潔淨室設計軟體開發:空氣潔淨系統設計 Development of Clean Room Design Software : Air Cleaning System Design

蕭富文＊1 遲玉倡＊1 胡石政＊2

F.W. Hsiao, Y.C. Chih, S.C. Hu,

＊1國立台北科技大學冷凍空調系碩士班研究生 ＊2國立台北科技大學冷凍空調系副教授

摘 要

潔淨室的建造成本非常昂貴，約為一般空調的六倍以上。除此之外，潔淨室的運轉成本也相當昂貴，潔淨空調系統用電量約佔了整廠耗能的 40%左右，其耗能亦為一般空調的十倍以上。在這

經濟蕭條與產業獲利率不再居高不下時，如何使廠務系統最佳設計與能源有效運用而達到

Cost-Down 之目的，就成為不得不做且相當重要的工作了。

本研究旨在闡述在建造一座潔淨室前，可由詳細的計算得知空氣在初運轉到穩定時經由高效

率過濾後各直徑之微粒數量，以及潔淨室中微粒數達到穩定狀態所需的換氣次數，藉此決定出最

佳的過濾器數量及系統, 最後並發展一具視窗功能的電腦軟體，以快速設計檢討系統狀況，對建

造、運轉成本及工程設計界而言，不失為增加競爭力的創新工具。

關鍵詞：潔淨室、節能、微粒

Abstract

The inititial,operational and energy cost of a clean room is much higher than that of a commercial building. The design of a clean room , however, influences the cost significantly. This paper aims to develop a user-friendly computer software for clean room design.The software takes various parameters including air recirculation pattern, outdoor air particle concentration,filter capture efficiency and number of occupants in the clean room. Keywords: Hospital, Operation Room, Secondary Return Air 一、前言

潔淨室在積體電路製程與精密工業中，對於成

品的良率佔有非常重要的位置，就拿 0.5 微米

以下線徑的製程來講，大約有 10%的不良率是

由於環境污染(塵埃污染)所造成的，而對於未

來奈米級線徑的製程其對於環境的要求當更

為嚴謹。台灣在世界上所造就的第二次經濟奇

蹟，其產業多為微電子精密機械、半導體與晶

圓代工，而現在台灣的光電產業、生物科技及

奈米級產業正迅速邁向世界第一，也將成為台

灣的第三次經濟奇蹟，而此類工業之製程能源

消耗甚大，其特性為 1.全面空調 2.需高潔淨

度環境故換氣量極大 3.製程排氣量極大故需

引進大量外氣 4.需精密溫濕度控制故需同時

冷卻、加熱及加濕。由上可見其需耗費之送風

、冷卻、過濾、加熱、加濕等之能量甚大，其

最佳化設計及節能技術的應用尚在起步中，節

約能源也將於今後成為永續經營提升競爭力

的一大要素。

二、研究目的與動機

潔淨室的建造成本非常高，依過去統計資

料顯示，建造一座Class 1000 級的潔淨室每坪

約花費六萬元左右，而建造一座Class 100 級

的潔淨室每坪也需花費九萬元以上，更高等級

之潔淨室建造成本更呈倍數成長，其比建造一

般空調每坪所需 0.7 萬元約在六倍以上。除此

之外，潔淨室的運轉成本也相當高，潔淨空調

系統用電量約佔了整廠耗能的 40%左右，其耗

能亦為一般空調的數十倍，可達 1 Kw/m2以上

(Hu[1])，往往一座潔淨生產廠房每月所需的

電費要高達千萬元。

由於台灣已成為世界電子業、半導體、光

電產業製造基地，而電子業潔淨室由於室內機

8-3-1

器發熱量大，外氣導入量多，空氣輸送動力大

及幾乎全年 24 小時的長時間運轉等理由而成

為能源消耗極密集的產業；且高科技產業之能

源需求量相當龐大，是台灣主要的電能用戶，

但由於晶圓製造與光電工業之附加價值極高

，能源費用佔整體生產成本之比例極低，且產

品供不應求，故老板、廠務普遍養成產能至上

、工程進度為重之觀念，對潔淨空調之最佳化

設計及節能技術常常認為不太重要，故從建廠

階段之設計開始既無從節約能源觀點著手，以

至現在遇到經濟衰退時期，想從無塵室潔淨空

調之節能 COST DOWN，效果已大打折扣。

傳統的潔淨室採用垂直層流式的設計，以

全區之氣流設計，將整個潔淨室控制在非常高

潔淨度的水平；但如此將造成整個工廠營運的

耗能與重大負擔，包括空調用電量、人員管理

、建廠投資成本、潔淨度控制等等的困難。電

子業之製程及產品良率，均有賴於電力充足供

應；鑑於近年來電力開發緩慢，用電且成長急

遽，停電或限電已成為電子工業的夢魘，亦是

影響產業發展的一大主因；又根據「世界能源

統計」(Statistical Review of World Energy)

