潔凈技術(cleanroom)是適應實驗研究與產品加工的精密化、微型化、高純度、高質量和高可靠性等方面要求而誕生的一門新興技術。
潔凈室(cleanroom)這個名詞和概念源于18世紀六十年代的歐洲醫學,當時的理解僅限于經噴灑消毒后可以控制創部感染率的處置室、手術室這類滅菌處理的工作環境。
現代潔凈室雖然延用了這個名詞,但在定義和內涵上都與原有的概念有根本的不同,現代潔凈室形成一項專門技術,其歷史不過只有半個世紀。
一切技術的產生與發展,都是出于生產的需要,潔凈室技術也不例外。在第二次世界大戰期間,美國生產的飛機導航用氣浮陀羅儀,由于質量不穩定,每10個陀羅儀平均要返工120次。50年代初朝鮮半島戰爭期間,美國的16萬臺電子通訊設備,更換了百萬個以上的電子部件,雷達出故障的時間占84%,潛水艇聲納出故障的時間占48%。原因都是電子器件、零部件的可靠性差,質量不穩定。軍方與廠商究其原因,最終從多方面判定與生產環境不清潔有關。盡管當時曾不惜工本,采取了種種嚴密措施來封閉生產車間,但收效甚微。直到50年代初,將美國原子能委員會為解決對人體有害的放射性塵埃的捕集問題,于1951年研制成功的高效空氣過濾器(HEPA—HighEfficiencyParticulateAirFilter)應用于生產車間的送風過濾,才真正誕生了具有現代意義的潔凈室。
1961年美國桑第阿國家實驗室(SandiaNationalLaboratories)的高級研究人員懷特菲爾特(WillisWhitfield)提出了當時稱之為層流(laminarflow),現正名為單向流(unidirectionalflow)的潔凈空氣流組織方案,并應用于實際工程。從此潔凈室達到了前所未有的更高潔凈級別。
同年美國空軍制定頒發了世界上第一個潔凈室標準TO—00—25——203空軍指令“潔凈室與潔凈工作臺的設計與運轉特性標準”。在此基礎上,1963年12月公布了將潔凈室劃分為三個級別
的美國聯邦標準FED—STD—209。至此形成了完善的潔凈室技術的雛形。以上的這三個關鍵的進步,常被譽為現代潔凈室發展歷史上的三個里程碑。
上世紀六二年代中期,潔凈室在美國如雨后春筍涌現在各種工業部門。它不僅用于軍事工業,也在電子、光學、微型軸承、微型電機、感光膠片、超純化學試劑等工業部門得到推廣,對當時科學
技術和工業發展起了很大的促進作用。
七十年代初潔凈室的建設重點開始轉向醫療、制藥、食品及生化等行業。除美國而外,其它工業先進國家,日本、德國、英國、法國、瑞士、前蘇聯、荷蘭等也都十分重視并先后大力發展了潔凈技術。
Ⅱ、中國潔凈技術的發展歷程
六十年代初是中國潔凈技術發展的起步階段,大致比國外晚了十年。在中國,那是一個非常特殊的困難年代,一方面剛度過三年自然災害,經濟基礎薄弱,另一方面與世界科技先進國家沒有直接交往,得不到必要的科技數據、信息和樣品。在這種艱難條件下,圍繞精密機械、航空儀表和電子工業的需要,中國的潔凈技術工作者開始了自己的創業歷程。
潔凈技術在中國發展的歷程劃分為如下幾個階段:
Ⅱ-1、起步和奠基階段
六十年代初至七十年代末,這十多年是中國潔凈技術的起步和奠基階段。
1965年,由中國建筑科學研究院空氣調節研究所和蚌埠絕緣材料廠等單位研制完成帶波紋隔板的高效空氣過濾器通過鑒定,標志了我國潔凈技術開始正式起步。當時所用濾紙有兩種材質,一種是藍石
棉纖維濾紙的GS系列高效空氣過濾器,但因生產過程對人體健康不利很快被淘汰;另一種是超細玻璃纖維濾紙的GB系列高效空氣過濾器,一直沿用至今。經國內多次與國外同類產品對比測試,以及美國明尼
蘇達大學氣溶膠研究所對中國高效過濾器濾紙所作測試的結果,都證明國產高效空氣過濾器的主要技術指標,達到同期國際標準。
值得提及的是,盡管日本自50年代末已著手與美國合作在日本制造高效空氣過濾器,潔凈技術起步較早,但技術與濾紙來自美國,直到1969年日本的HEPA過濾器才完全國化。
