Изобретение относится к средствам защиты поверхностей и может быть использовано в производстве электронной техники, точном машиностроении и приборостроении, а также в медицинской технике в абактериальных камерах.
Известно, что особенностями современной промышленной продукции являются высокая однородность по составу материалов и высокая точность обработки изделий. Выпуск такой продукции немыслим без создания специальной производственной среды, в течение длительного времени обеспечивающей заданные условия в производственных помещениях. Поддержание сверхчистой среды в производственных помещениях наиболее эффективно при ламинарном потоке воздуха (под ламинарном потоком понимают поток, в котором интенсивность процессов переноса близка к уровню, определяемому молекулярным движением).
В ламинарном потоке скорость загрязняющих частиц определяется молекулярным движением, а этом в несколько раз меньше скорости самого потока, поэтому частицы могут проникать только на небольшую глубину потока, так как очень быстро смываются самим потоком. В этом случае степень загрязнения защищаемой поверхности определяется степенью очистки самого ламинарного потока. Кроме этого, при ламинарном течении можно предсказать направление движения воздушных потоков, несущих микрочастицы, и предотвратить их доступ к защищаемой поверхности. Поэтому данный метод циркуляции наиболее удобен и наиболее широко применяется для создания высокочистых сред.
До сих пор для поддержания высокой чистоты среды внутри чистых помещений применялись ламинарная вертикальная или горизонтальная циркуляция.
Известны два метода защиты поверхности. Это смывание ламинарным потоком воздуха микрочастиц, выделяющихся из источника загрязнений, вниз для предотвращения проникновения частиц в область у защищаемой поверхности. Второй способ заключается в формировании в области у защищаемой поверхности потока высокочистого воздуха, параллельно самой поверхности, для предотвращения проникновения микрочастиц из объема помещений к поверхности защищаемого объекта. Такой способ защиты является эффективным, однако он имеет ряд недостатков, а именно он требует значительных капитальных, т.е. оборудование специальных помещений, и эксплуатационных затрат. При этом способе распространяются по всему помещению газы и пары, выделяющие на отдельных технологических операциях, необходима высокая очистка приточного потока, что приводит к сложным многократным фильтрам, а также к необходимости исключить пылевыделение в помещении, в связи с чем должны быть повышены требования к одежде, оборудованию и порядку проведения работ.
В производстве малогабаритных изделий, требующих особо чистых условий, например в линиях по производству СБИС, эффективная защита поверхности изделий от пыли осуществима в относительно малом пространстве с особо чистой средой. Такой способ заключается в том, что из текучей сверхчистой среды создают ламинарный поток, протекающий над защищаемой поверхностью.
Этот способ позволяет снизить энергозатраты, так как значительно уменьшаются габариты вентиляционных и фильтрующих устройств, снизить требования по чистоте ко всему помещению. Эта система не требует защитных камер, она является открытой, поэтому она может быть включена в непрерывный автоматизированный технологический процесс. Однако, такой способ формирования потока сверхчистой среды не дает возможности избежать турбулентности, а следовательно, и не обладает достаточной надежностью.
Данный способ можно осуществить с помощью устройства для создания локального чистого пространства. Это устройство содержит блок очистки воздуха, соединенный трубопроводом с формирователем ламинарного потока, установленного внутри корпуса. Сформированный таким образом поток направляется в зону, в которой расположен защищаемый объект.
Устройство обладает теми же недостатками, что и описанный способ.
Цель изобретения - повышение надежности защиты.
Это достигается тем, что в способе защиты сверхчистых поверхностей создают из текучей сверхчистой среды ламинарный поток, протекающий над поверхностью защищаемого объекта, при этом монотонно изменяют величину скорости в слое ламинарного потока по высоте его слоя в поперечном сечении, нормальном к направлению распространения этого потока.
Преимуществом предлагаемого способа является надежность защиты поверхности объекта (под поверхностью объекта следует понимать как поверхность изделия, так и поверхность тела человека, которую необходимо защитить от влияния окружающей среды).
