2022年2022年洁净室的LED照明应用与优化设计 .pdf

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1、1 洁净室的 LED照明应用与优化设计1 洁净室的无尘标准及对照明灯具的特殊要求现代社会对生产和生活环境的洁净度要求越来越高，医院手术室、各类医药、食品制造企业的生产环境，都有较高的洁净要求，而微电子、集成电路和精密仪器设备制造等企业的生产车间的洁净度要求则更高。本文讨论的洁净室，泛指以上这些领域中涉及的空气中悬浮粒子浓度受限的特殊房间，它的建造和使用应该减少诱入、产生及滞留的粒子，能达到一种相对无尘的状态。同时，对室内其它参数如温度、湿度、压力有一定的控制要求。洁净度以单位体积空气中大于或等于某粒径的微粒的数量来区分。中国住房和城乡建设部、国家质量监督和检验检疫总局在2013 年颁布了洁净厂

2、房设计规范的新的国家标准GB 50073-2013。在 GB 50073-2013 中，根据不同生产工艺对环境的要求，将洁净室分为1-9级。各等级的空气洁净度的要求见表1，表 1 洁净厂房洁净度指标空气洁净度大于或等于要求粒径的最大浓度限值（pc/m3）等级（N）0.1(m）0.2（m）0.3（m）0.5（m）1（m）5（m）1 10 2 一一一一2 100 24 10 4 一一3 1000 237 102 35 8 一4 10000 2370 1020 352 83 一5 100000 23700 10200 3520 832 29 6 1000000 237000 102000 35200

3、 8320 293 7 一一一352000 83200 2930 8 一一一3520000 832000 29300 9 一一一35200000 8320000 293000 由表 1 可见，洁净室的洁净度从1 到 9 级逐级降低。1 级最高，9 级最低。微电子、集成电路制造对洁净度要求较高，一般在 1-4 级范围内，食品和医药工业的洁净度要求略低，为 4-6 级或更低，在工程上通常把4-6 级洁净要求分别称作万级、十万级和百万级洁净度。要控制空气中灰尘颗粒的浓度，就必须控制室内空气流动的方式。根据GB 名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 6 页 -2 50073-2

4、013 洁净厂房设计规范，空气洁净度等级 1-3 级应采用 0.3-0.5m/s的单向流，4-5 级应采用 0.2-0.4m/s的单向流，6 级以下采用非单向流，满足单位小时规定换气次数即可。在这样的标准下，洁净室工程对照明和照明灯具也产生了相应的特殊要求，如何让照明设备做到既能满足照明空间规定的照度要求，又要达到洁净室的洁净标准，同时尽可能节省能源，并且能够实现安全可靠的控制，已成为照明工程的一个新课题。2 国内洁净室照明的现状目前中国国内主流的洁净室照明大多采用的是管式节能荧光灯，这类灯具利用的是气体发光的原理，使用镇流器触发高频交流电，激发管内气体放电，驱动发光。在安装方式上，管式荧光洁

5、净灯一般采取吸顶明装或嵌入式、半嵌入式安装方式，由于荧光净化灯本身的原因，这两种安装方法存在以下问题：首先，嵌入、半嵌入式的安装方法需要在天花板上开孔，对安装产生的缝隙必须进行特殊的处理，除了工艺繁琐之外，缝隙的存在仍是以后控尘的隐患。吸顶式的安装，虽然避免了缝隙的产生及处理，但是由于管式荧光灯体积较大，存在较高的厚度，形状复杂，灯具的边角构造以及凸出部分会对整个房间的空气流动体系中产生一系列不利影响。在较高等级的单向流洁净室中，采用存在明显厚度的管式荧光灯，会在边角处产生紊流或涡流，这些不稳定流的产生会到导致整个洁净室空气流动系统存在死角，微粒在这些死角处容易累积，成为防尘的隐患。其次，对于

6、一些特殊的电子机械加工行业，如一些涉及感光材料制作的工作车间，必须采用特定颜色的光源，一般采用对于荧光灯灯管涂抹相关颜色的荧光粉，或者在白色灯管外加套特定颜色的套管，这些做法一定程度上减少了光源的光通量，增大了能源损耗。第三，维修更换频繁也是传统荧光灯具在洁净室中使用的麻烦问题。荧光灯具随着使用时间的增长，相关光参数会降低，直接影响到作业的进行。荧光灯的寿命为 8000 小时左右，而实际情况，在使用到 2000 小时左右时，荧光灯就开始有明显的光衰，国家标准规定洁净灯具的光衰达到20%就必须更换，一般在一年名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 6 页 -3 左右就需要维

