방향 제어 밸브는 내부 통로가 있는 밸브 본체와 스풀이라고 하는 가동 부품으로 구성됩니다. 스풀은 내부 통로를 연결하거나 차단할 수 있습니다. 대부분의 표준 산업용 유압 밸브에서 스풀은 원통형이며, 이러한 유형을 스풀형 방향 제어 밸브 또는 간단히 스풀 밸브라고 합니다. 스풀 밸브는 산업용 유압 시스템에서 가장 널리 사용되는 방향 제어 밸브 유형입니다. 이 장에서는 스풀 밸브의 종류, 구조, 작동 원리 및 제어 방법에 대해 설명합니다.

4방향 방향 밸브

먼저 살펴볼 방향 전환 밸브는 내부에 압력 통로, 리턴(탱크) 통로, 그리고 두 개의 작동 통로, 이렇게 네 개의 통로가 있는 밸브입니다. 이러한 밸브를 4방향 방향 전환 밸브라고 하며, 밸브 본체에 네 개의 서로 다른 통로가 있기 때문에 이러한 이름이 붙었습니다. 4방향 방향 전환 밸브는 유압 실린더 또는 유압 모터의 작동 방향을 반전시키는 역할을 합니다.

회로 내 4방향 밸브의 기능

모든 방향 전환 밸브는 밸브 본체와 내부 이동 스풀로 구성됩니다. 스풀은 최소 두 개의 위치, 즉 두 개의 끝단 위치를 가집니다. 이 두 위치는 방향 전환 밸브의 그래픽 기호에서 두 개의 별도 상자로 표시됩니다. 각 상자에는 화살표가 사용되어 스풀이 해당 위치에 있을 때 밸브 본체 내부 통로가 어떻게 연결되는지를 보여줍니다. 방향 전환 밸브를 그래픽 기호로 나타낼 때는 두 상자를 모두 연결해야 합니다. 회로에 배치할 때는 정확히 하나의 상자만 회로에 연결해야 합니다. 이렇게 하면 액추에이터가 한 방향으로 움직일 때 방향 전환 밸브 내부의 유로가 명확하게 나타납니다. 액추에이터가 반대 방향으로 움직이는 것을 나타내야 할 때는 다른 상자를 회로에 부드럽게 밀어 넣으면 됩니다.

스풀 위치가 두 개뿐인 방향 조절 밸브를 2위치 밸브라고 합니다.

그림 10-1 4방향 방향 조절 밸브. 두 개의 상자로 이루어진 기호는 두 개의 스풀 위치를 나타냅니다. 한 번에 하나의 상자만 회로에 연결되며, 스풀을 이동시키면 활성화되는 상자가 바뀌어 실린더의 회전 방향이 반전됩니다.

4방향 밸브 회로 기능

스풀이 한쪽 끝 위치에 있을 때, 압력 통로는 작동 통로 A에 연결되고, 복귀 통로는 작동 통로 B에 연결됩니다. 스풀이 다른 쪽 끝 위치로 전환되면, 압력 통로는 작동 통로 B에 연결되고, 복귀 통로는 작동 통로 A에 연결됩니다. 스풀의 끝 위치를 전환하면 유압 실린더로 유입되는 오일 흐름 방향이 바뀌어 로드가 확장되거나 수축됩니다.

3방향 방향 밸브

삼방향 밸브는 내부에 압력 통로, 복귀 통로, 작동 통로의 세 개 통로를 가지고 있습니다. 이 밸브의 기능은 스풀이 한쪽 끝 위치에 있을 때 작동 포트에 압력을 가하고, 다른 쪽 끝 위치에 있을 때 작동 포트의 압력을 낮추는 것입니다. 즉, 삼방향 밸브는 하나의 작동 포트에 대한 압력 조절을 전환합니다.