資料告知，石油及天然氣即將在二十一世紀耗

盡，煤炭亦只維持兩世紀左右。

隨著奈米技術的來臨及電費只會高不會

低的情況來看，潔淨室的設計需擺脫概觀設計

而進入微觀設計，也就是須從以前的每坪多少

冷凍噸位及多少潔淨等級需多少換氣次數的

概算與過量設計，進入詳細的空調負荷計算及

含塵濃度確認計算的精算與最佳化設計，並可

藉由電腦的無疲勞、精確、快速等特性幫忙設

計者完成工作。因此業者或潔淨室設計師若能

在建廠時期全面進行廠房最佳化設計檢討，將

有助於減緩用電量之成長。如果能在這些事項

上提前投入心力，將可使本身生產成本降低，

競爭力提升，甚至於避免非關稅障礙。減少電

力和其他能源使用就能為地球環保盡一份心

力，塑造企業集團除了賺錢外，更能保護地球

環境的綠色企業形象。本研究的具體目標簡單

來講就是------「降低建廠初設成本」、「節省

廠房運轉成本」、「節約能源」，畢竟一個企業

體在商場競爭下要維持一定的利潤，應該從硬

體建設的節能做起，而非從人裁起。

以電腦作為工程設計分析工具已成為目

前的趨勢，只要有良好的程式設計，配合適當

的硬體設備，則電腦將可以大幅提昇工程設計

的效率，有效減少工作時程及人力成本；在潔

淨室設計系統方面，對於電腦輔助工程軟體同

樣有其迫切性的需要，設計者面對目前成本及

時效的高度競爭，應該善用電腦軟體來協助其

設計與分析；尤其目前在這方面已經有準確的

設計理論與方程式，以這些理論配合電腦軟體

，將能在極短的時間內設計出令人滿意的系統

，進而提升設計業者的競爭力。在本研究所發

展的軟體中，證明電腦輔助設計應用在潔淨室

設計系統，確實有其可行性，同時對於設計者

而言將有以下幾個優點：

(一)、視窗化與圖形化的人機介面

全視窗化的對話與檢視方塊適合人們的

生活習性，而全圖形化的輸出比較畫面更適合

人們加深印象與記憶，進而會對其所設計的系

統增加其興趣與深度分析，這對社會進步將有

很大的幫助。

(二)、提高設計的彈性

在設計的過程中，若臨時需改變某些設計

參數或是更動系統配置，只要在電腦的輸入資

料及參數設定中進行修改，馬上就能得到新的

設計結果與圖形分析；若採用過去由設計者自

行計算的方式，則很可能需要再花費同樣時間

重新計算。

(三)、線上進行系統分析比較

設計者再設計階段就可以透過電腦進行

系統的線上模擬比較，因此可隨時了解設計上

的缺失並加以修正；此外，對於已建造完成的

系統，若希望加裝某些設備或對系統進行修改

，則可先利用電腦分析改變後的情形，以利相

關的評估。

(四)、最佳化設計

雖然潔淨室系統最佳化理論已被提出，但

目前大多數設計者仍未將其應用於實務的設

計上，主要原因就在於其計算過程太複雜,但

若能利用電腦協助，則並不需擔心計算複雜及

解方程式等問題，而能快速得到最佳化設計的

結果。

(五)、設計與比較結果格式化輸出

透過電腦軟體，可直接將計算得到的設計

與比較結果格式化輸出，這將可減少重新謄寫

或製表的時間。

(六)、避免計算或查表圖時發生錯誤及誤差

只要程式設計正確，配合正確的輸入資料

，則由電腦計算的結果將不會有錯誤；相反的

，若由設計者自行計算或查表圖，在過程中難

免可能發生錯誤及誤差，這時還需再花費時間

及人力重新檢查或計算。

8-3-2

(七)、縮短設計時程

在電腦高運算速度的協助下，整個設計所

需的時程可大幅減少，就以分析大氣微粒從

0.1μm~10μm 為例，需經過四百個計算程序，

這些如果以人力進行計算至少須半小時以上。

本研究之最終目標乃發展一適合潔淨無

塵室之專用設計及節能程式，以縮短設計時程

,降低生產成本，提升競爭力。

三、本研究之應用範圍

本研究所得的成果，將可用於以下所列舉的

幾種工程應用中：

(1) 潔淨室工程設計

(2) 恆溫恆濕工程設計

(3) 醫院手術室工程設計

(4) 預測大氣微粒直徑分佈情形

(5) 分析過濾器過濾不同直徑微粒的效率

四、文獻回顧

對於我們居住在大氣環境中空氣的微粒分佈情

形，可由 Hinds[2]所著的書中，得到空氣中微

粒直徑分佈特性之方程式；經過研究統計發現，

空氣中的微粒直徑會呈現對數常態分佈

(Lognormal Distribution)的狀態，經由輸入空

氣中微粒總數或是總重量，就可以得到空氣中各

直徑微粒數量分佈之情形。

終端元件過濾器對於空氣中各直徑微粒所

去除的效率也可由 Hinds[2]所著的書或由 Lee

and Liu[3][4] & Yeh and Liu[5][6] 所發表的

方程式中得到。經由輸入過濾器對某直徑微粒的

效率、纖維直徑或過濾材填充率、纖維直徑、過

濾網厚度，可以得到各直徑微粒經過過濾器的實

際去除效率，並可以推算出空氣經由過濾器後所

剩下各直徑微粒之個數。

再由許[7]所著的書中可以得到方程式，經

由輸入不同的潔淨室條件如:室內單位容積發塵

量、大氣含塵濃度、換氣次數、過濾器總效率、

風速、潔淨室空間大小等，即可以得知潔淨室內

空氣直徑微粒分佈的總數量，及達到穩定狀態下

所需的時間。

五、理論模式

5.1 大氣微粒的種類與尺寸分佈

大氣環境中充滿了各式各樣大小的微粒物質，而

潔淨室內 90%以上的塵埃大部分是經由外氣

補給空調箱及作業人員帶入居多，故環境背景

中微粒數量與大小，跟潔淨室的清淨度有著密

切不可分的關係。如圖 1 所示可觀察出存在我

們生活中微粒物質的種類極其繁多。

粒狀微粒大體而言可分類成「懸浮微粒」及「

落塵」二種，當顆粒之粒徑小於 0.1μm，因其

重力效應極微，因此運動或移動狀況猶如分子

般，以「布朗運動(Brownian motion)」或稱

「紊亂運動(randommotion)」的形態表現，此

即屬於懸浮微粒。反之，若顆粒的尺寸大於

20μm，此時重力的效應將甚為顯著，因此具

有明顯的沉降特性，則此型顆粒屬於落塵。至

於當粒徑介於 1~20μm 之間，則微粒所呈現的

運動是隨氣流飄移。

目前世界上製程技術都還在深次微米階

段，檢測塵埃粒子的 ISO 國際潔淨等級標準(

如表 1 所示)也是以 0.1μm 為測量標準，故潔

淨室微粒的控制都還能以氣流方向來控制；隨

著奈米技術及製程線寬愈來愈細的來臨，小於

0.1μm 的粒徑控制將浮上檯面，蒞時微粒的布

朗運動將困擾著潔淨室設計者，故結合人腦及

