現代潔凈室如何通過高效空氣過濾器進行成本控制及方法選用
前言：過去，如果潔凈室環境的操作人員必須保證工廠里的空氣達到甚至超過可接受的潔凈水平，他們只要提高空氣過濾器過濾效率和增加室內換氣量，換句話說，好比用棒球拍打蒼蠅。盡管這是個辦法，有人還希望能有更好的辦法。在過去的幾年里不斷進行空氣質量標準和實務審查，最終得出的結論是，潔凈室設計人員和業主不要過高要求空氣過濾器性能或者空氣流量，因為它遠遠超出高性能潔凈室運行所需要的水準。
有了新的過濾媒質、技術和氣流設計辦法，用戶可以在重要的環境中、在越來越嚴格的空氣質量要求下，提高過濾效率、有效地控制成本。
當然，在這些因素中，最有決定性的還是錢。到目前為止，空氣處理和調節目前在潔凈室的運行成本中占的比例最大。關于這個問題的論據非常多：在2000年出版的潔凈室基準測試計劃中，“高科技建筑物計劃”的研究人員在勞倫斯?伯克利實驗室發現高達40%的潔凈室的運行成本和最初投入的成本與單位小時的室內換氣量有關。其他公開的研究表明，另外還有10-30%的費用用于送風，它的作用是增加空氣在 潔凈室 中的“清掃”作用，需要增加30-120%的風機功率，這肯定會產生一些非常有趣的動力費用。
就空氣過濾器本身而言，問題出在過濾效率越高，捕獲的粒子就越多，空氣空氣過濾器耗能也就越高。我們把它看成空氣過濾器的“效率”，充分說明了空氣過濾器壓降和粒子清掃效率之間的關系。最理想的辦法是一方面保持或者提高空氣過濾器材料的過濾效率，另一方面還要減小空氣流動的阻力并且降低施加在空氣過濾器上的壓降。在外行人看來，微粒直徑為0.3μm、過濾效率為99.97%和微粒直徑為0.12μm、過濾效率為99.9995%兩種空氣過濾器，二者孰優孰劣，要看達到相應過濾效率需要的空氣調節的電力與過濾效率是否成比例。
Lydall Filtration/Separation公司空氣過濾技術市場推廣經理Aaron Frost說：“在許多應用中，空氣過濾器廠商被迫不斷地提高過濾效率，使空氣過濾器的效率遠遠超出合理水平。與此同時，越來越多的最終用戶開始關注與運行空氣凈化系統有關的電力成本。最重要的是找到過濾效率與成本之間的平衡點。”Lydall Filtration/Separation公司主要的業務是設計和制造超細玻璃纖維高效粒子空氣（HEPA）空氣過濾器和超高效空氣（ULPA）空氣過濾器的媒質。
怎樣算是過多？
為了尋求打破這種平衡的辦法，研究人員不僅在技術上進行創新，還重新對已有的行業標準和監管標準展開評審，這些標準主要針對流量和換氣量。在某些情況下，他們發現核心科學可以確保重新評審順利進行。這里有一個制藥行業的大量問題中的一個例子，在美國食品與藥品管理局（FDA）的努力下，在良好生產實踐中慢慢引進基于風險方法，順利解決了HEPA過濾和流速確認問題。這個主題促進行業討論，關鍵問題是：要求端末HEPA空氣過濾器以每秒90英尺的速度（fpm）運行或者進行測試是沒有任何有效的技術支持的，實際上可能反而有害。
Technovation Systems公司主席兼執行總裁Raj Jaisinghani看到這個問題。他在2003年四月提交給該機構的意見書中提出，穿過空氣過濾器的速度要達到90fpm，就是說，在ISO 5（Fed. Std. 209E Class 100）潔凈室環境中（制藥生產環境大都使用這類潔凈室），潔凈室中的送風點比較少，天花板覆蓋率就比較低。而當每小時換氣量相同的情況下，改為天花板滿布HEPA送風，這樣可以通過消滅潔凈室中的死角來提高潔凈室的性能，那么除非降低空氣過濾器送風速度，否則就會造成單位小時的換氣量增加，而后者需要在潔凈室工廠投入更多的運行成本和初始成本。
