Wymagania techniczne pomieszczeń typu "clean room"

(1)

E lżb ieta N IE Z A B IT O W S K A

W YM AGANIA TECHNICZNE POMIESZCZEŃ TYPU "CLEAN ROOM"

S tre sz c z e n ie . N o w oczesne technologie zw łaszcza z zakresu m ikroelektroniki w ym agaja specjalnie przy g o to w an y ch w arunków środow iskow ych. P odobne w arunki sa w ym agane w niektórych lab o rato riach chem icznych i m edycznych. Z apew nienie ich w ym aga zastosow ania tak zw anych pom ieszczeń typu "clean ro o m ", których projektow anie różni sic zasadniczo od pro jek to w an ia standardow ych pom ieszczeń pracy.

TECHNICAL REQUIREMENTS FOR ROOMS OF ' CLEAN ROOM"

TYPE

S u m m ary. M o d ern technologies, especially those from the field o f m ircoelectronics, re q u ire specially prep ared environm ental conditions. S im ilar conditions are required in som e chem ical and m edical laboratories. E nsuring such conditions requires the use o f room s o f

"clean ro o m " type, th e designing o f w hich differs fundam entally from that o f standard w ork room s.

Rozw ój p rzem y słó w "h ig h -tech n o lo g y ” , pracujących w oparciu o techniki kom puterow e, g en eru je p o w staw an ie now ych rodzajów stanow isk pracy, często w ym agających stosow ania specjalnie projek to w an y ch pom ieszczeń. N ależą do nich pom ieszczenia typu "clean room "

(czyste po m ieszczen ie). Są o n e stosow ane w laboratoriach badaw czych, chem icznych i m edy

cznych o raz p rzy produkcji podstaw ow ej części składowej kom putera najnow szej generacji, tak zw anych "c h ip ó w ", czyli w szędzie tam , gdzie w ym agane są szczególne w arunki czystości p o w ietrza w m iejscu pracy.

T erm in "clean room " oznacza, że w pom ieszczeniu w ym agana je s t specjalna czystość p o w ietrza o k reślan a d opuszczalną ilością zanieczyszczeń pólm ikronow ych części stałych lub bak terii czy też w iru só w w pow ietrzu. W krajach anglosaskich te dopuszczalna ilość zan ie

czyszczeń o k re śla sie na stopę sześcienną pow ietrza, to je s t 0 .2 8 3 m \ G eneralnie ro zró żn ia sie klasy czystości 10, 100 i 1000.

(2)

42 E lżbieta N iezabitow ska

K lasa czystości pow ietrza 10 je st szczytem czystości i osiągana je s t je d y n ie n a niew ielkiej pow ierzchni rzutu w specjalnie w ydzielonych częściach, czyli digestoriach z rękaw am i.

D o p u szczaln e zanieczyszczenie pow ietrza m oże w ynosić je d n ą pólm ikronow ą alb o m niejszą część stałą na każdą stopę sześcienną pow ietrza.

K lasa czystości 100 oznacza dopuszczalne zanieczyszczenie pow ietrza w postaci kilku pojedynczych półm ikronow ych zanieczyszczeń na stopę sześcienną pow ietrza. P rzestrzenie o tej jak o ści są rów nież ograniczone do pojedynczych części sam odzielnego w yposażenia w arsztatu , to je s t do digestoriów z rękaw am i.

K lasa czystości 1000 rów nież oznacza czystość niem al nieskazitelną odpow iadającą w y m aganiom sal operacyjnych w szpitalach chirurgicznych.

P ro jek to w an ie w ięc tego typu pom ieszczeń stw arza w iele problem ów technicznych tak w zak resie u rządzeń i instalacji w entylacyjnych, ja k i czysto architektoniczno-m aterialow ych.

G en eraln ie pom ieszczenia takie w ym agają stw orzenia trzech odrębnych poziom ów obsługi w obiekcie, w którym tego typu pom ieszczenia znajdują się. D olny poziom zajm uje aparatura k lim aty zacy jn a oczyszczająca pow ietrze w tłaczane do pom ieszczenia. Środkow y poziom je s t poziom em podstaw ow ym o określonych w ym aganiach co do czystości pow ietrza z w ydzielo

nym i strefam i "clean room " o ściśle określonych param etrach czystości. W górnym poziom ie znajdują się urządzenia tłoczące bardzo szybko, czyste, nie zanieczyszczone pow ietrze do strefy "clean room " i usuw ające rów nocześnie zanieczyszczone z w nętrza.

