無塵室有分等級?!無塵室原理、設計、設備、耗材一次了解!

引言

無塵室是一種將空氣中氣旋微粒、溼度、溫度嚴格控制的工程空間,主要目的為控制空氣中的污染及變因,因此在一些科技製造廠、醫療設備產業等需要高度衛生標準的產業中,無塵室的存在能夠滿足生產產品時需要的環境可靠性,以此達到品質控管。不同產業類別需要的空氣微粒濃度分級不一,所適用的無塵室也大不相同,故本篇文章將帶大家了解無塵室的基本資訊、功能用途及如何區分等級種類,來選擇最合適的無塵室。

 

無塵室是什麼?

無塵室(Cleanroom)指將空間內的微生物、微小顆粒、化學揮發性氣體等污染物排除,並控制溫度、濕度、室內壓力、氣流速度等變數,以確保特定工業或科學活動的作業環境能夠精準地達到品質控制。

其主要功能包含了:除去及防止空氣中微塵粒子產生、溫度和濕度的控制、室內壓力之調節、排除有害氣體、防靜電及電磁干擾、結構物與隔間之氣密性、安全因素與節能之考量等。

無塵室為一種高度控制的環境,目的在維持極高的潔淨度水準,因此在一些有高度潔淨及環境控制需求的產業中是必要的,包含:半導體製造業、醫療設備及製藥業、生物技術及生命科學、光學和精密儀器製造、航空航太業,及食品加工業等都是需要減少外來污染以確保品質可靠性。無塵室可用於製程前的材料清洗、研究過程、生物技術過程、製造與組裝過程等不同的製程階段,確保期間不受污染干擾,以保證準確性。

 

無塵室原理是什麼?

 

無塵室需提供穩定且潔淨的空氣到內部,讓產品製程不被汙染干擾。外部空氣會經過無塵室系統中各處理、過濾裝置,進而成為符合自身規定等級的潔淨空氣。

首先,外部的空氣經過外氣空調,過濾灰塵微粒和控制溫、溼度,再經過回風管道,此時無塵室內的循環風量會與外氣空調箱中新進的外部空氣混合,而冷卻盤管會將回風管道間的空氣降溫,再透過循環風扇的氣流帶走剩下的汙染源及溫度,最後,經過超高效濾網(HEPA或ULPA)過濾,提供作業區潔淨空氣。

無塵室依照等級的不同,在氣流設計上也有所區別,可分為傳統的亂流式垂直層流式水平層流式。

  • 亂流式(傳統式):

    空氣從空調箱經過風管傳送到分布在無塵室上方天花板的空氣過濾器(FFU)後,進入作業區,再由設於地板或牆面低處的吸入口回風,如此反覆循環。

  • 垂直層流式:

    將外界空氣用組合式空調箱(AHU)進行初步過濾後,經由風管送到無塵室天花板(氣艙),後以高覆蓋率之HEPA過濾器充分清潔,從天花板由上而下重直吹入作業區,剩餘的空氣再由高架地板吸入回風,依此反覆。

  • 水平層流式:

    外界空氣以AHU初步過濾後,送往單一側牆,透過高覆蓋率之HEPA過濾器或風牆(Fan Wall)的過濾和推動,讓潔淨空氣以水平狀態、單一方向送至作業區,再由其對邊牆或天花板的回風系統進行回收,反覆依此循環。

 

無塵室設計類型 vs. 無塵室適用等級

亂流式(傳統式) 垂直層流式 水平層流式
適用等級 Class 10,000 – 100,000 Class 10 – 1,000 Class 100 – 1,000
適用環境 潔淨度需求較低之製造環境、科學實驗室 半導體、生物技術、精密儀器製造、製藥 手術室、電腦機房、自動化倉儲系統
優點 建造成本低、室內空間擴充容易,設計較靈活,多數無塵室採用此方式。 有序的空氣流動、運轉後短時間內潔淨度即可達穩定狀態。 均勻的整潔度、運轉後短時間內潔淨度即可達穩定狀態。
缺點 微粒分布不均、氣流的亂流污染粒子可能在室內循環,達穩定狀態需要花一定時間。 建造成本較高且室內空間擴充較為不易。 建造成本高且室內空間擴充較為不易。

 

無塵室等級怎麼分?

