導入
クリーンルームは汚染制御の基盤です。クリーンルームがなければ、汚染に敏感な部品を量産することはできません。FED-STD-2では、クリーンルームとは、空気の濾過、分配、最適化、建設資材および設備を備え、特定の定期的な操作手順を用いて空気中の粒子濃度を制御し、適切な粒子清浄度レベルを達成する部屋と定義されています。
クリーンルームで良好な清浄効果を達成するには、合理的な空調浄化対策を講じることに重点を置くだけでなく、プロセス、施工などの専門分野にも対応する対策を講じる必要があります。つまり、合理的な設計だけでなく、仕様に従った慎重な施工と設置、クリーンルームの正しい使用と科学的な維持管理が必要です。クリーンルームで良好な効果を達成するために、国内外の多くの文献がさまざまな観点から解説されています。実際には、異なる専門分野間の理想的な調整を実現することは難しく、設計者が施工と設置、特に使用と管理の品質を把握することは困難です。クリーンルームの浄化対策に関しては、多くの設計者、さらには施工側でさえ、必要な条件に十分な注意を払っていないことが多く、その結果、満足のいく清浄効果が得られません。この記事では、クリーンルームの浄化対策で清浄度要件を達成するために必要な4つの条件について簡単に説明します。
1. 空気供給の清浄度
空気供給の清浄度が要件を満たすようにするためには、浄化システムの最終フィルターの性能と設置が重要です。
フィルター選択
浄化システムの最終フィルターには、一般的にHEPAフィルターまたはサブHEPAフィルターが採用されています。我が国の基準によると、HEPAフィルターの効率は4つの等級に分けられています。A級は99.9%以上、B級は99.9%以上、C級は99.999%以上、D級（粒子サイズが0.1μm以上の場合）は99.999%以上（超HEPAフィルターとも呼ばれます）、サブHEPAフィルター（粒子サイズが0.5μm以上の場合）は95～99.9%です。効率が高いほど、フィルターの価格は高くなります。したがって、フィルターを選択する際には、給気清浄度要件を満たすだけでなく、経済合理性も考慮する必要があります。
清浄度要件の観点から見ると、低レベルクリーンルームには低性能フィルターを使用し、高レベルクリーンルームには高性能フィルターを使用するのが原則です。一般的に、100万レベルには高性能および中効率フィルター、10,000クラス未満のレベルにはサブHEPAまたはクラスA HEPAフィルター、10,000～100にはクラスBフィルター、100～1にはクラスCフィルターを使用できます。各清浄度レベルには、2種類のフィルターから選択できるようです。高性能フィルターと低性能フィルターのどちらを選択するかは、具体的な状況によって異なります。環境汚染が深刻な場合、室内排気比率が大きい場合、またはクリーンルームが特に重要で大きな安全係数が必要な場合、これらの場合またはこれらのいずれかの場合は、高性能フィルターを選択する必要があります。それ以外の場合は、低性能フィルターを選択できます。0.1μm粒子の制御が必要なクリーンルームでは、制御粒子濃度に関わらず、クラスDフィルターを選択する必要があります。上記はフィルターの観点からのみ述べたものです。実際には、適切なフィルターを選択するには、クリーンルーム、フィルター、浄化システムの特性も十分に考慮する必要があります。
フィルターの取り付け
給気の清浄度を確保するには、適格なフィルターを使用するだけでは不十分で、次の点も確認する必要があります。 a. 輸送中および設置中にフィルターが破損しないこと。 b. 設置が密閉されていること。 最初の点を達成するには、建設および設置担当者が十分な訓練を受け、浄化システムの設置に関する知識と熟練した設置スキルを備えている必要があります。そうでなければ、フィルターが破損していないことを保証することは困難です。 この点については深い教訓があります。 2番目に、設置の密閉性の問題は、主に設置構造の品質に依存します。 設計マニュアルでは通常、次のことが推奨されています。 1つのフィルターの場合は、漏れが発生しても部屋に漏れないように、オープンタイプの設置を使用します。 完成したHEPA空気出口を使用すると、密閉性も確保しやすくなります。 複数のフィルターの空気の場合、近年、ゲルシールと負圧シールがよく使用されます。
