能源价格飙升左右洁净室的设计

面对昂贵的水费、电费和劳动力成本，各个行业的洁净室经营者都在积极寻找节约开支的方法。目前的能源价格与前几年相比几乎翻了一翻，与此同时，美国以外的洁净室产品的业务量稳步上升，尤其是微电子行业。2006年，洁净室设计的趋势和几年前那些令人振奋的技术革新相比，已经不可同日而语。在过去的几十年里，人们关心的是技术的进步以及不断缩小产品的尺寸，而今年，可以用两个词来概括大多数洁净室管理人员和设计人员的目标：巩固和保持。
从半导体行业到制药行业，洁净室行业里的每一个人都在积极地寻求提高效率的方法。现在，不管是寻求更好地管理或者改造现有洁净室，使它变得更干净或者更节能的方法，还是决定何时投资、投资什么样的新洁净室，在决策时成本的作用比以往任何时候都显得更加突出。
洁净室制造商Clean Rooms International 公司总裁Nelson Werkema说，对一些公司来说，降低价格是业务发展的必然趋势。他说：“许多行业的公司已经达到了预期的洁净要求，因此，当前的首要任务是降低运作成本，特别是在你开始建造一个新洁净室时，更应该如此。”
技术的发展与需求密不可分。CH2M Hill公司技术总监Michael O‘Halloran说：“随着时间的推移，洁净室HEPA过滤器设计和其他技术采用更低的压降，同时，越来越多的人开始使用高效率的电机。正因为使用了这些新技术，我们今天设计的洁净室的节能效率比以前高许多。”
O‘Halloran还特别拿出德州仪器公司（TI）坐落在美国德克萨斯州Richardson刚刚竣工的新厂房的例子作为佐证，这是CH2M Hill公司近期才完成的一个项目。这座“环保”晶片工厂的造价为1.8亿美元，这个价格比TI于上世纪九十年代末在达拉斯建成的工厂低很多。这里生产出来的晶片，价格远远低于任何一家美国以外的工厂，具有很强的竞争力。
为了达到降低成本和提高能源使用效率的目的，设计小组缩小了洁净室的尺寸，把它从过去常见的三层结构缩小成两层结构，这样做能够减少和节约大量的空间和能源。而使用的水管更粗，弯头更少，这样就减少了摩擦损失，可以用较小的水泵，节约更多的能源。使用最新的太阳能技术，例如，使用涂有白色反射涂层的屋顶，减少热量。这些办法，连同空气的自然循环、冷却和补充等创新方法，大大降低了全热，所以TI可以不使用工业空调。
O‘Halloran说：“这座工厂的落成是个里程碑。每个人都非常关心怎样才能有效地节约能源，这些创举预示着洁净室设计未来的发展方向。”
对一些行业而言，有效地控制成本是业务持续发展的决定因素。美国洁净室系统公司运营经理charlie castaneda说：“大型洁净室需要消耗大量的能源。一直以来，运营成本都是所有洁净室运营商所要考虑的重点，但是，洁净室动力成本的上升会引来更多的关注，问题也更严重。”美国洁净室系统公司总部设在美国加利福尼亚州Santa Margarita，专门从事模块式洁净室的设计业务。
美国加州能源管理委员会颁发了更严格的能源使用法规，此举迫使设在加州的工厂在有效控制不断上升的能源开支方面将面临着严峻的考验。这些问题交织在一起，对今年洁净室设计产生了巨大的影响。castaneda说：“制造商只要一看到能源价格，就很想知道如何应对。”
降低开支将意味着设备制造商和洁净室设计人员将不再把主要精力放在技术创新上，而是把重点放在客户的财务目标上。

