ניתוח ליבה של חדר נקי

מָבוֹא

חדר נקי הוא הבסיס לבקרת זיהום. ללא חדר נקי, לא ניתן לייצר באופן המוני חלקים רגישים לזיהום. בתקן FED-STD-2, חדר נקי מוגדר כחדר עם סינון אוויר, פיזור, אופטימיזציה, חומרי בנייה וציוד, שבו משתמשים בהליכי הפעלה קבועים ספציפיים כדי לשלוט בריכוז החלקיקים הנישאים באוויר כדי להשיג את רמת ניקיון החלקיקים המתאימה.

על מנת להשיג אפקט ניקיון טוב בחדר נקי, יש צורך לא רק להתמקד בנקיטת אמצעי טיהור סבירים של מיזוג אוויר, אלא גם לדרוש מהתהליך, הבנייה והתמחויות אחרות לנקוט באמצעים מתאימים: לא רק תכנון סביר, אלא גם בנייה והתקנה קפדניים בהתאם למפרטים, כמו גם שימוש נכון בחדר נקי ותחזוקה וניהול מדעיים. על מנת להשיג אפקט טוב בחדר נקי, ספרות מקומית וזרה רבות הוצגה מנקודות מבט שונות. למעשה, קשה להשיג תיאום אידיאלי בין התמחויות שונות, וקשה למעצבים להבין את איכות הבנייה וההתקנה כמו גם את השימוש והניהול, במיוחד האחרון. בכל הנוגע לאמצעי טיהור חדרים נקיים, מתכננים רבים, או אפילו גופי בנייה, לעתים קרובות אינם מקדישים תשומת לב מספקת לתנאים הנדרשים שלהם, וכתוצאה מכך אפקט ניקיון לא מספק. מאמר זה דן בקצרה בלבד בארבעת התנאים הנדרשים להשגת דרישות ניקיון באמצעי טיהור חדרים נקיים.

1. ניקיון אספקת האוויר

כדי להבטיח כי ניקיון אספקת האוויר עומד בדרישות, המפתח הוא ביצועי והתקנה של המסנן הסופי של מערכת הטיהור.

בחירת סינון

המסנן הסופי של מערכת הטיהור משתמש בדרך כלל במסנן HEPA או במסנן תת-HEPA. על פי הסטנדרטים של המדינה, יעילות מסנני HEPA מחולקת לארבע דרגות: Class A היא ≥99.9%, Class B היא ≥99.9%, Class C היא ≥99.999%, Class D היא (עבור חלקיקים ≥0.1μm) ≥99.999% (הידועים גם כמסנני אולטרה-HEPA); מסנני תת-HEPA הם (עבור חלקיקים ≥0.5μm) 95~99.9%. ככל שהיעילות גבוהה יותר, כך המסנן יקר יותר. לכן, בבחירת מסנן, עלינו לא רק לעמוד בדרישות ניקיון אספקת האוויר, אלא גם לשקול את הרציונליות הכלכלית.

מנקודת מבט של דרישות ניקיון, העיקרון הוא להשתמש במסננים בעלי ביצועים נמוכים לחדרים נקיים ברמה נמוכה ובמסננים בעלי ביצועים גבוהים לחדרים נקיים ברמה גבוהה. באופן כללי: ניתן להשתמש במסננים בעלי יעילות גבוהה ובינונית לרמה של מיליון; ניתן להשתמש במסנני HEPA תת-HEPA או Class A לרמות מתחת לרמה 10,000; ניתן להשתמש במסנני Class B לרמות 10,000 עד 100; וניתן להשתמש במסנני Class C לרמות 100 עד 1. נראה שיש שני סוגי מסננים לבחירה עבור כל רמת ניקיון. בחירת מסננים בעלי ביצועים גבוהים או בעלי ביצועים נמוכים תלויה במצב הספציפי: כאשר זיהום הסביבה חמור, או שיחס הפליטה הפנימי גדול, או שהחדר הנקי חשוב במיוחד ודורש גורם בטיחות גדול יותר, במקרים אלה או באחד מהם, יש לבחור מסנן ברמה גבוהה; אחרת, ניתן לבחור מסנן בעל ביצועים נמוכים יותר. עבור חדרים נקיים הדורשים שליטה בחלקיקים של 0.1 מיקרומטר, יש לבחור מסננים Class D ללא קשר לריכוז החלקיקים הנשלט. האמור לעיל הוא רק מנקודת מבטו של המסנן. למעשה, כדי לבחור מסנן טוב, עליכם לקחת בחשבון גם את מאפייני החדר הנקי, המסנן ומערכת הטיהור.

