압력 조절기는 입구 압력(Inlet Pressure)이 다양하게 변화하는 상황에서 일정한 출구압(Outlet Pressure)을 유지하는 장치다. 셀 수 없이 많은 장비를 안전하게 작동하기 위해 반드시 필요한 장비다.
 

압력 조절기(압력 레귤레이터라고도 한다)는 일반 소비자 및 산업용으로 널리 쓰이고 있다. 눈에 띄지 않기에 간과하는 경우가 많지만, 장비 손상이나 파손을 방지하고 인명피해를 예방하는 등 안전에 중요한 역할을 한다.
 

압력 조절기는 다양한 분야에서 활약하고 있다. 가스 그릴에서는 프로판 압력을 조절하는 데에 쓰이고 있으며, 가정용 보일러 안에서는 천연 가스(NG)의 양을 조절하고 있다. 병원에서는 산소와 마취가스를 조절·분사하는 장치 안에서 압력 조절기를 찾아볼 수 있다. 공압 자동화 시스템 내부에서는 압축공기를 조절하고 있고, 엔진 안에서는 연료의 압력을 조절하며, 연료전지 안에서는 수소의 양을 조절한다.
 

활용사례는 다양하지만, 압력 조절기는 한 가지 역할만을 수행한다. 공급압력을 낮추는 것. 이로 인해 낮은 출구압으로 변환하고, 입구 압력이 변화하더라도 출구압을 변함없이 유지한다. 즉, 압력 조절기를 사용하면 출구압이 입구 압력보다 낮아진다. 압력 감소야말로 압력 조절기가 가지고 있는 주요 특성이라고 할 수 있다. 
 

압력 조절기를 선택할 때에는 사용자가 원하는 작업에 가장 적합한 제품을 선택하는 것이 바람직하다. 이 때 중요한 고려사항으로는 ▲조절기의 종류 ▲재질 ▲입구 및 출구 압력 ▲유량 조건(Flow Requirements) ▲온도·압력·크기·기타 제한 사항 등이 있다.
  레귤레이터 기초

압력 조절기는 세 개의 기능적 요소로 구성되어있다.

1. 압력을 줄이거나 제한하는 장치. 일반적으로 포핏 밸브를 사용한다.

2. 감지 및 검출 장치. 일반적으로 다이아프램(진동판)이나 피스톤을 사용한다.

3. 압력 참조 장치(Reference Force Element). 보통 스프링을 장착한다.

장치를 가동하면 스프링이 밸브를 열 수 있을 만큼의 힘을 생성한다. 가압 유체가 유입구를 지나 밸브를 통해 조절기 안으로 들어가 진동판 혹은 피스톤 등의 감지 및 검출 장치까지 이동한다. 조절 작업이 끝나면 감지 및 검출 장치에 압력이 작용함으로써 탄성력에 대항하는 힘을 생성하고 밸브를 닫게 된다. 일단(Single Stage) 압력 조절기 안의 각 개별적 장치들에 작용하는 힘에 대한 도식은 그림 1을 참조하면 된다.
 

앞서 기술한 바와 같이, 가장 일반적인 감지 및 검출 장치는 피스톤과 다이아프램이다.
피스톤식 조절기는 높은 출구압이 필요하거나 출구압이 허용 오차를 유지하지 못할 때 주로 사용한다. 하지만 피스톤 설계는 속도가 느린 경향이 있다. 피스톤과 조절기 본체 사이에 일어나는 마찰 때문이다. 마찰력은 움직이는 피스톤으로 인해 발생하는 추가적인 힘을 처리하기 위해 더 큰 후속 압력(Downstream Pressure)을 요구한다.
 

더 높은 정확도를 달성하고자 하는 경우나 저압력 응용사례에 한층 높은 다이아프램을 도입한 설계가 바람직하다. 다이어프램 조절기는 피스톤과 달리 마찰력을 제거하기 위한 탄성중합체 요소를 탑재하고 있다. 또한 다이아프램 설계가 피스톤 설계보다 상대적으로 큰 표면적을 가지고 있어 더 나은 성능을 보장한다.

조절기의 정확도는 일반적으로 출구 압력과 유동률(Flow Rate)사이 관계를 도표로 만듦으로써 정의할 수 있다. 이때 도표에 그려진 곡선은 유동률 변화에 따른 출구 압력의 변화를 나타낸다. 이 현상을 Droop/Rise이라고 일컫는다.
 

