스카치요크 액추에이터(Scotch Yoke Actuator)의 구조 및 특징

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스카치요크 액추에이터의 특징을 알아보자.

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목차

1. 유래
2. 구조 및 작동 방식
3. 토크 특징
4. 장점
5. 단점
6. 포지션 변경

 

액추에이터의 유형 및 종류를 먼저 보실 분은 아래 링크를 확인하세요.

Actuator의 유형 및 종류 (Valve 구동 용)

Actuator의 유형 및 종류 (Valve 구동 용)

 

랙 앤 피니언 액추에이터 (Rack and Pinion Actuator)의 구조 및 특징

랙 앤 피니언 액추에이터 (Rack and Pinion Actuator)의 구조 및 특징

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스카치 요크 액추에이터 (Scotch Yoke Actuator) / 출처 : Emerson Bettis Actuator

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유래

스카치 요크는 "스카치"와 "요크"라는 두 단어에서 유래되었으며, 스카치는 구르거나 미끄러지는 것을 방지하기 위한 쐐기를 의미하고, 요크는 두 부품을 결합하는 클램프를 의미합니다.

스카치 요크는 커넥팅 로드 대신에 사용되는 슬롯형 크로스헤드로, 1911년에 처음 사용되었습니다.

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구조 및 작동 방식

스카치 요크 액추에이터는 밸브 또는 댐퍼를 자동으로 여닫는 데 사용되는 기계 장치입니다.

피스톤에 결합 된 바(로드)가 앞뒤로 미끄러지는 선형 운동을 스카치 요크 (드라이브모듈)의 회전 운동으로 변환하는 메커니즘입니다.

슬라이딩 바는 피스톤과 슬라이딩 블록과 맞물리는 슬롯이 있는 요크에 직접 결합됩니다.

피스톤에 힘이 가해지면 슬라이딩 블록이 요크 슬롯에서 움직이면서 요크가 회전합니다.

 

그림1. 스카치 요크 액추에이터의 구조

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토크 특징

스카치 요크 액추에이터는 각 작동의 시작과 끝에서 높은 토크를 생성하는 특징을 가지고 있습니다.

이로 인해 밸브가 장기간 정지 상태를 유지하는 응용 분야에서 안전성을 높일 수 있으며, 랙 및 피니언과 비교했을 때 동일한 실린더 보어와 공기 공급 압력을 사용하는 경우에도 더 높은 토크를 생성할 수 있습니다.

요크는 대칭형과 비대칭형이 있으며, 대칭형은 스트로크의 시작과 끝에서 동일한 토크를 생성하고, 비대칭형은 시작점에서 높은 토크를 생성하고 끝점에서는 낮은 토크를 생성합니다.

이러한 특성은 Leakge Class가 높은 Valve에도 적용 가능하며, On-off 작동일 경우에도 적합한 Torque 곡선을 가지고 있습니다.

 

그림2. 스카치요크 액추에이터의 토크 특징

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장점

1. 기능

• 스카치요크 액추에이터는 Cylinder의 힘을 이용하여 대형 밸브에 대응이 가능합니다.
  최대 ±5%의 회전각도 조절이 가능합니다.
• Butterfly, Ball valve와 같이 부드러운 On-off 작동이 가능하며, 정지마찰력이 최고조를 이룹니다.

 

그림3. 스카치요크 액추에이터의 각도 조절 범위

 

2. 안정성

• Cylinder의 이동 원리를 활용하여 안정적이고 부드러운 작동을 보장할 수 있습니다.
• U자 형태의 곡선 구동으로 인해 시작점과 끝점에서 정지 마찰력이 최고조를 이루며, 동기화된 Torque 곡선으로 인해 부드러운 On-off 작동이 가능합니다.
• 다양한 환경에 적응할 수 있습니다. 예를 들어, 고온, 저온, 습기 등의 환경에서도 안정적인 작동을 보장할 수 있습니다.

3. 유지 보수 용이성

• 모듈 형태로 구성되어 있어 필요한 부분만 교체하여 유지 보수가 가능합니다.
• 각 모듈의 구조가 심플하기 때문에, 현장에서 쉽게 교체할 수 있습니다.

4. 구성 옵션

• Torque에 따라 구성을 달리할 수 있습니다.
• 긴급 시 사용 가능한 Manual override를 옵션으로 장착할 수 있어, 안전한 작동을 보장할 수 있습니다.
  Fail mode 설정이 가능합니다.

5. 내구성

• Drive module과 Cylinder의 간단한 구조로 내구성이 높아 수명이 길다.
• 위와 같이 스카치요크 액추에이터의 기능, 안정성, 유지 보수 용이성, 구성 옵션, 내구성 등 다양한 장점이 있습니다.
• 이러한 장점들은 화학, 제약, 수처리, 석유 및 가스 등과 같은 공정 산업에서 밸브의 자동화 및 작동을 위해 사용되는 기계 장치로써 중요한 역할을 합니다.

