〈2004年4月〉 潔淨會訊 3

專題報導

摘 要

關鍵詞：潔淨室、節能、微粒

潔淨室的建造成本非常昂貴，約為一般空

調的六倍以上。除此之外，潔淨室的運轉成本

也相當昂貴，潔淨空調系統用電量約佔了整廠

耗能的40%左右，其耗能亦為一般空調的十倍以上。在這經濟蕭條與產業獲利率不再居高不

下時，如何使廠務系統最佳設計與能源有效運

用而達到Cost-Down 之目的，就成為不得不做且相當重要的工作了。

本研究旨在闡述在建造一座潔淨室前，可

由詳細的計算得知空氣在初運轉到穩定時經由

高效率過濾後各直徑之微粒數量，以及潔淨室

中微粒數達到穩定狀態所需的換氣次數，藉此

決定出最佳的過濾器數量及系統, 最後並發展一具視窗功能的電腦軟體，以快速設計檢討系統

狀況，對建造、運轉成本及工程設計界而言，

不失為增加競爭力的創新工具。

1. 前言

潔淨室在積體電路製程與精密工業中，對

於成品的良率佔有非常重要的位置，就拿0.5微米以下線徑的製程來講，大約有10%的不良率是由於環境污染(塵埃污染)所造成的，而對於未來奈米級線徑的製程其對於環境的要求當更為

嚴謹。台灣在世界上所造就的第二次經濟奇

蹟，其產業多為微電子精密機械、半導體與晶

圓代工，而現在台灣的光電產業、生物科技及

奈米級產業正迅速邁向世界第一，也將成為台

灣的第三次經濟奇蹟，而此類工業之製程能源

消耗甚大，其特性為 1.全面空調 2.需高潔淨度環境故換氣量極大3.製程排氣量極大故需引進大量外氣4.需精密溫濕度控制故需同時冷卻、加熱及加濕。由上可見其需耗費之送風、冷卻、過

濾、加熱、加濕等之能量甚大，其最佳化設計及

節能技術的應用尚在起步中，節約能源也將於今

後成為永續經營提升競爭力的一大要素。

2. 研究動機與目標

潔淨室的建造成本非常高，依過去統計資料

顯示，建造一座Class 1000級的潔淨室每坪約花費六萬元左右，而建造一座Class 100級的潔淨室每坪也需花費九萬元以上，更高等級之潔淨室建

造成本更呈倍數成長，其比建造一般空調每坪所

需0.7萬元約在六倍以上。除此之外，潔淨室的運轉成本也相當高，潔淨空調系統用電量約佔了

整廠耗能的 40%左右，其耗能亦為一般空調的數十倍，可達1 Kw/m2以上(Hu[1])，往往一座潔淨生產廠房每月所需的電費要高達千萬元。

由於台灣已成為世界電子業、半導體、光

電產業製造基地，而電子業潔淨室由於室內機

潔淨室設計軟體開發

(1)空氣潔淨系統設計蕭富文蕭富文蕭富文蕭富文蕭富文,,,,, 胡石政胡石政胡石政胡石政胡石政,,,,, 遲玉倡遲玉倡遲玉倡遲玉倡遲玉倡

台北科技大學冷凍空調系台北科技大學冷凍空調系台北科技大學冷凍空調系台北科技大學冷凍空調系台北科技大學冷凍空調系

4 潔淨會訊 〈2004年 4月〉

專題報導

器發熱量大，外氣導入量多，空氣輸送動力大

及幾乎全年24小時的長時間運轉等理由而成為能源消耗極密集的產業；且高科技產業之能源

需求量相當龐大，是台灣主要的電能用戶，但

由於晶圓製造與光電工業之附加價值極高，能

源費用佔整體生產成本之比例極低，且產品供

不應求，故老板、廠務普遍養成產能至上、工

程進度為重之觀念，對潔淨空調之最佳化設計

及節能技術常常認為不太重要，故從建廠階段

之設計開始既無從節約能源觀點著手，以至現

在遇到經濟衰退時期，想從無塵室潔淨空調之

節能COST DOWN，效果已大打折扣。傳統的潔淨室採用垂直層流式的設計，以全

區之氣流設計，將整個潔淨室控制在非常高潔淨

度的水平；但如此將造成整個工廠營運的耗能與

重大負擔，包括空調用電量、人員管理、建廠投

資成本、潔淨度控制等等的困難。電子業之製程

及產品良率，均有賴於電力充足供應；鑑於近年

來電力開發緩慢，用電且成長急遽，停電或限電

已成為電子工業的夢魘，亦是影響產業發展的一

大主因；又根據「世界能源統計」(Statistical Reviewof World Energy)資料告知，石油及天然氣即將在二十一世紀耗盡，煤炭亦只維持兩世紀左右。

