洁净室高效过滤器安装与检漏技术要点
1. 引言
洁净室（Cleanroom）是现代工业生产、医药制造、微电子、生物技术等领域中不可或缺的核心环境设施，其主要功能是通过控制空气中的微粒、微生物、温湿度、压力等参数，确保生产过程的洁净度要求。高效空气过滤器（High-Efficiency Particulate Air Filter，简称HEPA）作为洁净室空气净化系统的核心组件，承担着去除空气中0.3微米以上颗粒物的关键任务。其安装质量与定期检漏直接关系到洁净室的洁净等级能否持续达标。
本文系统阐述高效过滤器的分类、技术参数、安装流程、检漏方法及常见问题，结合国内外权威标准与文献，提供全面的技术指导，适用于洁净室设计、施工、运维人员参考。
2. 高效过滤器概述
2.1 定义与分类
高效过滤器（HEPA）是指对粒径≥0.3 μm的颗粒物捕集效率不低于99.97%的空气过滤器。根据国际标准ISO 29463与我国国家标准GB/T 13554-2020《高效空气过滤器》，高效过滤器按效率等级分为以下几类：
| 过滤器等级 | 标准依据 | 过滤效率（0.3 μm） | 适用场景 |
|---|---|---|---|
| H10 | ISO 29463 | ≥85% | 初效+中效后级预过滤 |
| H11 | ISO 29463 | ≥95% | 一般洁净区预过滤 |
| H12 | ISO 29463 | ≥99.5% | 洁净室主过滤前级 |
| H13 | ISO 29463 / GB/T 13554 | ≥99.95% | ISO 5级（百级）洁净室 |
| H14 | ISO 29463 / GB/T 13554 | ≥99.995% | ISO 4级（十级）及更高要求 |
| U15~U17 | ISO 29463 | ≥99.9995%~99.999995% | 超高洁净环境（如半导体光刻） |
注：ISO 29463为国际标准化组织发布的《高效空气过滤器性能测试方法》标准，GB/T 13554-2020为我国现行国家标准。
2.2 主要结构与材料
高效过滤器通常由以下部分构成：
- 滤料：采用超细玻璃纤维（直径0.5~2.0 μm），经特殊工艺制成无纺布，具有高比表面积与低阻力特性。
- 分隔板：铝箔或纸板，用于支撑滤料并形成波纹通道，增加过滤面积。
- 外框：镀锌钢板、铝合金或不锈钢，保证结构强度与密封性。
- 密封胶：聚氨酯或硅酮胶，用于滤芯与外框之间的密封。
- 防护网：防止运输或安装过程中滤纸破损。
3. 高效过滤器关键性能参数
根据GB/T 13554-2020与ISO 29463标准，高效过滤器的主要技术参数如下表所示：
| 参数名称 | 测试标准 | 典型值范围 | 说明 |
|---|---|---|---|
| 额定风量（m³/h） | ISO 29463-3 | 500~2000（视尺寸而定） | 设计运行风量 |
| 初阻力（Pa） | GB/T 13554-2020 | 180~250 Pa | 新装时压降 |
| 额定阻力（Pa） | ISO 29463 | ≤300 Pa | 使用末期允许最大压降 |
| 过滤效率（%） | 钠焰法 / DOP / PAO法 | H13: ≥99.95%；H14: ≥99.995% | 以0.3 μm粒子为基准 |
| 泄漏率（%） | 局部扫描法 | ≤0.01% | 单点最大允许泄漏 |
| 耐火等级 | UL 586 / GB 8624 | A级不燃材料 | 安全性要求 |
| 使用寿命 | 实际运行条件 | 3~5年（视环境而定） | 受前置过滤器影响大 |
注：DOP（邻苯二甲酸二辛酯）和PAO（聚α烯烃）为常用气溶胶示踪剂，用于检漏测试。
4. 高效过滤器安装技术要点
4.1 安装前准备
（1）现场环境要求
- 洁净室装修基本完成，墙面、顶棚密封良好。
- 空调系统已试运行，风管清洁完毕。
- 室内相对湿度≤70%，温度15~30℃。
- 安装区域应进行彻底清洁，避免灰尘污染滤芯。
（2）设备与工具准备
- 高效过滤器（需核对型号、尺寸、效率等级）
- 密封垫（闭孔海绵橡胶、液槽密封胶等）
- 手持式风速仪、粒子计数器（用于后续验证）
- 扭矩扳手（用于压紧装置）
- 专用安装支架或吊装系统
4.2 安装方式分类
