2024年11月13日
星期三
作者/王靖凯 南京拓展科技有限公司
做光学实验离不开光学实验室，而光学实验室中要求最高的就是光学超净实验室。今天我们来简单聊聊超净实验室建设的注意要点，希望能帮助各位老师。
一、明确建设需求
在实验室建设前期，如果建设需求不完整或者不准确，会导致建成的实验室达不到使用需求，进而会发生二次改造，所以实验室开始着手建设前要有明确的建设需求。
1、不达标的建设需求对光学实验产生多种不良影响
建设光学超净实验室时，以洁净度和温湿度为主要技术需求，以实验室使用及建设需要为参考要素。
在光学实验室中，如果空气中洁净度不达标，灰尘会附着镜片、晶体、光栅等光学元器件上，容易形成衍射，进而改变光场分布，如果光的强度比较高会形成光学强区，容易损坏光学元器件。另外空气中洁净度不达标会影响光束质量，会影响实验质量。
实验室中如果温度波动大，主要会出现热胀冷缩的情况，一是会导致平台、光学调整架、光学元件变形，影响光路稳定和光束质量；二是会导致光通过的空气密度发生变化，会对光的传播造成影响。
实验室中如果湿度波动大，主要会影响镜片表面的薄膜稳定性，进而影响光路。湿度高会导致镜片表面水凝结，这样镜片容易被强激光打坏。另外在高湿环境下，有些光学晶体和膜层也会容易潮解。水汽对红外光的吸收也比较厉害。湿度过高（>70%）也容易造成电器故障，造成实验仪器设备损坏。
2、各项要求及指标
一般来说光学超净实验室的各项要求如下所示：
洁净度等级要求是万级、千级、百级或更高；
温度控制范围：20℃~25℃，温度波动度：±0.5℃、±0.2℃、±0.1℃或更高
湿度控制范围：30%RH以下、30%~45%RH、45%~55%RH、55%~65%RH，湿度波动度：±5%RH、±2%RH或更高。
具体洁净度、温湿度的技术指标如何确定，我们可以根据高精密的仪器设备、实验样品、实验系统流程、实验数据可靠性验证等方面进行考虑，来最终确认实验室的洁净度、温湿度的技术指标。
3、其他的技术需求
1）微震动：一般的中小型仪器设备，采用光学平台即可满足隔离地面震动的要求，如果是大型装置，则需要做独立的隔振基础。
2）风速：地面的震动可以采用地面隔振的方式进行处理，但是在超净实验室中的震动源往往不仅仅是地面带来的，还有实验室内的气流带来的。所以，我们在建设超净室的时候还要对工作面风速提出要求，一般来说工作面风速＜0.25 m/s 即可满足要求。要求高的实验室可以提出更低的工作面风速的要求。
3）地面防静电要求：抗静电、静电耗散、导静电，一般来说抗静电即可满足使用要求。如果是比较害怕静电的实验室，则需要做到静电耗散或导静电。
4）独立接地电阻：有一些精密仪器可能会有独立接地电阻的要求，根据仪器的要求，一般为小于4Ω、小于1Ω或更高要求。
5）工艺冷却水：如果有设备需要散热，那么就需要配置工艺冷却水，一般工艺冷却水的温度要求为18±1℃。
6）气路系统：根据实验需求，有的实验会用到气路系统，根据实际使用会有压缩空气或特殊气体。
7）纯水：如果需要用到纯水，根据需求提出具体的纯水指标（导电率、流量等）
8）UPS：根据实验的要求，确定是否需要配置UPS。
9）承重：需要考虑实验仪器设备、光学平台、空调设备等的重量，对实验室建筑提出承重的要求。
10）层高：根据实验室净高要求及夹层空间确定实验室建筑的层高，一般情况下实验室建筑层高应该达到４ｍ以上，如果实验要求是高大空间，那么建筑层高需要另外计算。
11）设备安装位置：在选址的时候还需要考虑空调设备的安装空间及位置，空间大小需要根据实验室的面积大小及技术要求进行确定。
12）电力供应：应同时考虑实验设备及空调设备的用电量。
光学超净室的建设一般分为原有建筑改造或新建建筑。如果是原有建筑改造就要受到原有实验楼的限制，在场地选择的时候需要重点关注建筑层高、承重、设备安装空间、电力供应等。如果这些条件不能满足，可能直接影响实验室能否建成。如果是新建实验楼，最好的方法是在建筑设计前先把实验系统、实验室初步方案设计好，实验楼建筑按照设计好的实验系统和实验室进行设计，这样就能使实验室的建设更加的完美。
1、暖通系统
光学超净实验室设计方案的优劣是实验室建设成功与否的关键。所以，作为用户而言，在设计阶段就需要把控一些设计的关键要素，这样就能减少实验室建设失败的风险。为什么说实验室建设成功与否的关键是暖通空调系统和自动控制系统呢?
