HEPA 공기 필터 성능에 대한 실험 연구

현대 산업의 발전은 실험, 연구 및 생산 환경에 대한 요구 사항을 증가시켰습니다. 이러한 요구 사항을 달성하는 주요 방법은 청정 공조 시스템에 공기 필터를 널리 사용하는 것입니다. 그중 HEPA 및 ULPA 필터는 클린룸으로 유입되는 먼지 입자에 대한 최후의 보호 장치입니다. 그 성능은 클린룸 수준과 직접적으로 관련되며, 이는 다시 공정 및 제품 품질에 영향을 미칩니다. 따라서 필터에 대한 실험 연구를 수행하는 것이 의미가 있습니다. 두 필터의 저항 성능과 여과 성능은 0.3μm, 0.5μm, 1.0μm PAO 입자에 대한 유리 섬유 필터와 PTFE 필터의 여과 효율을 측정하여 서로 다른 풍속에서 비교되었습니다. 결과는 풍속이 HEPA 공기 필터의 여과 효율에 영향을 미치는 매우 중요한 요소임을 보여줍니다. 풍속이 높을수록 여과 효율이 낮아지며 PTFE 필터의 영향이 더 분명합니다.

주요 단어:HEPA 공기 필터; 저항 성능; 여과 성능; PTFE 필터지; 유리 섬유 필터지; 유리 섬유 필터.
CLC 번호: X964 문서 식별 코드: A
과학과 기술의 지속적인 발전으로 현대 산업 제품의 생산 및 현대화는 실내 공기 청정에 대한 요구가 점점 더 커지고 있습니다. 특히 마이크로 전자, 의료, 화학, 생물학, 식품 가공 및 기타 산업은 소형화를 요구합니다. 정밀성, 고순도, 고품질 및 고신뢰성 실내 환경은 HEPA 공기 필터의 성능에 대한 요구 사항을 점점 더 높이고 있으므로 소비자 수요를 충족하는 HEPA 필터를 제조하는 방법이 제조업체의 시급한 요구가 되었습니다. 해결된 문제 중 하나[1-2]. 필터의 저항 성능과 여과 효율은 필터를 평가하는 두 가지 중요한 지표라는 것은 잘 알려져 있습니다. 이 논문에서는 실험[3]과 동일한 필터 재료의 다양한 구조를 통해 다양한 필터 재료의 HEPA 공기 필터의 여과 성능과 저항 성능을 분석하려고 시도합니다. 필터의 여과 성능과 저항 특성은 필터 제조업체에 이론적 기초를 제공합니다.

