엘리베이터

대부분의 현대식 엘리베이터는 균형추, 케이블과 고정 도르래 장치를 사용해서 전동기로 움직인다.

고층 건물이 건축되기 시작하면서 엘리베이터는 여러 현대 도시가 특수한 지형을 형성하는 데 결정적인 역할을 했으며 앞으로도 미래 도시 발전에 필수적인 역할을 차지할 것이다(건축시공, 마천루).

건축 분야에서 기계로 화물을 들어올리려는 시도는 적어도 로마 시대까지 거슬러 올라간다.

BC 1세기에 로마의 건축공학자 비트루비우스는 사람이나 동물 또는 수력으로 작동하는 도르래와 캡스턴(닻 등을 감아올리는 기계) 또는 권양기(捲揚機)를 이용한 승강차량을 고안했다. 1800년이 되어서야 영국에서 증기 동력이 이러한 장치에 이용되었다. 19세기초 유압 승강기가 도입되었는데 이 승강차량은 축의 높이와 동일한 깊이의 지반에 묻힌 실린더의 플런저와 연결되어 있었다.

증기 펌프로 실린더 속의 유체에 압력을 가한 후에 여기 도르래를 추가로 장치하여 승강차량의 움직임을 원활하게 했다. 이런 모든 장치는 차량의 무게와 균형을 유지하기 위해 균형추를 사용하므로 화물을 들어올릴 수 있을 정도의 동력만 필요했다. 1850년대 중반 이전에는 이 원리가 화물 호이스트에 주로 이용되었다. 그 당시 밧줄(주로 대마)은 신뢰도가 낮아 화물 이동에만 이용되었다. 1853년 미국의 E.G.오티스가 안전장치를 도입하여 비로소 승객용 엘리베이터가 제작될 수 있었다.

뉴욕의 크리스털 팰리스 박람회에 전시된 오티스의 장치에는 호이스트 로프의 장력이 감소하는 데 따라 차량의 안내궤도를 죄는 고정장치가 장착되어 있었다(안전 엘리베이터). 최초의 승객용 엘리베이터는 1857년 뉴욕 시티의 학우트 백화점에서 운행되었는데 증기동력에 의해 1분 이내에 5층을 올라감으로써 성공이 입증되었다.

개량된 증기식 엘리베이터들이 그후 30년 동안 등장했으나, 1880년대 중반 엘리베이터 작동을 위해 전동기가 도입되고 1889년 최초로 전기식 승객용 엘리베이터가 상업용으로 운행되기 전까지 눈에 띄는 진보는 없었다.

뉴욕 시의 데머레스트 빌딩에 설치된 엘리베이터는 전동기를 사용하여 건물 지하실에 있는 권동(捲胴)을 구동시켰다. 전기의 도입으로 2가지 커다란 진보가 있었다. 하나는 1894년 보턴 제어장치의 도입이고, 다른 하나는 1895년 축 상단의 도르래에 동력을 주어 차량과 균형추를 견인할 수 있는 호이스트 장치가 선을 보였다는 점이다.

권동으로 인한 제약조건이 사라지자 견인장치는 더 긴 축을 이용하여 훨씬 빠르게 움직였다. 1904년 '기어 없는' 형태가 추가됨으로써 전동기의 전기자에 구동 도르래를 직접 연결할 수 있게 되어 사실상 속도제한이 없어졌다. 안전성·속도·높이의 한계가 극복되자 관심은 편안함과 경제성으로 옮겨졌다. 1915년 이른바 '자동 레벨링(automatic levelling)'이 도입되었는데, 이것은 작동자가 각 층의 어느 정도 거리 내에서 수동제어를 중단해도 정확히 그 층에 차량을 정지시키는 자동문이 첨가된 자동제어 형태였다(자동화). 건물이 고층화되면서 엘리베이터의 속도도 증가되었는데, 엠파이어 스테이트 빌딩(1931)의 고층용 엘리베이터의 속도는 365m/min이고, 1970년 건설된 시카고의 존 핸콕 센터의 것은 549m/min나 되었다.