隨著奈米技術的來臨及電費只會高不會低

的情況來看，潔淨室的設計需擺脫概觀設計而

進入微觀設計，也就是須從以前的每坪多少冷

凍噸位及多少潔淨等級需多少換氣次數的概算

與過量設計，進入詳細的空調負荷計算及含塵

濃度確認計算的精算與最佳化設計，並可藉由

電腦的無疲勞、精確、快速等特性幫忙設計者

完成工作。因此業者或潔淨室設計師若能在建

廠時期全面進行廠房最佳化設計檢討，將有助

於減緩用電量之成長。如果能在這些事項上提

前投入心力，將可使本身生產成本降低，競爭

力提升，甚至於避免非關稅障礙。減少電力和

其他能源使用就能為地球環保盡一份心力，塑

造企業集團除了賺錢外，更能保護地球環境的

綠色企業形象。本研究的具體目標簡單來講就

是 ------「降低建廠初設成本」、「節省廠房運轉成本」、「節約能源」，畢竟一個企業體在

商場競爭下要維持一定的利潤，應該從硬體建

設的節能做起，而非從人裁起。

以電腦作為工程設計分析工具已成為目前

的趨勢，只要有良好的程式設計，配合適當的

硬體設備，則電腦將可以大幅提昇工程設計的

效率，有效減少工作時程及人力成本；在潔淨

室設計系統方面，對於電腦輔助工程軟體同樣

有其迫切性的需要，設計者面對目前成本及時

效的高度競爭，應該善用電腦軟體來協助其設

計與分析；尤其目前在這方面已經有準確的設

計理論與方程式，以這些理論配合電腦軟體，

將能在極短的時間內設計出令人滿意的系統，

進而提升設計業者的競爭力。在本研究所發展

的軟體中，證明電腦輔助設計應用在潔淨室設

計系統，確實有其可行性，同時對於設計者而

言將有以下幾個優點：

(一)視窗化與圖形化的人機介面全視窗化的對話與檢視方塊適合人們的生

活習性，而全圖形化的輸出比較畫面更適

合人們加深印象與記憶，進而會對其所設

計的系統增加其興趣與深度分析，這對社

會進步將有很大的幫助。

(二)提高設計的彈性在設計的過程中，若臨時需改變某些設計

參數或是更動系統配置，只要在電腦的輸

入資料及參數設定中進行修改，馬上就能

得到新的設計結果與圖形分析；若採用過

去由設計者自行計算的方式，則很可能需

要再花費同樣時間重新計算。

(三)線上進行系統分析比較設計者再設計階段就可以透過電腦進行系

統的線上模擬比較，因此可隨時了解設計

〈2004年4月〉 潔淨會訊 5

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上的缺失並加以修正；此外，對於已建造

完成的系統，若希望加裝某些設備或對系

統進行修改，則可先利用電腦分析改變後

的情形，以利相關的評估。

(四)最佳化設計雖然潔淨室系統最佳化理論已被提出，但

目前大多數設計者仍未將其應用於實務的

設計上，主要原因就在於其計算過程太複

雜,但若能利用電腦協助，則並不需擔心計算複雜及解方程式等問題，而能快速得

到最佳化設計的結果。

(五)設計與比較結果格式化輸出透過電腦軟體，可直接將計算得到的設計

與比較結果格式化輸出，這將可減少重新

謄寫或製表的時間。

(六)避免計算或查表圖時發生錯誤及誤差只要程式設計正確，配合正確的輸入資

料，則由電腦計算的結果將不會有錯誤；

相反的，若由設計者自行計算或查表圖，

在過程中難免可能發生錯誤及誤差，這時

還需再花費時間及人力重新檢查或計算。

(七)縮短設計時程在電腦高運算速度的協助下，整個設計所

需的時程可大幅減少，就以分析大氣微粒

從0.1μm~10μm為例，需經過四百個計算程序，這些如果以人力進行計算至少須

半小時以上。

本研究之最終目標乃發展一適合潔淨無塵

室之專用設計及節能程式，以縮短設計時程,降低生產成本，提升競爭力。

3. 本研究之應用範圍

本研究所得的成果，將可用於以下所列舉

的幾種工程應用中：

(1)潔淨室工程設計(2)恆溫恆濕工程設計

(3)醫院手術室工程設計(4)預測大氣微粒直徑分佈情形(5)分析過濾器過濾不同直徑微粒的效率

4.文獻回顧

對於我們居住在大氣環境中空氣的微粒分

佈情形，可由Hinds[2]所著的書中，得到空氣中微粒直徑分佈特性之方程式；經過研究統計發

現，空氣中的微粒直徑會呈現對數常態分佈

(Lognormal Distribution)的狀態，經由輸入空氣中微粒總數或是總重量，就可以得到空氣中各直

徑微粒數量分佈之情形。

終端元件過濾器對於空氣中各直徑微粒所

去除的效率也可由Hinds[2]所著的書或由Lee andLiu[3][4] & Yeh and Liu[5][6] 所發表的方程式中得到。經由輸入過濾器對某直徑微粒的效率、

纖維直徑或過濾材填充率、纖維直徑、過濾網

厚度，可以得到各直徑微粒經過過濾器的實際

去除效率，並可以推算出空氣經由過濾器後所

剩下各直徑微粒之個數。

再由許[7]所著的書中可以得到方程式，經由輸入不同的潔淨室條件如:室內單位容積發塵量、大氣含塵濃度、換氣次數、過濾器總效

率、風速、潔淨室空間大小等，即可以得知潔

淨室內空氣直徑微粒分佈的總數量，及達到穩

定狀態下所需的時間。

5. 理論模式

5.1 大氣微粒的種類與尺寸分佈

大氣環境中充滿了各式各樣大小的微粒物

質，而潔淨室內90%以上的塵埃大部分是經由外氣補給空調箱及作業人員帶入居多，故環境

背景中微粒數量與大小，跟潔淨室的清淨度有

著密切不可分的關係。如圖1所示可觀察出存

在我們生活中微粒物質的種類極其繁多。

粒狀微粒大體而言可分類成「懸浮微粒」及

6 潔淨會訊 〈2004年 4月〉

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「落塵」二種，當顆粒之粒徑小於0.1μm，因其重力效應極微，因此運動或移動狀況猶如分子

般，以「布朗運動(Brownian motion)」或稱「紊亂運動(randommotion)」的形態表現，此即屬於懸浮微粒。反之，若顆粒的尺寸大於20μm，此時重力的效應將甚為顯著，因此具有明顯的沉降特性，

