KERNANALYSE DES REINRAUMS

Einführung

Reinräume sind die Grundlage der Schadstoffkontrolle. Ohne Reinräume können schadstoffempfindliche Teile nicht in Massenproduktion hergestellt werden. In FED-STD-2 wird ein Reinraum als ein Raum mit Luftfilterung, -verteilung, -optimierung, Baumaterialien und -ausrüstung definiert, in dem bestimmte regelmäßige Betriebsverfahren zur Kontrolle der Konzentration luftgetragener Partikel angewendet werden, um den entsprechenden Partikelreinheitsgrad zu erreichen.

Um eine gute Sauberkeit in Reinräumen zu erreichen, muss man sich nicht nur auf angemessene Reinigungsmaßnahmen der Klimaanlage konzentrieren, sondern auch entsprechende Maßnahmen in den Bereichen Prozess, Konstruktion und anderen Bereichen ergreifen: nicht nur eine vernünftige Planung, sondern auch eine sorgfältige Konstruktion und Installation gemäß den Spezifikationen sowie die richtige Nutzung des Reinraums und die fachgerechte Wartung und Verwaltung. In vielen in- und ausländischen Veröffentlichungen wird die Erzielung einer guten Sauberkeit in Reinräumen aus unterschiedlichen Perspektiven dargelegt. Tatsächlich ist es schwierig, eine optimale Koordination zwischen den verschiedenen Fachgebieten zu erreichen, und für Planer ist es schwierig, die Qualität von Konstruktion und Installation sowie insbesondere von Nutzung und Verwaltung zu erfassen. Was die Reinigungsmaßnahmen in Reinräumen betrifft, achten viele Planer oder sogar Bauparteien häufig nicht ausreichend auf die notwendigen Bedingungen, was die Sauberkeitswirkung unbefriedigend macht. Dieser Artikel erörtert nur kurz die vier notwendigen Bedingungen zur Erreichung der Sauberkeitsanforderungen bei Reinigungsmaßnahmen in Reinräumen.

1. Sauberkeit der Luftzufuhr

Um sicherzustellen, dass die Sauberkeit der Luftzufuhr den Anforderungen entspricht, kommt es auf die Leistung und Installation des Endfilters des Reinigungssystems an.

Filterauswahl

Der Endfilter des Reinigungssystems besteht in der Regel aus einem HEPA-Filter oder einem Sub-HEPA-Filter. Gemäß den Standards meines Landes wird die Effizienz von HEPA-Filtern in vier Klassen eingeteilt: Klasse A ist ≥ 99,9 %, Klasse B ist ≥ 99,9 %, Klasse C ist ≥ 99,999 %, Klasse D ist (für Partikel ≥ 0,1 μm) ≥ 99,999 % (auch als Ultra-HEPA-Filter bekannt); Sub-HEPA-Filter sind (für Partikel ≥ 0,5 μm) 95–99,9 %. Je höher die Effizienz, desto teurer der Filter. Daher sollten wir bei der Filterauswahl nicht nur die Anforderungen an die Sauberkeit der Luftzufuhr erfüllen, sondern auch wirtschaftliche Aspekte berücksichtigen.

Aus Sicht der Sauberkeitsanforderungen besteht das Prinzip darin, für Reinräume niedriger Qualität Filter mit geringer Leistung und für Reinräume hoher Qualität Filter mit hoher Leistung zu verwenden. Im Allgemeinen können Filter mit hoher und mittlerer Effizienz für die 1-Million-Klasse verwendet werden; Sub-HEPA- oder HEPA-Filter der Klasse A können für Klassen unter 10.000 verwendet werden; Filter der Klasse B können für die Klassen 10.000 bis 100 verwendet werden; und Filter der Klasse C können für die Klassen 100 bis 1 verwendet werden. Für jede Sauberkeitsklasse stehen zwei Filtertypen zur Auswahl. Ob Hochleistungs- oder Niedrigleistungsfilter gewählt werden, hängt von der jeweiligen Situation ab: Bei starker Umweltverschmutzung, hoher Raumluftqualität oder besonders wichtigen Reinräumen, die einen höheren Sicherheitsfaktor erfordern, sollte in diesen oder einem dieser Fälle ein Hochleistungsfilter gewählt werden; andernfalls kann ein Filter mit geringerer Leistung gewählt werden. Für Reinräume, in denen Partikel von 0,1 μm kontrolliert werden müssen, sollten unabhängig von der kontrollierten Partikelkonzentration Filter der Klasse D gewählt werden. Die obigen Ausführungen beziehen sich ausschließlich auf den Filter. Um einen guten Filter auszuwählen, müssen Sie auch die Eigenschaften des Reinraums, des Filters und des Reinigungssystems berücksichtigen.

