Švarių patalpų klasės skaičiavimai: dalelių susidarymo greitis iš strypų sandariklių

Įvadas

Nieko nėra labiau frustruojančio švarių patalpų vadybininkui nei stebėti, kaip gamybos proceso metu sparčiai didėja dalelių skaičius. 😤 Esu gavęs daugybę skambučių iš farmacijos ir puslaidininkių gamyklų, kur užteršimas buvo susijęs su vienu nepastebtu šaltiniu: pneumatinio cilindro strypo sandarikliai susidėvėdavo ir išskirdavo mikroskopines daleles į jų nepriekaištingą aplinką.

Strypo sandariklio dalelių susidarymo greitis tiesiogiai veikia atitikimą švarių patalpų klasifikacijai. Standartiniai pneumatiniai cilindrų strypų sandarikliai per vieną eigą susidaro 10 000–100 000 dalelių (≥0,5 μm), o tai yra pakankamai, kad per kelias darbo valandas 100 klasės švari patalpa būtų priskirta 10 000 klasei. Dalelių susidarymo greičio apskaičiavimas apima sandariklio medžiagos nusidėvėjimo, eigo dažnio ir dalelių dydžio pasiskirstymo matavimą, siekiant užtikrinti atitiktį ISO 14644 standartui.

Praėjusį ketvirtį dirbau su Jennifer, įrangos inžiniere medicinos prietaisų gamintojo įmonėje Masačusetse. Jos 1000 klasės švaros patalpa nepaisant griežtų protokolų vis nepavyko gauti sertifikato. Po trijų nesėkmingų auditų, kurių kiekvienas kainavo $15 000, mes nustatėme, kad kaltininkai buvo jos pneumatiniai cilindrai – kiekvienas jų eiga išleisdavo dalelių debesis, kuris užteršdavo jos filtravimo sistemą. Sprendimas? Perėjimas prie bešarnyrinių cilindrų technologijos pašalino 95% jos dalelių susidarymo problemų. Leiskite man parodyti skaičiavimus, kurie išgelbėjo jos veiklą. 🔬

Turinys

• Kokio dydžio daleles iš tikrųjų generuoja strypų sandarikliai?
• Kaip apskaičiuoti dalelių susidarymo greitį per vieną smūgį?
• Kokios švarių patalpų klasės gali toleruoti strypo sandariklio užteršimą?
• Kokios yra geriausios alternatyvos itin švarioms aplinkoms?

Kokio dydžio daleles iš tikrųjų generuoja strypų sandarikliai?

Dalelių dydžio pasiskirstymo supratimas yra labai svarbus, kad būtų laikomasi švarių patalpų reikalavimų – ne visos dalelės yra vienodos. 🔍

Strypų sandarikliai generuoja daleles, kurių dydis svyruoja nuo 0,1 μm iki 50 μm, o didžioji dalis (60–70%) yra 0,5–5 μm dydžio. Šios dalelės susidaro dėl sandariklio medžiagos nusidėvėjimo, tepalų susidėvėjimo ir metalo ir metalo sąlyčio. Labiausiai problematiškos dalelės švarių patalpų klasifikacijai yra 0,5–5 μm dydžio dalelės, nes jos ilgiausiai išlieka ore ir yra specialiai stebimos pagal ISO 14644 standartus.

Dalelių dydžio pasiskirstymas pagal šaltinį

Skirtingi sandariklio komponentai sukuria skirtingus dalelių profilius:

Šaltinio komponentas	Pagrindinis dydžių asortimentas	Iš viso procentinė dalis	Švarių patalpų poveikis
Poliuretano sandariklis	0,5–10 μm	50-60%	Aukštas (oro)
PTFE sandariklis	0,3–5 μm	40-50%	Labai didelis (smulkios dalelės)
Strypo paviršiaus nusidėvėjimas	1–50 μm	10-15%	Vidutinis (didesnės dalelės nusėda)
Tepalo gedimas	0,1–2 μm	15-25%	Kritinis (submikroninis)

Kodėl 0,5 μm yra svarbiausia

ISO 14644 švarių patalpų klasifikacija daugiausia orientuota į daleles, kurių dydis ≥0,5 μm, nes:

1. Skrydžio trukmė: Šio dydžio dalelės lieka suspensijoje valandas.
2. Filtravimo iššūkis: Jie yra pakankamai maži, kad galėtų mesti iššūkį HEPA filtrai¹
3. Produkto užteršimas: Jie yra pakankamai dideli, kad galėtų sukelti defektus tikslioje gamyboje.
4. Matavimo standartas: Dalelių skaitikliai yra kalibruojami pagal šią ribą.

