Základná analýza čistých priestorov

Úvod

Čistá miestnosť je základom kontroly znečistenia. Bez čistej miestnosti nie je možné hromadne vyrábať diely citlivé na znečistenie. V norme FED-STD-2 je čistá miestnosť definovaná ako miestnosť s filtráciou, distribúciou, optimalizáciou, stavebnými materiálmi a zariadeniami vzduchu, v ktorej sa používajú špecifické bežné prevádzkové postupy na kontrolu koncentrácie častíc vo vzduchu s cieľom dosiahnuť vhodnú úroveň čistoty častíc.

Aby sa dosiahol dobrý efekt čistoty v čistých priestoroch, je potrebné nielen zamerať sa na prijatie primeraných opatrení na čistenie klimatizácie, ale aj vyžadovať, aby procesné, stavebné a iné špecializácie prijali zodpovedajúce opatrenia: nielen primeraný návrh, ale aj starostlivú konštrukciu a inštaláciu v súlade so špecifikáciami, ako aj správne používanie čistých priestorov a vedeckú údržbu a riadenie. Aby sa dosiahol dobrý efekt v čistých priestoroch, bolo z rôznych perspektív vysvetlených mnoho domácich aj zahraničných prác. V skutočnosti je ťažké dosiahnuť ideálnu koordináciu medzi rôznymi špecializáciami a pre projektantov je ťažké pochopiť kvalitu konštrukcie a inštalácie, ako aj používanie a riadenie, najmä to posledné. Pokiaľ ide o opatrenia na čistenie čistých priestorov, mnohí projektanti alebo dokonca stavebné firmy často nevenujú dostatočnú pozornosť ich potrebným podmienkam, čo vedie k neuspokojivému efektu čistoty. Tento článok len stručne rozoberá štyri potrebné podmienky na dosiahnutie požiadaviek na čistotu pri opatreniach na čistenie čistých priestorov.

1. Čistota prívodu vzduchu

Aby sa zabezpečilo, že čistota privádzaného vzduchu spĺňa požiadavky, kľúčom je výkon a inštalácia koncového filtra čistiaceho systému.

Výber filtra

Konečný filter čistiaceho systému sa vo všeobecnosti používa na filtrovanie hepa alebo sub-hepa filtrov. Podľa noriem našej krajiny sa účinnosť hepa filtrov delí na štyri stupne: trieda A je ≥99,9 %, trieda B je ≥99,9 %, trieda C je ≥99,999 %, trieda D je (pre častice ≥0,1 μm) ≥99,999 % (tiež známe ako ultra-hepa filtre); sub-hepa filtre sú (pre častice ≥0,5 μm) 95 ~ 99,9 %. Čím vyššia je účinnosť, tým drahší je filter. Preto by sme pri výbere filtra mali nielen spĺňať požiadavky na čistotu privádzaného vzduchu, ale zvážiť aj ekonomickú racionalitu.

Z hľadiska požiadaviek na čistotu je princípom používať nízkoúčinné filtre pre čisté priestory s nízkou úrovňou čistoty a vysokoúčinné filtre pre čisté priestory s vysokou úrovňou čistoty. Vo všeobecnosti: vysokoúčinné a stredneúčinné filtre možno použiť pre úroveň 1 milión; sub-hepa alebo hepa filtre triedy A možno použiť pre úrovne pod triedou 10 000; filtre triedy B možno použiť pre úrovne 10 000 až 100; a filtre triedy C možno použiť pre úrovne 100 až 1. Zdá sa, že pre každú úroveň čistoty existujú dva typy filtrov. Či si vybrať vysokoúčinné alebo nízkoúčinné filtre, závisí od konkrétnej situácie: ak je znečistenie životného prostredia vážne, alebo je pomer vnútorných výfukových plynov vysoký, alebo je čistá miestnosť obzvlášť dôležitá a vyžaduje si vyšší bezpečnostný faktor, v týchto alebo jednom z týchto prípadov by sa mal zvoliť vysokoúčinný filter; v opačnom prípade by sa mal zvoliť nízkoúčinný filter. Pre čisté priestory, ktoré vyžadujú kontrolu častíc s veľkosťou 0,1 μm, by sa mali zvoliť filtre triedy D bez ohľadu na kontrolovanú koncentráciu častíc. Vyššie uvedené je len z pohľadu filtra. V skutočnosti, aby ste si vybrali dobrý filter, musíte plne zvážiť aj vlastnosti čistej miestnosti, filtra a čistiaceho systému.

