제9장: 유량 제어 밸브

오리피스

오리피스는 유체 흐름 경로 내의 비교적 작은 개구부이다. 오리피스를 통한 유량은 여러 요인에 의해 영향을 받는데, 그 중 주요한 세 가지는 다음과 같다.

1. 구멍 크기
2. 오리피스 양단의 압력 차
3. 액체 온도

오리피스 크기가 유량에 미치는 영향

오리피스 크기는 이를 통한 유량을 제어한다. 일반적인 일상 예시로 정원 호스 노즐이 있다. 노즐 개구부가 작으면 물이 미세한 안개나 분사 형태로 분출된다. 반면 개구부가 더 크면 강한 수류(제트) 형태가 된다. 두 경우 모두 호스 노즐의 오리피스는 물의 흐름 방향을 제한하며, 오리피스를 통한 유량은 개구부 크기에 의해 결정된다.

그림 9-1 회로 내 유량 제어 밸브. 이 밸브는 실린더로 향하는 유량을 절류한다. 과잉 펌프 유량은 안전밸브를 통해 우회된다. 제한된 유량은 오리피스에서 운동 에너지(유속) 형태로 잠재적 에너지를 형성한다.

고정 오리피스

고정 오리피스는 개구 크기를 조절할 수 없는 오리피스입니다. 유압 기술에서 가장 흔한 예로는 파이프 플러그 또는 체크 밸브에 드릴링된 구멍, 또는 공장에서 사전 설정된 유량 제어 밸브가 있습니다.

가변 오리피스

대부분의 경우 고정 오리피스보다는 가변 오리피스가 필요합니다. 이는 더 높은 적응성을 제공하기 때문입니다. 게이트 밸브, 볼 밸브, 니들 밸브 등이 모두 가변 오리피스의 예입니다.

게이트 밸브

게이트 밸브는 직진형 유로를 갖습니다. 오리피스 크기는 유로 내 게이트를 열거나 닫기 위해 핸들을 회전시켜 조절합니다. 게이트 밸브는 원래 유량 제어용으로 설계되지 않았으나, 일부 대략적인 유량 측정 시스템에서는 유량 제한 장치로 사용될 수 있습니다.

밸브

볼 밸브의 유로는 직진형이 아니며, 90° 방향 전환을 합니다. 오리피스는 회전하는 유로 내의 시트와 원추형 플러그 또는 볼 플러그입니다. 오리피스 개구 크기는 볼 플러그의 위치를 변경함으로써 조절됩니다.

바늘 밸브

니들 밸브를 통한 유체 흐름은 90° 방향 전환을 거친 후 오리피스를 통과한다. 이 오리피스는 원추형 끝단을 가진 밸브 로드와 밸브 시트 사이의 간극으로 구성된다. 오리피스 크기는 원추면을 밸브 시트에 대해 조정함으로써 변경된다. 밸브 로드의 조정 나사는 미세 피치이며, 끝단이 원추형이기 때문에 오리피스 크기는 점진적으로 변화한다. 유압 시스템에서는 니들 밸브가 가장 흔히 사용되는 가변 오리피스이다.

그림 9-2 가변 오리피스 유형. 니들 밸브(하단)는 유압 장치에서 가장 일반적으로 사용되며, 원추형 끝단과 미세 나사를 통해 매우 정밀하고 점진적인 유량 조절이 가능하다.

회로 내 니들 밸브 적용 사례

예시 회로는 5 gpm(18.95 Lpm) 정량식 펌프, 안전 밸브, 방향 제어 밸브, 가변 오리피스(니들 밸브), 그리고 피스톤 면적이 3 in²(19.35 cm²)인 유압 실린더로 구성된다. 안전 밸브 설정 압력이 500 psi(34.48 bar)이고 펌프가 5 gpm을 공급할 경우:

니들 밸브를 조절하여 유량을 2 gpm(7.58 L/min)으로 제한할 경우, 로드 속도 = 2 × 19.25 ÷ 3 = 13 ft/min(3.96 m/min)이다. 릴리프 밸브는 나머지 3 gpm(11.37 L/min)을 탱크로 유도함으로써 시스템 압력을 500 psi(34.48 bar)로 제한한다.