„Bepto Pneumatics“ atlikome išsamius tyrimus dalelių dydžio pasiskirstymas² bandymai su įvairiomis sandarinimo medžiagomis. Mūsų bešarnyrinių cilindrų konstrukcija visiškai pašalina šarnyro sandarinimą, taip visiškai pašalinant šį užteršimo šaltinį – tai yra lūžio taškas švarių patalpų taikymuose. 💡

Realaus pasaulio dalelių generavimo pavyzdys

Prisimenu, kaip dirbau su Thomasu, kokybės vadybininku Kalifornijos puslaidininkių gamykloje. Jo standartiniai 63 mm skersmens pneumatiniai cilindrai 100 klasės švarioje patalpoje atlikdavo 60 ciklų per minutę. Kiekvienas cilindras per vieną eigą generuodavo apie 50 000 dalelių (≥0,5 μm). Veikiant keturiems cilindrams vienu metu:

Bendras dalelių susidarymas = 4 cilindrai × 60 smūgių per minutę × 50 000 dalelių = 12 milijonai dalelių per minutę

Jo švariosios patalpos oro apdorojimo sistema galėjo apdoroti tik 8 milijonus dalelių per minutę, prieš viršydama 100 klasės ribas. Skaičiavimas buvo paprastas: jo cilindrai generavo užteršimą greičiau, nei jo filtravimas galėjo jį pašalinti.

Kaip apskaičiuoti dalelių susidarymo greitį per vieną smūgį?

Paanalizuokime faktinius skaičiavimus, kurie lemia švaros kambario suderinamumą. 📊

Dalelių susidarymo greitis per vieną smūgį apskaičiuojamas matuojant sandariklio nusidėvėjimo tūrį, konvertuojant jį į dalelių skaičių pagal medžiagos tankį ir dydžio pasiskirstymą, tada dauginant iš smūgių dažnio. Formulė yra tokia: $PGR = \frac{W \times D \times F}{\rho \times V_{avg}}$, kur W yra nusidėvėjimo greitis (mg/smūgis), D yra dalelių pasiskirstymo koeficientas, F yra dažnis (smūgiai/min.), ρ yra medžiagos tankis, o V_avg yra vidutinis dalelių tūris.

Išsamus skaičiavimo modelis

1 etapas: Nustatyti sandariklio nusidėvėjimo greitį

Sandariklio nusidėvėjimas priklauso nuo daugelio veiksnių:

$W = k × P × L × μ$

Kur:

• $W$ = Nusidėvėjimo greitis (mg per smūgį)
• $k$ = Medžiagos nusidėvėjimo koeficientas³ (0,5–2,0 poliuretanui)
• $P$ = Darbinis slėgis (MPa)
• $L$ = Stumtelėjimo ilgis (m)
• $\mu$ = Trinties koeficientas (0,1–0,3 tepalinėms sandariklėms)

Skaičiavimo pavyzdys:

• 50 mm skersmens cilindras, poliuretano sandariklis
• Veikia esant 0,6 MPa (6 bar) slėgiui
• 500 mm eigo ilgis
• Trinties koeficientas: 0,15

W = 1,2 × 0,6 × 0,5 × 0,15 = 0,054 mg/smūgis

2 etapas: Konvertuoti nusidėvėjimą į dalelių skaičių

Naudojant medžiagos tankį (poliuretanas ≈ 1,2 g/cm³) ir vidutinį dalelių dydį:

$N = \frac{W \times 10^{-3}} {\rho \times V_{avg} \times 10^{-12}}$

Dalelėms, kurių vidutinis skersmuo yra 2 μm:

• $V_{avg} = \frac{4}{3} \pi (1 \ \mu\text{m})^{3} = 4,19 \times 10^{-12} \ \text{cm}^{3}$

$N = \frac{0,054 \times 10^{-3}} {1,2 \times 4,19 \times 10^{-12}} = 10{,}750 \ \text{dalelių per smūgį}$

3 etapas: Taikykite dalelių dydžio pasiskirstymą

Ne visos dalelės matuojamos vienodai. Taikykite ISO 14644 svorio koeficientą:

Dalelių dydis	Sukurta procentinė dalis	Švaros kambario aktualumas	Svertinis skaičius
0,1–0,5 μm	20%	Neskaičiuojama (100 klasė)	0
0,5–1 μm	35%	Kritinis	3,763
1–5 μm	30%	Kritinis	3,225
5–10 μm	10%	Stebima	1,075
>10 μm	5%	Greitai nusėda	538