Inštalácia filtra

Na zabezpečenie čistoty privádzaného vzduchu nestačí mať len kvalifikované filtre, ale aj zabezpečiť: a. aby sa filter počas prepravy a inštalácie nepoškodil; b. aby bola inštalácia tesná. Na dosiahnutie prvého bodu musí byť stavebný a montážny personál dobre vyškolený, so znalosťami inštalácie čistiacich systémov a so zručnosťami v oblasti inštalácie. V opačnom prípade bude ťažké zabezpečiť, aby sa filter nepoškodil. V tomto smere existujú dôležité ponaučenia. Po druhé, problém tesnosti inštalácie závisí najmä od kvality inštalačnej konštrukcie. Projektová príručka vo všeobecnosti odporúča: pre jeden filter sa používa otvorená inštalácia, aby sa aj v prípade úniku neunikal do miestnosti; pri použití hotového HEPA výstupu vzduchu je tesnosť tiež jednoduchšie zabezpečiť. Pre vzduch z viacerých filtrov sa v posledných rokoch často používa gélové tesnenie a tesnenie s podtlakovým filtrom.

Gélové tesnenie musí zabezpečiť, aby spoj nádrže na kvapalinu bol tesný a aby celý rám bol v rovnakej horizontálnej rovine. Tesnenie proti podtlaku slúži na to, aby sa vonkajší obvod spoja medzi filtrom, statickou tlakovou skrinkou a rámom udržiaval v podtlakovom stave. Rovnako ako pri otvorenej inštalácii, aj keď dôjde k úniku, do miestnosti neunikne. V skutočnosti, pokiaľ je inštalačný rám plochý a čelná plocha filtra je v rovnomernom kontakte s inštalačným rámom, malo by byť ľahké zabezpečiť, aby filter spĺňal požiadavky na tesnosť inštalácie pri akomkoľvek type inštalácie.

2. Organizácia prúdenia vzduchu

Organizácia prúdenia vzduchu v čistej miestnosti sa líši od organizácie v klimatizovanej miestnosti. Vyžaduje si, aby bol do prevádzkového priestoru najprv dodávaný najčistejší vzduch. Jej funkciou je obmedziť a znížiť znečistenie spracovávaných predmetov. Pri navrhovaní organizácie prúdenia vzduchu by sa preto mali zvážiť nasledujúce zásady: minimalizovať vírivé prúdy, aby sa zabránilo vnášaniu znečistenia zvonku pracovného priestoru do pracovného priestoru; snažiť sa zabrániť lietaniu sekundárneho prachu, aby sa znížila pravdepodobnosť kontaminácie obrobku prachom; prúdenie vzduchu v pracovnom priestore by malo byť čo najrovnomernejšie a jeho rýchlosť by mala spĺňať procesné a hygienické požiadavky. Keď prúdenie vzduchu prúdi do výstupu spätného vzduchu, prach vo vzduchu by mal byť účinne odvádzaný. Zvoľte rôzne režimy prívodu a spätného vzduchu podľa rôznych požiadaviek na čistotu.

