ОСНОВНОЙ АНАЛИЗ ЧИСТОГО ПОМЕЩЕНИЯ

Введение

Чистое помещение – основа контроля загрязнения. Без чистого помещения невозможно массовое производство деталей, чувствительных к загрязнению. В стандарте FED-STD-2 чистое помещение определяется как помещение с системами фильтрации, распределения и оптимизации воздуха, строительными материалами и оборудованием, в котором используются определённые стандартные рабочие процедуры для контроля концентрации частиц в воздухе и достижения необходимого уровня чистоты.

Чтобы добиться хорошего эффекта чистоты в чистом помещении, необходимо не только сосредоточиться на принятии разумных мер по очистке воздуха в системе кондиционирования, но и потребовать от технологических, строительных и других специалистов принятия соответствующих мер: не только разумного проектирования, но и тщательного строительства и монтажа в соответствии со спецификациями, а также правильного использования чистых помещений и научного обслуживания и управления. Для достижения хорошего эффекта в чистых помещениях с разных точек зрения изложено много отечественной и зарубежной литературы. На самом деле, трудно достичь идеальной координации между различными специализациями, и проектировщикам трудно понять качество строительства и монтажа, а также использования и управления, особенно последнего. Что касается мер по очистке чистых помещений, многие проектировщики или даже строительные организации часто не уделяют должного внимания их необходимым условиям, что приводит к неудовлетворительному эффекту чистоты. В этой статье лишь кратко обсуждаются четыре необходимых условия для достижения требований к чистоте в мерах по очистке чистых помещений.

1. Чистота подаваемого воздуха

Для обеспечения соответствия чистоты подаваемого воздуха установленным требованиям решающее значение имеет производительность и установка конечного фильтра системы очистки.

Выбор фильтра

В качестве конечного фильтра системы очистки воздуха обычно используется HEPA-фильтр или суб-HEPA-фильтр. Согласно стандартам моей страны, эффективность HEPA-фильтров делится на четыре класса: класс A — ≥99,9%, класс B — ≥99,9%, класс C — ≥99,999%, класс D — ≥99,999% (для частиц ≥0,1 мкм) (также известные как ультра-HEPA-фильтры); суб-HEPA-фильтры — 95–99,9% (для частиц ≥0,5 мкм). 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 общем случае: фильтры высокой и средней эффективности могут использоваться для уровня 1 миллион; фильтры sub-HEPA или HEPA класса A могут использоваться для уровней ниже класса 10 000; фильтры класса B могут использоваться для классов от 10 000 до 100; и фильтры класса C могут использоваться для уровней от 100 до 1. Похоже, что для каждого уровня чистоты можно выбирать из двух типов фильтров. Выбор фильтров высокой или низкой эффективности зависит от конкретной ситуации: если загрязнение окружающей среды серьезное, или коэффициент вытяжки в помещении велик, или чистота помещения особенно важна и требует большего коэффициента безопасности, в этих или одном из этих случаев следует выбрать фильтр высокого класса; в противном случае можно выбрать фильтр с более низкой эффективностью. Для чистых помещений, требующих контроля за частицами размером 0,1 мкм, следует выбирать фильтры класса D независимо от концентрации контролируемых частиц. Вышеизложенное относится только к фильтру. Фактически, чтобы выбрать хороший фильтр, необходимо также полностью учесть характеристики чистого помещения, фильтра и системы очистки.

Установка фильтра

Чтобы обеспечить чистоту подаваемого воздуха, недостаточно иметь только качественные фильтры, но и обеспечить: а. Неповреждение фильтра при транспортировке и установке; б. Герметичность установки. Для достижения первого пункта строительно-монтажный персонал должен быть хорошо обучен, обладать как знаниями по установке систем очистки, так и квалифицированными навыками монтажа. В противном случае будет сложно гарантировать, что фильтр не будет поврежден. В этом отношении есть глубокие уроки. Во-вторых, проблема герметичности установки в основном зависит от качества конструкции установки. Руководство по проектированию, как правило, рекомендует: для одного фильтра использовать установку открытого типа, так что даже если произойдет утечка, она не просочится в помещение; используя готовое выпускное отверстие для воздуха HEPA, герметичность также легче обеспечить. Для воздуха из нескольких фильтров в последние годы часто используют гелевые уплотнения и уплотнения с отрицательным давлением.

