조속기
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1. 개요
조속기는 작동 속도를 일정하게 유지하기 위해 사용되는 장치이다. 17세기 풍차에 처음 사용되었으며, 제임스 와트가 증기 기관에 도입하면서 중요성이 커졌다. 원심 조속기는 회전하는 추의 원심력을 이용하여 증기 밸브를 조절하는 방식으로 작동하며, 윌러드 기브스는 이 장치의 이론적 분석을 수행했다. 조속기는 엔진, 터빈, 자동차, 항공기, 소형 엔진, 엘리베이터 등 다양한 분야에 활용되며, 속도 제한 및 제어에 기여한다.
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원심 조속기는 회전 속도에 따라 움직이는 추를 이용하여 기계의 속도를 제어하는 장치로, 추의 원심력을 이용해 스로틀 밸브를 조절하여 속도를 일정하게 유지하며 산업 혁명에 기여했고 현재에도 다양한 기계에서 사용된다. - 기계 동력 제어 - 탈진기
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| 조속기 | |
|---|---|
| 개요 | |
 | |
| 유형 | 스위치 |
| 심볼 | [[파일:IEEE 315 Contacts, Switches, Contactors, and Relays Symbols (153).svg]] |
| 정의 | |
| 설명 | 기계의 속도를 측정하고 조절하는 데 사용되는 장치 |
| 같이 보기 | |
| 관련 항목 | 셀프 리미팅 |
| 관련 항목 | 조속기 |
2. 역사
원심 조속기는 17세기부터 풍차의 맷돌 간 거리와 압력을 조정하는 데 사용되기 시작했다. 초기 증기 기관은 순수하게 왕복 운동만 사용했으며, 물을 퍼올리는 용도로 사용되어 작동 속도가 변동해도 큰 문제가 없었다. 이후 제임스 와트가 회전식 증기 기관을 도입하면서 공장 기계 등을 구동하기 위해 동작 속도를 일정하게 유지할 필요성이 생겼다.
20세기에 들어 진공관 증폭기에 피드백 기술이 활용되고 제어 이론 연구가 진행되면서, 조속기의 작동 원리가 명확해지고 이론화되었다.
2. 1. 초기 역사
원심 조속기는 17세기부터 풍차에서 맷돌 사이의 거리와 압력을 조절하기 위해 사용되었다.[1] 초기 증기 기관은 순수하게 왕복 운동만 사용했으며, 물을 퍼올리는 데 등에 사용되어 작동 속도가 변동해도 큰 문제가 되지 않았다.2. 2. 제임스 와트와 증기 기관
1775년에서 1800년 사이에, 제임스 와트는 사업가 매튜 볼턴과 협력하여 500대 가량의 회전식 빔 엔진을 생산했다. 이 엔진의 핵심 부품은 와트가 직접 설계한 "원추 진자" 조속기였다. 이 조속기는 연결 암으로 수직 스핀들에 부착된 회전하는 강철 공 세트로 구성되었으며, 제어력은 공의 무게에 의해 결정되었다. 와트는 회전식 증기 기관의 속도를 일정하게 제어하기 위해 이 원심 조속기를 개발했다.2. 3. 이론적 발전
제임스 클러크 맥스웰은 1868년 논문 'On Governors'에서 조속기의 작동에 대한 이론적 근거를 설명했다.[1]윌라드 기브스는 1872년 와트의 원추형 진자 조속기를 수학적 에너지 균형 관점에서 분석했다. 예일 대학교 대학원 시절, 기브스는 이 장치의 작동이 둔하고, 제어해야 하는 속도 변화에 대해 과도하게 보정하는 경향이 있다는 단점을 발견했다.[2]
기브스는 단순한 와트 조속기의 평형 (두 토크의 균형, 즉 "공"의 무게에 의한 토크와 회전에 의한 토크의 균형)과 유사하게, 모든 작업을 생성하는 열역학적 시스템의 열역학적 평형은 두 가지 요소의 균형에 달려 있다고 이론화했다. 첫 번째는 중간 물질에 공급되는 열 에너지이고, 두 번째는 중간 물질에 의해 수행되는 일 에너지이다. 여기서 중간 물질은 증기이다.
