방수 설계(ipx1)에 대한 고민-IEC60529

1.들어가며

최근 제품 설계를 진행하며 방수 설계에서 굉장히 곤욕을 치르고 있다.

왜 곤욕을 치르고 있냐면 아래와 같은 이유가 있다:

• 케이스를 이중 사출하여 방수 설계를 진행함.
• 케이스의 재질이 말랑말랑해서 인서트 사출에서는 괜찮지만 이중사출 진행시 압력에 의해 조금씩 편차가 발생한 상태로 사출됨.
• 목표 방수 등급을 하기에는 케이스가 조립되며 고무가 압축되는 양이 부족함.

목표한 방수 등급에 도달하진 못 하더라도 어느 정도의 방수 등급은 충족할 수 있겠다고 생각하지만, 앞으로의 방수 설계를 어떻게 진행하면 원하는 목표 등급에 도달할 수 있을지 고민한 기록을 남기려한다.

이번 고민을 적기 전에 일단 앞서 IP등급에 대한 고민을 남겼었다. 궁금하다면 한 번 확인해보자.

2. 방수 등급 TEST를 실시하기 전 미리 계산할 수 없을까?

앞서 작성한 글에서 방수 등급 시험 방법에 대해 알게 되었다. 해당 방법에 대한 내용은 아래 표로 확인해보자.

위에서 보이는 것과 같이 ip 방수 등급의 시험 조건은 정말 복잡하다면 복잡하다. 실제 시험 결과를 기반으로 pass에 대한 판정을 하기 때 표와 같다.

그렇다면 실제로 물건을 만들기 전에 저 조건들을 버틸 수 있는 설계를 하기 위해서는 무엇을 검토해야할까?

내 생각에는 아래와 같은 내용을 검토해야하지 않을까 싶다.

• 방수등급의 시험 조건에서 시료에 가해지는 물의 압력과 힘.
• 내가 설계한 장비의 방수 구조가 버틸 수 있는 압력 및 구조.(재질이나 구조에 영향을 많이 받는다)

뭐 더 자세히 적으면 한도 끝도 없다. 물론 설계한 구조물이 어느정도 나왔을때 해당 구조물을 기반으로 분석 할 수 있을 것이다.

그럼 구조물을 설계하기 전에 방수등급에 따른 부하가 어떤지 확인을 하면 여러번 설계하는 일이 줄어들 것이다.

그럼 일단 각 방수등급이 나의 시료에 어떤 공학적 수치값으로 부하를 주는 것인지 고찰해보겠다.

3. 방수등급과 시료간의 관계

3.1 IPX1

일정한 유속의 물방울이 외함 전체 면적 위로 떨어지도록 하는 장치로 수행한다.

이런 장치의 예는 그림 3a)에 있다.

시험을 하는 방법을 참고할 수 있는 규격의 14.2.1을 보면 아래와 같은 시험 조건이 적혀있다.

1. 외함을 올려놓는 회전판의 회전 속도는 1r/min 으로 하고, 편심(회전판의 중심축과 시험편의 중심축 사이의 거리)은 약 100mm로 한다.
2. 시험용 외함은 통상 동작 위치로 하여 적하 상자 아래에 둔다.
3. 적하 상자의 밑면은 외함의 밑면보다 커야 한다.
4. 벽이나 천장에 설치하는 외함을 제외하고 시험용 외함의 지지대는 외함의 밑면보다 작아야 한다.
5. 통상, 벽이나 천장에 고정하는 외함은 벽이나 천장과 접촉하고 있는 외함의 표면과 동일한 치수를 갖는 나무판에 통상 사용 위치대로 고정한다.
6. 시험 시간은 10분이다.
7. 시험용 적하 상자의 밑면이 외함의 밑면보다 작을 때 외함의 밑면을 여러 부분으로 나눌 수 있으며, 각각의 면적은 떨어지는 물로 충분히 덮일 수 있어야 한다.
   규정된 시간 동안 외함의 전체 면적에 물이 뿌려질 때까지 시험을 계속한다.

