ANÁLISIS BÁSICO DE LA SALA LIMPIA

Introducción

Una sala limpia es la base del control de la contaminación. Sin ella, no es posible producir en masa piezas sensibles a la contaminación. En la norma FED-STD-2, una sala limpia se define como una sala con filtración, distribución y optimización del aire, materiales de construcción y equipos, donde se aplican procedimientos operativos regulares específicos para controlar la concentración de partículas en suspensión y lograr el nivel adecuado de pureza de partículas.

Para lograr una buena limpieza en una sala limpia, es necesario no solo centrarse en la adopción de medidas razonables de purificación del aire acondicionado, sino también exigir a los procesos, la construcción y otras especialidades que adopten las medidas correspondientes: no solo un diseño razonable, sino también una construcción e instalación cuidadosas de acuerdo con las especificaciones, así como un uso correcto de la sala limpia y un mantenimiento y una gestión científicos. Para lograr un buen resultado en una sala limpia, se ha expuesto mucha literatura nacional e internacional desde diferentes perspectivas. De hecho, es difícil lograr una coordinación ideal entre las diferentes especialidades, y es difícil para los diseñadores comprender la calidad de la construcción e instalación, así como el uso y la gestión, especialmente esta última. En lo que respecta a las medidas de purificación de salas limpias, muchos diseñadores, o incluso constructores, a menudo no prestan suficiente atención a sus condiciones necesarias, lo que resulta en un efecto de limpieza insatisfactorio. Este artículo solo analiza brevemente las cuatro condiciones necesarias para lograr los requisitos de limpieza en las medidas de purificación de salas limpias.

1. Limpieza del suministro de aire

Para garantizar que la limpieza del suministro de aire cumpla con los requisitos, la clave es el rendimiento y la instalación del filtro final del sistema de purificación.

Selección de filtros

El filtro final del sistema de purificación generalmente adopta un filtro HEPA o un filtro sub-HEPA. Según las normas de mi país, la eficiencia de los filtros HEPA se divide en cuatro grados: Clase A (≥99,9%), Clase B (≥99,9%), Clase C (≥99,999%), Clase D (para partículas ≥0,1 μm) (también conocidos como filtros ultra-HEPA) (≥99,999%); los filtros sub-HEPA (para partículas ≥0,5 μm) tienen una eficiencia del 95-99,9%. A mayor eficiencia, mayor precio del filtro. Por lo tanto, al elegir un filtro, no solo debemos cumplir con los requisitos de limpieza del aire, sino también considerar la rentabilidad.

Desde la perspectiva de los requisitos de limpieza, el principio es utilizar filtros de bajo rendimiento para salas blancas de bajo nivel y filtros de alto rendimiento para salas blancas de alto nivel. En términos generales: se pueden utilizar filtros de eficiencia alta y media para el nivel de 1 millón; filtros sub-hepa o hepa de clase A para niveles inferiores a la clase 10 000; filtros de clase B para las clases 10 000 a 100; y filtros de clase C para los niveles 100 a 1. Parece que hay dos tipos de filtros para elegir para cada nivel de limpieza. La elección de filtros de alto o bajo rendimiento depende de la situación específica: cuando la contaminación ambiental es grave, la tasa de extracción interior es alta o la sala blanca es particularmente importante y requiere un mayor factor de seguridad, en estos o en uno de estos casos, se debe seleccionar un filtro de clase alta; de lo contrario, se puede seleccionar un filtro de menor rendimiento. Para salas blancas que requieren control de partículas de 0,1 μm, se deben seleccionar filtros de clase D independientemente de la concentración de partículas controladas. Lo anterior se refiere únicamente al filtro. De hecho, para elegir un buen filtro, también es importante considerar las características de la sala limpia, el filtro y el sistema de purificación.