Предлагаемый способ позволяет получить устойчивый ламинарный поток на значительной его длине. Нарушение ламинарности потока приводит к турбулентности. Турбулентный поток, быстро смешиваясь с окружающей средой, захватывает большое количество пыли из последней и с высокой скоростью переносит ее к поверхности защищаемого изделия. Напротив в ламинарном потоке попавшие частицы пыли двигаются с помощью диффузии, при этом они имеют малую скорость и смываются ламинарным потоком. Так как ламинарный поток слабо смешивается с окружающей средой, то в поток частицы пыли проникают только на незначительную его глубину и не достигают защищаемой поверхности, поэтому можно говорить о более надежной защите поверхности изделия.
Создание такого потока также важно, когда необходимо защитить поверхность объекта не только от загрязнения, но и от воздушной среды. В этом случае устойчивый ламинарный поток, который не смешивается с окружающей воздушной средой, сформированной из нейтрального газа по отношению к защищаемой поверхности объекта, является надежным экраном от вредного воздействия воздушной среды.
В зависимости от состояния воздушной среды, т.е. скорости потоков воздушной среды, изменение скорости ламинарного потока осуществляют различными способами. Если внешний поток имеет незначительную скорость, то величину скорости ламинарного потока по высоте его слоя в направлении от защищаемой поверхности объекта монотонно уменьшают. В этом случае получают более устойчивый ламинарный поток. Если внешний поток имеет значительную скорость, то целесообразно для получения более устойчивого ламинарного потока величину скорости ламинарного потока по высоте сего слоя в направлении от защищаемой поверхности объекта монотонно увеличивать до значения скорости внешнего потока. Это уменьшает возмущения в ламинарном потоке, так как скорости внешнего потока и ламинарного потока одинаковы.
В том случае, если температура поверхности объекта отличается от температуры окружающей среды или ламинарного потока, то для предотвращения температурных потоков, а следовательно, и возможности возникновения возмущений в ламинарном потоке необходимо увеличить скорость потока. Однако, при увеличении скорости ламинарного потока он становится более неустойчивым и возмущение со стороны защищаемого изделия может привести к турбулентности. Для избежания этого монотонно увеличивают от нулевого значения, а затем монотонно уменьшают до нулевого значения величину скорости ламинарного потока по высоте его слоя.
Предлагаемый способ может быть реализован с помощью устройства для создания потока защитной среды, содержащего полый корпус с входом для подачи в него указанной текучей среды и с формирователем ламинарного потока, установленным внутри корпуса, за которым в направлении движения потока установлена проницаемая для защитной текучей среды перегородка, с монотонно изменяющимся сопротивлением потоку по меньшей мере в одном из ортогональных направлений в плоскости, перпендикулярной направлению движения ламинарного потока.
Такое устройство для создания потока защитной среды позволяет простейшим образом реализовать описанный выше способ. В предложенном устройстве проницаемая перегородка может быть выполнена различным образом. Например, проницаемая перегородка может иметь параллельные каналы равного сечения, расположенные равномерно по всей площади перегородки, при этом длина этих каналов монотонно увеличивается в плоскости продольного сечения перегородки по меньшей мере в одном направлении по ее высоте. Монотонно увеличивающаяся длина каналов создает увеличивающееся сопротивление текучей защитной среде. Скорость ламинарного потока, прошедшего через такую перегородку, монотонно уменьшается по высоте формируемого слоя, такое плавное изменение скорости ламинарного потока уменьшает скорость роста возмущений в потоке, т.е. исключает возникновение турбулентности, и как отмечалось выше уменьшает толщину слоя, который содержит частицы из окружающей среды, а этом повышает надежность защиты.
Проницаемая перегородка может быть выполнена в виде пластины с равномерно расположенными рядами отверстий. В первом случае равного диаметра и с шагом между отверстиями, монотонно увеличивающимся в каждом последующем ряду. Во втором случае диаметр отверстий монотонно увеличивается в каждом последующем ряду, при этом шаг между отверстиями остается постоянным. Такая проницаемая перегородка более проста в изготовлении и толщина такой перегородки может быть незначительной, устройство с ней получается более компактным.
Наиболее простой в изготовлении является проницаемая перегородка, выполненная из материала с открытой пористостью и снабженная со стороны формирователя ламинарного потока непроницаемым экраном, частично перекрывающим ее, при этом толщина проницаемой перегородки не меньше высоты ее части свободной от непроницаемого экрана.