Z asad ą n r 1 je s t ograniczenie pow ierzchni, na której w ym agane je s t osiągnięcie w ysokiego po zio m u czy sto ści pow ietrza. W tym celu rozbudow uje się pom ieszczenia sąsiednie, z k tó ry ch m o żn a dokonyw ać obsługi pom ieszczenia głów nego. O granicza się rów nież ilość ludzi przebyw ających w pom ieszczeniu, a w ejście odbyw a się przez system specjalnych śluz uniem ożliw iających przypadkow e w prow adzenie zanieczyszczeń.

R ysunek n r 1 przedstaw ia schem at przekroju fabryki "chipów " projektu R .I. A ndersona [M . H arrim an 1991] z firm y A rchitects and Engineers specjalizującej się w tego typu p rojektach w USA. Sufit i podłoga głów nego pom ieszczenia pracy są perforow ane w celu u m o żliw ien ia przepływ u pow ietrza z góry w dól. Pom ieszczenia znajdujące się obok, na tym sam ym poziom ie, służą do obsługi urządzeń od zew nątrz, bez konieczności w chodzenia do strefy czystej.

U rząd zen ia obsługujące pom ieszczenie "clean room " zajm ują dużą kubaturę, co m ożna zaobserw ow ać na rysunku n r 2 przedstaw iającym przekrój przez halę laboratoryjną "W estern

(3)

R y s. 1. S ch em at p rz e k ro ju fa b ry k i "ch ip ó w " p ro je k tu R .I. A ndersona [M . H a rrim a n 1991]:

1. w i cza r k ra to w y d a ch o w y , 2 . k an ał n aw iew n y , 3. filtry , 4. p o k ó j czystości 1 k la sy , 5 . k o ry ta rz k lasy czy sto ści 10 0 0 0 , 6. p o d ło g a p e rfo ro w a n a , 7 . belk i stro p o w e b e to n o w e, 8. kanał zuży teg o p o w ie trz a , 9 . p o z io m w y p o sa ż e n ia w u rz ą d ze n ia m ech an iczn e, 10. kanał n a w ie w n o -p o w ro tn y , 11. k o n d y g n a cja u s łu g o w a

F ig . 1. C ro ss-se c tio n d ia g ra m o f th e "chips" factory d esig n ed by R .I. A n d erso n (H . H a rrim a n 1991):

1. ro o f g rid b e am , 2. v e n tila to r d u c t, 3. filters, 4 . ro o m o f 1st class p u rity , 5. c o rrid o r o f p u rity c lass 10 0 0 0 , 6. p e rfo ra te d flo o r, 7. concrete flo o r beam s, 8. used a ir d u ct, 9. stan d a rd o f p ro v id e d m e c h an i

c a l e q u ip m e n t, 10. v e n tila tin g and re tu rn d uct, 11. serv ice flo o r

(4)

R \ s. 2 . P rze k ró j p rzez h alą la b o rato ry jn a "W estern D ig ital M icro elec tro n ic s“ w Irw ine w K alifo rn ii [M . H a rrim a n 1991]:

1. filtry , 2 . p o m ieszczen ia 1 k la sy czystości p o w ietrza, 3. k an at naw iew n y p o w ietrza, 4. p o d ło g a p e rfo ro w a n a i b e lk i s tro p o w e b eto n o w e, 5. kanał w yw iew ny p o w ro tn y , 6 . recykling p o w ietrza w u k ład zie z am k n ięty m

F ig . 2. C ro ss-se ctio n o f la b o ra to ry hall "W estern D igital M icro electro n ics" in Irv in e, C alifo rn ia (M . H arrim an 1991):

1. filte rs, 2. ro o m s o f 1st class p u rity , 3. a ir ventilatio n d u ct, 4 . p erfo rated flo o r and co n crete flo o r b e am s, 5 . u p ta k e v e n tila tio n d u c t, 6. a ir recy clin g in closed system

D igital M icro electro n ics" w Irvine w K aliforni: rów nież w g projektu R .I. A ndersona [M . H arrim an 1991], gdzie sam o pom ieszczenie "clean room " zajm uje około 1/4 przekroju.

P rzed staw io n y n a rysunku obiekt ma około 2230 m2 p o w ierzch n i. Produkuje się w nim płytki k o m p u tero w e ultracienkie 6-calow ej średnicy. Ze w zględu na konieczność unikania oporów p rzep ły w u p o w ietrza p rojektanci dążą do m aksym alnego zm inim alizow ania ilości sprzętu w p om ieszczeniach. Stad w rozw iązaniach A ndersona 95% w yposażenia znajduje się na zew n ątrz po m ieszczen ia "clean ro o m ", ale je st dostępne z tegoż pom ieszczenia.