則此型顆粒屬於落塵。至於當粒徑介於1~20μm之間，則微粒所呈現的運動是隨氣流飄移。

目前世界上製程技術都還在深次微米階

段，檢測塵埃粒子的ISO國際潔淨等級標準(如表1所示)也是以0.1μm為測量標準，故潔淨室微粒的控制都還能以氣流方向來控制；隨著奈

米技術及製程線寬愈來愈細的來臨，小於0.1μm的粒徑控制將浮上檯面，蒞時微粒的布朗運動將困擾著潔淨室設計者，故結合人腦及電腦

的設計方式即將來臨。

5.2 大氣微粒的數量與粒徑分佈

粒徑分佈乃指塵埃微粒之各種顆粒大小所

佔的比例，其不僅代表著粒狀物質的特性，同

時亦會影響過濾器的收集效率；通常粒徑分佈

可根據空氣中微粒的總數量或空氣中微粒的總

重量來分類，若以微粒所佔數目的比例來表示

分佈情形，則稱為「粒數分佈」，其對微粒直

徑之中間值稱為CMD(Count Median Diameter)。另一方面，如果是以微粒所佔質量比例來表示

分佈情形，則其稱為「質量分佈」，其對微粒

直徑之中間值稱為MMD(Mass Median Diameter)。在過濾的技術中，大部分是採用質量分佈來表

示，畢竟在實際的應用上，於各種不同尺寸範圍

中以稱重的方式較為簡單，如欲算出微粒的數量

圖.1 一般常見之粒狀微粒物質的尺寸分佈範圍[8]

〈2004年4月〉 潔淨會訊 7

專題報導

則甚為困難。如表2 所示，為行政院環保署於台

灣各地區架設空氣監測站所統計出來的空氣污染

物濃度年平均值統計表，第二列 PM10是表示懸

浮於大氣層中較小粒徑（直徑＜10μm）的總顆粒重量，其單位為(μ g/m3)。而空氣中的微粒直徑的分佈情形會呈現對

數常態分佈(Lognormal Distribution)的狀態，這可由Hinds[2]所著的書中，得到空氣中微粒直徑分佈特性之方程式(1)

(1)

其中df 為空氣中各直徑微粒之數量；

d p為微粒直徑；

σ g為幾何標準偏差；

CMD為幾何平均粒徑。對數常態分佈並沒有完整的理論基礎，而

是透過實驗數據累積所得到的結果；以對數常

態分佈之氣懸微粒而言，可用方程式(2)來表示不同定義下粒徑的關係：

(2)其中 d A為不同平均粒徑之定義，如MMD為質量中間數粒徑； P為定義各種不同粒徑之參數。

5.3 潔淨室內過濾器的效率分析

過濾器之效率與微粒直徑有很密切的關

係，與通過濾網的風速、溫度、壓力、流體特

dfd

d CMDd

p g

p

g

p= −−F

HGG

IKJJ

12 2

2

2π σ σlnexp

ln ln

ln

d id i

d CMD pA g= exp ln2 σd i

»¡»¡»¡»¡»¡©ú©ú©ú©ú©ú¡G¡G¡G¡G¡G¦U¦U¦U¦U¦U·L·L·L·L·L²É²É²É²É²É¤Ø¤Ø¤Ø¤Ø¤Ø¤o¤o¤o¤o¤oÂàÂàÂàÂàÂà ««´««´«¤½¤½¤½¤½¤½¦¡¦¡¦¡¦¡¦¡CDn

N= ×FHGIKJ10 01 2 08. .

¡A¡A¡A¡A¡ADDDDD¬°¬°¬°¬°¬°³]³]³]³]³]©w©w©w©w©wªºªºªºªºªº·L·L·L·L·L²É²É²É²É²É¤Ø¤Ø¤Ø¤Ø¤Ø¤o¤o¤o¤o¤o¡F¡F¡F¡F¡FNNNNN¬°¬°¬°¬°¬°¤£¤£¤£¤£¤£¤j¤j¤j¤j¤j©ó©ó©ó©ó©ó99999ªºªºªºªºªº¥¿¥¿¥¿¥¿¥¿¾ã¾ã¾ã¾ã¾ã¼Æ¼Æ¼Æ¼Æ¼Æ¡F¡F¡F¡F¡FCCCCCnnnnn¬°¬°¬°¬°¬°³Ì³Ì³Ì³Ì³Ì¤j¤j¤j¤j¤j----------«×«×«×«×«×ªºªºªºªºªº·L·L·L·L·L²É²É²É²É²É½d½d½d½d½d³ò³ò³ò³ò³ò-È-È-È-È-È(((((²É²É²É²É²É///// MMMMM33333 )))))¡C¡C¡C¡C¡C

表1 ISO 國際潔淨等級標準

8 潔淨會訊 〈2004年 4月〉

專題報導

性也有很重要的關聯性。

如何計算過濾器在各種微粒直徑下的效

率，以及微粒在通過過濾器後所剩下微粒數

量，可由Hinds[2]所著的書中獲得方程式(3)

(3)其中 P為過濾器滲透效率，可表示通過過濾

器後前微粒數量的比值NN

out

in

FHG

IKJ ；

E為過濾器效率；α 為過濾材填充率；

t為過濾網厚度；

d f 為纖維直徑；

E∑為五種過濾原理的總合效率，表示在方

程式(2.4)中。

(4)其中 Ku 為Kuwabara hydrodynamic factor，

表示為 Ku = − − + −12

34

14

2lnα α α ¡F

P EE t

d f

= − =−F

HGIKJ

∑14

expα

π ER

KuPePe

RKuPe

VU

R StkJKu

TS

O

∑−= − −

−FHG

IKJ −

−FHG

IKJ − +FHG

IKJ −FHG

IKJ

1 11

1 2

1 124 1 1 12

2

1 22 3

2 3

1 2 2

αb gb g c h

b g b g

/

.

