ОСНОВНИЙ АНАЛІЗ ЧИСТОЇ КІМНАТИ

Вступ

Чисте приміщення є основою контролю забруднення. Без чистого приміщення неможливе масове виробництво деталей, чутливих до забруднення. У FED-STD-2 чисте приміщення визначається як приміщення з фільтрацією, розподілом, оптимізацією, будівельними матеріалами та обладнанням повітря, в якому використовуються спеціалізовані регулярні робочі процедури для контролю концентрації частинок у повітрі для досягнення відповідного рівня чистоти частинок.

Для досягнення гарного ефекту чистоти в чистих приміщеннях необхідно не лише зосередитися на вживанні розумних заходів очищення повітря від кондиціонування, але й вимагати від технологічних, будівельних та інших спеціалістів вжиття відповідних заходів: не лише розумного проектування, але й ретельного будівництва та монтажу відповідно до специфікацій, а також правильного використання чистих приміщень та наукового обслуговування та управління. Для досягнення гарного ефекту в чистих приміщеннях багато вітчизняних та зарубіжних літературних джерел було викладено з різних точок зору. Насправді, важко досягти ідеальної координації між різними спеціальностями, і проектувальникам важко зрозуміти якість будівництва та монтажу, а також використання та управління, особливо останнім. Що стосується заходів очищення чистих приміщень, багато проектувальників або навіть будівельних компаній часто не приділяють достатньої уваги їх необхідним умовам, що призводить до незадовільного ефекту чистоти. У цій статті лише коротко розглядаються чотири необхідні умови для досягнення вимог щодо чистоти в заходах очищення чистих приміщень.

1. Чистота подачі повітря

Щоб чистота повітря, що подається, відповідала вимогам, ключовим фактором є продуктивність та встановлення кінцевого фільтра системи очищення.

Вибір фільтра

Кінцевий фільтр системи очищення зазвичай використовує HEPA-фільтр або суб-HEPA-фільтр. Згідно зі стандартами моєї країни, ефективність HEPA-фільтрів поділяється на чотири класи: клас A — ≥99,9%, клас B — ≥99,9%, клас C — ≥99,999%, клас D — (для частинок ≥0,1 мкм) ≥99,999% (також відомі як ультра-HEPA-фільтри); суб-HEPA-фільтри (для частинок ≥0,5 мкм) — 95~99,9%. Чим вища ефективність, тим дорожчий фільтр. Тому, вибираючи фільтр, слід не лише відповідати вимогам до чистоти повітря, що подається, але й враховувати економічну раціональність.

З точки зору вимог до чистоти, принцип полягає у використанні низькопродуктивних фільтрів для чистих приміщень низького рівня, а високопродуктивних фільтрів – для чистих приміщень високого рівня. Загалом кажучи: високо- та середньопродуктивні фільтри можна використовувати для рівня 1 мільйон; фільтри HEPA класу A або класу A можна використовувати для рівнів нижче класу 10 000; фільтри класу B можна використовувати для класу 10 000-100; а фільтри класу C можна використовувати для рівнів 100-1. Здається, що для кожного рівня чистоти існує два типи фільтрів на вибір. Вибір високопродуктивних чи низькопродуктивних фільтрів залежить від конкретної ситуації: коли забруднення навколишнього середовища серйозне, або коефіцієнт вихлопних газів у приміщенні великий, або чисте приміщення особливо важливе та вимагає більшого коефіцієнта безпеки, у цих або одному з цих випадків слід вибирати фільтр високого класу; в іншому випадку можна вибирати фільтр низької продуктивності. Для чистих приміщень, які потребують контролю частинок розміром 0,1 мкм, слід вибирати фільтри класу D незалежно від контрольованої концентрації частинок. Вищесказане стосується лише фільтра. Фактично, щоб вибрати хороший фільтр, необхідно також повністю враховувати характеристики чистого приміщення, фільтра та системи очищення.