삼방향 밸브 회로 기능

삼방 밸브는 스프링 복귀 플런저 실린더와 같은 단동 액추에이터를 제어할 수 있습니다. 이러한 용도에서 삼방 밸브는 한 위치에 있을 때 실린더 로드 자유단에 압력 오일을 공급하고, 다른 위치로 전환하면 액추에이터로의 흐름이 차단되어 액추에이터 통로가 밸브 본체 내부의 복귀 통로에 연결되므로 실린더 로드는 중력 또는 스프링 힘에 의해 후퇴할 수 있습니다.

삼방향 밸브가 작동 통로와 복귀 통로를 연결하는 위치에 있을 때, 수직으로 장착된 플런저 실린더는 중력에 의해 후퇴하고, 스프링 복귀 실린더 로드는 스프링 힘에 의해 후퇴합니다.

산업용 유압 시스템에서는 3방향 밸브를 거의 찾아볼 수 없습니다. 3방향 기능이 필요한 경우, 작동 포트 하나가 차단된 4방향 밸브로 대체하는 것이 일반적입니다.

그림 10-3은 3방향 방향 밸브가 단동식(스프링 복귀식) 실린더를 제어하는 방식을 보여줍니다. 한 위치에서는 압력이 가해지고, 다른 위치에서는 실린더가 탱크에 연결되어 스프링에 의해 로드가 복귀됩니다.

양방향 방향 밸브

양방향 방향 조절 밸브는 두 개의 통로만 가지고 있으며, 이 두 통로는 스풀을 통해 연결하거나 분리할 수 있습니다. 스풀이 한쪽 끝 위치에 있을 때는 밸브를 통한 유로가 열리고, 다른 쪽 끝 위치에 있을 때는 유로가 닫힙니다.

양방향 밸브 회로 기능

양방향 방향 밸브는 회로에서 온/오프 스위치 역할을 합니다. 이러한 기능은 많은 시스템에서 안전 인터록으로 사용되거나 시스템 내의 다양한 구성 요소를 분리 및 연결하는 데 사용됩니다.

방향 밸브 정격 및 사양

산업용 유압 시스템에 사용되는 방향 제어 밸브는 기본적으로 1/4", 3/8", 1/2", 3/4", 1-1/4"(6.35mm, 9.5mm, 12.7mm, 19.05mm, 31.75mm) 크기로 제공됩니다. 산업 현장에서는 일반적으로 포트 크기보다는 평균 유량으로 등급을 매깁니다. 예를 들어, 정격 유량은 3~10 gpm(11.37~37.9 lpm), 10~20 gpm(37.9~45.48 lpm), 40 gpm(75.8 lpm), 80 gpm(303.2 lpm), 160 gpm(379 lpm) 등이 있습니다. 정격 유량에서 포트 P에서 A 또는 포트 B에서 T까지의 압력 강하는 약 40 psi(2.76 bar)입니다.

방향 밸브 스풀

앞에서 살펴본 4방향 방향 전환 밸브 스풀은 랜드라고 불리는 직경이 큰 원통형 부분 세 개가 있는 축으로 구성됩니다. 세 랜드 사이의 간격이 동일하기 때문에 이를 3랜드 스풀이라고 합니다. 대부분의 산업용 유압 방향 전환 밸브는 2랜드 또는 4랜드 스풀을 사용합니다. 유량이 낮은 밸브에는 일반적으로 2랜드 스풀이 사용되고, 유량이 큰 밸브에는 4랜드 스풀이 더 흔하게 사용됩니다.

그림 10-5 방향 조절 밸브 스풀. 소형 밸브에는 2랜드 스풀이, 대형 밸브에는 4랜드 스풀이 흔히 사용됩니다. 랜드의 개수와 위치는 각 스풀 위치에서 어떤 통로가 연결되거나 차단되는지를 결정합니다.

