ANALISI DI BASE DELLA CAMERA BIANCA

Introduzione

La camera bianca è la base del controllo dell'inquinamento. Senza una camera bianca, i componenti sensibili all'inquinamento non possono essere prodotti in serie. Nel FED-STD-2, la camera bianca è definita come una stanza dotata di filtrazione, distribuzione e ottimizzazione dell'aria, materiali da costruzione e attrezzature, in cui vengono utilizzate specifiche procedure operative regolari per controllare la concentrazione di particelle sospese nell'aria e raggiungere il livello di pulizia delle particelle appropriato.

Per ottenere un buon effetto di pulizia in una camera bianca, è necessario non solo concentrarsi sull'adozione di ragionevoli misure di purificazione dell'aria condizionata, ma anche richiedere che i processi, la costruzione e altre specializzazioni adottino misure corrispondenti: non solo una progettazione ragionevole, ma anche una costruzione e un'installazione accurate in conformità con le specifiche, nonché un corretto utilizzo della camera bianca e una manutenzione e gestione scientifica. Per ottenere buoni risultati in una camera bianca, molta letteratura nazionale ed estera è stata esposta da diverse prospettive. Infatti, è difficile raggiungere un coordinamento ideale tra diverse specializzazioni, ed è difficile per i progettisti comprendere la qualità della costruzione e dell'installazione, nonché l'utilizzo e la gestione, soprattutto quest'ultima. Per quanto riguarda le misure di purificazione in una camera bianca, molti progettisti, o persino i costruttori, spesso non prestano sufficiente attenzione alle condizioni necessarie, con conseguente effetto di pulizia insoddisfacente. Questo articolo discute solo brevemente le quattro condizioni necessarie per raggiungere i requisiti di pulizia nelle misure di purificazione in una camera bianca.

1. Pulizia dell'aria di alimentazione

Per garantire che la pulizia dell'aria in ingresso soddisfi i requisiti, è fondamentale che il filtro finale del sistema di purificazione sia installato correttamente e che sia correttamente funzionante.

Selezione del filtro

Il filtro finale del sistema di purificazione adotta generalmente un filtro HEPA o un filtro sub-HEPA. Secondo gli standard del mio Paese, l'efficienza dei filtri HEPA è suddivisa in quattro gradi: Classe A ≥99,9%, Classe B ≥99,9%, Classe C ≥99,999%, Classe D (per particelle ≥0,1μm) ≥99,999% (noti anche come filtri ultra-HEPA); i filtri sub-HEPA (per particelle ≥0,5μm) sono 95~99,9%. Maggiore è l'efficienza, più costoso è il filtro. Pertanto, nella scelta di un filtro, non dovremmo solo soddisfare i requisiti di pulizia dell'aria di mandata, ma considerare anche la razionalità economica.

Dal punto di vista dei requisiti di pulizia, il principio è quello di utilizzare filtri a basse prestazioni per camere bianche di basso livello e filtri ad alte prestazioni per camere bianche di alto livello. In generale: i filtri ad alta e media efficienza possono essere utilizzati per il livello 1 milione; i filtri sub-hepa o hepa di Classe A possono essere utilizzati per livelli inferiori alla classe 10.000; i filtri di Classe B possono essere utilizzati per livelli da 10.000 a 100; e i filtri di Classe C possono essere utilizzati per livelli da 100 a 1. Sembra che ci siano due tipi di filtri tra cui scegliere per ciascun livello di pulizia. La scelta tra filtri ad alte prestazioni o a basse prestazioni dipende dalla situazione specifica: quando l'inquinamento ambientale è grave, o il rapporto di estrazione interna è elevato, o la camera bianca è particolarmente importante e richiede un fattore di sicurezza maggiore, in questi o in uno di questi casi, è necessario selezionare un filtro di classe elevata; in caso contrario, è possibile selezionare un filtro a prestazioni inferiori. Per le camere bianche che richiedono il controllo di particelle da 0,1 μm, è necessario selezionare filtri di Classe D indipendentemente dalla concentrazione di particelle controllata. Quanto sopra è solo dal punto di vista del filtro. Infatti, per scegliere un buon filtro, è necessario considerare attentamente anche le caratteristiche della camera bianca, del filtro e del sistema di purificazione.

