O링
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1. 개요
O링은 원형 단면을 가진 링 형태의 기계 부품으로, 주로 유체나 기체의 누출을 막는 밀봉 용도로 사용된다. 1896년 스웨덴에서 J. O. 룬드베리에 의해 최초 특허가 등록되었으며, 1937년 닐스 크리스텐센에 의해 미국 특허가 출원되었다. O링은 압축 시 밀봉 효과를 내며, 니트릴 고무, 실리콘 고무, 불소 고무 등 다양한 재질로 제작되어 사용 환경에 따라 선택된다. O링은 고정용(개스킷)과 운동용(패킹)으로 사용되며, 다양한 규격과 종류가 존재한다. 1986년 챌린저 우주왕복선 폭발 사고에서 O링의 저온에서의 밀봉 실패가 사고 원인으로 밝혀지면서, O링의 품질 관리와 설계 개선의 중요성이 부각되었다.
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| O링 | |
|---|---|
| 지도 | |
| 기본 정보 | |
| 종류 | 기계적 밀봉 |
| 재료 | 고무, 탄성중합체 |
| 모양 | 원환체 (토러스) |
| 용도 | 유체 밀봉 |
| 기술적 세부 사항 | |
| 작동 압력 | 5,000 psi (34 MPa) |
| 작동 방식 | 압력에 의한 변형으로 밀봉 |
| 주요 적용 분야 | 유압 장치 공압 장치 엔진 펌프 밸브 기타 기계 장치 |
| 역사 | |
| 개발 시기 | 1947년경 |
| 개발자 | 'O-링 밀봉'의 경우, 미국 자동차 기술자 협회에서 관련 연구 결과 발표 |
| 추가 정보 | |
| 밀봉 원리 | 고무 또는 탄성중합체의 탄성을 이용하여 접촉면을 압착하고 유체 경로를 차단하여 밀봉 효과를 얻음. 압력이 가해질수록 밀봉력이 증가 |
| 재료 선택 중요도 | 사용 환경과 유체 종류에 따라 적절한 재료 선택이 중요하며, 내열성, 내화학성 등을 고려해야 함 |
| 장점 | 설치 및 유지 보수가 용이 다양한 규격과 재료 제공 비교적 저렴한 비용 효과적인 밀봉 성능 |
| 단점 | 과도한 압력이나 온도에 취약 손상 시 밀봉 성능 저하 |
| 고려 사항 | 재료의 적합성 O링의 크기 및 규격 홈 가공 정밀도 윤활 상태 |
2. 역사
O링의 최초 특허는 1896년 5월 12일 스웨덴 특허로 등록되었으며, J. O. 룬드베리가 O-링을 발명하여 특허를 받았다.[6] O-링의 미국 특허[7][8]는 1937년 당시 72세였던 덴마크 출신 기계공 닐스 크리스텐센이 출원했다.[9] 1933년에 출원하여 특허 제2115383호[10]를 받은 이전 출원에서 그는 "본 발명은 유압 브레이크의 새롭고 유용한 개선 사항, 특히 동력 전달 실린더 피스톤의 개선된 씰에 관한 것이다"라고 서술하고 있다. 그는 "원형 단면 링… 고무 또는 고무 조성물로 만들어진" 것을 설명하고, "이러한 슬라이딩 또는 부분적인 롤링은 링…의 재료를 반죽하여 순수한 정적 슬라이딩으로 인한 마모의 해로운 영향 없이 생생하고 유연하게 유지합니다. 이러한 약간의 회전 또는 반죽 작용으로 링의 수명이 연장됩니다"라고 설명한다. 1937년에 출원한 그의 신청서에는 "1933년 12월 29일에 출원된 유압 브레이크에 대한 공동 계류 출원 번호 704,463의 일부 계속으로, 현재 미국 특허 제2,115,383호(1938년 4월 26일 허여)"라고 명시되어 있다.
1891년 미국으로 이주한 직후, 그는 노면전차(트램)용 공기 브레이크 시스템 특허를 받았다. 법적 노력에도 불구하고 특허는 여러 회사를 거쳐 결국 웨스팅하우스에 귀속되었다.[9] 제2차 세계 대전 중 미국 정부는 O-링 특허를 중요한 전시 물품으로 징발하여 다른 기관에 제조권을 부여했다. 크리스텐센은 그의 노력에 대해 일시불로 미화 7만 5천 달러를 받았다. 소송 결과, 그의 사망 19년 후인 1971년 그의 상속인에게 10만 달러가 지급되었다.[9]1937년 Niels Christensen에 의해 미국 특허청에 등록되었다. 제2차 세계 대전 중, 미국정부는 방위산업 관련으로 그의 특허를 선택했고 그에게 75,000 달러를 일시불로 지불했다.
