1. 고층 클린룸의 특성 분석
(1) 고층 클린룸은 고유한 특성을 가지고 있다. 일반적으로 고층 클린룸은 주로 후처리 공정에 사용되며, 대형 장비 조립에 주로 사용된다. 고층 클린룸은 높은 청정도가 요구되지 않고, 온도와 습도의 제어 정밀도도 높지 않다. 공정 생산 과정에서 장비에서 발생하는 열이 많지 않고, 인원도 비교적 적다.
(2) 높은 클린룸은 일반적으로 큰 프레임 구조를 가지고 있으며 경량 재료를 사용하는 경우가 많습니다. 상판은 일반적으로 큰 하중을 견디기 어렵습니다.
(3) 먼지 입자의 발생 및 분포 고층 클린룸의 주요 오염원은 일반 클린룸과 다릅니다. 사람과 운동기구에서 발생하는 먼지 외에도 표면 먼지가 큰 비중을 차지합니다. 문헌 자료에 따르면, 사람이 정지해 있을 때의 먼지 발생량은 10⁵개/(분·인)이고, 사람이 움직일 때의 먼지 발생량은 정지 상태일 때의 5배로 계산됩니다. 일반적인 높이의 클린룸의 경우, 표면 먼지 발생량은 8m² 면적의 바닥에서 발생하는 먼지가 정지 상태의 사람에서 발생하는 먼지와 동일하다고 가정합니다. 고층 클린룸의 경우, 정화 부하는 사람이 활동하는 하부 영역에서 크고 상부 영역에서는 작습니다. 또한, 본 프로젝트의 특성상 안전을 위해 적절한 안전 계수를 적용하고 예상치 못한 먼지 오염을 고려해야 합니다. 따라서 본 프로젝트의 표면 먼지 발생량은 6m² 면적의 바닥에서 발생하는 먼지가 정지 상태의 사람에서 발생하는 먼지와 동일하다고 가정합니다. 본 프로젝트는 교대 근무당 20명이 작업하는 것을 기준으로 계산되었으며, 작업자의 분진 발생량은 전체 분진 발생량의 20%에 불과합니다. 반면 일반적인 클린룸에서는 작업자의 분진 발생량이 전체 분진 발생량의 약 90%를 차지합니다.
2. 고층 작업장의 클린룸 인테리어
클린룸 내부 장식은 일반적으로 클린룸 바닥, 벽 패널, 천장, 그리고 이를 뒷받침하는 공조, 조명, 소방, 급수 및 배수 설비 등을 포함합니다. 요구 사항에 따라 클린룸의 건물 외피 및 내부 장식에는 기밀성이 우수하고 온도 및 습도 변화에 따른 변형이 적은 자재를 사용해야 합니다. 클린룸의 벽과 천장 장식은 다음과 같은 요구 사항을 충족해야 합니다.
(1) 클린룸의 벽과 천장의 표면은 평평하고 매끄러우며 먼지가 없고 빛 반사가 없으며 먼지를 쉽게 제거할 수 있고 표면의 요철이 적어야 합니다.
(2) 클린룸에는 조적벽이나 미장벽을 사용해서는 안 됩니다. 부득이하게 사용해야 하는 경우에는 건식 시공을 하고 고급 미장 기준을 적용해야 합니다. 미장 후에는 도료를 칠해야 하며, 난연성, 균열 방지, 세척 가능, 표면이 매끄럽고 수분 흡수, 변질, 곰팡이 발생이 적은 도료를 선택해야 합니다. 일반적으로 클린룸 인테리어에는 분체 도장된 금속 벽 패널이 주로 사용됩니다. 그러나 대형 공장의 경우 층고가 높아 금속 벽 패널 칸막이 설치가 어렵고, 강도가 약하며, 비용이 많이 들고, 하중을 견디지 못하는 문제가 있습니다. 본 프로젝트에서는 대형 공장 클린룸의 분진 발생 특성과 실내 청결도 요구 사항을 분석했습니다. 기존의 금속 벽 패널 인테리어 시공 방식은 채택하지 않고, 기존 토목 구조물 벽에 에폭시 코팅을 적용했습니다. 또한, 전체 공간에 천장을 설치하지 않아 활용 가능한 공간을 늘렸습니다.
