Медь Этот материал широко используется в системах водоснабжения. Ей присущи многие свойства углеродистой стали, однако она намного превосходит последнюю по коррозионной стойкости. Тем не менее, несмотря на широкое распространение меди в сфере промышленного и гражданского водоснабжения, из-за присущей ей питтинго-вой (точечной) коррозии, иногда при ее использовании могут возникать проблемы для некоторых типов воды (как горячей, так и холодной).
Питтинговая коррозия медных труб часто связана с наличием пленок или осадков различных веществ в трубопроводных системах. Например, наличие осадков в потоке может ускорять питтинг. Так, было установлено, что в Великобритании в течение 30 последних лет большинство проблем, связанных с питтинговой коррозией, обусловлено наличием на поверхности труб углеродной пленки, оставшейся после процесса их изготовления. В различных обзорах британских геологических служб отмечается корреляция между склонностью к питтингу и некоторыми особенностями химического состава местной воды, которая в последние годы, возможно, и была источником большого числа проблем в Шотландии. Эти проблемы были связаны с точечной коррозией и выходом из строя медных трубопроводов на многих объектах, в частности, в госпиталях и отелях.
Большая скорость водного потока может вызывать и эрозионную коррозию в местах изгибов или других местах с большой турбулентностью, например, в местах скопления осадков или неудачно выполненных соединений. Защита от эрозионной коррозии - это, главным образом, вопрос хорошего конструирования и выполнения монтажа, включая сведение к минимуму мест потенциальной турбулентности в сочетании со всеобъемлющим регулированием скоростей потоков. Если при использовании труб из чистой меди проблемы эрозионной коррозии все же возникают, то возможный подход к их решению может заключаться в замене пораженных участков труб на трубы, изготовленные из более коррозионностойких медных сплавов, например, медно-никелевых, которые дают возможность максимально увеличить скорость воды от примерно 2 м/с для трубопроводов из чистой меди до порядка 4,5 м/с для трубопроводов из сплава 70/30 медь/никель.
Медно-никелевые сплавы Эти сплавы представляют собой материалы, характеризующиеся значительно большей коррозионной стойкостью по сравнению с чистой медью. Некоторые типы таких сплавов, выпускаемые промышленностью, представлены в таблице 13.2; коррозионная стойкость сплава увеличивается по мере увеличения содержания никеля, а при заданном содержании никеля возрастает и с увеличением количества в нем железа.
Как видно из таблицы 13.2, медь и медно-никелевые сплавы имеют значительно меньший предел прочности, чем многие другие металлические сплавы, и это должно найти отражение при проектировании систем трубопроводов, особенно систем транспортировки жидкостей под высоким давлением.
Для воды с большим солесодержанием медно-никелевые сплавы более предпочтительны в применении по сравнению с медью. Сплав 90/10 очень широко используется в системах транспортировки морской воды, но не имеет широкого распространения в системах, предназначенных для рассмотрения в этой главе.
Posts Tagged ‘промышленность’
Термин «нержавеющая сталь» включает в себя широкий спектр сплавов, содержащих 11-30% хрома, 0-35% никеля и 0-6% молибдена наряду с возможным содержанием более малых количеств других элементов, например, титана, ниобия и азота. Состав нержавеющей стали определяет кристаллическую структуру и, следовательно, влияет на ее свойства при температуре окружающей среды. Так, нержавеющая сталь может быть ферритной, аустенитной, мартенситной или аустенитно-ферритной (представляющей собой смесь аустенита и феррита).
Хром - наиболее важный элемент сплава нержавеющей стали, обусловливающий формирование ферритной структуры. Как можно видеть из диаграммы состояния, представленной на рис. 13.1, сплав железо-хром с более чем 12% хрома сохраняет фер-ритную структуру при всех температурах вплоть до температуры окружающей среды. С другой стороны, никель стремится придать стали свойства аустенита и, таким образом, ориентировочно можно полагать, что увеличение никелевого компонента должно смещать гамма-петлю, представленную на рис. 13.1, дальше вправо и вниз, приводя к образованию сплава, который полностью является аустенитным при температуре окружающей среды, если только не компенсировать это посредством одновременного увеличения содержания хрома. Ферриты (12-30% Сг, 0-4% Ni, 0-4% Mo, низкое содержание углерода) Ферриты не являются высокопрочными сталями (предел текучести 275^115 Н/мм2), но они имеют хорошую ковкость (пластичность) и способность к холодному формованию. Они не поддаются закалке при высокой температуре и только незначительно закаливаются при применении обработки холодом. Недавние разработки привели к тому, что промышленность стала выпускать нержавеющую сталь с малой склонность к образованию трещин, т. е. с очень низким содержанием углерода и азота (менее чем 0,04%> С + N), с улучшенной ковкостью, прочностью (ударной вязкостью) и свариваемостью.