Droop(처짐)이란 유량이 증가함에 따라 압력이 설정치 이하로 떨어짐을 나타내는 말이다. Rise(상승)는 유량이 감소함에 따라 출구 압력이 증가하는 현상이다.
 

그림 2에서 볼 수 있듯, Droop/Rise 도표는 압력 조절기가 가지고 있는 조절 능력 및 수용력을 나타내는 자료이다.

Droop/Rise는 입구 압력의 변화에 기인한다. 입구 압력이 상승하면 출구압이 줄어들기 마련이다. 반대로 입구 압력이 줄어들면 출구압이 높아진다. 결과적으로 Droop/Rise 표가 압력 조절기가 가지고 있는 정확도 및 능력을 정의한다고 보아도 무방하다. 따라서 압력 조절기를 선택하고자 하는 기술자들은 압력 대 흐름 곡선을 확인해 조절기가 필요한 성능 요건을 충족하는지 알아보아야 한다.
 

압력 조절기를 구입할 때 확인해야 할 또 다른 설계 요소가 있다. 오리피스 크기가 그것이다. 밸브 포트 크기를 늘리면 유량계수 역시 증가한다. 하지만 밸브 크기가 커지면 입구 압력 변화에 더욱 민감해지며, 결과적으로 과도한 Droop/Rise를 만들 수 있으므로 유의해야 한다.
  적합한 설계 선택 방법

응용사례가 요구하는 사항에 따라 기술자들은 일단 혹은 다단 장치 중 하나를 선택해야 한다.

일단(Single Stage) 장치는 비교적 작은 압력 감소를 달성하기에 적합하다. 예를 들어 공장에서 사용하는 공기압축기는 대부분 최대 100 내지 150psi 정도의 압력을 만든다. 가압 기체가 관을 통해 공장 전체를 순환하고, 일단 조절기는 이를 80·50·100psi 등 저압으로 낮춘다. 시험대·공작기계·누술 시험 장비·선형 액추에이터 등 다양한 기계장비를 작동시켜야 하기 때문이다. 
 

하지만 일단 압력 조절기는 보통 입구 압력이나 유동률 등이 크게 움직이는 작업을 잘 수행하지 못한다. 이러한 경우 이단(Dual Stage) 조절기가 더 나은 선택이 될 수 있다. 유동률이 큰 범위로 변화하거나 입구 압력이 시간이 지남에 따라 변동 혹은 감쇠할 때 이단 압력 조절기를 사용하는 것이 바람직하다.

일단 조절기는 입구 압력이 크게 저하하는 반면, 출구압을 근사치까지밖에 상승시키지 못한다. 반면 이단 설계는 두 번째 단계에서 입구 압력이 크게 변화하지 않으며, 첫 번째 단계에서 약간 변화를 일으킬 뿐이다. 이로 인해 두 번째 단계에서 출구압을 안정적으로 유지할 수 있다.
 

위와 같은 이유로 이단 조절기 혹은 삼단 조절기는 가스탱크나 저장 실린더를 사용하는 사례에서 적합한 선택이다. 연료 전지 분야가 대표적인 예다.
 

이단 압력 조절기는 가스 등이 소진되어 입구 압력이 낮아지더라도 이를 보충한다. 따라서 두 번째 단계에서 출구압에 영향을 주지 않는다. 이단 압력 조절기는 가스 크로매토그라피(gas-chromatography, 유기 화합물 혼합체 분석법) 장치 및 반도체 분야에서 자주 쓰인다.
  장비 설비 지침

사용자가 응용사례에 적합한 조절기를 선택했다고 하더라도 문제는 남아있다. 설계자가 의도한 형태에 맞게 설치해야 하는 것. 조절기 윗부분에 필터를 설치해 밸브 시트가 먼지와 미립자에 오염되거나 손상되지 않도록 만들어야 한다. 또한 기체가 습한 환경에 노출되는 현상을 막아 높은 유동률에서도 조절기가 얼어붙는(Icing) 현상을 방지해야 한다. 뿐만 아니라 밸브 구성요소를 더럽히거나 손상을 가할 수 있는 기름·윤활제·기타 오염물질을 피해야 한다.
 

