Zavedení
Čistý prostor je základem kontroly znečištění. Bez čistého prostoru nelze hromadně vyrábět díly citlivé na znečištění. V normě FED-STD-2 je čistý prostor definován jako místnost s filtrací vzduchu, distribucí, optimalizací, stavebními materiály a zařízením, ve které se používají specifické pravidelné provozní postupy k řízení koncentrace částic ve vzduchu za účelem dosažení odpovídající úrovně čistoty částic.
Aby bylo dosaženo dobrého efektu čistoty v čistých prostorách, je nutné se nejen zaměřit na přijetí přiměřených opatření pro čištění klimatizace, ale také požadovat, aby procesní, konstrukční a další specializace přijaly odpovídající opatření: nejen přiměřený návrh, ale také pečlivá konstrukce a instalace v souladu se specifikacemi, stejně jako správné používání čistých prostor a vědecká údržba a řízení. Aby bylo dosaženo dobrého efektu v čistých prostorách, bylo mnoho domácích i zahraničních prací vysvětleno z různých hledisek. Ve skutečnosti je obtížné dosáhnout ideální koordinace mezi různými specializacemi a pro projektanty je obtížné pochopit kvalitu konstrukce a instalace, stejně jako jejich použití a řízení, zejména to druhé. Pokud jde o opatření pro čištění čistých prostor, mnoho projektantů, nebo dokonce i stavebních stran, často nevěnuje dostatečnou pozornost jejich nezbytným podmínkám, což vede k neuspokojivému efektu čistoty. Tento článek pouze stručně rozebírá čtyři nezbytné podmínky pro dosažení požadavků na čistotu v opatřeních pro čištění čistých prostor.
1. Čistota přívodu vzduchu
Aby byla zajištěna čistota přiváděného vzduchu, klíčem je výkon a instalace koncového filtru čisticího systému.
Výběr filtru
Konečný filtr čisticího systému obvykle používá hepa filtr nebo sub-hepa filtr. Podle norem naší země se účinnost hepa filtrů dělí do čtyř stupňů: třída A je ≥99,9 %, třída B je ≥99,9 %, třída C je ≥99,999 %, třída D je (pro částice ≥0,1 μm) ≥99,999 % (také známé jako ultra-hepa filtry); sub-hepa filtry jsou (pro částice ≥0,5 μm) 95~99,9 %. Čím vyšší je účinnost, tím dražší je filtr. Proto bychom při výběru filtru měli splňovat nejen požadavky na čistotu přiváděného vzduchu, ale také zvážit ekonomickou racionalitu.
Z hlediska požadavků na čistotu je principem používat nízkoúčinné filtry pro čisté prostory s nízkou úrovní čistoty a vysoceúčinné filtry pro čisté prostory s vysokou úrovní čistoty. Obecně řečeno: pro úroveň 1 milion lze použít filtry s vysokou a střední účinností; filtry sub-hepa nebo třídy A HEPA lze použít pro úrovně pod třídou 10 000; filtry třídy B lze použít pro třídu 10 000 až 100; a filtry třídy C lze použít pro úrovně 100 až 1. Zdá se, že pro každou úroveň čistoty existují dva typy filtrů, ze kterých si lze vybrat. Volba vysoce výkonných nebo nízkoúčinných filtrů závisí na konkrétní situaci: pokud je znečištění životního prostředí vážné, nebo je poměr vnitřních výfukových plynů vysoký, nebo je čistý prostor obzvláště důležitý a vyžaduje vyšší bezpečnostní faktor, v těchto nebo jednom z těchto případů by měl být zvolen vysoce výkonný filtr; v opačném případě lze zvolit nízkoúčinný filtr. Pro čisté prostory, které vyžadují kontrolu částic o velikosti 0,1 μm, by měly být zvoleny filtry třídy D bez ohledu na kontrolovanou koncentraci částic. Výše uvedené je pouze z pohledu filtru. Ve skutečnosti je pro výběr dobrého filtru nutné plně zvážit také vlastnosti čisté místnosti, filtru a čisticího systému.