7、护乃至更换。如采用夹层式嵌入安装，需要工作人员进入夹层中进行作业，工作量巨大。3 半导体照明技术的优势半导体照明（LED）作为一种新型的绿色光源产品，具有光效高而且节能环保的优点，已经成为未来照明光源发展的主流。及时将半导体照明技术引入到洁净室照明中，将使净化室照明设计与灯具设计发生革命性的变化。半导体发光与荧光灯的发光机理不同，不需要高电压激发，是一种低压固体发光材料，能直接将电能转换为光能，光电转换效率比较高。以下对三种典型光源的主要参数指标进行了对比（见表2）。表 2 三种典型光源在能源消耗、寿命与光效方面的参数指标光源类型LED 白炽灯荧光灯平均寿命（h）50000 1000 8000

8、 光效（Lm/W）120 10 50 功耗(W)/等光效（在1200 Lm 时）10 120 24 由表 2 可以看出，白炽灯光源能耗高，寿命短，已经不适合在洁净室中使用。光效，即单位功率提供的光通量，是直接关系到能源消耗与实现照度的核心指标。LED的单位功率能提供的光通量达到了120 Lm，是荧光灯的两倍有余。从另一项参数等光效下的能耗也能反映这一节能特点，LED 只有荧光灯的一半不到。将 LED引入洁净室照明，可以为灯具的设计与布局提供了更大的改进空间，有效降低洁净室的能耗功率密度。从第一项指标来看，LED超长的使用寿命更显现出LED技术在净化室照明与灯具设计中的巨大优势。半导体照明的发光

9、材料采用了Ga、As、P、N等的化合物，如果调整不同大小多元原子的比例来匹配基片的晶格结构，同时通过调整半导体能隙大小，可以改变发光组件的发光波长，从而改变光色。例如，GaAs二极管发红光，GaP二极管发绿光，SiC 二极管发黄光，GaN二极管发蓝光，基本涵盖了可见光光谱。因此，可以方便地生产出不同色温的光源，以适用于有特殊色温需求的生产车间。由于 LED净化灯具不需要借助外界手段，直接由光源发出特定颜色的光，减少了光通量的损耗，相比于荧光灯管从外部改变光色的做法，在节能方面更具优势。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页，共 6 页 -4 LED芯片体积小，给灯具造型设计提

10、供了很大的空间。现在主流的LED净化灯，采取超薄的外形，厚度仅在10mm 左右，吸顶明装在天花板上，基本不影响洁净室整体空气流动体系，同时大多使用优质铝合金或不锈钢一体化轧制，确保灯体平滑无缝不积尘。在维护方面，LED光源的寿命达到了50000小时以上，而且LED光源采用低压直流供电，在使用中只要散热系统配制合理，其光衰发生得很缓慢，理论上5年的光衰不超过 10%，满足 GMP 标准。因此在洁净室中采用LED净化灯具，可以极大地减少净化灯具的更换频率，有效避免了每年进行维修更换的繁琐工序。LED不含有毒气体，其塑料外壳、金属框架能起到了防爆的作用。使用LED灯具，其二氧化碳年排放量仅为荧光净化

11、灯具的三分之一不到，可以有效削弱城市热岛效应，实现节能减排的目的。4LED灯具在洁净室照明中的应用设计4.1 洁净室照度的确定和光源选择国际照明委员会（CIE）在室内照明指南中规定，无窗厂房的照度最低不能小于 500 Lx。根据中国国家标准GB 50073-2013 洁净厂房设计规范的要求，无采光窗的洁净室的生产用房间一般照明的额定照度标准值宜为200-500 Lx，辅助用房、人员净化和物料净化用室、气闸室、走廊等处宜为150-300 Lx。同时，洁净室的一般照明的照度均匀度不应小于0.7。对于在密闭洁净厂房工作的操作人员来说，为他们提供明亮舒适的视觉环境是十分必要的。明亮且照度均匀的环境，可

