학습 목표
여기에서는 아래에 대하여 알아볼 것입니다.
유압식 엘리베이터의 파워 유니트
파워 유니트의 탱크, 오일, 그리고 오일 쿨러
알맞은 탱크 및 오일과 오일 쿨러 선택 방법
유압 엘리베이터 설치 및 시운전을 위한 중요 지침
파워 유니트의 배관
파트 1에서는 펌프, 모터, 컨트롤 밸브, 실린더 및 럽쳐 밸브와 같은 구성 요소에 대하여 알아보았습니다. 파트 2에서는 유압 탱크, 오일 및 오일 쿨러와 같은 구성 요소에 대하여 살펴보고, 엘리베이터의 문제없는 작동을 위해 파워 유니트를 올바르게 시운전하고 유압 배관을 최적으로 설계하는 방법 및 추가 안전장치에 대해서 다룰 것입니다.
개요
파워 유니트에 사용되는 탱크와 유압 오일은 거의 신경 쓰이지 않습니다. 유감스럽게도 많은 사람들이 "탱크와 작동유가 기술적으로 얼마나 중요합니까?" 와 같은 오해를 하기 때문입니다. 결국, 오일 쿨러는 무시되고 중요한 부속품들은 잘 모르기 때문에 쓰이지 않게 됩니다. 탱크 크기와 유압 오일의 잘못된 선택만으로도 유압 엘리베이터에 문제를 일으킬 수 있습니다. 최상의 구성품이 있음에도 불구하고 사용하지 못한다는 건 매우 슬픈 일입니다. 몇 가지 기본 원칙만 고려한다면 파워 유니트에 필요한 열 안정성을 제공할 뿐 아니라, 유지 보수 및 고장 없는 작동을 보장할 수 있습니다.
파워 유니트 제조업체가 유압 엘리베이터를 시운전하지 않고 엘리베이터 회사에 시스템을 인도하는 경우는 흔한 일입니다. 부적절한 시스템 처리, 먼지(건설이 진행 중인 경우)에 대한 보호 부재 및 전체 시스템의 잘못된 시운전으로 인해 문제가 커질 수 있습니다.
파워 유니트의 가장 큰 구성 요소 : 탱크
유압 탱크에는 오일이 저장됩니다. 탱크는 큰 저장소로만 보이지만 훨씬 더 많은 일을 하고 있습니다. 사용할 수 있는 탱크의 종류와 형태는 다양하지만 가장 일반적으로 볼 수 있는 것은 그림 1과 비슷합니다. 파워 유니트의 설계 및 제조사에 따라 다르지만 일부 제조업체에서는 방열이 약한 비금속 탱크를 공급하기도 합니다.
유압 탱크는 다음과 같은 주요 기능을 수행합니다.
펌프 보관(경우에 따라 모터)
기름 저장
열 소실
유압 유체 확장
유니트 지원
홈 엘리베이터는 점점 기계실 없는 MRL 시스템으로 변화하고 있습니다. 탱크는 아주 작아져서 간단히 계단 아래나 옷장에 위치할 수 있습니다 (그림 2).
탱크가 얼마나 커야 되는지에 대해서는 언제나 논란이 있지만, 일반적으로 탱크의 크기는 펌프 출력의 2배~2.5배로 계산됩니다. 즉, 분당 60리터를 공급하는 펌프가 있는 경우 탱크는 120~150리터의 오일과 완충 작용에 필요한 추가 10% 공간만큼 커야 합니다. 그러나 탱크 크기와 오일 보유량은 시스템의 열 균형을 고려하여 선택해야 합니다. 오일 레벨이 펌프 입구 아래로 떨어지면, 펌프가 건조 해지고 소용돌이 효과가 발생하지 않습니다. 작동 중 생성된 열은 탱크 측면으로부터 효과적으로 주변으로 전달되기 때문에, 가능한한 가장 큰 변(정사각형 또는 직각 프리즘 형태)을 가진 탱크 용적 형태를 가지는 것이 바람직합니다. 이것은 단위 부피당 가장 큰 열전달 표면을 가지고 있습니다. 따라서 가능한 경우 탱크의 외형은 얇고 넓은 것보다는 깊고 좁아야 합니다. 열 방출은 탱크의 다리가 지면에서부터 적어도 150 mm 이상 떨어져 있을 경우 표면적을 증가시켜 향상시킬 수 있으며, 오일의 서비스 및 배수에도 용이합니다.
