淺談潔凈室設(shè)計(jì)中的氣流建模技術(shù)
更新時(shí)間：2017-01-06 點(diǎn)擊次數(shù)：3177
潔凈室包括小到的微型潔凈環(huán)境，大到大型的生產(chǎn)廠房，它們的外形和大小不同，有很多種，在各個(gè)行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。例如，在醫(yī)藥、半導(dǎo)體等行業(yè)，都需要使用潔凈室。
首先，在制藥和其他與人體健康相關(guān)的產(chǎn)業(yè)里，經(jīng)營一個(gè)清潔的工作環(huán)境，需要花費(fèi)很高的成本(資金和運(yùn)行時(shí)間)，也只有這樣，才能生產(chǎn)出高質(zhì)量、無污染的產(chǎn)品，保護(hù)從事這些工作的人員的安全，并得到FDA等監(jiān)管機(jī)構(gòu)的認(rèn)可。
其次，機(jī)械通風(fēng)設(shè)計(jì)對于整個(gè)系統(tǒng)能否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的要求，作用極其重要。現(xiàn)在，我們往往是根據(jù)過去得到的數(shù)據(jù)來確定什么是*的通風(fēng)設(shè)計(jì)原則，而這些數(shù)據(jù)往往是錯(cuò)的。這些在產(chǎn)業(yè)里的*的企業(yè)，傾向于擁有自己的機(jī)械專業(yè)知識(shí)，用它們來檢查任何提出來的設(shè)計(jì)。他們傾向于關(guān)注zui終結(jié)果，而在zui后同意之前，會(huì)進(jìn)一步檢查zui初的設(shè)想。
為什么要這樣做呢?因?yàn)闈崈羰业男阅苋Q于氣流、污染源和熱源、空氣進(jìn)氣口和排氣口以及在這些空間里的物體的位置等等之間的相互影響，而它們之間的相互影響是很復(fù)雜的。因此，一旦上述任何一個(gè)因素發(fā)生了改變，都會(huì)對結(jié)果產(chǎn)生影響，因而根據(jù)經(jīng)驗(yàn)而做出的假設(shè)不能成立。
在理想情況下，必須考慮以下問題：
在建筑之前或者在制作大型模型之前，預(yù)先估計(jì)潔凈環(huán)境的性能;
能夠改變房間的布置，并且要了解這些變化所帶來的實(shí)際影響;
每小時(shí)換氣次數(shù)達(dá)到僅僅夠用的空氣量(節(jié)約能量)來滿足這些必要條件;
在盡可能zui短的時(shí)間內(nèi)完成上述這些工作。
總之，zui重要的是，必須以zui低的成本做到上面的這幾點(diǎn)。
達(dá)到上述要求的*的科學(xué)方法，就是用數(shù)值計(jì)算的方法來解決問題的物理關(guān)系，這種方法稱作計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，CFD)。在機(jī)械通風(fēng)設(shè)計(jì)界里，一般把它們稱為氣流建模技術(shù)。
為了說明在完成設(shè)計(jì)之前，這些方法對于弄清楚設(shè)計(jì)特征的強(qiáng)大作用，我們將考察幾個(gè)不同的應(yīng)用實(shí)例。這樣做的目的是為了說明在建造潔凈室和進(jìn)行測試之前，是無法預(yù)先知道這些復(fù)雜的氣流是什么樣的。
CFD技術(shù)是什么?
