ANALIZA PODSTAWOWA POMIESZCZENIA CZYSTEGO

Wstęp

Pomieszczenie czyste jest podstawą kontroli zanieczyszczeń. Bez pomieszczenia czystego, produkcja części wrażliwych na zanieczyszczenia jest niemożliwa. W normie FED-STD-2 pomieszczenie czyste definiuje się jako pomieszczenie z filtracją powietrza, dystrybucją, optymalizacją, materiałami konstrukcyjnymi i sprzętem, w którym stosuje się określone, regularne procedury operacyjne w celu kontrolowania stężenia cząstek stałych w powietrzu w celu osiągnięcia odpowiedniego poziomu czystości.

Aby osiągnąć dobry efekt czystości w pomieszczeniu czystym, konieczne jest nie tylko skupienie się na podejmowaniu rozsądnych środków oczyszczania powietrza, ale także wymaganie od specjalistów z branży procesowej, budowlanej i innych specjalności podjęcia odpowiednich działań: nie tylko rozsądnego projektu, ale także starannej konstrukcji i instalacji zgodnie ze specyfikacją, a także prawidłowego użytkowania pomieszczenia czystego oraz naukowej konserwacji i zarządzania. Wiele krajowych i zagranicznych publikacji, zarówno krajowych, jak i zagranicznych, omawia kwestię osiągnięcia dobrego efektu w pomieszczeniu czystym, z różnych perspektyw. W rzeczywistości trudno jest osiągnąć idealną koordynację między różnymi specjalnościami, a projektantom trudno jest zrozumieć jakość konstrukcji i instalacji, a także użytkowania i zarządzania, zwłaszcza tego ostatniego. Jeśli chodzi o środki oczyszczania pomieszczeń czystych, wielu projektantów, a nawet ekip budowlanych, często nie zwraca wystarczającej uwagi na ich niezbędne warunki, co skutkuje niezadowalającym efektem czystości. Niniejszy artykuł jedynie pokrótce omawia cztery niezbędne warunki spełnienia wymagań czystości w zakresie środków oczyszczania pomieszczeń czystych.

1. Czystość powietrza zasilającego

Aby mieć pewność, że czystość dostarczanego powietrza spełnia wymagania, kluczowe jest prawidłowe działanie i montaż końcowego filtra systemu oczyszczania.

Wybór filtra

Ostatnim filtrem systemu oczyszczania jest zazwyczaj filtr HEPA lub filtr sub-HEPA. Zgodnie z normami obowiązującymi w moim kraju, skuteczność filtrów HEPA dzieli się na cztery klasy: klasa A to ≥99,9%, klasa B to ≥99,9%, klasa C to ≥99,999%, klasa D to (dla cząstek ≥0,1 μm) ≥99,999% (znane również jako filtry ultra-HEPA); filtry sub-HEPA to (dla cząstek ≥0,5 μm) 95–99,9%. Im wyższa skuteczność, tym droższy filtr. Dlatego przy wyborze filtra powinniśmy nie tylko spełnić wymagania dotyczące czystości powietrza, ale także wziąć pod uwagę względy ekonomiczne.

Z punktu widzenia wymagań czystości, zasadą jest stosowanie filtrów niskiej wydajności w pomieszczeniach czystych niskiego poziomu i filtrów wysokiej wydajności w pomieszczeniach czystych wysokiego poziomu. Ogólnie rzecz biorąc: filtry wysokiej i średniej wydajności można stosować dla poziomu 1 miliona; filtry sub-HEPA lub klasy A HEPA można stosować dla poziomów poniżej klasy 10 000; filtry klasy B można stosować dla klas od 10 000 do 100; a filtry klasy C można stosować dla poziomów od 100 do 1. Wydaje się, że istnieją dwa rodzaje filtrów do wyboru dla każdego poziomu czystości. Wybór filtrów wysokiej lub niskiej wydajności zależy od konkretnej sytuacji: gdy zanieczyszczenie środowiska jest poważne, lub współczynnik wywiewu wewnętrznego jest duży, lub pomieszczenie czyste jest szczególnie ważne i wymaga większego współczynnika bezpieczeństwa, w tych lub jednym z tych przypadków należy wybrać filtr wysokiej klasy; w przeciwnym razie można wybrać filtr o niższej wydajności. W przypadku pomieszczeń czystych, w których wymagana jest kontrola cząstek o wielkości 0,1 μm, należy wybrać filtry klasy D, niezależnie od kontrolowanego stężenia cząstek. Powyższe odnosi się wyłącznie do filtra. W rzeczywistości, aby wybrać dobry filtr, należy również dokładnie rozważyć charakterystykę pomieszczenia czystego, filtra i systemu oczyszczania.

