JP3851355B2 - 異質環境の二領域を分離するための装置 - Google Patents
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Description
本発明は、互いに異なる環境に支配された第１と第２の領域を分離するための装置に関するものである。
ここで、本願で使用している「環境」なる用語は、空気の状態、気体及び粒子濃度、特に汚染物質濃度、圧力及び温度条件、湿度などを意味する。
本発明は、農産物食品産業、医薬品産業、バイオ技術産業、電子産業、原子核産業、及び化学産業など、互いに連通する二領域の内部を異質環境に保ちながら一方の領域から他方の領域への製品などの対象物の随時移動を可能とする必要のある産業分野において特に有用な用途を提供するものである。
農産物食品や医薬品の産業分野、或いはまた病院環境においてはクリーン領域の防護策が一つの関心事となっており、この場合、クリーン領域内を外部よりも若干高い圧力にして、内部の空気を外部汚染物質から清浄に保ちながら同時に製品や対象物をクリーン領域と或る程度の環境汚染が存在する外部との間で汚染を持ち込むことなく出入り可能としている。
対照的に原子核産業分野では、汚染領域からの汚染の可能性に対して外部を保護しつつ同時に汚染領域と外部との間で製品や対象物を出入りさせることが関心事となっており、この場合は外部に対して閉鎖された領域が汚染領域である。
対象物の出入りなどを可能とするために互いに通じた二領域を分離するための方策としては、機械式エアーロックによる防護、換気による防護、そしてエアーカーテンを利用する防護の三方式が知られている。
機械式エアーロックを用いる防護方式は、相互に隔離すべき二領域の間に空気の給排制御が可能な中間領域を介在させるものであり、この中間領域と両側の二領域との間は開閉操作可能な気密ドアによって仕切られる。
このような機械式エアーロック方式の主な欠点は、中間領域の両側のドアを順番に開閉しなければならないので、エアーロックを介して一方の領域から他方の領域へ製品又は対象物を移動させるのが遅くならざるを得ないことである。
防護対象領域が周囲空気で汚染されやすい製品を収容している場合、換気による防護方式では防護対象領域に清浄空気を送り込み、その層流を防護対象領域にアクセス可能な開口を通して外側へ向けて吹き出させる。逆の場合、即ち汚染空間の外部の人員や環境を防護する必要がある場合は、係る汚染空間内で抜き取り式の換気を適用することで強力な封じ込みを実施する。いずれの場合においても防護領域への汚染の侵入を回避するためには、二領域間の連通開口における換気エアーの最低流速は実験式から０．５ｍ／ｓ程度である。
しかしながら、このような換気による防護技術の効果は、特に製品又は人員が一方の領域から他方の領域へ移動する状況で生じる所謂「破れ」現象のもとで完全ではなくなる。
また、この防護方式は、場合によっては清浄領域か汚染領域かに拘わらず防護対象の領域全体を処理及び監視する必要がある。
従って、防護対象領域が極めて大きい場合は、その処理及び監視の設備費用及びランニングコストは極めて高くなる。
更に、係る換気による防護方式を提供する技術は一方向の防護を与えるに過ぎず、換言すれば汚染の移動が正に一方向のみに生じ得る場合にしか対応できないのである。
エアーカーテンを用いる防護方式は、二領域を連絡する分離領域に清浄空気の一つ以上の隣接ジェット流を同一方向で同時に注入し、これらジェット流で防護対象領域と汚染領域との間に仮想的なドアを形成させる方式である。
フランス特許公開公報第２５３０１４３号及び第２６５２５２０号には、有害領域と清浄領域とを分離するのにエアーカーテンを利用するシステムが提案されている。双方ともエアーカーテンは同一方向の二つの隣接ジェット流で形成している。この場合、噴流コーンが開口全体を覆う比較的低速の第１の空気ジェット流によって動的な分離が行われ、これよりも相対的に高速の第２の空気ジェット流が上記低速ジェット流と清浄領域との間に位置している。高速ジェット流の機能は、引き込み効果によって低速ジェット流を安定化することにあり、この引き込み効果によって低速ジェット流が高速ジェット流に保持されることになる。
