압축공기

1. 개요

압축 공기는 압축기를 사용하여 생성되며, 다양한 산업 분야에서 동력, 에너지 저장, 세척, 의료, 교통 등 광범위하게 활용된다. 압축 공기는 기계식, 수동식, 카트리지 방식 등으로 공급되며, 산업에서는 전력, 천연 가스, 물 다음으로 중요한 유틸리티로 간주되지만 에너지 전달 비용은 다른 유틸리티보다 높다. 압축 공기의 품질은 ISO 8573-1 규격에 따라 고체 입자, 물, 오일 등의 오염 물질 수준으로 분류되며, 호흡용 공기는 별도의 품질 기준을 적용한다. 시스템 설계 시에는 수분 및 오일 증기 제거가 중요하며, 호흡용 공기는 특별한 안전 기준을 요구한다.

2. 생성 방법

압축공기는 압축기를 사용한 기계식 방법이나 공기 펌프를 이용한 수동식 방법으로 생성할 수 있다.

2.1. 기계식

압축기를 사용하여 압축 공기를 생성하며, 전동기 또는 내연 기관 등이 동력원으로 사용된다. 공장 등 고정된 장소에서는 운용 비용이 저렴한 전동기가 주로 사용된다. 화학 소방차와 같이 야외에서 사용하거나 정전 시에도 작동해야 하는 장치에는 내연 기관이 사용된다.

2.2. 수동식

수동으로 압축기 또는 공기 펌프를 작동시켜 압축 공기를 생성한다. 손으로 작동시키는 방법과 발로 밟는 방식이 있다. 농업 등에서 사용하는 소형 분말 또는 액체 살포 장치나 장난감 등에 사용된다.

3. 공급 방법

압축 공기는 다음의 세 가지 방식으로 공급된다.

* 내장 방식 : 압축기를 장치 내부에 설치한다.
* 배관 방식 : 금속 파이프나 고무 호스 등으로 압축 공기를 공급한다. 공장에서 널리 사용되는 방식이다.
* 카트리지 방식 : 압축 공기를 카트리지나 소형 탱크에 담아 공급한다. 다이빙이나 공기총 등에 사용된다. 스프레이 캔은 에어로졸을 이용하는 경우가 많으며, 압축 공기와는 다르다.

3.1. 내장 방식

압축 공기를 필요로 하는 장치 내부에 압축기를 설치하는 방식이다.

3.2. 배관 방식

금속 파이프 및 고무 호스 등을 이용하여 압축 공기를 공급하는 방식이다. 큰 출력이나 정밀한 제어를 필요로 하지 않는 복수의 장치에 압축 공기를 동력원으로 사용하면 압축기를 하나로 통합할 수 있기 때문에 운용 비용이 저렴해진다. 이러한 배관 방식은 공장에서 널리 사용되고 있다.

3.3. 카트리지 방식

압축 공기를 카트리지나 소형 탱크에 담아 공급하는 방식이다. 다이빙이나 공기총 등에 사용된다. 살충제나 화장품 등에 사용되는 스프레이 캔의 대부분은 에어로졸을 이용한 것이며, 압축 공기와는 다르다.

4. 압축 공기의 활용

압축 공기는 다양한 분야에서 활용되고 있다.

* 동력용: 누전이나 방전 등으로 인해 화재 및 폭발 위험이 있는 공장에서는 전기를 대신하여 압축 공기가 동력원으로 사용된다. 특히 식품 가공 공장처럼 물을 많이 사용하는 곳에서는 간이 방수가 가능한 공압 기계가 사용되기도 한다.
* 보조 동력용: 공장의 생산 기계 등에서 두 점 사이를 왕복하는 단순한 기구에 전자기 밸브와 에어 실린더를 사용하여 모터보다 간단하게 동력원을 구성할 수 있다. 또한 압축 공기를 불어넣어 가공물을 이동시키는 데에도 사용된다.
* 세척용: 공기를 불어넣어 쓰레기 등 불필요한 부착물을 제거하는 데 사용된다.
* 부식 생성물 및 코팅 제거를 위한 연마 블라스팅
* 사출 성형
* 에어브러시는 모형 철도 제작 등 취미 활동에 사용된다.
* 식품 및 음료 캡핑 및 발효
* 의료용: 치과에서 치아를 깎는 드릴의 동력원으로 사용된다.
* 교통 기관: 철도 차량, 화물 자동차, 버스 등 중형 및 대형 자동차의 브레이크 동력원으로 사용되며, 철도 제동 시스템과 도로 차량 제동 시스템이 있다. 2000년대 이후에는 압축 공기 차의 시제품이 제작되기도 했다.
* 기타
* 공압을 이용한 활용: 공압 우편, 에어 공구, HVAC 제어 시스템, 스프레이 페인팅
* 차량 추진 (압축 공기 차량 참조)
* 에너지 저장 (압축 공기 에너지 저장 참조)
* 레저 활동: 놀이공원, 골프 코스(스프링클러 시스템), 호텔 엘리베이터, 스키 리조트(제설)
* 수중 다이빙: 호흡용, 부력 보상 장치 및 리프팅 백 팽창, 에어리프트 준설
* 소용돌이관을 사용한 냉동
* 엔진의 에어 스타트 시스템
* 탄약 추진: 공기총, 에어소프트 장비, 페인트볼 장비
* 작은 공간 청소
* 무화 기관차 및 놀이공원 어트랙션 동력
* 증기 기관차 동태 보존 (동태 보존 중인 증기 기관차 참조)
* 전복된 선박 복원