Filterinstallation

Um die Sauberkeit der Luftzufuhr zu gewährleisten, reicht es nicht aus, nur qualifizierte Filter zu verwenden. Es muss auch sichergestellt werden, dass: a) der Filter während des Transports und der Installation nicht beschädigt wird; b) die Installation dicht ist. Um den ersten Punkt zu erreichen, muss das Bau- und Installationspersonal gut geschult sein und sowohl über Kenntnisse in der Installation von Reinigungssystemen als auch über fundierte Installationskenntnisse verfügen. Andernfalls lässt sich eine Beschädigung des Filters nur schwer gewährleisten. Diesbezüglich gibt es wichtige Erkenntnisse. Zweitens hängt die Dichtheit der Installation hauptsächlich von der Qualität der Installationsstruktur ab. Im Konstruktionshandbuch wird allgemein empfohlen: Bei einem Einzelfilter wird eine offene Installation verwendet, damit selbst bei einer Undichtigkeit keine Flüssigkeit in den Raum gelangt; bei Verwendung eines fertigen HEPA-Luftauslasses lässt sich die Dichtheit zudem leichter gewährleisten. Bei Luft mit mehreren Filtern werden in den letzten Jahren häufig Geldichtungen und Unterdruckdichtungen verwendet.

Die Geldichtung muss sicherstellen, dass die Verbindung des Flüssigkeitsbehälters dicht ist und der gesamte Rahmen auf derselben horizontalen Ebene liegt. Die Unterdruckabdichtung sorgt dafür, dass der Außenumfang der Verbindung zwischen Filter, statischem Druckbehälter und Rahmen unter Unterdruck steht. Wie bei der offenen Installation gelangt auch bei Undichtigkeiten kein Wasser in den Raum. Solange der Installationsrahmen flach ist und die Filterstirnfläche gleichmäßig mit dem Installationsrahmen in Kontakt steht, sollte der Filter bei jeder Installationsart die Anforderungen an die Installationsdichtheit erfüllen können.

2. Luftstromorganisation

Die Luftzirkulation in einem Reinraum unterscheidet sich von der in einem herkömmlichen klimatisierten Raum. Der Arbeitsbereich muss zuerst mit möglichst sauberer Luft versorgt werden. Ihre Funktion besteht darin, die Verschmutzung der zu bearbeitenden Objekte zu begrenzen und zu reduzieren. Zu diesem Zweck sollten bei der Gestaltung der Luftzirkulation die folgenden Grundsätze beachtet werden: Minimieren Sie Wirbelströme, um zu verhindern, dass Verschmutzungen von außerhalb in den Arbeitsbereich gelangen. Vermeiden Sie Staubflug, um die Gefahr einer Staubkontamination des Werkstücks zu verringern. Der Luftstrom im Arbeitsbereich sollte möglichst gleichmäßig sein und die Windgeschwindigkeit sollte den Prozess- und Hygieneanforderungen entsprechen. Wenn der Luftstrom zum Rückluftauslass strömt, sollte der Staub in der Luft effektiv entfernt werden. Wählen Sie je nach Sauberkeitsanforderungen unterschiedliche Luftzufuhr- und -rückführungsmodi.