Bendras atitinkamų dalelių skaičius (≥0,5 μm) = 8601 per vieną eiga

4 etapas: apskaičiuokite bendrą generavimo greitį

PGR_total = N_relevant × Dažnis × Cilindrų skaičius

Sistemos su 2 cilindrais, veikiančiais 40 smūgių per minutę greičiu, atveju:

PGR_total = 8 601 × 40 × 2 = 688 080 dalelių per minutę

Švarių patalpų talpos palyginimas

Dabar palyginkite tai su jūsų švariosios patalpos dalelių šalinimo pajėgumu:

Pašalinimo greitis = (ACH × kambario tūris × filtro efektyvumas) / 60

Kur:

• ACH = Oro keitimas per valandą (60–90 klasės 100 atveju)
• Filtro efektyvumas = 99,97% HEPA filtrams

Bepto Pneumatics padeda klientams priimti pagrįstus sprendimus. Mūsų inžinierių komanda pateikia išsamius dalelių susidarymo skaičiavimus kiekvienai taikymo sričiai, lygindama tradicinius strypinius cilindrus su mūsų be strypų alternatyvomis. 🎯

Kokios švarių patalpų klasės gali toleruoti strypo sandariklio užteršimą?

Ne kiekvienoje švarioje patalpoje reikalingas toks pats dalelių kontrolės lygis – išsiaiškinkime realias ribas. ⚠️

Standartiniai pneumatiniai strypų cilindrai paprastai yra priimtini ISO 7 klasės (10 000 klasės) ir žemesnio švarumo lygiams, ribotai priimtini ISO 6 klasės (1 000 klasės) su dažna priežiūra ir nesuderinami su ISO 5 klasės (100 klasės) ar aukštesniais be išsamių užteršimo kontrolės priemonių. Dalelių susidarymo greitis iš strypų sandariklių paprastai viršija didžiausią leistiną dalelių koncentraciją kritinėms švarių patalpų klasėms.

ISO 14644 klasifikavimo ribos

Čia pateikiama praktinė suderinamumo matrica:

ISO klasė	Dalelės/m³ (≥0,5 μm)	Suderinamas su strypo cilindru?	Sąlygos/Pastabos
ISO 3 (1 klasė)	1,000	❌ Niekada	Reikia be strypo arba išorinio valdymo
ISO 4 (10 klasė)	10,000	❌ Niekada	Dalelių susidarymas viršija ribas
ISO 5 (100 klasė)	100,000	❌ Nerekomenduojama	Tik su visiškai uždara konstrukcija + vietine ištraukiamąja ventiliacija
ISO 6 (1 000 klasė)	1,000,000	⚠️ Ribinis	Reikia mažai nusidėvinčių sandariklių + dažnas keitimas
ISO 7 (10 000 klasė)	10,000,000	✅ Priimtina	Standartiniai sandarikliai su reguliaria priežiūra
ISO 8 (100 000 klasė)	100,000,000	✅ Visiškai suderinamas	Minimalūs apribojimai

Realaus pasaulio tolerancijos skaičiavimai

Apskaičiuokime, ar strypo cilindras gali veikti ISO 6 švarumo klasės patalpoje:

Scenarijus:

• Kambarys: 10 m × 8 m × 3 m = 240 m³
• ISO 6 riba⁴: 1 000 000 dalelių/m³ (≥0,5 μm)
• Oro keitimas: 60 kartų per valandą
• Vienas 40 mm cilindras, 30 smūgių per minutę, generuojantis 12 000 dalelių per smūgį

Dalelių generavimo greitis:
12 000 dalelių/smūgis × 30 smūgių/min. = 360 000 dalelių/min.

Dalelių pašalinimo greitis:
(60 ACH × 240 m³ × 0,9997) / 60 min = 239,9 m³/min išvalyta

Pastovi koncentracija⁵:
360 000 dalelių/min. ÷ 239,9 m³/min. = 1500 dalelių/m³ pridėta

Verdiktas: ✅ Priimtina pagal ISO 6 (gerokai mažesnė nei 1 000 000 riba)

Tačiau jei turite 10 cilindrų, kurie dirba 60 smūgių per minutę greičiu:

• Gamybos apimtis: 12 000 × 60 × 10 = 7 200 000 dalelių per minutę
• Koncentracija: 7 200 000 ÷ 239,9 = 30 012 dalelių/m³ pridėta