Installazione del filtro

Per garantire la purezza dell'aria di mandata, non è sufficiente disporre solo di filtri qualificati, ma è anche necessario garantire: a. che il filtro non venga danneggiato durante il trasporto e l'installazione; b. che l'installazione sia a tenuta stagna. Per raggiungere il primo punto, il personale addetto alla costruzione e all'installazione deve essere ben formato, con conoscenze sull'installazione di sistemi di purificazione e competenze di installazione specifiche. In caso contrario, sarà difficile garantire che il filtro non venga danneggiato. Ci sono insegnamenti profondi a questo proposito. In secondo luogo, il problema della tenuta stagna dell'installazione dipende principalmente dalla qualità della struttura di installazione. Il manuale di progettazione generalmente raccomanda: per un singolo filtro, si utilizza un'installazione di tipo aperto, in modo che, anche in caso di perdite, non si riversino nell'ambiente; utilizzando un'uscita aria HEPA finita, la tenuta è anche più facile da garantire. Per l'aria di più filtri, negli ultimi anni si sono spesso utilizzate guarnizioni in gel e guarnizioni a pressione negativa.

La guarnizione in gel deve garantire la tenuta stagna del giunto del serbatoio del liquido e che l'intero telaio sia sullo stesso piano orizzontale. La sigillatura a pressione negativa serve a mantenere la periferia esterna del giunto tra il filtro, la scatola di pressione statica e il telaio in uno stato di pressione negativa. Come nell'installazione di tipo aperto, anche in caso di perdite, queste non si riverseranno nell'ambiente. Infatti, finché il telaio di installazione è piatto e la superficie terminale del filtro è a contatto uniforme con il telaio di installazione, dovrebbe essere facile far sì che il filtro soddisfi i requisiti di tenuta in qualsiasi tipo di installazione.

2. Organizzazione del flusso d'aria

L'organizzazione del flusso d'aria di una camera bianca è diversa da quella di una normale stanza climatizzata. Richiede che l'aria più pulita venga immessa prima nell'area operativa. La sua funzione è quella di limitare e ridurre l'inquinamento degli oggetti in lavorazione. A tal fine, è necessario considerare i seguenti principi nella progettazione dell'organizzazione del flusso d'aria: ridurre al minimo le correnti parassite per evitare di portare inquinamento dall'esterno dell'area di lavoro all'interno dell'area di lavoro; cercare di impedire la dispersione di polvere secondaria per ridurre la possibilità che la polvere contamini il pezzo in lavorazione; il flusso d'aria nell'area di lavoro deve essere il più uniforme possibile e la sua velocità deve soddisfare i requisiti di processo e di igiene. Quando il flusso d'aria fluisce verso l'uscita dell'aria di ritorno, la polvere presente nell'aria deve essere efficacemente rimossa. Scegliere diverse modalità di mandata e ritorno dell'aria in base ai diversi requisiti di pulizia.

Le diverse organizzazioni del flusso d'aria hanno caratteristiche e ambiti propri:

(1). Flusso unidirezionale verticale

Oltre ai comuni vantaggi di ottenere un flusso d'aria uniforme verso il basso, facilitare la disposizione delle apparecchiature di processo, una forte capacità di autopurificazione e semplificare le strutture comuni come i sistemi di purificazione personale, i quattro metodi di alimentazione dell'aria presentano anche vantaggi e svantaggi specifici: i filtri HEPA completamente coperti presentano i vantaggi di una bassa resistenza e di un lungo ciclo di sostituzione del filtro, ma la struttura del soffitto è complessa e il costo è elevato; i vantaggi e gli svantaggi dell'alimentazione dall'alto del filtro HEPA con copertura laterale e dell'alimentazione dall'alto della piastra a foro pieno sono opposti a quelli dell'alimentazione dall'alto del filtro HEPA completamente coperto. Tra questi, l'alimentazione dall'alto della piastra a foro pieno favorisce l'accumulo di polvere sulla superficie interna della piastra a foro pieno quando il sistema non è in funzionamento continuo e una scarsa manutenzione influisce sulla pulizia; l'alimentazione dall'alto del diffusore denso richiede uno strato di miscelazione, quindi è adatta solo per camere bianche alte oltre i 4 m e le sue caratteristiche sono simili all'alimentazione dall'alto della piastra a foro pieno; il metodo di ritorno dell'aria per la piastra con griglie su entrambi i lati e le uscite dell'aria di ritorno disposte uniformemente nella parte inferiore delle pareti opposte è adatto solo per camere bianche con una spaziatura netta inferiore a 6 m su entrambi i lati; le uscite dell'aria di ritorno disposte nella parte inferiore della parete monolaterale sono adatte solo per camere bianche con una piccola distanza tra le pareti (ad esempio ≤<2~3 m).