Фторполимеры Это группа полимеров, в которой атомы фтора замещают атомы водорода в полимерной цепи. Фтор является самым сильным электроотрицательным элементом среди галогенов и поэтому образует наиболее прочную связь с атомом углерода (намного прочнее, чем связь углерода с водородом в других полимерах), которая ответственна за чрезвычайно инертные свойства всего класса фторполимеров. Свойствами, отличающими фторполимеры от других полимеров и делающих их предпочтительными, являются отсутствие боковых ответвлений и относительно высокая степень кристалличности. В табл. 13.5 представлен перечень торговых марок фторполимеров, выпускаемых промышленностью.
Некоторые фторполимеры полностью фторированы и обладают очень высокой термической и химической стойкостью, превышающей аналогичные свойства частично фторированных полимеров. Последние из двух названных типов полимеров содержат некоторое количество атомов водорода, в присутствии которых возрастают силы межмолекулярного взаимодействия между отдельными длинноцепными молекулами, что повышает механические свойства полимера при комнатной температуре по сравнению с полностью фторированными аналогами.Хотя ПТФЭ обладает относительно низкой прочностью (см. табл. 13.1), он: (а) -имеет чрезвычайно низкий коэффициент трения, (Ь) - имеет исключительно высокую термостойкость, превышающую термостойкость практически любого другого промышленного полимера и (с) - является химически инертным к предельно широкому ассортименту химических веществ, включая агрессивные кислоты, например, HCI, HN03 и H2S04 (некоторое исключение составляют щелочные металлы, треххлористые и трех-фтористые соединения, а также газообразный фтор при повышенных температурах и давлении). ПТФЭ обладает значительно более высокой стойкостью к воздействию широкого спектра как неорганических, так и органических веществ, превышающей химическую стойкость любого упомянутого выше полимера. Он широко применяется как для бытовых и хозяйственных нужд, так и в промышленности. Тем не менее, высокая стоимость ПТФЭ ограничивает его применение только трубопроводами для транспортировки жидкостей высокого качества, например, конечного продукта в системе подготовки сверхчистой воды.
Хотя этот полимер является термопластом, он не может подвергаться обработке традиционными методами плавления, например, обычной экструзией или инжекцион-ным литьем. Общепринятым методом его переработки является сжатие под давлением и спекание композиции (примерно при 330°С), залитой либо в конечную форму, либо в форму, предназначенную для механической обработки. Стержни, трубки и другие длинные изделия можно изготовить экструзией под давлением из гранулированной смеси.
Все эти процессы технически весьма затруднительны, и, несмотря на превосходные свойства ПТФЭ (перечисленные выше), необходимость в разработке фторполимеров, способных перерабатываться в расплаве, существует.
В процессе производства интегральных схем полупроводниковые пластины требуют обработки различными кислотами, такими как серная, фтористоводородная, дымящая азотная и соляная кислота. Другой агрессивной жидкостью, с которой приходится иметь дело, является перекись водорода. Критическое требование, на основе которого производят выбор труб для таких жидкостей - предотвращение коррозии или деструкции труб. Оно выдвигается с целью обеспечения адекватной надежности системы и по соображениям безопасности. Марки полимеров менее качественных сортов, например, ПП, ПЭ, ПВХ и акрилонитрилбутадиенстирол обычно не годятся для эксплуатации в контакте со многими концентрированными кислотами. Хотя нержавеющая сталь типа 316 или более качественных марок (например, 20Cr/18Ni/6Mo) может эксплуатироваться в условиях контакта с серной кислотой и перекисью водорода, она не годится для работы с соляной и фтористоводородной кислотами. Следовательно, можно отметить, что в общем наблюдается тенденция выбора высококачественных марок полимеров, например, ПТФЭ и ПВДФ, для использования в условиях работы с кислотами, но сополимер тетрафторэтилена с перфторалкилперфторвиниловыми эфирами, по некоторым данным, особенно предпочтителен.Технологические трубопроводы для этих целей подробно описаны в главе 12 этой книги, поэтому здесь будет сделано только несколько обобщающих замечаний и наблюдений.С точки зрения старения и окисления металлических трубопроводов, они не должны создавать проблем, поскольку сухие газы оказывают разрушающее воздействие на металлы только при значительных скоростях потока и повышенных температурах (в несколько сотен градусов Цельсия). Главным критерием при выборе материала трубопроводов для газов является предотвращение загрязнения высокочистых газов при их прохождении по трубам, и это требование исключает применение полимеров из-за их частичной воздухопроницаемости.
