Kurs:Räumliche Modellbildung/Gruppe Nr18

Cleanroom

Ein Rein- oder Cleanroom ist ein Raum, in dem die Konzentration luftgetragener Teilchen sehr gering gehalten wird. Reinräume werden für spezielle Fertigungsverfahren – vor allem in der Halbleiterfertigung – benötigt, wo in gewöhnlicher Umgebungsluft befindliche Partikel die Strukturierung integrierter Schaltkreise im Bereich von Bruchteilen eines Mikrometers stören würden. Weitere Anwendungen von Reinräumen oder Reinraumtechnik finden sich in der Optik- und Lasertechnologie, der Luft- und Raumfahrttechnik, den Biowissenschaften und der medizinischen Forschung und Behandlung, der Forschung und keimfreien Produktion von Lebensmitteln und Arzneimitteln und in der Nanotechnologie.

Funktionsweise

Ein Reinraum wird so konstruiert, dass die Anzahl luftgetragener Teilchen, die in den Raum eingebracht werden oder dort entstehen, so gering wie möglich ist. Je nach Verwendung wird nur die Partikelanzahl oder auch die Anzahl der Keime überwacht, wie dies beispielsweise bei der Herstellung pharmazeutischer Produkte nötig ist. Andere Parameter wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Druck werden in der Regel ebenfalls konstant gehalten, um jederzeit vergleichbare Bedingungen zu schaffen.

Um die geforderten Bedingungen herzustellen, werden diverse Verfahren angewendet, um zu verhindern, dass unerwünschte Partikel in die Luft gelangen können und um bereits in der Luft befindliche Partikel wieder zu entfernen.

Da in der Regel der Mensch die größte Quelle für Partikel und andere Verschmutzungen ist, helfen eine angepasste Arbeitskleidung, spezielle Arbeitsmittel und Werkzeuge, sowie die entsprechende Arbeitstechnik, die spezifizierte Reinraumklasse einzuhalten. So gibt es beispielsweise spezielles fusselfreies Reinraumpapier, Reinraumkleidung, Kopfhauben und Überzieher für die Schuhe.

Materialien, die in Reinräumen eingesetzt werden, müssen über abriebfeste Oberflächen verfügen. Aufgestellte Anlagen und Geräte dürfen die laminare Luftströmung nur minimal stören. Teile und Maschinen, die in den Reinraum gebracht werden sollen, müssen vorher gereinigt werden. Ein Reinraum wird im Regelfall mit Überdruck (Überdruckbelüftung) betrieben.

Auch sogenannte Laminar-Flow-Einheiten können bedingt staub- und partikelarme Arbeitsplätze schaffen, in denen ein gereinigter, vertikaler oder horizontaler Luftstrom sowie Vorhänge dafür sorgen, dass die Partikelkonzentrationen in der Luft und damit die Partikelablagerungen auf dem Produkt reduziert werden.

Die verwendeten Verfahren und Anlagenarten der Klimatechnik sollen sicherstellen, dass Verunreinigungen sofort aus der Luft entfernt werden. Dazu wird eine turbulenzarme Verdrängungsströmung (Laminarströmung, engl. laminar flow) genutzt. Zusammen mit einer in der Regel mehrstufigen Filterung und großem Luftdurchsatz soll die Reinheit der Luft sichergestellt werden.

Strömungsprinzipien für Reinräume

Es wird grundsätzlich zwischen einer turbulenten Verdünnungsströmung und einer turbulenzarmen Verdrängungsströmung unterschieden:

• Bei der turbulenten Verdünnungs- oder Mischströmung wird die gefilterte Reinluft turbulent (verwirbelnd) in den Reinraum eingeführt und erzeugt eine stetige Verdünnung der Partikelkonzentration. Die geforderte Reinraumklasse wird dann bei reinraumgerechtem Verhalten des Personals aufrechterhalten. Hier ist besonders darauf zu achten, dass Partikel erzeugende Objekte und Vorgänge im Reinraum minimiert werden.
• Bei der turbulenzarmen Verdrängungsströmung, die auch „lamianr flow genannt wird, strömt die Reinluft turbulenzarm und in der Regel vertikal abwärts in den Reinraum und bewirkt, dass die sensiblen Arbeitsbereiche und Maschinen möglichst gering kontaminiert werden. Die Luft entweicht dann auf der gegenüberliegenden Fläche, in der Regel durch den perforierten Doppelboden, aus dem Raum und wird zur wiederholten Filterung zum Umluftgerät zurückgeführt.