上記フランス特許公開公報第２６５２５２０号は、防護対象領域にエアーカーテンと同時に所要の温度で清浄空気を注入して換気することも提案しており、換気用清浄空気は、それに接するエアーカーテンの高速ジェット流の面で生じる流速にほぼ等しい流速で注入することが重要であるとしている。
別のフランス特許公開公報第２６５９７８２号には、前述のフランス特許公開公報第２５３０１４３号及び第２６５２５２０号に開示されたシステムで用いられている二つの清浄空気のジェット流に第３の比較的低速の清浄空気ジェット流を加えて、同一方向に流れる二つの隣接ジェット流の間に高速ジェット流がそれ自身で生じるようにすることが提案されている。
上述の種々の公知特許公報に提案されているエアーカーテン技術による改良にも拘わらず、異質環境の二領域間の隔離を阻害することなく製品又は対象物をこれら領域間で高速移動させると言う課題は、特に二領域間の交差汚染の恐れがある場合には上記公知のシステムでは満足に解決することは殆ど不可能である。更にエアーカーテン技術は、係る課題、特に分離すべき領域の一方が昇圧環境とされる可能性に関連する汚染の移動の問題に対する適切な解決策を提供するものではない。
最後に、ドイツ特許公報第１０８７７８７号には、互いに異質な環境に支配された第１と第２の領域を分離するエアーロックが開示されている。
このドイツ特許公報によれば、係るエアーロックは外側を床、側壁および水平な天井で仕切られた通路の形態である。防護流は、側壁、床及び水平な天井に分布配置された給気スリットを介して該通路に吹き込まれる。この場合、防護流は該通路から出る際に該通路の断面全体を満たすように吹き込まれる。
その後、防護流は吸引装置によって排気管路に吸い込まれる。この防護流は、通路に逆方向に向かう空気流に対して障壁を形成するに充分な高速流である。
しかしながら、係るエアーロックは殆ど効果的ではなく、上述のように形成される防護流の強さは汚染が全く通過できないような遮断バリヤーを形成するには不充分である。
本発明は、以上に述べたような従来技術の欠点を克服するために、互いに異質な環境に支配された第１領域と第２領域を分離するための新規且つ改良された装置、特に効果的で且つ一方の領域から他方の領域への連絡通路を遮断するように空気流に対抗すると同時に上記二領域間に交差汚染の恐れがある状況下でも両領域の隔離を阻害することなく両領域間で対象物又は製品を高速移動させることができる汚染通過不能な遮断バリヤーを両領域間に形成することのできる領域分離装置を提供しようとするものである。
即ち、本発明による領域分離装置は、
第１領域と第２領域との間で長手軸心Ｘに沿って延在し、入口が第１領域に、出口が第２領域にそれぞれ通じ、前記軸心Ｘに沿って延在する互いに対面した多孔シートを備えた二つの縦壁により境界が定められたバッファー領域と、
前記両縦壁の多孔シートを介して前記バッファー領域内に清浄無菌エアーを吹き込むブロワー手段と、
前記バッファー領域の入口部分に開口し、前記長手軸心Ｘを間にしてその両側で前記バッファー領域の出口へ向かって二つの高速清浄エアーのジェット流を前記バッファー領域の入口と中央領域との間の位置で互いに交差するように前記軸心Ｘに対して傾斜した方向に注入することにより第１領域を第２領域から分離する遮断バリヤーを形成するエアー注入手段、
とを備えたことを特徴とするものである。
このようにして、本発明による領域分離装置ではバッファー領域の入口と出口との間に圧力差が生み出され、この圧力差は空気の流れに対抗して一方の領域から他方の領域へのあらゆる汚染の通過を遮断バリヤーとしてブロックすることが可能である。本発明による係る遮断バリヤーは、バッファー領域の入口と中央領域との間に位置する第１部分に形成される。本発明による分離装置内に形成される遮断バリヤーは、圧力の上昇した領域と出口との間の部分で該圧力上昇領域から外部へ向かって去って行く空気の流速を制限するためのブレーキも効果的に構成する。
