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문제 정의
- 이러한 배경으로 상업화 진공시스템 전산모사기(VacSim Multi )[8]를 이용하여 모델링 고진공시스템의 진공특성에 대한 설계인자 영향을 전산모사 하였다. 본 연구에서는 임의의 상업화 고진공 시스템을 모델링하고 직렬 진공시스템에서 진공조와 펌프들 사이 밸브계 설계인자 영향을 평가 하였다. 즉, 밸브계 설계인자인 도관의 구조, 길이 및 직경에 따른 모델링 진공시스템의 진공특성 영향을 배기 차원변수 고정으로 평가하여 최적화 밸브계 컨덕턴스 설계인자 모델을 제시하였다.
제안 방법
- 모델링 기본 배기계 직렬시스템의 밸브도관 구조를 직선형(straight), 굽은형(elbow), 슬릿형(aperture) 변수로 진공특성 영향을 비교하였다. Fig.
- 배기밸브는 직렬시스템은 2개, 병렬시스템 4개로 구성 되었으며, 밸브차원은 입력신호가 없는 정상조건에서는 항상 닫혀있고 완전개방 시 500mm2 개구면으로 고정되었다. 배기도관 컨덕턴스 변수로 밸브 직경 및 길이가 모델링 되었으며 밸브구조 또한 직선형(straight), 굽은형(elbow), 슬릿형(aperture)으로 각 전산모사 되어 시스템 배기특성이 평가되었다. 시스템 진공특성에 대한 컨덕턴스 영향은 전산모사 결과로 도출 된 모델별 실시간 진공조 압력변화와 배기시간 특성해석으로 평가되었다.
- 밸브도관 직경변화에 의한 진공특성 영향을 고찰하기 위해 모델링 직렬시스템을 전산모사 하였다. 배기계 기본모델인 0.
- 배기도관 컨덕턴스 변수로 밸브 직경 및 길이가 모델링 되었으며 밸브구조 또한 직선형(straight), 굽은형(elbow), 슬릿형(aperture)으로 각 전산모사 되어 시스템 배기특성이 평가되었다. 시스템 진공특성에 대한 컨덕턴스 영향은 전산모사 결과로 도출 된 모델별 실시간 진공조 압력변화와 배기시간 특성해석으로 평가되었다.
- 따라서 진공시스템 운전 진공특성에 대한 설계인자 영향 전산모사 예측평가 연구는 그 응용효과가 매우 높을 것으로 판단된다. 이러한 배경으로 상업화 진공시스템 전산모사기(VacSim Multi )[8]를 이용하여 모델링 고진공시스템의 진공특성에 대한 설계인자 영향을 전산모사 하였다. 본 연구에서는 임의의 상업화 고진공 시스템을 모델링하고 직렬 진공시스템에서 진공조와 펌프들 사이 밸브계 설계인자 영향을 평가 하였다.
- 본 연구에서는 임의의 상업화 고진공 시스템을 모델링하고 직렬 진공시스템에서 진공조와 펌프들 사이 밸브계 설계인자 영향을 평가 하였다. 즉, 밸브계 설계인자인 도관의 구조, 길이 및 직경에 따른 모델링 진공시스템의 진공특성 영향을 배기 차원변수 고정으로 평가하여 최적화 밸브계 컨덕턴스 설계인자 모델을 제시하였다.
- 평가된 병렬컨덕턴스 시스템 진공특성의 직렬시스템에 대한 상대적 우수함은 이론적 컨덕턴스 관계식과 부합되고 있으며 또한 응용 전산모사기의 신뢰성을 제시하였다. 컨덕턴스에 대한 밸브의 직경변수 영향은 직경이 작아질수록 큰 폭의 성능저하로 나타났으며 특히 초기배기에 대한 도달압력 차이는 매우 큰 것으로 관찰되었다.
