Tech Trend - 이중 헬리컬 실린더 형식의 일체형 유압 액츄에이터
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액츄에이터(Actuator)라 함은 FA System에서 가장 중요한 장비로 동력을 전달받아 물체를 움직이게 하는 요소로, 굴삭기의 Handling 부위나 로봇 등의 팔·다리를 움직이게 하는 장비로 자동화장비에서 없어서는 안될 Device이다.
이중 헬리컬 실린더 형식의 일체형 유압 액츄에이터는 발전소, 상하수 처리시설 및 석유화학플랜트, 조선·해양플랜트의 배관을 자동화하여 배관내부 이송물질을 전달함에 있어 배관과 연결된 밸브류(Butterfly Valve, Ball Valve 등)를 열고닫을 수 있도록 하는 장치이다.
기존 기술의 문제점
기존의 밸브 개폐장치는 크게 전동식, 유압식, 공압식으로 나눠지는데, 현재에는 전동식과 공압식을 많이 사용하고 있다.
그러나 실제 현장의 액츄에이터 사용에서는 여러 문제가 발생되고 있는데, 특히 큰 힘이 필요한 대형 밸브류에 많이 사용되는 전동식과 유압식 액츄에이터의 사용에 있어 내구성이 현저히 떨어지는 단점이 있다.
전동식 액츄에이터와 Rack & Pinion 구조 및 Scotch-Yoke 구조의 유압식 액츄에이터는 잦은 사용에 따른 기어의 피로도 및 York의 피로도 등에 의해 내구성이 현저히 떨어지는 문제가 발생되고, 이러한 내구성의 저하는 제품의 정밀도 수준을 저하시켜 Plant의 안정적인 운전에 문제가 되고 있다.
특히 현장에서는 감속기를 이용하는 전동식 액츄에이터를 채택하여 사용하고 있는데, 이러한 전동식 액츄에이터는 Plant 내부물질의 이송에 있어 밸브의 운전이 원활하지 못한 문제가 발생되는데, 이러한 문제는 바로 감속기의 기어 파손 및 내구성의 저하에 따라 배관 내부수압을 견디지 못해 발생한다( 그림 1 참조).
이러한 고장발생의 원인은 Gear에 있다고 볼 수 있다. 즉, 배관 내부에 있는 물의 이송을 예를 들어 보면 수압을 5kgf 또는 10kgf를 가하게 되면 밸브 열고닫음에 있어 큰 힘을 필요로 하는데, 그림 1과 같은 감속기를 이용한 전동식 액츄에이터나 Rack & Pinion 구조 및 Scotch-Yoke 구조의 경우 배관에서 발생되는 큰 힘이 기어 또는 York에 전달됨에 있어 Gear Module 1EA 또는 1.5의 비율로 배관의 수압 힘을 받고 있기 때문에 기어의 파손이 빈번히 발생되는 편이다.
즉, 배관 내부에서 발생된 힘을 Gear Module 1EA가 받치고 있는 구조로 되어 있어 힘의 평형 및 분배의 원리로 보았을 때 좋은구조가 될 수가 없다.
특히, Water Hammering이 발생되었을 때는 순간적인 힘의 Peak를 제대로 흡수할 수 없어 그림 1 과 같이 Gear의 파손이 발생된다.
이렇게 기어가 파손되면 동력전달에 문제가 발생하게 되어 밸브의 정상적인 개폐가 힘들게 되고, 결국 액츄에이터의 작동수명은 줄어들 수밖에 없다.
윤활 이상에 따른 기어부위 손상발생도 Gear의 수명을 줄이는 문제가 될 수가 있다.
즉, 전동식의 감속기 구조는 Gear 내부에 조립시 사용하는 그리스외에는 윤활물질을 주입하지 않음으로 인해 그리스의 부족에 따른 Gear 파손이 발생될 수 있다.
또한 유압식의 Rack & Pinion 구조 및 Scotch-Yoke 구조의 액츄에이터 역시 Gear 부위의 윤활은 조립시에 사용하는 그리스외에는 윤활물질을 주입하지 않아 기어 및 York 파손의 원인이 되기도 한다.
이중 헬리컬 실린더 형식 구조
위에서 언급한 Gear 문제를 해결하고자 고안해낸 기술은 힘을 Gear에 얼마나 일정하게 분배하는 구조를 개발하는 것이다.
즉, 일반 실린더 형식에 내부의 Rod 또는 피스톤에 헬리컬기어를 적용하여 유압이 단면적에 가해지면 이 힘이 각 Gear Module에 전달되게 하는 구조로 변경한 것이다.
즉, 실린더 구조를 가지면서 내·외부에 헬리컬 Gear를 적용하여 힘의 분산 및 평형을 이룰 수 있도록 구조화한 것이다.
또한 실린더 내부 Gear 부위엔 유압유가 항시 공급되어 윤활작용을 하여 윤활 이상에 따른 Gear 파손을 막을 수 있도록 하는 구조로 되어있다.
스마트미터의 진화 및 구성요소
사용량 데이터를 기반으로 하는 AMI에 적용되는 스마트미터는 위에서 설명한 일반적인 스마트미터의 구성요소를 가지고 있으나, 에너지관리 시스템에서 스마트미터는 매우 다양한 기능을 요구하고 있다.