2. 1. 발명과 초기 발전
O링의 초기 형태는 18세기 증기 기관의 실린더에 사용된 철제 O링에서 찾아볼 수 있다.[39] 1896년에는 스웨덴에서 J. O. 룬드베리가 O링 특허를 등록했다.[6] 1882년 토마스 에디슨의 전구 특허에도 수은 밀폐를 위해 고무 재질의 환형 부품이 사용되었다.[39]현대적인 O링은 1937년 덴마크 출신의 미국 이민자 닐스 크리스텐센에 의해 발명되었다.[7][8][9] 그는 O링을 짧은 직사각형 홈에 설치하는 새로운 사용법을 고안하여 효율성을 높였다.[39] 1933년에 출원하여 특허를 받은 이전 출원에서, 그는 "원형 단면 링… 고무 또는 고무 조성물로 만들어진" 것을 설명하고, "이러한 슬라이딩 또는 부분적인 롤링은 링…의 재료를 반죽하여 순수한 정적 슬라이딩으로 인한 마모의 해로운 영향 없이 생생하고 유연하게 유지합니다. 이러한 약간의 회전 또는 반죽 작용으로 링의 수명이 연장됩니다"라고 설명했다. 1937년 특허는 1933년 출원의 일부를 이어서 진행했다.[10]
1891년 미국으로 이주한 직후, 크리스텐센은 노면전차용 공기 브레이크 시스템 특허를 받았다. 특허는 여러 회사를 거쳐 결국 웨스팅하우스에 귀속되었다.[9] 제2차 세계 대전 중, 미국 정부는 O링 특허를 중요한 전시 물품으로 징발하여 다른 기관에 제조권을 부여했다. 크리스텐센은 그의 노력에 대해 일시불로 미화 7만 5천 달러를 받았다. 소송 결과, 그의 사망 19년 후인 1971년 그의 상속인에게 10만 달러가 지급되었다.[9] 1940년대 초에는 미국 공군의 유압 시스템의 실링 방법으로 O링이 표준화되면서, 니트릴 고무의 발명과 함께 O링은 급격히 발전하여 보급되었다.
2. 2. 한국에서의 O링 역사
한국에서 O링이 본격적으로 사용된 시기는 산업화가 가속화되던 1960년대 이후로 추정된다.[9] 초기에는 수입에 의존했으나, 점차 국내 기업들이 O링 생산 기술을 개발하면서 국산화가 이루어졌다. 현재 한국은 세계적인 수준의 O링 제조 기술을 보유하고 있으며, 다양한 산업 분야에 O링을 공급하고 있다.[9]3. 원리 및 설계
O-링은 홈에 장착되어 압축되면서 밀봉을 형성한다.[25] 이때, 홈에 의해 만들어지는 O링이 들어갈 공간의 깊이를 O링 두께보다 작게 함으로써 O링을 압축한다. 이에 따라 O링과 부품 사이에는 반발력이 발생하여 밀착된다.
성공적인 O링 조인트 설계에는 O링에 예측 가능한 변형을 가하는 단단한 기계적 장착이 필요하며, 이는 O링 접촉면에 계산된 기계적 응력을 도입한다. 포함된 유체의 압력이 O링의 접촉 응력을 초과하지 않는 한 누출은 발생하지 않는다. 포함된 유체의 압력은 본질적으로 비압축성인 O링 재질을 통해 전달되며, 접촉 응력은 압력이 증가함에 따라 증가한다.
O링이 유체를 밀폐할 때, 유체로부터 압력이 가해지면 O링은 더욱 밀착되어 자체 밀봉(self-seal) 효과가 발생한다. 원래의 O링과 두 부품 사이의 반발력에 유체로부터의 압력이 더해져, 더욱 강하게 밀착하게 된다. 자체 밀봉 기구가 작용하는 다른 씰 부품으로는 립 타입의 씰(립 패킹)이 있다.
O링은 압출 성형, 사출 성형, 프레스 성형, 트랜스퍼 성형 등 다양한 방법으로 제작된다.[5] 크기는 내경과 단면(두께)으로 결정되며, 다양한 미터법 및 인치 표준 크기로 제공된다. 미국에서는 SAE AS568C 사양에 따른 인치 표준 크기가 일반적이며, ISO 3601-1:2012에는 전 세계적으로 가장 많이 사용되는 인치 및 미터법 표준 크기가 포함되어 있다. 영국에는 BS 크기로 알려진 표준 크기도 있다.[16]
O링의 일반적인 치수는 내경(id), 외경(od) 및 두께/단면(cs)이다. 미터법 O-링은 일반적으로 내경 x 단면으로 정의되며, "2x1N70"은 내경 2mm, 단면 1mm의 니트릴 고무로 만들어진 70Sh의 O-링을 나타낸다.
O링 선택은 화학적 적합성, 사용 온도, 밀봉 압력, 윤활 요구 사항, 경도, 크기 및 비용을 기반으로 한다.[18]
합성 고무 (열경화성 수지) 및 열가소성 수지가 O링 재료로 사용될 수 있다. 일반적으로 사용되는 재료는 다음과 같다:
- '''니트릴 고무(NBR, HNBR, HSN, Buna-N):''' 우수한 기계적 특성, 윤활유 및 그리스에 대한 내성, 상대적으로 낮은 비용으로 인해 O링에 일반적으로 사용된다.[19] 범용 O링 재료로 비교적 저렴하여 가장 많이 사용된다.[28] 특히 압축 영구 변형이 작다는 장점을 가진다.[28]
- '''실리콘 고무(SiR):''' 넓은 온도 범위(-100℃ ~ 250℃)에서 사용 가능하며 오존, 풍화 및 노화에 대한 우수한 내성을 가진다.[19]
- '''불소 고무(FKM):''' 매우 높은 내열성과 다양한 화학 물질에 대한 내성을 가지며, 우수한 노화 및 오존 내성, 매우 낮은 가스 투과성 및 자기 소화성을 가진다.[19]
- '''우레탄 고무:''' O링에 사용되는 고무 재료 중에서 기계적 강도가 가장 높다.[28]
- '''부틸 고무(IIR):''' 기체 투과성이 낮아 진공용으로 자주 사용된다.[31]
- '''테플론(PTFE):''' 내약품성이 우수하다.[32]
- '''금속(스테인리스강, 니켈 합금):''' 고무로는 실현하기 어려운 저온, 고온, 고압, 고진공 환경에서 사용된다.[33][34]
진공 환경에서는 기체 투과성이 낮은 부틸 고무나 금속 O링이 사용된다.[12][13][14] 10−9 토르(Torr) 이하의 고진공 시스템은 구리 또는 니켈 O-링을 사용한다.[15] 고온 환경에서는 내열성이 우수한 불소 고무나 실리콘 고무가 사용된다.
