Axial Fan与FFU系统洁净室性能之分析比较

Axial Fan 与 FFU 系统洁净室性能之分析比较 洁净室的主要目的为维持室内空气中的粉尘粒子 粒径 室内的温湿度 压力 流场 震 动 噪音 照明及有害气体等等 因此 洁净室的空调系统对 IC 的设计 制程 产品的良 率及可靠性有很大的影响 另外 由于台湾工业迅速的发展 洁净室已经随着许多的 GMP 药厂 高精密的电子厂及医院的手术室增加而日益殷切 近几年来 由于科技技术的创新 和发展 对于产品的高精度化 细微化的需求更加迫切 如超大集成电路 VLSI 及极大 型集成电路 ULSI 的制造 已经成为世界各国在科技上发展的重要项目 南部科学园区 的兴建及国内产业结构的大幅的改变 导致国内对于洁净室的需求可说是日益的增加 然而洁净室与通用空调最大的不同有以下几点 1 温湿度的要求比一般空调低 2 恒温 恒湿的控制 3 对空气质量的要求较严格 4 全外气量与换气次数大 5 洁净室空调系 统 24 小时全天运转 6 气流分布需均匀 7 运转的成本相当的高 8 需与邻近的区域 维持压差 当前洁净室之送风系统可以分为轴流风扇型 Axial Fan Type 风扇 风机滤网机 组 Fan Filter Unit 及空调风管型 Air Conditioner Type 三种 图一为此三种系统图 空调风 管型系统因为对要求全面层流的无尘室须较高的费用 因此对全面层流 C R 当前几乎不被 采用 故不在本研究讨论范围中 图一 不同形式洁净室之系统图 a 轴流风扇型系统 Axial Fan Type b 循环空调型系统 re circulation air conditioner Type c 风扇风机滤网型系统 FFU Type 轴流风扇 Axial Fan 因为构造简单 安装容易 初设费用低并且可藉由 vane pitch 调整送风 量之大小 然而在设计这类型的洁净室须相当的注意洁净室之几何形状及风扇的系统效率 虽然 Axial Fan 类型洁净室有高的风扇效率 超过 80 及马达效率 超过 80 可是必须克 服消音器 Silencer 过滤网 ULPA Filter 高架地板 Perforated floor 及冷却管排 Coiling Coil 所生成的压降 因此所消耗的能量将是非常得大 FFU Fan Filter Unit 为风机加上过滤器 ULPA 所构成的一个送风组件 图二为 FFU 之尺 寸图及结构图 FFU 系统在 1980 年已经使用在洁净室上 一般而言 研究 FFU 考虑的要 素有机械性能及过滤性能两种 机械性能通常指送风量 风压 电功率及效率等 过滤性 能指的是滤网过滤的效果 风机生成的压力通常消耗在滤网上 图二 FFU 尺寸图及结构图 因此高效率 低压损的滤网的选择也是非常重要的 空气藉由离心式风扇吸入后 在风道 中将其动压转换为静压 目的就是使空气经过 ULPA Filter 后能够均匀的吹出 并使得噪音 降低 近年来 FFU 已经替换轴流风扇 Axial Fan 应用在洁净室中 其具有的优点如下 1 模块化施工 机动性高 容易作 FFU 日后的增减 2 FFU 风量循环系统压损小 单位循 环风量的耗电量较轴流式风扇 Axial Fan 低 3 FFU 耗电量少 相对的噪音也低 不像轴 流式风机进出口需加装消音器 所以成本相对的降低 4 洁净室内压力高于天花板内供气 压力 不会有尘埃泄漏至洁净室之虞 洁净室空气循环系统之电力消耗通常为 MAU Make up Air Units 及循环空气系统 空气 循环系统之电力消耗通常占整厂电力之 15 左右 电力之消耗一般为 1 5kW m2 为常规 产业空调之数十倍 尤其当前在晶圆的尺寸及精密度的要求越趋严格下 能源的消耗也将 遽增 如何在节约能源方面进行适当的规划设计 将是一个很重要课题 除了考虑能源效率之外 气流的流场特性将影响洁净室等级与气态污染物的控制 因此两 个重要的参数将被考虑当中 a ULPA Filter 出风速度之不均一性 NU b 工作区域之平 行度或偏移角 ULPA Filter 平均出风速度之气流不均一性通常定义如式 1 公式 1 其中 NU 为测量各点之标准差 STD 与平均速度 Vface 之比 Vface 为在 ULPA filter 下 之平均出风速度 n ULPA filter 下之测量点数 IES 1 FS 209D 2 及 JIS 3 定 义气流不均一性 NU 及偏移角 通常小于 20 及 14 度 研究主题研究主题 一般而言 在垂直层流洁净室中 气流可接受之速度变动范围通常为平均风速之 20 以内 为最佳 而在 Maeda 4 利用二维实验模型及数值方式分析高架地板开孔率对气流均一性 的影响 Nishioka 5 中提出影响流场之均一性有出风速度 出风 chamber 的高度与宽度 比及 HEPA Filter 之压降 Tanaka 6 利用数值及实验的方法分析不同长度之洁净室及不 同高架地板之开孔率 对室内气流偏移角的影响 Takahashi 7 分析在不同送风高度及 送风速度下 气流通过 ULPA Filter 时之速度分布图 李延青 8 将 Axial Fan 与 FFU 形 式之洁净室做气动特性方面的比较 曹芳海 9 测试不同 FFU 