HEPAエアフィルターの性能に関する実験的研究

現代産業の発展は、実験、研究、生産環境への要求をますます高めています。この要件を満たす主な方法は、クリーン空調システムにエアフィルターを広く採用することです。その中でも、HEPAフィルターとULPAフィルターは、クリーンルームに侵入する塵埃粒子に対する最後の防御策です。その性能はクリーンルームのレベルと直接関係しており、ひいてはプロセスと製品の品質に影響を与えます。そのため、フィルターの実験研究を行うことは有意義です。0.3μm、0.5μm、1.0μmのPAO粒子に対するガラス繊維フィルターとPTFEフィルターのろ過効率を測定することにより、異なる風速での2つのフィルターの耐性性能とろ過性能を比較しました。結果は、風速がHEPAエアフィルターのろ過効率に影響を与える非常に重要な要素であることを示しています。風速が高いほどろ過効率は低下し、PTFEフィルターの場合はその影響がより顕著です。

キーワード:HEPA エアフィルター、耐性性能、濾過性能、PTFE ろ紙、ガラス繊維ろ紙、ガラス繊維フィルター。
CLC番号:X964 文書識別コード:A
科学技術の継続的な発展に伴い、現代の工業製品の生産と近代化は、室内空気の清浄性に対する要求がますます厳しくなっています。特に、マイクロエレクトロニクス、医療、化学、生物学、食品加工などの業界では、小型化が求められています。精密、高純度、高品質、高信頼性の室内環境は、HEPAエアフィルターの性能に対する要件をますます高くしているため、消費者の需要を満たすHEPAフィルターを製造する方法がメーカーの喫緊の課題となっています。解決された問題の1つは[1-2]です。フィルターの抵抗性能と濾過効率は、フィルターを評価するための2つの重要な指標であることはよく知られています。本稿では、実験[3]、および同じフィルター材料の異なる構造により、異なるフィルター材料のHEPAエアフィルターの濾過性能と抵抗性能を分析しようと試みます。フィルターの濾過性能と抵抗特性は、フィルターメーカーに理論的根拠を提供します。

1 試験方法の分析
HEPAエアフィルターの検出方法は数多くあり、国によって基準が異なります。1956年、米国軍事委員会はHEPAエアフィルター試験規格であるUSMIL-STD282と効率試験用のDOP法を開発しました。1965年には英国規格BS3928が制定され、効率検出にはナトリウム炎法が採用されました。1973年、欧州換気協会はナトリウム炎検出法を踏襲したEurovent 4/4規格を開発しました。その後、米国環境試験・フィルター効率科学協会は、DOPキャリパーカウント法を用いた推奨試験方法に関する同様の規格をまとめました。1999年、ヨーロッパはBSEN1822規格を確立し、最も透明な粒子サイズ（MPPS）を使用して濾過効率を検出します[4]。中国の検出規格はナトリウム炎法を採用しています。本実験で使用したHEPAエアフィルター性能検出システムは、米国規格52.2に基づいて開発されました。検出方法はキャリパーカウント法、エアロゾルはPAO粒子を使用します。
1. 1つの主要な楽器
この実験では、他の粒子濃度試験装置[5]と比較して、シンプルで便利、高速で直感的な2つの粒子カウンタを使用しています。 粒子カウンタの上記の利点により、徐々に他の方法に取って代わり、粒子濃度の主な試験方法となっています。粒子数と粒子サイズ分布（つまり、カウント数）の両方をカウントできるため、この実験の中核機器です。サンプリング流量は28.6 LPMで、カーボンレス真空ポンプは低騒音で安定した性能を備えています。オプションをインストールすれば、温度と湿度、風速を測定し、フィルターをテストすることもできます。
検知システムは、PAO粒子をダストとして用いたエアロゾルをろ過対象とします。米国製TDA-5B型のエアロゾル発生器（エアロゾル発生装置）を使用します。発生範囲は500～65000cfm（1cfm＝28.6LPM）で、濃度は100μg/L（6500cfm）、10μg/L（65000cfm）です。
1. 2 クリーンルーム
実験の精度を高めるため、10,000レベルの実験室は米国連邦規格209Cに基づいて設計および装飾されました。 テラゾ、耐摩耗性、良好な密閉性、柔軟性、複雑な構造の利点を備えたコーティング床が使用されています。 材料はエポキシラッカーで、壁は組み立てられたクリーンルームサイディングで作られています。 部屋には220V、2×40W浄化6ランプが装備されており、照明と現場機器の要件に従って配置されています。 クリーンルームには4つの上部空気出口と4つの空気戻りポートがあります。 エアシャワー室は単一の通常のタッチコントロール用に設計されています。 エアシャワーの時間は0〜100秒で、調整可能な循環風量ノズルの風速は20ms以上です。 クリーンルームの面積は<50m2で、スタッフは<5人であるため、クリーンルームには安全な出口が用意されています。選択したHEPAフィルターはGB01×4、風量は1000m3/h、濾過効率は0.5μm以上、99.995%です。
1. 3つの実験サンプル
グラスファイバーフィルターのモデルは、610(L) × 610(H) × 150(W) mm、バッフルタイプ、75シワ、サイズ 610(L) × 610(H) × 90(W) mm、200シワ付き、PTFEフィルターサイズ 480(L) × 480(H) × 70(W) mm、バッフルタイプなし、100シワ付きです。
2 基本原則
テストベンチの基本原理は、ファンで空気を吹き出すことです。HEPA / UEPAにはHEPAエアフィルターも装備されているため、テスト対象のHEPA / UEPAに到達する前に空気が清浄になっていると見なすことができます。装置は、PAO粒子をパイプラインに放出して所望の濃度の粉塵含有ガスを形成し、レーザー粒子カウンタを使用して粒子濃度を決定します。その後、粉塵含有ガスはテスト対象のHEPA / UEPAを通過し、HEPA / UEPAでろ過された空気中の粉塵粒子濃度もレーザー粒子カウンタを使用して測定し、フィルタ前後の空気の粉塵濃度を比較することで、HEPA / UEPAを決定します。フィルタ性能。さらに、フィルタの前後にそれぞれサンプリング穴を配置し、ここで傾斜マイクロ圧力ゲージを使用して各風速の抵抗をテストします。