空气处理效率
在洁净室环境里，一个可以节省开支的地方是在风机过滤器系统（FFU）。CRI公司副总裁兼工程总监Keith Weber说，在FFU市场，人们考虑得更多的是价钱是否便宜，而不是在工艺系统中有效地控制总体空气管理的方法。他说：“这或许只属于高档、成熟的控制系统的市场。但是，控制系统易于安装和检修，可靠、可以按用户的要求设计，价钱比较便宜，而且还可以把它整合到现有的系统中去，这些都非常有吸引力。”
Werkema认为较小的洁净室尤其需要价格更合理的FFU系统。他说：“使用20到50个FFU的洁净室的制造商不是主流制造商，主流制造商把力量集中在规模更大的业务上。我们注意到，市场需要一个更有效的成套控制技术。”
而且，由于能源成本越来越高，所有的公司来都在积极寻求减少能源使用、提高能源效率的方法。Weber说：“根据目前的燃油价格，洁净室的运作成本创下了新的历史记录。”
许多公司正在转向一种自动FFU系统，它可以在不使用时关掉相应的组件以节约电力。他说：“在需要时以最大功率或者接近最大功率的状态运行FFU，而在不需要时把它们关掉，这样做不仅可以节约电力，还可以延长过滤器的使用寿命。”
随着变频驱动器（VFD）和双向可控硅开关（它们可以使用单相小马力低功率的发动机工作，而在过去，它们只能用三相交流电或者直流控制器工作）的问世，给下一代FFU带来了发展契机。Weber说：“大型电气元件制造商似乎忽视了这一点。然而，小型而且富有创新精神的电子产品制造商看到了它的潜力，并且在大力推动它的发展。”

风扇壁上的风扇
有迹象表明，由多个风扇组成的风扇组阵（图1）正在逐步取代传统的单个风扇的方法。Huntair公司是一家高性能气流产品供应商，它研制出一种被称为“风扇壁”的新技术，在美国全面推广，用在新建的洁净室和用来改造现有的洁净室。Huntair公司研究与发展总监Larry Hopkins说，风扇壁把往外送给空气处理器的空气分成若干个小气流，这样做既可以提高可靠性，又可以改进效率。Hopkins说：“对使用传统的单风扇来说，只要一个风扇坏了，整个系统就垮了；有了风扇壁，一个风扇坏了，还有别的风扇可供使用。大部份用户的风扇壁都具有10%冗余能力。这样，他们就可以在风扇出现故障时，从容地处理故障，而不必担心会影响到洁净室的正常运作。”
Hopkins还提到，有了风扇组阵，洁净室运营商就可以充分发挥整个系统的作用，适应诸如改变过滤器的洁净度和在不影响风扇效率的情况下调节气流速度之类问题的要求。在使用单个风扇时，甚至在效率很高的情况下，当负载较低时，风扇越大就意味着越浪费。而在使用风扇壁的环境下，工作人员可以关掉个别风扇，而余下的风扇将以最高的速度运作（图2）。
Hopkins说，在运作中减少风扇的数量，保持稳定的速度，这是一种非常实际有效的方法，Huntair公司的一个客户发现，使用两组由九个风扇组成的风扇壁比使用两个更大的风扇更经济、更有效，这样做每年至少可以节省下40万美元的能源成本。
M&W Zander美国公司负责电子产品业务的高级副总裁John Frank说，人们对释放热量的态度的改变也会影响到能源价格的波动。他说：“我们对用冷却水和空气冷却或者热交换器进行散热的方法进行对比，发现水的冷却能力要高于空气。”

对空闲的洁净室进行改造

许多专家非常关注出现在洁净室内部的技术变化。除此之外，他们还注意到，洁净室环境的外形和尺寸规格也出现了变化。例如，castaneda提到的把设备平台整合到洁净室设计里的趋势（图3）。他说：“在洁净室上面的综合结构平台有两重作用。首先，它在洁净室的上方形成一个盖子；其次，它专门划出一个空间，用来存放空调设施和其他暂时用不到的设备和部件。”castaneda认为，由于洁净室的空间越来越有限，人们迫切需要更多的存放东西的地方，与此同时，各个公司已经不能再象前几年那样为洁净室提供庞大的空间。他说：“在过去，这些公司的仓库的面积有五万平方英尺。而现在，他们必须用两万平方英尺的空间来存放同样多的东西。如果把顶部利用起来，你甚至可以在更小的空间里存放更多的东西。”
在加州，关于能源使用的严格规定，迫使一些公司把部分传统业务迁到其他对洁净室建筑没有严格限制的地方。castaneda认为加州是对建造新工厂限制最严格的地方之一。他说：“对洁净室来说，其他任何一个州都没有加州那么严格。在加州，建造和运作洁净室的难度更高，价格也更高。”

