Reinräume werden auch als staubfreie Räume bezeichnet. Sie dienen dazu, Schadstoffe wie Staubpartikel, gesundheitsschädliche Luft und Bakterien aus der Raumluft zu entfernen und die Raumtemperatur, Reinheit, den Raumdruck, die Luftgeschwindigkeit und -verteilung, Geräusche, Vibrationen, Beleuchtung und statische Aufladung innerhalb bestimmter Grenzen zu kontrollieren. Im Folgenden werden die vier notwendigen Bedingungen für die Erfüllung der Reinheitsanforderungen bei Reinraumreinigungsmaßnahmen beschrieben.
1. Reinheit der Luftzufuhr
Um sicherzustellen, dass die Luftzufuhr den Anforderungen an die Reinheit entspricht, ist die Leistungsfähigkeit und Installation des Endfilters des Reinigungssystems entscheidend. Im Reinraumsystem wird üblicherweise ein HEPA- oder Sub-HEPA-Filter als Endfilter eingesetzt. Gemäß nationalen Normen wird die Effizienz von HEPA-Filtern in vier Klassen eingeteilt: Klasse A ≥ 99,9 %, Klasse B ≥ 99,99 %, Klasse C ≥ 99,999 %, Klasse D (für Partikel ≥ 0,1 μm) ≥ 99,999 % (auch bekannt als Ultra-HEPA-Filter); Sub-HEPA-Filter erreichen (für Partikel ≥ 0,5 μm) 95–99,9 %.
2. Luftstromorganisation
Die Luftstromführung in Reinräumen unterscheidet sich von der in herkömmlichen klimatisierten Räumen. Sie erfordert, dass dem Arbeitsbereich zuerst die reinste Luft zugeführt wird. Ihre Funktion besteht darin, die Kontamination der bearbeiteten Objekte zu begrenzen und zu reduzieren. Verschiedene Luftstromführungen weisen jeweils spezifische Merkmale und Anwendungsbereiche auf: Vertikale, unidirektionale Strömung: Beide ermöglichen einen gleichmäßigen, nach unten gerichteten Luftstrom, erleichtern die Anordnung der Prozessanlagen, verfügen über eine hohe Selbstreinigungskapazität und können die Ausstattung gängiger Einrichtungen wie z. B. persönlicher Reinräume vereinfachen. Die vier Luftzufuhrmethoden haben jeweils ihre Vor- und Nachteile: Vollflächige HEPA-Filter bieten die Vorteile eines geringen Widerstands und eines langen Filterwechselzyklus, jedoch ist die Deckenkonstruktion komplex und die Kosten sind hoch. Die Vor- und Nachteile der Luftzufuhr über seitlich abgedeckte HEPA-Filter und der Luftzufuhr über eine Lochblende sind denen der vollflächigen HEPA-Filter entgegengesetzt. Bei der Luftzufuhr über eine Lochblende neigt das System bei nicht kontinuierlichem Betrieb zur Staubablagerung an der Innenfläche der Blende, und mangelnde Wartung kann die Reinheit beeinträchtigen. Die dichte Diffusor-Düsenabführung erfordert eine Mischschicht und eignet sich daher nur für hohe Reinräume ab 4 m Höhe. Ihre Eigenschaften ähneln denen der Vollloch-Düsenabführung. Die Rückluftführung mit beidseitigen Gittern und gleichmäßig an der Unterseite der Wände angeordneten Rückluftauslässen ist nur für Reinräume mit einem Wandabstand von weniger als 6 m auf beiden Seiten geeignet. Rückluftauslässe an der Unterseite einer einseitigen Wand eignen sich nur für Reinräume mit geringem Wandabstand (z. B. ≤ 2–3 m). Horizontale unidirektionale Strömung: Nur der erste Arbeitsbereich erreicht Reinheitsgrad 100. Mit zunehmender Strömungsrichtung steigt die Staubkonzentration. Daher eignet sich diese Methode nur für Reinräume mit unterschiedlichen Reinheitsanforderungen für denselben Prozess. Die lokale Anordnung von HEPA-Filtern an der Zuluftwand kann den Filterverbrauch reduzieren und die Anfangsinvestition senken, führt jedoch zu lokalen Luftwirbeln. Turbulente Luftströmung: Die Eigenschaften der Luftzufuhr von oben durch Blenden und Dichtdiffusoren entsprechen den oben genannten. Vorteile der seitlichen Zufuhr sind die einfache Rohrleitungsführung, der Verzicht auf technische Zwischenschichten, die geringen Kosten und die Eignung für die Sanierung alter Fabriken. Nachteile sind die hohe Windgeschwindigkeit im Arbeitsbereich und die höhere Staubkonzentration auf der windabgewandten Seite im Vergleich zur windzugewandten Seite. Die Zufuhr von oben durch HEPA-Filterauslässe zeichnet sich durch ein einfaches System, den Verzicht auf Rohrleitungen hinter dem HEPA-Filter und die direkte Zufuhr von gereinigter Luft in den Arbeitsbereich aus. Allerdings diffundiert die gereinigte Luft langsam, wodurch die Luftströmung im Arbeitsbereich ungleichmäßiger ist. Durch die gleichmäßige Anordnung mehrerer Luftauslässe oder den Einsatz von HEPA-Filterauslässen mit Diffusoren lässt sich die Luftströmung im Arbeitsbereich jedoch ebenfalls gleichmäßiger gestalten. Bei nicht kontinuierlichem Betrieb des Systems neigt der Diffusor jedoch zur Staubablagerung.
