التحليل الأساسي للغرفة النظيفة

مقدمة

تُعدّ الغرفة النظيفة أساس مكافحة التلوث. فبدونها، لا يُمكن إنتاج الأجزاء الحساسة للتلوث بكميات كبيرة. في المعيار FED-STD-2، تُعرّف الغرفة النظيفة بأنها غرفة مُجهزة بفلترة الهواء وتوزيعه وتحسينه ومواد البناء والمعدات، وتُستخدم فيها إجراءات تشغيل منتظمة مُحددة للتحكم في تركيز الجسيمات المحمولة جوًا لتحقيق مستوى نظافة الجسيمات المُناسب.

لتحقيق نظافة مثالية في الغرف النظيفة، لا يقتصر الأمر على التركيز على اتخاذ إجراءات تنقية مناسبة لتكييف الهواء فحسب، بل يشمل أيضًا إلزام العمليات والإنشاءات والتخصصات الأخرى باتخاذ الإجراءات المناسبة: ليس فقط التصميم المعقول، بل أيضًا الإنشاء والتركيب الدقيق وفقًا للمواصفات، بالإضافة إلى الاستخدام الصحيح للغرف النظيفة والصيانة والإدارة العلمية. ولتحقيق ذلك، تناولت العديد من الدراسات المحلية والأجنبية جوانب مختلفة. في الواقع، يصعب تحقيق التنسيق الأمثل بين التخصصات المختلفة، ويصعب على المصممين فهم جودة البناء والتركيب، بالإضافة إلى الاستخدام والإدارة، وخاصةً الأخيرة. وفيما يتعلق بإجراءات تنقية الغرف النظيفة، غالبًا ما لا يولي العديد من المصممين، أو حتى فرق البناء، اهتمامًا كافيًا للشروط اللازمة، مما يؤدي إلى تأثير نظافة غير مرضٍ. تتناول هذه المقالة بإيجاز الشروط الأربعة اللازمة لتحقيق متطلبات النظافة في إجراءات تنقية الغرف النظيفة.

1. نظافة إمدادات الهواء

لضمان أن نظافة إمدادات الهواء تلبي المتطلبات، فإن المفتاح هو أداء وتركيب الفلتر النهائي لنظام التنقية.

اختيار الفلتر

عادةً ما يكون المرشح النهائي لنظام التنقية إما مرشحًا عالي الكفاءة (HEPA) أو مرشحًا فرعيًا (Sub-hepa). ووفقًا لمعايير بلدي، تُصنف كفاءة مرشحات HEPA إلى أربع درجات: الفئة A ≥ 99.9%، والفئة B ≥ 99.9%، والفئة C ≥ 99.999%، والفئة D (للجسيمات ≥ 0.1 ميكرومتر) ≥ 99.999% (المعروفة أيضًا باسم مرشحات Ultra-hepa)؛ وتتراوح كفاءة مرشحات Sub-hepa (للجسيمات ≥ 0.5 ميكرومتر) بين 95 و99.9%. كلما زادت الكفاءة، ارتفع سعر المرشح. لذلك، عند اختيار مرشح، يجب ألا يقتصر الأمر على تلبية متطلبات نظافة إمدادات الهواء فحسب، بل يجب أيضًا مراعاة الجدوى الاقتصادية.

من منظور متطلبات النظافة، يتمثل المبدأ في استخدام مرشحات منخفضة الأداء للغرف النظيفة منخفضة المستوى ومرشحات عالية الأداء للغرف النظيفة عالية المستوى. بشكل عام: يمكن استخدام مرشحات عالية ومتوسطة الكفاءة لمستوى مليون؛ ويمكن استخدام مرشحات هيبا دون المستوى أو الفئة أ للمستويات الأقل من الفئة 10000؛ ويمكن استخدام مرشحات الفئة ب للفئات من 10000 إلى 100؛ ويمكن استخدام مرشحات الفئة ج للمستويات من 100 إلى 1. يبدو أن هناك نوعين من المرشحات للاختيار من بينهما لكل مستوى نظافة. يعتمد اختيار مرشحات عالية الأداء أو منخفضة الأداء على الموقف المحدد: عندما يكون التلوث البيئي خطيرًا، أو تكون نسبة العادم الداخلي كبيرة، أو تكون الغرفة النظيفة مهمة بشكل خاص وتتطلب عامل أمان أكبر، في هذه الحالات أو إحداها، يجب اختيار مرشح عالي الدرجة؛ وإلا، يمكن اختيار مرشح منخفض الأداء. بالنسبة للغرف النظيفة التي تتطلب التحكم في جسيمات بحجم 0.1 ميكرومتر، يجب اختيار مرشحات الفئة D بغض النظر عن تركيز الجسيمات المُتحكم فيه. ما سبق ينطبق فقط على المرشح. في الواقع، لاختيار مرشح جيد، يجب مراعاة خصائص الغرفة النظيفة، والمرشح، ونظام التنقية بدقة.

