액체를 통한 에너지 전달에 대해 논의하기 전에, 액체의 몇 가지 특성과 힘이 액체를 통해 어떻게 전달되는지를 이해해야 합니다. 이를 통해 유압 시스템이 왜 현재와 같은 방식으로 작동하는지 이해할 수 있습니다.

액체로 세척하세요

유체란 고정된 형태가 없는 모든 물질을 말합니다. 유체에는 액체와 기체가 모두 포함됩니다.

액체

액체는 기체와 마찬가지로 분자로 구성되어 있습니다. 그러나 기체와 달리 액체의 분자들은 서로 가까이 끌려 있지만, 고체처럼 고정된 위치에 단단히 고착되지는 않습니다. 따라서 액체는 자유롭게 흐르며 그 용기의 모양을 따르게 됩니다.

그림 2-1 액체 분자(아래)는 서로 밀접하게 배열되어 있으며 끊임없이 움직이고 있는 반면, 기체 분자(위)는 서로 멀리 떨어져 있다.

분자 운동 에너지

액체 내부의 분자들은 항상 움직이고 있다—액체가 완전히 정지해 보일 때조차도 마찬가지이다. 이 분자들은 끊임없이 서로를 미끄러지듯 지나가며 미끄러진다. 이러한 분자 운동을 액체의 내부 에너지라 한다.

액체는 담겨 있는 용기의 모양을 따른다

이러한 끊임없는 분자 간 미끄러짐 때문에 액체는 흐르며 자신을 담고 있는 용기의 형태를 채운다. 액체의 양이 많든 적든, 언제나 그 용기의 모양을 차지한다. 이 성질은 점성(Viscosity)과 밀접한 관련이 있으며, 점성에 대해서는 뒤의 장에서 다룬다.

액체는 비교적 비압축성이다

액체 분자들이 밀집되어 있기 때문에, 액체는 한 가지 중요한 측면에서 고체와 유사한 거동을 보인다: 즉, 비교적 비압축성이다—즉, 상당히 작은 부피로 압축시킬 수 없다.

이것이 다이버들이 물속으로 발부터 또는 손부터(‘나이프 엔트리’) 들어가지 왜냐하면, 넓고 평평한 표면으로 물에 충돌할 경우 물이 충분히 빨리 이동해 빠져나가지 못해 마치 단단한 물체에 부딪히는 것과 같은 충격을 유발하기 때문이다. 반면 발이나 손은 작은 면적을 통해 물을 가르기 때문에 충격력이 훨씬 작아진다.

액체는 비교적 압축이 어려우며 어떤 용기라도 그 모양을 따라가므로, 힘을 전달하는 데 실질적인 이점을 갖는다.

힘 전달

에너지 전달의 네 가지 방식(기계적, 전기적, 유압적, 공압적)은 모두 정적 힘(위치 에너지)과 동적 힘(운동 에너지)을 전달할 수 있다. 액체를 통해 정적 힘이 전달될 때 특별한 현상이 발생한다.

액체를 통한 힘 전달

고체에 작용하는 힘과 달리, 밀폐된 액체에 가해진 힘은 압력 형태로 액체 전체에 전달되며, 액체 내의 모든 지점에서 압력은 동일하다.

액체로 가득 찬 용기 위에 놓인 이동식 피스톤을 누르면, 우리가 가하는 힘이 압력을 발생시키고, 이 압력은 액체를 통해 모든 방향으로 동일하게 전달된다.

압력이 피스톤, 손, 중력, 스프링, 압축 공기 또는 이들의 조합 등 어떤 방식으로 생성되었든 간에, 일단 밀폐된 액체 내부로 들어가면 힘은 압력으로 전환되어 전체에 걸쳐 균등하게 전달된다.

액체는 담겨 있는 용기의 모양을 따라 형태를 취하므로, 용기의 형상과 관계없이 압력을 전달할 수 있다.

그림 2-4: 피스톤에 작용하는 힘이 액체 내에서 압력으로 전환된다. 이 압력은 모든 방향으로 균등하게 퍼지며, 이것이 유압 원리의 핵심이다.

파스칼의 법칙

액체가 모든 방향으로 동일한 압력을 전달하는 성질을 파스칼의 법칙(Pascal's Law)이라 하며, 이 법칙은 그 발견자 블레즈 파스칼(Blaise Pascal)의 이름을 따서 명명되었다.