התקנת מסנן

כדי להבטיח את ניקיון אספקת האוויר, לא מספיק שיהיו רק מסננים מוסמכים, אלא גם לוודא: א. שהמסנן לא יינזק במהלך ההובלה וההתקנה; ב. שההתקנה אטומה. כדי להשיג את הנקודה הראשונה, על אנשי הבנייה וההתקנה להיות מאומנים היטב, עם ידע בהתקנת מערכות טיהור ומיומנויות התקנה מיומנות. אחרת, יהיה קשה להבטיח שהמסנן לא יינזק. ישנם לקחים עמוקים בהקשר זה. שנית, בעיית אטימות ההתקנה תלויה בעיקר באיכות מבנה ההתקנה. מדריך התכנון ממליץ בדרך כלל: עבור מסנן יחיד, משתמשים בהתקנה מסוג פתוח, כך שגם אם מתרחשת דליפה, היא לא תדלוף לחדר; באמצעות פתח יציאה אוויר HEPA גמור, קל יותר גם להבטיח אטימות. עבור אוויר של מסננים מרובים, בשנים האחרונות נעשה שימוש רב באיטום ג'ל ואיטום לחץ שלילי.

איטום ג'ל חייב להבטיח שהחיבור של מיכל הנוזל יהיה אטום ושהמסגרת הכוללת נמצאת באותו מישור אופקי. איטום בלחץ שלילי נועד ליצור את ההיקף החיצוני של החיבור בין המסנן לתיבת הלחץ הסטטי והמסגרת במצב של לחץ שלילי. בדומה להתקנה פתוחה, גם אם יש דליפה, היא לא תדלוף לחדר. למעשה, כל עוד מסגרת ההתקנה שטוחה וקצה המסנן נמצא במגע אחיד עם מסגרת ההתקנה, אמור להיות קל לגרום למסנן לעמוד בדרישות אטימות ההתקנה בכל סוג התקנה.

2. ארגון זרימת האוויר

ארגון זרימת האוויר של חדר נקי שונה מזה של חדר ממוזג כללי. הוא דורש שהאוויר הנקי ביותר יועבר תחילה לאזור העבודה. תפקידו להגביל ולהפחית את הזיהום של האובייקטים המעובדים. לשם כך, יש לקחת בחשבון את העקרונות הבאים בעת תכנון ארגון זרימת האוויר: מזעור זרמי מערבולת כדי למנוע הבאת זיהום מחוץ לאזור העבודה לאזור העבודה; ניסיון למנוע עף של אבק משני כדי להפחית את הסיכוי שאבק יזהם את חומר העבודה; זרימת האוויר באזור העבודה צריכה להיות אחידה ככל האפשר, ומהירות הרוח שלה צריכה לעמוד בדרישות התהליך וההיגיינה. כאשר זרימת האוויר זורמת ליציאת אוויר חוזר, יש לסלק ביעילות את האבק באוויר. בחרו מצבי אספקת אוויר והחזרה שונים בהתאם לדרישות ניקיון שונות.

