FFU层流净化单元在洁净室的应用

引言 随着经济的发展和人们生活水平的提高，人们对产品质量的要求也越来越高。而生产技术和生产环境决定了产品质量，这就迫使厂家追求更好的生产技术和更高的生产环境。特别是电子、制药、食品、生物工程、医疗、实验室等领域对生产环境有着苛刻的要求，它综合了工艺、建筑、装饰、给排水、空气净化、暖通、空调、自动控制等多方面的技术。FFU作为一种净化设备，目前在各种洁净工程中得到广泛应用。

一、FFU的简介

FFU是FAN FILTER UNIT的缩写，中文称作“风机过滤器单元”，也就是将风机和过滤器组合在一起构成自身能提供动力的末端净化设备。早在上个世纪六十年代，美国新墨西哥州Sandia国家实验室的科学家们利用HEPA过滤的方法研制成功了层流技术，其后商用FFU陆续在美国一些手术室及工业厂房得到广泛的应用。但直到1984年，在亚洲才出现大规模应用FFU的事例（大约有5000台）。是什么原因导致FFU在这么长的时间没有得到广泛的发展呢？有三个问题占主导地位：噪声较大问题；压力平衡问题，在很大的静压箱里，各不同角落的风机是否能得到均衡的压力，这在当时也是不能够得到保证的；维护问题，FFU本身造价就比较高，如果它的电机寿命不能保证的话，更换又会带来附加投资。这些都是造成当时的企业不选择使用FFU的主要原因。

但是这一切，在1984年都发生了改变。首先是噪声问题得到了控制，大规模的FFU洁净厂房都可以把噪声控制在65dBA以下，这符合工业厂房的标准。其次随着自动控制的发展，监测和调节各个角落的静压也变得容易起来。*后电机的寿命随着技术的提高也得到了质的飞跃。

现在，随着半导体电子技术的发展，越来越密集的集成电路也要求着越来越高的洁净等级。这给大规划应用FFU带来契机，而FFU系统本身也有着其独特的优势，主要包括以下几点：

1．灵活性。因为FFU是自带动力的，它不受区域的限制。在一个偌大的洁净厂房里，可根据需要，分区控制。而且，随着半导体生产工艺的变化，厂房布局必然要作相应调整，FFU的灵活性使得这样的调整变得轻松，而且不会带来二次投资。

2．可再利用性。从理论上讲，一时不用的FFU设备，可以拆下来，密封好，妥善保管，留待下次使用。

3．负压通风。这是FFU的独特特点。由于它本身能够提供静压，使得送风静压箱相对于洁静厂房负压。这样，静压箱内的颗粒就不会受到压力的作用泄漏到洁净区里，使得密封变得很简单而且**。

4、缩短建设周期。使用FFU省掉了风管的制作和安装，因为风管在洁净工程中，占掉很大的建设周期，任何一个投资者都希望投资能尽快带来收益，选用FFU成为了一种可能。

5、减少运行成本。虽然在选用FFU时，初期投资要比使用风管通风高，但它在后期运行中，突出的表现出节能、免维护等特点。

6．节约空间。相比较RCU+HEPA系统，FFU+DCC+MAU系统占用送风静压箱内较少层高，且基本不占用洁净室内空间。而RCU不论是吊挂在天板上方还是设置在洁净室，均占用不少空间。

二、FFU的外观
目前，全世界所有厂家生产的FFU，从外观上可这样划分:
1、从形状上分两种，一种是长方体，一种上部为坡形,即FFU的上部做成坡形，起到了一种导流的作用，有利于气流的流动和均匀分布。前者则一般依靠另外的途径来均衡气流。
2、从结构上分两种，一种为整体(如图1所示)，一种为分体(如图2所示)。

 
分体形状的FFU有如下优势：使过滤器的更换变得方便,减小了安装过程中的劳动强度。
整体形状的FFU有如下优势：增加了FFU的密封性，有效防止了泄漏；有利于降低噪音；有利于减小振动。
以1200*1200mm的FFU为例，在台湾人工较贵而机械发达区域，常在地面将FFU组装完成以液压升降机配合安装。而在国内，我们常以四人一组先安装过滤器再安装壳体，因为人工费便宜。

