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          凈化工程原理及等級參數

          凈化工程原理及等級參數

            在一定空間范圍內,將空氣中的微粒子、有害空氣、細菌等污染物排除,并將室內溫度、潔凈度、壓力、氣流速度與氣流分布、噪音振動及照明、靜電控制在某一需求范圍內的工程學科。凈化工程所特別設計的房間,不論外在空氣條件如何變化,室內均具有維持原先所設定要求之潔凈度、溫濕度及壓力等性能。
            1.原理
            亂流潔凈室
            亂流潔凈室的主要特點是從來流到出流(從送風口到回風口)之間氣流的流通截面是變化的,潔凈室截面比送風口截面大得多,因而不能在全室截面或者在全室工作區截面形成勻速氣流。所以,送風口以后的流線彼此有很大或者越來越大的夾角,曲率半徑很小,氣流在室內不可能以單一方向流動,將會彼此撞擊,將有回流、旋渦產生。這就決定亂流潔凈室的流態實質是:突變流;非均勻流。
            這比用紊流來描述亂流潔凈室更確切、更全面。紊流主要決定于雷諾數,也就是主要受流速的影響,但是如果采用一個高效過濾器頂送的送風形式,則即使流速極低,也要產生上述各種結果,這就因為它是一個突變流和非均勻流。因此這種情況下不僅有流層之間因紊流流動而發生的摻混,而且還有全室范圍內的大的回流、旋渦所發生的摻混。
            所以,概括地說,亂流潔凈室的作用原理是:當一股干凈氣流從送風口送入室內時,迅速向四周擴散、混合,同時把差不多同樣數量的氣流從回風口排走,這股干凈氣流稀釋著室內污染的空氣,把原來含塵濃度很高的室內空氣沖淡了,一直達到平衡。所以氣流擴散得越快,越均勻,稀釋的技果就越好。
            單向流潔凈室
            單向流潔凈室一般有兩種類型,即水平流和垂直流。在水平流系統中,氣流是從一面墻流向另一面墻。在垂直流系統中,氣流是從吊頂流向地面。對要求潔凈室的懸浮粒子濃度或微生物濃度更低的場合,就使用單向氣流。以前稱這類潔凈室為“層流”潔凈室。單向流和層流的名稱均說明了其氣流的狀況:氣流以一個方向流動(或是垂直的或是水平的),并以一般是0.3米/秒至0.5米/秒(60英尺/分鐘至100英尺/分鐘)的均速流過整個空間。圖1是典型的垂直流潔凈室的剖面圖。從圖中可以看出,由滿布潔凈室吊頂的高效過濾器向室內送風。氣流有如一個空氣活塞,向下流經室內,帶走污染物,然后從地面排出。又在與外部的一些新鮮空氣混合后,再循環至高效過濾器。人員和工藝所產生的懸浮污染可立即被這種空氣清除掉,而紊流通風系統采用的是混合與稀釋原理。在一間沒有任何障礙物的空房間,單向流用比前面提到的低得多的風速,就可以很快將污染物清除。但在一個操作間,機器以及機器周圍走動的人員,會對氣流形成障礙。障礙物可以使單向流變成紊流,從而在障礙物周圍形成氣流團。人員的活動也可以使單向流變成紊流。在這些紊流中,由于風速較低,空氣稀釋程度較小,從而使得污染濃度較高。因此,必須將風速保持在0.3米/秒至0.5米/秒(60英尺/分鐘至100英尺/分鐘)的范圍里,以便使中斷的單向流能快速恢復,充分稀釋障礙物周圍紊流區的污染。用風速可以正確地表示出單向流,因為風速越高室內就越潔凈。而每小時換氣次數與房間的體積有關,如吊頂的高低,因此不適合用來表示單向流。單向流室內的送風量是紊流室的很多倍(10到100倍)。所以這樣的潔凈室的建造和運行費用要高得多。
            2.控制
            潔凈室中的溫濕度控制
            潔凈空間的溫濕度主要是根據工藝要求來確定,但在滿足工藝要求的條件下,應考慮到人的舒適度感。隨著空氣潔凈度要求的提高,出現了工藝對溫濕度的要求也越來越嚴的趨勢。
            具體工藝對溫度的要求以后還要列舉,但作為總的原則看,由于加工精度越來越精細,所以對溫度波動范圍的要求越來越小。例如在大規模集成電路生產的光刻曝光工藝中,作為掩膜板材料的玻璃與硅片的熱膨脹系數的差要求越來越小。直徑100um的硅片,溫度上升1度,就引起了0.24um線性膨脹,所以必須有±0.1度的恒溫,同時要求濕度值一般較低,因為人出汗以后,對產品將有污染,特別是怕鈉的半導體車間,這種車間不宜超過25度。
