공압 이송 효율성을 증가시키는 공압 유동 다지관에 관한 연구

Abstract

현대 산업에서의 생산 방법이 자동화로 바뀜에 따라 유공압 시스템의 사용도가 높아지고 있는 추세이며, 생산성 효율 증가와 원가 절감을 위해서 유공압 시스템의 발전이 필요하다. 공기를 사용하는 공압은 유압에 비해 제작비와 운영비가 저렴하기 때문에 정밀도가 크게 중요하지 않은 생산 라인에서 주로 사용하고 있다. 생산 공정을 운영하기 위해서 압축된 공기를 수송관을 이용하여 나누어야 할 때, 다지관(manifold)이라는 내부에 배관 역할을 하는 통로가 형성되어 있는 제품을 사용한다. 공압이 수송관을 따라서 이동하는 동안 손실된 공기의 압력을 계산하는 방법이 연구되어지고, 보완하기 위해 많은 연구들이 진행되고 있지만 접속부분으로 여겨지는 공압 유동 다지관(pneumatic flow manifold) 내부에서 손실되는 압력에 대한 연구는 거의 없는 것으로 보인다. 본 연구는 기존 이론들을 참고하여 공압 유동 다지관의 내부 형상을 설계하고 공압 이송 효율성 관계를 추론하는 것이 목적이다. 오리피스를 통과하는 공기유량 계산 공식을 역이용하여 적용해 보고, 압력강하 산출 식을 이용하여 투입 부와 배출 부의 압력 차이를 최소화시키는 조건들을 찾기로 하였다. 동일 조건으로 유량, 온도, 흡기관과 배기관의 수량, 흡기관의 크기를 설정하고 상이 조건으로는 상부의 압력, 배기관의 크기, 다지관의 내부 형상을 설정하였다. 공압 유동 다지관에 공압을 공급한 후 3군데로 분배시켜 상부 압력과 하부 압력의 차이를 최소화하는 것과 3군데의 압력 값 차이를 최소화하는 2개의 가설을 각각 만족시키는 모델을 이론과 해석을 통해 확인할 것이다. 공기유량 계산 공식을 역이용하여 상부와 하부압력의 차이가 10% 이내로 발생할 수 있는 목표 값을 계산한 뒤, 압력강하 산출 식을 이용하여 내경의 차이, 상부 압력의 차이, 배관 길이 차이에 따른 결과 값을 계산하였다. 이 값들을 토대로 3D 모델링 한 후, 해석 프로그램을 이용하여 이론값과 해석 값의 차이를 확인하여 이론과의 비교로 인해 가장 최적화된 모델을 찾았다. 압력강하 산출 식으로 판단한 이론적 추론은 내경이 클수록, 압력이 높을수록, 배관 길이가 짧을수록 하부 압력이 상부 압력과 비교하여 큰 차이가 없다고 할 수 있다. 3군데로 분배된 배관의 압력 차이는 이론적 근거가 없어 해석으로 확인하였다. 설계 중 원가 절감 또한 고려해야할 사항이므로, 알루미늄 블록에 가공하는 형태와 파이프를 용접하여 사용하는 형태 2가지로 나뉘어 설계 제약을 크게 받지 않기로 하였다. 내경 변화, 길이 변화, 내부 모양 변화를 두어 설계를 완료하고 해석을 진행하였다. 이론적 추론에서 구한 유동용량상수를 기입하여 해석한 결과로는 입구 압력이 투입 압력보다 적고 배관의 끝에서 투입 압력보다 높은 압력을 보이는 등 비정상적인 수치가 확인되어, 유동용량상수를 대입하는 것은 옳지 않는 방법이라고 판단하였다. 압력강하 산출 식과 비교한 해석 자료에서는 이론적 추론과 같은 결론이 확인되며, 이론값과 오차 범위 10%의 해석 값을 가지는 것을 확인하였다. 또한 파이프 용접으로 설계한 모델을 해석하면서 위 결과 값에서 문제가 되었던 3군데의 배출 부 압력이 고르지 않았던 문제 또한 필렛을 주면서 두 번째 가설을 만족할 모델도 확인하였다. 결론적으로 공압 유동 다지관의 내부 형상은 내경이 클수록, 압력이 높을수록, 배관 길이가 짧을수록 하부 압력 값이 상부 압력에 대비하여 손실이 적게 이송되며, 배관 길이가 짧은 파이프를 용접 가공하여 만든 다지관이 3군데의 압력차를 줄이는 것이라고 볼 수 있다.