通風柜發展史

文章目錄

• 引言
• 二十世紀初-通風柜的起源
• 第二次世界大戰促進通風柜發展
• 通風柜應用和理論形成
• 通風柜發展進入新階段
• 通風柜的未來
• 引用

 

傳統通風柜發展已經進入了成熟期。幾十年來，通風柜理論和設計理念并未有太大的變化。本文將通過整理通風柜和實驗室通風安全的發展歷史，來暢想通風柜未來的發展方向。

 

本文撰寫過程中，得到行業內人多人的幫助，其中包括Erlab提供企業發展歷史，Chip Albright關于通風柜的未來的一些討論等，在此一并感謝。

 

“通風柜的未來”這個章節，濃縮了很多新穎的觀點，篇幅小，但值得細細思索。在未來一段時間，我將放大篇幅，寫關于通風柜可能的發展方向，并將討論更多可能用于下一代通風柜的新技術。歡迎行業內更多專家參與討論。

 

 

 
引言

通風柜是幾乎所有實驗室中必不可少的設備，從教學實驗室到研究實驗室再到工業實驗室。通風柜通過安全地從緊鄰的工作環境中清除這些物質，避免人員接觸有害或有毒煙霧，蒸氣或灰塵的可能性。通風柜還用于保護樣品免受外部環境的影響。

 

通風柜可以是有管道的，也可以是再循環的。兩種類型的工作方式都是允許從通風柜的正面（開放）側吸入空氣，然后將其排出建筑物外或通過過濾使其安全并再循環回房間。

 

自化學研究初期以來，實驗室中就需要通風。使用局部煙囪排出有害氣體是解決此問題的明顯方法。通風柜已經在實驗室中使用了幾代。實際上，一些歷史學家將個通風柜歸功于托馬斯·杰斐遜（Thomas Jefferson）或后來的托馬斯·愛迪生（Thomas Edison），據說這兩個人都使用了壁爐的自然通風和煙道來排出實驗中不需要的蒸氣【1】。但是，約瑟夫·普里斯特利（Joseph Priestly）于1790年創建了個實驗室化學排氣罩。隨著電力和電氣工程的引入，臺鼓風機電動機的發明為今天的通風柜鋪平了道路。1923年，英國利茲大學安裝了臺管道通風柜。
 

▲托馬斯·杰斐遜Thomas Jefferson）

 

 

▲托馬斯·愛迪生（Thomas Edison）

 
二十世紀初——通風柜的起源

托馬斯·愛迪生（Thomas Edison）大約在1900年工作，是最早關注實驗室通風的科學家之一。愛迪生在他的實驗室中使用壁爐煙囪將實驗中產生的有毒煙霧和氣味排放到加熱的橡膠混合物中，利用煙囪的自然氣流排出氣體【2】。

▲托馬斯·愛迪生（Thomas Edison）實驗室通風柜

 

1904年newbuilt 化工學院在格但斯克工業大學配備在觀眾席由木頭和玻璃的通風柜，幾個教室，學生實驗室和房間的科學家。上下玻璃面板可滑動，可防止煙霧和爆炸。每個通風柜都被照亮，并配有用于加熱的燃氣裝置和帶排水口的自來水。反應的有害和腐蝕性氣態副產物可通過壁爐煙囪的自然通風主動除去。超過110年的時間，這個早期的設計仍然可以使用【3】。

 

1923年，利茲大學使用了最早的現代意義上的通風柜之一。這個裝置由一個站立在工作高度的大櫥柜組成，并裝有垂直的拉門，類似于平行的窗戶【4】。

 

1936年，Labconco作為通風柜的先驅制造商之一，開發出了款用于商業銷售的通風柜。該裝置采用了現在熟悉的拉門式設計，允許單個操作員將手放在“柜子”中安全地工作。

 

 
第二次世界大戰促進通風柜的發展

由于擔心暴露于劇毒化學物質和放射性物質，因此在第二次世界大戰期間，通風柜技術取得了相當大的進步。 在這種災難性的背景下，安全，通風和通風柜的設計取得了重大進展。

 

同樣在戰爭年代，該機構開發了高效微粒空氣（HEPA）過濾器，后來該機構成為了原子能委員會。HEPA過濾器的開發對通風柜和生物安全柜的有效性產生了巨大影響，大大提高了對用戶的保護。

 

1943年，小約翰·韋伯（John Weber，Jr.）在愛荷華州艾姆斯的艾姆斯實驗室工作，提出了恒定面速，可變排氣流量通風柜控制的概念。此設計應用于由專用通風柜排氣扇提供服務的垂直上升式拉門通風柜。該概念最終成為當時原子實驗室中許多通風柜所采用的標準功能，尤其是在通風柜內的通風控制上起到至關重要的作用。