首先我们来梳理一下光学超净实验室建设不当所产生的影响：
|
影响因素 |
结果 |
|
温度稳定性差 |
影响光路稳定 |
|
湿度稳定性差 |
影响光路稳定 |
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湿度偏高 |
影响光路、影响设备正常工作 |
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温度过高 |
影响设备正常工作、影响实验人员舒适性 |
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湿度过低 |
容易产生静电、影响实验人员舒适性 |
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温度过低 |
影响设备正常工作、影响实验人员舒适性 |
|
噪音过大 |
影响精密设备、影响实验人员舒适性 |
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风速过大 |
影响光路稳定 |
|
洁净度不达标 |
影响实验正常进行 |
上述这些问题，都是由暖通（空调）系统和自动控制系统发生问题产生的。
这些问题又该如何解决呢？
首先根据我们实际需要使用的温湿度的状态点，进行空调系统的选择。只有暖通空调系统的能力达到我们目标温湿度的要求，整个系统才不会出现大的问题。即使后期温湿度的稳定性有问题，也只需要改造自控系统即可，而不会出现整个系统拆掉重新做的情况。
那么根据温湿度的指标，空调系统应该如何选择呢？
通过对比图，首先根据所需要的温湿度状态点在对比图中进行对比，这样就能得出温湿度状态点对应的露点温度。
然后再根据对应的露点值，选择适合我们的机组类型。
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序 号 |
露点 温度 （℃） |
建议选择 机组类型 |
系统说明 |
备注 |
|
1 |
＞13 |
常规直膨机组或常规冷冻水机组 |
常规冷冻水机组的供回水温度是7℃~12℃或常规的直膨机组，可实现露点13℃以上的温湿度控制。如果是高精度温控实验室，那么最好是采用冷冻水型机组 |
需要全年 制冷型 |
|
2 |
10~13 |
5℃出水冷冻水机组或特殊设计直膨机组 |
采用供回水温度是5℃-10℃的冷冻水机组或特殊设计的直膨机组，才可实现露点10℃左右的温湿度控制 |
需要全年 制冷型 |
|
3 |
5~10 |
低温冷冻水或转轮除湿机组 |
采用出水温度0℃-5℃可调的低温冷冻水机组或者转轮除湿机组+常规制冷机组，可实现露点5℃-10℃的温湿度控制 |
需要全年 制冷型 |
|
4 |
＜5 |
转轮除湿机+常规制冷机组或其他专业定制机组 |
当露点小于5℃时，采用低于0℃的制冷机组进行除湿的时候可能会出现制冷段结霜或结冰的情况，会影响设备正常工作，进而影响实验室运行的稳定性，所以该类型的实验室应采用转轮除湿或其他专业定制机组 |
需要全年 制冷型 |
|
说明: 作者所在的光学超净实验室保温密闭效果比较好，室内又有一定的余热，在春秋过渡季节依然会出现需要制冷的情况。有的实验室甚至会出现冬季依然需要制冷的情况，普通的空调机组在室外环境低于15℃是不能制冷的。所以有的实验室在建设过程种如果选用的是普通机组，那么就会出现春秋季和冬季由于机组不制冷造成实验室内温度过高的问题。因此，我们在机组选择的时候需要选用具备全年制冷能力的机组。 |
||||
根据露点确定好空调系统之后，再对实验室内部的气流组织和末端进行设计。由于我们光学超净实验室不仅对洁净度、温湿度有要求，还对工作面风速、噪音等也有要求。所以我们在建设实验室的时候，我们就需要做一些特殊设计。
设计方案
下面我们对几种设计方案进行比较：
图1
图2
图3
图4