Instalación de filtros

Para garantizar la limpieza del suministro de aire, no basta con contar con filtros calificados, sino también con: a. Que el filtro no se dañe durante el transporte y la instalación; b. Que la instalación sea hermética. Para lograr el primer punto, el personal de construcción e instalación debe estar bien capacitado, con conocimientos en la instalación de sistemas de purificación y habilidades de instalación expertas. De lo contrario, será difícil garantizar que el filtro no se dañe. Existen importantes lecciones al respecto. En segundo lugar, el problema de la hermeticidad de la instalación depende principalmente de la calidad de la estructura de la misma. El manual de diseño generalmente recomienda: para un solo filtro, se utiliza una instalación de tipo abierto, de modo que, incluso si se produce una fuga, no se filtre a la habitación; utilizando una salida de aire HEPA terminada, la hermeticidad también es más fácil de garantizar. Para el aire de múltiples filtros, el sellado de gel y el sellado de presión negativa se han utilizado con frecuencia en los últimos años.

El sello de gel debe garantizar la estanqueidad de la junta del tanque de líquido y que el marco se encuentre en el mismo plano horizontal. El sellado por presión negativa permite que la periferia exterior de la unión entre el filtro, la caja de presión estática y el marco se encuentre en estado de presión negativa. Al igual que en la instalación abierta, incluso si hay fugas, no se filtrarán al interior de la habitación. De hecho, siempre que el marco de instalación sea plano y la cara del extremo del filtro esté en contacto uniforme con él, será fácil que el filtro cumpla con los requisitos de estanqueidad en cualquier tipo de instalación.

2. Organización del flujo de aire

La organización del flujo de aire en una sala limpia es diferente a la de una sala con aire acondicionado general. Requiere que el aire más limpio se distribuya primero en el área de operación. Su función es limitar y reducir la contaminación de los objetos procesados. Para ello, se deben considerar los siguientes principios al diseñar la organización del flujo de aire: minimizar las corrientes de Foucault para evitar que la contaminación del exterior del área de trabajo entre en ella; evitar la dispersión de polvo secundario para reducir la posibilidad de que contamine la pieza de trabajo; el flujo de aire en el área de trabajo debe ser lo más uniforme posible y su velocidad debe cumplir con los requisitos de proceso e higiene. Cuando el flujo de aire fluye hacia la salida de aire de retorno, el polvo del aire debe eliminarse eficazmente. Elija diferentes modos de suministro y retorno de aire según los diferentes requisitos de limpieza.

Las diferentes organizaciones de flujo de aire tienen sus propias características y alcances:

(1) Flujo unidireccional vertical

Además de las ventajas comunes de obtener un flujo de aire descendente uniforme, facilitar la disposición de los equipos de proceso, una fuerte capacidad de autopurificación y simplificar las instalaciones comunes, como las instalaciones de purificación personal, los cuatro métodos de suministro de aire también tienen sus propias ventajas y desventajas: los filtros HEPA de cubierta completa tienen las ventajas de baja resistencia y un largo ciclo de reemplazo del filtro, pero la estructura del techo es compleja y el costo es alto; las ventajas y desventajas de la entrega superior del filtro HEPA de cubierta lateral y la entrega superior de la placa de orificio completo son opuestas a las de la entrega superior del filtro HEPA de cubierta completa. Entre ellas, la entrega superior de la placa de orificio completo es fácil de acumular polvo en la superficie interior de la placa de orificio cuando el sistema no está en funcionamiento continuo, y el mantenimiento deficiente tiene cierto impacto en la limpieza; la entrega superior del difusor denso requiere una capa de mezcla, por lo que solo es adecuada para salas blancas altas de más de 4 m, y sus características son similares a la entrega superior de la placa de orificio completo; El método de retorno de aire para la placa con rejillas en ambos lados y las salidas de aire de retorno dispuestas uniformemente en la parte inferior de las paredes opuestas solo es adecuado para salas limpias con un espaciado neto de menos de 6 m en ambos lados; las salidas de aire de retorno dispuestas en la parte inferior de la pared de un solo lado solo son adecuadas para salas limpias con una pequeña distancia entre las paredes (como ≤ <2 ~ 3 m).

