通过高效空气过滤器对无尘车器进行成本控制的方法说明

前言：过去，如果无尘车间环境的操作人员必须保证工厂里的空气达到甚至超过可接受的洁净水平，他们只要提高空气过滤器过滤效率和增加室内换气量，换句话说，好比用棒球拍打苍蝇。尽管这是个办法，有人还希望能有更好的办法。在过去的几年里不断进行空气质量标准和实务审查，最终得出的结论是，无尘车间设计人员和业主不要过高要求空气过滤器性能或者空气流量，因为它远远超出高性能无尘车间运行所需要的水准。

有了新的过滤媒质、技术和气流设计办法，用户可以在重要的环境中、在越来越严格的空气质量要求下，提高过滤效率、有效地控制成本。
  当然，在这些因素中，最有决定性的还是钱。到目前为止，空气处理和调节目前在无尘车间的运行成本中占的比例最大。关于这个问题的论据非常多：在2000年出版的无尘车间基准测试计划中，“高科技建筑物计划”的研究人员在劳伦斯?伯克利实验室发现高达40%的无尘车间的运行成本和最初投入的成本与单位小时的室内换气量有关。其他公开的研究表明，另外还有10-30%的费用用于送风，它的作用是增加空气在无尘车间中的“清扫”作用，需要增加30-120%的风机功率，这肯定会产生一些非常有趣的动力费用。
  就空气过滤器本身而言，问题出在过滤效率越高，捕获的粒子就越多，空气空气过滤器耗能也就越高。我们把它看成空气过滤器的“效率”，充分说明了空气过滤器压降和粒子清扫效率之间的关系。最理想的办法是一方面保持或者提高空气过滤器材料的过滤效率，另一方面还要减小空气流动的阻力并且降低施加在空气过滤器上的压降。在外行人看来，微粒直径为0.3μm、过滤效率为99.97%和微粒直径为0.12μm、过滤效率为99.9995%两种空气过滤器，二者孰优孰劣，要看达到相应过滤效率需要的空气调节的电力与过滤效率是否成比例。
Lydall Filtration/Separation公司空气过滤技术市场推广经理Aaron Frost说：“在许多应用中，空气过滤器厂商被迫不断地提高过滤效率，使空气过滤器的效率远远超出合理水平。与此同时，越来越多的最终用户开始关注与运行空气净化系统有关的电力成本。最重要的是找到过滤效率与成本之间的平衡点。”Lydall Filtration/Separation公司主要的业务是设计和制造超细玻璃纤维高效粒子空气（HEPA）空气过滤器和超高效空气（ULPA）空气过滤器的媒质。
怎样算是过多？
  为了寻求打破这种平衡的办法，研究人员不仅在技术上进行创新，还重新对已有的行业标准和监管标准展开评审，这些标准主要针对流量和换气量。在某些情况下，他们发现核心科学可以确保重新评审顺利进行。这里有一个制药行业的大量问题中的一个例子，在美国食品与药品管理局（FDA）的努力下，在良好生产实践中慢慢引进基于风险方法，顺利解决了HEPA过滤和流速确认问题。这个主题促进行业讨论，关键问题是：要求端末HEPA空气过滤器以每秒90英尺的速度（fpm）运行或者进行测试是没有任何有效的技术支持的，实际上可能反而有害。
   Technovation Systems公司主席兼执行总裁Raj Jaisinghani看到这个问题。他在2003年四月提交给该机构的意见书中提出，穿过空气过滤器的速度要达到90fpm，就是说，在ISO 5（Fed. Std. 209E Class 100）无尘车间环境中（制药生产环境大都使用这类无尘车间），无尘车间中的送风点比较少，天花板覆盖率就比较低。而当每小时换气量相同的情况下，改为天花板满布HEPA送风，这样可以通过消灭无尘车间中的死角来提高无尘车间的性能，那么除非降低空气过滤器送风速度，否则就会造成单位小时的换气量增加，而后者需要在无尘车间工厂投入更多的运行成本和初始成本。
