제품 설계 — 정적 실링 설계

밀봉 설계의 핵심은 구조, 공차, 재료 및 기타 요인들의 복합적인 영향을 통해 제품이 전체 사용 수명 동안 모든 누출 경로를 차단하도록 보장하는 것이다.

밀봉 부품이 완전히 새것일 때만 점검하고, 밀봉 링의 공차, 부품의 공차, 또는 노화 후 밀봉 성능과 같은 요소들을 무시하면 나중에 쉽게 누출이 발생할 수 있다. 이러한 요소들은 설계 초기 단계부터 반드시 고려되어야 한다.

공개된 정보에 따르면, 밀봉 부품은 정적 밀봉(static seal)과 동적 밀봉(dynamic seal)으로 구분되며, 이는 작동 중 밀봉 부품과 부품 간에 상대 운동이 존재하는지 여부에 따라 결정된다. 각 유형의 설계 초점은 매우 다르다. 본 기사에서는 정적 밀봉만 다룬다.

내용물

1. 밀봉 원리 및 실패 모드

2. 밀봉 링 구조 설계

1. 다양한 상태에서의 실패 모드

2. 최소 재료 조건(LMC) 하의 접촉 압력 및 접촉 길이

3. 최대 재료 조건(MMC) 하의 충진률 및 국부 응력

3. 밀봉 링의 내후성

1. 압축 영구변형률(Compression Set)의 정의

2. 압축 영구변형률(Compression Set)과 압력(압축률), 온도, 그리고 경화 시간 간의 관계

3. 경화 후 신속한 평가 방법

4. 본 기사의 범위 및 향후 다룰 주제

1. 밀봉 원리 및 실패 모드

제품이 밀봉되는 이유는 엘라스토머(실링 링)가 접촉면에 압착되어 가스 또는 액체의 통과를 차단하기 때문이다.

누출 경로 측면에서 볼 때, 실링 실패는 주로 두 가지 형태로 나타난다.

• 계면 누출: 실링 링과 접촉면 사이의 맞물림이 충분하지 않을 때 발생하며, 유체가 계면 또는 틈새를 따라 흐른다.

• 재료 투과: 가스 또는 액체 분자가 고무 또는 플라스틱 재료 자체를 분자 수준에서 통과한다.

실제 공학적 응용에서는 양압 버블 테스트가 일반적으로 큰 계면 누출을 보다 쉽게 검출할 수 있다. 반면, 침지 후 절연 실패 테스트는 시스템 전체 수준에서 제품 전반의 누출 여부를 판단하는 데 더 적합하다.

중요한 참고 사항: 시험 결과는 자동으로 정확한 고장 메커니즘을 알려주지 않습니다. 예를 들어, 제품이 양압 조건에서는 기포가 발생하지 않지만 음압 조건에서는 절연 실패를 보일 수 있습니다. 이는 재료 투과성 때문이라고 단정할 수 없으며, 인터페이스 누출, 실링 링의 국부적 결함 또는 다른 누출 경로일 수도 있습니다.

2. 밀봉 링 구조 설계

공개된 설계 가이드는 모두 실링 링 설계 시 압축량, 그루브 충진률, 신장/조립 상태, 표면 마감 및 공차를 종합적으로 고려해야 한다고 강조합니다. 압축량이 너무 적으면 접촉 불량이 발생하고, 과도하게 압축하면 영구변형 속도가 빨라지거나 조립력이 지나치게 커지며, 국부적 손상이 유발될 수 있습니다.

공학 설계 시에는 유한 요소 해석(FEA)을 활용해 실링 링의 신장, 조립 등 다양한 조건을 시뮬레이션하고, 핵심 수치를 기준으로 신뢰성을 평가할 수 있습니다. 주요 검토 항목은 다음과 같습니다.

참고: 이 수치들은 누출 자체를 직접 측정한 값이 아니라, 공학적 대리 지표입니다.

1. 다양한 상태에서의 실패 모드

구조 검토 시, 먼저 다양한 크기 조합 및 조립 상태에서 명백한 고장 모드가 발생하는지 확인합니다. 예를 들어:

• 실링 립 붕괴

• 말림 또는 핀칭

• 국부적 압출

• 명확한 비정상 응력 집중

이 단계는 실링이 여전히 정상 작동 상태인지 여부를 판단해 줍니다. 명목상 압축률이 적절해 보이더라도, 극단적인 조립 조건에서 실링 립이 붕괴되거나 접히면 신뢰성은 여전히 저하될 수 있습니다.

2. LMC(최소 재료 조건) 하의 접촉 압력 및 접촉 길이

정적 실링의 경우, LMC(실링 링 치수는 허용오차 최소값, 그루브 간격은 허용오차 최대값)가 종종 가장 취약한 순간입니다. 이 조합은 접촉 압력과 접촉 길이를 더 쉽게 감소시키기 때문입니다.

커넥터 부위의 경우, 실리콘 고무를 사용할 때 초기 설계 단계에서 양압 >500 kPa 및 접촉 길이 >0.6 mm를 목표로 삼는 것이 경험상 바람직합니다. 이는 125°C에서 1008시간 동안 공기 밀폐성 28 kPa를 달성할 수 있는 기준 값으로, 약 3m 수심에 상응합니다.