3つのフィルターの抵抗性能比較
HEPAフィルターの抵抗特性は、HEPAフィルターの重要な特性の一つです。人々の効率要求を満たすという前提の下、抵抗特性は使用コストと関連しており、抵抗が小さいほどエネルギー消費が少なく、コストも節約できます。そのため、フィルターの抵抗性能は重要な指標の一つとなっています。
実験測定データによれば、ガラス繊維フィルターとPTFEフィルターという2つの異なる構造のフィルターの平均風速とフィルター圧力差の関係が得られる。その関係は図 2 に示されています。

実験データから、風速が増加するにつれて、フィルターの抵抗は低抵抗から高抵抗へと直線的に増加し、2つのガラス繊維フィルターの2つの直線はほぼ一致していることがわかります。濾過風速が1m/sのとき、ガラス繊維フィルターの抵抗はPTFEフィルターの約4倍であることが容易にわかります。

フィルターの面積がわかれば、面速度とフィルター圧力差の関係を導き出すことができます。
実験データから、風速が増加するにつれて、フィルターの抵抗は低抵抗から高抵抗へと直線的に増加し、2つのガラス繊維フィルターの2つの直線はほぼ一致していることがわかります。濾過風速が1m/sのとき、ガラス繊維フィルターの抵抗はPTFEフィルターの約4倍であることが容易にわかります。

フィルターの面積がわかれば、面速度とフィルター圧力差の関係を導き出すことができます。

2種類のろ紙の表面速度差とろ紙間のろ過圧力差により、同じ表面速度で610×610×90mmのろ紙の抵抗は、610×150mmのろ紙の抵抗よりも高くなります。

しかし、同じ表面速度において、ガラス繊維フィルターの抵抗はPTFEの抵抗よりも高いことが明らかです。これは、PTFEがガラス繊維フィルターよりも抵抗性能に優れていることを示しています。ガラス繊維フィルターとPTFEの抵抗特性をさらに理解するために、さらなる実験を行いました。フィルターの風速の変化に伴う2つのろ紙の抵抗を直接調べた実験結果を以下に示します。