    Jaisinghani说，因为室内平均流速太高会造成紊流并且形成涡流，所以在半导体行业中的ISO 1级或2级无尘车间基本都使用75fpm的流速；使无尘车间或者空气过滤器的流速保持在90fpm，这不仅会引起更严重的紊流，而且还会使污染物扬起、散布在整个清洁室中的可能性提高。他还进一步引用公开的研究，提示如果单使用稀释分析法，流速大约达到65fpm时，投资回报开始减少。那么，为什么制药工厂ISO 5级无尘车间必须以比ISO 1级无尘车间更高的流速运行呢？
    Jaisinghani说：“实际上，过滤速度比较低的空气过滤器的表现要强于速度比较高的。空气过滤器的沿面流速与无尘车间的性能无关。真正重要的是室内的微粒浓度和通过空气传播的生物负荷水平在运行过程中保持不变。这才是合格的无尘车间设计人员关心的问题”。同样地，确认过程应在设计条件下进行，而这些设计条件应是在无尘车间的运行和性能鉴定测试程序下被证明是有效的。坚持根据Jaisinghani所谓的“90fpm谬论”进行空气过滤器测试和性能确认是“毫无根据的”。
    Clean Air Technology公司主席Frank Austin也认为设计出可以达到“适当”的流速和换气率的系统非常重要。他说：“一开始在空气过滤器上投入比较高成本和长期的电力运行成本同样重要。气压越大，功率和电力需求就越大，电费支出就越多。”一些半导体工厂以50-60fpm的速度运行来节约能源，但是如果要使用老标准，且用户使用的是VFD马达，就必须把速度提高到90fpm。
    Austin说：“我注意到许多无尘车间在建造时根本没有考虑到可能需要更多的电力和因此而增加的产品生产成本。如果你只安装几个ULPA空气过滤器，不会大量增加电力需求。但是如果你打算安装150个甚至更多的ULPA HEPA空气过滤器，你就必须认真考虑是否真的需要这么多空气过滤器，还有就是利润空间是否能够支撑越来越高的初始成本和更高的运行成本”。能源效率在Clean Air Technology公司“设计与建造”无尘车间理念中是个非常重要的项目。
   小型化趋势
   过滤技术专家表示，无尘车间用户最好重新对现有的空气流动设计方法进行评估。按照Filtration Technology公司创始人和主席Richard Matthew的看法，最重要的是“正确设计空气流动、减少清洁区域需要的清洁空气总量，从而可以降低最初成本和运行成本。”
此外，随着HEPA和ULPA的过滤效率不断提高，一些观察家开始注意到用户对过滤效率水平的要求在下降。而就在几年前，用户希望空气过滤器的微粒过滤效率能达到99.9999%甚至更高。现如今用户更注重分析在无尘车间中不同区域内实际需要的过滤水平。许多公司正在研究改善产品质量、提高成品率和降低成本所必需的过滤水平，而没有对过滤效率提出过高的要求。
   一个重要的趋势是不再使用大空间洁净，取而代之的是在工厂中设置清洁区域或者如Matthews所说的“工作点清洁”现在也叫做洁净棚，只要在洁净区域内保持空气质量达到优良水平。简而言之，使用这种办法降低了需要过滤的空气的总量。Matthews说：“特别是随着我们进入纳米技术生产阶段，生产空间和生产设备的尺寸越做越小，所以需要保持清洁的空间也更小，因而也就更干净。我们可以通过各种办法来增加灵活性和节约成本。”这就是说，当在特定区域内的空气总量一样时，当工艺布置随着时间的推移需要改变时，正确使用灵活的空气流模式可以简化重新设计的工作。
   除了气流设计，设备和空气过滤器厂商不断努力，研制出性能更强、更省电而且体积更小的送风机。气流通过空气过滤器进入房间时形成压降，这必须靠送风机和空气调节设备来恢复。只要稍微降低压降就可以减少一部分电费开支，特别是用于风机的电费开支，而这正是大部分无尘车间运营商的主要支出。在选择空气过滤器时应优先选择满足过滤效率要求和压降最小的空气过滤器。
