软围挡洁净区的单向流三要素研究

The Study on Three Characteristic of Uniflow in Soft Wall Cleanroom

高文忠 黄晨 邹志军 汤一平
Gao Wenzhong HuangChen Zhou Zhijun Tang Yiping

上海理工大学暖通研究所

摘要

    全面净化和局部净化方式并用是当前净化行业降低造价和运行费用的有效途径.本文首先介绍了软围挡洁净区的设计及结构特性,然后通过实验分析了它的三个特性指标,即:流线平行度、乱流度和下限风速.结果表明该装置完全符合单向流洁净室的指标要求.最后指出了它的应用价值和广阔的市场前景。

Abstract

    Now it is an efficient way to reduce cost by using overall and part decontamination at the same time．Firstly
the design and the structure characteristic of soft wall cleanroom are introduced，and then the three characteristic indexes which are parallellevel of steamline,turbulence level and lower limit air velocity are analyzed．The result indicated that the equipment conforms to requirement of uniflow cleanroom completely．At last its application value and market prospect are pointed out．

关键词

软围挡 流线平行度 乱流度 下限风速

Keywords

soft wall，parallel level ofstreamline，turbulence level，lower limit air velocity

0 引言
1 实验台的结构
2 特性指标及相应实验分析
3 结论
参考文献
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0 引言

    随着工业技术的高度发展，洁净室已经广泛应用于微电子工业、半导体、精密机械、制药业、塑料制品和食品加工业等各个领域，技术的发展对生产和工作环境的洁净度要求越来越严格，洁净技术的高低直接关系着科技水平的高低。以徽电子工业为例，大规模、超大规模集成电路每隔2～3年其关键技术就有一次飞跃，表1说明了大规模集成电路的发展趋势，而洁净度的控制和大规模集成电路息息相关，当控制粒子的直径大于线宽的二分之一时，就会影响集成电路上芯片的成品率^[1]  。

表1大规模集成电路的工艺特征发展趋向^[2]

    目前空气净化方式主要有三种：洁净室单独应用、局部净化设备单独应用、洁净室和局部净化设备并用(即全面净化和局部净化方式并用)。从发展趋势看，用局部净化方式代替全面净化方式是降低造价和运行费用的有效途径，且日常管理和使用都很方便。为了防止局部净化气流因引射周围污染空气而使局部洁净区产生沿程收缩，通常需要围挡：硬围捎、软围挡和气幕围挡。软围挡主要使用PVC等不发尘透明材料。

    本文主要通过上海理工大学暖通实验室的围挡式洁净实验台，实验研究与单向流有关的三个特性指标^[2]，即：流线平行度、乱流度和下限风速，为该实验台的设计和推广应用提出有参考价值的研究结果，使围挡式洁净室能更好的满足实际应用的需要。

1 实验台的结构

    实验台的主体结构立体示意图如图1所示，上部由6台FFU(Fan Filter Unit)采用3×2模式并列组合而成，前后两边满布初效过滤器，左右是盲板。FFU采用进口AAF的高效过滤器。洁净区周围使用PVC有机塑料软帘同挡，软帘边沿相互重叠0.2m，下垂到距离地面0.15m的位置。

图1洁净实验台结构示意图

    实验台使用西门子变频器变频控制FFU的风机转速，从而改变洁净区内的送风速度。同时，为了验证在改变FFU个数情况下的洁净区洁净性能的变化，每个FFU的风机都由变频器后单独引线并通过空气开关进行控制。

    围挡式洁净装置适合于在大面积低洁净度区域内实现部分 域的高洁净度，因此实验台周围要有一定洁净度(例如：ISO14644.1标准的8级或7级)，才能更好的发挥它实现高洁净度的优势，同时还可以延长高效过滤器的寿命。因此，以整个实验室为整体，围挡内部为高洁净度区，外部为低洁净度区。为了实现外部有一定的洁净度，除了实验台的净化空气起一定作用外，实验事配有独立的新风过滤机组，风量为800m³/h。新风的引入同时还可以使室内外保持一定的压差，避免了室外污染空气的侵入。整个实验室布置平面图如图2所示。