На фиг.1-3 изображено предлагаемое устройство с проницаемой перегородкой в виде пластины с отверстиями; на фиг. 4 - устройство с проницаемой перегородкой с каналами переменной длины; на фиг. 5 - первый вариант устройства с проницаемой перегородкой из материала с открытой пористостью; на фиг. 4 - то же, второй вариант.
Устройство (фиг. 1) содержит полый корпус 1 с входом 2 для подачи защитной среды. Внутри корпуса 1 установлен формирователь 3 ламинарного потока, который представляет собой набор тканых сеток в рамке с размером ячеек 0,2-0,3 мм, закрепленных внутри корпуса 1 с помощью прокладок 4 и 5. К прокладке 5 плотно прижимается проницаемая перегородка 6 подложкодержателем 7. Форма подложкодержателем 7 соответствует форме корпуса 1. Подложкодержатель 7 вставляется в корпус 1, для этого он имеет по внешнему периметру уступ, внешние размеры которого соответствуют внутренним размерам корпуса 1, а длина уступа достаточна для прижима проницаемой перегородки 6 к прокладке 5. В одной из стенок подложкодержатель 7 имеет углубление для защищаемого изделия, например кремниевой пластины 8. Глубина углубления соответствует толщине пластины 8.
Проницаемая перегородка 6 (фиг. 2) имеет несколько рядов отверстий 9 равного диаметра. Шаг l между отверстиями 9 монотонно увеличивается, начиная с нижнего ряда. Соответственно сопротивление проницаемой перегородки 6 монотонно увеличивается по ее высоте.
Использование устройства осуществляется следующим образом.
В зависимости от решаемой задачи через вход 2 в устройство подают либо сверхчистый воздух, либо сверхчистый газ, нейтральный для защищаемого объекта. Скорость подаваемого потока через вход 2 превышает скорость на выходе из устройства во столько же раз, во сколько площадь поперечного сечения корпуса 1 превосходит площадь сечения входа 2, например при скорости на входе 2-30 м/с, при соответствующем соотношении указанных сечений можно получить на выходе из устройства скорость - 1 м/с, достаточную для сохранения ламинарности потока. После прохождения потоком формирователя 3 возмущения в потоке уменьшаются, поток становится равномерным, ламинарным.
Проницаемая перегородка 6 с монотонно изменяющимся сопротивлением монотонно уменьшает скорость ламинарного потока по его высоте, т.е. максимального значения скорость достигает у поверхности защищаемой пластины 8 и минимального значения - у верхней границы потока. Максимальная скорость потока на выходе устройства после проницаемой перегородки 6 достигает 1 м/с. В этом случае очень важно, чтобы пластина 8 не выступала из углубления. Это предотвращает возможные возмущения в ламинарном потоке, которые могут привести к турбулентности.
Если внешняя среда имеет значительную скорость, то для исключения возмущений в ламинарном потоке необходимо увеличивать величину скорости ламинарного потока. В этом случае максимальное значение скорость имеет в верхнем слоем по отношению к пластине 8, а у пластины 8 имеет минимальное значение. При сформированном таким образом фронте скорости толщина пластины 8 может превышать глубину углубления в подложкодержателе 7. Малая скорость ламинарного потока у поверхности выступающей пластины 8 не приводит к возмущению в потоке и не нарушает его ламинарности. Проницаемая перегородка 6 с равным диаметром отверстий 9 имеет монотонно уменьшающийся шаг l по ее высоте. Такая проницаемая перегородка 6 и позволяет сформировать выше описанный профиль скорости.
Как уже было сказано выше, при разнице температур окружающей среды или ламинарного потока и пластины 8 возникают конвенционные потоки, разбивающие ламинарный поток. Для избежания влияния конвенционных потоков увеличивают максимальную скорость ламинарного потока. Для предотвращения возможной турбулентности при высокой скорости потока величину скорости от нулевого значения увеличивают до максимального, а затем вновь уменьшают до нулевого значения. Для этого шаг l между отверстиями 9 в проницаемой перегородке 6 в каждом последующем ряду, начиная с второго, уменьшают до некоторого значения, а затем вновь увеличивают до первоначального значения l.
