洁净室气流原理：污染控制背后的科学

介绍

洁净室是现代技术进步的基石，其核心功能是对空气进行精确的污染控制。对于任何在制药、半导体生产或生物医学研究机构工作的人员来说，了解洁净室气流的基本原理都至关重要。

洁净室气流的复杂原理远不止简单的通风——它包含一个基于精确物理和工程原理的综合系统，这些原理协同运作以维持无菌环境。本文将深入探讨这些关键原理，揭示洁净室气流如何有效地维持高度可控的环境。

基金会：为什么原则很重要？

在研究洁净室气流的具体原理之前，至关重要的是要了解这些原理的必要性以及它们在污染控制方面所面临的挑战。

1.1 挑战：无处不在的微观污染物

洁净室环境中，空气中的颗粒物和微生物始终构成挑战。这些污染物的大小范围很广，从可见的大颗粒（≥50μm）到亚微米颗粒（0.1-1.0μm）以及微生物污染物（通常为0.3-10μm）。了解颗粒物的行为是洁净室气流设计原理的基础。

1.2 目标：精确控制和消除

洁净室的污染控制是通过精心设计而非偶然因素实现的。洁净室气流原理通过系统化的空气处理、过滤和流动方式，确保颗粒物浓度保持在规定的限值内。

核心原则 1：空气稀释和每小时换气次数 (ACH)

我们的洁净室气流原则之首，便是系统地用过滤后的洁净空气替换受污染的空气。这一稀释原则构成了非单向气流系统的基础。

2.1 原理解释

空气稀释法通过引入大量洁净空气来降低空气中污染物的浓度。其有效性以每小时换气次数 (ACH) 来衡量，计算公式为：ACH = (送风量（立方米/小时）) / (房间体积（立方米）)。

2.2 因素和应用

洁净室等级不同，所需的换气次数（ACH）也会有显著差异。洁净度等级越高，需要更频繁的换气才能将颗粒物数量维持在规定的限值内。

例如，一个尺寸为 5m × 5m × 3m（容积为 75m³）的 Deiiang™ ISO 5 级洁净室，需要 400 次/小时的换气频率，则需要 75m³ × 400 = 30,000 m³/h 的送风量。这说明了洁净室气流原理如何转化为实际的工程需求。

核心原则二：单向流与非单向流

理解气流模式是掌握洁净室气流原理的关键。两种主要的气流类型满足不同的洁净度要求和应用场景。

3.1 单向流动原理（层流）

单向气流，通常称为层流，以恒定的速度（通常为 0.3-0.5 米/秒 ±20%）平行流动，将污染物从关键区域推开。这会产生“活塞效应”，最大限度地减少湍流和交叉污染。

3.2 非单向流动原理（湍流/混合流）

非单向气流依靠高换气率实现空气混合和稀释。虽然效率不如单向气流，但对于要求不高的应用来说，它更具成本效益。

3.3 对比分析

Deiiang™ 的工程师 Jason.peng 会仔细评估工艺要求，以确定最佳流程模式，确保所选方法既符合清洁度要求，又符合运行效率。

核心原理3：压差与气流方向

压差是洁净室气流最关键的原理之一，它能产生定向气流，防止污染物在空间之间迁移。

4.1 原理解释

压力差可形成可控的气流方向，防止污染物扩散。正压（洁净区域）可防止污染物渗入，而负压（污染源）则可控制危险源。

4.2 压力维持机制

维持精确的压差需要仔细平衡送风量和排风量。典型的压力级联可能在相邻洁净室之间维持 15-30 Pa 的压差，其中最关键区域的压力最高。

例如，Deiiang™制药洁净室套件可能维持以下压力分布：更衣区（15 Pa）→走廊（20 Pa）→准备室（25 Pa）→灌装室（30 Pa）。这种压力级联确保气流始终从洁净度较高的区域流向洁净度较低的区域。

