軸流式風機與FFU系統潔凈室性能之分析比較

潔凈室的主要目的為維持室內空氣中的粉塵粒子、粒徑、室內的溫濕度、壓力、流場、震動、噪音、照明及有害氣體等等。因此，潔凈室的空調系統對IC的設計、制程、產品的良率及可靠性有很大的影響。另外，由于臺灣工業迅速的發展，潔凈室已經隨著許多的GMP藥廠、高精密的電子廠及醫院的手術室增加而日益殷切。近幾年來，由于科技技術的創新和發展，對于產品的高精度化、細微化的需求更加迫切，如超大集成電路（VLSI）及極大型集成電路（ULSI）的制造，已經成為世界各國在科技上發展的重要項目。南部科學園區的興建及國內產業結構的大幅的改變，導致國內對于潔凈室的需求可說是日益的增加。

然而潔凈室與通用空調最大的不同有以下幾點：1、溫濕度的要求比一般空調低。2、恒溫恒濕的控制。3、對空氣質量的要求較嚴格。4、全外氣量與換氣次數大。5、潔凈室空調系統24小時全天運轉。6、氣流分布需均勻。7、運轉的成本相當的高。8、需與鄰近的區域維持壓差。當前潔凈室之送風系統可以分為軸流風扇型(Axial Fan Type)、風扇-風機濾網機組(Fan Filter Unit)及空調風管型(Air Conditioner Type)三種，圖一為此三種系統圖�？照{風管型系統因為對要求全面層流的無塵室須較高的費用，因此對全面層流C/R當前幾乎不被采用，故不在本研究討論范圍中。

圖一：不同形式潔凈室之系統圖(a)軸流風扇型系統(Axial Fan Type)。(b)循環空調型系統(re-circulation air-conditioner Type)。(c)風扇風機濾網型系統(FFU Type)。

軸流風扇(Axial Fan)因為構造簡單、安裝容易、初設費用低并且可藉由vane pitch調整送風量之大小。然而在設計這類型的潔凈室須相當的注意潔凈室之幾何形狀及風扇的系統效率，雖然Axial Fan類型潔凈室有高的風扇效率(超過80%)及馬達效率(超過80%)，可是必須克服消音器(Silencer)、過濾網(ULPA Filter)、高架地板(Perforated floor)及冷卻管排(Coiling Coil)所生成的壓降，因此所消耗的能量將是非常得大。

FFU(Fan Filter Unit)為風機加上過濾器( ULPA)所構成的一個送風組件，圖二為FFU之尺寸圖及結構圖。FFU系統在1980年已經使用在潔凈室上，一般而言，研究FFU考慮的要素有機械性能及過濾性能兩種。機械性能通常指送風量、風壓、電功率及效率等，過濾性能指的是濾網過濾的效果，風機生成的壓力通常消耗在濾網上。

圖二：FFU尺寸圖及結構圖

因此高效率、低壓損的濾網的選擇也是非常重要的�？諝饨逵呻x心式風扇吸入后，在風道中將其動壓轉換為靜壓，目的就是使空氣經過ULPA Filter后能夠均勻的吹出，并使得噪音降低。近年來FFU已經替換軸流風扇(Axial Fan)應用在潔凈室中，其具有的優點如下：1、模塊化施工，機動性高，容易作FFU日后的增減。2、FFU風量循環系統壓損小，單位循環風量的耗電量較軸流式風扇(Axial Fan)低。3、FFU耗電量少，相對的噪音也低，不像軸流式風機進出口需加裝消音器，所以成本相對的降低。4、潔凈室內壓力高于天花板內供氣壓力，不會有塵埃泄漏至潔凈室之虞。

潔凈室空氣循環系統之電力消耗通常為MAU（Make-up Air Units）及循環空氣系統，空氣循環系統之電力消耗通常占整廠電力之15％左右。電力之消耗一般為1.5kW/m2，為常規產業空調之數十倍，尤其當前在晶圓的尺寸及精密度的要求越趨嚴格下，能源的消耗也將遽增，如何在節約能源方面進行適當的規劃設計，將是一個很重要課題。

除了考慮能源效率之外，氣流的流場特性將影響潔凈室等級與氣態污染物的控制，因此兩個重要的參數將被考慮當中：(a)ULPA Filter出風速度之不均一性(NU)。(b)工作區域之平行度或偏移角(α)。ULPA Filter平均出風速度之氣流不均一性通常定義如式(1)：

公式(1)

其中NU為測量各點之標準差（STD）與平均速度(Vface)之比，Vface為在ULPA filter下之平均出風速度，?n?ULPA filter下之測量點數。IES【1】、FS-209D【2】及JIS【3】定義氣流不均一性(NU)及偏移角(α)通常小于20％及14度。


