공기압축기

왜 배우는가: 공기압축기는 건설현장의 공압브레이커와 공압공구처럼 압축공기로 구동되는 기기에 필요한 압력과 유량을 공급하는 핵심 기계이므로, 설비 선정과 안전관리의 출발점이 된다. 시험에서는 종류와 원리, 용도별 분류, 소음·진동 대책이 한 문제로 묶여 출제되므로 원리를 정확히 이해해야 한다.

출제 이력: 제138회 2교시 2번, 제128회 3교시 4번, 제123회 1교시 1번, 제108회 2교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

공기압축기는 대기 중의 공기를 흡입·압축하여 압력에너지를 가진 압축공기를 만드는 기계이다.

공기압축기는 흡입한 공기의 체적을 줄이거나 공기에 준 속도에너지를 압력에너지로 바꾸는 방식으로 공기의 압력을 높인다. 답안 첫 줄에는 이 정의를 그대로 쓰고, 이어서 압축 방식에 따른 분류를 제시하는 것이 기본 구성이다.

압축기는 토출압력의 높이에 따라 저압, 중압, 고압으로도 구분한다. 이 구분은 압축 단수와 구조를 정하는 기준이 되므로, 답안에서는 압축 방식에 따른 분류와 함께 짧게 덧붙인다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 공기압축기: 대기의 공기를 흡입하여 압축공기로 바꾸는 기계이다.
• 용적형 압축기: 일정한 공간에 가둔 공기의 체적을 줄여 압력을 높이는 방식이다.
• 동압형 압축기: 임펠러로 공기에 속도에너지를 준 뒤 디퓨저에서 압력에너지로 바꾸는 방식이다.
• 왕복동식: 크랭크축으로 피스톤을 왕복시켜 압축하는 용적형 압축기이다.
• 스크루식: 암수 두 로터의 회전으로 공간의 용적을 줄여 압축하는 회전식 용적형 압축기이다.
• 원심식: 고속 회전하는 임펠러를 가진 동압형 압축기이다.
• 후부 냉각기: 압축 과정에서 높아진 공기 온도를 낮추고 수분을 분리하는 장치이다.
• 압력용기(공기탱크): 압축공기를 저장하여 사용량의 변동을 완충하는 장치이다.

2. 개념 풀이

공기압축기(Air Compressor)는 원동기의 기계적 에너지를 받아 공기의 압력을 높이고, 이를 저장하거나 사용처로 보내는 기계이다. 압축기는 흡입한 기체를 좁은 공간에 가두어 압축하거나 빠른 속도로 가속한 뒤 그 속도를 압력으로 바꾸는 원리로 작동한다.

이 원리에 따라 압축기는 크게 용적형과 동압형으로 나뉘며, 공기압축기도 같은 기준으로 분류한다. 용적형은 일정 공간에 공기를 가둔 뒤 체적을 줄여 압축하므로 비교적 높은 압력에 적합하다. 동압형은 회전하는 임펠러가 공기를 바깥 둘레로 밀어내 속도를 높이고, 디퓨저가 그 속도에너지를 압력에너지로 바꾼다.

압축기는 압력과 유량 두 값으로 규정되며, 용적형은 고압에, 동압형은 대유량에 적합하다.

왕복동식은 크랭크축으로 피스톤을 왕복시켜 실린더 안의 공기를 압축한다. 흡입밸브는 피스톤이 내려갈 때 열려 공기를 실린더에 들이고, 토출밸브는 행정 끝에서 열려 압축공기를 내보낸다. 구조가 단순하고 고압에 유리하지만, 밸브와 링크 등 섭동부가 많아 진동과 저주파 소음이 큰 편이다.

스크루식은 암수 두 개의 나사형 로터가 맞물려 회전하면서 로터 사이 공간의 용적이 축 방향으로 줄어들어 공기를 압축하는 방식이다. 고속 회전이 가능하고 저주파 소음이 적어 연속 운전 설비에 많이 쓰인다.

원심식은 고속 회전하는 임펠러가 공기를 바깥 둘레로 밀어내고 디퓨저에서 압력으로 바꾸는 동압형이다. 대유량을 공급할 때 적합하며, 대형 산업설비에 주로 쓰인다.

압축된 공기는 온도가 상승하므로 후부 냉각기에서 냉각해야 하며, 냉각 과정에서 공기 속 수분이 응축수로 분리된다. 응축수를 방치하면 배관과 공압기기의 부식, 공구 성능 저하가 생기므로 드레인으로 주기적으로 배출한다.

공기압축기의 성능은 토출압력과 토출유량으로 규정된다. 토출압력은 압축공기가 나가는 압력이고, 토출유량은 단위시간당 공급되는 공기의 체적(㎥/s)이다. 같은 압력이라도 유량이 다르면 연결할 수 있는 기기의 수와 종류가 달라진다.

3. 등장 배경과 필요성

산업 현장에서 압축공기는 공압브레이커, 공압공구, 공압 실린더처럼 힘과 속도 제어가 필요한 기기를 구동하는 에너지원으로 쓰인다. 전원 공급이 어렵거나 작업 위치가 자주 바뀌는 건설현장에서는 압축공기를 배관으로 보내 동력을 전달하는 방식이 유리하다.

공압 기기의 작동 상태는 공급되는 압축공기의 압력, 유량, 청정도에 좌우된다. 압축공기에 먼지와 수분이 섞여 있으면 밸브 작동이 불량해지고 실린더 속도가 떨어지므로, 공기를 깨끗하게 만들어 공급하는 설비가 함께 필요하다. 이 때문에 압축기 본체와 별도로 필터, 건조기, 루브리케이터가 공기 공급 계통을 이룬다.

압축기 운전에는 소음·진동, 회전체 위험, 고압 용기 안전이 함께 따른다. 왕복식 압축기는 피스톤 운동 때문에 진동과 저주파 소음이 발생하고, 압력용기인 공기탱크에는 안전밸브와 압력계를 갖추어야 한다. 그래서 압축기는 설비 성능과 안전관리를 함께 검토해야 하는 대상이다.