有關(guān)《按粒子濃度劃分的空氣潔凈度等級》國際新標(biāo)準(zhǔn)的一些問題

天津仁愛學(xué)院 涂 有

天津大學(xué) 涂光備

凈微(蘇州)有限公司 王炎財 周薛峰

0 引言

ISO 14644-1:2015《按粒子濃度劃分的空氣潔凈度等級》[1]頒布至今已5年多，它是ISO 14644《潔凈室及相關(guān)受控環(huán)境》系列標(biāo)準(zhǔn)的源頭，截至目前該系列標(biāo)準(zhǔn)己陸續(xù)增添到十幾個之多。該項標(biāo)準(zhǔn)(ISO 14644-1)自1999年5月頒布以來，得到國際科技界廣泛認(rèn)同與采納，成為該領(lǐng)域最重要、最基礎(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn)。ISO 14644-1:2015是該項標(biāo)準(zhǔn)自發(fā)布以來的第一次修訂，其波及和影響范圍之深度與廣度可以想見。

目前國內(nèi)通行的潔凈室及相關(guān)受控環(huán)境的各項國家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，無一不是直接或間接根據(jù)ISO 14644-1:1999[2](以下簡稱舊版本)所規(guī)定的基本原則來制定的。顯然，當(dāng)下也要隨ISO 14644-1:2015(以下簡稱新版本)予以調(diào)整。己有相關(guān)機構(gòu)正著手或準(zhǔn)備進行此項工作。本文談?wù)劰P者對新版本標(biāo)準(zhǔn)的某些看法，供國內(nèi)參照該項標(biāo)準(zhǔn)修訂相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)時參考。

新版本在其引言中特別指出：“本版最顯著的變化是對采樣位置的選擇和數(shù)量以及對采集數(shù)據(jù)的評估，采取了更加一致的統(tǒng)計方法”，強調(diào)了新版本對潔凈環(huán)境的空氣潔凈度等級驗證檢測工作的關(guān)注。筆者在《ISO 14644-1:2015標(biāo)準(zhǔn)簡介及對某些問題的質(zhì)疑》[3]一文中，對新版本有關(guān)采樣點數(shù)的確定方法提出了質(zhì)疑并有所論述。

實際上，新版本中關(guān)于收窄高潔凈度級別所適用的關(guān)注粒徑范圍的規(guī)定，是另一項與空氣潔凈度等級及其驗證檢測工作關(guān)系密切，而且影響很大的變更。但在其引言內(nèi)并未予以強調(diào)。本文就潔凈度等級驗證檢測時，可選的關(guān)注粒徑與采樣點數(shù)對檢測工效的影響予以討論，并對個別曲解新版本原意的相關(guān)論述提出質(zhì)疑。

1 新、舊版本關(guān)于各潔凈度級別關(guān)注粒徑的不同規(guī)定

新版本給出了如表1所示的“按粒子濃度劃分的空氣潔凈度ISO等級”[1]，舊版本給出了如表2所示的“潔凈室及潔凈區(qū)空氣潔凈度整數(shù)等級”[2]。

比較表1和表2可以看到：

1) 新版本(表1)規(guī)定，確定ISO 1級時，≥0.2 μm及以上的粒子濃度己不適用；確定ISO 2級時，≥0.5 μm及以上的粒子濃度己不適用；確定ISO 3級時，≥1 μm及以上的粒子濃度己不適用。也就是說，新版本從檢測工作實際出發(fā)，刪改了舊版本中不宜作為某些級別的關(guān)注粒徑尺寸。新版本所采取的變更關(guān)注粒徑尺寸的舉措，對保證檢測質(zhì)量、縮短檢測耗時、提高驗收工效是十分重要的。

2) 在舊版本(表2)中有某些空白處。而在新版本中，對舊版本“未置可否”的空格，以注釋的形式都給予了明確的規(guī)定。例如，新版本考慮到采樣系統(tǒng)可能存在大顆粒損失，以及其粒子濃度低，因此規(guī)定≥5 μm的粒子濃度不適合作為ISO 1級至ISO 5級的等級限值。即這些潔凈等級不能采用≥5 μm作為關(guān)注粒徑，如表1中注釋④所示。又如，ISO 7級至ISO 9級，因其<0.5 μm粒徑的粒子濃度太高，所以新版本規(guī)定，0.1、0.2、0.3 μm不適合作為以上級別的關(guān)注粒徑，如表1中注釋⑥所示。