위에서 설명한 규격에 명시되어 있는 14.2.1의 내용을 정리한 1~7번의 조건 중 내가 신경써야하는 조건은 1~2번, 6번항이다. 그리고 표에서 명시된 유속과 시험 시간이다.

그 외의 조건은 지금 내가 설계하는 업무와는 관련이 없다.

그럼 한번 각 조건에서 내가 이용할 수 있는 조건 값을 생각해보자 ..

• 회전바의 회전 속도는 1r/min, 편심은 약 100mm
  -회전 속도는 외함의 사이즈에 따라서 접선속도가 달라지겠지만 일단 1분에 1바퀴를 도는 것이다.
  -보통은 제품 제작시 상하 코어로 제작하기 때문에 의미가 있을까 싶다. 단지 시험시에 외함에 다양한 각도로 물방울이 떨어지도록 하기 위함으로 보인다.
  
• 시험용 외함은 통상 동작 위치로 하여 적하 상자 아래에 둔다.
  -통상 동작 위치라는 말이 걸린다. 사용하는 상황에서의 위치라고 생각을 해야할지, 세척을 위해 세척제를 뿌리는 위치라고 해야할지, 이건 시험을 진행하는 엔지니어의 주관에 따라 달라질 듯 하다.
  
  
• 시험시간은 10분
  -회전하는 회전바 위에 외함이 물방울을 맞는 시간이 10분이다. 정말 구조가 단순한 경우가 아닌 상황에서야 크게 중요하진 않은듯 하지만 시간요소는 고려해볼만 하다.
  -보통 사출을 이용해 제작하는 제품들 같은 경우에는 좌우로 체결하는 것 보다는 상하로 케이스 체결을 한다. 그래서 정말 설계와 제작이 잘못되어 틈이 아주 크지 않은 경우에는 치명적으로 누수가 발생하진 않을 것이라고 생각한다.
  -예를 드는 그림을 아래 첨부한다.

이런 예시에서 보통 사용하는 1번 예시 같은 경우에는 ipx1 시험을 진행하면 어떤 상황일까?

바로 아래와 같은 모습으로 시험을 받을 것이다.

ipx1의 시험에서는 위에서 아래로 떨어지는 물방울에 대한 시험이기 때문에 물이 강한 압력으로 case의 틈을 침투하진 않는다.

그럼 물방을은 case에 붙으려는 부착력으로 인한 모세관 현상으로 물이 스며 들어갈 것이다.

3.2 모세관 현상으로 인한 누수를 막기 위한 설계 준비

흠 그래 모세관 현상으로 인해 스며들어 갈 것이다.

만약 a치수가 0으로 완전 밀착되어 있다면 누수는 없을 것이다.

약간의 틈이 있다면 얼마나 스며들어 갈 것인가?

이전에 잠시 공부했던 모세관 현상에서는 원형의 관의 상태였는데 지금은 원형의 관이 아니다.

일단 모세관 현상에 대한 공식은 아래와 같다.

관련 변수들을 보면, 표면장력, 접촉각, 유체의 밀도, 모세관의 반경, 중력가속도가 영향이 있다.

관을 타고 올라가는 높이는 밀도, 모세관의 반경, 중력가속도에 반비례하고 표면장력에는 비례한다.

ip등급 테스트에서 물의 밀도, 중력가속도, 표면장력은 알고있다.

하지만 접촉각을 알 수 없고, Case의 틈을 모세관의 반경으로 환산할 방법을 모르겠다…. 흠..

4.마무리하며

일단 오늘은 더 작성할 수 없겠다. 만약 내가 조금 더 고민해서 적용할 수 있는 방법을 알게 되면 다시 한 번 글을 작성해서 공유하도록 하겠다.

혹시나 이 글을 읽는 분들 중에 방법을 알고 계시는 분들이 계신다면 알려주길 바란다.

아무튼 부족한 글을 읽어줘서 고맙고, 좋은 내용을 전달하지 못한 것은 미안하다.

더 공부하고 고민해서 좋은 내용을 공유해보도록 하겠다.

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