表.2 台灣地區九十年空氣污染物濃度年平均值統計表

»¡»¡»¡»¡»¡©ú©ú©ú©ú©ú¡G¡G¡G¡G¡G11111¡B¡B¡B¡B¡Bªíªíªíªíªí¤¤¤¤¤¤¤¤¤¤PPPPPMMMMM1111100000,,,,, SSSSSOOOOO22222,,,,, CCCCCOOOOO,,,,, NNNNNOOOOO22222,,,,, NNNNNMMMMMHHHHHCCCCC,,,,, OOOOO33333¤§¤§¤§¤§¤§¿@¿@¿@¿@¿@«×«×«×«×«×«Y«Y«Y«Y«Y¥Ñ¥Ñ¥Ñ¥Ñ¥ÑÀôÀôÀôÀôÀô«O«O«O«O«O pp¸pp¸p¤@¤@¤@¤@¤@ ëë¯ëë¯ë úú´úú´ú ¸¯¸¯ ºÊºÊºÊºÊºÊ úú´úú´ú¼Æ¼Æ¼Æ¼Æ¼Æ¾Ú¾Ú¾Ú¾Ú¾Ú-p-p-p-p-pºâºâºâºâºâ¤§¤§¤§¤§¤§µ²µ²µ²µ²µ²ªGªGªGªGªG¡C¡C¡C¡C¡C

22222¡B¡B¡B¡B¡BPPPPPMMMMM1111100000¤Î¤Î¤Î¤Î¤ÎOOOOO33333²Ä²Ä²Ä²Ä²Ä¤K¤K¤K¤K¤K°ª°ª°ª°ª°ª-È-È-È-È-Ȭ°¬°¬°¬°¬° ÓÓ¸ÓÓ¸Ó¿¤¿¤¿¤¿¤¿¤¥«¥«¥«¥«¥«¦U¦U¦U¦U¦U úú´úú´ú ¸¯¸¯ ºÊºÊºÊºÊºÊ úú´úú´ú¿@¿@¿@¿@¿@«×«×«×«×«×²Ä²Ä²Ä²Ä²Ä¤K¤K¤K¤K¤K°ª°ª°ª°ª°ª-È-È-È-È-È«e«e«e«e«e5555500000%%%%%´úú´úú´ú ¸¯¸¯ ¤§¤§¤§¤§¤§¥-¥-¥-¥-¥-§¡§¡§¡§¡§¡-È-È-È-È-È¡C¡C¡C¡C¡C

〈2004年4月〉 潔淨會訊 9

專題報導

R為微粒直徑 dp與纖維直徑d f的比值；

UO為過濾器的表面風速；

VTS為終端沉澱速度，可表示為Vd C g

TSg p c=

ρη

2

18 ；

Stk為Stokes number參數，可表示為

Stkd C U

dp p c o

f

=ρ

η

2

18 ；

J為參數，可表示為 for R<0.4；

Pe為Peclet number參數，可表示為 Ped U

Df o=

，D為微粒擴散係數，單位m2/s，表示在方程式(5)中。

(5)其中 T為氣流之絕對溫度；k 為Boltzmann's constant = 1.38 x 10-23 ；η為氣流之黏滯係數(標準空氣為 1.81x10-5

Pa · s)；λ 為氣體分子之平均自由行徑 (標準空氣為0.066μm)。或可由Lee and Liu[3][4] & Yeh and Liu[5][6]

所發表的方程式中得到方程式(6)

(6)其中η f意義表示在方程式(7)中

(7)由上述所示的各項方程式中設計者只要輸

入在不同的某直徑微粒的效率、纖維直徑或過

濾材填充率、纖維直徑、過濾網厚度，就可以

得到各直徑微粒經過過濾器的實際去除效率。

5.4 潔淨室內微粒均勻分佈計算

潔淨室計算的重心在於微粒濃度的計算，均

勻分佈計算就是假定室內微粒是均勻分佈的，如

果有微粒發生源，則發生的塵粒由於擴散和氣流

的帶動和沖淡，能很快地在室內達到平衡。

為了簡化計算，我們還需進一步假定：通風

量是穩定的、發塵量是常數、大氣微粒數量是常

數，忽略室內外微粒的密度和分散度的變化對過

濾器效率的影響，忽略滲入的微粒量和風管產塵

的可能性，忽略微粒在風管內和室內的沉降[7]。如圖2所示，為電子廠常用實際的潔淨室

設計流程圖，在圖中我們設定各種符號的意義

如下：

Nt 為某時間t (min)的室內微粒濃度，單位 為：pc/L ；N 為室內穩定微粒濃度，單位為：pc/L ；No 為室內原始微粒濃度，即t = 0時的微粒 濃度，單位為：pc/L ；V 為潔淨室體積，單位為：m3 ；n 為換氣次數，單位為：次/h ；G 為室內單位體積發塵量，單位為：

圖2 潔淨室 MAU + FFU 系統流程圖

J R R= − −29 6 28 27 50 62 2 2 8. .. .αc h

D

kTd

dp

d

p

p

=

+ +FHG

IKJ

LNMM

OQPP

−1 2 34 105

3

0 39λ

πη

λ. . exp.

Etd

f

f

= − −−

FHG

IKJ1

41

expη α

π αb g

η α αf Ku

PeKu

RR

= −FHG

IKJ + −F

HGIKJ +

−1 6 1 0 6 11

1 32 3

2

. .

