9.피드백 자동제어계의 구성

피드백 자동제어계는 「검출부』, 『조절부』, 『조작부』로 구성되어 있어, 이들 각각은 각기 중요한 역할을 가지고 있다. 이들 중 어느 하나라도 불균형한 부분이 있으면 자동제어계로서 좋은 결과를 얻을 수 없다.
특히, 그 중 『조작부』 즉, 조작기와 조작단(밸브 또는 댐퍼)의 선택은 매우 중요하다. 여기에서는 조작단 중 밸브, 특히 자동제어 밸브에 관해서 기술한다. 밸브에는 수 동조절 밸브와 자동조절 밸브가 있다. 수동 조절 밸브는 주로 Stop 밸브로 사용되고 있다. 이는 완전히 닫는 것으로 관로 중의 유체 흐름을 막는 것이 주된 역할이며, 이를 위하여 밸브 몸체(플러그)에 합성고무 또는 테플론 등을 설치하여 그 소성 변화 또는 탄 성변화에 의하여 전폐(Full Close) 시의 밀폐도를 높이는 구조로 되어 있고 밸브 몸체 가 상하로 이동하는 전폐(Full Close)와 전개(Full Open)의 중간 과정에서 제어성은 문제가 되지 않는다.
한편, 자동조절 밸브는 밸브 몸체(이하 플러그라 함)와 밸브 시트(이하 시트라 함)의 상대위치의 변화(시트는 고정되어 있으므로 결국은 플러그의 리프트를 일컬음)에 의해 유체의 유량을 조절한다. 일반적으로 조절밸브의 플러그 및 시트는 유체의 유속에 의한 마모에 충분히 견디도록 금속 재질로 되어 있어 전폐 때의 누설량은 수동 조절 밸브에 비하여 크다. 또한, 일반 상업용 빌딩의 공기조화에 있어서는 계절에 의한 부하의 변동이 크고, 계절 중에도 아주 조금밖에 없는 최대 부하 시의 수치를 기초로 선정(Sizing) 했기 때문에 프로세스 제어의 경우와는 달리 항상 가혹하게 사용되는 경우가 드물다.

 

3.1 제어 밸브의 구성

제어밸브는 크게 밸브 몸체와 조작기로 구성되는데, 더욱 자세히 구분하면 다음과 같이 구성된다.

가. 조작기
조작 밸브의 스템(Stem)을 움직이는 부분으로, 일반적으로 전동모터와 공기모터(다이 아프램모터) 등이 사용된다.
나. 몸체
유체가 흐르는 부분으로 유체가 새지 않도록 하는 구조로 되어 있다. 보통 주철 (Cast Iron), 구상 흑연 주철(Ductile Iron), 주강(Cast Steal), 황동(Brass) 혹은 청동 (Bronze) 재질로 제작된다.
다. 플러그
밸브가 닫혔을 때 밸브 시트와 접촉하는 부분으로 유량을 제어하는 면적을 변화시킨다. 보통 제어밸브의 플러그는 Contoured 형, V-port 형, Quick Opening 형으로 분류된다.
라. 디스크
밸브 시트와 직접 접촉하는 플러그 부분으로 유체가 누설되는 것을 막는다.
마. 가이드
밸브 플러그의 정확한 상하운동을 안내하여 완벽한 유량 특성을 보장하기 위한 것으로 플러그를 밸브 시트와 잘 밀착하게 하는 밸브 플러그 부분을 말한다.
바. 포트
밸브가 완전히 열렸을 때 시트와 디스크 사이의 유체가 흐르는 구멍을 말하며 몸체 크기나 배관 구경과는 다르며 표준밸브에서는 밸브 크기를 포트 크기로 호칭한다.
사. 트림
밸브 본체를 제외하고 밸브에서 유체와 접촉하는 모든 부분 중 분해할 수 있는 부분을 말하며 트림의 구성요소는 플러그, 시트, 스템, 패킹 등이 있다.
  플러그, 시트 : 밸브를 통하는 유량을 가변시키는 기능
  스템 : 조작기(Actuator) 혹은 손잡이의 움직임을 플러그로 전달하는 기능
  패킹 : 유체가 스템을 지나 유출되는 것을 방지하는 기능

 

 

3.2 제어 밸브의 종류

 

 

제어밸브는 밸브구조, 사용 유체의 종류, 연결 방법, 조작기의 구동 원에 따라 다양하게 분류된다.
  전자밸브 : 직동(Direct Operation)식, 마그나 리프트(Magnalift valve) 식, 파일럿
(Pilot)식 전자밸브
  소형 전동밸브
  2방(2-Way) 제어밸브 : 단좌(Single Seated) 밸브, 복좌(Double Seated) 밸브
  3방(3-Way) 제어밸브 : 혼합형(Mixing type) 밸브, 분리형(Diverting type) 밸브
 용도별 구분 : 물용, 증기용, 가스용, 공기용, 기름용
  배관과 연결 방법에 의한 구분: 플랜지형(Flange type), 나사형(Screw type)
  조작기의 구동 원에 의한 구분 : 전기식(전기를 이용해 동작), 공기식(건조된 압축 공기 원으로 동작), 자력식(Self Operated type ; 배관 계통 내 자체의 압력을 이용해 동작)

가. 전자밸브
가) 특징
• 직동(Direct Operation)식과 파일럿(Pilot) 식이 있음.

