洁净技术讲稿4

空气洁净技术6室内微粒的运动洁净技术的任务，控制室内的微粒数或含量，来保证微粒不落在产品上，手术伤口处及药品内等，而微粒的下落或沉积受多种因素的影响，有必要对微粒的运动有一较全面的了解。6.1作用在微粒上的力解决微粒的表面沉降和那些因素有关。教材归纳为五种：1)质量力：与微粒质量成比例的力，重力，惯性力。2)分子作用力：由气体分子运动撞击微粒运动的力，如扩散力，分子热运动脉动撞击微粒而运动，针对小微粒≤0.3μm。3)场力：除重力场以外的场力，电场力、磁场力等。4)粒子间的吸引力。5)气流力：送、回风气流，热上升汽流，甚至人员走动，物体移动形成的气流携带微粒的运动的力。就分析微粒在室内的运动而言，五种力中影响最大的是气流力，其次是质量力（重力、惯性）和扩散力，其余两种可以忽略。6.2微粒的重力沉降微粒有质量就受到重力F1作用，占有体积就受到期周围介质的浮力F2，这两个力方向相反，在二力综合作用下微粒要移动，就受到与运动方向相反的周围介质给予的阻力F3，三个力的表达式分别为：重力 N （1）浮力N （2）实为介质重量阻力等于微粒相对运动的速度头与垂直于运动方向微粒投影面积的乘积，还要乘以与介质间的阻力系数。阻力 N （3）当三力达到平衡时，即F1-F2=F3，微粒等速沉降，这时用vs表示沉降速度，将各力的表达式代入平衡式，整理得

m/s （6-4）这是一个普遍适用的公式，阻力系数取决于流态实际，由雷诺数太小决定的取值。当Re小于等于1时，对于球形微粒，空气的阻力可写为：（5）即为斯托克斯公式，已出现过多次，与公式（3）描述同一过程，整理得（6-6）公式表明，阻力与微粒的速度的一次方成正比，公式是在Re很小情况下推出的，Re>1时正比关系不能成立，需修正。对于非球形微粒，阻力要大一些，体现在阻力系数上乘以大于1的修正系数，不同形状的见表6-2，在空气中的微粒，则

m/s解出vs

当kg/m3

cm/s

对于粒径小于1μm的粒子，其大小与气体分子的平均自由行程相接近（20℃时空气平均自由行程0.065μm），粒子表面气体分子稀薄。因而在粒子表面形成气体滑流，对粒子的阻力相对减少，即沉降速度加大。