10 潔淨會訊 〈2004年 4月〉

專題報導

pc/m3·min ；M 為大氣微粒濃度，單位為：pc/L ；

s 為回風量對於全風量之比 ；PF 為初級過濾器，其效率為η p，單位 為：% ；MF為中級過濾器，其效率為ηm，單位 為：% ；CF 為終級過濾器，其效率為η c，單位 為：% ；此外，設新風通路上過濾器的總效率為ηn

，回風通路上過濾器的總效率為ηr ，則對圖2

可表示成：

ηn =1- (1- ηp ) (1- ηm ) (1- ηc ) (1- ηc )；η r =1- (1- η p ) (1- η c ) 。其計算理論討論如下：

(一)、進入室內的微粒由三部分組成1、由回風帶進室內的微粒：

單位時間的回風量為snV ×10

60

3

，單位為：L/

min；而經回風通路上過濾器過濾後，進入

室內的微粒數量為snV Nt r

× −1060

13

ηb g，單位

為：pc/min；則Δ t時間內，室內每公升空氣中由於回風而增加的微粒數量為

snV N tt r× −10

601

3

ηb g∆ ，單位為：pc/L。

2、由新風帶進室內的微粒：

單位時間的新風量為nV s× −10

601

3

b g，單位為：

L/min；而經新風通路上的過濾器過濾後，進入室內的微粒數量為 ，單位為：pc/min；則Δ t時間內，室內每公升空氣中由於新風而增加的微粒數量為

Mn stn1 1

60− −b gb gη

∆ ，單位為：pc/L。

3、於Δ t時間內，由於室內發塵而使室內

每公升空氣中增加的微粒數量為 G t× −10 3 ∆ ，

單位為：pc/L。(二)、由室內排出的微粒：

單位時間通風換氣量為nV ×10

60

3

，單位為：

L/min；由通風排出的微粒數量為 nV Nt×1060

3

，

單位為：pc/min；則Δ t時間內，室內每公升空氣中由通風換氣排出的微粒數量為

n N tt

6 0∆ ，單位為：pc/L。

根據以上分析的進出潔淨室的微粒數量，則

在Δ t時間內潔淨室內微粒濃度的變化為：ΔNt =(進入的微粒數量) - (排出的微粒數量)，經整理得到方程式(8)