CFD技術(shù)就是數(shù)值建模技術(shù)，通常用于解決發(fā)生在所有實(shí)際環(huán)境里的復(fù)雜氣流和熱傳導(dǎo)的物理關(guān)系。流體流動(dòng)、熱傳導(dǎo)和相關(guān)過程的物理關(guān)系都包含在大家所熟知的Navier-Stokes方程式里：
其中，很可惜，*能夠解決所有現(xiàn)實(shí)生活環(huán)境中這組看似無害的數(shù)學(xué)方程式的方法，就是使用CFD的數(shù)值方法。在上世紀(jì)六十年代末，核子工業(yè)和航空航天業(yè)投入了CFD軟件項(xiàng)目的開發(fā)。但是，由于這些代碼非常復(fù)雜，并且需要大量的計(jì)算機(jī)處理能力，所以，它們的用途也就限制在*幾家zui大的公司的研發(fā)部門里。然而，隨著處理能力很強(qiáng)，但價(jià)錢低廉的計(jì)算機(jī)和用于具體產(chǎn)業(yè)的CFD軟件的出現(xiàn)，現(xiàn)在，在迅速發(fā)展的工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域也可以使用這些技術(shù)了。
早在1988年，F(xiàn)lomerics公司就已經(jīng)把這種需求視為行業(yè)的焦點(diǎn)，并且針對機(jī)械工程師為已經(jīng)建成的環(huán)境設(shè)計(jì)通風(fēng)系統(tǒng)的需要，開發(fā)了FLOVENT CFD軟件，用于氣流建模;隨后，成立了FLOVENT建模服務(wù)事業(yè)部，它的*工作就是為建筑行業(yè)提供培訓(xùn)和咨詢服務(wù)，這個(gè)軟件得到了更多的支持。
它是如何工作的?
在氣流建模中，把幾萬個(gè)甚至幾十萬個(gè)單元格(它們描述熱、污染源和空氣本身的物理幾何學(xué))疊加起來，用這個(gè)辦法來求解Navier Stokes方程式。一個(gè)典型的研究實(shí)驗(yàn)室，通過對這個(gè)實(shí)驗(yàn)室的空間進(jìn)行離散化，把實(shí)驗(yàn)室分為幾萬個(gè)或者幾十萬個(gè)單元。
這些單元中的每一個(gè)，都可以得到一組方程式，并且用遞推的方法求解，所得到的解滿足能量守恒和質(zhì)量守恒定律。結(jié)果是，我們能夠畫出這個(gè)房間任何一部分氣流的流動(dòng)圖。同時(shí)，根據(jù)其他參數(shù)，例如溫度，給空氣標(biāo)出顏色。
在這個(gè)設(shè)計(jì)里，使用全空氣散流器(Total Air Diffuser)，目的是在送風(fēng)散流器處產(chǎn)生低速氣流，把實(shí)驗(yàn)室里的空氣送至排氣罩。由送風(fēng)口送來的是繪成藍(lán)色的低速氣流。隨著氣流速度的提高，空氣的顏色從藍(lán)色變成綠色，再變成黃色，zui后變成紅色。紅色表示氣流的速度大于0.5m/s(它表示該設(shè)計(jì)的格柵打開時(shí)的平均速度)。當(dāng)然，從散流器吹來的冷風(fēng)不會(huì)撞到實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)罩打開的格柵上，而是落到了地面。新風(fēng)百頁風(fēng)口吹來的暖風(fēng)從排氣罩前飄過，破壞了對空氣傳播的遏制。圖4通過把發(fā)煙源放在一個(gè)虛構(gòu)的盒子的表面，(這個(gè)盒子距離實(shí)驗(yàn)室的格柵外面大約一英尺遠(yuǎn))，可以顯示從實(shí)驗(yàn)室排氣罩前流過的干擾氣流。它不是把可能已經(jīng)污染了的氣流送到排氣罩里，而是用從新風(fēng)百頁風(fēng)口送過來的交叉氣流，把整個(gè)實(shí)驗(yàn)室都清掃干凈。
