ANÁLISIS PRINCIPAL DE LA SALA LIMPIA

Introducción

Las salas blancas son fundamentales para el control de la contaminación. Sin ellas, no es posible la producción en masa de piezas sensibles a la contaminación. En la norma FED-STD-2, una sala blanca se define como un espacio con sistemas de filtración, distribución y optimización del aire, así como con materiales y equipos de construcción adecuados, donde se aplican procedimientos operativos regulares específicos para controlar la concentración de partículas en suspensión y alcanzar el nivel de limpieza de partículas apropiado.

Para lograr un buen nivel de limpieza en una sala limpia, es necesario no solo centrarse en la implementación de medidas de purificación de aire adecuadas, sino también exigir que los departamentos de procesos, construcción y otras especialidades adopten las medidas correspondientes: no solo un diseño razonable, sino también una construcción e instalación cuidadosas conforme a las especificaciones, así como un uso correcto de la sala limpia y un mantenimiento y gestión científicos. Para lograr un buen resultado en una sala limpia, se han publicado numerosos estudios nacionales e internacionales desde diferentes perspectivas. De hecho, es difícil lograr una coordinación ideal entre las distintas especialidades, y resulta complicado para los diseñadores comprender la calidad de la construcción e instalación, así como el uso y la gestión, especialmente estos últimos. En lo que respecta a las medidas de purificación de la sala limpia, muchos diseñadores, e incluso constructores, a menudo no prestan suficiente atención a las condiciones necesarias, lo que da como resultado un nivel de limpieza insatisfactorio. Este artículo analiza brevemente las cuatro condiciones necesarias para cumplir con los requisitos de limpieza en las medidas de purificación de la sala limpia.

1. Limpieza del suministro de aire

Para garantizar que la limpieza del aire suministrado cumpla con los requisitos, la clave reside en el funcionamiento y la instalación del filtro final del sistema de purificación.

Selección de filtro

El filtro final del sistema de purificación suele ser 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 (≥99,999% para partículas de ≥0,1 μm) (también conocidos como filtros ultra-HEPA); y filtros sub-HEPA (para partículas de ≥0,5 μm) con una eficiencia del 95 al 99,9%. Cuanto mayor sea la eficiencia, más caro será el filtro. Por lo tanto, al elegir un filtro, no solo debemos cumplir con los requisitos de limpieza del aire, sino también considerar la racionalidad económica.

Desde la perspectiva de los requisitos de limpieza, el principio es utilizar filtros de bajo rendimiento para salas limpias de bajo nivel y filtros de alto rendimiento para salas limpias de alto nivel. En términos generales: los filtros de alta y media eficiencia se pueden utilizar para el nivel de 1 millón; los filtros sub-HEPA o HEPA de Clase A se pueden utilizar para niveles inferiores a la Clase 10 000; los filtros de Clase B se pueden utilizar para las Clases 10 000 a 100; y los filtros de Clase C se pueden utilizar para los niveles de 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, o la tasa de extracción interior es alta, o la sala limpia es particularmente importante y requiere un mayor factor de seguridad, en estos o alguno de estos casos, se debe seleccionar un filtro de alta clase; de ​​lo contrario, se puede seleccionar un filtro de menor rendimiento. Para salas limpias que requieren el control de partículas de 0,1 μm, se deben seleccionar filtros de Clase D independientemente de la concentración de partículas controlada. Lo anterior se refiere únicamente a la perspectiva del filtro. De hecho, para elegir un buen filtro, también se deben considerar detenidamente las características de la sala limpia, del filtro y del sistema de purificación.

Instalación del filtro

Para garantizar la limpieza del suministro de aire, no basta con tener filtros de calidad, sino que también es necesario asegurar: 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 sobre la instalación de sistemas de purificación y habilidades de instalación especializadas. De lo contrario, será difícil garantizar que el filtro no se dañe. Hay lecciones importantes al respecto. En segundo lugar, el problema de la hermeticidad de la instalación depende principalmente de la calidad de la estructura de instalación. 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 al ambiente; utilizando una salida de aire HEPA terminada, también es más fácil garantizar la hermeticidad. Para el aire de múltiples filtros, en los últimos años se utilizan con frecuencia sellos de gel y sellos de presión negativa.