تركيب الفلتر

لضمان نظافة مصدر الهواء، لا يكفي وجود مرشحات مؤهلة فقط، بل يجب أيضًا ضمان: أ. عدم تلف المرشح أثناء النقل والتركيب؛ ب. التثبيت محكم. لتحقيق النقطة الأولى، يجب أن يكون موظفو البناء والتركيب مدربين تدريبًا جيدًا، مع معرفة بتركيب أنظمة التنقية ومهارات التثبيت الماهرة. وإلا، سيكون من الصعب ضمان عدم تلف المرشح. هناك دروس عميقة في هذا الصدد. ثانيًا، تعتمد مشكلة إحكام التثبيت بشكل أساسي على جودة هيكل التثبيت. يوصي دليل التصميم عمومًا بما يلي: بالنسبة لمرشح واحد، يتم استخدام تركيب من النوع المفتوح، بحيث حتى في حالة حدوث تسرب، فلن يتسرب إلى الغرفة؛ باستخدام منفذ هواء HEPA النهائي، يكون من الأسهل أيضًا ضمان الإحكام. بالنسبة لهواء المرشحات المتعددة، غالبًا ما يتم استخدام ختم الجل وختم الضغط السلبي في السنوات الأخيرة.

يجب أن يضمن مانع التسرب الجل إحكام وصلة خزان السائل، وأن يكون الإطار بأكمله على نفس المستوى الأفقي. يهدف مانع التسرب بالضغط السلبي إلى جعل المحيط الخارجي للوصلة بين المرشح وصندوق الضغط الساكن والإطار في حالة ضغط سلبي. وكما هو الحال في التركيب المفتوح، حتى في حالة وجود تسرب، لن يتسرب إلى الغرفة. في الواقع، طالما كان إطار التركيب مسطحًا، وكان وجه المرشح النهائي ملامسًا له بشكل متساوٍ، فسيكون من السهل تلبية متطلبات إحكام التركيب في أي نوع من أنواع التركيب.

2. تنظيم تدفق الهواء

يختلف تنظيم تدفق الهواء في غرفة نظيفة عن غرفة مكيفة عادية. فهو يتطلب إيصال أنظف هواء إلى منطقة التشغيل أولاً. وتتمثل وظيفته في الحد من التلوث الناتج عن المواد المعالجة وتقليله. ولتحقيق ذلك، ينبغي مراعاة المبادئ التالية عند تصميم تنظيم تدفق الهواء: تقليل التيارات الدوامية لتجنب جلب التلوث من خارج منطقة العمل إليها؛ محاولة منع تطاير الغبار الثانوي لتقليل احتمالية تلويث الغبار لقطعة العمل؛ يجب أن يكون تدفق الهواء في منطقة العمل منتظمًا قدر الإمكان، وأن تتوافق سرعة الرياح مع متطلبات العملية والنظافة. عند تدفق الهواء إلى مخرج هواء العودة، يجب إزالة الغبار الموجود في الهواء بفعالية. اختر أوضاعًا مختلفة لتوصيل وإرجاع الهواء وفقًا لمتطلبات النظافة المختلفة.