當(dāng)我們把送風(fēng)散流器移到排氣罩的另一側(cè)時(shí)，就可以清楚地觀察到設(shè)計(jì)中微小變化所產(chǎn)生的影響。兩股進(jìn)來的氣流現(xiàn)在融合在一起，結(jié)果是，在排氣罩外面的空氣幾乎*被實(shí)驗(yàn)室的排氣罩重新帶走。
當(dāng)然，不但房間的配置會(huì)影響空氣的流動(dòng)，而且，整個(gè)建筑物的結(jié)構(gòu)也會(huì)影響空氣的流動(dòng)。特別是，送風(fēng)靜壓箱、回風(fēng)空間和風(fēng)道豎井都對氣流有相當(dāng)明顯的影響。
使用氣流建模有以下三個(gè)主要好處：
如果能夠預(yù)先發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)可能存在的缺陷，就可以在廠房施工之
對結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改。
對于運(yùn)行中的潔凈室，應(yīng)當(dāng)能夠迅速有效地發(fā)現(xiàn)可以改善性能的地方。
要能夠建立潔凈室在各種情況下的模型，其中包括計(jì)劃中的和運(yùn)行中的潔凈室，這樣，就可以非常有信心地選出有效的方案。
個(gè)案研究舉例
在很大程度上，傳統(tǒng)半導(dǎo)體產(chǎn)品的生產(chǎn)方法，是使用一個(gè)能夠容納大型的半導(dǎo)體制造系統(tǒng)的大空間。這種方法用一個(gè)通風(fēng)天花板(它們一般是由HEPA過濾器組成)經(jīng)由一個(gè)靜壓箱(或一組靜壓箱)把風(fēng)送入大空間，想把空氣設(shè)計(jì)成向下的單向流(它通常被不正確地稱作層流，其實(shí)應(yīng)該是紊流)。然后氣流經(jīng)過架空的地板格柵，進(jìn)入地板靜壓箱，通過這里，它再經(jīng)過狹窄的回風(fēng)豎井，送回至空調(diào)箱。在這些地板和天花板的靜壓箱里分配空氣，本身就是一個(gè)關(guān)鍵問題，但是，在這些例子中，我們把注意力集中在潔凈室的本身。
無論是什么方案，我們都可以通過氣流建模來預(yù)先了解它的性能。
圖7是在一個(gè)大空間里的層流氣流(laminar airflow，LAF)，除非那個(gè)位置因?yàn)榫嚯x設(shè)備很近而存在干擾(例如，油漆房里的氣流)。五件大型設(shè)備中的任何一件都是由三個(gè)部件組成：進(jìn)料器(可以把它看成高的柱子)、光刻機(jī)(把它識(shí)別為白色立方體)和軌道(它有一個(gè)白色的較低的區(qū)域和一個(gè)黑色的較高的區(qū)域)。近距離地看看光刻機(jī)和軌道之間的區(qū)域
可以看到，這些設(shè)備會(huì)產(chǎn)生令人討厭的空氣環(huán)流。在這個(gè)例子中，這就是在工藝流程之間機(jī)械手臂等待芯片的地方。
這種類型的局部環(huán)境，對于整個(gè)大空間里的半導(dǎo)體制造來講，可能是非常重要的，因?yàn)?，它有可能?huì)導(dǎo)致成品率的損失。在距離設(shè)備較近的地方，氣流對空氣質(zhì)量的影響很大。意法半導(dǎo)體(ST Microelectronics)公司所提供的這個(gè)例子說明了改變局部排風(fēng)氣流速度與格柵長度的效果?？諝馔ㄟ^安裝在設(shè)備頂部天花板的HEPA過濾器送入房間。其目的是提供向下的氣流，防止化學(xué)藥品從清洗槽散布到空氣中并到處沉積。從工作表面上方的長形工作臺(tái)后面吸取空氣，局部地消除了所有蒸發(fā)的化學(xué)藥品，而其余的補(bǔ)充進(jìn)來的空氣，則在設(shè)備的下面再次流到后面的灰色區(qū)域。
顯示了化學(xué)藥品清洗槽上面的氣流。原來的結(jié)構(gòu)把濃縮液從化學(xué)藥品清洗槽帶過臺(tái)面的上方。