3) 考慮到ISO 1級至ISO 4級中，某些可關(guān)注粒徑的等級限值濃度很低，需要采集大量的空氣樣本，方能滿足從統(tǒng)計學(xué)角度所要求的采樣粒子數(shù)。所以新版本明確規(guī)定，在此情況下，宜采用序貫采樣程序，如表1中注釋②所示。

2 關(guān)注粒徑范圍的變更對檢測工作的影響

新版本收窄了一些高級別適用的關(guān)注粒徑范圍，筆者認(rèn)為正是根據(jù)十多年實踐的經(jīng)驗，從實際工作需要出發(fā)，所采取的確保潔凈度認(rèn)證質(zhì)量和節(jié)省高潔凈級別認(rèn)證時間、提高檢測工效的措施。

新版本與舊版本在單次采樣空氣量及各點的最短采樣時間上的規(guī)定基本一致。根據(jù)統(tǒng)計學(xué)的要求，所選最大關(guān)注粒徑的粒子濃度恰為所認(rèn)證ISO級別規(guī)定的濃度限值時，在采樣點的單次采樣空氣量應(yīng)足以檢測到至少20個粒子。因此單次最少采樣空氣量按下式確定：

(1)

式中Vs為每個采樣點單次最少采樣量，L；Cn,m為相應(yīng)等級最大關(guān)注粒徑的濃度限值，個/m3。

同時還規(guī)定每個采樣點的單次采樣空氣量至少為2 L，每個測點單次采樣時間不短于1 min。新版本還增添了每個采樣點每次采樣量應(yīng)相同的規(guī)定，目的都是保障采樣質(zhì)量。

依照上述要求，按舊版本規(guī)定，ISO 1級可選取0.2 μm作為關(guān)注粒徑，此時單次最小采樣空氣量Vs=20個÷2個/m3×1 000 L/m3=10 000 L。

若使用俗稱為大流量，即每分鐘采氣量為28.3 L(1 ft3)的塵粒計數(shù)器，則每個測點的單次采樣時間T=10 000 L÷28.3 L/min=353 min。

而按新版本規(guī)定，對于ISO 1級只能采用0.1 μm作為關(guān)注粒徑，此時單次最小采樣空氣量Vs=20個÷10個/m3×1 000 L/m3=2 000 L，每個測點的單次采樣時間T=2 000 L÷28.3 L/min=71 min。

按新、舊版本對關(guān)注粒徑的不同限定，檢測ISO 1級潔凈室時，各測點單次最少采樣空氣量，按舊版本執(zhí)行可能達到新版本的5倍之多；采用相同容量的塵粒計數(shù)器時，各測點單次采樣所需時間，按舊版本操作是新版本的5倍。

根據(jù)新版本與舊版本對關(guān)注粒徑范圍的不同限定，比較各ISO級別潔凈室，按標(biāo)準(zhǔn)允許采用的最大關(guān)注粒徑，其相應(yīng)的單次最小采樣量及采樣時間如表3所示。

表3 相同ISO級別潔凈室新、舊版本可選最大粒徑的最小單次采樣量及時間的比較

從表3可以看到，新、舊版本因為關(guān)注粒徑的限定范圍不同，測點的單次最小采樣量及采樣時間可能出現(xiàn)很大的差別。按新版本的規(guī)定，ISO 3級允許采用的，即可選用的關(guān)注粒徑最大為0.5 μm，相應(yīng)滿足單點采樣所需空氣量為571 L，使用采樣流量為28.3 L/min的塵粒計數(shù)器時，采樣時間僅為21 min。而舊版本可選用的最大關(guān)注粒徑為1 μm，所需單次最小采樣空氣量達2 500 L，每個測點每次采樣需耗時88 min。也就是說，檢測ISO 3級潔凈室時，若以舊版本標(biāo)準(zhǔn)所列最大允許關(guān)注粒徑為依據(jù)，則單點采樣每次所耗時間為新版本標(biāo)準(zhǔn)的4.2倍。

由此可見，新版本收窄某些高潔凈等級適用的關(guān)注粒徑范圍的舉措，對于高級別潔凈室，特別是近年出現(xiàn)的一些大型電子廠房的檢測意義重大，有助于這類潔凈環(huán)境驗證檢測節(jié)省時間，提高檢測工效。