電腦的設計方式即將來臨。

5.2 大氣微粒的數量與粒徑分佈

粒徑分佈乃指塵埃微粒之各種顆粒大小

所佔的比例，其不僅代表著粒狀物質的特性，

同時亦會影響過濾器的收集效率；通常粒徑分

佈可根據空氣中微粒的總數量或空氣中微粒

的總重量來分類，若以微粒所佔數目的比例來

表示分佈情形，則稱為「粒數分佈」，其對微

粒 直 徑 之 中 間 值 稱 為 CMD(Count Median

Diameter)。另一方面，如果是以微粒所佔質

量比例來表示分佈情形，則其稱為「質量分佈

」，其對微粒直徑之中間值稱為MMD(Mass

Median Diameter)。在過濾的技術中，大部分

是採用質量分佈來表示，畢竟在實際的應用上

，於各種不同尺寸範圍中以稱重的方式較為簡

單，如欲算出微粒的數量則甚為困難。如表 2

所示，為行政院環保署於台灣各地區架設空氣

監測站所統計出來的空氣污染物濃度年平均

值統計表，第二列PM10是表示懸浮於大氣層中較

小粒徑（直徑＜10μm）的總顆粒重量，其單位

為(µg/m3)。

8-3-3

而空氣中的微粒直徑的分佈情形會呈現對

數常態分佈(Lognormal Distribution)的狀態

，這可由 Hinds[2]所著的書中，得到空氣中微

粒直徑分佈特性之方程式(1)

(( )

)22

ln ln1 exp2 ln 2 ln

pp

p g g

d CMDdf d

dπ σ σ

⎛ ⎞−⎜ ⎟= −⎜ ⎟⎝ ⎠

(1)

其中 為空氣中各直徑微粒之數量； df 為微粒直徑； pd gσ 為幾何標準偏差； CMD 為幾何平均粒徑。

對數常態分佈並沒有完整的理論基礎，而

是透過實驗數據累積所得到的結果；以對數常

態分佈之氣懸微粒而言，可用方程式(2)來表

示不同定義下粒徑的關係：

( )gA pCMDd σ2lnexp= (2)

其中 為不同平均粒徑之定義，如 MMD 為

質量中間數粒徑； Ad

為定義各種不同粒徑之參數。 p

5.3 潔淨室內過濾器的效率分析

過濾器之效率與微粒直徑有很密切的關係，與

通過濾網的風速、溫度、壓力、流體特性也有

很重要的關聯性。

如何計算過濾器在各種微粒直徑下的效

率，以及微粒在通過過濾器後所剩下微粒數量

，可由 Hinds[2]所著的書中獲得方程式(3)

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ −=−= Σ

fdtEEP

πα4exp1 (3)

其中 P 為過濾器滲透效率，可表示通過過

濾器後前微粒數量的比值 ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

in

out

NN

E 為過濾器效率； α 為過濾材填充率；

t 為過濾網厚度； df 為纖維直徑；

ΣE 為五種過濾原理的總合效率，表示在方程式(2.4)中。

( )( ) ( )

( )( ) ⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+−⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

−⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

−−−= −Σ

22/1

3/2

3/22

211124.11

211

111

KuJStkR

UV

PeKuR

PeRKuRE

o

TS

α(4)

其中 Ku 為 Kuwabara hydrodynamic factor

，表示為 2

41

43ln

21 ααα −+−−=Ku ；

R 為微粒直徑dp與纖維直徑df的比值；

Uo 為過濾器的表面風速； VTS 為 終 端 沉 澱 速 度 ， 可 表 示 為

ηρ

18

2 gCdV cpgTS = ；

Stk 為 Stokes number 參數，可表示為

f

ocpp

dUCd

Stkη

ρ18

2

= ；

J 為參數，可表示為

( ) 4.05.27286.29 8.2262.0

其中 fη 意義表示在方程式(7)中

RR

KuPe

Kuf +⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −+⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ −= −

116.016.1

23/2

3/1 ααη (7)

由上述所示的各項方程式中設計者只要

輸入在不同的某直徑微粒的效率、纖維直徑或

過濾材填充率、纖維直徑、過濾網厚度，就可

以得到各直徑微粒經過過濾器的實際去除效

率。

5. 4 潔淨室內微粒均勻分佈計算

潔淨室計算的重心在於微粒濃度的計算

，均勻分佈計算就是假定室內微粒是均勻分佈

的，如果有微粒發生源，則發生的塵粒由於擴

散和氣流的帶動和沖淡，能很快地在室內達到

平衡。

為了簡化計算，我們還需進一步假定：通

風量是穩定的、發塵量是常數、大氣微粒數量

是常數，忽略室內外微粒的密度和分散度的變

化對過濾器效率的影響，忽略滲入的微粒量和

風管產塵的可能性，忽略微粒在風管內和室內

的沉降[7]。

如圖 2 所示，為電子廠常用實際的潔淨室

設計流程圖，在圖中我們設定各種符號的意義

如下：

Nt 為某時間t (min)的室內微粒濃度，單位為：pc/L ；

N 為室內穩定微粒濃度，單位為：pc/L ； No 為室內原始微粒濃度，即t = 0 時的微粒濃度，單位為：pc/L ；

V 為潔淨室體積，單位為：m3 ； n 為換氣次數，單位為：次/h ； G 為室內單位體積發塵量，單位為：pc/m3·min M 為大氣微粒濃度，單位為：pc/L ； s 為回風量對於全風量之比 ； PF 為初級過濾器，其效率為ηp，單位為：% ； MF 為中級過濾器，其效率為ηm，單位為：% ； CF 為終級過濾器，其效率為ηc，單位為：% ； 此外，設新風通路上過濾器的總效率為ηn ，回風通路上過濾器的總效率為ηr ，則對圖 2可表示成：

ηn = 1- (1- ηp ) (1- ηm ) (1- ηc ) (1- ηc ) ； ηr = 1- (1- ηp ) (1- ηc ) 。 其計算理論討論如下：

