1、什么是潔凈室技術(shù)？
如圖1.1所示，可以把潔凈室技術(shù)分成三大范疇。這些范疇與潔凈室用戶對技術(shù)的應用是對應的，即從他決定購買潔凈室開始，最后到潔凈室運行為止。
圖1.1 潔凈室技術(shù)的各個組成部分機器相互關(guān)系
首先，必須進行設(shè)計并建造出潔凈室。為此，必須考慮：
（1）應采用什么設(shè)計標準；
（2）做何種設(shè)計平面布置圖、使用何種建筑材料；
（3）如何向潔凈室提供各種設(shè)施。
其次，潔凈室已安裝好并工作時，必須測試其是否符合設(shè)計規(guī)定。應在潔凈室的壽命期中繼續(xù)對其進行監(jiān)測，以確保其仍然達到規(guī)定的設(shè)計要求。
最后，潔凈室必須正確運行，這樣所制造的產(chǎn)品才不至于受到污染。這就要求從人員與材料的入場，到服裝的選擇、潔凈室的規(guī)定、潔凈室的清潔都必須正確地予以實施。
2、潔凈室的由來
早期，第一批潔凈室最早出現(xiàn)于醫(yī)院。勞得·李斯特意識到細菌可引起外科傷口的感染，這就是他的歷史性貢獻。他想到，從手術(shù)室中清除細菌應可防止感染。這就是一批潔凈室的科學理論基礎(chǔ)。
李斯特在19世紀80年代使用殺滅細菌的餓滅菌劑（酚），大大降低了蘇格蘭格拉斯哥市皇家醫(yī)院手術(shù)室的感染。他把酚于手術(shù)器械、傷口、外科醫(yī)生手上，并將酚噴撒于空氣中來防止空氣傳播的感染。
圖2.1是1889年拍攝的一組外科醫(yī)生的照片。這些蘇格蘭阿伯丁皇家醫(yī)院的外科醫(yī)生使用李斯特噴霧器，向手術(shù)室的空氣中噴灑酚。這張照片有幾處很有意思。雖然李斯特噴霧器具有歷史性的意義，但對減少懸浮細菌其作用恐怕是微乎其微的。照片中右數(shù)第3人是外科醫(yī)生奧格斯頓。是他發(fā)現(xiàn)了金黃色葡萄球菌。無論過去和現(xiàn)在，金黃色葡萄球菌都是引起傷口敗血癥的罪魁禍首。看一看當時穿著的服裝式樣頗為有趣。這些照片恐怕是擺好姿勢后拍照的，但仍可看出那時進行外科手術(shù)是不穿滅菌（甚至是潔凈）防護服的。外科醫(yī)生做手術(shù)時常常一件舊的、長外罩工作服，上面沾有膿血和細菌。他也可能穿件帶袖圍裙或長外衣，但這是為了保護醫(yī)生自己不沾血液，而不是為了保護病人不受細菌感染。
圖2.1 使用李斯特蒸汽噴霧器的一組外科醫(yī)生
圖2.2是19世紀90年代拍攝于蘇格蘭愛丁堡皇家醫(yī)院一張照片。工作在現(xiàn)代潔凈室的人們一定會在很多方面對當時的外科手術(shù)感興趣。從照片左上方的氣燈及照片中的其他物件，就可以判斷出照片的年代。可以看到外科醫(yī)生穿著長袍式手術(shù)服，但沒戴手套、帽子、口罩。手術(shù)室中的背景為觀眾席位。成群的醫(yī)學學生在這里觀摩手術(shù)，但并沒有意識到他們在擴散細菌。正是由于這種觀眾席的設(shè)置，使得世界上很多地方仍把手術(shù)室稱為“劇院”。手術(shù)室地板為暴露的木質(zhì)地板，洗手池、容器、暴露的管道都反映出那個年代對污染控制幾乎一無所知。
圖 2.2 19世紀90年代后期的手術(shù)室