图1和图2是常规的超净实验室气流组织的设计方法，
图3是优化后的设计方案，图4为百级垂直流的方案。
序号
送风形式
优势
劣势
图1
FFU循环送风的形式
机房占地面积小
实验室噪音比较大（每一个FFU都有一个小风机，会产生噪音和震动），送风口下面风速较大，不适宜安装光学平台，否则会造成光路抖动
图2
净化空调循环送风
可以在机房做消音处理，实验室噪音相对小一些。
送风口下面风速较大，不适宜安装光学平台，同时机房占地面积大
图3
净化空调循环送风，吊顶采用双层结构，中间作为静压夹层，下层吊顶全孔板送风
能够极大的减小送风风速，使送风气流更均匀稳定，光学平台随意安装都不会受到气流的影响，由于在机组间进行了消音处理，实验室内部噪音也相对较小
机房占地面积比图1的方案要大
综合对比来看，在条件具备的前提下，我们建议采用图3的方案，建成的实验室使用效果比较好。如果是百级间，建议采用图4的形式。当然超净实验室的设计，还有其他方式，如果是一些大型超净实验室建设的项目，那么设计的方法也会有不同。
实验室的暖通空调系统设计完成之后，我们会需要对设备选型参数进行一些计算。我们提供了一个常规光学超净实验室的简单计算参考表，使用老师可根据下表对拟建设的光学超净实验室的空调系统参数进行大概估算，也可反向验证原设计方案有没有风险。
序
号
洁净度
温度范围
（℃）
湿度范围
（%RH）
气流形式
风速
（m/s）
换气次数
（次/h）
制冷量估算(w/㎡)
制热量估算(w/㎡)
1
十万级
20-25
30~65
非单向流
-
10-15
250~
350
100-200
2
万级
20-25
30~65
非单向流
-
15-25
250~
350
100-200
3
千级
20-25
30~65
非单向流
-
50-60
250~
350
100-200
4
百级
20-25
30~65
单向流
0.2~
0.4
-
250~
350
100-200
备注：
3、如具有大功率发热设备、大的排风新风需求、极端温湿度点控制等情况，那么需要根据实际情况进行专门的计算；
4、如果选用的是转轮除湿的方案，那么制冷量需要根据实际的除湿量进行专业计算。
本估算表仅限用于常规光学超净室：
1、换气次数适用于净高小于4.0 m的洁净室；
2、应根据室内人员、工艺设备、当地气候条件等情况采用合适的数值（极端情况需要额外考虑）；
光学超净实验室不仅对洁净度有要求，对温湿度也是有比较高的要求的。一般情况下只要空气循环次数满足要求，洁净度是能够满足要求的，而温湿度往往达不到要求。
那么关于温湿度这块又应该如何计算呢？
下面的表格，供大家参考：
|
序 号 |
洁净度 |
换气 次数 （次/h） |
温度 范围 （℃） |
湿度 范围 （%RH） |
可实现温度 稳定性 （℃） |
可实现湿度 稳定性 （%RH） |
|
1 |
十万级 |
10~15 |
20~25 |
30-65 |
±1、±0.5 |
±5、±2 |
|
2 |
万级 |
15~25 |
20~25 |
30-65 |
±0.5、±0.3 |
±5、±2 |
|
3 |
千级 |
50~60 |
20~25 |
30-65 |
±0.2、±0.1 |
±5、±2 |
|
4 |
百级 |
＞100 |
20~25 |
30-65 |
±0.1、0.05 |
±5、±2 |
|
备注： 2、如果实验室的洁净度和温湿度指标要求对换气次数的要求不一致，那么取大值作为计算依据。 |
||||||
只要上述机组选型、气流组织、参数计算没有问题，暖通设计这块就不存在太大问题了。
2、控制系统控制系统，也是光学超净实验室中最关键的一部分，详细阐述如下：
主流的控制系统主要有PLC、DDC以及单片机三种，各种控制系统的区别如下表：
|
序 号 |
控制器 类型 |
一般应用领域 |
备注 |
|
1 |
单片机 |
