원심 조속기
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1. 개요
원심 조속기는 동력원의 속도를 제어하는 장치로, 17세기 크리스티안 하위헌스에 의해 처음 고안되었다. 작동 유체의 흐름을 조절하는 스로틀 밸브에 연결되어 엔진의 속도가 증가하면 질량의 운동 에너지가 증가하여 스로틀 밸브를 조절, 과속을 방지한다. 증기 기관, 내연 기관, 터빈, 시계 등 다양한 기기에 사용되며, 기계식, 전자식, 비중력식 등 여러 종류가 있다. 원심 조속기는 제임스 클러크 맥스웰의 제어 이론 연구에 활용되었으며, 찰스 다윈의 진화론 설명에도 비유되었다.
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| 원심 조속기 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 유형 | 비례 제어 통합 제어 미분 제어 |
| 작동 방식 | 엔진의 속도를 측정하여 스로틀을 조절 |
| 사용 분야 | 증기기관 풍차 내연기관 시계 자명종 음악 상자 |
| 역사 | |
| 초기 형태 | 17세기에 크리스티안 하위헌스에 의해 시계에 적용 |
| 개선 | 18세기 후반에 제임스 와트가 증기 기관에 적용 |
| 현대적 사용 | 연료 분사 제어 자동 변속기 안전 장치 |
| 작동 원리 | |
| 기본 원리 | 회전 속도에 따라 움직이는 추를 이용하여 속도 조절 |
| 속도 증가 시 | 추가 멀어지면서 스로틀 닫음 |
| 속도 감소 시 | 추가 가까워지면서 스로틀 열림 |
| 장점 | |
| 단순함 | 단순한 구조로 제작 및 유지 보수 용이 |
| 신뢰성 | 신뢰성 높은 속도 제어 가능 |
| 단점 | |
| 느린 반응 속도 | 급격한 속도 변화에 대한 반응 속도 느림 |
| 정밀도 부족 | 정밀한 속도 제어에는 한계 존재 |
| 추가 정보 | |
| 다른 용어 | 조속기 속도 제어기 |
| 참고 자료 | |
| 도서 | Adaptive Control Processes: A Guided Tour |
| 출판물 | Power From Wind |
2. 작동
원심 조속기의 작동은 엔진 출력축에서 벨트나 체인으로 하부 벨트 바퀴에 동력을 전달하면서 시작된다. 조속기는 작동 유체(증기)의 흐름을 조절하는 스로틀 밸브와 연결되어 동력원을 제어한다. 원동기 속도가 증가하면 조속기 중심축이 빠르게 회전하며 공의 운동 에너지가 증가한다. 이에 따라 지레에 연결된 두 질량이 중력에 반하여 바깥쪽으로 움직인다.
스로틀 동작 범위는 기계식 멈치를 사용하여 제한할 수 있다.
2. 1. 기계식 조속기
동력은 엔진의 출력축에서 벨트나 체인으로 하부 벨트 휠에 연결하여 조속기에 공급된다. 조속기는 작동 유체(증기)의 흐름을 조절하여 원동기에 공급하는 절기 밸브에 연결된다. 원동기의 속도가 증가함에 따라 조속기의 중앙 스핀들이 더 빠른 속도로 회전하고, 볼의 운동 에너지가 증가한다. 이를 통해 레버 암에 있는 두 질량이 중력에 대항하여 바깥쪽으로 위쪽으로 이동한다. 운동이 충분히 진행되면, 이러한 움직임으로 인해 레버 암이 추력 베어링을 아래로 당기고, 이는 빔 링크를 움직여 절기 밸브의 구멍을 줄인다. 따라서 실린더로 들어가는 작동 유체의 양이 감소하고 원동기의 속도가 제어되어 과속을 방지한다.
오른쪽 그림의 질량 근처에서 볼 수 있듯이, 절기 움직임의 범위를 제한하기 위해 기계적 스톱을 사용할 수 있다.