Verschiedene Luftstromorganisationen haben ihre eigenen Merkmale und Bereiche:

(1). Vertikale unidirektionale Strömung

Neben den allgemeinen Vorteilen einer gleichmäßigen Abwärtsströmung der Luft, einer einfacheren Anordnung der Prozessausrüstung, einer starken Selbstreinigungsfähigkeit und einer Vereinfachung gängiger Einrichtungen wie persönlicher Reinigungseinrichtungen haben die vier Luftzufuhrmethoden auch ihre eigenen Vor- und Nachteile: Vollständig abgedeckte HEPA-Filter haben den Vorteil eines geringen Widerstands und langer Filterwechselzyklen, aber die Deckenkonstruktion ist komplex und die Kosten sind hoch; die Vor- und Nachteile der seitlich abgedeckten HEPA-Filter-Zuführung von oben und der Zuführung über eine Volllochplatte von oben sind denen der voll abgedeckten HEPA-Filter-Zuführung von oben entgegengesetzt. Unter anderem sammelt sich bei der Zuführung über eine Volllochplatte von oben leicht Staub auf der Innenfläche der Blende an, wenn das System nicht kontinuierlich läuft, und mangelhafte Wartung wirkt sich auf die Sauberkeit aus; die Zuführung über einen dichten Diffusor von oben erfordert eine Mischschicht und ist daher nur für hohe Reinräume über 4 m geeignet, und ihre Eigenschaften sind denen der Zuführung über eine Volllochplatte von oben ähnlich; Die Rückluftmethode für die Platte mit Gittern auf beiden Seiten und den gleichmäßig am Boden der gegenüberliegenden Wände angeordneten Rückluftauslässen eignet sich nur für Reinräume mit einem Nettoabstand von weniger als 6 m auf beiden Seiten. Die am Boden der einseitigen Wand angeordneten Rückluftauslässe eignen sich nur für Reinräume mit einem geringen Abstand zwischen den Wänden (z. B. ≤ <2 bis 3 m).

(2). Horizontale unidirektionale Strömung

Nur der erste Arbeitsbereich kann den Reinheitsgrad 100 erreichen. Wenn die Luft zur anderen Seite strömt, steigt die Staubkonzentration allmählich an. Daher ist es nur für Reinräume mit unterschiedlichen Sauberkeitsanforderungen für denselben Prozess im selben Raum geeignet. Die lokale Verteilung von HEPA-Filtern an der Luftzufuhrwand kann den Einsatz von HEPA-Filtern reduzieren und Anfangsinvestitionen sparen, es gibt jedoch Wirbel in lokalen Bereichen.

(3). Turbulente Luftströmung

Die Eigenschaften der Blendenzuführung von oben und der dichten Diffusoren von oben sind dieselben wie die oben genannten: Die Vorteile der seitlichen Zuführung sind die einfache Anordnung der Rohrleitungen, es ist keine technische Zwischenschicht erforderlich, die Kosten sind niedrig und sie eignet sich für die Renovierung alter Fabriken. Die Nachteile bestehen darin, dass die Windgeschwindigkeit im Arbeitsbereich hoch ist und die Staubkonzentration auf der Leeseite höher ist als auf der Gegenwindseite. Die Zuführung von HEPA-Filterauslässen von oben hat die Vorteile eines einfachen Systems, keine Rohrleitungen hinter dem HEPA-Filter und einen sauberen Luftstrom, der direkt in den Arbeitsbereich geleitet wird. Der saubere Luftstrom verteilt sich jedoch langsam und der Luftstrom im Arbeitsbereich ist gleichmäßiger. Wenn jedoch mehrere Luftauslässe gleichmäßig angeordnet sind oder HEPA-Filter-Luftauslässe mit Diffusoren verwendet werden, kann der Luftstrom im Arbeitsbereich ebenfalls gleichmäßiger gemacht werden. Wenn das System jedoch nicht kontinuierlich läuft, neigt der Diffusor zur Staubansammlung.