3. 고층 클린룸의 공기 흐름 구성
문헌에 따르면, 고층 클린룸의 경우 클린룸 공조 시스템을 사용하면 시스템의 총 공기 공급량을 크게 줄일 수 있습니다. 공기 공급량이 줄어들면 더욱 효과적인 클린룸 공조를 위해 공기 흐름 구조를 합리적으로 설계하는 것이 특히 중요합니다. 공기 공급 및 회수 시스템의 균일성을 확보하고, 클린 작업 공간 내의 와류 및 공기 흐름의 소용돌이를 줄이며, 공급 공기 흐름의 확산 특성을 향상시켜 공급 공기 흐름의 희석 효과를 극대화해야 합니다. 10,000 또는 100,000 등급의 청정도를 요구하는 고층 클린 작업장에서는 공항이나 전시장과 같은 대형 공간에 노즐을 사용하는 것과 같은 고층 대형 공간의 쾌적한 공조 설계 개념을 들 수 있습니다. 노즐과 측면 공기 공급 방식을 사용하면 공기를 장거리까지 확산시킬 수 있습니다. 노즐 공기 공급은 노즐에서 분출되는 고속 제트를 이용하여 공기를 공급하는 방식입니다. 이 시스템은 주로 층고가 높은 클린룸이나 공공건물 공간의 공조에 사용됩니다. 노즐은 측면 공기 공급 방식을 채택하고 있으며, 노즐과 환기구는 같은 쪽에 배치됩니다. 공간 내에 설치된 여러 개의 노즐에서 공기가 고속, 대용량으로 집중적으로 분사됩니다. 분사된 공기는 일정 거리를 이동한 후 역류하여 공조 공간 전체를 역류 영역에 포함시키고, 하단에 설치된 환기구를 통해 다시 공조 장치로 배출됩니다. 이 시스템의 특징은 높은 공기 공급 속도와 긴 도달 거리입니다. 분사된 공기는 실내 공기를 강력하게 혼합하고, 속도는 점차 감소하며, 실내에 큰 소용돌이 기류를 형성하여 공조 공간의 온도 분포와 풍속 분포를 더욱 균일하게 만듭니다.
4. 엔지니어링 설계 예시
높이 40m, 폭 30m, 높이 12m의 고층 청정 작업장에는 5m 아래의 청정 작업 공간이 필요하며, 정화 수준은 정적 10,000, 동적 100,000, 온도 tn= 22℃±3℃, 상대 습도 fn= 30%~60%입니다.
(1) 기류 조직 및 환기 빈도 결정
폭이 30m가 넘고 천장이 없는 이 고층 클린룸의 사용 특성을 고려할 때, 기존의 클린워크장 공기 공급 방식으로는 사용 요구 사항을 충족하기 어렵습니다. 따라서 클린 작업 영역(5m 이하)의 온도, 습도 및 청정도를 확보하기 위해 노즐식 다층 공기 공급 방식을 채택했습니다. 송풍용 노즐 공급 장치는 측벽에 고르게 배치하고, 감쇠층이 있는 환기구는 작업장 측벽 하단 지면에서 0.25m 높이에 고르게 배치하여, 작업 영역이 노즐에서 유입되는 공기와 집중된 공기가 유입되는 공기 흐름 구조를 형성합니다. 동시에, 5m 이상의 비청정 작업 구역에서 청정도, 온도 및 습도 측면에서 사각지대가 형성되는 것을 방지하고, 천장 외부에서 작업 구역으로 전달되는 냉열 복사열의 영향을 줄이며, 상부 크레인 작동 중 발생하는 먼지 입자를 적시에 배출하고, 5m 이상으로 확산되는 청정 공기를 최대한 활용하기 위해, 비청정 공조 구역에 소형 스트립형 환기구를 일렬로 배치하여 소규모 순환 환기 시스템을 구축함으로써 상부 비청정 구역의 오염 물질이 하부 청정 작업 구역으로 유입되는 것을 크게 줄일 수 있다.
본 프로젝트는 청정도 및 오염물질 배출량을 고려하여 6m 미만의 청정 냉방 구역에는 시간당 16회의 환기 빈도를 적용하고, 그 위의 오염된 구역에는 적절한 배기 시스템을 설치하여 시간당 4회 미만의 환기 빈도를 적용합니다. 실제로 전체 설비의 평균 환기 빈도는 시간당 10회입니다. 이러한 방식으로 전체 공간을 청정 냉방하는 방식과 비교했을 때, 층별 노즐 공기 공급 방식을 통해 청정 냉방 구역의 환기 빈도를 더욱 효과적으로 확보하고 대형 설비의 공기 흐름 구조를 최적화할 뿐만 아니라, 시스템의 풍량, 냉방 용량 및 팬 전력 소비를 크게 절감할 수 있습니다.
(2) 측면 노즐 공기 공급량 계산
공급 공기 온도 차이
클린룸 공조에 필요한 환기 빈도는 일반 공조보다 훨씬 높습니다. 따라서 클린룸 공조의 대용량을 최대한 활용하고 공급 공기 흐름의 온도 차이를 줄이면 장비 용량과 운영 비용을 절감할 뿐만 아니라 클린룸 공조 구역의 공조 정확도를 더욱 높일 수 있습니다. 본 프로젝트에서 계산된 공급 공기 온도 차이는 ts= 6℃입니다.