Rôzne organizácie pre prúdenie vzduchu majú svoje vlastné charakteristiky a rozsahy:

(1). Vertikálny jednosmerný tok

Okrem bežných výhod dosiahnutia rovnomerného prúdenia vzduchu smerom nadol, uľahčenia usporiadania procesných zariadení, silnej samočistiacej schopnosti a zjednodušenia bežných zariadení, ako sú osobné čistiarne vzduchu, majú štyri metódy prívodu vzduchu aj svoje výhody a nevýhody: plne zakryté HEPA filtre majú výhody nízkeho odporu a dlhého cyklu výmeny filtra, ale stropná konštrukcia je zložitá a náklady sú vysoké; výhody a nevýhody bočného zakrytia horného prívodu HEPA filtra a horného prívodu s plným otvorom sú opačné ako pri plne zakrytom hornom prívode HEPA filtra. Medzi nimi je horný prívod s plným otvorom spôsobený ľahkým hromadením prachu na vnútornom povrchu clonovej dosky, keď systém nie je nepretržite v prevádzke, a zlá údržba má určitý vplyv na čistotu; hustý horný prívod difúzora vyžaduje miešaciu vrstvu, takže je vhodný iba pre vysoké čisté miestnosti nad 4 m a jeho vlastnosti sú podobné hornému prívodu s plným otvorom; metóda spätného vzduchu pre dosku s mriežkami na oboch stranách a výstupmi spätného vzduchu rovnomerne rozmiestnenými v spodnej časti protiľahlých stien je vhodná iba pre čisté miestnosti s rozostupom menším ako 6 m na oboch stranách; Vývody spätného vzduchu umiestnené v spodnej časti jednostrannej steny sú vhodné len pre čisté miestnosti s malou vzdialenosťou medzi stenami (napríklad ≤ < 2 ~ 3 m).

(2). Horizontálny jednosmerný tok

Iba prvá pracovná oblasť môže dosiahnuť úroveň čistoty 100. Keď vzduch prúdi na druhú stranu, koncentrácia prachu sa postupne zvyšuje. Preto je vhodný len pre čisté miestnosti s rôznymi požiadavkami na čistotu pre rovnaký proces v tej istej miestnosti. Lokálne rozmiestnenie HEPA filtrov na stene prívodu vzduchu môže znížiť používanie HEPA filtrov a ušetriť počiatočné investície, ale v lokálnych oblastiach sa vyskytujú víry.

(3). Turbulentné prúdenie vzduchu

Charakteristiky horného prívodu vzduchu u clonových otvorov a horného prívodu vzduchu u hustých difúzorov sú rovnaké ako tie, ktoré sú uvedené vyššie: výhody bočného prívodu vzduchu sú jednoduché usporiadanie potrubí, nie je potrebná žiadna technická medzivrstva, nízke náklady a priaznivé pre renováciu starých tovární. Nevýhody sú, že rýchlosť vetra v pracovnej oblasti je vysoká a koncentrácia prachu na strane po vetre je vyššia ako na strane proti vetru; horný prívod vzduchu u výstupov HEPA filtra má výhody jednoduchého systému, žiadne potrubia za HEPA filtrom a čistý prúd vzduchu je priamo privádzaný do pracovnej oblasti, ale čistý prúd vzduchu sa šíri pomalšie a prúdenie vzduchu v pracovnej oblasti je rovnomernejšie; ak je však viacero výstupov vzduchu rovnomerne usporiadaných alebo sa použijú výstupy vzduchu s HEPA filtrom s difúzormi, prúdenie vzduchu v pracovnej oblasti môže byť tiež rovnomernejšie; ak však systém nefunguje nepretržite, difúzor je náchylný na hromadenie prachu.