Strömungsprinzip „turbulenter Reinraum“

Strömungsprinzip „Laminarströmungs-Reinraum“

Modellierungsablauf

Das Modell

Hier wird ein Reinraum modelliert, der als Arbeitsfläche bzw. Werkbank dienen soll. Dabei handelt es sich um einen etwa 2m x 1m großen Glaskasten (Hier: Vereinfachung in 2D als Querschnitt), der mit drei Röhren an der Decke, die zur Lufteinströmung dienen, ausgestattet ist (siehe Abb.1). Daneben sind in den unteren Ecken die beiden Ausflüsse abgebildet. In der Mitte der Aparatur, wird ein Objekt (Hier: Erlenmayerkolben) simuliert, aus welchem ein Gas austritt.

Abb.1 Modellaufbau Reinraum erstellt mit COMSOL Multiphysics

Rahmenbedingungen

• Reservoir als Einstromquelle das Luft mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten einströmen lassen kann, wobei die drei Röhren die Luft beschleunigen
• Geschlossenes Gebiet mit No-Slip-Boundaries am äußeren Rand des Gebiets und am inneren Rand des Kolbens
• Laminare Strömung
• Ausströmendes Gas am oberen Rand des Kolbens
• Ausstrom ohne festgelegte Bedingungen (kein Rückfluss, keine äußeren Einwirkungen)

Modellierungszyklus 1 - Fluss mit masselosen Teilchen

Gitterpunkte zur Approximation erstellt mit COMSOL Multiphysics

Untersuchungsgegenstand

• Wir betrachten hier zunächst masselose Teilchen, die aus dem Kolben ausströmen und beobachten den Teilchenfluss und eine mögliche Verwirbelung
• Diffusion eines z.B. giftigen oder explosiven Gases innerhalb ders Reinraums

Ergebnisse des Modellierungszyklus 1

Im Nachfolgenden werden unterschiedliche Einlassgeschwindigkeiten im Zusammenhang mit der Auslassgeschwindigkeit aus dem Kolben simuliert.

Parameterstudie:

vin1 in [m/s]	vin2 in [m/s]	mittlere Geschwindigkeitskomponente in x – Richtung über Ausfluss 1 in [m/s]	mittlere Geschwindigkeitskomponente in y – Richtung über Ausfluss 1 in [m/s]	mittlere Geschwindigkeitskomponente in x – Richtung über Ausfluss 2 in [m/s]	mittlere Geschwindigkeitskomponente in y – Richtung über Ausfluss 2 in [m/s]	mittlere Geschwindigkeit über die Ausflüsse in [m/s]
0,5 2 3,5 5 6,5 8 9,5 11 12,5 14	0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5	1,922 7,5473 13,179 18,814 24,446 30,079 35,712 41,346 6,979 56,369	0,044374 0,17158 0,29889 0,42369 0,54729 0,6742 0,80121 0,92828 1,0557 1,2644	1,978 7,796 13,609 19,42 25,233 31,045 36,856 42,667 48,479 58,164	0,01431 0,036978 0,060413 0,084867 0,10678 0,12873 0,14894 0,16728 0,18433 0,2203	1,9781 7,7961 13,6091 19,4202 25,2332 31,0453 36,8563 42,6673 48,4794 58,1644

Parameterstudie:

