АНАЛИЗ ОСНОВЫ ЧИСТОГО ПОМЕЩЕНИЯ

Введение

Чистое помещение является основой контроля загрязнения. Без чистого помещения невозможно массовое производство деталей, чувствительных к загрязнению. В стандарте FED-STD-2 чистое помещение определяется как помещение с фильтрацией, распределением и оптимизацией воздуха, строительными материалами и оборудованием, в котором используются специальные стандартные рабочие процедуры для контроля концентрации взвешенных в воздухе частиц с целью достижения соответствующего уровня чистоты воздуха.

Для достижения высокого уровня чистоты в чистых помещениях необходимо не только сосредоточиться на разумных мерах по очистке воздуха с помощью систем кондиционирования, но и потребовать от специалистов в области технологических процессов, строительства и других областях принятия соответствующих мер: не только разумного проектирования, но и тщательного строительства и монтажа в соответствии со спецификациями, а также правильного использования чистого помещения и научного подхода к техническому обслуживанию и управлению. Для достижения хорошего эффекта в чистых помещениях было проведено множество исследований с разных точек зрения. В действительности, трудно достичь идеальной координации между различными специалистами, и проектировщикам сложно оценить качество строительства и монтажа, а также использования и управления, особенно последнего. Что касается мер по очистке чистых помещений, многие проектировщики или даже строительные компании часто не уделяют достаточного внимания необходимым условиям, что приводит к неудовлетворительному уровню чистоты. В данной статье лишь кратко рассматриваются четыре необходимых условия для достижения требуемого уровня чистоты в мерах по очистке чистых помещений.

1. Чистота подаваемого воздуха

Для обеспечения соответствия чистоты подаваемого воздуха установленным требованиям ключевым фактором является производительность и правильная установка конечного фильтра системы очистки.

Выбор фильтра

В качестве заключительного фильтра системы очистки обычно используется HEPA-фильтр или суб-HEPA-фильтр. Согласно стандартам нашей страны, эффективность HEPA-фильтров делится на четыре класса: класс A — ≥99,9%, класс B — ≥99,9%, класс C — ≥99,999%, класс D — (для частиц ≥0,1 мкм) ≥99,999% (также известные как ультра-HEPA-фильтры); суб-HEPA-фильтры — (для частиц ≥0,5 мкм) 95–99,9%. Чем выше эффективность, тем дороже фильтр. Поэтому при выборе фильтра следует учитывать не только требования к чистоте подаваемого воздуха, но и экономическую целесообразность.

С точки зрения требований к чистоте, принцип заключается в использовании фильтров низкой эффективности для чистых помещений низкого уровня и фильтров высокой эффективности для чистых помещений высокого уровня. В целом: фильтры высокой и средней эффективности могут использоваться для уровня 1 миллион; суб-HEPA или HEPA-фильтры класса А — для уровней ниже 10 000; фильтры класса В — для классов от 10 000 до 100; и фильтры класса С — для уровней от 100 до 1. По-видимому, для каждого уровня чистоты существует два типа фильтров на выбор. Выбор между фильтрами высокой и низкой эффективности зависит от конкретной ситуации: при серьезном загрязнении окружающей среды, большом коэффициенте вытяжки внутри помещения или особо важном чистом помещении, требующем большего коэффициента безопасности, следует выбирать фильтры высокого класса; в противном случае можно выбрать фильтры более низкой эффективности. Для чистых помещений, требующих контроля частиц размером 0,1 мкм, следует выбирать фильтры класса D независимо от контролируемой концентрации частиц. Вышеизложенное относится только к фильтру. На самом деле, для выбора хорошего фильтра необходимо также в полной мере учитывать характеристики чистого помещения, самого фильтра и системы очистки.

Установка фильтра

Для обеспечения чистоты подаваемого воздуха недостаточно иметь только качественные фильтры, необходимо также гарантировать: а) целостность фильтра при транспортировке и монтаже; б) герметичность монтажа. Для достижения первого пункта строительный и монтажный персонал должен быть хорошо подготовлен, обладать как знаниями по установке систем очистки воздуха, так и квалифицированными навыками монтажа. В противном случае будет сложно гарантировать сохранность фильтра. В этом отношении есть важные уроки. Во-вторых, проблема герметичности монтажа в основном зависит от качества монтажной конструкции. В руководстве по проектированию обычно рекомендуется: для одиночного фильтра использовать открытый тип монтажа, чтобы даже при возникновении утечки воздух не попадал в помещение; использование готового HEPA-фильтра для воздуховыпускного отверстия также упрощает обеспечение герметичности. Для воздуха, подаваемого несколькими фильтрами, в последние годы часто используются гелевые уплотнения и герметизация отрицательным давлением.

