Compreender a iluminação das salas limpas

Fundamentos
Considerando os fundamentos, o objetivo dos sistemas de iluminação é proporcionar visibilidade. Questões como os custos iniciais, os custos de energia e de manutenção contribuem normalmente para as decisões de conceção da iluminação na maioria das instalações, mas para uma instalação de sala limpa, o custo das luminárias representa normalmente menos de 1% do orçamento total. Os custos de energia associados à iluminação são normalmente mínimos quando comparados com as necessidades de energia do AVAC da sala limpa e do equipamento de processamento. O objetivo da iluminação de salas limpas passa então a ser a iluminação adequada, a coordenação com os sistemas de fornecimento de ar e a redução da contaminação para os ambientes e processos únicos que residem no espaço.

A unidade de luminância de iluminação nos Estados Unidos é o pé-vela, que equivale a 1 lúmen por pé quadrado. Os lúmenes são utilizados para descrever a saída de luz (fluxo luminoso) da fonte. O nível de pé-vela exigido em salas limpas tem sido historicamente elevado devido a exigências de precisão ou ao tamanho extremamente pequeno do objeto que requer atenção. Os níveis de iluminação variam consoante as diferentes áreas de processamento dentro da sala limpa. Recomenda-se que o engenheiro ou o projetista de iluminação analise cada área de processamento da sala limpa para determinar o tipo de tarefa a realizar e os níveis de iluminação desejados.

As superfícies da maioria das salas limpas tendem a ser altamente reflectoras. A maior parte ou a totalidade do teto, das paredes e do pavimento são brancos brilhantes com superfícies semelhantes a esmalte. No entanto, as opções de cores dos materiais das paredes e do pavimento estão a ser reexaminadas para melhorar o ambiente do utilizador.

O sistema de fornecimento de ar complica ainda mais a colocação e o espaçamento da iluminação. Nas classes de salas limpas mais restritivas, a maior parte ou a totalidade do teto é constituída por painéis de filtros de fornecimento de ar, não havendo espaço para luminárias embutidas; no entanto, um processo de conceção cuidadoso deve assegurar um conforto visual e uma eficiência ideais para apoiar o desempenho das tarefas na sala limpa. Como veremos, existem várias soluções de iluminação - a maioria utilizando lâmpadas fluorescentes.

Os sistemas de iluminação podem utilizar vários tipos de lâmpadas diferentes. As lâmpadas incandescentes, de descarga de alta intensidade e fluorescentes são mais frequentemente utilizadas em instalações residenciais, comerciais e industriais. As lâmpadas fluorescentes são quase sempre utilizadas em ambientes de salas limpas devido à sua eficiência energética, baixa manutenção e longa duração.

As principais caraterísticas a considerar nas lâmpadas fluorescentes são a temperatura de cor, o índice de restituição de cor (IRC) e o fluxo luminoso. A temperatura de cor descreve a forma como os ocupantes da divisão percepcionam a fonte de luz. A temperatura de cor é medida em graus Kelvin, variando entre 9000K (que parece azul) e 1500K (que parece vermelho-alaranjado). Normalmente, as lâmpadas são especificadas entre 4000K, descritos como frios, e 3100K, que são descritos como quentes. As lâmpadas com temperaturas à volta dos 3500K são consideradas "neutras" e são frequentemente especificadas em salas limpas.

A restituição de cor descreve o efeito que uma fonte de luz tem na aparência de objectos coloridos. A escala CRI varia de 0 a 100, com a maioria das lâmpadas disponíveis entre 60 e 90 CRI. Em geral, com CRIs mais elevados, a aparência da cor dos objectos será mais precisa dentro da sala. As lâmpadas com CRIs de 85 são normalmente especificadas para salas limpas.

As classificações de lúmen podem variar consoante as lâmpadas utilizadas. A especificação de lâmpadas com lúmens iniciais mais elevados reduzirá o número de luminárias necessárias para atingir um nível de vela-pé desejado. No entanto, o número de luminárias e o seu espaçamento devem ser revistos para produzir um nível de iluminação uniforme em todo o espaço.