서브플레이트 장착형 4방향 밸브

위에서 설명한 4방향 방향 전환 밸브는 4개의 포트를 가지고 있습니다. 일반적으로 압력 포트와 리턴 포트는 밸브 본체의 한쪽에 있고, 작동 포트 2개는 반대쪽에 있습니다. 이러한 포트 배열은 방향 전환 밸브의 도식 기호와 매우 유사합니다. 설치 편의성을 위해 대부분의 산업용 유압 방향 전환 밸브는 서브플레이트 장착형 설계를 사용합니다. 즉, 밸브 본체가 시스템 라인에 연결되는 서브플레이트에 볼트로 고정됩니다. 서브플레이트 장착형 밸브의 포트는 밸브 본체의 아랫면에 있습니다.

방향 밸브 작동기

방향 밸브 스풀은 한쪽 끝이나 다른 쪽 끝에 위치시킬 수 있다는 것을 알았습니다. 스풀의 이동은 기계적, 전기적, 유압적, 공압적 또는 수동적인 방법을 통해 이루어질 수 있습니다.

수동 작동

근력으로 작동하는 방향 밸브를 수동식 밸브라고 합니다. 수동식 작동 장치에는 레버, 푸시 버튼, 발 페달 등 여러 종류가 있습니다. 가장 일반적인 기계식 작동 메커니즘은 상단에 롤러가 장착된 캠 핀입니다. 액추에이터의 캠이 아래로 움직여 롤러를 치면 스풀이 다른 위치로 이동합니다. 수동식 작동 시 방향 밸브의 작동 순서와 제어는 작업자의 의도에 따라 결정되어야 합니다. 방향 밸브가 특정 액추에이터 위치에서 반드시 전환되어야 하는 경우에는 기계식 방향 밸브를 사용할 수 있습니다.

파일럿 제어

방향 밸브 스풀은 공압 또는 유압 파일럿 압력을 사용하여 이동시킬 수도 있습니다. 4랜드 스풀의 경우, 파일럿 압력은 양쪽 끝 위치의 스풀 랜드에 작용합니다. 2랜드 스풀의 경우, 파일럿 압력은 하나의 파일럿 피스톤에 작용합니다.

솔레노이드(전자기) 제어

방향 제어 밸브를 제어하는 가장 일반적인 방법은 솔레노이드(전자석)를 사용하는 것입니다. 솔레노이드는 전기 에너지를 선형 기계적 힘과 운동으로 변환하는 전기 기계 장치입니다. 유압 시스템에서 이에 해당하는 액추에이터는 유압 실린더입니다.

건식 솔레노이드

두 가지 솔레노이드 유형 중 건식 솔레노이드는 초기 설계 방식입니다. 이는 기본적인 전자기 원리에 따라 작동하며, "T"자형 철심, 코일, 그리고 "C"자형 프레임으로 구성됩니다. 철심과 코일을 둘러싼 프레임의 모양 때문에 이 유형을 "CT" 전자석이라고도 부릅니다. 철은 자성이 좋은 반면 공기는 자성이 약합니다. 건식 솔레노이드의 작동 원리는 다음과 같습니다. 자기장이 철심을 코일 안으로 끌어당겨 코일 중심부의 공극으로 인한 큰 자기 저항을 줄입니다. 철심이 안으로 이동함에 따라 공극이 점차 줄어들고, 전자기적 추력(구동력)이 증가하며, 철심이 코일 내부에 있을 때의 전자기력은 외부에 있을 때보다 커집니다.

습식 솔레노이드

습식 솔레노이드는 산업용 유압 분야에서 비교적 최근에 개발된 설계입니다. 공극형 설계와 비교했을 때, 습식 솔레노이드는 열 방출이 우수하고 건식 솔레노이드에서 누출을 유발할 수 있는 푸시로드 씰이 없어 신뢰성이 향상된다는 장점이 있습니다.