Atmos-Tech Industries公司销售与市场推广经理Shaun Brower说，在加州，洁净室运作所遇到的难题，以及洁净室业务向海外发展，这给美国西海岸一带留下了很多空置的洁净室不动产。Atmos-Tech Industries公司总部设在美国新泽西州的Ocean，专门从事洁净室的设计和生产制造。他说：“许多洁净室都空了，尤其是在硅谷。即使是大型的制药公司，也纷纷开始裁员，甚至放弃业务。”结果就出现了许多闲置的洁净室，其中相当一部份埋没在比较大的共用空间里，不能用作其他用途。
然而，如果闲置的洁净室是独立的，那么，其他洁净室行业就可以利用这一点，接管已经建造好的洁净室，只要对它们做一些微小的改造就可以使用。
举个例子，总部设在华盛顿州西雅图市的洁净室制造商Advanced Technology Construction公司总裁Tony Sieger在俄勒冈和华盛顿就看到大量专门从事生命科学研究的公司搬进了闲置的微电子洁净室，并且根据自己的要求对它们进行改造。一个相关的例子，就是在华盛顿州的一家生命科学公司最近成功地接管并且改造了一座占地达20英亩的空闲的工厂，并且根据自己的要求对它进行改造。Sieger说，像这样的改造并不复杂，而且这些州的政府部门也在鼓励这种变化，这样可以增加地方财政的税收。把微电子行业使用的洁净室空间改造成符合生命科学研究使用的空间，通常包括，把由架空的带有出入孔的地板系统改造成一个表面平整的地板形式，以防止其成为微生物污染物的藏身之处。在一般情况下，过滤系统和空气处理系统可以基本保持不变，它只需对气流、过滤器和监测系统做一些简单而

必要的调整，使之符合新的生产要求。

作好计划节省费用
Advanced Technology Construction公司在过去的几年里遇到许多关于空置的洁净室改造的业务，Sieger预测在不久的将来同样也会有许多这样的机会。他还希望能够从客户那里听到更多有关如何在新洁净室里提高灵活性和降低价格的意见和要求。
然而，他们需要的灵活性不仅局限于尺寸规格和价格。许多洁净室管理人员希望在不久的将来，他们能够得到更适应生产能力需要的洁净室。
Sieger说：“在过去，洁净室的目标只有一个，因此洁净室在建造时只考虑到某种非常具体的功能，例如，只是用来生产六英寸晶片。现在，客户的需求就不再是那么单一了，他们要求能够在不需要进行大规模重建的情况下，扩大生产规模。”
迅速而有经济有效地进行改造的能力代表着2006年洁净室发展的新动向。如果制造商需要建造一条用来生产十二英寸晶片的生产线，那么这家公司会把将来扩建为十四英寸晶片的生产线所需的所有的工具和制造能力都考虑进去。与此相似的是，如果这家公司需要一个1000级（ISO 6级）的洁净室环境时，它就需要建造一个10级（ISO 4级）的基础设施。Sieger说：“现在，你必须充分考虑到将来业务增长的需要。”

所有的制造商都很清楚，只要你充分预见到未来的需要，就可以大大地降低洁净室的建造成本。Sieger的许多客户都要求Sieger的设计人员以满足10级的隔断、地板和气流的要求来建造100级（ISO 5级）洁净室，同时，在这些洁净室中加入供气管道系统、铜导管和分离的配线。他说：“这样，当他们打算扩大生产线时，只需要支付极低的成本就可以实现这个目标。你只要为额外的材料和早期的准备工作付出很少的一点钱就可以了，而用不着关闭洁净室，把墙壁拆掉，进行较大的改造，而这样做的代价是非常高的。”
在建造洁净室时，能够充分地考虑到未来的发展趋势，制造商可以更灵活地做出改变，在不必在进行大规模重建的基础上升级洁净室。