에너지관리 시스템에서 요구하는 전력사용량, 전력품질 및 이상상태, 다양한 통신적용성, 원격관리 등에 부합하기 위해 스마트미터는 매우 다양한 기능을 가져야 한다.
이중 헬리컬 실린더 형식의 일체형 유압 액츄에이터의 특징
기존의 유압식 밸브개폐장치 시스템은 그림 3 및 그림 4 와 같이 Plant 내부에 유압파이프와 전기선을 각각 연결하여 밸브의 개폐운동이 이루어지도록 설치되어 있으나, 비상시(전정 및 파이프 누유 등)에 대체가 어렵다.
특히 유압배관의 누유가 발생시에는 누유부위를 찾는 데 많은 시간이 소요되며, 정전시 밸브를 닫아야 할 상황에서는 적절한 대응이 불가능하였다.
이러한 문제는 유압의 동력 발생장치를 수동 및 자동, Portable 유압발생장치를 결합한 이중 헬리컬 실린더 형식의 일체형 유압 액츄에이터의 개발로 인해 현장에서 발생되는 문제들을 상당부분 해결될 수 있을 것이다.
즉, 별도의 유압배관이 설치되지 않아도 되고, 각 밸브마다 수동기능이 결합되어 있으며, 정전시에도 자동기능을 부여한 Portable Power Unit을 통해 대형밸브를 더 쉽게 닫을 수 있는 기능들을 부여하여 사용자가 보다 더 편리하게 밸브운전을 할 수 있을 것이다.
이중 헬리컬 실린더 형식의 일체형 유압 액츄에이터는 크게 4개의 Part로 구성되며, 각 파트의 결합에 의해 하나의 액츄에이터를 구성한다.
각 파트는 Bolt의 결합으로 이루어져 있어 분리가 쉬운것이 특징이고 요소 Part별로 Maintenance가 가능하다.
1) Rotary Actuator
Rotary Actuator는 작동부 실린더로 내부구조는 이중 헬리컬로 되어 있으며, 힘의 분배를 최적화하는 Gear 구조로 이루어져 있다.
2) Local Power Unit
소형 유압 발생장치로 Oil Tank, Manifold, Motor로 구성되며, Manifold 내부에 유압기능을 부여하는 장치(Relief Valve, Throttle Valve, Check Valve 등)가 Cartridge Type의 밸브로 구성되어 자동화 장치로 소형화 및 경량화되어 있다.
3) Hand Pump
비상시(정전 등) 밸브를 열거나 닫기 위해 필요한 Part로 내부 Local Power Unit과 같이 Manifold에 유압기능을 부여하는 장치(Relief Valve, Throttle Valve, Check Valve 등)가 Cartridge Type의 밸브로 구성되어 있다.
또한 Local Power Unit의 고장에 의한 Maintenance시에도 Hand Pump를 이용하여 밸브를 열고닫을 수 있는 기능이 있는 기술적 특징이 있다.
4) Terminal Box
자동화 기능이 부여된 제어장치로 액츄에이터가 자동으로 움직일 수 있도록 신호를 부여하는 Controller로 액츄에이터의 원거리 운전 및 Local Button을 통한 Local 운전, 액츄에이터의 각종 기능 Setting 등을 할 수 있는 Box이다.
5) Portable Power Unit
Portable Power Unit은 이동형 파워발생장치로 사용자가 유압을 이용하여 밸브를 더 쉽게 열고닫을 수 있도록 고안한 장치로, 특히 지하매설된 밸브나 대형밸브에 사용이 용이하다.
발생장치 내부에 충전가능한 배터리를 적용하여 사용자가 수동장치인 Wheel이나 Hand Pump의 사용없이도 간편하게 연결하여 자동으로 열고 닫을 수 있는 것이 특징이다.
이러한 기능은 대형밸브를 열고닫음에 있어 UPS(무정전장치) 및 디젤발전기의 수요를 줄이는 대체수단으로 사용이 가능하다.
시장분석 및 향후 기술적용 분야
밸브 액츄에이터 시장은 조선, Plant, 발전, 상·하수도, 건축, 소방 등 우리 생활에 설치된 배관의 밸브자동화에 많이 적용되고 있다.
미래의 발전방향에 맞추어 수요는 폭발적으로 늘어나고 있으며, 특히 인구감소에 따른 노동인력의 부족현상 및 근로자의 피로감 누적을 줄이기 위한 자동화 시스템의 구축이 점점 많이 이루어지고 있고, 노후화된 배관의 교체가 빈번히 이루어지고 있는 실정이다.
종래의 수동개폐에서 현재 자동화 설비로의 구축이 꾸준히 이루어지고 있다( 그림 7 참조).
밸브 액츄에이터 기술중 이중 헬리컬 구조 기술은 물체를 30~360° 회전하는 모든 분야에 적용될 수 있을 것이며, 특히 로봇의 팔, 다리의 회전 움직임 및 굴삭기 등의 중장비의 회전체를 대체 할 수 있는 기술이 될 것으로 판단된다( 그림 8 참조).