A Study on Sealing Performance of Elastomeric Rotary Lip Seals for Washing Machines

세탁기용 고무 회전 씨일의 밀봉 성능에 관한 연구

Abstract

In this research, we experimentally investigated the sealing performance of elastomeric rotary lip seals for washing machines. In general, NBR is used as a material for elastomeric rotary lip seals in washing machines, but the mixing formula of the rubber material can affect the sealing performance. In this study, we manufactured rotary lip seals using three kinds of NBRs with a different mixing formula, and examined the sealing performance using an acceleration test mode. The results of an SEM investigation into the surfaces of three kinds of specimens showed a much smaller wear volume and better sealing performance for the specimens with smaller particle sizes of mixing composition than for the specimen with the larger. Repeated deformation and recovery by the shaft-to-seal eccentricity on rotation were shown to cause a phase difference in the rubber material, and we measured the recovery ratio to find the influence of this phase difference on the sealing performance. As another method for checking the phase difference, we also measured tan ä, and a lower tan ä was revealed as the recovery ratio increased for each specimen. Specimens with a higher recovery ratio (lower tan ä) were shown to have a better sealing performance. Consequently, specimens with a smaller particle size in the mixing composition had a better sealing performance because they show a higher recovery ratio.

1. 서 론

씨일(seal)은 유동하는 다양한 유체를 밀봉하기 위한 장치[1]로서 이와 관련한 성능연구는 윤활유 또는 유압 실린더 등의 유압작동 오일과 같은 밀봉 대상물을 중심으로 씨일의 재료, 작동 오일의 성질, 운동 방식의 특성, 표면 거칠기의 영향 등에 대해 광범위하게 이루어 지고 있다[2-4].

현재까지 진행된 대부분의 연구가 오일 밀봉에 필요한 메커니즘의 규명에 집중되고 있는 반면에 물의 침입을 막거나 누수 방지에 필요한 씨일의 성능 연구는 부족한 부분이 많이 있었다.

가장 널리 사용되고 있는 고무 재료의 하나인 NBR(Nitrile Butadiene Rubber)과 관련된 연구도 윤활유 등의 오일 밀봉에 적합한 재료 배합에 대한 연구는 활발하게 진행되었으나, 세탁기 및 식기 세척기 등 물과 같은 유체를 밀봉하기 위한 재료 연구는 거의 전무한 실정이다.

Ayala 등[5]은 연삭 입자 슬러리(abrasive slurry) 의 침투를 방지하고자 하는 고무 씨일과 축의 접촉면에서 연삭 입자들이 마모에 미치는 영향을 실험적으로 연구하였고, Degrange 등[6]은 점탄성 관점에서 NBR의 마모 특성을 금속 볼과 고무 재료의 접촉을 통하여 고찰하였다.

하지만, 이러한 연구는 밀봉 대상물이 물과 같은 유체가 아니고 재료의 특성에 초점을 맞추고 있어서 물을 밀봉하기 위한 씨일의 밀봉 성능을 파악하기에는 부족함이 있었다.

대표적인 수밀 시스템인 세탁기의 경우 일조식 전자동 세탁기는 전세계적으로 2014년 기준 연간 7,000만대 이상 양산되고 있으나[7], 베어링, 씨일, 클러치, 모터, 플라스틱 부품 등과 관련된 세탁기 부품의 기술은 아직도 연구되고 개선되어야 할 부분이 많이 남아 있다.

특히, Fig. 1과 같이 세탁기 하단부에 장착되는 씨일(seal)은 세탁 및 탈수 과정에서 클러치/모터 축이 회전할 때 수조의 물이 베어링/클러치 측으로 누수되지 않도록 밀봉하는 중요한 기능성 부품으로 밀봉 성능이 저하되면 수분이 베어링과 클러치에 침투하여 부식을 발생시키므로 세탁기의 수명에 직접적인 영향을 줄 수 있다.

Fig. 1.Schematic structure of washing machines and seal application.

세탁 수조의 세제와 물의 누수를 방지하는 씨일의 수명은 형상 디자인뿐만 아니라 적용 고무 재질의 종류, 윤활 작용을 위하여 씨일 립(seal lip) 사이에 도포하는 그리이스(grease), 상대부 표면 거칠기 등의 여러가지 인자들에 의해서 영향을 받게 된다.