本発明の領域分離装置の好適な態様によれば、バッファー領域の長手軸心Ｘは水平な軸心であり、またエアー注入手段はバッファー領域の境界を定めている両縦壁の互いに向かい合った内面に形成された複数の縦スリットを備え、これらのスリットは、前記バッファー領域の入口近傍の位置で前記長手軸心Ｘを間にしてその両側で互いに対面して配置され、清浄エアーの供給を受けている。
特に好適な態様においては、バッファー領域の互いに対面する縦壁の各内面にそれぞれ４つずつの縦スリットが設けられる。
本発明による領域分離装置の能力、特にそのバッファー領域の耐圧能力は、前記スリットを介して吹き込まれるエアーの体積流量、即ち、前記スリットを介して清浄エアーが吹き込まれるときの流速の自乗、にほぼ比例することに注目すべきである。
従って、本発明による領域分離装置の耐圧値は、スリットの数を増やすか、スリットを介して吹き込むエアーの流速を高めることにより大きくすることができる。
尚、前記スリットを介して吹き込まれるエアーの体積流量とバッファー領域入口に設けられるスリットの数は、バッファー領域の寸法、特に流路断面積に応じて定められることは述べるまでもない。
本発明による領域分離装置の有利な態様によれば、バッファー領域は二つの互いに対面する縦壁と、底面壁及び頂面壁とによって境界を定められており、これらによって平行六面体が形成され、またその流路断面積はほぼ０．２ｍ2程度である。そしてエアー注入手段は前記スリットを介してほぼ４００ｍ3/ｈ程度の体積流量で清浄エアーのジェット流を注入し、それによりバッファー領域内に形成される遮断バリヤーは外部とバッファー領域入口との間で５〜１０Ｐａの圧力差に耐えることが可能となる。
例えば２０Ｐａ程度の圧力差がバッファー領域の入口と出口の間に生じる場合は、バッファー領域内部に形成される遮断バリヤーはその入口から出口へ運ばれる汚染の量を１０分の１に減少させることができる。
ちなみに、前記縦壁の多孔シートを介して注入される清浄無菌エアーとバッファー領域の入口から出口へ向かって吹き込まれる清浄エアーとの体積流量比は約０．５〜１の範囲内である。
本発明の構成とその作用効果は、限定を意図しない実施例を示す添付図面を参照して以下の説明から明確に理解されよう。
添付図面において、
図１は、本発明による領域分離装置の概略を示す斜視図、
図２は、第１領域と第２領域との間に位置する状態における図１の装置の長手方向に沿った横断面図、
図３は、本発明の領域分離装置を試験するための設備を示す正面図、
図４は、図３の試験設備で実施された試験結果を示す線図である。
図１及び図２はそれぞれ異質な環境に支配された第１領域１０と第２領域２０とを分離する装置１００を示している。
この場合、第１領域１０が防護対象領域であり、例えば内部空気が無菌化されて一般的には外部よりも若干昇圧されているクリーンゾーンである。また、第２領域２０は例えば大気圧下の汚れた領域であり、そこの空気には汚染物質が含まれている。
尚、実際の殆どの場面ではクリーンゾーンのほうが汚染領域よりも昇圧されているが、このような昇圧が無い場合、気流生成機能によって生じる吸引流や攪乱流の影響で汚染領域自体が一時的に高圧になる可能性があることは述べるまでもない。
本実施例において図１及び図２に示す領域分離装置１００は互いに対面する二つの縦壁１１０ａと、頂面壁１１０ｃと、底面壁１１ｂとを備え、これらが直角平行六面体を形成すると共に、これら壁面間にバッファー領域１１０を画定している。バッファー領域１１０は本実施例では水平な長手軸心Ｘに沿って第１領域１０と第２領域２０との間に延在している。
図示の実施例ではバッファー領域１１０は長さ約０．８ｍであり、０．２ｍ2程度の流路断面積を有している。
バッファー領域１１０はその入口１１１で防護対象の隔離すべき第１領域１０に通じ、またその出口１１２で第２領域２０に通じている。バッファー領域１１０の入口１１１と出口１１２の各領域部分は互いに流路断面積が同じで対応している。
この領域分離装置１００は一対のエアー注入手段１２０，１２０ａを更に備えており、これらはバッファー領域１１０の入口１１１に吹出口を開いていて、そこからバッファー領域１１０の長手軸心Ｘを間にしてその両側で出口１１２へ向かって二つの高速清浄エアーのジェット流１２１，１２２を前記バッファー領域１１０のほぼ中央領域１１３の位置で両ジェット流１２１，１２２が出会うように前記軸心Ｘに対して傾斜した方向に注入できるようになっている。