高效过滤器常见安装方式包括：
| 安装方式 | 适用场景 | 优点 | 缺点 |
|---|---|---|---|
| 顶棚安装 | 洁净室主流方式 | 气流均匀，维护方便 | 需高空作业，成本较高 |
| 侧壁安装 | 局部净化或改造项目 | 施工简便 | 气流组织不均，易产生涡流 |
| 液槽密封安装 | 高洁净等级（ISO 4~5级） | 密封性极佳，可重复使用 | 成本高，需专业施工 |
| 压紧式安装 | 标准模块化顶棚 | 快速更换，通用性强 | 长期使用后密封垫易老化 |
4.3 安装流程
-
尺寸核对
确认过滤器外形尺寸与安装口匹配，公差应≤±2 mm。常见标准尺寸如610×610×292 mm、484×484×220 mm等。 -
密封处理
- 压紧式：在过滤器四周粘贴闭孔海绵密封条（厚度6~10 mm），压缩率应达30%~50%。
- 液槽式：在框架液槽内注入氟硅油或硅油（粘度50~100 cSt），插入过滤器刀边实现密封。
-
定位与固定
- 使用吊装工具将过滤器平稳送入安装位置。
- 调整位置确保与顶棚齐平，间隙均匀。
- 通过压块或螺栓均匀施力压紧，建议使用扭矩扳手控制压力（通常1.5~2.5 N·m）。
-
密封性初步检查
安装后可用发烟器（如干冰+水）在过滤器边缘观察是否有泄漏气流。
5. 高效过滤器检漏技术
检漏是验证过滤器安装质量与完整性的关键步骤，必须在系统运行稳定后进行。
5.1 检漏标准与依据
| 标准名称 | 发布机构 | 主要内容 |
|---|---|---|
| GB 50591-2010《洁净室施工及验收规范》 | 中国住房和城乡建设部 | 规定HEPA检漏方法、采样点布置、合格标准 |
| ISO 14644-3:2019《洁净室及相关受控环境 第3部分：测试方法》 | 国际标准化组织 | 包含粒子计数器扫描法、气溶胶光度法 |
| IEST-RP-CC034.3《HEPA and ULPA Filter Leak Testing》 | 美国环境科学与技术学会 | 详细规定PAO检漏程序 |
| FDA Guidelines for Aseptic Processing | 美国食品药品监督管理局 | 要求无菌制药环境必须定期检漏 |
5.2 检漏方法比较
| 方法 | 原理 | 仪器 | 灵敏度 | 适用等级 | 标准依据 |
|---|---|---|---|---|---|
| 粒子计数器扫描法 | 用粒子计数器在下游扫描，检测局部泄漏 | 光散射粒子计数器 | 高（可检0.1 μm） | H13及以上 | ISO 14644-3 |
| 气溶胶光度计法（PAO/DOP） | 上游发生PAO气溶胶，下游用光度计检测浓度 | 气溶胶发生器、光度计 | 中等（0.3 μm） | H10~H14 | IEST-RP-CC034.3 |
| 荧光素钠法 | 使用荧光微粒，紫外灯照射检测 | 荧光检测仪 | 高，但操作复杂 | 特殊场合 | GB 50591附录 |
目前最常用的是PAO气溶胶光度计法，因其操作简便、结果直观、符合国内外主流标准。
5.3 PAO检漏操作流程
-
上游气溶胶发生
- 使用冷发生器将PAO液体雾化，注入送风管道。
- 上游浓度控制在20~80 μg/L，稳定后测量。
-
下游扫描检测
- 使用光度计探头（采样流量≥1 ft³/min，约28.3 L/min）。
- 探头距过滤器表面2~5 cm，移动速度≤5 cm/s。
- 扫描路径呈“S”形，覆盖整个过滤器表面及边框接缝。
-
泄漏判定
- 单点泄漏率 = （下游浓度 / 上游浓度）× 100%
- 合格标准：单点泄漏率 ≤ 0.01%（即0.01%光度单位）
- 若发现泄漏点，标记位置，分析原因（密封不良、滤纸破损等）。
-
记录与报告
- 记录测试时间、环境参数、仪器型号、上游浓度、扫描路径图、泄漏点位置。
- 出具正式检漏报告，作为洁净室验证文件存档。
6. 常见问题与解决方案
| 问题现象 | 可能原因 | 解决方案 |
|---|---|---|
| 安装后阻力偏高 | 滤芯受潮、运输变形、密封过紧 | 检查滤纸是否破损，调整压紧力 |
| 局部泄漏 | 密封条老化、液槽缺油、框架变形 | 更换密封材料，补充密封液 |
| 整体效率下降 | 前置过滤器失效、滤芯积尘严重 | 检查初效/中效过滤器，及时更换 |