Что касается медных трубопроводов, которые в прошлом использовались во многих случаях вместе с латунными фитингами, то им присущ один потенциальный источник загрязнения - осадок флюса, используемого при сварке, который не подвержен эффективному удалению без того, чтобы не оставить вместо себя другие загрязняющие вещества.
Следовательно, в настоящее время для современных систем трубопроводов преобладает тенденция выбора нержавеющей стали (такой как 316) с внутренней поверхностью, подвергнутой тщательной, доскональной поверхностной обработке, включающей эяектрополировку. Хотя применение элеетрополировки внутренних каналов трубопроводов является довольно распространенной технологией для многих деталей, она требует специального оборудования и квалификации, поэтому является дорогостоящим процессом. Сейчас электрополированные детали для систем распределения высокочистых газов из нержавеющей стали, включая трубопроводную арматуру и фитинги, выпускаются промышленностью.
Первым из критериев, которые должны быть рассмотрены в процессе выбора, является способность поставщика производить газ, качество которого соответствует требованиям процесса. В Великобритании основные компании-поставщики газа способны решить эту задачу созданием производства на месте потребления (on-site) или поставками со стороны (off-site). Усовершенствование методов заполнения цистерн (танков) и способов доставки свели к минимуму некоторый риск загрязнения, ранее свойственный привозному жидкому азоту. Следует также принять во внимание, что при производстве на месте потребления обычно используются испарители (газификаторы), которые могут работать на привозном жидком азоте или жидком азоте, производимом на месте. Поэтому, чтобы постоянно гарантировать качество газа, привозной жидкий азот должен соответствовать качеству газа, которое достигается производством на месте потребления.
Объем
На выбор способа снабжения азотом заметно влияют объемы его потребления, однако другие факторы могут иметь еще большее значение. Если объемы потребления невелики (например, менее 500 м7час), то это обычно исключает создание производства азота на месте потребления. По мере того как требуемые объемы растут, вариант производства азота на месте потребления становится намного более привлекательным в экономическом отношении. Могут существовать и другие условия, которые позволят отдать предпочтение «местному» варианту, например, возможность поставки местного сверхчистого жидкого азота.
Бесперебойность поставок
Полупроводниковая промышленность преимущественно полагается на специализированные газовые компании, чтобы обеспечить свои потребности в азоте прямым соглашением на поставку. Имеется несколько типов контракта, зависящих от местных ограничений и индивидуального предпочтения. Два фактора вносят вклад в общую стоимость обеспечения азотом: затраты на аренду оборудования, размещаемого на месте потребления, и стоимость хранилища для жидкого азота. Производство на месте потребления требует высоких капиталовложений и эксплуатационных затрат на обслуживание, и, следовательно, приводит к более высокой себестоимости. Энергозатраты для этого варианта также выше, поскольку полупроводниковая компания обычно должна сама обеспечивать производство азота энергией и охлаждающей водой. С другой стороны, при собственном производстве требуемое количество привозного жидкого азота минимально, и потребность в нем возникает главным образом только во время профилактических остановок. Пока размер завода, который должен быть установлен для стороннего производства, значительно меньше, и это приводит к более низкой себестоимости, весь применяемый азот следует получать из привозного жидкого азота. Стоимость его закупки будет зависеть от затрат газовой компании, которые включают стоимость транспортировки, затраты на энергию и их собственные издержки для обеспечения требуемых объемов поставок.