바닥에는 약간 두꺼운 판을 사용하고 뚜껑에는 무거운 판을 사용하여 모터가 동작 중 진동을 방지합니다. 탱크가 금속으로 만들어진 경우, 외부 및 내부 모두 페인트 해야 합니다. 또한, 뚜껑이 컨트롤 밸브 및 시스템의 다른 구성 요소를 덮을 수 있도록 탱크를 설계하여 오염으로부터 안전할 수 있고 파워 유니트의 소음을 줄일 수 있습니다 (그림 3).
쇼핑몰이나 공항과 같은 운행량이 많은 곳에 유압 엘리베이터를 설치하면 오일을 많이 포함할 수 있는 대형 탱크를 선택하여 발열을 감소시키고, 시스템의 열 방출을 증가시키는 것이 합리적입니다. 같은 원리로 더운 나라일 경우 주변 온도 상승으로 인해 열이 빨리 오르는 것을 방지할 수 있습니다. 더 큰 탱크를 만들고 오일을 더 많이 사용하면 초기 투자 비용이 약간 증가하지만, 엘리베이터 수명 주기 전반에 걸쳐 보았을 경우에는 상당한 이점을 얻을 수 있습니다.
파워 유니트의 유체: 오일
유압 오일은 펌프에서 생성된 에너지를 실린더로 전달하는 에너지 이동의 중요한 매체이기 때문에 충분히 고려되어야 합니다.
유압 오일은 다음과 같은 특성을 가져야 이상적입니다.
변화하는 압력과 온도에 견딜 수 있는 안정한 점도
안정된 화학적 및 물리적 특성
좋은 방열 특성
내화성(규정이 필요한 경우)
양호한 윤활 특성과 녹 발생 방지 능력
낮은 팽창 계수
비독성, 취급하기 쉽고, 쉽게 입수 가능
엘리베이터를 위한 최고의 작동유는 오일 온도가 변할 때 점성이 거의 변하지 않는 것입니다. 작동유의 온도와 점도는 반비례 관계에 있습니다. 이는 오일 점도가 온도의 증가에 따라 감소함을 의미합니다. 예를 들어, ISO 22에 따른 오일은 40°C에서 22 cSt의 점도를 갖지만, 80℃에서 7 cSt를 갖습니다. 엘리베이터의 점도 등급을 선택하려면 최소 온도부터 시작되어야 합니다. 최대 예상 작동 온도; 펌프, 모터 및 컨트롤 밸브의 허용 가능한 최적의 점도 범위를 고려해야 합니다. 주변 온도가 높거나 운행량이 많은 경우, 적합성에 대해 제조업체에 확인 후 점도 지수(VI)가 높은 오일을 사용하는 것이 좋습니다.
VI는 유체의 점도 특성을 나타내는 단일 숫자입니다. VI가 클수록 주어진 온도 변화에 대한 점도의 변화가 더 작거나 그 반대가 됩니다. VI가 80이상인 오일은 VI 값이 높고, 80과 40사이의 VI를 갖는 오일은 보통 값, 40미만의 오일은 낮은 값을 갖습니다.