Встановлення фільтра

Щоб забезпечити чистоту повітря, що подається, недостатньо мати лише кваліфіковані фільтри, але й переконатися, що: а. Фільтр не пошкоджено під час транспортування та встановлення; b. Установка герметична. Для досягнення першого пункту будівельний та монтажний персонал повинен бути добре навченим, мати знання про встановлення систем очищення та кваліфіковані навички монтажу. В іншому випадку буде важко забезпечити відсутність пошкодження фільтра. У цьому плані є суттєві уроки. По-друге, проблема герметичності установки головним чином залежить від якості монтажної конструкції. Посібник з проектування зазвичай рекомендує: для одного фільтра використовується установка відкритого типу, щоб навіть у разі витоку він не потрапляв у приміщення; використання готового повітряного випускного отвору HEPA також легше забезпечити герметичність. Для повітря з кількох фільтрів в останні роки часто використовуються гелеві ущільнення та ущільнення з негативним тиском.

Гелеве ущільнення повинно забезпечувати герметичність з'єднання резервуара для рідини та розташування всієї рами в одній горизонтальній площині. Герметизація від негативного тиску полягає в тому, щоб зовнішня периферія з'єднання між фільтром, блоком статичного тиску та рамою була у стані від’ємного тиску. Як і при відкритому типі монтажу, навіть якщо є витік, він не протікає в приміщення. Фактично, якщо монтажна рама плоска, а торцева поверхня фільтра рівномірно контактує з монтажною рамою, фільтр має легко відповідати вимогам герметичності монтажу за будь-якого типу монтажу.

2. Організація повітряного потоку

Організація потоку повітря в чистій кімнаті відрізняється від організації потоку повітря в звичайній кімнаті з кондиціонером. Вона вимагає, щоб найчистіше повітря спочатку подавалося в робочу зону. Її функція полягає в обмеженні та зменшенні забруднення об'єктів, що обробляються. Для цього під час проектування організації потоку повітря слід враховувати такі принципи: мінімізувати вихрові струми, щоб уникнути потрапляння забруднення ззовні робочої зони в робочу зону; намагатися запобігти потраплянню вторинного пилу, щоб зменшити ймовірність забруднення пилом заготовки; потік повітря в робочій зоні повинен бути максимально рівномірним, а швидкість його потоку повинна відповідати вимогам процесу та гігієни. Коли повітряний потік спрямовується до вихідного отвору для рециркуляції повітря, пил у повітрі повинен ефективно видалятися. Вибирайте різні режими подачі та рециркуляції повітря відповідно до різних вимог до чистоти.

Різні організації, що займаються потоками повітря, мають свої особливості та сфери застосування:

(1). Вертикальний односпрямований потік

Окрім загальних переваг отримання рівномірного потоку повітря, спрямованого вниз, полегшення розташування технологічного обладнання, високої здатності до самоочищення та спрощення звичайних приміщень, таких як засоби індивідуального очищення, чотири методи подачі повітря також мають свої переваги та недоліки: повністю закриті HEPA-фільтри мають переваги низького опору та тривалого циклу заміни фільтра, але конструкція стелі складна, а вартість висока; переваги та недоліки подачі повітря через бічний закритий HEPA-фільтр зверху та подачі повітря через повний отвір протилежні перевагам та недолікам подачі повітря через повністю закритий HEPA-фільтр зверху. Серед них, подача повітря через повний отвір зверху легко накопичує пил на внутрішній поверхні діафрагми, коли система працює неперервно, а погане обслуговування певним чином впливає на чистоту; щільна подача повітря через дифузор вимагає змішувального шару, тому вона підходить лише для високих чистих приміщень висотою понад 4 м, а її характеристики подібні до подачі повітря через повний отвір; метод рециркуляції повітря для пластини з решітками з обох боків та випускними отворами рециркуляції, рівномірно розташованими внизу протилежних стін, підходить лише для чистих приміщень з відстанню між ними менше 6 м з обох боків; Випускні отвори для рециркуляції повітря, розташовані внизу односторонньої стіни, підходять лише для чистих приміщень з невеликою відстанню між стінами (наприклад, ≤<2~3 м).