(2) Flujo unidireccional horizontal

Solo la primera área de trabajo puede alcanzar un nivel de limpieza de 100. Al pasar el aire al otro lado, la concentración de polvo aumenta gradualmente. Por lo tanto, solo es adecuado para salas blancas con diferentes requisitos de limpieza para el mismo proceso en la misma sala. La distribución local de filtros HEPA en la pared de suministro de aire puede reducir su uso y ahorrar la inversión inicial, pero existen remolinos en áreas locales.

(3) Flujo de aire turbulento

Las características de la entrega superior de placas de orificio y la entrega superior de difusores densos son las mismas que las mencionadas anteriormente: las ventajas de la entrega lateral son la fácil disposición de las tuberías, la ausencia de intercapa técnica, el bajo coste y la facilidad para la renovación de fábricas antiguas. Las desventajas son la alta velocidad del viento en el área de trabajo y la mayor concentración de polvo en el lado de sotavento que en el lado de barlovento; la entrega superior de salidas de filtro HEPA tiene las ventajas de un sistema sencillo, sin tuberías detrás del filtro HEPA y un flujo de aire limpio entregado directamente al área de trabajo, pero este flujo de aire limpio se difunde lentamente y el flujo de aire en el área de trabajo es más uniforme; sin embargo, cuando se disponen varias salidas de aire de manera uniforme o se utilizan salidas de aire de filtro HEPA con difusores, el flujo de aire en el área de trabajo también puede ser más uniforme; pero cuando el sistema no funciona continuamente, el difusor es propenso a la acumulación de polvo.

La discusión anterior está en un estado ideal y es recomendada por las especificaciones, normas o manuales de diseño nacionales pertinentes. En proyectos reales, la organización del flujo de aire no está bien diseñada debido a condiciones objetivas o razones subjetivas del diseñador. Las más comunes incluyen: el flujo unidireccional vertical adopta aire de retorno desde la parte inferior de las dos paredes adyacentes, la clase local 100 adopta la entrega superior y el retorno superior (es decir, no se agrega una cortina colgante debajo de la salida de aire local), y las salas blancas turbulentas adoptan la salida de aire del filtro HEPA, la entrega superior y el retorno superior o el retorno inferior de un solo lado (mayor espacio entre paredes), etc. Estos métodos de organización del flujo de aire se han medido y la mayoría de su limpieza no cumple con los requisitos de diseño. Debido a las especificaciones actuales para la aceptación vacía o estática, algunas de estas salas blancas apenas alcanzan el nivel de limpieza diseñado en condiciones vacías o estáticas, pero la capacidad de interferencia anticontaminación es muy baja, y una vez que la sala blanca entra en estado de funcionamiento, no cumple con los requisitos.

La correcta organización del flujo de aire debe realizarse con cortinas que cuelguen hasta la altura del área de trabajo en el área local, y la clase 100,000 no debe adoptar un sistema de impulsión y retorno superior. Además, la mayoría de las fábricas actualmente producen salidas de aire de alta eficiencia con difusores, y estos difusores son solo placas de orificio decorativas y no cumplen la función de distribuir el flujo de aire. Los diseñadores y usuarios deben prestar especial atención a esto.

3. Volumen de suministro de aire o velocidad del aire

Un volumen de ventilación suficiente diluye y elimina la contaminación del aire interior. Según los diferentes requisitos de limpieza, cuando la altura neta de la sala limpia es alta, la frecuencia de ventilación debe aumentarse según corresponda. Entre ellos, el volumen de ventilación de la sala limpia de nivel 1 millón se considera según el sistema de purificación de alta eficiencia, y el resto se considera según el mismo sistema. Cuando los filtros HEPA de la sala limpia de clase 100.000 se concentran en la sala de máquinas o se utilizan filtros sub-HEPA al final del sistema, la frecuencia de ventilación puede aumentarse entre un 10 % y un 20 %.