Instalace filtru
Pro zajištění čistoty přiváděného vzduchu nestačí mít pouze kvalifikované filtry, ale také zajistit: a. Aby filtr nebyl během přepravy a instalace poškozen; b. Aby byla instalace těsná. K dosažení prvního bodu musí být stavební a instalační personál dobře vyškolený, se znalostmi instalace čisticích systémů a odbornými instalačními dovednostmi. Jinak bude obtížné zajistit, aby filtr nebyl poškozen. V tomto ohledu existují důležitá ponaučení. Za druhé, problém těsnosti instalace závisí především na kvalitě instalační konstrukce. Projektová příručka obecně doporučuje: pro jeden filtr se používá otevřená instalace, aby i v případě úniku nedošlo k úniku do místnosti; při použití hotového HEPA výstupu vzduchu je těsnost také snazší zajistit. Pro vzduch z více filtrů se v posledních letech často používá gelové těsnění a těsnění s podtlakem.
Gelové těsnění musí zajistit těsnost spoje nádrže na kapalinu a utěsnění celého rámu ve stejné horizontální rovině. Těsnění podtlakem slouží k vytvoření podtlaku na vnějším obvodu spoje mezi filtrem, statickou tlakovou komorou a rámem. Stejně jako u otevřené instalace, i když dojde k úniku, nedojde k úniku do místnosti. Pokud je instalační rám plochý a čelní plocha filtru je v rovnoměrném kontaktu s instalačním rámem, mělo by být snadné zajistit, aby filtr splňoval požadavky na těsnost instalace v jakémkoli typu instalace.
2. Organizace proudění vzduchu
Organizace proudění vzduchu v čisté místnosti se liší od organizace v běžné klimatizované místnosti. Vyžaduje, aby byl do provozního prostoru nejprve přiváděn nejčistší vzduch. Její funkcí je omezit a snížit znečištění zpracovávaných předmětů. Za tímto účelem je třeba při navrhování organizace proudění vzduchu zohlednit následující zásady: minimalizovat vířivé proudy, aby se zabránilo vnášení znečištění z vnějšku pracovního prostoru do pracovního prostoru; snažit se zabránit vlétávání sekundárního prachu, aby se snížila pravděpodobnost kontaminace obrobku prachem; proudění vzduchu v pracovním prostoru by mělo být co nejrovnoměrnější a jeho rychlost by měla splňovat procesní a hygienické požadavky. Když proudění vzduchu proudí do výstupu zpětného vzduchu, měl by být prach ve vzduchu účinně odváděn. Zvolte různé režimy přívodu a zpětného vzduchu podle různých požadavků na čistotu.
Různé organizace pro řízení proudění vzduchu mají své vlastní charakteristiky a rozsahy:
(1). Vertikální jednosměrný tok
Kromě běžných výhod, jako je dosažení rovnoměrného proudění vzduchu směrem dolů, usnadnění uspořádání procesního zařízení, silná samočisticí schopnost a zjednodušení běžných zařízení, jako jsou osobní čističky vzduchu, mají tyto čtyři metody přívodu vzduchu také své výhody a nevýhody: plně zakryté HEPA filtry mají výhody nízkého odporu a dlouhého cyklu výměny filtru, ale stropní konstrukce je složitá a náklady vysoké; výhody a nevýhody bočního zakrytého horního přívodu HEPA filtru a horního přívodu s plným otvorem jsou opačné než u plně zakrytého horního přívodu HEPA filtru. Mezi ně patří horní přívod s plným otvorem, který snadno hromadí prach na vnitřním povrchu clonové desky, když systém neběží nepřetržitě, a špatná údržba má určitý vliv na čistotu; hustý horní přívod difuzoru vyžaduje míchací vrstvu, takže je vhodný pouze pro vysoké čisté místnosti nad 4 m a jeho vlastnosti jsou podobné hornímu přívodu s plným otvorem; metoda zpětného vzduchu pro desku s mřížkami na obou stranách a výstupy zpětného vzduchu rovnoměrně rozmístěnými ve spodní části protilehlých stěn je vhodná pouze pro čisté místnosti s roztečí menší než 6 m na obou stranách; Výstupy zpětného vzduchu uspořádané ve spodní části jednostranné stěny jsou vhodné pouze pro čisté prostory s malou vzdáleností mezi stěnami (například ≤<2~3 m).
