Gestiegene Anforderungen an die Produktqualität erfordern eine Produktion in Rein- oder Reinsträumen. Selbst kleinste Verunreinigen in der Luft können zu einer Beeinträchtigung der Fertigungsprozesse führen und hohen Ausschussraten nach sich ziehen. Die Luftversorgung dieser Fertigungsumgebung muss daher von nahezu staub- und keimfreier Qualität sein. Dabei spielen Ventilatoren eine wichtige Rolle. Sie sollten allerdings mehr können als lediglich „Luft bewegen“. Neben den erforderlichen Luftleistungen sind beispielsweise auch möglichst kompakte Abmessungen, geringe Geräuschemission, reinraumverträgliche Materialien, bedarfsgerechte Regelung, Vernetzungsmöglichkeiten und die Energieeffizienz beim „Rund um die Uhr“-Betrieb entscheidende Kriterien.
Reinraumbedingungen sind heute für viele Produktionsverfahren obligatorisch, nicht nur in der Halbleiterfertigung. Typische Beispiele liefern auch die Optik- und Lasertechnologie, die Luft- und Raumfahrttechnik, die Biowissenschaften, die medizinische Forschung und Behandlung sowie die Produktion von Lebens- und Arzneimitteln oder die Nanotechnologie. Die Reinraumtechnik verhindert, dass es durch Verunreinigung zur Beeinträchtigung der Produktionsprozesse und zur Beschädigung der empfindlichen Produkte kommt (Produktschutz). Zudem gibt es Produktionen, bei denen Stoffe nicht in die Außenluft gelangen dürfen. Auch hier ist man auf Reinraumtechnik angewiesen, um zu verhindern, dass toxische oder andere aktive Substanzen den kontrollierten Bereich verlassen und sowohl Umwelt als auch Menschenleben gefährden (Personenschutz).
Energieeffizienter Reinraumbetrieb
Bild 1: Reinraumbelüftung: Es gibt zwei Prinzipien, die nach Luftführung unterschieden werden, turbulent (links) oder laminar (rechts)
Dabei stellen Reinräume an ihre lufttechnischen Systeme spezielle Anforderungen. So kommt es auf ausreichenden Luftdurchsatz und Druck, exakte Temperatur- und Feuchteregelung sowie eine immer gleichbleibende Luftqualität an. Dies gilt unabhängig vom Belüftungsprinzip (Bild 1) oder der Raumgröße. Mit für die Montage in der Decke ausgelegten sogenannten Filter-Fan-Units (FFU), die Filtertechnik und Ventilatoren miteinander kombinieren, lassen sich diese Anforderungen gut erfüllen, vor allem in großen Reinräumen (Bild 2). Der Betrieb von Reinräumen mit FFU stellt die wirtschaftlichste Alternative für die Reinstluftversorgung dar.
Bild 2: Anschlussfertiges Ventilator-Einbau-Modul für Filter-Fan-Units, kurz FFU (links), Reinraum-Deckenventilator FFU inkl. Schwebstofffilter an der Unterseite (rechts)
Als Kern dieser FFU werden heute möglichst kompakte Einbauventilatoren in Modulbauweise verwendet, die möglichst flach bauen und wenig Einbauplatz benötigen. Gleichzeitig wird die Energieeffizienz ein immer wichtigeres Thema, denn die Klimatisierung und Lüftung verbrauchen durch die hohen Luftwechselraten in Reinräumen mit Abstand die meiste Energie im Anlagenbetrieb. Während Energiekosten und Effizienz früher eher von sekundärer Bedeutung waren, findet hier inzwischen ein Umdenken statt.
Steigende Energiepreise und das öffentliche Interesse an einer Verringerung der Emission von Treibhausgasen haben die Energieeffizienz bei allen führenden Unternehmen in den Fokus gerückt. FFU-Hersteller müssen in der Reinraumtechnik heute Gesamtwirkungsgrade von mindestens 50 % garantieren. Gefragt sind deshalb nicht nur möglichst flach bauende Ventilatoren, sondern diese müssen auch noch energieeffizient arbeiten. Die GreenTech EC‑Technologie ist damit für die Reinraumtechnik ausgesprochen interessant, da damit ausgestattete FFU Wirkungsgrade von über 50 % erreichen, was mit herkömmlicher Ventilatortechnologie bislang nicht machbar war.