研究主題

一般而言，在垂直層流潔凈室中，氣流可接受之速度變動范圍通常為平均風速之±20％以內為最佳，而在Maeda【4】利用二維實驗模型及數值方式分析高架地板開孔率對氣流均一性的影響，Nishioka【5】中提出影響流場之均一性有出風速度、出風chamber的高度與寬度比及HEPA Filter之壓降，Tanaka【6】利用數值及實驗的方法分析不同長度之潔凈室及不同高架地板之開孔率，對室內氣流偏移角的影響，Takahashi【7】分析在不同送風高度及送風速度下，氣流通過ULPA Filter時之速度分布圖。李延青【8】將Axial Fan與FFU形式之潔凈室做氣動特性方面的比較，曹芳�！�9】測試不同FFU之耗電量及靜壓，并且針對HEPA及ULPA Filter作其組抗的測試，。

本研究擬針對Axial Fan系統及FFU(Fan Filter Unit)在垂直層流無塵室進行分析，在仿真之潔凈室中并無制程設備及人員，此為建造狀態(as built)。不考慮排氣量及外氣補充量，并且對于耗能極高的潔凈室的溫濕度分布控制不加以考慮(即假設等溫狀態)，僅針對創建潔凈室的所需之對象（HEPA、高架地板）、風機、送風高回風高度及冷卻管盤等進行分析比較系統及耗能。

研究方法
*數值方法

本研究的數值方法乃是采用Patankar(1980)所提出的SIMPLE(semi-Implicit Method for Pressure Linked Equation)半隱含壓力連結法則，由英國CHAM公司所發展出的PHOENICS套裝軟件，此軟件可用于仿真流體運動、熱傳、質傳及化學反應等問題。本研究乃是利用Turbulent model中的k-εmodel來計算紊流對流動之影響，而統御方程序如公式(2)所示，由于此套裝軟件提供Fan-Matching的功能，它可以讓使用者根據不同的風機性能曲線來仿真實際風機運轉的情行，并且可以定義風機的吹送方式。仿真的結果將生成系統的流量、風機的流量、風扇的速度及壓差。根據流量及壓差，將可以得到風機所消耗之電力。表一為研究之邊界條件如下所示：

公式(2)

其中

ρ=空氣密度(kg/m3)

Γψ,eff=有效擴散系數(effective diffusion coefficient)(N.s/m2)

V=空氣速度(m/s)

S=一般流體性質之來源項(source term of the general fluid property)

ψ=任何變量(1,u,v,w,k and e )

u,v,w=三維速度分量(m/s)

k=紊流動能(turbulence kinetic energy) (m2/s2)

e=紊流動能之發散率(dissipation rate of the turbulence kinetic energy) (m2/s3)

表一：數值仿真之邊界條件

*邊界條件

影響潔凈室運轉特性有數個幾何參數，其中包括潔凈室之高度、送風高度、回風高度及潔凈室長度等。然而本研究著重于不同空氣循環系統在能源消耗、ULPA出風面速之不均一性(NU)及工作區氣流之平行度之影響。因此送風高度(Hs)、回風高度(Hr)及潔凈室高度(Hc)設置為Hs=1.9m，Hr=2.6m，Hc=2.7m，潔凈室的長度(L)是一個影響系統循環風量及空氣在SAP中分布的重要參數。因此本研究仿真之8個CASE如表一所示：

a.假設仿真之邊界為絕熱，也就是沒有熱傳現象。

b.假設潔凈室為密閉的循環，不考慮排氣及新鮮空氣。

c.潔凈室尺寸：依照不同之條件分別假設潔凈室長度為24m、19.2m、14.4m　及9.6m四種，潔凈室寬度及高度分別為4.8m及2.7m。

d.顯熱冷卻盤管：0.2m(L) x4.8m(W) x2.6m(H)，假設氣流通過熱

交換器面積率為0.55，則通過熱交換器的壓降為DPc＝60Vc2，其中Vc為通過管盤的正面風速m/s。當為FFU系統時，因為FFU的驅動元件采用較低風量風機，所以須搭配較低壓降之顯熱冷卻盤，因此分別選用為DPc＝4Vc2、DPc＝6Vc2、DPc＝10Vc2及DPc＝2Vc2四種壓降的盤管。

e.高架地板：開孔率分別為11％，其壓降為DPp＝80Vp2，其中Vp為通過高架地板的面速m/s。高架地板的開孔率與壓降的關系可由式(3)得知：

公式(3)