니들 밸브 오리피스 개방

니들 밸브를 외측으로 회전시키면 오리피스가 커지고, 실린더로 흐르는 유량이 증가하며, 릴리프 밸브의 압력 한계까지 도달한다. 이에 따라 로드 속도가 증가한다.

니들 밸브 오리피스 폐쇄

니들 밸브를 내측으로 회전시키면 오리피스가 작아지고, 실린더로 유입되는 유량이 감소하므로 로드 속도가 감소한다.

압력 차가 유량에 미치는 영향

오리피스를 통한 유량은 압력 차에 영향을 받는다. 유압 시스템에서 압력은 잠재 에너지를 의미하므로, 오리피스 양단의 압력 차가 클수록 그를 통한 유량도 증가한다.

일상적인 예시 — 공기 매트리스

해변이나 야영장에서 하루를 보낸 후, 팽창된 에어매트리스의 플러그를 제거하고 공기를 자유롭게 배출시킵니다. 내부와 외부의 압력 차이가 작기 때문에 매트리스는 천천히 붕괴됩니다. 매트리스를 강하게 눌러보면 내부 압력이 대기압에 비해 상승하고, 압력 차이가 커지며 공기가 더 빠르게 빠져나갑니다.

치약 튜브를 부드럽게 누르면 소량의 치약이 나옵니다. 세게 누르면 더 많은 치약이 밀려 나오며 바닥에 떨어질 수도 있습니다. 치약 튜브를 발로 밟으면 손으로 누를 때보다 내부와 대기압 사이의 압력 차이가 더 커지므로, 더 많은 양의 치약이 더 빠르게 배출됩니다.

회로 내 바늘 밸브 유량에 대한 압력 차이의 영향

그림에 표시된 회로에서, 니들 밸브는 5 gpm(18.95 Lpm) 펌프 유량을 3 gpm(11.37 Lpm)으로 제한합니다. 릴리프 밸브 설정 압력은 500 psi(34.48 bar)입니다. 부하 저항은 200 psi(14 bar)입니다. 니들 밸브 입구 압력은 릴리프 밸브 설정 압력과 동일하며, 즉 500 psi(34.48 bar)입니다. 이 500 psi(34.48 bar) 중 200 psi(14 bar)는 부하 저항을 극복하고, 나머지 300 psi(21 bar)의 압력 차가 니들 밸브를 통해 3 gpm(11.3 lpm)의 유량을 구동하여 로드 속도를 19.25 ft/min(5.87 m/min)으로 만듭니다. 나머지 2 gpm(7.58 lpm)은 릴리프 밸브를 통해 탱크로 유입됩니다.

릴리프 밸브 설정 압력 상승

부하 압력과 니들 밸브 설정을 그대로 유지한 채 릴리프 밸브 설정을 600 psi(41.38 bar)로 상승시키면, 니들 밸브 입구 압력은 600 psi(41.38 bar)가 됩니다. 이 압력 중 200 psi(14 bar)는 부하를 극복하고, 나머지 400 psi(28 bar)의 압력 차가 이제 니들 밸브를 통해 4 gpm(15 lpm)의 유량을 구동합니다. 로드 속도는 26 ft/min(7.92 m/min)으로 증가합니다.

부하 압력 상승

바늘 밸브의 설정을 변경하지 않고 안전 밸브를 500 psi(34.48 bar)로 재설정합니다. 부하가 증가하면 부하 압력이 400 psi(28 bar)까지 상승합니다. 바늘 밸브의 입구 압력은 여전히 500 psi(34.48 bar)이지만, 이제 오리피스를 통한 유량을 구동하는 압력 차는 100 psi(6.9 bar)만 남아 있어 유량은 1 gpm(3.79 lpm)에 불과합니다. 로드 속도는 6 ft/min(30 mm/s)으로 감소합니다. 나머지 4 gpm(15 lpm)은 안전 밸브를 통해 유출됩니다.