Jaisinghani說，因為室內平均流速太高會造成紊流并且形成渦流，所以在半導體行業中的ISO 1級或2級潔凈室基本都使用75fpm的流速；使潔凈室或者空氣過濾器的流速保持在90fpm，這不僅會引起更嚴重的紊流，而且還會使污染物揚起、散布在整個清潔室中的可能性提高。他還進一步引用公開的研究，提示如果單使用稀釋分析法，流速大約達到65fpm時，投資回報開始減少。那么，為什么制藥工廠ISO 5級潔凈室必須以比ISO 1級潔凈室更高的流速運行呢？
Jaisinghani說：“實際上，過濾速度比較低的空氣過濾器的表現要強于速度比較高的。空氣過濾器的沿面流速與潔凈室的性能無關。真正重要的是室內的微粒濃度和通過空氣傳播的生物負荷水平在運行過程中保持不變。這才是合格的潔凈室設計人員關心的問題”。同樣地，確認過程應在設計條件下進行，而這些設計條件應是在潔凈室的運行和性能鑒定測試程序下被證明是有效的。堅持根據Jaisinghani所謂的“90fpm謬論”進行空氣過濾器測試和性能確認是“毫無根據的”。
Clean Air Technology公司主席Frank Austin也認為設計出可以達到“適當”的流速和換氣率的系統非常重要。他說：“一開始在空氣過濾器上投入比較高成本和長期的電力運行成本同樣重要。氣壓越大，功率和電力需求就越大，電費支出就越多。”一些半導體工廠以50-60fpm的速度運行來節約能源，但是如果要使用老標準，且用戶使用的是VFD馬達，就必須把速度提高到90fpm。
Austin說：“我注意到許多潔凈室在建造時根本沒有考慮到可能需要更多的電力和因此而增加的產品生產成本。如果你只安裝幾個ULPA空氣過濾器，不會大量增加電力需求。但是如果你打算安裝150個甚至更多的ULPA HEPA空氣過濾器，你就必須認真考慮是否真的需要這么多空氣過濾器，還有就是利潤空間是否能夠支撐越來越高的初始成本和更高的運行成本”。能源效率在Clean Air Technology公司“設計與建造”潔凈室理念中是個非常重要的項目。
小型化趨勢
過濾技術專家表示，潔凈室 用戶最好重新對現有的空氣流動設計方法進行評估。按照Filtration Technology公司創始人和主席Richard Matthew的看法，最重要的是“正確設計空氣流動、減少清潔區域需要的清潔空氣總量，從而可以降低最初成本和運行成本。”
此外，隨著HEPA和ULPA的過濾效率不斷提高，一些觀察家開始注意到用戶對過濾效率水平的要求在下降。而就在幾年前，用戶希望空氣過濾器的微粒過濾效率能達到99.9999%甚至更高。現如今用戶更注重分析在 潔凈室中不同區域內實際需要的過濾水平。許多公司正在研究改善產品質量、提高成品率和降低成本所必需的過濾水平，而沒有對過濾效率提出過高的要求。
一個重要的趨勢是不再使用大空間潔凈，取而代之的是在工廠中設置清潔區域或者如Matthews所說的“工作點清潔”現在也叫做潔凈棚，只要在潔凈區域內保持空氣質量達到優良水平。簡而言之，使用這種辦法降低了需要過濾的空氣的總量。Matthews說：“特別是隨著我們進入納米技術生產階段，生產空間和生產設備的尺寸越做越小，所以需要保持清潔的空間也更小，因而也就更干凈。我們可以通過各種辦法來增加靈活性和節約成本。”這就是說，當在特定區域內的空氣總量一樣時，當工藝布置隨著時間的推移需要改變時，正確使用靈活的空氣流模式可以簡化重新設計的工作。
除了氣流設計，設備和空氣過濾器廠商不斷努力，研制出性能更強、更省電而且體積更小的送風機。氣流通過空氣過濾器進入房間時形成壓降，這必須靠送風機和空氣調節設備來恢復。只要稍微降低壓降就可以減少一部分電費開支，特別是用于風機的電費開支，而這正是大部分潔凈室運營商的主要支出。在選擇空氣過濾器時應優先選擇滿足過濾效率要求和壓降最小的空氣過濾器。