본 연구에서는 세탁에서 사용하는 분말 세제를 이용하여 세탁 과정을 가속화할 수 있는 시험 모드를 제안하고 실제로 전자동 세탁기에 적용되고 있는 씨일을 이용하여 물을 밀봉하기 위해 갖추어야 할 고무 재질의 특성을 고찰하였다.

 

2. 연구방법 및 내용

2-1. 시험편

일반적으로 세탁기용 씨일은 Fig. 2에서 나타난 것과 같이 밀봉을 위해 3~4개의 립(lip)이 축과 접촉하며 고무 재질의 점탄성 성질을 보완하여 축 편심에 대한 추종성을 확보하기 위해 1~2개의 가터 스프링(garter spring)을 가지고 있다.

Fig. 2.Assembly of rotary lip seal with shaft in washing machines.

본 연구에서 사용된 시험편은 전자동 세탁기에 실제 적용되고 있는 Fig. 2와 같은 씨일 제품을 3가지 종류의 고무 재료를 이용하여 제작되었다. 적용된 고무 재질은 밀봉 장치의 재료로 가장 널리 사용되는 NBR로서 니트릴 고무의 함량은 유사하지만, 충진재의 경우 시편 A에서는 다량의 실리카와 소량의 카본 블랙, 시편 B에서는 유사한 비율의 실리카와 카본 블랙, 시편 C에서는 다량의 카본 블랙과 극소량의 실리카를 이용하여 3가지의 재료를 배합하였다. 충진재의 크기는 실리카는 약 20~100 μm, 카본 블랙은 약 5~10 μm의 분포를 가진다.

Table 1은 본 연구에 사용된 NBR 재료의 기본 물성을 나타낸 것이다.

Table 1.Basic properties of rubber materials

사용된 시편의 모든 립 사이에는 수세성이 우수한 바륨계 그리이스를 체적의 약 60~80% 정도로 충진하여 사용하였다.

2-2. 시험 방법

세탁기는 세탁, 헹굼 및 탈수 과정을 기본으로 하여 대략 1 사이클이 50~60분에 걸쳐 이루어 진다.

세탁과 헹굼 과정은 약 120~150 rpm으로 양방향 회전하며, 탈수 과정은 1,200 rpm으로 한 방향으로 회전하게 된다. 실제 세탁용액 속에는 용해되지 않은 세제의 입자와 세탁물에서 발생한 외부 먼지가 혼합되어 밀봉 성능에 영향을 미칠 수 있다.

Table 2는 본 연구에서 진행된 시험 조건으로서 회전 속도뿐만 아니라 제품 장착시 발생하는 편심 및 밀봉 대상물을, 현실보다는 훨씬 가혹한 환경을 구현하여 단 시간 내에 각 씨일들의 밀봉 성능을 평가하고자 하였다.

Table 2.Test conditions for sealing performance

세탁기 수조와 축의 베어링 사이에서 원심력, 관성 및 초기 조립 공차에 의한 편심이 씨일의 밀봉 거동에 주는 영향을 고찰하기 위하여 씨일을 하우징에 조립할 때와 회전축을 장착할 때에 의도적으로 각각 0.2 mm의 편심을 부과하였다.

2-3. 시험 장치

Fig. 3은 본 연구에 사용된 시험장치의 개략도를 나타낸 것이다. 실제와 동일한 치수의 하우징에 씨일을 조립하고 회전축에 장착한 다음 물과 먼지, 합성세제가 과포화 혼합된 액체를 씨일이 완전 침수될 때까지 수조에 채운 다음 모터로 회전축을 회전시켜 씨일의 밀봉 성능을 평가하였다.

Fig. 3.Schematic diagram of the test apparatus.

시험시 교반모터에 부착된 프로펠러를 이용하여 액체를 지속적으로 교반시킴으로서 과포화 액체가 특정 지점에 퇴적되는 것을 방지하였다.

 

3. 결과 및 고찰

3-1. 밀봉 시험 결과 및 마모량 분석

Fig. 4는 밀봉 시험 후 씨일을 분해하여 각각의 립 사이에 도포된 그리이스의 변색 및 외부 이물 침입 정도와 누수 여부를 관찰한 사진이다.