  例如，Lydall公司生产的HEPA和ULPA媒质有高α效率，据说它的压降比标准媒质低20%。Frost说，他们最近还在研制出一种被称为AlphaMaxTM的空气过滤器媒质，这是一种湿法成形的超细纤维玻璃媒质，可以减小阻力，使空气顺利通过空气过滤器。
Clean Air Technology公司的Austin说，无尘车间的成本会因为为了适应以前“遗留下来的”要求过高的标准而不断攀升，而它是在电费比较便宜时编写的。
   Clean Rooms International公司总裁Nelson Werkema说：“许多公司一方面希望得到更有效的无尘车间，另一方面也在积极寻找通过降低功耗来削减运行成本的办法。对于我们提供的标准的SAM（空气供应模快）组件，我们优先选择高效率的马达，并且已经把电流减少了一半。” Clean Rooms International公司专业从事无尘车间的设计和制造，该公司还可以提供Airlink控制包装，在无尘车间特定时段内或者工作台中通过严格控制SAM组件的工作状态来降低功耗。
   Clean Rooms International公司把带SAM组件的FFU安装在ISO 7级无尘车间内，避免外部的空气微粒污染HEPA或ULPA空气过滤器和组件的其他元件。Clean Rooms International公司要求HEPA和ULPA空气过滤器供应商必须保证空气过滤器通过防泄漏测试和检验，并且严格按照环境与科学技术协会（IEST）的推荐测试程序进行测试。在正式使用UL标识之前，每个SAM组件也都要按照特定的UL标准展开测试。
  尴尬的问题
  在衡量空气过滤器的价格和性能时，效率和压降是关键。其他因素决定整个HEPA和ULPA空气过滤器的采集效率。其中包括空气过滤、速度、微粒特征和空气过滤器媒质特征。总的说来，采集效率会随着过滤速度的降低和微粒尺寸的增大而提高。此外，采集效率会随着过滤直径为0.3μm的微粒时最低效率为99.97%，也就是说，在每一万个直径为0.3μm的微粒中只有三个能穿空气过滤器。过滤速度达到3-5fpm，空气过滤器就可以达到这种效率。ULPA空气过滤器在过滤直径为0.12μm的空气悬浮微粒的效率至少在99.9995%以上。
额定微粒尺寸为0.5μm以上的标准HEPA空气过滤器的过滤效率在99.99%以上，电子、航空航天光学、制药、医疗和其他制造应用等领域使用的都是这种空气过滤器，而且，它可以在ISO 14644 Class 5无尘车间中使用。Austin说，大部分空气过滤器媒质的实际额定微粒尺寸是0.3μm，“但原来的美国联邦标准209E规定，空气过滤器的额定微粒尺寸为0.5μm。以前的自动微粒计数器在0.3μm微粒尺寸设置中会受到光波长度的干扰，因而在统计上存在差异。最新的激光微粒计数器的统计结果比较准确”。
  对微电子行业而言，ULPA空气过滤器在过滤直径大于等于0.12μm的微粒时，效率达到99.9995%以上，这种空气过滤器主要用在ISO 5以下的无尘车间。Austin说，ULPA空气过滤器还用在对环境要求非常严格的制药和医疗领域中，甚至包括某些生物危险等级达到P3和P4的生物防泄漏研究实验室。
    Austin从事无尘车间设计和建造工作近四十年，他说：“尽管无尘车间厂商增加额外的褶皱和空气过滤器媒质，但在实际使用时，相同的空气压力下，相对于标准HEPA空气过滤器过滤效率在99.99%以上，这些HEPA空气过滤器在流量和流速（cfm，立方英尺每分钟）上会存在更多的限制。在实际的无尘车间系统中，我们发现过滤效率在99.99%以上的标准HEPA空气过滤器最初的空气压力大约是0.5 in. H2O（英寸水柱），过滤效率达到99.9995%的ULPA最初的空气压力大约是1.0 in. H2O。”此外，还要考虑管道和类似系统泄漏的因素的影响。ULPA空气过滤器的压降大约是标准HEPA空气过滤器的两倍。