3. Luftzufuhrvolumen oder Luftgeschwindigkeit
Ein ausreichendes Lüftungsvolumen dient der Verdünnung und dem Abtransport verunreinigter Raumluft. Je nach Reinheitsanforderungen und Raumhöhe sollte die Lüftungsfrequenz entsprechend erhöht werden. Bei Reinräumen der Klasse 1 Million wird das Lüftungsvolumen gemäß dem System für hocheffiziente Reinräume berechnet, bei allen anderen Reinräumen ebenfalls. Sind die HEPA-Filter eines Reinraums der Klasse 100.000 im Maschinenraum konzentriert oder werden Sub-HEPA-Filter am Systemende eingesetzt, kann die Lüftungsfrequenz um 10 bis 20 % erhöht werden.
4. Statische Druckdifferenz
Die Aufrechterhaltung eines bestimmten Überdrucks im Reinraum ist eine der wichtigsten Voraussetzungen, um die Kontamination zu minimieren und den angestrebten Reinheitsgrad zu gewährleisten. Selbst bei einem Unterdruck-Reinraum muss ein angrenzender Raum oder eine Suite mit einem mindestens gleichwertigen Reinheitsgrad vorhanden sein, um einen gewissen Überdruck aufrechtzuerhalten und so die Reinheit des Unterdruck-Reinraums zu sichern. Der Überdruck im Reinraum ist definiert als der Wert, bei dem der statische Druck im Innenraum höher ist als der statische Druck im Außenbereich, wenn alle Türen und Fenster geschlossen sind. Dies wird erreicht, indem das Zuluftvolumen des Reinigungssystems größer ist als das Abluftvolumen. Um den Überdruck im Reinraum zu gewährleisten, empfiehlt es sich, die Zuluft-, Abluft- und Rückluftventilatoren miteinander zu verriegeln. Beim Einschalten des Systems startet zuerst der Zuluftventilator, dann der Abluftventilator und schließlich der Rückluftventilator. Beim Ausschalten des Systems schaltet sich zuerst der Abluftventilator ab, dann der Zuluftventilator und schließlich der Rückluftventilator. Dadurch wird eine Kontamination des Reinraums beim Ein- und Ausschalten des Systems verhindert. Das zur Aufrechterhaltung des Überdrucks im Reinraum benötigte Luftvolumen wird hauptsächlich durch die Dichtheit der Wartungsstruktur bestimmt. In der Anfangsphase des Reinraumbaus in China waren aufgrund der mangelhaften Dichtheit der Umhüllung 2- bis 6-mal pro Stunde Luftzufuhr erforderlich, um einen Überdruck von ≥ 5 Pa zu gewährleisten. Mittlerweile hat sich die Dichtheit der Wartungsstruktur deutlich verbessert, sodass nur noch 1- bis 2-mal pro Stunde Luftzufuhr benötigt wird, um denselben Überdruck aufrechtzuerhalten; für einen Überdruck von ≥ 10 Pa genügen sogar 2- bis 3-mal pro Stunde. Die nationalen Konstruktionsnormen schreiben vor, dass die statische Druckdifferenz zwischen Reinräumen unterschiedlicher Reinheitsklassen sowie zwischen Rein- und Nicht-Reinraumbereichen mindestens 0,5 mmH₂O (ca. 5 Pa) betragen muss. Die statische Druckdifferenz zwischen Reinraumbereich und Außenbereich muss mindestens 1,0 mmH₂O (ca. 10 Pa) betragen.
Veröffentlichungsdatum: 03.03.2025