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行業規范  INDUSTRY

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潔凈室(潔凈度參照標準)

ISO 14644 根據懸浮粒子濃度這個唯一指標來劃分潔凈室(區)及相關受控環境中空氣潔凈度的等級,并且僅考慮粒徑限值(低限)在0.1um~5.0um 范圍內呈累積分布的粒子群。根據粒子徑,可以劃分為常規粒子(0.1um~5.0um)、超微粒子(<0.1um)和宏粒子(>5.0um)。
 
■美國聯邦標準(USA Federal Standard)209E(1992年)
潔凈度級別 粒 徑 (um)
  0.1 0.2 0.3 0.5 5.0
1 35.0 7.50 3.00 1.00 NA
10 350 75.0 30.0 10.0 NA
100 NA 750 300 100 NA
1000 NA NA NA 1000 7.0
10000 NA NA NA 10000 70.3
100000 NA NA NA 100000 700

■中國藥品生產潔凈室(區)的空氣潔凈度標準

 
潔凈度級別 塵埃最允許數/平方米     微生物最大允許數
  ≥0.5um ≥5um 浮游菌個/立方米 沉降菌個/皿.30min
100 3500 0 5 1
10000 350,000 2,000 100 3
100000 3,500,000 20,000 500 10
300000 10,500,000 61,800 NA 15
國家藥品監督管理局1999年8月1日發布實施 

 
■基于≥0.5um粒徑的各國潔凈度等級近似對照表
個/M3≥ 0.5um ISO14644-1(1999) US 209E (1992) US 209D (1988) EEC GGMP (1989) FRANCE AFNOR(1981) GERMANY VDI 2083(1990) JAPAN JAOA(1989)
1 - - - - - - -
3.5 2 - - - - 0 2
10.0 - M1 - - - - -
35.3 3 M1.5 1 - - 1 3
100 - M2 - - - - -
353 4 M2.5 10 - - 2 4
1,000 - M3 - - - - -
3,530 5 M3.5 100 A+B 4,000 3 5
10,000 - M4 - - - - -
35,300 6 M4.5 1,000 1,000 - 4 6
100,000 - M5 - - - - -
353,000 7 M5.5 10,000 C 400,000 5 7
1,000,000 - M6 - - - - -
3,530,000 8 M6.5 100,000 D 4,000,000 6 8
10,000,000 - M7 - - - - -

■基于≥0.5um粒徑的各國潔凈度等級近似對照表
空氣潔凈度等級(N)      大于或等于表中粒徑的最大濃度限值(pc/m3)
  0.1um 0.2um 0.3um 0.5um 1um 5um
1 10 2        
2 100 24 10 4    
3 1000 237 102 35 8  
4 10000 2370 1020 352 83  
5 100000 23700 10200 3520 832 29
6 1000000 237000 102000 35200 8320 293
7       352000 83200 2930
8       3520000 832000 29300
9       35200000 8320000 293000


       潔凈室(Clean Room),亦稱為無塵室或清凈室。它是污染控制的基礎,沒有潔凈室,污染敏感零件不可能批量生產。在FED-STD-2里面,潔凈室被定義為具備空氣過濾、分配、優化、構造材料和裝置的房間,其中特定的規則的操作程序以控制空氣懸浮微粒濃度,從而達到適當的微粒潔凈度級別。

一、定義

  潔凈室是指將一定空間范圍內之空氣中的微粒子、有害空氣、細菌等之污染物排除,并將室內之溫度、潔凈度、室內壓力、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,而所給予特別設計之房間。亦即是不論外在之空氣條件如何變化,其室內均能俱有維持原先所設定要求之潔凈度、溫濕度及壓力等性能之特性。

  潔凈室最主要之作用在于控制產品(如硅芯片等)所接觸之大氣的潔凈度日及溫濕度,使產品能在一個良好之環境空間中生產、制造,此空間我們稱之為潔凈室。按照國際慣例,無塵凈化級別主要是根據每立方米空氣中粒子直徑大于劃分標準的粒子數量來規定。也就是說所謂無塵并非100%沒有一點灰塵,而是控制在一個非常微量的單位上。當然這個標準中符合灰塵標準的顆粒相對于我們常見的灰塵已經是小的微乎其微,但是對于光學構造而言,哪怕是一點點的灰塵都會產生非常大的負面影響,所以在光學構造產品的生產上,無塵是必然的要求。

  每立方米將小于0.3微米粒徑的微塵數量控制在3500個以下,就達到了國際無塵標準的A級。目前應用在芯片級生產加工的無塵標準對于灰塵的要求高于A級,這樣的高標主要被應用在一些等級較高芯片生產上。0.5uM及以下的微塵數量被嚴格控制在每立方米1000個以內,這也就是業內俗稱的1K級別。

潔凈室狀態分為以下三種

  空態:已經建造完成并可以投入使用的潔凈室(設施)。它具備所有有關的服務和功能。但是,在設施內沒有操作人員操作的設備。

  靜態:各種功能完備、設定安裝妥當,可以按照設定使用或正在使用的潔凈室(設施),但是設施內沒有操作人員。

  動態:處于正常使用的潔凈室,服務功能完善,有設備和人員;如果需要,可從事正常的工作。

二、潔凈室原理

單向流(層流)潔凈室原理

  [1]在潔凈室內,從送風口到回風口,氣流流經途中的斷面幾乎沒有什么變化,加上進風靜壓箱和高效過濾器的均壓均流作用,全室斷面上的流速比較均勻,而至少在工作區內流線單向平行,沒有渦流。這也就是單向流潔凈室的三大特點。這里的流線單向平行,是指時均流線彼此平行,方向單一。