 

大約在同一時間，韋伯還認識到，當開發出作為其系統一部分的緊急快速關閉功能時，通風柜中的密閉性是通過最小的拉門開啟來實現的。 用作Weber系統一部分的排氣扇保持開啟。

 

 
通風柜應用和理論持續發展

1951年，H.W．Johnson Service Co.（現為Johnson Controls，Inc.）首席現場工程師Alyea意識到，盡可能保持通風柜的門關閉，并且在不使用通風柜的情況下，可以節省大量的空氣。供應按比例減少了冷卻需求，提高了過濾器壽命，并節省了大量能源。

 

1961年，Labconco推出了一體成型的玻璃纖維線式通風柜，即Fiberglass47。由于其耐用性，清潔性，高光反射率，耐火性和耐化學性，因此被選擇用作通風柜的內襯。從那時起，一件式玻璃纖維襯里就成為Labcono通用化學通風柜的標志性特征。

 

▲Labconco的Fiberglass 28通風柜于1965年推出

 

1968年，弗朗索瓦·皮埃爾·豪維爾（Francois-Pierre Hauville）創立了Erlab公司，并于同年開始銷售臺Captair無管通風柜。如今，Erlab繼續開發和銷售Captair系列通風柜。

 

▲Erlab Captair 系列通風柜

 

1970年代開始嘗試開發了補風型的通風柜，該補風型通風柜通過將外部空氣引入通風柜來節省能源，從而減少了實驗室回火空氣的損失。這種類型的通風柜需要使用兩個風道和鼓風機系統。一個有名的項目是1995年，勞倫斯·伯克利國家實驗室（Lawrence Berkeley National Laboratory）申請并進行的，稱為伯克利通風柜（The Berkeley Hood），該項目于2002年結束，在商業上并未獲得成功【5】。

 

1970年代，Labconco開發了玻璃纖維步入式通風櫥，為研究人員提供了更大的操作空間，并允許在安全的環境中使用更大的設備進行工作。步入式通風柜是當今許多實驗室的常見功能。

 
通風柜發展進入新階段

1985年，美國ASHRAE推出世界個通風柜性能測試標準ASHRAE 110-1985。通風柜發展逐漸進入規范化的發展時期。

 

1990年，英國發布了通風柜英國標準BS 7258。它逐步演變為EN 14175，并被大部分歐洲和世界其他地區接受。

 

1990年代期間取得的一個重要里程碑是拉門限制裝置的開發，該裝置旨在限制拉門可以打開的尺寸而不會妨礙進出，并減少通風柜的能耗。

 

1991年，OSHA（職業安全與健康管理局）對實驗室具有管轄權。

 

1992年，美國引入了ANSI / AIHA Z9.5作為實驗室通風的國家標準。

 

▲ANSI / AIHA Z9.5 版本為2012版

 

1995年推出了大大改進的ASHRAE 110-1995。

 

以1995年為分界線，美國完成了現代工業通風（包括實驗室通風）安全管理體系的建立。

 

▲ASHRAE 110-1995

 

1996年，引入了AFNOR AF X 15 211：1995標準，從而可以根據嚴格的標準評估無管通風柜的性能。該標準今天用作所有通風柜的參考標準。

 

1997年，Lab Crafters推出了其專利的高性能Air Sentry通風柜，這是款投放市場的高性能通風柜。例如，該通風柜提供了一種高效且安靜的操作，旨在 “現實世界”條件下進行交叉通風以及溫度和壓力波動的情況下運行。目前，全國各地安裝了1200多個Air Sentry通風柜。

 

1998年，Erlab擴展了Captair產品范圍，以滿足現代實驗室的需求。新的儀器包括CaptairStore（一個通風的過濾儲物柜），CaptairBio（一個PCR工作站）和CaptairFlow（包含HEPA過濾的機柜）。

 

1999年美國推出UL 1805通風柜標準，它除了通風柜流體性能外，還涉及到實驗室無管通風柜火災，電氣等其他危險。要在美國銷售通風柜，通風柜必須經過UL1805認證。

▲UL 1805

 

 

2000年，SEFA徹底改寫并擴大了SEFA 1-化學通風柜。

 

▲SEFA 1-2010 通風柜

 

 

在2000年代發生的一個重要里程碑是開發了以50-60 fpm運行的低流量通風柜。這些儀器可節省大量成本和能源，同時仍可提供早期型號的性能。典型的代表是Labconco 的X-Stream系列產品。

 

2006年，臺灣科技大學申請了氣簾式排氣柜專利，一款完全不同于傳統型式的化學排風柜。2012年，又申請了斜氣簾式排風柜。

 