(8)在應用方程式(8)時，只要注意系統中哪些過濾器組合效率是ηn，哪些是η r，就可方便

地列出某一系統的微粒濃度計算式。下列列

出常用的潔淨室系統流程圖，如圖3、圖4、

圖5、圖6(參考Hu [9]))所示。

6. 潔淨室設計方式研究

潔淨室恆溫恆濕空調系統已成為企業或國

家增強競爭力的工程之一，故先進國家(如德國、美國、日本)對其非常重視與管制；尤其在最近幾年潔淨室恆溫恆濕空調系統成長的速度

更是驚人，除了大家所認知的半導體工業、光

電工業、電子器材產業及醫藥產業的製程需用

到潔淨恆溫恆濕空調外，生物科技、精密機器

產業、甚至人類居家生活環境都因為要良率提

升及個人身體健康的注重而慢慢需要無塵無

菌、恆溫恆濕的空調系統；當產品愈精緻、奈

M nV s n× − −10

601 1

3

b gb gη

NG Mn s

n s

N n sG Mn s

tn

r

o r

n

nt s n

=× + − −

− −

− −− −

× + − −LNMM

OQPP

RS|T|

UV|W|

−

−

−− −

60 10 1 11 1

1 11 1

60 10 1 1

3

3

1 160

b gb gb g

b gb gb g

b g

ηη

ηη

η

exp

〈2004年4月〉 潔淨會訊 11

專題報導

圖3 潔淨室 MAU + RCU 系統流程圖

圖 4 潔淨室純RCU 系統流程圖

圖5 潔淨室 MAU + 軸流風扇系統流程圖

圖6 潔淨室部分 RCU + 小型冷風機系統流程圖

12 潔淨會訊 〈2004年 4月〉

專題報導

米化，其所要求的潔淨室恆溫恆濕空調將更嚴

格，故其所耗用的電量就愈大。就拿目前最熱

門的光電產業來講，根據統計，在同一廠房面

積下，潔淨度每升高一級（如由 100級升為 10級）其潔淨室空調耗電量約增加三倍。

潔淨室恆溫恆濕空調系統工程的最佳化設

計是一門複雜而精確的學問，由於它的規模比

起一般的空調系統大上許多，而且對於溫濕度

要控制精確，再加上對潔淨度的要求嚴謹，還

有振動、噪音、靜電、防電磁波、照明等之控

制；且須了解各產業的製程特性，方能設計出

一套最佳化的潔淨室恆溫恆濕空調系統。所以

潔淨室是結合建築、電機、機械、空調、環

工、消防、控制、氣流⋯⋯等知識領域所結合

的一門工程。因此，若能將潔淨室恆溫恆濕空

調系統設計最佳化，不但能減少潔淨廠房的初

設及運轉成本，更能對地球所日益減少的能源

有所幫助以達到節約能源的目標。

6 . 1 空氣清淨設計

綜觀現今空調設計業界，在潔淨室空氣清

淨的設計上大都還停留在以前文獻所統計下的

換氣次數數據上，這就跟我們選用家用冷氣一

樣(4到6坪選用一冷凍頓)簡單；這是個有違專業技師程度及浪費地球資源的概算過量設計方

法，畢竟彼一時此一時，以前的設計參數經過

二、三十年後大都有所改變，甚至會有不斷的創

新設計理論被提出應用。而其潔淨室空氣清?精確的設計原則在於計算微粒濃度的進出平衡，本

節將詳細說明微粒在大氣環境，與經過過濾器後

及室內均勻分佈的計算。其說明如下：

(一)地球上大氣環境的微粒性質已在5節詳述過；許多研究者統計發現氣懸微粒之粒徑分

佈並非常態分佈，但若將微粒粒徑取對數，在

對頻率作圖，則其分佈適合常態分佈；粒徑取

對數之目的為將小微粒粒徑之範圍加大，並將

大微粒粒徑範圍縮小，如此便可將圖形畫成近

似常態分佈曲線一般，因此這組微粒便可稱為

對數常態分佈，如圖7所示。方程式(1)為微粒直徑分佈之經驗方程式，其幾何平均粒徑

(CMD)及幾何標準偏差(σ g )分別定義在方程式

(9)及方程式(10)中。

(9)

(10)通常若有某一座潔淨廠房要興建，而潔淨

室設計需當地座落廠房大氣環境的微粒數量與

粒徑分佈參數資料，但很不幸地，環保署空保

處只提供如表2所示的資料，其中PM10的表示

單位為在微粒直徑＜10μm下每立方米所含顆粒的總微克重量(μ g/m3)，故不能使用方程式(1)、(9)、(10)得大氣環境的微粒量與粒徑分佈；這時若使用微粒計數器(Particle Counter)於現場實際測量，則易因環境太髒而阻塞，因為此

微粒計數器是用於量測潔淨室非常清淨的空氣

用並不是用於量測相當污濁的大氣空氣用。

所幸在 Sadjadi [10]之發表論文中可以得知下面六點結果：

(1)分析之微粒直徑在小於0.1μm以下時，微粒之幾何平均粒徑的直徑約為0.017μm。

(2)分析之微粒直徑在0.1μm到2μm之間時，微粒之幾何平均粒徑的直徑約為0.34μm。

(3)分析之微粒直徑在大於2μm以上時，微

圖7 大氣環境微粒的數量(Count)與質量

(Mass)對數常態分佈狀態

CMDn d

np p

p

=FHG

IKJ

− ∑∑

loglog1

σ gp p

p

n CMD d

n=

−

−

L

NMM

O

QPP

− ∑∑

loglog log

1

2 1 2

1d i

d i

〈2004年4月〉 潔淨會訊 13

專題報導

粒之幾何平均粒徑的直徑約為8.75μm。(4)分析之微粒直徑在小於0.1μm以下時，微粒之幾何標準偏差約為 1.74 。

(5)分析之微粒直徑在 0.1μm到 2μm之間時，微粒之幾何標準偏差約為 2.05。

(6)分析之微粒直徑在大於2μm以上時，微粒之幾何標準偏差約為 2.33 。總結，使用如表2所示的各縣市 PM10的數

據資料配合表3、Sadjadi之六點結果及方程式(1)、(2)、(9)、(10)即可求出設計者所需大氣環境的微粒直徑數量值。

(二)、就以現今潔淨室常用的五大系統而言(如圖2、圖3、圖4、圖5、圖6所示)，其過濾空氣簡單分為補給新風空氣及潔淨室內的回

風空氣兩種；只要從過濾器廠商得知初級、中

級及終級過濾器的各過濾材填充率、纖維直

徑、過濾網厚度，再由方程式(3)~(7)計算，就可得知各過濾器在不同的微粒直徑尺寸所過濾

的效率；但又很不幸地，我們很難從過濾器廠

商得知各過濾材填充率、纖維直徑、過濾網厚

度三種參數，最多只能得到各纖維直徑的數值

參數(一般約在幾微米至幾十微米之間)，故配合

過濾器廠商的型錄上可查出各過濾器在幾微米中

的過濾效率(如HEPA在0.3μm中過濾效率為99.999%)，把過濾材填充率、過濾網厚度當成常數看待，經由方程式(3)~(7)計算，就可得知各過濾器在不同的微粒直徑尺寸所過濾的效率。

(三)、潔淨室內微粒均勻分佈的計算可由方程式(8)，配合潔淨室所欲設計的系統(如圖2、

圖3、圖4、圖5、圖6所示)及 ISO分類等級(如表1所示)，就可得到潔淨室內所需的實際換氣次數、過濾器的數量及潔淨室中微粒數達到穩定

狀態所需的時間。方程式(8)中室內單位體積發塵量，可參照如表3所示數據內容，總體來說，潔

淨室內的微粒除了由外氣空調箱帶入之外，其他

的主要來源來自於人產生(約占80%~90%)，而由製程機器(因有排風功能)及建築物(因有環氧樹酯塗裝)、機電空調設備(因採用無塵等級的材料設備)產生較少(約占10%~20%)。

6.潔淨室電腦化程式架構、設計原理與操

作程序

6.1 程式語言

隨著網際網路平台的推出，微軟發表了新

動 作

站著

坐下

手腕上下移動

上體前屈

腕自由運動

頭部上下左右運動

上體扭動

屈身

腳動

步行

5.58 x 104

7.42 x 103

1.86 x 104

2.42 x 104

2.06 x 104

1.10 x 104

1.49 x 104

3.74 x 104

4.46 x 104

5.60 x 104

pc / 人 · min(≧ 0.5μ m)

