凈化工程原理及等級(jí)參數(shù)

來源：上海有盛凈化科技有限公司  發(fā)布時(shí)間：2015-07-16  點(diǎn)擊：

  在一定空間范圍內(nèi)，將空氣中的微粒子、有害空氣、細(xì)菌等污染物排除，并將室內(nèi)溫度、潔凈度、壓力、氣流速度與氣流分布、噪音振動(dòng)及照明、靜電控制在某一需求范圍內(nèi)的工程學(xué)科。凈化工程所特別設(shè)計(jì)的房間，不論外在空氣條件如何變化，室內(nèi)均具有維持原先所設(shè)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(diǎn)是從來流到出流（從送風(fēng)口到回風(fēng)口）之間氣流的流通截面是變化的，潔凈室截面比送風(fēng)口截面大得多，因而不能在全室截面或者在全室工作區(qū)截面形成勻速氣流。所以，送風(fēng)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(nèi)不可能以單一方向流動(dòng)，將會(huì)彼此撞擊，將有回流、旋渦產(chǎn)生。這就決定亂流潔凈室的流態(tài)實(shí)質(zhì)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(shù)，也就是主要受流速的影響，但是如果采用一個(gè)高效過濾器頂送的送風(fēng)形式，則即使流速極低，也要產(chǎn)生上述各種結(jié)果，這就因?yàn)樗且粋€(gè)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(dòng)而發(fā)生的摻混，而且還有全室范圍內(nèi)的大的回流、旋渦所發(fā)生的摻混。

所以，概括地說，亂流潔凈室的作用原理是：當(dāng)一股干凈氣流從送風(fēng)口送入室內(nèi)時(shí)，迅速向四周擴(kuò)散、混合，同時(shí)把差不多同樣數(shù)量的氣流從回風(fēng)口排走，這股干凈氣流稀釋著室內(nèi)污染的空氣，把原來含塵濃度很高的室內(nèi)空氣沖淡了，一直達(dá)到平衡。所以氣流擴(kuò)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(tǒng)中，氣流是從一面墻流向另一面墻。在垂直流系統(tǒng)中，氣流是從吊頂流向地面。對(duì)要求潔凈室的懸浮粒子濃度或微生物濃度更低的場(chǎng)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(gè)方向流動(dòng)（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(gè)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?shù)母咝н^濾器向室內(nèi)送風(fēng)。氣流有如一個(gè)空氣活塞，向下流經(jīng)室內(nèi)，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(huán)至高效過濾器。人員和工藝所產(chǎn)生的懸浮污染可立即被這種空氣清除掉，而紊流通風(fēng)系統(tǒng)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(fēng)速，就可以很快將污染物清除。但在一個(gè)操作間，機(jī)器以及機(jī)器周圍走動(dòng)的人員，會(huì)對(duì)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(tuán)。人員的活動(dòng)也可以使單向流變成紊流。在這些紊流中，由于風(fēng)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(fēng)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(fù)，充分稀釋障礙物周圍紊流區(qū)的污染。用風(fēng)速可以正確地表示出單向流，因?yàn)轱L(fēng)速越高室內(nèi)就越潔凈。而每小時(shí)換氣次數(shù)與房間的體積有關(guān)，如吊頂?shù)母叩?，因此不適合用來表示單向流。單向流室內(nèi)的送風(fēng)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(yùn)行費(fèi)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(jù)工藝要求來確定，但在滿足工藝要求的條件下，應(yīng)考慮到人的舒適度感。隨著空氣潔凈度要求的提高，出現(xiàn)了工藝對(duì)溫濕度的要求也越來越嚴(yán)的趨勢(shì)。

具體工藝對(duì)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(xì)，所以對(duì)溫度波動(dòng)范圍的要求越來越小。例如在大規(guī)模集成電路生產(chǎn)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(shù)的差要求越來越小。直徑100 um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(shí)要求濕度值一般較低，因?yàn)槿顺龊挂院?，?duì)產(chǎn)品將有污染，特別是怕鈉的半導(dǎo)體車間，這種車間不宜超過25度。