O링 재료의 경도는 O링 성능에 관여하는 중요한 물성 중 하나이며, 고무 재질 O링의 경우 듀로미터 경도 A형 측정값이 표준적으로 지표로 사용된다.[31]
3. 1. 작동 원리
O-링은 홈에 장착되어 압축되면서 밀봉을 형성한다.[25] 이때, 홈에 의해 만들어지는 O링이 들어갈 공간의 깊이를 O링 두께보다 작게 함으로써 O링을 압축한다. 이에 따라 O링과 부품 사이에는 반발력이 발생하여 밀착된다.성공적인 O링 조인트 설계에는 O링에 예측 가능한 변형을 가하는 단단한 기계적 장착이 필요하며, 이는 O링 접촉면에 계산된 기계적 응력을 도입한다. 포함된 유체의 압력이 O링의 접촉 응력을 초과하지 않는 한 누출은 발생하지 않는다. 포함된 유체의 압력은 본질적으로 비압축성인 O링 재질을 통해 전달되며, 접촉 응력은 압력이 증가함에 따라 증가한다.
O링이 유체를 밀폐할 때, 유체로부터 압력이 가해지면 O링은 더욱 밀착되어 자체 밀봉(self-seal) 효과가 발생한다. 원래의 O링과 두 부품 사이의 반발력에 유체로부터의 압력이 더해져, 더욱 강하게 밀착하게 된다. 자체 밀봉 기구가 작용하는 다른 씰 부품으로는 립 타입의 씰(립 패킹)이 있다.
3. 2. 설계 및 재료
O링은 압출 성형, 사출 성형, 프레스 성형, 트랜스퍼 성형 등 다양한 방법으로 제작된다.[5] 크기는 내경과 단면(두께)으로 결정되며, 다양한 미터법 및 인치 표준 크기로 제공된다. 미국에서는 SAE AS568C 사양에 따른 인치 표준 크기가 일반적이며, ISO 3601-1:2012에는 전 세계적으로 가장 많이 사용되는 인치 및 미터법 표준 크기가 포함되어 있다. 영국에는 BS 크기로 알려진 표준 크기도 있다.[16]O링의 일반적인 치수는 내경(id), 외경(od) 및 두께/단면(cs)이다. 미터법 O-링은 일반적으로 내경 x 단면으로 정의되며, "2x1N70"은 내경 2mm, 단면 1mm의 니트릴 고무로 만들어진 70Sh의 O-링을 나타낸다.
O링 선택은 화학적 적합성, 사용 온도, 밀봉 압력, 윤활 요구 사항, 경도, 크기 및 비용을 기반으로 한다.[18]
합성 고무 (열경화성 수지) 및 열가소성 수지가 O링 재료로 사용될 수 있다. 일반적으로 사용되는 재료는 다음과 같다:
- '''니트릴 고무(NBR, HNBR, HSN, Buna-N):''' 우수한 기계적 특성, 윤활유 및 그리스에 대한 내성, 상대적으로 낮은 비용으로 인해 O링에 일반적으로 사용된다.[19] 범용 O링 재료로 비교적 저렴하여 가장 많이 사용된다.[28] 특히 압축 영구 변형이 작다는 장점을 가진다.[28]
- '''실리콘 고무(SiR):''' 넓은 온도 범위(-100℃ ~ 250℃)에서 사용 가능하며 오존, 풍화 및 노화에 대한 우수한 내성을 가진다.[19]
- '''불소 고무(FKM):''' 매우 높은 내열성과 다양한 화학 물질에 대한 내성을 가지며, 우수한 노화 및 오존 내성, 매우 낮은 가스 투과성 및 자기 소화성을 가진다.[19]
- '''우레탄 고무:''' O링에 사용되는 고무 재료 중에서 기계적 강도가 가장 높다.[28]
- '''부틸 고무(IIR):''' 기체 투과성이 낮아 진공용으로 자주 사용된다.[31]
- '''테플론(PTFE):''' 내약품성이 우수하다.[32]
- '''금속(스테인리스강, 니켈 합금):''' 고무로는 실현하기 어려운 저온, 고온, 고압, 고진공 환경에서 사용된다.[33][34]
진공 환경에서는 기체 투과성이 낮은 부틸 고무나 금속 O링이 사용된다.[12][13][14] 10−9 토르(Torr) 이하의 고진공 시스템은 구리 또는 니켈 O-링을 사용한다.[15] 고온 환경에서는 내열성이 우수한 불소 고무나 실리콘 고무가 사용된다.
O링 재료의 경도는 O링 성능에 관여하는 중요한 물성 중 하나이며, 고무 재질 O링의 경우 듀로미터 경도 A형 측정값이 표준적으로 지표로 사용된다.[31]
4. 종류 및 규격
O-링은 다양한 크기로 제공된다.[16] 일반적인 치수는 내경(id), 외경(od) 및 두께/단면(cs)이다.