  전동밸브에 비해 2위치 제어용의 조작기로서 값이 저렴하기 때문에 많이 사용한다. (주로 가습용으로 많이 사용함)
  직동식 전자밸브는 밸브 전후의 차압이 없어도 작동하지만, 그 차압의 상한치로서 0.5Kg/㎠ 정도까지 적용할 수 있음.
  파일럿 식 전자밸브는 밸브 전후의 차압을 약 7Kg/cm2까지 사용할 수 있지만 이 차압이 지나치게 작으면 작동이 부정확해진다. (0.15Kg/cm2 이상 필요함)
  파일럿 식 전자밸브는 높은 차압, 큰 구경의 밸브를 작동시킬 수 있다.
  파일럿 식 전자밸브는 작은 코일로 큰 흐름을 제어할 수 있다.
  파일럿 식 전자밸브는 그 구조상 작은 노출이 배관 안의 먼지에 의해 작동 불량을 발생시킬 수 있다.
  여름철 사용하지 않는 가습용 전자밸브는 시운전 등 유지보수에 관심을 가져야 한다. (코일에 연소 사고가 발생할 수 있다.)
나) 직동식 전자밸브
코일에 전기가 통하면 전자석이 되어 플랜저(Plunger)를 위로 끌어올려 직접적으로 그 앞 끝의 디스크 부분이 유체의 흐름 부분을 만들어 열린 상태가 되어 물이나 증기를 통과시킨다. 닫힘 상태는 플랜저의 자체무게에 의해 디스크 부분이 유체의 흐름 부분을 닫음으로써 유체가 멈추게 된다.
다) 마그나 리프트 식(Magna-lift type) 전자밸브 
마그나 리프트 식 밸브는 직동식 솔레노이드 밸브와 파일럿 식(Pilot type) 밸브의 특징을 조합한 것이다. 이 밸브의 기능은 저압에서는 직동식 밸브로 작동하고 고압에서는 파일럿 식 밸브와 같이 작동한다. (리프트와 플랜저가 연결되어 있음)
라) 파일럿 식(Pilot type) 전자밸브
전자 코일에 대한 전원공급에 의해 우선 플랜저와 함께 파일럿 밸브가 흡인되어 파일럿 포트가 열린다. 오리피스 포트의 면적보다도 파일럿 포트의 면적이 크게 설계되어 있기 때문에 주 밸브의 실내는 일시적으로 2차압보다도 마이너스(-)압이 되고, 밸브는 그 차압에 의해 밀려 올라가게 된다. 이러한 구조• 원리로 인해 높은 차압, 큰 지름인 경우에도 코일 부분을 크게 하지 않고도 비교적 작은 전자력으로 확실하게 작동하게 된다. (리프트와 플랜저가 완전히 분리되어 있음)

나. 소형 전동밸브
  팬 코일 유닛에 내장하여 사용되는 냉온수 제어용의 소형밸브이다.
  전자밸브와는 달리 동작 음이 없다. (실내 제어에 적합)
  2-Way 밸브와 3-Way 밸브가 있다.
  전동모터의 회전을 기어로 감속하여 완만한 속도의 회전으로 바꾸고 고무로 된 공 모양의 플러그를 움직여 포트를 개폐하는 구조로 되어 있다.
  제어 동작 : 2위치식이며 2-Way 밸브의 경우 전원 투입으로 열리고 전원을 차단 하면 내장 스프링에 의해 입구 쪽 포트를 닫게 되어 있다. 수동 개폐 레버가 있다.

다. 단좌 2방향 밸브 (Single Seated 2-Way Valve) 단좌 2방향 밸브는 1개의 플러그와 시트로 구성되어 있다. 밸브 전후의 압력 차가 직접 플러그에 걸리기 때문에 고 차압, 대구경에는 사용하기 어렵지만 차단능력은 우수하다.
주로 유체가 스팀일 때, 혹은 유체가 물일지라도 차압이 크게 걸리지 않는 곳에는 사용이 가능하다.

라. 복좌 2방향 밸브 (Double Seated 2-Way Valve)
복좌 2방향 밸브는 2개의 플러그와 시트로 구성되어 있어서 밸브 시트에 걸리는 압력이 서로 상쇄되므로 적용차압이 크게 작용하는 곳에 사용한다. 주로 유체가 물일 때 사용하고, 스팀에는 사용해서는 안 된다.