2. 2. 비중력식 조속기
두 개의 팔과 두 개의 볼을 가진 조속기의 한계는 중력에 의존한다는 점이며, 조속기가 느려졌을 때 중력이 볼을 안쪽으로 당기려면 조속기가 지구 표면에 대해 수직으로 유지되어야 한다는 점이다.[1]중력을 사용하지 않는 조속기는 양쪽 끝에 추를 단 하나의 직선 팔, 회전축에 부착된 중앙 피벗, 그리고 추를 회전축 중앙으로 밀어넣으려는 스프링을 사용하여 만들 수 있다.[1] 피벗 암 양 끝의 두 개의 추는 중력 효과를 상쇄하지만, 두 추 모두 원심력을 사용하여 스프링에 대항하고 피벗 암을 회전축에 대해 수직인 축으로 회전시키려고 한다.[1]
스프링으로 되돌아가는 비중력식 조속기는 단상 교류(AC) 유도 전동기에서 모터의 회전 속도가 충분히 높을 때 시동 계자권선을 끄는 데 일반적으로 사용된다.[1] 또한 스노모빌과 사륜구동차(ATV) 무단변속기(CVT)에서 차량의 주행을 시작/정지시키고 엔진 분당 회전수에 따라 변속기의 풀리 직경 비율을 변경하는 데에도 일반적으로 사용된다.[1]
3. 역사
크리스티안 하위헌스는 17세기에 풍차의 맷돌 사이 거리와 압력을 조절하기 위해 최초의 원심 조속기를 고안했다.[10]
제임스 와트는 1788년 사업 파트너 매슈 볼튼의 제안에 따라 자신의 첫번째 조속기를 설계했는데, 이는 원추형 진자였으며 와트가 증기 기관 용도로 사용한 마지막 시리즈였다. 제임스 와트는 원심 조속기가 자신의 발명품이라고 결코 주장하지 않았다.
와트가 만든 조속기의 거대한 동상은 영국 웨스트미들랜즈 주 스메스위크에 있으며, 플라이볼 조속기로 알려져있다.
3. 1. 대한민국에서의 조속기 역사
(원문 소스에 대한민국에서의 조속기 역사에 대한 내용이 없으므로, 해당 섹션은 작성할 수 없습니다.)4. 종류
원심 조속기는 19세기 증기 기관에서 가장 널리 사용되었으며, 정지형 내연 기관과 다양한 연료를 사용하는 터빈, 그리고 일부 현대의 자명종 시계에도 사용된다.
원심 조속기는 엔진의 출력축에서 나오는 동력을 벨트나 체인을 통해 전달받아 작동한다. 조속기는 작동 유체 (증기)의 흐름을 조절하는 스로틀 밸브에 연결되어 있다. 엔진 속도가 올라가면 조속기의 중심 회전축이 더 빠르게 회전하고, 공의 운동 에너지가 증가하여 지레에 있는 두 개의 질량이 중력에 반하여 바깥쪽으로 움직인다. 이 움직임을 통해 스로틀 밸브를 조절하여 엔진 속도를 제어한다. 스로틀 동작의 범위는 기계식 멈치를 사용하여 제한할 수 있다.
또 다른 종류의 원심 조속기는 실린더 내부의 스핀들에 장착된 한 쌍의 질량으로 구성되며, 질량 또는 실린더에는 마찰 패드가 코팅되어 있다. 이는 원심 클러치 또는 드럼 브레이크와 유사하며, 스프링식 축음기와 스프링식 전화 다이얼에서 속도를 제한하는 데 사용된다.[10]
4. 1. 증기 기관 조속기
동력은 하부 벨트 바퀴에 연결된 벨트 또는 체인에 의해 엔진의 출력축으로부터 조속기에 공급된다. 조속기는 작동 유체(증기)의 흐름을 공급하는 동력원을 조절하는 스로틀 밸브에 연결된다. 원동기의 속도가 올라감에 따라, 조속기의 중심 회전축이 더 빠른 속도로 회전하고 공의 운동 에너지가 증가한다. 이것은 지레에 있는 2개의 질량이 중력에서 바깥쪽으로 움직일 수 있게 한다.
오른쪽 그림의 하단에서 볼 수 있듯이, 기계식 멈치를 사용하여 스로틀 동작의 범위를 제한할 수 있다.
제임스 와트는 사업 파트너 매슈 볼튼의 제안에 따라 1788년에 자신의 첫번째 조속기를 설계했다. 그것은 원추형 진자였으며 와트가 증기 기관 용도로 사용한 마지막 시리즈였다. 제임스 와트는 원심 조속기가 자신의 발명품이라고 결코 주장하지 않았다. 최초의 원심 조속기는 크리스티안 하위헌스가 고안했으며 17세기에 풍차에서 맷돌 사이의 거리와 압력을 조절하기 위해 사용되었다.[10]
와트가 만든 조속기의 거대한 동상은 영국 웨스트미들랜즈 주 스메스위크에 있다. 그것은 플라이볼 조속기로 알려져있다.