勞得·李斯特使用了一種殺菌方法來減少傷口敗血癥。他用殺菌劑殺滅繃帶上、外科醫(yī)生手掌上、手術(shù)室環(huán)境中的細菌。李斯特的前助手威廉母·梅斯萬先生繼李斯特成為四拉斯哥大學外科教授。他與德國和美國的一些外科醫(yī)生一起，按李斯特的研究方法，創(chuàng)立了無菌技術(shù)領(lǐng)域。無菌技術(shù)不是試圖殺滅侵入傷口的細菌，而是防止其碰及傷口。為此要將手術(shù)器械和繃帶煮沸，外科醫(yī)生和護士必須嚴格地“搓洗”手掌以清除細菌。到1990年，開始使用外科手套、口罩、手術(shù)服，并可在手術(shù)前用蒸汽滅菌，不過溫度和壓力低于當前的水平。這些方法就是當今潔凈室技術(shù)之根基。
圖2.3是1907年前后拍攝的愛丁伯皇家醫(yī)院手術(shù)室的照片，它與圖2.2的照片形成明顯對照：已經(jīng)有了電。但更有意思的是，當時外科醫(yī)生已戴著手套和口罩，而口罩則是戴在鼻下。直到20世紀30年代末期，人們才認識到把口罩戴到鼻上更佳。那時也有了便于消毒和清潔的水磨石地面和帖面墻。
圖2.3 1907年手術(shù)室中的無菌防護措施
3、通風手術(shù)室的由來
雖然過去的手術(shù)室有其類似于現(xiàn)代潔凈室的污染控制方法，但它不具有使用過濾空氣進行強制通風這一現(xiàn)代潔凈室的重要特征。在20世紀40年代以前，醫(yī)院的環(huán)境溫度控制很少使用人工通風。而且隨后的應用與其說是為了污染控制，不如說是為了舒適。直到第二次世界大戰(zhàn)（1945年）結(jié)束后，醫(yī)院的通風才明確用于污染控制。當時研究了戰(zhàn)爭期間潛水艇、防空洞、軍營中等人群密集場合的空氣感染問題。微生物戰(zhàn)需要通過空氣傳播微生物，對此也進行了相應的研究。發(fā)明了懸浮細菌采樣器。二戰(zhàn)期間，還研究了房間的通風與粒子空氣動力學的特性。
到20世紀60年代早期，影響紊流潔凈室性能的大多數(shù)原理已經(jīng)明了。同樣已成為定論的是：人是懸浮細菌之源。細菌大量散步在皮膚上，松散紡織成的棉質(zhì)服裝對防止細菌擴散無能為力，所以對密織面料的需求提上了日程。
1960年，英格蘭的布勞爾斯和克魯嘗試在米得爾斯伯勒市手術(shù)室布滿整個吊頂?shù)纳⒘髌鳙@得下行運動的“活塞”式氣流（即單向流，盡管當時不這樣稱呼）。但其低速流不幸被來自人員和手術(shù)室燈的熱氣流以及人員的活動所破壞，因而無法實現(xiàn)良好的單向流。這就是當約翰·強利教授（在赫沃空調(diào)公司的協(xié)助下）決定改進其在英國曼徹斯特附近惠靈頓醫(yī)院手術(shù)室的通風時的情況。
圖3.1 強力——赫沃斯“溫室”
強利是髖關(guān)節(jié)更換術(shù)的先驅(qū)，他發(fā)明了一種塑料或金屬制造的人工關(guān)節(jié)代替有病的關(guān)節(jié)。開始時，他的手術(shù)病人敗血癥患病率為10%，這是個大問題。于是他采取了許多預防措施。他與赫沃斯嘗試利用當時的知識（1961年），完善下行氣流的“活塞效果”。他們不是利用整個手術(shù)室的天花板（如勞爾斯和克魯所做的那樣），而是將其限制在一個小的面積范圍內(nèi)，由此改進下行氣流。他們在手術(shù)室中放置了一個7英尺乘7英尺的“溫室”，如圖3.1所示。
