ANALYSE DE BASE DE LA SALLE BLANCHE

Introduction

La salle blanche est la base du contrôle de la pollution. Sans salle blanche, la production en série de pièces sensibles à la pollution est impossible. Selon la norme FED-STD-2, une salle blanche est définie comme une pièce équipée de systèmes de filtration, de distribution et d'optimisation de l'air, de matériaux de construction et d'équipements, dans laquelle des procédures opérationnelles régulières spécifiques sont appliquées pour contrôler la concentration de particules en suspension dans l'air afin d'atteindre le niveau de propreté approprié.

Pour obtenir une bonne propreté en salle blanche, il est nécessaire non seulement de mettre en œuvre des mesures raisonnables de purification de la climatisation, mais aussi d'exiger des processus, des constructions et d'autres services qu'ils adoptent les mesures correspondantes : une conception rationnelle, une construction et une installation soignées et conformes aux spécifications, une utilisation correcte de la salle blanche et une maintenance et une gestion rigoureuses. De nombreux ouvrages nationaux et étrangers ont été consacrés à l'obtention d'un bon résultat en salle blanche, sous différents angles. En effet, il est difficile de parvenir à une coordination idéale entre les différents services, et les concepteurs ont du mal à appréhender la qualité de la construction et de l'installation, ainsi que celle de l'utilisation et de la gestion, notamment de ces dernières. Concernant les mesures de purification des salles blanches, de nombreux concepteurs, voire des constructeurs, négligent souvent les conditions nécessaires, ce qui entraîne une propreté insatisfaisante. Cet article présente brièvement les quatre conditions nécessaires au respect des exigences de propreté des mesures de purification des salles blanches.

1. Propreté de l'alimentation en air

Pour garantir que la propreté de l'alimentation en air répond aux exigences, la clé réside dans la performance et l'installation du filtre final du système de purification.

Sélection de filtre

Le filtre final du système de purification est généralement un filtre HEPA ou un filtre sub-HEPA. Selon les normes chinoises, l'efficacité des filtres HEPA est divisée en quatre niveaux : la classe A est ≥ 99,9 %, la classe B est ≥ 99,9 %, la classe C est ≥ 99,999 %, la classe D est ≥ 99,999 % (pour les particules ≥ 0,1 μm) (également appelés filtres ultra-HEPA) ; les filtres sub-HEPA sont 95 à 99,9 % (pour les particules ≥ 0,5 μm). Plus l'efficacité est élevée, plus le filtre est cher. Par conséquent, lors du choix d'un filtre, il convient non seulement de respecter les exigences de propreté de l'air, mais aussi de prendre en compte la rentabilité.

Du point de vue des exigences de propreté, le principe est d'utiliser des filtres basse performance pour les salles blanches de faible niveau et des filtres haute performance pour les salles blanches de niveau élevé. En général, les filtres haute et moyenne efficacité peuvent être utilisés pour le niveau 1 million ; les filtres sub-HEPA ou HEPA de classe A pour les niveaux inférieurs à 10 000 ; les filtres de classe B pour les classes 10 000 à 100 ; et les filtres de classe C pour les niveaux 100 à 1. Il semble qu'il existe deux types de filtres pour chaque niveau de propreté. Le choix entre des filtres haute performance et basse performance dépend de la situation : en cas de pollution environnementale importante, de taux d'extraction intérieur important ou de salle blanche particulièrement importante nécessitant un facteur de sécurité plus important, un filtre haute performance est recommandé ; dans le cas contraire, un filtre moins performant peut être choisi. Pour les salles blanches nécessitant un contrôle des particules de 0,1 µm, des filtres de classe D sont recommandés, quelle que soit la concentration de particules contrôlée. Ce qui précède ne concerne que le filtre. En fait, pour choisir un bon filtre, il faut également prendre en compte les caractéristiques de la salle blanche, du filtre et du système de purification.