Vyššie uvedená diskusia je v ideálnom stave a odporúča sa príslušnými národnými špecifikáciami, normami alebo projektovými manuálmi. V skutočných projektoch nie je organizácia prúdenia vzduchu dobre navrhnutá z objektívnych podmienok alebo subjektívnych dôvodov projektanta. Medzi bežné patria: vertikálne jednosmerné prúdenie využíva spätný vzduch zo spodnej časti dvoch susedných stien, lokálna trieda 100 využíva horný prívod a horný návrat (to znamená, že pod lokálny výstup vzduchu nie je pridaná žiadna závesná clona) a turbulentné čisté miestnosti využívajú horný prívod vzduchu s HEPA filtrom a horný návrat alebo jednostranný dolný návrat (väčšie rozostupy medzi stenami) atď. Tieto metódy organizácie prúdenia vzduchu boli merané a väčšina ich čistoty nespĺňa projektové požiadavky. Vzhľadom na súčasné špecifikácie pre prázdne alebo statické prijatie niektoré z týchto čistých miestností sotva dosahujú navrhovanú úroveň čistoty v prázdnych alebo statických podmienkach, ale schopnosť rušenia znečistenia je veľmi nízka a akonáhle čistá miestnosť vstúpi do prevádzkového stavu, nespĺňa požiadavky.

Správna organizácia prúdenia vzduchu by mala byť nastavená so závesmi visiacimi do výšky pracovnej plochy v lokálnej oblasti a trieda 100 000 by nemala používať horné nasávanie a horné spätné prúdenie. Okrem toho väčšina tovární v súčasnosti vyrába vysokoúčinné výstupy vzduchu s difúzormi a ich difúzory sú len dekoratívne clony a nehrajú úlohu rozptyľovania prúdenia vzduchu. Projektanti a používatelia by mali venovať osobitnú pozornosť tejto skutočnosti.

3. Objem privádzaného vzduchu alebo rýchlosť vzduchu

Dostatočný objem vetrania slúži na zriedenie a odstránenie znečisteného vzduchu z interiéru. V závislosti od rôznych požiadaviek na čistotu, ak je čistá výška čistej miestnosti vysoká, mala by sa frekvencia vetrania primerane zvýšiť. Napríklad objem vetrania čistej miestnosti s úrovňou 1 milión sa považuje za vysokoúčinný systém čistenia a zvyšok sa považuje za vysokoúčinný systém čistenia. Ak sú hepa filtre triedy 100 000 sústredené v strojovni alebo sa na konci systému používajú sub-hepa filtre, frekvencia vetrania sa môže primerane zvýšiť o 10 – 20 %.

Pre vyššie uvedené odporúčané hodnoty objemu vetrania sa autor domnieva, že: rýchlosť vetra v časti miestnosti s jednosmerným prúdením čistej miestnosti je nízka a turbulentná čistá miestnosť má odporúčanú hodnotu s dostatočným bezpečnostným faktorom. Vertikálne jednosmerné prúdenie ≥ 0,25 m/s, horizontálne jednosmerné prúdenie ≥ 0,35 m/s. Hoci požiadavky na čistotu je možné splniť pri testovaní v prázdnych alebo statických podmienkach, schopnosť odpudzovať znečistenie je slabá. Po uvedení miestnosti do prevádzkového stavu nemusí čistota spĺňať požiadavky. Tento typ príkladu nie je ojedinelý. Zároveň v sérii ventilátorov v mojej krajine neexistujú žiadne ventilátory vhodné pre čistiace systémy. Vo všeobecnosti konštruktéri často nerobia presné výpočty odporu vzduchu systému alebo si nevšimnú, či sa vybraný ventilátor nachádza v priaznivejšom pracovnom bode na charakteristickej krivke, čo má za následok, že objem vzduchu alebo rýchlosť vetra nedosiahnu projektovanú hodnotu krátko po uvedení systému do prevádzky. Americká federálna norma (FS209A~B) stanovuje, že rýchlosť prúdenia vzduchu v jednosmernej čistej miestnosti cez prierez čistej miestnosti sa zvyčajne udržiava na hodnote 90 stôp/min (0,45 m/s) a nerovnomernosť rýchlosti je v rozmedzí ±20 % za podmienky, že v celej miestnosti nedochádza k rušeniu. Akékoľvek významné zníženie rýchlosti prúdenia vzduchu zvýši pravdepodobnosť samočistenia a znečistenia medzi pracovnými polohami (po vydaní normy FS209C v októbri 1987 neboli vydané žiadne predpisy pre všetky ukazovatele parametrov okrem koncentrácie prachu).