按照微粒的尺寸，有四种机制可以用来捕获微粒或者使微粒粘在HEPA和ULPA空气过滤器上。筛选是最常见的过滤机制，它只能使因体积太大而无法穿过空气过滤器的开孔的大的微粒留在空气过滤器中，包括所有直径在5μm以上的微粒。悬浮微粒随着气流流动，当气流行时偏离直线时，大的、无法避开滤器的粒子就会因惯性碰撞撞到纤维上然后被纤维捕获。这种机制主要用来过滤0.5-5μm的微粒，这种作用会随着纤维间隔逐渐缩小和流速越来越高而不断增大。
  直接拦截可以捕获中等尺寸的微粒（大约在0.1-1μm之间），当微粒紧随气流试图穿过纤维的缝隙时，就在微粒与纤维接触时、在中途被截获或者被捕获。通过拦截，随着气流直线  流动的微粒进入纤维的活动半径然后就会被纤维粘住；这种办法不能用来过滤尺寸直径非常小的微粒。所以媒质越密，捕获微粒的可能性就越大。最后，我们通过布朗（Brownian）扩散来捕捉非常小的微粒（尺寸小于0.1μm）。在气流中，这些微粒与气体分子冲突并且形成随机路线、穿过媒质。微粒的尺寸越小，它按照“Z”字形的路线随机移动的距离越长，微粒就越有可能接触到纤维。
  纤维和框架
  用来捕获微粒的媒质往往是用非纺织的纸或者超细纤维材料构成。媒质厂商目前正在研究如何把非纺织成分纳入产品中，同时利用纳米技术生产新型材料，它可以生产出更小的纤维或者生产出具有类似于栅格的属性的亚微米材料。我们还在寻找关于粘合化学材料和加工的新办法，以便把性能更好的产品引进无尘车间领域。Lydall公司的Frost说：“我们一直在关注新的和现有的原材料，并且不断改进物理程序和进行精确的工艺控制。”
空气过滤器媒质是按照一定程序生产并且成卷地供给空气过滤器厂商。我们用聚合物粘合材料来固定纤维。我们把这些材料的混合浆灌进成网机；还常常使用鼓式成形机或者真空圆网抄纸机。然后，在用热鼓膜来干燥湿的纤维薄片之前，先利用重力和真空把混合浆中的水排干。干燥过程不仅可以把媒质中的水排干还可以固化粘合剂，最终做出来的媒质薄片可以在空气过滤器中使用。
  在像Lydall这样的空气过滤器公司中，在生产过程中定期抽取空气过滤器媒质样品进行做试验，保证整个生产批次都达到技术规范的要求。Frost说：“针对具体的应用，一些材料可能需要做进一步的性能测试，例如在指定的流速和微粒尺寸下测试微粒的收集效率。”在IEST-CC-RP-021.2中详细规定了这些试验必须遵守的办法；其他公认的测试程序是由美国检测与材料协会（ASTM）和美国纸浆与造纸工业技术协会（TAPPI）制定。IEST关于空气过滤的手册中的七个推荐实务与在无尘车间和其他受控环境中的过滤有关。
HEPA和ULPA空气过滤器一般是由空气过滤器媒质、框架、分离器、粘合剂和垫圈组成。大部分HEPA空气过滤器是由随机排放的、专用的玻璃纤维片构成，折成“V”字型，它就像折迭的纸扇，在折褶之间是瓦楞形的铝质分离器。不过，紧密的折褶会使颗粒物质直接通过折褶底面，减少了表面积，所以经常要用瓦楞形的铝质分离器来避免媒质因外力被压扁。我们把这个组装件放在底部、形成空气过滤器的核心。
  最常见的设计是盒式空气过滤器元件和圆柱型空气过滤器元件。在盒式空气过滤器元件中，把折迭的媒质放在一个用木头或金属构成的硬的正方形框内。圆柱型空气过滤器元件中的媒质是由内部和外部金属框架支撑，并且用金属盖在一端把媒质密封在空气过滤器内。空气由外向里进入空气过滤器，因为圆柱型空气过滤器曝露在空气中的表面区域比较多，所以流速比盒式空气过滤器元件的更大。我们可以把盒式和圆柱型空气过滤器元件直接安装在管子里或者单独的盒子里，它们都必须用预过滤技术过滤气流中大尺寸颗粒物质。