1 시험방법 분석
HEPA 공기 필터를 감지하는 방법은 여러 가지가 있으며, 국가마다 표준이 다릅니다. 1956년에 미국 군사 위원회는 HEPA 공기 필터 시험 표준인 USMIL-STD282와 효율 시험을 위한 DOP 방법을 개발했습니다. 1965년에 영국 표준 BS3928이 제정되었고 효율 감지를 위한 나트륨 불꽃 방법이 사용되었습니다. 1973년에 유럽 환기 협회는 나트륨 불꽃 감지 방법을 따르는 Eurovent 4/4 표준을 개발했습니다. 나중에 미국 환경 시험 및 필터 효율 과학 협회는 모두 DOP 캘리퍼 계수 방법을 사용하여 권장되는 시험 방법에 대한 일련의 유사한 표준을 편집했습니다. 1999년에 유럽에서는 가장 투명한 입자 크기(MPPS)를 사용하여 여과 효율을 감지하는 BSEN1822 표준을 제정했습니다[4]. 중국의 감지 표준은 나트륨 불꽃 방법을 채택했습니다. 이 실험에서 사용하는 HEPA 공기 필터 성능 감지 시스템은 미국 52.2 표준을 기반으로 개발되었습니다. 검출 방법은 캘리퍼 카운팅 방법을 사용하고, 에어로졸은 PAO 입자를 사용합니다.
1. 1 주요 악기
본 실험에서는 다른 입자 농도 측정 장비[5]에 비해 간단하고 편리하며 빠르고 직관적인 두 대의 입자 계수기를 사용합니다. 입자 계수기의 이러한 장점들은 점차 다른 방법을 대체하여 입자 농도의 주요 시험 방법으로 자리매김하고 있습니다. 입자 계수기는 입자의 개수와 입자 크기 분포(즉, 계수 횟수)를 모두 측정할 수 있으며, 이는 본 실험의 핵심 장비입니다. 샘플링 유량은 28.6 LPM이며, 카본리스 진공 펌프는 저소음 및 안정적인 성능을 특징으로 합니다. 옵션을 설치하면 온도, 습도, 풍속을 측정하고 필터를 시험할 수 있습니다.
검출 시스템은 PAO 입자를 먼지로 사용하여 에어로졸을 생성하고 이를 여과합니다. 미국에서 생산된 TDA-5B 모델의 에어로졸 발생기(에어로졸 생성기)를 사용합니다. 발생 범위는 500~65,000cfm(1cfm = 28.6LPM)이며, 농도는 100μg/L, 6500cfm, 10μg/L, 65,000cfm입니다.
1. 2 클린룸
실험의 정확도를 높이기 위해 10,000 레벨 실험실은 미국 연방 표준 209C에 따라 설계 및 장식되었습니다.테라조, 내마모성, 우수한 밀봉, 유연성 및 복잡한 구조의 장점이 있는 코팅 바닥이 사용되었습니다.재료는 에폭시 래커이고 벽은 조립된 클린룸 사이딩으로 만들어졌습니다.실에는 220V, 2×40W 정화 램프 6개가 장착되어 있으며 조명 및 현장 장비의 요구 사항에 따라 배치되었습니다.클린룸에는 상단 공기 배출구 4개와 공기 반환 포트 4개가 있습니다.에어 샤워실은 단일 일반 터치 제어를 위해 설계되었습니다.에어 샤워 시간은 0~100초이며 조절 가능한 순환 공기량 노즐의 풍속은 20ms 이상입니다.클린룸 면적이 <50m2이고 직원이 <5명이므로 클린룸에 안전한 출구가 제공됩니다. 선택된 HEPA 필터는 GB01×4이고, 풍량은 1000m3/h이며, 여과 효율은 0.5μm 이상, 99.995% 이상입니다.
1. 실험 샘플 3개
유리섬유 필터의 모델은 다음과 같습니다: 610(L)×610(H)×150(W)mm, 배플형, 주름 75개, 크기 610(L)×610(H)×90(W)mm, 주름 200개, PTFE 필터 크기 480(L)×480(H)×70(W)mm, 배플형 없음, 주름 100개.
2 기본 원칙
테스트 벤치의 기본 원리는 팬을 공기 중으로 불어넣는 것입니다. HEPA/UEPA에는 HEPA 공기 필터도 장착되어 있으므로 테스트된 HEPA/UEPA에 도달하기 전에 공기가 깨끗한 공기가 되었다고 볼 수 있습니다. 이 장치는 PAO 입자를 파이프라인으로 방출하여 원하는 농도의 먼지 함유 가스를 형성하고 레이저 입자 계수기를 사용하여 입자 농도를 측정합니다. 그런 다음 먼지 함유 가스가 테스트된 HEPA/UEPA를 통과하고 HEPA/UEPA로 필터링된 공기의 먼지 입자 농도도 레이저 입자 계수기를 사용하여 측정하고 필터 전후 공기의 먼지 농도를 비교하여 HEPA/UEPA 필터 성능을 결정합니다. 또한 필터 전후에 각각 샘플링 구멍을 배치하고 틸트 마이크로 압력 게이지를 사용하여 각 풍속의 저항을 테스트합니다.

3 필터 저항 성능 비교
HEPA의 저항 특성은 HEPA의 중요한 특성 중 하나입니다. 사람들의 요구 효율을 충족한다는 전제 하에, 저항 특성은 사용 비용과 관련이 있으며, 저항이 작고 에너지 소비가 적어 비용이 절감됩니다. 따라서 필터의 저항 성능은 중요한 지표 중 하나로 주목받고 있습니다.
실험 측정 데이터에 따르면 유리섬유 필터와 PTFE 필터의 두 가지 다른 구조의 필터의 평균 풍속과 필터 압력 차이 사이의 관계가 얻어졌습니다.그림 2는 이러한 관계를 보여줍니다.

실험 데이터에서 풍속이 증가함에 따라 필터의 저항은 저속에서 고속으로 선형적으로 증가하고, 두 유리 섬유 필터의 두 직선은 거의 일치하는 것을 확인할 수 있습니다. 여과 풍속이 1m/s일 때 유리 섬유 필터의 저항은 PTFE 필터의 약 4배임을 쉽게 알 수 있습니다.

필터의 면적을 알면, 면 속도와 필터 압력 차이 사이의 관계를 다음과 같이 도출할 수 있습니다.
실험 데이터에서 풍속이 증가함에 따라 필터의 저항은 저속에서 고속으로 선형적으로 증가하고, 두 유리 섬유 필터의 두 직선은 거의 일치하는 것을 확인할 수 있습니다. 여과 풍속이 1m/s일 때 유리 섬유 필터의 저항은 PTFE 필터의 약 4배임을 쉽게 알 수 있습니다.

필터의 면적을 알면, 면 속도와 필터 압력 차이 사이의 관계를 다음과 같이 도출할 수 있습니다.

두 종류의 필터의 표면 속도 차이와 두 여과지의 여과 압력 차이로 인해, 동일한 표면 속도에서 610×610×90mm 규격의 필터 저항이 610×150mm 규격의 필터 저항보다 높습니다.

그러나 동일한 표면 속도에서 유리 섬유 필터의 저항이 PTFE보다 높은 것은 분명합니다. 이는 PTFE가 저항 성능 측면에서 유리 섬유 필터보다 우수함을 보여줍니다. 유리 섬유 필터와 PTFE 저항의 특성을 더 자세히 이해하기 위해 추가 실험을 수행했습니다. 필터 풍속 변화에 따른 두 여과지의 저항을 직접 연구한 실험 결과는 다음과 같습니다.