تتمتع منظمات تدفق الهواء المختلفة بخصائصها ونطاقاتها الخاصة:

(1). التدفق الرأسي أحادي الاتجاه

بالإضافة إلى المزايا الشائعة للحصول على تدفق هواء موحد للأسفل، وتسهيل ترتيب معدات العملية، وقدرة قوية على التنقية الذاتية، وتبسيط المرافق الشائعة مثل مرافق التنقية الشخصية، فإن طرق إمداد الهواء الأربعة لها أيضًا مزاياها وعيوبها الخاصة: تتميز مرشحات HEPA المغطاة بالكامل بمزايا المقاومة المنخفضة ودورة استبدال الفلتر الطويلة، ولكن هيكل السقف معقد والتكلفة مرتفعة؛ إن مزايا وعيوب توصيل فلتر HEPA المغطى بالجانب العلوي وتوصيل اللوحة العلوية ذات الفتحة الكاملة هي عكس مزايا وعيوب توصيل فلتر HEPA المغطى بالكامل. من بينها، يسهل تراكم الغبار على السطح الداخلي للوحة الفتحة عند تشغيل النظام بشكل غير مستمر، كما أن سوء الصيانة له بعض التأثير على النظافة؛ يتطلب توصيل الناشر الكثيف طبقة خلط، لذا فهو مناسب فقط للغرف النظيفة الطويلة التي يزيد ارتفاعها عن 4 أمتار، وخصائصه مشابهة لتوصيل اللوحة العلوية ذات الفتحة الكاملة؛ طريقة عودة الهواء للوحة مع شبكات على كلا الجانبين ومنافذ عودة الهواء مرتبة بالتساوي في الجزء السفلي من الجدران المقابلة مناسبة فقط للغرف النظيفة ذات المسافة الصافية أقل من 6 أمتار على كلا الجانبين؛ منافذ عودة الهواء المرتبة في الجزء السفلي من الجدار أحادي الجانب مناسبة فقط للغرف النظيفة ذات المسافة الصغيرة بين الجدران (مثل ≤<2~3 م).

(2). التدفق الأفقي أحادي الاتجاه

يمكن لمنطقة العمل الأولى فقط الوصول إلى مستوى نظافة ١٠٠. عند تدفق الهواء إلى الجانب الآخر، يزداد تركيز الغبار تدريجيًا. لذلك، فهو مناسب فقط للغرف النظيفة ذات متطلبات النظافة المختلفة لنفس العملية في الغرفة نفسها. يمكن أن يُقلل التوزيع المحلي لمرشحات HEPA على جدار إمداد الهواء من استخدامها ويوفر الاستثمار الأولي، ولكن توجد دوامات في المناطق المحلية.

(3). تدفق الهواء المضطرب

تتشابه خصائص التوصيل العلوي للوحات الفتحة والتوصيل العلوي للناشرات الكثيفة مع ما ذُكر سابقًا: يتميز التوصيل الجانبي بسهولة ترتيب الأنابيب، وعدم الحاجة إلى طبقة تقنية بينية، وانخفاض التكلفة، ومناسب لتجديد المصانع القديمة. أما عيوبه، فتتمثل في سرعة الرياح العالية في منطقة العمل، وتركيز الغبار في اتجاه الريح أعلى منه في اتجاه الريح؛ يتميز التوصيل العلوي لمنافذ مرشحات الهواء عالي الكفاءة (HEPA) بسهولة النظام، وعدم وجود أنابيب خلفها، وتدفق هواء نقي مُوَصَّل مباشرةً إلى منطقة العمل، إلا أن تدفق الهواء النقي ينتشر ببطء، ويكون تدفق الهواء في منطقة العمل أكثر انتظامًا؛ ومع ذلك، عند ترتيب منافذ هواء متعددة بالتساوي أو استخدام منافذ هواء مزودة بمرشحات هواء عالية الكفاءة (HEPA) مع ناشرات، يمكن أيضًا جعل تدفق الهواء في منطقة العمل أكثر انتظامًا؛ ولكن عندما لا يعمل النظام باستمرار، يكون الناشر عرضة لتراكم الغبار.

