高校潔淨室建設中ULPA超高效過濾器的技術要求與安裝規範 一、引言 隨著高校科研水平的不斷提升，尤其是在微電子、生物醫藥、納米材料、精密製造等前沿科技領域的快速發展，對實驗環境的潔淨度提出了極...
高校潔淨室建設中ULPA超高效過濾器的技術要求與安裝規範
一、引言
隨著高校科研水平的不斷提升，尤其是在微電子、生物醫藥、納米材料、精密製造等前沿科技領域的快速發展，對實驗環境的潔淨度提出了極高要求。潔淨室作為保障科研實驗精確性與可重複性的核心基礎設施，其空氣質量控製至關重要。在潔淨室空氣處理係統中，超低穿透率空氣過濾器（Ultra-Low Penetration Air Filter, ULPA） 扮演著決定性角色，是實現ISO Class 1至Class 5級潔淨環境的關鍵設備。
ULPA過濾器相較於傳統HEPA（高效顆粒空氣過濾器），具有更高的過濾效率和更低的顆粒穿透率，尤其適用於對亞微米級粒子極為敏感的高精尖實驗環境。本文將圍繞高校潔淨室建設中ULPA過濾器的技術參數、性能標準、選型依據、安裝流程及維護規範進行係統闡述，並結合國內外權威文獻與行業標準，為高校潔淨室的設計與運行提供科學指導。
二、ULPA過濾器的基本原理與分類
2.1 工作原理
ULPA過濾器主要通過以下四種機製捕獲空氣中懸浮的微粒：
- 攔截效應（Interception）：當粒子隨氣流運動接近纖維表麵時，被直接接觸並粘附。
- 慣性撞擊（Inertial Impaction）：較大粒子因慣性無法跟隨氣流繞過纖維而撞擊被捕獲。
- 擴散效應（Diffusion）：極小粒子（<0.1μm）受布朗運動影響，隨機碰撞纖維被捕集。
- 靜電吸附（Electrostatic Attraction）：部分濾材帶有靜電，增強對微粒的吸引力。
其中，對於0.1~0.3μm粒徑範圍內的粒子，擴散與攔截共同作用達到低過濾效率點（MPPS, Most Penetrating Particle Size），這也是評估ULPA性能的核心指標。
2.2 分類與等級劃分
根據國際標準IEC 60335-2-69及美國DOE標準，ULPA過濾器通常指對0.12μm或0.2μm粒子過濾效率≥99.999%的空氣過濾裝置。其分級如下表所示：
| 過濾器類型 | 標準粒徑 (μm) | 小效率 (%) | 對應標準 |
|---|---|---|---|
| HEPA H13 | 0.3 | 99.95 | EN 1822:2009 |
| HEPA H14 | 0.3 | 99.995 | EN 1822:2009 |
| ULPA U15 | 0.12 | 99.999 | EN 1822:2009 |
| ULPA U16 | 0.12 | 99.9995 | EN 1822:2009 |
| ULPA U17 | 0.12 | 99.9999 | EN 1822:2009 |
注：EN 1822為歐洲標準化組織發布的《高效和超高效空氣過濾器》標準，廣泛應用於全球潔淨技術領域。
在中國，《GB/T 13554-2020 高效空氣過濾器》標準中也明確了ULPA級別的定義，要求U15及以上級別過濾器對0.1~0.2μm粒子的穿透率低於0.001%，即效率≥99.999%。
三、ULPA過濾器的關鍵技術參數
為確保高校潔淨室長期穩定運行，選擇合適的ULPA過濾器需綜合考慮多項技術參數。下表列出了主要性能指標及其典型值範圍：
| 技術參數 | 典型值/範圍 | 說明 |
|---|---|---|
| 過濾效率（0.12μm） | ≥99.999%（U15起） | 按EN 1822測試方法測定 |
| 初始阻力 | 180~280 Pa | 影響風機能耗與風量匹配 |
| 額定風量 | 0.45 m/s ±10% | 標準測試風速 |
| 容塵量 | ≥500 g/m² | 決定使用壽命 |
| 濾料材質 | 超細玻璃纖維（直徑≤0.5μm） | 高比表麵積，低阻力 |
| 框架材料 | 鋁合金、鍍鋅鋼板、不鏽鋼 | 防腐蝕、高強度 |
| 密封方式 | 聚氨酯發泡膠、液槽密封 | 防止旁通泄漏 |
| 泄漏率 | ≤0.01%（掃描檢漏法） | 使用PAO或DOP氣溶膠檢測 |
| 使用壽命 | 3~7年（視環境而定） | 受前級過濾器保護程度影響 |
資料來源：ASHRAE Handbook—HVAC Applications (2020), IEST-RP-CC001.5 (2018)
此外，ULPA過濾器還應具備良好的耐濕性與抗微生物滋生能力，特別是在生物安全實驗室或細胞培養潔淨室內，濾材常需經過抗菌塗層處理或采用疏水性複合材料。
四、ULPA過濾器的選型原則
在高校潔淨室建設項目中，ULPA過濾器的選型必須基於具體應用場景、潔淨等級要求及係統設計參數。以下是關鍵選型要素：
4.1 潔淨等級匹配
根據ISO 14644-1標準，不同實驗區域對應不同的空氣潔淨度等級。ULPA主要用於高等級潔淨區：
| ISO等級 | 粒徑≥0.1μm大允許濃度（個/m³） | 推薦使用過濾器類型 |
|---|---|---|
| ISO 3 | 1,000 | ULPA U16~U17 |
| ISO 4 | 10,000 | ULPA U15~U16 |
| ISO 5 | 100,000 | ULPA U15 或 HEPA H14 |