(一)、進入室內的微粒由三部分組成

1、由回風帶進室內的微粒：

單位時間的回風量為60

103×Vns ，單位

為：L/min；而經回風通路上過濾器過濾後，

進入室內的微粒數量為 ( )rtNVns η−× 160

103

，單位為：pc/min；則 Δt 時間內，室內每公升空氣中由於回風而增加的微粒數量為

( ) tNns rt ∆−η160 ，單位為：pc/L。 2、由新風帶進室內的微粒：

單位時間的新風量為 ( sVn −× 160

103 ) ，單位為：L/min；而經新風通路上的過濾器過

濾 後 ， 進 入 室 內 的 微 粒 數 量 為

( )( nsVnM η−−× 1160

103 )，單位為：pc/min；則 Δt 時間內，室內每公升空氣中由於新風

而增加的微粒數量為( )( )

tsnM n ∆

−−60

11 η，單

位為：pc/L。

3、於 Δt 時間內，由於室內發塵而使室內每

公升空氣中增加的微粒數量為 ，單

位為：pc/L。

tG ∆× −310

(二)、由室內排出的微粒：

單位時間通風換氣量為60

103×Vn ，單位

為 ： L/min ； 由 通 風 排 出 的 微 粒 數 量 為

tNVn

60103×

，單位為：pc/min；則 Δt 時間

內，室內每公升空氣中由通風換氣排出的微粒

數量為 tNn t ∆

60，單位為：pc/L。

根據以上分析的進出潔淨室的微粒數量

，則在Δt 時間內潔淨室內微粒濃度的變化為：ΔNt =(進入的微粒數量) – (排出的微粒數量)，經整理得到方程式(8)

8-3-5

( ) ( )( )[ ]

( )[ ]( ) ( )

( )[ ]

⎪⎭

⎪⎬⎫

⎪⎩

⎪⎨⎧

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡

−−+×−−

−−

−−−−+×

=

−−−

−

−

6011

3

3

exp111060

1111

11111060

rstn

n

ro

r

nt

snMGsnN

snsnMG

N

η

ηη

ηη

(8)

在應用方程式(8)時，只要注意系統中哪些過

濾器組合效率是ηn，哪些是ηr，就可方便地列出某一系統的微粒濃度計算式。下列列出常

用的潔淨室系統流程圖，如圖 3、4、5、6(參

考Hu [9]))所示。

六、潔淨室設計方式研究

潔淨室恆溫恆濕空調系統已成為企業或

國家增強競爭力的工程之一，故先進國家(如

德國、美國、日本)對其非常重視與管制；尤

其在最近幾年潔淨室恆溫恆濕空調系統成長

的速度更是驚人，除了大家所認知的半導體工

業、光電工業、電子器材產業及醫藥產業的製

程需用到潔淨恆溫恆濕空調外，生物科技、精

密機器產業、甚至人類居家生活環境都因為要

良率提升及個人身體健康的注重而慢慢需要

無塵無菌、恆溫恆濕的空調系統；當產品愈精

緻、奈米化，其所要求的潔淨室恆溫恆濕空調

將更嚴格，故其所耗用的電量就愈大。就拿目

前最熱門的光電產業來講，根據統計，在同一

廠房面積下，潔淨度每升高一級（如由 100 級

升為 10 級）其潔淨室空調耗電量約增加三倍

。

潔淨室恆溫恆濕空調系統工程的最佳化

設計是一門複雜而精確的學問，由於它的規模

比起一般的空調系統大上許多，而且對於溫濕

度要控制精確，再加上對潔淨度的要求嚴謹，

還有振動、噪音、靜電、防電磁波、照明等之

控制；且須了解各產業的製程特性，方能設計

出一套最佳化的潔淨室恆溫恆濕空調系統。所

以潔淨室是結合建築、電機、機械、空調、環

工、消防、控制、氣流……等知識領域所結合

的一門工程。因此，若能將潔淨室恆溫恆濕空

調系統設計最佳化，不但能減少潔淨廠房的初

設及運轉成本，更能對地球所日益減少的能源

有所幫助以達到節約能源的目標。

6.1 空氣清淨設計

綜觀現今空調設計業界，在潔淨室空氣清

净的設計上大都還停留在以前文獻所統計下

的換氣次數數據上，這就跟我們選用家用冷氣

一樣(4 到 6 坪選用一冷凍頓)簡單；這是個有

違專業技師程度及浪費地球資源的概算過量

設計方法，畢竟彼一時此一時，以前的設計參

數經過二、三十年後大都有所改變，甚至會有

不斷的創新設計理論被提出應用。而其潔淨室

空氣清净精確的設計原則在於計算微粒濃度

的進出平衡，本節將詳細說明微粒在大氣環境

，與經過過濾器後及室內均勻分佈的計算。其

說明如下：

(一)、地球上大氣環境的微粒性質已在 5 節詳

述過；許多研究者統計發現氣懸微粒之粒徑分

佈並非常態分佈，但若將微粒粒徑取對數，在

對頻率作圖，則其分佈適合常態分佈；粒徑取

對數之目的為將小微粒粒徑之範圍加大，並將

大微粒粒徑範圍縮小，如此便可將圖形畫成近

似常態分佈曲線一般，因此這組微粒便可稱為

對數常態分佈，如圖 7 所示。方程式(1)為微

粒直徑分佈之經驗方程式，其幾何平均粒徑

(CMD)及幾何標準偏差( gσ )分別定義在方程式(9)及方程式(10)中。

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

Σ

Σ= −

p

pp

ndn

CMDlog

log 1 (9)

( )( )

2/121

1loglog

log⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡

−Σ

−Σ= −

p

ppg n

dCMDnσ (10)

通常若有某一座潔淨廠房要興建，而潔淨室設

計需當地座落廠房大氣環境的微粒數量與粒

徑分佈參數資料，但很不幸地，環保署空保處

只提供如表 2 所示的資料，其中PM10的表示單

位為在微粒直徑＜10μm下每立方米所含顆粒

的總微克重量(µg/m3)，故不能使用方程式(1)、(9)、(10)得大氣環境的微粒量與粒徑分佈

；這時若使用微粒計數器(Particle Counter)

