오링 설계 간편 가이드

오링 설계 간편 가이드

 

가장 많이 사용되는 씰(seal)로 대게 검은색 고무다.

 

 

아래는 설계 과정이다. 

 

설계를 위한 최소한의 지식

 

오링 설계를 위해서는 적용하고자하는 부위가 다음에 어디에 해당되는지를 우선 알아야 한다.

 

움직임 여부에 따라 : 고정용/정적 (static) or 운동용/동적 (dynamic) 

 

기밀 방향에 따라 : radial or axial (facial) 

 

장착 위치에 따라 : male (pipe inside) or female (pipe outside)

 

움직임 방향에 따라 : reciprocating (왕복) or rotating (회전)

 

압력 조건에 따라 : internal or external

 

 

재질 선택

 

-53~301 deg. C 작동 온도와 사용 유체의 적합성에 따라 선택한다. 대부분의 경우는 별 차이가 없어서 적당히 골라도 된다.

 

( -184 deg. C까지 사용 가능한 PolyTetraFluoroEthylene (PTFE)은 보통 오링으로 분류하지 않는다. KS나 JIS 에서는 용도별로 P,G,V, 재료별로 1A, 1B, 2, 3, 4C, 4D로 구분한다. )

 

 

백업링

  

백업링의 포함 여부에 따라 오링 그루브의 폭 설계가 달라진다.

 

그림 출처 : RHHUDSON 오링 핸드북

 

- 백업링의 목적

 

고압에서 오링의 이탈에 의한 손상 (=누설) 방지로 백업링 자체는 기밀 성능이 없다. 

 

- 포함 여부 선정 기준

 

그루브 설계 이전에 아래 표를 보고 삽입 여부를 결정한다 (백업링 포함여부에 따라 그루브 폭이 바뀐다!). 표에서 알 수 있듯이 간극이 클수록 압력이 높을수록 백업링이 필요하다. 예를 들어 경도 70 shore A 오링에 간극 0.07 mm, 사용압력 50 bar 면 백업링 사용이 불필요하다. 경도(70, 80, 90 shore A)는 같은 FKM 재질 이라도 세부적인 화학 구성에 따라 틀려지므로  제품 구입 시에 모델 번호를 정확히 아는 것이 좋다.

 

 

- 종류

 

크게 3가지 종류가 있다. 

 

      기본은 솔리드인 엔드리스,

      끼우기가 어려우면 바이어스 컷,

      온도차가 크면 여러번 감긴 스파이럴을 쓴다. 

 

백업링은 주로 오링보다 단단한 PTFE 재질로 압력 입력의 반대측에 장착하게 되며 가죽제를 사용하기도 한다.

 

(아래 그림에서 Parbak은 파커사의 상품명이다.)

 

그림 출처 : 파커 오링 핸드북

 

 

오링 및 그루브(혹은 글랜드) 설계

 

많은 사이트에서 표로 매우 잘 정리되어 있다. 대부분 비슷한 포맷으로 고르기만 하면 된다. 오링 사이즈는 다양한 규격이 있으나 AS 568 (미국의 항공우주 규격,  mechengineering.tistory.com/596)이 가장 일반적으로 쓰인다. 이 규격에서 세자리 숫자로 내경과 두께를 정의한다 (세자리 숫자가 클수록 내경과 두께가 커진다).

 

아래 그림을 보면 정적 Radial 오링 그루브 설계를 보여준다. SAE AS5857은 미국 SAE 항공우주 표준이다.

 

씰이 피스톤의 장착되는 경우는 일단 C 값을 보자. 그걸 보고 고르면 된다. 보어 직경 A는 조립이 가능해야 하므로 당연히 피스톤 직경 보다는 크게 된다. C에서 F 를 뺀 값이 압축률을 결정하게 된다. 

