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솔레노이드 밸브의 작동원리 및 선정방법

 

솔레노이드 밸브는 자기(磁氣) 코어가 있는 솔레노이드(전자석)와 한 개 또는 그 이상의 오리피스(Orifice)를 포함한 밸브 몸체를 구성하고 있는 두개의 기본부품 조합이다. 오리피스를 통한 유체의 흐름은 솔레노이드에 전류를 통할 때 또는, 전류가 통하지 않을 때 코어의 움직임에 의해 닫히거나 열리면서 제어된다.

 

직동 밸브(Direct Acting Valve)에서는 솔레노이드에 전기가 통했을 때 코어가 직접 평상시 닫혀 있는(Normally Closed) 밸브의 오리피스를 열거나, 또는 평상시 열려 있는(Normally Open) 밸브의 오리피스를 닫는다. 이러한 밸브는 압력이 '0’일 때 최고 정격압력 사이에서 정상적으로 작동한다.

 

 

 

또한, 밸브를 열기 위한 힘은 오리피스 크기 및 유체압력에 비례한다. 즉, 오리피스 크기가 증가하면 밸브를 열기 위한 힘도 증가하며, 솔레노이드 크기를 작게 하면서 큰 오리피스를 열기 위해서는 파이럿이 내부에 사용된다.

 

내부 파이럿 작동 밸브(Internal Pilot Operated Valve)는 내부에 파이럿과 블리드 오리피스(bleed orifice)가 있으며, 이것들이 밸브 작동을 위한 보조압력을 사용할 수 있도록 해준다. 솔레노이드에 전기가 통하지 않을 때 파이럿 오리피스는 닫혀 있게 되고 유체압력은 피스톤과 다이어프램(diaphragm) 위에서 가하고 있어 확실한 닫힘상태를 유지하게 된다.

 

그리고 솔레노이드에 전기가 통할 때, 밸브의 출구쪽을 거쳐 피스톤 또는 다이어프램 위에서부터 압력이 이완되면서 코어가 파이럿 오리피스를 연다. 또, 유체압력 그 자신은 다이어프램과 피스톤을 주 오리피스로부터 들어 올려 밸브를 열게 한다.

 

이러한 내부 파이럿 작동 밸브에는 열린 상태를 유지하기 위하여 최소한의 밸브 입·출구 압력차를 요구하는 부동(浮動) 다이어프램과 피스톤 그리고 솔레노이드 코어에 의해 기계적으로 고정시켜 열린 상태인 헝 형(Hung-Type) 다이어프램이나 피스톤으로 '0’의 압력차에서 열린 상태를 유지한다.

 

수동 리셋 밸브(Manual Reset Valve)는 수동으로 핸들을 조작하여 위치변경을 해야 하며, 밸브 구조형태에 따라 솔레노이드에 전기가 통하거나 또는 통하지 않을 때에만 제 자리로 되돌아온다.

 

 

    

 

◈ 솔레노이드 밸브의 종류

 

2 Way 밸브는 각각 한 개의 입구와 출구에 파이프 접속 구를 가지고 있다. 이 밸브가 유체 흐름을 열고 닫는 방식은 먼저, 평상시 닫힘 구조(Normally Closed Construction)와 같이 전기가 통하지 않을 때 닫혀있다가 전기가 통할 때 열리는 방식이다. 또 한가지 방식은 평상시 열림 구조(Normally Open Construction)로 전기가 통하지 않을 때 열려 있다가 전기가 통할 때 닫히는 원리를 따른다.

 

3 Way 밸브에는 세 개의 파이프 접속구와 두개의 오리피스가 있다. 주로 다이어프램 밸브나 단동 실린더에 압력을 가하거나 배기시킬 때 사용된다.

 

작동원리로는 첫째, 평상시 닫힘 구조(Normally Closed Construction)가 있는데, 밸브에 전기가 통하지 않을 때 압력 포트는 닫히고 배기 포트는 실린더 포트로 연결된다. 밸브에 전기가 통할 때에는 압력 포트가 실린더 포트에 연결되고 배기 포트는 닫힌다.