(2). Горизонтальний односпрямований потік

Тільки перша робоча зона може досягти рівня чистоти 100. Коли повітря перетікає на інший бік, концентрація пилу поступово зростає. Тому він підходить лише для чистих приміщень з різними вимогами до чистоти для одного й того ж процесу в одному приміщенні. Локальний розподіл HEPA-фільтрів на стіні подачі повітря може зменшити використання HEPA-фільтрів та заощадити початкові інвестиції, але в локальних зонах можуть виникати завихрення.

(3). Турбулентний повітряний потік

Характеристики верхньої подачі повітря через діафрагми та верхньої подачі повітря через щільні дифузори такі ж, як і вищезазначені: переваги бічної подачі полягають у простоті розташування трубопроводів, відсутності потреби в технічному проміжному шарі, низькій вартості та сприятливому для реконструкції старих заводів. Недоліки полягають у тому, що швидкість вітру в робочій зоні велика, а концентрація пилу з навітряного боку вища, ніж з навітряного боку; верхня подача повітря через випускні отвори HEPA-фільтра має переваги простої системи, відсутності трубопроводів за HEPA-фільтром та чистого повітряного потоку, що подається безпосередньо в робочу зону, але чистий повітряний потік поширюється повільно, а повітряний потік у робочій зоні є більш рівномірним; однак, коли кілька випускних отворів повітря розташовано рівномірно або використовуються випускні отвори HEPA-фільтра з дифузорами, повітряний потік у робочій зоні також може бути більш рівномірним; але коли система працює не безперервно, дифузор схильний до накопичення пилу.

Вищезазначене обговорення є ідеальним станом і рекомендовано відповідними національними специфікаціями, стандартами або посібниками з проектування. У реальних проектах організація повітряного потоку не є належним чином спроектована через об'єктивні умови або суб'єктивні причини проектувальника. Поширені з них включають: вертикальний односпрямований потік використовує повернене повітря з нижньої частини двох суміжних стін, місцевий клас 100 використовує верхню подачу та верхнє повернення (тобто під місцевим випускним отвором повітря не додається підвісна завіса), а турбулентні чисті приміщення використовують верхню подачу повітря з HEPA-фільтра та верхнє повернення або одностороннє нижнє повернення (більша відстань між стінами) тощо. Ці методи організації повітряного потоку були виміряні, і більшість їхньої чистоти не відповідає проектним вимогам. Через поточні специфікації для порожніх або статичних умов деякі з цих чистих приміщень ледве досягають проектного рівня чистоти в порожніх або статичних умовах, але здатність до запобігання забрудненню дуже низька, і як тільки чисте приміщення переходить у робочий стан, воно не відповідає вимогам.

Правильна організація потоку повітря повинна бути встановлена ​​за допомогою штор, що звисають до висоти робочої зони в локальній зоні, а клас 100 000 не повинен використовувати верхню подачу та верхню відведення повітря. Крім того, більшість заводів наразі виробляють високоефективні повітророзподільні отвори з дифузорами, а їхні дифузори є лише декоративними отворами та не відіграють ролі розсіювача повітряного потоку. Проектувальникам та користувачам слід звернути на це особливу увагу.

3. Об'єм подачі повітря або швидкість повітряного потоку

Достатній об'єм вентиляції має розбавити та видалити забруднене повітря в приміщенні. Відповідно до різних вимог до чистоти, коли висота чистого приміщення висока, частоту вентиляції слід відповідно збільшити. Наприклад, об'єм вентиляції чистого приміщення з рівнем очищення 1 мільйон розглядається відповідно до високоефективної системи очищення, а решта - відповідно до високоефективної системи очищення; коли фільтри HEPA класу 100 000 чистого приміщення зосереджені в машинному залі або фільтри sub-HEPA використовуються в кінці системи, частоту вентиляції можна відповідно збільшити на 10-20%.