Installation du filtre

Pour garantir la propreté de l'air d'alimentation, il ne suffit pas d'utiliser des filtres qualifiés. Il faut également s'assurer : a. que le filtre ne soit pas endommagé pendant le transport et l'installation ; b. que l'installation soit étanche. Pour atteindre ce premier objectif, le personnel de construction et d'installation doit être bien formé, possédant à la fois des connaissances en installation de systèmes de purification et des compétences d'installation qualifiées. Dans le cas contraire, il sera difficile de garantir l'intégrité du filtre. De nombreux enseignements sont à tirer à ce sujet. Deuxièmement, l'étanchéité de l'installation dépend principalement de la qualité de la structure d'installation. Le manuel de conception recommande généralement : pour un filtre unique, une installation ouverte est recommandée, afin d'éviter toute fuite dans la pièce ; l'utilisation d'une sortie d'air HEPA pré-installée facilite également l'étanchéité. Pour l'air de plusieurs filtres, les joints en gel et les joints à pression négative sont souvent utilisés ces dernières années.

Le joint en gel doit garantir l'étanchéité du joint du réservoir de liquide et le maintien de l'ensemble du cadre sur un même plan horizontal. L'étanchéité par dépression consiste à maintenir la périphérie extérieure du joint entre le filtre, le caisson de pression statique et le cadre en dépression. Comme pour une installation ouverte, même en cas de fuite, celle-ci ne se répandra pas dans la pièce. En effet, tant que le cadre d'installation est plat et que l'extrémité du filtre est en contact uniforme avec celui-ci, le filtre devrait pouvoir satisfaire facilement aux exigences d'étanchéité, quel que soit le type d'installation.

2. Organisation du flux d'air

L'organisation du flux d'air d'une salle blanche diffère de celle d'une salle climatisée classique. Elle exige que l'air le plus pur soit acheminé en priorité vers la zone de travail. Son rôle est de limiter et de réduire la pollution des objets traités. À cette fin, les principes suivants doivent être pris en compte lors de la conception du flux d'air : minimiser les courants de Foucault pour éviter d'introduire de la pollution extérieure à la zone de travail ; empêcher les projections de poussières secondaires afin de réduire le risque de contamination de la pièce ; le flux d'air dans la zone de travail doit être aussi uniforme que possible et sa vitesse doit respecter les exigences de procédé et d'hygiène. Lorsque le flux d'air s'écoule vers la sortie d'air de reprise, la poussière présente dans l'air doit être efficacement évacuée. Choisir différents modes de distribution et de reprise d'air en fonction des différentes exigences de propreté.

Les différentes organisations de flux d’air ont leurs propres caractéristiques et portées :

(1). Écoulement unidirectionnel vertical

Outre leurs avantages communs : un flux d’air descendant uniforme, une disposition simplifiée des équipements de traitement, une forte capacité d’auto-épuration et la simplification des installations courantes telles que les installations de purification d’air personnel, les quatre méthodes d’alimentation en air présentent également leurs propres avantages et inconvénients. Les filtres HEPA à couverture intégrale présentent l’avantage d’une faible résistance et d’un cycle de remplacement long, mais la structure du plafond est complexe et le coût élevé. Les avantages et les inconvénients des filtres HEPA à couverture latérale et des plaques à orifices complets sont opposés à ceux des filtres HEPA à couverture intégrale. Parmi ces avantages, la plaque à orifices complets accumule facilement de la poussière sur la surface intérieure de la plaque à orifices lorsque le système ne fonctionne pas en continu, et un mauvais entretien a un impact sur la propreté. La plaque à orifices complets nécessite une couche de mélange, elle ne convient donc qu’aux salles blanches de plus de 4 m de haut et ses caractéristiques sont similaires à celles des plaques à orifices complets. la méthode de retour d'air pour la plaque avec des grilles des deux côtés et les sorties d'air de retour disposées uniformément au bas des murs opposés ne convient qu'aux salles blanches avec un espacement net inférieur à 6 m des deux côtés ; les sorties d'air de retour disposées au bas du mur d'un seul côté ne conviennent qu'aux salles blanches avec une petite distance entre les murs (par exemple ≤<2~3m).