Гелевое уплотнение должно обеспечивать герметичность соединения резервуара с жидкостью и нахождение всей рамы в одной горизонтальной плоскости. Герметизация отрицательным давлением заключается в создании отрицательного давления по всей внешней периферии соединения между фильтром, корпусом статического давления и рамой. Как и в случае открытой установки, даже при наличии утечки, она не будет проникать в помещение. Фактически, если монтажная рама плоская, а торцевая поверхность фильтра равномерно прилегает к монтажной раме, то при любом типе установки должно быть легко обеспечить соответствие фильтра требованиям герметичности.

2. Организация воздушного потока

Организация воздушного потока в чистом помещении отличается от организации воздушного потока в обычном кондиционированном помещении. Она требует, чтобы в рабочую зону в первую очередь подавался самый чистый воздух. Его функция заключается в ограничении и снижении загрязнения обрабатываемых объектов. С этой целью при проектировании организации воздушного потока следует учитывать следующие принципы: минимизировать вихревые потоки, чтобы избежать попадания загрязнений извне в рабочую зону; стараться предотвратить вторичное поднятие пыли, чтобы уменьшить вероятность загрязнения заготовки пылью; воздушный поток в рабочей зоне должен быть максимально равномерным, а его скорость должна соответствовать технологическим и гигиеническим требованиям. При подаче воздуха на выходное отверстие для возврата пыли необходимо эффективно удалять пыль из воздуха. В зависимости от требований к чистоте следует выбирать различные режимы подачи и возврата воздуха.

Различные схемы организации воздушного потока имеют свои особенности и масштабы:

(1). Вертикальный однонаправленный поток

Помимо общих преимуществ, таких как получение равномерного нисходящего потока воздуха, упрощение размещения технологического оборудования, высокая способность к самоочищению и упрощение стандартных систем, таких как индивидуальные очистные сооружения, четыре метода подачи воздуха также имеют свои преимущества и недостатки: полноразмерные HEPA-фильтры обладают преимуществами низкого сопротивления и длительного цикла замены фильтра, но имеют сложную конструкцию потолка и высокую стоимость; преимущества и недостатки верхнего воздухоподачи с боковым HEPA-фильтром и верхнего воздухоподачи с перфорированной пластиной противоположны преимуществам и недостаткам верхнего воздухоподачи с полноразмерным HEPA-фильтром. Среди них, при нерегулярной работе системы на внутренней поверхности перфорированной пластины легко накапливается пыль, а плохое техническое обслуживание оказывает некоторое влияние на чистоту; верхний воздухоподача с плотным диффузором требует слоя смешивания, поэтому подходит только для высоких чистых помещений высотой более 4 м, и его характеристики аналогичны верхнему воздухоподаванию с перфорированной пластиной; Метод отвода обратного воздуха с использованием пластины с решетками с обеих сторон и равномерно расположенными в нижней части противоположных стен воздуховыпускными отверстиями подходит только для чистых помещений с расстоянием между стенами менее 6 м с каждой стороны; воздуховыпускные отверстия, расположенные в нижней части одной из стен, подходят только для чистых помещений с небольшим расстоянием между стенами (например, ≤2–3 м).

(2). Горизонтальный однонаправленный поток

Только в первой рабочей зоне может быть достигнут уровень чистоты 100%. При движении воздуха в противоположную сторону концентрация пыли постепенно увеличивается. Поэтому это решение подходит только для чистых помещений с различными требованиями к чистоте для одного и того же процесса в одном и том же помещении. Локальное размещение HEPA-фильтров на приточной стене позволяет сократить использование HEPA-фильтров и сэкономить первоначальные инвестиции, но при этом возникают вихревые потоки в локальных зонах.

(3). Турбулентный поток воздуха

Характеристики верхнего расположения диафрагм и верхнего расположения плотных диффузоров аналогичны упомянутым выше: преимущества бокового расположения заключаются в простоте прокладки трубопроводов, отсутствии необходимости в техническом промежуточном слое, низкой стоимости и удобстве модернизации старых заводов. Недостатки заключаются в высокой скорости ветра в рабочей зоне и более высокой концентрации пыли на подветренной стороне по сравнению с наветренной; верхнее расположение выходов HEPA-фильтров имеет преимущества простой системы, отсутствия трубопроводов за HEPA-фильтром и прямой подачи чистого воздушного потока в рабочую зону, но чистый воздушный поток рассеивается медленно, и воздушный поток в рабочей зоне более равномерный; однако, при равномерном расположении нескольких выходов воздуха или использовании выходов воздуха с HEPA-фильтрами и диффузорами, воздушный поток в рабочей зоне также может быть более равномерным; но при не непрерывной работе системы диффузор подвержен накоплению пыли.