普通工作服

3.39 x 105

3.02 x 105

2.98 x 106

2.24 x 106

2.24 x 106

6.31 x 105

8.50 x 105

3.12 x 106

2.80 x 106

2.92 x 106

一般尼龍服

1.13 x 105

1.12 x 105

2.98 x 105

5.38 x 105

2.98 x 105

1.51 x 105

2.66 x 105

6.05 x 105

8.61 x 105

1.01 x 106

潔 淨 工 作 服

從頭到腳全

套型尼龍服

表 3 潔淨室內作業人員發塵量

14 潔淨會訊 〈2004年 4月〉

專題報導

版的視窗程式整合開發環境-Visual Studio.NET2 0 0 3 ，整合了市面上常用的三種程式語言C++、Basic、JAVA、並結合了這三種程式語言的優點推出C#程式語言；其中變革最大的就是BASIC語言，Visual Basic.NET 將以新功能為軟體開發提供一流的物件導向程式設計語言，

例如實作繼承、多載化 (Overloading) 以及參數化的建構函式；此外，程式設計者將可以建立

具明確無限制執行緒 (Free Threading) 的彈性化程式碼，以及具有現代化程式語言建構 (如結構化例外處理)、容易維護的程式碼，這也說明了Visual Basic.NET具有C++與JAVA的優點；VisualBasic .NET會提供設計者在建立穩固、可調整的分散式Web應用程式時所需的所有語言特性，由於連續不斷的修訂改版，Visual Basic.NET變得越來越受歡迎，其新的物件導向語言功能為

程式開發者在建置工程設計軟體的應用程式時

所提供的神奇威力必定會持續此趨勢。

由於Visual Basic .NET還保持著Visual Basic易學易用的特點，並且透過使用 Visual Basic .NET軟體設計師們將擁有更強大、更現代化的軟體開

發平台和工具，且背後有超過整個專業開發團隊

半數以上的微軟程式設計師支援，故本文軟體開

發才選擇此語言撰寫已達永續之願。

本文重點為開發一套潔淨室最佳化設計分

析計算軟體(如圖8所示)，撰寫一套全視窗化、全圖形化的人機介面環境，以協助潔淨室設計

者快速、精準、計算、設計潔淨廠房。

本電腦軟體功能表內，包含有檔案、編

輯、繪圖、檢視、最佳化設計、機電系統設

計、公用系統設計、系統模擬、視窗、說明等

功能，也含工具列及狀態列功能。本軟體開發

主要重點在潔淨室最佳化設計(第五欄)，其下拉表單內包含手術室潔淨空調系統、空氣潔淨系

統設計及潔淨室MAU設備元件排列組合比較三項計算分析功能。

6 . 2 空氣潔淨系統設計計算軟體之操作

把滑鼠移到功能表的最佳化設計欄位，會

出現下拉式表單，選擇第二項點選後，即出現

空氣潔淨系統設計子視窗畫面(如圖9所示)，本視窗主要功能在計算分析本文 5節所述的潔淨室內微粒分佈計算(空氣潔淨)系統，分析在建造一座潔淨室時，外氣微粒經過外氣空調箱過濾

器後所進入潔淨室內及室內發塵的不同粒徑數

量，以選擇最佳換氣次數及終級過濾器數量，

其操作方式說明如下：

(一)、室外狀態區本區可接受使用者選擇採質量分佈或採粒

徑分佈的二選一方式輸入室外大氣空氣的微粒

數量，採質量分佈時可下拉選擇台灣22個縣市於1992年環保署空保處的統計資料(如表2所示)的PM10參數，採粒徑分佈時使用者需自行輸入用

儀器所量得的外氣大於0.1μm、大於0.3μm、大於0.5μm、大於1μm、大於5μm、小於10μm之間的微粒數量；其外氣風量欄可選擇電腦安全化、最佳化、最小化及自行輸入數值

圖 8 潔淨室設計軟體主畫面視窗

〈2004年4月〉 潔淨會訊 15

專題報導

圖 10 空氣潔淨系統設計的系統選擇、參數

設定視窗

四種方式。

(二)、室內狀態區使用者需輸入欲設計的潔淨室體積長、

寬、高三值；其次選擇無塵等級，有三種選擇

方式，第一種為如表1所示，以0.1μm為測試標準的Class 1、2、3、4、5、6之 ISO國際潔淨等級，第二種為如表1說明欄所示的不同

粒徑及不同等級(Class 1、2、3、4、5、6、7、8、9)的公式轉換所得之最大限度的微粒範圍值(粒/ M3)，第三種為使用者自行決定要採用多少微粒尺寸(0.1μm~10μm之間)及最大限度的微粒範圍值(顆/ M3)；而人員作業情形欄，使用者可依潔淨室內實際人員情況加選，其數值

參照如表3所示內容，分為普通工作服、一般

潔淨尼龍工作服、從頭到腳全套潔淨尼龍服及

站著工作、坐著工作、其他工作狀態及總人數

的輸入；而室內排風為潔淨室內製程機器加總

的排氣量值。

(三)、潔淨室系統區

圖 9 空氣潔淨系統設計子視窗

過濾器通路分新風通路及回風通路，各通

路都有初級、中級、高級、終級、其他共五組

過濾器選擇，其後面也有數量可輸入，而纖維

直徑、濾網厚度、濾材填充率、表面風速等

值，可由使用者自行輸入或選擇電腦預設值。

(四)、系統示意圖區潔淨室在本文分析中分為五種系統，使用者

可點選選擇系統按鈕後，即會出現如圖10所示的

子視窗來供設計者選擇潔淨室清淨系統。

(五)、參數設定區參數設定(如圖 1 0 所示)為可選可不選形

態，軟體本身已預設了終級過濾器1.2米長、0.6米寬的尺寸、風速 0.35 m/s、穩定時間 30分鐘、潔淨室部分RCU + 小型冷風機系統的潔淨回風比100%等值，若使用者認為此參數不適用欲設計的方案時，容許更改。

