吴小泉等：ISO1级洁净室微环境气流组织模拟分析

ISO1级洁净室微环境气流组织模拟分析

吴小泉

（南京天加环境科技有限公司，南京 210028）

摘要  我国已经成为全球最大的集成电路市场，并且未来还将继续发展。由于电子厂房洁净室生产工艺的特殊性，空调设备能耗巨大，其节能具有重要意义。本文通过对现有空态ISO1级洁净室微环境进行模型简化，并通过数值模拟方法，分析得出了不同FFU运行风速及恒定风速下变FFU运行数量的气流组织特性。分析总结了降低FFU运行转速，可以做到单向流，实现降低能耗的目的；但是对于洁净度要求非常高的洁净室，不建议通过减少FFU运行数量去实现节能的目的。

关键词  洁净室；节能；ISO1级；数值模拟；气流组织；洁净度；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

0引言

中国集成电路市场规模在全球市场中占比超过50%^［1］，产业规模居世界第一^［2,3］。《国家集成电路产业发展推进纲要》及《中国制造2025》均指出要大力发展集成电路等高科技行业^［4,5］。随着电子行业的发展，电子厂房洁净室也得到了广泛的应用^［6］。由于电子厂房生产工艺的特殊性，其能耗巨大，洁净空调设备能耗占工厂总能耗的40%以上^［7］，而在ISO 5级以上的洁净室内，空调设备能耗约占总能耗的50%以上。电子厂房的空调设备节能意义重大。目前行业开展了一系列的电子厂房节能设计和应用，如微环境、气流组织形式、避免空气处理过程的冷热抵消、温湿度与洁净度功能分离、风机变频和FFU采用无刷直流电机、采用低阻力过滤器、预热回收等。但是在ISO1级环境中，在保证洁净度需求情况下，对FFU采取间隙运行从而实现FFU运行过程节能的研究，却未见公开报道。而研究其气流组织特性，对于洁净室的节能和优化具有突出意义^［8］，其分析结果对指导FFU的间歇运行具有重要作用。本文采用数值模拟方法，对其气流组织特性进行分析研究。

1 ISO 1级系统简介

实际测试数据：

● 洁净度（空态）优于ISO 1级，粒子计数器所有通道（0.1 µm，0.2 µm，0.3 µm，0.5 µm，1.0 µm，5.0 µm）计数结果均符合ISO 14644-1标准中最高级 ISO1级标准要求。

● 化学污染物浓度控制到pptM级，总酸性化合物：50~100 ppt；总碱性化合物：50~250 pptM。

2 模型简化及数学模型选择

2.1 模型简化方法

核心区气流为稳态、不可压缩的湍流流动；

核心区内气密性好，不考虑渗透风量；

FFU满布，所有FFU出口截面风速均匀，且不考虑出口边框对气流的影响；

FFU的出口作为几何模型的进口；

由于核心区高架地板开孔率高且满布，忽略高架地板对气流的影响(高度1m)。

2.2 数学模型选择

针对本模拟的湍流模型，主要选择 κ−ε模型，该模型是目前使用最广泛的湍流模型。即在已有湍动能 κ方程的基础上，引入了有关湍动耗散率ε的方程，而形成 κ−ε两方程模型，称为标准的 κ−ε模型。该模型可以提供较好的预测效果^［9］。

3 几何模型建立及网格划分

3.1 几何模型

本文研究的是该系统的核心区的气流组织特性，几何模型尺寸如下：
 

3.2 网格划分及边界条件设置

由于核心区在简化后形状比较规则，同时为了网格划分的简单化，因此采用结构化网格中的六面体网格进行划分，其spacing网格间距约3mm，网格总数量约441万。边界条件设置按照速度进口，静压出口。划分网格模型如图8。