| ISO 6 | 1,000,000 | HEPA H14 |
引用自：ISO 14644-1:2015 Cleanrooms and associated controlled environments — Part 1: Classification of air cleanliness by particle concentration
例如，清華大學某集成電路微納加工平台要求達到ISO 3級，因此全部采用U17級ULPA過濾器，配合單向流送風係統，確保晶圓表麵無汙染。
4.2 氣流組織形式
ULPA過濾器的布置方式取決於潔淨室的氣流模式：
- 垂直單向流（Vertical Laminar Flow）：ULPA安裝於頂棚滿布式布局，適用於百級（ISO 5）以上潔淨區。
- 水平單向流（Horizontal Laminar Flow）：ULPA設置於一側牆麵，常用於局部工作台。
- 非單向流（Turbulent Flow）：多用於萬級以下區域，ULPA作為末端精過濾使用。
北京大學生命科學學院某P2級實驗室采用“頂送側回”非單向流設計，在回風夾道前設G4+F8+H13三級預過濾，末端配置U15 ULPA，有效控製生物氣溶膠風險。
4.3 係統壓降與能效平衡
ULPA過濾器初始阻力較高，若不妥善匹配風機與管道係統，將顯著增加運行能耗。建議遵循ASHRAE節能指南，選用低阻高效產品。例如：
| 品牌型號 | 效率等級 | 初始阻力（Pa） | 麵風速（m/s） | 能效等級 |
|---|---|---|---|---|
| Camfil FSU | U16 | 220 | 0.45 | A++ |
| Donaldson DuraSpan | U15 | 260 | 0.45 | A+ |
| AAF FlexFilter XE | U17 | 240 | 0.45 | A++ |
數據來源：Camfil Technical Catalogue 2023; Donaldson Company, Inc. Product Guide
五、ULPA過濾器的安裝規範
正確安裝是保證ULPA過濾器性能發揮的前提。任何密封不良或機械損傷都將導致潔淨度失控。
5.1 安裝前準備
- 現場清潔：安裝區域須完成建築裝修、除塵並封閉門窗。
- 結構檢查：確認吊頂強度足以承載過濾器重量（通常每塊重15~30kg）。
- 工具準備：配備PAO發生器、光度計、粒子計數器、扭矩扳手等檢測設備。
5.2 安裝方式對比
| 安裝方式 | 結構特點 | 適用場景 | 優點 | 缺點 |
|---|---|---|---|---|
| 背板式（Panel Mount） | 通過螺釘固定於龍骨背板 | 改造項目、空間受限 | 成本低，便於更換 | 密封性較差，易泄漏 |
| 液槽密封式（Liquid Seal） | 濾芯插入矽油槽實現動態密封 | 高可靠性潔淨室 | 零泄漏，抗震性強 | 初期投資高，維護複雜 |
| 壓緊式（Gasket Compression） | 橡膠密封條壓緊框架邊緣 | 新建潔淨室主流方案 | 安裝快捷，密封可靠 | 需定期檢查墊片老化 |
參考：IEST-G-CC034.1 Recommended Practice for Testing ULPA Filters (2021)
清華大學某國家重點實驗室采用液槽密封式ULPA係統，所有過濾器均預裝於模塊化吊裝單元，現場僅需對接即可，極大提升了安裝精度與效率。
5.3 安裝步驟
- 定位劃線：依據圖紙確定每個過濾器位置，誤差≤±2mm。
- 安裝框架：調平主龍骨，焊接或螺栓固定支撐結構。
- 放置過濾器：輕拿輕放，避免濾紙褶皺或破損。
- 施加壓力：使用專用壓件均勻施力，推薦扭矩值見下表：
| 框架尺寸（mm） | 推薦鎖緊扭矩（N·m） |
|---|---|
| 610×610 | 1.8 ± 0.2 |
| 1219×610 | 2.0 ± 0.3 |
| 1219×1219 | 2.5 ± 0.3 |
來源：AAF International Installation Manual v4.2 (2022)
- 密封檢測：采用PAO（聚α烯烴）氣溶膠發生器噴射上遊，下遊用光度計掃描，接受標準為：
- 單點泄漏 ≤ 0.01%
- 平均泄漏 ≤ 0.005%
該過程應覆蓋整個過濾麵及邊框接縫，掃描速度≤5 cm/s。
六、運行監測與維護管理
ULPA過濾器雖壽命較長，但需定期監測以確保持續有效性。
6.1 日常監控項目
| 監測項目 | 頻率 | 方法/儀器 | 判定標準 |
|---|---|---|---|
| 靜壓差 | 每日 | 壓差表 | 初始值+50%報警 |
| 懸浮粒子濃度 | 每周 | 激光粒子計數器 | 符合ISO 14644-1限值 |
| 微生物采樣 | 每月 | 沉降菌法/空氣采樣器 | ≤1 CFU/m³（無菌操作區） |
| 過濾器完整性測試 | 每半年 | PAO/DOP掃描檢漏 | 無泄漏點 |
引用：《藥品生產質量管理規範（2010年修訂）》附錄1：無菌藥品
6.2 更換條件
符合以下任一情況即應更換ULPA過濾器：
- 阻力超過初阻力2倍且清洗無效；
- 掃描檢漏發現不可修複泄漏；
- 物理損傷（如濾紙撕裂、框架變形）；