El sellado con gel debe garantizar que la junta del tanque de líquido esté bien sellada y que el marco general se encuentre en el mismo plano horizontal. El sellado por presión negativa consiste en crear una presión negativa en la periferia exterior de la junta entre el filtro, la caja de presión estática y el marco. Al igual que en las instalaciones abiertas, incluso si hay fugas, estas no se filtrarán al interior de la habitación. De hecho, siempre que el marco de instalación sea plano y la cara frontal del filtro esté en contacto uniforme con dicho marco, debería ser fácil lograr 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 difiere de la de una sala climatizada convencional. Requiere que el aire más limpio llegue primero al área de trabajo. Su función es limitar y reducir la contaminación de los objetos procesados. Para ello, al diseñar la organización del flujo de aire, se deben considerar los siguientes principios: minimizar las corrientes parásitas para evitar la entrada de contaminación externa; prevenir la dispersión secundaria de polvo para reducir la posibilidad de contaminación de 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. Al llegar a la salida de retorno, el polvo presente en el aire debe eliminarse eficazmente. Se deben elegir diferentes modos de suministro y retorno de aire según los distintos requisitos de limpieza.

Las distintas organizaciones de flujo de aire tienen sus propias características y ámbitos de aplicación:

(1). Flujo vertical unidireccional

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 totalmente cubiertos tienen las ventajas de baja resistencia y un ciclo de reemplazo de filtro largo, pero la estructura del techo es compleja y el costo es alto; las ventajas y desventajas de la entrega superior de filtro HEPA cubierto lateralmente y la entrega superior de placa de orificio completo son opuestas a las de la entrega superior de filtro HEPA totalmente cubierto. Entre ellos, la entrega superior de placa de orificio completo es fácil de acumular polvo en la superficie interior de la placa de orificio cuando el sistema no está funcionando continuamente, y un mantenimiento deficiente tiene cierto impacto en la limpieza; la entrega superior de difusor denso requiere una capa de mezcla, por lo que solo es adecuada para salas limpias altas de más de 4 m, y sus características son similares a la entrega superior de placa de orificio completo; El método de retorno de aire para la placa con rejillas en ambos lados y las salidas de retorno de aire dispuestas uniformemente en la parte inferior de las paredes opuestas solo es adecuado para salas limpias con un espacio neto de menos de 6 m en ambos lados; las salidas de retorno de aire dispuestas en la parte inferior de la pared de un solo lado solo son adecuadas para salas limpias con una distancia pequeña entre las paredes (como ≤<2~3 m).

(2). Flujo horizontal unidireccional

Solo la primera zona de trabajo puede alcanzar un nivel de limpieza del 100 %. Cuando el aire fluye hacia el 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 localizada de filtros HEPA en la pared de suministro de aire puede reducir su uso y ahorrar en la inversión inicial, pero se producen remolinos en las zonas localizadas.

(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 facilidad para organizar las tuberías, la ausencia de una capa intermedia técnica, el bajo costo y la conveniencia para la renovación de fábricas antiguas. Las desventajas son que la velocidad del viento en el área de trabajo es alta y la concentración de polvo en el lado de sotavento es mayor que en el lado de barlovento; la entrega superior de salidas de filtro HEPA tiene las ventajas de un sistema simple, sin tuberías detrás del filtro HEPA y el flujo de aire limpio se entrega directamente al área de trabajo, pero el 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 uniformemente múltiples salidas de aire o se utilizan salidas de aire de filtro HEPA con difusores, el flujo de aire en el área de trabajo también puede hacerse más uniforme; pero cuando el sistema no está funcionando continuamente, el difusor es propenso a la acumulación de polvo.

La discusión anterior se basa en un escenario ideal y está 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. Algunos ejemplos comunes incluyen: flujo vertical unidireccional con retorno de aire desde la parte inferior de las dos paredes adyacentes; salas limpias de clase 100 con suministro y retorno superiores (es decir, sin cortina colgante debajo de la salida de aire local); y salas limpias turbulentas con salida de aire con filtro HEPA y retorno superior, o retorno inferior unilateral (mayor separación entre paredes), etc. Se han realizado mediciones de estos métodos de organización del flujo de aire y la mayoría no cumple con los requisitos de limpieza. Debido a las especificaciones actuales para la aceptación en vacío o estática, algunas de estas salas limpias apenas alcanzan el nivel de limpieza diseñado en condiciones de vacío o estáticas, pero su capacidad de resistencia a la contaminación es muy baja y, una vez que la sala limpia entra en funcionamiento, no cumple con los requisitos.

La correcta organización del flujo de aire debe establecerse con cortinas que lleguen hasta la altura del área de trabajo en la zona local, y en la clase 100 000 no se debe utilizar la salida ni la salida superior. Además, la mayoría de las fábricas actualmente producen salidas de aire de alta eficiencia con difusores, pero estos son solo placas de orificio decorativas y no cumplen la función de difundir 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 permite diluir y eliminar el aire contaminado del interior. Según los diferentes requisitos de limpieza, cuando la altura neta de la sala limpia es elevada, la frecuencia de ventilación debe incrementarse adecuadamente. En el caso de las salas limpias de nivel 1 millón, se considera el volumen de ventilación según el sistema de purificación de alta eficiencia, y en las demás se considera 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 incrementarse 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 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 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 consideran si el ventilador seleccionado está en un punto de funcionamiento 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 debe mantenerse generalmente a 90 pies/min (0,45 m/s), y la no uniformidad de la velocidad debe estar dentro de ±20% en condiciones de ausencia de interferencias en toda la sala. Cualquier disminución significativa en la velocidad del flujo de aire aumentará la posibilidad de un mayor tiempo de autolimpieza y la contaminación entre los puestos de trabajo (tras la promulgación de la norma FS209C en octubre de 1987, no se establecieron regulaciones para ningún otro parámetro, excepto la concentración de polvo).