이러한 이론적 연구는 1876년 기브스의 유명한 저서 '불균일한 물질계의 평형에 관하여' 출판과 기브스 조속기 제작으로 이어졌다. 이 공식은 오늘날 자연 과학에서 화학 반응의 평형을 결정하는 데 사용되는 기브스의 깁스 자유 에너지 방정식 형태로 널리 사용된다.[3]
2. 4. 20세기 이후
제임스 클러크 맥스웰은 1868년 논문 'On Governors'에서 조속기의 작동에 대한 이론적 근거를 설명했다.[1] 1872년 윌라드 기브스는 제임스 와트의 원추형 진자 조속기를 수학적 에너지 균형 관점에서 이론적으로 분석했다.[2] 기브스는 단순 와트 조속기의 평형이 두 토크의 균형, 즉 "공"의 무게에 의한 토크와 회전에 의한 토크에 의해 결정된다는 것을 밝혔다. 그는 더 나아가 모든 작업을 생성하는 열역학적 시스템의 열역학적 평형은 중간 물질에 공급되는 열 에너지와 중간 물질이 수행하는 일 에너지, 이 두 요소의 균형에 달려 있다고 이론화했다. 여기서 중간 물질은 증기였다.이러한 이론적 연구는 1876년 기브스의 저서 'On the Equilibrium of Heterogeneous Substances' 출판과 기브스 조속기 제작으로 이어졌다. 오늘날 자연 과학에서 화학 반응의 평형을 결정하는 데 사용되는 기브스의 깁스 자유 에너지 방정식은 '기브스 평형'이라고도 불린다.[3]
조속기는 초기 자동차(1900년 윌슨-필처 등)에서 수동 스로틀의 대안으로 사용되었다. 엔진 속도를 설정하면 조속기가 차량의 스로틀과 타이밍을 조정하여 속도를 일정하게 유지했는데, 이는 현대식 크루즈 컨트롤과 유사한 방식이었다. 조속기는 윈치나 유압 펌프(예: 랜드로버)와 같은 엔진 구동 액세서리가 있는 유틸리티 차량에도 선택적으로 사용되어, 구동되는 부하의 변화에 관계없이 엔진을 필요한 속도로 유지했다.
3. 종류 및 작동 원리
와트가 실용화한 원심 조속기는 회전하는 축 주위의 추가 원심력에 의해 바깥으로 펴지는 것을 이용한다. 증기 기관의 경우, 추의 바깥쪽으로의 움직임이 실린더로 증기를 이끄는 밸브를 닫는 방향으로 작용하도록 한다. 출력이 올라가 회전이 빨라지면 추가 흔들리고 밸브를 닫아 출력을 억제하며, 출력이 내려가면 추는 돌아와 밸브를 열어 출력을 올린다. 이러한 역방향 제어(귀환)를 통해 기관의 출력을 일정하게 유지한다.
가솔린 엔진이나 터빈 엔진에서도 유사한 조속기가 사용된다. 가솔린 엔진과 석유 발동기에서는 증기 밸브 대신 기화기의 밸브를 개폐한다.[1]
3. 1. 원심 조속기
와트가 실용화한 원심 조속기는 회전하는 축 주위의 추(錘)가 원심력에 의해 바깥쪽으로 펴지는 것을 이용한다. 증기 기관의 경우, 추의 바깥쪽으로의 움직임이 실린더로 증기를 이끄는 밸브를 닫는 방향으로 작용하도록 한다.[1] 출력이 올라가 회전이 빨라지면 추가 흔들리고, 밸브를 닫으려고 하여 출력을 억제한다. 출력이 내려가면 추는 돌아와 밸브를 열려고 하여 출력을 올린다. 이 역방향 제어(음 귀환)의 미묘한 균형에 의해 기관의 출력을 일정하게 유지한다. 기관에 부하가 있는 경우에도 작용하므로, 더 정확하게는 출력보다는 이름 그대로 속도 조정을 수행하는 것이다.가솔린 엔진 등의 내연 기관이나 터빈 엔진에서도 유사한 원리가 사용된다. 가솔린 엔진과 석유 발동기에서는 증기 밸브 대신 기화기의 밸브를 개폐한다.