조절기에 정격보다 큰 최대 압력을 입구 압력으로 집어넣으면 안 된다. 또한 압력 조절기를 차단장치로 이용해도 안 된다. 조절기를 사용하지 않을 때에는 압력 공급을 해제해야 한다.

조절기를 설치할 때 유의사항은 다음과 같다.

① 압력원(Pressure Source)을 흡입구에, 조절 압력선(Regulated Perssure Line)을 유출구에 연결한다. 각 포트가 표시되어있지 않은 경우에는 임의로 연결하지 않고 제조업체에 문의한다. 연결 불량 및 내부 부품 손실을 방지하기 위함이다.
 

② 조절기에 전원을 넣고 압력을 공급하기 전, 컨트롤 노브를 재조정 및 백오프함으로써 조절기 흐름을 통제할 수 있는지 살핀다. 압력을 점차적으로 주입해 가압 유체가 갑작스럽게 들이닥쳐 조절기에 타격을 주지 않도록 유의한다.

③ 압력 조절기를 원하는 출구압만큼 설정한다. 조절기가 비 완화식인 경우 유체가 막힘없이 흐르도록 출구압을 조절하기 쉬워진다. 실제 압력이 원하는 출구압을 초과한 경우, 조절기의 아래쪽에서 유체를 빼낸다. 부품을 느슨하게 만든 채 유체를 배출하면 부상을 입을 수 있으므로 주의해야 한다.
보조형(Relieving-Style) 조절기는 조절나사·손잡이·캡 등을 반시계방향으로 회전시켜 조절기의 아래쪽에서 유체를 빼내고 출구 압력을 낮출 수 있는 장치다. 이 장치에 가연성 및 유해성 유체를 집어넣지 않도록 유의한다. 사용하는 국가·연방·주 등의 지역 규정에 따라 여분의 유체를 안전하게 배출해야 한다.

④ 원하는 출구압에 도달하기 위해서는 원하는 수치보다 낮은 값부터 천천히 압력을 높여야 한다. 조절기를 설정하는 과정에서 압력이 목표보다 더 많이 올라갔다면 압력을 설정치 아래까지 떨어트린 뒤 다시 천천히 높인다.

⑤ 공급압력을 주입하고 해제하는 과정을 여러 차례 반복하며 출구압을 관찰한다. 조절기가 안정적으로 압력을 설정치까지 돌려놓는지를 확인하기 위함이다. 출구압 순환 및 해제를 반복하면서 조절기가 문제 없이 설정치까지 복귀시키는지 관찰한다.

⑥ 작동 시 조절나사가 일정 지점 이상으로 휘거나 회전하지 않도록 주의한다. 스프링이 밀착 높이까지 도달하는지 살펴보면 알기 쉽다. 문제가 발생하면 압력 조절이 불가능하게 되므로 주의를 기울여야 한다.

기술자들은 기본적인 설계 외에도 다양한 요인들을 고려해야 한다. 일관적인 성능과 긴 수명을 보장할 수 있는 요소들을 살펴야 하는 것. 그 요인으로는 다음과 같은 것들이 있다.

① 재질

오늘날 압력 조절기는 다양한 재질로 만들어지고 있다. 대표적으로 내부식 스테인리스강·황동·알루미늄·플라스틱 등이 있다. 요즘은 이에 한정되지 않고 더 다양한 재질로 제품을 제작하고 있는 추세다.
스테인리스강은 긴 수명을 보장한다. 클린 룸 및 부식성 유체를 다루는 데에 적합하다. 

비용적인 측면을 고려한다면 황동이나 알루미늄 그리고 플라스틱 재질의 조절기가 더 나은 선택이다. 

알루미늄은 가벼움이 특징이다. 플라스틱은 체액 등 다양한 의료용 응용사례에 적합하다. 

플라스틱 유체동력 제품은 주로 경제적으로 실속 있는(즉, 꼭 필요한 만큼만 생산 및 사용할 수 있는) 일회용 품목에 이상적이다.
 

조절기를 선택하기 전에 가장 중요하게 고려해야 할 요소가 입구 압력 및 출구압이다. 

주요 고려사항은 입구 압력의 변동성·필요한 출구압의 양·출구압의 허용 변화폭 등이다.