대상 데이터
- 4m 로 변화시킨 모델별 전산모사 진공특성 곡선을 보여주고 있다. 단위실험 진공장비로 실질 응용되는 밸브 길이차원으로 변수가 선정되었다. 전산모사 결과 밸브도관 길이에 따른 고진공영역(10-6 torr) 도달시간은 59.
- 모델링 고진공시스템은 진공조와 터보-유회전펌프, 밸브 및 도관 배기계로 구성되었으며 전산모사 모식도는 Fig. 1로 나타내였다. 일반적 상업화 고진공시스템인 터보분자펌프 시스템의 밸브도관 컨덕턴스 변화에 대한 운전특성이 전산모사 되었다.
- 밸브도관 직경변화에 의한 진공특성 영향을 고찰하기 위해 모델링 직렬시스템을 전산모사 하였다. 배기계 기본모델인 0.3m 밸브길이에 직경은 0.0127m(0.5inch), 0.0254m(1inch), 0.0381m(1.5inch) 변수로 전산모사 되었다. 직경 0.
- 1, 2 로 나타내었다. 전산모사 모델링 시스템의 밸브계 기본모델은 길이와 직경이각 0.3m, 0.0254m인 직선형(straight) 도관으로, 진공조 체적은 15L로 고정되었다. 배기밸브는 직렬시스템은 2개, 병렬시스템 4개로 구성 되었으며, 밸브차원은 입력신호가 없는 정상조건에서는 항상 닫혀있고 완전개방 시 500mm2 개구면으로 고정되었다.
- 일반적 상업화 고진공시스템인 터보분자펌프 시스템의 밸브도관 컨덕턴스 변화에 대한 운전특성이 전산모사 되었다. 터보분자펌프는 성원에드워드(사)의 EXT70-DN63CF 모델이 응용되었고, 유회전 보조펌프는 E2 series E2M275 모델로 구성되었다. 펌프 조합은 응용 전산모사기가 제공하는 각 펌프모델의 조합별 전산모사 운전특성 결과와 펌프제조사인 성원에드워드(사)의 공개사양에 의한 신뢰성 비교로 모델링 되었으며 응용펌프의 사양은 Table.
성능/효과
- VacSimMulti 전산모사기로 직렬 고진공시스템의 밸브 직경, 길이 및 구조 변수로 컨덕턴스에 대한 진공특성의 실시간 전산모사 결과를 비교함으로써 진공시스템 설계 인자의 시스템 성능특성 영향이 평가되었으며, 이를 통해서 진공시스템의 최적 밸브 컨덕턴스 설계인자 도출에 대한 전산모사 응용 가능성을 제시하였다
- 컨덕턴스에 대한 밸브의 직경변수 영향은 직경이 작아질수록 큰 폭의 성능저하로 나타났으며 특히 초기배기에 대한 도달압력 차이는 매우 큰 것으로 관찰되었다. 그러나, 밸브 길이변화에 의한 시스템 성능특성 영향은 직경변수에 비해 적은 것으로 평가되었으며 길이가 길어짐에 따라 배기시간 및 도달압력 모두 저하 폭이 커지는 것으로 나타났다. 밸브도관의 구조영향은 슬릿형이 가장 우수한 것으로 나타났으나 실질 응용은 시스템 운용측면에 대한 종합적 고려가 요구되는 것으로 판단되었다.
- 62 초로 길이증가에 비해 지연 폭은 상대적으로 적었으며 밸브길이와 배기시간의 선형증가는 나타나지 않았다. 그러나, 전체적으로 밸브길이가 길어짐에 따라 배기시간 지연 폭은 커지는 것으로 평가되었으며 이는 컨덕턴스 관계식과도 일치되는 것으로 보여진다. 또한, 고진공영역 도달시간(88.
