공압 액추에이터 종류와 작동 원리｜랙앤피니언·스카치요크 1편

밸브 자동화 설비를 살펴보다 보면 공압 액추에이터(Pneumatic Actuator)라는 장치를 쉽게 볼 수 있습니다.

압축공기를 이용해 밸브를 자동으로 열고 닫아주는 장치인데요.

그런데 공압 액추에이터에도 여러 가지 구조가 있다는 사실 알고 계셨나요?

대표적으로 많이 사용되는 방식이 바로

​

랙앤피니언(Rack & Pinion)과

스카치요크(Scotch Yoke)입니다.

​

겉으로 보면 둘 다 압축공기로 피스톤을 움직여 밸브를 회전시키는 장치이지만

피스톤의 직선운동을 회전 운동으로 바꾸는 방식과 토크 특성 차이가 있습니다.

​

오늘 이 두 가지 방식의 차이를 쉽게 알려드릴게요.

공압 액추에이터는 어떻게 밸브를 움직일까?

​

먼저 기본 원리부터 살펴보겠습니다.

공압 액추에이터는 압축공기를 내부로 공급하면 피스톤이 직선으로 움직입니다.

그런데 밸브는 대부분 회전해서 열리고 닫히기 때문에 피스톤의 직선 운동을 그래도 사용할 수 없습니다.

그래서 액추에이터 내부에서 운동 방향을 바꿔줍니다.

​

압축공기 → 피스톤 직선 운동 → 회전 운동 → 밸브 개폐

​

이 과정에서 어떤 기계적인 구조를 사용하느냐에 따라 랙앤피니언과 스카치요크로 나뉩니다.

랙앤피니언이란?

​

랙앤피니언 방식은 이름 그대로 랙(Rack) 기어와 피니언(Pinion) 기어를 이용합니다.

피스톤이 직선으로 움직이면 연결된 랙 기어가 함께 이동하고 랙과 맞물린 피니언 기어가 회전합니다.

이 피니언에 밸브 스템이 연결되어 밸브를 열고 닫게 됩니다.

쉽게 한문장으로 설명하자면 아래와 같습니다.

​

랙앤피니언의 가장 큰 특징

​

랙앤피니언은 전 구간에서 비교적 일정한 토크를 출력하는 특성이 있습니다.

또한 구조가 비교적 단순하기 때문에 정비가 쉽고 악세서리 호환성이 좋은 편입니다.

이런 이유로 일반적인 볼밸브와 버터플라이밸브 등 범용 회전식 밸브에 많이 적용됩니다.

​

​

​

​

스카치요크란?

​

스카치요크는 랙앤피니언과 조금 다른 방식으로 직선 운동을 회전운동으로 바꿉니다.

피스톤에 연결된 슬라이딩 핀이 요크 (Yoke)에 만들어진 슬롯을 따라 움직이면서 요크를 회전시키는 구조입니다.

라고 이해해주시면 됩니다.

그런데 스카치요크의 진짜 특징은 구조보다 토크의 특성에 있습니다.

스카치요크는 일반적으로 0°와 90° 부근에서 높은 토크 45° 부근에서는

상대적으로 낮은 토크를 발생시키는 U자형 토크 특성을 갖습니다.

​

​

그런데 왜 토크 특성이 중요할까요?

​

여기서 공압 액추에이터 선정의 핵심이 나옵니다.

많은 분들이 액추에이터를 선택할 때 아래와 같이 생각하기 쉽습니다.

하지만 실제로는 밸브가 움직이는 각도에 따라 필요한 토크가 달라질 수 있습니다.

특히 볼밸브와 버터플라이밸브는 밸브를 열기 시작하는 순간과 완전히 닫히는 순간에 높은 토크가 필요할 수 있습니다.

​

이때 중요한 것이 바로 Break To Open과 Break To Close입니다.

​

밸브를 처음 움직이기 시작할 때와 마지막으로 닫을 때 필요한 힘이 커질 수 있다는 의미입니다.

​

​

그래서 스카치요크가 대형 밸브에 유리한 이유

​

스카치요크는 0°와 90° 부근에서 높은 토크를 발생시키는 특성이 있습니다.

이 특성이 밸브의 요구 토크 특성과 잘 맞을 수 있습니다.

반면 랙앤피니언은 전 구간에서 비교적 일정한 토크를 발생시킵니다.

따라서 밸브의 최대 요구 토크에 맞춰 액추에이터 크기를 산정하면

중간 개도에서는 실제 필요한 것보다 더 큰 토크가 발생할 수 있습니다.

​

쉽게 말해서 큰 밸브일수록 움직이기 시작하거나 닫힐 때 더 큰 힘이 필요한데

스카치요크는 이러한 구간에서 높은 토크를 낼 수 있어 대구경·고토크 밸브에 적합할 수 있습니다.

단순히 어느 액추에이터가 더 강한가? 의 문제가 아닙니다.

밸브가 필요한 토크와 액추에이터가 만들어내는 토크의 형태가 얼마나 잘 맞는가가 중요합니다.

​

랙앤피니언 vs 스카치요크 한눈에 비교