例如，Lydall公司生產的HEPA和ULPA媒質有高α效率，據說它的壓降比標準媒質低20%。Frost說，他們最近還在研制出一種被稱為AlphaMaxTM的空氣過濾器媒質，這是一種濕法成形的超細纖維玻璃媒質，可以減小阻力，使空氣順利通過空氣過濾器。
Clean Air Technology公司的Austin說，潔凈室的成本會因為為了適應以前“遺留下來的”要求過高的標準而不斷攀升，而它是在電費比較便宜時編寫的。
Clean Rooms International公司總裁Nelson Werkema說：“許多公司一方面希望得到更有效的潔凈室，另一方面也在積極尋找通過降低功耗來削減運行成本的辦法。對于我們提供的標準的SAM（空氣供應模快）組件，我們優先選擇高效率的馬達，并且已經把電流減少了一半。” Clean Rooms International公司專業從事潔凈室的設計和制造，該公司還可以提供Airlink控制包裝，在潔凈室特定時段內或者工作臺中通過嚴格控制SAM組件的工作狀態來降低功耗。
Clean Rooms International公司把帶SAM組件的FFU安裝在ISO 7級潔凈室內，避免外部的空氣微粒污染HEPA或ULPA空氣過濾器和組件的其他元件。Clean Rooms International公司要求HEPA和ULPA空氣過濾器供應商必須保證空氣過濾器通過防泄漏測試和檢驗，并且嚴格按照環境與科學技術協會（IEST）的推薦測試程序進行測試。在正式使用UL標識之前，每個SAM組件也都要按照特定的UL標準展開測試。
尷尬的問題
在衡量空氣過濾器的價格和性能時，效率和壓降是關鍵。其他因素決定整個HEPA和ULPA空氣過濾器的采集效率。其中包括空氣過濾、速度、微粒特征和空氣過濾器媒質特征�？偟恼f來，采集效率會隨著過濾速度的降低和微粒尺寸的增大而提高。此外，采集效率會隨著過濾直徑為0.3μm的微粒時最低效率為99.97%，也就是說，在每一萬個直徑為0.3μm的微粒中只有三個能穿空氣過濾器。過濾速度達到3-5fpm，空氣過濾器就可以達到這種效率。ULPA空氣過濾器在過濾直徑為0.12μm的空氣懸浮微粒的效率至少在99.9995%以上。
額定微粒尺寸為0.5μm以上的標準HEPA空氣過濾器的過濾效率在99.99%以上，電子、航空航天光學、制藥、醫療和其他制造應用等領域使用的都是這種空氣過濾器，而且，它可以在ISO 14644 Class 5潔凈室中使用。Austin說，大部分空氣過濾器媒質的實際額定微粒尺寸是0.3μm，“但原來的美國聯邦標準209E規定，空氣過濾器的額定微粒尺寸為0.5μm。以前的自動微粒計數器在0.3μm微粒尺寸設置中會受到光波長度的干擾，因而在統計上存在差異。最新的激光微粒計數器的統計結果比較準確”。
對微電子行業而言，ULPA空氣過濾器在過濾直徑大于等于0.12μm的微粒時，效率達到99.9995%以上，這種空氣過濾器主要用在ISO 5以下的潔凈室。Austin說，ULPA空氣過濾器還用在對環境要求非常嚴格的制藥和醫療領域中，甚至包括某些生物危險等級達到P3和P4的生物防泄漏研究實驗室。
Austin從事潔凈室設計和建造工作近四十年，他說：“盡管潔凈室廠商增加額外的褶皺和空氣過濾器媒質，但在實際使用時，相同的空氣壓力下，相對于標準HEPA空氣過濾器過濾效率在99.99%以上，這些HEPA空氣過濾器在流量和流速（cfm，立方英尺每分鐘）上會存在更多的限制。在實際的潔凈室系統中，我們發現過濾效率在99.99%以上的標準HEPA空氣過濾器最初的空氣壓力大約是0.5 in. H2O（英寸水柱），過濾效率達到99.9995%的ULPA最初的空氣壓力大約是