 

  單向流潔凈室的流態從雷諾數判斷是紊流的,所以所謂層流潔凈室的層流和流體力學上的層流是完全不同的概念。因此,層流潔凈室這個名詞是不貼切的,國外某些標準和文章也指出這一點,例如英國標準BS-5295就曾把所謂層流潔凈室定義為單向流潔凈室,只是照顧習慣在括號中注明為層流。前聯邦德國標準VDl- 2083則用“非紊流的置換流”這一術語,并在注中指出,層流這一概念只是為了區別早于層流潔凈室出現的紊(亂)流潔凈室而在當時采用的習慣用語,“層流系統”的確切意思并不是分層流動,而是紊流的置換流,用本章提到的概念是紊流的漸變流。在流體力學中,這種流動狀態也可稱平行流或單向流。1977年中國在《空氣潔凈技術措施》中選用了“平行流”這個術語,在該術語后面同時也指出習慣上稱“層流”。

  在單向流潔凈室內,干凈氣流不是一股或幾股,而是充滿全室斷面,所以這種潔凈室不是靠潔凈氣流對室內臟空氣的摻混稀釋作用,而是靠潔凈氣流推出作用將室內臟空氣沿整個斷面排至室外,達到凈化室內空氣的目的。所以,前聯邦德國有人稱單向流潔凈室的氣流為“活塞流”、“平推流”前蘇聯稱之為“被擠壓的弱空氣射流”。干凈空氣就好比一個空氣活塞,沿著房間這個“氣缸”,向前(下)推進,而使塵粒只能前(下)進,沒有返回,把原有的含塵濃度高的空氣擠壓出房間。

  在單向流潔凈室以及單向流凈化設備中,可以發現沿壁的和兩個過濾器搭接處下方的反向氣流。這種氣流將把下方的污染傳輸到上部再送下來,破壞了上述“活塞流”的狀態,危害極大。對于和外界有開口相通的局部凈化設備,例如潔凈工作臺,這種氣流將引射外界污染氣流,在設計上一定要減小過濾器邊框處所占的無效面積,更要設法使空間的壁面盡量接近過濾器有效迭風截面。

  通過上面分析,可以認為保證單向流潔凈室特性(高潔凈度和快速自凈恢復能力)的重要先決條件有兩個:①來流的潔凈度;②來流的活塞流情況;

  對于來流的潔凈度,對通過高效以上過濾器送風的單向流潔凈室來說是不成問題的,而對于來流的“活塞流”情況,則需作進~步分析。

  根據流體力學原理,來流條件對以后的流動狀況將有直接的重要影響,送風面出口氣流也就是工作區的來流。

  來流的紊動性大,則將影響后面的單向流特性;來流未充滿流動截面,則將影響后面是否能形成“活塞流”和形成的快慢;而來流未充滿流動截面也是來流素動的一個因素。所以,在采用高效過濾器的條件下,保證單向流潔凈室特性的必要條件是“活塞流”,而“活塞流”的必要條件則是來流充滿流動截面。但是,對一間房間而不是一段管道來說,讓氣流從頭至尾完全充滿流動截面也是不現實的。

  最初,確實認為這種單向平行的氣流應該充滿整個潔凈室,但這在技術上和經濟上都是不利的。隨著認識的發展,人們又指出這種單向流只是“在有限的領域內全部空氣沿平行流線以等速流動的意思”,并認為能極力抑制渦流的發生。通過全空間的清潔空氣的單向流特性占支配地位的那樣的房間,也稱為單向流潔凈室。這就是說,不要求在整個房間都具有單向平行的流線,均勻的速度,沒有渦流,而是只要求單向平行流特性在這個房間中占支配地位,例如在整個工作區這一層空間保證了單向流,這個房間就是單向流潔凈室。前面介紹過的國內外有關標準、措施中關于單向流潔凈室達到的高潔凈度,就是指在工作區內達到的潔凈度。因此,密集布置的流線型散流器頂送和全孔板頂送,也被作為實現垂直單向流的手段使用。

  亂流潔凈室原理

  [2]潔凈室按其氣流狀態來區分,主要分為亂流(非單向流)潔凈室、單向流潔凈室和輻流潔凈室(也有稱矢流潔凈室的),這一節主要討論亂流潔凈室。前面已經指出,不論是哪一種潔凈室,都是紊流流態。那為什么不都叫紊流潔凈室呢?

   亂流潔凈室的名稱是借用于日文,但是日文的亂流就是紊流的意思,而中國最早在《空氣潔凈技術措施》中正式采用的亂流一詞是兼有紊流的含義而不同于流體力學上的紊流這一專有名詞。現在國際上則習慣稱這種潔凈室為非單向流潔凈室。
 
  所謂亂流潔凈室,一般包括以下各種送風形式:
   ⑴高效過濾器頂送(有擴散板和無擴散板
   ⑵流線型散流器頂進
   ⑶局部孔板頂送
   ⑷側送
 
  具有這些送風形式的潔凈室,如以雷諾數判斷,顯然屬于紊流流態,但是如果把它們稱為紊流潔凈室就不合適。氣流沿整個頂棚下送,室內速度達到0.25m/s 以上,這種室內的流動狀態也是紊流,但在后面就會搞清楚,雖然這兩種送風方式都造成室內紊流流態,但是就其凈化室內空氣的原理來說,卻是根本不同的,后者屬于單向流或平行流潔凈室的凈化原理。所以如果把前者稱為紊流潔凈室,則后者也應被包含進去了。 

  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。所以亂流潔凈室的原理就是稀釋作用。

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