於現場實際測量，則易因環境太髒而阻塞，因

為此微粒計數器是用於量測潔淨室非常清淨

的空氣用並不是用於量測相當污濁的大氣空

氣用。

所幸在Sadjadi [10]之發表論文中可以得

知下面六點結果：

(1)分析之微粒直徑在小於 0.1μm 以下時，微

粒之幾何平均粒徑的直徑約為 0.017μm。

(2)分析之微粒直徑在 0.1μm 到 2μm 之間時

，微粒之幾何平均粒徑的直徑約為 0.34μm。

8-3-6

(3)分析之微粒直徑在大於 2μm 以上時，微粒

之幾何平均粒徑的直徑約為 8.75μm。

(4)分析之微粒直徑在小於 0.1μm 以下時，微

粒之幾何標準偏差約為 1.74 。

(5)分析之微粒直徑在 0.1μm 到 2μm 之間時

，微粒之幾何標準偏差約為 2.05。

(6)分析之微粒直徑在大於 2μm 以上時，微粒

之幾何標準偏差約為 2.33 。

總結，使用如表 2 所示的各縣市PM10的數

據資料配合表 3、Sadjadi之六點結果及方程式

(1)、(2)、(9)、(10)即可求出設計者所需大

氣環境的微粒直徑數量值。

(二)、就以現今潔淨室常用的五大系統而言(

如圖 2、圖 3、圖 4、圖 5、圖 6 所示)，其過

濾空氣簡單分為補給新風空氣及潔淨室內的

回風空氣兩種；只要從過濾器廠商得知初級、

中級及終級過濾器的各過濾材填充率、纖維直

徑、過濾網厚度，再由方程式(3)~(7)計算，

就可得知各過濾器在不同的微粒直徑尺寸所

過濾的效率；但又很不幸地，我們很難從過濾

器廠商得知各過濾材填充率、纖維直徑、過濾

網厚度三種參數，最多只能得到各纖維直徑的

數值參數(一般約在幾微米至幾十微米之間)

，故配合過濾器廠商的型錄上可查出各過濾器

在幾微米中的過濾效率(如 HEPA 在 0.3μm 中

過濾效率為 99.999%)，把過濾材填充率、過濾

網厚度當成常數看待，經由方程式(3)~(7)計

算，就可得知各過濾器在不同的微粒直徑尺寸

所過濾的效率。

(三)、潔淨室內微粒均勻分佈的計算可由方程

式(8)，配合潔淨室所欲設計的系統(如圖 2、

圖 3、圖 4、圖 5、圖 6 所示)及 ISO 分類等級(

如表 1 所示)，就可得到潔淨室內所需的實際

換氣次數、過濾器的數量及潔淨室中微粒數達

到穩定狀態所需的時間。方程式(8)中室內單

位體積發塵量，可參照如表 3 所示數據內容，

總體來說，潔淨室內的微粒除了由外氣空調箱

帶入之外，其他的主要來源來自於人產生(約

占 80%~90%)，而由製程機器(因有排風功能)

及建築物(因有環氧樹酯塗裝)、機電空調設備

(因採用無塵等級的材料設備)產生較少(約占

10%~20%)。

六、潔淨室電腦化程式架構、設計原理與操作

程序

6.1 程式語言

隨著網際網路平台的推出，微軟發表了新

版 的 視 窗 程 式 整 合 開 發 環 境 -Visual

Studio.NET 2003，整合了市面上常用的三種

程式語言 C++、Basic、JAVA、並結合了這三種

程式語言的優點推出 C#程式語言；其中變革最

大的就是 BASIC 語言，Visual Basic.NET 將

以新功能為軟體開發提供一流的物件導向程

式 設 計 語 言 ， 例 如 實 作 繼 承 、 多 載 化

(Overloading) 以及參數化的建構函式；此外

，程式設計者將可以建立具明確無限制執行緒

(Free Threading) 的彈性化程式碼，以及具

有現代化程式語言建構 (如結構化例外處理)

