유압 펌프

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1. 개요
2. 유압 펌프의 종류
3. 유압 펌프 계산 공식
참조

1. 개요

유압 펌프는 유체의 용적 변화와 이동을 이용하여 압력을 발생시키는 장치로, 용적식 펌프의 한 종류이다. 유압 펌프는 변속 기구에 사용되며, 펌프와 모터 형식에 따라 다양한 형태가 존재한다. 유압 펌프의 종류로는 케이싱 내 회전하는 날개차를 사용하는 베인 펌프, 톱니바퀴의 맞물림을 이용하는 기어 펌프, 스크류 회전을 이용하는 스크류 펌프, 피스톤의 왕복 운동을 이용하는 피스톤 펌프 등이 있다. 유압 펌프의 유량, 동력, 효율 등은 특정 공식을 통해 계산할 수 있다.

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유압 펌프
개요
유형	유체 기계
기능	액체에 기계적인 힘을 가하여 압력을 증가시킴
작동 원리	용적형 또는 비 용적형 (원심, 축류)
적용 분야	건설 기계, 자동차, 항공기, 산업 기계 등
상세 정보
동력원	전기 모터 내연 기관 압축 공기 수동 조작
작동 유체	오일 (광유, 합성유) 물 기타 작동유
주요 구성 요소	케이싱 임펠러/기어/피스톤 밸브 축 베어링
종류	기어 펌프 베인 펌프 피스톤 펌프 원심 펌프 축류 펌프 스크류 펌프
특징	높은 압력 다양한 유량 제어 가능 내구성 다양한 크기 및 용량
용도	유압 프레스 유압 모터 유압 실린더 윤활 시스템 냉각 시스템 연료 공급 시스템
장점	높은 동력 전달 효율 정밀한 제어 가능 다양한 환경에서 사용 가능
단점	작동 유체 누출 가능성 소음 발생 유지 보수 필요
관련 기술	유압 유체 역학 자동 제어
안전 고려 사항	과압 방지 작동 유체 관리 정기적인 점검 및 유지 보수

2. 유압 펌프의 종류

용적식 유압 펌프는 유체를 담고 있는 부분의 용적 변화와 이동을 통해 펌프 작용을 한다. 이러한 방식은 소형으로 대용량 펌프를 만들 수 있고, 변속 조작이 용이하다는 장점이 있지만, 제작이 어렵고 가격이 비싸며 저속 성능에 어려움이 있어 저속에서는 톱니바퀴 감속기를 함께 사용하기도 한다.^[5]

유압 펌프는 작동 원리에 따라 다음과 같이 분류할 수 있다.

종류	특징	용도	가변/고정
베인 펌프	케이싱 내 편심 회전자와 가동식 날개(베인)를 회전시켜 압력을 가한다. 비교적 저압에 적합하다.
기어 펌프	케이싱 안에서 회전하는 톱니바퀴가 맞물리면서 압력을 가한다. 외접 및 내접 기어 펌프 두 종류가 있다.	파워 스티어링, 지게차, 농업 기계 등 소형 기계	고정
스크류 펌프	케이싱 안에서 복수의 스크류(나사)가 회전하여 맞물림으로써 작동유를 축 방향으로 밀어낸다.	엘리베이터, 수문
피스톤 펌프 (플런저 펌프)	회전축 주위에 배치된 피스톤의 왕복 운동으로 유압을 발생시킨다. 축에 대한 피스톤의 작동 방향에 따라 액시얼 및 래디얼 피스톤 펌프로 분류된다.
액시얼 피스톤 펌프 (사판식)	회전하는 밸브 플레이트에 의한 밸브 기구와 회전하는 경사진 판에 의한 피스톤의 왕복 운동으로 압력을 가한다.		가변/고정
액시얼 피스톤 펌프 (사축식)	동축과 실린더 블록 중심축이 어떤 각도를 가진 형식이다.		가변/고정
레디얼 피스톤 펌프	동축에 대해 실린더가 방사상(별 모양)으로 배치되어 있다. 슬라이딩 부품이 적어 내부 누설량이 적고, 효율이 좋으며, 높은 작동 압력에도 대응할 수 있다.		고정

2. 1. 기어 펌프

기어 펌프는 맞물리는 톱니바퀴를 이용하여 유체를 이송하는 펌프이다. 구조가 간단하고 가격이 저렴하여 지게차, 농업 기계 등 소형 기계 및 자동차 파워 스티어링에 주로 사용된다.^[2] 다른 형식의 펌프에 비해 일반적으로 체적 효율이 낮다.^[1]

기어 펌프는 케이싱 안에서 회전하는 톱니바퀴가 맞물림으로써 작동유에 압력을 가해 토출하며, "외접 기어 펌프"와 "내접 기어 펌프"의 두 종류가 있다. 유압용 기어 펌프의 배기량은 약 1~200밀리리터 사이이다.^[1] 기어 펌프의 톱니가 맞물리면서 압력을 생성하고, 이는 기어 주위의 유체가 배출 측으로 가압되도록 한다.