Гелевое уплотнение должно обеспечивать герметичность соединения с резервуаром для жидкости и нахождение всей рамы в одной горизонтальной плоскости. Герметизация отрицательного давления предназначена для создания отрицательного давления по внешнему периметру соединения между фильтром, корпусом статического давления и рамой. Как и при открытой установке, даже в случае утечки она не просочится в помещение. Фактически, если монтажная рама плоская, а торец фильтра равномерно прилегает к ней, фильтр должен соответствовать требованиям герметичности при любом типе установки.

2. Организация воздушного потока

Организация воздушного потока в чистом помещении отличается от организации воздушного потока в обычном кондиционируемом помещении. Необходимо, чтобы максимально чистый воздух подавался в рабочую зону. Его функция заключается в ограничении и снижении загрязнения обрабатываемых объектов. Для этого при проектировании организации воздушного потока следует учитывать следующие принципы: минимизировать вихревые токи, чтобы избежать попадания загрязнений извне в рабочую зону; стремиться к предотвращению вторичного распространения пыли, чтобы снизить вероятность загрязнения обрабатываемой детали; воздушный поток в рабочей зоне должен быть максимально равномерным, а скорость воздушного потока должна соответствовать технологическим и гигиеническим требованиям. При подаче воздуха в выходное отверстие для возврата пыли из воздуха необходимо эффективно удалять пыль. Выбирайте различные режимы подачи и возврата воздуха в соответствии с различными требованиями к чистоте.

Различные организации воздушного потока имеют свои особенности и области применения:

(1) Вертикальный однонаправленный поток

В дополнение к общим преимуществам получения равномерного нисходящего потока воздуха, облегчения расположения технологического оборудования, сильной способности к самоочищению и упрощения общих объектов, таких как средства индивидуальной очистки, четыре метода подачи воздуха также имеют свои преимущества и недостатки: полностью закрытые фильтры HEPA имеют преимущества низкого сопротивления и длительного цикла замены фильтра, но конструкция потолка сложна, а стоимость высока; преимущества и недостатки боковой подачи HEPA-фильтра сверху и полноразмерной пластинчатой ​​верхней подачи противоположны преимуществам и недостаткам полноразмерной пластинчатой ​​верхней подачи HEPA-фильтра. Среди них полноразмерная пластинчатая верхняя подача легко накапливает пыль на внутренней поверхности пластины с отверстием, когда система работает непостоянно, а плохое обслуживание оказывает некоторое влияние на чистоту; плотная диффузорная верхняя подача требует слоя смешивания, поэтому она подходит только для высоких чистых помещений выше 4 м, и ее характеристики аналогичны полноразмерной пластинчатой ​​верхней подаче; Метод возврата воздуха с использованием пластины с решетками с обеих сторон и равномерно расположенных в нижней части противоположных стен отверстий для возврата воздуха подходит только для чистых помещений с чистым расстоянием между стенами менее 6 м с обеих сторон; расположение отверстий для возврата воздуха в нижней части односторонней стены подходит только для чистых помещений с небольшим расстоянием между стенами (например, ≤<2~3 м).

(2) Горизонтальный однонаправленный поток

Только первая рабочая зона может достичь уровня чистоты 100. При перемещении воздуха в другую сторону концентрация пыли постепенно увеличивается. Поэтому этот метод подходит только для чистых помещений с различными требованиями к чистоте при выполнении одного и того же процесса в одном помещении. Локальное распределение HEPA-фильтров на стене воздухопровода позволяет сократить их использование и сэкономить первоначальные инвестиции, однако в некоторых зонах возникают завихрения.

(3) Турбулентный поток воздуха

Характеристики верхней подачи пластинчатых жиклеров и верхней подачи плотных диффузоров такие же, как упомянутые выше: преимущества боковой подачи заключаются в простоте расположения трубопроводов, отсутствии необходимости в технической прослойке, низкой стоимости и благоприятствовании реконструкции старых заводов. Недостатки заключаются в том, что скорость ветра в рабочей зоне большая, а концентрация пыли с подветренной стороны выше, чем с наветренной стороны; верхняя подача выходных отверстий HEPA-фильтра имеет преимущества простой системы, отсутствия трубопроводов за HEPA-фильтром и подачи чистого воздушного потока непосредственно в рабочую зону, но чистый воздушный поток медленно распространяется и воздушный поток в рабочей зоне более равномерный; однако, когда несколько выходных отверстий для воздуха равномерно расположены или используются выходные отверстия HEPA-фильтра с диффузорами, воздушный поток в рабочей зоне также можно сделать более равномерным; но когда система не работает непрерывно, диффузор склонен к накоплению пыли.