На фиг. 3 изображена проницаемая перегородка 6, с помощью которой в устройстве по фиг. 1 можно получить тот же эффект, что и с проницаемой перегородкой 6 по фиг. 2в. Отличие состоит в том, что переменное по высоте перегородки сопротивление защитной среде создают путем изменения величины диаметра отверстий 9 в каждом последующем ряду.
Также возможен вариант выполнения проницаемой перегородки 6 с одновременным изменением величин и шага l и диаметра отверстий 9 в каждом последующем ряду отверстий.
Из приведенного очевидно, что суть предлагаемого способа защиты сверхчистых поверхностей объекта заключается в создании из текущей сверхчистой среды ламинарный поток, в слое которого монотонно изменяют величину скорости по высоте этого слоя в поперечном сечении, нормальном к направлению распространения потока. При этом поток должен протекать над защищаемой поверхностью объекта. Такое формирование ламинарного потока, например, позволяет сохранять его свойства на длине потока в 1 м, при толщине слоя формируемого потока 0,4 м. Таким образом, располагая объект в таком объеме защитной среды, можно гарантировать надежную защиту от попадания загрязняющих частиц из окружающей среды на защищаемую поверхность или от нежелательного проникновения газа к защищаемой поверхности из окружающей среды.
Возможны и другие варианты выполнения проницаемой перегородки, которые позволяют сформировать устойчивый ламинарный поток на ограниченной его длине, обеспечивающий надежную защиту поверхности объекта.
Элементы устройства по фиг. 1, идентичные элементы устройств на последующих фигурах, обозначены аналогичными ссылочными позициями.
На фиг. 4 изображено устройство с проницаемой перегородкой 6, которая имеет каналы 10 равного диаметра. Каналы 10 расположены рядами. Длина каналов 10 в каждом последующем ряду, начиная с нижнего, монотонно увеличивается, создавая таким образом увеличивающееся сопротивление защитному потоку. Такая перегородка 6 может быть выполнена также из капиллярных трубочек.
Наиболее интересным представляется вариант выполнения устройства, изображенный на фиг. 5 и 6. В этом случае проницаемая перегородка 6 выполнена из материала с открытой пористостью и частично закрытая непроницаемым для защитной среды экраном. Толщина d проницаемой перегородки 6 должна быть не меньше высоты h ее части свободной от экрана, т.е. d h. Только такое соотношение толщины и высоты свободной части проницаемой перегородки позволит протекать потоку, как в продольном (в плоскости чертежа), так и в поперечном направлениях. Поток, протекающий в поперечном направлении, испытывает большее сопротивление и его скорость снижается. Таким образом, в данном устройстве формируется плавный профиль скорости ламинарного потока.
Различия устройств, изображенных на фиг. 5 и 6 заключается в выполнении непроницаемого экрана. В устройстве по фиг. 5 непроницаемый экран выполнен в виде вставки 11, занимающей части объема полого корпуса 1 между формирователем 3 и проницаемой перегородкой 6. В устройстве по фиг. 6 непроницаемым экраном является стенка 12 полого корпуса 1.
В этих вариантах устройства проницаемую перегородку 6 можно получить из спеченных шариков, фетра, пенистых материалов. Также возможен вариант, когда проницаемая перегородка 6 выполнена из набора решеток, причем расстояние между решетками должно быть не меньше размера ячейки самой решетки. Такое выполнение проницаемой перегородки 6 представляет особый интерес, так как, увеличивая расстояние между решетками, можно менять сопротивление проницаемой перегородки 6 как в продольном, так и в поперечном ее сечениях, что позволяет изменять толщину слоя формируемого потока в устройстве. При увеличении расстояния между решетками сопротивление в поперечном сечении уменьшается и поток в этом направлении достигает края перегородки, т.е. в этом случае можно получить максимальную толщину защитного слоя.
Сущность изобретения: устройство содержит полый корпус с входом, через который подают сверхчистую текучую среду. Внутри корпуса установлен формирователь ламинарного потока, а затем проницаемая перегородка с монотонно изменяющимся сопротивлением потоку, которая позволяет монотонно изменять величину скорости в слое ламинарного потока по высоте его слоя в поперечном сечении, нормальном к направлению распространения этого потока. 2 с. и 8 з. п. ф-лы, 6 ил.
| Под редакцией Хаякавы "Чистые помещения" | |||
| М.: Мир, 1990, с.59. |