设计的第一步
在许多行业，在新的产品设计或者更严格的政策法规的推动下，各个公司开始在洁净室里进行一些尝试。这些新产品和新法规对洁净室的洁净度提出了更高的要求。在这些例子中，业务发展采用更谨慎的办法。
早在2004年，美国药典（USP）公布的一个关于复合无菌产品（CSP）的新标准就已经开始生效了。美国食品与药物管理局强制推行这个新的USP 797标准，它有一部份是专门针对与家用无菌药品有关的无菌准备。在这些法规颁布之前，这些产品可以在传统的实验室里做。然而，在修订过的USP 797法规下，任何配备了无菌准备的设置都必须能够达到洁净室性能的要求。
这就意味着要求准备、储备和配备了CSP的制药厂、医院，以及其他工厂必需在洁净室环境下处理这些产品，以防止它们受到污染。Brower说，制药部门已经开始在与过时的工厂、有限的空间和药剂师的短缺的情况作斗争，他们发现要遵守这些新标准极其困难。他说：“在此之前，制药厂和医院根本不必去考虑洁净室的问题，而现在就不行了。”
大多数工厂以前在洁净室技术方面没有什么经验，而且，他们也没有地方、钱或者相关的知识在现场搭建一个洁净室环境。Brower说：“许多客户找到我们，跟我们说‘我们必须达到797标准的要求，但是我们不知道该怎么做’。”有个办法对他们中的大部分人来说都适用，那就是模块式洁净室和工作台。
Werkema说，许多洁净室设计人员注意到出现许多工作台方面的业务。他说：“由于兴建一座大型洁净室的成本很高，而高等级的工作台需要的空间很少，你可以在这个区域内完成大量的操作，这样做更经济、更有效。”
对制药厂和医院来说，有了这种工作台，他们就可以达到797规定的要求，而无需花大价钱对现有的洁净室空间进行改造、扩建，或者对人员进行繁杂的培训。事实上，他们可以在移动工作站里准备CSP，这些工作站的平均长度只有七英尺，适合现有的实验室。

在各个行业，工作台也越来越受到人们的欢迎，它只需要使用低级的洁净室进行大部分的操作，只有极少数关键性的工作需要在较高级别的洁净环境中完成。Werkema说：“在这些例子中，你不是需要兴建一个完整的新洁净室，就是需要在制造区域里打造出一个干净的空间。” Werkema的公司最近刚刚为一家蜂窝技术公司在大空间设计里建造了一条工作站的组装生产线，这家公司需要大量小型的洁净室，不想投资兴建一座全部为洁净室的建筑。

软墙结构提供快速安装
Werkema说，许多行业都面临着来自美国国外地区的竞争以及经济的改变所带来的巨大冲击，现在要想兴建一座全部为洁净室的建筑意味着将要冒很大的风险。他说：“自9-11事件之后，许多第三级和第四级供应商对未来缺乏足够的信心。他们甚至不知道自己的客户在不久的将来是否还能够继续维持下去。”
这种不确定性的在各个行业蔓延开来，形成对临时性的软墙洁净室的需求。与传统洁净室相比，这种洁净室可以在很短的时间内完成组装和拆卸，同时，它的投资回报也要高得多（图4）。Werkema说：“这些公司正在建设一些短期的洁净室，而不是长期洁净室。”
Weber说：“软墙的使用寿命很短。它是一个只要组装起来就可以马上使用的办法，可以为短期项目提供一个比较干净的环境。用户接受了这种方法之后，一旦他们需要购买使用时间更长的结构，接受起来会更容易。”
模块式系统对时间紧张的公司来说非常有吸引力，它可以在很短的时间内做出在什么地方进行投资的决定。AdvanceTEC公司负责合作伙伴管理的Tim Loughran说：“许多公司没有像过去一样过早地启动洁净室项目，模块式系统的建造时间要比以前短很多，这是因为你可以在为兴建这座工厂做准备工作时同时生产面板。这样可以把建设周期缩短一半。”AdvanceTEC 公司总部设在美国弗吉尼亚州Richmond，该公司主要从事洁净室的设计和建造业务。
Loughran说，对许多公司来说节约时间能够产生巨大的效益，但是，随着质量的改进，直到最近才在制业行业真正显现出它的作用。最新的模块式面板采用高质量PVC涂层制成，它能够经受住苛刻的清洁剂和环境的考验，在这方面它的作用与环氧树脂相当，因此，现在它们可以适合制药环境使用。
Loughran说：“早在三年前，制药公司只知道洁净室里用的是干式墙和板墙筋。”这说明转向新的结构需要很长的时间和规划。他说：“现在，我们最终采用的是模块系统，它可以达到清洁方案所要求的性能标准的要求。”

