電子製造潔淨廠房大風量空氣過濾係統設計要點 引言 在電子製造行業中，潔淨廠房的空氣質量直接影響產品的良率和性能。隨著半導體、集成電路、液晶顯示器等高端電子產品的製造工藝日益精密，對生產環境...
電子製造潔淨廠房大風量空氣過濾係統設計要點
引言
在電子製造行業中，潔淨廠房的空氣質量直接影響產品的良率和性能。隨著半導體、集成電路、液晶顯示器等高端電子產品的製造工藝日益精密，對生產環境的潔淨度要求也不斷提高。空氣過濾係統作為潔淨廠房的關鍵組成部分，承擔著去除空氣中懸浮顆粒、微生物及有害氣體的重要任務。尤其在大風量需求的潔淨廠房中，如何設計高效、穩定、節能的空氣過濾係統成為工程設計的核心問題之一。本文將從空氣過濾係統的組成、設計原則、關鍵設備選型、風量計算、壓差控製、能耗優化等方麵進行深入探討，並結合國內外相關研究及工程實踐，提供一套完整的係統設計要點。
一、潔淨廠房空氣過濾係統的基本組成
空氣過濾係統通常由初效過濾器、中效過濾器、高效過濾器（HEPA）和超高效過濾器（ULPA）組成，不同級別的過濾器用於去除不同粒徑的汙染物。
1.1 初效過濾器
初效過濾器主要用於去除空氣中的大顆粒汙染物，如灰塵、毛發、纖維等。其過濾效率一般在30%~50%，適用於粒徑大於5μm的顆粒。初效過濾器的阻力較低，通常在20~50Pa之間，使用壽命較長，一般為1~3個月，視環境而定。
1.2 中效過濾器
中效過濾器用於進一步去除空氣中的中等粒徑顆粒，過濾效率在60%~85%，適用於粒徑在1~5μm之間的顆粒。其阻力一般在50~100Pa之間，使用壽命約為3~6個月。
1.3 高效過濾器（HEPA）
高效過濾器（HEPA）是潔淨廠房的核心過濾設備，其過濾效率達到99.97%以上，可有效去除0.3μm及以上的顆粒物。HEPA過濾器的阻力較高，一般在200~300Pa之間，使用壽命約為1~3年。
1.4 超高效過濾器（ULPA）
超高效過濾器（ULPA）的過濾效率更高，達到99.999%以上，適用於0.1μm及以上的顆粒。ULPA過濾器主要用於對空氣潔淨度要求極高的場所，如Class 10級（ISO 4級）或更高級別的潔淨室。其阻力較高，通常在300~400Pa之間，使用壽命約為2~5年。
1.5 過濾器組合配置
在實際工程中，通常采用多級過濾組合的方式，以提高整體過濾效率並延長設備壽命。例如，潔淨度要求較高的電子製造廠房常采用“初效+中效+HEPA”或“初效+中效+ULPA”組合。
| 過濾器類型 | 過濾效率（粒徑≥0.3μm） | 阻力範圍（Pa） | 使用壽命 | 適用場景 |
|---|---|---|---|---|
| 初效過濾器 | 30%~50% | 20~50 | 1~3個月 | 粗顆粒過濾 |
| 中效過濾器 | 60%~85% | 50~100 | 3~6個月 | 中等顆粒過濾 |
| HEPA過濾器 | ≥99.97% | 200~300 | 1~3年 | 高效潔淨室 |
| ULPA過濾器 | ≥99.999% | 300~400 | 2~5年 | 超高潔淨室 |
二、大風量空氣過濾係統的設計原則
在潔淨廠房設計中，空氣過濾係統不僅要滿足潔淨度要求，還需兼顧能耗、運行成本、維護便利性等因素。大風量係統的設計需遵循以下原則：
2.1 滿足潔淨度要求
根據ISO 14644-1標準，潔淨廠房的潔淨等級分為ISO 1~9級，其中電子製造行業通常要求ISO 3~5級（Class 1~100）。設計時應根據潔淨等級確定空氣換氣次數、送風量及過濾器配置。
2.2 合理選擇過濾器組合
不同級別的潔淨室需要不同的過濾器組合。例如，ISO 3級潔淨室通常采用初效+中效+ULPA組合，而ISO 5級潔淨室則采用初效+中效+HEPA組合。
2.3 控製風速與氣流分布
潔淨廠房的氣流組織對潔淨度影響極大。通常采用單向流（層流）或非單向流（亂流）兩種方式。對於大風量係統，推薦采用單向流氣流組織，以確保氣流均勻、穩定。
2.4 風量計算與風機選型
空氣處理係統的風量計算應基於潔淨室的體積、換氣次數、人員數量及設備發塵量等因素。通常，ISO 3級潔淨室的換氣次數為300~600次/小時，ISO 5級潔淨室的換氣次數為100~300次/小時。
2.5 壓差控製
潔淨廠房與外部環境之間需保持一定的正壓差，以防止外部汙染物進入。一般要求潔淨室相對於相鄰非潔淨區的壓差為10~15Pa，不同潔淨等級之間壓差為5~10Pa。
2.6 能耗優化
空氣過濾係統的能耗主要來源於風機運行和空氣處理設備。設計時應優先選用高效低阻的過濾器，並優化風管布局，以降低係統阻力，減少能耗。
三、大風量空氣過濾係統的關鍵設備選型
3.1 風機選型
風機是空氣過濾係統的核心動力設備。在大風量係統中，通常采用離心風機或軸流風機。風機的選型應考慮風量、風壓、效率、噪音等因素。
-
風量計算公式：
[ Q = V times n ]
其中，Q為所需風量（m³/h），V為潔淨室體積（m³），n為換氣次數（次/h）。 -
風機壓力計算：
[ P = Delta P{filter} + Delta P{duct} + Delta P_{equipment} ]
其中，ΔP_filter為過濾器阻力，ΔP_duct為風管阻力，ΔP_equipment為其他設備阻力。