국제표준화기구(ISO), 미국자동차기술자협회(SAE), 일본공업규격(JIS), 일본자동차기술회규격(JASO) 등에서 O링의 형상, 재료, 홈 형상 등에 관한 규격을 제정하고 있다.
자동차 엔지니어 협회(SAE) 항공우주 표준 568(AS568)[16]은 밀봉 응용 분야와 직선 나사관 이음쇠 보스 개스킷에 사용되는 O링의 내경, 단면, 허용 오차 및 크기 식별 코드(대시 번호)를 지정한다. 영국 표준(BS)은 인치 단위 또는 미터 단위 크기를 사용한다. 미터법 O링은 일반적으로 내경 x 단면으로 정의된다.
- ISO 3601-1:2012 내경, 단면, 공차 및 지정 코드
- ISO 3601-2:2016 일반 용도 하우징 치수
- ISO 3601-4:2008 압출 방지 링(백업 링)
- ISO 3601-3 (2005) - O링 ― 제3부: 품질 허용 기준
- ISO 3601-5 (2008) - O링 ― 제5부: 산업용 엘라스토머 재료 규격
- SAE AS568D (2014) - 항공우주 O링 크기 표준
- JIS B2401-1 (2012) - O링 ― 제1부: O링
- JIS B2401-2 (2012) - O링 ― 제2부: 하우징의 형상·치수
- JIS B2401-3 (2012) - O링 ― 제3부: 외관 품질 기준
- JIS B2401-4 (2012) - O링 ― 제4부: 백업 링
- JIS B2410 (2005) - O링 ― 고무 재료 선정 지침
- JASO F404 (1996) - 자동차용 O링
4. 1. 종류
O-링은 원형 단면을 가지는 것이 일반적이지만, 다양한 형태의 단면 디자인을 가진 O-링도 존재한다.[21] X자 모양의 단면을 가진 X-링(쿼드 링)은 설치 시 4개의 접촉면으로 밀봉되어, 왕복 운동 응용 분야에서 O-링보다 낮은 작동 및 분리 마찰과 나선형 감김 위험 감소 효과를 제공한다.[21]
사각 링은 O-링의 경제적인 대체품으로 도입되었으며, 엘라스토머 슬리브를 성형 후 선반으로 절단하여 제조한다. 사각 링은 정적 응용 분야에서 O-링보다 우수한 물리적 밀봉 성능을 제공하지만, 동적 응용 분야에서는 O-링보다 열등하며, 설치가 더 어려울 수 있다.
비원형 단면을 가진 유사한 장치는 밀봉 장치, 패킹 또는 개스킷이라고 불린다.[22] 자동차 실린더 헤드는 구리로 표면 처리된 평평한 개스킷으로, 고진공에는 구리 개스킷에 삽입된 나이프 에지가 사용된다. 왕복 운동용 개선을 위해 설계된 D링, X링, T링 등이 있으며, 금속제로는 중공 O링 외에 C링, E링, U링 등이 있다.[38]
4. 2. 규격
O링은 다양한 크기로 제공된다.[16] 일반적인 치수는 내경(id), 외경(od) 및 두께/단면(cs)이다.국제표준화기구(ISO), 미국자동차기술자협회(SAE), 일본공업규격(JIS), 일본자동차기술회규격(JASO) 등에서 O링의 형상, 재료, 홈 형상 등에 관한 규격을 제정하고 있다.
자동차 엔지니어 협회(SAE) 항공우주 표준 568(AS568)[16]은 밀봉 응용 분야와 직선 나사관 이음쇠 보스 개스킷에 사용되는 O링의 내경, 단면, 허용 오차 및 크기 식별 코드(대시 번호)를 지정한다. 영국 표준(BS)은 인치 단위 또는 미터 단위 크기를 사용한다. 미터법 O링은 일반적으로 내경 x 단면으로 정의된다.
- ISO 3601-1:2012 내경, 단면, 공차 및 지정 코드
- ISO 3601-2:2016 일반 용도 하우징 치수
- ISO 3601-4:2008 압출 방지 링(백업 링)
- ISO 3601-3 (2005) - O링 ― 제3부: 품질 허용 기준
- ISO 3601-5 (2008) - O링 ― 제5부: 산업용 엘라스토머 재료 규격
- SAE AS568D (2014) - 항공우주 O링 크기 표준
- JIS B2401-1 (2012) - O링 ― 제1부: O링
- JIS B2401-2 (2012) - O링 ― 제2부: 하우징의 형상·치수
- JIS B2401-3 (2012) - O링 ― 제3부: 외관 품질 기준
- JIS B2401-4 (2012) - O링 ― 제4부: 백업 링
- JIS B2410 (2005) - O링 ― 고무 재료 선정 지침
- JASO F404 (1996) - 자동차용 O링
5. 사용 방법
O링을 포함한 밀봉재 전반의 사용 방법은 고정용과 운동용으로 크게 나뉘며, 고정용은 가스켓, 운동용은 패킹이라고 부른다. O링은 이들 두 용도 모두에 사용된다.
성공적인 O링 조인트 설계에는 O링에 예측 가능한 변형을 가하는 단단한 기계적 장착이 필요하다. 이는 O링 접촉면에 계산된 기계적 응력을 도입한다. 포함된 유체의 압력이 O링의 접촉 응력을 초과하지 않는 한 누출은 발생하지 않는다. 포함된 유체의 압력은 본질적으로 비압축성인 O링 재질을 통해 전달되며, 접촉 응력은 압력이 증가함에 따라 증가한다. 이러한 이유로 O링은 기계적으로 파손되지 않는 한 고압을 쉽게 밀봉할 수 있다. 가장 일반적인 고장은 짝짓는 부품을 통한 압출이다.
