基於PAO檢漏測試的刀架式高效過濾器密封性能評估方法 1. 引言 在潔淨室、生物安全實驗室、製藥生產環境以及半導體製造等對空氣質量要求極高的領域，高效空氣過濾器（High-Efficiency Particulate Air F...
基於PAO檢漏測試的刀架式高效過濾器密封性能評估方法
1. 引言
在潔淨室、生物安全實驗室、製藥生產環境以及半導體製造等對空氣質量要求極高的領域，高效空氣過濾器（High-Efficiency Particulate Air Filter, HEPA）是保障空氣潔淨度的關鍵設備。其中，刀架式高效過濾器因其安裝便捷、密封性良好、適用於模塊化潔淨係統等特點，廣泛應用於各類高潔淨等級場所。然而，無論過濾器本身的過濾效率多高，若其與安裝框架之間的密封不嚴，仍會導致未經過濾的汙染空氣繞過過濾介質直接進入潔淨區，從而嚴重影響潔淨環境的整體性能。
因此，密封性能的評估成為刀架式高效過濾器安裝和維護過程中的關鍵環節。目前國際上普遍采用氣溶膠光度計法進行現場檢漏測試，其中以PAO（聚α烯烴，Poly-Alpha-Olefin） 作為示蹤氣溶膠的標準測試方法被廣泛應用。本文將圍繞基於PAO檢漏測試的刀架式高效過濾器密封性能評估方法展開係統闡述，涵蓋測試原理、設備參數、操作流程、判定標準，並結合國內外權威文獻分析其科學性與可靠性。
2. 刀架式高效過濾器概述
2.1 定義與結構特點
刀架式高效過濾器（也稱“刀邊式”或“刀口式”高效過濾器）是一種通過其四周帶有金屬或塑料製成的“刀口”結構插入專用密封槽（通常為液槽或彈性密封條）中實現快速安裝與密封的HEPA/ULPA過濾器。其核心特點是：
- 快速安裝與更換：無需螺栓固定，通過推入式安裝即可完成；
- 良好的氣密性：刀口與密封槽配合形成物理屏障，減少泄漏風險；
- 適用於模塊化設計：常見於FFU（風機過濾單元）、潔淨棚、層流罩等設備中。
2.2 主要產品參數
下表列出了典型刀架式高效過濾器的技術參數範圍：
| 參數項 | 典型值/範圍 | 說明 |
|---|---|---|
| 過濾效率（EN 1822標準） | ≥99.995% @ MPPS（0.3μm） | HEPA H14級；部分可達H15（≥99.9995%） |
| 額定風量（m³/h） | 500–2000 | 取決於尺寸（如610×610×292mm） |
| 初阻力（Pa） | 180–250 | 在額定風量下測得 |
| 終阻力（Pa） | ≤450 | 達到此值建議更換 |
| 框架材質 | 鋁合金、鍍鋅鋼板、不鏽鋼 | 耐腐蝕、輕質 |
| 濾料材質 | 超細玻璃纖維紙 | 多層折疊，增加過濾麵積 |
| 密封方式 | 刀口+液槽矽油 / 刀口+EPDM密封條 | 常見兩種密封形式 |
| 尺寸公差（mm） | ±1.0 | 影響密封效果的關鍵因素 |
| 工作溫度範圍（℃） | -20 ~ 80 | 特殊型號可達更高 |
注：MPPS（Most Penetrating Particle Size）指易穿透粒徑，通常為0.1–0.3μm，是評估HEPA過濾器性能的核心指標。
3. PAO檢漏測試原理
3.1 測試基本原理
PAO檢漏測試（DOP/PAO Aerosol Leak Test）是一種利用單分散或多分散氣溶膠作為示蹤粒子，在上遊施加一定濃度的PAO氣溶膠，使用光度計在下遊掃描過濾器表麵及周邊密封區域，檢測是否存在泄漏點的方法。
根據美國IEST-RP-CC034.3《HEPA and ULPA Filter Leak Tests》（Institute of Environmental Sciences and Technology）標準，該方法屬於“光度計掃描法”（Photometer Scan Method），適用於現場安裝後的完整性測試。
PAO作為一種無毒、低揮發性、熱穩定的合成油，其霧化後可形成粒徑集中在0.3μm左右的氣溶膠，恰好對應HEPA過濾器的MPPS，因此能有效模擬苛刻的穿透條件。
3.2 國內外標準對比
| 標準編號 | 發布機構 | 適用範圍 | 泄漏限值（%） | 測試粒徑（μm） |
|---|---|---|---|---|
| IEST-RP-CC034.3 | 美國環境科學與技術學會（IEST） | HEPA/ULPA現場檢漏 | ≤0.01% | 0.3（PAO） |
| ISO 14611-1:2022 | 國際標準化組織（ISO） | 潔淨室及相關受控環境 | ≤0.01% | 0.1–0.3（可選） |