Полупроводниковая промышленность потребляет огромное количество химических реагентов, обычно в жидкой или газообразной фазе. Любое химическое вещество, которое контактирует с поверхностью кремниевой пластины в течение производственного процесса, должно иметь соответствующее качество и практически быть свободным от любых примесей. По мере того как размер элемента (ширина линии) уменьшался и продолжает уменьшаться с каждым новым поколением полупроводниковых приборов, промышленность требует все более низких уровней содержания примесей во всех видах технологических сред. Когда-то допустимое содержание примесей устанавливалось на уровне миллионных долей (ррт), теперь же большинство систем работает с предельными концентрациями примесей, выражаемыми в частях на миллиард (ppb) и более низкими.
Химическими веществами, которые полупроводниковая промышленность потребляет в наибольших количествах, являются сверхчистая вода и магистральные газы - азот, аргон, кислород и водород. Современные технические требования к магистральным газам выходят за пределы традиционно измеряемых примесей, т. е. влаги, кислорода, углеводородов и частиц. Задача компаний-поставщиков газов в настоящее время состоит не только в получении все более чистых газов, но также и в разработке аналитических приборов, способных обнаруживать широкий спектр примесей с концентрациями на уровне менее одной миллиардной доли.
Требования, выдвинутые атомной промышленностью и индустрией чистых помещений, привели к обязательному тестированию высокоэффективных фильтров на заводах-изготовителях. Однако практика показывает, что фильтры, прошедшие заводские испытания, не всегда прибывают к месту своего назначения, минуя неприятности. В процессе доставки и различных перемещений фильтры могут получить повреждения, а после монтажа на их эффективность могут негативно влиять неплотности системы крепления. Поэтому неудивительно, что пользователи чистых помещений могут потребовать подтверждения заявленных характеристик в процессе эксплуатации, причем как для самих высокоэффективных фильтров, так и для системы их крепления. Чтобы убедиться в правильности монтажа, установленные в чистом помещении высокоэффективные фильтры испытывают как методом интегрального пробоотбора, так и сканированием. Если фильтр проверялся на заводе-изготовителе методом сканирования, то и при тестировании в чистом помещении следует использовать этот же метод. В воздушный поток до испытываемого фильтра и системы его крепления вводят тестовый аэрозоль и сканируют выходную поверхность фильтра, используя фотометр или счетчик частиц аэрозолей. Выбор прибора зависит от области применения фильтра и от материала аэрозоля. В результате тестирования регистрируются точечные дефекты фильтрующего материала и протечки в системе уплотнения. Затем либо устраняют обнаруженные дефекты, либо заменяют фильтр.Уже многие годы при тестировании высокоэффективных фильтров в чистых помещениях и для поиска дефектов в самих фильтрах и системах их крепления используют аэрозоли, полученные из синтетических и натуральных масел. Эти материалы получили столь широкое распространение, поскольку они дешевы и легко распыляются с помощью сжатого воздуха, небольшого генератора и сопла Ласкина; если же требуется большой расход аэрозоля, можно использовать масляный туман, генерируемый конденсационным методом1. Генерируемые при распылении капли маслянистой жидкости являются хорошим тестовым аэрозолем для любого высокоэффективного фильтра; при этом жидкие капли практически не вызывают забивания фильтра. В течение более 35 лет в генераторах использовался диоктилфталат (DOP), но в последние годы появились сомнения в его безвредности для здоровья, что привело к постепенному сокращению его применения. Тем не менее, исследования, выполненные в исследовательском центре RTI (Research Triangle Institute, Северная Каролина, США), показали, что количество DOP, выделяющееся из НЕРА-фильтра, прошедшего полное тестирование (измерение суммарной эффективности и сканирование всей поверхности), соответствует процентному содержанию DOP в земной атмосфере. Все же в настоящее время используются вещества, безвредные для здоровья - диоктилсебацинат (DOS), минеральное масло Shell Ondina, полиальфаолефин (РАО) и диэтилгексилсебацинат (DEHS).