습식 솔레노이드 구조

습식 솔레노이드는 코일, 직사각형 프레임, 푸시 로드, 아마추어(철심) 및 가이드 튜브로 구성됩니다. 코일은 직사각형 프레임 내부에 있으며, 둘은 플라스틱으로 밀봉되어 있습니다. 이 조립체에는 코일 중앙과 프레임 양쪽을 관통하는 구멍이 있으며, 이 구멍은 가이드 튜브에 끼워집니다. 가이드 튜브 내부에는 아마추어가 들어 있습니다. 가이드 튜브는 방향 전환 밸브 본체에 압입되며, 가이드 튜브 내부 공간은 방향 전환 밸브 복귀 통로에 연결되어 아마추어가 시스템 오일에 잠겨 있게 됩니다. 이러한 이유로 "습식 아마추어"라고 불립니다.

습식 솔레노이드의 작동 원리

코일에 전류가 흐르면 코일은 자기장을 생성하며, 이 자기장은 코일 주위의 직사각형 철 자기 경로와 코일 중심의 전기자에 의해 강화됩니다. 습식 전기자 코일에 전류가 흐르면 가동 전기자가 코일 바깥쪽에 부분적으로 노출됩니다. 전류에 의해 생성된 자기장이 전기자를 코일 안으로 끌어당겨 밸브 스풀에 기계적으로 연결된 푸시 로드를 타격하고 방향 밸브를 이동시킵니다. 스풀이 이동함에 따라 전기자가 코일 안으로 완전히 들어가면서 코일의 자기장이 철 자기 경로에 완전히 집중됩니다.

철은 우수한 자기 전도체인 반면, 전기자와 푸시 로드를 둘러싼 오일은 자기 전도율이 매우 낮습니다. 습식 솔레노이드의 작동 원리는 자기장이 전기자를 끌어당겨 코일 중심부의 큰 공극을 줄이는 것입니다. 전기자가 코일 안으로 이동함에 따라 공극이 점차 줄어들고 전자기적 추력(구동력)이 증가하며, 전기자가 코일 내부에 완전히 들어가면 전자기력이 외부보다 커집니다.

그림 10-9 습식 솔레노이드. 전기자가 유압유에 잠겨 있어(따라서 "습식"이라 함) 푸시로드 동적 밀봉이 필요 없습니다. 건식 솔레노이드에 비해 열 방출이 우수하고 신뢰성이 높습니다.

AC 험

미국에서 산업 제어에 사용되는 전원은 일반적으로 교류(AC)입니다. 미국 교류 전류는 0에서 양의 최대값으로, 다시 0을 거쳐 음의 최대값으로, 그리고 다시 0으로 초당 60회(60Hz) 주기로 순환합니다. 전류가 양의 최대값 또는 음의 최대값일 때 자기장과 전자기력이 최대가 됩니다. 전류가 0을 지나면서 감소함에 따라 자기장과 전자기력도 감소하고, 이로 인해 스프링으로 구동되는 솔레노이드 부하(일반적으로 스프링으로 구동되는 밸브 스풀)가 철심 또는 전기자를 밀어냅니다. 자기장과 전자기력이 다시 강해지면 철심 또는 전기자를 다시 안으로 끌어당깁니다. 이러한 움직임이 솔레노이드에서 윙윙거리는 소리, 웅웅거리는 소리 또는 진동 소리, 즉 교류 잡음을 발생시킵니다.

단락 링(쉐이딩 코일)

교류 잡음을 줄이고 솔레노이드 구동력을 높이기 위해 단락 링(쉐이딩 코일)을 보상 장치로 사용합니다. 건식 솔레노이드에서 단락 링은 C자형 프레임에 부착된 구리 링입니다. 습식 솔레노이드에서는 가이드 튜브의 푸시 로드 끝단에 있는 구리 링입니다. 솔레노이드가 작동하면 이 링에 인가된 작동 전류보다 지연된 전류가 유도됩니다. 따라서 코일의 주 자기장이 최소일 때 단락 링의 자기장이 철심이나 전기자를 유지하기에 충분하여 교류 잡음을 크게 줄일 수 있습니다.