之耗电量及静压 并且针 对 HEPA 及 ULPA Filter 作其组抗的测试 本研究拟针对 Axial Fan 系统及 FFU Fan Filter Unit 在垂直层流无尘室进行分析 在仿真之 洁净室中并无制程设备及人员 此为建造状态 as built 不考虑排气量及外气补充量 并 且对于耗能极高的洁净室的温湿度分布控制不加以考虑 即假设等温状态 仅针对创建洁 净室的所需之对象 HEPA 高架地板 风机 送风高回风高度及冷却管盘等进行分析比 较系统及耗能 研究方法研究方法 数值方法 本研究的数值方法乃是采用 Patankar 1980 所提出的 SIMPLE semi Implicit Method for Pressure Linked Equation 半隐含压力连结法则 由英国 CHAM 公司所发展出的 PHOENICS 套装软件 此软件可用于仿真流体运动 热传 质传及化学反应等问题 本研究乃是利用 Turbulent model 中的 k model 来计算紊流对流动之影响 而统御方程序如公式 2 所示 由于此套装软件提供 Fan Matching 的功能 它可以让使用者根据不同的风机性能曲线来仿 真实际风机运转的情行 并且可以定义风机的吹送方式 仿真的结果将生成系统的流量 风机的流量 风扇的速度及压差 根据流量及压差 将可以得到风机所消耗之电力 表一 为研究之边界条件如下所示 公式 2 其中 空气密度 kg m3 eff 有效扩散系数 effective diffusion coefficient N s m2 V 空气速度 m s S 一般流体性质之来源项 source term of the general fluid property 任何变量 1 u v w k and e u v w 三维速度分量 m s k 紊流动能 turbulence kinetic energy m2 s2 e 紊流动能之发散率 dissipation rate of the turbulence kinetic energy m2 s3 表一 数值仿真之边界条件 边界条件 影响洁净室运转特性有数个几何参数 其中包括洁净室之高度 送风高度 回风高度及洁 净室长度等 然而本研究着重于不同空气循环系统在能源消耗 ULPA 出风面速之不均一 性 NU 及工作区气流之平行度之影响 因此送风高度 Hs 回风高度 Hr 及洁净室高度 Hc 设置为 Hs 1 9m Hr 2 6m Hc 2 7m 洁净室的长度 L 是一个影响系统循环风量及空气 在 SAP 中分布的重要参数 因此本研究仿真之 8 个 CASE 如表一所示 a 假设仿真之边界为绝热 也就是没有热传现象 b 假设洁净室为密闭的循环 不考虑排气及新鲜空气 c 洁净室尺寸 依照不同之条件分别假设洁净室长度为 24m 19 2m 14 4m 及 9 6m 四种 洁净室宽度及高度分别为 4 8m 及 2 7m d 显热冷却盘管 0 2m L x 4 8m W x 2 6m H 假设气流通过热 交换器面积率为 0 55 则通过热交换器的压降为 DPc 60Vc2 其中 Vc 为通过管盘的正面 风速 m s 当为 FFU 系统时 因为 FFU 的驱动元件采用较低风量风机 所以须搭配较低压 降之显热冷却盘 因此分别选用为 DPc 4Vc2 DPc 6Vc2 DPc 10Vc2 及 DPc 2Vc2 四种压降的盘管 e 高架地板 开孔率分别为 11 其压降为 DPp 80Vp2 其中 Vp 为通过高架地板的面速 m s 高架地板的开孔率与压降的关系可由式 3 得知 公式 3 其中 为开孔率 P 为压差 Pa V 为面速 m s f ULPA Filter 假设出风面速为 0 35m s 对 0 1um 粒子补捉的效率为 99 9995 其压降 DPf 300Vf g Axial Fan 采用 TELLUS PROGRAMME TYPE AJV and ASV 1778 630 10 可变节距轴流 风机 性能曲线如图三 a 所示 h 消音器 针对 Axial Fan 系统 其目的为了减少系统的噪音 压降与速度的关系为 DPs 25Vs Vs 为通过消音器的面速 m s i FFU 1 1 2m L x 0 6m W x 0 3m H SINKO KJ 2360H 性能曲线如图三 b 所示 图三 a 轴流风扇性能曲线图 b FFU 性能曲线图 结果讨论结果讨论 1 能源消耗 表二所示 在相同边界条件之下 Axial Fan 每单位流量之电力消耗 Pe Qt 之值比 FFU 大 而 Axial Fan 与 FFU 平均之电力消耗分别为 14 2W CMM 及 7 45W CMM 这个资料与 Okuma 10 1997 针对 3200m2 的洁净室其系统之平均电力消耗 14 11W CMM 及 8 16W CMM 非常接近 其中差异性的地方可能为使用不同的风扇性能曲线 另一个有趣 的发现为 Axial Fan 形式之平均电力消耗 Pe Qt 随着洁净室的长度增加而增加 而 FFU 形 式几乎没有改变 7 4W CMM Axial Fan 电力消耗较大的原因是因为必须克服大的系统压 降 结果显示 Axial Fan 的操作静压 Ps 比 FFU 高出许多 表二 Axial