최신 기어 펌프는 분할 기어, 헬리컬 기어 톱니 및 더 높은 정밀도/품질 톱니 프로파일을 통합하는 설계를 통해 압력 리플 및 관련 유해 문제를 줄여, 구형 모델보다 훨씬 조용하고 신뢰할 수 있다. 기어 펌프는 기어가 하우징 및/또는 메인 부싱을 점차적으로 마모시켜 펌프의 체적 효율을 점차적으로 감소시키지만, 다른 대부분의 유압 펌프 유형에 비해 치명적인 고장은 훨씬 덜 발생한다.^[2]

2. 2. 베인 펌프

케이싱 내에 편심되어 설치된 회전자(로터)에 부착된 가동식 날개(베인)를 회전시켜 작동유에 압력을 가해 토출한다. 비교적 저압 영역에 적합하다.^[3] 베인은 스프링이나 유압으로 펌프 하우징에 밀착되어 작동한다.^[3]

2. 3. 스크류 펌프

스크류 펌프는 케이싱 안에서 복수의 스크류(나사)가 회전하여 맞물림으로써 작동유를 축 방향으로 밀어내는 유압 펌프이다. 엘리베이터의 승강이나 수문의 개폐 등 비교적 낮은 압력에서 높은 유량을 필요로 하는 곳에 사용된다. 연속 토출하는 구조이므로 운전 시 맥동이 일어나지 않아 소음이 적지만, 효율은 높지 않다.

스크류 펌프의 유압 반작용력은 유동 방향과 반대로 작용하여 축 방향으로 전달된다. 이 문제를 해결하는 두 가지 방법은 다음과 같다.

각 로터 아래에 스러스트 베어링을 설치한다.
로터 아래의 피스톤에 유압력을 가하여 유압 밸런스를 생성한다.

스크류 펌프의 유형은 다음과 같다.

단일 엔드
이중 엔드
단일 로터
다중 로터 타이밍
다중 로터 비타이밍

2. 4. 피스톤 펌프

피스톤 펌프는 "플런저 펌프"라고도 불리며, 실린더 내에서 피스톤이 왕복 운동하면서 유체를 흡입하고 토출하는 펌프이다. 회전축에 대한 피스톤의 작동 방향에 따라 다음과 같이 크게 분류된다.^[5]

액시얼 피스톤 펌프: 피스톤의 작동 방향이 축과 거의 평행하다.
레디얼 피스톤 펌프: 작동 방향이 축의 중심에서 바깥으로 향한다.

2. 4. 1. 액시얼 피스톤 펌프

액시얼 피스톤 펌프는 피스톤이 회전축과 평행하게 배열되어 왕복 운동하는 펌프이다. 크게 사판식과 사축식으로 나뉘며, 토출량이 고정된 형식과 가변 용량 형식이 있다.

사판식 액시얼 피스톤 펌프: 회전하는 밸브 플레이트에 의한 밸브 기구와 회전하는 경사진 판에 의한 피스톤의 왕복 운동으로 압력을 가한다.
사축식 액시얼 피스톤 펌프: 동축과 실린더 블록 중심축이 어떤 각도를 가진 형식의 액시얼 피스톤 펌프이다. 벤트 액시스 펌프라고도 불린다.

벤트 액시스 펌프는 독일의 기술자 한스 토마가 1935년에 특허를 받은 토마 방식(최대 25도의 각도)과 1960년에 군나르 악셀 발마크가 특허를 받은 발마크 방식(최대 40도의 각도)이 있다. 발마크 방식은 피스톤 로드와 일체형인 구형 피스톤, 피스톤 링, 드라이브샤프트 중심선과 피스톤 사이의 각도가 특징이며, 모든 펌프 중에서 최고의 효율을 자랑한다. 일반적으로 최대 용량은 회전당 약 1리터이지만, 필요에 따라 2리터 배기량 펌프도 제작할 수 있다. 가변 용량 펌프는 오일 흐름을 정밀하게 조절할 수 있도록 자주 사용된다. 이러한 펌프는 일반적으로 지속적인 작업에서 최대 350bar–420bar의 작동 압력으로 작동할 수 있다.^[4]

다양한 보상 기술을 사용함으로써, 가변 용량 유형의 펌프는 부하 요구 사항, 최대 압력 차단 설정, 마력/비율 제어 및 전기 신호 외에 다른 입력이 필요 없는 완전 전기 비례 시스템을 기반으로 회전당 유체 배출량과 시스템 압력을 지속적으로 변경할 수 있다. 이는 주 동력원(디젤, 전동기 등) 회전 속도가 일정하고 필요한 유체 흐름이 일정하지 않은 시스템에서 다른 정유량 펌프에 비해 잠재적으로 엄청난 에너지 절약을 가능하게 한다.

2. 4. 2. 레디얼 피스톤 펌프

레디얼 피스톤 펌프는 유압 펌프의 한 형태이다. 작동 피스톤은 액시얼 피스톤 펌프와는 대조적으로 구동축을 중심으로 방사형 방향으로 대칭적으로 뻗어 있다.