파워 유니트의 온도 조절 장치: 오일 쿨러
열역학의 첫 번째 법칙은 에너지가 생성되거나 파괴될 수 없다는 것을 말합니다. 간단히 말해서 다른 유형의 에너지로의 변형을 말합니다. 유압식 엘리베이터에서 카를 목적지로 상승시키기 위해서는 에너지가 유압 오일에 추가되어야 합니다. 전기 모터로 펌프를 구동하여 기계적 에너지를 유동 에너지로 전환시켜야 합니다. 유압 시스템에서의 저항은 압력을 발생시켜 실린더에 에너지를 공급하고 실린더를 작동시킵니다. 따라서 완벽한 유압 엘리베이터 시스템은 곧, 에너지 전달 시스템이라고 말할 수 있습니다.
압력 릴리프 밸브의 잘못된 조정, 부적절한 오일 점도, 높은 주변 온도, 잘못된 탱크 위치, 통풍 불량, 탱크 크기 및 탱크 설계 부족, 햇빛에 노출된 파워 유니트 등에 의해 열 방출을 저하시킬 수 있습니다. 파워 유니트 설계의 주요 목적은 적절한 오일 온도 유지를 위해서 오일의 호스 이동을 통한 자연스러운 열전달, 작동 시와 저장 시, 그리고 공기 중으로의 지속적인 열 방출 등으로 열을 손실 시키는 것입니다. 열(온도) 균형 온도 계산에는 유압 시스템으로 들어오고 나가는 열의 수학적인 계산이 필요합니다. 현실적인 추정치를 얻으려면 많은 요인(내부 및 외부 모두)을 동시에 계산해야 합니다.
이들 중 일부는 다음과 같습니다.
엘리베이터의 평균 부하율
평균 운행 계수
시간당 평균 모터 가동 횟수
총 운행 소요 시간
열은 자연 대류와 강제 대류, 두 가지 방식으로 나뉩니다. 온도 변화로 인해 열이 시스템에서 주변 공기로 이동할 때 자연 대류가 발생합니다. 자연 대류로 엘리베이터 시스템에 의해 생성된 모든 열을 소산하는 것이 바람직합니다. 이 경우 오일 수명이 길어지며, 60°C 이하의 온도에서 생성되고 자연적으로 분산된 열 균형이 유지됩니다(그림 6). 전자 밸브와 외장형 모터를 사용하면 열 온도를 약 21%까지 줄일 수 있습니다. 반면에, 자연 대류가 발생된 열을 제거할 수 없다면, 시스템 온도는 계속 상승 할 것입니다. 오일 쿨러는 일반적으로 시스템에 의해 생성된 열이 시스템이 방출할 수 있는 것보다 많을 때 필요합니다(강제 대류).
엘리베이터 시스템이 최적으로 설계되었다면, 오일 쿨러가 필요하지 않을 것입니다. 그러나 유압 엘리베이터 장치가 오일 쿨러를 가져야 하는지 여부에 대한 결정은 시스템의 열 균형을 계산한 후에 결정할 수 있습니다. 그러나 오일 쿨러를 사용하는 경우에도 통풍이 잘 되는 기계실에 위치 시켜야 합니다.
오일 쿨러의 종류
공냉식 열교환기는 일반적으로 유압 엘리베이터에 사용됩니다. 온도 조절 장치는 냉각 회로를 켜고 끌 수 있으며, 온도 조절 장치의 작동 온도는 외부에서 설정할 수 있습니다. 센서는 오일에 잠겨 있습니다. 펌프는 뜨거운 오일을 탱크에서 열 교환기로 운반하는데 사용됩니다. 오일은 자동차의 수냉 시스템과 유사한 프로세스를 사용하여 모터 구동 팬에 의해 냉각됩니다. 냉각된 오일은 유압 엘리베이터 시스템에 다시 사용하기 위해 탱크로 보내집니다. 교환기는 오일 저장소 또는 근처에 장착되거나 기계실 벽에 설치됩니다. 열 전달 양은 냉각기의 크기에 따라 다릅니다. 열 균형 온도 계산은 시스템에서 발생하는 열의 양을 자연스럽게 소멸시키는 데 도움이 됩니다. 시스템에 의해 자연적으로 소산되는 열량이 시스템이 생성하는 열량보다 적으면, 열을 중화하는데 적합한 열전달률을 가진 냉각기를 선택해야 합니다.
