轴流式风机与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(α)。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(α)通常小于20％及14度。


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
*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-εmodel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

ρ=空气密度(kg/m3)

Γψ,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)

ψ=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) x4.8m(W) x2.6m(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β为开孔率(%)，ΔP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) x0.6m(W) x0.3m(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

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(偏移角α)

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(α)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(α)。

4.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

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掺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

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 of Predicting Air Flow in a Vertical Laminar Flow Type Clean Room by Porous Medium Formulation, proceedings of the 5th annual technical meeting of Japan Air Cleaning Association (JACA), April 9th to 11th , 1986 (in Japanese).

7.Takahashi, A., and Okada, T. Configuration of vertical laminar flow (VLF) type clean room and non-uniformity in airflow profile, proceedings of the 10th International Symposium on Contamination Control (ICCCS 90) Zurich, Switzerland, 19-14 September 1990.

8.李延青（1999），「FFU与轴流风机在垂直层流无尘室气动特性之比较(上)、(下)」，冷冻空调杂志，第8卷，第1期，1999年4月、7月。

9.曹芳海、郑名山、林志中、吴旭盛(1998)，「风机-滤网机组(Fan-Filter Unit,FFU)研究」，中国冷冻空调杂志，1998年12月。

10.Okuma, T. Energy-saving design for air-conditioning systems in semiconductor clean rooms? Clean Technology, January, 1997.(in Japanese)