即ち、詳細にはエアー注入手段は複数の縦スリット１２０ａ、本実施例では４つの縦スリット１２０ａを備えており、これら縦スリットは、入口１１１の近傍位置で前記バッファー領域の両縦壁１１０ａの各内面に形成され、前記長手軸心を間にしてその両側で互いに対面してバッファー領域１１０へ向かう方向に開口している。これら縦スリット１２０ａは、領域分離装置１００の縦壁１１０ａの上部に設けられた無菌清浄エアー入口１０１に接続された管路１２０を介して清浄エアーの供給を受けている。
図示の実施例においては、これらスリット１２０ａを介して注入されるエアーの体積流量は４３０ｍ3/ｈ程度であり、これはバッファー領域への吹出流速にして約０．７ｍ／ｓに相当する。
図２は、本実施例による領域分離装置１００の空圧動作を更に詳細に示している。
図２から判るように、領域分離装置１００の両縦壁１１０ａの互いに向かい合った内面のそれぞれに設けられた縦スリット１２０ａを介して、清浄エアーの二つのフラットなジェット流１２１，１２２がバッファー領域１１０の長手軸心Ｘに関して傾斜した方向Ｙ１，Ｙ２に高速で注入されている。
これら清浄エアーの二つのジェット流１２１，１２２はバッファー領域１１０の入口１１１と中央領域１１３との間の領域で出会い、この出会う領域は好ましくは中央領域１１３に近接し、二つのジェット流が出会うことで第１領域１０を第２領域２０から分離する遮断バリヤーを形成している。二つの傾斜したジェット流１２１，１２２の合流で生じた合流空気ジェット流１２３はバッファー領域の出口１１２を介して第２領域２０に入る。
この合成空気ジェット流１２３は、安定な作動状態下では周知のジェット流の振る舞いによりバッファー領域の中央部に止まることはできず、領域分離装置１００の二つの縦壁１１０ａのいずれか一方側に寄るようにシフトする。このように合流空気ジェット流１２３が領域分離装置１００の縦壁１１０ａの一方側に片寄る現象によって第２領域２０からの空気を引き込んで回流させる二つの領域１２４，１２５が形成され、この場合、一方の回流領域１２４は清浄エアーのジェット流１２３で閉じられるが、他方の回流領域１２５は第２領域２０に連通するように開いている。
後で詳述するように、上記領域分離装置１００を組み込んだ図３に示す試験設備で行った試験では、図１及び図２に示す領域分離装置の内部に形成される遮断バリヤーは、縦スリットによる注入エアーの体積流量を４００ｍ3/ｈ程度、好ましくは４３０ｍ3/ｈとし、バッファー領域の流路断面積を０．２ｍ2程度、好ましくは０．１７ｍ2とした場合に約５〜１０Ｐａの範囲内の圧力差に耐え得ることが確認されている。この注入エアーの体積流量値はバッファー領域１１０への吹出流速にして約０．７ｍ／ｓに相当する。
勿論、各縦壁の各内面における縦スリットの数を増加したり、或いはこれらスリットから吹き込む清浄エアーの流速を増加したりすることで領域分離装置の耐圧値を高くすることができるのは述べるまでもない。この領域分離装置の耐圧能力は吹き込みエアーの体積流量またはスリットを介してエアーを吹き込む際の流速の自乗にほぼ比例する。
図１と図２に示す領域分離装置の一つの特徴によれば、互いに対面する二つの縦壁１１０ａはそれぞれ多孔シートを備えており、各多孔シートはその多孔部１１０’ａを通してバッファー領域１１０に清浄無菌エアーを吹き込むためにブロワーから清浄無菌エアーの供給を受けるようになっている。この清浄エアーは各縦壁１１０の上部に設けられたエアー入口１０１を介して多孔部１１０’ａに供給される。この場合、多孔部へ清浄エアーを供給するためのエアー入口１０１はスリットへ通じる管路１２０にエアーを供給するエアー入口とは相互に別々の入口とされていることが重要である。これは、多孔部１１０’ａを通して注入される清浄無菌エアーの体積流量とスリット１２０ａを介してバッファー領域１１０に注入されるエアージェット流１２１，１２２の体積流量とを互いに異なる値とすることがあるからであり、この場合、両者の体積流量の比は０．５〜１、好ましくは０．５、即ち清浄エアーのジェット流１２１，１２２の体積流量を４００ｍ3/ｈ程度とした場合は多孔部１１０’ａから注入する清浄エアーの体積流量は２００ｍ3/ｈ程度とするとよい。