Instalacja filtra

Aby zapewnić czystość dostarczanego powietrza, nie wystarczy mieć tylko kwalifikowanych filtrów, ale także zapewnić: a. Filtr nie ulegnie uszkodzeniu podczas transportu i montażu; b. Instalacja będzie szczelna. Aby osiągnąć pierwszy punkt, personel budowlany i instalacyjny musi być dobrze przeszkolony, posiadający zarówno wiedzę na temat instalowania systemów oczyszczania, jak i umiejętności instalacyjne. W przeciwnym razie trudno będzie zapewnić, że filtr nie ulegnie uszkodzeniu. Istnieje wiele cennych lekcji w tym zakresie. Po drugie, problem szczelności instalacji zależy głównie od jakości konstrukcji instalacji. Podręcznik projektowania ogólnie zaleca: w przypadku pojedynczego filtra stosuje się instalację typu otwartego, tak aby nawet w przypadku wycieku nie przedostał się on do pomieszczenia; stosując gotowy wylot powietrza HEPA, łatwiej jest również zapewnić szczelność. W przypadku powietrza z wieloma filtrami w ostatnich latach często stosuje się uszczelnienia żelowe i podciśnieniowe.

Uszczelnienie żelowe musi zapewnić szczelność połączenia zbiornika z cieczą i ułożenie całej ramy w jednej płaszczyźnie poziomej. Uszczelnienie podciśnieniowe ma na celu utrzymanie podciśnienia na zewnętrznym obwodzie połączenia między filtrem a skrzynką ciśnienia statycznego i ramą. Podobnie jak w przypadku instalacji otwartej, nawet w przypadku nieszczelności, nie przedostanie się ona do pomieszczenia. W rzeczywistości, dopóki rama montażowa jest płaska, a powierzchnia czołowa filtra styka się z nią równomiernie, filtr powinien z łatwością spełniać wymagania dotyczące szczelności instalacji w dowolnym typie instalacji.

2. Organizacja przepływu powietrza

Organizacja przepływu powietrza w pomieszczeniu czystym różni się od organizacji w pomieszczeniu klimatyzowanym. Wymaga ona, aby najczystsze powietrze było dostarczane najpierw do obszaru operacyjnego. Jego funkcją jest ograniczenie i redukcja zanieczyszczeń do przetwarzanych przedmiotów. W tym celu, projektując organizację przepływu powietrza, należy wziąć pod uwagę następujące zasady: minimalizacja prądów wirowych, aby uniknąć przenoszenia zanieczyszczeń z zewnątrz do obszaru roboczego; próba zapobiegania wtórnemu unoszeniu się pyłu, aby zmniejszyć ryzyko zanieczyszczenia przedmiotu obrabianego pyłem; przepływ powietrza w obszarze roboczym powinien być jak najbardziej równomierny, a jego prędkość wiatru powinna spełniać wymagania procesowe i higieniczne. Gdy strumień powietrza przepływa do wylotu powietrza powrotnego, kurz w powietrzu powinien być skutecznie usuwany. Wybierz różne tryby dostarczania i powrotu powietrza w zależności od różnych wymagań czystości.