Fig. 4.Photographs of grease status on the lips of rotary lip seals after sealing performance test.

시편 A는 밀봉 기능을 하지 못하고 누수가 발생하였으며 세탁액이 도포된 그리이스 전체와 혼입되면서 그리이스가 검게 변색되었다.

시편 B와 C는 누수는 발생하지 않아 시험시간 동안 씨일이 밀봉 기능을 할 수 있었던 것으로 판단되지만, Fig. 4에 나타난 것처럼 시편 B의 경우는 4개의 립 중에서 일정 부분 세탁액이 침투하였으나 최종 립을 관통하지 못하여 누수가 발생하지 않은 것으로 생각된다.

반면에 시편 C의 경우는 최초 립은 제외한 나머지 부분에서는 그리이스의 오염이 관찰되지 않고 거의 초기 색상을 그대로 유지하였고 누수 또한 발생하지 않았다.

누수와 씨일의 마모 형태의 상관성을 확인하기 위하여 시편의 각각의 립에 대해서 마모량을 Fig. 5와 같이 비교하였다.

Fig. 5.Wear volume comparison of the sealing lips for each specimen.

밀봉 시험 후 마모가 발생한 시편의 형상을 형상 측정기를 이용하여 축 방향으로 측정하고 측정된 형상을 원래 단면과 중첩시켜 마모가 발생하였거나 영구 변형된 형상 및 면적을 측정한 후 면적을 씨일의 회전 중심축으로 회전시켜 마모체적을 계산하였다.

Fig. 5에서 나타난 것과 같이 세 종류의 시험편에서 각각의 립에 대해 마모량은 큰 차이를 보였으며, 마모량이 크게 발생할 수록 밀봉 성능은 저하되는 것으로 나타났다.

특히, 과포화 세탁액에 혼합된 세제 입자와 인공 먼지 입자를 1차로 거르는 역할을 하는 립 1과 고무재료의 탄성 복원 능력을 보완하도록 스프링이 장착되어 있는 립 2는 밀봉에서 가장 중요한 역할을 하고 있으므로 시험편 A의 경우 립 1과 2에서 발생한 과대 마모가 밀봉 성능 저하의 가장 중요한 이유로 추정된다. 시험편 A는 다른 시험편에 비해 립 3과 4에서도 많은 마모가 발생하고 있는데, 이는 립 1과 2의 밀봉 성능이 저하되면서 세제 입자와 인공먼지 입자가 그 부분까지도 침투하여 마모를 야기한 것으로 생각된다.

립 3과 립 4는 립 두께가 길고 얇기 때문에 접촉력이 낮아 마모량이 다른 립에 비해 크게 나타나지는 않았으나, 접촉 시 변형이 크게 발생하는 형상으로 장시간 접촉하여 구동함으로써 영구 변형이 발생하였다.

영구 변형이 큰 재료의 경우 장기적으로 밀봉에 필요한 립의 접촉력을 감소시켜 밀봉성능을 저하시키게 되므로 특히 유동성이 좋고 점성이 매우 낮은 물과 같은 유체를 밀봉하게 될 때는 절대적으로 불리해 진다.

따라서, 시험편 A의 경우 영구 변형과 함께 마모량도 크게 발생하였으므로 물과 같은 저점성 유체가 지속적으로 유동하고 있는 위치에서는 밀봉 재료로서 적합하지 않은 것으로 판단된다.

3-2. 마모면의 미시적 관찰

전자 주사 현미경을 이용하여 본 시험에 사용된 시험편 A, B, C에 대하여 밀봉 시험 전과 후의 표면을 Fig. 6과 같이 관찰하였다.

Fig. 6.SEM photographs on the surfaces of specimens before and after sealing performance test.

시험 전 시편의 표면을 촬영한 사진에서 나타난 바와 같이 고무를 배합할 때 투입되는 충진재의 입자 크기가 시험편에 따라 현격한 차이를 보였다. 시험편 A의 표면에서는 약 50~100 μm 크기의 입자들이 다수 충진되어 있으며, 큰 입자는 고무 재료 사이에 제대로 분산되지 않고 외부 하중에 의해 쉽게 탈락될 수 있는 형상을 가지고 있다.

