열 액추에이터는 열을 활용하는 액추에이터를 말한다. 열 액추에이터는 전기 관련 비용을 낮추고 장치 크기를 줄이며 스트로크를 보다 미세하게 조절할 수 있다. 보다 넓은 온도범위를 가진 응용사례에서 적절한 성능을 발휘할 수 있다.




자료 | ThermOmegaTech(www.thermomegatech.com)

Q. 열 액추에이터는 무엇이며, 어떤 방식으로 작동하는가?
A. 열 액추에이터는 액추에이터 내부에 부피가 변화하는 물질을 탑재하는 것이 특징이다. 이 물질을 활용해 피스톤을 밀어내고, 온도에 따라 길이를 정확하게, 반복적으로 변경할 수 있다. 열 액추에이터는 잘 정제된 파라핀 왁스를 활용하여 상변화(Phase Change)를 구현하며, 이를 통해 좁은 온도 범위 내에서 스트로크를 미세하게 조절할 수 있다.

열 액추에이터는 설계한 온도 범위 혹은 길이 범위를 벗어나지 않고, 정확한 범위 내에서 작동한다. 응용사례가 요구하는 상변화 온도와 액추에이터의 성능을 비교하는 것이 중요한 이유이다.

열 액추에이터는 스트로크를 생성하기 위해 외부 전원 혹은 신호를 필요로 하지 않는다. 외부 전원이 필요한 것은 온도를 변경해야 할 때뿐이다.

Q. 열 액추에이터의 작동 조건은?
A. 열 액추에이터의 적절한 스트로크를 만들어낼 수 있는 범위는 약 -12℃에서 -9℃ 범위에서 발생한다. 대부분의 변화 물질(Phase Change Materials, PCM)은 약 -6℃에서 121℃ 범위 내에서 유효한 스트로크를 만들 수 있다. 

현재까지는 탄성중합체(엘라스토머)의 제약으로 인해 대부분의 응용사례에서 약 204℃가량의 최대 연속 작동온도에서만 작동하며, 그 이상의 온도에서는 작동에 문제가 생길 수 있다.

스트로크 범위는 0.1in.에서 0.5in. 가량이다. 흔히 사용하는 열 액추에이터는 약 0.25in. 가량의 스트로크를 만든다. 

액추에이터 크기 측면에서도 열 액추에이터는 강점이 있다. PCM 액추에이터는 다른 액추에이터에 비해 상대적으로 큰 힘을 출력할 수 있다. 

예를 들어 0.5in. 길이의 PCM 액추에이터는 20lb에 달하는 부하를 움직일 수 있다. 일반적인 솔레노이드 밸브가 20lb 부하를 움직이기 위해서는 2in. 길이가 되어야 함을 떠올려 보자.

일반적인 열 액추에이터는 밀봉 상태로 작동하며, 별도의 유지보수가 필요하지 않다. 하지만 보호를 받는 상태라 하더라도 습기를 띤 물질 혹은 오염물 등 외부 요소에 대한 고려는 필요하다.

열 액추에이터는 기계장치를 제조할 수 있는 재료라면 어떤 재료로든 만들 수 있다. 최근에는 황동 및 스테인리스강을 주로 사용하는 추세다.

Q. 일반 액추에이터에 비해 열 액추에이터의 장단점은?
A. PCM 액추에이터는 여타 선형 액추에이터에 비해 구동부가 작다. 따라서 보다 긴 수명을 보장한다. 

PCM 액추에이터는 사실상 유지보수가 불필요하다. 또한 같은 부하용량을 더욱 작은 크기로도 낼 수 있어 장비에 장착하기가 용이하다.

열 액추에이터의 단점은 스트로크에 제한이 있다는 것이다. 스트로크 길이가 약 0.5in. 미만에 불과한 것. 또한 최대 작동온도 역시 약 204℃로 제한이 있다(탄성중합체의 종류에 따라 온도 조건이 달라진다). 

열 액추에이터는 스트로크를 만들기 위해 외부 온도에 노출되어야 한다. 따라서 응용사례마다 액추에이터를 가열 및 냉각시키는 방법에 대해 고려해야 한다. 최대 환경 온도가 최대 스트로크를 결정짓는다. 

열 액추에이터를 설계할 때는 액추에이터 스트로크를 가능한 한 짧게 만드는 편이 좋다.

Q. 열 액추에이터를 활용했을 때의 이익은?
A. 열 액추에이터를 활용하면 시스템 요구사항을 낮출 수 있다. 시스템에 사용되는 총 부품 수를 줄일 수 있다. 열 액추에이터를 적절히 배치하면 유압 밸브 혹은 열 교환기를 대체할 수 있다.

열 액추에이터를 사용함으로써 얻은 효율성 측면에서의 이득은 시스템 성능 향상에 도움을 준다. 열 액추에이터를 작동하는 데에는 전기가 불필요하며, 전기 관련 비용이 크게 줄어든다. 전력을 덜 사용하면 방폭 효과 또한 기대할 수 있다. 외부 전력이 불필요하다는 것은 시스템 측면에서 장치 간소화와 비용 절감 등 적지 않은 이점을 낳는다. 

Q. 열 액추에이터를 사용하는 대표적 응용사례는?
A. 열 액추에이터를 볼 수 있는 대표적 사례로 밸브 역할이 있다. 몇 가지 사례를 열거하자면, 얾 혹은 데임 방지, 펌프 온도 완화, 온도를 기반으로 한 유체 전달 및 합성, 산업용 식기 세척·살균·증기가습 등에서의 물 온도조절, 계측기 및 분석기의 과열 보호 등이 있다.

또 다른 열 액추에이터의 사용 예로 고온·저온 잠금장치 및 가열식 미온수 공급 시스템 등이 있다. 공조장치에서 온도를 제어하기 위한 댐퍼 역시 열 액추에이터를 활용한다.

PCM 액추에이터는 고온수로 세척하는 세척장치의 문 안전장치부터 자동차를 비롯, 엔진 방열판 온도조절계 등 수랭식 엔진을 활용한 장치에 적합하다.

그런가하면 자동 열동식 조절 밸브 역시 PCM 액추에이터를 사용한다. 혼합 밸브·냉각방지장치·안전 차단밸브·일부 우주 관련 응용사례 등 다방면에서 PCM 액추에이터가 활약한다. 

PCM 액추에이터가 작동할 수 있는 넓은 온도 범위를 고려한다면 많은 활용분야들이 생겨날 것이다.