12、以减少疲劳，有效提高生产效率和精细产品的成品率和产品质量。据了解，国内一些中外合资企业和国外独资企业的洁净室的照度均超过200 Lx,达到 300-500 LX。我国国内工厂企业照明照度标准普遍比欧美国家低，洁净室照明的照度尤其需要提高，考虑到我国现有的电力供应水平以及国家大力推动的节能减排要求，如何利用更少的电力资源，达到规定的照明强度，是当前的主要任务，有效途径就是推广采用LED洁净灯照明设备。不同的洁净室环境照度按工艺要求有较大差异，有的地方需要设置局部照明，因此往往是一般照明和局部照明的混合照明，必须根据净化室的要求选用达到光通量指标的 LED照明灯具，灯的排布方式和密度要参照国标的照

13、度要求进行设计。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页，共 6 页 -5 4.2 洁净室气流要求和照明灯具的设计与安装根据国标 GB 50073-2013，空气洁净度要求在1-4 级时，应采用垂直单向流；洁净度在 5 级时，应采用垂直单向流和水平单向流，6-9 级时可采用非单向流。对洁净室内空气流动的形态和分布进行合理的设计必须做到尽量避免或减少涡流，有利于迅速排除污染物，限制和减少室内污染源散发的尘土和细菌的扩散，保证室内环境达到洁净度等级。根据洁净室的这些要求，符合洁净室需要的灯具设计必须做到外形表面光滑，凹凸面少，不容易积灰尘，容易清扫，且应该采用不宜产生静电的材料制成

14、。目前，LED灯具采用侧发光和具有特殊折光性能的导光板结构，可以将灯具设计成超薄型，一般厚度不超过10mm。安装方式也应采用吸顶式，这样，可以达到美观、防尘的双重效果。超薄型的洁净灯具采用吸顶方式安装，与嵌入式灯具不同，它不需要在天花板上开孔。这样，由于开孔造成灯具与天花板之间的缝隙就不复存在，也就不需要进行缝隙的填充，使得安装工艺大大简化，给今后的维护和更换灯具也带来了极大的方便。对非单向流洁净室，灯具的布置最好采用连续光带型或断续光带型，并与火灾报警探测器、空调送风口等统一安排4.3 洁净室灯具的电源、照明布线与应急照明电气照明在洁净室设计中很重要，从工艺性质来看，洁净室内一般从事精密视觉

15、工作，需要高照度高质量的照明，为了获得良好和稳定的照明条件，除了解决好照明形式、光源、照度等一系列问题之外，最重要的是保证供电电源的可靠性和稳定性。洁净室照明灯具的电源必须采用高可靠稳定工作的供电电源。采用 LED灯具以后，因为 LED只需电压直流供电，不像传统的荧光灯需要电子或变压器镇流器，开关电源的体积可以大大缩小，并且不再有工频振动等问题。因为一般的洁净室都设有技术夹层，因此，电源可以和灯具分离，安放在技术夹层内，并且可以根据负荷分布的位置来灵活选择电源的位置。这样，照明布线和灯具的安装都十分简单。洁净室是一个相对密闭的空间，在发生事故或突然停电的情况下，必须有应名师资料总结-精品资料欢

16、迎下载-名师精心整理-第 5 页，共 6 页 -6 急备用照明。LED 照明一般采用低压直流电作为工作电源，基于这个特点，LED洁净灯可以直接配备应急电源，充电之后可以在无市电供应的情况下紧急供电，维持照明。采用 LED洁净室照明灯具以后，一般在整个洁净室内按照10%的比例配备与通用照明灯具同一型号但内带电池的应急灯具，这些内带电池的应急灯具在平时由市电供电，作为正常照明灯具使用，在发生紧急情况，市电供电中断的时候，可以迅速转用内带电池进行直流供电，实现应急照明的功能。5 总结综上所述，洁净室照明领域中，半导体照明技术在多方面均优于传统的荧光净化灯，因此使用 LED净化灯代替荧光净化灯，进行洁净室照明优化改造已经成为业界的共识。值得进一步研究的工作是如何最大限度地提高LED净化灯的设计水平，在光效、色温、可靠性设计、外形设计和安装方式等各方面创新和改进，并有效地降低生产与使用成本。政府和企业界也应积极提倡和推广半导体照明技术在洁净室工程中的应用。参考文献：（1）洁净厂房设计规范，中华人民共和国住房和城乡建设部、国家质量监督与检验检疫总局，2013-01-28（2）名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 6 页，共 6 页 -