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1. 공기의 성질

지구의 대기는 공기로 둘러싸여 있다. 이 공기의 주성분은 질소(78.03%), 산소(20.99%)가 주를 이루고 있고, 그중에 산소는 동ㆍ식물이 살아가는데 없어서는 안되는 필수 요소이다. 또한 공기는 가스 상태로 되어 있고 중량이 있기 때문에 인력에 의해 지구 표면에 일정한 두께로 존재하고 있다.

일반적으로 기체는 체적을 변화시키기 쉬운 특성이 있다. 어떤 힘을 강하게 가할수록 기체는 압축되고, 힘을 제거하면 원래대로 복귀하게 된다. 이것을 압축성이라 부르며 대기중의 공기는 중량과 압축성이 있기 때문에, 밑쪽의 공기는 위쪽의 공기중량으로 누르고 있어서, 밀도가 높은 상태로 된다. 또한 압축하는 만큼 밀도와 압력이 높아지지만, 원래의 체적으로 돌아가려는 반발력도 동시에 강하게 된다. 이 반발력을 발생하는 능력은 일반적으로 밀도가 아닌 압력의 고저로 표시된다.

2. 압력의 표시

압력은 그 정의에 따라 여러 가지로 표시된다. 공기압 기술분야에서 제일 흔하게 쓰이는 표시방법은 단위면적에 작용하는 힘으로써 그 단위는 1㎠당에 작용하는 힘(kgf)의 크기, 즉 kgf/㎠가 사용되며, 수은을 밀어 올리는 힘인 mmHg로도 표시된다. 최근에는 국제적인 단위의 통일을 목적으로 국제단위계(SI단위계)가 확대되고 있으며, 이 단위계에서는 1m2당 작요하는 힘(N)의 크기로서 N/m2 혹은 파스칼(Pa)로 표시된다. 끝으로 대기압의 단위로서는 bar가 사용되어 진다.

※ 표준대기압(1atm) = 1.033kgf/㎠ = 760mmHg = 1.013Mpa = 1013mbar = 14.7PSI
※ 1kgf/㎠ = 0.9807bar = 98.07Kpa = 14.2233PS

3. 공기압의 정의

대기압까지 압축된 공기는 우리들 주변에 분포해 있다. 이것을 강제적으로 압축하면 압력은 더 높아지게 되고, 그 높아진 압력에서는 힘이 얻어진다. 이와 같이 어떤 목적을 위해 대기압보다 압력을 높게 만든 공기를 압축공기라 하며 이때의 압력을 공기압이라 한다. 또한 공기의 압축성을 이용하는 기술을 공기압 기술(Pneumatics)이라 부른다.

4. 공기압기술의 발달

공기압의 역사는 기원전부터 여러 형태로 사용되어져 왔으며, 18세기 산업혁명에 이르러 공기압기술은 서서히 산업에 다양하게 이용되어져왔다. 증기기관차에 이용되었던 공기 브레이크장치, 차량용 자동문 개폐장치, 기계의 클러치나 브레이크 등이 그 예이다. 세계 제2차 대전을 전후로 기계의 자동화로서 원격조작, 자동조작이 본격화되면서 공기압기기는 크게 발전되어 공기압의 기초를 구축하였다.

오늘날 공기압 장치는 간단한 조작으로 매우 다양한 용도로서 사용이 가능하며, 고도의 산업용 로봇 및 각종 자동화기기, 의료기기 등 그 적용범위가 광범위하다. 1975년 이후로 보면 자동화에 따른 인력절감화시대, 1989년 이후에는 공장자동화(FA), 컴퓨터통합시스템화(CIM)시대로 분류할 수 있으며 또한 시스템 전체의 신뢰성, 소형화를 위하여 공기압 기기의 수명연장화, 저소비, 신뢰성, 소형화, 경량화, 제어의 호환성등이 요구되어진다. 이에 대응하여 신소재개발, 패킹기술, 전자기술과의 결합, 컴퓨터화 등의 기술혁신에 따라 그 수요는 한층 더 증가하고 있다.

이러한 면에서 보면 압축공기는 생산기술에 있어서 전기, 유압과 함께 3대구동원으로써 중요한 역할을 하고 있으며, 공기압시스템은 전기 및 유압시스템에 비하여 설치비용이 저렴하다는 장점에다가 전자와의 결합으로 자동화 응용에 있어서 점차 기계전자공학(Mechatronics)화 되어가고 있는 추세이다.

5. 공기의 압축

압축공기는 압축기(Compressor)에서 만들어 진다.
압축기에서 발생하는 압력은 게이지 (Guage)압력으로 7~10kgf/㎠이 일반적이나 용도에 따라서는 그 이상의 고압이 사용되기도 한다.

6. 공기압시스템의 특징 및 용도

특징

1) 압력에너지로서 축적할 수 있으며, 완충성이 있다.
2) 제어가 간단하며, 다루기가 쉽다.
3) 힘의 전달이 간단하고, 또 자유로운 형태로 이루어지며, 힘의 증폭이 용이하다.
4) 공기의 점성이 작으므로 저항이 작고 유속이 높아 속도의 증감 및 고속작동이 가능하다.
5) 과부하에 대한 조치가 간단하여 충격적인 과부하에도 문제가 없다.
6) 인화의 위험성이나 공해가 없다.
7) 에너지원으로서 간단히 얻을 수 있다.
8) 구조가 간단하므로 배관작업이 손쉽고 보수점검이 용이하며 비용 절감이 가능하다.
9) 사용할 수 있는 범위가 넓다.

용도

1) 소형ㆍ경량 부품의 조립이 필요한 곳.
2) 압력ㆍ속도ㆍ유량 조절을 필요로 하는 곳.
3) 고온, 방습, 내구성등의 성질을 요하는 곳.
4) 긴급 상황시 축적된 에너지를 사용하여 비상차단을 할 곳.

7. 공기압시스템의 기본구성

1) 동력원 : 전동기(Engine)
2) 공기압 발생부 : 압축기(Compressor), Air Tank, 후부 냉각기(After Cooler)
3) 공기 청정부 : 주배관 필터(Main Line Filter), Mist Separator, 공기 건조기(Air Dryer)
4) 제어부 : 솔레노이드 밸브, 스피드 콘트롤러 등
5) 작동부 : Air Cylinder, Rotary Actuator, Air Motor
6) 기타 : 배관자재 - Fitting 등

공기압시스템의 기본구성