纳米技术逆势而动
就在所有这些行业在与价格、产量和收入作斗争的时候，纳米技术一枝独秀。洁净室产业在这一领域不断投入大量资金进行研究。
不管所有其他领域的经济发展趋势如何，各个公司都在积极地推进新的纳米产品的研制，完全不考虑降低成本和能源使用的要求。各种可能的纳米技术得到长足的发展，令人振奋。而且政府机构和大学也纷纷加入到新的纳米技术产品的研究队伍中来，并且因此组建了许多公司，它们都需要洁净室工厂。Loughran说：“现在用于纳米技术研究的资金非常充裕。”
Frank还特别提到，M&W Zander公司发现在过去的两年里各种纳米结构的项目增长非常迅速，而且，仅在2005年的一年时间里，就有一百多万平方英尺用于纳米研究的工厂建成。
O‘Halloran认为，就一些行业而言，比如半导体行业，用纳米技术进行生产是大势所趋。他说：“在100纳米内都属于纳米技术的范畴，而半导体行业在几年前就已经开始使用纳米技术了。”他说，最近半导体行业用纳米技术来做最商业化的工作，而它将促使这个行业把更多注意力放在如何解决空气分子污染（AMC）的问题上。AMC问题迫使人们更加关注空气处理系统和再循环系统，以及建筑材料的释气作用。O‘Halloran解释道：“问题并不严重。当公司向更小的尺寸进发时，一旦发现问题，就设法找到源头并解决掉。到目前为止，还没有对这个问题进行全行业调查。”
对其他行业来说，纳米研究为产品向前发展开辟了一种崭新的领域，在今天的市场上，这些产品大部份都是独一无二的。大部分从事纳米技术研究的公司还处在研究阶段，他们在最初级的洁净室环境下工作，这些洁净室不是非常干净。随着这个行业的发展，他们需要更干净的洁净室。Loughran说：“今天的纳米技术工厂几乎再现了15年前微电子工厂的发展历程。”
其中有一部分原因是这些产品还没有作好市场化的充分准备，不需要面对象市场上所销售的那些产品一样严格的环境质量，还有部分原因是他们不知道需要使用什么样的洁净室环境来进一步促进生产。许多其他洁净室行业在洁净室环境里有严格的规定和控制，与这些行业不同的是，纳米技术还很新，就是这个领域的专家也不十分确定需要使用哪一种洁净室。
考虑到未来需求的不确定性，M&W Zander公司注意到了对关键性能的灵活性方面的要求，例如，可否与不同用户整合在一起，在不影响生产的情况下实行改造的能力，交叉污染的控制和压力等级。
castaneda发现许多客户都是请专业的设计工程师来制定洁净室环境的技术要求。他说：“这样做非常重要。他们意识到自己缺乏专业知识，而且，如果在一开始的规划中没有太多细节，他们就可以加快项目的进度。如果把这方面的工作交给我们，他们就能够轻松些。”
然而，随着纳米行业日渐成熟，人们希望能够得到更高的回报，这种情况将会改变。Loughran说：“从起步到进入量产，他们必须考虑如何才能形成规模生产。”他预测，纳米行业将取得与半导体行业一样的地位，而且未来的十年将是纳米行业蓬勃发展的十年。他说：“在这些刚成立的公司当中将有一家公司会成为未来的Intel。看着它如何取得成功会是件非常有意思的事情。”