值得注意的是，工藝需求是決定潔凈環(huán)境的潔凈等級和關(guān)注粒徑的最根本因素。同種工藝及產(chǎn)品所需要的潔凈等級和關(guān)注粒徑應(yīng)是一致的，并不因為新、舊版本對某些潔凈等級的關(guān)注粒徑范圍的規(guī)定有所差異而不同。也就是說，依據(jù)式(1)確定單次最少采樣空氣量時，用于計算的相應(yīng)等級最大關(guān)注粒徑及濃度限值決定于工藝需求。新版本及舊版本標(biāo)準(zhǔn)都不排斥潔凈室工藝需要時可選用2個或更多的關(guān)注粒徑，只要符合新、舊版本標(biāo)準(zhǔn)一致規(guī)定的、兩相鄰粒徑(較大粒徑D2與較小粒徑D1)之比不小于1.5，即D2≥1.5D1即可。例如，ISO 4級潔凈室如需要，可認(rèn)定0.2、0.3、0.5 μm為所關(guān)注粒徑。此時式(1)中的最大關(guān)注粒徑的濃度限值，即對應(yīng)于ISO 4級及≥0.5 μm的濃度限值352個/m3(見表1及表2)，而并非舊版本ISO 4級所允許的最大關(guān)注粒徑1 μm所對應(yīng)的濃度限值83個/m3。

此外，除工藝有特殊要求并明確規(guī)定所需關(guān)注粒徑的尺寸外，一般按潔凈行業(yè)常規(guī)，ISO 1級及ISO 2級通常采用0.1 μm作為關(guān)注粒徑，ISO 3級及ISO 4級采用0.1 μm及0.3 μm作為關(guān)注粒徑，ISO 5級及以上級別一般將0.5 μm及5 μm列為關(guān)注粒徑。采用多于2個關(guān)注粒徑的情況并不多見。

3 影響潔凈室潔凈度驗證檢測空氣采樣工效的主要因素

潔凈環(huán)境是多種技術(shù)綜合所成，而潔凈度無疑是其最重要的標(biāo)志。在建成或改造之后必然需要依據(jù)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)進行驗證檢測。此外，持續(xù)正常運行的潔凈室除日常監(jiān)測潔凈度外，還需要定期進行監(jiān)測(參見標(biāo)準(zhǔn))。在空調(diào)凈化通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)試完成，送排風(fēng)量、風(fēng)速、溫度、濕度等各項指標(biāo)達標(biāo)后，潔凈室高效過濾器送風(fēng)口要逐一檢漏，更換存在瑕疵的高效過濾器或采取周邊密封措施。這是最費時費事，但至關(guān)重要的一步。在完成上述所有工作并徹底清潔后，才具備房間潔凈度檢測的條件。如空調(diào)凈化通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計正確，并達到合理的運行參數(shù)，全部高效過濾器出風(fēng)口經(jīng)檢漏達標(biāo)，一般情況下即可滿足新版本標(biāo)準(zhǔn)所需的潔凈度級別驗證檢測條件。

在此前提下，依據(jù)新版本標(biāo)準(zhǔn)，按待測潔凈室或潔凈區(qū)的面積確定采樣點數(shù)，并相應(yīng)將被測潔凈面積劃分成大小相近的網(wǎng)格，采樣點一般設(shè)在網(wǎng)格中央或具有代表性的位置。考慮到工藝設(shè)備布局等因素，必要時還可以在最小采樣點數(shù)之外增設(shè)附加的采樣點。顯然，采樣點數(shù)越多驗證檢測耗時越長。

另一影響檢測工效的重要因素是各采樣點的最少單次采樣空氣量。如前所述，同一潔凈級別如果選取不同的關(guān)注粒徑，所需最少單次采樣空氣量相差很大。例如，ISO 5級按常規(guī)以0.5 μm為關(guān)注粒徑時，最少單次采樣空氣量為571 L，使用采樣流量為28.3 L/min的塵粒計數(shù)器需要采樣21 min。如果選用1 μm為關(guān)注粒徑，則最少單次采樣空氣量達2 500 L，采樣需時88 min。二者耗時之比達4倍之多(參見表3)。

但對于大面積的潔凈廠房，因新、舊版本關(guān)于最少采樣點數(shù)的規(guī)定相差很大，所需檢測時間就有很大差別。例如，面積為5 500 m2的ISO 3級電子廠房，按新版本的規(guī)定最少采樣點數(shù)為NL=27A/1 000，即超過1 000 m2的潔凈廠房，無論面積大小，均按每37 m2面積取1個測點確定最少檢測點數(shù)。按新版本的規(guī)定，5 500 m2的潔凈室最少采樣點數(shù)為149個，而按舊版本的規(guī)定，最少采樣點數(shù)約為74個。如果工藝要求關(guān)注粒徑為0.3 μm，無論依據(jù)新版本或舊版本的規(guī)定，單點最少采樣量均為196 L。采用28.3 L/min的大流量塵粒計數(shù)器，每個測點一次采樣按10 min計，則按新版本的規(guī)定采樣累計時間就長達149×10 min=1 490 min≈24.8 h，而按舊版本的規(guī)定僅需74×10 min=740 min≈12.3 h，二者相差1倍多。