Die obige Diskussion ist im Idealfall und wird von den entsprechenden nationalen Spezifikationen, Normen oder Konstruktionshandbüchern empfohlen. In tatsächlichen Projekten ist die Luftstromorganisation aufgrund objektiver Bedingungen oder subjektiver Gründe des Planers nicht gut konzipiert. Gängige Beispiele sind: Vertikale unidirektionale Strömung mit Rückluft von der Unterseite der beiden angrenzenden Wände, lokale Klasse 100 mit oberer Zufuhr und oberer Rückführung (d. h., unter dem lokalen Luftauslass befindet sich kein hängender Vorhang), und turbulente Reinräume verwenden HEPA-Filter mit oberer Zufuhr und oberer Rückführung oder einseitige untere Rückführung (größerer Abstand zwischen den Wänden) usw. Diese Methoden der Luftstromorganisation wurden gemessen, und die Sauberkeit der meisten Räume entspricht nicht den Konstruktionsanforderungen. Aufgrund der aktuellen Spezifikationen für die Abnahme im leeren oder statischen Zustand erreichen einige dieser Reinräume im leeren oder statischen Zustand kaum den vorgesehenen Sauberkeitsgrad, aber die Fähigkeit zur Störfestigkeit gegen Verschmutzung ist sehr gering, und sobald der Reinraum in Betrieb genommen wird, erfüllt er die Anforderungen nicht.

Die richtige Luftstromführung sollte durch Vorhänge gewährleistet werden, die bis zur Höhe des Arbeitsbereichs im lokalen Bereich reichen. Bei Geräten der Klasse 100.000 sollte auf eine obere Zufuhr und Rückführung verzichtet werden. Darüber hinaus produzieren die meisten Fabriken derzeit hocheffiziente Luftauslässe mit Diffusoren. Diese Diffusoren sind lediglich dekorative Blenden und dienen nicht der Luftverteilung. Designer und Anwender sollten hierauf besonderes Augenmerk legen.

3. Luftzufuhrmenge bzw. Luftgeschwindigkeit

Ein ausreichendes Belüftungsvolumen dient der Verdünnung und Entfernung verschmutzter Raumluft. Je nach Sauberkeitsanforderungen sollte die Belüftungsfrequenz bei hoher Nettohöhe des Reinraums entsprechend erhöht werden. Das Belüftungsvolumen des Reinraums der 1-Millionen-Klasse wird gemäß dem hocheffizienten Reinigungssystem und der übrigen Reinräume gemäß dem hocheffizienten Reinigungssystem berücksichtigt. Wenn die HEPA-Filter des Reinraums der Klasse 100.000 im Maschinenraum konzentriert sind oder die Sub-HEPA-Filter am Ende des Systems verwendet werden, kann die Belüftungsfrequenz entsprechend um 10–20 % erhöht werden.

Der Autor geht bei den oben empfohlenen Belüftungsmengen davon aus, dass die Windgeschwindigkeit im Raumbereich des Reinraums mit unidirektionaler Strömung niedrig ist und der empfohlene Wert für den turbulenten Reinraum einen ausreichenden Sicherheitsfaktor aufweist. Vertikale unidirektionale Strömung ≥ 0,25 m/s, horizontale unidirektionale Strömung ≥ 0,35 m/s. Obwohl die Sauberkeitsanforderungen bei Tests im leeren oder statischen Zustand erfüllt werden können, ist die Fähigkeit zur Schadstoffreduzierung unzureichend. Sobald der Raum in Betrieb genommen wird, entspricht die Sauberkeit möglicherweise nicht den Anforderungen. Ein solches Beispiel ist kein Einzelfall. Gleichzeitig gibt es in der Ventilatorserie meines Landes keine für Reinigungssysteme geeigneten Ventilatoren. Im Allgemeinen berechnen Konstrukteure den Luftwiderstand des Systems oft nicht genau oder achten nicht darauf, ob sich der ausgewählte Ventilator an einem günstigeren Arbeitspunkt der Kennlinie befindet. Dies führt dazu, dass Luftmenge oder Windgeschwindigkeit kurz nach Inbetriebnahme des Systems nicht den Auslegungswert erreichen. Der US-Bundesstandard (FS209A–B) legt fest, dass die Luftströmungsgeschwindigkeit eines unidirektionalen Reinraums durch den gesamten Reinraumquerschnitt üblicherweise bei 90 Fuß/min (0,45 m/s) liegt und die Geschwindigkeitsungleichmäßigkeit innerhalb von ±20 % liegt, sofern im gesamten Raum keine Störungen auftreten. Jede signifikante Verringerung der Luftströmungsgeschwindigkeit erhöht die Möglichkeit der Selbstreinigungszeit und der Verschmutzung zwischen den Arbeitspositionen (nach der Verkündung von FS209C im Oktober 1987 wurden für alle Parameterindikatoren außer der Staubkonzentration keine Vorschriften erlassen).