파스칼의 법칙의 수학적 표현은 제1장에서 소개된 압력 공식과 동일하다.

압력 게이지

압력 게이지는 시스템 내 액체에 작용하는 압력을 측정한다. 유압 시스템에서 가장 일반적으로 사용되는 두 가지 유형은 부르동 관식 게이지와 피스톤식 게이지이다.

부르동 관식 게이지

부르동 관식 게이지는 다이얼 표면과 포인터로 구성된다. 포인터는 곡선 형태의 유연한 금속 관인 부르동 관에 연결되어 있다. 시스템 압력은 입구를 통해 이 관 안으로 유입된다. 눈금은 일반적으로 psi, bar 또는 Pa 단위로 표시된다.

부르동 관의 작동 원리

시스템 압력이 상승함에 따라 곡선 튜브의 내부와 외부 면적 차이로 인해 튜브가 펴지는 경향이 생깁니다. 이 펴짐 운동이 포인터를 다이얼 위에서 움직여 압력을 표시합니다. 부르동 관 압력계(Bourdon tube gauge)는 정밀 계측기로서, 만 스케일 대비 정확도가 0.1%~3.0%에 달하며, 실험실 시험 또는 압력 측정 정확도가 특히 중요한 응용 분야에 사용됩니다.

피스톤식 압력계

피스톤식 압력계는 피스톤, 균형 스프링, 포인터 및 눈금판으로 구성됩니다. 시스템 압력이 피스톤의 표면에 작용하여 스프링을 향해 피스톤을 밀어냅니다. 피스톤의 이동은 포인터를 다이얼 위에서 움직이게 합니다. 눈금판은 psi(바) 단위로 교정되어 있습니다. 피스톤 압력계는 내구성이 뛰어나고 경제적이므로, 일상적인 시스템 모니터링에 널리 사용되는 일반적인 선택입니다.

그림 2-6 피스톤식 압력계: 시스템 압력이 피스톤을 스프링 쪽으로 밀어냅니다. 피스톤의 변위가 포인터를 움직입니다.

압력을 기계적 힘으로 변환

밀봉된 액체를 통해 압력을 전달하는 방식은, 해당 압력을 어딘가에서 다시 기계적 힘으로 변환할 수 있을 때만 유용하다. 이 작업은 작동기(실행 요소)의 역할이다—작동기는 유압을 받아 기계적 힘으로 변환한다.

유압 실린더는 작동기의 한 종류이다.

유압 실린더

유압 실린더는 유압을 받아 직선(선형) 기계적 힘으로 변환한다. 적절한 기계적 연결 장치를 통해 회전 운동으로도 변환될 수 있다.

실린더 구조

실린더의 기본 구성 부품은 다음과 같다: 실린더 본체(튜브), 끝마개, 피스톤, 피스톤 로드, 그리고 유입/유출 포트이다. 양쪽 끝에는 각각 하나의 끝마개가 있다. 피스톤은 실린더 본체 내부에서 슬라이드할 수 있다. 로드는 피스톤에 연결되어 있다. 실린더 본체 양쪽 끝에 위치한 유입 및 유출 포트를 통해 작동 오일이 유입되고 유출된다.

그림 2-8 유압 실린더 단면도. 오일이 한 포트로 유입되어 피스톤을 밀어내고, 로드가 신장된다. 다른 포트에서 유출된 오일은 탱크로 되돌아간다.

실린더의 작동 원리

실린더의 입구 포트가 시스템에 연결되면, 실린더는 시스템의 일부가 된다. A 지점의 압력이 시스템을 통해 실린더 내부 피스톤으로 전달된다. 이 압력이 피스톤 면적에 작용함으로써 B 지점—즉 로드 단부—에서 기계적 힘이 발생한다.

압력 가하기

압력이 밀봉된 액체를 통해 전달될 때, 어떤 움직이는 부품이 압력을 발생시킨다. 지금까지 살펴본 모든 예시에서 이 움직이는 부품은 피스톤이다. 힘을 피스톤 면적으로 나누면 시스템 내 압력(P = F/A)이 산출된다.