(2). Flusso unidirezionale orizzontale

Solo la prima area di lavoro può raggiungere il livello di pulizia 100. Quando l'aria fluisce verso l'altro lato, la concentrazione di polvere aumenta gradualmente. Pertanto, è adatto solo per camere bianche con requisiti di pulizia diversi per lo stesso processo nella stessa stanza. La distribuzione locale di filtri HEPA sulla parete di mandata dell'aria può ridurre l'uso di filtri HEPA e risparmiare sull'investimento iniziale, ma sono presenti vortici in aree locali.

(3). Flusso d'aria turbolento

Le caratteristiche dell'erogazione dall'alto delle piastre a orifizio e dell'erogazione dall'alto dei diffusori densi sono le stesse di quelle sopra menzionate: i vantaggi dell'erogazione laterale sono la facilità di installazione delle tubazioni, l'assenza di interstrato tecnico, il basso costo e la possibilità di ristrutturare vecchi stabilimenti. Gli svantaggi sono l'elevata velocità del vento nell'area di lavoro e la maggiore concentrazione di polvere sul lato sottovento rispetto a quello sopravento; l'erogazione dall'alto delle bocchette del filtro HEPA presenta i vantaggi di un sistema semplice, senza tubazioni dietro il filtro HEPA e con un flusso d'aria pulita erogato direttamente nell'area di lavoro, ma il flusso d'aria pulita si diffonde lentamente e il flusso d'aria nell'area di lavoro è più uniforme; tuttavia, quando più bocchette dell'aria sono disposte uniformemente o vengono utilizzate bocchette dell'aria con filtro HEPA e diffusori, anche il flusso d'aria nell'area di lavoro può essere reso più uniforme; tuttavia, quando il sistema non è in funzione in modo continuo, il diffusore è soggetto ad accumulo di polvere.

Quanto sopra esposto è in condizioni ideali ed è raccomandato dalle specifiche nazionali, dagli standard o dai manuali di progettazione pertinenti. Nei progetti reali, l'organizzazione del flusso d'aria non è ben progettata a causa di condizioni oggettive o di ragioni soggettive del progettista. Tra le soluzioni più comuni figurano: il flusso unidirezionale verticale adotta l'aria di ritorno dalla parte inferiore delle due pareti adiacenti, la classe locale 100 adotta la mandata e il ritorno superiori (ovvero, non viene aggiunta alcuna tenda sospesa sotto l'uscita dell'aria locale) e le camere bianche turbolente adottano l'uscita dell'aria con filtro HEPA, mandata superiore e ritorno superiore o ritorno inferiore monolaterale (maggiore distanza tra le pareti), ecc. Questi metodi di organizzazione del flusso d'aria sono stati misurati e la maggior parte del loro livello di pulizia non soddisfa i requisiti di progettazione. A causa delle attuali specifiche per l'accettazione a vuoto o statica, alcune di queste camere bianche raggiungono a malapena il livello di pulizia progettato in condizioni di vuoto o statica, ma la capacità di interferenza anti-inquinamento è molto bassa e, una volta che la camera bianca entra in funzione, non soddisfa i requisiti.

La corretta organizzazione del flusso d'aria dovrebbe essere realizzata con tende che scendono fino all'altezza dell'area di lavoro nell'area locale, e la classe 100.000 non dovrebbe adottare mandata e ripresa superiori. Inoltre, la maggior parte delle fabbriche produce attualmente bocchette d'aria ad alta efficienza con diffusori, i cui diffusori sono solo piastre decorative e non svolgono la funzione di diffusione del flusso d'aria. Progettisti e utenti dovrebbero prestare particolare attenzione a questo aspetto.

3. Volume di alimentazione dell'aria o velocità dell'aria

Un volume di ventilazione sufficiente serve a diluire e rimuovere l'aria inquinata interna. In base ai diversi requisiti di pulizia, quando l'altezza netta della camera bianca è elevata, la frequenza di ventilazione deve essere opportunamente aumentata. Tra questi, il volume di ventilazione della camera bianca di livello 1 milione è considerato in base al sistema di purificazione ad alta efficienza, mentre il resto è considerato in base al sistema di purificazione ad alta efficienza; quando i filtri HEPA della camera bianca di classe 100.000 sono concentrati nella sala macchine o i filtri sub-HEPA vengono utilizzati alla fine del sistema, la frequenza di ventilazione può essere opportunamente aumentata del 10-20%.