2008年，Erlab在Pittcon首次展示了他們的耐多碳技術綠飛蝶通風柜技術。耐多碳技術綠飛蝶通風柜技術標志著新一代通風柜的設計，其主要目的是安全，節能，經濟高效且環保。

 

同樣在2009年，AirClean Systems開始銷售獨立式無管通風柜。該設備集成了Silconazne過濾系統，該系統在氣相過濾，過濾監測，氣流控制和監測以及用戶友好的操作員交互方面提供了先進的技術。

 

▲Air Clean Systems獨立式無管通風櫥

 

2010年，Air Science公司推出了一系列新的增強型過濾技術（EFT）碳過濾器，用于該公司的無管通風柜系列。增強過濾技術是一種通用過濾系統，開發用于多種核心化學品，包括有機酸，醇，脂族烴，芳族烴，酯，醛，酮，醚，鹵素和無機酸。

 

同年，Air Science還推出了Purair ECO節能型無管通風柜系列，其設計基于EFT過濾器，可在廣泛的實驗室和工業應用中進行化學和顆粒保護，旨在保護化學和顆粒。Purair ECO的開發是為了響應全球對安全，具有成本效益和高能效的無管通風柜不斷增長的需求，該安全柜可程度地降低設施HVAC系統的壓力，同時又不損害對人員和環境的保護。

 

▲Purair ECO節能無管通風櫥

 

ASHRAE 110更新到2016版，在數據收集和測試流程上做了更新。此版本的更新是減少了SF6的使用總量。

 

2016年，倚世科技（E3）在中國推出了補風型通風柜和妙流變風量閥門，聲稱解決了美國幾十年來沒有解決的氣流控制的問題【6】，并再次引起關于補風型通風柜是否合理的討論。創新給市場帶來更多活力和思考。更廣泛的包容和討論也是這個行業發展所需要的。無創新不進步，時間和市場最終會給出答案。

  

▲倚世科技伯努利排風柜

 

2019年，EN 14175-3推出了2019版。在數據收集和計算方式上做了修改，評價標準更科學合理。

▲EN 14175-3:2019版

通風柜的未來

實驗室通風柜和實驗室通風技術的未來將朝許多方向發展。未來發展的重點將放在解決傳統通風柜和VAV系統目前存在的許多問題上。一個至關重要的點是，在提高安全性的同時，通過更具可持續性的概念來尋求更綠色節能的解決方案。重點將從通風柜轉向污染物控制設備（Exposure Control Devices）。根據不同風險等級的不同要求，實驗室通風將變得更加危險。實驗室空氣稀釋概念將再次成為焦點，同步供應（synchronized supply）等系統將變得更加普遍。更好的通風柜設計將有助于減少污染物溢出，從而減少（每小時換氣次數）ACH。下一代智能通風柜可能被統稱為化學污染物控制設備（Chemical Containment Device）。物聯網，智能化更加成熟，加上更加創新的污染物控制技術，這些設備將變得更加智能，不再受到房間通風系統的影響，作為實驗室通風系統的奴隸。實驗室將變得更加智能，通風柜將與實驗室中的所有通風設備進行通訊。通過減少實驗室空氣中的化學污染物數量，可以減少換氣次數，從而節省能源。節能不在于通風柜使用多少空氣，而是實驗室要保持可接受的空氣質量需要多少ACH。為了提高安全性和減少能耗，將對實驗室通風進行更全面的了解。

 

引用

【1】"Fumehood". Archived from WIKAPEDIA.

(https://en.wikipedia.org/wiki/Fume_hood)

【2】 Gillian Mohney (2015-10-18). "Thomas Jefferson's Hidden Chemistry Lab Discovered". ABC News.

 

(http://abcnews.go.com/Health/thomas-jeffersons-hidden-chemistry-lab-found-univ-virginia/story?id=34521301)

【3】 Marzena Klimowicz-Sikorska (2010-09-30). "Wehikuł czasu na Politechnice Gdańskiej / Time machine at the Gdańsk University of Technology" (in Polish). Trojmiasto.pl.

(https://www.trojmiasto.pl/wiadomosci/Wehikul-czasu-na-Politechnice-Gdanskiej-n42148.html)

【4】 John Buie (2011-12-09). "Evolution of fume hoods". Lab Manager.

(https://ateam.lbl.gov/hightech/fumehood/About.html)

【5】Applications Team Berkeley Hood Project

(https://ateam.lbl.gov/hightech/fumehood/About.html)

【6】倚世科技伯努利排風柜引領“極致安全+極致節能”技術路線

（https://www.prnasia.com/story/206455-1.shtml）