기계적 힘 증폭

유압 장치는 기계적 힘을 증폭(증배)시킬 수 있다. 이 증폭 계수는 유압 실린더 피스톤의 면적(in² 또는 cm²)에 따라 달라진다. 압력은 밀봉된 액체를 통해 균일하게 전달되므로, 출력 실린더 피스톤의 면적이 입력 피스톤보다 크면 출력 힘이 입력 힘보다 커진다.

예시: 5,000 lbs(22,200 N)의 힘이 면적 10 in²(64.52 cm²)인 피스톤에 작용하여 다음 압력을 발생시킨다:

동일한 500 psi가 15 in²(96.78 cm²) 출력 피스톤에 작용한다:

그림 2-9 기계적 힘 증폭. 동일한 압력이 두 피스톤 모두에 작용하지만, 더 큰 피스톤이 더 큰 힘을 발생시킨다. F = P × A.

압력 증폭기

압력 증폭기(부스터라고도 함)는 유압 압력을 증폭시킬 수 있다. 이 장치는 하나의 실린더 내부에 연결된 두 개의 피스톤과 입구, 출구, 배출 포트를 갖춘 단일 하우징으로 구성되며, 큰 피스톤이 시스템 압력을 감지하고, 이로 인해 발생한 힘이 작은 피스톤에 전달되어 면적이 작기 때문에 더 높은 출력 압력을 생성한다.

압력 증폭기의 작동 원리

큰 피스톤이 시스템 압력을 감지하여 그 힘을 로드를 통해 작은 피스톤으로 전달합니다. 작은 피스톤의 면적이 더 작기 때문에, 작은 피스톤 단부에서의 출력 압력이 높아지며 — 압력이 증폭됩니다.

예시: 5,000 lbs(22,200 N)의 힘이 큰 피스톤(면적: 15 in² / 96.78 cm²)에 작용합니다. 압력 = 333 psi(22.9 bar). 이 힘이 작은 피스톤(면적: 0.76 cm²)으로 전달됩니다. 출력 압력 = 5,000 lbs / 0.76 cm² × (1/10,000) = 2,000 psi(137.9 bar). 출력 힘 = 30,000 lbs(133,200 N).

압력 증폭기의 일반적인 용도는 클램핑 고정장치입니다.

그림 2-11 압력 증폭기. 큰 피스톤이 그 힘을 면적이 훨씬 작은 작은 피스톤으로 전달함으로써 출력단에서 훨씬 높은 압력을 발생시킵니다.

유압 에너지 전달

기계에서 유압(또는 다른 에너지 전달 방식)을 사용하는 목적은 유용한 작업을 수행하는 것이다. 실린더가 작업을 수행하려면 하중에 힘을 가하고 일정 거리만큼 이동시켜야 하므로, 시스템에는 에너지를 이용해 액체를 지속적으로 공급할 수 있는 구성 요소가 필요하다.

하이드라울릭 축적기

지금까지 살펴본 밀폐된 액체 내에서 압력을 생성하는 모든 장치는 피스톤과 실린더를 사용한다. 피스톤이 힘을 가하고, 실린더가 액체를 밀봉한다. 이러한 종류의 장치를 축압기(어큐뮬레이터)라고 한다.

축압기는 압력 하에 있는 액체의 위치 에너지를 저장할 수 있다. 이 저장된 위치 에너지는 작동 에너지(유량 및 압력)로 변환될 수 있다.

예시: 500 psi(34.5 bar)의 축압기가 하중을 밀기 위한 압력을 제공한다. 저장된 500 psi 중 400 psi(27.6 bar)는 하중 저항을 극복하는 데 사용되며, 나머지 압력은 하중을 이동시키기 위한 유량으로 전환된다.

축적기에는 한계가 있습니다. 부하가 매우 크면 이를 극복할 만한 충분한 압력이 발생하지 않아 작업을 수행할 수 없습니다. 또한 저장된 유체가 완전히 방출되면 더 이상 유량이 발생하지 않습니다.

부하를 극복하기에 충분한 압력을 가하고 지속적으로 유량을 공급하려면 다른 장치, 즉 양압식 유압 펌프가 필요합니다.

그림 2-12 축적기 작동 원리. 저장된 압력으로 부하를 이동시킬 수 있지만, 유체가 고갈되면 유량이 중단됩니다. 즉, 축적기만으로는 지속적인 작업을 유지할 수 없습니다.