이는 바늘 밸브를 통한 유량이 오리피스 양측에서 발생하는 압력 변화에 따라 달라짐을 보여줍니다. 바늘 밸브를 통한 유량을 정밀하게 조절하려면 이러한 압력 변화를 상쇄하거나 보상해야 합니다.

속도 제어 밸브(압력 보상형 유량 제어 밸브)

위의 예시에서 오리피스 양측의 압력 변화는 모두 니들 밸브 유량에 영향을 주어 액추에이터 속도를 변화시킵니다. 따라서 압력 변동과 무관하게 오리피스를 통한 유량을 정확히 조절하려면 이러한 압력 변동을 보상해야 합니다. 니들 밸브는 압력 보상 기능이 없는 유량 제어 밸브입니다. 즉, 압력 차가 일정하게 유지되고 니들이 잘 중심을 잡고 있을 경우에만 우수한 유량 조절 장치가 됩니다. 보다 정밀한 유량 제어를 위해서는 압력 보상식 유량 제어 밸브(속도 제어 밸브)를 사용해야 합니다. 이는 오리피스 상류 및 하류의 압력 변화를 보상하는 유량 제어기입니다.

속도 제어 밸브(압력 보상식 유량 제어 밸브)는 인입형(meter-in type)과 바이패스형(bypass type)으로 구분할 수 있습니다.

인입형 속도 제어 밸브의 구조

인입형 압력 보상식 유량 제어 밸브는 입구 및 출구 포트를 갖는 밸브 본체, 니들 밸브, 보상 스풀, 그리고 편향 스프링으로 구성됩니다.

인입형의 작동 원리

미터인 방식의 작동 원리를 이해하기 위해 단계별로 작동 과정을 분석해 봅니다. 보상 스풀이 완전히 A측으로 이동하면, 유입되는 압력 오일이 모두 니들 밸브 개구부에 도달합니다. 보상 스풀이 B측으로 약간만 이동하더라도 유입되는 압력 오일은 절류됩니다. 유량 통로를 열어두기 위해 보상 스풀은 스프링에 의해 A측으로 편향됩니다. 니들 밸브 입구 압력은 내부 제어 유로를 통해 보상 스풀의 A측 끝단으로 감지되며, 압력이 스프링 편향력을 초과하면 스풀이 B측으로 이동합니다.

니들 밸브 오리피스를 조정하여 펌프의 전체 유량보다 적은 유량이 이를 통하도록 하면, 니들 밸브 입구 압력이 릴리프 밸브 설정 압력까지 상승한다. 니들 밸브 입구 압력이 보상 스풀 스프링 힘을 초과하여 상승하면, 보상 스풀이 B 방향으로 이동하여 유입 유량을 절류한다. 보상 스풀 오리피스를 통하는 유량이 펌프의 출력 유량과 같아지면, 니들 밸브 입구 압력은 스프링 압력 값에서 안정화된다. 예를 들어, 스프링 값이 100 psi(6.89 bar)이고 릴리프 압력이 500 psi(34.48 bar)로 설정된 경우: 입구 압력은 500 psi(34.48 bar)이며, 보상 스풀 오리피스를 통해 유체가 흐르면서 400 psi(28 bar)가 열로 전환되어 니들 밸브 입구 압력이 100 psi(6.89 bar)로 감소한다. 이는 유량 제어 밸브 입구 압력에 관계없이 보상 스풀 작동에 의해 니들 밸브 입구 압력이 항상 100 psi(6.89 bar)로 유지됨을 의미한다.

그림 9-5 인입식 속도 제어 밸브(압력 보상형). 보상 슬라이드는 입구 또는 출구 압력 변화와 관계없이 바늘 밸브를 통한 압력 강하를 일정하게 유지함으로써 정밀하고 일정한 유량을 제공한다.