 

그림 출처 : 파커 오링 핸드북

 

위의 그루브를 설계한 이후에는 그루브 폭과 오링을 설정해야 하며 위의 AS568 dash no.를 기준으로 아래표에서 고르면 된다.

 

그림 출처 : 파커 오링 핸드북

 

오링과 닿는 면은 기밀 성능을 수행하는 기밀면이 되고 기밀면에서 조도는 매우 중요한 요소이다. 그루브 면의 위치, 정/동적, 기/액체 , 백업링 포함 여부에 따라 다르나 Ra 16, 32, 63 (mm 단위계로는 0.4, 0.8, 1.6) 셋 중 하나다. 동적, 기체, 백업링 미포함 할수록 조도가 높아야 한다. 

 

표면 조도를 위와 같이 하려면 일반 기계 가공으로도 가능할 수 있으나 Ra 0.4는 매우 힘들다. 원칙적으로는 가공 후 조도 검사가 필요하다. 조도를 확실히하려면 기계 가공 이외의 표면 처리 (연삭, 전해연마 등) 가 필요하다.

  

그루브 설계 원리

 

이미 표로 잘 정리되어 상용품 카탈로그에서 고르기만 하면 되지만 일반적인 설계 원리는 다음과 같다. 세부 값은 제조사에 따라 바뀔 수 있다.

 

- Radial Seal

그루브에 오링이 잘 고정되기 위해서는 오링을 조금 늘여서 장착하는 것이 좋다. 따라서 오링 원주를 그루브 내경에 비해 1~5% 작게 설계하는데 2 % 정도를 추천한다. 수식으로 보면 아래와 같다.

 

오링 내부 직경 = 그루브 내부 직경 x 0.98

 

기밀을 위해 정적 오링의 경우는 최대 약 40%, 동적 오링의 경우는 약 30 %정도 단면의 압축이 발생되게 그루브 내경을 설정한다. 수식으로 보면 아래와 같다.

 

오링 단면적 직경 = { (보어 직경 - 그루브 내부 직경) / 2 } / ( 1 - 압축률 ) 

 

* 보어 직경 : 오링을 덮는 뚜껑 부품의 직경

** 2로 나누는 이유는 반경으로 계산해야 되기 때문

 

대부분의 고무 재질이 거시적으로는 비압축성이라 볼 수 있어, 오링이 반경 방향으로 압축이 되면 축방향으로 팽창을 허용하기 위해서 그루브 폭은 오링 직경의 약 1.5 배를 한다.수식으로 보면 아래와 같다.

 

그루브 길이 = 오링 단면적 직경 x 1.5

 

* 주의점 : 위 수식을 보면 알겠지만 Radial Seal 압축율은 직경에만 의존적이지 그루브 폭과는 무관하다.

 

인터넷에 찾아보면 형상을 입력하면 압축율을 계산해주는 오링 계산기가 있다.

 

*영문 설명 (제작 공차가 포함된 경우)

http://www.efunda.com/designstandards/oring/design_guidelines.cfm

 

 

기타

 

- 윤활제

 

dynamic 씰의 경우, 오래쓰려면 윤활제를 바르는 것이 좋다 (오링 파는 곳에 문의하면 좋은 것을 추천해 준다)

static 씰의 경우도 조립할때 오링이 파손될 수 있으므로 바르기도 한다.

 

 

참고

 

* 자료가 잘 정리된 상용 카탈로그 (영문)

rlhudson 오링 핸드북

rlhudson.com/wp-content/uploads/2018/04/rlhudson-o-ring-guide.pdf

파커 오링 핸드북

http://www.parker.com/literature/ORD%205700%20Parker_O-Ring_Handbook.pdf

http://www.tss.trelleborg.com/remotemedia/media/globalformastercontent/downloadsautomaticlycreatedbyscript/catalogs/o_ring_gb_en.pdf

http://o-ring.info/en/o-ring/Technical%20Handbook/Technical%20handbook%20O-rings%20update%20april%202013.pdf