(2). Horizontální jednosměrný tok
Pouze první pracovní oblast může dosáhnout úrovně čistoty 100. Když vzduch proudí na druhou stranu, koncentrace prachu se postupně zvyšuje. Proto je vhodný pouze pro čisté prostory s různými požadavky na čistotu pro stejný proces ve stejné místnosti. Lokální rozmístění HEPA filtrů na stěně přívodu vzduchu může snížit použití HEPA filtrů a ušetřit počáteční investice, ale v lokálních oblastech se vyskytují víry.
(3). Turbulentní proudění vzduchu
Charakteristiky horního přívodu vzduchu u clon a horního přívodu vzduchu u hustých difuzérů jsou stejné jako výše uvedené: výhodami bočního přívodu vzduchu jsou snadné uspořádání potrubí, není nutná žádná technická mezivrstva, nízké náklady a příznivé pro renovaci starých továren. Nevýhodami jsou vysoká rychlost větru v pracovní oblasti a vyšší koncentrace prachu na straně po větru než na straně proti větru; horní přívod vzduchu s HEPA filtry má výhody jednoduchého systému, žádného potrubí za HEPA filtrem a čistého proudu vzduchu přímo přiváděného do pracovní oblasti, ale čistý proud vzduchu se pomalu šíří a proudění vzduchu v pracovní oblasti je rovnoměrnější; pokud je však více vzduchových výstupů rovnoměrně uspořádáno nebo se použijí vzduchové výstupy s HEPA filtry s difuzéry, může být proudění vzduchu v pracovní oblasti také rovnoměrnější; pokud však systém neběží nepřetržitě, je difuzér náchylný k hromadění prachu.
Výše uvedené je v ideálním stavu a je doporučeno příslušnými národními specifikacemi, normami nebo konstrukčními manuály. V reálných projektech není organizace proudění vzduchu dobře navržena z objektivních důvodů nebo subjektivních důvodů projektanta. Mezi běžné patří: vertikální jednosměrné proudění využívá vratný vzduch ze spodní části dvou sousedních stěn, lokální třída 100 využívá horní přívod a horní návrat (tj. pod lokální výstup vzduchu není přidána žádná zavěšená clona) a turbulentní čisté místnosti používají horní přívod vzduchu s HEPA filtrem a horní návrat nebo jednostranný spodní návrat (větší rozteč mezi stěnami) atd. Tyto metody organizace proudění vzduchu byly změřeny a většina jejich čistoty nesplňuje konstrukční požadavky. Vzhledem k současným specifikacím pro prázdné nebo statické přijetí některé z těchto čistých místností sotva dosahují projektované úrovně čistoty v prázdných nebo statických podmínkách, ale schopnost rušení znečištění je velmi nízká a jakmile čistá místnost vstoupí do provozního stavu, nesplňuje požadavky.
Správná organizace proudění vzduchu by měla být nastavena tak, aby závěsy visěly až do výšky pracovní plochy v místní oblasti, a třída 100 000 by neměla používat horní přívod a horní odvod vzduchu. Kromě toho většina továren v současné době vyrábí vysoce účinné výstupy vzduchu s difuzory a jejich difuzory jsou pouze dekorativní clony a nehrají roli rozptylu proudění vzduchu. Konstruktéři a uživatelé by tomu měli věnovat zvláštní pozornost.
3. Objem přiváděného vzduchu nebo rychlost vzduchu
Dostatečný objem větrání slouží k ředění a odstraňování znečištěného vzduchu z vnitřních prostor. V závislosti na různých požadavcích na čistotu, pokud je čistá výška čisté místnosti vysoká, je třeba odpovídajícím způsobem zvýšit frekvenci větrání. V případě čisté místnosti s úrovní 1 milionu se objem větrání posuzuje podle vysoce účinného čisticího systému a zbytek se posuzuje podle vysoce účinného čisticího systému. Pokud jsou HEPA filtry třídy 100 000 koncentrovány ve strojovně nebo jsou na konci systému použity sub-HEPA filtry, lze frekvenci větrání odpovídajícím způsobem zvýšit o 10–20 %.