반면에, 시험편 B에서는 10~20 μm의 입자들이 표면에 산재되어 있고 시험편 C에서는 충진 입자가 거의 10 μm이하의 크기를 가지고 있으며 표면에 산재된 빈도 또한 매우 적게 나타났다.

밀봉 시험이 완료된 이후의 마모면 표면을 관찰한 결과 시험편 A의 경우 100 μm 정도의 큰 충진 입자들이 탈락하면서 깊게 패인 자국을 남기게 되고, 그 주변의 가황 결합된 고무까지도 쉽게 마모되게 됨으로 마모면이 윤활이 되지 않은 면과 같이 매우 거칠게 나타난다.

하지만, 매우 작은 직경의 충진 입자로 배합된 시험편 B와 C는 밀봉 시험이 진행되었음에도 불구하고 큰 입자의 탈락 등으로 인한 과대 마모는 발생하지 않고 매끄러운 마모면을 보이고 있으며 상대적으로 경도가 낮은 고무표면에는 과포화 세탁용액 속에 포함되어 있는 용해되지 않은 세제입자 및 인공먼지에 의한 연삭 마모가 관찰되었다.

또한, 시험편 B의 경우 충진된 입자가 탈락한 흔적이 시험편 C에 비해 상대적으로 크게 나타나고 있으며 이는 재료배합 시 사용된 충진된 입자의 크기가 시험편 C에 비해 크고 표면에 분포되어 있는 빈도도 많기 때문에 이러한 현상이 발생한 것으로 생각된다.

따라서 Fig. 6에서 관찰된 것과 같이 충진된 입자들의 크기는 마모량과 마모형태에 큰 영향을 주고 있는 것으로 판단된다.

3-3. 탄성 회복율

고무 회전 씨일은 일반적으로 고무 재질과 축의 간섭량에 의한 접촉 압력과 밀봉을 위해 립이 가져야 할 적합한 각도 및 립과 축의 접촉면에 적용된 윤활유의 성능 등에 의해서 밀봉 기능을 수행하게 된다.

오일을 밀봉하는 경우는 밀봉대상물인 오일이 접촉면까지 침투하여 윤활작용을 하게 되지만, 물을 밀봉하는 경우는 물이 접촉면까지 침입하지 못하도록 립 표면에 그리이스 도포와 같은 적절한 윤활막을 의도적으로 형성시키고 유지시켜 주어야 한다.

하지만, 접촉면에 윤활막이 적절하게 유지되어 있고 설계적으로 씨일의 립이 밀봉에 적합한 각도를 가지고 있다 할지라도 Fig. 7에서와 같이 축의 편심량에 의해서 립은 반경 방향으로 간섭량이 변경될 뿐만 아니라 축 방향으로도 미끄럼이 발생하게 되므로 초기에 예측한 접촉 형상과 상이한 접촉 형태가 발생하고 마모량이 증대되어 누수가 발생할 수 있다.

Fig. 7.Lip sliding of seals caused by shaft-to-seal eccentricity.

특히, 고무와 같이 점탄성을 가지는 재료에 하중에 의한 변형이 가해진 경우 하중이 제거되더라도 재료가 초기 상태로 회복하는 데는 위상차(phase difference)가 발생하게 된다. 하중이 반복적으로 작용할 경우 하중 작용 주기가 고무가 회복할 때 걸리는 위상차보다 빠르다면 원래 상태로 완전히 회복하지 못하는 현상이 나타난다.

조립 공차 및 지지부 유격 등으로 발생할 수 있는 축의 편심으로 씨일에서는 고속으로 회전하는 축이 축과 접촉하고 있는 립을 매우 빠른 주기로 반복 변형을 가하게 되므로 고무 재료가 원상 회복을 하지 못하고 밀봉에 적합한 접촉 형상을 유지하기 어렵게 된다.

따라서, 축 및 조립 상의 편심이 클 경우에는 고무 재료가 편심에 의해 발생한 변형을 가능한 한 빨리 탄성회복 하여 밀봉에 적합한 접촉 형상을 지속적으로 유지하는 것이 밀봉 성능에 매우 중요한 요소로 작용한다.