추가 참고 사항:

① 필요 시, 힘에 의한 맞물림 부품의 변형도 함께 고려하십시오.

② 접촉 압력과 접촉 길이는 거시적 수준의 검토 항목이며, 미시적 수준에서는 여전히 표면 조도로 인해 형성되는 누출 경로를 고려해야 합니다.

3. 최대 재료 조건(MMC, Maximum Material Condition) 하의 충진률 및 국부 응력

MMC 조건에서는 실링 링이 과도하게 압축되기 쉬우므로 다음 사항에 주의하십시오.

• 단면 충진률이 과도하게 높지 않은지(100%를 초과해서는 안 됨).

• 국부 응력이 소재가 견딜 수 있는 한계를 초과하지 않으며(고무의 인장 강도를 초과해서는 안 됨), 으 Crushing 경향을 보이지 않는지.

• 압출 위험이 있는지.

3. 밀봉 링의 내후성

초기 부분에서는 새 상태의 실링 링 성능을 다루었으며, 유한요소해석(FEA)을 통해 이에 대한 상당히 정확한 결과를 얻을 수 있다.

그러나 고무 재료는 시간이 지남에 따라 영구적인 압축 변형(압축 세트), 응력 완화, 열적 노화 및 물성 저하를 겪게 되므로, 실링 인터페이스는 점차 원래의 접촉력을 잃게 된다.

초기 검사를 통과한다고 해서 수명 종료 시점에도 여전히 신뢰할 수 있다는 의미는 아니다. 설계 초기 단계부터 노화 요인을 반드시 고려해야 한다.

1. 압축 영구변형률(Compression Set)의 정의

압축 세트는 고무가 장기간 압축 후에도 탄성을 얼마나 잘 유지하는지를 판단하는 핵심 지표이다.

이는 실링 링이 장기간 압축된 후 노화되어 압력을 제거했을 때 원래 형상으로 완전히 복원되지 못함을 의미한다. 압축 세트 값이 클수록 복원 능력은 떨어지고, 수명 종료 시 유효한 실링 접촉을 잃을 위험은 높아진다.

(이 기사에는 압축 세트를 설명하는 도표가 삽입되어 있다.)

(이 기사에서는 실링 링의 압축 영구변형(compression set)을 측정하기 위한 표준 산업용 시험 고정장치를 보여주는데, 이는 판 사이에 놓인 표준 크기의 고무 블록으로 구성된다.)

2. 압축 영구변형률(Compression Set)과 압력(압축률), 온도, 그리고 경화 시간 간의 관계

질적으로 볼 때, 세 가지 주요 요인은 압력(압축률), 온도, 그리고 시간이다.

(이 기사에서는 VMQ 실리콘 고무의 압축 영구변형을 압축률에 따라 나타낸 그래프를 보여준다. VMQ의 경우, 압축이 너무 작거나 너무 크면 장기 성능 측면에서 최적이 아니다.)

(참고: 압축이 매우 약할 경우, 압축 영구변형의 ‘백분율’ 수치가 매우 높게 나타날 수 있다.)

(이 기사에서는 다양한 온도에서 열노화 후의 압축 영구변형을 보여주는 그래프를 제시한다 — 온도가 높을수록 복원 능력이 저하된다.)

(이 기사에서는 다양한 온도에서 각 밀봉재 재료의 대략적인 사용 수명을 보여준다 — 참고용일 뿐이다.)

(이 기사에서는 NBR 고무의 압축 영구변형을 노화 시간에 따라 나타낸 그래프를 보여준다.)

3. 경화 후 신속한 평가 방법

공학적 실무에서는 노화된 압축 영구변형률 값을 초기 설계에 다시 대입하여 여유량이 충분한지 신속히 확인하고, 수명 종료 시 고장 위험을 판단할 수 있습니다.

예시: 초기 설계 압축률이 10%인데, 125°C에서 1008시간 경과 후 압축 영구변형률이 17%로 증가하면, 노화 후 실링이 거의 확실하게 고장날 것입니다. 따라서 초기 압축률을 높이거나 압축 영구변형률 성능이 우수한 고무를 선택해야 합니다.

참고: 이 방법은 신속한 점검 또는 경향성 판단에는 유용하지만, 최종 누출률을 직접 예측하는 데는 적합하지 않습니다.

4. 본 기사의 범위 및 향후 다룰 주제

본 기사는 실링 설계를 위한 정성적 프레임워크를 제시하지만, 표면 거칠기와 밀봉성 간의 관계, 저온이 실링 성능에 미치는 영향, 누출률 산정을 위한 정량적 방법, 온도-노화 피팅 모델 구축 등 여러 주제는 아직 다루지 않았습니다.

참고문헌

[1] Parker Hannifin Corporation. Parker O-Ring Handbook: ORD 5700[M]. Cleveland, OH: Parker Hannifin Corporation, 2021.

[2] QIAN Y H, XIAO H Z, NIE M H 외. 변압기 오일 내 압축 응력 하에서 아크릴로니트릴 부타디엔 고무(NBR)의 수명 예측[C]//2016년 제5차 측정·계측기기·자동화 국제학술대회(ICMIA 2016) 논문집. 파리: 애틀란티스 프레스, 2016: 189–194. DOI: 10.2991/icmia-16.2016.35.