Для вищезазначених рекомендованих значень об'єму вентиляції автор вважає, що: швидкість вітру в секції чистого приміщення з односпрямованим потоком є ​​низькою, а турбулентне чисте приміщення має рекомендоване значення з достатнім коефіцієнтом безпеки. Вертикальний односпрямований потік ≥ 0,25 м/с, горизонтальний односпрямований потік ≥ 0,35 м/с. Хоча вимоги до чистоти можуть бути виконані під час випробувань у порожніх або статичних умовах, здатність до захисту від забруднення низька. Після того, як приміщення переходить у робочий стан, чистота може не відповідати вимогам. Цей тип прикладу не є поодиноким. Водночас, у серіях вентиляторів моєї країни немає вентиляторів, придатних для систем очищення. Як правило, проектувальники часто не роблять точних розрахунків опору повітря системи або не помічають, чи знаходиться обраний вентилятор у більш сприятливій робочій точці на характеристичній кривій, що призводить до того, що об'єм повітря або швидкість вітру не досягають розрахункового значення невдовзі після введення системи в експлуатацію. Федеральний стандарт США (FS209A~B) передбачає, що швидкість повітряного потоку в односпрямованому чистому приміщенні через його поперечний переріз зазвичай підтримується на рівні 90 футів/хв (0,45 м/с), а нерівномірність швидкості знаходиться в межах ±20% за умови відсутності перешкод у всьому приміщенні. Будь-яке значне зниження швидкості повітряного потоку збільшить ймовірність самоочищення та забруднення між робочими положеннями (після оприлюднення FS209C у жовтні 1987 року не було встановлено жодних правил щодо всіх показників параметрів, окрім концентрації пилу).

З цієї причини автор вважає, що доцільно відповідно збільшити поточне побутове розрахункове значення швидкості односпрямованого потоку. Наш підрозділ виконав це в реальних проектах, і ефект є відносно хорошим. Турбулентні чисті приміщення мають рекомендоване значення з відносно достатнім коефіцієнтом безпеки, але багато проектувальників досі не впевнені в цьому. Під час розробки конкретних проектів вони збільшують об'єм вентиляції чистих приміщень класу 100 000 до 20-25 разів/год, чистих приміщень класу 10 000 до 30-40 разів/год та чистих приміщень класу 1000 до 60-70 разів/год. Це не тільки збільшує потужність обладнання та початкові інвестиції, але й збільшує майбутні витрати на обслуговування та управління. Насправді, в цьому немає потреби. Під час складання технічних заходів з очищення повітря в моїй країні було досліджено та виміряно понад чисті приміщення класу 100 у Китаї. Багато чистих приміщень було випробувано в динамічних умовах. Результати показали, що об'єм вентиляції для чистих приміщень класу 100 000 ≥10 разів/год, чистих приміщень класу 10 000 ≥20 разів/год та чистих приміщень класу 1000 ≥50 разів/год може відповідати вимогам. Федеральний стандарт США (FS2O9A~B) передбачає: для чистих приміщень з неодноспрямованим потоком повітря (клас 100 000, клас 10 000), висотою приміщення 8~12 футів (2,44~3,66 м), зазвичай вважається, що все приміщення провітрюється принаймні раз на 3 хвилини (тобто 20 разів/год). Тому в проектних специфікаціях враховано великий коефіцієнт надлишку, і проектувальник може сміливо вибирати відповідно до рекомендованого значення об'єму вентиляції.

4. Різниця статичного тиску

Підтримка певного позитивного тиску в чистому приміщенні є однією з важливих умов для забезпечення його повного або повного забруднення для підтримки заданого рівня чистоти. Навіть для чистих приміщень з негативним тиском суміжні кімнати або апартаменти повинні мати рівень чистоти не нижчий за власний рівень для підтримки певного позитивного тиску, щоб підтримувати чистоту чистого приміщення з негативним тиском.