Aus diesem Grund hält der Autor es für angebracht, den derzeit inländischen Auslegungswert der unidirektionalen Strömungsgeschwindigkeit entsprechend zu erhöhen. Unsere Einheit hat dies in tatsächlichen Projekten getan und die Wirkung ist relativ gut. Für turbulente Reinräume gibt es einen empfohlenen Wert mit einem relativ ausreichenden Sicherheitsfaktor, aber viele Designer sind sich immer noch nicht sicher. Bei der Erstellung spezifischer Entwürfe erhöhen sie das Belüftungsvolumen von Reinräumen der Klasse 100.000 auf 20-25 Mal/h, von Reinräumen der Klasse 10.000 auf 30-40 Mal/h und von Reinräumen der Klasse 1000 auf 60-70 Mal/h. Dies erhöht nicht nur die Gerätekapazität und die Anfangsinvestition, sondern erhöht auch die zukünftigen Wartungs- und Verwaltungskosten. Tatsächlich besteht keine Notwendigkeit, dies zu tun. Bei der Zusammenstellung der technischen Luftreinigungsmaßnahmen meines Landes wurden mehr als Reinräume der Klasse 100 in China untersucht und gemessen. Viele Reinräume wurden unter dynamischen Bedingungen getestet. Die Ergebnisse zeigten, dass die Lüftungsvolumina von Reinräumen der Klasse 100.000 ≥ 10-mal/h, Reinräumen der Klasse 10.000 ≥ 20-mal/h und Reinräumen der Klasse 1000 ≥ 50-mal/h den Anforderungen entsprechen. Der US-Bundesstandard (FS2O9A–B) schreibt vor: In nicht-unidirektionalen Reinräumen (Klasse 100.000, Klasse 10.000) mit einer Raumhöhe von 2,44–3,66 m (8–12 Fuß) wird in der Regel davon ausgegangen, dass der gesamte Raum mindestens einmal alle 3 Minuten (d. h. 20-mal/h) gelüftet wird. Daher wurde in der Konstruktionsspezifikation ein großer Überschusskoeffizient berücksichtigt, und der Konstrukteur kann sicher entsprechend dem empfohlenen Wert für das Lüftungsvolumen wählen.

4. Statische Druckdifferenz

Die Aufrechterhaltung eines bestimmten Überdrucks im Reinraum ist eine der wesentlichen Voraussetzungen, um sicherzustellen, dass der Reinraum nicht oder nur wenig verschmutzt wird, um das vorgesehene Sauberkeitsniveau aufrechtzuerhalten. Auch bei Unterdruck-Reinräumen müssen angrenzende Räume oder Suiten vorhanden sein, deren Sauberkeitsniveau nicht unter dem Niveau zur Aufrechterhaltung eines bestimmten Überdrucks liegt, damit die Sauberkeit des Unterdruck-Reinraums aufrechterhalten werden kann.

Der Überdruckwert eines Reinraums bezieht sich auf den Wert, bei dem der statische Innendruck höher ist als der Außendruck, wenn alle Türen und Fenster geschlossen sind. Dies wird dadurch erreicht, dass die Zuluftmenge des Reinigungssystems größer ist als die Rückluftmenge und die Abluftmenge. Um den Überdruckwert des Reinraums sicherzustellen, sind Zuluft-, Rückluft- und Abluftventilatoren vorzugsweise miteinander verriegelt. Beim Einschalten des Systems wird zuerst der Zuluftventilator und dann der Rückluft- und Abluftventilator gestartet; beim Ausschalten des Systems wird zuerst der Abluftventilator und dann der Rückluft- und Zuluftventilator ausgeschaltet, um eine Kontamination des Reinraums beim Ein- und Ausschalten des Systems zu verhindern.

