유공압공학 열교환기에 대해서

공냉식과 수냉식의 두 가지 형식의 유압 시스템

 일부 유압 시스템은 회로 내에서 발생된 많은 열을 유압 부품의 벽면과 저장 탱크를 통하여 발산시킬 수 없다. 이러한 시스템들은 정상 작동 온도 이상으로 운전되는 것을 방지하기 위해서 열교환기가 필요하다.

 

 

공냉식 열교환기

 공냉식 열교환기는 자동차의 방열기와 유사하며, 한 개의 팬(fan)으로 유압유가 흐르는 관류에 공기를 불어서 사용하는 형식이다. (그림 9-14 참조)

팬을 이용하여 뜨거운 유체를 찬 유체로

튜브 다발을 사용하면 하나의 큰 직경의 관을 사용할 때보다 표면적이 더 넓어진다. 뜨거운 유체(유압유)와 찬 유체(공기) 사이에 노출된 표면적이 열교환에서 가장 중요한 인자이다. 이러한 이유로 핀(fin)이나 다른 유사 기구들이 전열 면적을 증대시키기 위하여 사용된다. (그림 9-15 참조) 열전도작용에 의해 열이 튜브에서 핀으로 이동하고 대류 열전달에 의해 공기 중으로 발산된다. 전도열전달은 물질 내부 열전달이고 대류 열전달은 대상물 표면 주위의 유체 유동에 의한 열전달이다. 

핀을 사용하여 전열면을 증가시킨다

 

 

수냉식 열교환기

 그림 9-16은 수냉식 열교환기이다. 이 특이한 구조는 쉘과 튜브(shell and tube) 열교환기로서 다른 기계장치는 물론 유체동력 장치에서도 흔히 사용된다. 냉각수는 입구를 거쳐 튜브를 통하여 흐른다. 뜨거운 유압유는 유압유 입구를 통하여 쉘로 흘러들어 가고 튜브 주위를 흐르게 되어 결국 유압유가 냉각된다. 또다시 말하면 튜브 다발은 직경이 큰 하나의 관보다 표면적이 훨씬 크기 때문이다. 튜브들은 열전도율이 높은 이유에서 동관으로 많이 만들어진다. 유체의 유동 방향이 서로 반대방향이면 대동류라 하고 대향류는 유체 사이의 열전달량을 극대화하기 때문에 흔히 사용하는 방식이다. 그림 9-16의 구조는 유압유가 튜브 속을 한번 지나쳐 나가기 때문에 싱글 패스라 한다. 더블 패스 장치에는 유압유가 열교환 장치를 나가기 전에 두 번 지나쳐가며, 4 패스 모델도 역시 가능하다.

쉘과 튜브형 수냉식 열교환기

수냉식 열교환기는 더 좋은 열전달 특성을 가지고 수돗물을 쉽게 사용할 수 있을 때 더 유리하다. 수돗물은 일정한 냉각온도를 유지하는 반면, 대기온도는 보통 따뜻하고 계절적으로는 물론 아침저녁의 온도 변화도 고려하여야 한다. 그러나 운송장비와 같이 많은 경우에 있어서, 찬물을 이용하여 냉각하는 것은 쉽지 않아서 공냉식 열교환기를 보다 더 많이 사용한다.

 앞에서 논의된 열교환기는 유압유를 냉각시키기 때문에 냉각기라도고 한다. 또 다른 경우에 있어서는 유체의 가열이 필요하다. 추운 작업환경에서 오랜 시간 움직이지 않는 경우에는 유압유가 냉각된 결과 유체의 점성이 매우 높아진다. 유체의 점성이 너무 높아지면 활발하게 운전되지 못하고 유동 저항이 증가하기 때문에 가열시켜야 한다. 냉각 상태로 출발하여 발생하는 손실을 방지하기 위해 유압유의 예열이 필요하다. 이때 쉘과 튜브 열교환기는 열을 방출하기보다 열교환기를 통하여 뜨거운 유체(증기 등)를 흐르게 함으로써 유압유의 가열용으로도 사용된다. 그러나 전기 히터를 사용하여 유압 시스템 내의 유체를 가열하면 보다 간단하고 효과적이다. 침수 히터에서 전기 가열 요소가 저장 탱크 속의 유체에 담겨 있다. 그림 9-17은 열교환기의 기호이다.

열교환기 기호 (A)공냉식, (B)수냉식, (C)히터

 

 

일반적으로 유압 시스템에서 열교환기는

 전체 운전시간에 걸쳐 가열 및 냉각을 요하지는 않으며, 열교환기를 켜고 끄기 위해 자동 온도조절 장치와 연결하여 많이 사용한다. 그림9-18은 수냉식 열교환기를 장치한 유압회로의 일부분이다. 열교환기는 복귀 라인에 설치되어 언제나 저압 상태이므로 고압에 견디게 설계되는 예는 거의 없다. 그림에서 볼 수 있듯이 3방향 디버터 밸브는 열교환기를 통하지 않고 직접 저장 탱크로 유압유를 보내고 있다. 그러나 유압유의 온도가 설정온도 이상으로 상승하면 3방향 디버터 밸브의 솔레노이드가 여자 되며 열교환기를 통하여 복귀 유량이 흐름으로써 저장 탱크로 되돌아가게 된다.

수냉식 열교환기를 장치한 유압 회로