Per i valori raccomandati per il volume di ventilazione sopra indicati, l'autore ritiene che: la velocità del vento attraverso la sezione della camera bianca a flusso unidirezionale sia bassa e che la camera bianca turbolenta abbia un valore raccomandato con un fattore di sicurezza sufficiente. Flusso unidirezionale verticale ≥ 0,25 m/s, flusso unidirezionale orizzontale ≥ 0,35 m/s. Sebbene i requisiti di pulizia possano essere soddisfatti quando testati in condizioni vuote o statiche, la capacità anti-inquinamento è scarsa. Una volta che la stanza entra in funzione, la pulizia potrebbe non soddisfare i requisiti. Questo tipo di esempio non è un caso isolato. Allo stesso tempo, non ci sono ventilatori adatti ai sistemi di purificazione nella serie di ventilatori del mio Paese. In genere, i progettisti spesso non effettuano calcoli accurati della resistenza dell'aria del sistema o non si accorgono se il ventilatore selezionato si trova in un punto di lavoro più favorevole sulla curva caratteristica, con conseguente mancato raggiungimento del valore di progetto del volume d'aria o della velocità del vento poco dopo la messa in funzione del sistema. La norma federale statunitense (FS209A~B) stabilisce che la velocità del flusso d'aria di una camera bianca unidirezionale attraverso la sezione trasversale della camera bianca è solitamente mantenuta a 90 piedi/min (0,45 m/s) e che la non uniformità della velocità è compresa entro ±20% in assenza di interferenze nell'intera stanza. Qualsiasi diminuzione significativa della velocità del flusso d'aria aumenterà la possibilità di tempi di autopulizia e di inquinamento tra le postazioni di lavoro (dopo la promulgazione della norma FS209C nell'ottobre 1987, non sono state emanate normative per tutti gli indicatori di parametro, fatta eccezione per la concentrazione di polvere).

Per questo motivo, l'autore ritiene opportuno aumentare opportunamente l'attuale valore di progetto nazionale della velocità di flusso unidirezionale. La nostra unità lo ha fatto in progetti reali e l'effetto è relativamente buono. Le camere bianche turbolente hanno un valore raccomandato con un fattore di sicurezza relativamente sufficiente, ma molti progettisti non ne sono ancora certi. Quando si elaborano progetti specifici, aumentano il volume di ventilazione di una camera bianca di classe 100.000 a 20-25 volte/h, di una camera bianca di classe 10.000 a 30-40 volte/h e di una camera bianca di classe 1000 a 60-70 volte/h. Ciò non solo aumenta la capacità delle apparecchiature e l'investimento iniziale, ma aumenta anche i costi futuri di manutenzione e gestione. In realtà, non è necessario farlo. Durante la compilazione delle misure tecniche di depurazione dell'aria del mio Paese, sono state studiate e misurate più di una camera bianca di classe 100 in Cina. Molte camere bianche sono state testate in condizioni dinamiche. I risultati hanno mostrato che i volumi di ventilazione delle camere bianche di classe 100.000 ≥10 volte/h, delle camere bianche di classe 10.000 ≥20 volte/h e delle camere bianche di classe 1000 ≥50 volte/h possono soddisfare i requisiti. Lo standard federale statunitense (FS2O9A~B) stabilisce: per le camere bianche non unidirezionali (classe 100.000, classe 10.000), con altezza compresa tra 2,44 e 3,66 m, si considera solitamente che l'intera stanza venga ventilata almeno una volta ogni 3 minuti (ovvero 20 volte/h). Pertanto, le specifiche di progettazione hanno tenuto conto di un ampio coefficiente di surplus e il progettista può scegliere in sicurezza in base al valore raccomandato per il volume di ventilazione.

4. Differenza di pressione statica

Mantenere una certa pressione positiva in una camera bianca è una delle condizioni essenziali per garantire che la camera bianca non sia inquinata o lo sia il meno possibile, in modo da mantenere il livello di pulizia previsto. Anche per le camere bianche a pressione negativa, è necessario disporre di stanze o suite adiacenti con un livello di pulizia non inferiore al proprio livello per mantenere una certa pressione positiva, in modo da poter mantenere la pulizia della camera bianca a pressione negativa.