Вышеизложенное обсуждение относится к идеальному состоянию и соответствует рекомендациям соответствующих национальных спецификаций, стандартов или руководств по проектированию. В реальных проектах организация воздушных потоков не всегда удачно спроектирована из-за объективных условий или субъективных соображений проектировщика. К распространенным примерам относятся: вертикальный однонаправленный поток с возвратом воздуха из нижней части двух смежных стен, локальный класс 100 с верхним подачей и верхним возвратом воздуха (то есть, без подвесной шторы под локальным воздуховыпускным отверстием), а также турбулентные чистые помещения с верхним подачей и верхним возвратом воздуха через HEPA-фильтр или односторонним нижним возвратом (большее расстояние между стенами) и т. д. Эти методы организации воздушных потоков были протестированы, и в большинстве случаев их чистота не соответствует проектным требованиям. Из-за действующих спецификаций для приемки в пустом или статическом состоянии некоторые из этих чистых помещений едва достигают проектного уровня чистоты в пустом или статическом состоянии, но их способность к защите от загрязнения очень низка, и как только чистое помещение переходит в рабочее состояние, оно перестает соответствовать требованиям.

Правильная организация воздушного потока должна обеспечиваться с помощью штор, свисающих до высоты рабочей зоны в локальной зоне, а в классах 100 000 не следует использовать верхний приток и верхний отток воздуха. Кроме того, большинство заводов в настоящее время производят высокоэффективные воздухораспределительные устройства с диффузорами, но их диффузоры представляют собой лишь декоративные диафрагмы и не выполняют функцию рассеивания воздушного потока. Проектировщикам и пользователям следует обратить на это особое внимание.

3. Объем подаваемого воздуха или скорость воздушного потока

Достаточный объем вентиляции необходим для разбавления и удаления загрязненного воздуха из помещения. В зависимости от требований к чистоте, при большой высоте чистого помещения частоту вентиляции следует соответствующим образом увеличить. Объем вентиляции чистого помещения уровня 1 миллион рассчитывается с учетом высокоэффективной системы очистки, а для остальных помещений – с учетом высокоэффективной системы очистки; если HEPA-фильтры чистого помещения класса 100 000 сосредоточены в машинном зале или используются суб-HEPA-фильтры в конце системы, частоту вентиляции можно соответствующим образом увеличить на 10-20%.

Для указанных выше рекомендуемых значений объема вентиляции автор считает, что: скорость ветра в помещении с однонаправленным потоком воздуха низкая, а для помещения с турбулентным потоком воздуха рекомендуемое значение имеет достаточный запас прочности. Вертикальный однонаправленный поток ≥ 0,25 м/с, горизонтальный однонаправленный поток ≥ 0,35 м/с. Хотя требования к чистоте могут быть соблюдены при испытаниях в пустом или статическом состоянии, способность к защите от загрязнения низкая. После ввода помещения в эксплуатацию чистота может не соответствовать требованиям. Этот пример не является единичным случаем. В то же время в серии вентиляторов нашей страны отсутствуют вентиляторы, подходящие для систем очистки воздуха. Как правило, проектировщики часто не производят точных расчетов сопротивления воздуха системы или не учитывают, находится ли выбранный вентилятор в более благоприятной рабочей точке на характеристической кривой, в результате чего объем воздуха или скорость ветра не достигают проектного значения вскоре после ввода системы в эксплуатацию. В соответствии с федеральным стандартом США (FS209A~B) скорость потока воздуха в чистом помещении в одном направлении через его поперечное сечение обычно поддерживается на уровне 90 футов/мин (0,45 м/с), а неравномерность скорости находится в пределах ±20% при отсутствии помех во всем помещении. Любое значительное снижение скорости потока воздуха увеличивает вероятность самоочищения и загрязнения между рабочими местами (после принятия стандарта FS209C в октябре 1987 года не были установлены правила для всех параметров, кроме концентрации пыли).

По этой причине автор считает целесообразным надлежащим образом повысить текущее проектное значение скорости однонаправленного потока в стране. В нашем подразделении это было сделано в реальных проектах, и эффект оказался достаточно хорошим. Для чистых помещений с турбулентным потоком рекомендуется использовать значение с достаточно достаточным запасом прочности, но многие проектировщики до сих пор не уверены в его точности. При разработке конкретных проектов они увеличивают объем вентиляции чистых помещений класса 100 000 до 20-25 раз/ч, класса 10 000 до 30-40 раз/ч, а класса 1000 до 60-70 раз/ч. Это не только увеличивает производительность оборудования и первоначальные инвестиции, но и увеличивает будущие затраты на техническое обслуживание и эксплуатацию. На самом деле в этом нет необходимости. При составлении технических мер по очистке воздуха в нашей стране были исследованы и измерены более чем 100 чистых помещений Китая. Многие чистые помещения были протестированы в динамических условиях. Результаты показали, что объемы вентиляции чистых помещений класса 100 000 ≥10 раз/ч, класса 10 000 ≥20 раз/ч и класса 1000 ≥50 раз/ч соответствуют требованиям. Федеральный стандарт США (FS2O9A~B) устанавливает: для чистых помещений с ненаправленным потоком воздуха (класс 100 000, класс 10 000), высотой помещения 8–12 футов (2,44–3,66 м), обычно предполагается, что все помещение должно вентилироваться не реже одного раза в 3 минуты (т.е. 20 раз/ч). Таким образом, в проектной документации учтен большой коэффициент запаса, и проектировщик может безопасно выбирать рекомендуемое значение объема вентиляции.