從右上角的小圖可以很明顯地看到，當(dāng)再次循環(huán)流通時(shí)，受到污染的空氣會(huì)穿過后面的灰色區(qū)域，在格柵后面循環(huán)時(shí)也可以看到受到污染的空氣。結(jié)果是，化學(xué)藥品變成很細(xì)的粉塵沉積在設(shè)備上。通過修改從后面的化學(xué)藥品清洗槽吸出氣流的速度和調(diào)整格柵的長度，就可以把化學(xué)制品的沉積數(shù)量減少到不明顯的水平(圖10)。
實(shí)際的設(shè)置需要優(yōu)化結(jié)構(gòu)，讓它能夠方便地用氣流模型來試驗(yàn)。
在制藥行業(yè)的生產(chǎn)過程中，控制氣流的類型是極其重要的。在這些例子中，我們看到?jīng)]有精心設(shè)計(jì)的氣流狀態(tài)對于產(chǎn)品來說存在很大的風(fēng)險(xiǎn)。這些產(chǎn)品不能被其他物質(zhì)污染，哪怕一丁點(diǎn)都不行。
藥水瓶注裝室
根據(jù)HEPA過濾器布置圖和排氣格柵布置圖的效果，力爭把房間里的向上的氣流降到zui小。按照氣流的垂直速度標(biāo)出顏色，可以看到氣流的情況。這可以使氣流在房間內(nèi)均勻流動(dòng)(層流)，然后，再設(shè)計(jì)更好的通風(fēng)。為了提供無菌環(huán)境，在關(guān)鍵的操作區(qū)域，從上方用HEPA過濾器通風(fēng)。在注裝機(jī)的上方和層流罩的里面，通過高區(qū)的回風(fēng)口把空氣從房間里吸出去。然后，通過HEPA過濾器過濾空氣，再次補(bǔ)充給房間。剩余的HEPA過濾器，則由主廠房提供，抽取房間低區(qū)里的回風(fēng)。其他工藝區(qū)(例如：高壓滅菌器和烤爐，設(shè)在zui靠近觀察器的長墻)并沒有*覆蓋HEPA過濾器，因此，會(huì)對氣流的不均勻更加敏感。
這個(gè)例子的研究文件顯示了的優(yōu)化部分?？梢钥吹贸鰜恚谥饕膶恿鲄^(qū)域內(nèi)，裝有新的注裝機(jī)的現(xiàn)有結(jié)構(gòu)性能很好。然而，有幾個(gè)關(guān)于氣流的特性比理想值要小。
顯示了流經(jīng)主要層流板的空氣。在這張圖片里，流經(jīng)層流罩的空氣碰到地板，并向上折回到LAF自身里，在向上流動(dòng)之前，先經(jīng)過了高壓滅菌器和烤爐前面的空間。
這張圖片不夠清楚的地方，是臨近注裝機(jī)的柱子后面的向上氣流，或者到達(dá)注裝機(jī)上面的高區(qū)回風(fēng)口的向上氣流。它們都是潛在的與向下氣流相反的紊流擴(kuò)散的來源。
重新設(shè)計(jì)是一個(gè)不斷反復(fù)進(jìn)行的過程，它包括檢查氣流的性質(zhì)和使用工程判斷來修改結(jié)構(gòu)，以解決已經(jīng)認(rèn)識(shí)到的問題。在這個(gè)例子中，消除了高區(qū)回風(fēng)口，并且重新設(shè)計(jì)了房間開放部分的HEPA過濾器布置圖。按照預(yù)想的結(jié)果，取消了高區(qū)回風(fēng)口后，向上的氣流量減少了，同時(shí)把HEPA過濾器放在距離高壓滅菌器和烤爐更近的地方以保護(hù)它們。臨近注裝線，有選擇性的放置風(fēng)口，也能夠減少非層流的風(fēng)險(xiǎn)。
同樣的，一個(gè)能在LAF中減少向上的氣流的辦法是要在低于LAF的房間拐角處安排局部排氣。
這樣就可以減少橫穿地板向注裝線流動(dòng)的空氣量，從而減少那里的向上的氣流。
結(jié)論
許多工廠的工程師認(rèn)為，經(jīng)過了重大改進(jìn)后的多種類型的潔凈室結(jié)構(gòu)，不會(huì)影響正常的生產(chǎn)過程。工廠的操作人員和設(shè)計(jì)人員可以通過這項(xiàng)技術(shù)，非常容易地提高整個(gè)環(huán)境的清潔度。
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