ON, OFF나 구동기기의 인력조작에 이용된다

② 구조에 의한 분류

각종 제어밸브의 기능은 앞에서 설명한 바와 같이 각각 차이가 있으며, 그 구조도 여러종류로 분류되지만, 기본적으로는 포핏(Poppet)밸브, 스풀(Spool)밸브, 슬라이드(Slide)밸브의 3가지로 분류할 수 있다. 포핏 밸브는 가장 기본적인 구조로, 압력제어밸브, 유량제어밸브, 방향제어밸브에 범용으로 사용된다. 스풀 밸브는 주로 방향제어밸브에서 많이 사용되고 있지만, 압력제어밸브, 유량제어밸브에서 사용되는 예도 있다. 슬라이드 밸브는 그 사용예는 적지만, 방향제어밸브로 사용되고 있다.
밸브의 구조에 따른 각각의 장, 단점이 있으므로 특징을 잘 이해하여 공기압 시스템에 적합한 제어밸브를 사용하는 것은 매우 중요한 일이다.

가) 포핏밸브

포핏밸브는 버섯형태의 밸브본체가 밸브시트(Seat)면에 직각방향으로 이동하는 형식의 밸브로서 아래 그림에 그 기본구조를 나타낸다. 아래 그림의 (a)는 공기압을 P포트(IN포트)로 공급한 경우로서 밸브본체는 스프링의 힘으로 밸브 시트를 위로 밀고 있으므로, 밸브 시트에 밀착되어 기밀이 유지되고, 공기압은 A포트(OUT포트)로 흐르지 않는다. 아래 그림의 (b)는 밸브스템에 힘을 작용시켜 누르면 밸브본체는 밸브시트로부터 조작력에 의해 분리되어, 공기압은 P포트에서 A포트로 흐르게 된다. 이런 밸브를 N.C(Normally Closed : 상시닫힘 밸브)라 한다.

아래 그림은 위 그림과 반대의 경우로서 외력이 없는 상태에서는 스프링의 힘으로 밸브본체는 밸브시트에서 분리되고, 이 상태에서 공기압은 P포트에서 A포트로 흐른다. 외력이 밸브본체를 당겨 올리면 밸브시트는 밸브본체에 밀착하여 P포트의 공기압은 차단되고, A포트로의 공기압은 공급도 중지하게 된다.

이러한 밸브는 N.O(Normally Open : 상시열림 밸브)라 한다.

아래 그림은 공기압을 공급하는 P포트와 출력 포트가 되는 A포트 및 배기포트가 되는 R포트의 3개 포트를 갖는 3포트 밸브의 예이다. 아래 그림의 (a)는 조작력이 없을 때 스프링의 힘으로 밸브본체가 시트에 밀착하여 P포트가 닫히고 A-R포트가 열리게 되어 A포트의 공기가 R포트로 흐른다. 아래 그림의 (b)는 이 상태를 전환한 것이다. 한편 3포트 밸브의 경우에 밸브본체가 그림 (a)나 (b)의 상태로 완전히 이동하지 않은 상태, 즉 그림 (c)와 같은 상태로 3개의 포트가 열려 연결되어 버린 "UNDER LAP"의 형태가 된다. 실제로는 전환속도가 빠른 경우 이 상태가 순간적이므로 문제가 되지 않지만 전환속도가 늦은 경우는 작동불량의 원인이 되므로 주의를 필요로 한다.

포핏 밸브는 밸브 시트가 밀착되어 기밀이 유지되므로, 실(Seal)부가 금속(Metal)인 경우는 정밀도가 높은 것이 요구되므로 기밀부에 탄성체를 사용한 탄성실을 일번적으로 사용한다.

기밀부의 밸브본체와 밸브시트 경사에 따라 아래 그림과 같이 구조적으로 구분할 수 있다.

ㄱ. 밸브본체와 밸브시트가 평면으로 기밀을 유지하는 경우 (그림 (a))
ㄴ. 밸브본체와 밸브시트 측면이 쐐기모양으로 기밀되는 경우 (그림(b))
ㄷ. 밸브본체와 밸브시트가 곡선과 평면으로 기밀을 유지하는 경우 (그림(c))

이상이 대표적인 포핏 밸브이지만, 실제로 사용되는 예를 아래 그림에 나타낸다.

그림 (a)는 다이어프렘 밸브로서 밸브를 전환하기 위한 얇은 고무막의 수압부(다이어프램)와 기밀부로 포핏 밸브부가 한 몸체로 된 구조이다. 또 밸브는 라운드를 갖는 곡면으로 된어 있어, 밸브몸체에 있는 고무에 대한 기밀성이 좋고, 내마성도 우수하며, 그림(b)는 밸브본체가 구(ball)인 밸브시트로서 고무인 0링을 사용한 것으로서 간단한 체크 밸브로 사용된다.

나) 스풀밸브(Spool Vale)

스풀 밸브는 원통형의 내측에 가동 홈이 있는 막대 형태의 스풀을 끼워 넣어 이것이 축방향으로 이동하는 것에 의해 공기의 유로방향을 전환하는 방식 밸브이다.
아래 그림에 기존구조를 나타낸다. 그림 (a)는 스프링의 힘에 의해 스풀측이 우측 위치에 정지된 형태로서 공기압은 P포트에서 A포트로 공급된다. 이것을 외력 F를 가하여 그림 (b)의 형태의 위치로 하며느 P포트는 B포트로 통하므로 공기는 B포트로 흐르게 된다.

아래 그림은 포트수를 증가시킨 5포트의 구조이다. 그러므로 스풀밸브는 스풀의 형태를 형태를 변화함에 따라 여러종류의 기능을 갖는 밸브를 비교적 쉽게 제작할 수 있으므로 주로 3포트 이상의 다포트밸브(주로 방향 제어밸브)에 사용된다.

이 스풀밸브는 설계방식에 따라 다음과 같은 3종류가 있다. (아래 그림 참조)

1) OVER LAP : 스풀을 전환하여 P포트가 열릴 때 확실히 R포트가 닫히는 구조의 밸브 (그림 (a))
2) ZERO LAP : 스풀을 전환하여 P포트가 열릴 때 동시에 R포트가 열리는 구조의 밸브 (그림 (b))
3) UNDER LAP : 스풀을 전환하여 P포트가 열릴 때 R포트가 열리고 전환이 완료될 때 까지의 사이, 일시적으로 P, R, A의 3포트가 연결되는 구조의 밸브 (그림 (c))

다) 슬라이드 밸브(SLIDE VALVE)

즉 슬라이드 밸브의 구조는 오래전부터 사용되어온 것이며 그 대표적인 예를 들면, 증기기관차의 전환밸브가 있다. 슬라이드 밸브는 일반적으로 평행밑면(밸브 시트에 해당한다)의 상부를 밸브몸체(Slide)가 미끄럼 이동을 하므로써 공기의 통로를 전환하여 주는 밸브를 말한다. 아래 그림에 그 기본구조를 나타낸다. 그림 (a)에는 공기압을 P(IN)포트에서 공급하고 A(OUT)포트로 내보내고 있다. 이때, 밸브몸체는 스프링의 힘에 의해 고정면에 밀착하여 기밀을 유지하고 있다.