多孔部から吹き出される清浄エアーは前記回流領域１２４，１２５に直接達することになり、これによってバッファー領域１１０の中央領域に清浄エアーのフラットなジェット流１２１，１２２によって形成される遮断バリヤーの効果を増大させることができる。
図３は、このような領域分離装置１００を試験するための試験設備の構成を模式的に示している。
図３から明らかなように、領域分離装置１００の上流側にクリーンルーム１０があり、このクリーンルームは天井取付形の完全フィルター３と、その上に重ねて配置されたファン２および入口フィルター１とを装備している。この天井取付形完全フィルター３は、クリーンルーム内に形成されるべき気流としてクリーンルーム床面に向かう一方通行の縦向きの気流を通過させるものである。
クリーンルーム１０の床面は取り外し可能な多孔板からなっている。これにより気流の通過抵抗を変えることが可能である。
領域分離装置１００の下流側には汚染ルーム２０が配置され、その内部には該ルームの天井に取り付けられたファン１２によって汚染空気が供給されて汚染ルーム内が加圧状態におかれるようになっており、この天井ファンには勿論フィルターは装備されていない。
汚染ルームの床面も多孔板によって構成されている。
図３から判るように、各ルーム１０及び２０には内部の状況を観察できるようにそれぞれ透明な密閉窓１１，２１が設けられている。またファン１４を装備したフィルターボックス１３も取り付けられており、これにより分離装置１００の両縦壁１１０ａの上部に設けられたエアー入口１０１（図１参照）への給気が行われ、注入手段の管路１２０を介して領域分離装置１００のバッファー領域１１０にスリット１２０ａを通して清浄エアーが注入されるようになっている。
コンベア５はバッファー領域１１０の幾何学的形状寸法に適合しており、このコンベアは分離装置１００のバッファー領域１１０を通過して製品又は対象物をクリーンルーム１０から汚染ルーム２０へ或いはその逆へ高速で搬送するためのものである。
これらの設備機器は試験室の床面に設置された支持架台４上に取り付けられている。
ファン２とファン１２による各送風流量を変えることによりクリーンルームと汚染ルーム内の圧力をそれぞれ変えることができ、それによって分離装置１００の両境界部に圧力差を生成する。
この試験設備で行う試験の目的は、本発明による領域分離装置１００内に形成される遮断バリヤーが、コンベア５で製品又は対象物を一方のルームから他方のルームへ移動させる際に両ルームすなわち両領域間を移動するかも知れない汚染を実際に遮断できるか、そして汚染ルーム２０内を昇圧した状態でこの遮断バリヤーが両ルーム間に生じる圧力差に耐え得るかを証明することにある。
勿論、殆どの実際上の場面では昇圧下にされるのはクリーンルームであるが、このような昇圧が無い場合、例えば気流生成機能によって生じる吸引流や攪乱流の影響で汚染ルームが一時的に高圧になることがあるのは述べるまでもない。
このため、本発明による領域分離装置は係る逆方向の昇圧状態にも耐えることができなければならない。
試験中に亘って、ダスト微粒子の測定は等速吸引プローブを用いた採取により行った。
このプローブは、横軸Ｘ＝０の位置のクリーン領域（バッファー領域の入口）を始点として横軸Ｘ＝０．８ｍの位置の汚染領域（バッファー領域の出口）までバッファー領域に沿った軸心方向に移動させた。
図３に示した試験設備における領域分離装置１００の動作条件は、
・スリットからの吹き出しエアーの流速７ｍ／ｓ
・スリットからの吹き出しエアーの体積流量４３２ｍ3/ｈ程度
・両縦壁の多孔部への給気無し
とした。
これらの試験で得られた結果を図４に示すが、この図は汚染ルーム２０が昇圧された状態において分離装置１００のバッファー領域の入口と出口との間の圧力差を種々のパラメータとした複数の曲線を示している。図４に示す種々の曲線から明らかなように、本発明による領域分離装置のバッファー領域の中央領域（横軸上でほぼ０．４ｍの位置）に形成される遮断バリヤーはほぼ１０Ｐａのオーダーの圧力差に耐えることができ、これは極めて興味あることである。
