淺談潔凈室設計中的氣流建模技術(shù)

　　潔凈室包括小到專(zhuān)用的微型潔凈環(huán)境，大到大型的生產(chǎn)廠(chǎng)房，它們的外形和大小不同，有很多種，在各個(gè)行業(yè)中得到了廣泛的應用。例如，在醫藥、半導體等行業(yè)，都需要使用潔凈室。

　　首先，在制藥和其他與人體健康相關(guān)的產(chǎn)業(yè)里，經(jīng)營(yíng)一個(gè)清潔的工作環(huán)境，需要花費很高的成本(資金和運行時(shí)間)，也只有這樣，才能生產(chǎn)出高質(zhì)量、無(wú)污染的產(chǎn)品，保護從事這些工作的人員的安全，并得到FDA等監管機構的認可。

　　其次，機械通風(fēng)設計對于整個(gè)系統能否達到標準的要求，作用極其重要�，F在，我們往往是根據過(guò)去得到的數據來(lái)確定什么是最佳的通風(fēng)設計原則，而這些數據往往是錯的。這些在產(chǎn)業(yè)里的一流的企業(yè)，傾向于擁有自己的機械專(zhuān)業(yè)知識，用它們來(lái)檢查任何提出來(lái)的設計。他們傾向于關(guān)注最終結果，而在最后同意之前，會(huì )進(jìn)一步檢查最初的設想。

　　為什么要這樣做呢?因為潔凈室的性能取決于氣流、污染源和熱源、空氣進(jìn)氣口和排氣口以及在這些空間里的物體的位置等等之間的相互影響，而它們之間的相互影響是很復雜的。因此，一旦上述任何一個(gè)因素發(fā)生了改變，都會(huì )對結果產(chǎn)生影響，因而根據經(jīng)驗而做出的假設不能成立。

　　在理想情況下，必須考慮以下問(wèn)題：

　　在建筑之前或者在制作大型模型之前，預先估計潔凈環(huán)境的性能;

　　能夠改變房間的布置，并且要了解這些變化所帶來(lái)的實(shí)際影響;

　　每小時(shí)換氣次數達到僅僅夠用的空氣量(節約能量)來(lái)滿(mǎn)足這些必要條件;

　　在盡可能最短的時(shí)間內完成上述這些工作。

　　總之，最重要的是，必須以最低的成本做到上面的這幾點(diǎn)。

　　達到上述要求的唯一的科學(xué)方法，就是用數值計算的方法來(lái)解決問(wèn)題的物理關(guān)系，這種方法稱(chēng)作計算流體動(dòng)力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，CFD)。在機械通風(fēng)設計界里，一般把它們稱(chēng)為氣流建模技術(shù)。

　　為了說(shuō)明在完成設計之前，這些方法對于弄清楚設計特征的強大作用，我們將考察幾個(gè)不同的應用實(shí)例。這樣做的目的是為了說(shuō)明在建造潔凈室和進(jìn)行測試之前，是無(wú)法預先知道這些復雜的氣流是什么樣的。

　　CFD技術(shù)是什么?

　　CFD技術(shù)就是數值建模技術(shù)，通常用于解決發(fā)生在所有實(shí)際環(huán)境里的復雜氣流和熱傳導的物理關(guān)系。流體流動(dòng)、熱傳導和相關(guān)過(guò)程的物理關(guān)系都包含在大家所熟知的Navier-Stokes方程式里：

　　其中，很可惜，唯一能夠解決所有現實(shí)生活環(huán)境中這組看似無(wú)害的數學(xué)方程式的方法，就是使用CFD的數值方法。在上世紀六十年代末，核子工業(yè)和航空航天業(yè)率先投入了CFD軟件項目的開(kāi)發(fā)。但是，由于這些代碼非常復雜，并且需要大量的計算機處理能力，所以，它們的用途也就限制在全世界幾家最大的公司的研發(fā)部門(mén)里。然而，隨著(zhù)處理能力很強，但價(jià)錢(qián)低廉的計算機和用于具體產(chǎn)業(yè)的CFD軟件的出現，現在，在迅速發(fā)展的工程設計領(lǐng)域也可以使用這些技術(shù)了。

　　早在1988年，Flomerics公司就已經(jīng)把這種需求視為行業(yè)的焦點(diǎn)，并且針對機械工程師為已經(jīng)建成的環(huán)境設計通風(fēng)系統的需要，開(kāi)發(fā)了FLOVENT CFD軟件，用于氣流建模;隨后，成立了FLOVENT建模服務(wù)事業(yè)部，它的唯一工作就是為建筑行業(yè)提供培訓和咨詢(xún)服務(wù)，這個(gè)軟件得到了更多的支持。

　　它是如何工作的?

