クリーンルームのコア分析

導入

クリーンルームは、汚染対策の基本です。クリーンルームがなければ、汚染に敏感な部品を大量生産することはできません。FED-STD-2では、クリーンルームは、空気ろ過、分配、最適化、構造材料および設備を備え、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得るためには、適切な空調浄化対策を講じることに注力するだけでなく、工程、施工、その他の専門分野にも相応の対策を講じるよう求める必要があります。すなわち、合理的な設計だけでなく、仕様書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、そして科学的な維持管理が求められます。クリーンルームで良好な効果を得るためには、国内外の多くの文献が様々な視点から解説してきました。実際には、異なる専門分野間の理想的な連携を実現することは難しく、設計者が施工と設置の品質、そして使用と管理、特に後者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、あるいは施工業者でさえ、必要な条件に十分な注意を払っていないことが多く、結果として不十分な清浄効果につながっています。本稿では、クリーンルームの浄化対策において清浄度要件を満たすための4つの必要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求事項を満たすことを保証するためには、浄化システムの最終フィルターの性能と設置が鍵となる。

フィルター選択

空気清浄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ます。我が国の規格では、HEPAフィルターの効率は4つの等級に分けられています。クラスAは99.9%以上、クラスBは99.9%以上、クラスCは99.999%以上、クラスDは（0.1μm以上の粒子に対して）99.999%以上（ウルトラHEPAフィルターとも呼ばれます）、サブHEPAフィルターは（0.5μm以上の粒子に対して）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、フィルターを選ぶ際には、空気供給の清浄度要件を満たすだけでなく、経済的な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言えば、原則として、低レベルのクリーンルームには低性能フィルターを、高レベルのクリーンルームには高性能フィルターを使用します。一般的に言えば、100万レベルでは高効率および中効率フィルターが使用でき、1万以下のレベルではサブHEPAまたはクラスA HEPAフィルターが使用でき、1万から100までのレベルではクラスBフィルターが使用でき、100から1までのレベルではクラスCフィルターが使用できます。各清浄度レベルに対して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ります。環境汚染が深刻な場合、室内排気比が大きい場合、またはクリーンルームが特に重要でより大きな安全係数が必要な場合、これらのケースまたはこれらのケースのいずれかに該当する場合は、高性能フィルターを選択する必要があります。そうでない場合は、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、制御対象の粒子濃度に関係なく、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、優れたフィルターを選択するには、クリーンルーム、フィルター、および浄化システムの特性を十分に考慮する必要があります。

フィルターの取り付け

空気供給の清浄度を確保するには、フィルターの品質が基準を満たしているだけでなく、次の点も確保する必要があります。a. フィルターが輸送中および設置中に損傷しないこと。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、浄化システムの設置に関する知識と熟練した設置技術の両方を備えた十分な訓練を受けている必要があります。そうでなければ、フィルターが損傷しないことを保証することは困難です。この点に関して、深い教訓があります。次に、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一般的に、単一フィルターの場合は、開放型の設置を使用することを推奨しています。これにより、漏れが発生しても室内に漏れることはありません。完成品のHEPAエアアウトレットを使用すると、密閉性も容易に確保できます。複数のフィルターの空気については、近年ではゲルシールと負圧シールがよく使用されています。

ゲルシールは、液体タンクの接合部が密閉され、フレーム全体が同じ水平面上にあることを保証する必要があります。負圧シールは、フィルターと静圧ボックスおよびフレーム間の接合部の外周を負圧状態にすることです。開放型設置と同様に、漏れがあっ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と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が設置時の気密性要件を満たすことは容易です。

2. 空気の流れの構成

クリーンルームの気流構成は、一般的な空調室とは異なります。クリーンルームでは、最も清浄な空気をまず作業エリアに供給する必要があります。その目的は、加工対象物への汚染を制限・低減することです。そのため、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。渦流を最小限に抑え、作業エリア外からの汚染物質の持ち込みを防ぐ。二次的な粉塵の飛散を防ぎ、粉塵が加工対象物を汚染する可能性を低減する。作業エリア内の気流はできる限り均一にし、風速は工程および衛生要件を満たす。気流が還気口に流れ込む際には、空気中の粉塵を効果的に除去する。清浄度要件に応じて、異なる送風および還気方式を選択する。

