공압 시스템 설계자를 위한 유량 척도 용어 해설

Clippard

공압 산업 분야에서 CV(유량 계수)는 공압 시스템에 사용되는 장치의 유량을 표현하기 위한 표준이다. 엔지니어가 직면할 수 있는 공통 용어로는 특정 압력 차에서의 실제 유속, CV, C, 유효 오리피스 크기와 분당 표준 리터가 있다. 이 용어들은 호환될 수 없으며 제조사마다 의미와 해석 그리고 공식이 약간씩 다르다.

여기에서는 제조업체가 유량을 표현한 것에 대해 이용하는 일반적인 방법을 설명한다.
 

CV에 대해 알아야 할 사항

전 세계의 많은 제조업체가 CV를 표준 값으로 채택해 부품의 유량을 표현하고 있다. CV는 1psi 차이에서 1분 이내에 장치를 통해 60°F로 물의 부피 유량을 기준으로 한다(공식 1). 그러나 공압식 애플리케이션에 이 공식을 사용하는 데 문제가 있다.

CV는 ANSI/NFPA T3.21.3 규격에 명시된 적절한 수식과 조건을 참조해 계산해야 한다. 이때 적절한 실험 조건을 지키는 것이 중요하다. 여기에는 실험되는 부품의 상류 측 압력이 공칭 95psia이고, 실험되는 부품의 상류와 하류의 압력 차이가 1psi라는 것도 지켜야 한다.

모든 제조업체가 ANSI/NFPA 사양에 따라 CV의 유량을 표현하지는 않는다. 예를 들어, 공식 2는 한 제조자가 사용한 계산 공식이다. 공식의 상수는 공기의 비중 대 물의 비중의 차이를 설명한다. 이 계산은 ANSI/NFPA 사양의 압력 요구 사항을 따르지 않는다.

정확성은 동일한 테스트 절차를 따르는 제조업체에 달려 있다. 일부 제조사는 CV를 어떻게 생성했는지에 대한 설명 없이 CV를 테스트하고 게시하며, 다른 제조사는 설명을 게시하지만 ANSI/NFPA T3.21.3 표준을 따르지 않는다. CV는 1psi 차이만 보인다. 때문에 저압에서 계산된 유량은 매우 정확할 수 있지만 차분이 더 높은 특정 애플리케이션은 계산된 결과와 일치하지 않는 유량을 생성할 수 있다. CV 값을 잘못 해석하면 등급이 20%를 넘을 수 있다.

 

음파 컨덕턴스(sonic conductance) 사용

일부 제조업체는 CV 대신 공압 부품의 음파 컨덕턴스인 C를 게시했다. 이것은 ISO 6358에 의해 정의되며 구성 요소의 음파 컨덕턴스와 임계 압력 비율에 초점을 맞춘다. 밸브의 음파 조건은 가능한 최대 유량에 도달했을 때이다. 압력을 높여 음파 흐름에 도달하면 흐름이 더 증가하지 않는다. 이 상태는 쵸크 흐름(choked flow)이라고도 한다. 임계 압력비는 구성 요소가 최대 유량 조건에 도달했을 때의 하류(downstream) 압력과 상류 (upstream) 압력 사이의 비율이다.

많은 제조업체에서 아음속 흐름(subsonic flow) 유량 데이터(C)가 밸브를 통한 최대 유량을 바탕으로 하기 때문에 CV보다 신뢰성이 높다고 주장한다. C 수를 공식에 연결하면 모든 압력 차에 대한 유량을 계산할 수 있다.

그러나 일부는 C 값을 CV와 혼동해 혼란을 일으키고 구성 요소의 크기를 잘못 지정할 수 있다.
 

오리피스 사용의 이점

밸브의 유효 오리피스 크기는 비교적 간단하다. 이 데이터는 단순히 오리피스를 정렬해 달성할 수 있는 실제 유속에 해당한다. 유효 유동 오리피스는 일반적으로 쵸크 흐름 조건에 대한 실험적 시험에 의해 결정되므로 음파 컨덕턴스와 관련된다.