 

둘째로 평상시 열림 구조(Normally Open Construction)라는 방식은 밸브에 전기가 통하지 않을 때 압력 포트는 실린더 포트에 연결되고 배기 포트는 닫힌다. 밸브에 전기가 통할 때에는 압력 포트가 닫히고 실린더 포트는 배기 포트에 연결된다.

 

마지막으로 만능 구조(Universal Construction) 방식은 평상시 닫힘 상태나 열림 상태 어느 것이나 가능하고, 두 가지 유체 중 어느 하나만을 선택할 수 있다. 또한, 유체 흐름을 어느 한 쪽에서 다른 쪽으로 우회시킬 수 있다.

 

특히, 4 Way 밸브는 일반적으로 복동 실린더를 작동할 때 사용된다. 이 밸브는 네 개 또는 다섯 개의 파이프 접속구를 가지고 있는데, 한 개의 압력 포트와 두개의 실린더 포트 및 한 개 또는 두개의 배기 포트 위치에서 압력은 하나의 실린더 포트에 연결되고 다른 것은 배기로 연결되며, 압력과 배기 방향이 역전된다.

 

◈ 솔레노이드 구조

 

사용 유체와 직접 맞닿는 부품들은 비금속과 스테인리스 스틸로 되어 있다. 특히, AC 솔레노이드 구조는 스테인리스 스틸 몸체와 함께 은이 사용된다는 점을 제외하고는 쉐이딩 코일이 구리로 되어 있다. DC 솔레노이드 구조에는 쉐이딩 코일이 필요치 않다. 코어 튜브는 스테인리스 스틸로서 납땜이나 용접 이음새 없이 인발에 의해 성형되어 있다.

 

최대작동 압력차(M.O.P.D : Maximum Operating Pressure Differential.)는 솔레노이드가 안전하게 밸브를 작동시킬 수 있는 입·출구 사이의 최대압력 차이다. 만약, 밸브 출구의 압력을 모른다면 최대작동 압력차를 공급압력으로 여기는 것이 가장 안전하다.

 

또한, 최소작동 압력차(Minimum Operating Pressure Differential)는 밸브을 열고 그 상태를 유지하기 위해 필요한 입·출구 사이의 최소압력 차이다. 부유 피스톤 또는 다이어프램 2 Way 밸브인 경우에는 최소작동 압력차 이하에서 밸브가 닫히기 시작하며, 3 & 4 Way 파이럿 밸브인 경우에 최소작동 압력차는 공급압력 포트와 배기 포트 사이에서 측정할 수 있으며, 한 위치에서 다른 위치로의 완전한 전환을 위해서는 작동 사이클 동안 계속 이 최소작동 압력차가 유지되어야만 한다. 다만, 직동, 헝 다이어프램(Hung Diaphragm), 또는 헝 피스톤(Hung Piston) 밸브는 최소작동 압력차가 필요없다.

 

그리고 안전작동 압력(Safe Working Pressure)은 밸브가 손상되지 않고 정상 작동할 수 있는 라인 압력 또는 시스템 압력이다. 내(耐) 압력(Proof Pressure)은 보통 안전작동압력의 5배 정도로 나타난다.

 

최대 대기온도는 코일 절연에 대한 안전제한을 정하기 위한 UL 시험조건에 근거한 것이다. 그리고 밸브 내에 사용 유체가 최고 유체온도인 상태에서 밸브에 계속적으로 전기가 흐르고 있는 조건에서 결정된 것이다. 그렇지만 대부분의 실제 적용에서는 최대 대기온도 보다 훨씬 더 높은 대기온도에서의 사용을 허용한다. 게다가 최대 대기 온도 제한치를 82℃(180℉) 또는, 그 이상으로 확대하기 위한 표준 구조를 변경할 수도 있다.