Durchlauf	Geschwindigkeitswerte	Beobachtung	Ergebnis Comsol
Durchlauf 1	Einlassgeschwindigkeit der Luft vin1= 2 m/s Einstromgeschwindigkeit des Gases vin2= 0.5 m/s	Bei konstanter Einstromgeschwindigkeit des Gases und einer unwesentlich höheren Einlassgeschwindigkeit der Luft wird die Geschwindigkeit in den Röhren auf 10 [m/s] beschleunigt, sodass die Teilchen dem Fluidfluss folgen und ausströmen, wobei dennoch einige am Rand anhaften und nicht ausströmen.
Durchlauf 2	Einlassgeschwindigkeit der Luft vin1= 5 m/s Einstromgeschwindigkeit des Gases vin2= 0.5 m/s	Bei konstanter Einstromgeschwindigkeit des Gases und einer 10-Fach höheren Einlassgeschwindigkeit der Luft wird die Geschwindigkeit in den Röhren auf 25 [m/s] beschleunigt, sodass die Teilchen noch immer dem Fluidfluss folgen und ausströmen. Allerdings hat sich die Bewegung der Partikel auf den Bahnen geändert und es wird erkennbar, dass weniger Teilchen am Rand anhaften.
Durchlauf 3	Einlassgeschwindigkeit der Luft vin1= 11 m/s Einstromgeschwindigkeit des Gases vin2= 0.5 m/s	Bei konstanter Einstromgeschwindigkeit des Gases und einer 10-Fach höheren Einlassgeschwindigkeit der Luft wird die Geschwindigkeit in den Röhren auf 60 [m/s] beschleunigt, sodass die Teilchen noch immer dem Fluidfluss folgen und ausströmen. Allerdings hat sich die Bewegung der Partikel auf den Bahnen geändert und die Teilchen strömen konzentrierter und mit einer deutlich höheren Geschwindigkeit aus.

Zusammenfassung: Bei Erhöhung der Einlassgeschwindigkeit, kann eher garantiert werden, dass „alle giftigen Teilchen“ (schneller) ausströmen.

Parameterstudie:

vin1 in [m/s]	vin2 in [m/s]	mittlere Geschwindigkeitskomponente in x – Richtung über Ausfluss 1 in [m/s]	mittlere Geschwindigkeitskomponente in y – Richtung über Ausfluss 1 in [m/s]	mittlere Geschwindigkeitskomponente in x – Richtung über Ausfluss 2 in [m/s]	mittlere Geschwindigkeitskomponente in y – Richtung über Ausfluss 2 in [m/s]	mittlere Geschwindigkeit über die Ausflüsse in [m/s]
0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5	0,5 2 3,5 5 6,5 8 9,5 11 12,5 14	1,922 2,063 2,1521 2,2571 2,3601 2,465 2,5713 2,6753 2,7828 2,9674	0,04437 0,04784 0,04261 0,03747 0,03158 0,02561 0,02074 0,01405 0,00838 0,00096	1,978 2,0853 2,2462 2,3912 2,5382 2,6833 2,827 2,973 3,1155 3,3476	0,01431 0,015124 0,016582 0,018374 0,019076 0,019623 0,019021 0,019233 0,01906 0,018835	1,9781 2,0854 2,2463 2,3913 2,5383 2,6834 2,8271 2,9731 3,1156 3,3477

Parameterstudie:

Durchlauf	Geschwindigkeitswerte	Beobachtung	Ergebnis Comsol
Durchlauf 1	Einlassgeschwindigkeit der Luft vin1= 0.5 m/s Einstromgeschwindigkeit des Gases vin2= 2 m/s	Bei konstanter Einlassgeschwindigkeit der Luft und einer höheren Einstromgeschwindigkeit des Gases wird der Strom in den Röhren nurnoch auf etwa 2,5 [m/s] beschleunigt, demnach haften mehr Teilchen am Rand an und der Ausfluss folgt auf unregelmäßigen langen Bahnen.
Durchlauf 2	Einlassgeschwindigkeit der Luft vin1= 0.5 m/s Einstromgeschwindigkeit des Gases vin2= 5 m/s	Bei konstanter Einlassgeschwindigkeit der Luft und einer höheren Einstromgeschwindigkeit des Gases wird der Strom in den Röhren nur noch auf etwa 2,5 [m/s] beschleunigt. Bei einer 2-fach höheren Einstromgeschwindigkeit des Gases, haften noch mehr Teilchen am Rand an und der Ausfluss folgt auf unregelmäßigeren längeren Bahnen. Das heißt die Teilchen werden zum Teil noch verwirbelt und strömen wieder nach oben, bevor sie ausströmen.
Durchlauf 3	Einlassgeschwindigkeit der Luft vin1= 0.5 m/s Einstromgeschwindigkeit des Gases vin2= 11 m/s	Bei konstanter Einlassgeschwindigkeit der Luft und einer höheren Einstromgeschwindigkeit des Gases wird der Strom in den Röhren nurnoch auf etwa 2,5 [m/s] beschleunigt. Bei einer 4-fach höheren Einstromgeschwindigkeit des Gases, ist der Ausfluss der Teilchen deutlich geringer und es haften nicht nur Teilchen am oberen Rand an, sondern auch an den unteren Rändern.

