공압 시스템을 공부하다 보면 3포트 솔레노이드 밸브, 3/2 Way Valve, 3방향 전자밸브라는 표현을 자주 만나게 됩니다.
2포트 밸브가 단순히 공기의 공급을 열고 닫는 역할을 한다면 3포트 밸브에서는 한 단계 더 발전하여 공기를 공급하고 사용한 공기를 다시 배기하는 기능까지 수행할 수 있습니다.
이 때문에 단동 실린더, 에어 클램프, 공압 액추에이터와 같은 장치를 제어할 때 3포트 솔레노이드 밸브가 널리 사용됩니다.
Festo는 3/2 밸브를 공급 포트 1, 출력 포트 2, 배기 포트 3의 세 포트와 두 개의 전환 위치를 가진 밸브로 설명합니다. 하나의 작업 출력만 사용하기 때문에 단동 실린더 같은 장치의 제어에 활용할 수 있습니다.
1. 3/2 Way라는 숫자의 의미
먼저 3/2라는 표현을 이해해야 합니다.
앞의 숫자 3은 포트 수, 뒤의 숫자 2는 밸브가 가질 수 있는 전환 위치의 수를 의미합니다.
따라서 3/2 Way Valve는
3개의 포트 + 2개의 전환 위치
를 가진 방향제어밸브입니다.
일반적인 공압 회로에서는 다음과 같이 구분합니다.
1번 P : 압축공기 공급 포트
2번 A : 작업 포트
3번 R 또는 EXH : 배기 포트
쉽게 말하면
1번은 공기가 들어오는 곳,
2번은 실린더나 액추에이터로 공기가 나가는 곳,
3번은 사용한 공기를 대기로 배출하는 곳입니다.
2. 왜 3번째 포트가 필요한가?
2포트 밸브와 비교하면 이해하기 쉽습니다.
2포트 밸브는 공급과 출력만 존재하기 때문에 밸브를 닫더라도 출력 측에 이미 들어가 있는 압축공기가 자동으로 배출되지 않습니다.
하지만 실린더를 원래 위치로 복귀시키려면 실린더 내부의 압축공기가 빠져나가야 합니다.
바로 이 역할을 하는 것이 세 번째 포트인 배기 포트입니다.
따라서 3포트 밸브에서는 한쪽 상태에서 공급과 출력이 연결되고, 다른 상태에서는 공급을 차단하면서 출력과 배기를 연결할 수 있습니다.
이것이 3포트 밸브의 가장 중요한 전환 원리입니다.
3. 3포트 NC형 솔레노이드 밸브의 동작
공압 자동화에서 많이 사용하는 형태 중 하나가 3/2 NC(Normally Closed)입니다.
무전원 상태를 생각해 보겠습니다.
솔레노이드에 전기가 들어오지 않았을 때 공급 포트 P는 차단됩니다.
대신 작업 포트 A와 배기 포트 R이 연결됩니다.
즉,
전원 OFF
P(1) : 차단
A(2) → R(3) : 배기
상태입니다.
이때 단동 실린더가 연결되어 있다면 실린더 내부의 압축공기가 A에서 R 방향으로 빠져나가므로 실린더의 내장 스프링 힘에 의해 원래 위치로 복귀할 수 있습니다.
이제 솔레노이드에 전원을 공급합니다.
코일에서 자기력이 발생하면서 내부 가동부가 이동하고 통로가 변경됩니다.
전원 ON
P(1) → A(2) : 공급
R(3) : 차단
상태가 됩니다.
압축공기가 P에서 A를 통해 실린더로 공급되고 실린더 로드가 전진합니다.
전원을 끄면 다시 A와 R이 연결되고 공기가 배출되면서 실린더가 복귀합니다.
4. 3포트 NO형은 어떻게 다른가?
NO형은 Normally Open의 약자로 NC형과 기본 상태가 반대입니다.
즉 무전원 상태에서 공급 포트 P와 작업 포트 A가 연결되어 있고, 솔레노이드를 여자하면 공급이 차단되면서 작업측이 배기측으로 전환되는 구성입니다.
실제 3포트 제품군에는 NC와 NO 구성뿐 아니라 용도에 따른 다양한 회로 구성이 존재합니다. SMC의 3포트 직접 작동형 제품군 역시 NC, NO 등의 밸브 형식을 구분하고 있습니다.
따라서 장비 설계자는 정상 운전 상태만 생각해서는 안 되고 정전 또는 비상정지 시 액추에이터를 어느 위치에 둘 것인지를 고려해 NC와 NO를 선택해야 합니다.
5. 단동 실린더와 3포트 밸브
3포트 솔레노이드 밸브를 가장 쉽게 이해할 수 있는 예가 단동 실린더입니다.
단동 실린더에는 일반적으로 압축공기를 공급하는 하나의 포트가 있으며, 한 방향 운동은 압축공기로 만들고 반대 방향 운동은 스프링 등의 기계적인 힘으로 수행합니다.
밸브가 여자되면
컴프레서 → P → A → 실린더
경로로 공기가 이동합니다.
실린더가 전진합니다.
밸브가 복귀하면
실린더 → A → R → 대기
경로로 공기가 빠져나갑니다.
실린더 내부 스프링에 의해 로드가 복귀합니다.