밀봉은 O링과 밀봉면 사이에 점 접촉이 되도록 설계되었다. 이를 통해 O링 본체의 항복 응력을 초과하지 않고 고압을 포함할 수 있는 높은 국부 응력이 허용된다. O링 재료의 유연한 특성은 장착 부품의 불완전성을 수용한다. 그러나 특히 밀봉 고무가 유리 전이 온도에 도달하여 점점 더 유연성이 없어지고 유리처럼 되는 저온에서는 이러한 짝짓는 부품의 표면 마감을 유지하는 것이 중요하다. 동적 응용 분야에서는 표면 마감이 특히 중요하다. 너무 거친 표면 마감은 O링의 표면을 마모시키고, 너무 매끄러운 표면은 유체 막에 의해 밀봉이 적절히 윤활될 수 없게 한다.
5. 1. 고정용 및 운동용
O링은 밀폐 구조를 이루는 부품들의 상대적인 움직임 여부에 따라 고정용(개스킷)과 운동용(패킹)으로 구분된다. 고정용은 부품들이 상대적으로 움직이지 않는 상태에서 사용되며, 각 부품은 볼트나 리벳 등으로 고정된다. 원통면 고정용과 평면 고정용으로 나뉜다.
성공적인 O링 조인트 설계에는 O링에 예측 가능한 변형을 가하는 단단한 기계적 장착이 필요하며, 이는 O링 접촉면에 계산된 기계적 응력을 도입한다. 포함된 유체의 압력이 O링의 접촉 응력을 초과하지 않는 한 누출은 발생하지 않으며, O링은 기계적으로 파손되지 않는 한 고압을 쉽게 밀봉할 수 있다. 밀봉은 O링과 밀봉면 사이에 점 접촉이 되도록 설계되어 높은 국부 응력이 허용된다. O링 재료의 유연한 특성은 장착 부품의 불완전성을 수용하지만, 저온에서는 짝을 이루는 부품의 표면 마감을 유지하는 것이 중요하다. 동적 응용 분야에서는 표면 마감이 특히 중요한데, 너무 거친 표면은 O링을 마모시키고, 너무 매끄러운 표면은 밀봉이 적절히 윤활될 수 없게 한다.
특수한 경우로, 저부하의 벨트 드라이브 장치를 위한 벨트로 사용되거나, 부품 충돌 완화를 위한 완충재 역할을 하기도 한다.
5. 2. 밀폐 대상
O링은 물, 기계 작동유나 윤활유, 휘발유와 중유와 같은 연료류, 알코올과 같은 약품류, 공기, 증기, 액화석유가스, 프레온 가스 등 다양한 유체 및 기체를 밀폐하는 데 사용된다.[26][27] 기체 밀폐의 경우에는 O링에 윤활제 도포가 중요하다. 진공 밀폐에는 유체의 침투를 줄이기 위해 여러 개의 O링을 장착하거나, 기체 투과성이 낮은 부틸 고무를 사용한다.6. 문제점 및 해결 방안
O-링 재료는 고온 또는 저온, 화학적 부식, 진동, 마모 및 움직임에 노출될 수 있다. 엘라스토머는 상황에 따라 선택된다.
섭씨 -200도 또는 섭씨 250도만큼 낮거나 높은 온도를 견딜 수 있는 O-링 재료가 있다. 저온에서는 거의 모든 공학 재료가 경직되어 밀봉에 실패하고, 고온에서는 재료가 종종 타거나 분해된다. 화학적 부식은 재료를 분해하거나, 취성균열을 발생시키거나, 팽창을 일으킬 수 있다. 예를 들어, NBR 씰은 보호되지 않으면 매우 낮은 농도의 오존 가스에 노출될 때 균열이 발생할 수 있다. 저점도 유체와의 접촉에 의한 팽창은 치수를 증가시키고 고무의 인장강도를 낮춘다. 특정 홈에 맞지 않는 크기의 링을 사용하면 고무의 압출을 일으켜 다른 고장이 발생할 수 있다.
엘라스토머는 이온화 방사선에 민감하다. 일반적인 응용 분야에서 O-링은 자외선 및 연 X선과 같은 투과력이 약한 방사선으로부터 잘 보호되지만, 중성자와 같은 투과력이 강한 방사선은 빠른 열화를 일으킬 수 있다. 이러한 환경에서는 연성 금속 씰을 사용한다.
O-링 고장의 몇 가지 일반적인 이유는 다음과 같다.
# 설치 손상 – 이것은 O-링의 부적절한 설치로 인해 발생한다.
# 나선형 고장 – 장 스트로크 피스톤 씰과 – 다소 적은 정도로 – 로드 씰에서 발견된다. 씰은 지름의 한 지점(실린더 벽에 대해)에서 "걸리게" 되고 동시에 미끄러지고 굴러간다. 밀봉된 장치의 사이클이 반복되면서 O-링이 비틀리고 결국 씰 표면에 일련의 깊은 나선형 절단(일반적으로 45도 각도)이 발생한다.
# 폭발적 감압 – 엘라스토머 씰 요소 내부에 고압 가스가 갇히면 O-링 색전증, 가스 팽창 파열이라고도 한다. 이 팽창은 씰 표면에 물집과 파열을 일으킨다.
유체 압력이 증가하거나 틈이 너무 클 경우, O링은 틈새로 밀려나와 원래의 밀봉 기능을 상실하게 된다. 이를 압출(はみ出し)이라고 한다. 압출이 발생하면 O링이 밀려나게 된다. 또한 틈의 양과 유체 압력 외에 O링의 재질 경도도 압출 발생에 영향을 미친다. 경도가 높을수록 압출이 발생하기 어렵다.
