공압 시스템의 에너지 효율을 개선하는 방법

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전기 요금 상승과 정부의 친환경 전력 사용 장려로, 에너지 소비를 줄이는 것이 제조 공장과 기타 산업 시설에서 우선 순위가 되었다. 회사는 너무 많은 에너지를 소비하는 기계나 프로세스를 사용하여 돈을 낭비할 여유가 없다. 공압 시스템은 제조 과정 전반에 걸쳐 있으며 발전소의 전력 사용 비중이 높아 필요할 때만 사용해야 한다.

그러나 많은 사람이 공압 시스템이 비효율적이라고 생각한다. 이러한 생각으로 절감 기회를 간과하여 오히려 에너지 비용이 높아진다. 또한 기계와 로봇을 산업 시설에 공급하는 일부 OEM은 의도한 기능을 수행하는 공압 시스템의 기능에만 중점을 두어 때로는 고객의 운영 비용을 무시한다.

대신에 OEM은 고객은 에너지 사용을 위한 주요 구성 요소의 총소유비용(TCO)에 더 관심을 가진다고 인식해야 한다. 이들 고객은 에너지 사용량이 기계와 로봇 TCO의 최대 75%를 차지하며, 그것을 줄이기 위해 파트너가 될 공급 업체를 찾고 있다.

고객의 요구를 이해하고 에너지 효율적인 기계와 로봇을 제조하는 OEM은 TCO를 무시한 업체보다 더 성공할 것이다. 효율성보다 성능에만 신경 쓰는 낡은 비즈니스 모델은 사라지고, 공압 시스템의 전반적인 성능의 일부로 에너지 효율성을 포함시키는 OEM이 경쟁에서 이기게 될 것이다(그림 1).

공압 시스템의 에너지 효율은 설계 단계에서 고려하거나 기존 시스템을 조정하는 등 OEM과 고객 모두에 의해 향상될 수 있다. 여러 비효율적인 원인에도 불구하고 공압 시스템에 특정 기술을 구현하면 에너지 소비를 최대 35%까지 줄인다(표 1).

공기 압축기

미국 에너지부의 통계에 따르면, 제조업체는 압축 공기 시스템의 에너지에 매년 50억 달러 이상을 쓴다. 그러나 시스템 최적화로 회사는 압축 공기 소비량을 20~35%까지 줄일 수 있다.

구성 요소의 올바른 크기

공압 시스템의 각 구성 요소의 크기가 시스템의 다른 부분에 영향을 주므로, 그것을 적절하게 설정하면 비용을 줄일 수 있다. 크기가 작은 제어 밸브는 초기 비용은 저렴하지만, 액추에이터에 적절한 압력을 가하려고 컴프레서는 더 많이 작동한다.

압력 변동과 공기 손실을 보완하기 위해 일부는 크기가 커야하지만, 지나치게 구성 요소가 커지면 공압 시스템 에너지 손실의 커진다. 만약 실린더 크기를 2인치에서 3인치로 늘린다면 공기 양은 두 배 이상이 필요하다. 실린더의 크기를 적절하게 설정하면 공기 소비량을 최대 15%까지 줄인다. 수명이 다할 때까지 수천 번 작동하므로, 실린더가 많을 수록 이는 중요하다.

로드의 롤링이나 리프팅 여부 같은, 구성 요소의 크기를 설정하는 데 필요한 많은 요건을 고려하여 계산을 지원하는 소프트웨어 패키지나 온라인 계산기, iPhone 앱이 있다.
OEM이 설계 단계에서 시간을 투자하여 기존과 새 디자인 모두에서 적절한 크기의 공압 부품을 선택하면, 고객 만족도는 높이고 비용은 절감하게 된다. 크고 무거운 부품은 에너지를 많이 소모하고, 설치 공간이 커지게 된다. 또한 구매 비용도 증가한다.

압력의 최적화

사용량의 변동, 라인과 밸브 흐름의 저항 그리고 기타 요소로 특정 양의 공기 압력이 손실된다. 공기 압축기나 공기 공급 지점과 액추에이터 사이의 거리가 필요 이상으로 길어서 발생하는 것이다.
시스템 설계 시 사용할 튜브의 길이를 가능한 짧게하면, 사이클 시간뿐만 아니라 에너지 소비도 줄일 수 있다. 일반적으로 제어 밸브와 실린더 사이의 튜브 길이는 10피트 미만이어야 한다. 거리가 더 길어지면, 하중 배치를 위해 더 많은 압력이 필요하다.

불필요한 소모를 없애는 또 다른 방법은 액추에이터의 작업에 필요한 압력만 사용되는지 확인하는 것이다. 많은 설계자들이 과잉 경로와 액추에이터에 필요 이상의 압력을 전달하는 시스템을 설계한다.
때로는 원인이 생산 현장에 있기도 하다. 일부에서는 공급 압력을 높여 성능을 향상시킨다. 그러나 이는 비용과 에너지의 낭비다. 정확한 압력값을 유지하고 압력 조절기를 모니터링하는 센서로 압력을 최소에서 최대 매개 변수 사이에 유지되도록 할 수 있다.

공압 실린더용 압력 조절기는 분배되는 압력의 양을 조절하여 에너지 효율을 높인다. 많은 경우, 압력 레귤레이터를 추가하는 것만으로 최대 40%의 비용 절감 효과를 얻는다.
공기압을 조절하여 시스템을 개선할 수 있다. 일반적으로 표준 기계와 로봇은 가장 높은 압력을 수용하도록 설계되었다. 압력 조절기를 추가하면 모든 요건을 충족하면서 부품의 크기를 적절하게 조절할 수 있다.