이는 동일한 풍속 하에서 유리 섬유 필터지의 저항이 PTFE보다 높다는 이전 결론을 더욱 확증합니다[6].
4필터 필터 성능 비교
실험 조건에 따라, 입자 크기가 0.3μm, 0.5μm, 1.0μm인 입자에 대한 필터의 여과 효율을 다양한 풍속에서 측정할 수 있으며, 다음과 같은 차트를 얻을 수 있다.

1.0μm 입자에 대한 두 유리섬유 필터의 여과 효율은 풍속 변화에 따라 100%인 반면, 0.3μm 및 0.5μm 입자의 여과 효율은 풍속이 증가함에 따라 감소합니다. 큰 입자에 대한 필터의 여과 효율이 작은 입자에 대한 필터의 여과 효율보다 높으며, 610×610×150mm 필터의 여과 성능이 610×610×90mm 규격 필터보다 우수함을 알 수 있습니다.
동일한 방법을 사용하여 풍속에 따른 480×480×70 mm PTFE 필터의 여과 효율 간의 관계를 보여주는 그래프를 얻습니다.

그림 5와 그림 6을 비교해 보면, 0.3μm, 0.5μm 입자 유리 필터의 여과 효과가 더 좋으며, 특히 0.3μm 먼지 대비 효과에서 더 우수합니다. 1μm 입자에 대한 세 입자의 여과 효과는 100%였습니다.
유리섬유 필터와 PTFE 필터 소재의 여과 성능을 보다 직관적으로 비교하기 위해 두 여과지에 대한 필터 성능 시험을 직접 수행하여 다음과 같은 차트를 얻었습니다.

위 차트는 PTFE와 유리섬유 여과지가 0.3 μm 입자에 미치는 여과 효과를 다양한 풍속에서 측정하여 얻은 결과입니다[7-8]. PTFE 여과지의 여과 효율이 유리섬유 여과지보다 낮음을 알 수 있습니다.
필터 소재의 저항 특성과 여과 특성을 고려하면 PTFE 필터 소재는 거친 필터나 HEPA 미만 필터를 만드는 데 더 적합하고, 유리 섬유 필터 소재는 HEPA나 초HEPA 필터를 만드는 데 더 적합하다는 것을 쉽게 알 수 있습니다.
5 결론
다양한 필터 응용 분야에 대한 전망은 PTFE 필터와 유리 섬유 필터의 저항 특성과 여과 특성을 비교하여 탐색합니다. 실험을 통해 풍속이 HEPA 공기 필터의 여과 효과에 영향을 미치는 매우 중요한 요소라는 결론을 도출할 수 있습니다. 풍속이 높을수록 여과 효율이 낮아지고 PTFE 필터에 미치는 영향이 더 분명해지고 전반적으로 PTFE 필터는 유리 섬유 필터보다 여과 효과가 낮지만 저항은 유리 섬유 필터보다 낮습니다. 따라서 PTFE 필터 소재는 거칠거나 아효율성 필터를 만드는 데 더 적합하고 유리 섬유 필터 소재는 효율적이거나 초효율적인 필터 생산에 더 적합합니다. 610×610×150mm 사양의 유리 섬유 HEPA 필터는 610×610×90mm 유리 섬유 HEPA 필터보다 낮고 여과 성능은 610×610×90mm 유리 섬유 HEPA 필터보다 좋습니다. 현재 순수 PTFE 필터 소재의 가격은 유리 섬유보다 높습니다. 그러나 PTFE는 유리 섬유보다 내열성, 내식성, 가수분해성이 우수합니다. 따라서 필터 제작 시에는 기술적 성능과 경제적 성능을 모두 고려하여 다양한 요소를 고려해야 합니다.
참고문헌:
[1]류라이홍, 왕시홍. 공기필터의 개발 및 응용 [J]•여과 및 분리, 2000, 10(4): 8-10.
[2] CN Davis Air Filter [M], Huang Riguang 번역. 베이징: 원자력 출판사, 1979.
[3] GB/T6165-1985 고효율 공기 필터 성능 시험 방법 투과율 및 저항 [M]. 국가표준국, 1985.
[4]Xing Songnian. 고효율 공기 필터의 검출 방법 및 실제 적용[J]•생물 보호 전염병 예방 장비, 2005, 26(1): 29-31.
[5]Hochrainer. 입자 계수기의 추가 개발
sizerPCS-2000 유리섬유 [J]•필터 Journal of AerosolScience, 2000, 31(1): 771-772.
[6]E. Weingartner, P. Haller, H. Burtscher 등 압력
DropAcrossFiberFilters[J]•Aerosol Science, 1996, 27(1): 639-640.
[7]Michael JM 및 Clyde Orr. 여과 원리 및 실습[M].
뉴욕: MarcelDekkerInc, 1987•
[8] 장궈취안. 에어로졸 역학 - 먼지 제거 및 정화의 이론적 기초 [M] • 베이징: 중국 환경 과학 출판사, 1987.