其中β為開孔率(%)，ΔP為壓差(Pa)，V為面速(m/s)

f.ULPA Filter :假設出風面速為0.35m/s，對0.1um粒子補捉的效率為99.9995%，其壓降DPf＝300Vf。

g.Axial Fan：采用TELLUS PROGRAMME TYPE AJV and ASV-1778/630-10可變節距軸流風機。性能曲線如圖三a所示。

h.消音器：針對Axial Fan系統，其目的為了減少系統的噪音。壓降與速度的關系為DPs=25Vs，Vs為通過消音器的面速m/s。

i.FFU:(1)1.2m(L) x0.6m(W) x0.3m(H)，SINKO KJ-2360H，性能曲線如圖三b所示。

圖三：(a)軸流風扇性能曲線圖。(b)FFU性能曲線圖

結果討論

1.能源消耗

表二所示，在相同邊界條件之下，Axial Fan每單位流量之電力消耗(Pe/Qt)之值比FFU大。而Axial Fan與FFU平均之電力消耗分別為14.2W/CMM及7.45W/CMM。這個資料與Okuma【10】(1997)針對3200m2的潔凈室其系統之平均電力消耗14.11W/CMM及8.16W/CMM非常接近，其中差異性的地方可能為使用不同的風扇性能曲線。另一個有趣的發現為Axial Fan形式之平均電力消耗(Pe/Qt)隨著潔凈室的長度增加而增加，而FFU形式幾乎沒有改變(7.4W/CMM)。Axial Fan電力消耗較大的原因是因為必須克服大的系統壓降，結果顯示Axial Fan的操作靜壓Ps比FFU高出許多。

表二：Axial Fan與FFU系統性能分析比較表

表三為費用方面比較表，一般而言分為電力費用及熱負荷費用兩方面。風機運轉時生成的功率轉換成熱能，這部分的熱必須由冷卻盤管所帶走。由表中可知熱負荷所花的費用約為電力費用20％左右。因此在初期設計潔凈室時必須將其考慮進去。

表三：Axial Fan與FFU系統電力分析比較表

2.ULPA出風速度之不均一性(NU)

為了確認仿真與實驗值之準確性，因此將ULPA出風速度與Nishioka【5】實驗值相比較，如圖四所示。由圖中可知實驗的結果與預期值相當的接近。

圖四：實驗值與仿真值之比較

由表二可知，在相同的條件下，Axial Fan之氣流不均一性(NU)比FFU大很多，且當潔凈室長度越長時，其氣流之不均一性明顯的增加，而FFU之NU均相當的小(CASE1 NU=39.7%，CASE5 NU=2.37%)。圖五為CASE1及CASE5之速度分布圖。Axial Fan之NU與送風高度有相當大的關系，若送風高度不變時，對長度較長的潔凈室而言，因為風機氣流吹程的問題，將會使的在潔凈室遠程處的風量較小，有明顯的不足。氣流在SAP的末端明顯的不足，因此造成氣流不均一性增加。而FFU之NU則與氣流在FFU內部風道有關，與SAP高度無關。當Axial Fan Clean Room風機在系統運轉時，必須克服潔凈室中所有之元件之壓降損失，可是一般在選擇風機時，往往因為風機系統效應的問題，導致整體循環風量常常不足，而影響整個系統，因此慎選一個適當的軸流風機將是非常重要的。

圖五：CASE1及CASE5之速度分布圖

3.氣流平行度(偏移角α)

影響氣流之偏移角包括幾個因素：ULPA Filter面速之不均一性、高架地板壓差及潔凈室高度等。在相同的邊界條件下，不論Axial Fan與FFU系統其偏移角(α)隨著潔凈室的長度增加而增加。然而FFU系統為低壓降的系統，因此可以藉由調整馬達的轉速及高架地板壓差來改變氣流之偏移角(α)。

4.壓力分布

圖六為CASE1及CASE6之壓力之分布圖，若從施工及Filter安裝的觀點來分析，因為在因為在Axial Fan中其SAP為正壓系統，若更換Filter時，污染物將滲入潔凈室中，而相對FFU為負壓系統。因此FFU系統較Axial Fan系統容易施工。

圖六：CASE1及CASE5之壓力分布圖

結論

根據上述的研究討論可以得到以下的結論：

1.針對Axial Fan及FFU系統之潔凈室，其風機的性能曲線已經成功的應用于CFD模式中，如此對于往后在設計潔凈室時其預期的結果將更為準確。

2.FFU系統不論在ULPA出風速度之不均一性、工作區域氣流之偏移角及能源消耗方面均優于Axial Fan系統。因此須要進一步的去研究摻解這兩個系統的性能其中包括初設費用(initial cost)、維護費用(maintenance cost)及彈性的空間管理....等等。

參考資料

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與軸流風機在垂直層流無塵室氣動特性之比較(上)、(下)」，冷凍空調雜志，第8卷，第1期，1999年4月、7月。

9.曹芳海、鄭名山、林志中、吳旭盛(1998)，「風機-濾網機組(Fan-Filter Unit,FFU)研究」，中國冷凍空調雜志，1998年12月。

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