| 检漏时上游浓度不稳定 | 气溶胶发生器故障、风量波动 | 校准发生器，稳定系统风量 |
| 边框泄漏 | 安装不平整、压块松动 | 重新安装，使用水平仪校准 |
7. 国内外典型应用案例
7.1 华为东莞松山湖半导体洁净室（中国）
- 洁净等级：ISO 3级（0.1 μm粒子≤1000颗/m³）
- 过滤器配置：H14级高效过滤器，液槽密封安装
- 检漏频率：每6个月一次，采用PAO法
- 数据来源：据《洁净技术与工程》2022年第4期报道，其年均泄漏率控制在0.005%以下。
7.2 Intel Oregon晶圆厂（美国）
- 洁净等级：ISO 2级
- 过滤器类型：ULPA（U15级），过滤效率≥99.9995%
- 检漏标准：依据IEST-RP-CC034.3，采用自动扫描系统
- 引用文献：Intel Cleanroom Maintenance Manual (2021) 指出，其HEPA系统年更换率低于2%，主要因前置过滤保护得当。
8. 维护与更换建议
8.1 日常维护
- 定期检查压差表，初阻力增加超过初值150%时应考虑更换。
- 每季度检查密封状态，特别是液槽密封油位。
- 避免在过滤器表面堆放物品或踩踏。
8.2 更换周期
| 使用环境 | 建议更换周期 | 依据 |
|---|---|---|
| 医药GMP车间 | 3~5年 | GB 50457-2019《医药工业洁净厂房设计标准》 |
| 半导体制造 | 5~7年（ULPA） | SEMI F57-0201标准 |
| 普通电子装配 | 4~6年 | 企业内部SOP |
注：实际更换应结合压差、检漏结果与环境监测数据综合判断。
参考文献
- 国家市场监督管理总局. GB/T 13554-2020《高效空气过滤器》[S]. 北京: 中国标准出版社, 2020.
- 住房和城乡建设部. GB 50591-2010《洁净室施工及验收规范》[S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2010.
- ISO 29463:2011, High-efficiency air filters (EPA, HEPA and ULPA) [S]. Geneva: International Organization for Standardization, 2011.
- ISO 14644-3:2019, Cleanrooms and associated controlled environments — Part 3: Test methods [S]. ISO, 2019.
- IEST-RP-CC034.3, HEPA and ULPA Filter Leak Testing [S]. Institute of Environmental Sciences and Technology, 2020.
- 国家药品监督管理局. 《药品生产质量管理规范》（2010年修订）附录1：无菌药品[S]. 2011.
- SEMI. SEMI F57-0201, Guide to Particulate Contamination Control in Semiconductor Cleanrooms [S]. 2001.
- 王海桥, 李先庭. 洁净空调系统高效过滤器性能衰减规律研究[J]. 暖通空调, 2019, 49(5): 1-6.
- 陈霖新. 洁净室设计与运行管理[M]. 北京: 化学工业出版社, 2018.
- Intel Corporation. Cleanroom Filter Maintenance and Leak Testing Protocol [Z]. Oregon: Intel Fab Operations, 2021.
- 百度百科. 高效过滤器[EB/OL]. https://baike.baidu.com/item/高效过滤器, 2023-10-15.
- FDA. Guidance for Industry: Sterile Drug Products Produced by Aseptic Processing [Z]. U.S. Food and Drug Administration, 2004.
（全文约3600字）