 

無塵室依照潔淨度進行等級分類,潔淨度定義為:特定容積內空氣所含有微粒數量多寡的指標。換句話說,無塵室依據空氣中的微粒濃度進行等級分類,以確保在不同的應用中能夠達到所需的潔淨度。不同國家無塵室的等級標準皆不相同,各國依據不同的微粒大小做為基準,除了一般常用的國際標準ISO- 14644和美國聯邦209E外,還有日本的JIS B9920、德國的VDI 2083及俄國的Gost-R 50766,雖然美國早已正式宣佈廢止209E,改用ISO-14644。但在產業界,除了部份歐洲公司外,美國、日本、台灣、與中國大陸,都還沿用209E。

在台灣,無塵室等級主要分級標準有兩種,第一種為美國聯邦標準209(Federal Standard 209, FED 209)採用0.5 μm微粒濃度限制為其分級名稱,並使用Class100、Class1000…作為分類,數字越高代表所允許的微塵濃度越高,潔淨度也越差。而第二種則為國際標準化組織所發佈的ISO 14644使用ISO1、ISO2、ISO3、ISO4…作為分級標準,數字越小澤等級越高,潔淨度也越高。有別於美規以0.5 μm為基準,日規算法則是以0.1μm為準,但兩者之間皆可進行換算以判定等級。

 

等級對照表:ISO-14644-1 vs FED-STD-209E

ISO 14644-1 FED-STD-209E 每小時空氣交換量 每單位空氣量的微塵粒子上限濃度
ISO 3 Class 1 360-540 每一立方英尺不超過1粒
ISO 4 Class 10 300-540 每一立方英尺不超過10粒
ISO 5 Class 100 240-480 每一立方英尺不超過100粒
ISO 6 Class 1,000 150-240 每一立方英尺不超過1,000粒
ISO 7 Class 10,000 60-90 每一立方英尺不超過10,000粒
ISO 8 Class 100,000 5-48 每一立方英尺不超過100,000粒

無塵室是以空氣中懸浮粒子的數量來區別他們的級數,並以一立方英尺中含有多少微粒數≧0.5μm

 

產業應用

無塵室的適用範圍廣闊、潔淨等級眾多,不同的產業對應到最適合的無塵室等級,才能在維持作業環境潔淨要求的前提下,做出既有效率又經濟實惠的選擇。以下說明適用無塵室的各個領域和其合適的等級:

 

工業用無塵室 Industrial Clean Room (ICR)

主要使用在半導體、電子及各類型精密加工產業。

產業類別 潔淨度
ISO 2 ISO 3 ISO 4 ISO 5 ISO 6 ISO 7 ISO 8
209E

Class 1

209E

Class 10

209E

Class 100

209E

Class 1,000

209E

Class 10,000

209E

Class 100,000

ICR 晶片製造商
半導體元件製造商 前端工程
後端工程
液晶製造商
硬碟製造商
精密機械製造商
光罩製造商
印刷電路板製造商

 

生物用無塵無菌室 Biological Clean Room (BCR)

主要使用於生技、生化、醫學等產業及學術研究單位的無塵室,除了要求去除空氣中漂浮的微粒子,還必須去除附著於塵埃上的細菌與病毒,因此除了空氣過濾系統,通常還必須搭配紫外線等化學滅菌。

產業類別 潔淨度
ISO 2 ISO 3 ISO 4 ISO 5 ISO 6 ISO 7 ISO 8
209E

Class 1

209E

Class 10

209E

Class 100

209E

Class 1,000

209E

Class 10,000

209E

Class 100,000

BCR 藥品製造商 注射液充填區
藥劑包裝區
醫院 無菌治療室
無菌手術室
食品加工製造商 長期保鮮牛乳
新鮮蔬果菜、便當、麵包
動物實驗室 無菌動物治療室
SPF動物

 

其他產業無塵室

無塵室應用
產業類別 項目 潔淨度CLASS
209E

Class

10

209E

Class

100

209E

Class

1,000

209E

Class

10,000

209E

Class

100,000

生技 製藥製程
注射液
化妝品
醫院 無菌手術室
一般手術室
加護病房
一般病房
實驗室 細菌、微生物
無菌動物飼育
實驗動物飼育
食品工業 酒、乳酸菌飲品
乳製品
食用肉加工
果肉加工

 

無塵室有哪些重要潔淨設備?

無塵室設備琳朗滿目,以下逐一介紹幾項重要設備。

 

  • 空氣浴塵室 (Air Shower)
    • 用途:控制進入或離開清潔區域的人員和物品的微粒和污染物帶入。
    • 特色:高速噴射的潔淨空氣、可用於人員進出,或較小的物品和裝置。

 

  • 傳遞箱(Passing Box)
    • 用途:防止跨越不同潔淨度的區域時帶入污染物或微粒,確保潔淨區域的空氣品質和潔淨度不受影響。
    • 特色:高效的潔淨空氣過濾系統,避免微粒和污染物的傳播。

 

  • 風機濾網機組 (Fan Filter Unit, FFU)
    • 用途:用於潔淨區域或需要空氣潔淨的場所,機體內通常配備HEPA或ULPA濾網,以確保進入室內的空氣具有所需的潔淨度和品質。
    • 特色:多種過濾等級以應對不同微粒及污染物、低噪音設計確保室內環境不受噪音干擾。

 