與此同時,先后于1963年研制成功濾料鈉焰試驗臺,1964年建成了高效過濾器的鈉焰試驗臺,這時高效空氣過濾器的正常生產和質量提高了保證作用。中國醫學科學院衛生研究所、清華大學核能所等單位,為此付出了艱辛的工作。
如果把高效空氣過濾器比喻為潔凈技術的“心臟”,那么檢測技術及儀器則是潔凈技術的眼睛,靠它來鑒別與把關。六十年代中期,中國醫學科學院衛生研究所、哈爾濱建工學院、
丹東儀表研究所、中科院安徽光機所、建研院空調所等單位先后投入力量研制光散射粒子計數器。1973年,建研院歷時三年研制成功了中國第一臺型號為J—73型的塵埃粒子計數器,以及標定粒子計數器用的標準粒子——單分散聚苯乙烯膠乳標準粒子(PSL),其平均粒徑從0.177~1.460μm,共九種,標準差很小,均方根差變系數σ/χ<5%。J—73型共設有15個粒徑檔,測量范圍是0.3~10μm,采樣流量為300ml/min。這兩項成果于1974年通過國家鑒定并認為已達到或接近當時的世界水平。塵埃粒子計數器的推廣應用,推動了中國潔凈技術的科研、設計和凈化設備生產,沿著自立、自強的道路向前進步。
同時,一些電子技術、精密機械和國防工業相關的設計院,也在探索、研究潔凈室的工程設計。1965年建成的沈陽119廠和石家莊13所就是由三機部四院(現航空工業部第四設計院)和四機部第二設計院(現中國電子工程設計院)分別參照原蘇聯的妝化等級設計建設的。
中國科學院設計院1966年選用國產GB系列高效空氣過濾器設計了中國科學院面積為760平方米的精密機械裝配車間,1970年投入生產。后經測定,在靜態條件下,室內換氣次數為20AC/h時,室內潔凈度達到當時美國聯邦標準209A的10000級。
1973年初,四機部第十設計院和第十一設計院,分別著手進行了878廠和4433廠的潔凈車間設計,兩個工廠的潔凈室級別包括從FED—STD—209A的100,000級至100級,采用的氣流流
型有垂直單向流、水平單向流和亂流等。
在這個階段內,與潔凈室配套的凈化設備陸續試制成功,一些原來生產無線電、半導體專用設備的、生產醫療器械的工廠轉向凈化設備的生產,在國內形成了初步的潔凈室設備生產規模與布局。這些工廠當時主要分布在北京、天津、蘇州、上海和重慶。從設計制造多種型式的
潔凈工作臺(cleanbench)開始,隨后陸續設計制造了吹淋室、氣閘室、物料傳遞窗、余壓閥等相關設備。
為了適應六十年代末、七十年代初,一些研究機構對小型潔凈工作環境的需求,以及一些舊廠房進行小規模潔凈室改造的需要,建研院空調所、六機部九院(現船舶工業總公司第九設計院)、
三機部四院、天津醫療器械廠天津醫藥凈化設備廠前身)等單位,研制成功了裝配式垂直單向流、水平單向流潔凈室。這種由凈化設備廠生產的裝配式潔凈室,特別在利用原有建筑物進行技術改造,
所需凈化面積又比較小的場合,發揮了設計、施工快捷,技術性能穩定的特點,1974年在天津通過了國家鑒定。
1974年以來,建研院空調所、四機部十院等單位分別建立了潔凈技術試驗室,開展了一些基礎研究。如建研院空調所在該所試驗室中進行了亂流潔凈室均勻分布與不均勻分布計算
的研究,全頂棚送風兩側下回風潔凈室氣流特性的研究等;四機部第十設計研究院在該院的潔凈試驗室中進行了亂流潔凈室的試驗研究,高效過濾器送風口的氣流分布研究,人體發塵
量研究等多項課題。
與此同時,一些研究單位及設計院,如七機部七院(航天工業部七院)、建研院空調所、四機部十院、十一院、二機部二院(核工業部二院)、六機部九院等,和一些大專院校如天津大學、同濟大學、河北工學院組成了配合國家大規模集成電路攻關的潔凈室技術研究協作組,為規范與提高中國的潔凈技術水平,進行了一系列的測試與調研工作。如在北京、西安、上海等地進行了不同環境室外大氣含塵濃度的長期臨測與統計分析,在全國各地對已建潔凈室進行了測試,并著手對潔凈室設計、施工、運行及設備生產方面的經驗進行總結。
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