基于PAO检漏测试的刀架式高效过滤器密封性能评估方法 1. 引言 在洁净室、生物安全实验室、制药生产环境以及半导体制造等对空气质量要求极高的领域，高效空气过滤器（High-Efficiency Particulate Air F...
基于PAO检漏测试的刀架式高效过滤器密封性能评估方法
1. 引言
在洁净室、生物安全实验室、制药生产环境以及半导体制造等对空气质量要求极高的领域，高效空气过滤器（High-Efficiency Particulate Air Filter, HEPA）是保障空气洁净度的关键设备。其中，刀架式高效过滤器因其安装便捷、密封性良好、适用于模块化洁净系统等特点，广泛应用于各类高洁净等级场所。然而，无论过滤器本身的过滤效率多高，若其与安装框架之间的密封不严，仍会导致未经过滤的污染空气绕过过滤介质直接进入洁净区，从而严重影响洁净环境的整体性能。
因此，密封性能的评估成为刀架式高效过滤器安装和维护过程中的关键环节。目前国际上普遍采用气溶胶光度计法进行现场检漏测试，其中以PAO（聚α烯烃，Poly-Alpha-Olefin） 作为示踪气溶胶的标准测试方法被广泛应用。本文将围绕基于PAO检漏测试的刀架式高效过滤器密封性能评估方法展开系统阐述，涵盖测试原理、设备参数、操作流程、判定标准，并结合国内外权威文献分析其科学性与可靠性。
2. 刀架式高效过滤器概述
2.1 定义与结构特点
刀架式高效过滤器（也称“刀边式”或“刀口式”高效过滤器）是一种通过其四周带有金属或塑料制成的“刀口”结构插入专用密封槽（通常为液槽或弹性密封条）中实现快速安装与密封的HEPA/ULPA过滤器。其核心特点是：
- 快速安装与更换：无需螺栓固定，通过推入式安装即可完成；
- 良好的气密性：刀口与密封槽配合形成物理屏障，减少泄漏风险；
- 适用于模块化设计：常见于FFU（风机过滤单元）、洁净棚、层流罩等设备中。
2.2 主要产品参数
下表列出了典型刀架式高效过滤器的技术参数范围：
| 参数项 | 典型值/范围 | 说明 |
|---|---|---|
| 过滤效率（EN 1822标准） | ≥99.995% @ MPPS（0.3μm） | HEPA H14级；部分可达H15（≥99.9995%） |
| 额定风量（m³/h） | 500–2000 | 取决于尺寸（如610×610×292mm） |
| 初阻力（Pa） | 180–250 | 在额定风量下测得 |
| 终阻力（Pa） | ≤450 | 达到此值建议更换 |
| 框架材质 | 铝合金、镀锌钢板、不锈钢 | 耐腐蚀、轻质 |
| 滤料材质 | 超细玻璃纤维纸 | 多层折叠，增加过滤面积 |
| 密封方式 | 刀口+液槽硅油 / 刀口+EPDM密封条 | 常见两种密封形式 |
| 尺寸公差（mm） | ±1.0 | 影响密封效果的关键因素 |
| 工作温度范围（℃） | -20 ~ 80 | 特殊型号可达更高 |
注：MPPS（Most Penetrating Particle Size）指易穿透粒径，通常为0.1–0.3μm，是评估HEPA过滤器性能的核心指标。
3. PAO检漏测试原理
3.1 测试基本原理
PAO检漏测试（DOP/PAO Aerosol Leak Test）是一种利用单分散或多分散气溶胶作为示踪粒子，在上游施加一定浓度的PAO气溶胶，使用光度计在下游扫描过滤器表面及周边密封区域，检测是否存在泄漏点的方法。
根据美国IEST-RP-CC034.3《HEPA and ULPA Filter Leak Tests》（Institute of Environmental Sciences and Technology）标准，该方法属于“光度计扫描法”（Photometer Scan Method），适用于现场安装后的完整性测试。
PAO作为一种无毒、低挥发性、热稳定的合成油，其雾化后可形成粒径集中在0.3μm左右的气溶胶，恰好对应HEPA过滤器的MPPS，因此能有效模拟苛刻的穿透条件。
3.2 国内外标准对比
| 标准编号 | 发布机构 | 适用范围 | 泄漏限值（%） | 测试粒径（μm） |
|---|---|---|---|---|
| IEST-RP-CC034.3 | 美国环境科学与技术学会（IEST） | HEPA/ULPA现场检漏 | ≤0.01% | 0.3（PAO） |
| ISO 14611-1:2022 | 国际标准化组织（ISO） | 洁净室及相关受控环境 | ≤0.01% | 0.1–0.3（可选） |
| GB/T 13554-2020 | 中国国家标准化管理委员会 | 高效过滤器性能试验 | 整体效率法为主，附录含扫描法 | ≤0.01%（推荐） |
| JIS Z 8122:2021 | 日本工业标准 | 洁净室测试方法 | ≤0.01% | 0.1–0.3 |
| EN 1822-5:2017 | 欧洲标准化委员会（CEN） | HEPA/ULPA分级与测试 | 局部扫描法（局部效率≥99.95%） | MPPS（约0.3） |
资料来源：IEST (2020), ISO (2022), GB/T 13554-2020, EN 1822-5:2017
值得注意的是，虽然各国标准在具体操作细节上略有差异，但均认可0.01%作为大允许泄漏率的通用阈值。这一数值意味着下游检测到的气溶胶浓度不得超过上游浓度的万分之一。
4. PAO检漏测试设备与系统组成
完整的PAO检漏测试系统通常由以下五个部分构成：