濕度過高產(chǎn)生的問題更多。相對(duì)濕度超過55%時(shí)，冷卻水管壁上會(huì)結(jié)露，如果發(fā)生在精密裝置或電路中，就會(huì)引起各種事故。相對(duì)濕度在50%時(shí)易生銹。此外，濕度太高時(shí)將通過空氣中的水分子把硅片表面粘著的灰塵化學(xué)吸附在表面耐難以清除。相對(duì)濕度越高,粘附的難去掉，但當(dāng)相對(duì)濕度低于30%時(shí)，又由于靜電力的作用使粒子也容易吸附于表面，同時(shí)大量半導(dǎo)體器件容易發(fā)生擊穿。對(duì)于硅片生產(chǎn)最佳溫度范圍為35—45%。

  氣壓規(guī)定

對(duì)于大部分潔凈空間，為了防止外界污染侵入，需要保持內(nèi)部的壓力（靜壓）高于外部的壓力（靜壓）。壓力差的維持一般應(yīng)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(jí)別高的空間的壓力要高于相鄰的潔凈度級(jí)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(jí)別高的房間。

壓力差的維持依靠新風(fēng)量，這個(gè)新風(fēng)量要能補(bǔ)償在這一壓力差下從縫隙漏泄掉的風(fēng)量。所以壓力差的物理意義就是漏泄（或滲透）風(fēng)量通過潔凈室的各種縫隙時(shí)的阻力。

潔凈室中的氣流速度規(guī)定

這里要討論的氣流速度是指潔凈室內(nèi)的氣流速度，在其他潔凈空間中的氣流速度在討論具體設(shè)備時(shí)再說明。

對(duì)于亂流潔凈室 由于主主要靠空氣的稀釋作用來減輕室內(nèi)污染的程度，所以主要用換氣次數(shù)這一概念，而不直接用速度的概念，不過對(duì)室內(nèi)氣流速度也有如下要求；

(1)送風(fēng)口出口氣流速度不宜太大，和單純空調(diào)房間相比，要求速度衰減更快，擴(kuò)散角度更大。

(2)吹過水平面的氣流速度（例如側(cè)送時(shí)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(duì)于平行流潔凈室《習(xí)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(biāo)。過去都參考美國(guó)20gB標(biāo)準(zhǔn)，采用0.45m/s．但人們也都了解到這樣大速度所需要的通風(fēng)量是極大的，為了節(jié)能，也都在探求降低速一風(fēng)速的可行性。

在我國(guó)，《空氣潔凈技術(shù)措施》和<潔凈廠房設(shè)計(jì)規(guī)范））都是這樣規(guī)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≥0.35 m/s

研究表明以上規(guī)定基本上滿足控制污染的要求，但認(rèn)為應(yīng)區(qū)別不同情況分出不同的檔別，更能體現(xiàn)節(jié)能的目的。

噪聲控制

潔凈室噪聲標(biāo)準(zhǔn)一般均嚴(yán)于保護(hù)健康的標(biāo)準(zhǔn)，目的在于保障操作正常進(jìn)行，滿足必要的談話聯(lián)系及安全舒適的工作環(huán)境。因此衡量潔凈室的噪聲主要指標(biāo)是：

1．煩惱的效應(yīng)

由于噪聲，使人感到不安寧而產(chǎn)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(gè)煩惱等級(jí)。凡反應(yīng)水平屬于很吵鬧和極吵鬧者，即為高煩惱，高煩惱人數(shù)在總?cè)藬?shù)中的百分比即為高煩惱率。

2．對(duì)工作效率的影響

這主要看三方面的反應(yīng)水平，這三個(gè)方面是：集中精神，動(dòng)作準(zhǔn)確性，工作速度；

3．對(duì)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(duì)以上三方面指標(biāo)都用A聲級(jí)來評(píng)價(jià)。在50年代曾提出用一條頻譜曲線作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)即各頻帶中心頻率的聲壓級(jí)不得超過該曲線。后來了解到刷A等級(jí)來計(jì)量噪聲與噪聲的語音干擾和煩惱程度更為臺(tái)適，可以代替倍頻帶聲壓級(jí)作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的指標(biāo)。