(2). Écoulement unidirectionnel horizontal

Seule la première zone de travail peut atteindre un niveau de propreté de 100. Lorsque l'air circule de l'autre côté, la concentration de poussière augmente progressivement. Par conséquent, ce système ne convient qu'aux salles blanches ayant des exigences de propreté différentes pour un même processus dans une même pièce. La répartition locale des filtres HEPA sur le mur d'alimentation en air peut réduire leur utilisation et économiser l'investissement initial, mais des tourbillons peuvent se former localement.

(3). Flux d'air turbulent

Les caractéristiques de la distribution par le haut des plaques à orifice et des diffuseurs denses sont identiques à celles mentionnées précédemment : la distribution latérale présente les avantages suivants : facilité de disposition des canalisations, absence d'intercalaire technique, faible coût et facilité de rénovation d'anciennes usines. Les inconvénients sont la vitesse du vent importante dans la zone de travail et une concentration de poussière plus élevée côté vent arrière que côté vent arrière. La distribution par le haut des sorties de filtre HEPA présente les avantages d'un système simple, sans canalisation derrière le filtre HEPA, et un flux d'air propre directement acheminé vers la zone de travail. Cependant, la diffusion de l'air propre est lente et le flux d'air dans la zone de travail est plus uniforme. Cependant, la disposition uniforme de plusieurs sorties d'air ou l'utilisation de sorties d'air avec filtre HEPA et diffuseurs permet d'uniformiser le flux d'air dans la zone de travail. Cependant, lorsque le système ne fonctionne pas en continu, le diffuseur est sujet à l'accumulation de poussière.

Les éléments présentés ci-dessus sont parfaitement adaptés et sont recommandés par les spécifications, normes et manuels de conception nationaux pertinents. Dans les projets réels, l'organisation du flux d'air est mal conçue, en raison de conditions objectives ou de raisons subjectives du concepteur. Parmi les exemples les plus courants, on peut citer : le flux unidirectionnel vertical adopte une reprise d'air par la partie inférieure des deux murs adjacents ; la classe locale 100 adopte un soufflage et une reprise d'air supérieurs (sans rideau suspendu sous la sortie d'air locale) ; et les salles blanches turbulentes adoptent un soufflage et une reprise d'air supérieurs avec filtre HEPA ou une reprise d'air inférieur unilatérale (espacement plus important entre les murs). Ces méthodes d'organisation du flux d'air ont été testées et la plupart de leurs performances ne répondent pas aux exigences de conception. En raison des spécifications actuelles relatives à l'acceptation à vide ou statique, certaines de ces salles blanches atteignent à peine le niveau de propreté prévu à vide ou statique, mais leur capacité d'interférence antipollution est très faible et, une fois en fonctionnement, elles ne répondent pas aux exigences.

Une bonne organisation du flux d'air doit être assurée par des rideaux descendant jusqu'à la hauteur de la zone de travail locale. La classe 100 000 ne doit pas comporter de soufflage ni de reprise supérieurs. De plus, la plupart des usines fabriquent actuellement des bouches d'aération à haut rendement avec diffuseurs, qui ne sont que des plaques à orifice décoratives et ne jouent pas un rôle de diffusion du flux d'air. Les concepteurs et les utilisateurs doivent y prêter une attention particulière.

3. Volume d'alimentation en air ou vitesse de l'air

Un volume de ventilation suffisant permet de diluer et d'éliminer l'air intérieur pollué. Selon les exigences de propreté, lorsque la hauteur nette de la salle blanche est élevée, la fréquence de ventilation doit être augmentée en conséquence. Par exemple, le volume de ventilation d'une salle blanche de niveau 1 million est calculé selon un système de purification à haute efficacité, et les autres volumes sont calculés selon un système de purification à haute efficacité. Lorsque les filtres HEPA d'une salle blanche de classe 100 000 sont concentrés dans la salle des machines ou que des filtres sub-HEPA sont utilisés en bout de système, la fréquence de ventilation peut être augmentée de 10 à 20 %.

