ผลกระทบของหน้าต่างห้องสะอาดต่อการไหลแบบลามินาร์ในห้องสะอาดแบบ FFU

หลักการพื้นฐานของการควบคุมมลพิษในห้องสะอาดแบบ FFU (Fan Filter Unit) คือการไหลแบบชั้น (laminar flow) ไม่ว่าจะเป็นสายการบรรจุยาในอุตสาหกรรมเภสัชกรรม เครื่องทำลายเวเฟอร์เซมิคอนดักเตอร์ หรือโต๊ะผ่าตัดในโรงพยาบาล การไหลของอากาศจะเกิดขึ้นเสมอจากบริเวณที่สำคัญที่สุดไปยังจุดที่มีการกำจัดอนุภาค อย่างไรก็ตาม การไหลแบบชั้นมีความไวต่อการรบกวน ซึ่งอาจเกิดขึ้นได้จากความไม่สม่ำเสมอใดๆ ความแตกต่างของแรงดันหรืออุณหภูมิบนพื้นผิว หน้าต่างมักถูกมองว่าเป็นองค์ประกอบทางสถาปัตยกรรมแบบพาสซีฟ แต่จริงๆ แล้วกลับส่งผลต่อประสิทธิภาพของการไหลแบบชั้นอย่างวัดค่าได้ ซึ่งมีทั้งหมดสี่วิธีที่หน้าต่างส่งผลต่อการไหลแบบชั้นในห้องสะอาดแบบ FFU

1. ส่วนที่ยื่นออกของพื้นผิวสร้างกระแสลมแบบปั่นป่วน

รูปทรงทางกายภาพเป็นปัจจัยแรกที่หน้าต่างมีผลต่อการไหลแบบลามินาร์ ช่องว่างระหว่างหน้าต่างแบบดั้งเดิมกับกรอบของหน้าต่าง และระหว่างมือจับ/ขอบหน้าต่างกับตัวหน้าต่าง มีค่าอยู่ที่ 10-30 มม. ตามแนวตั้งฉากกับระนาบ กระแสลมที่เกิดจากหน่วยกระจายอากาศ (FFU) จะพุ่งลงสู่ด้านล่าง (โดยทั่วไปมีความเร็วลมอยู่ที่ 0.3 ถึง 0.5 เมตรต่อวินาที ในห้องสะอาดระดับ ISO Class 5) และกระทบกับส่วนนูนนี้ ทำให้กระแสลมแยกตัวออกจากผนัง ด้านท้ายของอุปสรรคจะเกิดเขตการไหลแบบไม่เป็นระเบียบ (turbulent wake) ซึ่งมีความสูงเท่ากับ 10-20 เท่าของความสูงของอุปสรรค สำหรับกรอบที่ยื่นออกมา 20 มม. ความยาวของเขตการไหลแบบไม่เป็นระเบียบจะอยู่ระหว่าง 200 มม. ถึง 400 มม. จากผนัง

ด้วยหน้าต่างแบบ 'ติดตั้งเรียบกับผนัง' ปัญหานี้สามารถขจัดออกไปได้ หน้าต่างห้องสะอาดของฮัวเอบถูกออกแบบให้ติดตั้งแน่นระหว่างผนังห้องสะอาด โดยโครงหน้าต่างจะซ่อนอยู่ด้านหลังแผ่นกระจก และไม่มีมือจับ ผลการจำลองด้วยโปรแกรม CFD แสดงให้เห็นว่าความแตกต่างของความเร็วลมระหว่างผนังกับขอบเขตของหน้าต่างแบบติดตั้งเรียบกับผนังของฮัวแอโอ มีค่าน้อยกว่า 5% ในขณะที่หน้าต่างแบบทั่วไปมีค่าความแตกต่างสูงถึง 20–30% ความแตกต่างนี้ส่งผลโดยตรงต่อจำนวนอนุภาคที่เกิดขึ้นในบริเวณสนามผ่าตัด ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญยิ่งในสภาพแวดล้อมที่ใช้การไหลแบบชั้น (laminar-flow) เช่น ห้องผ่าตัดในโรงพยาบาล