三、FFU的组成部件
目前，各种FFU*多由以下几部分组成(按从上到下、从内到外的顺序)，视不同厂家组成部分可能有所减少(如图3所示)。
1、预过滤器 6、气流均衡装置
2、外壳体 7、过滤器
3、风管连接部件 8、金属防护网
4、电机 9、刀缘
5、叶轮 10、控制元件
 

下面，我们对各个部件进行分析介绍：
1、预过滤器：主要防止因施工、检修或其它意外情况产生杂物而可能造成的对过滤器的伤害，可将预滤器放置预滤网框架上或直接将不织布粘贴于FFU进气口。如果生产工艺有除NH3需求，常在此处放置NH3化学滤网，此部分造价较高，我们在设计过程中不可能忽略。
2、外壳体：常用有镀铝锌(Galvalume)，不锈钢(SUS430)和铝合金(Alloy Aluminum)三种，其它如铝板(Aluminum)，不锈钢(SUS304)和镀锌板也有应用。箱板厚度选取有时也需考虑载人需求。应不同材质，箱板厚度一般在0.8~1.2mmt左右，若选用铝板材质厚度需达到2.0mmt。实际施工时为节约成本，常选用*小厚度。
3、风管连接部件：在洁净级别较低(≤1000级 联邦标准209E)的场合，此时吊顶上部没有静压箱，带有风管连接部件的FFU使得风管和FFU的连接十分方便。
4、电机：目前，交流电机(AC)和直流电机(DC)在FFU中都有使用，直流电机的体积大，造价高，控制容易实现，能耗较高。交流电机的体积小，造价低，控制需要相应的技术，能耗较低。现在FFU所使用的 电机的寿命大约为4万小时不等。一些优良的电机会有相应的技术，如无油润滑，密封轴承，带过热保护，换向器寿命得到显著提高等。
5、叶轮：叶轮有两种形式，前倾和后倾，前倾有利于增加气流组织的矢向流动，增强去除尘埃的能力。后倾有利于降低能耗，减小噪音。FFU有风机外转子后驱动式(推荐使用）和传统内转子前倾式两种型式。风机外转子后驱动式结构紧凑, 效率高, 寿命长, 静压高, 噪音低；传统内转子前倾式结构太复杂, 效率低, 寿命短, 静压低和噪音高)。
6、气流均衡装置：随着FFU的不断普及，绝大部分厂家都开始装配气流均衡装置，用来调整FFU的出口气流， 从而改善洁净室的气流分布。目前，这种均衡装置大约分为三种：一种为孔板， 主要通过板上的孔的疏密分布来调节FFU的出口气流。一种为格栅，主要通过格栅 的疏密来调节FFU的出口气流。另外一种为动力曲线，主要通过曲线的形状来诱导气流的流动，同时也通过曲线上的孔的疏密分布来调节气流。
7、过滤器：有HEPA(高效过滤器)与ULPA(超高效过滤器)两种。一些大型洁净室常会有保险需求，此种情况下过滤器本身也须有UL认证。
8、金属防护网：金属防护网主要起到对过滤器的保护作用，大部分都防静电，材质一般有EPXOY铝合金网，表面阳极处理铝合金网。
9、刀缘：当FFU使用在一些特别的场合时，带刀缘的FFU可使用液槽密封，从而能满足高密封性的要求。
10、控制单元：FFU的控制可大致分为多档开关、组群控制、软件控制等几种，同时实现的功能有单台控制、分区控制、报警、运行状态显示等。

10、FFU的选择配件有运行故障指示灯，常开、常闭无源端口，大功率变压器群控交流FFU，电源线及插头和初效过滤器保护。

四、FFU设计和选型的要点：

FFU的主要参数：尺寸(mm)，面风速(m/s)，机外余压(Pa)，噪音(dBA)，功耗(W)，振动(mm/s)，寿命(hours)等。

FFU的选型要点：

◆尺寸－目前，国内、外常用的模数有1200X600mm(4英尺X2英尺)、1200X900mm(4英尺X 3英尺)、1200X 1200mm(4英尺X4英尺)、其厚度多在300-400mm。