المناقشة أعلاه كلها في حالة مثالية وموصى بها من قبل المواصفات الوطنية ذات الصلة أو المعايير أو أدلة التصميم. في المشاريع الفعلية، لم يتم تصميم تنظيم تدفق الهواء بشكل جيد بسبب ظروف موضوعية أو أسباب ذاتية للمصمم. تشمل الأسباب الشائعة ما يلي: يعتمد التدفق أحادي الاتجاه الرأسي على هواء عائد من الجزء السفلي من الجدارين المتجاورين، وتتبنى الفئة المحلية 100 التوصيل العلوي والعودة العلوية (أي أنه لا تتم إضافة ستارة معلقة أسفل مخرج الهواء المحلي)، وتتبنى غرف التنظيف المضطربة منفذ هواء مرشح HEPA للتوصيل العلوي والعودة العلوية أو العودة السفلية أحادية الجانب (مسافة أكبر بين الجدران)، إلخ. تم قياس طرق تنظيم تدفق الهواء هذه ومعظم نظافتها لا تلبي متطلبات التصميم. نظرًا للمواصفات الحالية للقبول الفارغ أو الساكن، بالكاد تصل بعض هذه الغرف النظيفة إلى مستوى النظافة المصمم في الظروف الفارغة أو الساكنة، ولكن قدرة التداخل المضادة للتلوث منخفضة للغاية، وبمجرد دخول الغرفة النظيفة في حالة العمل، فإنها لا تلبي المتطلبات.

يجب ضبط تنظيم تدفق الهواء بشكل صحيح من خلال تعليق الستائر على ارتفاع منطقة العمل، ويجب ألا تعتمد الفئة 100,000 نظامي التوصيل والإرجاع العلويين. بالإضافة إلى ذلك، تُنتج معظم المصانع حاليًا منافذ هواء عالية الكفاءة مزودة بموزعات، وهذه الموزعات عبارة عن فتحات زخرفية فقط، ولا تؤدي دور تشتيت تدفق الهواء. لذا، ينبغي على المصممين والمستخدمين إيلاء اهتمام خاص لهذا الأمر.

3. حجم إمداد الهواء أو سرعة الهواء

يُقصد بحجم التهوية الكافي تخفيف الهواء الداخلي الملوث والتخلص منه. ووفقًا لمتطلبات النظافة المختلفة، عند ارتفاع صافي ارتفاع الغرفة النظيفة، يجب زيادة وتيرة التهوية بشكل مناسب. من بينها، يُراعى حجم تهوية الغرفة النظيفة ذات المليون مستوى وفقًا لنظام التنقية عالي الكفاءة، ويُراعى الباقي وفقًا لنظام التنقية عالي الكفاءة؛ وعند تركيز فلاتر HEPA من فئة 100,000 في غرفة الماكينة أو استخدام فلاتر HEPA الفرعية في نهاية النظام، يمكن زيادة وتيرة التهوية بشكل مناسب بنسبة 10-20%.

بالنسبة لقيم حجم التهوية الموصى بها أعلاه، يعتقد المؤلف أن: سرعة الرياح عبر قسم الغرفة من غرفة التنظيف أحادية الاتجاه منخفضة، وأن غرفة التنظيف المضطربة لها قيمة موصى بها مع عامل أمان كافٍ. التدفق أحادي الاتجاه الرأسي ≥ 0.25 م/ث، التدفق أحادي الاتجاه الأفقي ≥ 0.35 م/ث. على الرغم من أنه يمكن تلبية متطلبات النظافة عند اختبارها في ظروف فارغة أو ثابتة، إلا أن القدرة على مكافحة التلوث ضعيفة. بمجرد دخول الغرفة في حالة العمل، قد لا تفي النظافة بالمتطلبات. هذا النوع من الأمثلة ليس حالة معزولة. في الوقت نفسه، لا توجد مراوح مناسبة لأنظمة التنقية في سلسلة أجهزة التهوية في بلدي. بشكل عام، غالبًا ما لا يقوم المصممون بإجراء حسابات دقيقة لمقاومة هواء النظام، أو لا يلاحظون ما إذا كانت المروحة المحددة عند نقطة عمل أكثر ملاءمة على المنحنى المميز، مما يؤدي إلى فشل حجم الهواء أو سرعة الرياح في الوصول إلى قيمة التصميم بعد وقت قصير من تشغيل النظام. ينص المعيار الفيدرالي الأمريكي (FS209A~B) على أن سرعة تدفق الهواء في غرفة نظيفة أحادية الاتجاه عبر المقطع العرضي للغرفة النظيفة تُحافظ عادةً على 90 قدمًا/دقيقة (0.45 متر/ثانية)، وأن يكون عدم انتظام السرعة ضمن ±20% في حالة عدم وجود أي تداخل في الغرفة بأكملها. أي انخفاض ملحوظ في سرعة تدفق الهواء سيزيد من احتمالية تأخر التنظيف الذاتي والتلوث بين مواقع العمل (بعد إصدار FS209C في أكتوبر 1987، لم تُوضع أي لوائح لجميع مؤشرات المعلمات باستثناء تركيز الغبار).