Pro výše uvedené doporučené hodnoty objemu větrání se autor domnívá, že: rychlost větru v části místnosti s jednosměrným prouděním je nízká a turbulentní čistá místnost má doporučenou hodnotu s dostatečným bezpečnostním faktorem. Vertikální jednosměrné proudění ≥ 0,25 m/s, horizontální jednosměrné proudění ≥ 0,35 m/s. Přestože lze požadavky na čistotu splnit při testování v prázdném nebo statickém stavu, schopnost odpuzovat znečištění je nízká. Jakmile se místnost dostane do provozního stavu, čistota nemusí splňovat požadavky. Tento typ příkladu není ojedinělý případ. Zároveň v řadách ventilátorů v mé zemi neexistují žádné ventilátory vhodné pro čisticí systémy. Konstruktéři obecně často neprovádějí přesné výpočty odporu vzduchu systému nebo si nevšimnou, zda se vybraný ventilátor nachází v příznivějším pracovním bodě na charakteristické křivce, což má za následek, že objem vzduchu nebo rychlost větru nedosáhnou návrhové hodnoty krátce po uvedení systému do provozu. Americká federální norma (FS209A~B) stanoví, že rychlost proudění vzduchu v jednosměrné čisté místnosti průřezem čisté místnosti se obvykle udržuje na 90 stop/min (0,45 m/s) a nerovnoměrnost rychlosti je v rozmezí ±20 % za podmínky, že v celé místnosti nedochází k rušení. Jakékoli významné snížení rychlosti proudění vzduchu zvyšuje pravděpodobnost doby samočištění a znečištění mezi pracovními polohami (po vydání normy FS209C v říjnu 1987 nebyly vydány žádné předpisy pro všechny ukazatele parametrů kromě koncentrace prachu).
Z tohoto důvodu se autor domnívá, že je vhodné odpovídajícím způsobem zvýšit současnou návrhovou hodnotu rychlosti jednosměrného proudění v domácnostech. Naše jednotka to v reálných projektech udělala a efekt je relativně dobrý. Turbulentní čisté prostory mají doporučenou hodnotu s relativně dostatečným bezpečnostním faktorem, ale mnoho projektantů si stále není jistých. Při vytváření konkrétních návrhů zvyšují objem ventilace pro čisté prostory třídy 100 000 na 20–25krát/h, pro čisté prostory třídy 10 000 na 30–40krát/h a pro čisté prostory třídy 1000 na 60–70krát/h. To nejen zvyšuje kapacitu zařízení a počáteční investici, ale také zvyšuje budoucí náklady na údržbu a správu. Ve skutečnosti to není nutné. Při sestavování technických opatření pro čištění vzduchu v mé zemi bylo v Číně zkoumáno a měřeno více než čisté prostory třídy 100. Mnoho čistých prostor bylo testováno za dynamických podmínek. Výsledky ukázaly, že objemy větrání pro čisté místnosti třídy 100 000 ≥10krát/h, třídy 10 000 ≥20krát/h a třídy 1000 ≥50krát/h mohou splňovat požadavky. Americká federální norma (FS2O9A~B) stanoví: u nejednosměrných čistých místností (třída 100 000, třída 10 000) s výškou místnosti 8~12 stop (2,44~3,66 m) se obvykle předpokládá, že celá místnost je větrána alespoň jednou za 3 minuty (tj. 20krát/h). Proto konstrukční specifikace zohlednila velký koeficient přebytku a projektant může bezpečně volit podle doporučené hodnoty objemu větrání.
4. Rozdíl statického tlaku
Udržování určitého přetlaku v čisté místnosti je jednou ze základních podmínek pro zajištění toho, aby čistá místnost nebyla znečištěna nebo byla méně znečištěna, aby se udržela navržená úroveň čistoty. I v případě čistých místností s podtlakem musí být k nim přilehlé místnosti nebo apartmány s úrovní čistoty alespoň pro udržení určitého přetlaku, aby bylo možné udržet čistotu čisté místnosti s podtlakem.