와류(eddy currents)

맥동하는 교류 자기장은 솔레노이드에 미세한 누설 전류, 즉 와전류를 발생시킬 수 있습니다. 와전류는 철의 자기 경로를 따라 작은 회로를 형성하며 전력을 소모하고 열을 발생시켜 솔레노이드의 출력 구동력을 감소시킵니다. 와전류의 영향을 최소화하기 위해 건식 솔레노이드의 C-프레임과 철심에는 얇은 금속 적층판이 사용됩니다. 이 금속 적층판들은 산화막으로 서로 절연되어 있습니다. 자기장은 적층판의 정상 자기 경로를 따라 쉽게 통과하지만, 절연층 덕분에 적층판 사이에는 와전류가 흐르지 않습니다. C-프레임은 절연된 적층판을 쌓아 만든 것이므로 일반적으로 "C-프레임 스택"이라고 부릅니다. 습식 솔레노이드의 경우, 와전류 최소화를 위해 직사각형 프레임에 절연 철 적층판을 사용하지만, 습식 솔레노이드는 건식 솔레노이드보다 출력이 크기 때문에 전기자에는 이러한 방식이 적용되지 않습니다. 내구성 측면에서 볼 때, 적층판으로 전기자를 만드는 것은 실현 가능하지 않습니다. 습식 솔레노이드의 경우 전기자는 일체형입니다.

솔레노이드 돌입 전류

솔레노이드 코일에 교류 전류를 흘려보내면 전자기력이 발생하여 방향 밸브 스풀을 움직이지만, 동시에 열도 발생시켜 결국 솔레노이드 코일이 타버릴 수 있습니다. 솔레노이드 코일에 흐르는 전류가 많을수록 코일의 고장 위험이 커집니다. 솔레노이드가 움직이지 않아 공극이 닫히지 않으면 코일에 매우 높은 전류가 흐르게 되어 과열됩니다. 유량이 비교적 일정한 유압 시스템과는 달리, 일반적인 전기 시스템에서는 전류가 저항에 비례합니다. 즉, 저항이 높을수록 전류가 낮아지고 열 발생도 줄어듭니다. 열은 솔레노이드의 수명에 큰 영향을 미치므로, 충분한 변속력을 발생시키면서도 가능한 한 적은 전류를 사용하는 것이 중요합니다. 이는 충분한 교류 임피던스(리액티브 저항)를 갖도록 코일을 설계함으로써 달성할 수 있습니다.

임피던스는 두 가지 요소로 구성됩니다. 하나는 도체 재료 자체의 전자 흐름에 대한 순수 저항으로, 구리는 알루미늄보다 저항이 작습니다. 다른 하나는 코일 권선 주변의 전자기장에 의해 발생하는 임피던스 효과입니다. 이 자기장은 코일로 흐르는 전류를 방해하거나 제한합니다. 자기장이 강할수록 솔레노이드 코일 권선에 흐르는 전류는 줄어듭니다.

솔레노이드에 처음 전원이 공급되면 가동 철심 또는 전기자가 코일 바깥쪽에 부분적으로 위치하여 코일 중앙에 큰 공극이 생깁니다. 이 위치에서는 자기장이 약하고 전류 저항은 주로 순수 도체 저항에서 발생하여 코일 권선에 큰 돌입 전류가 흐릅니다. 철심 또는 전기자가 코일 안쪽으로 이동하면서 공극이 점차 닫히고 전류가 감소합니다. 철심 또는 전기자가 완전히 코일에 밀착되면 임피던스가 최대가 되고 교류 전류는 최소가 됩니다.

솔레노이드에 처음 전원이 공급될 때 발생하는 최대 돌입 전류는 완전히 장착되었을 때의 유지 전류보다 몇 배나 큽니다. 기계적 간섭으로 인해 철심이나 전기자가 완전히 장착되지 못하면 코일에 매우 큰 전류가 흐르면서 엄청난 열이 발생합니다. 개방형 건식 솔레노이드의 경우 코일 끝 부분의 플라스틱 부품이 녹고, 밀폐형 건식 또는 습식 솔레노이드의 경우 플라스틱 밀봉재가 부풀어 오릅니다. 두 유형 모두 전선 절연체가 즉시 타버리고 1~2분 안에 코일이 단락됩니다. 이는 스풀이 걸려 솔레노이드가 움직이지 못할 때 발생하는 현상입니다.