재료의 탄성 회복 특성을 정량적으로 측정하기 위하여 Fig. 8과 같이 시험편 A, B, C에 대해서 IRHD(International Rubber Hardness Degree) 경도를 측정하고 하중이 제거된 다음 재료가 시간에 따라 회복되는 탄성 회복율을 측정하였다.

Fig. 8.Elastic recovery ratio of the specimens after removing the normal load for IRHD.

본 실험에서 측정된 IRHD 경도의 값은 시험편 A, B, C에 대하여 각각 62.7, 70.0, 79.5를 기록 하였다.

Fig. 8에서 볼 수 있듯이, 15초가 넘어서면 세 종류의 시험편 모두 탄성 회복율이 98%를 넘어서면서 거의 초기상태를 회복하게 된다.

하지만, 하중이 제거된 직후 탄성 회복율은 시험편 A는 약 94%인 반면에 시험편 B와 C는 97% 이상을 기록하였다. 초기 탄성 회복율이 우수한 시험편 B와 C가 축의 편심에 대한 대응성이 우수할 것으로 판단되어 상대적으로 우수한 밀봉 성능을 가지는 것으로 판단된다.

탄성 회복력을 이해하기 위한 다른 방법으로써 tan δ를 측정하였다. tan δ는 점탄성 재질의 탄성 모듈러스와 점성 모듈러스의 비를 나타낸 것으로 클 수록 감쇠 능력이 우수하고 적을 수록 탄성 회복력이 우수하다는 것을 의미한다.

tan δ는 Fig. 9에서와 같이 0.01 Hz에서부터 100 Hz까지 10 Hz 간격으로 상온에서 측정을 실시하였다. 주파수가 높아짐에 따라 시험편 A의 tan δ가 현격하게 증가하는 반면, 시험편 B와 C는 상대적으로 주파수 전체 영역에서 비교적 일정하게 나타나고 있다.

Fig. 9.Change of tan δ value for the specimens with respect to frequency.

tan δ 측정 결과에서도 탄성 회복율과 같이 편심에 대한 추종능력은 시험편 B와 C가 A보다 우수한 것으로 판단되었다.

재료의 배합 상태와 관련하여 생각할 때 재료 배합시 충진 입자의 크기를 조밀하게 할수록 탄성 회복율이 좋아지며 축의 편심이 크게 발생하는 장소의 밀봉 재료로서 더 적합할 것으로 생각된다.

 

4. 결 론

세탁기용 고무 회전 씨일의 밀봉 성능에 대한 연구를 충진 입자의 크기가 각각 다른 세 종류의 NBR을 배합하여 과포화 세제와 인공 먼지의 혼합물을 밀봉 대상물로 이용하여 진행하였다.

충진 입자의 크기가 50~100 μm인 시험편의 경우 충진 입자가 탈락하면서 깊은 마모흔을 형성하고 주변의 고무도 탈락시키면서 마모가 과대하게 발생하여 밀봉 대상물을 충분히 밀봉하지 못하였다.

반면에 충진 입자가 10~20 μm 이하의 크기를 가지는 두 종류의 시험편에서는 마모량이 크지 않고 매끄러운 마모면을 형성하였으며 밀봉 대상물의 입자에 의한 연삭마모가 발생하였으나, 밀봉 성능은 매우 우수한 것으로 나타났다.

충진 입자의 크기가 조밀한 두 종류의 시험편은 그렇지 않은 시험편에 비해 높은 탄성 회복율을 가지므로 축의 과대한 편심에 더 용이하게 대응할 수 있어서 우수한 밀봉 성능을 가지는 것으로 판단되었다.

또한, 이러한 효과는 tan δ 측정 결과를 비교해 볼 때도 동일하게 나타났다. 충진 입자의 크기가 큰 시험편은 tan δ의 값이 10 Hz이상의 주파수 영역에서부터 크게 나타남에 따라 축의 편심에 대한 추종성능은 상대적으로 tan δ의 값이 낮게 측정되는 다른 두 종류의 시험편에 비하여 밀봉 성능은 미흡할 것으로 생각된다.