③ 필요 유량

응용사례에 필요한 최대 유량 역시 설계 시 확인해야 할 고려사항이다. 각 제품이 가지고 있는 유량을 비교해 보아야 한다. 장비를 교체할 때 필요한 요구사항 역시 중요한 문제다. 장비와 호환성을 보장함과 동시에 전체적인 작업 흐름을 방해하지 않아야 한다.

④ 온도

압력 조절기는 예상 작동 온도 내에서 정상적으로 작동해야 한다. 탄성중합체와 플라스틱 모두 예상 범위 내에서 의도한 대로 작동하는지를 확인하면 된다. 

작동 온도가 매우 높거나 낮은 응용사례를 만났을 경우 유량계수와 탄성률 등에 영향을 미칠 수 있으므로 주의해야 한다.

⑤ 크기와 무게

공간적 제한과 장비 자체의 무게가 장비 선택 폭을 줄이기도 한다. 포트 크기와 수정방식(Adjustment Style) 그리고 탑재 옵션 등을 재확인한다. 

몇몇 제조업체들은 사용자 정의 방식의 압력 조절기를 만들기도 한다.

⑥ 유체 호환성

응용사례에 가장 적합한 재료를 선택하기 전에 유체와 여타 재료와의 화학적 특성을 고려하는 것이 좋다. 기체나 액체의 종류는 물론 위험성과 활성·불활성 여부 등 여러 고려사항이 있다.

각 유체는 고유한 특성을 가지고 있다. 따라서 작업할 유체와 접촉했을 때 변화를 일으키지 않거나 이상 없이 작업할 수 있는 재료를 선택하는 작업이 필요하다.

예를 들어 압력 조절기에 산소를 사용할 경우, 사용자는 산소와 관련된 안전 시스템 설계에 대한 전문적 지식을 갖추고 산소와 화합할 수 있는 윤활유를 지정해야 한다.

유체에 가연성 혹은 위험 요소가 있는지 확인하는 것도 필수적이다. 배출할 때 직접 배출해야 하는지, 완화해야 하는지 등 시스템 요구사항에 변화를 가져올 수 있기 때문이다.
  분출(Venting) 옵션

조절기에는 완화 및 비 완화 방식이 있다.

완화 조절기는 자기 완화 조절기라고도 일컫는다. 완화 조절기는 초과 후속 압력을 대기 중으로 배출할 수 있다. 

예를 들어 보조 조절기를 통해 30psi의 압력으로 배출하다가 10psi로 줄이기로 결정했다고 가정하자. 이때 완화 조절기는 초과 후속 압력(20psi)을 배출하고, 출구압은 즉시 원하는 압력(10psi)까지 감소한다. 유량이 없더라도(Dead-end) 유량을 조절할 수 있다.
 

완화 조절기는 흐름이 없는 경우에도 쉽게 후속 압력을 줄일 수 있어 공압시스템에서 편리하게 사용할 수 있다. 하지만 초과한(즉, 여분의) 유체를 규정에 맞추어 안전하게 배출해야 함을 염두에 두어야 한다.
 

비 완화 조절기는 후속 압력을 대기 중으로 배출하지 않는다. 방금 전의 사례를 자져와 비 완화 조절기를 30psi로 설정하고 압력을 10psi로 줄이기로 결정했다고 가정하자. 이때 유량이 없다면 비 완화 조절기는 압력을 즉각적으로 10psi로 줄이지 않는다. 대신 유체가 조절기 안에서 순환하기 시작하면 과잉 후속 압력이 소모됨에 따라 출력압이 원하는 수치까지 감소한다.
 

비 완화 조절기는 위험물·폭발물·값비싼 기체 등과 함께 사용할 때 진가를 발휘한다. 비 완화 조절기는 기체를 밖으로 배출하지 않기 때문이다.
 

오늘날 기술자들은 응용사례가 유압 조절을 필요로 할 때 다양한 요인을 고려해야 한다. 압력 조절기 제조업체들은 사용자의 다양한 요구사항을 충족하기 위해 유형·크기·성능·가격 등 넓은 범위의 제품을 제공하고 있다. 
 

표준 제품은 물론 사용자 정의 제품을 제공하는 업체들도 있다. 사용자가 압력 조절기를 통해 원하는 작업을 대부분 처리할 수 있음을 의미한다.