축음기에서는 음반 레코드를 재생하기 위해 스프링 모터의 작용을 일정하게 유지하기 위해 조속기가 사용된다. 강철에 납 추를 부착하고, 한쪽에 거버너가 고정된 축을 회전시키고, 원심력으로 강철이 추의 납에 이끌려 팽창한다. 거버너에도 원반이 부착되어 있고, 거기에 브레이크가 장착되어 일정 힘으로 원반을 누름으로써 음반 레코드의 회전을 일정하게 유지한다. 초기의 음반 레코드 녹음은 78회전으로 통일되지 않아 72회전에서 82회전 정도였기 때문에 미세 조정도 가능하도록 거버너에 브레이크를 설치하여 회전수를 맞췄다.
3. 2. 공압 조속기
공압 조속기 메커니즘은 공랭식 엔진을 냉각하는 데 사용되는 플라이휠 송풍기의 기류를 감지한다. 일반적인 설계에는 엔진의 송풍기 하우징 내부에 장착되고 기화기의 스로틀 샤프트에 연결된 에어 베인이 포함된다. 스프링은 스로틀을 열고, 엔진 속도가 증가함에 따라 송풍기의 기류가 증가하여 베인을 스프링에 대해 뒤로 밀어 스로틀을 부분적으로 닫는다. 결국, 평형 지점에 도달하여 엔진이 비교적 일정한 속도로 작동한다.[10] 공압 조속기는 설계가 간단하고 생산 비용이 저렴하지만, 엔진 속도를 매우 정확하게 조절하지 못하며, 기류에 영향을 미칠 수 있는 외부 조건뿐만 아니라 공기 밀도의 영향을 받는다.[10]3. 3. 전자 조속기
서보 모터는 스로틀에 연결되어 있으며, 점화 시스템 또는 자기 픽업에서 방출되는 전기 펄스를 세어 엔진 속도를 감지하는 전자 모듈에 의해 제어된다.[10] 이러한 펄스의 주파수는 엔진 속도에 정비례하므로, 제어 모듈은 서보에 비례적인 전압을 가하여 엔진 속도를 조절할 수 있다. 전자 조속기는 속도 변화에 대한 민감도와 빠른 응답성으로 인해 컴퓨터 하드웨어에 전원을 공급하도록 설계된 엔진 구동 발전기에 자주 장착되는데, 이는 발전기의 출력 주파수를 오작동 방지를 위해 좁은 범위 내에서 유지해야 하기 때문이다.4. 응용 분야
조속기는 다양한 분야에서 활용된다.
원심 조속기는 17세기부터 풍차의 맷돌 사이의 거리와 압력을 조절하는 데 사용되었다. 초기 증기 기관은 순수한 왕복 운동으로 물을 펌프하는 데 사용되어, 작동 속도 변화에 영향을 받지 않았다.
1775년에서 1800년 사이에 제임스 와트는 매튜 볼턴과 협력하여 약 500개의 회전형 보조 엔진을 생산했는데, 이 엔진의 핵심은 와트가 직접 설계한 "원추형 진자" 조속기였다. 제임스 클러크 맥스웰은 1868년 'On Governors'라는 논문에서 조속기의 작동 원리를 설명했다.[1] 1872년 미국 엔지니어 윌라드 기브스는 와트의 원추형 진자 조속기를 수학적 에너지 균형 관점에서 분석했다.[2] 기브스는 1876년 'On the Equilibrium of Heterogeneous Substances'를 출판하고 기브스 조속기를 제작했다. 이 공식은 오늘날 깁스 자유 에너지 방정식 형태로 화학 반응 평형을 결정하는 데 사용되며, '기브스 평형'이라고도 한다.[3]
조속기는 초기 자동차(1900년 윌슨-필처 등)에서 수동 스로틀의 대안으로 사용되었다. 엔진 속도를 설정하고, 차량 스로틀과 타이밍을 조절하여 속도를 일정하게 유지했다. 윈치나 유압 펌프와 같은 엔진 구동 액세서리가 있는 차량에도 선택적으로 사용되어, 부하 변화에 관계없이 엔진을 필요한 속도로 유지했다.