(六)、視窗最底下按鈕區儲存關閉為電腦以現視窗內的數值以文件檔

方式儲存，方便下次使用者開啟時，能把一些數

16 潔淨會訊 〈2004年 4月〉

專題報導

值叫出節省再次輸入時間；不儲存關閉為不儲

存現視窗內的數值並關閉本視窗結束計算分

析；清除重設為清除現視窗內的數值讓使用者

重新輸入；參數設定為重新設定電腦預設值；

計算結果文件展示如圖11所示，展示本次設計

計算的結果與室內外微粒分佈圖、各過濾器效

率圖等。

(七)、計算結果區此區當使用者完成其輸入條件後，可按電腦

計算扭(分安全化、最佳化、最小化三種)，一秒鐘後軟體計算結果會顯示於視窗內；

其中包含換氣次數及終級過濾器結果；使

用者若欲詳細報表資料，可按計算結果文

件展示扭後即會顯示如圖11所示的結果。

4.5 範例測試說明

空氣潔淨系統設計

本範例假設某一光電廠因配合研發品管

(R&D)需要，需增建一處實驗室，地點在台南科圖 11 空氣潔淨系統設計計算結果文件展示

視窗

圖 10 空氣潔淨系統設計的系統選擇、參數設定視窗

〈2004年4月〉 潔淨會訊 17

專題報導

圖 12 空氣潔淨系統設計範例說明(子視窗)

表 4 空氣潔淨系統設計範例說明

(0.1 μ m~10 μ m 各微粒數量與過濾器效率)

學園區內，潔淨室體積為長 10 m、寬 10 m、高3 m，人員著實驗工作服坐著研究共15人，決定採用如圖2.2所示的潔淨室MAU + FFU系統，室內排風量為200 CMH，測試標準採用美規Class 10等級，其以上述條件輸入本軟體的空氣潔淨系統設計子視窗(如圖12所示)，按下最佳化計算鈕後，電腦依序本文方程式 (1)、(2)、(3)、(8)等式以 0.1 μm~10 μm共 100等分計算，其計算數據如表4 所示，表中顯示了室內外原始微粒及經過過濾後所剩下各微粒尺寸的

微粒數量，也顯示了設計者選擇的過濾器在各

微粒尺寸的過濾效率，如表4所示中粗體反紅

為電腦設定值，即新風初濾效率35 %(6μm)、新風中濾效率85 %(1μm)、新風高濾效率95 %(0.3μm)、回風終濾效率99.9999 %(0.2μm)，再按下計算結果文件展示鈕後就會顯示本次設

計的結果與圖形(如圖13所示)，其使用的 FFU數量為 91組。

7 結論與建議

以Visual Studio.NET為架構的潔淨室最佳化設計計算軟體已成功開發；對於世界能源危機

的時間逼近，設計者應該為社會建造一個既節

能與最好最佳的潔淨室工程環境設計；本文針

對潔淨室設計系統進行電腦軟體計算設計分

析，綜合上述之討論，得到結論如下：

(1)、提出潔淨室換氣次數的設計原則在於計算微粒濃度的進出平衡，而非依以前統計數

據來決定；也利用電腦的運算能力，來解決微

積分方程式，進而可得到大氣環境各微粒尺寸

的實際數量與實際過濾效率。

(2)、開發一個全視窗化及全圖形化的Win-dows環境，對於潔淨室設計與比較分析都可在瞬間完成。

與本研究內容相關的後續軟體開發，建議

可朝以下三個方向努力：

(一)、外氣風量的決定，應以整個建築物的開口洩漏與欲保持的室內壓差來決定，需建立

各種潔淨室門窗資料庫，方可得到最佳的外氣

18 潔淨會訊 〈2004年 4月〉

專題報導

圖 13 空氣潔淨系統設計範例說明(展示果)

風量值。

(二)、本文是以微粒0.1 μm~10 μm尺寸來進行空氣潔淨系統設計計算，隨著奈米科技與

70奈米電子製程的到來，0.1 μm以下的微粒潔淨系統設計理論計算，需納入潔淨室設計裡。

參考文獻

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〈2004年4月〉 潔淨會訊 19

專題報導

[μm][m2/s][℃][μm]

[μm-1]

[m]

[μm]

EΣ

GhKukMMFNNo

Nt

nppe

PFRStksTttd

Uo

VVTS

υαλ

σ g

ηϕ

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附錄A 符號彙編

CFCMDDDBd A

df

d f

d p

E

終級過濾器

幾何平均粒徑

微粒擴散係數

乾球溫度

不同平均粒徑之定義

各直徑微粒之數量

纖維直徑

微粒直徑

過濾器效率

總合效率

室內單位體積發塵量

焓值

Kuwabara hydrodynamic factor

Boltzmann's constant大氣微粒濃度

中級過濾器

室內穩定微粒濃度

室內原始微粒濃度

某時間t (min)的室內微粒濃度

換氣次數

大氣壓力

Peclet number初級過濾器

微粒直徑dp與纖維直徑df的比值Stokes number

回風量對於全風量之比

絕對溫度

過濾網厚度、溫度

露點溫度

過濾器的表面風速

潔淨室體積

終端沉澱速度

比容

過濾材填充率

氣體分子之平均自由行徑

幾何標準偏差

氣流之黏滯係數

相對濕度

[pc/m3·min]

[Kj/Kg]

[pc/L]

[pc/L][pc/L]

[pc/L]

[次/h]

[Pa]

[oK]

[m]、 [℃][℃]

[m/s]

[m3]

[m/s]

[m3/Kg]

[ m]

[Pa · s]

[%]