Różne organizacje zajmujące się przepływem powietrza mają swoje własne charakterystyki i zakresy działania:

(1). Przepływ pionowy jednokierunkowy

Oprócz wspólnych zalet uzyskania jednolitego przepływu powietrza w dół, ułatwienia rozmieszczenia sprzętu procesowego, silnej zdolności samooczyszczania i uproszczenia typowych obiektów, takich jak osobiste urządzenia oczyszczające, cztery metody dostarczania powietrza mają również swoje własne zalety i wady: całkowicie zakryte filtry HEPA mają zalety niskiego oporu i długiego cyklu wymiany filtra, ale konstrukcja sufitu jest skomplikowana, a koszt wysoki; zalety i wady bocznie zakrytego górnego dostarczania filtra HEPA i pełnootworowego górnego dostarczania płyty są odwrotne do zalet całkowicie zakrytego górnego dostarczania filtra HEPA. Wśród nich, pełnootworowe górne dostarczanie płyty łatwo gromadzi kurz na wewnętrznej powierzchni płyty otworowej, gdy system nie pracuje w sposób ciągły, a zła konserwacja ma pewien wpływ na czystość; gęste górne dostarczanie dyfuzora wymaga warstwy mieszającej, więc nadaje się tylko do wysokich, czystych pomieszczeń powyżej 4 m, a jego charakterystyka jest podobna do pełnootworowego dostarczania płyty; Metoda powrotu powietrza dla płyty z kratkami po obu stronach i równomiernie rozmieszczonymi wylotami powietrza powrotnego u dołu przeciwległych ścian nadaje się wyłącznie do pomieszczeń czystych o odstępie netto mniejszym niż 6 m po obu stronach; wyloty powietrza powrotnego rozmieszczone u dołu ściany jednostronnej nadają się wyłącznie do pomieszczeń czystych o niewielkiej odległości między ścianami (np. ≤<2~3 m).

(2). Przepływ poziomy jednokierunkowy

Tylko pierwszy obszar roboczy może osiągnąć poziom czystości 100. Wraz z przepływem powietrza na drugą stronę, stężenie pyłu stopniowo wzrasta. Dlatego system ten nadaje się wyłącznie do pomieszczeń czystych o różnych wymaganiach dotyczących czystości dla tego samego procesu w tym samym pomieszczeniu. Lokalne rozmieszczenie filtrów HEPA na ścianie nawiewnej może zmniejszyć ich zużycie i obniżyć koszty początkowe, jednak w niektórych obszarach występują zawirowania.

(3). Turbulentny przepływ powietrza

Charakterystyka górnego nawiewu płyt kryzowych i górnego nawiewu gęstych dyfuzorów jest taka sama jak wymieniona powyżej: zalety bocznego nawiewu to łatwość ułożenia rurociągów, brak konieczności stosowania technicznej warstwy pośredniej, niski koszt i sprzyjanie renowacji starych fabryk. Wadami są duża prędkość wiatru w obszarze roboczym i wyższe stężenie pyłu po stronie zawietrznej niż po stronie nawietrznej; górny nawiew wylotów filtra HEPA ma zalety prostego systemu, braku rurociągów za filtrem HEPA i czystego strumienia powietrza dostarczanego bezpośrednio do obszaru roboczego, ale czyste powietrze rozprasza się powoli, a przepływ powietrza w obszarze roboczym jest bardziej równomierny; jednak gdy wiele wylotów powietrza jest równomiernie rozmieszczonych lub stosowane są wyloty powietrza z filtrem HEPA z dyfuzorami, przepływ powietrza w obszarze roboczym może być również bardziej równomierny; ale gdy system nie pracuje w sposób ciągły, dyfuzor jest podatny na gromadzenie się pyłu.