核心原则四：高效过滤

先进的过滤系统代表了洁净室气流的基本原理，它能从气流中物理去除污染物，其中 HEPA 和 ULPA 过滤器是防止颗粒污染的最后一道防线。

5.1 原理解释

高效空气微粒过滤器 (HEPA) 和超低穿透率空气微粒过滤器 (ULPA) 采用多种捕获机制来去除气流中的颗粒物：

最易穿透粒径（MPPS）通常介于 0.1-0.3μm 之间，此时过滤效率最低。过滤效率等级正是在此关键粒径范围内确定的。

5.2 过滤器类型和效率

Deiiang™ 过滤系统旨在保持效率的同时最大限度地减少压降，从而优化洁净室气流系统的性能和能耗。

核心原则五：空气速度与均匀性

空气速度和分布均匀性是洁净室气流的关键原则，直接影响颗粒控制效果和工艺一致性。

6.1 原理解释

合适的风速可确保足够的动量将颗粒物带回回风口，同时最大限度地减少湍流。风速均匀性可防止形成颗粒物可能积聚的停滞区。

6.2 斯托克斯定律的简化解释

斯托克斯定律描述了空气中粒子的沉降速度：V = (d² × g × (ρp - ρa)) / (18 × μ) 其中：

• V = 沉降速度（米/秒）
• d = 颗粒直径（米）
• g = 重力加速度 (9.8 米/秒²)
• ρp = 颗粒密度（kg/m³）
• ρa = 空气密度（≈1.2 kg/m³）
• μ = 空气动力粘度（≈1.8 × 10⁻⁵ Pa·s）

例如，10μm 的颗粒（ρp = 1000 kg/m³）的沉降速度约为 0.003 m/s，而洁净室的气流速度（0.3-0.5 m/s）要高 100-150 倍，有效地阻止了沉降。

了解这些洁净室气流原理，可以让 Deiiang™ 的设计师 Jason.peng 等创建出能够保持稳定速度分布的系统，这对于污染控制至关重要。

核心原理六：热力学与气流

热力学原理对洁净室气流模式有显著影响，在系统设计中必须加以考虑，以维持有效的污染控制。

7.1 原理解释

洁净室内的热源会产生热羽流，从而扰乱预设的气流模式。了解这些影响对于合理的洁净室气流设计至关重要。

温度和湿度控制也会通过静电效应影响颗粒行为。较高的湿度（通常为 45±5% RH）会减少静电荷的积累，从而降低颗粒被吸引到表面的可能性。

7.2 缓解策略

Deiiang™ 通过战略性地布置供气口和回气口、计算热负荷以及选择适当的气流速度来克服自然对流力，从而解决热力学难题。

例如，在洁净室中，如果工艺产生的热量较大（例如，设备产生的热量为 5kW），则可能需要额外的气流来克服热羽流，并保持符合洁净室气流基本原理的设计气流模式。

集成应用与优化

洁净室气流原理的真正威力在于将其整合到一个统一的系统设计中。成功实施的关键在于理解这些原理如何相互作用、彼此补充。

8.1洁净室设计原则

洁净室设计体现了所有气流原理的应用，通过战略性地布置风机过滤单元 (FFU)、回风口和房间布局来实现污染控制目标。

8.2 计算流体动力学 (CFD) 模拟

CFD建模通过虚拟仿真，在施工前将洁净室气流的理论原理转化为可预测的性能。

Deiiang™ 利用先进的 CFD 分析来验证所有洁净室气流原理是否在最终设计中得到正确实施并按预期相互作用。

8.3 持续验证与监控

定期测试可确保洁净室气流原理在整个设施生命周期内持续按设计运行。关键验证测试包括：

• 空气速度和均匀性测量
• 压差确认
• 过滤器完整性测试
• 气流可视化研究
• 颗粒计数监测

这些验证活动证实，洁净室气流的基本原理在维持所需的污染控制水平方面仍然有效。

结论

任何洁净室的成功都取决于洁净室气流基本原理的精确应用和整合。从空气稀释和流动模式到压差和过滤，每一项原理在有效控制污染方面都发挥着至关重要的作用。

要了解洁净室气流的工作原理，需要理解各个独立机制及其协同作用。洁净室气流的基本原理为现代关键环境下的制造和研究提供了科学基础。

在德扬™，我们以Jason.peng等专家为首的洁净室设计方法，在遵循科学原理的同时，也应用了切实可行的工程解决方案。我们所采用的洁净室气流机制，均经过理论验证和实践检验。

我们诚邀您探索 Deiiang™ 如何帮助您在下一个洁净室项目中应用这些原则。请联系我们的专家，讨论您的具体需求，并探索基于成熟的洁净室气流原理的优化解决方案。

附录

术语表

常见问题解答

延伸阅读

• ISO 14644洁净室标准
• 污染控制基础知识
• 先进洁净室设计原则
• HEPA/ULPA过滤器技术指南