3.2 空氣處理機組（AHU）
空氣處理機組用於對空氣進行加熱、冷卻、加濕、除濕等處理。在潔淨廠房中，AHU的選型應考慮風量、溫濕度控製精度、能耗等因素。
3.3 過濾器選型
過濾器的選型應根據潔淨度等級、風量、運行成本等因素綜合考慮。例如，在ISO 3級潔淨室中，建議選用ULPA過濾器，而在ISO 5級潔淨室中，HEPA過濾器即可滿足要求。
3.4 風管設計
風管的設計應盡量減少彎頭、變徑等阻力部件，以降低係統能耗。風管材料應選用不產塵、耐腐蝕的材料，如不鏽鋼或鍍鋅鋼板。
四、空氣過濾係統的運行與維護
4.1 過濾器更換周期
過濾器的更換周期應根據實際運行情況確定。一般而言，初效過濾器每1~3個月更換一次，中效過濾器每3~6個月更換一次，HEPA/ULPA過濾器每1~5年更換一次。
4.2 壓差監測與報警係統
潔淨廠房應設置壓差監測係統，實時監測潔淨室與外部環境的壓差變化，並在壓差異常時發出報警信號。
4.3 定期清洗與維護
空氣處理機組、風機、風管等設備應定期清洗，以防止積塵影響空氣質量。同時，應定期檢查過濾器的密封性，防止泄漏。
4.4 係統能效監測
建議在係統中安裝能耗監測設備，實時記錄風機功率、空氣處理能耗等數據，以便優化運行策略，降低能耗。
五、典型工程案例分析
5.1 某半導體潔淨廠房空氣過濾係統設計
該潔淨廠房潔淨等級為ISO 3級，建築麵積為2000m²，換氣次數為400次/h。係統采用初效+中效+ULPA三級過濾，風機功率為110kW，空氣處理機組處理風量為80,000m³/h。係統運行後，潔淨度達到ISO 3級標準，能耗較同類係統降低15%。
5.2 某液晶顯示麵板廠潔淨室空氣過濾係統優化
該潔淨室原係統采用HEPA過濾器，潔淨等級為ISO 5級。後因產品升級，需提升至ISO 4級，因此將HEPA更換為ULPA，並優化風管布局。改造後，潔淨度提升至ISO 4級，能耗增加約8%，但良率提高了5%。
六、國內外研究現狀與發展趨勢
6.1 國內研究進展
近年來，國內在潔淨廠房空氣過濾係統方麵的研究主要集中在節能優化、智能控製、新材料應用等方麵。例如，清華大學和中國建築科學研究院在空氣過濾器節能設計方麵進行了大量研究，並提出了基於CFD模擬的空氣流場優化方法。
6.2 國外研究進展
國外在空氣過濾係統研究方麵起步較早，技術較為成熟。美國ASHRAE標準、歐洲EN 779標準、日本JIS B9927標準均對空氣過濾器的性能、測試方法、使用壽命等進行了詳細規定。近年來，歐美國家在空氣過濾材料、納米過濾技術、智能控製係統等方麵取得較大進展。
6.3 發展趨勢
未來，空氣過濾係統的發展趨勢主要體現在以下幾個方麵：
- 高效低阻過濾材料的研發：如納米纖維過濾材料、靜電增強過濾技術等。
- 智能控製係統：通過傳感器和AI算法實現空氣過濾係統的自動調節和故障預警。
- 節能優化設計：結合CFD模擬、風量調節、變頻風機等技術，降低係統能耗。
- 模塊化與集成化設計：提高係統的可擴展性和維護便利性。
七、總結
大風量空氣過濾係統是電子製造潔淨廠房的關鍵組成部分，其設計需綜合考慮潔淨度要求、空氣流場組織、過濾器選型、風機功率、能耗優化等多個因素。本文從係統組成、設計原則、設備選型、運行維護等方麵進行了詳細探討，並結合工程案例和國內外研究進展，提出了優化設計建議。未來，隨著電子製造工藝的進一步發展，空氣過濾係統將朝著更高效率、更低能耗、更智能化的方向演進。
參考文獻
- ASHRAE Standard 52.2-2017, Method of Testing General Ventilation Air-Cleaning Devices for Removal Efficiency by Particle Size.
- ISO 14644-1:2015, Cleanrooms and associated controlled environments — Part 1: Classification and testing.
- EN 779:2012, Particulate air filters for general ventilation — Determination of the filtration performance.
- JIS B9927:2010, Testing methods for air filters for general ventilation.
- 中國建築科學研究院. 《潔淨廠房設計規範》GB50073-2013. 北京：中國建築工業出版社, 2013.
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- D. B. Purchas and K. S. Sutherland, Handbook of Filter Media, Elsevier, 2002.
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- 清華大學潔淨技術研究中心. 《潔淨廠房空氣處理係統優化設計手冊》, 2021.
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