Verdiktas: ⚠️ Ribinis – reikalauja patobulinto filtravimo arba cilindro konstrukcijos pakeitimo

Paslėptas sąnaudų veiksnys

Dirbau su Maria, gamybos vadove farmacijos pakavimo įmonėje Naujajame Džersyje, kuri savo ISO 6 švaros patalpoje naudojo standartinius strypinius cilindrus. Nors techniškai tai atitiko reikalavimus, ji kas 3 mėnesius keisdavo sandariklius, kurių kaina buvo $180 už cilindrą (ji turėjo 24 cilindrus). Metinė sandariklių keitimo kaina: $17 280.

Mes pakeitėme jos cilindrus į „Bepto“ cilindrus be strypų – nereikia keisti sandariklių, nesusidaro dalelių iš strypų sandariklių. Jos investicijos atsipirkimo laikotarpis buvo trumpesnis nei 18 mėnesių, o jos švarių patalpų sertifikavimo auditai tapo be streso. 💰

Kokios yra geriausios alternatyvos itin švarioms aplinkoms?

Kai strypų sandarikliai nėra tinkamas sprendimas, reikia patikimų alternatyvų, kurios tikrai veikia. 🚀

ISO 5 ir aukštesnės klasės švarioms patalpoms be strypo cilindrai yra aukščiausio lygio alternatyva, visiškai pašalinanti strypo sandariklio dalelių susidarymą. Kitos tinkamos alternatyvos yra magnetiniu būdu sujungti cilindrai (be įsiskverbimo), silfonu sandarinti cilindrai (su izoliuotomis nusidėvėjimo dalelėmis) ir išoriškai montuojami linijiniai varikliai. Be strypo konstrukcijos užtikrina geriausią našumo, kainos ir patikimumo pusiausvyrą daugumai švarių patalpų taikymų.

Technologijų palyginimo matrica

Technologijos	Dalelių generavimas	Sąnaudų veiksnys	Techninė priežiūra	Geriausia paraiška
Cilindras be strypo	Beveik nulis (<100/smūgis)	1,0x bazinis lygis	Žemas	ISO 3–6, bendrasis švarus kambarys
Magnetinė jungtis	Nulis (užantspauduotas)	2.5-3.0x	Labai mažas	ISO 3-4, ypač kritinis
Uždaromosios dumplės	Įtraukta	1.8-2.2x	Vidutinis	ISO 5-6, cheminis poveikis
Linijinis variklis	Nulis	4,0–5,0x	Žemas	ISO 3-4, didelis tikslumas
Standartinis strypo cilindras	Didelis (10 000+/smūgis)	1.0x	Aukštas (antspaudai)	Tik ISO 7-8

Kodėl be strypų cilindrai dominuoja švariose patalpose

„Bepto Pneumatics“ be strypo cilindrų technologija tapo pramonės standartu švarių patalpų automatizavimo srityje, ir štai kodėl:

1. Strypo sandariklio užteršimo pašalinimas

Stūmoklis ir sandarikliai lieka visiškai uždaryti cilindro korpuse. Nėra atvirų strypų, todėl nesusidaro trinties sandariklių dalelių.

2. Magnetinės movos privalumas

Mūsų cilindrai be strypo naudoja vidinę magnetinę movą, kad jėga būtų perduodama per cilindro sienelę. Išorinis vežimėlis niekada nesiliečia su slėgio kamera – nėra jokio užteršimo kelio.

3. Kompaktiškas pėdsakas

Be strypo konstrukcijos yra 40–50% trumpesnės nei lygiaverčiai strypo cilindrai, todėl sutaupoma vertingos švarios patalpos erdvės.

4. Ekonominis efektyvumas

Nors magnetiniai linijiniai varikliai kainuoja 4–5 kartus daugiau, mūsų bešerdės cilindrai paprastai kainuoja tik 20–40% daugiau nei standartiniai cilindrai – tai nedidelė priemoka už žymų užterštumo sumažinimą.