| 组件名称 | 功能描述 | 关键参数 |
|---|---|---|
| 气溶胶发生器 | 将液态PAO加热雾化，生成稳定气溶胶 | 输出浓度：10–100 μg/L；粒径分布：0.3±0.05 μm |
| 上游采样探头 | 测量过滤器进风侧气溶胶浓度 | 连接至光度计，用于归一化计算 |
| 光度计（粒子计数器替代） | 实时测量下游气溶胶浓度 | 检测范围：0.0001–100 μg/L；分辨率0.001% |
| 扫描探头（带抽气泵） | 在过滤器出风面以恒速移动扫描 | 扫描速度≤5 cm/s；探头面积≤5.3 cm² |
| 数据记录仪/软件系统 | 存储测试数据，生成报告 | 支持时间戳、位置标记、报警提示 |
示例设备品牌：TSI（美国）、PALAS（德国）、Met One（美国）、苏州苏信（中国）
其中，TSI 5C气溶胶光度计与ATI PortaCount Pro+ 是国际公认的经典设备组合，广泛用于GMP认证、医院洁净手术室验收等领域。
5. 刀架式过滤器PAO检漏测试流程
5.1 测试前准备
- 系统平衡：确保空调系统运行稳定，风量达到设计值；
- 上游浓度建立：开启PAO发生器，在过滤器上游均匀分布气溶胶，待浓度稳定（通常需10–15分钟）；
- 上游浓度测定：使用光度计测量上游平均浓度，设定为100%基准；
- 仪器校准：确认光度计零点与满量程准确，探头流量符合要求（一般为28.3 L/min）；
- 环境控制：关闭门窗，避免外部气流干扰测试结果。
5.2 扫描测试步骤
- 将扫描探头置于过滤器出风面下方，距离约1–2 cm；
- 按“之”字形路径匀速移动，覆盖整个过滤面及刀口边缘区域；
- 扫描速度控制在≤5 cm/s，重叠区域不少于2 cm；
- 重点关注部位：
- 滤芯拼接缝
- 刀口与液槽接触处
- 框架连接角部
- 排气孔或排水孔附近
- 当光度计读数超过0.01%时，系统自动报警，需标记泄漏点并拍照记录。
5.3 泄漏判定与处理
| 读数范围（%） | 判定结果 | 处理措施 |
|---|---|---|
| < 0.01% | 合格 | 记录数据，继续测试 |
| 0.01% – 0.05% | 局部轻微泄漏 | 检查密封槽是否变形、刀口是否清洁，重新压紧 |
| > 0.05% | 明显泄漏 | 停机排查，可能需更换密封材料或过滤器 |
| ≥0.1% | 严重泄漏 | 必须更换过滤器或修复安装结构 |
参考：ASHRAE Standard 182-2018《Procedures for Testing HEPA Filters》
对于刀架式过滤器而言，刀口与液槽之间的密封失效是常见的泄漏原因，常见问题包括：
- 液槽内硅油干涸或污染；
- 刀口弯曲或氧化导致贴合不良；
- 安装时未完全插入或受力不均；
- 框架变形引起缝隙。
6. 影响密封性能的关键因素分析
6.1 安装工艺
安装质量直接影响密封效果。研究表明，即使使用相同规格的过滤器，不同技术人员安装后的泄漏率可相差3倍以上（Liu et al., 2021，《Building and Environment》）。推荐采用“对角压紧”方式逐步施力，避免单侧强行推入造成刀口变形。
6.2 密封材料性能
| 密封类型 | 材料 | 优点 | 缺点 |
|---|---|---|---|
| 液槽密封 | 硅油（二甲基硅油） | 自适应性强，动态密封好 | 需定期补充，低温易凝固 |
| 弹性密封条 | EPDM橡胶、硅胶 | 无需维护，适合干燥环境 | 长期压缩易老化，温度敏感 |
数据来源：Zhang & Wang (2019), "Sealing Performance Analysis of HEPA Filter Installations", Journal of Aerosol Science
6.3 环境温湿度影响
高温高湿环境下，硅油粘度下降可能导致密封能力减弱；而在低温条件下，PAO气溶胶可能发生冷凝，影响测试准确性。建议测试环境温度控制在15–30℃，相对湿度<70%。
7. 实际应用案例分析
案例一：某生物医药企业洁净车间验收
- 场景：B级洁净区，共安装刀架式HEPA过滤器48台（610×610 mm）；
- 问题发现：3台过滤器在刀口角落出现0.03%–0.06%泄漏；
- 原因分析：液槽局部缺油，且安装时未完全到位；
- 整改措施：补充硅油，重新安装并复测，泄漏消除；
- 结论：定期维护与规范安装至关重要。
案例二：半导体工厂FFU模块抽检
- 测试数量：随机抽取20台FFU内置刀架式ULPA过滤器；
- 结果统计：
- 17台合格（泄漏<0.01%）
- 2台轻微泄漏（0.012%–0.018%），位于滤纸拼缝处
- 1台严重泄漏（0.08%），因运输过程中刀口受损
- 改进措施：加强出厂前保护包装，增加出厂预检程序。
8. 国内外研究进展与技术趋势
近年来，随着智能传感与自动化技术的发展，PAO检漏测试正朝着智能化、数字化、远程化方向演进。
8.1 自动化扫描机器人
德国PALAS UDAC-6系统已实现全自动三维扫描，配备机械臂与AI图像识别算法，可自动生成泄漏热力图，并定位缺陷坐标。相比人工扫描，其重复性误差降低至<5%（Schmidt et al., 2022, Aerosol Science and Technology）。
8.2 替代气溶胶研究
