ANALISI PRINCIPALE DELLA CAMERA BIANCA

Introduzione

La camera bianca è fondamentale per il controllo dell'inquinamento. Senza una camera bianca, non è possibile produrre in serie componenti sensibili all'inquinamento. Nella norma FED-STD-2, la camera bianca è definita come un locale dotato di sistemi di filtrazione, distribuzione e ottimizzazione dell'aria, materiali da costruzione e attrezzature specifiche, in cui vengono utilizzate procedure operative standard per controllare la concentrazione di particelle aerodisperse e raggiungere il livello di pulizia delle particelle desiderato.

Per ottenere un buon livello di pulizia in una camera bianca, è necessario non solo concentrarsi sull'adozione di misure di purificazione dell'aria adeguate, ma anche richiedere che processi, costruzioni e altre specialità adottino misure corrispondenti: non solo una progettazione razionale, ma anche una costruzione e un'installazione accurate in conformità alle specifiche, nonché un uso corretto della camera bianca e una manutenzione e gestione scientifiche. Per ottenere un buon risultato in una camera bianca, sono state elaborate numerose pubblicazioni nazionali e internazionali da diverse prospettive. In realtà, è difficile raggiungere un coordinamento ideale tra le diverse specialità, ed è difficile per i progettisti comprendere la qualità della costruzione e dell'installazione, così come l'uso e la gestione, soprattutto quest'ultima. Per quanto riguarda le misure di purificazione delle camere bianche, molti progettisti, o persino le imprese di costruzione, spesso non prestano sufficiente attenzione alle condizioni necessarie, con conseguente risultato di pulizia insoddisfacente. Questo articolo discute brevemente le quattro condizioni necessarie per raggiungere i requisiti di pulizia nelle misure di purificazione delle camere bianche.

1. Pulizia dell'aria immessa

Per garantire che la purezza dell'aria immessa soddisfi i requisiti, la chiave sta nelle prestazioni e nell'installazione del filtro finale del sistema di purificazione.

Selezione 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 classi: Classe A ≥99,9%, Classe B ≥99,9%, Classe C ≥99,999%, Classe D (per particelle ≥0,1 μm) ≥99,999% (noti anche come filtri ultra-HEPA); i filtri sub-HEPA (per particelle ≥0,5 μm) hanno un'efficienza compresa tra il 95% e il 99,9%. Maggiore è l'efficienza, più costoso è il filtro. Pertanto, nella scelta di un filtro, non bisogna considerare solo i requisiti di purezza dell'aria immessa, ma anche la razionalità economica.

Dal punto di vista dei requisiti di pulizia, il principio è quello di utilizzare filtri a bassa efficienza per le camere bianche di basso livello e filtri ad alta efficienza per le camere bianche di alto livello. In generale: per il livello 1 milione si possono utilizzare filtri ad alta e media efficienza; per livelli inferiori a 10.000 si possono utilizzare filtri sub-HEPA o HEPA di Classe A; per livelli da 10.000 a 100 si possono utilizzare filtri di Classe B; e per livelli da 100 a 100 si possono utilizzare filtri di Classe C. Sembra che per ogni livello di pulizia ci siano due tipi di filtri tra cui scegliere. La scelta tra filtri ad alta o bassa efficienza 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 si dovrebbe scegliere un filtro di alta classe; altrimenti, si può scegliere un filtro a bassa efficienza. Per le camere bianche che richiedono il controllo di particelle di 0,1 μm, si dovrebbero scegliere filtri di Classe D indipendentemente dalla concentrazione di particelle da controllare. Quanto detto finora si riferisce unicamente al filtro. Infatti, per scegliere un buon filtro, è necessario considerare appieno anche le caratteristiche della camera bianca, del filtro stesso e del sistema di purificazione.