また、バッファー領域の入口と出口との圧力差が約２１Ｐａの場合を見ると、本発明による領域分離装置では汚染ルームとクリーンルームとの間で汚染レベルをほぼ１０分の１に減少可能であることが判る。
図４に示した測定結果は、分離装置のバッファー領域の長手軸心Ｘ上で測定したものであるが、このような結果は、測定をバッファー領域の長手軸心Ｘに沿って行った場合に限られるものではないことが確認されている。
例えば圧力差が１０Ｐａの場合について、測定をバッファー領域断面内の他の点（軸心Ｘ上以外の点）で行ってもバッファー領域１１０の長手軸心Ｘ上で得られる結果と同等の結果が得られることが確認されている。
本発明は、いずれにせよ上述及び図示の実施例に限定されるものではなく、当業者であれば本発明の理念の範疇で種々の変形が可能であることは述べるまでもない。
ここで、本願で使用している「環境」なる用語は、空気の状態、気体及び粒子濃度、特に汚染物質濃度、圧力及び温度条件、湿度などを意味する。
本発明は、農産物食品産業、医薬品産業、バイオ技術産業、電子産業、原子核産業、及び化学産業など、互いに連通する二領域の内部を異質環境に保ちながら一方の領域から他方の領域への製品などの対象物の随時移動を可能とする必要のある産業分野において特に有用な用途を提供するものである。
農産物食品や医薬品の産業分野、或いはまた病院環境においてはクリーン領域の防護策が一つの関心事となっており、この場合、クリーン領域内を外部よりも若干高い圧力にして、内部の空気を外部汚染物質から清浄に保ちながら同時に製品や対象物をクリーン領域と或る程度の環境汚染が存在する外部との間で汚染を持ち込むことなく出入り可能としている。
対照的に原子核産業分野では、汚染領域からの汚染の可能性に対して外部を保護しつつ同時に汚染領域と外部との間で製品や対象物を出入りさせることが関心事となっており、この場合は外部に対して閉鎖された領域が汚染領域である。
対象物の出入りなどを可能とするために互いに通じた二領域を分離するための方策としては、機械式エアーロックによる防護、換気による防護、そしてエアーカーテンを利用する防護の三方式が知られている。
機械式エアーロックを用いる防護方式は、相互に隔離すべき二領域の間に空気の給排制御が可能な中間領域を介在させるものであり、この中間領域と両側の二領域との間は開閉操作可能な気密ドアによって仕切られる。
このような機械式エアーロック方式の主な欠点は、中間領域の両側のドアを順番に開閉しなければならないので、エアーロックを介して一方の領域から他方の領域へ製品又は対象物を移動させるのが遅くならざるを得ないことである。
防護対象領域が周囲空気で汚染されやすい製品を収容している場合、換気による防護方式では防護対象領域に清浄空気を送り込み、その層流を防護対象領域にアクセス可能な開口を通して外側へ向けて吹き出させる。逆の場合、即ち汚染空間の外部の人員や環境を防護する必要がある場合は、係る汚染空間内で抜き取り式の換気を適用することで強力な封じ込みを実施する。いずれの場合においても防護領域への汚染の侵入を回避するためには、二領域間の連通開口における換気エアーの最低流速は実験式から０．５ｍ／ｓ程度である。
しかしながら、このような換気による防護技術の効果は、特に製品又は人員が一方の領域から他方の領域へ移動する状況で生じる所謂「破れ」現象のもとで完全ではなくなる。
また、この防護方式は、場合によっては清浄領域か汚染領域かに拘わらず防護対象の領域全体を処理及び監視する必要がある。
従って、防護対象領域が極めて大きい場合は、その処理及び監視の設備費用及びランニングコストは極めて高くなる。
更に、係る換気による防護方式を提供する技術は一方向の防護を与えるに過ぎず、換言すれば汚染の移動が正に一方向のみに生じ得る場合にしか対応できないのである。
エアーカーテンを用いる防護方式は、二領域を連絡する分離領域に清浄空気の一つ以上の隣接ジェット流を同一方向で同時に注入し、これらジェット流で防護対象領域と汚染領域との間に仮想的なドアを形成させる方式である。