냉동 오일 쿨러
냉동 오일 쿨러는 주위 온도가 매우 높고 승강기가 자주 사용되는 시설(예: 쇼핑몰, 병원 또는 전시장)에서 많이 설치됩니다. 냉동 오일 쿨러는 냉장고의 원리를 따르며 매우 효과적입니다. 탱크의 따뜻한 오일(펌프로 순환됨)이 열을 교환할 때, 압축기에 의해 냉각수가 순환됩니다. 따라서 오일은 신속하게 냉각되어 유압 탱크로 다시 전달됩니다.
파워 유니트의 설치
유압 엘리베이터를 설치할 때에는 보통 하나 이상의 회사가 관련됩니다. 현장에서는 다른 공급 업체의 부품 및 전원 장치를 공수하기도 합니다. 파워 유니트는 실린더, 기타 부품 등과 함께 유압 시스템 구성 요소의 설계, 제조 및 조립을 전문으로 하는 공급 업체에서 제공됩니다. 문제없는 솔루션을 제공하기 위해서는 여러 공급 업체가 최종 사용자의 요구 사항을 종합적으로 충족하고 자재 취급 및 설치 원칙의 기본 사실을 이해하는 것이 매우 중요합니다.
먼지가 많은 환경, 오염 및 유지 관리 불량으로 인해 엘리베이터가 설치되어 작동하기 전에 문제가 생길 수 있습니다. 때로는 다른 건설 작업이 진행되는 동안 유니트와 유압 장비가 인도되기도 합니다. 엘 설치가 시작되기 전에 장비가 현장에 며칠이 넘도록 방치되는 경우도 있습니다. 현장에서 인도되는 유압 호스는 용접 찌꺼기나 금속 잔량이 있는지 확인하고 적절하게 세척되어야 합니다. 이러한 미세한 금속 입자는 패킹, O-링 및 회로의 필터를 손상시킬 수 있어 엘리베이터를 사용하기도 전에 고비용의 수리 및 교체를 초래할 수 있습니다.
유압 탱크는 유압 시스템을 위한 오일 저장소이기 때문에, 청소해주지 않으면 오염의 시발점이 될 수 있으며, 전체 시스템 문제의 주요 원인이 될 수 있습니다. 파워 유니트를 작동시키기 전, 청결을 위해 탱크를 먼저 검사해야 합니다. 적절한 필터를 사용하여 탱크에 오일을 채워야 합니다. 여과하지 않거나 탱크의 상태를 점검하지 않고 오일을 탱크에 쏟아부으면 몇 번 가동하지 않았음에도 엘리베이터의 시스템 고장을 유발할 수 있습니다. 운반 중에도 램에 먼지가 쌓일 수 있으며, 패킹 보호를 위해 보관에 유의하고 실린더를 작동시키기 전에 꼼꼼히 청소해야 합니다.
파워 유니트의 신경: 유압 호스
유압 호스를 펌프와 컨트롤 밸브에 연결하고, 컨트롤 밸브는 실린더에 연결해 주며 파워 유니트에 사용되는 기타 부속품도 연결해 줍니다. 유압 시스템은 강철 또는 아연 도금 파이프를 사용할 수 있지만 아연 코팅은 오일과 반응하여 문제가 생길 수 있으므로 후자는 권장하지 않습니다. 배관은 계산된 최대 시스템 압력과 시스템 내에서 생성된 서지(serge)를 견딜 수 있어야 합니다. 사용된 배관이 큰 압력 강하를 일으키지 않고 필요한 유속을 처리할 수 있을 만큼 필요한 단면적을 유지하는 것이 매우 중요합니다. 주어진 시간 동안 호스를 통과할 수 있는 오일의 양은 호스의 직경을 결정하기 전에 공식을 사용하여 계산할 수 있습니다.