4 正確看待新版本標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)檢測的一些問題

依據(jù)新版本編制的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《按粒子濃度劃分潔凈度等級》的報批稿是筆者所知國內(nèi)最早成文上報的、與新版本相統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。這也表明組織該項標(biāo)準(zhǔn)編制的部門，一向都是國內(nèi)“潔凈室及相關(guān)受控環(huán)境”領(lǐng)域的重要機構(gòu)和率先者。

該行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)報批稿的正文與新版本標(biāo)準(zhǔn)一致，即所謂等同采用。但對該行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)所特別增添的附錄“待測最少采樣點數(shù)NL應(yīng)用說明”，筆者持懷疑觀點。該附錄的目的看來是要論證“雖然新版本較舊版本大幅增加了1 000 m2以上的大面積潔凈室的采樣點數(shù)，但并不見得增加了檢測時間，因此認(rèn)可新版本確定采樣點數(shù)的方法”。

對于新版本有關(guān)采樣點數(shù)的確定方法合理與否，筆者認(rèn)為需要認(rèn)真審視。與國際標(biāo)準(zhǔn)接軌的方向是毋庸置疑的。但并非國內(nèi)頒發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)完全追隨國際標(biāo)準(zhǔn)，一些國家根據(jù)國情作出必要調(diào)整也是常態(tài)[4]。國內(nèi)專家及筆者近期發(fā)表的一些相關(guān)文章中都提出了同樣的觀點[5-8]。

筆者認(rèn)為，該附錄對于新、舊版本所需檢測時間的比較方法可能不當(dāng)，因此所得結(jié)論欠妥。討論如下：

該行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)報批稿的附錄中，依據(jù)新版本標(biāo)準(zhǔn)收窄了某些高級別潔凈等級的關(guān)注粒徑的適用范圍，由此得出“盡管對大面積潔凈室規(guī)定的采樣點數(shù)較舊版本驟增，但綜合起來檢測時間反而縮短”的結(jié)論，并給出了如表4及表5所列的計算實例以證明其結(jié)論。

表5 5 500 m2潔凈區(qū)2個版本不同等級潔凈度下總檢測時間比對[4]

比較表4和表3可以看出，二者所列內(nèi)容一致，但標(biāo)題不同。表3的標(biāo)題為“相同ISO級別潔凈室新、舊版本可選最大關(guān)注粒徑的最小單次采樣量及時間的比較”，而表4標(biāo)題為“2個版本不同等級潔凈度下，采樣點每點采樣時間比對”，也就是說表4認(rèn)為，同一潔凈度級別，新、舊版本的采樣點每點采樣時間都存在表中所列的比例關(guān)系，這個說法顯然不當(dāng)。

該附錄依據(jù)表4中新、舊版本所規(guī)定的、各潔凈級別最大可選關(guān)注粒徑相應(yīng)的單點采樣時間，代入到某個5 500 m2潔凈廠房的潔凈度驗證檢測中，得出了表5所列的數(shù)據(jù)，以此證明大面積潔凈室若按新版本執(zhí)行，雖然采樣點數(shù)增多，但因單點采樣時間縮短，綜合起來總采樣時間與舊版本相比反而要短。

筆者認(rèn)為表5所列的比對結(jié)果欠妥，其理由如下：

1) 如前所述，對于同類工藝、同種產(chǎn)品的潔凈環(huán)境，其關(guān)注粒徑應(yīng)是一致的。進行新、舊版本標(biāo)準(zhǔn)的比較，所采用的比對潔凈室應(yīng)是同一個，否則無意義。而依據(jù)表4所列的ISO 1級至ISO 5級潔凈室新、舊版本不同的最大允許關(guān)注粒徑相對應(yīng)的單點采樣時間代入得到表5，所得比對結(jié)果沒有實際應(yīng)用價值。

例如在表5中，對于ISO 1級，新版本采用關(guān)注粒徑為0.1 μm計算最小單次采樣量，而舊版本按照關(guān)注粒徑為0.2 μm計算最小單次采樣量；對于ISO 2級，新版本采用關(guān)注粒徑為0.3 μm計算最小單次采樣量，舊版本按照關(guān)注粒徑為0.5 μm計算最小單次采樣量。采取這樣的方法進行比對是不合理的。