Por esta razón, el autor cree que es apropiado aumentar adecuadamente el valor de diseño nacional actual de velocidad de flujo unidireccional. Nuestra unidad lo ha hecho 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 administración. De hecho, no hay necesidad de hacerlo. Al recopilar las medidas técnicas de limpieza de aire de mi país, se investigaron y midieron más de salas limpias de clase 100 en China. Muchas salas limpias fueron probadas 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 los requisitos. La norma federal estadounidense (FS2O9A~B) estipula: salas limpias no unidireccionales (clase 100 000, clase 10 000), con una altura de sala de 8 a 12 pies (2,44 a 3,66 m), generalmente consideran que toda la sala debe ventilarse 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 del volumen de ventilación.

4. Diferencia de presión estática

Mantener una presión positiva constante en una sala limpia es fundamental para asegurar que la sala no se contamine o se contamine lo menos posible, manteniendo así el nivel de limpieza previsto. Incluso en el caso de salas limpias de presión negativa, es necesario contar con salas o suites adyacentes con un nivel de limpieza no inferior para mantener una presión positiva constante y, de esta forma, preservar la limpieza de la sala limpia de presión negativa.

La presión positiva en la sala limpia se refiere al valor que se alcanza cuando la presión estática interior es mayor que la presión estática exterior con todas las puertas y ventanas cerradas. Esto se logra mediante un sistema en el que el volumen de suministro de aire del sistema de purificación es mayor que el volumen de retorno y el volumen de extracción de aire. Para garantizar la presión positiva en la sala limpia, se recomienda que los ventiladores de suministro, retorno y extracción estén interconectados. Al encender el sistema, se inicia primero el ventilador de suministro, seguido de los ventiladores de retorno y extracción; al apagar el sistema, se apaga primero el ventilador de extracción, seguido de los ventiladores de retorno y suministro, para evitar la contaminación de la sala limpia durante el encendido y apagado del sistema.

El volumen de aire necesario para mantener la presión positiva de la sala limpia está determinado principalmente por la hermeticidad de la estructura de mantenimiento. En los inicios de la construcción de salas limpias en mi país, debido a la escasa hermeticidad de la estructura del recinto, se requería un suministro de aire de 2 a 6 veces por hora para mantener una presión positiva de ≥5 Pa; actualmente, la hermeticidad de la estructura de mantenimiento ha mejorado considerablemente, y solo se requiere un suministro de aire de 1 a 2 veces por hora para mantener la misma presión positiva; y solo se requieren de 2 a 3 veces por hora para mantener ≥10 Pa.

Las especificaciones de diseño de mi país [6] estipulan que la diferencia de presión estática entre salas limpias de diferentes grados y entre áreas limpias y áreas 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 cree que este valor parece 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 las rendijas 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 eficacia de la supresión de la contaminación. Por supuesto, cuanto mayor sea la presión positiva, mejor (esto se explicará más adelante).

(2) El volumen de aire necesario para la presión positiva es limitado. El volumen de aire requerido para una presión positiva de 5 Pa y una de 10 Pa difiere solo en aproximadamente 1 vez/h. ¿Por qué no hacerlo? Obviamente, es mejor tomar el límite inferior de la presión positiva como 10 Pa.

(3) La norma federal estadounidense (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. Sin embargo, un valor de presión positiva en la sala limpia no siempre es mejor. Según las pruebas de ingeniería reales realizadas en nuestra unidad durante más de 30 años, cuando el valor de presión positiva es ≥ 30 Pa, resulta difícil abrir la puerta. Si se cierra la puerta descuidadamente, ¡se producirá un golpe! Esto asustará a las personas. Cuando el valor de presión positiva es ≥ 50~70 Pa, los espacios entre puertas y ventanas producirán un silbido, lo que puede resultar incómodo para personas débiles o con síntomas inapropiados. No obstante, las especificaciones o normas pertinentes de muchos países, tanto nacionales como internacionales, no especifican el límite superior de presión positiva. En consecuencia, muchas unidades solo buscan cumplir con los requisitos del límite inferior, sin importar cuál 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 negativos. 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 a 3 mm H₂O (aproximadamente 10 a 30 Pa). El autor considera que este rango es más apropiado.