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가혹 환경에서의 연결
가혹 환경에서의 연결
  • 오현식 기자
  • 승인 2018.12.10 16:16
  • 댓글 0
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가혹 환경에서의 안전한 커넥터·케이블 설계

산업 현장은 사람이나 기계가 최적의 상태로 활동하기에 어려운 상황일 수 있다. 극한의 추위나 더위와 싸워야 하고, 진동이나 먼지 등이 장비의 오작동을 초래할 수 있기 때문이다. 따라서 열악하고, 가혹한 환경에서는 안정적인 연결을 유지하기 위해 더 견고한 솔루션을 요구한다. 이에 산업 전반에 걸쳐 안정적인 연결을 위해 레거시의 연결 구성 요소를 교체하는 추세가 지속적으로 증가하고 있다. 가혹한 환경에서 자동화 기기의 정상적인 상태를 보장하기 위한 케이블과 커넥터의 조건을 살펴 보자. 

재료 물질 고려사항
연결 성능에 영향을 주는 여러 가지 요소 가운데 중점적으로 살펴야 할 부분은 커넥터 또는 케이블 솔루션이다. 특히 커넥터와 케이블의 재료, 화학적 호환성은 솔루션의 무결성에 직접 영향을 줄 수 있는 주요 기준으로 손꼽힌다.

예를 들어 커넥터와 케이블을 보호하는 데 있어 주요 재료 중 하나가 바로 플라스틱이다. 그런데 플라스틱은 소재에 따른 격차가 크다. 어떤 소재는 균열없이 매우 추운 온도를 견딜 수 있는 반면 어떤 플라스틱은 고온에 매우 강한 특성을 지닌다.

까다로운 애플리케이션에서는 신뢰성과 견고한 구조를 지닌 오버몰드 커넥터Overmolded connector가 권장된다. 오버몰드 커넥터는 케이블과 커넥터 사이의 모든 연결 지점을 절연하고, 보호함으로써 단순한 플라스틱 하우징 이상의 기능을 제공한다. 또 공장에서 테스트를 거쳐 완벽하게 조립되어 제공됨으로써 설치가 쉬우면서 향상된 성능을 제공한다.

오늘날 다양한 플라스틱 재질 옵션을 사용하여 가혹한 환경에서 대부분의 화학 물질을 견딜 수 있는 오버몰드된 커넥터 솔루션이 등장해 있다. 하지만 플라스틱 오버몰드 바디가 충분한 보호 기능을 제공하지 못할 수 있는 애플리케이션이 있을 수 있다. 

이러한 애플리케이션에서는 삽입 물질potting material로 채워진 스테인레스강stainless steel 하우징을 사용하는 방법을 적용할 수 있다. 이를 통해 향상된 기계적 강도를 제공하고, 부식성이 강한 화학 물질을 사용하는 애플리케이션에서 요구되는 신뢰성을 확보할 수 있다.

추가적인 위험 위치 승인을 허용하는 커넥터 버전도 존재한다. 스테인레스강 커넥터 바디를 사용하는 Grade 316 스테인리스 스틸의 경우, Grade 303과 304 등급의 스테인레스강보다 화학 물질에 대한 내식성이 높아 가혹한 산업 환경에서 최상의 옵션이 될 수 있다.

기타 고려사항
재료 및 화학적 호환성을 고려했다면, 침투 보호·진동·온도·인장 강도 등을 검토해야 한다. 이러한 사양은 솔루션의 안정성과 직결되는 요소이다.

○ 침투 보호
일반적으로 IP 등급이라고하는 침투 보호 등급은 분진이나 물과 같은 환경 오염 물질에 저항하는 제품의 능력을 말한다. IEC·NEMA 등이 산업의 표준 등급으로 활용된다. 
까다로운 애플리케이션에 사용되는 케이블과 커넥터에서는 최소 IP65 보호 기능 이상을 찾아야 한다. 먼지나 분사수의 침투를 방지할 수 있기 때문이다. IP69K는 가장 높은 수준의 침투 보호 기능으로 고압의 먼지와 물로부터 보호하므로 식품·음료 등의 산업에서 활용할 수 있다. 

○ 진동
진동의 영향도 중요하다. 진동으로 인해 커넥터의 연결이 끊어질 수 있기 때문이다. 이러한 위험을 견디기 위해서는 커넥터, 접점 및 케이블의 디자인과 품질이 중요하다. 진동으로부터 커넥터가 느슨하게 풀리지 않도록 하기 위해서는 설계에 충격과 진동이 심한 경우에도 결속을 유지하는 특수 기능이 포함되어야 하며, 접촉 설계로 접합 인터페이스가 간헐적인 연결 또는 진동에 의한 손상을 방지해야 한다.