לארגוני זרימת אוויר שונים יש מאפיינים והיקפים משלהם:

(1). זרימה אנכית חד-כיוונית

בנוסף ליתרונות הנפוצים של השגת זרימת אוויר אחידה כלפי מטה, הקלת סידור ציוד התהליך, יכולת טיהור עצמי חזקה ופישוט מתקנים נפוצים כמו מתקני טיהור אישיים, לארבע שיטות אספקת האוויר יש גם יתרונות וחסרונות משלהן: מסנני HEPA מכוסים במלואם בעלי יתרונות של התנגדות נמוכה ומחזור החלפת מסנן ארוך, אך מבנה התקרה מורכב והעלות גבוהה; היתרונות והחסרונות של אספקת מסנן HEPA מכוסה צדדית ומסירת צלחת חור מלא הפוכים מאלה של אספקת מסנן HEPA מכוסה במלואם. ביניהם, אספקת צלחת חור מלאה גורמת לקלילות על הצטברות אבק על המשטח הפנימי של צלחת הפתח כאשר המערכת אינה פועלת ברציפות, ותחזוקה לקויה משפיעה במידה מסוימת על הניקיון; אספקת מפזר צפוף דורשת שכבת ערבוב, ולכן היא מתאימה רק לחדרים נקיים גבוהים מעל 4 מטר, ומאפייניה דומים לאספקת צלחת חור מלאה; שיטת אוויר חוזר עבור צלחת עם סורגים משני הצדדים ויציאות אוויר חוזר המסודרות באופן שווה בתחתית הקירות הנגדיים מתאימה רק לחדרים נקיים עם מרווח נטו של פחות מ-6 מטר משני הצדדים; פתחי יציאת האוויר החוזר המסודרים בתחתית הקיר החד-צדדי מתאימים רק לחדרים נקיים עם מרחק קטן בין הקירות (כגון ≤<2~3 מטר).

(2). זרימה אופקית חד-כיוונית

רק אזור העבודה הראשון יכול להגיע לרמת ניקיון של 100. כאשר האוויר זורם לצד השני, ריכוז האבק עולה בהדרגה. לכן, הוא מתאים רק לחדרים נקיים עם דרישות ניקיון שונות עבור אותו תהליך באותו חדר. פיזור מקומי של מסנני HEPA על קיר אספקת האוויר יכול להפחית את השימוש במסנני HEPA ולחסוך בהשקעה ראשונית, אך ישנם מערבולות באזורים מקומיים.

(3). זרימת אוויר סוערת

המאפיינים של הזרמה עליונה של פלטות פתח והזרמה עליונה של מפזרים צפופים זהים לאלה שהוזכרו לעיל: היתרונות של הזרמה צדדית הם קלות לארגון צינורות, אין צורך בשכבה טכנית, עלות נמוכה, ומסייעים לשיפוץ מפעלים ישנים. החסרונות הם שמהירות הרוח באזור העבודה גדולה, וריכוז האבק בצד הרוח כלפי מטה גבוה מזה שבצד הרוח; הזרמה עליונה של יציאות מסנן HEPA כוללת יתרונות של מערכת פשוטה, ללא צינורות מאחורי מסנן HEPA, וזרימת אוויר נקייה המועברת ישירות לאזור העבודה, אך זרימת האוויר הנקייה מפוזרת באיטיות וזרימת האוויר באזור העבודה אחידה יותר; עם זאת, כאשר מספר יציאות אוויר מסודרות באופן שווה או כאשר משתמשים ביציאות אוויר של מסנן HEPA עם מפזרים, ניתן גם להפוך את זרימת האוויר באזור העבודה לאחידה יותר; אך כאשר המערכת אינה פועלת ברציפות, המפזר נוטה להצטברות אבק.