일반적인 경향으로는 틈의 양이 작으면 높은 유체 압력에서도 압출이 발생하지 않는다. 반대로 틈의 양이 크면 낮은 유체 압력에서도 압출이 발생한다.
압출을 방지하기 위한 대책으로는 다음과 같은 방법이 있다.
- 부품의 치수를 재검토하여 틈의 양을 줄인다.
- 유체의 압력 값을 낮춘다.
- O링의 재질 경도를 높인다.
- 백업 링을 병용한다.
백업 링은 O링과 홈 벽 사이에 설치되어 압출을 방지하는 얇은 직사각형 환형 부품이다.[36] 한쪽 방향에서만 압력이 가해지는 경우에는 압력과 반대쪽에, 양쪽에서 압력이 가해지는 경우에는 양쪽에 장착한다. 백업 링의 재료로는 가죽, 테플론/PTFE영어, 금속 등이 사용된다.[36] JIS B 2401-4에서는 스파이럴, 바이어스컷, 엔드레스 3종류를 규정하고 있다.[37]
6. 1. 압출(はみ出し)
유체 압력이 증가하거나 틈이 너무 클 경우, O링은 틈새로 밀려나와 원래의 밀봉 기능을 상실하게 된다. 이를 압출(はみ出し)이라고 한다. 압출이 발생하면 O링이 밀려나게 된다. 또한 틈의 양과 유체 압력 외에 O링의 재질 경도도 압출 발생에 영향을 미친다. 경도가 높을수록 압출이 발생하기 어렵다.일반적인 경향으로는 틈의 양이 작으면 높은 유체 압력에서도 압출이 발생하지 않는다. 반대로 틈의 양이 크면 낮은 유체 압력에서도 압출이 발생한다.
압출을 방지하기 위한 대책으로는 다음과 같은 방법이 있다.
- 부품의 치수를 재검토하여 틈의 양을 줄인다.
- 유체의 압력 값을 낮춘다.
- O링의 재질 경도를 높인다.
- 백업 링을 병용한다.
6. 2. 백업 링
백업 링은 O링과 홈 벽 사이에 설치되어 압출을 방지하는 얇은 직사각형 환형 부품이다.[36] 한쪽 방향에서만 압력이 가해지는 경우에는 압력과 반대쪽에, 양쪽에서 압력이 가해지는 경우에는 양쪽에 장착한다. 백업 링의 재료로는 가죽, 테플론/PTFE영어, 금속 등이 사용된다.[36] JIS B 2401-4에서는 스파이럴, 바이어스컷, 엔드레스 3종류를 규정하고 있다.[37]7. 챌린저 우주왕복선 폭발 사고
우주왕복선 고체 로켓 부스터(SRB)에서 O링의 역할은 나뉜 SRB의 이음새를 메우면서 연료가 새어나가는 일이 없도록 하는 것이다. 길이가 50m에 육박하는 SRB를 통째로 운반하는 것이 어렵기 때문에 몇 부분으로 나눠서 운반을 하게 되는데 그 부분들을 이을 때 O링을 사용한다. 1986년 1월 28일, 챌린저 우주왕복선은 SRB에서의 연료 유출로 폭발하여 승무원 전원이 사망했다.[40] 낮은 온도로 인해 O링의 유연성이 떨어져, SRB부품 사이를 잘 매워주지 못했고, 그 사이로 SRB의 연료가 누출되었기 때문이다.
우주왕복선이 발사될 때 일반적으로 O링이 SRB의 이음매를 막는 절차는 다음과 같다.
# 발사되기 전에는 딱딱한 상태로 아무런 역할도 하지 않는다.
# 발사 후, 고체연료의 온도 상승과 함께 O링의 온도도 상승하며, 그로 인해 O링의 탄력성이 증가한다.
# 고체연료가 기체로 바뀌면서 소량이 틈새로 나오게 된다. O링이 기체로 변한 연료에 의해 밀려난다.
# 우주왕복선의 흔들림으로 O링이 SRB의 틈새에 끼게 된다. 기체로 변한 연료에 의한 기압으로 더 이상 움직이지 않는다.
# SRB가 우주왕복선에서 분리될 때까지 계속 틈새를 막는다.
1986년 1월 28일 발생한 우주왕복선 ''챌린저''호 재난의 원인은 O링 밀봉 장치의 고장으로 밝혀졌다. 발사 전의 혹한이 결정적인 요인이었다. 이는 캘리포니아 공과대학교(Caltech)의 물리학 교수인 리처드 파인만이 텔레비전에서 작은 O링을 얼음물에 담근 후 조사 위원회 앞에서 그 유연성(flexibility)의 상실을 보여주면서 유명해졌다.