양압식 유압 펌프

양압식 펌프는 반복적인 왕복 운동 또는 회전 운동을 통해 연속적인 유체 흐름을 생성합니다. 이 펌프는 운동 에너지(유량)와 압력 에너지 모두를 제공하여 지속적인 유압 작업에 필요한 작동 에너지를 공급합니다.

왕복 피스톤 펌프

복동 피스톤 펌프는 크랭크 또는 캠을 통해 원동기(엔진 또는 전동 모터)에 연결된 피스톤을 갖는다. 입구와 출구에는 각각 볼형 체크 밸브가 설치되어 있다. 피스톤이 빼내질 때 내부 용적이 확장되며, 입구 볼 밸브가 열려 액체가 유입된다. 반대로 피스톤이 밀려 들어갈 때는 용적이 감소하고 압력이 상승하며, 입구 볼 밸브는 닫히고 출구 볼 밸브는 열려 액체를 시스템으로 밀어낸다. 이러한 지속적인 왕복 운동은 맥동하는 유량을 발생시키며, 압력은 시스템이 요구하는 수준까지 도달할 수 있다.

그림 2-13 복동 피스톤 펌프. 피스톤은 왕복 운동을 하며, 입구 체크 밸브를 통해 오일을 흡입하고 출구 체크 밸브를 통해 오일을 배출한다.

회전식 양성변위 펌프

산업용 유압 시스템에서 가장 일반적으로 사용되는 펌프는 회전식 양성변위 펌프이다. 이 펌프는 비교적 매끄럽고 압력을 가한 유량을 생성하며, 전동 모터나 엔진으로 구동하기도 쉽다. 회전 요소의 한 번의 회전마다 고정된 부피의 액체가 이동된다.

회전식 펌프 구조

회전식 펌프는 하우징과 회전 조립체로 구성된다. 하우징에는 유입구와 배출구가 있다. 회전 조립체는 유량과 압력을 발생시킨다. 도시된 예시에서는 로터와 로터 슬롯 안에서 자유롭게 왕복하는 베인을 포함한다.

회전식 펌프의 작동 원리

회전 조립체는 하우징 내부에 편심(중심에서 벗어난 위치)으로 장착되며, 구동축을 통해 동력원에 연결되어 로터가 회전한다. 로터가 회전함에 따라 원심력이 베인을 하우징 벽면 쪽으로 바깥쪽으로 밀어내어 밀폐된 챔버를 형성한다. 유입측에서는 챔버의 부피가 증가하여 액체가 흡입되고, 배출측에서는 챔버의 부피가 감소하여 압력이 상승하고 액체가 시스템 외부로 밀려나간다. 이 펌프는 시스템 내 최소 저항에 해당하는 압력만을 발생시킬 뿐, 그 이상은 발생하지 않는다.

그림 2-15 회전 베인 펌프. 베인이 하우징 벽면에 밀착되어 챔버를 형성하며, 로터의 회전에 따라 챔버가 확장(유입) 및 수축(배출)한다.

저항 및 압력

유압 시스템에서 압력과 저항은 직접적으로 관련이 있다. 펌프가 액체를 시스템 내로 밀어 넣으면, 압력의 크기는 저항의 크기에 의해 결정된다. 높은 저항 → 높은 압력; 낮은 저항 → 낮은 압력. 유체 흐름에 대한 저항은 생성되는 압력의 크기를 결정한다.

펌프에 작용하는 저항

펌프는 두 가지 유형의 저항에 직면한다: 부하 저항(load resistance)과 유량 저항(flow resistance). 유량 저항을 무시하면, 펌프가 극복해야 할 유일한 저항은 부하 저항이다. 부하 저항을 극복하기 위해 200 psi(13.8 bar)가 필요하다면, 펌프는 200 psi의 압력을 발생시켜 유압 작동 에너지를 작동기(actuator)로 전달하고, 이 작동기가 부하를 이동시킨다.

유량 저항은 항상 존재한다. 이 저항은 펌프가 원동기(prime mover)로부터 더 많은 에너지를 공급받도록 하며, 이를 극복하기 위해 더 높은 압력을 발생시켜야 한다.

그림 2-16 저항과 압력. 펌프 압력은 부하 저항과 유량(마찰) 저항을 포함한 총 저항을 극복하기 위해 상승한다.