| GB/T 13554-2020 | 中國國家標準化管理委員會 | 高效過濾器性能試驗 | 整體效率法為主，附錄含掃描法 | ≤0.01%（推薦） |
| JIS Z 8122:2021 | 日本工業標準 | 潔淨室測試方法 | ≤0.01% | 0.1–0.3 |
| EN 1822-5:2017 | 歐洲標準化委員會（CEN） | HEPA/ULPA分級與測試 | 局部掃描法（局部效率≥99.95%） | MPPS（約0.3） |
資料來源：IEST (2020), ISO (2022), GB/T 13554-2020, EN 1822-5:2017
值得注意的是，雖然各國標準在具體操作細節上略有差異，但均認可0.01%作為大允許泄漏率的通用閾值。這一數值意味著下遊檢測到的氣溶膠濃度不得超過上遊濃度的萬分之一。
4. PAO檢漏測試設備與係統組成
完整的PAO檢漏測試係統通常由以下五個部分構成：
| 組件名稱 | 功能描述 | 關鍵參數 |
|---|---|---|
| 氣溶膠發生器 | 將液態PAO加熱霧化，生成穩定氣溶膠 | 輸出濃度：10–100 μg/L；粒徑分布：0.3±0.05 μm |
| 上遊采樣探頭 | 測量過濾器進風側氣溶膠濃度 | 連接至光度計，用於歸一化計算 |
| 光度計（粒子計數器替代） | 實時測量下遊氣溶膠濃度 | 檢測範圍：0.0001–100 μg/L；分辨率0.001% |
| 掃描探頭（帶抽氣泵） | 在過濾器出風麵以恒速移動掃描 | 掃描速度≤5 cm/s；探頭麵積≤5.3 cm² |
| 數據記錄儀/軟件係統 | 存儲測試數據，生成報告 | 支持時間戳、位置標記、報警提示 |
示例設備品牌：TSI（美國）、PALAS（德國）、Met One（美國）、蘇州蘇信（中國）
其中，TSI 5C氣溶膠光度計與ATI PortaCount Pro+ 是國際公認的經典設備組合，廣泛用於GMP認證、醫院潔淨手術室驗收等領域。
5. 刀架式過濾器PAO檢漏測試流程
5.1 測試前準備
- 係統平衡：確保空調係統運行穩定，風量達到設計值；
- 上遊濃度建立：開啟PAO發生器，在過濾器上遊均勻分布氣溶膠，待濃度穩定（通常需10–15分鍾）；
- 上遊濃度測定：使用光度計測量上遊平均濃度，設定為100%基準；
- 儀器校準：確認光度計零點與滿量程準確，探頭流量符合要求（一般為28.3 L/min）；
- 環境控製：關閉門窗，避免外部氣流幹擾測試結果。
5.2 掃描測試步驟
- 將掃描探頭置於過濾器出風麵下方，距離約1–2 cm；
- 按“之”字形路徑勻速移動，覆蓋整個過濾麵及刀口邊緣區域；
- 掃描速度控製在≤5 cm/s，重疊區域不少於2 cm；
- 重點關注部位：
- 濾芯拚接縫
- 刀口與液槽接觸處
- 框架連接角部
- 排氣孔或排水孔附近
- 當光度計讀數超過0.01%時，係統自動報警，需標記泄漏點並拍照記錄。
5.3 泄漏判定與處理
| 讀數範圍（%） | 判定結果 | 處理措施 |
|---|---|---|
| < 0.01% | 合格 | 記錄數據，繼續測試 |
| 0.01% – 0.05% | 局部輕微泄漏 | 檢查密封槽是否變形、刀口是否清潔，重新壓緊 |
| > 0.05% | 明顯泄漏 | 停機排查，可能需更換密封材料或過濾器 |
| ≥0.1% | 嚴重泄漏 | 必須更換過濾器或修複安裝結構 |
參考：ASHRAE Standard 182-2018《Procedures for Testing HEPA Filters》
對於刀架式過濾器而言，刀口與液槽之間的密封失效是常見的泄漏原因，常見問題包括：
- 液槽內矽油幹涸或汙染；
- 刀口彎曲或氧化導致貼合不良；
- 安裝時未完全插入或受力不均；
- 框架變形引起縫隙。
6. 影響密封性能的關鍵因素分析
6.1 安裝工藝
安裝質量直接影響密封效果。研究表明，即使使用相同規格的過濾器，不同技術人員安裝後的泄漏率可相差3倍以上（Liu et al., 2021，《Building and Environment》）。推薦采用“對角壓緊”方式逐步施力，避免單側強行推入造成刀口變形。
6.2 密封材料性能
| 密封類型 | 材料 | 優點 | 缺點 |
|---|---|---|---|
| 液槽密封 | 矽油（二甲基矽油） | 自適應性強，動態密封好 | 需定期補充，低溫易凝固 |