ゲルシールは、液槽接合部の気密性を確保し、フレーム全体が同一水平面上にあることを保証する必要があります。負圧シールとは、フィルターと静圧ボックスの接合部外周とフレームを負圧状態にすることです。開放型設置と同様に、万が一漏れが生じても室内に漏れることはありません。実際、設置フレームが平坦で、フィルター端面が設置フレームに均一に接触していれば、どのような設置タイプでもフィルターの設置気密性要件を満たすことは容易です。
2. エアフローの組織
クリーンルームの気流構成は、一般的な空調設備とは異なります。クリーンルームでは、まず作業エリアに最も清浄な空気を送り込む必要があります。その役割は、処理対象物への汚染を抑制・低減することです。そのために、気流構成を設計する際には、以下の原則を考慮する必要があります。作業エリア外からの汚染物質が作業エリア内に持ち込まれないよう、渦流を最小限に抑えます。二次的な粉塵飛散を防ぎ、粉塵がワークピースを汚染する可能性を低減します。作業エリア内の気流は可能な限り均一にし、風速はプロセスおよび衛生要件を満たす必要があります。気流が還気口に流れ込む際に、空気中の粉塵を効果的に除去する必要があります。清浄度要件に応じて、異なる送風および還気モードを選択してください。
さまざまなエアフロー組織には、それぞれ独自の特性と範囲があります。
（１）垂直方向の一方向流
4つの給気方法は、均一な下降気流が得られ、プロセス設備の配置が容易で、自己浄化能力が強く、個人浄化施設などの共用設備が簡素化されるという共通の利点に加えて、それぞれ長所と短所があります。全カバーHEPAフィルターは、抵抗が低く、フィルターの交換サイクルが長いという利点がありますが、天井構造が複雑で、コストが高くなります。側面カバーHEPAフィルター上部吐出と全孔プレート上部吐出の長所と短所は、全カバーHEPAフィルター上部吐出の長所と短所とは逆です。その中で、全孔プレート上部吐出は、システムが非連続運転しているときにオリフィスプレートの内面にほこりが蓄積しやすく、メンテナンスが不十分だと清浄度に影響します。高密度ディフューザー上部吐出は混合層を必要とするため、高さ4m以上のクリーンルームにのみ適しており、その特徴は全孔プレート上部吐出と似ています。両側にグリルがあり、反対側の壁の下部に還気口が均等に配置されているプレートの還気方法は、両側の正味間隔が 6 m 未満のクリーン ルームにのみ適しています。片側壁の下部に還気口が配置されている場合は、壁間の距離が小さい (たとえば、≤<2 ~ 3 m) クリーン ルームにのみ適しています。
（2）水平方向の一方向流
清浄度レベル100を達成できるのは最初の作業エリアのみです。空気が反対側に流れると、粉塵濃度は徐々に増加します。そのため、同じプロセスで同じ室内で異なる清浄度要件を持つクリーンルームにのみ適しています。給気壁にHEPAフィルターを局所的に配置することで、HEPAフィルターの使用量を減らし、初期投資を節約できますが、局所的に渦が発生します。
（３）乱気流
オリフィスプレートの上部送出と高密度ディフューザーの上部送出の特徴は、上述と同じです。サイド送出の利点は、パイプラインの配置が簡単で、技術的な中間層が不要で、コストが低く、古い工場の改修に有利です。欠点は、作業エリアの風速が大きく、風下側の粉塵濃度が風上側よりも高いことです。HEPAフィルター吹出口の上部送出は、システムが簡単で、HEPAフィルターの後ろにパイプラインがなく、クリーンな空気の流れが作業エリアに直接送られるという利点がありますが、クリーンな空気の流れがゆっくりと拡散し、作業エリアの空気の流れがより均一になります。ただし、複数の空気吹出口を均等に配置するか、ディフューザー付きのHEPAフィルター吹出口を使用すると、作業エリアの空気の流れもより均一になります。ただし、システムが連続的に動作していない場合は、ディフューザーに粉塵が蓄積しやすくなります。