그림 10-10은 AC 솔레노이드 돌입 전류와 유지 전류의 관계를 보여줍니다. 처음 전원이 공급될 때, 넓은 공극으로 인해 높은 돌입 전류(유지 전류의 몇 배)가 발생합니다. 솔레노이드가 완전히 밀착되면 임피던스가 증가하고 전류는 감소합니다. 스풀이 끼어(공극이 닫히지 않음)가 발생하면 지속적인 돌입 전류가 흐르게 되어 코일이 타버릴 수밖에 없습니다.

연속 정격 솔레노이드

연속 정격 솔레노이드는 과열 없이 장시간 작동 상태를 유지할 수 있습니다. 솔레노이드의 열 방출 능력은 코일을 통해 흐르는 작은 유지 전류에 의해 발생하는 열의 대부분을 방출하기에 충분합니다. 대부분의 산업용 유압 방향 밸브는 연속 정격 솔레노이드를 사용합니다.

솔레노이드 제한 사항

솔레노이드 제어식 방향 밸브에는 몇 가지 한계가 있습니다. 첫째, 기존 솔레노이드는 습하거나 폭발 위험이 있는 환경에서 사용할 수 없습니다. 둘째, 방향 밸브의 수명이 특히 길어야 하는 경우 전기 제어식 솔레노이드는 일반적으로 사용을 피합니다. 솔레노이드의 가장 큰 단점은 발생시킬 수 있는 변속력이 제한적이라는 점입니다. 실제로 대형 방향 밸브의 경우 필요한 변속력이 상당히 큽니다. 대형 밸브(1/4" 또는 3/8" / 6.35mm 또는 9.5mm)의 경우, 일반적으로 솔레노이드 방향 밸브가 상단에 장착되며, 변속 시 소형 밸브의 유체가 대형 밸브 스풀의 해당 측면으로 유입됩니다. 이러한 방식을 솔레노이드 작동식 파일럿 방향 밸브라고 합니다.

솔레노이드 고장

직접 작동식 방향 제어 밸브 솔레노이드 고장의 주요 원인은 열이며, 이는 일반적으로 솔레노이드 걸림, 높은 주변 온도 또는 낮은 전압(철심이나 전기자를 완전히 밀착시키기에 불충분한 변속력)으로 인해 발생합니다.

솔레노이드 걸림

스풀이 걸리면 철심이나 전기자가 완전히 밀착되지 않아 솔레노이드 코일에 지속적으로 매우 높은 돌입 전류가 흐르게 됩니다. 솔레노이드는 발생한 엄청난 열을 방출하지 못해 결국 코일이 타버립니다. 밸브를 통한 과도한 유량도 솔레노이드를 걸리게 할 수 있지만, 스풀 움직임의 기계적 간섭이 더 흔한 원인입니다. 슬러지, 금속 조각, 코어 모래, PTFE 테이프와 같은 오염 물질이 스풀을 걸리게 하거나, 스풀과 밸브 본체 사이에 버가 끼어 스풀이 걸릴 수 있습니다. 오일 산화 입자와 오일 바니시가 스풀에 쌓여 스풀과 밸브 본체 사이의 틈을 메울 수도 있는데, 용제를 사용하여 세척하면 오일 바니시를 제거할 수 있습니다. 장착판이 휘어진 경우에도 솔레노이드가 걸릴 수 있습니다. 장착 볼트를 조일 때 밸브 본체가 약간 휘어지면서 스풀의 움직임이 제한되어 코일이 타버릴 수 있습니다. 장착판의 평탄도 요구 사항은 일반적으로 0.0003~0.0005인치(0.00762~0.0127mm) 이내입니다.