고장난 O링의 재질은 우주왕복선 모터 제작업체인 모튼-티오콜(Morton-Thiokol)이 지정한 FKM이었다. O링이 유리 전이 온도(Tg) 이하로 냉각되면 탄성을 잃고 부서지기 쉽게 된다. 더 중요한 것은 O링이 유리 전이 온도 근처(하지만 그 이하가 아닌)로 냉각될 때, 일단 압축된 차가운 O링은 원래 모양으로 돌아오는 데 평소보다 오랜 시간이 걸린다는 점이다. O링(그리고 다른 모든 밀봉 장치)은 표면에 양의 압력을 생성하여 누출을 방지하는 방식으로 작동한다. 발사 전날 밤에는 매우 낮은 기온이 기록되었다. 이 때문에 NASA 기술자들은 검사를 실시했고, 주변 온도는 발사 기준 내에 있었으며 발사 절차가 진행될 수 있었다. 그러나 고무 O링의 온도는 주변 공기 온도보다 상당히 낮았다. 파인만은 발사 영상을 조사하는 과정에서 재난 직전 순간에 두 부분의 연결 부위에서 고체 로켓 부스터에서 작은 가스 방출 현상을 관찰했다. 이는 O링 밀봉 장치의 고장으로 인한 것으로 여겨졌다. 고온의 가스가 외부 탱크에 충돌하면서 전체 우주선이 파괴되었다.
사고 이후 고무 생산업체들은 변화를 도입했다. 많은 O링은 의약품 생산에서와 같이 배치 및 경화 날짜 코드가 부착되어 유통을 정확하게 추적하고 관리한다. 항공 우주 및 군사용 O링은 일반적으로 개별적으로 포장되어 재질, 경화 날짜 및 배치 정보가 표시된 라벨이 붙어 있다. 필요한 경우 O링을 선반에서 회수할 수 있다.[23] 또한 O링 및 기타 밀봉 장치는 제조업체에서 정기적으로 배치 테스트를 통해 품질 관리를 수행하며, 유통업체와 최종 사용자에 의해 여러 번 품질 보증 테스트를 거친다.
부스터 자체의 경우, NASA와 모튼-티오콜은 새로운 연결부 설계를 통해 O링을 2개에서 3개로 늘리고, 온도가 10℃ 이하로 떨어지면 켜질 수 있는 온보드 히터를 연결부에 장착했다. ''챌린저''호 이후로 O링 문제는 발생하지 않았으며, 2003년 우주왕복선 ''컬럼비아''호 재난에도 영향을 미치지 않았다.
7. 1. 사고 개요
1986년 1월 28일, 챌린저 우주왕복선은 우주왕복선 고체 로켓 부스터(SRB)에서의 연료 유출로 폭발하여 승무원 전원이 사망했다.[40] 챌린저호 폭발 사고의 직접적인 원인은 SRB 이음새에 사용된 O링의 밀봉 기능 상실이었다.[40]길이가 50m에 육박하는 SRB는 운반 문제로 인해 몇 부분으로 나뉘어 운반되는데, 이때 이음새를 밀봉하기 위해 O링이 사용된다. 일반적으로 O링은 발사 후 고체 연료의 온도 상승과 함께 탄력성이 증가하며, 기체로 변한 연료에 의해 밀려나 SRB 틈새에 끼어 분리될 때까지 틈새를 막는 역할을 한다.
우주왕복선 ''챌린저''호 재난의 원인은 O링 밀봉 장치의 고장이었다. 발사 전 혹한으로 인해 O링의 온도가 유리 전이 온도(Tg) 이하로 낮아져 탄성을 잃고 부서지기 쉬운 상태가 되었다. 모튼-티오콜(Morton-Thiokol)이 지정한 FKM 재질의 O링은 일단 압축된 후 원래 모양으로 돌아오는 데 평소보다 오랜 시간이 걸렸다.[23] 발사 당시 O링의 온도는 주변 공기 온도보다 낮았고, 이로 인해 O링이 SRB 부품 사이를 제대로 밀봉하지 못했다. 결국, 그 틈새로 고온의 연료가 누출되어 외부 탱크에 충돌하면서 폭발이 일어났다.
사고 이후, O링 및 기타 밀봉 장치는 제조업체에서 정기적으로 배치 테스트를 통해 품질 관리를 수행하며, 유통업체와 최종 사용자에 의해 여러 번 품질 보증 테스트를 거친다.[23] 또한, NASA와 모튼-티오콜은 연결부 설계를 변경하여 O링을 2개에서 3개로 늘리고, 온도가 일정 온도 이하로 떨어지면 켜지는 온보드 히터를 장착했다.[41] 이음매 구조 변경으로 O링 틈이 최소화되었고, 히터 설치로 O링 온도가 24℃ 미만이 되지 않도록 개선되었다.[41]
7. 2. 사고 원인 분석 및 개선
1986년 1월 28일, 챌린저 우주왕복선은 우주왕복선 고체 로켓 부스터(SRB)의 연료 누출로 폭발하여 승무원 전원이 사망했다.[40] 낮은 온도로 인해 O링의 유연성이 떨어져 SRB 부품 사이를 밀봉하지 못했고, 그 틈으로 연료가 누출된 것이다. 리처드 파인만은 O링을 얼음물에 담가 유연성이 상실되는 것을 시연하며 사고 원인을 규명했다.[23]사고 이후, O링 재질은 저온에서도 유연성을 유지하는 재질로 변경되었다. 또한, 다음과 같은 설계 변경이 이루어졌다.[41]
- O링 개수를 2개에서 3개로 늘렸다.
- 저온에서 작동하는 히터를 설치하여 O링 온도를 24℃ 이상으로 유지하도록 했다.
- 이음매 구조를 변경하여 O링의 틈이 최소가 되도록 했다.
이러한 개선을 통해 ''챌린저''호 이후 O링 문제는 발생하지 않았으며, 2003년 컬럼비아호 재난에도 영향을 미치지 않았다.