Auch die extremen Anforderungen an die Geräuschemission können durch GreenTech EC-Ventilatoren erfüllt werden. Insbesondere die Ventilatoren vom Typ RadiCal® sind um 6-7 dB(A) leiser im Vergleich zum bisherigen Marktstandard. Für den Geräuschpegel im Reinraum stellt dies eine deutliche Verbesserung dar – ein Komfortgewinn für das Betriebspersonal!
Bild 3: Kompakte Ventilatoren mit energieeffizienter GreenTech-EC-Technologie für den Einsatz in Filter-Fan-Units
Der Motoren- und Ventilatorenspezialist ebm-papst Mulfingen hat EC‑Radialventilatoren im Programm, die speziell auf die Anwendung in Filter-Fan-Units ausgelegt sind und alle in diesem Anwendungsbereich obligatorischen Anforderungen erfüllen (Bild 3). Sie werden mit Durchmessern von 310, 355 und 400 mm angeboten und decken Luftleistungen zwischen 1.170, 1.750 und 2.330 m³/h ab, bei bis zu 250-300 Pa Gegendruck. Dank der Außenläuferbauweise sind die Ventilatoren sehr kompakt und vor allem mit 190-275 mm Höhe auch vergleichsweise flach, lassen sich also gut in den ebenfalls kompakten FFUs integrieren.
Komfortable Regelung und Vernetzung
Durch ihren hohen Wirkungsgrad erzeugen EC-Motoren außerdem wenig Abwärme, die als Wärmeeintrag in den Umluftbetrieb freigesetzt wird. Die Produktionsumgebung wird dadurch weniger thermisch belastet, so dass der nötige Aufwand für die Kühlsysteme deutlich reduziert ist. Die Ventilatoren in EC-Technologie lassen sich zudem sehr elegant und stufenlos in der Drehzahl regeln. Man kann also jederzeit die Luftleistung an den jeweiligen Bedarf anpassen. Das ist auch aus ökonomischen Gründen sinnvoll, da EC-Motoren gerade im Teillastbetrieb verglichen mit anderen Regelkonzepten mit besonders hohem Wirkungsgrad überzeugen. Überdimensionierte Luftmengen führen schließlich nicht zwangsläufig zu besserer Produktqualität, aber ganz sicher zu unnötig hohen Betriebskosten. Auf die bedarfsgerechte Einstellung kommt es an.
Die Ansteuerung für einen bedarfsgerechten Betrieb bei den EC-Ventilatoren ist wahlweise analog über ein 0-10 V-Signal oder digital über eine RS485-Schnittstelle möglich. Letztere bietet sich vor allem für die Reinraumtechnik an, da hier oftmals bis zu einigen Tausend Ventilatoren in den FFU ihren Dienst verrichten.
Die Vernetzungsmöglichkeiten über MODBUS oder ebmBUS haben sich in solchen Fällen als sehr praxisgerecht erwiesen. Angefangen von der Konfiguration bei der Inbetriebnahme bis hin zu Service, Fehlerdiagnose und Wartung vereinfacht sich der Umgang mit der Technik erheblich, wenn der Techniker vom zentralen PC aus auf die Ventilatoren zugreifen kann. Dabei können die Antriebe über die Bus-Schnittstelle ins übergeordnete Leitsystem zum Gebäudemanagement eingebunden werden. Über dieselbe Schnittstelle lassen sich die Motordrehzahlen stufenlos steuern. Eine bedarfsgerechte Leistungsanpassung ist damit sehr komfortabel möglich.
