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一、前言

Thermo Scientific 1500 系列生物安全柜是赛默飞世尔科技为高等级实验室、生物制药、医学检测及科研机构研发的高性能防护设备。其核心设计理念是通过稳定可控的空气流向系统实现对操作者、样品及环境的三重生物安全防护。

空气流向是生物安全柜性能设计的关键要素之一。通过合理的气流组织与精确的风速控制，可以建立稳定的负压屏障和洁净层流，防止污染物逸出或外界空气进入实验区。空气流向图的设计直观地反映了内部空气循环路线、风机运行逻辑及HEPA过滤系统的协同机制。

本文将系统介绍 Thermo Scientific 1500 系列生物安全柜的空气流向原理、流向结构、气流分布示意、风道系统组成、空气循环路径及维护管理要求，并结合标准化测试方法解析气流稳定性的验证过程，以帮助使用者深入理解设备气流控制原理和安全性能保障机制。

二、空气流向设计原理

1. 三重防护原理

Thermo Scientific 1500 生物安全柜的空气流向设计遵循“人员防护—产品防护—环境防护”三重防护原则：

• 人员防护：通过吸入口形成向内气流，阻止实验污染物向外扩散；

• 产品防护：采用垂直层流气流从上至下覆盖样品操作区，防止外界空气污染样品；

• 环境防护：排出的空气经过高效过滤器（HEPA）净化后才被释放，防止二次污染。

2. 气流动力原理

风机从顶部吸入空气，经初效过滤和高效过滤后形成垂直层流气流。该气流自上而下流经操作区，并在工作台前缘和后部形成负压吸入口，使污染空气通过排风系统被过滤净化。通过动态平衡控制，设备维持送风与排风比例约为7:3，从而实现内部空气循环与安全防护。

3. 气流稳定机制

• 采用电子式风机自动调速控制系统，实时监控风速变化；

• 内置压差传感器用于维持风道压差稳定；

• 扩散板设计均匀分布下送风，形成平稳层流；

• 操作口吸入气流确保污染空气不外泄。

三、空气流向图总体结构说明

空气流向图是生物安全柜内部气流运行路线的可视化表达，展示了空气从吸入、净化、分配、流经操作区、再到排出的完整路径。Thermo Scientific 1500 系列的空气流向可分为以下五个主要区域：

1. 进气区域（Inlet Zone）
   空气从柜体下方或顶部吸入，通过预过滤网去除大颗粒尘埃。

2. 送风区域（Supply Zone）
   风机将空气压入上部送风腔，经HEPA过滤器净化后形成洁净气流。

3. 操作区（Work Zone）
   洁净空气以恒定速度（约0.45 ± 0.05 m/s）垂直流经操作区，形成无菌层流保护样品。

4. 排风区域（Exhaust Zone）
   操作区气流在前窗下方和后方通过吸入口进入排风腔，经排风过滤器净化。

5. 排出区域（Outlet Zone）
   净化后的空气部分循环回系统，部分通过排风口排出，以维持负压平衡。

四、空气流向示意描述

以下为 Thermo Scientific 1500 生物安全柜空气流向的示意性说明：

1. 垂直层流路线

• 洁净空气经顶置HEPA过滤器进入操作区；

• 垂直向下均匀分布，覆盖整个操作台面；

• 气流自上而下无扰动流动，不形成旋涡；

• 最终在台面前后方的吸入口被吸入回风系统。

2. 吸入口气流方向

• 操作区前窗下缘设有负压吸入口；

• 当操作者靠近操作区时，空气被吸入柜内；

• 防止污染气体外泄至实验环境。

3. 排风流向

• 被吸入的污染空气经风道流入排风过滤单元；

• 通过HEPA高效过滤后，洁净空气回流或排放；

• 若为排风型安全柜，则部分空气通过外排管道排至实验室外部。

五、空气循环路径详解

Thermo Scientific 1500 系列安全柜的空气流动可分为“内循环气流”和“排出气流”两种路径。

1. 内循环气流

• 约70%的空气经过过滤后重新送入操作区；

• 内部循环可降低能耗并维持层流稳定性；

• 确保操作区空气持续洁净。

2. 排出气流

• 约30%的空气经排风过滤器净化后排出；

• 排出量与送风量动态匹配，形成负压保护；

• 排放空气中的颗粒物去除率≥99.995%。

3. 气流平衡关系

Qsupply=Qrecirculation+QexhaustQ_{supply} = Q_{recirculation} + Q_{exhaust}Qsupply=Qrecirculation+Qexhaust