、容易維護的程式碼，這也說明了 Visual

Basic.NET 具有 C++與 JAVA 的優點；Visual

Basic .NET 會提供設計者在建立穩固、可調整

的分散式 Web應用程式時所需的所有語言特性

，由於連續不斷的修訂改版，Visual Basic.NET

變得越來越受歡迎，其新的物件導向語言功能

為程式開發者在建置工程設計軟體的應用程

式時所提供的神奇威力必定會持續此趨勢。

由於 Visual Basic .NET 還保持著 Visual

Basic 易學易用的特點，並且透過使用 Visual

Basic .NET 軟體設計師們將擁有更強大、更現

代化的軟體開發平台和工具，且背後有超過整

個專業開發團隊半數以上的微軟程式設計師

支援，故本文軟體開發才選擇此語言撰寫已達

永續之願。

本文重點為開發一套潔淨室最佳化設計

分析計算軟體(如圖 8 所示)，撰寫一套全視窗

化、全圖形化的人機介面環境，以協助潔淨室

設計者快速、精準、計算、設計潔淨廠房。

本電腦軟體功能表內，包含有檔案、編輯、繪

圖、檢視、最佳化設計、機電系統設計、公用

系統設計、系統模擬、視窗、說明等功能，也

含工具列及狀態列功能。本軟體開發主要重點

在潔淨室最佳化設計(第五欄)，其下拉表單內

包含手術室潔淨空調系統、空氣潔淨系統設計

及潔淨室 MAU設備元件排列組合比較三項計算

分析功能。

6.2 空氣潔淨系統設計計算軟體之操作

把滑鼠移到功能表的最佳化設計欄位，會

出現下拉式表單，選擇第二項點選後，即出現

空氣潔淨系統設計子視窗畫面(如圖 9 所示)，

本視窗主要功能在計算分析本文 5節所述的潔

淨室內微粒分佈計算(空氣潔淨)系統，分析在

建造一座潔淨室時，外氣微粒經過外氣空調箱

8-3-7

過濾器後所進入潔淨室內及室內發塵的不同

粒徑數量，以選擇最佳換氣次數及終級過濾器

數量，其操作方式說明如下：

(一)、室外狀態區

本區可接受使用者選擇採質量分佈或採

粒徑分佈的二選一方式輸入室外大氣空氣的

微粒數量，採質量分佈時可下拉選擇台灣 22

個縣市於 1992年環保署空保處的統計資料(如

表 2 所示)的PM10參數，採粒徑分佈時使用者需

自行輸入用儀器所量得的外氣大於 0.1μm、大

於 0.3μm、大於 0.5μm、大於 1μm、大於 5μm

、小於 10μm之間的微粒數量；其外氣風量欄

可選擇電腦安全化、最佳化、最小化及自行輸

入數值四種方式。

(二)、室內狀態區

使用者需輸入欲設計的潔淨室體積長、寬

、高三值；其次選擇無塵等級，有三種選擇方

式，第一種為如表 1 所示，以 0.1μm為測試標

準的Class 1、2、3、4、5、6 之ISO國際潔淨

等級，第二種為如表 1 說明欄所示的不同粒徑

及不同等級(Class 1、2、3、4、5、6、7、8

、9)的公式轉換所得之最大限度的微粒範圍值

(粒/ M3)，第三種為使用者自行決定要採用多

少微粒尺寸(0.1μm~10μm之間)及最大限度

的微粒範圍值(顆/ M3)；而人員作業情形欄，

使用者可依潔淨室內實際人員情況加選，其數

值參照如表 3 所示內容，分為普通工作服、一

般潔淨尼龍工作服、從頭到腳全套潔淨尼龍服

及站著工作、坐著工作、其他工作狀態及總人

數的輸入；而室內排風為潔淨室內製程機器加

總的排氣量值。

(三)、潔淨室系統區

過濾器通路分新風通路及回風通路，各通

路都有初級、中級、高級、終級、其他共五組

過濾器選擇，其後面也有數量可輸入，而纖維

直徑、濾網厚度、濾材填充率、表面風速等值

，可由使用者自行輸入或選擇電腦預設值。

(四)、系統示意圖區

潔淨室在本文分析中分為五種系統，使用

者可點選選擇系統按鈕後，即會出現如圖 10

所示的子視窗來供設計者選擇潔淨室清淨系

統。

(五)、參數設定區

參數設定(如圖 10 所示)為可選可不選形

態，軟體本身已預設了終級過濾器 1.2 米長、

0.6 米寬的尺寸、風速 0.35 m/s、穩定時間 30

分鐘、潔淨室部分 RCU + 小型冷風機系統的潔

淨回風比 100%等值，若使用者認為此參數不適

用欲設計的方案時，容許更改。

(六)、視窗最底下按鈕區

儲存關閉為電腦以現視窗內的數值以文

件檔方式儲存，方便下次使用者開啟時，能把

一些數值叫出節省再次輸入時間；不儲存關閉

為不儲存現視窗內的數值並關閉本視窗結束

計算分析；清除重設為清除現視窗內的數值讓

使用者重新輸入；參數設定為重新設定電腦預

設值；計算結果文件展示如圖 11 所示，展示

本次設計計算的結果與室內外微粒分佈圖、各

過濾器效率圖等。

(七)、計算結果區

此區當使用者完成其輸入條件後，可按電

腦計算扭(分安全化、最佳化、最小化三種)，

一秒鐘後軟體計算結果會顯示於視窗內；其中

包含換氣次數及終級過濾器結果；使用者若欲

詳細報表資料，可按計算結果文件展示扭後即

會顯示如圖 11 所示的結果。

6.3 範例測試說明

空氣潔淨系統設計

本範例假設某一光電廠因配合研發品管

(R&D)需要，需增建一處實驗室，地點在台南

科學園區內，潔淨室體積為長 10 m、寬 10 m

、高 3 m，人員著實驗工作服坐著研究共 15 人

，決定採用如圖 2.2 所示的潔淨室 MAU + FFU

系統，室內排風量為 200 CMH，測試標準採用

美規 Class 10 等級，其以上述條件輸入本軟

體的空氣潔淨系統設計子視窗(如圖 12 所示)

，按下最佳化計算鈕後，電腦依序本文方程式

(1)、(2)、(3)、(8)等式以 0.1 μm~10 μm

共 100 等分計算，其計算數據如表 4 所示，表

中顯示了室內外原始微粒及經過過濾後所剩

下各微粒尺寸的微粒數量，也顯示了設計者選

擇的過濾器在各微粒尺寸的過濾效率，如表 4.

所示中粗體反紅為電腦設定值，即新風初濾效

率 35 %(6μm)、新風中濾效率 85 %(1μm)、

新風高濾效率 95 %(0.3μm)、回風終濾效率

99.9999 %(0.2μm)，再按下計算結果文件展

示鈕後就會顯示本次設計的結果與圖形(如圖

13 所示)，其使用的 FFU 數量為 91 組。

7 結論與建議

以 Visual Studio.NET 為架構的潔淨室最佳化

設計計算軟體已成功開發；對於世界能源危機

8-3-8

的時間逼近，設計者應該為社會建造一個既節

能與最好最佳的潔淨室工程環境設計；本文針

對潔淨室設計系統進行電腦軟體計算設計分

析，綜合上述之討論，得到結論如下：

(1)、提出潔淨室換氣次數的設計原則在於計

算微粒濃度的進出平衡，而非依以前統計數據

來決定；也利用電腦的運算能力，來解決微積

分方程式，進而可得到大氣環境各微粒尺寸的

實際數量與實際過濾效率。

(2)、開發一個全視窗化及全圖形化的 Windows

環境，對於潔淨室設計與比較分析都可在瞬間

完成。

與本研究內容相關的後續軟體開發，建議

可朝以下三個方向努力：

(一)、外氣風量的決定，應以整個建築物的開

口洩漏與欲保持的室內壓差來決定，需建立各

種潔淨室門窗資料庫，方可得到最佳的外氣風

量值。

(二)、本文是以微粒 0.1 μm~10 μm 尺寸來

進行空氣潔淨系統設計計算，隨著奈米科技與

70 奈米電子製程的到來，0.1 μm 以下的微粒

潔淨系統設計理論計算，需納入潔淨室設計裡

。

參考文獻

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University of Minnesota，1991。

圖.1 一般常見之粒狀微粒物質的尺寸分佈

範圍[8]

8-3-9

表 1 ISO 國際潔淨等級標準

對於潔淨室或潔淨區域所需測試大於

於的考慮微粒尺寸最大限度的微粒

圍(粒/ M

等

範 3 )(可由說明內的公式轉換

)

