유동-구조 연성 해석 방법을 이용한
반도체 공정용 진공펌프 계통의 고장 분석
③ 유한요소법을 이용한 진공펌프의 유동-구조 연성해석
* '유동 – 구조 연성 해석 방법을 이용한 반도체 공정용 진공펌프 계통의 고장 분석'의 1편/2편과 이어지는 내용입니다.
1편 : 진공펌프 계통의 조업조건 및 성능 해석 > 1편 바로 보기 Click
2편 : 전산유체역학을 이용한 진공펌프 내부 유동해석 > 2편 바로 보기 Click
4. 유한요소법을 이용한 진공펌프의 유동-구조 연성해석
4-1. 유한요소 모델 및 구조해석 방법
앞서 유동해석에 사용된 BB, CC 펌프 모델들에 대한 구조해석을 수행하였고, 구조해석을 위해서는 펌프 회전차 및 하우징에 대해 유한요소법 (FEM: Finite Element Method) 을 적용하였다.
본 연구의 대상인 펌프에 대한 유한요소 모델은 Fig. 14 와 같으며, 앞서 기술한 전산유체역학방법에 의한 비정상적 조업조건 (Kscr=3.125x10^7Pa/(kg/s)^2) 에서의 펌프 내부 유동해석 결과들 (온도, 압력, 속도 분포) 을 구조해석 소프트웨어에서 입력 자료로 받아들여 시뮬레이션하는 유체-구조 연성해석 (FSI: Flow-Structure Interaction) 을 수행하였다. (Fig.15 참조)
Fig. 14 FEM models and mesh system of two vacuum pumps of BB and CC
또한 유한요소법의 경계 조건으로는 2단 펌프의 가장 아래를 고정 시키고 펌프와 펌프 사이의 어댑터 (adaptor) 는 수평방향으로는 고정하고 수직 방향으로는 움직임이 가능하게 하였고, 펌프의 입구는 자유 조건을 주었다. 펌프의 외부 압력은 대기압으로, 외부 온도는 22도씨로 설정하였다. 또한 하우징과 외부 공기와의 방열 조건은 BB 모델에 대해서는 열전달 계수를 50 W/m^2-K 으로, CC 모델에 대해서는 열전달 계수를 100 W/m^2-K 로 설정하였다.
Fig. 15 Flow-structure interaction analysis method
4-2. 구조해석 결과 및 검토
Figs. 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22 및 23은 유동해석의 온도와 압력 분포를 입력 값으로 주고 수행한 구조해석의 결과들을 보여주고 있다.
계산 결과들로부터, 압력에 의한 변형보다는 온도에 의한 열팽창 변형이 주로 일어남을 알 수 있다. CC모델 회전차의 회전 각도가 0 deg., 135 deg., 270 deg., 405 deg. 인 경우 BB, CC 두 펌프 모두 열팽창으로 인해 하우징-회전체, 회전체-회전체 간의 running clearance가 design clearance 비해 줄어드나 접촉은 일어나지 않음을 확인하였다.
그러나 CC모델 회전차의 회전각이 280 deg. 인 경우의 Figs. 24, 25 는 회전차와 하우징 간의 running clearance가 0이 되어 회전차가 하우징에 접촉함을 보여준다. BB 와 CC 모델이 동시에 하우징에 접촉하지만, BB모델이 CC모델에 비해 약 3배 큰 회전운동 에너지를 가지고 하우징과 충돌하므로 하우징이 파단될 가능성이 훨씬 높다고 판단된다.
이러한 접촉과 파단 현상은 실제 현장에서도 본 시뮬레이션과 같은 각도에서 BB 모델에서 발생하는 것을 관찰할 수 있었다. 참고로 정상적 조업조건 ( Kscr < 106Pa/(kg/s)^2) 의 유체-구조 연성해석 결과는 어떠한 회전각도에서도 BB와 CC모델의 하우징-회전체, 회전체-회전체간 접촉이 없음을 보여준다.
Fig. 16 Temp., pressure, deformation and stress distributions of vacuum pumps at 0 deg
Fig. 17 Deformation distributions of vacuum pumps at 0 deg
4-3. 요약
본 연구는 진공펌프의 작동 시 펌프 내부에서의 압력, 온도, 유속 분포에 대한 유동 해석 결과를 토대로 구조해석을 수행하는 유동-구조 연성 해석 방법을 제안하였다.
펌프 내부의 구조적 변형 발생은 주로 고온 가스에 의한 열팽창에 의해 초래된다. 특히 스크러버의 압력손실이 비정상 조건인 경우 회전차-회전차 및 회전차-하우징 간의 심각한 접촉 및 충돌 가능성이 예측되었으며, 이로 인한 구조적 파손은 펌프의 수직 방향으로 진행될 가능성이 높은 것으로 분석되었다. 또한 이러한 예측 결과는 실제 현장의 진공펌프의 파단 형태와 거의 일치하였다.
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