2) 筆者分析表5失誤的原因，可能是對ISO 14644-1標(biāo)準(zhǔn)原文中個別措詞的理解偏差所致。本文式(1)中的Cn,m值，指的是當(dāng)選用2個或更多關(guān)注粒徑時，以“所選”的最大關(guān)注粒徑對應(yīng)的最大濃度限值為準(zhǔn)(新版本與舊版本原文對式(1)的Cn,m值的表敘完全一致：Cn,mis the class limit (number of particles per cubic metre) for the largest considered particle size specified for the relevant class。此外，還可參看新版本4.4節(jié)Designation或舊版本3.3節(jié)Designation中有關(guān)商定進行測量時所選粒徑的解說)，并非是表4列出的新、舊版本標(biāo)準(zhǔn)對各潔凈等級所規(guī)定的“可選”或“允許”的最大粒徑及相應(yīng)的濃度限值。

例如，進行某個ISO 3級潔凈室的檢測，業(yè)主根據(jù)工藝需求，規(guī)定要以0.1、0.3、0.5 μm等3個粒徑尺寸為關(guān)注粒徑尺寸。那么無論按照新版本或舊版本執(zhí)行，單次最小采樣量都應(yīng)以所選最大關(guān)注粒徑0.5 μm為準(zhǔn)進行計算，因此按式(1)代入所得結(jié)果都是571 L。不能因為舊版本規(guī)定ISO 3級的最大允許關(guān)注粒徑為1.0 μm而將單次最小采樣量定為2 500 L(參見表3)。

該附錄將表1、表2所列各潔凈級別檢測所允許采用的最大粒徑，理解為式(1)所表述的、依據(jù)業(yè)主和檢測方根據(jù)工藝要求所選定的、用以鑒定潔凈室性能的多個關(guān)注粒徑中最大的關(guān)注粒徑。將這2個不同含義的最大關(guān)注粒徑混為一談，導(dǎo)致表5所列的計算結(jié)果和結(jié)論失實。

如前所述，新版本為更有效、更可靠地通過測試以檢驗潔凈環(huán)境的潔凈度，收窄了關(guān)注粒徑的適用范圍。例如，ISO 1級舊版本認(rèn)同0.2 μm可作為關(guān)注粒徑，按統(tǒng)計學(xué)要求每個測點最少單次采樣空氣量高達10 000 L。新版本認(rèn)為不妥而舍棄了此擋，僅允許以0.1 μm作為驗證潔凈級別ISO 1級的關(guān)注粒徑，單次采樣空氣量降低至2 000 L。使用相同采樣流量的塵粒計數(shù)器檢測，所需采樣時間相差達5倍之多。這正是新版本依據(jù)舊版本多年實踐反饋信息所做出的合理修改。

3) 該行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)報批稿中，特別增列了“待測最少采樣點數(shù)NL應(yīng)用說明”的附錄。該附錄除提供了表4、表5等計算結(jié)果外，還給出了“新版本最少采樣點數(shù)NL的計算方法在實踐中可行”的結(jié)論，具體如下：盡管NL數(shù)值新版本比舊版本有所增大，特別是待測潔凈室或潔凈區(qū)面積大于1 375 m2后甚至成倍增加(見表4)。但是由于新版本對低濃度的粒子不再受控(采樣與統(tǒng)計方法的制約)，潔凈度為ISO 1級、2級、3級、5級的潔凈區(qū)，每個采樣點的最小單次采樣量Vs降低更多，因此檢測時間新版本反而比舊版本要短；ISO 4級、ISO 6級新版本比舊版本檢測時間要長，但其數(shù)值不大(見表4)。

如前所述，該附錄所提供的表4、表5等計算結(jié)果存在瑕疵，所以上述結(jié)論并不成立。

5 結(jié)論

1) 潔凈環(huán)境的潔凈度級別驗證檢測是保障依據(jù)工藝需要所創(chuàng)建潔凈環(huán)境符合要求的重要環(huán)節(jié)。特別是高級別、大型潔凈廠房，此項任務(wù)繁重且耗時頗長。如何在保證檢測質(zhì)量的同時提高檢測工效是值得關(guān)注的問題，需要業(yè)內(nèi)總結(jié)經(jīng)驗。

2) 以新版本和舊版本不同的關(guān)注粒徑所規(guī)定的最少單次采樣空氣量，和按新版本及舊版本不同方法確定的采樣點數(shù)，以不恰當(dāng)?shù)姆绞浇M合所得結(jié)果，得出“在高級別潔凈室的檢測采樣的匯總時間上，新版本較舊版本要短”的論證，并以此作為接納新版本對大面積潔凈室采樣點數(shù)較舊版本驟增的依據(jù)，由此肯定新版本“最小采樣點數(shù)NL計算方法在實踐中可行”。筆者認(rèn)為此論述有瑕疵，不能成立。