Concernant les valeurs recommandées pour le volume de ventilation ci-dessus, l'auteur estime que : la vitesse du vent traversant la section de la salle blanche à flux unidirectionnel est faible, et que la salle blanche turbulente présente une valeur recommandée avec un facteur de sécurité suffisant. Flux unidirectionnel vertical ≥ 0,25 m/s, flux unidirectionnel horizontal ≥ 0,35 m/s. Bien que les exigences de propreté puissent être respectées lors des essais à vide ou en conditions statiques, la capacité antipollution est faible. Une fois la salle en fonctionnement, la propreté peut ne pas répondre aux exigences. Ce type d'exemple n'est pas un cas isolé. Parallèlement, il n'existe pas de ventilateurs adaptés aux systèmes de purification dans la gamme de ventilateurs de mon pays. En général, les concepteurs ne calculent pas précisément la résistance à l'air du système ou ne remarquent pas si le ventilateur sélectionné se trouve à un point de fonctionnement plus favorable sur la courbe caractéristique, ce qui fait que le volume d'air ou la vitesse du vent n'atteignent pas les valeurs de conception peu après la mise en service du système. La norme fédérale américaine (FS209A~B) stipule que la vitesse du flux d'air d'une salle blanche unidirectionnelle, traversant toute la section de la salle blanche, est généralement maintenue à 90 pi/min (0,45 m/s), et que l'hétérogénéité de la vitesse est de ± 20 % en l'absence d'interférence dans toute la salle. Toute diminution significative de la vitesse du flux d'air augmente le risque de temps d'autonettoyage et de pollution entre les postes de travail (après la promulgation de la norme FS209C en octobre 1987, aucune réglementation n'a été établie pour les indicateurs de paramètres autres que la concentration en poussières).

C'est pourquoi l'auteur estime qu'il est judicieux d'augmenter de manière appropriée la valeur de conception actuelle de la vitesse d'écoulement unidirectionnelle. Notre unité a appliqué cette méthode sur des projets concrets et les résultats sont relativement satisfaisants. Les salles blanches turbulentes ont une valeur recommandée avec un facteur de sécurité relativement suffisant, mais de nombreux concepteurs ne sont pas encore certains. Lors de la conception de certaines salles blanches, ils augmentent le volume de ventilation des salles blanches de classe 100 000 à 20-25 fois/h, des salles blanches de classe 10 000 à 30-40 fois/h et des salles blanches de classe 1000 à 60-70 fois/h. Cela augmente non seulement la capacité des équipements et l'investissement initial, mais aussi les coûts futurs de maintenance et de gestion. En réalité, cela n'est pas nécessaire. Lors de l'élaboration des mesures techniques de purification de l'air en Chine, plus de salles blanches de classe 100 ont été étudiées et mesurées. De nombreuses salles blanches ont été testées en conditions dynamiques. Les résultats ont montré que les volumes de ventilation des salles blanches de classe 100 000 ≥ 10 fois/h, ≥ 20 fois/h et ≥ 50 fois/h peuvent satisfaire aux exigences. La norme fédérale américaine (FS2O9A~B) stipule que les salles blanches non unidirectionnelles (classes 100 000 et 10 000), d'une hauteur de 2,44 à 3,66 m (8 à 12 pieds), doivent généralement être ventilées dans leur intégralité au moins une fois toutes les 3 minutes (soit 20 fois/h). Par conséquent, la spécification de conception a pris en compte un coefficient de surplus important, et le concepteur peut choisir en toute sécurité en fonction de la valeur recommandée du volume de ventilation.

4. Différence de pression statique

Le maintien d'une pression positive dans une salle blanche est essentiel pour garantir une propreté optimale et maintenir le niveau de propreté prévu. Même pour les salles blanches à pression négative, des chambres ou suites adjacentes doivent être dotées d'un niveau de propreté au moins égal au sien afin de maintenir une pression positive.

