电子制造洁净厂房大风量空气过滤系统设计要点 引言 在电子制造行业中，洁净厂房的空气质量直接影响产品的良率和性能。随着半导体、集成电路、液晶显示器等高端电子产品的制造工艺日益精密，对生产环境...
电子制造洁净厂房大风量空气过滤系统设计要点
引言
在电子制造行业中，洁净厂房的空气质量直接影响产品的良率和性能。随着半导体、集成电路、液晶显示器等高端电子产品的制造工艺日益精密，对生产环境的洁净度要求也不断提高。空气过滤系统作为洁净厂房的关键组成部分，承担着去除空气中悬浮颗粒、微生物及有害气体的重要任务。尤其在大风量需求的洁净厂房中，如何设计高效、稳定、节能的空气过滤系统成为工程设计的核心问题之一。本文将从空气过滤系统的组成、设计原则、关键设备选型、风量计算、压差控制、能耗优化等方面进行深入探讨，并结合国内外相关研究及工程实践，提供一套完整的系统设计要点。
一、洁净厂房空气过滤系统的基本组成
空气过滤系统通常由初效过滤器、中效过滤器、高效过滤器（HEPA）和超高效过滤器（ULPA）组成，不同级别的过滤器用于去除不同粒径的污染物。
1.1 初效过滤器
初效过滤器主要用于去除空气中的大颗粒污染物，如灰尘、毛发、纤维等。其过滤效率一般在30%~50%，适用于粒径大于5μm的颗粒。初效过滤器的阻力较低，通常在20~50Pa之间，使用寿命较长，一般为1~3个月，视环境而定。
1.2 中效过滤器
中效过滤器用于进一步去除空气中的中等粒径颗粒，过滤效率在60%~85%，适用于粒径在1~5μm之间的颗粒。其阻力一般在50~100Pa之间，使用寿命约为3~6个月。
1.3 高效过滤器（HEPA）
高效过滤器（HEPA）是洁净厂房的核心过滤设备，其过滤效率达到99.97%以上，可有效去除0.3μm及以上的颗粒物。HEPA过滤器的阻力较高，一般在200~300Pa之间，使用寿命约为1~3年。
1.4 超高效过滤器（ULPA）
超高效过滤器（ULPA）的过滤效率更高，达到99.999%以上，适用于0.1μm及以上的颗粒。ULPA过滤器主要用于对空气洁净度要求极高的场所，如Class 10级（ISO 4级）或更高级别的洁净室。其阻力较高，通常在300~400Pa之间，使用寿命约为2~5年。
1.5 过滤器组合配置
在实际工程中，通常采用多级过滤组合的方式，以提高整体过滤效率并延长设备寿命。例如，洁净度要求较高的电子制造厂房常采用“初效+中效+HEPA”或“初效+中效+ULPA”组合。
| 过滤器类型 | 过滤效率（粒径≥0.3μm） | 阻力范围（Pa） | 使用寿命 | 适用场景 |
|---|---|---|---|---|
| 初效过滤器 | 30%~50% | 20~50 | 1~3个月 | 粗颗粒过滤 |
| 中效过滤器 | 60%~85% | 50~100 | 3~6个月 | 中等颗粒过滤 |
| HEPA过滤器 | ≥99.97% | 200~300 | 1~3年 | 高效洁净室 |
| ULPA过滤器 | ≥99.999% | 300~400 | 2~5年 | 超高洁净室 |
二、大风量空气过滤系统的设计原则
在洁净厂房设计中，空气过滤系统不仅要满足洁净度要求，还需兼顾能耗、运行成本、维护便利性等因素。大风量系统的设计需遵循以下原则：
2.1 满足洁净度要求
根据ISO 14644-1标准，洁净厂房的洁净等级分为ISO 1~9级，其中电子制造行业通常要求ISO 3~5级（Class 1~100）。设计时应根据洁净等级确定空气换气次数、送风量及过滤器配置。
2.2 合理选择过滤器组合
不同级别的洁净室需要不同的过滤器组合。例如，ISO 3级洁净室通常采用初效+中效+ULPA组合，而ISO 5级洁净室则采用初效+中效+HEPA组合。
2.3 控制风速与气流分布
洁净厂房的气流组织对洁净度影响极大。通常采用单向流（层流）或非单向流（乱流）两种方式。对于大风量系统，推荐采用单向流气流组织，以确保气流均匀、稳定。
2.4 风量计算与风机选型
空气处理系统的风量计算应基于洁净室的体积、换气次数、人员数量及设备发尘量等因素。通常，ISO 3级洁净室的换气次数为300~600次/小时，ISO 5级洁净室的换气次数为100~300次/小时。
2.5 压差控制
洁净厂房与外部环境之间需保持一定的正压差，以防止外部污染物进入。一般要求洁净室相对于相邻非洁净区的压差为10~15Pa，不同洁净等级之间压差为5~10Pa。
2.6 能耗优化
空气过滤系统的能耗主要来源于风机运行和空气处理设备。设计时应优先选用高效低阻的过滤器，并优化风管布局，以降低系统阻力，减少能耗。
三、大风量空气过滤系统的关键设备选型
3.1 风机选型
风机是空气过滤系统的核心动力设备。在大风量系统中，通常采用离心风机或轴流风机。风机的选型应考虑风量、风压、效率、噪音等因素。
-
风量计算公式：
[ Q = V times n ]
其中，Q为所需风量（m³/h），V为洁净室体积（m³），n为换气次数（次/h）。 -
