摘要：我国已经成为全球最大的集成电路市场，并且未来还将继续发展。由于电子厂房洁净室生产工艺的特殊性，空调设备能耗巨大，其节能具有重要意义。本文通过对现有空态ISO1级洁净室微环境进行模型简化，并通过数值模拟方法，分析得出了不同FFU运行风速及恒定风速下变FFU运行数量的气流组织特性。分析总结了降低FFU运行转速，可以做到单向流，实现降低能耗的目的；但是对于洁净度要求非常高的洁净室，不建议通过减少FFU运行数量去实现节能的目的。
关键词：洁净室；节能；ISO1级；数值模拟；气流组织；洁净度；FFU。
引言
中国集成电路市场规模在全球市场中占比超过50%，产业规模居世界第一。《国家集成电路产业发展推进纲要》及《中国制造2025》均指出要大力发展集成电路等高科技行业。随着电子行业的发展，电子厂房洁净室也得到了广泛的应用。由于电子厂房生产工艺的特殊性，其能耗巨大，洁净空调设备能耗占工厂总能耗的40%以上，而在ISO 5级以上的洁净室内，空调设备能耗约占总能耗的50%以上。电子厂房的空调设备节能意义重大。目前行业开展了一系列的电子厂房节能设计和应用，如微环境、气流组织形式、避免空气处理过程的冷热抵消、温湿度与洁净度功能分离、风机变频和FFU采用无刷直流电机、采用低阻力过滤器、预热回收等。但是在ISO1级环境中，在保证洁净度需求情况下，对FFU采取间隙运行从而实现FFU运行过程节能的研究，却未见公开报道。而研究其气流组织特性，对于洁净室的节能和优化具有突出意义，其分析结果对指导FFU的间歇运行具有重要作用。本文采用数值模拟方法，对其气流组织特性进行分析研究。
1 ISO 1级系统简介
实际测试数据：
● 洁净度（空态）优于ISO 1级，粒子计数器所有通道（0.1 µm，0.2 µm，0.3 µm，0.5 µm，1.0 µm，5.0 µm）计数结果均符合ISO 14644-1标准中最高级 ISO1级标准要求。
● 化学污染物浓度控制到pptM级，总酸性化合物：50~100 ppt；总碱性化合物：50~250 pptM。
2 模型简化及数学模型选择
2.1 模型简化方法
核心区气流为稳态、不可压缩的湍流流动；
核心区内气密性好，不考虑渗透风量；
FFU满布，所有FFU出口截面风速均匀，且不考虑出口边框对气流的影响；
FFU的出口作为几何模型的进口；
由于核心区高架地板开孔率高且满布，忽略高架地板对气流的影响(高度1m)。
2.2 数学模型选择
针对本模拟的湍流模型，主要选择κ−ε模型，该模型是目前使用最广泛的湍流模型。即在已有湍动能κ方程的基础上，引入了有关湍动耗散率ε的方程，而形成κ−ε两方程模型，称为标准的κ−ε模型。该模型可以提供较好的预测效果［9］。
3 几何模型建立及网格划分
3.1 几何模型
本文研究的是该系统的核心区的气流组织特性，几何模型尺寸如下：
3.2 网格划分及边界条件设置
由于核心区在简化后形状比较规则，同时为了网格划分的简单化，因此采用结构化网格中的六面体网格进行划分，其spacing网格间距约3mm，网格总数量约441万。边界条件设置按照速度进口，静压出口。划分网格模型如图8。
4 数值模拟结果与分析
4.1 数值模拟方案
FFU进行间隙运行，一般有两种方案：变FFU转速及恒定转速下变FFU运行数量。
该两种方案，分别如：
方案1：变FFU转速，即考虑5种不同的进口风速，0.2m/s、0.29m/s、0.35m/s、0.41m/s、0.5m/s；
方案2：恒定转速，变FFU数量，即恒定进口风速0.41m/s，FFU运行数量分别按照25%、50%、75%及100%。如图9。
4.2 不同入口风速下的数值模拟分析
4.2.1 数值模拟结果
不同入口风速下的数值模拟结果，三维流线图对比如图10。
4.2.1 数值模拟分析
洁净室的流线平行度整体都比较好，仅有底部会出现较大尺度的涡结构，但随着送风速度的增加，涡结构出现的区域高度会变低；由图可以看出，当送风速度达到0.41m/s时，涡结构绝大部分处于回风区，即高架地板下方，因而可以保证高架地板上方均为单向流。此外，我们还可以观察到，在高架地板上方1m处高度，除了0.2m/s的风速外，其他风速基本为单向流区域，如果设备作业高度均在高架地板上方1m及以上，可以降低FFU的运行转速，保证单向流的同时，实现降低能耗的目的。
4.3 恒定风速下不同运行FFU运行数量的数值模拟分析
4.3.1 数值模拟结果
3D流线图对比如图12。
4.3.2 数值模拟分析
通过数值分析的流线图，可以观察到：
1）当FFU台数较少时（25%、50%FFU），洁净室高架地板上方会出现较大尺度的涡结构，高架地板上方流线平行度也会受到很大影响；
2）75%FFU时，相比于50%FFU，其洁净室两侧的流线平行度变差，但是由于左右两侧的4个送风口的开启，使得中间区域流线平行度较好；
3）100%FFU时，整个洁净室的流线平行度都非常好，底部的涡结构基本只存在于高架地板下方。因此对于洁净度要求比较高要求的，通过减少FFU运行数量实现节能和洁净度可控的目的是不可行的。
4 总结
我国是全球最大的集成电路市场。由于电子厂房生产工艺的特殊性，其能耗巨大，在ISO1级环境中，通过采取FFU的间隙运行，对降低能耗具有重大意义。本文通过现有ISO1级空态情况下的环境进行简化，并通过数值模拟方法，分析得出了变FFU转速及恒定转速下变FFU运行数量的气流组织特性。
1）在给定的几种风速中，除0.2m/s的风速外，其他风速基本为单向流区域，如果设备作业高度均在高架地板上方1m及以上，可以降低FFU的运行转速，保证单向流的同时，实现降低能耗的目的。
2）在给定的满布FFU的ISO1级微环境中，在给定的风速条件下，只有100%FFU运行时，流线平行度效果好，是单向流。因此，对于洁净度要求非常高的洁净室，通过减少FFU运行数量实现节能和单向流可控的目的是不可行的。