Il valore di pressione positiva della camera bianca si riferisce al valore in cui la pressione statica interna è maggiore della pressione statica esterna quando tutte le porte e le finestre sono chiuse. Si ottiene facendo sì che il volume d'aria immesso dal sistema di purificazione sia maggiore del volume d'aria di ritorno e di quella di espulsione. Per garantire il valore di pressione positiva della camera bianca, le ventole di mandata, di ripresa e di espulsione sono preferibilmente interbloccate. All'accensione del sistema, viene avviata per prima la ventola di mandata, poi vengono avviate le ventole di ripresa e di espulsione; allo spegnimento del sistema, viene spenta per prima la ventola di espulsione, quindi vengono spente le ventole di ripresa e di mandata, per evitare che la camera bianca venga contaminata durante l'accensione e lo spegnimento del sistema.

Il volume d'aria necessario per mantenere la pressione positiva della camera bianca è determinato principalmente dall'ermeticità della struttura di manutenzione. Agli albori della costruzione di camere bianche nel mio Paese, a causa della scarsa ermeticità della struttura di contenimento, era necessario un flusso d'aria da 2 a 6 volte/ora per mantenere una pressione positiva ≥5 Pa; attualmente, l'ermeticità della struttura di manutenzione è stata notevolmente migliorata e per mantenere la stessa pressione positiva è necessario un flusso d'aria da 1 a 2 volte/ora; e per mantenere una pressione ≥10 Pa è necessario un flusso d'aria da 2 a 3 volte/ora.

Le specifiche di progettazione del mio Paese [6] stabiliscono che la differenza di pressione statica tra camere bianche di diverso grado e tra aree pulite e aree non pulite non deve essere inferiore a 0,5 mm H2O (~5 Pa), e la differenza di pressione statica tra l'area pulita e l'esterno non deve essere inferiore a 1,0 mm H2O (~10 Pa). L'autore ritiene che questo valore sembri troppo basso per tre motivi:

(1) La pressione positiva si riferisce alla capacità di una camera bianca di sopprimere l'inquinamento dell'aria interna attraverso gli spazi tra porte e finestre, o di ridurre al minimo gli inquinanti che penetrano nella stanza quando porte e finestre vengono aperte per un breve periodo. L'entità della pressione positiva indica l'intensità della capacità di soppressione dell'inquinamento. Naturalmente, maggiore è la pressione positiva, migliore è l'effetto (di cui parleremo più avanti).

(2) Il volume d'aria richiesto per la pressione positiva è limitato. Il volume d'aria richiesto per una pressione positiva di 5 Pa e una pressione positiva di 10 Pa differisce solo di circa 1 volta/ora. Perché non farlo? Ovviamente, è meglio considerare 10 Pa come limite inferiore della pressione positiva.

(3) Lo standard federale statunitense (FS209A~B) stabilisce che, quando tutti gli ingressi e le uscite sono chiusi, la differenza minima di pressione positiva tra la camera bianca e qualsiasi area adiacente a bassa pulizia è di 0,05 pollici di colonna d'acqua (12,5 Pa). Questo valore è stato adottato da molti paesi. Tuttavia, il valore di pressione positiva della camera bianca non è tanto più elevato quanto migliore. Secondo i test ingegneristici effettivi della nostra unità, condotti per oltre 30 anni, quando il valore di pressione positiva è ≥ 30 Pa, è difficile aprire la porta. Se si chiude la porta con noncuranza, si sentirà un botto! Spaventerà le persone. Quando il valore di pressione positiva è ≥ 50~70 Pa, gli spazi tra porte e finestre produrranno un fischio e le persone deboli o con sintomi inappropriati si sentiranno a disagio. Tuttavia, le specifiche o gli standard pertinenti di molti paesi, sia in patria che all'estero, non specificano il limite superiore di pressione positiva. Di conseguenza, molte unità cercano solo di soddisfare i requisiti del limite inferiore, indipendentemente da quanto sia elevato il limite superiore. Nella camera bianca effettivamente esaminata dall'autore, il valore di pressione positiva può raggiungere i 100 Pa o più, con conseguenti effetti molto negativi. In realtà, regolare la pressione positiva non è un'operazione difficile. È possibile controllarla entro un certo intervallo. Esiste un documento che afferma che un certo paese dell'Europa orientale stabilisce un valore di pressione positiva compreso tra 1 e 3 mm H2O (circa 10~30 Pa). L'autore ritiene che questo intervallo sia più appropriato.