Значення позитивного тиску в чистому приміщенні стосується значення, коли статичний тиск у приміщенні перевищує статичний тиск на вулиці, коли всі двері та вікна закриті. Це досягається шляхом того, що об'єм подачі повітря в систему очищення перевищує об'єм зворотного та витяжного повітря. Для забезпечення значення позитивного тиску в чистому приміщенні бажано з'єднати припливні, зворотні та витяжні вентилятори. Коли система вмикається, спочатку запускається припливний вентилятор, а потім зворотний та витяжний; коли система вимикається, спочатку вимикається витяжний вентилятор, а потім зворотний та припливний вентилятори, щоб запобігти забрудненню чистого приміщення під час вмикання та вимикання системи.

Об'єм повітря, необхідний для підтримки позитивного тиску в чистій кімнаті, головним чином визначається герметичністю конструкції технічного обслуговування. На початку будівництва чистих приміщень у моїй країні через погану герметичність конструкції корпусу для підтримки позитивного тиску ≥5 Па потрібно було подавати повітря від 2 до 6 разів на годину; наразі герметичність конструкції технічного обслуговування значно покращилася, і для підтримки того ж позитивного тиску потрібно подавати повітря лише від 1 до 2 разів на годину; а для підтримки ≥10 Па потрібно подавати повітря лише від 2 до 3 разів на годину.

У проектних специфікаціях моєї країни [6] зазначено, що різниця статичного тиску між чистими приміщеннями різних класів, а також між чистими та нечистими зонами повинна бути не менше 0,5 мм H2O (~5 Па), а різниця статичного тиску між чистою зоною та зовнішнім середовищем повинна бути не менше 1,0 мм H2O (~10 Па). Автор вважає, що це значення є занадто низьким з трьох причин:

(1) Позитивний тиск стосується здатності чистого приміщення пригнічувати забруднення повітря в приміщенні через щілини між дверима та вікнами або мінімізувати забруднюючі речовини, що проникають у приміщення, коли двері та вікна відчиняються на короткий час. Розмір позитивного тиску вказує на силу здатності пригнічувати забруднення. Звичайно, чим більший позитивний тиск, тим краще (про що буде сказано пізніше).

(2) Об'єм повітря, необхідний для позитивного тиску, обмежений. Об'єм повітря, необхідний для позитивного тиску 5 Па та позитивного тиску 10 Па, відрізняється лише приблизно на 1 раз/год. Чому б не зробити цього? Очевидно, що краще прийняти нижню межу позитивного тиску рівною 10 Па.

(3) Федеральний стандарт США (FS209A~B) передбачає, що коли всі входи та виходи закриті, мінімальна різниця позитивного тиску між чистим приміщенням та будь-якою сусідньою зоною з низьким рівнем чистоти становить 0,05 дюйма водяного стовпа (12,5 Па). Це значення прийнято багатьма країнами. Але значення позитивного тиску в чистому приміщенні не є чим вище, тим краще. Згідно з фактичними інженерними випробуваннями нашого блоку протягом понад 30 років, коли значення позитивного тиску ≥ 30 Па, важко відкрити двері. Якщо необережно зачинити двері, це призведе до гуркоту! Це налякає людей. Коли значення позитивного тиску ≥ 50~70 Па, проміжки між дверима та вікнами видаватимуть свист, і слабкі або ті, хто має деякі невідповідні симптоми, почуватимуться некомфортно. Однак відповідні специфікації чи стандарти багатьох країн у країні та за кордоном не вказують верхню межу позитивного тиску. В результаті багато блоків прагнуть відповідати лише вимогам нижньої межі, незалежно від того, наскільки велика верхня межа. У реальному чистому приміщенні, з яким стикався автор, значення позитивного тиску сягало 100 Па або більше, що призводило до дуже негативних наслідків. Насправді, регулювання позитивного тиску не є складним завданням. Його цілком можливо контролювати в певному діапазоні. Існує документ, який зазначає, що в одній країні Східної Європи значення позитивного тиску становить 1-3 мм H2O (близько 10~30 Па). Автор вважає, що цей діапазон є більш доцільним.