방수설계(IPX5)에 대한 고민-IEC60529
목차
1. 들어가며
오늘 이야기해볼 방수 관련 설계 내용은 IPX5 등급에 대한 내용이다. 최근 방수 설계에 대한 관심이 많다. 그냥 저냥 가스켓을 이용한 설계를 진행해도 되지만 ‘내가 설계를 진행할 때 미리 계산 할 수 있는 방법은 없을까?’ 하는 궁금증에서 시작된 개인적인 공부 기록이다.
최근 작성한 아래 글에 이어서 계속해서 IP등급과 설계에 대한 글을 작성해볼 예정이다.
2. IPX5의 시험 조건
IP등급의 시험 조건은 아래와 같다.
- 시험은 깨끗한 물로 수행한다.
- IPX에서 IPX6에 관한 시험 동안, 수온은 시험용 시험편(specimen)의 온도와 5K 이상 차이가 나서는 안 된다. 수온이 시험편의 온도보다 5K 이상 낮다면 외함에 대한 기압을 조정한다. IPX7 및 IPX9의 경우, 수온의 세부사항은 각가 14.2.7 및 14.2.9에 따른다.
- 시험 중, 외함 내부에 들어간 습기는 부분적으로 응축될 수 있다. 이때 생기는 이슬 맵힘을 물의 침투로 착각하지 않아야 한다.
- 시험을 위해, 외함의 표면적의 허용오차는 10%로 계산한다.
- 전류가 흐르는 조건에서 기기를 시험할 때는 적당한 안정상의 예방 조치가 있어야 한다.
그리고 IPX5의 시험조건은 아래와 같다.
시험시 사용하는 노즐은 아래 그림과 같다.
IPX5 시험을 할 때 위와 같은 조건과 노즐을 이용해서 진행을 한다.
그럼 이제 시험 조건을 기반으로 공학적인 수치가 어떻게 되는지 알아보려 한다.
3. IPX5의 공학적 수치는 무엇이 있는가?
물론 공학적 수치는 방수율도 있고, 노즐의 직경도 있고 여러가지가 있다.
근데 나는 궁금한게 ‘과연 노즐에서 어떤 속도로 물이 발사되는가? 어떠한 압력으로 노즐에서 물이 발사되는가?’ 이다.
‘압력과 속도를 알게 되면 왠지 내가 설계를 할 때 참고를 할 수 있지 않을까?’ 라는 생각을 했다.
그래서 간만에 유체역학을 배웠던 기억을 더듬어서 관련 공식을 참고하여 계산을 진행해 봤다.
일단 아래에 노즐의 내부의 각 지점을 나눠봤다.
노즐을 보면 베르누이 방정식이 떠오른다. 비압축성 유체라고 가정한 상태에서 베르누이 방적식을 이용해서 압력을 구할 수 있을 것 같다.
그리고 방수율을 이용해서 1번 지점, 2번 지점의 유속을 알 수 있을 것 같다.
일단 베르누이 정리 는 아래 공식과 같다.
이 식을 위 상황에 대입을 해보자.
이때, 우리는 노즐 내부의 직경을 알고 있기 때문에 각 단면적을 구할 수 있다.
그리고 우리는 방수율을 알고 있고, 단면적을 알고 있기 때문에 각 지점의 유속을 알 수 있다.
각 단면적을 이용해 유속을 구해준다.
IPX5 시험에서 일정한 압력을 세팅하고 시험을 하지 않고 방수율을 맞추기 위한 압력세팅이기 때문에 어느정도의 압력인지 알 수는 없다.
그렇지만 1번 지점과 2번 지점의 압력차를 구할 수는 있다.
일단 노즐은 수평한 상태로 세팅된다고 가정하게 되면
이 내용을 베르누이 방정식에 적용하게 되면 높이와 관련된 항은 삭제가 되며, 아래와 같은 식으로 정리가 된다.
1번 지점과 2번 지점의 압력차를 구하기 위해 식을 다시 정리 하면 아래와 같다.
그럼 만약 2번 지점이 대기에 노출되어 있어 압력은 대기압과 동일하다고 가정하면
1번 지점의 압력은 123kpa로 계산된다.
하지만 출구 압력을 정확히 알지 못해서 아쉽다.
그럼 과연 구한 유속을 IPX5 시험에 어떻게 반영해야할까.
그건 고민해보고 다시 작성하도록 하겠다. 혹시나 이 글을 읽고 지나가는 고수분이 계시다면 알려주길 바란다.