4. 2. 내연 기관 조속기
동력은 하부 벨트 바퀴에 연결된 벨트 또는 체인에 의해 엔진의 출력축으로부터 조속기에 공급된다. 조속기는 작동 유체(증기)의 흐름을 공급하는 동력원을 조절하는 스로틀 밸브에 연결된다. 원동기의 속도가 올라감에 따라, 조속기의 중심 회전축이 더 빠른 속도로 회전하고 공의 운동 에너지가 증가한다. 이것은 지레에 있는 2개의 질량이 중력에서 바깥쪽으로 움직일 수 있게 한다.제임스 와트는 사업 파트너 매슈 볼튼의 제안에 따라 1788년에 자신의 첫 번째 조속기를 설계했다. 그것은 원추형 진자였으며 와트가 증기 기관 용도로 사용한 마지막 시리즈였다. 제임스 와트는 원심 조속기가 자신의 발명품이라고 결코 주장하지 않았다. 최초의 원심 조속기는 크리스티안 하위헌스가 고안했으며 17세기에 풍차에서 맷돌 사이의 거리와 압력을 조절하기 위해 사용되었다.[10]
위 그림에 나와 있는 장치는 증기 기관에 사용된다. 동력은 엔진의 출력축에서 벨트나 체인으로 하부 벨트 휠에 연결하여 조속기에 공급된다. 조속기는 절기 밸브에 연결되며, 이 밸브는 작동 유체(증기)의 흐름을 조절하여 원동기에 공급한다. 원동기의 속도가 증가함에 따라 조속기의 중앙 스핀들이 더 빠른 속도로 회전하고, 볼의 운동 에너지가 증가한다. 이를 통해 레버 암에 있는 두 질량이 중력에 대항하여 바깥쪽으로 위쪽으로 이동한다. 운동이 충분히 진행되면, 이러한 움직임으로 인해 레버 암이 추력 베어링을 아래로 당기고, 이는 빔 링크를 움직여 절기 밸브의 구멍을 줄인다. 따라서 실린더로 들어가는 작동 유체의 양이 감소하고 원동기의 속도가 제어되어 과속을 방지한다.
오른쪽 그림의 질량 근처에서 볼 수 있듯이, 절기 움직임의 범위를 제한하기 위해 기계적 스톱을 사용할 수 있다.
두 개의 팔과 두 개의 볼을 가진 조속기의 한계는 중력에 의존한다는 점이며, 조속기가 느려졌을 때 중력이 볼을 안쪽으로 당기려면 조속기가 지구 표면에 대해 수직으로 유지되어야 한다는 점이다.
중력을 사용하지 않는 조속기는 양쪽 끝에 추를 단 하나의 직선 팔, 회전축에 부착된 중앙 피벗, 그리고 추를 회전축 중앙으로 밀어넣으려는 스프링을 사용하여 만들 수 있다. 피벗 암 양 끝의 두 개의 추는 중력 효과를 상쇄하지만, 두 추 모두 원심력을 사용하여 스프링에 대항하고 피벗 암을 회전축에 대해 수직인 축으로 회전시키려고 한다.
스프링으로 되돌아가는 비중력식 조속기는 단상 교류(AC) 유도 전동기에서 모터의 회전 속도가 충분히 높을 때 시동 계자권선을 끄는 데 일반적으로 사용된다.
또한 스노모빌과 사륜구동차(ATV) 무단변속기(CVT)에서 차량의 주행을 시작/정지시키고 엔진 분당 회전수에 따라 변속기의 풀리 직경 비율을 변경하는 데에도 일반적으로 사용된다.
4. 3. 터빈 조속기
동력은 엔진의 출력축에서 벨트나 체인을 통해 하부 벨트 바퀴에 연결되어 조속기로 공급된다. 조속기는 작동 유체 (증기)의 흐름을 조절하는 동력원에 연결된 스로틀 밸브에 연결된다. 원동기의 속도가 올라가면 조속기의 중심 회전축이 더 빠르게 회전하고 공의 운동 에너지가 증가한다. 이것은 지레에 있는 두 개의 질량이 중력에 반하여 바깥쪽으로 움직이게 한다.기계식 멈치를 사용하여 스로틀 동작의 범위를 제한할 수 있다.
위 그림에 나와 있는 장치는 증기 기관에 사용된다. 동력은 엔진의 출력축에서 벨트나 체인으로 하부 벨트 휠에 연결하여 조속기에 공급된다. 조속기는 절기 밸브에 연결되며, 이 밸브는 작동 유체(증기)의 흐름을 조절하여 원동기에 공급한다. 원동기의 속도가 증가함에 따라 조속기의 중앙 스핀들이 더 빠른 속도로 회전하고, 볼의 운동 에너지가 증가한다. 이를 통해 레버 암에 있는 두 질량이 중력에 대항하여 바깥쪽으로 위쪽으로 이동한다. 충분한 운동이 일어나면, 이 움직임으로 인해 레버 암이 추력 베어링을 아래로 당기고, 이는 빔 링크를 움직여 절기 밸브의 구멍을 줄인다. 따라서 실린더로 들어가는 작동 유체의 양이 감소하고 원동기의 속도가 제어되어 과속을 방지한다.