Festo 역시 3/2 방향밸브의 하나의 작업 출력을 이용해 한 챔버에 압축공기를 공급할 수 있으며, 기계식 복귀를 사용하는 단동 실린더와 연결할 수 있다고 설명하고 있습니다.
6. 포트 전환은 내부에서 어떻게 이루어질까?
외부에서는 단순히 코일에 전원을 넣고 끄는 것처럼 보이지만 내부에서는 가동부가 이동하면서 서로 다른 유로를 선택합니다.
대표적으로 포핏(Poppet) 방식과 스풀(Spool) 방식 등을 볼 수 있습니다.
포핏 방식에서는 밸브 시트를 열고 닫아 특정 통로를 연결하거나 차단합니다.
스풀 방식에서는 원통형 가동부가 좌우 또는 상하로 움직이면서 내부에 만들어진 여러 유로를 선택적으로 연결합니다.
중요한 것은 밸브 내부에서 동시에 모든 포트를 연결하는 것이 아니라 현재의 위치에 따라 필요한 포트 조합만 연결한다는 것입니다.
예를 들어 NC형에서는 무전원일 때 A-R 연결, 여자 시 P-A 연결로 전환됩니다.
7. 솔레노이드 코일과 스프링의 역할
단솔레노이드 방식에서는 솔레노이드와 복귀 스프링이 함께 사용되는 경우가 많습니다.
전기가 공급되면 솔레노이드의 자기력이 가동부를 당기거나 밀어 한쪽 위치로 이동시킵니다.
전기가 차단되면 자기력이 사라지고 스프링에 의해 원래 위치로 복귀합니다.
이 방식의 장점은 전원이 없어졌을 때 밸브가 정해진 기본 위치로 돌아온다는 것입니다.
따라서 회로도에서 스프링 기호가 어느 쪽에 있는지 확인하면 무전원 상태의 유로를 파악하는 데 도움이 됩니다.
8. 배기 포트에 소음기가 필요한 이유
압축공기가 배기 포트를 통해 대기로 빠져나갈 때 순간적인 소음이 발생할 수 있습니다.
공압 장비에서 “쉬익” 하는 소리가 들리는 이유 가운데 하나가 바로 이 배기 과정입니다.
필요한 경우 배기 포트에 소음기인 사일렌서(Silencer)를 설치하여 소음을 줄일 수 있습니다.
다만 배기 저항이 지나치게 증가하면 액추에이터의 동작 속도에도 영향을 줄 수 있으므로 필요한 유량을 고려해 선정해야 합니다.
9. 퀵 배기 기능과 3포트 밸브
실린더나 액추에이터를 빠르게 움직이려면 공급 유량뿐 아니라 배기 속도도 매우 중요합니다.
압축공기를 빠르게 공급해도 반대쪽 또는 기존 공간의 공기가 원활하게 빠지지 않는다면 움직임이 느려질 수 있기 때문입니다.
실제로 Emerson ASCO는 공기를 빠르게 배출하여 제어 밸브의 빠른 전환을 지원하는 3/2 방식의 Quick-Exhaust 솔레노이드 밸브 제품군도 제공하고 있습니다.
따라서 공압 회로에서는 공급만큼 배기 경로 설계도 중요합니다.
10. 3포트 솔레노이드 밸브 선정 시 확인할 항목
첫 번째는 NC인지 NO인지 확인하는 것입니다.
두 번째는 사용할 압력 범위입니다.
세 번째는 필요한 유량입니다.
네 번째는 코일 정격전압입니다.
다섯 번째는 연결할 액추에이터의 종류입니다.
여기에 작동 빈도, 응답속도, 사용 온도, 배관 크기, 사용하는 공기의 품질과 설치 환경도 함께 고려해야 합니다.
특히 파일럿 작동형 밸브는 제품에 따라 정상 동작을 위한 압력 조건이 있을 수 있으므로 사양서를 확인해야 합니다. 반면 Emerson의 ASCO 327과 같이 최소 작동 압력이 필요 없는 직접 작동 방식의 3/2 제품도 존재합니다.
11. 2포트와 3포트의 차이를 한 문장으로 정리하면
2포트 밸브는 주로 공급을 열고 닫는 밸브이고,
3포트 밸브는 공급과 배기를 전환하는 밸브라고 이해하면 쉽습니다.
이 차이를 알고 나면 회로도에서 밸브를 선택하는 기준도 명확해집니다.
공급만 ON/OFF 하면 되는가?
아니면 공급을 차단한 뒤 액추에이터 내부의 압축공기까지 배출해야 하는가?
후자라면 3포트 방향제어밸브가 필요한 경우가 많습니다.
마무리
3포트 솔레노이드 밸브의 핵심은 포트가 세 개라는 사실 자체보다 P 공급, A 작업, R 배기라는 세 통로를 두 가지 상태로 전환한다는 점에 있습니다.
NC형을 기준으로 무전원 상태에서는 A와 R이 연결되어 작업측 압력을 배출하고, 전원을 공급하면 P와 A가 연결되어 액추에이터에 압축공기를 공급합니다.
이 원리를 정확하게 이해하면 단동 실린더 회로뿐 아니라 앞으로 공부하게 될 5/2 Way 밸브와 5/3 Way 밸브의 동작도 훨씬 쉽게 이해할 수 있습니다.