Для получения тестового аэрозоля из перечисленных веществ методом распыления воздух под высоким давлением пропускают через сопло Ласкина. Воздух выходит из сопла с высокой скоростью и разбрызгивает жидкость. Тестовый аэрозоль можно получить и при использовании генератора конденсационного типа. Используемый для измерений фотометр должен быть откалиброван с помощью аэрозолей того же вещества, которое используется при тестировании фильтров. В особенности это важно в случаях, когда измеряются абсолютные концентрации аэрозолей, а не сравниваются результаты измерений до и после фильтра.
Вместо фотометра можно использовать оптический счетчик аэрозолей. Он обеспечивает лучшую чувствительность, соответственно, потребуется меньшее количество тестового аэрозоля. При измерениях с помощью оптического счетчика для получения тестового аэрозоля можно использовать как жидкие, так и твердые вещества. Оптический счетчик обеспечивает измерения при концентрации аэрозолей менее 0,008 мг/л, в то время как при использовании фотометра потребуются концентрация около 10 мг/л. В тех производствах, где остаточная эмиссия вещества из протестированного фильтра представляет опасность для технологического процесса, используют аэрозоли сферических частиц полистиролового латекса субмикронных размеров. Однако в большинстве случаев генераторы таких аэрозолей не могут обеспечить концентрацию, достаточную для использования фотометра. Хотя метод измерений с помощью оптического счетчика является более чувствительным, исчерпывающих исследований на эту тему пока не опубликовано. К недостаткам этого метода следует отнести необходимость для оператора в ходе сканирования фильтра сравнивать значения концентрации (или скорости счета), выраженные в дискретных величинах - числе частиц в единице объема или за единицу времени.
Использование оптических счетчиков частиц. Этот метод сканирования практически идентичен описанному выше, кроме того, что в качестве основного измерительного прибора вместо фотометра используется оптический счетчик частиц. Чаще всего такой метод используется для тестирования ULPA-фильтров, но с не меньшим успехом его можно применять и для НЕРА-фильтров. На вход фильтра подается тестовый аэрозоль, а на выходе вся поверхность фильтра сканируется пробоотборником - как и в предыдущем случае - таким образом, чтобы проверяемые области перекрывались. В ходе испытаний требуется измерить концентрацию частиц до фильтра. Эта операция часто вызывает трудности, так как значение концентрации аэрозолей до фильтра может лежать вне рабочего диапазона счетчика, измеряющего концентрацию частиц после фильтра. Существует три способа решения этой проблемы. Первый заключается в разработке и использовании разбавителя при отборе проб до фильтра. Перед проведением измерений необходимо проверить кратность разбавления и стабильность работы разбавителя. Процедура такой проверки описана в рекомендациях IEST-RP-CC-007. Второй способ предполагает использование для измерений до фильтра второго счетчика аэрозолей с небольшим расходом воздуха и, соответственно, возможностью измерения высоких концентраций частиц. В третьем способе для этой цели применяется фотометр, однако предварительно необходимо исследовать соответствие между показаниями счетчика частиц и фотометра. Этот способ используется для специальных испытаний.
Метод сканирования фильтра с помощью оптического счетчика аэрозолей чрезвычайно чувствителен, поэтому он лучше всего подходит для измерений внутри чистых помещений. В обычных же условиях любое попадание частиц в поток за фильтром будет рассматриваться как обнаружение дефекта, что может увеличить продолжительность измерений из-за необходимости повторной проверки мнимых дефектов. Очень важен правильный выбор величины, превышение которой считается протечкой (дефектом). Так, выбор в качестве предела одной частицы приведет к высокой вероятности регистрации мнимых протечек и возможности пропустить реальные дефекты. В таких случаях лучше повысить на порядок концентрацию аэрозолей до фильтра и выбрать в качестве предельной величины 10 частиц.
При использовании оптических счетчиков частиц выбор материала аэрозоля чаще всего определяется требованиями заказчика. Например, в полупроводниковой промышленности эмиссия газов из фильтров является критическим фактором, поэтому там недопустимо использование жидких тестовых аэрозолей. Наиболее распространенным решением является применение глобулированного полистиролового латекса, выпускаемого в виде суспензии твердых сферических частиц в воде. В качестве генератора аэрозолей в этом случае используется ультразвуковой распылитель (увлажнитель воздуха). Он создает туман из мельчайших капелек воды, содержащих частицы латекса. Остающиеся после испарения воды твердые сферические частицы используются в качестве тестового аэрозоля. Распределение этих частиц по размерам соответствует размеру исходных частиц в использованной суспензии. Обычно диаметр частиц латекса находится в диапазоне от десятых долей микрона до нескольких микрон.