Все вышеизложенное относится к идеальному состоянию и рекомендуется соответствующими национальными спецификациями, стандартами или руководствами по проектированию. В реальных проектах организация воздушного потока спроектирована ненадлежащим образом из-за объективных условий или субъективных причин проектировщика. К распространенным относятся: вертикальный однонаправленный поток использует возврат воздуха из нижней части смежных двух стен, локальный класс 100 использует верхнюю подачу и верхний возврат (то есть под местным выпускным отверстием воздуха не устанавливается подвесная штора), а турбулентные чистые помещения используют выпускное отверстие воздуха с HEPA-фильтром сверху подачу и верхний возврат или односторонний нижний возврат (большее расстояние между стенами) и т. д. Эти методы организации воздушного потока были измерены, и большинство их показателей чистоты не соответствуют проектным требованиям. Из-за текущих спецификаций на пустые или статические условия приемки некоторые из этих чистых помещений едва достигают проектного уровня чистоты в пустых или статических условиях, но способность к помехам от загрязнений очень низкая, и как только чистое помещение переходит в рабочее состояние, оно не соответствует требованиям.

Правильная организация воздушного потока должна быть обеспечена за счет локальных штор, свисающих до высоты рабочей зоны, а в классе 100 000 не допускается использование верхней подачи и верхней вытяжки. Кроме того, большинство заводов в настоящее время выпускают высокоэффективные воздуховыпускные устройства с диффузорами, которые представляют собой лишь декоративные диафрагмы и не выполняют функцию рассеивания воздуха. Проектировщикам и пользователям следует обратить на это особое внимание.

3. Объем подачи воздуха или скорость воздуха

Достаточный объём вентиляции необходим для разбавления и удаления загрязнённого воздуха из помещения. В зависимости от различных требований к чистоте, при большой высоте чистого помещения частота вентиляции должна быть соответственно увеличена. Например, объём вентиляции чистого помещения с уровнем чистоты 1 млн рассматривается в соответствии с высокоэффективной системой очистки, а остальные помещения – в соответствии с высокоэффективной системой очистки. При концентрации HEPA-фильтров класса чистоты 100 000 в машинном отделении или использовании суб-HEPA-фильтров в конце системы частота вентиляции может быть соответственно увеличена на 10–20%.

Для приведенных выше рекомендуемых значений объема вентиляции автор считает, что: скорость ветра через секцию помещения однонаправленного потока чистой комнаты низкая, а турбулентный чистый зал имеет рекомендуемое значение с достаточным коэффициентом безопасности. Вертикальный однонаправленный поток ≥ 0,25 м / с, горизонтальный однонаправленный поток ≥ 0,35 м / с. Хотя требования к чистоте могут быть выполнены при испытании в пустых или статических условиях, способность к предотвращению загрязнений низкая. Как только помещение входит в рабочее состояние, чистота может не соответствовать требованиям. Этот тип примера не является единичным случаем. В то же время в серии вентиляторов моей страны нет вентиляторов, подходящих для систем очистки. Как правило, проектировщики часто не делают точные расчеты воздушного сопротивления системы или не замечают, 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. Федеральный стандарт США (FS209A~B) устанавливает, что скорость воздушного потока в однонаправленном чистом помещении через его поперечное сечение обычно поддерживается на уровне 90 футов/мин (0,45 м/с), а неравномерность скорости не должна превышать ±20% при условии отсутствия помех во всем помещении. Любое значительное снижение скорости воздушного потока увеличит время самоочистки и вероятность загрязнения между рабочими местами (после обнародования FS209C в октябре 1987 года регулирование всех параметров, кроме концентрации пыли, не вводилось).