Dalelių generavimo palyginimas: realūs bandymų duomenys

Mes atlikome nepriklausomus laboratorinius bandymus, lygindami dalelių susidarymą:

Bandymo sąlygos:

• 500 mm eigo ilgis
• 40 smūgių per minutę
• 0,6 MPa darbinis slėgis
• Dalelių skaičiavimas ≥0,5 μm

Rezultatai:

Cilindro tipas	Dalelių skaičius per vieną smūgį	Dalelių skaičius per minutę	Suderinamas su ISO 5?
Standartinis strypas (PU sandariklis)	12,400	496,000	❌ Ne
Mažai nusidėvinti strypai (PTFE)	8,200	328,000	❌ Ne
Uždaromosios dumplės	450	18,000	⚠️ Ribinis
Bepto Rodless	85	3,400	✅ Taip
Magnetinis linijinis variklis	<10	<400	✅ Taip

Įgyvendinimo sėkmės istorija

Leiskite man pasidalinti neseniai įgyvendintu projektu, kuris puikiai iliustruoja šį poveikį. Robertas, automatikos inžinierius biotechnologijų įmonėje San Diege, projektavo naują ISO 5 klasės švariąją patalpą steriliam pildymui. Jo pirminiame projekte buvo numatyta naudoti 16 standartinių pneumatinės cilindrų su patobulintais sandarikliais ir vietine ištraukiamąja ventiliacija.

Originalus dizainas:

• 16 cilindrai su PTFE sandarikliais: $4,800
• Vietinės ištraukiamosios sistemos: $28 000
• Metinis antspaudo keitimas: $5,760
• Dalelių stebėjimo atnaujinimai: $12 000
• Bendros pirmųjų metų išlaidos: $50 560

Bepto be strypo tirpalas:

• 16 cilindrų be strypų: $8,640 (1,8 karto didesnė cilindro kaina)
• Išmetimo sistema nereikalinga: $0
• Nulinis sandariklio keitimas: $0
• Standartinis stebėjimas: $0
• Bendros pirmųjų metų išlaidos: $8 640

Sutaupyta suma: $41 920 pirmais metais, po to kasmet po $5 760 💪

Roberto švaros patalpa išlaikė ISO 5 sertifikavimą per pirmąjį auditą, kurio metu dalelių skaičius buvo 60% mažesnis už maksimalias ribas. Praėjus trejiems metams, jis nepakeitė nė vienos sandarinės ir nepatyrė su užteršimu susijusių gamybos vėlavimų.

Jūsų paraiškos atrankos gidas

Štai mano praktiniai rekomendacijų pagrindai:

Renkitės be strypo cilindrus, kai:

• Veikimas ISO 6 arba švaresnėje aplinkoje
• Dalelių susidarymas kelia susirūpinimą
• Ilgalaikės išlaidos yra svarbesnės nei pradinė kaina
• Erdvės apribojimai skatina kompaktiškus dizainus
• Norite minimalaus priežiūros

Magnetinius linijinius variklius rinkitės, kai:

• ISO 3-4 itin švarūs reikalavimai
• Biudžetas leidžia 4–5 kartus didesnį priedą
• Reikalingas tikslus padėties nustatymas (<0,01 mm)
• Nulinis dalelių susidarymas yra nesvarstomas

Rinkitės standartinius strypinius cilindrus, kai:

• ISO 7 arba žemesnė klasifikacija
• Pradinė kaina yra pagrindinis rūpestis
• Reguliari priežiūra yra priimtina
• Dalelių generavimas yra valdomas

Išvada

Švarių patalpų dalelių kontrolė nėra spėlionės – tai fizika ir matematika. Apskaičiuokite dalelių susidarymo greitį, supraskite klasifikavimo ribas ir pasirinkite technologiją, kuri užtikrins atitiktį reikalavimams ir nebus pernelyg brangi. Nuo to priklauso jūsų švarių patalpų sertifikavimas. ✨

Dažnai užduodami klausimai apie švarių patalpų dalelių susidarymą dėl strypų sandariklių

1. Supraskite, kaip HEPA filtrai veikia su įvairių dydžių dalelėmis, kad galėtumėte geriau apskaičiuoti savo švariosios patalpos valymo pajėgumą. ↩

2. Išnagrinėkite mokslinius tyrimus apie mechaninio dilimo įtaką dalelių dydžio pasiskirstymui pramoniniuose komponentuose. ↩

3. Peržiūrėkite techninius duomenis apie medžiagų nusidėvėjimo koeficientus, kad patikslintumėte sandariklių nusidėvėjimo greičio skaičiavimus skirtingoms pneumatinėms sistemoms. ↩

4. Dėl didžiausios leistinos dalelių koncentracijos skirtingose švarių patalpų klasėse žr. oficialius ISO 14644-1 standartus. ↩

5. Sužinokite daugiau apie matematinius modelius, naudojamus prognozuoti pastovią dalelių koncentraciją kontroliuojamoje aplinkoje. ↩