이전의 바늘 밸브 회로의 경우, 바늘 밸브 오리피스를 통한 압력 차이는 전체 설명의 절반에 불과하다—바늘 밸브 하류 측의 압력 또한 보상되어야 한다. 즉, 일정한 압력 차를 유지해야 한다. 이를 달성하기 위해 바늘 밸브의 하류 측 압력도 제어 통로를 통해 보상 슬라이드의 편향 스프링 캐비티로 유도된다. 이제 보상 슬라이드 A면에는 두 가지 힘이 작용한다: 스프링 힘과 하류 측 유압이다.

스프링 힘이 100 psi(6.89 bar)인 경우, 니들 밸브의 압력 차는 하류 압력보다 100 psi(6.89 bar) 이상으로 제한됩니다. 릴리프 밸브의 설정 압력이 충분히 높게 설정되어 있다면, 니들 오리피스의 압력 차는 항상 스프링 압력 값과 동일합니다. 이를 통해 니들 밸브를 통한 유량을 유도하는 압력 차는 일정하게 유지되며, 상류 또는 하류 압력의 변동에 영향을 받지 않습니다.

회로 내 미터-인 속도 제어 밸브

회로 내에서 미터인 속도 제어 밸브는 3 gpm(11.37 L/min)으로 설정되어 있다. 안전 밸브는 500 psi(34.48 bar), 부하 압력은 200 psi(13.79 bar)이다. 보상 스풀 스프링은 100 psi(6.89 bar)이다. 펌프는 전체 5 gpm(18.95 L/min)을 니들 밸브를 통해 유동시키려고 하며, 이로 인해 니들 밸브 입구 압력이 상승한다. 300 psi(21 bar)에 도달하면 보상 스풀이 이동하여 유량을 절류시켜, 유량 제어 밸브 입구 압력이 안전 밸브 설정 압력인 500 psi(34.48 bar)까지 상승한다. 이 500 psi(34.48 bar) 중 200 psi(13.79 bar)는 부하 극복에 사용되며, 100 psi(6.89 bar)는 니들 밸브를 통한 유량 구동에 사용된다. 나머지 200 psi(13.79 bar)는 보상 스풀 오리피스를 통과하는 유량에 의해 열로 전환된다. 이때 유량은 3 gpm(11.37 L/min)이며, 로드 속도는 19 ft/min(97.83 mm/s)이다.

부하 압력 및 안전 밸브 설정 압력 증가

부하 압력이 400 psi(27.58 bar)로 상승하거나 안전밸브가 600 psi(41.38 bar)로 재설정되더라도, 여전히 100 psi(6.89 bar)의 압력이 바늘 밸브를 통해 유량을 구동한다. 안전밸브 설정 압력이 보상 스풀을 이동시킬 만큼 충분히 높게 설정되어 있는 한, 실린더로 공급되는 출력 유량은 일정하게 3 gpm(11.37 L/min)이다.

바이패스식 속도 제어 밸브 구조

바이패스식 속도 제어 밸브는 입구, 출구 및 반환 포트를 갖춘 밸브 본체, 바늘 밸브, 보상 스풀 및 편향 스프링으로 구성된다.

바이패스식 작동 원리

이 밸브의 보상 스풀은 탱크 반환 통로를 개폐하여 바이패스 유로를 조절한다. 보상 스풀은 스프링에 의해 폐쇄 방향(하위 위치)으로 편향된다. 스프링의 힘이 100 psi(6.89 bar)인 경우, 바늘 밸브 입구 압력은 최대 100 psi(6.89 bar)로 제한된다. 초기 상태에서는 밸브를 통하는 전체 유량이 오일 탱크로 직접 유입된다. 정상 작동 시, 보상 스풀은 스프링에 의해 폐쇄 위치에서 편향된다.

니들 밸브의 인렛 압력은 내부 제어 통로를 통해 보상 스풀 상단으로 감지된다. 압력이 스프링 편향력보다 높아지면, 보상 스풀은 안전밸브처럼 작동하여 바이패스 통로를 개방함으로써 니들 밸브 인렛 압력을 100 psi(6.89 bar)로 제한한다. 니들 밸브의 고정 인렛 압력은 일정한 유량을 보장하지 않으며, 하류 압력이 변하면 니들 오리피스의 압력 차가 변하고 따라서 유량도 변한다.

