浅谈洁净室设计中的气流建模技术

[2013/12/23]

　　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。例如，在医药、半导体等行业，都需要使用洁净室。

　　首先，在制药和其他与人体健康相关的产业里，经营一个清洁的工作环境，需要花费很高的成本(资金和运行时间)，也只有这样，才能生产出高质量、无污染的产品，保护从事这些工作的人员的安全，并得到FDA等监管机构的认可。

　　其次，机械通风设计对于整个系统能否达到标准的要求，作用极其重要。现在，我们往往是根据过去得到的数据来确定什么是最佳的通风设计原则，而这些数据往往是错的。这些在产业里的一流的企业，倾向于拥有自己的机械专业知识，用它们来检查任何提出来的设计。他们倾向于关注最终结果，而在最后同意之前，会进一步检查最初的设想。

　　为什么要这样做呢?因为洁净室的性能取决于气流、污染源和热源、空气进气口和排气口以及在这些空间里的物体的位置等等之间的相互影响，而它们之间的相互影响是很复杂的。因此，一旦上述任何一个因素发生了改变，都会对结果产生影响，因而根据经验而做出的假设不能成立。

　　在理想情况下，必须考虑以下问题：

　　在建筑之前或者在制作大型模型之前，预先估计洁净环境的性能;

　　能够改变房间的布置，并且要了解这些变化所带来的实际影响;

　　每小时换气次数达到仅仅够用的空气量(节约能量)来满足这些必要条件;

　　在尽可能最短的时间内完成上述这些工作。

　　总之，最重要的是，必须以最低的成本做到上面的这几点。

　　达到上述要求的唯一的科学方法，就是用数值计算的方法来解决问题的物理关系，这种方法称作计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)。在机械通风设计界里，一般把它们称为气流建模技术。

　　为了说明在完成设计之前，这些方法对于弄清楚设计特征的强大作用，我们将考察几个不同的应用实例。这样做的目的是为了说明在建造洁净室和进行测试之前，是无法预先知道这些复杂的气流是什么样的。

　　CFD技术是什么?

　　CFD技术就是数值建模技术，通常用于解决发生在所有实际环境里的复杂气流和热传导的物理关系。流体流动、热传导和相关过程的物理关系都包含在大家所熟知的Navier-Stokes方程式里：

　　其中，很可惜，唯一能够解决所有现实生活环境中这组看似无害的数学方程式的方法，就是使用CFD的数值方法。在上世纪六十年代末，核子工业和航空航天业率先投入了CFD软件项目的开发。但是，由于这些代码非常复杂，并且需要大量的计算机处理能力，所以，它们的用途也就限制在全世界几家最大的公司的研发部门里。然而，随着处理能力很强，但价钱低廉的计算机和用于具体产业的CFD软件的出现，现在，在迅速发展的工程设计领域也可以使用这些技术了。

　　早在1988年，Flomerics公司就已经把这种需求视为行业的焦点，并且针对机械工程师为已经建成的环境设计通风系统的需要，开发了FLOVENT CFD软件，用于气流建模;随后，成立了FLOVENT建模服务事业部，它的唯一工作就是为建筑行业提供培训和咨询服务，这个软件得到了更多的支持。

　　它是如何工作的?

　　在气流建模中，把几万个甚至几十万个单元格(它们描述热、污染源和空气本身的物理几何学)叠加起来，用这个办法来求解Navier Stokes方程式。一个典型的研究实验室，通过对这个实验室的空间进行离散化，把实验室分为几万个或者几十万个单元。

　　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。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，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。

　　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。

　　使用气流建模有以下三个主要好处：

　　如果能够预先发现设计可能存在的缺陷，就可以在厂房施工之

　　对结构进行修改。

　　对于运行中的洁净室，应当能够迅速有效地发现可以改善性能的地方。

　　要能够建立洁净室在各种情况下的模型，其中包括计划中的和运行中的洁净室，这样，就可以非常有信心地选出最经济有效的方案。

　　个案研究举例

　　在很大程度上，传统半导体产品的生产方法，是使用一个能够容纳大型的半导体制造系统的大空间。这种方法用一个通风天花板(它们一般是由HEPA过滤器组成)经由一个静压箱(或一组静压箱)把风送入大空间，想把空气设计成向下的单向流(它通常被不正确地称作层流，其实应该是紊流)。然后气流经过架空的地板格栅，进入地板静压箱，通过这里，它再经过狭窄的回风竖井，送回至空调箱。在这些地板和天花板的静压箱里分配空气，本身就是一个关键问题，但是，在这些例子中，我们把注意力集中在洁净室的本身。

　　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

　　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。

　　这种类型的局部环境，对于整个大空间里的半导体制造来讲，可能是非常重要的，因为，它有可能会导致成品率的损失。在距离设备较近的地方，气流对空气质量的影响很大。意法半导体(ST Microelectronics)公司所提供的这个例子说明了改变局部排风气流速度与格栅长度的效果。空气通过安装在设备顶部天花板的HEPA过滤器送入房间。其目的是提供向下的气流，防止化学药品从清洗槽散布到空气中并到处沉积。从工作表面上方的长形工作台后面吸取空气，局部地消除了所有蒸发的化学药品，而其余的补充进来的空气，则在设备的下面再次流到后面的灰色区域。

　　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。

　　在制药行业的生产过程中，控制气流的类型是极其重要的。在这些例子中，我们看到没有精心设计的气流状态对于产品来说存在很大的风险。这些产品不能被其他物质污染，哪怕一丁点都不行。

　　药水瓶注装室

　　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。

　　这个例子的研究文件显示了最新的优化部分。可以看得出来，在主要的层流区域内，装有新的注装机的现有结构性能很好。然而，有几个关于气流的特性比理想值要小。

　　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。

　　这张图片不够清楚的地方，是临近注装机的柱子后面的向上气流，或者到达注装机上面的高区回风口的向上气流。它们都是潜在的与向下气流相反的紊流扩散的来源。

　　重新设计是一个不断反复进行的过程，它包括检查气流的性质和使用工程判断来修改结构，以解决已经认识到的问题。在这个例子中，消除了高区回风口，并且重新设计了房间开放部分的HEPA过滤器布置图。按照预想的结果，取消了高区回风口后，向上的气流量减少了，同时把HEPA过滤器放在距离高压灭菌器和烤炉更近的地方以保护它们。临近注装线，有选择性的放置风口，也能够减少非层流的风险。

　　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。

　　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

　　许多工厂的工程师认为，经过了重大改进后的多种类型的洁净室结构，不会影响正常的生产过程。工厂的操作人员和设计人员可以通过这项技术，非常容易地提高整个环境的清洁度。

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