图2 实验室平面布置图

2 特性指标及相应实验分析

2.1单向流洁净室原理

    单向流洁净室就是在室内从送风面到回风面经过滤气流流经途中的断而几乎没有变化，加上送风静压箱和高效过滤器的均压均流作用，使全室断面上的流速均匀，没有涡流，也就是说在洁净室内，干净气流不是一股或几股，而是充满全室，沽净原理不是靠掺混稀释作用，而是靠推出作用，将室内空气沿整个断面排至室外，从而达到净化空气的目的，也可称这种洁净空气流为：“活塞流”或“平推流” ^[3] 。

2.2 三个特性指标的实验分析

    通常认为，为了达到ISO14644.1标准5级以上的洁净度，就要用单向流洁净室来实现，而单向流洁净室室内气流组织必须满足流线平行度、乱流度和送风下限风速这三项项特性指标的要求。

2.2.1 流线平行度

    流线平行的作用是保证尘源散发的尘粒不作垂直于流向的传播。以免在工作区上部产生的尘粒在下落到工作台面时污染垂直方向较远的工作面。因此就对流线平行度做了两个方面的规定：

图3 流线的倾角

①流线倾角的最小值约为65°(如图3所示)；
②流线从直线逐渐倾斜，其倾斜程度相当于每厘米距离上流线夹角的增大不超过0.5°。

    下面通过实验分析部分同捎擘式实验台的流线平行度。实验采用丝线测量法：通过测量在洁净区内并列下垂细丝线在送风状态下角度改变情况来判断其流线平行情况。为了减少现场测量时人员对气流的影响，以测量其流线照片来判断。自制实验工具如图4所示，将其布置在洁净实验室的横端面上，后侧0.5 m处放置一白包屏幕做拍摄背景。其中17根细线之间的间隔是10cm。

图4 自制平行度实验工具

    开启实验台的变频控制器，其频率按每5 Hz为一档， 从25Hz增加到50Hz，观察细线的倾斜情况，随着送风速度的增大，细线的倾斜度随之逐渐加大，并在50Hz增加到最大。图5照片是拍摄到的50 Hz时横断面一侧流线倾斜度最大的一张。

图5 流线照片

    通过测量该照片在如图3所示的0.8m～1.8m工作区高度内流线倾斜度，如图5所示，倾斜度最大的一条流线的倾角约为81.8°，因此，可以判定每条流线都满足上述对单向流洁净室流向平行度的要求。

2.2.2乱流度

    速度场均匀对于单向流洁净室是非常重要的，不均匀的速度场会增加速度的脉动性，促进流线间质点的掺混。

    脉动速度是衡量速度场均匀性的一个重要指标，在任意瞬时刻t，速度u，可看成有两部分组成，即

瞬时流速=平均流速+为脉动速度

图6 万向风速仪探头布置

    通过在洁净区横断面上布置6台万向风速仪^[4] ，采集探头布置如图6所示，两侧万向风速仪探头距离软帘15cm，探头之间的间距为30cm。万向风速仪检测信号经过变送器转换成0V～5V标准电压，再经无纸记录仪转换为0m/s~5m/s风速同步显示，并可以导出历史数据。万向风速仪在0m/s~5m/s微风速范围内精度可以达到0.01米。脉动速度实验的数据采集时间间隔定为1s．在气流稳定状态下共采集20 min。无纸记录仪和计算机采集设备如图7所示。

图7 数据采集及监控设备

    开启实验台，定变频器频率为40 Hz，用SSR分析软件监控气流速度变化情况，待气流稳定后正常运行20min，截取速度脉动曲线如图8所示，横坐标为时间，s，纵坐标为速度，m/s。

图8 横断面脉动监控图像

从图像可以看出：

①在洁净区的横断面上，速度的分布是不均匀的，速度范围在0.15m/s~0.38m/s之间波动；
②洁净区横断面上不同点(除一点外)的速度脉动幅度差别不是很大；
③ 同一个点的速度分布基本围绕该点的平均速度。