常规洁净空调、机房空调、精密空调（适用于批量生产的标准设备），编程复杂、可扩展性差、更改程序困难，通用性差，一般适用于大批量的标准化产品，如果停产可能无法找到替代产品 |
|
|
2 |
DDC |
直接数字控制器，适用于楼宇智能化、舒适性暖通空调设备控制，编程简单、有可扩展性、更改程序简单、通用性较好，可实现要求不高的控制，一般适用于要求不高的控制系统，可替代 |
|
|
3 |
PLC |
可编程逻辑控制器，适用于工艺性控制，编程相对简单、可扩展性强、更改程序简单、通用性好、可实现多种复杂控制，一般适用于要求较高的控制系统，可替代 |
|
|
说明: |
|||
要实现温湿度的稳定可靠，对控制系统及传感器都有相关的性能要求：
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序号 |
技术要求 |
控制系统要求 |
传感器要求 |
备注 |
|
1 |
温度稳定性 ±1℃ |
温度控制稳定性≤0.5℃ |
显示分辨率≤ 0.1℃ |
|
|
2 |
温度稳定性 ±0.5℃ |
温度控制稳定性≤0.25℃ |
显示分辨率≤0.05℃ |
|
|
3 |
温度稳定性 ±0.2℃ |
温度控制稳定性≤0.1℃ |
显示分辨率≤0.02℃ |
|
|
4 |
温度稳定性 ±0.1℃ |
温度控制稳定性≤0.05℃ |
显示分辨率≤0.01℃ |
|
|
5 |
温度稳定性 ±0.05℃ |
温度控制稳定性≤0.025℃ |
显示分辨≤0.005℃ |
|
|
6 |
湿度稳定性 ±5%RH |
湿度控制稳定性≤2.5%RH |
显示分辨率≤0.1%RH |
|
|
7 |
湿度稳定性 ±2%RH |
湿度控制稳定性≤1.0%RH |
显示分辨率≤0.1%RH |
|
|
说明: |
||||
维护结构系统一般由夹心保温钢洁净板和洁净地板组成，为超净实验室提供密闭保温及整体清洁的环境。维护结构的设计及材质选择，会影响到实验室的使用寿命及外观。下面来简单的对比一下主流材料的特点及区别：
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序号 |
名称 |
特点描述 |
图片 |
|
1 |
机制岩棉夹心洁净板 |
面层为彩钢板，内部为岩棉夹心，启口连接安装。 优点：性价比高、节省辅材。 缺点：安装完后平整性一般、强度一般，适宜做墙板，不适宜用作顶板。 |
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|
2 |
手工岩棉夹心洁净板 |
一种加强型的复合夹芯板，四周采用镀锌板冷拉型框架或塑钢框架，采用中字铝式连接方式。 优点：相对于普通净化板强度更强，黏结更好。 缺点：采用手工制用，较机制板工艺复杂，加工速度慢，所以成本较高。 |
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|
3 |
手工玻美岩棉夹心洁净板 |
优质彩色图层钢板为面层。用镀锌钢带为封边件及加强筋，用防潮玻镁板为芯板，岩棉为内芯层，通过加压、加热等工序制造而成。 优点：平整度好、密封性能好、防火等级高。 缺点：成本高、重量重 |
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4 |
手工玻美铝蜂窝夹心洁净板 |
面层采用彩钢板，内夹铝蜂窝芯材，采用手工制作工艺。四周采用铝合金冷拉型框架或铁质龙骨框。 优点：重量轻、平直度好，因芯材采用独特六边形结构，具有高抗压强度、张力好的优势。 缺点：价格高、保温性一般。 |
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|
5 |
PVC 地板 |
PVC地板是采用聚氯乙烯材料生产的地板。 优点：高弹性、耐磨、颜色搭配多，比环氧耐磨。 缺点：施工要求高、需要定期保养。 |