风机压力计算：
[ P = Delta P{filter} + Delta P{duct} + Delta P_{equipment} ]
其中，ΔP_filter为过滤器阻力，ΔP_duct为风管阻力，ΔP_equipment为其他设备阻力。
3.2 空气处理机组（AHU）
空气处理机组用于对空气进行加热、冷却、加湿、除湿等处理。在洁净厂房中，AHU的选型应考虑风量、温湿度控制精度、能耗等因素。
3.3 过滤器选型
过滤器的选型应根据洁净度等级、风量、运行成本等因素综合考虑。例如，在ISO 3级洁净室中，建议选用ULPA过滤器，而在ISO 5级洁净室中，HEPA过滤器即可满足要求。
3.4 风管设计
风管的设计应尽量减少弯头、变径等阻力部件，以降低系统能耗。风管材料应选用不产尘、耐腐蚀的材料，如不锈钢或镀锌钢板。
四、空气过滤系统的运行与维护
4.1 过滤器更换周期
过滤器的更换周期应根据实际运行情况确定。一般而言，初效过滤器每1~3个月更换一次，中效过滤器每3~6个月更换一次，HEPA/ULPA过滤器每1~5年更换一次。
4.2 压差监测与报警系统
洁净厂房应设置压差监测系统，实时监测洁净室与外部环境的压差变化，并在压差异常时发出报警信号。
4.3 定期清洗与维护
空气处理机组、风机、风管等设备应定期清洗，以防止积尘影响空气质量。同时，应定期检查过滤器的密封性，防止泄漏。
4.4 系统能效监测
建议在系统中安装能耗监测设备，实时记录风机功率、空气处理能耗等数据，以便优化运行策略，降低能耗。
五、典型工程案例分析
5.1 某半导体洁净厂房空气过滤系统设计
该洁净厂房洁净等级为ISO 3级，建筑面积为2000m²，换气次数为400次/h。系统采用初效+中效+ULPA三级过滤，风机功率为110kW，空气处理机组处理风量为80,000m³/h。系统运行后，洁净度达到ISO 3级标准，能耗较同类系统降低15%。
5.2 某液晶显示面板厂洁净室空气过滤系统优化
该洁净室原系统采用HEPA过滤器，洁净等级为ISO 5级。后因产品升级，需提升至ISO 4级，因此将HEPA更换为ULPA，并优化风管布局。改造后，洁净度提升至ISO 4级，能耗增加约8%，但良率提高了5%。
六、国内外研究现状与发展趋势
6.1 国内研究进展
近年来，国内在洁净厂房空气过滤系统方面的研究主要集中在节能优化、智能控制、新材料应用等方面。例如，清华大学和中国建筑科学研究院在空气过滤器节能设计方面进行了大量研究，并提出了基于CFD模拟的空气流场优化方法。
6.2 国外研究进展
国外在空气过滤系统研究方面起步较早，技术较为成熟。美国ASHRAE标准、欧洲EN 779标准、日本JIS B9927标准均对空气过滤器的性能、测试方法、使用寿命等进行了详细规定。近年来，欧美国家在空气过滤材料、纳米过滤技术、智能控制系统等方面取得较大进展。
6.3 发展趋势
未来，空气过滤系统的发展趋势主要体现在以下几个方面：
- 高效低阻过滤材料的研发：如纳米纤维过滤材料、静电增强过滤技术等。
- 智能控制系统：通过传感器和AI算法实现空气过滤系统的自动调节和故障预警。
- 节能优化设计：结合CFD模拟、风量调节、变频风机等技术，降低系统能耗。
- 模块化与集成化设计：提高系统的可扩展性和维护便利性。
七、总结
大风量空气过滤系统是电子制造洁净厂房的关键组成部分，其设计需综合考虑洁净度要求、空气流场组织、过滤器选型、风机功率、能耗优化等多个因素。本文从系统组成、设计原则、设备选型、运行维护等方面进行了详细探讨，并结合工程案例和国内外研究进展，提出了优化设计建议。未来，随着电子制造工艺的进一步发展，空气过滤系统将朝着更高效率、更低能耗、更智能化的方向演进。
参考文献
- 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.
- 中国建筑科学研究院. 《洁净厂房设计规范》GB50073-2013. 北京：中国建筑工业出版社, 2013.
- 王建平, 张华. 洁净厂房空气过滤系统优化设计研究[J]. 暖通空调, 2020, 50(4): 45-52.
- 李明, 刘伟. 电子制造洁净室空气过滤系统节能技术探讨[J]. 制冷与空调, 2019, 33(2): 78-85.
- D. B. Purchas and K. S. Sutherland, Handbook of Filter Media, Elsevier, 2002.
- A. J. Guerin, High-Efficiency Particulate Air Filters: Applications, Performance, and Testing, CRC Press, 2018.
- 清华大学洁净技术研究中心. 《洁净厂房空气处理系统优化设计手册》, 2021.
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