上述の議論はすべて理想的な状態であり、関連する国家規格、標準、または設計マニュアルで推奨されています。実際のプロジェクトでは、客観的な条件または設計者の主観的な理由により、気流構成が適切に設計されていません。一般的な例としては、垂直一方向フローでは隣接する2つの壁の下部からの戻り空気を採用、ローカルクラス100では上部デリバリーと上部リターンを採用（つまり、ローカルエアアウトレットの下に吊りカーテンを追加しない）、乱流クリーンルームではHEPAフィルターエアアウトレットの上部デリバリーと上部リターンまたは片側下部リターン（壁間の間隔が大きい）などを採用しています。これらの気流構成方法は測定されており、そのほとんどは清浄度が設計要件を満たしていません。現在の空または静的受け入れ仕様により、これらのクリーンルームの一部は、空または静的状態で設計された清浄度レベルにかろうじて到達しますが、汚染干渉防止能力が非常に低く、クリーンルームが稼働状態に入ると要件を満たしません。
適切な気流構成は、作業エリアの高さまでカーテンを垂らした状態で設置し、局所的に設置する必要があります。10万クラスでは、上方送風や上方還風は採用しないでください。また、現在多くの工場では、高効率の吹出口にディフューザーが取り付けられていますが、これらのディフューザーは装飾的なオリフィス板に過ぎず、気流を拡散させる役割を果たしていません。設計者とユーザーは、この点に特に注意する必要があります。
3. 空気供給量または空気速度
十分な換気量は、室内の汚染空気を希釈・除去するために必要です。清浄度要求に応じて、クリーンルームの正味高さが高い場合は、換気頻度を適切に高める必要があります。そのうち、100万クラスクリーンルームの換気量は高効率浄化システムに基づいて考慮され、残りは高効率浄化システムに基づいて考慮されます。10万クラスクリーンルームのHEPAフィルターを機械室に集中させるか、システムの末端にサブHEPAフィルターを使用する場合は、換気頻度を10～20%適切に高めることができます。
上記の換気量の推奨値について、筆者は、一方向流クリーンルームの室内部を通過する風速は低く、乱流クリーンルームは十分な安全率を持つ推奨値であると考えています。垂直一方向流≥0.25m/s、水平一方向流≥0.35m/s。空または静止状態でテストした場合は清浄度要件を満たすことができますが、抗汚染能力は低いです。部屋が動作状態に入ると、清浄度が要件を満たさない可能性があります。このような例は孤立したケースではありません。同時に、私の国の換気装置シリーズには、浄化システムに適したファンがありません。一般的に、設計者はシステムの空気抵抗を正確に計算しないか、選択したファンが特性曲線上のより好ましい動作点にあるかどうかに気付かないことが多く、システムの稼働後すぐに風量または風速が設計値に達しなくなります。米国連邦規格（FS209A～B）では、クリーンルームの断面を通過する一方向気流速度は通常90フィート/分（0.45m/秒）に維持され、部屋全体に干渉がない状態では速度不均一性は±20%以内であることが規定されています。気流速度が大幅に低下すると、セルフクリーニング時間が増加し、作業位置間の汚染が発生する可能性が高まります（1987年10月にFS209Cが公布された後、粉塵濃度以外のパラメータ指標については規制が制定されていません）。
このため、筆者は、国内の現行の一方向流速の設計値を適切に引き上げることが適切だと考えている。当社では実際のプロジェクトでこれを行っており、効果は比較的良好である。乱流クリーンルームには比較的十分な安全率を持つ推奨値があるが、多くの設計者はまだ安心していない。具体的な設計を行う際には、クラス10万クリーンルームの換気量を20～25回/時、クラス1万クリーンルームを30～40回/時、クラス1000クリーンルームを60～70回/時に増やしている。これは設備容量と初期投資を増やすだけでなく、将来の保守管理コストも増加させる。実際には、そうする必要はありません。我が国の空気清浄技術対策をまとめる際に、中国国内のクラス100以上のクリーンルームを調査・測定し、多くのクリーンルームを動的条件下でテストした。結果から、クラス100,000クリーンルームの換気量は10回/時以上、クラス10,000クリーンルームの換気量は20回/時以上、クラス1000クリーンルームの換気量は50回/時以上で要件を満たすことが示されました。米国連邦規格（FS2O9A～B）では、非一方向クリーンルーム（クラス100,000、クラス10,000）において、部屋の高さが8～12フィート（2.44～3.66m）の場合、通常、部屋全体を少なくとも3分に1回（つまり20回/時）換気することと規定されています。そのため、設計仕様では大きな余裕係数が考慮されており、設計者は推奨換気量値に基づいて安全に換気量を選択できます。