ISO

分類

等級

(N)

0.1µ

m

0.2

µm

0.3

µm

0.5µ

m 1µm

5µ

m

Class 1

10 2

Class 2

100 24 10 4

Class 3

1,00

0 237 102 35 8

Class 4

10,0

00

2,3

70

1,0

20 352 83

Class 5

100,

000

23,

700

10,

200 3,520 832 29

Class 6

1,00

0,00

0

237

,00

0

102

,00

0

35,20

0

8,32

0293

Class 7

352,0

00

83,2

00

2,9

30

Class 8

3,520

,000

832,

000

29,

300

Class 9

35,20

0,000

8,32

0,00

0

293

,00

0

說 明 ： 各 微 粒 尺 寸 轉 換 公 式 08.21.010 ⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛×=

DC Nn ，D為設定的微粒尺

寸；N為不大於 9 的正整數；Cn為最大限度的微粒範圍值(粒/ M

3 )。

圖 2 潔淨室 MAU + FFU 系統流程圖

圖 3 潔淨室 MAU + RCU 系統流程圖

圖 4 潔淨室純 RCU 系統流程圖

圖 5 潔淨室 MAU + 軸流風扇系統流程圖

8-3-10

圖 6潔淨室部分 RCU + 小型冷風機系統流程圖

表.2 台灣地區九十年空氣污染物濃度年平均值統計表

縣市別 PM10

(µg/m3)

PM10

第八高值

(µg/m3)

SO2

(ppb)

CO

(ppm)

NO2

(ppb)

NMHC

(ppm)

O3

(ppb)

O3

第八高值

(ppb)

基隆市 54.1 119.0 4.8 0.68 21.3 0.22 26.6 93.5

台北縣 47.3 120.7 3.4 0.69 21.4 0.33 26.2 132.8

台北市 46.6 110.4 2.9 0.86 26.6 0.37 21.9 132.3

桃園縣 50.5 133.1 4.8 0.60 20.8 0.30 26.8 124.7

新竹縣 48.7 130.6 2.3 0.51 16.3 --- 25.6 115.6

新竹市 47.5 118.2 3.9 0.63 21.1 0.20 22.4 103.1

苗栗縣 41.1 110.2 2.4 0.49 17.4 0.12 25.4 112.5

台中縣 52.7 121.9 3.7 0.75 23.5 --- 22.8 128.5

台中市 63.1 171.8 2.7 0.78 25.1 0.24 22.4 118.4

彰化縣 71.6 171.3 3.7 0.56 20.8 0.30 22.9 113.9

南投縣 67.7 148.5 2.1 0.64 22.4 0.25 23.5 127.9

雲林縣 71.9 167.5 3.3 0.52 18.6 0.15 24.9 127.9

嘉義縣 65.4 153.6 2.5 0.44 15.8 --- 28.6 119.4

嘉義市 81.9 159.5 3.9 0.76 25.5 0.29 21.7 114.1

台南縣 57.9 138.3 3.8 0.49 17.6 0.18 27.6 128.0

台南市 71.2 152.4 5.3 0.63 20.3 0.22 27.9 139.9

高雄縣 80.4 176.6 8.1 0.61 20.6 0.35 29.6 146.0

高雄市 73.8 168.9 8.4 0.79 26.5 0.33 29.5 143.0

屏東縣 63.5 159.6 2.3 0.48 12.8 0.26 31.8 154.4

台東縣 33.5 73.2 0.5 0.52 8.6 0.08 25.4 70.3

花蓮縣 34.3 103.1 0.6 0.63 13.5 0.20 18.9 64.4

8-3-11

宜蘭縣 35.7 92.7 1.5 0.50 12.8 0.16 22.9 89.8

說明：1、表中PM10, SO2, CO, NO2, NMHC, O3之濃度係由環保署一般測站監測數據計算之結果。

2、 PM10及O3第八高值為該縣市各測站監測濃度第八高值前 50%測站之平均值。

表 4 空氣潔淨系統設計範例說明(0.1µm~10µm 各微粒數量與過濾器效率)

微粒 尺寸

(µm)

室外大

氣微粒(顆)

室外過

濾後微

粒(顆)

室內發

塵微粒(顆)

室內過

濾後微

粒(顆)

新風初

濾效率

新風中

濾效率

新風高

濾效率 回風終

濾效率

0.1 3539282 1682416 57779 90 0.000192 0.389388 0.221360 0.9984410.2 5758885 1279065 94015 1 0.000109 0.263716 0.698312 0.9999990.3 4969341 178731 81126 1 0.000105 0.267269 0.950908 0.9999940.4 3688344 29654 60213 0 0.000133 0.320307 0.988169 10.5 2620438 114079 42779 0 0.000192 0.402634 0.927108 10.6 1844688 0 30115 0 0.000289 0.501904 1 10.7 1303677 0 21282 0 0.000433 0.606477 1 10.8 929810 0 15179 0 0.000637 0.705537 1 10.9 670586 0 10947 0 0.000913 0.790887 1 11.0 489303 0 7988 0 0.001278 0.858296 1 11.1 361159 0 5896 0 0.001746 0.907498 1 11.2 269536 0 4400 0 0.002335 0.941014 1 11.3 203272 0 3318 0 0.003061 0.962562 1 11.4 154814 0 2527 0 0.003944 0.975783 1 11.5 118999 0 1942 0 0.005001 0.983569 1 11.6 92262 0 1506 0 0.006253 0.987908 1 11.7 72112 0 1177 0 0.007716 0.989970 1 11.8 56791 0 927 0 0.009412 0.990213 1 11.9 45042 0 735 0 0.011359 0.988228 1 1

續下頁 表 4.1(續)

微粒 尺寸

(µm)

室外大

氣微粒(顆)

室外過

濾後微

粒(顆)

室內發

塵微粒(顆)

室內過

濾後微

粒(顆)