효과적인 오리피스 방법은 흐름을 이해하기 쉬운 숫자로 표현될 수 있기 때문에 이점을 가질 수 있다. 오리피스 크기에 대한 유사한 CV와 유량을 보여주는 많은 차트가 있다. 그러나 효과적인 오리피스를 얻기 위해 밸브 테스트에 대한 산업 표준은 없다. 일부 유량 계산은 오리피스 크기를 사용하므로, 밸브의 유효 오리피스 크기를 사용하면 특정 애플리케이션에서 변환하고 추가 계산을 줄일 수 있다.

이 방법은 일반적인 유동 조건에 적합하지만, 일부 제조업체는 효과적인 오리피스가 아닌 오리피스 크기를 발표하기 때문에 혼동을 줄 수도 있다. 난류 또는 밸브의 포펫 스트로크(poppet stroke)와 같은 요인은 실제 밸브 오리피스 흐름과 유효 오리피스 흐름 사이에 큰 차이점을 보여준다.

분당 표준 리터

미국 외에서는 공압 부품이 분당 표준 리터(Nl/min)의 유량으로 표현되는 것이 일반적이다. Nl/min은 상류 압력과 구성 요소의 하류 압력 사이에서 1기압 차이를 갖는 특정 압력에서의 유량 등급이다. 그런 다음 흐름이 ‘정상 조건’으로 변환되며, 조건이 늘 같은 것은 아니다. 일반적으로 사용되는 ‘정상적인’ 조건은 다음과 같다.

• 0°C의 온도, 1atm의 압력, 0%의 상대 습도

• 20°C의 온도, 1atm의 압력, 0%의 상대 습도

• 21°C의 온도, 1atm의 압력, 0%의 상대 습도

• 0°C의 온도, 1bar의 압력, 0%의 상대 습도

이러한 차이는 유량평가에 영향을 미치지만, ‘정상적 조건’에 대한 공식 표준이 없으면 혼란이 생긴다. 표준 분당 리터 방법은 압력 차이에서 실제 유량을 취하고 이를 ‘표준 조건’에서 유량으로 변환하므로 혼란스러울 수 있다. 다른 제조업체는 ‘표준 조건’이 각기 다르지만, 대다수의 경우는 1기압의 차이에서 Nl/min로 한다. 1기압 차이는 입구에서 6기압과 출구에서 5기압이 될 수 있다. 이는 1기압의 차이는 밸브의 입구와 대기 중의 배출구 에서 1기압과 같지 않기 때문에 중요하다. 대기로의 N1/min과 l/min 사이의 유속은 크게 다를 수 있다.
 

실제 흐름으로 용량 표현하기

일부 제조업체는 밸브가 특정 압력 차에서 달성한 실제 유량을 제공하기만 한다. 유속은 종종 밸브의 최대 압력 등급에 대해 게시되므로 해당 구성 요소의 최대 유속을 나타낸다. 다른 제조업체는 더 나아가 부품의 전체 압력 범위에서 밸브 성능을 나타내는 흐름 차트를 게시한다.

일부 제조업체는 이 데이터를 흐름 차트에 제공해 대기로의 압력 차가 변함에 따라 유량이 어떻게 변하는지를 보여준다. 예를 들어, 위에 있는 그림은 밸브의 유량 특성을 주어진 압력 차에서의 유량으로 나열하고, 압력 차가 변화할 때 유량에 대한 차트를 제공한다. 이를 통해 엔지니어는 특정 압력에서 유속을 쉽게 결정할 수 있으며 데이터 혼동 가능성을 크게 줄일 수 있다. 그러나 공압 부품의 실제 유량을 테스트하는 업계 표준은 없다.

 

결론

흐름을 표현하는 데 사용하는 다양한 방법은 제조업체마다 다를 수 있다. 가장 보편적인 방법을 이해하면, 엔지니어는 적절한 크기의 요소 구성을 위해 공압 시스템에 알맞게 적용할 수 있다.

자료 제공 : Clippard(www.clippard.com)