실린더가 구동축에 대해 방사상(별 모양)으로 배치되어 있다. 기본적으로 고정 용량식이다. 액시얼 피스톤 펌프에 비해 슬라이딩 부품이 적어 내부 누설량이 적고, 작동 시 효율이 좋다. 높은 작동 압력에도 대응할 수 있다.^[1]

3. 유압 펌프 계산 공식

유압 펌프의 성능을 계산하는 데에는 다음과 같은 공식들이 사용된다.

'''유량''': 펌프가 단위 시간당 이동시키는 유체의 양 (일반적으로 분당 리터(L/min) 또는 초당 세제곱미터(m³/s) 단위로 측정)
'''동력''': 펌프가 유체에 전달하는 에너지의 양 (와트(W) 또는 킬로와트(kW) 단위로 측정)
'''기계적 효율''': 펌프에 공급된 동력 중 유체에 실제로 전달되는 동력의 비율
'''유압 효율''': 펌프가 이론적으로 낼 수 있는 유량과 실제로 낼 수 있는 유량의 비율

3. 1. 유량

유량은 다음 공식으로 계산된다.

:

Q = n \cdot V_\text{stroke} \cdot \eta_\text{vol}

$\scriptstyle Q$ : 유량 (m³/s)
$\scriptstyle n$ : 행정 주파수 (Hz)
$\scriptstyle V_\text{stroke}$ : 행정 체적 (m³)
$\scriptstyle \eta_\text{vol}$ : 체적 효율

기어 펌프(외부 톱니, 고정 변위)는 단순하고 경제적인 펌프이다. 유압용 기어 펌프의 배기량은 약 1~200ml 사이이다. 이 펌프는 세 가지 기본 펌프 유형(기어, 베인, 피스톤 펌프) 중에서 가장 낮은 체적 효율 (

\eta_v \approx 90 \%

)을 가진다.^[1] 기어 펌프는 기어 톱니가 맞물리면서 압력을 생성하며, 이는 기어 주위의 유체가 배출 측으로 가압되도록 한다. 일부 기어 펌프는 다른 유형에 비해 상당히 시끄러울 수 있지만, 최신 기어 펌프는 매우 신뢰할 수 있으며 구형 모델보다 훨씬 조용하다. 이는 부분적으로 분할 기어, 헬리컬 기어 톱니 및 더 부드럽게 맞물리고 풀리면서 압력 리플 및 관련 유해 문제를 줄이는 더 높은 정밀도/품질 톱니 프로파일을 통합하는 설계 때문이다. 기어 펌프의 또 다른 긍정적인 속성은 다른 대부분의 유압 펌프보다 치명적인 고장이 훨씬 덜 발생한다는 것이다. 이는 기어가 하우징 및/또는 메인 부싱을 점차적으로 마모시켜 펌프의 체적 효율을 점차적으로 감소시켜 쓸모없게 될 때까지 이어지기 때문이다.^[2]

3. 2. 동력

유압 펌프의 출력(

P

)은 다음 식으로 계산할 수 있다.

:

P  = {n \cdot V_\text{stroke} \cdot \Delta p \over \eta_\text{mech}}

$\scriptstyle P$ : 출력 (W)
$\scriptstyle n$ : 스트로크 주파수 (Hz)
$\scriptstyle V_\text{stroke}$ : 스트로크 체적 (m³)
$\scriptstyle \Delta p$ : 펌프의 압력 차이 (Pa)
$\scriptstyle \eta_\text{mech,hydr}$ : 기계적/유압적 효율

3. 3. 기계적 효율

n_\text{mech} = {T_\text{이론} \over T_\text{실제}} \cdot 100\%

$\scriptstyle n_\text{mech}$ : 기계 펌프 효율 백분율
$\scriptstyle T_\text{이론}$ : 구동에 필요한 이론 토크
$\scriptstyle T_\text{실제}$ : 구동에 필요한 실제 토크

3. 4. 유압 효율

n_{hydr} = {Q_{실제} \over Q_{이론}} \cdot 100\%

$\scriptstyle n_{hydr}$ : 유압 펌프 효율
$\scriptstyle Q_{이론}$ : 이론 유량 출력
$\scriptstyle Q_{실제}$ : 실제 유량 출력

기어 펌프(외부 톱니, 고정 변위)는 단순하고 경제적인 펌프이다. 유압용 기어 펌프의 배기량은 약 1ml~200ml 사이이다. 이 펌프는 세 가지 기본 펌프 유형(기어, 베인, 피스톤 펌프) 중에서 가장 낮은 체적 효율 (

\eta_v \approx 90 \%

)을 가진다.^[1]

참조

_[1] 서적 Hydraulics and Pneumatics a technician's and engineer's guide Elsevier 2011
_[2] 웹사이트 4 Design Features That Determine Hydraulic Gear Pump Selection https://www.blueasce[...] 2023-07-21
_[3] 웹사이트 Hydraulic Pumps {{!}} Hydraulic Parts USA https://hydraulicpar[...] 2024-05-31
_[4] 웹사이트 AMPHIMAX HYDRAULICS PUMPS WHEEL MOTORS CONTROLS VALVES https://www.bluebird[...] 2024-05-31
_[5] 글로벌2 정수역학적 유체전동장치 https://ko.wikisourc[...]

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