건식 솔레노이드의 경우, 솔레노이드 철심이 코일 안으로 당겨지면서 철심과 C-프레임 사이에 마모가 발생합니다. 이러한 유형의 솔레노이드를 분해할 때는 철심을 원래 위치에 다시 설치하는 것이 좋습니다. 그렇지 않으면 마모된 부분이 제대로 정렬되지 않아 철심이 완전히 고정되지 않고 솔레노이드에서 윙윙거리는 소음이 발생하여 고장이 임박했음을 나타냅니다.

이중 솔레노이드 방향 조절 밸브에서 두 솔레노이드가 동시에 작동하는 경우가 있습니다. 이는 한쪽 철심 또는 전기자가 완전히 밀착된 상태에서 다른 쪽은 고착된 상태를 의미합니다. 결과적으로 한쪽 솔레노이드 코일이 타버릴 수 있습니다. 두 솔레노이드가 동시에 작동하는 현상은 일반적으로 전기 제어 장치의 고장이나 배선 오류로 인해 발생합니다.

높은 주변 온도

전류가 솔레노이드의 철심이나 전기자를 끌어당길 때 발생하는 열은 코일에서 방출되어야 합니다. 주변 공기 온도가 너무 높으면 열 방출이 어려워 코일이 타버릴 수 있습니다. 환기가 불량하거나 장비가 열원 근처에서 작동하는 경우 이러한 현상이 발생할 수 있습니다.

저전압

110V, 60Hz 솔레노이드의 경우, 선간 전압이 약 100V까지 떨어지면 발생하는 전자기력이 설계 시간 내에 철심이나 전기자를 완전히 접촉시키기에 불충분해집니다. 돌입 전류 유입 시간이 길어지면서 솔레노이드의 온도가 상승하고, 결국 고장이 발생합니다. 코일 소손의 초기 징후로는 윙윙거리는 소음이나 진동이 나타날 수 있습니다. 저전압 문제는 많은 발전소 환경에서 흔히 발생합니다. 저전압이 의심되는 경우, 전력 회사는 24시간 기록계를 설치하여 실제 상황을 확인할 수 있습니다.

3위치 방향 밸브

앞의 예시에서는 2위치 방향 밸브(양쪽 끝 위치가 있는 밸브)에 대해 설명했습니다. 일부 응용 분야에서는 3위치 방향 밸브가 사용됩니다. 세 번째 중앙 위치는 중립 또는 전환 위치입니다. 3위치 방향 밸브의 그래픽 기호는 세 개의 상자로 구성되며, 중앙 상자는 스풀이 중앙에 있을 때의 중앙 위치와 내부 연결부를 나타냅니다.

스프링 중심식 3위치 밸브

가장 일반적인 3위치 방향 제어 밸브 유형은 스프링 중심형입니다. 이 밸브는 양쪽 끝에 스프링이 있어 어느 솔레노이드에도 전원이 공급되지 않을 때 스풀을 중앙 위치에 고정합니다.

그림 10-12는 3위치 스프링 중심식 방향 조절 밸브를 보여줍니다. 두 솔레노이드의 전원이 모두 차단되었을 때 스프링이 스풀을 중앙에 고정합니다. 중앙 위치는 기계가 정지했을 때 실린더 부하에 어떤 일이 발생하는지를 결정합니다.

센터 조건

일반적으로 네 가지 중심 위치 구성이 존재합니다. 중심 위치 조건의 선택은 방향 밸브가 중심에 있을 때(두 솔레노이드 모두 작동하지 않을 때) 회로의 동작을 결정합니다.

그림 10-13은 네 가지 중심 위치 구성입니다. 선택은 회로 요구 사항에 따라 달라집니다. 실린더가 위치를 유지해야 하는지, 자유롭게 떠 있어야 하는지, 또는 밸브가 중앙에 있을 때 펌프가 언로드되어야 하는지에 따라 결정됩니다.

