대기와 공기압의 이용

대기와 공기압의 이용

대기와 공기압
공기압 기기는 대기의 공기를 이용하고 있는데 이 대기는 지구를 둘러싸고 있는 공기층을 말하며 지상 1000km 이상의 상공에 거처 존재한다.
대기는 지상으로 부터 높이에 따라 밀도가 변화며 해발도가 높아짐에 다라 감소한다.
일반 공기(순수공기)의 구성원으로 질소(78.79%),산소(20,95%)가 전체의 99%를 차지하고 있으며 이 외에 아르곤,네온,헬륨,크립톤,크세논등의 불활성 가스와 탄산 가스등을 포함하고 있다..
실제적으로 공기는 이밖의 수분및 먼지,아황산 가스등의 이물징을 함유하고 있고 이한 대기중의 공기를 기계적으로 압축(air compressor) 이용하는것이 공기압분야이다.

1-1. 대기압과 공기압

우리들이 살고 있는 지구는 공기로 둘러 쌓여 있고, 그 공기중의 산소는 동·식물이 살아가는데 없어서는 안되는 필수 요소이다. 그러면 공기는 어느 정도 있을까. 공기는 해면에서 고도 수십 키로미터까지 있는 것으로 알려져 있다. 체적으로 보면 해수(海水) 보다도 상당히 많은 양이다. 실제로는 공기와 함께 구름 등이 수분과 장소에 따라 공기이외의 가스로 존재하고 있으므로, 이러한 것도 합쳐서 공기라 한다. 그러므로 정확하게 지구는 대기로 둘러 쌓여 있는 것이 된다.

그러면, 왜 대기는 지구에서 분리되지 않을까. 그것은 공기 뿐만 아니라 그 이외의 가스에도 중량이있기 때문에 인력에 의해 지구 표면에 일정한 두께로 존재하고 있는 것이다. 또, 공기 등의 기체는, 체적을 변화 시키기 쉬운 특징을 갖고 있다. 이것은 풍선 등에서도 확인할 수 있고, [그림 2]와 같은 자동차의 공기흡입과 비슷한 장치라면, 누르는 힘이 강할수록 공기는 압축되고, 힘을 제거하면 원래의 크기로 팽창한다. 이것을 “압축성이 있다”라고 한다. 대기중의 공기는 중량과 압축성이 있기 때문에, 하층은 상층의 공기 중량 으로 누루고 있어서, 밀도가 높은 상태로 된다. 그러므로, 해면 근처의 공기가 가장 밀도가높고, 에베레스트 산의 정상은 비정상적으로 공기가 희박하다.

[그림 2]도 압축하는 만큼 밀도가 높아지지만, 원래의 체적으로 돌아가려는 반발력도 동시에 강하게 된다. 이 반발력을 발생하는 능력은, 일반적으로 밀도가 아닌 압력의 고저로 표시된다. 기체를 압축하면, 밀도가 높아지고 동시에 압력도 높아진다. 압력을 표시하는 단위는 수은을 밀어 올리는 힘인 mmHg나 단위면적에 작용하는 힘의 크기인 MPa로 표시된다.

대기중에서 가장 압력이 높은 해면에서는, 어느 정도의 압력이 걸리는 것일까. 예를들면 이 압력은[그림 3]과 같이 수은주를 760mm의 높이까지 밀어 올리므로 760mmHg로 표시할 수 있고, 또한 1mm2의 면적에서 0.1013N 의 힘이 걸리므로, 0.1013MPa로 표시할 수 있다. 이것은 기상분야에서의 1013mbar와 같다. 이와 같은 압력 중에서 생활하고, 일을 하고 있는 것이다. 이 압력을 “대기압”이라 한다.

대기압 = 760mmHg = 0.1013MPa (1.033Kgf/㎠) = 1013mbar

대기압까지 압축된 공기는, 우리들 주변에 얼마든지 있는 것이다. 이것을 강제적으로 압축하면 압력은 더욱 높아지고, 그 높아진 압력에서는 힘(에너지)이 얻어진다. 이와 같이 어떤 목적을 위해 대기압보다 압력을 높게 만든 공기를 “공기압”이라 한다.

1-2. 공기압 이용

공기압은 어떻게 사용되고 있을까. 최근 자전거나 자동차의 타이어에 쿠션효과를 발휘하기도 하고, 돔형 구장의 지붕을 들어올리고, 치과에서 공기흡입 하는것을 생각할 수 있다. 또, 실제로 버스나 전차의문 개폐 에도 공기압이 이용되고 있고, 문의 개폐시에 들을 수 있는 “쉬-”하는 소리도 공기압이 일을 하고 있는 소리 이다.

이와 같이 공기압은 인간을 대신하여 일을 한다. 그러므로 대부분의 생산공장 내에서도 볼 수 있다. 기계, 전기, 전자, 식품, 인쇄 등 업종을 불문하고 이용되고 있다. 공기압은 용기 내에 있어도 항상 팽창하는 힘을 발생하고 있고, 압력이 높은 만큼 그 힘의 크기도 증가된다. 용기에 구멍이 있으면 빠르게 외부로 빠져 나간다. 용기중의 압력이 낮아짐과 동시에 용기 내면에 작용하는 힘도 약해지고, 외측의 압력과 용기내의 압력이 같아지면, 공기의 누출은 정지된다. 이와같이 공기압의 분출을 이용하여, 공장에서는 가공시에 발생한 절분을 불어 내거나 도장할 때의 분사와 같은 일을 한다.

또, [그림 4]와 같은 용기를 만들어 외부에서 공기를 공급하면, 공기압의 팽창하려는 힘에 의해, 무거운 물체 를 들어 올리는 일도 가능하다. 이와 같은 방법으로 공기압에서 직선운동을 하는 기기를 공기압 실린더 또는 에어 실린더라 한다. 버스나 전차의 문 개폐에 이와 같은 공기압 실린더가 사용된다. 공장내에서는, 인간을 대신하여 LIFTING, CLAMPING 등의 작업을 하여 자동화, 생력화에 크게 기여하고 있다.

1-3. 공기압 특징

공기압은 압축기에서 만들어 진다. 압축기는 자전거의 공기흡입과 같이, 대기에서 공기를 흡입하여 압축하는 것에 의해 공기압을 만드는 기계이다. 만들어진 공기압은 배관이나 튜브를 통해 작업장소까지 흘려 보내 일을 하지만, 사용되어진 후에는 대기로 방출되어 원래의 공기로 되돌아 간다. 이와 같이 공기압 시스템은 자원으로서 공기를 감소시키지 않는다. 또 공기는 화재의 위험성이 없으므로 안전하고, 물론 공해도 없는 것이 특징이다. 이와 같이 공기압은 에너지원으로서 얼마든지 얻을 수 있기때문에, 앞으로 그 이용 범위가 넓어질 것으로 예상된다.