◆材质－根据使用环境及成本选择，目前常用镀铝锌材质，能满足洁净室的环境需求(防腐蚀)且成本低；

◆风量或风速－根据换气量及尺寸换算出面风速，一般范围在0.3~0.45m/s；

◆静压－根据过滤器规格及风道的结构阻力。FFU的机外余压都是足以克服循环通道上的阻力。当高效过滤器为初阻力，且保证FFU送风断面风速为0.35m/s时，不同FFU的机外余压均在100Pa左右，有的高达130Pa。

◆滤网－应不同制程需求，常用到H13,H14,U15和U16甚至U17的过滤器(欧规)，有时应生产工艺的需求会要求采用低硼的材料，以进口品居多。

◆马达－AC(交流电)和DC(直流电)两种。一般来讲Class 1000~100,000的洁净室常用AC FFU，而洁净度较高区域则用DC FFU。就是因为高等级洁净室对于温湿度要求更为严格，采有DC FFU就能应用软件控制，**度较高。对于FFU的控制系统在下面另阐述。

◆振动－一般是符合德规G2.5标准，因为微振动的控制对于生产工艺非常重要。

◆噪音－一般设定为54dB(A)@1.5m，即距过滤器下表面1.5m处噪音值小于54dB(A)。 FFU的声压级噪声大多在57dB(A)～59dB(A)之间。比较好的品牌其噪声在54dB(A)。

◆绝缘等级－一般为Class E,B或F。

◆轴承寿命－一般为L10≧40,000hours,即10%的轴承损坏的*大使用时间不小于40,000hours。

◆能效比－耗电量与风量的比值，级效比值越低越节能。

六、目前常见问题及分析

◆FFU的噪音，FFU在洁净室内的噪音往往超出设计师的预测。要洁净室的噪音达到要求必须选择噪音达到要求的FFU，但是很多供应商所给的噪音参数是在无响室内测得，或是在较低的风量与总静压下测得，且测试数量为一台。在多台FFU同时运行后测得噪音常会大于设计预估值。

衡量噪音的两个技术指标为声压级与声功率。声压级单位为dB，与声源、环境、测量距离有关。声功率单位为W，仅与声源有关。在相同总静压下，风量越高，噪音越大； 在相同风量下，总静压越高，噪音越高。

其实我们在设计时可以通过声功率计算出在某种环境下的声压。计算公式：吸声量SPL＝PWL＋10Lg(N)＋10Lg(4/R)，SPL－混响区域声压级(dB)，PWL－单台FFU产生的声功率级(dB)，N－洁净室FFU的总数，R－各种材料的吸声系数与面积乘积的总和。

实例计算：比较6m(L)×6m(W)×3m(H)的洁净室在不同的FFU满布率和不同的盲板材料情况下的噪音情况，单台FFU的PWL＝60dB(吸声系数：盲板＝0.1;过滤器＝1;墙＝0.1;NRC0.85盲板＝0.85，普通盲板＝0.1)。

结果比较表1

结论：利用吸声系数较大的材料对噪音降低有比较好的效果，但在100%的FFU满布区域噪音则很难下降。

◆存在谐波问题：谐波会引起系统电流值升高；会使控制系统出现故障，通讯系统受到干扰，使无尘室无法控制；会使电缆、感应马达、变压器温度升高，减少使用寿命。对于AC电机谐波值一般要求小于12%,DC电机的谐波值较小，一般常在FFU配电盘考虑增加诣波过滤器的方式减少谐波的危害。

◆FFU电机选择问题：采用三相交流电源电机容易发生缺相，烧毁电机的情况。采用单相交流电源电机又会存在体积大，负载不平衡现象。采用直流电机存在造价高，运行维护成本高的情况。

◆FFU到现场安装时发现放不下去，问题在于T-Bar本身厚度或高度。所以采购FFU的尺寸并不能做为现场施工的尺寸，应在施工前通知制造商提供样品确认能否安装再下单生产。否则如此多数量的FFU重新加工那是不现实的，相应费用是个庞大的数字。