הדיון הנ"ל נמצא כולו במצב אידיאלי ומומלץ על ידי מפרטים לאומיים רלוונטיים, תקנים או מדריכי תכנון. בפרויקטים בפועל, ארגון זרימת האוויר אינו מתוכנן היטב עקב תנאים אובייקטיביים או סיבות סובייקטיביות של המתכנן. הנפוצים כוללים: זרימה אנכית חד-כיוונית מאמצת אוויר חוזר מהחלק התחתון של שני הקירות הסמוכים, דרגה מקומית 100 מאמצת אוויר חוזר עליון ואוויר חוזר עליון (כלומר, לא נוסף וילון תלוי מתחת ליציאת האוויר המקומית), וחדרים נקיים טורבולנטיים מאמצים אוויר חוזר עליון ואוויר חוזר עליון באמצעות מסנן HEPA או אוויר חוזר תחתון בצד אחד (מרווח גדול יותר בין הקירות) וכו'. שיטות ארגון זרימת האוויר הללו נמדדו ורוב ניקיון החדרים אינו עומד בדרישות התכנון. עקב המפרטים הנוכחיים לקבלה ריקה או סטטית, חלק מחדרים נקיים אלה בקושי מגיעים לרמת הניקיון המתוכננת בתנאים ריקים או סטטיים, אך יכולת ההפרעה נגד זיהום נמוכה מאוד, וברגע שהחדר הנקי נכנס למצב עבודה, הוא אינו עומד בדרישות.

יש לקבוע את ארגון זרימת האוויר הנכון באמצעות וילונות התלויים עד לגובה אזור העבודה באזור המקומי, ודגמי מחלקה 100,000 לא צריכים לאמץ פתחי אוויר עליון ופתחי אוויר חוזרים עליון. בנוסף, רוב המפעלים מייצרים כיום פתחי אוויר יעילים במיוחד עם מפזרי אוויר, והמפזרים שלהם הם רק לוחות פתח דקורטיביים ואינם ממלאים את תפקידם של מפזרי זרימת אוויר. מעצבים ומשתמשים צריכים לשים לב לכך במיוחד.

3. נפח אספקת אוויר או מהירות אוויר

נפח אוורור מספיק נועד לדלל ולהסיר אוויר מזוהם בתוך הבית. בהתאם לדרישות ניקיון שונות, כאשר הגובה נטו של חדר נקי גבוה, יש להגדיל את תדירות האוורור בהתאם. ביניהן, נפח האוורור של חדר נקי ברמה של מיליון נחשב לפי מערכת טיהור יעילה גבוהה, והשאר נחשב לפי מערכת טיהור יעילה גבוהה; כאשר מסנני HEPA של חדר נקי ברמה 100,000 מרוכזים בחדר המכונות או כאשר משתמשים במסנני תת-HEPA בסוף המערכת, ניתן להגדיל את תדירות האוורור ב-10-20% בהתאם.

עבור ערכי נפח האוורור המומלצים הנ"ל, המחבר סבור כי: מהירות הרוח דרך אזור החדר של חדר נקי עם זרימה חד כיוונית נמוכה, ולחדר נקי טורבולנטי יש ערך מומלץ עם מקדם בטיחות מספיק. זרימה אנכית חד כיוונית ≥ 0.25 מטר/שנייה, זרימה אופקית חד כיוונית ≥ 0.35 מטר/שנייה. למרות שניתן לעמוד בדרישות הניקיון כאשר נבדקים בתנאים ריקים או סטטיים, יכולת עמידות בפני זיהום נמוכה. לאחר שהחדר נכנס למצב עבודה, ייתכן שהניקיון לא יעמוד בדרישות. דוגמה מסוג זה אינה מקרה בודד. יחד עם זאת, אין מאווררים המתאימים למערכות טיהור בסדרת המאווררים של ארצי. באופן כללי, מתכננים לרוב אינם מבצעים חישובים מדויקים של התנגדות האוויר של המערכת, או אינם שמים לב האם המאוורר שנבחר נמצא בנקודת עבודה נוחה יותר על עקומת האופיינית, וכתוצאה מכך נפח האוויר או מהירות הרוח אינם מגיעים לערך המתוכנן זמן קצר לאחר הפעלת המערכת. התקן הפדרלי האמריקאי (FS209A~B) קבע כי מהירות זרימת האוויר של חדר נקי חד-כיווני דרך חתך החדר הנקי נשמרת בדרך כלל על 90 רגל/דקה (0.45 מטר/שנייה), וחוסר האחידות במהירות היא בטווח של ±20% בתנאי שאין הפרעה בחדר כולו. כל ירידה משמעותית במהירות זרימת האוויר תגדיל את האפשרות לזמן ניקוי עצמי וזיהום בין עמדות עבודה (לאחר פרסום FS209C באוקטובר 1987, לא נקבעו תקנות לכל מדדי הפרמטרים מלבד ריכוז האבק).