Zusammenfassung: Bei erhöhter Ausstromgeschwindigkeit entstehen Verwirbelungen der Teilchen, weniger Teilchen Verlassen den Raum und fliegen auf längeren Bahnen durch den Raum.

Modellierungszyklus 2 - Fluss mit massebehafteten Teilchen mit Betrachtung der Trägheitskraft

Untersuchungsgegenstand

AH: wie modelliert man massenbehaftete Teilchen (physik Gesetz, DGL ?)

• Hier betrachten wir nun massebehaftete Teilchen, die aus dem Kolben ausströmen und beobachten den Teilchenfluss und eine mögliche Verwirbelung
• Diffusion eines z.B. giftigen oder explosiven Gases innerhalb der Kammer
• Außerdem beinhaltet unser Modell die Trägheitskraft

Wirkende Kräfte und Beziehungen im Modell

Zunächst ist zu beobachten, dass die Strömungsgeschwindigkeit anwächst, wenn beispielsweise eine Verengung stattfindet (siehe 3 Röhren oder im Ausfluss). Dabei gilt die Erhaltung des Volumenstroms eines inkompressiblen Fluids bei Änderung des durchströmten Querschnitts.

Ergebnisse des Modellierungszyklus 2

Im Nachfolgenden werden unterschiedliche Einlassgeschwindigkeiten im Zusammenhang mit der Auslassgeschwindigkeit aus dem Kolben simuliert.

Parameterstudie:

Durchlauf	Geschwindigkeitswerte	Beobachtung	Ergebnis Comsol
Durchlauf 1	Einlassgeschwindigkeit der Luft vin1= 2 m/s Einstromgeschwindigkeit des Gases vin2= 0.5 m/s	Bei konstanter Einstromgeschwindigkeit des Gases und einer 4-fach höheren Einlassgeschwindigkeit der Luft ist eine ähnliche Geschwindigkeit, wie in M1 in den Röhren zu beobachten. Allerdings bleiben nun mehr Teilchen , auf Grund der höheren Masse, am Rand anhaften. Zudem strömen einige Teilchen erst gar nicht aus.
Durchlauf 2	Einlassgeschwindigkeit der Luft vin1= 5 m/s Einstromgeschwindigkeit des Gases vin2= 0.5 m/s	Bei konstanter Einstromgeschwindigkeit des Gases und einer 10-fach höheren Einlassgeschwindigkeit der Luft ist eine ähnliche Geschwindigkeit, wie in M1 in den Röhren zu beobachten. Allerdings bleiben nun ähnlich wie oben einige Teilchen, auf Grund der höhren Masse am Rand anhaften. Außerdem kann beobachtet werden, dass die Teilchen nicht mit der höchsten Geschwindigkeit ausströmen, sondern im Vergleich zum Luftausstrom noch abgebremst werden.
Durchlauf 3	Einlassgeschwindigkeit der Luft vin1= 11 m/s Einstromgeschwindigkeit des Gases vin2= 0.5 m/s	Bei konstanter Einstromgeschwindigkeit des Gases und einer 22-fach höheren Einlassgeschwindigkeit der Luft ist eine ähnliche Geschwindigkeit, wie in M1 in den Röhren zu beobachten. Allerdings bleiben nun ähnlich wie oben einige Teilchen, auf Grund der höheren Masse am Rand anhaften. Was nun beobachtet werden kann ist, dass sobald die Teilchen, die nicht am Rand haften bleiben in den Strom aus den Röhren gelangen auf einer konzentrierten Bahn auströmen.