◆维修不方便：维修更换过滤器时无足够操作空间，可能是FFU上方大管径管路离FFU很近，这种情况在施工时需注意套图避让。一般不建议过滤器由无尘室内更换，比如对于FFU满布率100%区域，天板下方均为价格昂贵之生产机台，根本不可能由室内更换因为没有空间可以让人员架梯操作。

七、FFU控制方式现状

目前FFU电机根据电源种类可分为交流电机和直流电机。交流电机又有单相和三相之分，供电电压大致有110V、220V、270V、380V、480五种。交流电动机同直流电动机相比较，具有结构简单、体积小、制造方便、运行可靠、价格低廉、使用寿命长等一系列的优点，缺点是调速性能不好。其控制方式主要分为多档开关控制，调压控制，变频控制等。直流电机存在结构复杂，制造及运行维护成本及使用寿命短等缺点，优点是容易控制，调速性能好。下面对常用的一些控制方式做一简单分析与比较：

◆群组控制
AC FFU的控制系统常以PLC系统架构实现组群控制，可实现远程控制风机启停并能监测各群组的运行状况。一般在一千级，一万级和十万级洁净室常能看到这样的系统。

在FFU交流调速控制方式中，又主要分为三种控制方式：多档开关调速控制、调压调速控制方式和变频调速控制方式。
1）. 所谓多档开关控制就是通过直接改变电动机定子线圈匝数来调整电动机的转速。控制器由一个调速开关和一个电源开关组成。由于控制元件为FFU自带，分布在洁净室吊顶内的各个位置，工作人员必须在现场通过拨挡开关来调节FFU转速，控制起来极不方便，而且FFU的风速可调范围有限，**于几档。采用多档开关控制方式优点是控制简单、成本低，但存在许多缺陷：比如：能耗大、不能平滑调速等。

2）.所谓调压控制方式，就是通过直接改变电动机定子电压的大小来调整电动机的转速。调压方式的缺点是：调速时的效率较低，能耗大，低速时，电机发热严重、调速范围较窄等。但是，调压方式对于FFU风机负载来说，其缺陷不是很明显，并且在目前的情况下还有一些优点：调速方案成熟，调速系统稳；操作简便，控制系统造价低；由于FFU风机负载很轻，在低速时，电机发热不是很严重。
3).所谓变频控制方式就是通过改变电源频率的方式来调整电动机的转速，同时，按一定比例调整电动机的输入电压。变频控制方式具有优异的性能，调速范围大，平滑性较高，调速效率高等。变频一般采用较先进的SPWM控制方式，并采用单片机生成SPWM波形。SPWM变频方式同其它变频方式相比具有以下特点：结构简单，控制方便；输入功率因数高；系统动态响应快；输出谐波少。在目前的情况下，与调压方式相比，变频方式也有一些缺点，这主要体现在以下两个方面：变频控制系统造价比较高；使用寿命不如调压方式长。

◆软件控制
计算机控制方式一般采用直流电机，与前面两种方式相比，计算机控制方式具有以下先进的功能：

1). 采用集散型控制方式，能够很方便的实现FFU的集中监测和控制。
2). 可方便的实现FFU的单台、多台及分区控制。
3). 智能化控制系统具有节能功能。
4). 可采用可选的遥控方式进行监测和控制。
5). 控制系统预留通信接口，可与上位机或网络进行通讯，从而实现远程通信和管理功能。
控制直流电机的突出优点在于：容易控制、调速范围较宽。但该控制方式也有缺陷：整套系统造价昂贵( 如下图中马达有内置微处理器)，且后期维护费用高。 
 

八.结论
综上所述，不难看出随着高科技产业的飞速发展，大规模应用FFU的洁净室也将越来越多。我认为未来FFU制造商的发展突破点在于低噪音,低能耗及低成本,也就是在于马达的选用，机壳材料的选用以及机壳构造的改进。随着半导体技术的不断发展，可以预料，一些简单可靠、性能优异、价格便宜的变频调速系统将不断出现，异步电动机的变频调速方法的应用将日见广泛，并将*终取代直流调速方式和调压调速方
 FFU层流净化单元在洁净室的应用，FFU介绍,FFU外观，FFU群控，FFU外观，FFU选型要点。
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