Powyższa dyskusja jest w stanie idealnym i jest zalecana przez odpowiednie krajowe specyfikacje, normy lub podręczniki projektowe. W rzeczywistych projektach organizacja przepływu powietrza nie jest dobrze zaprojektowana z powodu obiektywnych warunków lub subiektywnych powodów projektanta. Typowe obejmują: pionowy przepływ jednokierunkowy przyjmuje powietrze powrotne z dolnej części dwóch sąsiednich ścian, lokalna klasa 100 przyjmuje górne nawiewy i górny powrót (tj. pod lokalnym wylotem powietrza nie dodaje się wiszącej zasłony), a turbulentne pomieszczenia czyste przyjmują wylot powietrza z filtrem HEPA górne nawiewy i górny powrót lub jednostronny dolny powrót (większy odstęp między ścianami) itp. Te metody organizacji przepływu powietrza zostały zmierzone i większość ich czystości nie spełnia wymagań projektowych. Ze względu na obecne specyfikacje dotyczące akceptacji pustej lub statycznej, niektóre z tych pomieszczeń czystych ledwo osiągają zaprojektowany poziom czystości w warunkach pustych lub statycznych, ale zdolność przeciwdziałania zakłóceniom zanieczyszczeń jest bardzo niska, a gdy pomieszczenie czyste wejdzie w stan roboczy, nie spełnia wymagań.

Prawidłowa organizacja przepływu powietrza powinna obejmować zasłony zwisające do wysokości obszaru roboczego w danym miejscu, a klasa 100 000 nie powinna stosować górnego nawiewu i górnego powrotu. Ponadto większość fabryk produkuje obecnie wysokowydajne nawiewniki z dyfuzorami, które pełnią jedynie funkcję dekoracyjnych przesłon i nie pełnią funkcji rozpraszania strumienia powietrza. Projektanci i użytkownicy powinni zwrócić na to szczególną uwagę.

3. Objętość dostarczanego powietrza lub prędkość powietrza

Wystarczająca wydajność wentylacji ma na celu rozcieńczenie i usunięcie zanieczyszczonego powietrza z wnętrza. Zgodnie z różnymi wymaganiami dotyczącymi czystości, gdy wysokość netto pomieszczenia czystego jest wysoka, częstotliwość wentylacji powinna zostać odpowiednio zwiększona. Spośród nich, wydajność wentylacji pomieszczenia czystego o poziomie 1 miliona jest uwzględniana zgodnie z systemem oczyszczania o wysokiej sprawności, a pozostałe – zgodnie z systemem oczyszczania o wysokiej sprawności. Gdy filtry HEPA pomieszczenia czystego klasy 100 000 są skoncentrowane w maszynowni lub filtry sub-HEPA są stosowane na końcu systemu, częstotliwość wentylacji można odpowiednio zwiększyć o 10-20%.

Dla powyższych zalecanych wartości objętości wentylacji autor uważa, że: prędkość wiatru w części pomieszczenia czystego o przepływie jednokierunkowym jest niska, a pomieszczenie czyste o przepływie turbulentnym ma zalecaną wartość z wystarczającym współczynnikiem bezpieczeństwa. Pionowy przepływ jednokierunkowy ≥ 0,25 m/s, poziomy przepływ jednokierunkowy ≥ 0,35 m/s. Chociaż wymagania dotyczące czystości mogą być spełnione podczas testów w warunkach pustych lub statycznych, zdolność przeciw zanieczyszczeniom jest słaba. Po wejściu pomieszczenia w stan roboczy, czystość może nie spełniać wymagań. Tego typu przykład nie jest odosobniony. Jednocześnie w serii wentylatorów mojego kraju nie ma wentylatorów odpowiednich do systemów oczyszczania. Ogólnie rzecz biorąc, projektanci często nie wykonują dokładnych obliczeń oporu powietrza systemu lub nie zwracają uwagi na to, czy wybrany wentylator znajduje się w korzystniejszym punkcie roboczym na krzywej charakterystycznej, co powoduje, że objętość powietrza lub prędkość wiatru nie osiągają wartości projektowej wkrótce po uruchomieniu systemu. Amerykańska norma federalna (FS209A~B) stanowi, że prędkość przepływu powietrza w jednokierunkowym pomieszczeniu czystym przez jego przekrój jest zazwyczaj utrzymywana na poziomie 90 stóp/min (0,45 m/s), a nierównomierność prędkości mieści się w granicach ±20% pod warunkiem braku zakłóceń w całym pomieszczeniu. Każde znaczące zmniejszenie prędkości przepływu powietrza zwiększy prawdopodobieństwo wydłużenia czasu samooczyszczania i zanieczyszczenia między stanowiskami pracy (po ogłoszeniu normy FS209C w październiku 1987 r. nie wprowadzono żadnych regulacji dotyczących wszystkich wskaźników parametrów poza stężeniem pyłu).