Bild 4: Die intuitiv zu bedienende Software EC-Control für über MODBUS und ebmBUS vernetzte EC-Ventilatoren
Die Luftleistung der FFU lässt sich so perfekt an die jeweiligen Umgebungs- und Betriebsbedingungen des Reinraums anpassen. Gleichzeitig kann man einen Ausfall eines Ventilators in der Filterdecke dadurch kompensieren, dass man die Drehzahlen der benachbarten FFU erhöht. Durch eine solche Ausfallstrategie ist Betriebssicherheit in einem hohen Maß gegeben, der Luftstrom bleibt dabei erhalten. Die für MODBUS und ebmBUS geeignete ebm-papst eigene FFU-Control-Software (Bild 4) vereinfacht dabei den Umgang mit der Anlagentechnik, angefangen von der Konfiguration und Programmierung bis hin zum Alarmmanagement.
Im Betrieb profitiert der Anwender aber noch von weiteren Eigenschaften der EC-Technologie: Die Ventilatoren arbeiten ausgesprochen leise. Über den gesamten Drehzahlbereich ist das Geräuschverhalten der Ventilatorantriebe tadellos. Die für die Produktion in Reinräumen geltenden strengen Lärmschutzbestimmungen können damit erfüllt werden. Zu einer niedrigen Geräuschemission tragen natürlich auch die nach strömungstechnischen Kriterien optimierten Radial-Laufräder bei.
Radialventilatoren aus Metall oder Kunststoff
Üblicherweise bestehen die Laufräder der in der Reinraumtechnik eingesetzten Ventilatoren aus Metall. Der Einsatz von Kunststoffen im Umluftbetrieb eines Reinraumes ist immer mit Vorbehalten verbunden. Die Zusatzstoffe, die bei der Kunststoffproduktion notwendiger Weise beigemischt werden, stehen im Verdacht, auszugasen und für die Prozesse im Reinraum schädlich zu sein.
Für Anwendungen, bei denen metallische Verunreinigungen auszuschließen sind z.B. in der Wafer-Herstellung, verhält es sich komplett anders. Hier sind Ventilatoren aus Kunststoff verständlicherweise ein Segen. Um ein Risiko für die Produktion im Reinraum durch Kunststoffteile in der Umluft auszuschließen, hat man sich bei ebm-papst Mulfingen deshalb intensiv dieser Ausgasungs-Thematik angenommen.
Bild 5: Die Ventilatoren der RadiCal®-Baureihe eignen sich besonders für den Einsatz in Filter-Fan-Units
Die Ventilatoren der RadiCal®-Baureihe wurden gründlich auf Verbotsstoffe für den Reinraumbetrieb untersucht und diese nach ITRS‑Standard der Halbleiterindustrie bewertet. RadiCal®-Laufräder von ebm-papst haben die entsprechenden Tests mit Bravur bestanden (Bild 5). Gemäß den Untersuchungsergebnissen sind die verwendeten Kunststoffe unbedenklich. Die emittierten potentiellen „Schadstoffe“ liegen weit unter den zulässigen Grenzwerten. Auch in der Reinraumtechnik können Anwender also von der innovativen Formgebung der Kunststofflaufräder profitieren. Schließlich bietet Kunststoff im Vergleich zu Blechmaterialien weitaus größere Gestaltungsmöglichkeiten. So führt die Formgebung des gesamten Ventilators zu einer verbesserten Durchströmung des Laufrads, wodurch sich der strömungstechnische Wirkungsgrad deutlich erhöht. Dafür sorgen u. a. die abgerundeten Einströmkonturen an Deck- und Bodenscheibe der Laufräder. Zusätzlich wurde das Zusammenspiel zwischen Einströmdüse und Laufradeintritt wesentlich verbessert.
Ventilatoren mit EC-Technologie in Kombination mit den strömungstechnisch optimierten Kunststofflaufrädern oder den bewährten Aluminiumräder stellen für die Anforderungen der Reinraumtechnik in jedem Fall eine energieeffiziente, kompakte und gut zu regelnde Einheit für Filter-Fan-Units dar. Ihre Leistungsfähigkeit haben sie bereits in aller Welt bewiesen, z. B. in Reinräumen, in denen Flachbildschirme produziert werden. Die Marktführer aus Korea und Taiwan setzten bei der Fertigung ihrer großen Flat-Screens auf die GreenTech EC-Technologie von ebm-papst.
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