ISO1級潔淨室微環境氣流組織模擬分析
吳小泉
摘要
我國已經成為全球最大的積體電路市場，並且未來還將繼續發展。由於電子廠房潔淨室生產工藝的特殊性，空調裝置能耗巨大，其節能具有重要意義。本文透過對現有空態ISO1級潔淨室微環境進行模型簡化，並透過數值模擬方法，分析得出了不同FFU執行風速及恆定風速下變FFU執行數量的氣流組織特性。分析總結了降低FFU執行轉速，可以做到單向流，實現降低能耗的目的；但是對於潔淨度要求非常高的潔淨室，不建議透過減少FFU執行數量去實現節能的目的。
關鍵詞
潔淨室；節能；ISO1級；數值模擬；氣流組織；潔淨度；FFU
Air Flow Simulation and Analysis of ISO1 Class Mini-environment in Clean Room
Xiaoquan Wu
（Nanjing TICA Climate Solutions Co。， Ltd， Nanjing， 210028）
Abstract
China has been the global largest IC market and will continue developing in the future。 Due to the process demand of the IC factory， its HVAC energy consumption is very huge。 Thus， the energy saving of HVAC in the factory is definitely significant。 By simplifying the model of as-built ISO 1 class mini-environment and using numerical simulation， the air distribution characteristics of different FFU operation speed and different quantity of operating FFU in the same running speed is analyzed in this article。 Reducing the FFU running speed could still get unidirectional airflow and then decreasing the energy consumption， however， in the purpose of energy saving and then cutting down the running FFU quantity in the highly cleanliness clean room is not advised。
Keywords
clean room； energy saving； ISO 1 class； numerical simulation； air distribution； cleanliness； FFU
引言
中國積體電路市場規模在全球市場中佔比超過50%［1］，產業規模居世界第一［2，3］。《國家積體電路產業發展推進綱要》及《中國製造2025》均指出要大力發展積體電路等高科技行業［4，5］。隨著電子行業的發展，電子廠房潔淨室也得到了廣泛的應用［6］。由於電子廠房生產工藝的特殊性，其能耗巨大，潔淨空調裝置能耗佔工廠總能耗的40%以上［7］，而在ISO 5級以上的潔淨室內，空調裝置能耗約佔總能耗的50%以上。電子廠房的空調裝置節能意義重大。目前行業開展了一系列的電子廠房節能設計和應用，如微環境、氣流組織形式、避免空氣處理過程的冷熱抵消、溫溼度與潔淨度功能分離、風機變頻和FFU採用無刷直流電機、採用低阻力過濾器、預熱回收等。但是在ISO1級環境中，在保證潔淨度需求情況下，對FFU採取間隙執行從而實現FFU執行過程節能的研究，卻未見公開報道。而研究其氣流組織特性，對於潔淨室的節能和最佳化具有突出意義［8］，其分析結果對指導FFU的間歇執行具有重要作用。本文采用數值模擬方法，對其氣流組織特性進行分析研究。
1 ISO 1級系統簡介
實際測試資料：