Para los valores recomendados de volumen de ventilación anteriores, el autor cree que: la velocidad del viento a través de la sección de la sala limpia de flujo unidireccional es baja, y la sala limpia turbulenta tiene un valor recomendado con un factor de seguridad suficiente. Flujo unidireccional vertical ≥ 0,25 m/s, flujo unidireccional horizontal ≥ 0,35 m/s. Aunque los requisitos de limpieza pueden cumplirse cuando se prueban en condiciones vacías o estáticas, la capacidad anticontaminación es deficiente. Una vez que la sala entra en estado de funcionamiento, la limpieza puede no cumplir con los requisitos. Este tipo de ejemplo no es un caso aislado. Al mismo tiempo, no hay ventiladores adecuados para sistemas de purificación en la serie de ventiladores de mi país. Generalmente, los diseñadores a menudo no hacen cálculos precisos de la resistencia del aire del sistema, o no notan si el ventilador seleccionado está en un punto de trabajo más favorable en la curva característica, lo que resulta en que el volumen de aire o la velocidad del viento no alcancen el valor de diseño poco después de que el sistema se ponga en funcionamiento. La norma federal estadounidense (FS209A~B) estipula que la velocidad del flujo de aire en una sala limpia unidireccional a través de su sección transversal se mantiene generalmente a 0,45 m/s (90 pies/min), y la no uniformidad de la velocidad se encuentra dentro del ±20 % si no hay interferencias en toda la sala. Cualquier disminución significativa de la velocidad del flujo de aire aumentará la posibilidad de tiempo de autolimpieza y contaminación entre puestos de trabajo (tras la promulgación de la FS209C en octubre de 1987, no se establecieron regulaciones para todos los indicadores de parámetros, salvo la concentración de polvo).

Por esta razón, el autor cree que es apropiado aumentar apropiadamente el valor actual de diseño doméstico de la velocidad de flujo unidireccional. Nuestra unidad ha hecho esto en proyectos reales, y el efecto es relativamente bueno. La sala limpia turbulenta tiene un valor recomendado con un factor de seguridad relativamente suficiente, pero muchos diseñadores aún no están seguros. Al hacer diseños específicos, aumentan el volumen de ventilación de la sala limpia de clase 100,000 a 20-25 veces/h, la sala limpia de clase 10,000 a 30-40 veces/h, y la sala limpia de clase 1000 a 60-70 veces/h. Esto no solo aumenta la capacidad del equipo y la inversión inicial, sino que también aumenta los costos futuros de mantenimiento y gestión. De hecho, no hay necesidad de hacerlo. Al recopilar las medidas técnicas de limpieza del aire de mi país, se investigaron y midieron más de la sala limpia de clase 100 en China. Muchas salas limpias se probaron en condiciones dinámicas. Los resultados mostraron que los volúmenes de ventilación de las salas limpias de clase 100,000 ≥10 veces/h, las salas limpias de clase 10,000 ≥20 veces/h y las salas limpias de clase 1000 ≥50 veces/h pueden cumplir con los requisitos. La Norma Federal de EE. UU. (FS2O9A~B) estipula: salas limpias no unidireccionales (clase 100,000, clase 10,000), altura de la sala de 8~12 pies (2,44~3,66 m), generalmente consideran que toda la sala se ventila al menos una vez cada 3 minutos (es decir, 20 veces/h). Por lo tanto, la especificación de diseño ha tenido en cuenta un gran coeficiente de excedente, y el diseñador puede elegir con seguridad de acuerdo con el valor recomendado de volumen de ventilación.

4. Diferencia de presión estática

Mantener una presión positiva en una sala limpia es fundamental para garantizar que no se contamine o que esté poco contaminada, manteniendo así el nivel de limpieza diseñado. Incluso en salas limpias con presión negativa, es necesario contar con salas o suites adyacentes con un nivel de limpieza no inferior al suyo para mantener una presión positiva, de modo que se mantenga la limpieza de la sala limpia con presión negativa.