Installazione del filtro

Per garantire la pulizia dell'aria immessa, non è sufficiente disporre di filtri di qualità, ma è necessario anche assicurarsi che: a. Il filtro non venga danneggiato durante il trasporto e l'installazione; b. L'installazione sia a tenuta stagna. Per raggiungere il primo punto, il personale addetto alla costruzione e all'installazione deve essere ben addestrato, con conoscenze specifiche sull'installazione di sistemi di purificazione e competenze di installazione qualificate. In caso contrario, sarà difficile garantire che il filtro non venga danneggiato. A questo proposito, ci sono importanti insegnamenti da trarre. 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 a vista, in modo che anche in caso di perdite, l'acqua non fuoriesca nell'ambiente; l'utilizzo di un'uscita dell'aria HEPA preassemblata facilita inoltre il raggiungimento della tenuta stagna. Per l'aria immessa in sistemi con più filtri, negli ultimi anni si utilizzano spesso guarnizioni in gel e guarnizioni a pressione negativa.

La guarnizione in gel deve garantire che la giunzione del serbatoio del liquido sia a tenuta stagna e che l'intera struttura si trovi sullo stesso piano orizzontale. La tenuta a pressione negativa consiste nel creare una pressione negativa lungo la periferia esterna della giunzione tra il filtro, la scatola a pressione statica e il telaio. Come nell'installazione a cielo aperto, anche in caso di perdite, queste non si diffonderanno nell'ambiente. In effetti, purché il telaio di installazione sia piano e la superficie terminale del filtro sia a contatto uniforme con il telaio, dovrebbe essere facile garantire 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 in una camera bianca è diversa da quella di una normale stanza climatizzata. Richiede che l'aria più pulita venga convogliata per prima nell'area operativa. La sua funzione è quella di limitare e ridurre la contaminazione degli oggetti in lavorazione. A tal fine, nella progettazione dell'organizzazione del flusso d'aria è necessario considerare i seguenti principi: minimizzare le correnti parassite per evitare di introdurre contaminanti dall'esterno dell'area di lavoro; cercare di prevenire la dispersione secondaria di polvere per ridurre il rischio di contaminazione del pezzo; il flusso d'aria nell'area di lavoro deve essere il più uniforme possibile e la sua velocità deve essere conforme ai requisiti di processo e di igiene. Quando il flusso d'aria viene espulso attraverso l'uscita di ricircolo, la polvere presente nell'aria deve essere efficacemente rimossa. Scegliere diverse modalità di immissione e ricircolo dell'aria in base ai diversi requisiti di pulizia.

Le diverse organizzazioni per la gestione dei flussi d'aria presentano caratteristiche e ambiti di applicazione specifici:

(1). Flusso unidirezionale verticale

Oltre ai vantaggi comuni di ottenere un flusso d'aria uniforme verso il basso, facilitare la disposizione delle apparecchiature di processo, avere una forte capacità di autopurificazione e semplificare le strutture comuni come le strutture di purificazione personali, i quattro metodi di alimentazione dell'aria hanno anche i propri vantaggi e svantaggi: i filtri HEPA a copertura totale hanno i vantaggi di bassa resistenza e 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 con filtro HEPA a copertura laterale e dell'alimentazione dall'alto con piastra a fori pieni sono opposti a quelli dell'alimentazione dall'alto con filtro HEPA a copertura totale. Tra questi, l'alimentazione dall'alto con piastra a fori pieni tende ad accumulare polvere sulla superficie interna della piastra forata quando il sistema non è in funzione continua e una scarsa manutenzione ha un certo impatto sulla pulizia; l'alimentazione dall'alto con 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 con piastra a fori pieni; Il metodo di ripresa dell'aria con piastra dotata di griglie su entrambi i lati e bocchette di ripresa dell'aria disposte uniformemente nella parte inferiore delle pareti opposte è adatto solo per camere bianche con una distanza netta inferiore a 6 m su entrambi i lati; le bocchette di ripresa dell'aria disposte nella parte inferiore della parete su un solo lato 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 dall'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 dei filtri HEPA sulla parete di immissione dell'aria può ridurre l'utilizzo di filtri HEPA e risparmiare sull'investimento iniziale, ma si possono creare vortici in aree localizzate.