圖3.2上一強利公布的該系統(tǒng)的氣流圖。從圖中可以看出，它實現(xiàn)了較好的下行單向流。
圖3.2 強利所做原系統(tǒng)的氣流狀況
強利和赫沃斯空調(diào)公司增加了送風量，然后我們利用從美國和其他地方的層流（單向流）系統(tǒng)工作中獲得的知識，實施了設(shè)計改進。強利發(fā)現(xiàn)對手術(shù)室的改進和對服裝的面料及設(shè)計的提高，顯著減少了懸浮細菌，而髖關(guān)節(jié)深度感染的減少恰恰與之相對應：從1959年手術(shù)室條件較差時的10%，降低到了1970年其全部改進到位時的不到1.0%。英國醫(yī)學研究會證明，在20實際80年代，應用單向流隔離系統(tǒng)加上密封式服裝，關(guān)節(jié)手術(shù)引起的敗血癥比紊流手術(shù)室降低四分之一。
4、早期的工業(yè)潔凈室
在工程制造業(yè)中也取得了相似的進展。第一個工業(yè)生產(chǎn)用潔凈室是在第二次世界大戰(zhàn)中投入使用的，其主要目的是提高槍械、坦克、飛機用儀器的質(zhì)量和可*性。那時人們認識到，必須提高生產(chǎn)環(huán)境的潔凈度，否則投彈瞄準器這樣的裝置就會出現(xiàn)故障。但當時只要假定潔凈室要保持得象人們的住房那樣清潔，于是便使用了不產(chǎn)生粒子的不銹鋼做表面裝修并保持其清潔。但人們還沒有認識到，由機器和人員產(chǎn)生的大量懸浮粒子之擴散，應由大量的潔凈送風使之降至最低。比如對于藥品生產(chǎn)車間，當時的主流思想就是必須大量使用消毒劑使其不含微生物。為便于消毒，墻體使用帖面，地面則用水磨石鋪面，并帶有排水槽和下水口，以便排出消毒劑。通風也很原始，每小時換氣僅幾次。在室內(nèi)或在生產(chǎn)區(qū)與外部區(qū)域之間，還談不上氣流控制。人員穿的棉服衣著與哪個時代手術(shù)室使用的相似。那時即便有更衣區(qū)，也是非常簡陋的。
1939年至1945年二次大戰(zhàn)期間開展的生化戰(zhàn)爭研究以及核子裂變的餓付諸使用，使隔離危險微生物或隔離放射性污染所必須的高效過濾器應運而生。從此，在潔凈室中即可獲得非常潔凈的空氣，低度的空氣污染成為現(xiàn)實。
1955年至該世紀60年代早期已建造出了具有這種通風的潔凈室：充分過濾了的空氣經(jīng)吊頂?shù)纳⒘髌魉统觥?/span>20世紀50年代早期，美國北卡羅來州云絲頓-塞倫市的西電公司在生產(chǎn)導彈用陀螺儀時總是出問題，其產(chǎn)品合格率僅為1%。后來發(fā)現(xiàn)，問題就出在塵埃上。于是決定建造一個“無塵”生產(chǎn)車間。該車間由AC公司設(shè)計并于1955年完成。圖4.1是該車間剛投產(chǎn)后不久的情形。
圖4.1 西電公司的陀螺儀生產(chǎn)車間
這恐怕就是世界上第一個考慮了潔凈室所以基本要求的潔凈生產(chǎn)車間。人員穿著合成纖維服并戴著帽子，還為他們配備了更衣室。選擇了便于清潔而粒子產(chǎn)生又最少的建材，并盡量減少接縫與彎角，地板上滿鋪乙烯樹脂直至墻面。照明采取平裝式，使積塵最少。在照片右側(cè)后部可看到使用了傳遞窗。空調(diào)送風經(jīng)“絕對”過濾器（對0.3μm粒子慮除效率打99.95％），房間維持正壓。