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6 |
橡胶地板 |
橡胶地板是采用天然橡胶、合成橡胶、其它成分的高分子材料而制成的地板。 优点：弹性好、环保、非常耐磨，比PVC耐磨，多应用于对耐磨要求高的区域。 缺点：价格较高。 |
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7 |
环氧 地面 |
采用一次性涂覆工艺，不论有多大的面积，都不存在连接缝，并且是一种无灰尘材料。 优点：无缝、不起尘、极易清洁。 缺点：抗划伤性能较差，耐高温性能较差。 |
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8 |
洁净门 |
采用钢板面层、双密封，门框料采用中空新型的双密封丫型橡胶密封件。 优点：门片整体齐平，工艺考究，气密性良好，耐用使用寿命长。 缺点：成本高。 |
|
|
9 |
彩钢板门 |
由彩钢板现场加工而成。 优点：成本低。 缺点：外部喷漆喷塑时间长了会剥落，影响美观，不耐用，容易坏。 |
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10 |
观察窗 |
中空玻璃观察窗，该窗户密闭性良好，能较好地防止能量的损失及户外灰尘的渗入。 优点：中空玻璃的防结露、降低冷辐射，隔热性能较好，与墙板一体安装，整体美观。 缺点：成本高。 |
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11 |
钢化玻璃窗户 |
钢化玻璃属于安全玻璃。 优点：安全性好，耐冲击，抗弯曲度。 缺点：平整度不好，不能再加工，美观性不如成品中空密封观察窗。 |
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备注： 一般来说围护结构的墙板会采用手工玻美岩棉夹心洁净板、顶板采用手工岩棉夹心洁净板（带加强筋）、门采用成品钢质门、观察窗采用和洁净板一体式的中空玻璃观察窗，这样使用寿命和效果都会比较好。 |
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三、合理的预算
建设光学超净实验室不同于普通装修，需要用到特殊的工艺性空调设备、专业的控制系统、专业的净化系统、专业的维护结构系统，所以光学超净实验室的建设预算并不能按照普通装修来准备。
在申报预算阶段，切忌拍脑袋直接按照多少钱一平进行估算，应该根据初步的建设需求拟定初步的方案、确定设备材料品牌档次，然后根据初步的方案及品牌档次进行计算所需要的建设预算。需求不一样，所需要的建设预算也不同。针对一些高精度、高要求、复杂程度高、大型装置所用到的光学超净实验室，由于系统比较复杂，这就需要寻找专业公司来进行专业的服务。
光学超净实验室建设实施环节是一个非常重要的环节，实施的良好与否，直接决定了最终建成的实验室的品质。这个阶段选择一个优秀的实施单位就尤为重要。优秀的实施单位能够帮用户解决很多问题，减少很多麻烦，用户只需要提出需求，在原有建筑、资金预算满足建设需求的前提下，实施单位即可根据用户的需求把实验室建设出来，哪怕前期的设计方案有问题，也可以帮你深化设计。
如果找到的是不专业的实施单位，那么用户会很累，中间过程要操很多心，哪怕前期设计方案做的再好，最后建成的实验室往往都不能满足使用需求。
希望本文能够帮助到各位用户老师，只要能够做到需求明确、方案设计优秀、项目预算充裕以及找到优质的实施单位，即可建设出优质的光学超净实验室，帮助各位老师更好更快的做出研究成果。
原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/NZO_ppcJ51VL-GWu1vd36Q
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