클린룸은 폭이 30m로 비교적 넓습니다. 중앙 영역의 중첩 요건을 충족하고 공정 작업 영역이 환기 영역에 있도록 해야 합니다. 동시에 소음 요건도 고려해야 합니다. 본 프로젝트의 공기 공급 속도는 5m/s이고, 노즐 설치 높이는 6m이며, 공기 흐름은 노즐에서 수평 방향으로 분출됩니다. 본 프로젝트에서 노즐 공기 공급 유량을 계산했습니다. 노즐 직경은 0.36m입니다. 문헌에 따르면 아르키메데스 수는 0.0035입니다. 노즐 공기 공급 속도는 4.8m/s이고, 끝단 축 방향 속도는 0.8m/s, 평균 속도는 0.4m/s입니다. 환기 흐름의 평균 속도는 0.4m/s 미만이므로 공정 사용 요건을 충족합니다.
공급 공기 흐름의 공기량이 많고 공급 공기 온도 차이가 작기 때문에 거의 등온 제트와 같으므로 제트 길이를 쉽게 확보할 수 있습니다. 아르키메데스 수에 따라 상대 범위 x/ds = 37m를 계산할 수 있으며, 이는 반대편 공급 공기 흐름과의 15m 중첩 요구 사항을 충족합니다.
(3) 에어컨 조건 처리
클린룸 설계에서 대량의 공급 공기량과 작은 공급 공기 온도차라는 특성을 고려하여, 환기 공기를 최대한 활용하고 여름철 공조 처리 방식에서 1차 환기 공기를 제거합니다. 2차 환기 공기의 비율을 최대화하고, 신선 공기는 1회만 처리한 후 다량의 2차 환기 공기와 혼합함으로써 재가열을 방지하고 장비의 용량 및 운영 에너지 소비를 줄입니다.
(4) 공학적 측정 결과
본 프로젝트 완료 후 종합적인 엔지니어링 테스트가 수행되었습니다. 플랜트 전체에 걸쳐 수평 및 수직 측정 지점을 총 20개 설치하여 정지 상태에서 클린 플랜트의 속도장, 온도장, 청정도, 소음 등을 측정하였고, 실제 측정 결과는 비교적 양호했습니다. 설계 운전 조건에서의 측정 결과는 다음과 같습니다.
공기 배출구에서의 평균 기류 속도는 3.0~4.3m/s이고, 두 반대 방향 기류가 만나는 지점에서의 속도는 0.3~0.45m/s입니다. 청정 작업 구역의 환기 빈도는 시간당 15회로 보장되며, 청정도는 10,000급 이내로 측정되어 설계 요구 사항을 충분히 충족합니다.
실내 A등급 소음은 환기구에서 56dB이며, 다른 작업 공간은 모두 54dB 미만입니다.
5. 결론
(1). 높이가 높지 않은 클린룸의 경우, 사용 요구사항과 청결 요구사항을 모두 충족하기 위해 간소화된 장식을 채택할 수 있습니다.
(2) 특정 높이 아래 영역의 청정도만 10,000급 또는 100,000급이면 되는 높은 클린룸의 경우, 클린층 공기 공급 노즐의 공기 공급 방식은 비교적 경제적이고 실용적이며 효과적인 방법이다.
(3) 이러한 유형의 높은 클린룸의 경우, 크레인 레일 근처에서 발생하는 먼지를 제거하고 천장에서 작업 영역으로 전달되는 냉열 복사의 영향을 줄이기 위해 상부 비클린 작업 영역에 스트립형 환기구가 설치되어 작업 영역의 청결도와 온도 및 습도를 더욱 잘 보장할 수 있습니다.
(4) 고층 클린룸의 높이는 일반 클린룸의 4배 이상입니다. 정상적인 분진 발생 조건에서 단위 공간 정화 부하는 일반 저층 클린룸보다 훨씬 낮다고 할 수 있습니다. 따라서 이러한 관점에서 환기 빈도는 국가 표준 GB 73-84에서 권장하는 클린룸 환기 빈도보다 낮게 설정할 수 있습니다. 연구 및 분석 결과, 고층 클린룸의 경우 클린 영역의 높이에 따라 환기 빈도가 달라지며, 일반적으로 국가 표준에서 권장하는 환기 빈도의 30%~80% 정도면 정화 요구 사항을 충족할 수 있습니다.
게시 시간: 2025년 2월 18일