2. ความหยาบของพื้นผิวทำลายชั้นขอบเขต (boundary layer)

แม้ว่าโครงหน้าต่างจะไม่ยื่นออกมาจากผนัง แต่การไหลแบบชั้นก็ยังคงได้รับผลกระทบจากพื้นผิวของโครงหน้าต่างและกระจก ชั้นขอบเขตแบบชั้น (laminar boundary layers) เป็นชั้นบางมาก โดยในพื้นที่สะอาด ความหนาของชั้นนี้มีเพียงไม่กี่มิลลิเมตรเท่านั้น ดังนั้น หากความหยาบของพื้นผิวมีค่าสูงกว่าความหนาของชั้นขอบเขต จะทำให้การไหลเปลี่ยนเป็นแบบปั่นป่วน (turbulent)

การผลิตกรอบหน้าต่างของหัวเอาจิงใช้วัสดุอะลูมิเนียมเคลือบผง ซึ่งมีคุณภาพพื้นผิวต่ำกว่า 0.8 ไมโครเมตร กระจกที่ใช้เป็นกระจกแบบฟลอยต์ที่เรียบและมีคุณสมบัติด้านแสงที่ดี รอยต่อระหว่างกรอบกับกระจกทั้งหมดเป็นแบบต่อเนื่อง (ไม่มีขั้นหรือช่องว่าง) ระดับความเรียบของพื้นผิวเช่นนี้จะช่วยให้เกิดการไหลแบบลามินาร์และชั้นขอบเขต (boundary layer) ทั่วทั้งพื้นที่ผิวของผนัง ความหยาบของพื้นผิวถือเป็นปัจจัยสำคัญมากในการนับจำนวนอนุภาคในห้องสะอาด โดยเฉพาะในห้องสะอาดระดับ ISO Class 4 และ ISO Class 5

3. การรั่วของอากาศทำให้การกรองของ FFU ไม่สามารถทำงานได้เต็มประสิทธิภาพ

ความสมบูรณ์ของแรงดันมีความสำคัญอย่างยิ่ง เช่นเดียวกับการไหลของอากาศที่เรียบเพื่อให้เกิดการไหลแบบลามินาร์ ข้อกำหนดด้านการรั่วของอากาศสำหรับหน้าต่างทั่วไปคุณภาพปานกลางคือ 1 ลูกบาศก์เมตรต่อชั่วโมงที่ความดัน 50 พาสคาล หากหน้าต่างรั่ว 1 ลูกบาศก์เมตรต่อชั่วโมงต่อ PAS อากาศจะรั่วเข้าสู่ห้องสะอาดโดยไม่ผ่านการกรอง ซึ่งถือเป็นอากาศที่ไหลผ่านระบบกรอง (bypass air) โดยที่อนุภาคต่าง ๆ ไม่ได้ถูกกำจัดโดย FFU ส่งผลให้เกิดบริเวณที่มีการปนเปื้อนด้วยอนุภาคสูง

หน้าต่างและแผงกระจกทั้งหมดของฮัวเาผ่านการทดสอบการรั่วของอากาศตามมาตรฐาน GB/T 7106 และ ISO 13830 โดยในหน้าต่างของเราใช้ซีลยาง EPDM หรือซิลิโคนแบบเซลล์ปิดสนิท พร้อมระบบล็อกแบบหลายจุดที่ให้แรงบีบแน่น ซึ่งช่วยให้อัตราการรั่วของอากาศต่ำกว่า 0.5 ลูกบาศก์เมตรต่อชั่วโมง ที่ความดัน 50 พาสคาล สำหรับการใช้งานที่มีความสำคัญเป็นพิเศษ เราสามารถจัดหาโครงสร้างซีลแบบสองชั้นได้ รวมถึงช่องว่างระหว่างซีลที่สามารถตรวจสอบความสมบูรณ์ของซีลได้โดยไม่ต้องถอดหน้าต่างออก หน้าต่างของฮัวเาสามารถป้องกันการรั่วซึมได้อย่างมีประสิทธิภาพ เพื่อให้มั่นใจว่าอากาศภายในห้องสะอาดจะผ่านตัวกรอง HEPA ของ FFU เท่านั้น