C为库宁汉修正系数

（6-11）λ为空气分子的平均自由行程。6.3微粒在惯性力作用下的运动惯性力作用下的运动是指微粒在外力的作用下获得初速度后外力立刻消失，微粒仅靠惯性维持运动，典型的例子。当微粒受外力作用以v0为初速作水平运动时，用牛顿定律表示为 （6-12）F为外力，对于所讨论的惯性力情况F=0。F3空气阻力，对于小微粒，Re≤1可用斯托克斯公式，对1μm还要考虑滑动修正，C>1。代入F3整理得，令，则积分并求出速度，得：在时间t内，在惯惯性作用用下粒子子运动的的距离当t=∞时，，，为微微粒运动动的最大大距离，，但值很很小，在在气溶胶胶力学中中称“张张驰时间间”，当当dp=10μμm，ρp=2000kg/m3时，在标标准状态态下τ仅为6.07××10-4v0秒，因而而即使初初速v0很大，微微粒飞行行距离很很短，特特别是1μm以下的小小粒子，，仅为万万分之几几厘米到到千分这这几厘米米，实际际工程中中的一次次尘化作作用不足足以造成成粉尘飞飞扬的道道理是一一致的。。6.4微微粒粒的扩散散运动前面曾多多次提到到微粒的的扩散运运动是由由于空气气分子运运动撞击击微粒而而引起微微粒的运运动，图图6-3图示微微粒作扩扩散运动动的起因因及运动动情况，，(a)空气分子子作不规规则的布布朗运动动，无规规律可循循；(b)气体分子子撞击微微粒，当当各个方方向撞击击的力不不平衡时时将产生生移动；；(c)图微粒在在一个时时间段内内，受气气体分子子撞击后后移动的的轨迹，，撞击是是随时的的，方向向不定。。轨迹是是连续的的但无规规律可循循。前苏苏联学者者付克斯斯在1960年年出版的的气溶胶胶力学一一书中给给出1秒秒钟内微微粒在给给定方向向平均位位移的绝绝对距离离计算式式：D为微粒在在空气中中的扩散散系数cm2/s，传热学中中给出物物理意义义：沿扩扩散方向向在单位位时间内内，每单单位浓度度降低的的情况下下通过单单位面积积扩散的的物质量量，其值值与浓度度无关，，随温度度高而升升高，随随压力加加大而下下降，温温度压力力一定，，D为定值。。如在标标准大气气压和0℃时，，水蒸汽汽、SO2在空气中中的扩散散系数分分别为0.22cm2/s和0.103cm2/s。而微粒的的扩散系系数却与与粒径有有关dp↓D↑，由图6-4可看看出微粒粒的D很小，因因而t=1s时，微粒粒由扩散散而运动动的距离离也很小小，在10-4cm量级。我们已了了解到微微粒靠重重力沉降降，其沉沉降速度度很慢，，如粒径径1μm的微粒，，vs=0.006cm/s，下落1m距离需4.6h，很不易沉沉降，而而在惯性性力作用用下和微微粒的扩扩散运动动，其运运动的距距离又是是很小的的。我们们需要了了解微粒粒是如何何在表面面上沉积积的，与与哪些因因素有关关。6.5微微粒粒在表面面上的沉沉积（1）微微粒在无无送风室室内垂直直表面上上的扩散散沉积在无送风风室内并并不意味味着空气气完全静静止，实实际上是是有对流流存在的的，而在在传热学学中扩散散除微观观分子扩扩散外，，还有涡涡流扩散散。对于于我们讨讨论的微微粒扩散散沉积问问题，扩扩散作用用也是包包括两部部分，即即远离表表面的对对流扩散散和离表表面很近近一层内内的由分分子扩散散引起的的微粒的的扩散沉沉积，而而惯性作作用引起起微粒的的水平运运动会在在垂直表表面引起起的沉积积，但在在无送风风室内其其不存在在，其在在垂直表表面引起起的沉积积不考虑虑。前苏联学学者付克克斯把两两种扩散散统一起起来，解解决了在在微粒垂垂直表面面上的沉沉积计算算问题，，前提是是已知微微粒由分分子扩散散而产生生的扩散散系数D，而不是分分子的扩扩散系数数。对于在表表面沉积积问题，，由于沉沉积而造造成微粒粒浓度对对时间的的变化率率和微粒粒的浓度度成正比比，适应应于各种种沉积作作用。（（6-18））整理后后积分分（（6-19）由于室室内无无风，，那么么空气气中微微粒的的浓度度由于于沉积积作用用是逐逐渐减减少的的，两两个扩扩散作作用看看成两两段，，在紧紧靠垂垂直平平面的的一薄薄层约约δ为20μm左右，，为分分子扩扩散层层，由由于分分子扩扩散的的作用用使微微粒沉沉积到到平面面上，，使得得薄层层内微微粒浓浓度下下降，，而对对流扩扩散作作用又又使薄薄层内内的浓浓度与与室内内趋于于一致致，而而室内内空气气中微微粒的的浓度度总体体又是是随时时间下下降的的。