항공기 프로펠러의 RPM을 일정하게 유지하거나, 잔디 깎는 기계와 발전기 같은 소형 엔진의 과속을 방지하고 부하 변동에 관계없이 일정한 속도를 유지하는 데에도 사용된다.[10] 엘리베이터가 과속할 경우 안전 장치로 작동하여 강제로 정지시키기도 한다.[13]
시계는 Escapement|이스케이프먼트영어라는 정속 기구를 사용하여 정확한 시간을 유지하고, 오르골은 에어 가버너(공기 조속기) 또는 원심 조속기를 사용하여 일정한 템포로 음악을 연주한다. 축음기는 원반 회전을 일정하게 유지하여 음반 레코드를 재생하고, 카메라는 셔터 개방 시간을 정확하게 제어하여 노출을 조절한다.[1]
4. 1. 엔진 및 터빈
내연 기관(가솔린 엔진, 석유 발동기 등)에서는 기화기의 밸브를 개폐하여 속도를 조절한다.[1]증기 터빈의 증기 터빈 제어는 증기 흐름을 감시하고 제어하여 터빈의 회전 속도를 일정하게 유지하는 절차이다. 증기 흐름률은 보일러와 터빈 사이에 밸브를 설치하여 감시하고 제어한다.[11]
수차에서는 19세기 중반부터 조속기를 사용하여 속도를 제어해 왔다. 전형적인 시스템은 터빈 입구 밸브 또는 가이드 베인에 직접 작용하는 플라이볼 조속기를 사용하여 터빈으로 들어가는 물의 양을 제어한다. 1930년대에는 기계식 조속기보다 정밀한 제어를 위해 PID 제어기를 사용하기 시작했다. 20세기 후반에는 전자 조속기와 디지털 시스템이 기계식 조속기를 대체하기 시작했다.[12]
4. 2. 자동차
차량의 최고 속도를 제한하는 데 사용되는 장치를 속도 제한 장치라고 하며, 일부 차량에는 법적으로 이 장치가 요구된다.[4] 내연 기관의 회전 속도를 제한하거나 과도한 회전 속도로 인한 엔진 손상을 방지하는 데에도 사용될 수 있다.BMW, 아우디, 폭스바겐, 메르세데스-벤츠는 생산 차량의 속도를 250km/h로 제한한다. 일부 아우디 스포츠 GmbH와 AMG 차량, 메르세데스/맥라렌 SLR은 예외이다. BMW 롤스로이스는 240km/h로 제한된다. 영국의 재규어뿐만 아니라, 스웨덴의 사브와 볼보 역시 필요한 차량에 속도 제한 장치를 장착한다.
독일 제조업체들은 아우토반에서 차량의 최고 속도를 250km/h로 전자적으로 제한하는 "신사 협정"을 맺었다.[4][5] 이는 법적 속도 제한 도입에 대한 정치적 요구를 줄이기 위한 것이었다.
유럽 시장에서 제너럴 모터스 유럽은 이 협정을 무시하기도 하여, 일부 고출력 오펠 또는 복스홀 차량은 250km/h를 초과할 수 있지만, 캐딜락은 그렇지 않다. 페라리, 람보르기니, 마세라티, 포르쉐, 애스턴 마틴과 벤틀리는 차량 속도를 제한하지 않거나, 적어도 250km/h로 제한하지 않는다. 크라이슬러 300C SRT8은 270km/h로 제한된다. 대부분의 일본 내수 시장 차량은 180km/h 또는 190km/h로만 제한된다.[6]
많은 고성능 차량은 보험료를 낮추고, 타이어 파손 위험을 줄이기 위해 250km/h로 속도가 제한된다.[7]
1977년부터 영국에서는 모페드에 30mph 속도 제한 장치를 부착해야 했다.[8] 다른 대부분의 유럽 국가도 이와 유사한 규칙을 가지고 있다.
공공 서비스 차량은 종종 법으로 정해진 최고 속도를 가진다. 영국에서 정기 운행되는 코치 서비스 (그리고 버스 서비스)는 시속 65마일로 제한된다.[9]
도시형 공공 버스는 종종 속도 제한 장치를 가지고 있으며, 이는 일반적으로 65km/h에서 100km/h 사이로 설정된다.
유럽과 뉴질랜드의 모든 대형 차량은 법률/조례에 따라 속도가 90km/h 또는 100km/h로 제한된다. 소방차 및 기타 비상 차량은 이 요구 사항에서 면제된다.