La valeur de surpression d'une salle blanche correspond à la valeur à laquelle la pression statique intérieure est supérieure à la pression statique extérieure, toutes portes et fenêtres étant fermées. Elle est obtenue en optimisant le volume d'air soufflé par le système de purification par rapport aux volumes d'air repris et extrait. Pour garantir la surpression de la salle blanche, il est conseillé de coupler les ventilateurs de soufflage, de reprise et d'extraction. À la mise en marche du système, le ventilateur de soufflage démarre en premier, suivi des ventilateurs de reprise et d'extraction ; à l'arrêt, le ventilateur d'extraction est arrêté en premier, puis les ventilateurs de reprise et d'alimentation sont arrêtés afin d'éviter toute contamination de la salle blanche.

Le volume d'air nécessaire au maintien de la pression positive d'une salle blanche dépend principalement de l'étanchéité de la structure de maintenance. Aux débuts de la construction des salles blanches en Chine, en raison de la faible étanchéité de l'enceinte, il fallait 2 à 6 apports d'air par heure pour maintenir une pression positive ≥ 5 Pa ; aujourd'hui, l'étanchéité de la structure de maintenance a été considérablement améliorée : il suffit de 1 à 2 apports d'air par heure pour maintenir la même pression positive ; et de 2 à 3 apports d'air par heure pour maintenir une pression positive ≥ 10 Pa.

Les spécifications de conception de mon pays [6] stipulent que la différence de pression statique entre les salles blanches de différentes classes et entre les zones blanches et non blanches ne doit pas être inférieure à 0,5 mm H₂O (~ 5 Pa), et que la différence de pression statique entre la zone blanche et l'extérieur ne doit pas être inférieure à 1,0 mm H₂O (~ 10 Pa). L'auteur estime que cette valeur semble trop faible pour trois raisons :

(1) La pression positive désigne la capacité d'une salle blanche à supprimer la pollution de l'air intérieur par les interstices entre les portes et les fenêtres, ou à minimiser la pénétration de polluants dans la pièce lorsque les portes et les fenêtres sont ouvertes pendant une courte période. L'importance de la pression positive indique la puissance de la capacité de suppression de la pollution. Bien entendu, plus la pression positive est élevée, mieux c'est (ce point sera abordé plus loin).

(2) Le volume d'air requis pour une pression positive est limité. La différence entre le volume d'air requis pour une pression positive de 5 Pa et celui requis pour une pression positive de 10 Pa n'est que d'environ 1 fois par heure. Pourquoi ne pas le faire ? Il est évidemment préférable de fixer la limite inférieure de pression positive à 10 Pa.

(3) La norme fédérale américaine (FS209A~B) stipule que, lorsque toutes les entrées et sorties sont fermées, la différence de pression positive minimale entre la salle blanche et toute zone adjacente de faible propreté est de 0,05 pouce de colonne d'eau (12,5 Pa). Cette valeur a été adoptée par de nombreux pays. Cependant, la valeur de pression positive d'une salle blanche n'est pas forcément la meilleure. D'après les tests techniques effectués sur notre unité depuis plus de 30 ans, lorsque la valeur de pression positive est ≥ 30 Pa, il est difficile d'ouvrir la porte. Une fermeture imprudente peut provoquer un bruit sourd ! Cela peut effrayer les personnes. Lorsque la valeur de pression positive est ≥ 50~70 Pa, les espaces entre les portes et les fenêtres produisent un sifflement, ce qui peut gêner les personnes faibles ou présentant des symptômes inhabituels. Cependant, les spécifications ou normes en vigueur dans de nombreux pays, nationaux et internationaux, ne précisent pas la limite supérieure de pression positive. Par conséquent, de nombreuses unités se contentent de respecter la limite inférieure, quelle que soit la valeur de cette limite supérieure. Dans la salle blanche rencontrée par l'auteur, la pression positive peut atteindre 100 Pa ou plus, ce qui entraîne des effets très néfastes. En réalité, ajuster la pression positive n'est pas difficile. Il est tout à fait possible de la contrôler dans une certaine plage. Un document indiquait qu'un pays d'Europe de l'Est fixait la pression positive à 1-3 mm H₂O (environ 10-30 Pa). L'auteur estime que cette plage est plus appropriée.