또 다르게 살펴야 할 부분은 접촉 재료와 도금이다. 이는 강도·내구성·전기적 성능을 위한 중요한 요소로, 가장 견고한 커넥터·케이블에서 확인해야 할 기준들은 다음과 같다.
     ● 스탬핑되거나 성형되지 않고 기계 가공된 접점 : 더 나은 성능 
     ● 주석 도금보다 금 도금 : 전기적 특성 향상 
     ● 견고한 전선 또는 고가 연선 : 최상의 케이블 굴곡

○ 온도
올바른 재료를 사용하지 않게 되면, 애플리케이션의 온도가 성능에 영향을 미치게 된다. 극도로 추운 곳에서 케이블 재킷이나 플라스틱 커넥터 몸체에 균열이 생길 수 있으며, 매우 뜨거운 환경에서 시간이 지남에 따라 플라스틱이 분해되기도 한다. 최적의 솔루션을 얻으려면 정격 최적 온도 범위가 애플리케이션의 최적 온도 범위와 일치하는 커넥터와 케이블을 찾아야 한다. 

이에 더해 온도 변화로 인한 잠재적 문제까지도 고려해야 한다. 예를 들어 급격한 온도 변화가 압력의 변화를 일으켜 습기를 초래하는데, 이로 인해 전기적 성능 문제가 발생할 수 있다. 

○ 인장 강도
산업 환경에서는 케이블과 커넥터가 많은 힘을 받는 상황도 종종 발생한다. 작업 중에 부딪힘이 발생할 수 있는 것이다. 
제품의 인장 강도는 커넥터가 이러한 힘을 얼마나 잘 견디는지를 나타낸다. 플러그 본체와 케이블 사이의 결합은 제품이 강한 인장 강도를 보일 수 있다는 하나의 지표로 활용할 수 있다. 

또 다른 부분은 커플링 너트의 후면이 커넥터의 플러그 본체 위로 연장될 수 있는가의 여부이다. 이것이 가능하다면, 플러그 본체와 커플링 너트 사이에서 작용하는 모든 힘이 흡수되어 종단에 접촉하는 와이어에는 직접 작용하지 않게 된다.

환경을 극복하는 솔루션
가혹한 환경을 극복하기 위해 일반적인 도이치 커넥터는 진동에 견딜 수 있는 견고한 오버몰드 솔루션으로 변모했다. 이러한 커넥터는 습기와 먼지가 반복적인 고장을 일으킨 곳에서 연결성을 향상시키고 있으며, 청소·세척 중에도 보호를 제공한다. 

오버몰드 커넥터는 진동을 해결에도 이점이 있다. 커넥터와 케이블이 제대로 장착되지 않으면 기계가 작동 할 때 플로팅 상태가 되어 연결 실패라는 결과로 나타난다. 오버몰드 커넥터는 올바른 장착을 위한 방안이기도 하다.

실제로 기업이 자체적으로 조립한 솔루션과 오버몰드된 커넥터의 비교 연구에서는 오버몰드 솔루션이 초기 단계에서는 더 많은 비용이 필요했지만, 설치에 드는 시간과 노력을 줄임으로써 운영 비용을 크게 절감한다는 결과가 도출됐다.

옥외 환경에서 운용 애플리케이션이 많은 석유/가스 산업, 용접·금속 스탬핑 작업이 많은 자동차 산업 등은 고유한 위험 요소를 갖고 있는 대표적인 분야이다. 석유 및 가스 산업의 경우, 야외 환경 문제에 직면하지만 시추 용도로 부식성 화학 물질이 포함되어 위험 위치 인증hazardous location approval이 요구된다. 위험 위치 인증은 위험한 장소에서 안전하게 사용할 수 있는 제품을 의미하며, 모든 석유/가스 기업들은 글로벌 안전 준수를 보장하고 제품 재고를 합리화하기 위해 다양한 국제 승인을 요구한다.

자동차 제조 환경의 경우, 더욱 까다로운 중장비 연결 응용 프로그램이 포함된다. 부품이 함께 용접되고 형성되거나 성형되도록 스탬핑되면 케이블과 커넥터는 이러한 공정의 특정 요구 사항을 견딜 수 있어야 한다. 자동차 제조에서 재질 선택은 케이블 및 커넥터 옵션 필드를 좁히는 데 사용할 수 있는 최상의 기준 중 하나이다. TPE 플라스틱은 그 구성이 용접 슬래그에 의해 일반적으로 발생하는 피팅에 저항하기 때문에 용접 응용 분야에 이상적이다. 금속 성형 및 스탬핑의 경우 TPE 및 TPU 케이블은 일반적인 절삭유 및 오일을 견디기 때문에 최상의 선택이다.

가혹한 환경이란, 물 또는 부식성 화학 물질에서부터 진동 및 온도에 이르기까지 연결성에 있어 가장 까다로운 환경을 말한다. 따라서 재료 및 화학적 호환성과 같은 핵심 요소를 고려하고 환경이 제품과 어떻게 상호 작용하는지 이해하는 것이 중요하며, 혹독한 환경에 강하고 응용 프로그램 문제를 해결할 수 있는 안정적이고 강력한 솔루션을 선택하여야 한다.


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