逆止風門開發及應用

前言

製程技術已到了奈米時代N28跳躍式的到了N10、N7……，隨著製程的精密度及穩定度要求，在面對這樣的時代變化，逆止風門的穩定性必須要有新思維來因應。

排氣系統中的空氣流體，從風管經過管件、閥件到風車，再由煙囪排至大氣一路就是紊流的模式在流動著 圖一，在不穩定的氣流環境中，需提供穩定的供應流量及壓力給設備機台使用，這整個排氣系統中任何一個地方的調整所造成的變動都是會牽一髮而動全身的，故在操作面上須格外謹慎小心，尤其在要求供應變動性愈來愈小的先進製程。

半導體排氣系統

排氣系統之分類

廢氣排放處理系統(Air Abatement System)，簡稱為AAS，因半導體無塵室內不同的設備機台會產生不同的廢氣或散熱關係，故需有不同製程排氣做有效的分類與處理，以控制無塵室內有害氣體之擴散及引進足夠外氣量供做整體換氣，並使之達到符合環保排放標準。

因設備製程所使用之化學品不同，廢氣內所含成份亦大相歧異，尤其部分化學品有相容性問題，若無適當分類將導致某些化學品在風管內反應造成隱藏性風險。故根據排放物的物理及化學性質各有不同的排放管道，一般大致四個部分： 圖二

• GEX : General Exhaust (一般排氣)
• SEX : Scrubber Exhaust (濕式洗滌塔排氣)
• AEX : Alkaline (Ammonia) Exhaust (濕式阿摩尼亞洗滌塔排氣)
• VEX : VOCs (Volatile Organic Compounds) Exhaust (揮發性有機排氣)

局部排氣系統之流程及組成

典型局部排氣系統之組成包括：氣罩、風管(導管)、控制設備、風車(排氣機)及煙囪等，其處理流程如 圖三所示，乃藉由氣罩收集製程中所產生之廢氣，經風管輸送至控制設備處理，再經由煙囪(排放管道)予以排放；系統中所需之動力係由風車提供。

排氣系統中的風門

風門在排氣系統中的功用

一般皆藉由風門葉片角度的控制來達到以下目的：

• 調整機台所需求的風量或靜壓
• 系統平衡調整
• 停用設備關斷排氣減少耗能浪費

方形多片式風門之種類及特性

大型風管一般皆採用方形多片式風門，依葉片開啟的方向分為對開式(Opposed)及平行式(Parallel)兩種 圖四。

對開式及平行風門之差異

對開(Opposed)風門，流場穩定較適合做風量控制及調整用 圖五，因必須靠齒輪驅動與連桿組合，才能達到開閉動作，且葉片順逆時針開閉必須有時間差，故不適合用於逆止裝置。

平行(Parallel)風門，流場較不穩定，但構造較簡單，葉片同一方向開閉，可使用配重桿與地心引力來做關閉的動作。故適合做具逆止關斷功能之風門來使用。

逆止風門之目的及開閉模式

空氣逆止風門設計原理

在使空氣流動成為「單行道」，不讓外氣或廢氣發生逆流現象為目的。此重要之功能使逆止風門已成為排氣系統中不可或缺之元件，其主要應用時機及範圍在多風機並聯配置 圖六。

• 風車為N+1（備用）安裝設計：防備用風車之逆轉逆流。
• 多風機並聯配置起停機：防運轉頻率不同時之風機正轉逆流。
• 多風機並聯配置運轉：防運轉機組異常停機時造成系統壓降影響。

逆止風門開閉模式依作動方式有以下三種

• 壓差式：利用風機運轉，推開逆止風門；風機關機時，主要是依風門兩側之壓力差將風門關閉。但此方式之逆止風門不適安裝於水平管段。
• 壓差+重力式：風機運轉時，需克服風門配重後推開逆止風門；風機關機時，除壓差外並以重力方式將風門關閉 圖七。因加配重輔助，此機構設計可安裝於水平及垂直風管 圖八。

  圖七、重力平行多片式逆止風門

  

  圖八、重力式逆止風門之安裝方式

  
• 外力驅動式：即一般風門加裝氣壓或電力驅動裝置，並配合風機起停訊號連動風門開關，此方式建置成本較高及驅動裝置開關速度調整不易。

重力式逆止風門之特性及在排氣系統中之操作現況

重力式逆止風門之特性

以重力式開關風門時，由於葉片因開啟角度及重力的關係，在某個流速時，因其力量平衡被破壞後會產生“即開”或“即關”的現象，尤其再加上配重的加成作用，此壓力波動會更加激烈，此變化往往已超過設備機台能夠承受的範圍。 圖九

排氣系統中之操作現況

為避免風車起停機時之加減載過程導致逆止風門急開或急關造成壓力波動，目前各廠做法都是以人力握住配重桿，並配合風車加減載慢慢操作至切換機完成。期間約1~1.5小時的時間。

現行該項作業雖已具備SOP但仍有以下之潛在風險：

• 為防滑手，須雙手緊握配重桿，但手無固定支撐點有晃動之風險
• 經歷1~1.5小時有疲乏無力脫手之風險
• 雙手握桿無法接聽電話，需藉由另一員聯絡控制室傳話，且現場噪音吵雜及二人距離較遠，可能發生指令接收錯誤或反應遲滯問題
• 操作無法量化，與實際要求之大小可能會有落差

創新進化逆止風門開發（新發明－業界首創）

為改善操作現況，經與相關同仁討論並使用心智圖來找出需求 圖十，發現是需具備兩種模式的風門：

• 啟停風機時－投入至開關風門模式，須具備省力、可量化操作、防逆轉等功能
• 風機運轉中－脫離至逆止風門模式，保留原逆止風門之關斷功能

最後發現只要結合離合裝置（可讓風門依任務需要做兩種模式切換）、蝸桿（具防逆轉功能增加操作安全及穩定度）、齒輪（省力傳動）、刻度標示（可量化及標準化指示）這些元件即可達成目的 圖十一。

結果與分析

經實際開發出結合Volume Damper與Check Damper的雙功能風門，並現場安裝測試結果比較具備下列優勢：

• 解決長久以來AAS切換機時的高度風險(操作錯誤及機台影響)。
• 精準量化操作動作，減輕操作人員負荷，減少操作工時488小時/年。
• 提高AAS切換機時系統的穩定度 (From ±30Pa to ±10Pa) 圖十二。

  圖十二、系統壓力變化趨勢圖比較

  
• 創新機構設計，既有廠也可平順加裝。

結論

在既有產品做出新的改良或衍生出新的產品就是一種創新；若應用在工作上可以彌補原產品功能上的不足，這就是本案希望可當為一種解決問題的新思維方式及面對問題的態度，而不只是提供一個雙用逆止風門這個產品來解決大家的問題而已。