Z tego powodu autor uważa, że ​​właściwe jest odpowiednie zwiększenie obecnej krajowej wartości projektowej jednokierunkowej prędkości przepływu. Nasza jednostka zrobiła to w rzeczywistych projektach, a efekt jest stosunkowo dobry. Pomieszczenia czyste o charakterze turbulentnym mają zalecaną wartość ze stosunkowo wystarczającym współczynnikiem bezpieczeństwa, ale wielu projektantów nadal nie ma pewności. Podczas tworzenia konkretnych projektów zwiększają oni objętość wentylacji pomieszczenia czystego klasy 100 000 do 20-25 razy/h, klasy 10 000 do 30-40 razy/h, a klasy 1000 do 60-70 razy/h. To nie tylko zwiększa wydajność sprzętu i początkową inwestycję, ale także zwiększa przyszłe koszty konserwacji i zarządzania. W rzeczywistości nie ma takiej potrzeby. Podczas opracowywania środków technicznych oczyszczania powietrza w moim kraju, zbadano i zmierzono ponad 100 pomieszczeń czystych w Chinach. Wiele pomieszczeń czystych przetestowano w warunkach dynamicznych. Wyniki wykazały, że objętości wentylacji pomieszczeń czystych klasy 100 000 ≥10 razy/h, 10 000 ≥20 razy/h i 1000 ≥50 razy/h spełniają wymagania. Amerykańska norma federalna (FS2O9A~B) stanowi: w przypadku pomieszczeń czystych niejednokierunkowych (klasa 100 000, klasa 10 000), o wysokości 8–12 stóp (2,44–3,66 m), zazwyczaj zakłada się, że całe pomieszczenie jest wentylowane co najmniej raz na 3 minuty (tj. 20 razy/h). W związku z tym specyfikacja projektowa uwzględnia duży współczynnik nadmiarowy, a projektant może bezpiecznie dobrać odpowiednią wartość objętości wentylacji.

4. Różnica ciśnień statycznych

Utrzymanie określonego nadciśnienia w pomieszczeniu czystym jest jednym z podstawowych warunków, aby zapewnić, że pomieszczenie czyste nie jest zanieczyszczone lub jest mniej zanieczyszczone, co pozwala na utrzymanie założonego poziomu czystości. Nawet w przypadku pomieszczeń czystych z podciśnieniem, muszą one posiadać sąsiednie pomieszczenia lub apartamenty o poziomie czystości nie niższym niż ich poziom, aby utrzymać określone nadciśnienie, co pozwoli na utrzymanie czystości pomieszczenia czystego z podciśnieniem.

Wartość nadciśnienia w pomieszczeniu czystym odnosi się do wartości, przy której wewnętrzne ciśnienie statyczne jest wyższe niż zewnętrzne ciśnienie statyczne, gdy wszystkie drzwi i okna są zamknięte. Osiąga się to poprzez metodę, w której objętość powietrza nawiewanego przez system oczyszczania jest większa niż objętość powietrza powrotnego i objętości powietrza wywiewanego. Aby zapewnić wartość nadciśnienia w pomieszczeniu czystym, wentylatory nawiewny, powrotny i wyciągowy są najlepiej ze sobą powiązane. Po włączeniu systemu najpierw uruchamiany jest wentylator nawiewny, a następnie wentylatory powrotny i wyciągowy; po wyłączeniu systemu najpierw wyłączany jest wentylator wyciągowy, a następnie wentylatory powrotny i nawiewny, aby zapobiec zanieczyszczeniu pomieszczenia czystego podczas włączania i wyłączania systemu.