경제성 때문에 병원이나 아파트에 널리 보급된 자동운영법은 일괄운영법(collective operation)의 도입으로 향상되었는데, 1대나 여러 대의 엘리베이터가 호출신호에 대해 꼭대기에서 바닥까지 또는 그 반대로 순차적으로 응답한다.

모든 엘리베이터의 기본 안전장치에는 차량이 움직이기 전에 외부문을 닫는 승강문 연동장치가 있다. 1950년에 자동집단관리방식(automatic group-supervisory system)이 사용되어 엘리베이터를 시동시키고 운전하는 사람이 필요없게 되었다. 고층건물에서 엘리베이터 장치의 바닥면적 손실을 최소화하기 위해서 2층 엘리베이터 개념을 바탕으로 한 장치가 1932년 처음으로 시도되었다. 1개에 2대의 차량이 위아래로 붙어 있는 이 엘리베이터는 1회 정지로 2개의 층에서 승하차가 가능했으며, 이 방법은 점차 사용빈도가 증가되었다.

시카고의 타임-라이프 빌딩의 자동식 2층 엘리베이터는 1971년부터 운행되었고, 그후 보스턴의 존 핸콕 탑, 시카고의 스탠더드오일회사 (인디애나) 건물, 토론토의 캐나다임페리얼상업은행 등의 빌딩에 이용되었다.

현대의 엘리베이터는 다양한 목적을 위해 여러 형태로 만들어지며, 일반화물과 승객 운반을 비롯하여 배, 댐, 로켓 발사대 같은 특수구조물에서도 사용된다. 무거운 것을 들어올리고 빠른 속도로 하강하는 엘리베이터는 고층 건물 건축 작업에도 사용된다. 실제로 모든 것은 케이블·도르래·균형추나 많은 저층 화물용 엘리베이터에 아직도 사용되는 권동장치 또는 전기유압식 장치에 의해 전기로 추진된다.

3개 또는 그 이상인 다중 케이블의 사용은 도르래를 가진 견인면과 안전성을 증가시키며, 케이블이 절단되는 경우는 흔하지 않다. 구동 모터는 주로 저속에서는 교류로, 고속에서는 직류로 작동한다. 직류 모터에서는 직류발전기의 장(場)의 세기를 변화시키고 발전기의 전기자와 구동 모터의 전기자를 직접 연결시켜 속도를 변화시킨다. 고속 엘리베이터에서는 보통 케이블을 도르래 주위로 2번 감은 기어가 없는 장치를 이용한다.

견인 엘리베이터는 높이 제한이 없지만, 30m 가량 이상의 높이에서는 평형 로프(compensating rope), 즉 차량의 바닥에서 균형추 바닥까지 로프가 필요하다. 차량이 올라가면 평형로프의 무게는 차량에 전달되고 내려가면 더 많은 무게가 균형추에 전달되어 구동기계의 하중을 거의 일정하게 유지시킨다. 유압 실린더와 플런저는 저층용 승객 엘리베이터와 대형 화물용 엘리베이터에 사용된다.

플런저는 실린더 속의 기름을 압축시켜 승강대를 밑에서 밀어준다. 고속 전기 펌프는 엘리베이터의 상승에 필요한 압력을 증가시키며, 차량은 전기식 밸브에 의하여 기름이 저장탱크로 배출됨으로써 하강하게 된다. 각 구성요소들이 균형적으로 배치된 특수한 형태의 유압 실린더와 플런저는 특수용도에 사용된다. 예를 들어 1900년경에 널리 사용된 로프나 기어식 유압 엘리베이터는 끝에 도르래가 부착된 플런저와 실린더가 있었으며, 무거운 짐을 단거리 운반하기 위해 항공모함의 엘리베이터에 사용되었다.