Z tohto dôvodu sa autor domnieva, že je vhodné primerane zvýšiť súčasnú domácu projektovanú hodnotu jednosmernej rýchlosti prúdenia. Naša jednotka to urobila v reálnych projektoch a efekt je relatívne dobrý. Turbulentné čisté miestnosti majú odporúčanú hodnotu s relatívne dostatočným bezpečnostným faktorom, ale mnohí projektanti si stále nie sú istí. Pri vytváraní konkrétnych návrhov zvyšujú objem vetrania čistých miestností triedy 100 000 na 20 – 25-krát/h, čistých miestností triedy 10 000 na 30 – 40-krát/h a čistých miestností triedy 1 000 na 60 – 70-krát/h. To nielen zvyšuje kapacitu zariadenia a počiatočnú investíciu, ale tiež zvyšuje budúce náklady na údržbu a správu. V skutočnosti to nie je potrebné robiť. Pri zostavovaní technických opatrení na čistenie vzduchu v mojej krajine bolo v Číne skúmaných a meraných viac ako čistých miestností triedy 100. Mnohé čisté miestnosti boli testované za dynamických podmienok. Výsledky ukázali, že vetracie objemy čistých miestností triedy 100 000 ≥ 10-krát/h, čistých miestností triedy 10 000 ≥ 20-krát/h a čistých miestností triedy 1000 ≥ 50-krát/h môžu spĺňať požiadavky. Americká federálna norma (FS2O9A~B) stanovuje: čisté miestnosti s nejednosmerným prietokom (trieda 100 000, trieda 10 000) s výškou miestnosti 8~12 stôp (2,44~3,66 m) sa zvyčajne považujú za vetrané za celú miestnosť aspoň raz za 3 minúty (t. j. 20-krát/h). Preto sa v konštrukčnej špecifikácii zohľadnil veľký koeficient prebytku a projektant si môže bezpečne vybrať podľa odporúčanej hodnoty vetracieho objemu.

4. Rozdiel statického tlaku

Udržiavanie určitého pozitívneho tlaku v čistej miestnosti je jednou zo základných podmienok na zabezpečenie toho, aby čistá miestnosť nebola znečistená alebo aby bola menej znečistená, aby sa udržala navrhnutá úroveň čistoty. Aj v prípade čistých miestností s podtlakovým tlakom musia byť susediace miestnosti alebo apartmány s úrovňou čistoty nie nižšou ako je ich úroveň, aby sa udržal určitý pozitívny tlak, a aby sa mohla udržiavať čistota čistej miestnosti s podtlakovým tlakom.

Hodnota kladného tlaku v čistej miestnosti sa vzťahuje na hodnotu, pri ktorej je vnútorný statický tlak vyšší ako vonkajší statický tlak, keď sú všetky dvere a okná zatvorené. Dosahuje sa to tak, že objem privádzaného vzduchu do čistiaceho systému je väčší ako objem spätného vzduchu a objem odsávaného vzduchu. Aby sa zabezpečila hodnota kladného tlaku v čistej miestnosti, je vhodné prepojiť prívodné, spätné a odsávacie ventilátory. Keď je systém zapnutý, najprv sa spustí prívodný ventilátor a potom sa spustí spätný a odsávací ventilátor; keď je systém vypnutý, najprv sa vypne odsávací ventilátor a potom sa vypnú spätný a odsávací ventilátor, aby sa zabránilo kontaminácii čistej miestnosti pri zapínaní a vypínaní systému.