기계 끄기

기계를 사용하지 않을 때는 꺼놓아야 한다. 그러나 많은 설비에서, 기계가 멈춘 상태에서 에어 플로우(air flow)를 자동으로 막을 방법이 없다. 인원 감축으로 제조업체는 수동으로 특정 기계를 끄는 유지 보수 작업자를 보낼 수 없게 되었다.

에어 베어링 같은 일부 요소는 기계가 꺼진 후에도 압력이 필요하지만, 작동할 때보다는 그 양이 훨씬 적다. 자동 공기 감소 제어 패키지는 기계가 작동하지 않을 때 공기 압력을 필요한 수준까지 낮춘다.

리턴 스트로크(return stroke) 간과

리턴 스트로크에 정확한 압력을 공급하면 에너지 낭비를 막을 수 있다. 대부분의 애플리케이션은 밀어넣거나 하중을 이동할 때만 진공을 사용하여 한 방향으로 이동시킨다. 그러나 많은 기계는 작동 스트로크에서처럼 리턴 스트로크에서도 동일한 양의 압력을 사용한다.

짧은 스트로크의 프로세스는 단동 실린더에서 스프링 리턴 액추에이터를 사용할 수 있다. 스프링 리턴 액추에이터의 제어 밸브는, 스트로크의 작동 부분의 압력(압축 공기 사용)을 포트한 후 해당 공기를 배출한다. 스트로크가 복귀하는 동안 스프링이나 때로는 메커니즘의 무게만으로 실린더를 시작 위치로 되돌린다.
예를 들어, 자재 처리 시스템이 상자를 측면 컨베이어에 밀어 넣을 때 실린더는 한 방향으로만 작동한다. 프로세스의 작업 스트로크는 항목을 이동하는 데 100psi가 필요하다. 반면에, 리턴 스트로크에는 10psi만 필요하지만 동일한 압력 100psi가 적용된다. 스프링 리턴 액추에이터가 작동하면 리턴 스트로크를 위한 공기 압력이 제거되어, 수천 사이클에 걸쳐 많은 에너지를 아끼게 된다.

단동 실린더의 스프링 리턴 액추에이터가 에너지 요구량을 줄이는 또 다른 애플리케이션은 누르는 동작이다. 이 작업은 하우징으로 들어가는 베어링이나 구멍에 꽂히는 플러그 같은 두 개의 품목이 함께 밀려 나는 것이다. 제품을 누르는 데 상당한 양의 힘이 필요하지만, 복귀할 때 힘의 양은 적다. 이는 리턴 스트로크의 에너지 소비를 최적으로 하여 절감하는 좋은 방법이다.
공기압을 필요한 수준으로만 조절하는 것이 중요하다. 그러나 종종 공압과 관련 부품의 마모를 간과할 수 있다. 추출 스트로크에 과도하게 압력을 가하지 않으면 기계의 진동과 충격이 줄어든다.
또한 실린더 속도가 기계의 복귀 과정에서 배기 속도의 영향을 받으므로 빠른 배기 밸브를 사용하면 사이클 시간을 단축할 수 있다(그림 2).

누출 최소화

공압 시스템에서 누출은 매우 일반적이며 이를 막는 데 비용이 많이 든다. 미국 에너지부의 통계에 따르면 제조 공장의 압축 공기 누출량은 평균 30~35%이다 (그림 3).

압축기와 부하 사이의 여러 곳에서 누출이 일어난다. 그것은 두 부분의 밸브와 실을 개선하여 막을 수 있다. 열화된 실과 금속 실이 있는 래핑 스풀 밸브(lapped-spool valves) 같은 특정 밸브는 일정한 내부 공기 누설이 있다. 그러나 연질 실을 사용하는 밸브로 바꾸면 누출을 상당히 줄일 수 있다.

래핑 스풀(lapped spool이나 금속 슬리브 밸브(metal sleeve valve)의 공기 소모량은 작동 중에도 변하지 않는다는 점에 유의해야 한다. 한편, 밸브가 움직일 때 크로스오버가 개방되는 동안 부드러운 실은 래핑된 스풀-슬리브 밸브(lapped spool-and-sleeve valve)보다 누출이 수백 배나 더 많다. 따라서 총 공기 누출은 애플리케이션에 맞는 밸브 유형의 선택으로 최적화한다.
온도나 수분 함량, 윤활유의 유형, 부족과 같은 환경 조건도 고려해야 한다. 이는 모두 실의 누출률에 영향을 미치기 때문이다. 경우에 따라 Viton이나 Teflon, polyurethane 같은 견고하고 상대적으로 비싼 실이 최상의 옵션이 된다.

공압 시스템은 처음 보이는 것처럼 간단하지는 않다. 밸브 작동과 공기로 움직이는 부하의 엔지니어링 개념은 매우 간단하지만, 설계과 유지 보수를 최적화하는 데는 많은 변수가 필요하다.
운영 조건과 구성 요소 선택의 복잡성이 이러한 비효율성에 큰 요인일 것이다. 이 기사에서 다룬 방법들으로 공압 시스템의 효율이 크게 향상시킬 수 있다.

공압 시스템의 에너지의 비효율성은 설계 단계에서 해결될 수 있으므로 OEM의 역할은 크다. OEM은 플랜트의 공압 시스템의 전반적인 설계와 유지 보수를 담당하므로 중요한 역할을 한다.
작동은 잘 되지만 많은 에너지를 소비하는 시스템은 과거에는 허용되었다. 그러나 오늘날의 최종 사용자는 에너지 소비가 수익에 어떠한 영향을 미치는지 잘 안다. 따라서 OEM은 눈앞에 보이는 비용보다 고객의 TCO를 고려해야 한다.

자료 제공: AutomationDirect(www.AutomationDirect.com)