4. 静圧差
クリーンルーム内の一定の正圧を維持することは、クリーンルームが汚染されていないか、あるいは汚染が最小限に抑えられ、設計された清浄度レベルを維持するための必須条件の一つです。負圧クリーンルームであっても、一定の正圧を維持するためには、隣接する部屋またはスイートの清浄度レベルが負圧クリーンルームの清浄度レベル以上である必要があります。
クリーンルームの正圧値とは、すべてのドアと窓を閉めた状態で、室内の静圧が室外の静圧よりも大きい値を指します。これは、浄化システムの給気量を還気量と排気量よりも大きくすることで実現します。クリーンルームの正圧値を確保するために、給気ファン、還気ファン、排気ファンを連動させることが好ましい。システムの電源を入れると、まず給気ファンが起動し、次に還気ファンと排気ファンが起動します。システムの電源を切ると、まず排気ファンが停止し、次に還気ファンと給気ファンが停止します。これにより、システムのオン/オフ時にクリーンルームが汚染されることを防ぎます。
クリーンルームの正圧を維持するために必要な空気量は、主に保守構造の気密性によって決まります。我が国のクリーンルーム建設の初期には、筐体構造の気密性が悪かったため、5Pa以上の正圧を維持するために2～6回/時の空気供給が必要でした。現在では、保守構造の気密性が大幅に向上し、同じ正圧を維持するために1～2回/時の空気供給で済みます。また、10Pa以上を維持するには2～3回/時の空気供給で済みます。
我が国の設計仕様[6]では、異なるグレードのクリーンルーム間およびクリーンエリアと非クリーンエリア間の静圧差は0.5mmH2O（約5Pa）以上、クリーンエリアと屋外間の静圧差は1.0mmH2O（約10Pa）以上と規定されている。筆者は以下の3つの理由から、この値は低すぎると考えている。
（1）正圧とは、クリーンルームがドアや窓の隙間から侵入する空気汚染を抑制する能力、あるいはドアや窓を短時間開けた際に室内に侵入する汚染物質を最小限に抑える能力を指します。正圧の大きさは、汚染抑制能力の強さを示します。もちろん、正圧が大きいほど良いというわけではありません（後述）。
（2）正圧に必要な空気量には限界があります。5Paの正圧と10Paの正圧に必要な空気量は、1時間あたり約1回分しか変わりません。なぜそうしないのでしょうか？明らかに、正圧の下限を10Paとするのが良いでしょう。
（3）米国連邦規格（FS209A～B）では、すべての出入口が閉じられた状態で、クリーンルームと隣接する低清浄度エリアとの間の最小正圧差は0.05水柱インチ（12.5Pa）と規定されています。この値は多くの国で採用されています。しかし、クリーンルームの正圧値は高ければ高いほど良いというものではありません。当社ユニットの30年以上にわたる実際のエンジニアリングテストによると、正圧値が30Pa以上の場合、ドアを開けるのが困難になります。不用意にドアを閉めると、大きな音が鳴り、人々を怖がらせます。正圧値が50～70Pa以上の場合、ドアと窓の隙間からヒューという音が鳴り、虚弱者や不適切な症状のある人は不快感を覚えます。しかし、国内外の多くの国の関連仕様や規格では、正圧の上限値は規定されていません。その結果、多くのユニットは上限値がいくらであっても、下限値の要件を満たすことのみを追求しています。筆者が実際に経験したクリーンルームでは、正圧値は100Pa以上にもなり、非常に悪影響を及ぼしました。しかし、実際には正圧調整はそれほど難しいことではなく、一定の範囲内であれば制御可能です。東欧のある国では、正圧値を1～3mmH2O（約10～30Pa）と規定していると紹介された資料がありました。筆者としては、この範囲の方が適切だと考えています。
投稿日時: 2025年2月13日