| 彈性密封條 | EPDM橡膠、矽膠 | 無需維護，適合幹燥環境 | 長期壓縮易老化，溫度敏感 |
數據來源：Zhang & Wang (2019), "Sealing Performance Analysis of HEPA Filter Installations", Journal of Aerosol Science
6.3 環境溫濕度影響
高溫高濕環境下，矽油粘度下降可能導致密封能力減弱；而在低溫條件下，PAO氣溶膠可能發生冷凝，影響測試準確性。建議測試環境溫度控製在15–30℃，相對濕度<70%。
7. 實際應用案例分析
案例一：某生物醫藥企業潔淨車間驗收
- 場景：B級潔淨區，共安裝刀架式HEPA過濾器48台（610×610 mm）；
- 問題發現：3台過濾器在刀口角落出現0.03%–0.06%泄漏；
- 原因分析：液槽局部缺油，且安裝時未完全到位；
- 整改措施：補充矽油，重新安裝並複測，泄漏消除；
- 結論：定期維護與規範安裝至關重要。
案例二：半導體工廠FFU模塊抽檢
- 測試數量：隨機抽取20台FFU內置刀架式ULPA過濾器；
- 結果統計：
- 17台合格（泄漏<0.01%）
- 2台輕微泄漏（0.012%–0.018%），位於濾紙拚縫處
- 1台嚴重泄漏（0.08%），因運輸過程中刀口受損
- 改進措施：加強出廠前保護包裝，增加出廠預檢程序。
8. 國內外研究進展與技術趨勢
近年來，隨著智能傳感與自動化技術的發展，PAO檢漏測試正朝著智能化、數字化、遠程化方向演進。
8.1 自動化掃描機器人
德國PALAS UDAC-6係統已實現全自動三維掃描，配備機械臂與AI圖像識別算法，可自動生成泄漏熱力圖，並定位缺陷坐標。相比人工掃描，其重複性誤差降低至<5%（Schmidt et al., 2022, Aerosol Science and Technology）。
8.2 替代氣溶膠研究
由於PAO成本較高且需特殊處理，研究人員探索使用DEHS（鄰苯二甲酸二乙酯） 或NaCl溶液霧化作為替代物。中國建築科學研究院（CABR）在2021年發布的《潔淨室氣溶膠測試指南》中指出，NaCl氣溶膠結合激光粒子計數器亦可用於HEPA檢漏，尤其適用於無法使用油性氣溶膠的場合。
8.3 數字孿生與預測性維護
通過建立過濾器安裝模型與曆史泄漏數據庫，結合CFD（計算流體力學）模擬，可預測潛在泄漏風險區域。清華大學團隊開發的“CleanSpace”平台已在多個GMP車間試點應用，實現從被動檢測向主動預警轉變（Li et al., 2023, Indoor Air）。
9. 注意事項與常見誤區
| 誤區 | 正確認知 |
|---|---|
| 認為過濾效率高就等於無泄漏 | 過濾效率≠密封性，兩者獨立評估 |
| 僅測試中心區域忽略邊緣 | 泄漏多發於邊緣與接口處 |
| 上遊濃度不穩定即開始測試 | 必須等待濃度波動<±10%後再進行 |
| 使用非標探頭或過快掃描速度 | 會導致漏檢，不符合標準要求 |
| 忽視背景濃度校正 | 下遊環境中原有顆粒物會影響讀數 |
此外，測試人員應接受專業培訓，持有潔淨室檢測資格證書（如中國製冷學會頒發的相關資質），確保操作規範。
參考文獻
- 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. 《高效空氣過濾器》. 國家市場監督管理總局, 中國國家標準化管理委員會.
- 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
- 中國建築科學研究院. (2021). 《潔淨室氣溶膠測試技術指南》. 北京：中國建築工業出版社.
- TSI Incorporated. (2023). Product Manual: TSI 5C Photometer and ATI 5B-6A Aerosol Generator. Shoreview, MN, USA.
- 百度百科. “高效空氣過濾器”. http://baike.baidu.com/item/高效空氣過濾器 （訪問日期：2024年6月）
- JIS Z 8122:2021. Methods of test for air cleanliness of cleanrooms. Japanese Standards Association.
（全文約3,800字）
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