　　在氣流建模中，把幾萬(wàn)個(gè)甚至幾十萬(wàn)個(gè)單元格(它們描述熱、污染源和空氣本身的物理幾何學(xué))疊加起來(lái)，用這個(gè)辦法來(lái)求解Navier Stokes方程式。一個(gè)典型的研究實(shí)驗室，通過(guò)對這個(gè)實(shí)驗室的空間進(jìn)行離散化，把實(shí)驗室分為幾萬(wàn)個(gè)或者幾十萬(wàn)個(gè)單元。

　　這些單元中的每一個(gè)，都可以得到一組方程式，并且用遞推的方法求解，所得到的解滿(mǎn)足能量守恒和質(zhì)量守恒定律。結果是，我們能夠畫(huà)出這個(gè)房間任何一部分氣流的流動(dòng)圖。同時(shí)，根據其他參數，例如溫度，給空氣標出顏色。

　　在這個(gè)設計里，使用全空氣散流器(Total Air Diffuser)，目的是在送風(fēng)散流器處產(chǎn)生低速氣流，把實(shí)驗室里的空氣送至排氣罩。由送風(fēng)口送來(lái)的是繪成藍色的低速氣流。隨著(zhù)氣流速度的提高，空氣的顏色從藍色變成綠色，再變成黃色，最后變成紅色。紅色表示氣流的速度大于0.5m/s(它表示該設計的格柵打開(kāi)時(shí)的平均速度)。當然，從散流器吹來(lái)的冷風(fēng)不會(huì )撞到實(shí)驗室通風(fēng)罩打開(kāi)的格柵上，而是落到了地面。新風(fēng)百頁(yè)風(fēng)口吹來(lái)的暖風(fēng)從排氣罩前飄過(guò)，破壞了對空氣傳播的遏制。圖4通過(guò)把發(fā)煙源放在一個(gè)虛構的盒子的表面，(這個(gè)盒子距離實(shí)驗室的格柵外面大約一英尺遠)，可以顯示從實(shí)驗室排氣罩前流過(guò)的干擾氣流。它不是把可能已經(jīng)污染了的氣流送到排氣罩里，而是用從新風(fēng)百頁(yè)風(fēng)口送過(guò)來(lái)的交叉氣流，把整個(gè)實(shí)驗室都清掃干凈。

　　當我們把送風(fēng)散流器移到排氣罩的另一側時(shí)，就可以清楚地觀(guān)察到設計中微小變化所產(chǎn)生的影響。兩股進(jìn)來(lái)的氣流現在融合在一起，結果是，在排氣罩外面的空氣幾乎完全被實(shí)驗室的排氣罩重新帶走。

　　當然，不但房間的配置會(huì )影響空氣的流動(dòng)，而且，整個(gè)建筑物的結構也會(huì )影響空氣的流動(dòng)。特別是，送風(fēng)靜壓箱、回風(fēng)空間和風(fēng)道豎井都對氣流有相當明顯的影響。

　　使用氣流建模有以下三個(gè)主要好處：

　　如果能夠預先發(fā)現設計可能存在的缺陷，就可以在廠(chǎng)房施工之

　　對結構進(jìn)行修改。

　　對于運行中的潔凈室，應當能夠迅速有效地發(fā)現可以改善性能的地方。

　　要能夠建立潔凈室在各種情況下的模型，其中包括計劃中的和運行中的潔凈室，這樣，就可以非常有信心地選出最經(jīng)濟有效的方案。

　　個(gè)案研究舉例

　　在很大程度上，傳統半導體產(chǎn)品的生產(chǎn)方法，是使用一個(gè)能夠容納大型的半導體制造系統的大空間。這種方法用一個(gè)通風(fēng)天花板(它們一般是由HEPA過(guò)濾器組成)經(jīng)由一個(gè)靜壓箱(或一組靜壓箱)把風(fēng)送入大空間，想把空氣設計成向下的單向流(它通常被不正確地稱(chēng)作層流，其實(shí)應該是紊流)。然后氣流經(jīng)過(guò)架空的地板格柵，進(jìn)入地板靜壓箱，通過(guò)這里，它再經(jīng)過(guò)狹窄的回風(fēng)豎井，送回至空調箱。在這些地板和天花板的靜壓箱里分配空氣，本身就是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，但是，在這些例子中，我們把注意力集中在潔凈室的本身。

　　無(wú)論是什么方案，我們都可以通過(guò)氣流建模來(lái)預先了解它的性能。

　　圖7是在一個(gè)大空間里的層流氣流(laminar airflow，LAF)，除非那個(gè)位置因為距離設備很近而存在干擾(例如，油漆房里的氣流)。五件大型設備中的任何一件都是由三個(gè)部件組成：進(jìn)料器(可以把它看成高的柱子)、光刻機(把它識別為白色立方體)和軌道(它有一個(gè)白色的較低的區域和一個(gè)黑色的較高的區域)。近距離地看看光刻機和軌道之間的區域