מסיבה זו, המחבר סבור כי ראוי להגדיל באופן הולם את ערך התכנון הנוכחי של מהירות זרימה חד כיוונית בבית. היחידה שלנו עשתה זאת בפרויקטים בפועל, והאפקט טוב יחסית. לחדרים נקיים טורבולנטיים יש ערך מומלץ עם מקדם בטיחות מספיק יחסית, אך מתכננים רבים עדיין אינם בטוחים. בעת תכנון ספציפי, הם מגדילים את נפח האוורור של חדר נקי מסוג 100,000 ל-20-25 פעמים/שעה, חדר נקי מסוג 10,000 ל-30-40 פעמים/שעה, וחדר נקי מסוג 1000 ל-60-70 פעמים/שעה. זה לא רק מגדיל את קיבולת הציוד ואת ההשקעה הראשונית, אלא גם מגדיל את עלויות התחזוקה והניהול העתידיות. למעשה, אין צורך לעשות זאת. בעת עריכת המדדים הטכניים לניקוי אוויר של ארצי, נחקרו ונמדדו יותר מחדרים נקיים מסוג 100 בסין. חדרים נקיים רבים נבדקו בתנאים דינמיים. התוצאות הראו שנפחי אוורור של חדרים נקיים מסוג 100,000 ≥10 פעמים/שעה, חדרים נקיים מסוג 10,000 ≥20 פעמים/שעה, וחדרים נקיים מסוג 1000 ≥50 פעמים/שעה יכולים לעמוד בדרישות. התקן הפדרלי האמריקאי (FS2O9A~B) קובע: חדרים נקיים לא חד כיווניים (סוג 100,000, סוג 10,000), גובה חדר 8~12 רגל (2.44~3.66 מטר), בדרך כלל מחשיבים את כל החדר לאוורור לפחות פעם אחת כל 3 דקות (כלומר 20 פעמים/שעה). לכן, מפרט התכנון לקח בחשבון מקדם עודף גדול, והמעצב יכול לבחור בבטחה בהתאם לערך המומלץ של נפח האוורור.

4. הפרש לחץ סטטי

שמירה על לחץ חיובי מסוים בחדר נקי היא אחד התנאים החיוניים להבטחת שהחדר הנקי לא יהיה מזוהם או פחות מזוהם על מנת לשמור על רמת הניקיון המתוכננת. גם עבור חדרי נקיון בלחץ שלילי, חייבים להיות חדרים או סוויטות סמוכים עם רמת ניקיון שאינה נמוכה מרמתם כדי לשמור על לחץ חיובי מסוים, כך שניתן יהיה לשמור על ניקיון חדר הניקיון בלחץ שלילי.

ערך הלחץ החיובי של חדר נקי מתייחס לערך כאשר הלחץ הסטטי בתוך הבית גדול מהלחץ הסטטי החיצוני כאשר כל הדלתות והחלונות סגורים. ערך זה מושג על ידי שיטת אספקת האוויר של מערכת הטיהור גדולה מנפח האוויר החוזר ומנפח האוויר הפליטה. על מנת להבטיח את ערך הלחץ החיובי של חדר נקי, מאווררי האספקה, ההחזרה והפליטה רצוי להיות משולבים זה בזה. כאשר המערכת מופעלת, מאוורר האספקה ​​מופעל תחילה, ולאחר מכן מאווררי ההחזרה והפליטה מופעלים; כאשר המערכת כבויה, מאוורר הפליטה כבוי תחילה, ולאחר מכן מאווררי ההחזרה והאספקה ​​כבויים כדי למנוע זיהום של חדר נקי בעת הפעלה וכיבוי המערכת.