7. 3. 한국 사회에 미친 영향
챌린저호 참사는 한국 사회에도 큰 충격을 주었으며, 과학기술 안전의 중요성에 대한 인식을 높이는 계기가 되었다.[40] 특히, 우주 개발에 대한 관심이 높아지면서, 한국형 발사체 개발 등 우주 기술 자립을 위한 노력이 가속화되었다.1986년 1월 28일 발생한 챌린저호 폭발 사고는 고체로켓 부스터의 O링 결함이 원인이었다.[40] 모튼 티오콜사가 제작한 O링은 낮은 온도에서 탄성을 잃는 문제가 있었고, 이로 인해 연료 누출이 발생하여 폭발로 이어졌다.[40] 사고 이후, O링 부착 부위 주변 설계에 다음과 같은 개선이 이루어졌다:[41]
- 이음매 구조를 변경하여 O링의 틈을 최소화했다.
- 기존 설계에 세 번째 O링을 추가했다.
- 히터를 설치하여 O링의 온도를 24℃ 이상으로 유지하도록 했다.
8. 같이 보기
참조
[1]
웹사이트
The Seal Man's O-Ring Handbook
https://www.physics.[...]
EPM, Inc. - The Seal Man
2004-00-00
[2]
웹사이트
GFS O-Rings
https://www.gallaghe[...]
2021-08-04
[3]
학회발표
O-Ring Seals in the Design of Hydraulic Mechanisms
Hamilton Standard Prop. Div. of United Aircraft Corp
1947-01-00
[4]
웹사이트
Frequently Asked O-ring Technical Questions
http://divapps.parke[...]
Parker O-Ring & Engineered Seals Division
2018-12-07
[5]
웹사이트
Factory Tour
http://www.oringsusa[...]
[6]
웹사이트
O-Ring - Who Invented the O-Ring?
http://inventors.abo[...]
Inventors.about.com
2010-06-15
[7]
특허
[8]
특허
Packing
http://www.freepaten[...]
[9]
웹사이트
No. 555: O-Ring
http://www.uh.edu/en[...]
Uh.edu
2004-08-01
[10]
특허
Hydraulic brake
http://www.freepaten[...]
[11]
특허
[12]
웹사이트
Nor-Cal Products, Inc. - NW Stainless Steel Centering Rings with O-ring
http://n-c.com/Page.[...]
[13]
웹사이트
MDC Vacuum Products-Vacuum Components, Chambers, Valves, Flanges & Fittings
http://www.mdc-vacuu[...]
Mdc-vacuum.com
[14]
웹사이트
O-ring
http://www.glossary.[...]
Glossary.oilfield.slb.com
[15]
웹사이트
DHCAE Tools GMBH: OpenFOAM-solution
http://www.dhcae.com[...]
[16]
웹사이트
AS568: Aerospace Size Standard for O-Rings - SAE International
https://www.sae.org/[...]
2018-02-20
[17]
웹사이트
Trelleborg Sets Guinness World Record for the Largest O-Ring Ever Produced
https://www.tss.trel[...]
[18]
웹사이트
O-ring Design, O-ring Design Guide, O-ring Seal Design -Mykin Inc
http://mykin.com/ori[...]
Mykin.com
[19]
웹사이트
Type details
https://catalog.dich[...]
Dichtomatik Americas
2013-04-09
[20]
웹사이트
Chemical Compatibility
http://www.theorings[...]
The O-Ring Store LLC
[21]
웹사이트
X-ring simulation
https://caeuniversit[...]
[22]
웹사이트
John Crane seals measure up to API standards: News from John Crane EAA
http://www.processin[...]
Processingtalk.com
2005-12-09
[23]
웹사이트
What is O-Ring Shelf Life?
http://www.oringsusa[...]
Oringsusa.com
[24]
서적
機械工学辞典
丸善
[25]
표준
[26]
표준
[27]
웹사이트
Ｂ-e 主要温度範囲・密封対象流体
http://www.nok.co.jp[...]
NOK
2015-11-29
[28]
표준
[29]
웹사이트
Ｂ-h Oリングの使用方法（溝の種類）とその注意点
http://www.nok.co.jp[...]
NOK
2015-11-29
[30]
표준
[31]
웹사이트
Ｂ-c Oリングの密封原理
http://www.nok.co.jp[...]
NOK
2015-11-29
[32]
웹사이트
PTFE（テフロン／フッ素樹脂／4F）の概要
http://www.sakura-se[...]
桜シール
2015-11-29
[33]
웹사이트
スタティックメタルパッキン
http://www.nok.co.jp[...]
NOK
2015-11-29
[34]
웹사이트
メタルOリング
http://www.mitsubish[...]
三菱電線工業
2015-11-29
[35]
웹사이트
メタル中空Oリング
https://www.nichias.[...]
ニチアス
2015-11-29
[36]
웹사이트
Ｂ-g Oリングの設計基準
http://www.nok.co.jp[...]
NOK
2015-11-29
[37]
간행물
[38]
웹사이트
Parker Metal Seal Design Guide - CSS 5129
http://www.parker.co[...]
2015-11-19
[39]
웹사이트
O-Ring History
http://inventors.abo[...]
About, Inc.
2015-11-19
[40]
웹사이트
Report of the Presidential Commission on the Space Shuttle ''Challenger'' Accident, Volume 1, chapter 4, page 57-59, 70-72
http://history.nasa.[...]
2010-10-27
[41]
논문
スペースシャトル・チャレンジャー号事故と現状
日本信頼性学会
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