● 潔淨度（空態）優於ISO 1級，粒子計數器所有通道（0。1 µm，0。2 µm，0。3 µm，0。5 µm，1。0 µm，5。0 µm）計數結果均符合ISO 14644-1標準中最高階 ISO1級標準要求。
● 化學汙染物濃度控制到pptM級，總酸性化合物：50~100 ppt；總鹼性化合物：50~250 pptM。
2 模型簡化及數學模型選擇
2.1 模型簡化方法
核心區氣流為穩態、不可壓縮的湍流流動；
核心區內氣密性好，不考慮滲透風量；
FFU滿布，所有FFU出口截面風速均勻，且不考慮出口邊框對氣流的影響；
FFU的出口作為幾何模型的進口；
由於核心區高架地板開孔率高且滿布，忽略高架地板對氣流的影響（高度1m）。
2.2 數學模型選擇
針對本模擬的湍流模型，主要選擇κ−ε模型，該模型是目前使用最廣泛的湍流模型。即在已有湍動能κ方程的基礎上，引入了有關湍動耗散率ε的方程，而形成κ−ε兩方程模型，稱為標準的κ−ε模型。該模型可以提供較好的預測效果［9］。
3 幾何模型建立及網格劃分
3.1 幾何模型
本文研究的是該系統的核心區的氣流組織特性，幾何模型尺寸如下：
3.2 網格劃分及邊界條件設定
由於核心區在簡化後形狀比較規則，同時為了網格劃分的簡單化，因此採用結構化網格中的六面體網格進行劃分，其spacing網格間距約3mm，網格總數量約441萬。邊界條件設定按照速度進口，靜壓出口。劃分網格模型如圖8。
4 數值模擬結果與分析
4.1 數值模擬方案
FFU進行間隙執行，一般有兩種方案：變FFU轉速及恆定轉速下變FFU執行數量。
該兩種方案，分別如：
方案1：變FFU轉速，即考慮5種不同的進口風速，0。2m/s、0。29m/s、0。35m/s、0。41m/s、0。5m/s；
方案2：恆定轉速，變FFU數量，即恆定進口風速0。41m/s，FFU執行數量分別按照25%、50%、75%及100%。如圖9。
4.2 不同入口風速下的數值模擬分析
4.2.1 數值模擬結果
不同入口風速下的數值模擬結果，三維流線圖對比如圖10。
4.2.1 數值模擬分析
潔淨室的流線平行度整體都比較好，僅有底部會出現較大尺度的渦結構，但隨著送風速度的增加，渦結構出現的區域高度會變低；由圖可以看出，當送風速度達到0。41m/s時，渦結構絕大部分處於迴風區，即高架地板下方，因而可以保證高架地板上方均為單向流。此外，我們還可以觀察到，在高架地板上方1m處高度，除了0。2m/s的風速外，其他風速基本為單向流區域，如果裝置作業高度均在高架地板上方1m及以上，可以降低FFU的執行轉速，保證單向流的同時，實現降低能耗的目的。
4.3 恆定風速下不同執行FFU執行數量的數值模擬分析
4.3.1 數值模擬結果
3D流線圖對比如圖12。
4.3.2 數值模擬分析
透過數值分析的流線圖，可以觀察到：
1）當FFU臺數較少時（25%、50%FFU），潔淨室高架地板上方會出現較大尺度的渦結構，高架地板上方流線平行度也會受到很大影響；
2）75%FFU時，相比於50%FFU，其潔淨室兩側的流線平行度變差，但是由於左右兩側的4個送風口的開啟，使得中間區域流線平行度較好；
3）100%FFU時，整個潔淨室的流線平行度都非常好，底部的渦結構基本只存在於高架地板下方。因此對於潔淨度要求比較高要求的，透過減少FFU執行數量實現節能和潔淨度可控的目的是不可行的。
4 總結
我國是全球最大的積體電路市場。由於電子廠房生產工藝的特殊性，其能耗巨大，在ISO1級環境中，透過採取FFU的間隙執行，對降低能耗具有重大意義。本文透過現有ISO1級空態情況下的環境進行簡化，並透過數值模擬方法，分析得出了變FFU轉速及恆定轉速下變FFU執行數量的氣流組織特性。
1）在給定的幾種風速中，除0。2m/s的風速外，其他風速基本為單向流區域，如果裝置作業高度均在高架地板上方1m及以上，可以降低FFU的執行轉速，保證單向流的同時，實現降低能耗的目的。
2）在給定的滿布FFU的ISO1級微環境中，在給定的風速條件下，只有100%FFU執行時，流線平行度效果好，是單向流。因此，對於潔淨度要求非常高的潔淨室，透過減少FFU執行數量實現節能和單向流可控的目的是不可行的。
參考文獻
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