4. ความต่างของอุณหภูมิทำให้เกิดการสะสมของอนุภาคบริเวณท้องถิ่น

อีกหนึ่งผลที่เกิดจากแรงลอยตัวคือการไหลของก๊าซอุดมคติอย่างสม่ำเสมอ หากอุณหภูมิของพื้นผิวด้านใดด้านหนึ่งของหน้าต่างสูงหรือต่ำมากเมื่อเทียบกับอุณหภูมิภายในห้อง จะเกิดกระแสการพาความร้อนตามธรรมชาติขึ้น ซึ่งกระแสเหล่านี้ไหลในทิศทางตรงข้ามกับกระแสลมที่ไหลลงจาก FFU และก่อให้เกิดบริเวณที่อนุภาค “ตกตะกอน” ขึ้นเป็นโซนการไหลวน

หน้าต่างห้องสะอาดของฮัวเยาเป็นแบบกระจกสองชั้นหรือสามชั้น พร้อมเติมก๊าซอาร์โกนหรือคริปทอน ภายในกรอบหน้าต่างมีการติดตั้งฉนวนกันความร้อนเพื่อป้องกันการถ่ายเทความร้อนผ่านโครงสร้าง (thermal bridging) คุณสมบัติด้านความร้อนเหล่านี้ให้ประโยชน์อย่างมากในห้องสะอาดของโรงพยาบาล ซึ่งใช้ติดตั้งบริเวณผนังด้านนอก หรือในห้องสะอาดสำหรับอุตสาหกรรมยา ซึ่งจำเป็นต้องควบคุมอุณหภูมิอย่างแม่นยำภายในช่วงที่กำหนดไว้ โดยทั่วไปคือ ±0.5°C ซึ่งส่งผลให้เกิดสนามการไหลแบบลามินาร์ที่สม่ำเสมอและคาดการณ์ได้

สรุป

การนูนขึ้นของพื้นผิว ซึ่งก่อให้เกิดการไหลแบบปั่นป่วนบริเวณร่องหลัง (turbulent wakes) ความหยาบของพื้นผิว การรบกวนชั้นขอบ (boundary layer) การรั่วไหลรอบหน่วยกรองและกระจายอากาศ (FFUs) การไหลลัดวงจรผ่านตัวกรอง และความต่างอุณหภูมิที่ก่อให้เกิดการไหลเวียนแบบแรงลอยตัว (buoyancy-driven recirculation) คือกลไกทั้งสี่ประการที่ส่งผลต่อการไหลแบบชั้น (laminar flow) ในห้องสะอาดที่ใช้ FFU ปัญหาดังกล่าวได้รับการแก้ไขด้วยหน้าต่างสำหรับห้องสะอาดที่ผลิตโดยบริษัทกลุ่มเทคโนโลยีขั้นสูงระดับชาติ หัวอ่าว เคลน แอนด์ เทคโนโลยี กรุ๊ป (Huaao Clean Technology Group) ซึ่งมีโรงงานทั้งหมด 6 แห่ง พื้นที่สายการผลิต 250,000 ตารางเมตร พนักงานที่มีประสบการณ์มากกว่า 800 คน และรายได้ต่อปี 1,000 ล้านหยวน (RMB) ระบบห้องสะอาดแบบโมดูลาร์ครบวงจรแบบให้บริการแบบเบ็ดเสร็จ (one-stop system) ครอบคลุมแผ่นผนังห้องสะอาด ประตูและหน้าต่าง โครงอลูมิเนียม แผ่นปูพื้น PVC อุปกรณ์ทำให้อากาศบริสุทธิ์ โคมไฟไม่มีเงา (shadowless lamps) วาล์วระบายอากาศ ฯลฯ ซึ่งทั้งหมดนี้จัดจำหน่ายโดยหัวอ่าว (Huaao) ติดต่อหัวอ่าว (Huaao) ได้ทันที เพื่อให้หน้าต่างห้องสะอาดแบบ FFU ของคุณไม่ขัดขวาง แต่ช่วยส่งเสริมการไหลแบบชั้น (laminar flow) แทน