절기 움직임의 범위를 제한하기 위해 기계적 스톱을 사용할 수 있다.[10]
4. 4. 기타 조속기
원심 조속기는 많은 현대의 반복 시계에서 타격 장치의 속도를 제한하여 반복 시계가 너무 빠르게 작동하지 않도록 하는 데 사용된다.[10]또 다른 종류의 원심 조속기는 실린더 내부의 스핀들에 장착된 한 쌍의 질량으로 구성되며, 질량 또는 실린더에는 마찰 패드가 코팅되어 있어 원심 클러치 또는 드럼 브레이크와 다소 유사하다. 이것은 스프링식 축음기와 스프링식 전화 다이얼에서 속도를 제한하는 데 사용된다.[10]
5. 동역학계
원심 조속기는 정보의 표상과 그 표상에 적용되는 연산을 명확하게 분리할 수 없는 동역학계의 예시로 인지 과학에서 자주 사용된다. 조속기는 서보 메커니즘이기 때문에 동역학계에서의 분석이 간단하지 않다. 1868년, 제임스 클러크 맥스웰은 피드백 제어 이론의 고전으로 널리 여겨지는 유명한 논문 "''On Governors''"[6]을 발표했다. 맥스웰은 조정기(원심 브레이크)와 동력 입력을 제어하는 조속기를 구분한다. 그는 제임스 와트, 제임스 톰슨 교수, 플리밍 젠킨, 윌리엄 톰슨, 레옹 푸코 및 칼 빌헬름 지멘스(액체 조속기)의 장치들을 고려한다.
6. 자연 선택과의 관계
다윈이 『종의 기원』을 출판하게 된 계기가 된 논문이자, 1858년 린네학회에 발표한 유명한 논문에서, 알프레드 러셀 월리스는 진화 원리를 설명하기 위해 원심 조속기를 비유로 사용했다.[7]
월리스는 "이 원리는 증기 기관의 '''원심 조속기'''와 정확히 같습니다. 원심 조속기는 불규칙성이 눈에 띄기 전에 그것을 제어하고 수정합니다. 마찬가지로 동물계의 어떤 불균형적인 결함도 눈에 띄는 정도에 이를 수 없습니다. 왜냐하면 그것은 존재를 어렵게 만들고 곧 멸종을 초래할 것이기 때문입니다."라고 하였다.[7]
사이버네티시스트이자 인류학자인 그레고리 베이츠온은 월리스의 비유를 높이 평가했으며, 1979년 저서 『마음과 자연: 필연적 통일성(Mind and Nature: A Necessary Unity)』에서 이 주제를 논의했다. 다른 학자들도 자연 선택과 시스템 이론의 관계를 계속해서 탐구해 왔다.[8]
7. 문화
원심 조속기는 미국 뉴햄프셔주 맨체스터 시의 시장(市章)과 시기(市旗)에도 일부분으로 사용되고 있다. 2017년 디자인 변경을 위한 노력은 유권자들에 의해 거부되었다.[9]
양식화된 원심 조속기는 스웨덴 작업 환경청의 문장에도 일부분으로 사용되고 있다.
참조
[1]
서적
Power From Wind
Cambridge University Press
[2]
서적
Adaptive Control Processes: A Guided Tour
https://books.google[...]
Princeton University Press
2018-04-13
[3]
웹사이트
University of Cambridge: Steam engines and control theory
http://mi.eng.cam.ac[...]
[4]
서적
Power From the Wind
Cambridge University Press
[5]
서적
Adaptive Control Processes: A Guided Tour
https://books.google[...]
Princeton University Press
2018-04-13
[6]
논문
On Governors
[7]
웹사이트
On the Tendency of Varieties to Depart Indefinitely From the Original Type
http://www.wku.edu/~[...]
2009-04-18
[8]
웹사이트
Wallace's Unfinished Business
http://www.wku.edu/~[...]
Complexity (publisher Wiley Periodicals, Inc.) Volume 10, No 2, 2004
2007-05-11
[9]
뉴스
Manchester city flag celebrates one of the coolest inventions from the Industrial Revolution – happily, they won’t change it
https://granitegeek.[...]
Granite Geek
[10]
웹인용
Power From the Wind
케임브리지 대학교
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