As lâmpadas fluorescentes produzem alguma energia no espetro ultravioleta (UV), que pode ser prejudicial para certos processos de salas limpas. A filtragem dos raios UV pode ser efectuada com lentes de proteção ou tubos para cobrir as lâmpadas. No entanto, esta proteção converte a luz visível em cor amarela, o que não é tão agradável para os ocupantes. Embora a proteção possa reduzir os níveis de iluminação em apenas 10 a 20 por cento, os níveis de iluminação percebidos podem parecer menores devido à mudança de cor.

Pode ser necessário um aumento dos níveis de iluminação para atingir a acuidade visual desejada. Em algumas aplicações em salas limpas, podem ser necessárias lâmpadas que produzam níveis elevados de UV para reduzir bactérias ou outros contaminantes biológicos.

Os balastros são necessários nos aparelhos de iluminação para fornecer a tensão de arranque e a corrente de funcionamento necessárias para as lâmpadas. As duas tecnologias básicas utilizadas nos balastros são a electromagnética e a eletrónica.

Os balastros electromagnéticos utilizam reactores e transformadores para acionar as lâmpadas e foram o padrão durante muitos anos. Atualmente, os balastros electrónicos são mais frequentemente especificados devido a uma melhor eficiência energética; no entanto, os balastros electrónicos produzem correntes harmónicas, que podem contribuir para problemas no sistema de energia eléctrica. Os balastros devem ser especificados com níveis de distorção harmónica total iguais ou inferiores a 10 por cento, a menos que sejam realizados estudos detalhados de harmónicas.

Os balastros e as lâmpadas podem produzir campos electromagnéticos que podem ser de baixa e alta frequência. Tanto os campos electromagnéticos de baixa como os de alta frequência podem interferir com equipamentos sensíveis. Os campos de alta frequência são normalmente designados por "ruído RFI" e podem ser transmitidos nos condutores de energia e irradiados para o espaço. A RFI que é transmitida nos condutores de alimentação pode ser bloqueada por um filtro RFI instalado pelo fabricante do aparelho ou comprado a um distribuidor de eletricidade para instalação no local. Estes filtros são eficazes tanto para balastros magnéticos como para balastros electrónicos mais eficientes em termos energéticos. A RFI que é produzida pela lâmpada e irradiada no espaço através da lente é geralmente de um nível de energia inferior à produzida pelo balastro, mas pode também ser perturbadora.

Os campos magnéticos de baixa frequência também podem ser irradiados pelo dispositivo de fixação para o espaço da sala limpa e podem interferir com equipamento sensível. Os campos de baixa frequência são frequentemente expressos em unidades de miligauss (mg) e diminuem de intensidade com o quadrado da distância da fonte. Em geral, as saídas dos aparelhos de iluminação serão inferiores a dois ou três miligauss a uma distância de dois pés ou mais.

Os utilizadores de salas limpas manifestam frequentemente a sua preocupação com as interferências electromagnéticas dos dispositivos de iluminação. Os pedidos para localizar remotamente os balastros ou fornecer uma proteção especial devem basear-se nas especificações de desempenho e nos dados de teste disponíveis. O engenheiro deve solicitar especificações sobre as gamas de frequência e os níveis de intensidade de campo que causariam interferência com o equipamento de processamento da sala limpa. Os equipamentos propostos podem ser testados no terreno com medidores portáteis ou em laboratório antes da compra ou instalação.

Requisitos em termos de pé-vela
Os requisitos de vela-pé (fc) variam em todas as instalações de salas limpas, desde 30 fc em salas mecânicas/eléctricas até 100 fc ou mais na sala limpa. Algumas aplicações de salas limpas que envolvem inspeção e classificação de alimentos requerem pelo menos 150 velas de pé. O engenheiro deve trabalhar com o pessoal da sala limpa para determinar os requisitos adequados de velas de pé em cada uma das áreas do espaço.