4.1. 산업용

산업에서 압축 공기는 전력, 천연 가스, 물 다음으로 네 번째 유틸리티로 간주될 만큼 널리 사용된다. 그러나 단위 에너지 전달 기준으로 볼 때 압축 공기는 다른 세 가지 유틸리티보다 비용이 더 많이 든다.

압축 공기는 다음과 같은 여러 용도로 사용된다.

; 동력용
: 누전이나 방전 등이 화재 및 폭발 등의 재해를 일으킬 가능성이 높은 공장에서 전기를 이용한 동력 대신 사용된다. 또한 식품 가공 등의 공장에서 대량의 물을 사용하는 공정에서는 간이 방수로 끝낼 수 있는 공압 기계가 사용되는 경우가 많다.

; 보조 동력용
: 공장의 생산 기계 등에서 두 점 사이를 단순 왕복하는 기구가 많이 사용되는데, 이러한 동력원으로 전자기 밸브와 에어 실린더가 모터 등 다른 동력원보다 기구가 간단해지기 때문에 많이 사용된다. 또한 압축 공기를 불어넣어 가공물 등을 이동시키는 기구가 사용되기도 한다.

; 세척용
: 공기를 불어넣어 쓰레기 등 불필요한 부착물을 제거하기 위해 압축 공기가 사용된다.
* 부식 생성물 및 코팅을 제거하기 위한 연마 블라스팅
* 사출 성형
* 에어브러시는 모형 철도 제작자 및 기타 취미 애호가들이 자동차, 보트, 비행기 및 기차를 칠하고 풍화시키는 데 사용된다.
* 식품 및 음료 캡핑 및 발효

4.2. 의료용

치과에서 치아를 깎는 드릴의 동력원으로 사용되고 있다.

4.3. 교통 기관

철도 차량, 화물 자동차, 버스 등 중형 및 대형 자동차에서 브레이크 동력원으로 사용되며, 철도 제동 시스템과 도로 차량 제동 시스템이 있다. 2000년대 이후 압축 공기 차의 시제품이 여러 회사에서 제작되고 있다.

4.4. 기타

* 공압을 이용한 다양한 분야에서 활용
공압 우편: 캡슐을 사용하여 종이 및 작은 상품을 튜브를 통해 이동
에어 공구
HVAC 제어 시스템
스프레이 페인팅
* 차량 추진 (압축 공기 차량 참조)
* 에너지 저장 (압축 공기 에너지 저장 참조)
* 레저 활동
놀이공원, 골프 코스(스프링클러 시스템), 호텔 엘리베이터, 스키 리조트(제설)
* 에어 브레이크
철도 제동 시스템
도로 차량 제동 시스템
* 수중 다이빙: 호흡용, 부력 보상 장치 및 리프팅 백 팽창, 에어리프트 준설에 사용
* 소용돌이관을 사용한 냉동
* 엔진의 에어 스타트 시스템
* 탄약 추진
공기총
에어소프트 장비
페인트볼 장비
* 작은 공간에서 먼지와 작은 파편 청소
* 부식 생성물 및 코팅 제거를 위한 연마 블라스팅
* 사출 성형
* 에어브러시: 모형 철도 제작 및 기타 취미 애호가들이 자동차, 보트, 비행기 및 기차를 칠하고 풍화
* 식품 및 음료 캡핑 및 발효
* 노르웨이 프레이케스톨렌/Lysefjorden의 압축 공기는 주로 중국에 캔으로 판매
* 무화 기관차의 동력
* 놀이공원 어트랙션의 동력
후지큐 하이랜드 - 도돈파, 레드 타워
사가미코 리조트 프리저 포레스트 - 오조라 텐고쿠
요미우리 랜드 - 크레이지 휴스턴
나가시마 스파랜드 외 - 스페이스 샷
* 증기 기관차 동태 보존을 위한 동력 (동태 보존 중인 증기 기관차 참조)
* 전복된 선박 복원, 전복된 선내에 갇힌 사람 구조

5. 압축 공기의 품질 (ISO 8573-1)

압축 공기의 품질, 즉 청정도에 대해서는 다양한 규격이 존재하지만, 일반적으로 ISO 8573-1 (JIS B 8392-1)이 적용된다.

압축 공기 중의 주요 오염 물질은 ① 고체 입자, ② 물, ③ 오일의 3종류이며, 이러한 "청정 등급"이 규정되어 있다.