По этой причине автор считает целесообразным соответствующим образом увеличить текущее расчетное значение скорости однонаправленного потока в отечественных системах. Наше подразделение выполнило это в реальных проектах, и эффект относительно хороший. Турбулентные чистые помещения имеют рекомендуемое значение с относительно достаточным коэффициентом безопасности, но многие проектировщики все еще не уверены в этом. При разработке конкретных проектов они увеличивают объем вентиляции чистых помещений класса 100 000 до 20-25 раз/ч, чистых помещений класса 10 000 до 30-40 раз/ч и чистых помещений класса 1000 до 60-70 раз/ч. Это не только увеличивает производительность оборудования и первоначальные инвестиции, но и увеличивает будущие расходы на техническое обслуживание и управление. На самом деле, в этом нет необходимости. При составлении технических мер по очистке воздуха в моей стране были исследованы и измерены более чистых помещений класса 100 в Китае. Многие чистые помещения были испытаны в динамических условиях. Результаты показали, что объёмы 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 (FS209A~B) устанавливает: для чистых помещений с неоднонаправленным потоком воздуха (класс 100 000, класс 10 000), высотой 8–12 футов (2,44–3,66 м), как правило, предполагается, что всё помещение проветривается не реже одного раза в 3 минуты (т.е. 20 раз/ч). Таким образом, в спецификации проекта учтён большой коэффициент избыточности, и проектировщик может безопасно выбирать объём вентиляции в соответствии с рекомендуемым значением.

4. Статическая разность давлений

Поддержание определенного положительного давления в чистом помещении является одним из важнейших условий, гарантирующих отсутствие или снижение уровня загрязнения в чистом помещении для поддержания проектного уровня чистоты. Даже в случае с чистым помещением с отрицательным давлением необходимо наличие смежных помещений или блоков с уровнем чистоты не ниже, чем в данном помещении, для поддержания определенного положительного давления, что позволит поддерживать чистоту в чистом помещении с отрицательным давлением.

Значение избыточного давления в чистом помещении определяется, когда статическое давление внутри помещения превышает статическое давление снаружи при закрытых дверях и окнах. Это достигается за счёт того, что объём приточного воздуха, подаваемого в систему очистки, превышает объёмы обратного и отводимого воздуха. Для обеспечения избыточного давления в чистом помещении предпочтительно блокировать приточный, вытяжной и вытяжной вентиляторы. При включении системы сначала включается приточный вентилятор, затем вытяжной и вытяжной; при выключении системы сначала выключается вытяжной вентилятор, а затем вытяжной и приточный вентиляторы, чтобы предотвратить загрязнение чистого помещения при включении и выключении системы.

Объём воздуха, необходимый для поддержания избыточного давления в чистом помещении, в основном определяется герметичностью конструкции для обслуживания. На заре строительства чистых помещений в моей стране из-за плохой герметичности конструкции ограждения для поддержания избыточного давления ≥5 Па требовалась подача воздуха 2–6 раз в час. В настоящее время герметичность конструкции для обслуживания значительно улучшилась, и для поддержания того же избыточного давления требуется всего 1–2 раза в час подачи воздуха; а для поддержания ≥10 Па — всего 2–3 раза в час.

В технических условиях проектирования моей страны [6] установлено, 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 — не менее 1,0 мм вод. ст. (~10 Па). Автор считает, что это значение слишком мало по трём причинам:

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

(2) Объём воздуха, необходимый для создания положительного давления, ограничен. Разница между объёмом воздуха, необходимым для создания положительного давления 5 Па и 10 Па, составляет всего около 1 раза в час. Почему бы не сделать это? Очевидно, лучше принять нижний предел положительного давления равным 10 Па.

(3) Федеральный стандарт США (FS209A ~ B) предусматривает, что когда все входы и выходы закрыты, минимальная разница положительного давления между чистой комнатой и любой смежной зоной с низкой чистотой составляет 0,05 дюйма водяного столба (12,5 Па). Это значение принято во многих странах. Но значение положительного давления чистой комнаты не является чем выше, тем лучше. Согласно реальным инженерным испытаниям нашего подразделения на протяжении более 30 лет, когда значение положительного давления ≥ 30 Па, трудно открыть дверь. Если вы закроете дверь небрежно, она хлопнет! Это напугает людей. Когда значение положительного давления ≥ 50 ~ 70 Па, щели между дверями и окнами будут издавать свист, и слабые или те, у кого есть какие-то несоответствующие симптомы, будут чувствовать себя некомфортно. Однако соответствующие спецификации или стандарты многих стран в стране и за рубежом не указывают верхний предел положительного давления. В результате многие установки стремятся соответствовать только нижнему пределу, независимо от величины верхнего предела. В реальной чистой комнате, с которой столкнулся автор, значение избыточного давления достигает 100 Па и более, что приводит к крайне негативным последствиям. На самом деле, регулировать избыточное давление несложно. Его вполне возможно контролировать в определённом диапазоне. В документе говорилось, что в одной из стран Восточной Европы значение избыточного давления составляет 1–3 мм вод. ст. (около 10–30 Па). Автор считает этот диапазон более подходящим.