フランス特許公開公報第２５３０１４３号及び第２６５２５２０号には、有害領域と清浄領域とを分離するのにエアーカーテンを利用するシステムが提案されている。双方ともエアーカーテンは同一方向の二つの隣接ジェット流で形成している。この場合、噴流コーンが開口全体を覆う比較的低速の第１の空気ジェット流によって動的な分離が行われ、これよりも相対的に高速の第２の空気ジェット流が上記低速ジェット流と清浄領域との間に位置している。高速ジェット流の機能は、引き込み効果によって低速ジェット流を安定化することにあり、この引き込み効果によって低速ジェット流が高速ジェット流に保持されることになる。
上記フランス特許公開公報第２６５２５２０号は、防護対象領域にエアーカーテンと同時に所要の温度で清浄空気を注入して換気することも提案しており、換気用清浄空気は、それに接するエアーカーテンの高速ジェット流の面で生じる流速にほぼ等しい流速で注入することが重要であるとしている。
別のフランス特許公開公報第２６５９７８２号には、前述のフランス特許公開公報第２５３０１４３号及び第２６５２５２０号に開示されたシステムで用いられている二つの清浄空気のジェット流に第３の比較的低速の清浄空気ジェット流を加えて、同一方向に流れる二つの隣接ジェット流の間に高速ジェット流がそれ自身で生じるようにすることが提案されている。
上述の種々の公知特許公報に提案されているエアーカーテン技術による改良にも拘わらず、異質環境の二領域間の隔離を阻害することなく製品又は対象物をこれら領域間で高速移動させると言う課題は、特に二領域間の交差汚染の恐れがある場合には上記公知のシステムでは満足に解決することは殆ど不可能である。更にエアーカーテン技術は、係る課題、特に分離すべき領域の一方が昇圧環境とされる可能性に関連する汚染の移動の問題に対する適切な解決策を提供するものではない。
最後に、ドイツ特許公報第１０８７７８７号には、互いに異質な環境に支配された第１と第２の領域を分離するエアーロックが開示されている。
このドイツ特許公報によれば、係るエアーロックは外側を床、側壁および水平な天井で仕切られた通路の形態である。防護流は、側壁、床及び水平な天井に分布配置された給気スリットを介して該通路に吹き込まれる。この場合、防護流は該通路から出る際に該通路の断面全体を満たすように吹き込まれる。
その後、防護流は吸引装置によって排気管路に吸い込まれる。この防護流は、通路に逆方向に向かう空気流に対して障壁を形成するに充分な高速流である。
しかしながら、係るエアーロックは殆ど効果的ではなく、上述のように形成される防護流の強さは汚染が全く通過できないような遮断バリヤーを形成するには不充分である。
本発明は、以上に述べたような従来技術の欠点を克服するために、互いに異質な環境に支配された第１領域と第２領域を分離するための新規且つ改良された装置、特に効果的で且つ一方の領域から他方の領域への連絡通路を遮断するように空気流に対抗すると同時に上記二領域間に交差汚染の恐れがある状況下でも両領域の隔離を阻害することなく両領域間で対象物又は製品を高速移動させることができる汚染通過不能な遮断バリヤーを両領域間に形成することのできる領域分離装置を提供しようとするものである。
即ち、本発明による領域分離装置は、
第１領域と第２領域との間で長手軸心Ｘに沿って延在し、入口が第１領域に、出口が第２領域にそれぞれ通じ、前記軸心Ｘに沿って延在する互いに対面した多孔シートを備えた二つの縦壁により境界が定められたバッファー領域と、
前記両縦壁の多孔シートを介して前記バッファー領域内に清浄無菌エアーを吹き込むブロワー手段と、
前記バッファー領域の入口部分に開口し、前記長手軸心Ｘを間にしてその両側で前記バッファー領域の出口へ向かって二つの高速清浄エアーのジェット流を前記バッファー領域の入口と中央領域との間の位置で互いに交差するように前記軸心Ｘに対して傾斜した方向に注入することにより第１領域を第２領域から分離する遮断バリヤーを形成するエアー注入手段、
とを備えたことを特徴とするものである。
