排氣系統風門型式發展與新建廠區之應用

碟閥式的新型風門

目前中、小型排氣風門，普遍均採用圓型單葉片型式，但此通用型式通常較難達到良好的氣密要求。因此，為提供更良好的氣密品質，類似水系統及高真空系統使用碟閥式新型風門(如圖一)，逐漸被發展與應用。

圖一、碟閥式風門

相較於以往的圓型單葉片風門，當我們使用碟閥式風門時，除了可以減少安裝空間上的侷限，在設置成本上也無明顯的增加。同時因其具有良好的氣密性(如表一可達到AMCA 500D Class I等級)，所以除了良好的運轉操作性能以外，也因為其洩漏量極低，而能夠獲得節能的附加價值。

表一、風門測試報告 ，符合AMCA 500D Class I洩漏等級

測試件安裝方式依AMCA 500-D-07 Figure 5 .5

流量量測方式依AMCA 500-D-07 Figure 6.5

 

測試件尺寸 (直徑)	測試件面積	測試壓力
100 mm	0.00785 m2	6 in-wg

 

	測試件總洩漏量			單位面積洩漏量
	cfm	cmm	cms	cfm / ft2	cmm / m2	cms / m2
標準狀態	0.0787	0.0022	0.00004	0.931	0.2838	0.0047

 

風門洩漏等級判定，依UL555S測試標準 Table 16.1支單位面積洩漏上限規定。

Class ＼ in-wg	I	II	III
4.5	8	20	80
6.5	9.5	24	96
8.5	11	28	112

單位 : cfm / ft²

目前在部分台積新建廠區已陸續有碟閥式風門的使用(如圖二)。

圖二、使用於F15新建廠區的碟閥式排氣風門

新型式2~3吋小型風管與風門

以往ETFE Coating排氣風管，最小尺寸僅能製作至4吋 (100A)(如下頁圖三、圖四)，但是實際於現場裝機時，仍會面臨許多4吋以下的接點需求，一般的施作方式，都是使用4吋風管配接至使用點前，再以特殊配件轉換，來進行縮管連接。

圖三、新型式2~3吋小型風管與風門

圖四、３吋小型風門及其開度固定裝置

以往小型風管與風門製作的瓶頸在於ETFE Coating的程序中，Powder無法作到良好的塗佈。但近年來廠商已逐漸能克服此一技術上的困難，而開始能製作出2~3吋小型風管與風門。配合現場接點的實際需求，開始運用此類小型風管與風門，其效益除了可以更有效率的運用現場有限的配管空間，同時相較於以往使用4吋的管件配接，可以節省30%~60%的材料成本。

大型風門的軸承材質改善

一般之金屬軸承運用於中、大型風門上，通常因使用於酸鹼排氣風管，或環境較差之洗滌設備前後，而使化學物品腐蝕金屬軸承，或是受化學結晶的影響(如圖五)，雖然在設計上都具備耐酸鹼軸封保護設計，但通常只要有微量的洩漏，就會造成軸承異常而無法正常運作，導致風門葉片無法轉動或是永久性故障。

圖五、金屬軸承受化學品腐蝕與結晶影響。

針對此一使用上的缺點，目前普遍開始使用全PTFE式的軸承來取代金屬軸承(圖六)。因PTFE材質具備高度穩定度及防腐蝕性能，同時其尚具備耐老化、低磨擦及不粘性的良好特性，工作溫度也可達260℃，所以直接用來取代金屬軸承，運用於風門軸承上(圖七)。在洩漏性能測試中，也可以達到2㎏/cm²以上的耐壓要求。

圖六、風門軸心主要分為六部分 : 210葉片軸心，120軸心襯套，130真空油封，111軸心基座，113 PTFE材質軸承，112軸心固定螺絲。

圖七、PTFE軸承

軸承材質會依據風門材質來選用 : ETFE Coating風門使用PTFE軸承；Epoxy Painting 及SUS風門使用PP軸承。

風門連桿固定方式的改善

以往齒輪式風門固定裝置，單純使用內部齒輪結構來固定葉片位置，但時常因齒輪的微震，而造成風門緩慢關閉或開啟，而逐步影響風門開度，發生異常壓力變化，甚至造成現場機台當機。
針對此一缺點，部分廠區已要求承製風門的廠商，施行固定裝置的型式改良(圖八)，以改善固定性不佳的缺點。其工作原理是仿照管鉗鋸齒固定的方式，再搭配柺杖鎖的型式，來防止水平向的滑動。此一固定裝置型式除可以具備良好的穩定性及操作性能，也能配合各種尺寸的風門來進行安裝。

圖八、齒輪式風門固定裝置

防火風門的使用

依據公共危險物品及可燃性高壓氣體設置標準暨安全管理辦法，第23條、第(六)款的規定：通風及排出設備，應設置防火閘門。在HPM等有機溶劑處置區域，就必須符合此項規定。但以往僅針對於MA風管設置防火閘門，但部分地區之消防隊進行消防檢查時，會開始要求排氣系統風管，亦須比照辦理，因此在新建廠區之有機溶劑區域的排氣風管上，如有破壞防火區劃的部分，亦會開始裝設防火閘門(如圖九、圖十、圖十一)。

圖九、防火風門

圖十、F14P4於排氣風管上裝設之防火閘門

圖十一、機械式自動防火閘門

ABD (Auto Balance Damper) 自動平衡風門的開發

一般製程排氣系統中，皆採用手動的風門控制方式，來達到調整系統壓力的目的。若因主系統壓力異常，或大量裝機需求所產生的壓力變化，風門均無法自動進行調節，而產生機台的靜壓不穩定，與過高的排氣量。此一情況，不但增加風機耗電量，也間接增加外氣空調箱及冰水主機負荷，無形中造成能源的浪費。

因此新建工程處開始與產學界合作，開發ABD(Auto Balance Damper)「自動平衡風門」裝置(圖十二)，藉由此「自動平衡風門」的開發與應用，來增加製程機台排氣系統壓力的穩定性，並同時達到排氣減量的目的。

圖十二、ABD型式與結構圖

其設計原理主要是利用弧形葉片風門、氣壓艙、配重裝置的組合，來達到自動調節壓力與風門開度的目的。當一次側管路負壓發生變化時，會造成氣壓艙的膜片位置變化，而經由連桿帶動風門的配重裝置，當整體達到槓桿平衡時，葉片開度亦跟著改變，而能自動調整二次側的壓力值。(圖十三)經由實際的實驗測試其穩壓性能，我們發現當系統一次側壓力變化達到 ±20 0 P a時，經由ABD裝置的自動調節，可將二次側壓力控制於+20.4Pa~- 52 .2Pa之間。若以一般廠區壓力異常發生時的狀況，其壓力變化通常更小於±200Pa，則其二次側壓力的控制範圍會更良好，甚至對機台不產生影響。(圖十四)在未來的新建廠區中，自動平衡風門將會逐步推展及運用，同時持續追求更穩定的操作性能，藉由自動平衡風門的設置，希望可以使排氣系統，達成穩壓、限流、省能的多重目的。

圖十三、學理分析

圖十四

CONCLUSION 結語

新建廠區排氣系統風管與風門的發展與應用，除針對以往使用上的缺失，進行持續改善以外，也在追求更卓越的操作性能與可靠度，同時能兼顧建置成本的降低。此外，在日益受到重視的節能減碳課題上，風管與風門的發展亦是考量的重點之一，透過排氣系統使用上的最佳化過程，除了具備更好的使用品質以外，也可以大幅降低工廠運轉上的耗能。