  • 無塵工作亭
    • 用途:是一種在無塵室環境中使用的工作台或工作區,用於進行對產品或樣品進行精密製造、測試、組裝或實驗。
    • 特色:局部潔淨區域、含過濾系統、光照和UV消毒。

 

無塵室耗材:阻止「人」的汙染原

為了有效地維持無塵室之整潔度,污染源的管理是至關重要的一點,污染源可分為外界污染及內部污染兩大類,而依數據顯示無塵室最大的污染源為「人」約佔80%,這是因為人的移動會型成汙染原的傳遞途徑,因此進入無塵室時需配戴完整裝備以避免整潔度劣化,這也說明了口罩、手套、擦拭布等無塵室耗材為何是無塵室的必要配備原因。

外界污染 空調送風、外氣補給、間隙風、天花板內部、人、物、原物料、風管材
內部污染 壁體剝落、儀器設備、加工過程、給水藥劑、照明電器、防災設備、高壓氣體、人(動作)

 

無塵室運作的心臟:無塵室濾網

 

除此之外,空氣中的微小粒子在無塵室中,也同是佔比不小的污染來源,可以見得空氣濾網在無塵室維持潔淨度這方面,扮演了很重要的角色。

此外,無塵室通常具有壓力系統(正壓),防止室外空氣污染源流入室內。而空氣濾網能維持室內空氣的潔淨度,移除無塵室中可能存在的有害氣體、粉塵或有害污染物。除了保護操作人員的健康安全外,也確保了製程及實驗的品質。

無塵室濾網主要會根據不同的無塵室等級和使用情形來進行濾網搭配,通常採用以下兩種組合,目的是讓成本較低的初階濾網優先處理大尺寸微粒,以延長高效濾網的壽命,降低所需的耗材成本。

  • 組合一:「初效濾網+中效濾網+高效濾網」或
  • 組合二:「初效濾網+高效濾網」

 

以下為初效、中效與高效濾網的簡介:

  • 初效濾網包含金屬過濾網、、丟棄式過濾網
    通常安裝於主要濾網前,先過濾較大的微塵粒子,降低主要濾網負擔以延長其使用壽命。金屬初級過濾網具有低壓縮、高集塵的特色,適合做為工業用途,丟棄型初級過濾網則擁有高性能和長時間耐用性,都能為高效律網分擔工作。

 

  • 中效濾網:包含丟棄式過濾網、袋式過濾網、防鹽害過濾網、高壓過濾網
    相較初效濾網,使用壽命較長,用於對潔淨度要求較高的場合。袋式過濾網是由多個袋子所組成,能在維持良好的過濾效果同時保持低壓損,防鹽害過濾網則是用於沿海地區工廠、大樓等空氣中含有高濃度鹽分的場所。

 

  • 高效濾網 (HEPA & ULPA):通常指HEPA & ULPA兩種過濾網
    • HEPA高效濾網:通常用於Class 100(ISO 5)等級以上的無塵室中,能有效地捕捉微生物和細菌等粒子,高效拋棄式濾網用於過濾空氣、微粒,具有高度過濾效能且便於更換、拋棄,HEPA耐高溫濾網通常應用在熱處理、高溫爐廠、廢棄處理等場合,而HEPA高風量V型濾網則是針對工業通風、醫療系統、實驗室等需要處理高風量的場所進行運用。
    • ULPA高效濾網:為HEPA過濾器的進化版本,HEPA濾網可過濾0.3μm的微粒。ULPA則可過濾0.1μm的微粒。能夠更有效地捕捉微小的顆粒,通常用於需要極高潔淨度的應用,如無塵室、實驗室、製藥、半導體製造等。

 

  • 特殊濾網:過濾有機氣體專用
    • 活性碳化學濾網可初步處理有機揮發物、去除異味,其不僅更換方式簡便,成本也較為低廉。

 

結語

無塵室的等級和設計多樣,衡量各式無塵室的優缺點及特性,從中選擇適合的無塵室,才能在您的產業中發揮最大的效用。

組建最符合您產業的無塵室時,通常會需要許多相關設備和濾網的客製化,當中可能會面臨一些問題,包含產品項目不齊全、尺寸無法個別訂做等等,因而無法找到合適需求的設備。

北津科技擁有自己的無塵室濾網與FFU風機工廠,專門為客戶量身定做所需之無塵室耗材。相較於許多同產業的貿易商只能進行制式尺寸進口,北津科技除了基本的無塵室耗材外,還提供完整無塵室設備及多種濾網的選擇(初效、中效、高效濾網)。

若在齊全的品項中仍然沒有與自身需求相符的商品,北津科技更可依照客戶需求進行客製化訂做,精準地為客戶設計最合適的無塵室設備商品。若您還在為了無塵室相關設備及耗材而感到困擾,北津科技能協助夠實現您的需求!