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洁净室设计中的气流建模 | |||||
作者:佚名 文章来源:网络 点击数: 更新时间:2007-9-18 | |||||
洁净室包括小到专用的微型洁净环境,大到大型的生产厂房,它们的外形和大小不同,有很多种,在各个行业中得到了广泛的应用。这些应用有的十分常见,例如,在医药研究、开发和生产的几乎所有阶段,或者半导体制造,都需要使用洁净室,而其他的应用则不常见,尽管它们在控制和遏制空气传播污染方面,采用非常相似的通风措施。这些洁净室可以用来保护产品或者人员。在一般情况下,清洁程度与通风的方法有着密切的关系,但是,由于气流极其复杂,因而用通风的方法并不能保证通风的性能。
这些单元中的每一个,都可以得到一组方程式,并且用递推的方法求解,所得到的解满足能量守恒和质量守恒定律。结果是,我们能够画出这个房间任何一部分气流的流动图。同时,根据其他参数,例如温度,给空气标出颜色. 在这个设计里,使用全空气散流器(Total Air Diffuser),目的是在送风散流器处产生低速气流,把实验室里的空气送至排气罩。如图3所示,由送风口送来的是绘成蓝色的低速气流。随着气流速度的提高,空气的颜色从蓝色变成绿色,再变成黄色,最后变成红色。红色表示气流的速度大于0.5m/s(它表示该设计的格栅打开时的平均速度)。当然,从散流器吹来的冷风不会撞到实验室通风罩打开的格栅上,而是落到了地面。新风百页风口吹来的暖风从排气罩前飘过,破坏了对空气传播的遏制。图4通过把发烟源放在一个虚构的盒子的表面,(这个盒子距离实验室的格栅外面大约一英尺远),可以显示从实验室排气罩前流过的干扰气流。它不是把可能已经污染了的气流送到排气罩里,而是用从新风百页风口送过来的交叉气流,把整个实验室都清扫干净。 当我们把送风散流器移到排气罩的另一侧时,就可以清楚地观察到设计中微小变化所产生的影响。两股进来的气流现在融合在一起(图5),结果是,在排气罩外面的空气几乎完全被实验室的排气罩重新带走(图6)。
图6 重新流入前面的排气罩的气流。美国国立卫生研究院提供。 当然,不但房间的配置会影响空气的流动,而且,整个建筑物的结构也会影响空气的流动。特别是,送风静压箱、回风空间和风道竖井都对气流有相当明显的影响。
对结构进行修改。 无论是什么方案,我们都可以通过气流建模来预先了解它的性能。 图7 气流越过设备的轨迹
图7是在一个大空间里的层流气流(laminar airflow,LAF),除非那个位置因为距离设备很近而存在干扰(例如,油漆房里的气流)。五件大型设备中的任何一件都是由三个部件组成:进料器(可以把它看成高的柱子)、光刻机(把它识别为白色立方体)和轨道(它有一个白色的较低的区域和一个黑色的较高的区域)。近距离地看看光刻机和轨道之间的区域(图8), 可以看到,这些设备会产生令人讨厌的空气环流。在这个例子中,这就是在工艺流程之间机械手臂等待芯片的地方。 图9 最初的清洗槽结构。SGS Thomson微电子公司提供。
图9显示了化学药品清洗槽上面的气流。原来的结构把浓缩液从化学药品清洗槽带过台面的上方。 从图9右上角的小图可以很明显地看到,当再次循环流通时,受到污染的空气会穿过后面的灰色区域,在格栅后面循环时也可以看到受到污染的空气。结果是,化学药品变成很细的粉尘沉积在设备上。通过修改从后面的化学药品清洗槽吸出气流的速度和调整格栅的长度,就可以把化学制品的沉积数量减少到不明显的水平(图10)。 实际的设置需要优化结构,让它能够方便地用气流模型来试验。 根据HEPA过滤器布置图和排气格栅布置图的效果,力争把房间里的向上的气流降到最小。按照气流的垂直速度标出颜色,可以看到气流的情况。这可以使气流在房间内均匀流动(层流),然后,再设计更好的通风。为了提供无菌环境,在关键的操作区域,从上方用HEPA过滤器通风。在注装机的上方和层流罩的里面,通过高区的回风口把空气从房间里吸出去。然后,通过HEPA过滤器过滤空气,再次补充给房间。剩余的HEPA过滤器,则由主厂房提供,抽取房间低区里的回风。其他工艺区(例如:高压灭菌器和烤炉,设在最靠近观察器的长墙)并没有完全覆盖HEPA过滤器,因此,会对气流的不均匀更加敏感。
图12显示了流经主要层流板的空气。在这张图片里,流经层流罩的空气碰到地板,并向上折回到LAF自身里,在向上流动之前,先经过了高压灭菌器和烤炉前面的空间。
图13 在LAF下面的局部排气。 Chiron公司提供。
同样的,一个能在LAF中减少向上的气流的办法是要在低于LAF的房间拐角处安排局部排气(图13)。 这样就可以减少横穿地板向注装线流动的空气量,从而减少那里的向上的气流。
结论
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