Parameterstudie:

Durchlauf	Geschwindigkeitswerte	Beobachtung	Ergebnis Comsol
Durchlauf 1	Einlassgeschwindigkeit der Luft vin1= 0.5 m/s Einstromgeschwindigkeit des Gases vin2= 2 m/s	Bei konstanter Einlassgeschwindigkeit der Luft und einer 4-fach höheren Einstromgeschwindigkeit des Gases ist eine ähnliche Geschwindigkeit, wie in M1 in den Röhren zu beobachten. Auch die Teilchenbahnen ähneln den masselosen Teilchen, wobei nun einige der Teilchen auf der Strecke hin zum Ausstrom stagnieren und mit einer geringeren Geschwindigkeit als in M1 ausströmen.
Durchlauf 2	Einlassgeschwindigkeit der Luft vin1= 0.5 m/s Einstromgeschwindigkeit des Gasesvin2= 5 m/s	Bei konstanter Einlassgeschwindigkeit der Luft und einer 10-fach höheren Einstromgeschwindigkeit des Gases ist eine ähnliche Geschwindigkeit, wie in M1 in den Röhren zu beobachten. Hier lässt sich zusätzlich noch beobachten, dass einige der Teilchen verwirbeln und erst danach ausströmen oder haften bleiben.
Durchlauf 3	Einlassgeschwindigkeit der Luft vin1= 0.5 m/s Einstromgeschwindigkeit des Gasesvin2= 11 m/s	Bei konstanter Einlassgeschwindigkeit der Luft und einer 20-Fach höheren Einstromgeschwindigkeit des Gases ist eine ähnliche Geschwindigkeit, wie in M1 in den Röhren zu beobachten. Hier lässt sich zusätzlich noch beobachten,dass nur noch wenige Teilchen ausströmen und eine große Anzahl direkt am oberen Rand anhaften bleibt.

Zusammenfassung: Es wird erkennbar, dass deutlich mehr, beziehungsweise weniger Teilchen den Raum verlassen, da diese nicht unmittelbar den Stromlinien folgen.

Modellierungszyklus 3 - Fluss mit Betrachtung der Diffusion

Untersuchungsgegenstand

Beobachtung, inwiefern sich die Konzentration von 250 mol/m^3 zum Zeitpunkt des Ausstroms in Abhängigkeit von der Zeit hin zum Ausfluss ändert.

Ergebnisse des Modellierungszyklus 3

Durchläufe	Beobachtung	Ergebnis Comsol
Durchlauf 1	In diesem Schritt wurde das Netz verfeinert und weitere Randbedingungen festgesetzt, sodass die Diffusion den Stromlinien folgt, d.h. es ist erkennbar, dass sich die Konzentration von 250 mol/m³ im Einstrom im Gebiet unterschiedlich verhält und abgeschwächt wird. Die Konzentration ist also entlang der Stromlinien stärker und wird so zum Ausfluss transportiert
Durchlauf 2	Im Vergleich zum ersten Bild wurde die Randbedingung geändert, sodass nun der Einstrom in die Richtung der Normalen erfolgt und somit die Konzentration zu Beginn stärker ist und erst danach wie in Durchlauf 1 den Stromlienien folgt.
Differenzplot	Dieser Plot kennzeichnet die Differenz zwischen Durchlauf1 und Durchlauf 2. Hierbei wird erkennbar, dass besonders am Einstrom die Differenz bezüglich der Konzentration am größten ist.

Zusammenfassung: Die Konzentration ist entlang der Stromlinien stärker.

Ausblick & Alternativen

Alternativ kann man die Anzahl der Röhren in denen die Luft einströmt variieren bzw. erhöhen. Auch ein feineres Netz wäre vorstellbar.
Außerdem kann man auch eine zeitabhängige Studie durchführen.	Fluss mit massenbehafteten Partikeln erstellt mit COMSOL Multiphysics