4. 3. 항공기
항공기 프로펠러는 조속기가 응용되는 또 다른 분야이다. 조속기는 샤프트 RPM을 감지하고 블레이드의 각도를 조정하거나 제어하여 엔진에 가해지는 토크 부하를 변경한다. 따라서 항공기가 속도를 높이거나(다이빙 시) 속도를 줄이면(상승 시) RPM이 일정하게 유지된다.4. 4. 소형 엔진
소형 엔진은 잔디 깎는 기계, 휴대용 발전기, 잔디와 정원 트랙터 등에 사용되며, 부하 변동에 관계없이 일정한 속도를 유지하고 과속을 방지하기 위해 조속기가 장착된다.[10] 발전기에는 출력 주파수를 일정하게 유지하기 위해 엔진 속도를 정밀하게 제어해야 한다.소형 엔진 조속기는 크게 세 가지 유형으로 나뉜다.[10]
| 종류 | 설명 | 특징 |
|---|---|---|
| 공압 조속기 | 플라이휠 송풍기의 기류를 감지하며, 에어 베인이 기화기의 스로틀 샤프트에 연결된다. 스프링은 스로틀을 열고, 엔진 속도가 증가하면 송풍기 기류가 증가하여 베인을 뒤로 밀어 스로틀을 부분적으로 닫는다. | 설계가 간단하고 생산 비용이 저렴하지만, 정밀한 속도 조절이 어렵고 공기 밀도 등 외부 조건에 영향을 받는다. |
| 원심 조속기 | 엔진에 의해 구동되는 플라이웨이트 메커니즘이 스로틀에 연결되어 스프링에 작용한다. | 공압 조속기보다 설계 및 생산이 복잡하지만, 속도 변화에 더 민감하여 부하 변동이 큰 엔진에 적합하다. |
| 전자식 | 서보 모터가 스로틀에 연결되며, 점화 시스템 또는 자기 픽업에서 방출되는 전기 펄스를 감지하는 전자 모듈에 의해 제어된다. | 속도 변화에 민감하고 빠른 응답성을 가지며, 컴퓨터 하드웨어에 전원을 공급하는 발전기와 같이 발전기 출력 주파수를 좁은 범위 내로 유지해야 하는 경우에 주로 사용된다. |
4. 5. 엘리베이터
엘리베이터는 과속할 경우 안전 장치인 조속기가 작동하여 강제로 정지시킨다.[13]4. 6. 기타
Escapement|이스케이프먼트영어라는 정속 기구를 사용하여 정확한 시간을 유지하는 시계, 에어 가버너(공기 조속기) 또는 원심 조속기를 사용하여 일정한 템포로 음악을 연주하는 오르골, 원반의 회전을 일정하게 유지하여 음반 레코드를 재생하는 축음기, 셔터의 개방 시간을 정확하게 제어하여 노출을 조절하는 카메라 등이 있다.[1]참조
[1]
서적
A history of control engineering, 1930-1955
https://books.google[...]
IET
[2]
논문
The Early Work of Willard Gibbs in Applied Mechanics
Henry Schuman
[3]
서적
Josiah Willard Gibbs - the History of a Great Mind
Ox Bow Press
[4]
웹사이트
Gentlemen's Agreement: Not So Fast, Sir!
http://www.autoevolu[...]
2012-07-28
[5]
간행물
Ethical Issues in Engineering Design; Safety and Sustainability
3TU Ethics
[6]
웹사이트
Why Japan finally got its foot off the brake | The Japan Times Online
http://search.japant[...]
Search.japantimes.co.jp
2008-04-13
[7]
웹사이트
So Long Guv'nor: Mercedes Will Unlock Top Speed on AMG Models in the US, for a Price
http://www.jalopnik.[...]
2006-02-11
[8]
웹사이트
Reported Road Casualties Great Britain: 2008 Annual Report
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2010-01-09
[9]
웹사이트
History of British road safety
http://www.chapmance[...]
2010-01-20
[10]
웹사이트
How does a small engine governor work?
https://www.briggsan[...]
2018-03-22
[11]
서적
Thermal engineering
https://books.google[...]
Tata McGraw-Hill Education
2015-01-29
[12]
학술지
A Short History of Hydropower Control
http://ieeecss.org/C[...]
2015-01-29
[13]
웹사이트
キーパーソンインタビュー
http://eco.goo.ne.jp[...]
2004
[14]
논문
The Early Work of Willard Gibbs in Applied Mechanics
Henry Schuman
[15]
서적
Josiah Willard Gibbs - the History of a Great Mind
Ox Bow Press
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