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早期的工业洁净室

早期的工业洁净室

在工程制造业中也取得了相似的进展。第一个工业生产用洁净室是在第二次世界大战中投入使用的,其主要目的是提高枪械、坦克、飞机用仪器的质量和可靠性。那时人们认识到,必须提高生产环境的洁净度,否则投弹瞄准器这样的装置就会出现故障。但当时只要假定洁净室要保持得象人们的住房那样清洁,于是便使用了不产生粒子的不锈钢做表面装修并保持其清洁。但人们还没有认识到,由机器和人员产生的大量悬浮粒子之扩散,应由大量的洁净送风使之降至最低。比如对于药品生产车间,当时的主流思想就是必须大量使用消毒剂使其不含微生物。为便于消毒,墙体使用帖面,地面则用水磨石铺面,并带有排水槽和下水口,以便排出消毒剂。通风也很原始,每小时换气仅几次。在室内或在生产区与外部区域之间,还谈不上气流控制。人员穿的棉服衣着与哪个时代手术室使用的相似。那时即便有更衣区,也是非常简陋的。

1939年至1945年二次大战期间开展的生化战争研究以及核子裂变的饿付诸使用,使隔离危险微生物或隔离放射性污染所必须的高效过滤器应运而生。从此,在洁净室中即可获得非常洁净的空气,低度的空气污染成为现实。

1955年至该世纪60年代早期已建造出了具有这种通风的洁净室:充分过滤了的空气经吊顶的散流器送出。20世纪50年代早期,美国北卡罗来州云丝顿-塞伦市的西电公司在生产导弹用陀螺仪时总是出问题,其产品合格率仅为1%。后来发现,问题就出在尘埃上。于是决定建造一个“无尘”生产车间。该车间由AC公司设计并于1955年完成。图4.1是该车间刚投产后不久的情形。

图4.1 西电公司的陀螺仪生产车间

这恐怕就是世界上第一个考虑了洁净室所以基本要求的洁净生产车间。人员穿着合成纤维服并戴着帽子,还为他们配备了更衣室。选择了便于清洁而粒子产生又最少的建材,并尽量减少接缝与弯角,地板上满铺乙烯树脂直至墙面。照明采取平装式,使积尘最少。在照片右侧后部可看到使用了传递窗。空调送风经“绝对”过滤器(对0.3μm粒子虑除效率打99.95%),房间维持正压。

图 4.2 维利斯威特菲尔在其原创的层流洁净室中

1961年,迎来了洁净室发展史上的分水岭,即美国新墨西哥州阿尔伯克基圣地亚实验室发明了"单向流或"层流"通风理念。这是集体智慧的结晶,但首功则非威利斯怀特菲尔德莫属。图4.2是他在其原创的洁净室中的照片。

这是一间小房间,10英尺长,6英尺宽,7英尺高(3米×1.8米×2.1米)。其送风不是经吊顶的散流器送出后以随机流的形式在室内运动,它是经由一系列高效过滤器送出。这就能确保空气从过滤器送出后以单向流流经室内并从地板格栅排出。图4.3显示的是原单向流洁净室的剖面图。从图中可以看出,室内工作台前的工作人员不污染放置在其前面的物品,因为人员所产生的污染被吹开了。

图 4.3 原单向流洁净室剖面图

1962年4月13日,《时代》周刊发表了一篇文章公布了圣地亚实验室的发明,该篇文章引起了广泛的注意。其文如下:

位于阿尔伯克基——设计、总装原子武器的地方——圣地亚公司的科学家们对洁净室情有独钟,但他们也是身不由己。武器部件产生得越来越小,一颗粒子造成的问题就越来越大。在整个圣地亚,维克萨斯出生在威利斯·怀特菲尔德——怀特菲尔德超净室的发明人——是最苛刻的管家。他略微拉长了嗓音说道:“我在想那些尘埃粒子——这些不法之徒来自何方?所去何处?”物理学家怀特菲尔德在找到了自己问题的答案后认定,传统洁净室有原则错误。

一般的洁净室系统——越来越多的工业生产仰仗于它——是止住尘埃粒子使之不被释放出来。洁净室内禁止吸烟,禁止使用一般铅笔——因铅笔会释放铅粒子。洁净室的工作人员被“包装”在特殊的靴子、帽子、连体服之中,进入洁净室前还要经受真空清洁。房间本身则不停地用真空吸尘器清洁。尽管采取了所有这些预防性措施,空气中每立方英尺大于等于0.3微米(0.000012)的尘埃粒子至少还有1百万个。虽然对比着普通空气而言,这已是长足的进步,但怀特菲尔德相信他还可以更上一层楼。他把制止粒子产生这一想法抛在脑后,而是在粒子一出现就予以清除。

怀特菲尔德的超净室看上去象是一辆小的没有轮子的金属拖车屋。地板是金属格栅,以不锈钢铺面。工作台面对的是4英尺乘10英尺的“绝对过滤器”组——可过滤除低速空气中所有大于0.3微米的粒子。大多数洁净室使用过滤器仅仅是为了使送风洁净,而怀特菲尔德的过人之处在于用过滤器制造洁净空气,使该房间保持洁净。洁净空气以7英里/小时的风速(很轻的微风)流过工作台、穿过台前工作人员。工人穿着普通服装,还允许吸烟。头皮屑、抽烟的烟气、铅笔产生的尘埃以及其他粒子,都由洁净空气带走,吹进格栅地板,并排出室外。每隔6秒钟,房间的超净空气就换气1次。粒子因此无法在室内循环。结果,物理学家怀特菲尔德的洁净室比其竞争对手最洁净的房间还洁净至少1000倍。因为各工业部门急需高质量的洁净室,因此,各式各样的工业生产中立即采用了怀特菲尔德洁净室通风中的单向流原理。


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