لهذا السبب، يعتقد المؤلف أنه من المناسب زيادة قيمة التصميم المحلي الحالي لسرعة التدفق أحادي الاتجاه بشكل مناسب. وقد فعلت وحدتنا ذلك في مشاريع فعلية، وكان التأثير جيدًا نسبيًا. تحتوي الغرفة النظيفة المضطربة على قيمة موصى بها مع عامل أمان كافٍ نسبيًا، ولكن لا يزال العديد من المصممين غير متأكدين. عند إجراء تصميمات محددة، فإنهم يزيدون من حجم تهوية الغرفة النظيفة من الفئة 100000 إلى 20-25 مرة / ساعة، والغرفة النظيفة من الفئة 10000 إلى 30-40 مرة / ساعة، والغرفة النظيفة من الفئة 1000 إلى 60-70 مرة / ساعة. وهذا لا يزيد فقط من سعة المعدات والاستثمار الأولي، بل يزيد أيضًا من تكاليف الصيانة والإدارة المستقبلية. في الواقع، ليست هناك حاجة للقيام بذلك. عند تجميع التدابير الفنية لتنقية الهواء في بلدي، تم التحقيق في أكثر من غرفة نظيفة من الفئة 100 في الصين وقياسها. تم اختبار العديد من الغرف النظيفة في ظل ظروف ديناميكية. أظهرت النتائج أن أحجام التهوية للغرف النظيفة من الفئة 100,000 التي تزيد عن 10 مرات في الساعة، والغرف النظيفة من الفئة 10,000 التي تزيد عن 20 مرة في الساعة، والغرف النظيفة من الفئة 1000 التي تزيد عن 50 مرة في الساعة، تُلبي المتطلبات. ينص المعيار الفيدرالي الأمريكي (FS2O9A~B) على أن الغرف النظيفة غير أحادية الاتجاه (الفئة 100,000، الفئة 10,000)، وارتفاع الغرفة من 8 إلى 12 قدمًا (2.44 إلى 3.66 مترًا)، عادةً ما تُهوى الغرفة بأكملها مرة واحدة على الأقل كل 3 دقائق (أي 20 مرة في الساعة). لذلك، راعت مواصفات التصميم معامل فائض كبير، ويمكن للمصمم اختيار حجم التهوية المناسب بأمان وفقًا للقيمة الموصى بها.

4. فرق الضغط الساكن

يُعد الحفاظ على ضغط إيجابي معين في الغرفة النظيفة أحد الشروط الأساسية لضمان خلوّها من التلوث أو تقليله، بما يضمن الحفاظ على مستوى النظافة المُصمم لها. حتى في غرف الضغط السلبي، يجب أن تكون الغرف أو الأجنحة المجاورة لها ذات مستوى نظافة لا يقل عن مستواها للحفاظ على ضغط إيجابي معين، وذلك لضمان نظافتها.

تشير قيمة الضغط الإيجابي للغرفة النظيفة إلى القيمة التي يكون فيها الضغط الساكن الداخلي أكبر من الضغط الساكن الخارجي عند إغلاق جميع الأبواب والنوافذ. ويتحقق ذلك من خلال زيادة حجم إمداد الهواء في نظام التنقية عن حجم هواء العودة وحجم هواء العادم. ولضمان قيمة الضغط الإيجابي للغرفة النظيفة، يُفضل ربط مراوح الإمداد والعودة والعادم. عند تشغيل النظام، تُشغل مروحة الإمداد أولاً، ثم تُشغل مراوح العودة والعادم؛ وعند إيقاف تشغيل النظام، تُطفأ مروحة العادم أولاً، ثم تُطفأ مراوح العودة والعادم لمنع تلوث الغرفة النظيفة عند تشغيل النظام وإيقاف تشغيله.