6. 장착 호환성

• VDI/VDE 3845 , ISO 5211, ISO 5210의 액세서리와 밸브 결합 인터페이스 국제 규격을 준수합니다.
• 포지셔너(Positioner), 리미트 스위치(Limit Switch), 트랜스미터(Transmitter), 솔레노이드 밸브(Solenoid Valve)등의 액세서리 장착이 용이합니다.

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단점

1. 크기

• 스카치요크 액추에이터는 Cylinder 구동장치를 사용하기 때문에 다른 구동장치보다 큰 크기를 가지고 있습니다. 따라서, 특정한 작업 공간에서는 적합하지 않을 수 있습니다.

2. 비용

• 스카치요크 액추에이터는 다른 액추에이터와 비교하여 비용이 높을 수 있습니다. 이는 고성능 액추에이터임에 따라서 가격 경쟁력이 떨어지는 단점이 될 수 있습니다.

3. 기민성

• 다른 구동장치들에 비해 기민성이 좀 떨어지는 단점이 있습니다. 이는 Cylinder의 움직임에 따른 딜레이 때문입니다.

4. 안전모드

• 스카치요크 액추에이터는 높은 공기압력을 사용하기 때문에 안전모드에 필요한 스프링이 크게 선정되어야 합니다. 이는 추가적인 비용이 들어가며, 설치가 불편할 수 있습니다.

5. 유지보수

• 스카치요크 액추에이터는 모듈 형태로 구성되어 있기 때문에 유지보수는 쉽지만, 필요한 경우 모듈 전체를 교체해야 할 수 있습니다. 이는 비용적인 측면에서 불리할 수 있습니다.

6. 정밀도

• 스카치요크 액추에이터는 최대 90°에서 ±5%의 회전각도 조절이 가능하지만, 일부 애플리케이션에서는 이 정밀도가 충분하지 않을 수 있습니다. 이는 다른 구동장치들보다 정밀도가 떨어지는 단점이 될 수 있습니다.
• 이러한 단점들은 스카치요크 액추에이터를 사용할 때 고려해야 할 사항들입니다. 그러나, 다른 구동장치와 비교하여 스카치요크 액추에이터가 가지는 다양한 장점들은 여전히 매우 유용하며, 다양한 애플리케이션에서 사용될 수 있습니다.

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포지션 변경

그림.4 스카치요크 액추에이터의 모듈화 구조

 

스카치 요크 액추에이터는 중앙의 스카치요크가 위치한 드라이브 모듈을 기준으로 Single, Double Acting의 변경, Manual Override의 장착 및 변경이 가능합니다.

그림 1. 은 Spring Return-Fail Close의 액추에이터입니다.

1. Spring Return-Fail Open으로 변경한다고 가정하면, 좌측의 뉴메틱 파워모듈은 오른쪽으로, 우측의 스프링 모듈은 왼쪽으로 위치를 바꾸면 됩니다.

2. Double Acting으로 바꾸고자 한다면, 단순히 스프링 모듈만 제거하고 블라인드 앤드캡으로 마감하면 됩니다.

Double Acting의 경우 뉴메틱 파워 모듈이 왼쪽에 있을 경우 Close시 더 많은 토크를 얻을 수 있습니다.

이는 실린더 내부의 구조에서 *Open동작 부의 피스톤과 피스톤로드가 결합된 부분으로 인해 반대쪽(Close)보다 *체적(볼륨, 면적)이 줄어들기 때문입니다.

[*일반적인 Valve with Actuator의 회전 방향은 시계방향-Close, 반시계방향-Open이다. *P(Pressure)  x A(Area) = F(Force)]

3. 각각의 포지션에서 Manual Override (Jack Screw, Hydraulic, Manual Gear)를 달고자 하면, 파워 모듈과 드라이브 모듈은 유지하고 추가로 장착하면 됩니다.

4. CW, CCW 변경 또한 원하는 조건대로 맞추어 장착하면 됩니다.

 

스카치 요크 액추에이터는 대형 밸브나 댐퍼를 자동으로 조작할 수 있는 기계 장치입니다. 이 액추에이터는 스카치요크 메커니즘을 사용하여 피스톤의 선형 운동을 회전 운동으로 변환하고, 높은 토크를 생성하여 밸브가 장기간 정지 상태를 유지하는 응용 분야에서 안전성을 높일 수 있습니다. 또한, 대칭형과 비대칭형의 토크 곡선을 가지고 있어 다양한 밸브 종류 및 작동 방식에 적용할 수 있습니다.

스카치 요크 액추에이터의 장점으로는 대형 밸브 조작이 가능하며, 부드러운 On-off 작동이 가능하고, 안정성이 높아서 다양한 환경에서 사용할 수 있으며, 유지 보수가 쉽고, 내구성이 높아서 수명이 길다는 것이 있습니다. 반면, 크기가 크고 비용이 높은 등의 단점도 있습니다.

따라서, 스카치 요크 액추에이터는 대형 밸브나 댐퍼의 자동화를 위해 매우 유용한 기계 장치이며, 애플리케이션에 맞는 장점과 단점을 고려하여 선택할 필요가 있습니다.

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