R ysunek n r 3 p rzedstaw ia rzu t i przekrój W aste M anagem ent E nvironm ent M onitoring L ab o rato ry w G enew ie w Illinois [M . H arrim an 1991]. W laboratorium tym testuje się próbki w ód g runtow ych 5000 m onitoringow anych studni przy 200 zakładach posługujących się chem ikaliam i o raz p rzy w ysypiskach kom unalnych. O biekt m a 15 78 0 m2 pow ierzchni, na której p ra c u je 120 chem ików , techników i urzędników . Pracow nicy pracują w 4 0 lab o rato riach. O b iek t m a plan w achlarza (rys.3a). Jedno ze skrzydeł, w ydzielone, przeznaczone je s t na lab o rato ria typu "clean ro o m ". Nad tym skrzydłem znajdują się urządzenia w entylacyjne z ap ew n iające odpow iedni stopień czystości pow ietrza w pom ieszczeniach i digestoriach (ry s.3 b ).

(5)

8

i

_u

49

s

lis

^'3

H

S |

2 3

* I 3 Ł

■§|

1=3 ■2 ^■§

i I

s a U 8

» i

J - Ł

i ' 0-

^{O .}

S

^4>

3

’I ^

1 -i

1 «

3 i a*

2 iw C ' i 2

„ I I

C -

3 S"

2

li

II

| i Ir

5 «

_{w o.}

.52 ao « .9 5/3 E3 vo

S I

.9 O 0 i

l l J O

s 1/1

O 4)

II S 2

■ s i l

„ i ^

s a . "

a «

.2 3 13 a U

Si<4

•§ =3 s .3

3 - i 5 "

l ^ l j

I a 2 r 1 -i

* 5 - 3

| N

•c

o

e M

1 ^*

j •

■S

“ §

T3 t-

3 .— .

CQ «

S -O a 1 <

5 u l -

2 K *2 8. 2 > M

“ <5 ^

(6)

(7)

P ro b le m podziału przestrzeni pracy w zakładzie high-technology w ym agającej zachow ania czy sto ści p o w ietrza m ożna przeanalizow ać na rysunkach n r 4 i 5 a ,b [A . W illem sen 1989]

p rzed staw iający ch schem aty rzutów i przekrojów zakładu płytek elektronicznych firm y P h ilip sa w N ijm egen. H ala technologiczna podzielona je s t na strefy. N ao k o ło hali przebiega k o ry ta rz o k lasie czystości 10 0 00 i prow adzi on do pom ieszczeń o klasie czystości 1 000.

P rz e z śro d ek h ali p rzeb ieg a k orytarz o klasie czystości 100, w której m oga przebyw ać ludzie i p ro w ad zi d o pom ieszczeń o klasie czystości 1, w której odbyw a sie pro d u k cja płytek.

R y s. 4 . S c h e m a t p o d z ia łu p rzestrzen i p racy na k lasy czystości dla celó w h ig h -tec h n o lo g y [A . W illem sen 1989):

1. p rz e strz e ń p ro d u k c ji p ły te k (klasa czystości 1), 2. p rz e strze ń , w której p rz e b y w ają lu d zie (klasa c zy sto ści 10), 3. p rz e strze ń ob słu g i (k lasa czystości 1000), 4. sp ecjaln e w y p o sażen ie, S. p o d n o szo n a p o d ło g a p e rfo ro w a n a

F ig . 4. D ia g ra m o f d iv id in g w o rk sp ace into p u rity classes fo r h ig h -tech n o lo g y p u rp o se s (A . W illem sen 1989) 1. sp ac e w h e re plates a re p ro d u ced (p u rity class 1), 2. space w h ere p e o p le stay (p u rity class - 10), 3. se rv ic e sp ace (p u rity class 1000), 4. special eq u ip m en t, 5. lifte d p erfo rated flo o r

O dm iana tego typu pom ieszczeń sa laboratoria w irusow e, w których dodatkow ym p ro b le

m em je s t o d d zielen ie zanieczyszczonego groźnym i w irusam i pow ietrza usuw anego z pom iesz

czeń lab o rato ry jn y ch . Przykładem takiego rozw iązania je s t o biekt P ublic H ealth L aboratory B uilding na M an h attan ie. W e w nętrzu o pow ierzchni około 6000 m2 dokonuje się badań nad

(8)

1 2 ^

4 H E

R y s. 5a. S ch em at rz u tu F ab ry k i P ły tek E lektronicznych firm y P h ilip s w N ijm egen [A . W ille m se n , 1989]:

a) sch em at rz u tu - p o d ział p rzestrzen i n a klasy czystości:

1. k la sa 1, 2. k la sa 100, 3. klasa 1000, 4. k lasa 10 000

F ig . 5 a . S ectio n d ia g ra m o f th e P h ilip s E lectro n ic P la te F acto ry in N ijm eg en (A . W illem sen 1989):

a) v ie w d ia g ra m d iv isio n o f space into p u rity classes:

1. c la ss 1, 2 . c la sse 100, 3 . class 1000, class 10 0 0 0

uśpionym w irusem H IV . System śluz oddziela pom ieszczenia badań od pom ieszczeń o innym charak terze. Specjalny system w entylacji uniem ożliw ia przedostanie sie w irusa na zew nątrz.

