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EC-Radi­al­ven­ti­la­toren für Filter-Fan-Units

Ener­gie­spa­rende Sauber­männer in der Rein­raum­technik


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

Reinraum-laminare-luftfuehrung

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.

Bild3_Filter-Fan-Units

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!

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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.

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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.

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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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