圖 4.2 維利斯•威特菲爾在其原創(chuàng)的層流潔凈室中
1961年，迎來了潔凈室發(fā)展史上的分水嶺，即美國新墨西哥州阿爾伯克基圣地亞實驗室發(fā)明了“單向流”或“層流”通風理念。這是集體智慧的結(jié)晶，但首功則非威利斯·懷特菲爾德莫屬。圖4.2是他在其原創(chuàng)的潔凈室中的照片。
這是一間小房間，10英尺長，6英尺寬，7英尺高（3米×1.8米×2.1米）。其送風不是經(jīng)吊頂?shù)纳⒘髌魉统龊笠噪S機流的形式在室內(nèi)運動，它是經(jīng)由一系列高效過濾器送出。這就能確保空氣從過濾器送出后以單向流流經(jīng)室內(nèi)并從地板格柵排出。圖4.3顯示的是原單向流潔凈室的剖面圖。從圖中可以看出，室內(nèi)工作臺前的工作人員不污染放置在其前面的物品，因為人員所產(chǎn)生的污染被吹開了。
圖 4.3 原單向流潔凈室剖面圖
1962年4月13日，《時代》周刊發(fā)表了一篇文章公布了圣地亞實驗室的發(fā)明，該篇文章引起了廣泛的注意。其文如下：
位于阿爾伯克基——設(shè)計、總裝原子武器的地方——圣地亞公司的科學家們對潔凈室情有獨鐘，但他們也是身不由己。武器部件產(chǎn)生得越來越小，一顆粒子造成的問題就越來越大。在整個圣地亞，維克薩斯出生在威利斯·懷特菲爾德——懷特菲爾德超凈室的發(fā)明人——是最苛刻的管家。他略微拉長了嗓音說道：“我在想那些塵埃粒子——這些不法之徒來自何方？所去何處？”物理學家懷特菲爾德在找到了自己問題的答案后認定，傳統(tǒng)潔凈室有原則錯誤。
一般的潔凈室系統(tǒng)——越來越多的工業(yè)生產(chǎn)仰仗于它——是止住塵埃粒子使之不被釋放出來。潔凈室內(nèi)禁止吸煙，禁止使用一般鉛筆——因鉛筆會釋放鉛粒子。潔凈室的工作人員被“包裝”在特殊的靴子、帽子、連體服之中，進入潔凈室前還要經(jīng)受真空清潔。房間本身則不停地用真空吸塵器清潔。盡管采取了所有這些預防性措施，空氣中每立方英尺大于等于0.3微米（0.000012）的塵埃粒子至少還有1百萬個。雖然對比著普通空氣而言，這已是長足的進步，但懷特菲爾德相信他還可以更上一層樓。他把制止粒子產(chǎn)生這一想法拋在腦后，而是在粒子一出現(xiàn)就予以清除。
懷特菲爾德的超凈室看上去象是一輛小的沒有輪子的金屬拖車屋。地板是金屬格柵，以不銹鋼鋪面。工作臺面對的是4英尺乘10英尺的“絕對過濾器”組——可過濾除低速空氣中所有大于0.3微米的粒子。大多數(shù)潔凈室使用過濾器僅僅是為了使送風潔凈，而懷特菲爾德的過人之處在于用過濾器制造潔凈空氣，使該房間保持潔凈。潔凈空氣以7英里/小時的風速（很輕的微風）流過工作臺、穿過臺前工作人員。工人穿著普通服裝，還允許吸煙。頭皮屑、抽煙的煙氣、鉛筆產(chǎn)生的塵埃以及其他粒子，都由潔凈空氣帶走，吹進格柵地板，并排出室外。每隔6秒鐘，房間的超凈空氣就換氣1次。粒子因此無法在室內(nèi)循環(huán)。結(jié)果，物理學家懷特菲爾德的潔凈室比其競爭對手最潔凈的房間還潔凈至少1000倍。因為各工業(yè)部門急需高質(zhì)量的潔凈室，因此，各式各樣的工業(yè)生產(chǎn)中立即采用了懷特菲爾德潔凈室通風中的單向流原理。