4. Разница статического давления

Поддержание определенного положительного давления в чистом помещении является одним из важнейших условий для обеспечения минимального или полного отсутствия загрязнения и поддержания заданного уровня чистоты. Даже для чистых помещений с отрицательным давлением необходимо наличие смежных помещений или блоков с уровнем чистоты не ниже заданного, чтобы поддерживать определенное положительное давление и, следовательно, чистоту чистого помещения с отрицательным давлением.

Положительное давление в чистом помещении определяется как значение, при котором статическое давление внутри помещения превышает статическое давление снаружи при закрытых дверях и окнах. Это достигается за счет того, что объем подаваемого в систему очистки воздуха превышает объем возвратного и отводного воздуха. Для обеспечения положительного давления в чистом помещении предпочтительно, чтобы приточные, возвратные и отводные вентиляторы были взаимосвязаны. При включении системы сначала запускается приточный вентилятор, а затем возвратный и отводной; при выключении системы сначала выключается отводной вентилятор, а затем возвратный и приточный вентиляторы, чтобы предотвратить загрязнение чистого помещения при включении и выключении системы.

Объем воздуха, необходимый для поддержания избыточного давления в чистом помещении, в основном определяется герметичностью конструкции. На заре строительства чистых помещений в нашей стране из-за плохой герметичности ограждающих конструкций для поддержания избыточного давления ≥5 Па требовалось подача воздуха от 2 до 6 раз в час; в настоящее время герметичность конструкции значительно улучшена, и для поддержания того же избыточного давления требуется всего 1-2 раза в час, а для поддержания ≥10 Па — всего 2-3 раза в час.

В технических условиях моей страны [6] указано, что разница статического давления между чистыми помещениями разных классов, а также между чистыми и нечистыми зонами должна быть не менее 0,5 мм вод. ст. (~5 Па), а разница статического давления между чистой зоной и наружным пространством должна быть не менее 1,0 мм вод. ст. (~10 Па). Автор считает, что это значение кажется слишком низким по трем причинам:

(1) Положительное давление относится к способности чистого помещения подавлять загрязнение воздуха внутри помещения через щели между дверями и окнами или минимизировать проникновение загрязняющих веществ в помещение при кратковременном открытии дверей и окон. Величина положительного давления указывает на силу подавления загрязнения. Конечно, чем больше положительное давление, тем лучше (это будет обсуждаться позже).

(2) Объем воздуха, необходимый для создания положительного давления, ограничен. Объем воздуха, необходимый для создания положительного давления 5 Па и 10 Па, отличается всего примерно в 1 раз в час. Почему бы так не сделать? Очевидно, лучше принять нижний предел положительного давления равным 10 Па.

(3) Федеральный стандарт США (FS209A~B) устанавливает, что при закрытых всех входах и выходах минимальная разница положительного давления между чистым помещением и любой прилегающей зоной низкой чистоты составляет 0,05 дюйма водяного столба (12,5 Па). Это значение принято во многих странах. Однако значение положительного давления в чистом помещении не всегда выше, чем выше. Согласно результатам инженерных испытаний нашего подразделения, проводившихся более 30 лет, при значении положительного давления ≥ 30 Па дверь трудно открыть. Если закрыть дверь неосторожно, раздастся громкий хлопок, который напугает людей. При значении положительного давления ≥ 50–70 Па щели между дверями и окнами будут свистеть, вызывая дискомфорт у людей со слабыми нервами или другими неблагоприятными симптомами. Однако соответствующие спецификации или стандарты многих стран как внутри страны, так и за рубежом не устанавливают верхний предел положительного давления. В результате многие подразделения стремятся соответствовать требованиям нижнего предела, независимо от того, насколько велик верхний предел. В чистой комнате, с которой столкнулся автор, значение положительного давления достигает 100 Па и более, что приводит к очень негативным последствиям. На самом деле, регулирование положительного давления не представляет сложности. Его вполне можно контролировать в определенном диапазоне. Существует документ, в котором указывается, что в одной из стран Восточной Европы значение положительного давления установлено на уровне 1-3 мм водного столба (примерно 10-30 Па). Автор считает, что этот диапазон является более подходящим.