 

완전히 닫힌 후부터 완전히 열릴 때까지, 또는 그 반대의 응답시간은 밸브 사이즈, 작동방식, 전기공급 상태, 유체, 온도, 입구 압력, 압력 강하에 따라 달라진다. 평균적인 조건에서 공기용 AC 밸브에 대한 응답시간은 다음의 표와 같이 일반화 할 수 있다.

 

일반적으로 사용 유체에 따른 영향은 소형 직동 밸브에서는 거의 없다. 그렇지만 대형 직동 밸브와 내부 파이럿 작동 밸브에서의 응답시간은 50∼100% 정도 느리다. 또, DC 밸브의 응답시간은 AC 밸브보다 50% 정도 더 느리다.

 

 

 

◈ 솔레노이드 코일

 

특별히 표기하여 명시하지 않는 한, 대부분의 솔레노이드 밸브들에는 연속 사용 코일(Continuous Duty Coil)이 장착되어 있으며, 이 밸브들은 과열되거나 고장없이 연속적으로 전기를 통할 수 있다.

 

표준 코일로서 어느 조정장치에도 연결시킬 수 있는 18 리드선을 공급하고 있으며, 스패이드, 스크류 터미널과 DIN형 스패이드 커넥터 코일들도 공급하고 있다. 3상 전력 시스템에 대해서는 2가닥의 선을 3상의 어느 2선과도 연결시킬 수 있다.

 

모든 코일은 산업용 전압으로 설계되어 있고 일반적으로 더 넓은 전압 사용범위를 요하는 배터리 충전 회로를 위해서는 특별한 코일을 필요로 한다. 이러한 응용에는 특별한 연속 사용등급 Class H 코일은 대기온도 60℃(140℉) 이하에서 전압 사용범위가 공칭 이하 12∼28%까지 가능하다. HC를 첨가한 표준 공칭 전압 125V DC와 250V DC는 각각 90∼140V 및 180∼280V 전압의 범위까지 사용이 가능하다.

 

그리고 대부분의 솔레노이드 밸브들은 구조에 따라 최대작동 압력 차(M.O.P.D.) 하에서 공칭 전압 이하 15%까지 작동하며, 짧은 시간 동안은 공칭 전압 이상 10%까지 작동할 수 있다.

 

또한, 소비전력은 Watt Rating으로 구할 수 있다.

 

AC 밸브에 대해서는 와트(W), 볼트(V), 암페어(A), Inrush(코일에 전기가 통할 때 발생하는 높은 순간적인 서지)와 Holding(Inrush 다음에 일어나는 연속적인 끌어당김)이 나타나 있다. Inrush와 Holding의 정격 전류는 정격 볼트-암페어(Volt-Ampere Rating)를 전압으로 나눌 수 있다.

 

더욱이 DC 밸브에는 돌입 전류(Inrush Current)가 없다. 정격 전류는 정격 DC 와트를 전압으로 나눔으로써 다음과 같이 구할 수 있다.

 

Watts(DC) Amps = Voltag

 

밸브에 오랫동안 전기가 통하였을 때에는 솔레노이드가 뜨거워졌기 때문에 아주 짧은 시간 동안만 손으로 대볼 수 있다. 이것은 완벽하게 작동하는 안전온도이다. 그러므로 어떠한 과도한 열도 연기나 코일 절연체의 타는 냄새로 알 수 있다.

 

AC 밸브는 간단히 코일을 바꿈으로써 다른 전압으로 변경할 수 있는데, 마찬가지로 DC 밸브도 다른 전압으로 바꿀 수 있다. 하지만, AC에서 DC 또는 반대로 DC에서 AC로 바꿀 때에는 각 제조업체와 상의하는 것이 바람직하다.

 

 

 

 

출처 : Mebius

글쓴이 : 역린 원글보기

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