이를 보상하기 위해, 니들 밸브의 하류 압력이 제어 통로를 통해 보상 스풀의 편향 스프링 캐비티로 유도된다. 이제 보상 스풀의 A측에는 두 가지 편향력이 작용한다: 스프링 힘과 하류 오일 압력이다. 스프링 힘이 100 psi(6.89 bar)라면, 니들 밸브 인렛 압력은 하류 압력보다 정확히 100 psi(6.89 bar)만큼 높게 제한된다. 안전밸브 설정 압력이 충분히 높게 설정되어 있다면, 니들 오리피스의 압력 차는 항상 100 psi(6.89 bar)를 유지하며, 이는 일정한 값이다.

회로 내의 바이패스 방식 속도 제어 밸브

바이패스 방식 속도 제어 밸브를 3 gpm(11.37 Lpm)으로 설정함. 안전밸브 압력은 500 psi(34.48 bar), 부하 압력은 200 psi(13.79 bar), 스프링 압력은 100 psi(6.89 bar)임. 펌프는 전체 5 gpm(18.95 Lpm)을 니들 밸브를 통해 유도하려고 시도함. 보상 슬라이드 밸브는 바이패스 통로를 개방하여 니들 밸브 입구 압력을 300 psi(20.68 bar)로 제한함. 이 300 psi 중 200 psi(13.79 bar)는 부하를 극복하고, 나머지 100 psi(6.89 bar)는 3 gpm(11.37 Lpm)을 니들 밸브를 통해 유도함. 남은 2 gpm(7.58 Lpm)은 보상 슬라이드 밸브의 개방부를 통해 탱크로 직접 바이패스됨.

그림 9-8 바이패스 방식 속도 제어 회로. 보상 슬라이드 밸브는 과잉 펌프 유량을 안전밸브를 거치지 않고 직접 탱크로 바이패스시킴. 이 방식은 유량이 전체 시스템 압력을 통과하지 않기 때문에 미터인(meter-in) 방식보다 에너지 효율이 높음.

부하 압력 및 안전 밸브 설정 압력 증가

부하 압력이 400 psi(27.58 bar)로 상승하거나 안전밸브가 600 psi(41.38 bar)로 재설정되더라도, 여전히 100 psi(6.89 bar)의 압력이 유량을 바늘 밸브를 통해 흐르게 합니다. 안전밸브 설정값이 보상 스풀을 개방하기에 충분히 높게 설정되어 있는 한, 실린더로의 출력 유량은 일정하게 3 gpm(11.37 L/min)입니다.

오리피스 유량에 대한 온도 영향

이 장의 시작 부분에서 언급했듯이, 오리피스 유량에 영향을 주는 세 가지 주요 요인은 오리피스 크기, 압력 차이 및 유체 온도이다. 유체 온도가 변화하면 점도도 변화하며, 유체 점도가 변화하면 오리피스 유량 역시 변한다. 고정 오리피스 또는 니들 밸브의 경우, 오리피스 크기와 압력 차이가 일반적으로 점도 변화에 비해 상대적으로 크기 때문에 온도 변화로 인한 유량 변화는 보통 미미하다. 그러나 매우 정밀한 유량 제어가 요구되는 응용 분야에서는 온도 영향을 반드시 고려해야 한다. 일반적인 산업용 유압 시스템 응용 분야에서는 인입식(메터-인) 및 바이패스식 속도 제어 밸브 모두 대체로 충분하다.

온도 변화와 관계없이 극도로 정밀한 유량 제어가 요구되는 응용 분야에서는 온도 보상형 유량 제어 밸브를 사용할 수 있다. 이 유형의 밸브는 온도 변화에 따른 영향을 보상해 준다.

주요 공식 — 제9장