4 数值模拟结果与分析

4.1 数值模拟方案

FFU进行间隙运行，一般有两种方案：变FFU转速及恒定转速下变FFU运行数量。

该两种方案，分别如：

方案1：变FFU转速，即考虑5种不同的进口风速，0.2m/s、0.29m/s、0.35m/s、0.41m/s、0.5m/s；

方案2：恒定转速，变FFU数量，即恒定进口风速0.41m/s，FFU运行数量分别按照25%、50%、75%及100%。如图9。

4.2 不同入口风速下的数值模拟分析

4.2.1 数值模拟结果

    不同入口风速下的数值模拟结果，三维流线图对比如图10。

4.2.1 数值模拟分析

洁净室的流线平行度整体都比较好，仅有底部会出现较大尺度的涡结构，但随着送风速度的增加，涡结构出现的区域高度会变低；由图可以看出，当送风速度达到0.41m/s时，涡结构绝大部分处于回风区，即高架地板下方，因而可以保证高架地板上方均为单向流。此外，我们还可以观察到，在高架地板上方1m处高度，除了0.2m/s的风速外，其他风速基本为单向流区域，如果设备作业高度均在高架地板上方1m及以上，可以降低FFU的运行转速，保证单向流的同时，实现降低能耗的目的。

4.3 恒定风速下不同运行FFU运行数量的数值模拟分析

4.3.1 数值模拟结果

    3D流线图对比如图12。
 

4.3.2 数值模拟分析

通过数值分析的流线图，可以观察到：

1）当FFU台数较少时（25%、50%FFU），洁净室高架地板上方会出现较大尺度的涡结构，高架地板上方流线平行度也会受到很大影响；

2）75%FFU时，相比于50%FFU，其洁净室两侧的流线平行度变差，但是由于左右两侧的4个送风口的开启，使得中间区域流线平行度较好； 

3）100%FFU时，整个洁净室的流线平行度都非常好，底部的涡结构基本只存在于高架地板下方。因此对于洁净度要求比较高要求的，通过减少FFU运行数量实现节能和洁净度可控的目的是不可行的。

4 总结

我国是全球最大的集成电路市场。由于电子厂房生产工艺的特殊性，其能耗巨大，在ISO1级环境中，通过采取FFU的间隙运行，对降低能耗具有重大意义。本文通过现有ISO1级空态情况下的环境进行简化，并通过数值模拟方法，分析得出了变FFU转速及恒定转速下变FFU运行数量的气流组织特性。

1）在给定的几种风速中，除0.2m/s的风速外，其他风速基本为单向流区域，如果设备作业高度均在高架地板上方1m及以上，可以降低FFU的运行转速，保证单向流的同时，实现降低能耗的目的。

2）在给定的满布FFU的ISO1级微环境中，在给定的风速条件下，只有100%FFU运行时，流线平行度效果好，是单向流。因此，对于洁净度要求非常高的洁净室，通过减少FFU运行数量实现节能和单向流可控的目的是不可行的。

参考文献

[1] 贺苏凝 姜雨彤，集成电路行业研究.电气时代，2018年第4期，22-31.

[2] 迎九, 2017中国半导体市场回顾及2018展望. ELECTRONIC ENGINEERING & PRODUCT WORLD, 2018.6, 5-9.

[3] 李书玮，我国集成电路产业发展的金融支持研究.商务部国际贸易经济合作研究院，2019硕士论文.

[4] 王龙兴，2018年我国集成电路产业发展的展望.集成电路应用，第35卷第2期，2018年2月，6-9.

[5] 贺正楚 潘红玉.德国“工业4.0”与“中国制造2025［J］．长沙理工大学学报( 社会科学版)，2015，30(3)：105－110.

[6] 张华廷 吴蔚兰 向灵均，CFD在电子洁净室节能设计中的应用.制冷与空调，2013，第27卷第6期.

[7] 石静宜.半导体厂房空调系统节能研究［D］.西安: 西安科技大学，2014:14-16.

[8] 李九如 李想等，洁净室典型气流组织特性模拟.哈尔滨理工大学学报，2018，第23卷第6期.

[9] 黄远东，王守生，金鑫等. 城市街道峡谷内污染物扩散模拟中不同湍流模型的比较研究［J］．水动力学研究与进展，2008，23(2) : 189 -191.