これは、同じ風速ではガラス繊維ろ紙の抵抗がPTFEの抵抗よりも高いという以前の結論をさらに裏付けています[6]。
4つのフィルターの性能比較
実験条件によれば、異なる風速における粒子サイズ0.3μm、0.5μm、1.0μmの粒子に対するフィルターの濾過効率を測定することができ、次のグラフが得られます。

明らかに、異なる風速における2つのガラス繊維フィルターの1.0μm粒子に対する濾過効率は100%であり、0.3μmおよび0.5μm粒子に対する濾過効率は風速の増加とともに低下しています。フィルターの大きな粒子に対する濾過効率は小さな粒子に対する濾過効率よりも高く、610×610×150mmのフィルターの濾過性能は、610×610×90mmの規格のフィルターよりも優れていることがわかります。
同じ方法を使用して、480×480×70 mmのPTFEフィルターの濾過効率と風速の関係を示すグラフが得られます。

図5と図6を比較すると、0.3μm、0.5μm粒子ガラスフィルタのろ過効果が優れており、特に0.3μmの塵埃のコントラスト効果において顕著です。1μm粒子に対する3つの粒子のろ過効果は100%でした。
ガラス繊維フィルターと PTFE フィルター材料の濾過性能をより直感的に比較するために、2 つのフィルター紙で直接フィルター性能テストを実行し、次のグラフが得られました。

上のグラフは、0.3μmの粒子に対するPTFEろ紙とガラス繊維ろ紙のろ過効果を、異なる風速で測定した結果です[7-8]。PTFEろ紙のろ過効率はガラス繊維ろ紙よりも低いことが明らかです。
フィルター材料の抵抗特性と濾過特性を考慮すると、PTFE フィルター材料は粗いフィルターまたはサブ HEPA フィルターの製造に適しており、ガラス繊維フィルター材料は HEPA または超 HEPA フィルターの製造に適していることが容易にわかります。
5 結論
PTFEフィルターとガラス繊維フィルターの抵抗特性と濾過特性を比較することにより、さまざまなフィルターアプリケーションの見通しを探ります。 実験から、風速はHEPAエアフィルターの濾過効果に影響を与える非常に重要な要素であるという結論を導き出すことができます。 風速が高いほど濾過効率が低くなり、PTFEフィルターへの影響が顕著になり、全体的にPTFEフィルターの濾過効果はグラスファイバーフィルターよりも低くなりますが、その抵抗はグラスファイバーフィルターよりも低くなります。 そのため、PTFEフィルター素材は粗いまたは準高効率フィルターの製造に適しており、グラスファイバーフィルター素材は高効率または超高効率フィルターの製造に適しています。 610×610×150mmの仕様のグラスファイバーHEPAフィルターは、610×610×90mmのグラスファイバーHEPAフィルターよりも低く、濾過性能は610×610×90mmのグラスファイバーHEPAフィルターよりも優れています。現在、純粋なPTFEフィルター材の価格はガラス繊維よりも高価です。しかし、PTFEはガラス繊維と比較して、耐熱性、耐腐食性、耐加水分解性に優れています。そのため、フィルターの製造においては、様々な要素を考慮する必要があります。技術的性能と経済的性能を両立させることが重要です。
参考文献:
[1]Liu Laihong、Wang Shihong.エアフィルタの開発と応用[J]•フィルタリングと分離、2000、10（4）：8-10。
[2] CNデイビス空気フィルター[M]、黄日光訳、北京：原子力出版社、1979年。
[3] GB/T6165-1985高効率エアフィルタの性能試験方法透過率及び抵抗[M]国家標準局、1985年。
[4]星松年.高効率エアフィルターの検出方法と実用化[J]•生物防疫防疫設備、2005年、26(1):29-31。
[5]ホッホライナー「粒子計数装置の更なる発展」
サイザーPCS-2000ガラスファイバー[J]•フィルターJournal ofAerosolScience、2000、31（1）：771-772。
[6]E.ワインガルトナー、P. ハラー、H. ブルチャーなど 圧力
DropAcrossFiberFilters[J]•エアロゾル科学、1996、27(1):639-640。
[7]Michael JMとClyde Orr. ろ過－原理と実践[M]
ニューヨーク:MarcelDekkerInc、1987•
[8] 張国泉「エアロゾル力学 ― 粉塵除去・浄化の理論的基礎」[M] • 北京：中国環境科学出版社、1987年。