根據(jù)中國(guó)建筑科學(xué)研究院建筑物理研究所1981年為編制《潔凈廠房設(shè)計(jì)規(guī)范》而進(jìn)行的測(cè)定資料，在65dB(A)以下時(shí)，只有30%的人感到高煩惱。在65—70dB(A)時(shí)，其影響對(duì)工作效率的三方面反應(yīng)表現(xiàn)出較低水平；在60dB(A)以下說話清楚滿意．60～75dB(A)時(shí)有一定困難，犬于75dB很困難。因此認(rèn)為潔凈室噪聲水平以65d)為宜，此時(shí)可使高煩惱率小于30%；保證一般通話；對(duì)工作效率影響很小。

照明控制

由于潔凈室內(nèi)的工作內(nèi)容大都有精細(xì)的要求，而且又都是密閉性房屋，所以對(duì)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(gè)被照面積而設(shè)置的照明。

(2)局部照明

這是指為增加某一指定地點(diǎn)（如工作點(diǎn)）的照度而設(shè)置的照明。但在室內(nèi)照明由一般不單獨(dú)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(shè)計(jì)規(guī)范》應(yīng)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(guó)外潔凈室的強(qiáng)度要求極高，例如美國(guó)關(guān)于潔凈室的幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的要求是．

100級(jí): 1080-16001x

10000級(jí): >lOOOlx

100000級(jí): >1000LX

人工光300lx有較好的效果，當(dāng)工件精細(xì)程度更高時(shí)，500x也是允許的。對(duì)于要紅燈照明的地方，如電子行業(yè)的光刻車間，其照度一般為25—501x)，

用天然光時(shí)可允許更高的照度，因而對(duì)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(jié)能而出現(xiàn)的一種動(dòng)向。

防靜電

潔凈室中由于靜電引起的的事故屢有發(fā)生，因此潔凈室的防靜電能力如何已成為評(píng)價(jià)其質(zhì)量的一個(gè)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(fù)<一）電荷等量的均勻的電中性狀態(tài)，而使電荷過剩，物體呈帶電狀態(tài)，由于這些電荷平時(shí)是不流動(dòng)的，故稱靜電。

在潔凈室內(nèi)靜電導(dǎo)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(dǎo)致諸如半導(dǎo)體元件等破壞和誤動(dòng)作，例如將50塊P- MOS電路放在塑料袋內(nèi)，搖晃數(shù)次后，與非門柵極嚴(yán)重?fù)舸┱哂?jì)39塊，失效率競(jìng)達(dá)78%，這是因?yàn)榘雽?dǎo)體器件對(duì)靜電放電十分靈敏；

3．靜電放電產(chǎn)生的電磁波可導(dǎo)致電子儀器和裝置的雜音和誤動(dòng)作；

4．靜電放電的發(fā)光可導(dǎo)致照相肢片等感光破壞；

5．靜電的力學(xué)現(xiàn)象可導(dǎo)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(xiǎn)的災(zāi)害是成為可燃物的火源井引起爆炸，例如國(guó)外文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)，在手術(shù)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(dá)21次；

靜電事故的產(chǎn)生主要在于靜電的產(chǎn)生和積累，而氣流的流動(dòng)，氣流和管道、風(fēng)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(chǎn)生靜電，在一般情況下，越是電導(dǎo)率小的非導(dǎo)體（絕緣體），由于電荷產(chǎn)生后不易流動(dòng)，因此表現(xiàn)為越容易帶電。

靜電問題所以在潔凈室中特別嚴(yán)重，是因?yàn)椴坏跐崈羰抑芯邆淝笆霎a(chǎn)生靜電的多種工藝因素，而且因?yàn)闈崈羰抑械脑S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(chǎn)生靜電和集聚靜電，在潔凈室的靜電災(zāi)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(chǎn)品 (如硅芯片等) 所接觸之大氣的潔凈度及溫濕度，使產(chǎn)品能在一個(gè)良好之環(huán)境空間中生產(chǎn)、制造。此空間的設(shè)計(jì)施工過程即可稱為凈化工程。