Die zur Aufrechterhaltung des Überdrucks im Reinraum erforderliche Luftmenge wird hauptsächlich durch die Luftdichtheit der Wartungsstruktur bestimmt. In den Anfängen des Reinraumbaus in meinem Land war aufgrund der mangelnden Luftdichtheit der Gehäusestruktur eine Luftzufuhr von 2 bis 6 Mal pro Stunde erforderlich, um einen Überdruck von ≥ 5 Pa aufrechtzuerhalten. Heute ist die Luftdichtheit der Wartungsstruktur deutlich verbessert, und es ist nur noch eine Luftzufuhr von 1 bis 2 Mal pro Stunde erforderlich, um den gleichen Überdruck aufrechtzuerhalten. Und nur noch eine Luftzufuhr von 2 bis 3 Mal pro Stunde ist erforderlich, um einen Überdruck von ≥ 10 Pa aufrechtzuerhalten.

Die Konstruktionsspezifikationen meines Landes [6] schreiben vor, dass der statische Druckunterschied zwischen Reinräumen unterschiedlicher Qualität sowie zwischen Reinräumen und Nicht-Reinräumen nicht weniger als 0,5 mm H2O (~5 Pa) betragen darf. Der statische Druckunterschied zwischen Reinräumen und Außenräumen darf nicht weniger als 1,0 mm H2O (~10 Pa) betragen. Der Autor hält diesen Wert aus drei Gründen für zu niedrig:

(1) Überdruck bezeichnet die Fähigkeit eines Reinraums, die Luftverschmutzung durch die Spalten zwischen Türen und Fenstern zu unterdrücken oder das Eindringen von Schadstoffen in den Raum zu minimieren, wenn Türen und Fenster kurz geöffnet werden. Die Höhe des Überdrucks gibt Aufschluss über die Stärke der Schadstoffunterdrückung. Natürlich gilt: Je höher der Überdruck, desto besser (darauf wird später eingegangen).

(2) Die für den Überdruck erforderliche Luftmenge ist begrenzt. Die für einen Überdruck von 5 Pa und 10 Pa erforderliche Luftmenge unterscheidet sich nur etwa einmal pro Stunde. Warum sollte man das nicht tun? Offensichtlich ist es besser, die Untergrenze des Überdrucks mit 10 Pa anzunehmen.

(3) Der US-Bundesstandard (FS209A–B) schreibt vor, dass bei geschlossenen Ein- und Ausgängen der minimale Überdruckunterschied zwischen dem Reinraum und allen angrenzenden Bereichen mit geringer Reinheit 0,05 Zoll Wassersäule (12,5 Pa) beträgt. Dieser Wert wird von vielen Ländern übernommen. Allerdings gilt nicht: Je höher der Überdruckwert eines Reinraums, desto besser. Laut den technischen Tests unserer Anlage über mehr als 30 Jahre lassen sich Türen bei einem Überdruckwert ≥ 30 Pa nur schwer öffnen. Wenn Sie die Tür unvorsichtig schließen, knallt es! Das erschreckt die Leute. Bei einem Überdruckwert ≥ 50–70 Pa pfeift es aus den Spalten zwischen Türen und Fenstern, was sich für schwache Personen oder Personen mit entsprechenden Symptomen unwohl fühlt. Die entsprechenden Spezifikationen oder Standards vieler Länder im In- und Ausland legen jedoch keine Obergrenze für den Überdruck fest. Daher versuchen viele Anlagen, nur die Anforderungen der Untergrenze einzuhalten, unabhängig davon, wie hoch die Obergrenze ist. In dem vom Autor vorgefundenen Reinraum beträgt der Überdruck 100 Pa oder mehr, was sehr negative Auswirkungen hat. Die Regelung des Überdrucks ist jedoch nicht schwierig. Er lässt sich innerhalb eines bestimmten Bereichs regeln. In einem Dokument heißt es, dass in einem osteuropäischen Land ein Überdruck von 1–3 mm H2O (ca. 10–30 Pa) vorgeschrieben ist. Der Autor hält diesen Bereich für angemessener.