保持风量比例稳定（约7:3）是设备性能的关键。

六、空气流向的核心部件

1. 风机模块

• 高效直流变频电机，具备自动转速控制功能；

• 依据传感器反馈自动调整风量，保证风速恒定。

2. HEPA高效过滤器

• 位于送风与排风系统中；

• 对≥0.3 μm颗粒的过滤效率达99.995%；

• 确保操作区空气洁净度达到ISO 5级标准。

3. 扩散均流板

• 分布于送风过滤器下方；

• 使气流均匀分布，避免局部涡流或静区。

4. 吸入口格栅

• 设置于操作台前缘与后缘；

• 形成向内气流屏障，防止污染外逸。

5. 压差与风速传感器

• 实时监测风道压差、风速变化；

• 数据反馈至控制系统以维持气流平衡。

七、空气流向图工作模式

Thermo Scientific 1500 生物安全柜具有三种空气流向工作模式，以适应不同实验环境与操作需求。

1. 正常运行模式（Normal Operation）

• 风机运行，送风与排风比例保持平衡；

• 操作区维持稳定垂直层流；

• 前窗开启至安全高度（约20–25 cm）。

2. 待机模式（Standby Mode）

• 风机以低速运行维持空气循环；

• 用于设备闲置或夜间保持洁净状态；

• 有助于延长过滤器寿命并节能。

3. 紫外消毒模式（UV Sterilization Mode）

• 风机与照明关闭，前窗降至最低位置；

• 紫外灯启动进行内部表面消毒；

• 禁止人员在场，防止紫外辐射伤害。

八、空气流向图的可视化测试

空气流向是否稳定与符合标准，需通过可视化方法进行验证。

1. 烟雾可视化测试（Smoke Test）

• 使用无毒可视化烟雾发生器；

• 在操作口及操作区内释放烟雾；

• 观察烟雾轨迹应自上而下流动，无回流或外逸。

2. 气流方向判定标准

3. 测试周期

• 每12个月进行一次年度气流方向验证；

• 更换过滤器或维修风机后需重新检测。

九、空气流向图对安全性能的影响

1. 对人员防护的影响

空气流向保持稳定向内时，操作口负压防护屏障能有效阻止气溶胶外逸。若风速下降或方向紊乱，则存在生物暴露风险。

2. 对样品防护的影响

垂直层流均匀度直接影响样品洁净度。若层流被扰动，将导致交叉污染或实验误差。

3. 对环境防护的影响

排风过滤器确保排放空气洁净。当空气流向异常或过滤器破损时，可能造成污染物外泄，因此定期检测空气流向尤为关键。

十、空气流向维护与校正

1. 定期检测

• 每半年检测风速与气流方向；

• 每年进行烟雾可视化测试。

2. 过滤器维护

• 监控送风与排风压差变化；

• 当压差>450 Pa时，评估更换HEPA过滤器。

3. 风机校准

• 使用风速仪测定风速后调整风机转速；

• 确保风量比维持在7:3 ±5%。

4. 扩散板清洁

• 每季度清洁扩散板表面灰尘；

• 保证层流均匀性不受影响。

5. 前窗密封检查

• 检查前窗下缘吸入口是否畅通；

• 清洁玻璃与密封条，防止泄漏。

十一、空气流向图中的压力分布

1. 区域压差层次

2. 压差平衡要求

操作区与排风腔之间保持30–50 Pa的压差，以维持防护气流方向。

十二、空气流向异常的识别与处理

十三、空气流向与标准规范

Thermo Scientific 1500 系列空气流向设计严格遵循以下国际标准：

1. EN 12469： 微生物安全柜性能标准；

2. NSF/ANSI 49： 生物安全柜设计与气流规范；

3. ISO 14644-3： 洁净空气流动性测试方法；

4. GB 50591： 洁净室施工与验收规范；

5. YY 0569： 生物安全柜国家技术标准。

这些标准规定了风速范围、层流均匀性、气流方向和压差要求。

十四、空气流向优化与节能设计

Thermo Scientific 1500 在空气流向系统中采用多项节能与稳定技术：

1. 智能风量调节系统：根据实时压差自动调整风机功率；

2. 低阻抗风道设计：减少空气流动能耗；

3. 空气回收循环：提升送风利用率，降低排风损耗；

4. 精密扩散板：减少涡流，提高层流覆盖率；

5. 静音流体结构：优化风道截面，降低运行噪音。

十五、空气流向图的可视管理与培训应用

• 在设备正面张贴简化版空气流向图，标示风向路径、过滤器位置及吸入口位置；

• 作为操作培训内容之一，帮助新用户理解风机系统运行逻辑；

• 用于设备维护、性能验证及事故排查时的参考依据；

• 在年度性能验证报告中附带空气流向图，提升可视化效果与审计合规性。