يُحدَّد حجم الهواء اللازم للحفاظ على الضغط الإيجابي للغرفة النظيفة بشكل أساسي بمدى إحكام هيكل الصيانة. في بداية بناء الغرف النظيفة في بلدي، نظرًا لضعف إحكام هيكل العلبة، كان يُستخدَم إمداد هواء يتراوح بين 2 و6 مرات في الساعة للحفاظ على ضغط إيجابي يزيد عن 5 باسكال. أما الآن، فقد تحسَّن إحكام هيكل الصيانة بشكل كبير، حيث لا يتطلب سوى إمداد هواء يتراوح بين مرة ومرتين في الساعة للحفاظ على نفس الضغط الإيجابي، بينما يتطلب إمداد هواء يتراوح بين مرتين وثلاث مرات في الساعة للحفاظ على ضغط يزيد عن 10 باسكال.

تنص مواصفات التصميم في بلدي [6] على أن فرق الضغط الساكن بين الغرف النظيفة بمختلف درجاتها، وبين المناطق النظيفة وغير النظيفة، يجب ألا يقل عن 0.5 مم ماء (~5 باسكال)، وأن فرق الضغط الساكن بين المنطقة النظيفة والهواء الطلق يجب ألا يقل عن 1.0 مم ماء (~10 باسكال). ويرى المؤلف أن هذه القيمة تبدو منخفضة للغاية لثلاثة أسباب:

(1) يشير الضغط الإيجابي إلى قدرة الغرفة النظيفة على كبح تلوث الهواء الداخلي عبر الفجوات بين الأبواب والنوافذ، أو تقليل الملوثات التي تتسرب إلى الغرفة عند فتح الأبواب والنوافذ لفترة قصيرة. يشير حجم الضغط الإيجابي إلى قوة قدرة كبح التلوث. وبطبيعة الحال، كلما زاد الضغط الإيجابي، كان ذلك أفضل (وهو ما سيتم مناقشته لاحقًا).

(٢) حجم الهواء المطلوب للضغط الموجب محدود. يختلف حجم الهواء المطلوب للضغط الموجب ٥ باسكال عن الضغط الموجب ١٠ باسكال بمقدار مرة واحدة فقط في الساعة. لماذا لا؟ من الأفضل بالطبع اعتبار الحد الأدنى للضغط الموجب ١٠ باسكال.

(3) ينص المعيار الفيدرالي الأمريكي (FS209A ~ B) على أنه عند إغلاق جميع المداخل والمخارج، يكون الحد الأدنى لفرق الضغط الإيجابي بين الغرفة النظيفة وأي منطقة منخفضة النظافة مجاورة هو 0.05 بوصة من عمود الماء (12.5 باسكال). وقد تم اعتماد هذه القيمة من قبل العديد من البلدان. ​​ولكن قيمة الضغط الإيجابي للغرفة النظيفة ليست كلما زادت كان ذلك أفضل. وفقًا للاختبارات الهندسية الفعلية لوحدتنا لأكثر من 30 عامًا، عندما تكون قيمة الضغط الإيجابي ≥ 30 باسكال، يكون من الصعب فتح الباب. إذا أغلقت الباب بلا مبالاة، فسيحدث دويًا! سيخيف الناس. عندما تكون قيمة الضغط الإيجابي ≥ 50 ~ 70 باسكال، ستصدر الفجوات بين الأبواب والنوافذ صفيرًا، وسيشعر الضعفاء أو الذين يعانون من بعض الأعراض غير المناسبة بعدم الراحة. ومع ذلك، فإن المواصفات أو المعايير ذات الصلة للعديد من البلدان في الداخل والخارج لا تحدد الحد الأعلى للضغط الإيجابي. ونتيجة لذلك، تسعى العديد من الوحدات فقط إلى تلبية متطلبات الحد الأدنى، بغض النظر عن مقدار الحد الأعلى. في الغرفة النظيفة التي صادفها المؤلف، تصل قيمة الضغط الإيجابي إلى 100 باسكال أو أكثر، مما يؤدي إلى آثار سلبية للغاية. في الواقع، ضبط الضغط الإيجابي ليس بالأمر الصعب، إذ يُمكن التحكم فيه ضمن نطاق مُحدد. وُجدت وثيقة تُشير إلى أن دولةً في أوروبا الشرقية تُحدد قيمة الضغط الإيجابي بين 1 و3 مم من الماء (حوالي 10 إلى 30 باسكال). ويرى المؤلف أن هذا النطاق أنسب.