W p rojektow aniu architektonicznym tego typu obiektów w ystępuje szereg problem ów , ja k ic h nie spotyka sie w projektow aniu standardow ych obiektów architektonicznych. Sa one

następujące:

(9)

6

R y s. 5 b . S ch em at p rz e k ro ju F a b ry k i P łytek E lek tro n iczn y ch firm y P h ilip s w N ijm egen [A . W illem sen I989J:

b ) sch em at p rz e k ro ju pop rzeczn eg o : 1. cen traln y k o ry tarz, 2. szto ln ia o b słu g i, 3. szto ln ia czy sta, 4. p o w ró t p o w ie trz a z c en tra ln eg o k o ry ta rz a , 5. dostarczen ie czystego p o w ie trz a , 6. p ro c e sy usu w an ia p o w ie trz a

F ig . 5 b . C ro ss-se ctio n d ia g ra m o f th e P h ilip s E lectro n ic P la te Facto ry in N ijm eg en (A . W illem sen 1989);

b ) c ro ss-se ctio n d iagram : I . central c o rrid o r, 2. serv ice ad it, 3. pu re ad it, 4. a ir re tu rn from central c o rrid o r , 5. clean a ir su p p ly , 6 . a ir rem oval p rocesses

- strefo w an ie p om ieszczeń różnej klasy czystości i ich rygorystyczne oddzielenie system em śluz. Je s t to bard zo istotne, gdyż np. w laboratoriach chem icznych o tw arcie buteleczki z p ró b k a d o badań w pom ieszczeniu m oże spow odow ać skażenie w yników innych badań w y konyw anych w tym sam ym czasie;

- zapew nienie dostępności do pom ieszczeń klasy 1 czystości pow ietrza (z których całkow icie elim in u je się człow ieka) poprzez śluzy, digestoria z rękaw am i;

- zab ezp ieczen ie konstrukcji przed w ibracja. P om ieszczenia 1 klasy czystości p o w ietrza w y

m agają pełnej w ym iany pow ietrza co 6 sekund, gdy w norm alnych budynkach biurow ych w y m ag an a je s t 2 -3 -k ro tn a w ym iana na godzinę;

(10)

- um ożliw ienie przepływ u pow ietrza poprzez konstrukcje stropów ;

- zasto so w an ie odpow iednich m ateriałów i sposobów w ykończenia tych pom ieszczeń. N ie m ożna stosow ać żadnych tw orzyw sztucznych, gdyż moga em itow ać cząsteczki zanieczysz

czające ch em iczn e p ró b k i. M ateriały m uszą być czyste, gładko zakończone z płynnym i p o łączen iam i uniem ożliw iającym i osadzanie się zanieczyszczeń.

R ealizacja pom ieszczeń typu "clean room " w ym aga nie tylko w ysokiej jak o ści p rojektow a

n ia , lecz ró w n ież zastosow ania w ysokiej jakości m ateriałów budow lanych i precyzyjnego, w y so ce profesjo n aln eg o w ykonaw stw a.

L iteratu ra

1. H arrim an M . S .: "C lean room s. C ontam inant-free w orkspace require a design and m echa

nical synthesis". A rchitecture July 1991.

2 . W illem sen A .: "Bauten and Bauen bei Philips" w Som m er D. "Industriebauten G estalten"

P icu s V erlag V ien 1989.

A b stract

N ew m icro electro n ic technologies require specially prepared environm ental conditions.

S im ilar con d itio n s are also expected in chem ical and m edical laboratories. Such conditions can b e assu red in specially designed room s called "clean room s". T he necessity o f isolating th e serv ice room precisely from the clean room itself requires special designing and co n stru ctio n o f the building as well as the use o f special m aterials that ensure ideal purity con d itio n s in the room s. Fig. 1 - 5 show several exam ples o f solution in this type o f lab o rato ries and factories throughout the w orld.

Wymagania techniczne pomieszczeń typu "clean room"