A revisão B da norma federal 209 (atualmente 209E) continha originalmente um requisito de 100 fc nas principais áreas de salas limpas. Na prática, 100 fc foi considerado excessivo e prejudicial para os níveis de conforto ocular na maioria das aplicações de salas limpas. Além disso, pode ser difícil obter 100 fc em salas limpas ISO Classe 4 (Classe 10) e inferiores, uma vez que a maior parte do espaço do teto é dedicado a filtros de ar. As tentativas para obter 100 fc reduziriam o espaço disponível no teto das salas limpas para filtros e reduziriam a eficiência energética global. Os inquéritos efectuados nas salas limpas existentes revelaram níveis de iluminação adequados na gama dos 60 a 80 fc. Estes níveis de iluminação parecem acomodar o conforto dos utilizadores e a maioria dos tipos de processos em salas limpas.

Tipos de acessórios para salas limpas
Os tipos básicos de luminárias para salas limpas são: em forma de lágrima, embutidas, montadas à superfície e com grelha integrada no teto. A seleção do tipo de luminária depende normalmente da classificação da sala limpa.

As luminárias Teardrop foram o padrão na iluminação de salas limpas durante muitos anos. Quando se trata de salas limpas ISO Classe 4 (Fed-Std-209E Classe 10) ou superior, a maior parte do espaço disponível no teto é atribuído aos filtros de ar. Os únicos locais que restam são diretamente por baixo dos canais da grelha do teto. A própria luminária foi concebida para ter uma forma aerodinâmica - ou a forma de uma lágrima.

O objetivo desta conceção era minimizar a perturbação do fluxo de ar laminar que desce para a sala a partir do fornecimento de ar do teto.

O maior problema frequentemente associado às luminárias em forma de lágrima é o facto de se estenderem seis a oito polegadas abaixo do teto, reduzindo a altura efectiva no espaço da sala limpa. As luminárias em forma de lágrima de perfil mais baixo estão disponíveis utilizando lâmpadas de menor diâmetro e estendem-se apenas três a quatro polegadas abaixo do teto.

As salas limpas com uma classificação ISO Classe 5 (Classe 100) ou superior podem ter área livre suficiente no teto para acomodar 234 ou 232 luminárias encastradas. As luminárias embutidas são normalmente suportadas pela grelha do teto e assentam numa flange de junta ou dentro de um canal preenchido com gel para manter uma vedação hermética. São necessárias vedações totais e fiáveis para as caixas de luminárias embutidas, independentemente da classificação da sala limpa. Mesmo uma abertura microscópica na caixa permitirá a entrada de partículas do fornecimento de ar acima da grelha do teto para a sala limpa durante a manutenção do aparelho.

As luminárias de encastrar também podem ser combinadas com filtros de ar HEPA quando um espaço necessita de um filtro e de uma luz. Esta luminária é normalmente utilizada em salas limpas pequenas e pré-fabricadas. As luminárias são embutidas com a parte superior aberta e com uma persiana de acrílico no lugar da lente para servir tanto como luminária quanto como módulo de fornecimento de ar. São utilizadas na classe mais restritiva de salas limpas, onde toda a área do teto tem de ser coberta com módulos de fornecimento de ar.

Os topos são geralmente concebidos para acomodar filtros HEPA normais de 42 ou 48 polegadas. HEPA, com as botas de tratamento de ar fornecidas e instaladas pelo empreiteiro HVAC. O invólucro deve estar completamente livre de aberturas microscópicas ou o ar de alta velocidade que se move através da luminária puxará os contaminantes do plenum e os levará para a sala limpa. Estes aparelhos de fluxo contínuo têm normalmente tiras metálicas sobre cada lâmpada, o que proporciona rigidez estrutural, um arranque fiável da lâmpada, uma produção óptima da lâmpada e a estabilidade da lâmpada no fluxo de ar.

As luminárias de montagem em superfície são geralmente utilizadas apenas quando outra configuração não é prática devido a restrições específicas do local. Em geral, as luminárias de montagem em superfície só são aplicáveis a salas limpas ISO Classe 7 (Classe 10.000) ou superior ou a espaços de utilização de salas limpas (áreas cinzentas). A sua forma não pode ser aerodinâmica e é inevitável alguma turbulência do fluxo de ar.