추가적인 에너지 변환

펌프가 유체에 추가로 공급하는 에너지는 흐름 저항을 극복하기 위한 것이지만, 이 에너지는 작동기에서 유용한 유압 작업 에너지로 전환되지 않으며, 흐름 마찰에 의해 소비된다. 이러한 '소비된' 에너지는 에너지 보존 측면에서 사라진 것이 아니며, 열로 전환되어 유체의 온도를 상승시킨다. 이 열이 바로 시스템의 비효율성이다.

유속 및 유량

동적(유동) 유압 시스템에서는 액체가 파이프를 통해 일정한 속도(속력)로 이동한다. 속도는 ft/s(피트/초) 또는 m/s(미터/초)로 측정된다.

단위 시간당 특정 지점을 통과하는 액체의 부피를 유량이라 한다. 유압 시스템에서는 일반적으로 gpm(미국 갤런/분) 또는 Lpm(리터/분)을 단위로 사용한다.

유속과 유량은 서로 관련이 있다. 예를 들어, 큰 파이프를 통해 1분 안에 5갤런(18.95L) 용기를 채우려면 액체는 10ft/s(3.04m/s)로 흐르면 된다. 반면, 파이프의 단면적이 절반인 경우 동일한 5gpm을 유지하려면 액체가 20ft/s(6.10m/s)로 흘러야 한다. 즉, 유량은 동일하지만 유속은 달라진다.

그림 2-17 동일한 유량, 상이한 유속. 관경이 더 작은 파이프에서는 분당 동일한 유체 부피를 통과시키기 위해 유체가 더 빠르게 흘러야 한다.

마찰로 인해 열이 발생한다

유압 파이프를 흐르는 액체는 마찰로 인해 열을 발생시킨다 — 유속이 빠를수록 발생하는 열량이 많아진다. 산업용 응용 분야에서 펌프와 작동기 사이의 배관 내 권장 유체 유속은 15 ft/s(4.572 m/s)이다.

굽힘부에서 열이 발생한다

직선 파이프를 따라 흐르던 액체가 굽힘부에 도달하면 갑작스럽게 흐름 방향을 바꿔야 한다. 이때 유체 분자들이 서로 충돌하고 파이프 벽과도 충돌하게 되며, 이로 인해 열이 발생한다. 파이프 크기에 따라 단일 90° 엘보 하나가 여러 피트 길이의 직선 파이프만큼의 열을 발생시킬 수 있다.

압력 차이

압력 차이란 시스템 내 임의의 두 지점 사이의 압력 차이를 말한다. 압력 차이는 다음 두 가지 정보를 알려준다.

1. 해당 두 지점 사이에 유압 작동 에너지(압력을 받고 흐르는 액체)가 존재함을 나타낸다.
2. 이 값은 두 지점 사이에서 유압 에너지가 열로 전환된 양을 측정합니다.

예시: 압력 게이지 1의 측정값은 200 psi(13.79 bar)이고, 압력 게이지 2의 측정값은 180 psi(12.41 bar)입니다. 따라서 압력 차는 20 psi(1.38 bar)입니다. 이는 다음을 의미합니다:

3. 액체는 게이지 1에서 게이지 2 방향으로 흐릅니다.
4. 두 게이지 사이의 유동 마찰에 의해 20 psi 상당의 유압 에너지가 열로 전환되었습니다.

그림 2-19 압력 차. 이 파이프 구간에서 발생한 20 psi의 압력 강하는 유동이 존재함을 나타내며, 마찰열로 소실된 유압 에너지의 양을 정량화합니다.

유압 시스템 내 열 발생 감소를 위한 설계

유압 에너지를 열로 전환하는 것은 시스템이 에너지를 낭비하고 있음을 의미합니다. 효율을 개선하기 위해 설계자는 적절한 오일 점도를 선택하고, 파이프를 올바르게 크기 조정하며, 벤드 및 피팅의 수를 최소화해야 합니다. 이러한 모든 조치는 유동 저항을 줄여 결과적으로 열로 소실되는 에너지를 감소시킵니다.

그림 2-20 실제 회로 내 열 발생. 모든 파이프, 피팅, 벤드 및 밸브가 압력 강하와 에너지 손실에 기여합니다.