Die in der Reinraumplanung meistgenutzte Faustregel ist die Luftwechselrate pro Stunde. Sie ist nützlich, aber sie ist kein Abnahmekriterium. ISO 14644-1 definiert die Klassifizierung über die Partikelkonzentration in der Luft je Volumeneinheit: Für ISO-Klasse 5 beträgt die Konzentration von Partikeln ≥0,5 µm höchstens 3.520 je m³, für Klasse 7 sind es 352.000 und für Klasse 8 3.520.000 [1].
Gefragt wird also nicht, wie oft die Luft wechselt, sondern ob das Partikel den Raum verlässt. Zwei mit demselben Volumenstrom versorgte Räume fallen in ganz verschiedene Klassen, wenn ihre Luftführung sich unterscheidet.
Der Volumenstrom misst Verdünnung, nicht Reinigung
Die Luftwechselrate ist eine mittlere Verdünnungsrate. In einem realen Raum ist die Strömung nicht gleichmäßig:
- Totzonen. Hinter Geräten, in Ecken, unter Werkbänken. Die örtliche Wechselrate liegt dort weit unter dem Mittelwert, und Partikel sammeln sich an.
- Kurzschlussströmung. Luft verlässt den Zuluftdurchlass und geht direkt zum Abluftgitter, ohne je die Arbeitszone zu durchqueren. Auf dem Papier stimmt der Volumenstrom; die Reinigung ist nahezu null.
- Lage der Quelle. Der größte Teil der Partikellast stammt meist vom Personal. Führt der Weg von der Quelle zur Abluft durch die kritische Zone, hält die Klasse nicht.
Nichts davon ist außerhalb einer Feldlösung sichtbar. Ein Reinraum ist daher eine klassische Aufgabe, in der nach der Verteilung und nicht nach dem Mittelwert gefragt wird. Siehe die Notiz dazu, wann CFD nötig ist.
Erholzeit: messbar und modellierbar
Der praktischste Weg, einen Entwurf zu prüfen, ist sein Erholverhalten: Dem Raum wird eine kontrollierte Partikellast aufgegeben und die Zeit beobachtet, in der die Konzentration auf den Zielwert fällt. Das ist eine Größe, die sich sowohl vor Ort messen als auch durch instationäre Analyse direkt rechnen lässt — was sie zu einem bequemen Abgleichpunkt für die Validierung macht. Siehe die Notiz zu Verifizierung und Validierung.
Modellierungsentscheidungen
Partikel verfolgen oder einen Tracer lösen. Es gibt zwei Wege: Verfolgung der diskreten Phase (wenn das Absetzen zählt) oder eine Transportgleichung für einen passiven Skalar (für feine Partikel ausreichend und weit billiger). Die Wahl folgt der Partikelgröße; unterhalb weniger Mikrometer wird das Absetzen unter Schwerkraft vernachlässigbar.
Den thermischen Auftrieb nicht vergessen. Personal-, Beleuchtungs- und Gerätelasten können in einem Raum niedriger Geschwindigkeit das Strömungsbild bestimmen. Weil die Geschwindigkeiten gering sind, ist das oft eine Aufgabe der natürlichen Konvektion.
Druckkaskade. Die Differenz zwischen benachbarten Räumen und Szenarien mit Türöffnung bestimmen die Richtung der Leckage. Eine Türöffnung ist per Definition eine instationäre Aufgabe mit bewegten Rändern.
Referenzen
- ISO 14644-1:2015. Cleanrooms and associated controlled environments — Part 1: Classification of air cleanliness by particle concentration. International Organization for Standardization, Geneva.
- Morsi, S. A. & Alexander, A. J. (1972). An investigation of particle trajectories in two-phase flow systems. Journal of Fluid Mechanics, 55(2), 193–208. DOI: 10.1017/S0022112072001806