La presión positiva de la sala limpia se refiere al valor en el que la presión estática interior es mayor que la presión estática exterior con todas las puertas y ventanas cerradas. Se logra mediante el método de que el volumen de suministro de aire del sistema de purificación sea mayor que el volumen de aire de retorno y el volumen de aire de escape. Para garantizar la presión positiva de la sala limpia, es preferible que los ventiladores de suministro, retorno y escape estén interconectados. Al encender el sistema, se activa primero el ventilador de suministro y luego los ventiladores de retorno y escape; al apagar el sistema, se apaga primero el ventilador de escape y luego los ventiladores de retorno y suministro para evitar la contaminación de la sala limpia al encender y apagar el sistema.

El volumen de aire necesario para mantener la presión positiva de la sala limpia depende principalmente de la hermeticidad de la estructura de mantenimiento. En las primeras etapas de la construcción de salas limpias en mi país, debido a la baja hermeticidad de la estructura, se necesitaban de 2 a 6 veces/h de suministro de aire para mantener una presión positiva ≥5 Pa. Actualmente, la hermeticidad de la estructura de mantenimiento ha mejorado considerablemente, y solo se requieren de 1 a 2 veces/h de suministro de aire para mantener la misma presión positiva, y de 2 a 3 veces/h para mantener ≥10 Pa.

Las especificaciones de diseño de mi país [6] estipulan que la diferencia de presión estática entre salas blancas de diferentes grados y entre áreas limpias y no limpias no debe ser inferior a 0,5 mm H₂O (~5 Pa), y la diferencia de presión estática entre el área limpia y el exterior no debe ser inferior a 1,0 mm H₂O (~10 Pa). El autor considera que este valor parece ser demasiado bajo por tres razones:

(1) La presión positiva se refiere a la capacidad de una sala limpia para suprimir la contaminación del aire interior a través de los huecos entre puertas y ventanas, o para minimizar los contaminantes que penetran en la sala cuando las puertas y ventanas se abren brevemente. La magnitud de la presión positiva indica la fuerza de la capacidad de supresión de la contaminación. Por supuesto, cuanto mayor sea la presión positiva, mejor (lo cual se explicará más adelante).

(2) El volumen de aire necesario para la presión positiva es limitado. El volumen de aire necesario para una presión positiva de 5 Pa y 10 Pa difiere solo aproximadamente una vez por hora. ¿Por qué no hacerlo? Obviamente, es mejor tomar el límite inferior de la presión positiva como 10 Pa.

(3) La Norma Federal de EE. UU. (FS209A~B) estipula que cuando todas las entradas y salidas están cerradas, la diferencia mínima de presión positiva entre la sala limpia y cualquier área adyacente de baja limpieza es de 0,05 pulgadas de columna de agua (12,5 Pa). Este valor ha sido adoptado por muchos países. Pero el valor de presión positiva de la sala limpia no es cuanto más alto, mejor. Según las pruebas de ingeniería reales de nuestra unidad durante más de 30 años, cuando el valor de presión positiva es ≥ 30 Pa, es difícil abrir la puerta. Si cierra la puerta sin cuidado, ¡hará un golpe! Asustará a la gente. Cuando el valor de presión positiva es ≥ 50~70 Pa, los espacios entre puertas y ventanas harán un silbido, y las personas débiles o con algunos síntomas inapropiados se sentirán incómodas. Sin embargo, las especificaciones o normas pertinentes de muchos países nacionales e internacionales no especifican el límite superior de presión positiva. Como resultado, muchas unidades solo buscan cumplir con los requisitos del límite inferior, independientemente de cuánto sea el límite superior. En la sala limpia que el autor encontró, la presión positiva alcanzaba los 100 Pa o más, lo que resultaba en efectos muy adversos. De hecho, ajustar la presión positiva no es difícil. Es perfectamente posible controlarla dentro de un rango determinado. Un documento indicaba que un país de Europa del Este estipulaba una presión positiva de 1-3 mm H₂O (aproximadamente 10-30 Pa). El autor considera que este rango es más adecuado.