비례 방향 밸브

일반적인 방향 제어 밸브는 열림/닫힘과 같은 이산적인 위치 사이에서만 전환됩니다. 비례식 방향 제어 밸브는 전기 입력 신호와 스풀 위치 및 유량 사이에 부드러운 관계를 유지하면서 스풀을 완전히 열린 위치와 완전히 닫힌 위치 사이의 어느 위치에든 놓을 수 있습니다. 따라서 하나의 밸브로 방향과 유량을 연속적으로 가변 제어할 수 있습니다.

파일럿 작동식 방향 조절 밸브

솔레노이드 힘만으로는 메인 스풀을 직접 이동시키기에 불충분한 대용량 유량 처리 용도에서는 파일럿 작동 방식이 사용됩니다. 소형 솔레노이드 작동식 파일럿 밸브가 파일럿 압력을 전달하여 더 큰 메인 스풀을 이동시킵니다. 이러한 2단 설계는 소형 솔레노이드로 매우 큰 유량을 제어할 수 있도록 합니다. 파일럿 밸브는 스위칭을 담당하고, 파일럿 압력은 메인 스풀을 이동시키는 역할을 합니다.

그림 10-14 파일럿 작동식 방향 전환 밸브. 작은 솔레노이드 작동식 파일럿 밸브(상단)는 파일럿 압력을 이용하여 큰 메인 스풀(하단)을 전환시킵니다. 이 설계는 작은 솔레노이드로 고유량 메인 밸브를 제어할 수 있도록 합니다.

비례 솔레노이드 방향 밸브

제어 장치에는 반전 신호와 입력 신호가 동시에 입력됩니다. 이 두 신호 사이에서 발생하는 "오차" 신호는 제어 장치를 구동하여 솔레노이드 "A" 또는 "B" 중 하나를 비례적으로 작동시킵니다. 솔레노이드가 작동되면 신호를 힘으로 변환합니다. 밸브 본체 중앙에 위치한 비례 솔레노이드는 파일럿 밸브의 바이어스 스프링과 함께 이 제어 압력을 파일럿 스풀 위치로 변환합니다. 위치 센서 LVDT는 메인 밸브 스풀에 직접 연결되어 파일럿 스풀에 자동 피드백을 제공하는 역할을 합니다.

압력차 제어식 방향 밸브(토크 모터 제어)

압력차식 방향 조절 밸브는 3단 구조로, 1단이 파일럿 밸브, 2단이 메인 밸브입니다. 파일럿 밸브는 토크 모터, 스프링, 제트 파이프, 파일럿 엔드 캡이 있는 조절식 스풀, 그리고 LVDT(저전압 차단기) 등으로 구성된 더욱 복잡한 구조입니다. 2단(메인 밸브)은 다른 파일럿 작동식 방향 조절 밸브와 유사한 구조를 가지고 있습니다.

1단계 파일럿 밸브 구조

파일럿 밸브는 토크 모터, 제트 파이프, 좌우 스프링이 있는 스풀 및 유사한 구성 요소로 이루어져 있습니다. 제트 파이프는 제어 압력을 스풀의 양쪽 끝으로 전달합니다. 파일럿 밸브는 스프링 중심식 방향 전환 밸브와 유사한 유형입니다.

2단계 주 밸브

두 번째 단계(메인 밸브)는 다른 비례 방향 제어 밸브 유형과 유사하므로 여기서는 반복하지 않겠습니다.

파일럿 밸브 작동

전기 제어 신호 전류는 두 솔레노이드 사이의 토크 모터 권선을 통해 흐릅니다. 전기 신호의 비교 및 차이를 통해 토크 모터의 자기장 방향이 결정됩니다. 어느 솔레노이드에서 더 강한 신호가 발생하는지에 따라 제트 파이프의 방향이 파일럿 스풀의 한쪽 끝으로 향하게 되어 압력을 가합니다. 동시에 제어 장치의 출력은 방향 전환 밸브 스풀의 한쪽으로의 유량을 비례값까지 증가시키고, 비례값에 도달할 때까지 해당 방향으로의 유량을 점진적으로 증가시킵니다.

핵심 개념 — 10장