さまざまな気流管理組織には、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

均一な下向き気流が得られる、プロセス機器の配置が容易、自己浄化能力が高い、個人用浄化設備などの共通設備が簡素化されるといった共通の利点に加えて、4 つの空気供給方法にはそれぞれ長所と短所があります。全面カバー HEPA フィルターは、抵抗が低くフィルター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 フィルター上部供給と全孔プレート上部供給の長所と短所は、全面カバー HEPA フィルター上部供給とは逆です。その中で、全孔プレート上部供給は、システムが連続運転されていない場合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多少影響します。高密度拡散器上部供給は混合層が必要なため、4m 以上の高さのあるクリーンルームにのみ適しており、その特性は全孔プレート上部供給と似ています。両面にグリルを備えたプレートと、対向する壁の下部に均等に配置された還気口を用いた還気方式は、両側の有効間隔が6m未満のクリーンルームにのみ適しています。片側壁の下部に配置された還気口は、壁間の距離が小さい（例えば2～3m以下）クリーンルームにのみ適しています。

（２）水平一方向流

最初の作業エリアのみが清浄度レベル100に到達できます。空気が反対側に流れると、粉塵濃度が徐々に増加します。したがって、同じ部屋で同じプロセスを実行する場合でも、清浄度要件が異なる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）乱流

オリフィスプレートの上部供給と高密度ディフューザーの上部供給の特徴は、上記と同様です。側面供給の利点は、配管の配置が容易で、技術的な中間層が不要で、低コストで、古い工場の改修に適していることです。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くなることです。HEPAフィルター出口の上部供給の利点は、システムがシンプルで、HEPAフィルターの後ろに配管がなく、清浄な気流が作業エリアに直接供給されることですが、清浄な気流の拡散が遅く、作業エリアの気流がより均一になります。ただし、複数の空気出口を均等に配置したり、ディフューザー付きのHEPAフィルター空気出口を使用したりすると、作業エリアの気流をより均一にすることもできます。ただし、システムが連続運転されていない場合、ディフューザーに粉塵が蓄積しやすくなります。

上記の議論はすべて理想的な状態におけるものであり、関連する国家規格、基準、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、気流の構成が適切に設計されていない場合があります。一般的な例としては、垂直一方向流では隣接する2つの壁の下部から還気を採用し、局所クラス100では上部送風と上部還気を採用し（つまり、局所空気出口の下に吊り下げカーテンを追加せず）、乱流クリーンルームではHEPAフィルター付き空気出口の上部送風と上部還気、または片側下部還気（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、その清浄度のほとんどは設計要件を満たしていません。現在の空室または静止状態での受け入れに関する仕様のため、これらのクリーンルームの一部は空室または静止状態では設計清浄度レベルにぎりぎり達しますが、汚染干渉防止能力は非常に低く、クリーンルームが稼働状態に入ると要件を満たさなくなります。

適切な気流配置は、作業エリアの高さまでカーテンを垂らすなどして局所的に設定する必要があり、クラス100,000では上方送風・上方排気方式を採用すべきではありません。また、現在多くの工場で高効率の空気吹き出し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単なる装飾的な開口部であり、気流拡散の役割を果たしていません。設計者および使用者はこの点に特に注意する必要があります。

3. 送風量または風速

十分な換気量は、室内の汚染された空気を希釈して除去するために必要です。清浄度要件に応じて、クリーンルームの有効高さが高い場合は、換気頻度を適切に増やす必要があります。その中で、100万レベルの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、その他のクリーンルームも高効率浄化システムに基づいて考慮されます。10万クラスのクリーンルームのHEPAフィルターが機械室に集中している場合、またはサブHEPAフィルターがシステムの末端で使用されている場合は、換気頻度を10～20%適切に増やすことができます。