(3). Flusso d'aria turbolento

Le caratteristiche della distribuzione dall'alto delle piastre forate e della distribuzione dall'alto dei diffusori densi sono le stesse menzionate in precedenza: i vantaggi della distribuzione laterale sono la facilità di installazione delle tubazioni, l'assenza di strati intermedi tecnici, il basso costo e la convenienza per la ristrutturazione di vecchi stabilimenti. Gli svantaggi sono l'elevata velocità del vento nell'area di lavoro e la maggiore concentrazione di polvere sul lato sottovento rispetto al lato sopravvento; la distribuzione dall'alto delle uscite con filtro HEPA presenta i vantaggi di un sistema semplice, senza tubazioni dietro il filtro HEPA e convogliando il flusso d'aria pulita direttamente nell'area di lavoro, ma il flusso d'aria pulita si diffonde lentamente e risulta più uniforme nell'area di lavoro; tuttavia, quando si dispongono più uscite d'aria in modo uniforme o si utilizzano uscite d'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 continua, il diffusore è soggetto all'accumulo di polvere.

La discussione di cui sopra si basa su una situazione ideale ed è conforme alle specifiche, agli standard e ai manuali di progettazione nazionali 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. Alcuni esempi comuni includono: flusso verticale unidirezionale con ricircolo dell'aria dalla parte inferiore delle due pareti adiacenti, camera bianca di classe 100 con immissione e ricircolo dall'alto (ovvero, senza l'aggiunta di una tenda sospesa sotto l'uscita dell'aria locale), e camere bianche turbolente con immissione dell'aria dal filtro HEPA dall'alto e ricircolo dall'alto o ricircolo dal basso su un solo lato (maggiore distanza tra le pareti), ecc. Questi metodi di organizzazione del flusso d'aria sono stati testati e la maggior parte di essi 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 previsto in tali condizioni, ma la capacità di resistenza alle interferenze da 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 impostata con tende che scendono fino all'altezza dell'area di lavoro nell'area locale, e la classe 100.000 non dovrebbe adottare l'immissione e il ritorno dall'alto. Inoltre, la maggior parte delle fabbriche attualmente produce bocchette d'aria ad alta efficienza con diffusori, i cui diffusori sono solo piastre forate decorative e non svolgono la funzione di diffondere il flusso d'aria. Progettisti e utenti dovrebbero prestare particolare attenzione a questo.

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

Un volume di ventilazione sufficiente serve a diluire e rimuovere l'aria interna inquinata. A seconda dei 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 viene considerato in base al sistema di purificazione ad alta efficienza, e gli altri vengono considerati 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 vengono utilizzati filtri sub-HEPA alla fine del sistema, la frequenza di ventilazione può essere opportunamente aumentata del 10-20%.

Per i valori raccomandati del 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 camera 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 generale, i progettisti spesso non eseguono 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 la conseguenza che il volume d'aria o la velocità del vento non raggiungono il valore di progetto poco dopo la messa in funzione del sistema. Lo standard federale statunitense (FS209A~B) stabilisce che la velocità del flusso d'aria in una camera bianca unidirezionale attraverso la sezione trasversale della camera bianca deve essere generalmente mantenuta a 90 piedi/minuto (0,45 m/s) e che la non uniformità della velocità deve rientrare 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 contaminazione 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 ad eccezione della concentrazione di polvere).

Per questo motivo, l'autore ritiene opportuno aumentare in modo appropriato l'attuale valore di progetto nazionale per la velocità del flusso unidirezionale. La nostra unità ha già fatto ciò in progetti reali, con risultati relativamente buoni. Le camere bianche con flusso turbolento hanno un valore raccomandato con un fattore di sicurezza relativamente sufficiente, ma molti progettisti non ne sono ancora certi. Nella progettazione specifica, aumentano il volume di ventilazione delle camere bianche di classe 100.000 a 20-25 volte/h, delle camere bianche di classe 10.000 a 30-40 volte/h e delle camere bianche di classe 1000 a 60-70 volte/h. Questo non solo aumenta la capacità delle apparecchiature e l'investimento iniziale, ma anche i costi futuri di manutenzione e gestione. In realtà, non è necessario farlo. Durante la stesura delle norme tecniche nazionali per la purificazione dell'aria, sono state esaminate e misurate più di 100 camere bianche 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 che per le camere bianche non unidirezionali (classe 100.000, classe 10.000), con un'altezza della stanza compresa tra 8 e 12 piedi (2,44 e 3,66 m), si considera generalmente 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 del 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 contaminata 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, al fine di mantenere una pressione positiva costante e preservare così la pulizia della camera bianca a pressione negativa.