    因此，洁净区内的各点的速度脉动较小，质点间的掺混不很明显，较难出现明显的涡流区。

    用乱流度来衡量速度场的均匀性是基于速度场均匀程度和微粒集中度的相似性，其公式表达形式是：

    为了能更真实的反应该围挡式洁净区的βu值，实验采取加大布点密度的方法，在工作面高度(距地面0.8m)每台FFU正下面布置9个点(如图9)，由9个万向风速仪探头同时采集风速，整个洁净区布置54个点。在风速稳定的情况下，分6次采集整个工作面的风速值，改变变频器频率分别求取25Hz、30Hz、35Hz、40Hz、45Hz和50Hz下的工作面风速。用同样的方法适用于送风面。

图9 FFU下测点布置

    为了减小采集风速的偶然性，特设定无纸记录仪采集时间间隔为2s，在风速稳定状态下采集20s，取10次采样值的平均值为该点的风速值，由公式(2)计算得到该洁净实验台的送风面和工作面乱流度。

    整理实验数据，得到送风面及工作面的βu值和频率之间的关系，从图10和图11可以清晰的看出：

图10 乱流度和风机频率的关系

图11 工作面乱流度和平均送风速度的关系

① 随着风机频率的加大，即送风速度的加大，送风面和工作面的乱流度都呈减少趋势；
②在相同风机频率情况下，工作面比送风面的乱流度大；
③工作面风速大于0.25m/s后，随着风速的增加，乱流度变化趋于平缓，其值基本在0.25以内。

    所以，送风速度达到一定值，从自净能力方面考虑，整个洁净区的乱流度是基本满足单向流洁净室的乱流度βu≤0.25的要求的。出现相同风机频率下工作面乱流度大于送风面乱流度的原因在于[5]，在送风状态下，洁净区下部四周软帘由于送风压力作用呈向外张开的趋势，部分送风由四角开启处外逸，一定程度上打破了洁净区内部速度场的均匀性。

2.2.3下限风速

    单向流洁净室中气流速度的作用主要有4各方面^[4] ：

①当污染气流多方位散布时，送风气流要能有效的控制污染的范围，即不仅要控制上升高度，还要控制横向扩散距离；
②在污染气流和送风气流同向时，送风气流要能有效的控制污染气流到达下游的扩散范围；
③ 当污染气流和送风气流逆向时，送风气流能有效的抑制污染气流上升或前进的距离；
④在全室被污染的情况下，要能以合适的时间使室内空气自净。

    下限风速就是满足上述四项要求的最小风速。实验中通过改变风机频率得到的送风平均风速曲线如图12。

图12 平均风速和风机频率的关系

    可以看出在风机频率大于40Hz后，平均送风速度在0.3 m/s～0.45 m/s之间， 符合2000年的ISO14644.4标准对单向流洁净室建议的平均风速值：5级0.2 m/s～0.5 m/s，高于5级0.3 m/s～0.5 m/s。建议值的最低值即为下限风速值。本实验台在风机频率25Hz～50Hz范围空态运行时，测定洁净度级别都为IS014644.1标准的2级^[6] ，因此在满足洁净度要求的情况下，为了节约运行费用，可以取0.3 m/s下限风速运行，随着过滤器阻力的增大，可以适当加大风机频率，以保证送风速度。

3 结论

    通过对围挡式洁净实验台三个特性指标(流线平行度、乱流度、下限风速)的实验结果分析，充分说明了这种洁净装置不仅使用方便、灵活和节能，而且很好的满足了单向流洁净室的规范要求，具有广阔的推广应用价值。

参考文献

[1] 范存养.徐文华.林忠平 微电子工业空气洁净技术的若干进展 [期刊论文] -暖通空调2001(03)
[2] 许钟麟 空气洁净技术原理 2003
[3] 李斌涛.魏学孟 全天棚送风、相对两侧墙回风式洁净室特性研究 1997(03)
[4] IES Recommended practice for testing clean rooms 1984(03)
[5] 颜伟 CFD技术在百级洁净手术室设计中的应用 [期刊论文] -建筑热能通风空调2002(06)
[6] 严德隆 ISO14644-1洁净室空气洁净度等级标准的特点 [期刊论文] -洁净与空调技术2003(02)

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