            濕度過高產生的問題更多。相對濕度超過55%時,冷卻水管壁上會結露,如果發生在精密裝置或電路中,就會引起各種事故。相對濕度在50%時易生銹。此外,濕度太高時將通過空氣中的水分子把硅片表面粘著的灰塵化學吸附在表面耐難以清除。相對濕度越高,粘附的難去掉,但當相對濕度低于30%時,又由于靜電力的作用使粒子也容易吸附于表面,同時大量半導體器件容易發生擊穿。對于硅片生產最佳溫度范圍為35—45%。
            氣壓規定
            對于大部分潔凈空間,為了防止外界污染侵入,需要保持內部的壓力(靜壓)高于外部的壓力(靜壓)。壓力差的維持一般應符合以下原則:
            1.潔凈空間的壓力要高于非潔凈空間的壓力。
            2.潔凈度級別高的空間的壓力要高于相鄰的潔凈度級別低的空間的壓力。
            3.相通潔凈室之間的門要開向潔凈度級別高的房間。
            壓力差的維持依靠新風量,這個新風量要能補償在這一壓力差下從縫隙漏泄掉的風量。所以壓力差的物理意義就是漏泄(或滲透)風量通過潔凈室的各種縫隙時的阻力。
            潔凈室中的氣流速度規定
            這里要討論的氣流速度是指潔凈室內的氣流速度,在其他潔凈空間中的氣流速度在討論具體設備時再說明。
            對于亂流潔凈室由于主主要靠空氣的稀釋作用來減輕室內污染的程度,所以主要用換氣次數這一概念,而不直接用速度的概念,不過對室內氣流速度也有如下要求;
            (1)送風口出口氣流速度不宜太大,和單純空調房間相比,要求速度衰減更快,擴散角度更大。
            (2)吹過水平面的氣流速度(例如側送時回流速度)不宜太大,以免吹起表面微粒重返氣流,而造成再污染,這一速度一般不宜大干0.2m/s。
            對于平行流潔凈室《習慣上稱層流潔凈室),由于主要靠氣流的“活塞打擠壓作用排除行染,所以截面上的速度就是非常重要的指標。過去都參考美國20gB標準,采用0.45m/s.但人們也都了解到這樣大速度所需要的通風量是極大的,為了節能,也都在探求降低速一風速的可行性。
            在我國,《空氣潔凈技術措施》和<潔凈廠房設計規范))都是這樣規定的
            垂直平行流(層流)潔凈室≥0.25m/s
            水平平行流(層流)潔凈室≥0.35m/s
            研究表明以上規定基本上滿足控制污染的要求,但認為應區別不同情況分出不同的檔別,更能體現節能的目的。
            噪聲控制
            潔凈室噪聲標準一般均嚴于保護健康的標準,目的在于保障操作正常進行,滿足必要的談話聯系及安全舒適的工作環境。因此衡量潔凈室的噪聲主要指標是:
            1.煩惱的效應
            由于噪聲,使人感到不安寧而產生煩惱情緒,一般分為極安靜、很安靜、較安靜、稍嫌吵鬧,比較吵鬧和極吵鬧7個煩惱等級。凡反應水平屬于很吵鬧和極吵鬧者,即為高煩惱,高煩惱人數在總人數中的百分比即為高煩惱率。
            2.對工作效率的影響
            這主要看三方面的反應水平,這三個方面是:集中精神,動作準確性,工作速度;
            3.對綜合通訊的干擾
            這主要分為:清楚或滿意,稍困難,困難,不可能
            對以上三方面指標都用A聲級來評價。在50年代曾提出用一條頻譜曲線作為評價標準即各頻帶中心頻率的聲壓級不得超過該曲線。后來了解到刷A等級來計量噪聲與噪聲的語音干擾和煩惱程度更為臺適,可以代替倍頻帶聲壓級作為評價標準的指標。
            根據中國建筑科學研究院建筑物理研究所1981年為編制《潔凈廠房設計規范》而進行的測定資料,在65dB(A)以下時,只有30%的人感到高煩惱。在65—70dB(A)時,其影響對工作效率的三方面反應表現出較低水平;在60dB(A)以下說話清楚滿意.60~75dB(A)時有一定困難,犬于75dB很困難。因此認為潔凈室噪聲水平以65d)為宜,此時可使高煩惱率小于30%;保證一般通話;對工作效率影響很小。