由于室室内无无风，，那么么空气气中微微粒的的浓度度由于于沉积积作用用是逐逐渐减减少的的，两两个扩扩散作作用看看成两两段，，在紧紧靠垂垂直平平面的的一薄薄层δ约为20μm左右，，为分分子扩扩散层层，由由于分分子扩扩散的的作用用使微微粒沉沉积到到平面面上，，使得得薄层层内微微粒浓浓度下下降，，而对对流扩扩散作作用又又使薄薄层内内的浓浓度与与室内内趋于于一致致，而而室内内空气气中微微粒的的浓度度总体体又是是随时时间下下降的的。在粒子子扩散散系数数为D（单位时时间内内，在在单位位浓度度下降降情况况下，，通过过单位位面积积扩散散的物物质量量）在δ层内，，由于于扩散散浓度度变化化由N→0表面，，浓度度降为为N/δ粒/cm3·cm），，所以单单位时时间内内由于于扩散散沉积积到单单位垂垂直表表面积积上的的微粒粒为粒/cm2·s。。若室内内垂直直表面面积为为S，而在dt时间内，由由于扩扩散沉沉积的的粒子子数为为SIdt，该值应应等于于室内内空气气中微微业数数的变变化。。（6-21）代入得得则将β代入（（6-19）整理得得：为由于于扩散散作用用使微微粒在在垂直直表面面沉积积而引引起室内内微粒粒浓度度随时时间变变化的的表达达式。。由此此可计计算任任一时时间因因扩散散沉积积到单单位面面积垂垂直表表面上上的微微粒数数为粒/cm2具体量量化一一下，，一(万级级)洁洁净车车间6.10×5.00××2.6mt=3.6××103sD=6.2×10-7cm2/scm2/s（（查图））取取δ=20μm(d≧0.5μm)N0=0.35粒/cm3粒/cm2（2））微粒粒在无无送风风室内内水平平面上上的沉沉积扩散作作用同同样也也影响响微粒粒在水水平面面上的的沉积积，同同样也也包括括分子子扩散散和对对流扩扩散，，影响响微粒粒在平平面上上沉积积的另另一因因素是是沉降降。从从重力力沉降降一节节我们们知道道粒子子的沉沉降速速度与与微粒粒的粒粒径、、密度度和气气体粘粘性有有关，，在常常温t=20℃空气中中ρp=2000kg/m3时，vs≈0.6×10-2×dp2cm/s，仅取决决于粒粒径的的平方方，而而扩散散作用用在离离平面面很近近时，，空气气对流流速度度趋近近于零零，对对流扩扩散影影响可可忽略略，只只考虑虑分子子扩散散所引引起微微粒的的扩散散，它只影影响微微粒的的浓度度而不不影响响沉降降速度度，所以以在t时间内内沉降降在单单位面面积上上某个个粒径径的微微粒数数表示示为粒/cm2（6-24）扩散作作用体体现在在N内。在没有送风风室内，没没有新的微微粒来源，，因而单位位面积气柱柱中微粒数数的减少等等于沉积到到平面上的的微粒数整理积分得得代入（（6-24）式积积分粒/cm2仍用前面万万级洁净车车间的例子子计算,室室内尺寸6.10××5.00×2.6m，与计算相关关量：H=2.6m=260cm，室内粒子浓浓度（洁净净度）N0=0.35粒/cm3，沉积时间t=3600秒cm/s粒/cm2对于垂直面面，粒径的的影响体现现在D中，对于水水平面，粒粒径的影响响体现在vs中。（3）微粒粒在送风室室内平面上上的沉积与没有送风风的室内微微粒的沉积积情况相比比，有送风风时室内空空气中微粒粒的浓度N可以看作常常量，不因因沉积而发发生变化，，而无送风风时N是随时间而而减少的。。对于微粒粒在有送风风的室内平平面上的沉沉积，日本本两名学者者提出沉积积量计算公公式。粒/cm2（6-26）N空气中微粒粒浓度，粒/cm3；vs沉降速度，，cm/s；f沉积面积，，cm2；hs房间高度；；h——沉积平面到到顶棚距离离；n——换气次数；；T——沉积时间。。单位统一一由于vs很小，，，故上上式简化为为粒/cm2（6-27）仅适用于有有送风的情情况，而且且是大的平平面，而我我们关心的是是微粒在工工件上的沉沉降数，如如集成电路路板上，属属局部平面面。由于有有气流会绕绕过局部平平面，这时时引起在局局部平面上上沉积的因因素不止沉沉降一种，，还有惯性性、拦截和和扩散等，，需逐个考考虑。