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研究生: 魏嘉言
Wei Chia Yen
論文名稱: 計算流力程式在無塵室空氣流場分析之應用
Application of CFD in the Analysis of Air Flow Field in Clean Room Technology
指導教授: 施純寬
口試委員:
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 原子科學院 - 工程與系統科學系
Department of Engineering and System Science
論文出版年: 2001
畢業學年度: 89
語文別: 中文
論文頁數: 129
中文關鍵詞: 無塵室空氣流場渦漩熱通量
外文關鍵詞: clean room, cfd, cfx
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  • 近年來電子半導體產業的發展與技術十分快速,且潔淨度決定了微電子產品的最終特性與良率,因此,也提高了環境潔淨度的要求。由於微塵粒子很小,它的散佈與移動可以由流場的分佈來判定,所以,有關如何有效控制氣流場,使污染微粒順利排出,亦成為無塵室廠務設計的重點。本研究獲得的結果,不僅對無塵室設計有所助益,對於以CFX模擬程式分析無塵室內的流場變化,也能提供有用的資料。
    本研究藉計算模擬程式CFX 4.2對無塵室進行分析,建立符合真實的無塵室尺寸大小及環境規範的模型。以穩態條件下,探討進風口排風的速度、風向,進風口的面積大小,機台設備形狀以及發熱源的熱通量的大小、位置,所造成的效應進行整個流場分析。亦以暫態條件下,針對當無塵室的跳電時,進風口停止送風而進口速度減小,和機台停止運轉而表面熱通量減小,分析整個流場的影響。在暫態分析過程中,利用CFX模擬程式的暫態分析模式以及使用者副程式協助設定,以分析整個流場對時間的變化。因此,暫態模式及使用者副程式的探討和使用亦為本研究所著重部分。

    經模擬分析結果得知,當進風口速度及進風口面積越大時,其天花板非進風口處的渦漩區越大;若機台有突出尖角時,會造成機台側邊產生渦漩區;當機台上方的熱通量越大,其產生的渦漩區範圍和迴流速度越大。進風口風量改變時,原本已穩定的流場無法繼續維持,導致在機台側的渦漩區內的微塵粒子擴散開來,散佈整個無塵室,造成嚴重的污染。經由暫態分析得知,暫態到達穩定後的解與穩態分析的收斂解大致相同。


    The technology development in semiconductor devices has been a fast growing business recently. The final performance of a device depends on how effective air cleanliness control is done in a clean room. Because the particle’s size is so tiny that it’s motion and diffusion can be directly determined by the airflow distribution. Therefore, the means of circulating air to remove these pollutant particles effectively is the major issue in clean room design. The results from the present thesis provide detail airflow field distributions that are important for a clean room design.
    In the present thesis, we use the computational fluid dynamics code, CFX 4.2, to analyze airflow distributions in clean rooms. We build the model that is conformable to the size and environmental standard for a real clean room. Under steady state, we examine the effects of the inlet velocity, flow direction, inlet dimensions, machine platform shape, the quantity and location of heat flux. In the transient condition, we examine the effects of the inlet velocity and machine platform heat flux when they vary.

    From our simulated results, we noticed that when the inlet velocity is large, the vortex region is wide in the non-inlet area. The vortex is produced at the machine platform side with a sharp corner. If the heat flux is large, the vortex region and velocity are large on top of the machine platform. Because the steady airflow field can’t hold when inlet velocity changes, the particles diffuse outward from the vortex region at the machine platform side. These transient analyses were investigated with user-supplied subroutines and we have successfully demonstrated the consistencies between transient and steady state cases.

    目錄 頁次 摘要 i ABSTRACT ii 致謝感言 iii 目錄 iv 表目錄 vii 圖目錄 viii 符號說明 x 第一章 序論 1 1 - 1 前言 1 1 - 2 本文架構 3 第二章 CFX模擬軟體及無塵室介紹 4 2 - 1 CFX簡介 4 2 - 1. 1 前處理器 4 2 - 1. 2 處理器 5 2 - 1. 3 後處理器 5 2 - 2 無塵室之簡介 8 2 - 2. 1 無塵室之定義 8 2 - 2. 2 無塵室之分類 11 2 - 3 無塵室模擬模型之介紹 13 第三章 理論基礎 15 3 - 1 統御方程式 15 3 - 2 浮力效應 17 3 - 3 邊界層之流離現象 18 3 - 4 紊流模式 22 第四章 穩態分析 23 4 - 1 進口端之分析 23 4 - 1. 1 標準型進風口模型 23 4 - 1. 2 改變進風口速度 25 4 - 1. 3 進風口為斜方向的風 26 4 - 1. 4 加大進風口面積 27 4 - 1. 5 減小天花板壁非進風口處尺寸 28 4 - 2 機台特徵分析 45 4 - 2. 1 標準型二維模型 45 4 - 2. 2 改變機台外型 46 4 - 3 熱源模式分析 54 4 - 3. 1 機台表面有熱通量之標準模式 54 4 - 3. 2 不同熱通量大小之流場分析 55 4 - 3. 3 改變機台發熱源位置 58 第五章 暫態分析 71 5 - 1 CFX之暫態模式 71 5 - 1. 1 固定時間步階 72 5 - 1. 2 適應性時間步階 72 5 - 2 CFX之Fortran副程式 75 5 - 2. 1 Fortran副程式之種類與使用 75 5 - 2. 2 USRBCS副程式之介紹 76 5 - 3 進風口速度變化之暫態分析 84 5 - 3. 1 幾何模型之建立 84 5 - 3. 2 邊界條件之建立 84 5 - 3. 3 結果分析及討論 88 5 - 4 機台壁熱通量變化之暫態分析 101 5 - 4. 1 幾何模型及邊界條件之建立 101 5 - 4. 2 結果分析及討論 104 第六章 結論與建議 附錄A CFX的參數及符號的單位對照表 附錄B 使用者USRBCS副程式 參考文獻

    參考文獻
    1. W. Whyte , “Cleanroom Design”, 2nd ed, John Wiley & Sons.
    2. Curtis F. Gerald, and Patrick O. Wheatley, “Applied Numerical Analysis”, 5th ed, Addison-Wesley Publishing Company.
    3. 趙中興,計算流體力學模擬軟體應用在室內空氣流動、空氣品質、溫度調節與有毒氣體擴散等分析上的發展與前景(上),中國冷凍空調雜誌,p. 115,四月,1993
    4. 趙中興,計算流體力學模擬軟體應用在室內空氣流動、空氣品質、溫度調節與有毒氣體擴散等分析上的發展與前景(下),中國冷凍空調雜誌,p. 95,六月,1993
    5. 胡石政、周瑞法,無塵室之氣流研究,中國冷凍空調雜誌,p. 87,十月,1994
    6. 蔡俊宏,潔淨室的氣流特性與潔淨度控制,中國冷凍空調雜誌,p. 78,六月,1999
    7. Y. K. Chuah, S. C. Hu, and M. C. Yen, “Design and Evaluation of A Mini-environment for Semiconductor Manufacturing Processes”, ASIA-PACIFIC Conference on the Built Environment, Taipei, 1999.
    8. CFX4.2:Solver 說明手冊(1997)
    9. CFX4.2:Examples 說明手冊(1997)

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