Fan 与 FFU 系统性能分析比较表 表三为费用方面比较表 一般而言分为电力费用及热负荷费用两方面 风机运转时生成的 功率转换成热能 这部分的热必须由冷却盘管所带走 由表中可知热负荷所花的费用约为 电力费用 20 左右 因此在初期设计洁净室时必须将其考虑进去 表三 Axial Fan 与 FFU 系统电力分析比较表 2 ULPA 出风速度之不均一性 NU 为了确认仿真与实验值之准确性 因此将 ULPA 出风速度与 Nishioka 5 实验值相比较 如图四所示 由图中可知实验的结果与预期值相当的接近 图四 实验值与仿真值之比较 由表二可知 在相同的条件下 Axial Fan 之气流不均一性 NU 比 FFU 大很多 且当洁净 室长度越长时 其气流之不均一性明显的增加 而 FFU 之 NU 均相当的小 CASE1 NU 39 7 CASE5 NU 2 37 图五为 CASE1 及 CASE5 之速度分布图 Axial Fan 之 NU 与送风高度有相当大的关系 若送风高度不变时 对长度较长的洁净室而言 因为风 机气流吹程的问题 将会使的在洁净室远程处的风量较小 有明显的不足 气流在 SAP 的 末端明显的不足 因此造成气流不均一性增加 而 FFU 之 NU 则与气流在 FFU 内部风道 有关 与 SAP 高度无关 当 Axial Fan Clean Room 风机在系统运转时 必须克服洁净室中 所有之元件之压降损失 可是一般在选择风机时 往往因为风机系统效应的问题 导致整 体循环风量常常不足 而影响整个系统 因此慎选一个适当的轴流风机将是非常重要的 图五 CASE1 及 CASE5 之速度分布图 3 气流平行度气流平行度 偏移角偏移角 影响气流之偏移角包括几个因素 ULPA Filter 面速之不均一性 高架地板压差及洁净室高 度等 在相同的边界条件下 不论 Axial Fan 与 FFU 系统其偏移角 随着洁净室的长度增 加而增加 然而 FFU 系统为低压降的系统 因此可以藉由调整马达的转速及高架地板压差 来改变气流之偏移角 4 压力分布压力分布 图六为 CASE1 及 CASE6 之压力之分布图 若从施工及 Filter 安装的观点来分析 因为在 因为在 Axial Fan 中其 SAP 为正压系统 若更换 Filter 时 污染物将渗入洁净室中 而相对 FFU 为负压系统 因此 FFU 系统较 Axial Fan 系统容易施工 图六 CASE1 及 CASE5 之压力分布图 结论结论 根据上述的研究讨论可以得到以下的结论 1 针对 Axial Fan 及 FFU 系统之洁净室 其风机的性能曲线已经成功的应用于 CFD 模式中 如此对于往后在设计洁净室时其预期的结果将更为准确 2 FFU 系统不论在 ULPA 出风速度之不均一性 工作区域气流之偏移角及能源消耗方面均 优于 Axial Fan 系统 因此须要进一步的去研究瞭解这两个系统的性能其中包括初设费用 initial cost 维护费用 maintenance cost 及弹性的空间管理 等等 参考资料参考资料 1 IES RP CC 006 84T Recommended Practice for Testing Clean Rooms Institute of Environmental Science IES 1984 2 FS 209D Clean Room and Work Station Requirements Controlled Environment Federal Standard 1988 3 JIS B 9920 1989 Measuring Method for Airborne Particles in Clean Room and Evaluating Methods for Air Cleanliness of Clean Room 1989 4 Maeda M Toshihito T and Akira T Studies on Rationalizing Air Flow in Clean Room Part1 Air Flow Pattern in a Vertical Laminar Flow Type Clean Room proceedings of the 5th annual technical meeting of Japan Air Cleaning Association JACA April 9th to 11th 1986 in Japanese 5 Nishioka T and Xie G Studies on the Flow in a Full Down flow Clean room and the Ceiling Chamber Configuration proceedings of the 10th International Symposium on Contamination Control ICCCS 92 September 1992 6 Tanaka A Masayuki M and Atushi S Studies on Rationalizing Air Flow in Clean Room Part2 Simulation Technique o