Objętość powietrza potrzebna do utrzymania nadciśnienia w pomieszczeniu czystym zależy głównie od szczelności konstrukcji konserwacyjnej. Na początku budowy pomieszczeń czystych w moim kraju, ze względu na słabą szczelność konstrukcji obudowy, do utrzymania nadciśnienia ≥5 Pa potrzebne było 2 do 6 dopływów powietrza na godzinę. Obecnie szczelność konstrukcji konserwacyjnej znacznie się poprawiła i do utrzymania tego samego nadciśnienia wystarcza zaledwie 1 do 2 dopływów powietrza na godzinę; a do utrzymania ≥10 Pa wystarczy zaledwie 2 do 3 dopływów powietrza na godzinę.

Specyfikacje projektowe mojego kraju [6] stanowią, że różnica ciśnień statycznych między pomieszczeniami czystymi różnych klas oraz między strefami czystymi a nieczystymi nie powinna być mniejsza niż 0,5 mm H2O (~5 Pa), a różnica ciśnień statycznych między strefą czystą a zewnętrzną nie powinna być mniejsza niż 1,0 mm H2O (~10 Pa). Autor uważa, że ​​wartość ta wydaje się zbyt niska z trzech powodów:

(1) Nadciśnienie odnosi się do zdolności pomieszczenia czystego do tłumienia zanieczyszczeń powietrza w pomieszczeniu przez szczeliny między drzwiami i oknami lub do minimalizowania zanieczyszczeń, które wnikają do pomieszczenia, gdy drzwi i okna są otwarte na krótko. Wielkość nadciśnienia wskazuje na siłę zdolności do tłumienia zanieczyszczeń. Oczywiście, im większe nadciśnienie, tym lepiej (co zostanie omówione później).

(2) Objętość powietrza wymagana do uzyskania ciśnienia dodatniego jest ograniczona. Objętość powietrza wymagana do uzyskania ciśnienia dodatniego 5 Pa i 10 Pa różni się tylko o około 1 raz na godzinę. Dlaczego tego nie zrobić? Oczywiście lepiej jest przyjąć dolną granicę ciśnienia dodatniego jako 10 Pa.

(3) Amerykańska norma federalna (FS209A~B) stanowi, że przy zamkniętych wszystkich wejściach i wyjściach minimalna dodatnia różnica ciśnień między pomieszczeniem czystym a sąsiednim obszarem o niskiej czystości wynosi 0,05 cala słupa wody (12,5 Pa). Wartość ta została przyjęta w wielu krajach. Jednak wartość dodatniego ciśnienia w pomieszczeniu czystym nie jest tym wyższa, tym lepsza. Zgodnie z rzeczywistymi testami inżynieryjnymi naszego urządzenia, przeprowadzanymi od ponad 30 lat, przy wartości dodatniego ciśnienia ≥ 30 Pa, trudno jest otworzyć drzwi. Jeśli zamkniesz drzwi nieostrożnie, będą one huczeć! To może przestraszyć ludzi. Przy wartości dodatniego ciśnienia ≥ 50~70 Pa, szczeliny między drzwiami a oknami będą gwizdać, a osoby słabe lub z pewnymi objawami będą odczuwać dyskomfort. Jednak odpowiednie specyfikacje lub normy wielu krajów, zarówno krajowych, jak i zagranicznych, nie określają górnej granicy dodatniego ciśnienia. W rezultacie wiele urządzeń dąży jedynie do spełnienia wymagań dolnej granicy, niezależnie od tego, jaka jest górna granica. W pomieszczeniu czystym, w którym autor faktycznie pracował, wartość nadciśnienia sięgała nawet 100 Pa lub więcej, co skutkowało bardzo niekorzystnymi skutkami. W rzeczywistości regulacja nadciśnienia nie jest trudna. Można je całkowicie kontrolować w pewnym zakresie. Istnieje dokument, który podaje, że pewien kraj w Europie Wschodniej określa wartość nadciśnienia na 1-3 mm H2O (około 10~30 Pa). Autor uważa, że ​​ten zakres jest bardziej odpowiedni.