Objem vzduchu potrebný na udržanie pozitívneho tlaku v čistej miestnosti je určený najmä vzduchotesnosťou údržbárskej konštrukcie. V začiatkoch výstavby čistých miestností v mojej krajine bolo kvôli slabej vzduchotesnosti krytej konštrukcie potrebné 2 až 6-krát za hodinu prívodu vzduchu na udržanie pozitívneho tlaku ≥ 5 Pa; v súčasnosti sa vzduchotesnosť údržbárskej konštrukcie výrazne zlepšila a na udržanie rovnakého pozitívneho tlaku je potrebný iba 1 až 2-krát za hodinu prívodu vzduchu; a na udržanie ≥ 10 Pa je potrebný iba 2 až 3-krát za hodinu prívodu vzduchu.

Konštrukčné špecifikácie mojej krajiny [6] stanovujú, že rozdiel statického tlaku medzi čistými priestormi rôznych stupňov a medzi čistými a nečistými priestormi by nemal byť menší ako 0,5 mm H2O (~5 Pa) a rozdiel statického tlaku medzi čistým priestorom a vonkajším prostredím by nemal byť menší ako 1,0 mm H2O (~10 Pa). Autor sa domnieva, že táto hodnota sa zdá byť príliš nízka z troch dôvodov:

(1) Pozitívny tlak sa vzťahuje na schopnosť čistej miestnosti potlačiť znečistenie vnútorného ovzdušia cez medzery medzi dverami a oknami alebo minimalizovať znečisťujúce látky, ktoré prenikajú do miestnosti pri krátkom otvorení dverí a okien. Veľkosť pozitívneho tlaku udáva silu schopnosti potlačiť znečistenie. Samozrejme, čím väčší je pozitívny tlak, tým lepšie (o čom sa bude hovoriť neskôr).

(2) Objem vzduchu potrebný pre kladný tlak je obmedzený. Objem vzduchu potrebný pre kladný tlak 5 Pa a 10 Pa sa líši len približne 1-krát za hodinu. Prečo to neurobiť? Samozrejme, je lepšie zvoliť dolnú hranicu kladného tlaku 10 Pa.

(3) Americká federálna norma (FS209A~B) stanovuje, že keď sú všetky vchody a východy zatvorené, minimálny rozdiel pozitívneho tlaku medzi čistou miestnosťou a akoukoľvek susednou oblasťou s nízkou čistotou je 0,05 palca vodného stĺpca (12,5 Pa). Túto hodnotu prijalo mnoho krajín. Hodnota pozitívneho tlaku v čistej miestnosti však nie je čím vyššia, tým lepšia. Podľa skutočných technických testov našej jednotky počas viac ako 30 rokov je ťažké otvoriť dvere, keď je hodnota pozitívneho tlaku ≥ 30 Pa. Ak dvere zatvoríte neopatrne, ozve sa tresk! Ľudia sa budú báť. Keď je hodnota pozitívneho tlaku ≥ 50~70 Pa, medzery medzi dverami a oknami budú pískať a slabí alebo tí, ktorí majú nejaké nevhodné príznaky, sa budú cítiť nepríjemne. Príslušné špecifikácie alebo normy mnohých krajín doma aj v zahraničí však nešpecifikujú hornú hranicu pozitívneho tlaku. V dôsledku toho sa mnohé jednotky snažia splniť iba požiadavky dolnej hranice bez ohľadu na to, aká je horná hranica. V skutočnej čistej miestnosti, s ktorou sa autor stretol, bola hodnota pozitívneho tlaku až 100 Pa alebo viac, čo malo veľmi negatívne účinky. V skutočnosti nie je nastavenie pozitívneho tlaku zložité. Je úplne možné ho regulovať v určitom rozsahu. Existuje dokument, ktorý uvádza, že istá krajina vo východnej Európe stanovuje hodnotu pozitívneho tlaku na 1 – 3 mm H2O (približne 10 – 30 Pa). Autor sa domnieva, že tento rozsah je vhodnejší.