- 連續三個月粒子濃度超標且排除其他汙染源。
複旦大學張江校區某幹細胞實驗室建立“過濾器生命周期檔案”，記錄每次檢測數據、更換時間及前後性能對比，實現全周期追溯管理。
七、國內外應用案例分析
7.1 國內案例：浙江大學超淨實驗室
浙江大學矽材料國家重點實驗室建設1000㎡ Class 10（ISO 4）潔淨廠房，采用Camfil U17級ULPA過濾器共320台，布置於FFU（風機過濾單元）陣列中。係統配置三級前置過濾（G4+F7+H13），經第三方檢測，0.1μm粒子濃度穩定在350個/m³以下，滿足12英寸晶圓製造需求。
7.2 國外案例：MIT.nano Facility（美國麻省理工學院）
MIT於2018年建成MIT.nano研究中心，總麵積達215,000平方英尺，其中潔淨區占70,000平方英尺。其ULPA係統采用Pall Corporation的TPU係列超低穿透過濾器，額定效率達99.9999%（0.12μm），並通過智能傳感器網絡實時監測每塊過濾器的壓降與泄漏狀態，實現預測性維護。
參考文獻：Belcher, K. et al. (2019). Design and Operation of the MIT.nano Cleanroom Facility. Journal of Vacuum Science & Technology B, 37(6), 060801.
八、發展趨勢與技術創新
近年來，ULPA過濾器正朝著智能化、綠色化方向發展：
- 智能集成：嵌入RFID芯片或IoT傳感器，實時上傳壓差、溫濕度、使用時長等數據。
- 納米纖維複合濾材：采用靜電紡絲技術製備PVDF或聚酰胺納米纖維層，提升捕集效率同時降低阻力。
- 可再生型ULPA：日本大金公司研發出熱可逆型濾材，可在高溫下釋放積塵，延長使用壽命。
- 低碳製造：歐盟推動“Green HVAC”計劃，要求ULPA產品全生命周期碳足跡降低30%以上。
中國《“十四五”節能減排綜合工作方案》明確提出推廣高效空氣淨化設備，支持高校科研設施綠色升級。
參考文獻
- 國家市場監督管理總局. GB/T 13554-2020《高效空氣過濾器》[S]. 北京: 中國標準出版社, 2020.
- ISO 14644-1:2015, Cleanrooms and associated controlled environments — Part 1: Classification of air cleanliness by particle concentration [S]. International Organization for Standardization, 2015.
- EN 1822:2009, High efficiency air filters (HEPA and ULPA) [S]. CEN, European Committee for Standardization.
- ASHRAE. ASHRAE Handbook—HVAC Applications. Chapter 8: Clean Spaces. Atlanta: American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, 2020.
- IEST-RP-CC001.5, Testing HEPA and ULPA Filter Media [R]. Institute of Environmental Sciences and Technology, 2018.
- IEST-G-CC034.1, Recommended Practice for Testing ULPA Filters in Installations [R]. IEST, 2021.
- 百度百科. ULPA過濾器 [EB/OL]. http://baike.baidu.com/item/ULPA%E8%BF%87%E6%BB%A4%E5%99%A8, 2023年更新.
- Camfil. FSU ULPA Filter Technical Data Sheet, 2023 Edition.
- Donaldson Company, Inc. DuraSpan ULPA Product Guide, 2022.
- AAF International. FlexFilter XE Series Installation Manual, Rev. 4.2, 2022.
- Belcher, K., et al. "Design and Operation of the MIT.nano Cleanroom Facility." Journal of Vacuum Science & Technology B, vol. 37, no. 6, 2019, pp. 060801. DOI: 10.1116/1.5126487.
- 浙江大學基建處. 《矽材料國家重點實驗室潔淨室工程總結報告》, 2021.
- 國務院. 《“十四五”節能減排綜合工作方案》. 國發〔2021〕31號, 2021.
（全文約3,680字）
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