按照微粒的尺寸，有四種機制可以用來捕獲微�；蛘呤刮⒘Ｕ吃�HEPA和ULPA空氣過濾器上。篩選是最常見的過濾機制，它只能使因體積太大而無法穿過空氣過濾器的開孔的大的微粒留在空氣過濾器中，包括所有直徑在5μm以上的微粒。懸浮微粒隨著氣流流動，當氣流行時偏離直線時，大的、無法避開濾器的粒子就會因慣性碰撞撞到纖維上然后被纖維捕獲。這種機制主要用來過濾0.5-5μm的微粒，這種作用會隨著纖維間隔逐漸縮小和流速越來越高而不斷增大。
直接攔截可以捕獲中等尺寸的微粒（大約在0.1-1μm之間），當微粒緊隨氣流試圖穿過纖維的縫隙時，就在微粒與纖維接觸時、在中途被截獲或者被捕獲。通過攔截，隨著氣流直線 流動的微粒進入纖維的活動半徑然后就會被纖維粘�。贿@種辦法不能用來過濾尺寸直徑非常小的微粒。所以媒質越密，捕獲微粒的可能性就越大。最后，我們通過布朗（Brownian）擴散來捕捉非常小的微粒（尺寸小于0.1μm）。在氣流中，這些微粒與氣體分子沖突并且形成隨機路線、穿過媒質。微粒的尺寸越小，它按照“Z”字形的路線隨機移動的距離越長，微粒就越有可能接觸到纖維。
纖維和框架
用來捕獲微粒的媒質往往是用非紡織的紙或者超細纖維材料構成。媒質廠商目前正在研究如何把非紡織成分納入產品中，同時利用納米技術生產新型材料，它可以生產出更小的纖維或者生產出具有類似于柵格的屬性的亞微米材料。我們還在尋找關于粘合化學材料和加工的新辦法，以便把性能更好的產品引進潔凈室領域。Lydall 公司的Frost 說：“我們一直在關注新的和現有的原材料，并且不斷改進物理程序和進行精確的工藝控制。”
空氣過濾器媒質是按照一定程序生產并且成卷地供給空氣過濾器廠商。我們用聚合物粘合材料來固定纖維。我們把這些材料的混合漿灌進成網機；還常常使用鼓式成形機或者真空圓網抄紙機。然后，在用熱鼓膜來干燥濕的纖維薄片之前，先利用重力和真空把混合漿中的水排干。干燥過程不僅可以把媒質中的水排干還可以固化粘合劑，最終做出來的媒質薄片可以在空氣過濾器中使用。
在像Lydall這樣的空氣過濾器公司中，在生產過程中定期抽取空氣過濾器媒質樣品進行做試驗，保證整個生產批次都達到技術規范的要求。Frost 說：“針對具體的應用，一些材料可能需要做進一步的性能測試，例如在指定的流速和微粒尺寸下測試微粒的收集效率。”在IEST-CC-RP-021.2中詳細規定了這些試驗必須遵守的辦法；其他公認的測試程序是由美國檢測與材料協會（ASTM）和美國紙漿與造紙工業技術協會（TAPPI）制定。IEST關于空氣過濾的手冊中的七個推薦實務與在潔凈室和其他受控環境中的過濾有關。
HEPA和ULPA空氣過濾器一般是由空氣過濾器媒質、框架、分離器、粘合劑和墊圈組成。大部分HEPA空氣過濾器是由隨機排放的、專用的玻璃纖維片構成，折成“V”字型，它就像折迭的紙扇，在折褶之間是瓦楞形的鋁質分離器。不過，緊密的折褶會使顆粒物質直接通過折褶底面，減少了表面積，所以經常要用瓦楞形的鋁質分離器來避免媒質因外力被壓扁。我們把這個組裝件放在底部、形成空氣過濾器的核心。
最常見的設計是盒式空氣過濾器元件和圓柱型空氣過濾器元件。在盒式空氣過濾器元件中，把折迭的媒質放在一個用木頭或金屬構成的硬的正方形框內。圓柱型空氣過濾器元件中的媒質是由內部和外部金屬框架支撐，并且用金屬蓋在一端把媒質密封在空氣過濾器內�？諝庥赏庀蚶镞M入空氣過濾器，因為圓柱型空氣過濾器曝露在空氣中的表面區域比較多，所以流速比盒式空氣過濾器元件的更大。我們可以把盒式和圓柱型空氣過濾器元件直接安裝在管子里或者單獨的盒子里，它們都必須用預過濾技術過濾氣流中大尺寸顆粒物質。
Matthews說：“作為潔凈室設計和建筑物運行廠商，我們非常重視在安裝階段的HEPA/ULPA空氣過濾器成品。質量問題非常重要，因為這與管線大不相同，空氣過濾器出現故障說明它的結構很差，或者在運輸、安裝過程中受到損壞而在表面上又看不出來。”在Matthews看來，不完善的空氣過濾器往往不是媒質存在缺陷而是在空氣過濾器生產過程中有問題，最常見的就是媒質與框架粘結處。