Hodnota pozitivního tlaku v čisté místnosti se vztahuje k hodnotě, kdy je vnitřní statický tlak vyšší než venkovní statický tlak, když jsou všechny dveře a okna zavřené. Toho se dosahuje tak, že objem přiváděného vzduchu do čisticího systému je větší než objem vratného a objem odpadního vzduchu. Aby se zajistila hodnota pozitivního tlaku v čisté místnosti, je vhodné vzájemně zapojit přívodní, vratný a odsávací ventilátory. Po zapnutí systému se nejprve spustí přívodní ventilátor a poté se spustí vratný a odsávací ventilátor; po vypnutí systému se nejprve vypne odsávací ventilátor a poté se vypnou vratný a odsávací ventilátory, aby se zabránilo kontaminaci čisté místnosti při zapínání a vypínání systému.
Objem vzduchu potřebný k udržení přetlaku v čistém prostoru je určen především vzduchotěsností údržbové konstrukce. V počátcích výstavby čistých prostor v mé zemi bylo kvůli špatné vzduchotěsnosti krytu nutné 2 až 6krát za hodinu dodávat vzduch k udržení přetlaku ≥ 5 Pa; v současné době se vzduchotěsnost údržbové konstrukce výrazně zlepšila a k udržení stejného přetlaku je potřeba pouze 1 až 2krát za hodinu dodávat vzduch; a k udržení tlaku ≥ 10 Pa je potřeba pouze 2 až 3krát za hodinu dodávat vzduch.
Konstrukční specifikace mé země [6] stanoví, že rozdíl statického tlaku mezi čistými prostory různých stupňů čistoty a mezi čistými a nečistými oblastmi by neměl být menší než 0,5 mm H2O (~5 Pa) a rozdíl statického tlaku mezi čistou oblastí a venkovním prostředím by neměl být menší než 1,0 mm H2O (~10 Pa). Autor se domnívá, že tato hodnota se jeví jako příliš nízká ze tří důvodů:
(1) Přetlak se vztahuje k schopnosti čistého prostoru potlačit znečištění vnitřního ovzduší mezerami mezi dveřmi a okny nebo minimalizovat znečišťující látky, které pronikají do místnosti při krátkodobém otevření dveří a oken. Velikost přetlaku udává sílu schopnosti potlačovat znečištění. Čím větší je přetlak, tím lépe (o tom bude řeč později).
(2) Objem vzduchu potřebný pro přetlak je omezený. Objem vzduchu potřebný pro přetlak 5 Pa a přetlak 10 Pa se liší pouze přibližně 1krát za hodinu. Proč to neudělat? Je zřejmé, že je lepší vzít spodní hranici přetlaku 10 Pa.
(3) Americká federální norma (FS209A~B) stanoví, že pokud jsou všechny vchody a východy uzavřeny, minimální rozdíl přetlaku mezi čistou místností a jakoukoli sousední oblastí s nízkým stupněm čistoty je 0,05 palce vodního sloupce (12,5 Pa). Tuto hodnotu přijalo mnoho zemí. Hodnota přetlaku v čisté místnosti však neplatí, že čím vyšší, tím lepší. Podle skutečných technických testů naší jednotky, které probíhají již více než 30 let, je obtížné otevřít dveře při hodnotě přetlaku ≥ 30 Pa. Pokud dveře zavřete neopatrně, ozve se rána! Lidé se budou děsit. Pokud je hodnota přetlaku ≥ 50~70 Pa, mezery mezi dveřmi a okny budou pískat a slabí nebo osoby s nevhodnými příznaky se budou cítit nepříjemně. Příslušné specifikace nebo normy mnoha zemí v tuzemsku i zahraničí však nespecifikují horní hranici přetlaku. V důsledku toho se mnoho jednotek snaží splnit pouze požadavky na spodní hranici, bez ohledu na to, jak velká je horní hranice. V reálném čistém prostoru, se kterým se autor setkal, dosahovala hodnota přetlaku až 100 Pa nebo více, což mělo za následek velmi negativní účinky. Nastavení přetlaku není ve skutečnosti obtížné. Je zcela možné jej regulovat v určitém rozsahu. Existuje dokument, který uvádí, že určitá země ve východní Evropě stanoví hodnotu přetlaku na 1–3 mm H2O (přibližně 10~30 Pa). Autor se domnívá, že tento rozsah je vhodnější.
Čas zveřejnění: 13. února 2025