Полупроводниковая промышленность отличается и более жесткими требованиями к величине локальных протечек в ULPA-фильтрах, приближая их значение к величине интегральной проницаемости ULPA-фильтров. При современном технологическом уровне экономически оправдано значение допустимой протечки в 0,001%, но европейский стандарт уже установил для наиболее эффективных фильтров величину 0,0001 %. Для регистрации таких значений необходимо использовать оборудование для автоматического сканирования (с отслеживанием координат пробоотборного устройства и поддержанием постоянной скорости сканирования), лазерные счетчики аэрозолей с выходом на компьютер и возможностью измерения очень малых скоростей отсчета частиц, а сама процедура сканирования фильтра должна проводиться в чистом помещении. Только подобное оборудование дает возможность обеспечить чувствительность к протечкам в 0,001 % (по сравнению с предельной чувствительностью фотометров в 0,01 %), что соответствует интегральной эффективности ULPA-фильтров 99,9999%.
Если в ходе сканирования HEPA-фильтра его измеренная эффективность оказалась равна, например, 99,99%, то это означает, что в нем нет точечных дефектов (проколов), трещин или неоднородностей, которые создают протечки более 0,01%. Измеренную этим методом эффективность HEPA-фильтра невозможно сравнивать с результатами измерений по стандарту Mil-Std 282, поскольку они отличаются буквально всем, включая распределения по размерам и концентрацию частиц тестового аэрозоля.
Для того чтобы гарантировать удаление из подаваемого в чистое помещение воздуха частиц, которые могут загрязнить продукцию, воздух должен фильтроваться. До начала 80-х годов для фильтрации воздуха в чистых помещениях применялись НЕРА (High Efficiency Particulate Air) фильтры, т. к. на тот момент они были наиболее эффективными из коммерчески доступных фильтров. В настоящее время HEPA-фильтры все еще используются в большинстве чистых помещений, однако потребности одной из отраслей современного производства интегральных схем достигли уровня, требующего применения более эффективных фильтров. Такие фильтры получили название ULPA (Ultra Low Penetration Air) фильтров.
Высокоэффективные фильтры, которые используются в чистых помещениях, выполняют двойную функцию: они удаляют из воздуха мелкие частицы и - в помещениях с однонаправленным потоком воздуха - формируют воздушный поток. Расположение высокоэффективных фильтров и расстояние между ними, также как и величина скорости воздуха, оказывают влияние как на концентрацию взвешенных в воздухе частиц, так и на формирование застойных зон, аккумулирующих аэрозоли, и непредусмотренных путей миграции частиц по всему чистому помещению. Сочетание вентилятора и высокоэффективного фильтра является лишь начальным условием формирования однонаправленного потока воздуха. Для того чтобы обеспечить действительно качественный однонаправленный воздушный поток, необходим правильный баланс всех его составляющих.
Несмотря на то, что различные стандарты по чистым помещениям определяют класс чистоты только исходя из концентрации взвешенных в воздухе частиц (например, класс ИСО 6 или класс 1000), для достижения требуемого уровня чистоты в различных отраслях промышленности используются различные сочетания НЕРА и ULPA-фильтров. Основными отраслями, широко использующими чистые помещения, являются производство полупроводников и фармацевтическая промышленность, хотя в последнее время к этому списку можно добавить биотехнологию, производство медицинских изделий, пищевую промышленность, производство жестких дисков и некоторые другие отрасли. В полупроводниковой промышленности при производстве изделий с субмикронной геометрией применяются ULPA-фильтры, в то время как для фильтрации микроорганизмов и инертных частиц в чистых помещениях фармацевтической и некоторых других отраслей достаточно использовать НЕРА-фильтры.