Il valore di pressione positiva della camera bianca si riferisce al valore che si ottiene quando la pressione statica interna è maggiore della pressione statica esterna con tutte le porte e finestre chiuse. Questo valore si raggiunge quando il volume d'aria immesso dal sistema di purificazione è maggiore del volume d'aria di ritorno e di quello di estrazione. Per garantire un valore di pressione positiva nella camera bianca, è preferibile che i ventilatori di immissione, di ritorno e di estrazione siano interconnessi. All'accensione del sistema, si avvia prima il ventilatore di immissione, seguito dai ventilatori di ritorno e di estrazione; allo spegnimento del sistema, si arresta prima il ventilatore di estrazione, seguito dai ventilatori di ritorno e di immissione, per evitare la contaminazione della camera bianca durante le fasi di accensione e spegnimento del sistema.

Il volume d'aria necessario per mantenere la pressione positiva della camera bianca è determinato principalmente dalla tenuta all'aria della struttura di manutenzione. Agli albori della costruzione di camere bianche nel mio paese, a causa della scarsa tenuta all'aria della struttura di contenimento, erano necessari da 2 a 6 rifornimenti d'aria all'ora per mantenere una pressione positiva di ≥5 Pa; attualmente, la tenuta all'aria della struttura di manutenzione è stata notevolmente migliorata e sono necessari solo da 1 a 2 rifornimenti d'aria all'ora per mantenere la stessa pressione positiva; e solo da 2 a 3 rifornimenti d'aria all'ora per mantenere una pressione di ≥10 Pa.

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 essere 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 le fessure tra porte e finestre, o di ridurre al minimo gli agenti inquinanti che penetrano nella stanza quando porte e finestre vengono aperte per un breve periodo. L'entità della pressione positiva indica la forza della capacità di soppressione dell'inquinamento. Naturalmente, maggiore è la pressione positiva, meglio è (come verrà discusso in seguito).

(2) Il volume d'aria necessario per la pressione positiva è limitato. Il volume d'aria necessario per una pressione positiva di 5 Pa e per una pressione positiva di 10 Pa è diverso solo di circa 1 volta/h. Perché non farlo? Ovviamente, è meglio prendere il limite inferiore della pressione positiva a 10 Pa.

(3) Lo standard federale statunitense (FS209A~B) stabilisce che, quando tutti gli ingressi e le uscite sono chiusi, la differenza di pressione positiva minima 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 della pressione positiva della camera bianca non è sempre più alto, meglio è. Secondo i test ingegneristici effettivi condotti dalla nostra unità per oltre 30 anni, quando il valore della pressione positiva è ≥ 30 Pa, è difficile aprire la porta. Se si chiude la porta con noncuranza, si sente un forte rumore! Può spaventare le persone. Quando il valore della pressione positiva è ≥ 50~70 Pa, le fessure tra porte e finestre producono un fischio e le persone deboli o con sintomi anomali possono sentirsi a disagio. Tuttavia, le specifiche o gli standard pertinenti di molti paesi, sia nazionali che esteri, non specificano il limite superiore della 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 visitata dall'autore, il valore della pressione positiva raggiungeva i 100 Pa o più, con conseguenze molto negative. In realtà, regolare la pressione positiva non è difficile. È perfettamente possibile controllarla entro un certo intervallo. Un documento indicava che un paese dell'Europa orientale prescrive 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.