נפח האוויר הנדרש לשמירה על לחץ חיובי בחדר הנקי נקבע בעיקר על ידי אטימות מבנה התחזוקה. בימים הראשונים של בניית חדרים נקיים במדינתי, עקב אטימות ירודה של מבנה הסגירה, נדרשו 2 עד 6 פעמים/שעה של אספקת אוויר כדי לשמור על לחץ חיובי של ≥5Pa; כיום, אטימות מבנה התחזוקה שופרה מאוד, ונדרש רק 1 עד 2 פעמים/שעה של אספקת אוויר כדי לשמור על אותו לחץ חיובי; ורק 2 עד 3 פעמים/שעה של אספקת אוויר נדרשים כדי לשמור על ≥10Pa.

מפרטי התכנון של ארצי [6] קובעים כי הפרש הלחצים הסטטי בין חדרים נקיים בדרגות שונות ובין אזורים נקיים לאזורים שאינם נקיים לא יפחת מ-0.5 מ"מ H2O (~5Pa), והפרש הלחצים הסטטי בין האזור הנקי לחוץ לא יפחת מ-1.0 מ"מ H2O (~10Pa). המחבר סבור כי ערך זה נראה נמוך מדי משלוש סיבות:

(1) לחץ חיובי מתייחס ליכולתו של חדר נקי לדכא זיהום אוויר בתוך הבית דרך הרווחים שבין דלתות לחלונות, או למזער את המזהמים החודרים לחדר כאשר הדלתות והחלונות נפתחים לזמן קצר. גודל הלחץ החיובי מצביע על עוצמת יכולת דיכוי הזיהום. כמובן, ככל שהלחץ החיובי גדול יותר, כך ייטב (דבר שיפורט בהמשך).

(2) נפח האוויר הנדרש ללחץ חיובי מוגבל. נפח האוויר הנדרש ללחץ חיובי של 5 פאסל ולחץ חיובי של 10 פאסל שונה רק בכפע אחת לשעה. מדוע לא לעשות זאת? ברור שעדיף לקחת את הגבול התחתון של לחץ חיובי כ-10 פאסל.

(3) התקן הפדרלי האמריקאי (FS209A~B) קובע שכאשר כל הכניסות והיציאות סגורות, הפרש הלחץ החיובי המינימלי בין החדר הנקי לכל אזור סמוך בו ניקיון נמוך הוא 0.05 אינץ' של עמודת מים (12.5Pa). ערך זה אומץ על ידי מדינות רבות. אך ערך הלחץ החיובי של החדר הנקי אינו גבוה יותר, כך ייטב. על פי בדיקות הנדסיות בפועל של היחידה שלנו במשך יותר מ-30 שנה, כאשר ערך הלחץ החיובי הוא ≥ 30Pa, קשה לפתוח את הדלת. אם תסגור את הדלת ברשלנות, זה יעשה בום! זה יפחיד אנשים. כאשר ערך הלחץ החיובי הוא ≥ 50~70Pa, הפערים בין הדלתות לחלונות יפיקו שריקה, ואנשים חלשים או כאלה עם תסמינים לא מתאימים ירגישו לא בנוח. עם זאת, המפרטים או התקנים הרלוונטיים של מדינות רבות בארץ ובחו"ל אינם מציינים את הגבול העליון של הלחץ החיובי. כתוצאה מכך, יחידות רבות מבקשות לעמוד רק בדרישות הגבול התחתון, ללא קשר לגובה הגבול העליון. בחדר הנקי בפועל שנתקל המחבר בו, ערך הלחץ החיובי גבוה עד 100 פאסל או יותר, מה שגורם להשפעות שליליות מאוד. למעשה, כוונון הלחץ החיובי אינו דבר קשה. בהחלט ניתן לשלוט בו בטווח מסוים. קיים מסמך המציג כי מדינה מסוימת במזרח אירופה קובעת את ערך הלחץ החיובי כ-1-3 מ"מ H20 (בערך 10~30 פאסל). המחבר סבור שטווח זה מתאים יותר.