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早期的工業潔凈室

早期的工業潔凈室

在工程制造業中也取得了相似的進展。第一個工業生產用潔凈室是在第二次世界大戰中投入使用的,其主要目的是提高槍械、坦克、飛機用儀器的質量和可靠性。那時人們認識到,必須提高生產環境的潔凈度,否則投彈瞄準器這樣的裝置就會出現故障。但當時只要假定潔凈室要保持得象人們的住房那樣清潔,于是便使用了不產生粒子的不銹鋼做表面裝修并保持其清潔。但人們還沒有認識到,由機器和人員產生的大量懸浮粒子之擴散,應由大量的潔凈送風使之降至最低。比如對于藥品生產車間,當時的主流思想就是必須大量使用消毒劑使其不含微生物。為便于消毒,墻體使用帖面,地面則用水磨石鋪面,并帶有排水槽和下水口,以便排出消毒劑。通風也很原始,每小時換氣僅幾次。在室內或在生產區與外部區域之間,還談不上氣流控制。人員穿的棉服衣著與哪個時代手術室使用的相似。那時即便有更衣區,也是非常簡陋的。

1939年至1945年二次大戰期間開展的生化戰爭研究以及核子裂變的餓付諸使用,使隔離危險微生物或隔離放射性污染所必須的高效過濾器應運而生。從此,在潔凈室中即可獲得非常潔凈的空氣,低度的空氣污染成為現實。

1955年至該世紀60年代早期已建造出了具有這種通風的潔凈室:充分過濾了的空氣經吊頂的散流器送出。20世紀50年代早期,美國北卡羅來州云絲頓-塞倫市的西電公司在生產導彈用陀螺儀時總是出問題,其產品合格率僅為1%。后來發現,問題就出在塵埃上。于是決定建造一個“無塵”生產車間。該車間由AC公司設計并于1955年完成。圖4.1是該車間剛投產后不久的情形。

圖4.1 西電公司的陀螺儀生產車間

這恐怕就是世界上第一個考慮了潔凈室所以基本要求的潔凈生產車間。人員穿著合成纖維服并戴著帽子,還為他們配備了更衣室。選擇了便于清潔而粒子產生又最少的建材,并盡量減少接縫與彎角,地板上滿鋪乙烯樹脂直至墻面。照明采取平裝式,使積塵最少。在照片右側后部可看到使用了傳遞窗。空調送風經“絕對”過濾器(對0.3μm粒子慮除效率打99.95%),房間維持正壓。

圖 4.2 維利斯威特菲爾在其原創的層流潔凈室中

1961年,迎來了潔凈室發展史上的分水嶺,即美國新墨西哥州阿爾伯克基圣地亞實驗室發明了"單向流或"層流"通風理念。這是集體智慧的結晶,但首功則非威利斯懷特菲爾德莫屬。圖4.2是他在其原創的潔凈室中的照片。

這是一間小房間,10英尺長,6英尺寬,7英尺高(3米×1.8米×2.1米)。其送風不是經吊頂的散流器送出后以隨機流的形式在室內運動,它是經由一系列高效過濾器送出。這就能確保空氣從過濾器送出后以單向流流經室內并從地板格柵排出。圖4.3顯示的是原單向流潔凈室的剖面圖。從圖中可以看出,室內工作臺前的工作人員不污染放置在其前面的物品,因為人員所產生的污染被吹開了。

圖 4.3 原單向流潔凈室剖面圖

1962年4月13日,《時代》周刊發表了一篇文章公布了圣地亞實驗室的發明,該篇文章引起了廣泛的注意。其文如下:

位于阿爾伯克基——設計、總裝原子武器的地方——圣地亞公司的科學家們對潔凈室情有獨鐘,但他們也是身不由己。武器部件產生得越來越小,一顆粒子造成的問題就越來越大。在整個圣地亞,維克薩斯出生在威利斯·懷特菲爾德——懷特菲爾德超凈室的發明人——是最苛刻的管家。他略微拉長了嗓音說道:“我在想那些塵埃粒子——這些不法之徒來自何方?所去何處?”物理學家懷特菲爾德在找到了自己問題的答案后認定,傳統潔凈室有原則錯誤。

一般的潔凈室系統——越來越多的工業生產仰仗于它——是止住塵埃粒子使之不被釋放出來。潔凈室內禁止吸煙,禁止使用一般鉛筆——因鉛筆會釋放鉛粒子。潔凈室的工作人員被“包裝”在特殊的靴子、帽子、連體服之中,進入潔凈室前還要經受真空清潔。房間本身則不停地用真空吸塵器清潔。盡管采取了所有這些預防性措施,空氣中每立方英尺大于等于0.3微米(0.000012)的塵埃粒子至少還有1百萬個。雖然對比著普通空氣而言,這已是長足的進步,但懷特菲爾德相信他還可以更上一層樓。他把制止粒子產生這一想法拋在腦后,而是在粒子一出現就予以清除。

懷特菲爾德的超凈室看上去象是一輛小的沒有輪子的金屬拖車屋。地板是金屬格柵,以不銹鋼鋪面。工作臺面對的是4英尺乘10英尺的“絕對過濾器”組——可過濾除低速空氣中所有大于0.3微米的粒子。大多數潔凈室使用過濾器僅僅是為了使送風潔凈,而懷特菲爾德的過人之處在于用過濾器制造潔凈空氣,使該房間保持潔凈。潔凈空氣以7英里/小時的風速(很輕的微風)流過工作臺、穿過臺前工作人員。工人穿著普通服裝,還允許吸煙。頭皮屑、抽煙的煙氣、鉛筆產生的塵埃以及其他粒子,都由潔凈空氣帶走,吹進格柵地板,并排出室外。每隔6秒鐘,房間的超凈空氣就換氣1次。粒子因此無法在室內循環。結果,物理學家懷特菲爾德的潔凈室比其競爭對手最潔凈的房間還潔凈至少1000倍。因為各工業部門急需高質量的潔凈室,因此,各式各樣的工業生產中立即采用了懷特菲爾德潔凈室通風中的單向流原理。


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