* ① 고체 입자는 입자 크기 0.1 - 5 μm의, 각각의 단위 체적 중 최대 입자 수
* ② 물은 액체와 증기 모두에서 압력 노점 ℃
* ③ 오일은 에어로졸과 증기 모두에서, 단위 체적 중의 총 농도 (mg/m³)

으로 등급이 분류된다.

기체상 오염 물질이나 미생물 오염 물질의 등급은 이 규격에서는 규정되어 있지 않지만, 미생물(세균, 효모 및 곰팡이)은 시험 규격 ISO 8573-7(JIS B 8392-7)에 따른 단위 체적당 콜로니 개수를 의미하는 CFU (Colony Forming Unit)가 제시되어 있다. 단, 이 규격은 호흡용, 의료용, 식품 및 음료 제조용 공기에는 적용되지 않는다. 어디까지나 일반적인 공업용 압축 공기에 적용되는 것이다.

6. 시스템 설계

압축기실은 압축기에서 발생하는 폐열을 제거하기 위한 환기 시스템으로 설계되어야 한다.

6.1. 수분 및 오일 증기 제거

압축 공기는 대기압에서 압축될 때 고압 공기가 담을 수 있는 것보다 훨씬 많은 수증기를 포함한다. 상대 습도는 물의 특성에 의해 지배되며 공기 압력의 영향을 받지 않는다. 압축 공기가 냉각된 후 기화된 물은 액화된 물로 변한다.

압축기를 떠나는 공기를 냉각하면 배관에 들어가기 전에 대부분의 수분을 제거할 수 있다. 에프터쿨러, 저장 탱크 등은 압축 공기가 40°C까지 냉각되도록 도울 수 있으며, 그러면 수분의 2/3가 액체로 변한다.

과도한 수분 관리는 압축 공기 분배 시스템의 요구 사항이다. 시스템 설계자는 배관이 경사를 유지하여 배관 시스템의 낮은 부분에 수분이 축적되는 것을 방지해야 한다. 트랩된 물을 배출할 수 있도록 대규모 시스템의 여러 지점에 드레인 밸브를 설치할 수 있다. 파이프 헤더에서 탭을 파이프 상단에 배치하여 수분이 장비에 공급하는 파이프 분기로 유입되지 않도록 할 수 있다. 파이프 크기는 피크 수요 시 직선 파이프에서 과도한 속도로 인해, 또는 파이프 피팅에서 난류로 인해 배관 시스템에서 과도한 에너지 손실을 방지하도록 선택된다.

7. 호흡용 공기

스쿠버 다이빙과 같이 고압으로 저장하여 필요할 때 점진적으로 방출하거나, 표면 공급 다이빙과 같이 요구 사항을 충족하기 위해 지속적으로 생성할 수 있다. 호흡용 공기는 기름 및 기타 오염 물질이 없어야 한다. 예를 들어, 일반 대기압에서는 위험하지 않을 수 있는 미량의 부피 분율의 일산화탄소는 가압된 공기를 호흡할 때 비례적으로 더 높은 분압으로 인해 치명적인 영향을 미칠 수 있다. 호흡용 공기를 위한 공기 압축기, 필터 및 공급 시스템은 일반적으로 공기 품질 요구 사항이 다르기 때문에 공압 공구 또는 기타 용도로 사용되지 않는다.

교량 또는 기타 구조물의 기초를 건설하는 작업자는 케이슨이라고 하는 가압된 밀폐 공간에서 작업할 수 있으며, 압력 하에서 공기를 채워 밀폐 공간의 열린 바닥에 물이 들어오는 것을 방지한다. 17세기 초에 다이빙 벨에서 작업하는 근로자가 숨가쁨을 경험하고 질식의 위험이 있다는 것이 알려졌으며, 벨에 신선한 공기를 방출함으로써 완화되었다. 이러한 근로자는 또한 압력이 해제됨에 따라 표면으로 돌아올 때 통증 및 기타 증상을 경험했다. 드니 파팽은 1691년에 표면에서 신선한 공기를 지속적으로 압력을 가해 벨로 밀어 넣으면 다이빙 벨에서의 작업 시간을 연장할 수 있다고 제안했다. 19세기까지 케이슨은 토목 건설에 정기적으로 사용되었지만, 근로자는 표면으로 돌아올 때 심각하고 때로는 치명적인 증상을 경험했으며, 이를 케이슨병 또는 감압병이라고 한다. 많은 근로자가 브루클린 다리 및 이즈 다리와 같은 프로젝트에서 이 질병으로 사망했으며, 1890년대에 이르러서야 근로자가 조직 내에 위험한 기포 형성을 방지하기 위해 천천히 감압해야 한다는 것을 이해하게 되었다.

20m 이하로 잠수할 때 사용되는 것과 같이 적당히 높은 압력의 공기는 신경계에 마취 효과를 증가시킨다. 질소 마취는 잠수 시 위험하다. 30m를 훨씬 넘어서 잠수하는 경우, 공기만 사용하는 것은 덜 안전하며 헬륨을 함유한 호흡 가스와 같은 특수 호흡 혼합물을 자주 사용한다.