Para acomodar as exigências de espaço conflituantes da iluminação e dos filtros de ar no teto, e como alternativa às luminárias em forma de lágrima, os fabricantes desenvolveram sistemas de teto modulares com luzes integradas nos canais da grelha. Estes sistemas permitem um fluxo de ar laminar ininterrupto, evitam obstruções suspensas que podem complicar a entrada/saída de grandes equipamentos e podem fornecer níveis de velas de 90fc. Normalmente, estes tectos são fornecidos em grandes módulos montados com luminárias pré-cabladas a cada 2 pés. Este tipo de sistema de teto pode reduzir a quantidade de cabos necessários entre as luminárias.

Construção de luminárias
O controlo da contaminação é o principal objetivo da conceção de qualquer sala limpa. Qualquer fonte potencial de contaminação para a sala limpa deve ser cuidadosamente avaliada e minimizada. Os dispositivos de iluminação devem ser submetidos a uma avaliação da contaminação. Infelizmente, não existem normas estabelecidas para pré-qualificar as luminárias para uma determinada classe de sala limpa. A National Sanitary Foundation (NSF) fornece listagens e testes de materiais usados em aplicações alimentares, farmacêuticas, médicas ou outras aplicações da FDA. Os acessórios utilizados nestas aplicações devem ter a marca de listagem NSF. Os fabricantes anunciam frequentemente os acessórios como sendo adequados para utilização em salas limpas, sem dados ou qualificações padrão para fundamentar as suas afirmações.

Os materiais e os tipos de construção das luminárias para salas limpas variam muito. Uma vez que não existe uma norma aceite para classificações específicas de salas limpas, cabe ao engenheiro ou ao projetista de iluminação avaliar cuidadosamente qualquer luminária proposta. Em geral, recomenda-se que as luminárias utilizadas em salas limpas ISO Classe 5 (Classe 100) a ISO Classe 3 (Classe 1) sejam construídas em aço com revestimento em pó, alumínio anodizado ou aço inoxidável.

Nas aplicações NFS/FDA, é normalmente exigido aço inoxidável.

Além disso, os aparelhos devem ter vedantes herméticos à volta das lentes e das armações. Os materiais de vedação devem ser cuidadosamente analisados no que respeita à libertação de gases e à resistência aos solventes de limpeza. A construção geral do aparelho deve parecer sólida, firmemente unida ou selada em todas as áreas, não deve descamar ou libertar partículas quando ligeiramente riscada e deve ser suave ao tato.

Os caixilhos das portas para dispositivos de encastrar estão normalmente disponíveis numa variedade de materiais, pormenores de construção e métodos de fecho. Os caixilhos podem ser de alumínio, aço carbono ou aço inoxidável e podem ser formados numa só peça ou montados a partir de componentes extrudidos. As portas de alumínio extrudido são mais frequentemente especificadas, quando o processo da sala limpa o permite, devido à sua vantagem em termos de custos. Se a atividade da sala limpa exigir uma lavagem frequente, tal como na NSF/FDA ou em clínicas de investigação animal, é geralmente especificada uma porta de aço inoxidável de peça única e o fecho da porta é efectuado com parafusos escareados.

O material da lente é geralmente acrílico, mas ocasionalmente é utilizado vidro. A lente deve ser invertida, com o lado liso para baixo, para uma vedação positiva e facilidade de limpeza. A estrutura prismática uniforme é a mais comum, mas está disponível uma estrutura combinada que proporciona uma distribuição simétrica/assimétrica da luz para aplicações especiais. A lente projecta a luz para baixo e para longe para uma iluminação geral, complementando a iluminação de tarefas específicas.

As salas limpas apresentam inúmeros desafios para a conceção e especificação de sistemas de iluminação. A natureza crítica dos processos das salas limpas exige uma análise, especificação e colocação minuciosas dos dispositivos de iluminação.