을 줄이기 위해 레귤레이터 유량 곡선을 편평하게 만드는 방법

Droop을 줄이기 위해 레귤레이터 유량 곡선을 편평하게 만드는 방법

Jon Kestner

산업용 유체 시스템을 안전하게 가동하기 위해서는 일관된 압력 제어가 매우 중요합니다. 레귤레이터에서 하단의 압력을 안정적으로 유지하면 특히 대유량 시스템에서 유량 변화를 최소화할 수 있습니다. 단, 지속적으로 압력을 제어하고 Droop을 최소화하기 위해서는 유체 시스템 외부에서 부품이 추가로 필요할 수 있습니다.

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Droop이란?

Droop이란 하단의 유량이 증가함에 따라 출구 압력이 감소하는 것을 말합니다. 위의 차트(도표 1)은 유량 곡선의 예시입니다.  유량 곡선 은 레귤레이터가 다양한 시스템 유량에 따라 유지하는 출구 압력 범위를 설정할 때 유용하게 사용할 수 있는 도구입니다. 유량 곡선은 제품 시험을 통해 확인할 수 있으며 특정 시스템 조건들에서 레귤레이터의 실제 성능을 나타냅니다. 

수직축은 출구 압력을 나타내고 수평축은 하단의 유량을 나타냅니다. 곡선에서 가장 편평한 또는 수평에 가까운 부분은 레귤레이터가 유량이 크게 변해도 압력을 일정하게 유지하는 구간을 나타냅니다. 곡선의 가장 오른쪽 부분은 레귤레이터가 완전히 열려있고 압력을 일정하게 유지하지 못할 때를 가리킵니다. 압력이 급강하기 시작하여 0과 가까워지는 지점은 포펫(poppet)이 제 한계에 가까워 제어를 잃게 되는 부분입니다. 이 부분에서 레귤레이터는 압력 제어 장치보다는 유량을 제한하는 오리피스(orifice)에 가깝습니다. 

감압 레귤레이터는 모두 Droop을 보이지만, 이 현상을 최소화하기 위한 조치는 취할 수 있습니다. 각 시스템에 적합한 레귤레이터 방식을 선택하면 더 편평한 유량 곡선을 만들어낼 수 있습니다. Droop을 줄이는 4가지 옵션은 다음과 같습니다.

옵션 A: 단순 스프링 하중 레귤레이터 (Simple spring-loaded regulator) 

가장 일반적으로 사용되는 감압 레귤레이터는 스프링 하중 레귤레이터입니다. 이 구조에 따르면 스프링은 다이아프램이나 피스톤과 같은 감지 요소에 힘을 가하여 포펫을 오리피스와 가깝거나 멀리 이동시켜 하단 압력을 제어합니다. 기준선으로는 스프링 하중 레귤레이터를 사용할 것입니다.

스프링 하중 감압 레귤레이터는 일반적인 애플리케이션에서 Droop을 줄이려고 할 때 적당한 성능을 제공합니다. 이 구조에서는 시스템 유량 요구가 증가하면 레귤레이터 포펫이 유량을 늘리기 위해 시트 쪽에서 멀어지게 되고, 결국 하중 스프링을 이완시켜 하중과 레귤레이터 설정값을 낮춥니다. 유량 요구가 변하면 Droop의 크기는 하중 스프링 탄성율(rate)에 좌우되어, 정확도를 더 높여야 할 때는 고정 압력 목표값에 맞추어 수동으로 조정해야 하는 경우도 있습니다.

Droop을 개선하고 유량 곡선을 편평하게 하는 더 효율적인 옵션은 돔 하중 감압 레귤레이터(Dome loaded pressure-reducing regulator)입니다. 이 유형의 구조에서 하중은 스프링 대신, 돔 챔버에 갇혀 있는 가압 기체에 의해 제어됩니다. 기체는 다이어프램을 굴곡시켜서 포펫을 오리피스에서 멀리 이동시키고 하단 압력을 제어합니다. 아래의 나머지 옵션들은 다양한 부품을 활용해 돔 하중 레귤레이터 설계를 변경한 것으로, 어떤 방식으로 Droop을 최소화하여 성능을 강화하는지 소개해드리겠습니다.

옵션 B: 파일럿 레귤레이터(Pilot regulator)가 추가된 돔 하중 레귤레이터

옵션 B는 파일럿 레귤레이터를 돔 하중 감압 레귤레이터에 결합합니다. 이 구성에서 돔 하중 레귤레이터는 돔 챔버에 일정하게 압력을 유지시켜 압력 변화에 반응합니다. 파일럿 레귤레이터는 돔 하중 레귤레이터의 돔 챔버에 가스 공급을 제어하는 데 사용합니다. 위의 도표 2에서 볼 수 있듯이, 과도한 돔 압력은 모두 출구 루프를 통해 완화됩니다. 