新風初

濾效率

新風中

濾效率

新風高

濾效率 回風終

濾效率

2.0 35962 0 587 0 0.013576 0.981643 1 12.1 28893 0 471 0 0.016081 0.960862 1 12.2 23350 0 381 0 0.018891 0.879409 1 12.3 18975 0 309 0 0.022025 0.431652 1 12.4 15501 0 253 0 0.025498 1 1 12.5 12726 0 207 0 0.029325 1 1 12.6 10497 0 171 0 0.033520 1 1 12.7 8697 0 141 0 0.038096 1 1 12.8 7236 0 118 0 0.043064 1 1 12.9 6045 0 98 0 0.048434 1 1 13.0 5069 0 82 0 0.054213 1 1 1

8-3-12

3.1 4266 0 69 0 0.060409 1 1 13.2 3603 0 58 0 0.067024 1 1 13.3 3053 0 49 0 0.074063 1 1 13.4 2595 0 42 0 0.081524 1 1 13.5 2213 0 36 0 0.089406 1 1 13.6 1893 0 30 0 0.097706 1 1 13.7 1623 0 26 0 0.106416 1 1 13.8 1396 0 22 0 0.115531 1 1 13.9 1203 0 19 0 0.125038 1 1 14.0 1040 0 16 0 0.134926 1 1 14.1 901 0 14 0 0.145180 1 1 14.2 782 0 12 0 0.155784 1 1 14.3 681 0 11 0 0.166720 1 1 14.4 594 0 9 0 0.177968 1 1 14.5 519 0 8 0 0.189506 1 1 14.6 454 0 7 0 0.201310 1 1 14.7 399 0 6 0 0.213357 1 1 14.8 350 0 5 0 0.225619 1 1 14.9 309 0 5 0 0.238070 1 1 15.0 272 0 4 0 0.250681 1 1 15.1 241 0 3. 0 0.263424 1 1 15.2 213 0 3 0 0.276269 1 1 15.3 189 0 3 0 0.289185 1 1 15.4 168 0 2 0 0.302143 1 1 15.5 149 0 2 0 0.315111 1 1 15.6 133 0 2 0 0.328058 1 1 15.7 118 0 1 0 0.340955 1 1 15.8 106 0 1 0 0.343771 1 1 15.9 94 0 1 0 0.348775 1 1 16.0 85 0 1 0 0.359039 1 1 1

續下頁

表 4.1(續)

微粒 尺寸

(µm)

室外大

氣微粒(顆)

室外過

濾後微

粒(顆)

室內發

塵微粒(顆)

室內過

濾後微

粒(顆)

新風初

濾效率

新風中

濾效率

新風高

濾效率 回風終

濾效率

6.1 76 0 1 0 0.381433 1 1 16.2 68 0 1 0 0.403629 1 1 16.3 61 0 1 0 0.415599 1 1 16.4 55 0 1 0 0.427318 1 1 16.5 49 0 0 0 0.438758 1 1 16.6 45 0 0 0 0.449895 1 1 16.7 40 0 0 0 0.460704 1 1 16.8 36 0 0 0 0.471161 1 1 16.9 33 0 0 0 0.481244 1 1 17.0 30 0 0 0 0.490931 1 1 1

8-3-13

7.1 27 0 0 0 0.500199 1 1 17.2 24 0 0 0 0.509027 1 1 17.3 22 0 0 0 0.517394 1 1 17.4 20 0 0 0 0.525279 1 1 17.5 18 0 0 0 0.532661 1 1 17.6 17 0 0 0 0.539519 1 1 17.7 15 0 0 0 0.545829 1 1 17.8 14 0 0 0 0.551571 1 1 17.9 12 0 0 0 0.556718 1 1 18.0 11 0 0 0 0.561247 1 1 18.1 10 0 0 0 0.565128 1 1 18.2 10 0 0 0 0.568332 1 1 18.3 9 0 0 0 0.570826 1 1 18.4 8 0 0 0 0.572574 1 1 18.5 7 0 0 0 0.573533 1 1 18.6 7 0 0 0 0.573659 1 1 18.7 6 0 0 0 0.572899 1 1 18.8 5 0 0 0 0.571195 1 1 18.9 5 0 0 0 0.568479 1 1 19.0 5 0 0 0 0.564674 1 1 19.1 4 0 0 0 0.559692 1 1 19.2 4 0 0 0 0.553432 1 1 19.3 3 0 0 0 0.545775 1 1 19.4 3 0 0 0 0.536588 1 1 19.5 3 0 0 0 0.525711 1 1 19.6 3 0 0 0 0.512962 1 1 19.7 2 0 0 0 0.498127 1 1 19.8 2 0 0 0 0.480957 1 1 19.9 2 0 0 0 0.461157 1 1 110 2 0 0 0 0.438382 1 1 1

8-3-14

圖 7 大氣環境微粒的數量(Count)與質量

(Mass)對數常態分佈狀態

表3 潔淨室內作業人員發塵量

pc / 人 · min(≧0.5µm)

潔 淨 工 作 服

動 作 普通工作

服 一般尼龍

服

從頭到腳

全套型尼

龍服

站著 3.39 x 105 1.13 x 105 5.58 x 104

坐下 3.02 x 105 1.12 x 105 7.42 x 103

手腕上

下移動 2.98 x 106 2.98 x 105 1.86 x 104

上體前

屈 2.24 x 106 5.38 x 105 2.42 x 104

腕自由

運動 2.24 x 106 2.98 x 105 2.06 x 104

頭部上

下左右6.31 x 105 1.51 x 105 1.10 x 104

上體扭

動 8.50 x 105 2.66 x 105 1.49 x 104

屈身 3.12 x 106 6.05 x 105 3.74 x 104

腳動 2.80 x 106 8.61 x 105 4.46 x 104

步行 2.92 x 106 1.01 x 106 5.60 x 104

圖 8 潔淨室設計軟體主畫面視窗

圖 9 空氣潔淨系統設計子視窗

8-3-15

圖 10 空氣潔淨系統設計的系統選擇、參數設

定視窗

圖 11 空氣潔淨系統設計計算結果文件展示

視窗

圖 12 空氣潔淨系統設計範例說明(子視窗)

8-3-16

圖 13 空氣潔淨系統設計範例說明(展示結果

)

8-3-17

Abstract