我们们以沉积效效率这种相相对量的形形式比较它它们的大小小。1）惯性沉沉积类似于惯性性效应，惯惯性沉积效效率其中惯性参参数表6-6给给出dp、局部平面面直径及气气流速度u与的关系，，可见dp越大，ηSt↑，平面直径径越小，ηSt↑。对大平面面，不考虑虑惯性沉降降的影响。。2）拦截沉沉积很类似于第第三章孤立立单根纤维维拦截过滤滤效率（3-3））对于Re较大的情况况，如Re=13.7，而拦截参数变为所以拦截沉降降效率其具体值见表表6-7。3）沉降沉积积微粒在局部平平面的沉降沉沉积效率也为很小的值值，见表6-8。4）扩散沉积积前面提到，对对于水平面而而言，对流扩扩散系数趋于于零，在距平平面很近的薄薄层内，分子子扩散在起作作用，微粒的的扩散沉积量量要小于其对对于垂直表面面的沉积量，，其沉积的几几率是很小的的。教材以集成电电路用直径3cm硅片为例，在两种粒径微微粒条件下，，将上述四种途途径沉积的几几率列出，其其相对大小顺顺序为：沉降降沉积、拦截截沉积和扩散散沉积，各高高出一个数量量级，惯性沉沉积趋于零。。我们已解决了了平面上沉降降沉积的计算算问题，在沉沉降沉积的基基础上乘以一一大于的修正正系数将拦截截和扩散沉积积的因素考虑虑进去，可以以简化计算。。按教材给的的数据：对于于1μm微粒，修正系系数应为1.3，对5μm修正系数为1.2，经核核算教材上边边的各效率，，对5μm应为1.06。那么在有送风风的室内，T时间内，以风风速为u通过面积为f平面的一段气气流中，在单单位面积上沉沉积的微粒量量（6-31））随着dp↓，修正系数a↑。对于多分散微微粒，vs值应按某个平平均粒径计算算，由于微粒粒的沉降速度度主要受空气气阻力的影响响，而该阻力力和微粒的投投影面积成正正比，所以应应该用平均面面积直径，也也就是第一章章中提到的9种平均均直径中的即平均面积积直径作为全全部微粒的平平均直径。这样，由Ds→vs=0.6×10-2dg2→Ng。表6-9列出出几间洁净间间沉积数量的的实测值与计计算值的对比比，差别不是是很大。用平面上的沉沉积量与前面面讲到的在垂垂直面上的沉沉积计算结果果比，水平高高是垂直面沉沉积量的几十十倍。学习了上述内内容，在已知知室内空气中中微粒浓度情情况下，在不不考虑室内微微粒发生源的的情况下，我我们可以计算算在水平面和和垂直面上的的沉积量。如如果工艺提出出对单位面积积沉积量的限限制，我们可可以反推出所所要求的微粒粒浓度，即洁洁净度。6.6气流流对微粒运动动的影响（1）影响室室内微粒分布布的因素前面在讨论微微粒的沉积的的作用因素时时，曾分析由由于重力惯性性力和扩散所所造成的微粒粒的运动的速速度很小，每每秒千分之几几厘米，所以以它们的存在在不会对室内内微粒的浓度度分布造成影影响，但室内内的送回风气气流及其它由由于热表面及及人员行走所所行成的气流流速度一般均均大于0.1m/s，足以携带微粒粒移动较长的的距离，特别别是室内的气气流组织不是是平行流而是是乱流、室内内又有微粒发发生源的时候候，这些气流流会影响到室室内微粒的浓浓度分布。微微粒密度较大大会不会偏离离气流的轨迹迹不跟随气流流运动，实际际情况是小微微粒基本不会会偏离气流流流线的。从两点可以说说明：①跟随随速度概念，，由于微粒密密度远大于空空气，在气流流中所受到的的力与同体积积气体相比有有差异，因而而是造成其速速度与携带微微粒的气流速速度有差异。。我们称微粒粒具有的速度度为跟随速度度，该速度可可以从受力分分析中求得。。以与气流速速度的相对值值的形式给出出。当微粒的的密度与空气气一样，其在在空气中所受受力为，，而实实际密度为ρp，所受力与气球球体有所不同同，粒子速度度并不完全与与空气相同，，其运动方程程为（6-32））Fr为存在相对运运动时的阻力力解该方程得（6-33））式中，a、b、c为物性参数数数组，ω为湍流脉动频频率。当ρp=1g/cm3时，dp=5μm，dp=1μm，dp<1μm，当dp≤1μm时，认为微粒粒完全按气流流流线运行。。②通过计算并并比较微粒的的轨迹线和气气流流线的差差异也可得到到这一结果，，图6-9为为微粒轨迹与与流线相