像Filtration Technology公司這類公司擁有許多不同行業的最終用戶。Matthews說：“每個人都希望減少空氣過濾器的使用量。有了更好的媒質，你無須像在過去那樣使用大量空氣過濾器，從而滿足ISO 5級的空氣質量要求。過去大約需要70-100%的天花板覆蓋率，現在更少的天花板覆蓋率就可以達到同等的空氣質量水平。我們還看到，新的空氣過濾器的實際壓力更低，所以它們的使用壽命更長，一般在十年以上。這由其他設計標準決定，例如排風要求、室內溫度要求、潔凈室的大小和形狀、氣流分布和在潔凈室中的制造工藝的特性。”
Matthews說：“我們還注意到，新的空氣過濾器的實際壓力更低，所以它們的使用壽命更長，一般可以達到十年以上。”
變化
正如之前所說的，從許多方面上講，延長空氣過濾器的壽命都是人們考慮的重點。靜電充電是現在空氣過濾器媒質使用的一種技術，它可以提高微�？諝膺^濾器的容量和壽命。一般地講，纖維在收集塵埃時，它往往會把微粒堆積在面向氣流的纖維的前緣上。施加電場可能會使在纖維下游一側積累更多的塵埃。我們對這種辦法的實際應用效果保持謹慎樂觀，目前它還不成熟，仍然處于研究探索階段。 Clean Air Technology公司的Austin說，它的優勢在于可以在特定的產品中在HEPA空氣過濾器上進行靜電充電，通過一些顯著的、可以統計數量的辦法來降低成本、增強性能，而空氣過濾器廠商除了增強性能成本之外還需要提供關于實際運行成本的數據。
Austin說：“目前市場上有許多靜電空氣過濾器系統，它們采用柵格而不是直接攔截的辦法通過空氣過濾器媒質來捕獲空氣微粒，但是在潔凈室行業中，由于開放柵格技術的緣故，它們主要還只是作預空氣過濾器系統使用。效率從ASHRAE 35%到90%也是有可能做到的。還可以使用更加有效的空氣預過濾技術來充分發揮它的作用，這既不會增加空氣靜壓，也不會增加電費支出，也就是說靜電作用不會顯著增加電費上的開支。”
不僅含塵量增加，不斷完善的靜電沉積技術還能延長空氣過濾器壽命并且減少空氣過濾器維護。這是一個重要的收獲，特別是對制藥、醫療設備和其他受管制的公司來說，只要HEPA空氣過濾器的荷載量和氣流限制在他們的運行標準之下，他們就不用更換HEPA空氣過濾器。Austin說：“除了成本因素以外，更換空氣過濾器會中斷生產，所以需要預先安排好停工時間，進行重新清潔、重新認證和重新確認。”
空氣電離已經在許多應用中起到重要的作用，例如釋放靜電電流、防止病毒和微生物在醫療保健中心擴散。它還在重要的制造活動的環境中使用。提議者說，通過形成大量的平衡的正、負離子，電離空氣可以減少空氣污染：離子附著塵粒將使微粒增重、減緩它們在氣流中的速度，使它們粘在空氣過濾器媒質上。
隨著這項技術的迅速發展，有人認為“最終用戶了解并且非常重視性能保證”。Frost說：“超細玻璃纖維空氣過濾器媒質采用的過濾方法久經時間考驗，并且機械性能通過了驗證。與使用依靠靜電荷把微粒從氣流中除去的媒質的空氣過濾器不同，用濕法成形的超細玻璃纖維構成的空氣過濾器會隨著電荷減少而損失采集效率，但這不會有什么危險。”
根據任務選擇適合的工具
在空氣過濾器媒質、空氣過濾器組裝件、空氣調節系統甚至包括全套潔凈室等供應商多方共同努力下，過濾技術和設計取得許多新的進展。近幾年技術和設計的進步主要體現在提供有效的“適當”的空氣管理辦法，以適應不斷上升的能源價格和更嚴格的空氣質量標準。傳統的潔凈室經營者和其他制造領域充分認識到使用適當的空氣過濾就可以達到產能和盈利的要求。
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