            照明控制
            由于潔凈室內的工作內容大都有精細的要求,而且又都是密閉性房屋,所以對照明一向有很高的要求。這里有必要先說明一下無窗潔凈室的照明方式:
            (1)一般照明
            它指不考慮特殊的局部需要,為照亮整個被照面積而設置的照明。
            (2)局部照明
            這是指為增加某一指定地點(如工作點)的照度而設置的照明。但在室內照明由一般不單獨使用局部照明。
            (3)混合照明
            這是指工作面上的照度由一般照明和局部照明合成的照明,其中一般照明的照度按《潔凈廠房設計規范》應占總照度的10%—15%,但不低干150LX。單位被照面積上接受的光通量即是照明單位勒克斯(LX)。
            國外潔凈室的強度要求極高,例如美國關于潔凈室的幾個標準的要求是.
            100級:1080-16001x
            10000級:>lOOOlx
            100000級:>1000LX
            人工光300lx有較好的效果,當工件精細程度更高時,500x也是允許的。對于要紅燈照明的地方,如電子行業的光刻車間,其照度一般為25—501x),
            用天然光時可允許更高的照度,因而對工作是有利的,所以今后潔凈室的照明既采用人工光也采用天然光可能是有前途的,這也是為了節能而出現的一種動向。
            防靜電
            潔凈室中由于靜電引起的的事故屢有發生,因此潔凈室的防靜電能力如何已成為評價其質量的一個不可忽視的方面。
            所謂靜電,是由于摩擦等原因破壞了物體中正(+)負<一)電荷等量的均勻的電中性狀態,而使電荷過剩,物體呈帶電狀態,由于這些電荷平時是不流動的,故稱靜電。
            在潔凈室內靜電導致的事故有以下幾方面;
            1.靜電電引起的靜電電擊,引起人的不安全和恐懼感,并可造成二次傷害(例如人因受電擊而摔倒,由摔倒又致傷);
            2.靜電放電引起的放電電流,可導致諸如半導體元件等破壞和誤動作,例如將50塊P-MOS電路放在塑料袋內,搖晃數次后,與非門柵極嚴重擊穿者計39塊,失效率競達78%,這是因為半導體器件對靜電放電十分靈敏;
            3.靜電放電產生的電磁波可導致電子儀器和裝置的雜音和誤動作;
            4.靜電放電的發光可導致照相肢片等感光破壞;
            5.靜電的力學現象可導致篩孔被粉塵堵塞,紡紗線紛亂,印刷品深淺不均和制品污染;
            6.靜電放電引起的最危險的災害是成為可燃物的火源井引起爆炸,例如國外文獻統計,在手術室使用爆炸性麻醉劑的86000次中,爆炸的36次,其中由靜電引起的達21次;
            靜電事故的產生主要在于靜電的產生和積累,而氣流的流動,氣流和管道、風口、過濾器等摩擦,人體和衣服的摩擦,衣服之間的摩擦,工藝上的研磨,噴涂、射流、洗滌、攪拌、粘合和剝離等操作,所有選些都可能產生靜電,在一般情況下,越是電導率小的非導體(絕緣體),由于電荷產生后不易流動,因此表現為越容易帶電。
            靜電問題所以在潔凈室中特別嚴重,是因為不但在潔凈室中具備前述產生靜電的多種工藝因素,而且因為潔凈室中的許多材料如塑料地面、墻面,尼龍、的確良等工作服都有很高的電阻率,都極易產生靜電和集聚靜電,在潔凈室的靜電災害未被重視以前,這些材料料是被廣泛采用的。
            3.作用
            控制產品(如硅芯片等)所接觸之大氣的潔凈度及溫濕度,使產品能在一個良好之環境空間中生產、制造。此空間的設計施工過程即可稱為凈化工程。
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