　　可以看到，這些設備會(huì )產(chǎn)生令人討厭的空氣環(huán)流。在這個(gè)例子中，這就是在工藝流程之間機械手臂等待芯片的地方。

　　這種類(lèi)型的局部環(huán)境，對于整個(gè)大空間里的半導體制造來(lái)講，可能是非常重要的，因為，它有可能會(huì )導致成品率的損失。在距離設備較近的地方，氣流對空氣質(zhì)量的影響很大。意法半導體(ST Microelectronics)公司所提供的這個(gè)例子說(shuō)明了改變局部排風(fēng)氣流速度與格柵長(cháng)度的效果�？諝馔ㄟ^(guò)安裝在設備頂部天花板的HEPA過(guò)濾器送入房間。其目的是提供向下的氣流，防止化學(xué)藥品從清洗槽散布到空氣中并到處沉積。從工作表面上方的長(cháng)形工作臺后面吸取空氣，局部地消除了所有蒸發(fā)的化學(xué)藥品，而其余的補充進(jìn)來(lái)的空氣，則在設備的下面再次流到后面的灰色區域。

　　顯示了化學(xué)藥品清洗槽上面的氣流。原來(lái)的結構把濃縮液從化學(xué)藥品清洗槽帶過(guò)臺面的上方。

　　從右上角的小圖可以很明顯地看到，當再次循環(huán)流通時(shí)，受到污染的空氣會(huì )穿過(guò)后面的灰色區域，在格柵后面循環(huán)時(shí)也可以看到受到污染的空氣。結果是，化學(xué)藥品變成很細的粉塵沉積在設備上。通過(guò)修改從后面的化學(xué)藥品清洗槽吸出氣流的速度和調整格柵的長(cháng)度，就可以把化學(xué)制品的沉積數量減少到不明顯的水平(圖10)。

　　實(shí)際的設置需要優(yōu)化結構，讓它能夠方便地用氣流模型來(lái)試驗。

　　在制藥行業(yè)的生產(chǎn)過(guò)程中，控制氣流的類(lèi)型是極其重要的。在這些例子中，我們看到?jīng)]有精心設計的氣流狀態(tài)對于產(chǎn)品來(lái)說(shuō)存在很大的風(fēng)險。這些產(chǎn)品不能被其他物質(zhì)污染，哪怕一丁點(diǎn)都不行。

　　藥水瓶注裝室

　　根據HEPA過(guò)濾器布置圖和排氣格柵布置圖的效果，力爭把房間里的向上的氣流降到最小。按照氣流的垂直速度標出顏色，可以看到氣流的情況。這可以使氣流在房間內均勻流動(dòng)(層流)，然后，再設計更好的通風(fēng)。為了提供無(wú)菌環(huán)境，在關(guān)鍵的操作區域，從上方用HEPA過(guò)濾器通風(fēng)。在注裝機的上方和層流罩的里面，通過(guò)高區的回風(fēng)口把空氣從房間里吸出去。然后，通過(guò)HEPA過(guò)濾器過(guò)濾空氣，再次補充給房間。剩余的HEPA過(guò)濾器，則由主廠(chǎng)房提供，抽取房間低區里的回風(fēng)。其他工藝區(例如：高壓滅菌器和烤爐，設在最靠近觀(guān)察器的長(cháng)墻)并沒(méi)有完全覆蓋HEPA過(guò)濾器，因此，會(huì )對氣流的不均勻更加敏感。

　　這個(gè)例子的研究文件顯示了最新的優(yōu)化部分�？梢钥吹贸鰜�(lái)，在主要的層流區域內，裝有新的注裝機的現有結構性能很好。然而，有幾個(gè)關(guān)于氣流的特性比理想值要小。

　　顯示了流經(jīng)主要層流板的空氣。在這張圖片里，流經(jīng)層流罩的空氣碰到地板，并向上折回到LAF自身里，在向上流動(dòng)之前，先經(jīng)過(guò)了高壓滅菌器和烤爐前面的空間。

　　這張圖片不夠清楚的地方，是臨近注裝機的柱子后面的向上氣流，或者到達注裝機上面的高區回風(fēng)口的向上氣流。它們都是潛在的與向下氣流相反的紊流擴散的來(lái)源。

　　重新設計是一個(gè)不斷反復進(jìn)行的過(guò)程，它包括檢查氣流的性質(zhì)和使用工程判斷來(lái)修改結構，以解決已經(jīng)認識到的問(wèn)題。在這個(gè)例子中，消除了高區回風(fēng)口，并且重新設計了房間開(kāi)放部分的HEPA過(guò)濾器布置圖。按照預想的結果，取消了高區回風(fēng)口后，向上的氣流量減少了，同時(shí)把HEPA過(guò)濾器放在距離高壓滅菌器和烤爐更近的地方以保護它們。臨近注裝線(xiàn)，有選擇性的放置風(fēng)口，也能夠減少非層流的風(fēng)險。

　　同樣的，一個(gè)能在LAF中減少向上的氣流的辦法是要在低于LAF的房間拐角處安排局部排氣。

　　這樣就可以減少橫穿地板向注裝線(xiàn)流動(dòng)的空氣量，從而減少那里的向上的氣流。

　　結論

　　許多工廠(chǎng)的工程師認為，經(jīng)過(guò)了重大改進(jìn)后的多種類(lèi)型的潔凈室結構，不會(huì )影響正常的生產(chǎn)過(guò)程。工廠(chǎng)的操作人員和設計人員可以通過(guò)這項技術(shù)，非常容易地提高整個(gè)環(huán)境的清潔度。