   Matthews说：“作为无尘车间设计和建筑物运行厂商，我们非常重视在安装阶段的HEPA/ULPA空气过滤器成品。质量问题非常重要，因为这与管线大不相同，空气过滤器出现故障说明它的结构很差，或者在运输、安装过程中受到损坏而在表面上又看不出来。”在Matthews看来，不完善的空气过滤器往往不是媒质存在缺陷而是在空气过滤器生产过程中有问题，最常见的就是媒质与框架粘结处。
  像Filtration Technology公司这类公司拥有许多不同行业的最终用户。Matthews说：“每个人都希望减少空气过滤器的使用量。有了更好的媒质，你无须像在过去那样使用大量空气过滤器，从而满足ISO 5级的空气质量要求。过去大约需要70-100%的天花板覆盖率，现在更少的天花板覆盖率就可以达到同等的空气质量水平。我们还看到，新的空气过滤器的实际压力更低，所以它们的使用寿命更长，一般在十年以上。这由其他设计标准决定，例如排风要求、室内温度要求、无尘车间的大小和形状、气流分布和在无尘车间中的制造工艺的特性。”
Matthews说：“我们还注意到，新的空气过滤器的实际压力更低，所以它们的使用寿命更长，一般可以达到十年以上。”
  变化
  正如之前所说的，从许多方面上讲，延长空气过滤器的寿命都是人们考虑的重点。静电充电是现在空气过滤器媒质使用的一种技术，它可以提高微粒空气过滤器的容量和寿命。一般地讲，纤维在收集尘埃时，它往往会把微粒堆积在面向气流的纤维的前缘上。施加电场可能会使在纤维下游一侧积累更多的尘埃。我们对这种办法的实际应用效果保持谨慎乐观，目前它还不成熟，仍然处于研究探索阶段。Clean Air Technology公司的Austin说，它的优势在于可以在特定的产品中在HEPA空气过滤器上进行静电充电，通过一些显着的、可以统计数量的办法来降低成本、增强性能，而空气过滤器厂商除了增强性能成本之外还需要提供关于实际运行成本的数据。
   Austin说：“目前市场上有许多静电空气过滤器系统，它们采用栅格而不是直接拦截的办法通过空气过滤器媒质来捕获空气微粒，但是在无尘车间行业中，由于开放栅格技术的缘故，它们主要还只是作预空气过滤器系统使用。效率从ASHRAE 35%到90%也是有可能做到的。还可以使用更加有效的空气预过滤技术来充分发挥它的作用，这既不会增加空气静压，也不会增加电费支出，也就是说静电作用不会显着增加电费上的开支。”
不仅含尘量增加，不断完善的静电沉积技术还能延长空气过滤器寿命并且减少空气过滤器维护。这是一个重要的收获，特别是对制药、医疗设备和其他受管制的公司来说，只要HEPA空气过滤器的荷载量和气流限制在他们的运行标准之下，他们就不用更换HEPA空气过滤器。Austin说：“除了成本因素以外，更换空气过滤器会中断生产，所以需要预先安排好停工时间，进行重新清洁、重新认证和重新确认。”
  空气电离已经在许多应用中起到重要的作用，例如释放静电电流、防止病毒和微生物在医疗保健中心扩散。它还在重要的制造活动的环境中使用。提议者说，通过形成大量的平衡的正、负离子，电离空气可以减少空气污染：离子附着尘粒将使微粒增重、减缓它们在气流中的速度，使它们粘在空气过滤器媒质上。
随着这项技术的迅速发展，有人认为“最终用户了解并且非常重视性能保证”。Frost说：“超细玻璃纤维空气过滤器媒质采用的过滤方法久经时间考验，并且机械性能通过了验证。与使用依靠静电荷把微粒从气流中除去的媒质的空气过滤器不同，用湿法成形的超细玻璃纤维构成的空气过滤器会随着电荷减少而损失采集效率，但这不会有什么危险。”
根据任务选择适合的工具
  在空气过滤器媒质、空气过滤器组装件、空气调节系统甚至包括全套无尘车间等供应商多方共同努力下，过滤技术和设计取得许多新的进展。近几年技术和设计的进步主要体现在提供有效的“适当”的空气管理办法，以适应不断上升的能源价格和更严格的空气质量标准。传统的无尘车间经营者和其他制造领域充分认识到使用适当的空气过滤就可以达到产能和盈利的要求。