上記の換気量推奨値について、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には十分な安全係数を持つ推奨値が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。空の状態または静止状態でテストすると清浄度要件を満たすことができますが、防汚能力は劣ります。部屋が稼働状態に入ると、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、我が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のより有利な動作点にあるかどうかに注意を払わないことが多く、その結果、システムを稼働させた直後に風量または風速が設計値に達しないことになります。米国連邦規格（FS209A~B）では、一方向クリーンルームの断面を通過する気流速度は通常90フィート/分（0.45m/秒）に維持され、室内全体に干渉がない状態では速度の不均一性は±20%以内であると規定されている。気流速度が著しく低下すると、自己洗浄時間と作業位置間の汚染の可能性が高まる（1987年10月のFS209Cの公布後、粉塵濃度以外のすべてのパラメータ指標に関する規制は設けられていない）。

このため、筆者は、現在の国内設計値である一方向流速を適切に引き上げるのが適切であると考えています。当ユニットは実際のプロジェクトでこれを実施しており、効果は比較的良好です。乱流クリーンルームには、比較的十分な安全係数を持つ推奨値がありますが、多くの設計者はまだ安心していません。具体的な設計を行う際、クラス100,000クリーンルームの換気量を20～25回/時、クラス10,000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/時に増やしています。これは、設備容量と初期投資を増やすだけでなく、将来のメンテナンスと管理コストも増加させます。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、中国国内のクラス100以上のクリーンルームを調査および測定しました。多くのクリーンルームが動的条件下でテストされました。結果によると、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クリーンルームは20回/時以上、クラス1000クリーンルームは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）、部屋の高さ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）換気することを想定しています。したがって、設計仕様では大きな余裕係数を考慮しており、設計者は推奨換気量に従って安全に選択できます。

4. 静圧差

クリーンルーム内で一定の正圧を維持することは、クリーンルームの汚染を最小限に抑え、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の場合でも、一定の正圧を維持するためには、隣接する部屋やスイートの清浄度レベルが、そのクリーンルームのレベルを下回らないようにする必要があります。そうすることで、負圧クリーンルームの清浄度を維持できるのです。

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高い値を指します。これは、空気浄化システムの給気量が還気量および排気量よりも大きいことによって実現されます。クリーンルームの正圧値を確保するため、給気ファン、還気ファン、排気ファンは連動させることが望ましいです。システム起動時には、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。システム停止時には、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することで、システムの起動・停止時にクリーンルームが汚染されるのを防ぎます。

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、主にメンテナンス構造の気密性によって決まります。我が国でクリーンルームが建設された初期の頃は、囲い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毎時2～6回の空気供給が必要でした。現在では、メンテナンス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必要な空気供給回数は毎時1～2回で済み、10Pa以上の正圧を維持するために必要な空気供給回数は毎時2～3回で済みます。

我が国の設計仕様書[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0.5mm H2O（約5Pa）以上、クリーンエリアと屋外間の静圧差は1.0mm H2O（約10Pa）以上と規定されている。筆者は、この値は3つの理由から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室内の空気汚染物質を抑制したり、ドアや窓を短時間開けたときに室内に侵入する汚染物質を最小限に抑えたりする能力を指します。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です（これについては後述します）。

（２）正圧に必要な空気量は限られています。5Paの正圧と10Paの正圧に必要な空気量は、約1時間あたり1回しか違いません。なぜそうしないのでしょうか？明らかに、正圧の下限を10Paとする方が良いでしょう。

（３）米国連邦規格（FS209A~B）では、すべての出入口が閉じているとき、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水柱0.05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わけではありません。当社の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以上になるとドアを開けるのが難しくなります。不用意にドアを閉めると、大きな音がして人を驚かせます。正圧値が50～70Pa以上になると、ドアと窓の間の隙間から笛のような音がして、体の弱い人や何らかの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、正圧の上限が規定されていません。そのため、多くのユニットは上限がいくらであろうと、下限の要件を満たすことだけを目指しています。著者が実際に遭遇したクリーンルームでは、正圧の値が100Pa以上にも達し、非常に悪影響を及ぼしていました。しかし実際には、正圧の調整は難しいことではありません。一定の範囲内であれば十分に制御可能です。ある東欧のある国では、正圧の値を1～3mmH2O（約10～30Pa）と規定しているという資料がありました。著者はこの範囲がより適切だと考えています。