시스템 유량 요구가 증가하면 포펫은 시트에서 멀어져 추가 유량을 허용합니다. 그러나 스프링 하중 레귤레이터와 달리 하중이 완화되는 스프링이 없습니다. 그 대신 다이어프램이 아래로 휘어져 돔 챔버를 확장하고 돔 압력을 조금씩 낮춥니다. 파일럿 레귤레이터가 돔의 압력 강하를 감지하면, 돔 안으로 가스가 더 들어오도록 개방하여 설정한 고정 압력을 유지하도록 합니다. 하단 시스템에서 유량 요구가 감소하면 포펫은 시트와 가까운 곳까지 올라가 다이어프램을 위에 있는 돔 안으로 밀고 돔 압력을 조금씩 높입니다. 이 과도한 압력은 동적 제어 출구 루프를 통해 레귤레이터의 하단으로 빠져나가게 됩니다. 

도표 2: 옵션 B 구성에는 파일럿 레귤레이터가 추가된 돔 하중 레귤레이터와 돔 압력을 제어하는 동적 제어 출구 루프(dynamic control outlet loop)가 있습니다. 

도표 1을 다시 보면, 이 구성은 “옵션 B”라고 설명한 유량 곡선을 대표합니다. 옵션 A와 비교하면 기준선인 스프링 하중 레귤레이터 곡선, 돔 하중 레귤레이터, 파일럿 레귤레이터 구성이 더 동적인 압력 제어를 제공합니다. 여전히 Droop을 조금씩 관찰할 수 있지만 유량 곡선은 더 편평합니다. 이는 레귤레이터가 광범위한 유량에 걸쳐 고정 압력을 더 정확하게 유지한다는 것을 나타냅니다. 표준 돔 하중 레귤레이터는 출구 압력 저하를 크게 걱정하지 않으면서 많은 시스템에서 사용할 수 있습니다. Droop은 아래에서 설명하는 기타 구성을 사용하면 더 많이 줄일 수 있습니다. 

옵션 C: 돔 하중 레귤레이터에 연결된 외부 피드백 라인(Feedback line)  

돔 하중 레귤레이터에 외부 피드백을 추가하면 정확도를 더 높일 수 있습니다. 하단 공정 라인에서 튜브를 돔 하중 레귤레이터의 감지 부분(sensing area)으로 다시 연결하여 외부 피드백을 레귤레이터로 연결합니다. 

외부 피드백 라인은 레귤레이터의 하단 시스템에서 레귤레이터 감지 부분까지 압력을 곧장 전달합니다. 이는 표준 돔 하중 레귤레이터 구조와 마찬가지로 레귤레이터가 레귤레이터 내부의 압력 변화가 아닌 시스템 어느 지점의 압력 변화에 반응하도록 합니다.

도표 1을 다시 보면, 옵션 C가 세 번째 유량 곡선으로 나타납니다. 운전 유량은 임계 쵸크(choke)  포인트에 도달하기 전에 증가합니다. 이 유량 곡선이 앞의 두 옵션의 곡선보다 더 편평하더라도 약간의 Droop은 여전히 남아 있습니다.

옵션 D: 파일럿 레귤레이터에 연결된 외부 피드백 라인

마지막 옵션은 유량 곡선을 편평하게 하는 최상의 구성입니다. 도표 4에서 볼 수 있듯이, 외부 피드백 라인이 돔 하중 레귤레이터가 아닌 파일럿 레귤레이터에 직접 연결되었습니다. 이는 파일럿 레귤레이터가 실제 하단 압력에 기반하여 돔 하중 레귤레이터 챔버에서 압력을 매우 정확하게 조정할 수 있도록 하며, 돔 하중 레귤레이터는 출구 압력을 변경하여 보상할 수 있습니다. 

시스템 유량 요구가 증가하면, 추가된 피드백 라인을 통해 낮아진 압력이 파일럿 레귤레이터로 돌아갑니다. 파일럿은 돔 하중 레귤레이터의 압력을 증가시켜 이 압력 변화에 반응하며, 적합한 하단 설정 압력이 유지됩니다. 이 구성에서 피드백 루프는 최적의 성능으로 시스템을 안정시키기 위해 계속해서 자동 조정할 수 있습니다. 도표1에서 Droop이 작고 유량 범위가 넓은 마지막 유량 곡선이 바로 이 옵션입니다.

모든 레귤레이터에는 약간의 Droop이 있고, 이 Droop을 허용하는 시스템이 있을 수도 있습니다. 하지만 유량이 변경되도 압력을 꾸준히 유지해야 한다면, 적합한 레귤레이터 구성이 필요합니다. 스웨즈락 판매 및 서비스 센터로 문의하시면 여러분의 유체 시스템에 적합한 감압 레귤레이터 구성에 대해 전문적인 도움을 받으실 수 있습니다.

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