Принято считать, что в чистых помещениях класса ИСО 6 (класс 1000) или менее чистых для достижения соответствующего уровня очистки достаточно использовать НЕРА-фильтры в сочетании с обычной (турбулентной) вентиляцией, например, вполне приемлемо установить их на входе воздушного потока в помещение или в воздуховоде приточной вентиляции. В чистых помещениях класса ИСО 5 (класс 100) НЕРА-фильтры устанавливаются по всей площади потолка для создания однонаправленного вертикального воздушного потока через чистое помещение. В помещениях класса ИСО 4 (класс 10) и более чистых для создания однонаправленного воздушного потока следует использовать ULPA-фильтры.
Открытие процессов ядерного расщепления, а также исследования в области разработки биологического и химического оружия, проводимые в период Второй мировой войны с 1939 по 1945 гг., стимулировали производство высокоэффективных воздушных фильтров НЕРА (High Efficiency Particulate Air), необходимых для очистки воздуха от опасных микробиологических или радиоактивных аэрозольных загрязнений. Появление таких фильтров позволило обеспечить чистые помещения очень чистым воздухом и достичь низких уровней аэрозольного загрязнения.
Помещения с большими объемами хорошо очищенного воздуха, подаваемого через потолочные воздухораспределители, стали строиться в период с 1955 г. до начала 1960-х годов, причем большинство из них предназначалось для производства гироскопов.
Переломным моментом в истории чистых помещений стала разработка в 1961 г. концепции вентиляции с «однонаправленным», или «ламинарным» потоком воздуха, осуществленная в лаборатории корпорации Sandia (г. Альбукерк, Нью-Мехико, США). Разработка велась группой специалистов, но наибольший вклад принадлежал Уиллису Уитфилду (Whitfield). На рис. 1.3 представлена схема первой чистой комнаты с однонаправленным воздушным потоком. Помещение было небольшим, шириной 6 футов, длиной 10 футов и высотой 7 футов (1,8 х 3 х 2,1 м). Воздух подавался через ряд НЕРА-фильтров (вместо использования потолочных воздухораспределителей с последующим произвольным движением воздуха внутри помещения). Это обеспечило однонаправленное движение воздуха от фильтров через все помещение и далее наружу через перфорированный пол. Из рис. 1.3 видно, что человек, работающий за столом, не будет загрязнять объекты перед собой, поскольку генерируемые им загрязнения будут удаляться потоком воздуха. Концепция вентиляции чистого помещения с помощью однонаправленного потока воздуха была очень быстро реализована, поскольку ощущалась крайняя необходимость в чистых помещениях высокой степени чистоты. В 1957 году Советский Союз вывел на орбиту первый искусственный спутник Земли, и началась гонка в космосе. Стремление увеличить полезную нагрузку космических аппаратов вызвало потребность в легких миниатюрных микроэлектронных компонентах. Однако миниатюризация повысила их уязвимость по отношению к загрязнениям. Стало очевидным, что для производства полупроводниковых элементов необходима очень чистая производственная среда и что помещения с однонаправленным воздушным потоком позволяют добиться уровня чистоты на несколько порядков выше, чем это удавалось ранее. Метод вентиляции с использованием однонаправленного воздушного потока был сразу же внедрен в фармацевтическую промышленность и в больницы для изоляции пациентов и при проведении хирургических операций.
Специалисты из лаборатории Sandia при участии представителей промышленности, государственных органов и военных сформировали рабочую группу под председательством Дж. Гордона (одного из авторов этой книги) и в 1963 году предложили федеральный стандарт США 209. Этот стандарт оказал очень большое влияние на проектирование чистых помещений и явился основой для большинства появившихся во всем мире стандартов в этой области. В главе 2 этой книги можно познакомиться с большим числом существующих сейчас стандартов, созданных для удовлетворения потребностей быстро развивающейся индустрии чистых производственных помещений.
Области применения чистых помещений становятся все более многочисленными и разнообразными. Наряду с минимизацией уровня взвешенных в воздухе загрязнений часто возникает необходимость ограничить распространение опасных или токсичных соединений в воздушной среде помещений. Эта задача решается в изолирующих помещениях. Как чистые, так и изолирующие помещения должны проектироваться индивидуально, исходя из требований их конкретных применений. В разных отраслях промышленности (микроэлектронике, фармацевтической промышленности, производстве изделий медицинского назначения и биотехнологии) существуют специфические требования. Однако есть и общие для всех отраслей подходы к проектированию чистых и изолирующих помещений, которые следует обсудить перед чтением последующих глав этой книги.