- 5inch)초로 384초 증가되어 시스템 운전특성이 저하됨을 볼 수 있었다. 또한 직경이 1/2 배 확대됨으로써 점성유동과 분자유동 영역에서 컨덕턴스 증가로 진공특성 향상이 예상되었으나, 10-6 torr도달시간이 58초(1.5inch)로 30 초 정도만 향상되었다. 이것은 점성유동 영역에서는 밸브직경이 작은 것이 기체흐름에 유리하나 분자유동에서는 밸브직경 확대에 의한 컨덕턴스 증대효과와 상반되는 영향에 기인된 것으로 판단된다.
- 그러나, 밸브 길이변화에 의한 시스템 성능특성 영향은 직경변수에 비해 적은 것으로 평가되었으며 길이가 길어짐에 따라 배기시간 및 도달압력 모두 저하 폭이 커지는 것으로 나타났다. 밸브도관의 구조영향은 슬릿형이 가장 우수한 것으로 나타났으나 실질 응용은 시스템 운용측면에 대한 종합적 고려가 요구되는 것으로 판단되었다. 현재도 진공기술의 응용분야는 다양하지만, 앞으로도 미세 기술의 발전과 더불어 많은 연구가 요구되는 분야이다.
- 단위실험 진공장비로 실질 응용되는 밸브 길이차원으로 변수가 선정되었다. 전산모사 결과 밸브도관 길이에 따른 고진공영역(10-6 torr) 도달시간은 59.93 초에서 104.71 초로 최대 2배 차이가 평가되었다. 즉, 밸브길이는 4배로 길어졌으나 배기시간은 약 2배 지연으로 나타났으 며, 길이가2배, 3배 증가될 때까지 시간 지연은 약 13.
- 6는 밸브도관 구조 모델별 전산모사 특성곡선을 나타내고 있다. 전산모사 결과 직선형과 굽은형 밸브도관은 비슷한 고진공영역 도달시간으로 (각 88.55sec, 88.72sec) 거의 유사한 컨덕턴스 특성이 관찰되었다. 그러나, 슬릿형의 경우는 56.
- 71 초로 최대 2배 차이가 평가되었다. 즉, 밸브길이는 4배로 길어졌으나 배기시간은 약 2배 지연으로 나타났으 며, 길이가2배, 3배 증가될 때까지 시간 지연은 약 13.03초 및 28.62 초로 길이증가에 비해 지연 폭은 상대적으로 적었으며 밸브길이와 배기시간의 선형증가는 나타나지 않았다. 그러나, 전체적으로 밸브길이가 길어짐에 따라 배기시간 지연 폭은 커지는 것으로 평가되었으며 이는 컨덕턴스 관계식과도 일치되는 것으로 보여진다.
- 3은 시스템 구조에 따른 전산모사 결과인 실시간 압력-시간 곡선을 보여주고 있다. 직렬시스템의 10-6 torr 도달시간(exhaust time)은 88.55초, 병렬은 63.30초로 병렬시스템의 우수한 운전특성이 전산모사로 확인되었다. 도달 진공도보다는 배기시간 운전특성의 공정응용 장점이 평가되었다.
- 평가된 병렬컨덕턴스 시스템 진공특성의 직렬시스템에 대한 상대적 우수함은 이론적 컨덕턴스 관계식과 부합되고 있으며 또한 응용 전산모사기의 신뢰성을 제시하였다. 컨덕턴스에 대한 밸브의 직경변수 영향은 직경이 작아질수록 큰 폭의 성능저하로 나타났으며 특히 초기배기에 대한 도달압력 차이는 매우 큰 것으로 관찰되었다. 그러나, 밸브 길이변화에 의한 시스템 성능특성 영향은 직경변수에 비해 적은 것으로 평가되었으며 길이가 길어짐에 따라 배기시간 및 도달압력 모두 저하 폭이 커지는 것으로 나타났다.
후속연구
- 현재도 진공기술의 응용분야는 다양하지만, 앞으로도 미세 기술의 발전과 더불어 많은 연구가 요구되는 분야이다. 향후에도 진공시스템의 성능·운전특성에 대한 설계인자 영향 전산모사 연구는 그 응용가능성이 높을 것으로 판단된다.
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