Flow = 6A*V (공식 1)
여기에서 "Flow"는 유량이고 단위는 Cu.dm/m, V는 유속(m/sec)이며, A는 호스의 내부 면적(평방 센티미터)입니다.
호스는 두께와 번호로 식별됩니다. 유압 엘리베이터는 일반적으로 100 bar 이상의 작동 압력을 가지지 않으므로 저압의 중간 압력 시스템으로 분류되며 일반적으로 80 호스가 사용됩니다.
배관에 사용되는 유압 호스는 압력, 온도 및 유체 호환성에 따라 등급이 매겨집니다. 이는 유연성을 제공하며 호스를 효과적으로 사용할 수 없는 실린더에 컨트롤 밸브를 연결하기 위해 사용됩니다. SAE100 R2 등급은 일반적으로 수력 발전소에서 사용됩니다. 호스의 내부 직경은 압력 손실을 최소로 유지하고 발열이나 과도한 난기류로 인해 호스가 손상되지 않도록 적절해야 합니다.
유압 호스 굴곡 반경은 제조업체의 지침에 따라 엄격하게 준수되어야 합니다. 그렇지 않으면 부상이나 사망을 초래할 수 있는 파열이 발생할 수 있습니다. 호스의 가장 약한 부분은 커플링을 압착해 놓은 끝부분입니다. 부적합하거나 호환되지 않는 부속품은 작동 중 위험이 될 수 있습니다. 호스는 비틀거나 당겨서는 안되며, 필요에 따라 조심스럽게 크기를 정하고 적절히 사용해야 합니다.
배관에는 커플링과 연결부를 사용해야 합니다. 여기에는 몇 가지 잘못된 사실이 있습니다. "커플링이 SAE 또는 EN 사양을 충족하는 호스와 호환되는 경우 커플링은 사양을 충족하는 모든 호스에서 작동된다." 이것은 사실이 아닙니다. 조립품을 만들거나 구입할 때, 호스와 피팅 모두가 동일한 제조업체의 것이어야 합니다. 치수 공차가 상당히 넓기 때문에, 제대로 확인되지 않은 호스는 표준에서 크게 벗어나지 않았더라도 커플링 압착 시, 압축 변형으로 인하여 조립 및 수행이 어려울 수 있습니다.
결론
유압 탱크 설계 및 오일 선택은 파워 유니트의 열 발산 및 자연 냉각에 크게 기여하기 때문에 매우 중요하다는 것을 알았습니다. 적절한 설계 고려 사항과 적절하게 통풍이 되는 기계실이 있으면 냉각기를 필요로 하지 않는다는 것도 알았습니다. 승강기 전체 수명 주기 동안 최적의 성능을 보장하기 위해서는 승강기의 열 균형 계산을 수행해야 합니다.
참고 문헌
[1] P. Mehta, “Hydraulic Elevators: Busting the Myth,” EW India, 2nd Quarter 2010.
[2] P. Mehta, “Hydraulic Elevators – Configuring the Power Unit,” EW, December 2010.
[3] F. Celik and M. Kucur, “Importance of Thermal Balance for Hydraulic Elevators,” Elevator Technology 18: Proceedings of Elevcon 2010.
평가 문제
1. 유압 탱크의 크기는 대략 다음 요소로 계산된다.
A) 펌프 출력의 2~2.5배.
B) 탱크 크기는 파워 유니트와 관계없이 고정되어 있습니다.
C) 탱크 크기는 건물의 높이에 달려있다.
D) 탱크 크기는 기계실의 크기에 달려있다.
2. 유압 탱크의 열 손실 용량은 다음에 의해 영향을받습니다.
A) 엘리베이터 수용량.
B) 엘리베이터 통로에서 탱크까지의 거리.
C) 유압 엘리베이터의 직접 또는 간접 설치.
D) 탱크 측면의 표면적.
3. 유압유의 온도와 점도는 서로 어떻게 관련이 있는가?
A) 비례.
B) 반비례.
C) 아무런 관계가 없다.