由于PAO成本较高且需特殊处理，研究人员探索使用DEHS（邻苯二甲酸二乙酯） 或NaCl溶液雾化作为替代物。中国建筑科学研究院（CABR）在2021年发布的《洁净室气溶胶测试指南》中指出，NaCl气溶胶结合激光粒子计数器亦可用于HEPA检漏，尤其适用于无法使用油性气溶胶的场合。
8.3 数字孪生与预测性维护
通过建立过滤器安装模型与历史泄漏数据库，结合CFD（计算流体力学）模拟，可预测潜在泄漏风险区域。清华大学团队开发的“CleanSpace”平台已在多个GMP车间试点应用，实现从被动检测向主动预警转变（Li et al., 2023, Indoor Air）。
9. 注意事项与常见误区
| 误区 | 正确认知 |
|---|---|
| 认为过滤效率高就等于无泄漏 | 过滤效率≠密封性，两者独立评估 |
| 仅测试中心区域忽略边缘 | 泄漏多发于边缘与接口处 |
| 上游浓度不稳定即开始测试 | 必须等待浓度波动<±10%后再进行 |
| 使用非标探头或过快扫描速度 | 会导致漏检，不符合标准要求 |
| 忽视背景浓度校正 | 下游环境中原有颗粒物会影响读数 |
此外，测试人员应接受专业培训，持有洁净室检测资格证书（如中国制冷学会颁发的相关资质），确保操作规范。
参考文献
- IEST. (2020). IEST-RP-CC034.3: HEPA and ULPA Filter Leak Tests. Institute of Environmental Sciences and Technology, USA.
- ISO. (2022). ISO 14611-1:2022 Cleanrooms and associated controlled environments — Test methods — Part 1: Measurement of air cleanliness by particle concentration. International Organization for Standardization.
- GB/T 13554-2020. 《高效空气过滤器》. 国家市场监督管理总局, 中国国家标准化管理委员会.
- EN 1822-5:2017. High efficiency air filters (HEPA and ULPA) — Part 5: Filter and filter medium leak test methods using particle counting. CEN.
- ASHRAE. (2018). ANSI/ASHRAE Standard 182-2018: Procedure for Testing Total Enclosed Air Filters Used in Nuclear, Pharmaceutical, and Other Applications.
- Liu, Y., Chen, Q., & Zhao, B. (2021). Field leakage testing of HEPA filters in pharmaceutical cleanrooms: A statistical analysis. Building and Environment, 195, 107763. http://doi.org/10.1016/j.buildenv.2021.107763
- Zhang, H., & Wang, L. (2019). Sealing performance analysis of HEPA filter installations with different gasket materials. Journal of Aerosol Science, 137, 105432. http://doi.org/10.1016/j.jaerosci.2019.105432
- Schmidt, K., et al. (2022). Development of an automated scanning system for ULPA filter integrity testing. Aerosol Science and Technology, 56(4), 321–333.
- Li, X., et al. (2023). Digital twin-based predictive maintenance for cleanroom HVAC systems. Indoor Air, 33(2), e13045. http://doi.org/10.1111/ina.13045
- 中国建筑科学研究院. (2021). 《洁净室气溶胶测试技术指南》. 北京：中国建筑工业出版社.
- TSI Incorporated. (2023). Product Manual: TSI 5C Photometer and ATI 5B-6A Aerosol Generator. Shoreview, MN, USA.
- 百度百科. “高效空气过滤器”. http://baike.baidu.com/item/高效空气过滤器 （访问日期：2024年6月）
- JIS Z 8122:2021. Methods of test for air cleanliness of cleanrooms. Japanese Standards Association.
（全文约3,800字）
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