洁净室控制的几个热点问题（1）--气流速度

二 . 气流速度
2.1 有关推荐或参考值的应用
 洁净室内一定洁净度下气流速度的确定，随洁净室用途等具体情况而异，它不仅受室内发尘量及过滤器效率还受其他因素影响，就工业洁净室而言，影响洁净度及选择气流速度的因素主要是：
(1) 室内污染源：建筑物组件、人员数量及操作活动、工艺设备、工艺材料及工艺加工本身等都是尘粒释放源，根据具体情况而异，变化很大；
(2) 室内气流流型及分布：单向流要求均匀、平等的流线，但会受到工艺设备布置和位置变动及人员活动情况等的干扰形成局部涡流；而非单向流要求充混合，避免死角及温度分层；
(3) 自净时间（恢复时间）的控制要求：洁净室中事故释放或带入污染物或空气气流的中断或正常操作时的间歇性对流气流或人及设备的移动等都会造成洁净度的恶化，恢复到原来洁净度的自净时间决定于气流速度；对自净时间的控制要求取决于此时间框架内（恶化的洁净度下），对产品生产的质量及成品率影响的承受能力；
(4) 末级过滤器的效率：在一定的室内发尘量下，可采用较率的过滤器以降低气流速度；为节能应考虑采用较率的过滤器，并降低气流速度，或采用较低效率的过滤器并采用较高的气流速度，以求流量与阻力的乘积zui小；
(5) 经济性考虑：过大的气流速度造成投资及运行费用的增加，合适的气流速度为以上诸因素合理的综合，过大往往不必要，亦不一定有效果；
(6) 对洁净度要求低的洁净室，有时换气次数决定于室内排热的要求。
以上因素，皆很难量化，只能分析对比并估计。因此在工程应用中，对洁净室的气流速度往往参照有关规范、导则等的推荐或参考值，再按具体情况估计以上各影响因素进行综合考虑后确定。
气流速度用于单向流洁净室；非单向流洁净室宜用换气次数，因为其气流速度难于测准；亦有用末级过滤满布率来反映的，可用于各种气流流型的洁净室，一般满布率* 相对于流速 0.5m/s （ 100fpm ）， 25% 相对于 0.125m/s （ 25fpm ）。当前有关规范、导则等的推荐或参考值见表 1 。
注： 1 、 ISO14644-4 对于气流速度 / 换气次数是明确作为参考资料的，表中所列仅适用于微电子及 IC 工厂；对制药厂只列 ISO5 级气流速度 >0.2m/s ，对ISO6 ～ 8 级皆未列出参考值。
2 、（ M ）指混合流， N 指非单向流； * 指对污染源已采取有效的隔离措施的洁净区。
表 1 中有关气流速度和换气次数的推荐或参考值，应该说是经验的反映。如 ISO/DIS14664-4 提出的数值皆明确适用于那类洁净室的； IEST 的推荐值亦是被一些机构认为仅适用于半导体工厂。由于具体情况变化较大，有的经验值可能已不适合当前的室内尘源控制措施及过滤器效率提高的情况。
2.2 对有关推荐或参考值的讨论
近年来不少人通过实验认为这些推荐或参考值过于保守，其论点可归纳为：
(1) 洁净室内气流的横向扩散只在甚低的流速下才有可能，单向流在合理的气流组织下，流速 0.05 ～ 0.1m/s 就足够带走污染物，在此流速下亚微米粒子的扩散性能远低于对流性能；而大于 0.36m/s 的气流速度反而易千百万涡流，引起污染物的再卷入。因此，洁净室的理想自净时间 Tr= 体积 / 流率，到一定值后由于污染物的再卷入，再增大气流速度，实际的 Tr 并不再有明显的减少。
(2) 末级过滤器的效率对洁净度的影响是值得起注意的。有的气流速度 / 换气次数推荐或参考值对末级过滤器效率提高的因素往往没作考虑。当前HEPA/ULPA 的效率从 99.67% 、 99.99% 、 99.999% 、 99.9995% 直至 8 个 9 以上都可选择。其效率对气流速度的影响除以上已提及外，以下方面亦值得引起注意，在非单向流情况下，按衡释原理的洁净室内含尘浓度稳定公式可以得出：
(a) 室内发尘量较高时，末级过滤器效率的变化对洁净度影响甚微，因此在这种情况下，过高的过滤效率是无必要的。
(b) 室内发生尘量较低的情况下，采用低的气流速度下，末级过滤器效率的变速器变化，对洁净度的影响增大。
以上情况可以引用的图 1a ～ 1c 看出。
作图有关数据：
新风进末过滤器前的含尘浓度 1.75×106 个 /m3
室内发生量 :G1=350 个 /m3.min
G2=3500 个 /m3.min
G3=35000 个 /m3.min
G4=350000 个 /m3.min
新风量对于全空气量的比率 0.03
当前有的 IC 工厂其 ISO5 级 (0.3μm) 的洁净室，采用 FFU 系统 , 带 ULPA(99.9995%,0.12μm) ，出口风速为 0.38m/s ，其满布率为 25% ，这样室内平均气流速度为 0.095m/s ，在各有关推荐或参考值的下限下。此洁净室的工艺加工在微环境内洁净室内的人员亦较少，可以认为洁净室内发生较低，这种情况下采用低的气流速度可能是可取的。
据报道，目前 IEST 对洁净室内气流速度推荐值的下限有所降低，如：
≤ISO5 级：气流速度 0.2 ～ 0.5m/s ；
ISO6 级或 5 级（非单向流）；换气次数＞ 200 次 /h ；
ISO7 级：换气次数 20 ～ 200 次 /h;
ISO8 级：换气次数 2 ～ 20 次 /h;