D) 오일의 점도는 70°C(158°F) 이후 에만 온도에 의존한다.
4. 유압 엘리베이터에서 운행량이 높을 경우 어떤 종류의 오일을 사용해야합니까?
A) 점도 지수가 높은 오일.
B) 점도 지수가 낮은 오일.
C) 엘리베이터 운행량은 오일의 점도 지수와 아무 관련이 없다.
D) 오일 대신 물을 사용해야한다.
5. 압력 릴리프 밸브의 잘못된 조정은 다음과 같은 원인이됩니다.
A) 오일 온도가 낮아짐.
B) 컨트롤 밸브의 소음을 줄입니다.
C) 오일 온도의 증가.
D) 엘리베이터의 주행 속도의 증가.
6. 유압 엘리베이터 시스템에 사용되는 오일 쿨러는 다음과 같습니다.
A) 모든 유압 엘리베이터에 필수적으로 필요합니다.
B) 엘리베이터 통로에 설치합니다.
C) 시스템에 의해 생성된 열이 시스템이 방출 할 수 있는 것 이상일 때만 필요합니다.
D) 유압 오일의 수명을 줄입니다.
7. 오일 쿨러의 크기는 다음에 따라 다릅니다.
A) 대류될 열의 양.
B) 엘리베이터 카 크기 및 수용량.
C) 기계실에서 사용 가능한 공간.
D) 사용된 오일 쿨러의 유형.
8. 유압 파워 유니트의 오일 오염은 다음과 같이 방지할 수 있습니다.
A) 특정 등급의 오일만을 사용합니다.
B) 적절한 여과 기술 사용 및 청결 유지.
C) 미네랄 오일 대신 생분해성 오일 사용.
D) 엘리베이터 시스템 정비.
9. 파워 유니트에 사용되는 유압 호스는 다음과 같습니다.
A) 공급 업체가 전 세계에서 몇 되지 않습니다.
B) 800 bar 이상의 압력을 견딜 수 있는 경우에만 선택.
C) 사용 전에 특수 화학 피복물로 처리.
D) 압력, 온도 및 유체 호환성에 따라 등급이 매겨짐.
10. 유압 호스는 유연성이 있으며 :
A) 필요에 따라 비틀고 구부릴 수 있습니다.
B) 어떤 상황에서도 구부리거나 꼬지 마십시오.
C) 시스템 압력이 20 bar 보다 낮은 경우에만 구부리거나 비틀 수 있다.
D) 호스의 굽힘 반경은 제조업체의 지침을 엄격히 준수해야한다.
정답
1.A, 2.D, 3.B, 4.A, 5.C, 6.C, 7.A, 8.B, 9.D, 10.D
파라그 메타(Parag Mehta)는 블레인(Blain Hydraulics GmbH-독일)에서 유압 엘리베이터 용 컨트롤 밸브의 연구 개발에 종사하고 있습니다. 그는 엔지니어링 설계 및 프로젝트 관리 분야에서 10년 이상 경험을 쌓은 기계 엔지니어입니다. 메타는 컴퓨터 지원 설계를 전문으로합니다. 그는 유압 엘리베이터에 대한 다양한 기술 기사를 출간했으며 인도 내륙 하부에서 블레인의 우수성을 알리고 있습니다.
퍼햇 셀릭(Ferhat Celik) 박사는 터키 및 중동의 블레인의 이익을 돌보고 있습니다. 그 전에는 이스탄불 대학에서 조교수로 7년간 종사하였습니다. 셀릭은 유압 엘리베이터, 제조 공정, CAD 및 CAM에 관한 다양한 기술 기사를 발표했습니다. 그는 이스탄불 공과 대학에서 기계 공학을 전공한 후 영국의 맨체스터 대학에서 석사 및 박사 학위를 취득했습니다.
출처: Elevator world Inc, <https://www.elevatorbooks.com/Content/Site125/FilesSamples/179606pdf_00000088481.pdf>