플런저에 압력이 가해지면, 도르래 사이의 간격이 증가하면서 도르래를 감고 있는 로프가 엘리베이터를 잡아당긴다. 호이스트 로프로 올려진 엘리베이터에 승강대 안전장치가 필요한데, 이 장치는 엘리베이터를 멈추기 위해 제동을 걸면 멈출 때 재빨리 제동되고 강제의 안내궤도에 고정될 수 있도록 설계된 안전장치이다.

이 안전장치는 보통 차량승강대의 아래쪽에 설치되며 로프와 연결된 조속기에 의해 작동된다. 이 로프는 차량이 급속도로 하강할 때 안전장치를 제 위치로 끌어당긴다. 이 장치는 먼저 엘리베이터의 동력을 차단한 뒤 계속해서 과속으로 하강하면 안전장치의 제동기를 사용한다. 대부분의 현대식 엘리베이터는 자동식인데 엘리베이터를 개별 또는 집단으로 작동시키기 위해 여러 가지 제어장치가 사용된다. 자동 원격조종 단추가 하나인 최초의 자동제어 장치는 탑승자가 차량을 조종할 수 있게 했다.

이러한 것은 소형 아파트나 화물용 엘리베이터에 사용되었다.

일괄조작은 건물에서 1대의 엘리베이터에만 적용된다. 차량은 모든 호출에 대해 한 방향으로만 순차적으로 응답하고 반대로 운행될 때도 모든 호출에 그 운행방향으로만 응답한다. 이것은 대형 아파트, 병원, 소형 사무용 건물에 이용된다. 두 차량 또는 복식 일괄조작이라고 하는 변형된 방법은 2대의 차량이 함께 운행되어 호출을 서로 분담한다.

집단자동조작(group-automatic operation)은 2대 이상의 차량을 하나의 집단으로 제어하여 이들이 특정 작동시간에 작동하도록 한 방법이다. 집단 자동조작법은 사용이 빈번하거나 병원·백화점·사무실 등에서처럼 2대 이상의 엘리베이터가 작동할 때 이용된다.

외부문과 차량문은 현대식 엘리베이터 장치에 필수적인 요소이다. 이 2개의 문은 같은 방식으로 작동하는데, 예를 들면 쌍미닫이식·쌍여닫이식·외미닫이식 등이 있다. 문은 차량의 전동기로 개폐된다. 문이 닫히는 속도는 닫힐 때 승객이 문 사이에 끼여 부상당하는 것을 방지하기 위해 일정해야 한다.

닫힐 때 감지기가 문 사이의 물체를 감지하면, 문은 전기적으로 다시 열리는데, 광전자 제어장치(photoelectric control device)와 전자 근접장치(electronic proximity device)가 이러한 작동을 제어하기 위해 사용되기도 한다. 승강기 문은 엘리베이터가 작동되기 전에 항상 닫혀 있도록 설계되어 있다. 화물용 엘리베이터는 보통 수직으로 미끄러지고 두 부분으로 된 문이 있다. 이러한 문은 위와 아래에 문짝이 있어 아래쪽 절반은 바닥으로 내려가고 위쪽 절반은 덮개 위로 올려지도록 기계적으로 연결되어 있으며, 보통 안전을 위해 내부문을 필요로 한다.

또한 고립된 경우에는 외부와 통화할 전화가 필요하며, 많은 건물에서는 기계적인 고장이 발생할 경우를 대비하여 외부와의 상호 통신장치를 엘리베이터 안에 설치해 두고 있다. 또한 경보기·비상등·비상동력 등도 설치한다. 자동 하역장치는 최근의 화물용 엘리베이터에 설치되어 있어, 작동단추를 누르면 자동으로 적재하게 된다. 즉 엘리베이터가 도착하면 화물을 차량에 실은 뒤, 이 차량을 정해진 층으로 이동시켜 화물을 하역한다.