このようにして、本発明による領域分離装置ではバッファー領域の入口と出口との間に圧力差が生み出され、この圧力差は空気の流れに対抗して一方の領域から他方の領域へのあらゆる汚染の通過を遮断バリヤーとしてブロックすることが可能である。本発明による係る遮断バリヤーは、バッファー領域の入口と中央領域との間に位置する第１部分に形成される。本発明による分離装置内に形成される遮断バリヤーは、圧力の上昇した領域と出口との間の部分で該圧力上昇領域から外部へ向かって去って行く空気の流速を制限するためのブレーキも効果的に構成する。
本発明の領域分離装置の好適な態様によれば、バッファー領域の長手軸心Ｘは水平な軸心であり、またエアー注入手段はバッファー領域の境界を定めている両縦壁の互いに向かい合った内面に形成された複数の縦スリットを備え、これらのスリットは、前記バッファー領域の入口近傍の位置で前記長手軸心Ｘを間にしてその両側で互いに対面して配置され、清浄エアーの供給を受けている。
特に好適な態様においては、バッファー領域の互いに対面する縦壁の各内面にそれぞれ４つずつの縦スリットが設けられる。
本発明による領域分離装置の能力、特にそのバッファー領域の耐圧能力は、前記スリットを介して吹き込まれるエアーの体積流量、即ち、前記スリットを介して清浄エアーが吹き込まれるときの流速の自乗、にほぼ比例することに注目すべきである。
従って、本発明による領域分離装置の耐圧値は、スリットの数を増やすか、スリットを介して吹き込むエアーの流速を高めることにより大きくすることができる。
尚、前記スリットを介して吹き込まれるエアーの体積流量とバッファー領域入口に設けられるスリットの数は、バッファー領域の寸法、特に流路断面積に応じて定められることは述べるまでもない。
本発明による領域分離装置の有利な態様によれば、バッファー領域は二つの互いに対面する縦壁と、底面壁及び頂面壁とによって境界を定められており、これらによって平行六面体が形成され、またその流路断面積はほぼ０．２ｍ2程度である。そしてエアー注入手段は前記スリットを介してほぼ４００ｍ3/ｈ程度の体積流量で清浄エアーのジェット流を注入し、それによりバッファー領域内に形成される遮断バリヤーは外部とバッファー領域入口との間で５〜１０Ｐａの圧力差に耐えることが可能となる。
例えば２０Ｐａ程度の圧力差がバッファー領域の入口と出口の間に生じる場合は、バッファー領域内部に形成される遮断バリヤーはその入口から出口へ運ばれる汚染の量を１０分の１に減少させることができる。
ちなみに、前記縦壁の多孔シートを介して注入される清浄無菌エアーとバッファー領域の入口から出口へ向かって吹き込まれる清浄エアーとの体積流量比は約０．５〜１の範囲内である。
本発明の構成とその作用効果は、限定を意図しない実施例を示す添付図面を参照して以下の説明から明確に理解されよう。
添付図面において、
図１は、本発明による領域分離装置の概略を示す斜視図、
図２は、第１領域と第２領域との間に位置する状態における図１の装置の長手方向に沿った横断面図、
図３は、本発明の領域分離装置を試験するための設備を示す正面図、
図４は、図３の試験設備で実施された試験結果を示す線図である。
図１及び図２はそれぞれ異質な環境に支配された第１領域１０と第２領域２０とを分離する装置１００を示している。
この場合、第１領域１０が防護対象領域であり、例えば内部空気が無菌化されて一般的には外部よりも若干昇圧されているクリーンゾーンである。また、第２領域２０は例えば大気圧下の汚れた領域であり、そこの空気には汚染物質が含まれている。
尚、実際の殆どの場面ではクリーンゾーンのほうが汚染領域よりも昇圧されているが、このような昇圧が無い場合、気流生成機能によって生じる吸引流や攪乱流の影響で汚染領域自体が一時的に高圧になる可能性があることは述べるまでもない。
本実施例において図１及び図２に示す領域分離装置１００は互いに対面する二つの縦壁１１０ａと、頂面壁１１０ｃと、底面壁１１ｂとを備え、これらが直角平行六面体を形成すると共に、これら壁面間にバッファー領域１１０を画定している。バッファー領域１１０は本実施例では水平な長手軸心Ｘに沿って第１領域１０と第２領域２０との間に延在している。
図示の実施例ではバッファー領域１１０は長さ約０．８ｍであり、０．２ｍ2程度の流路断面積を有している。
バッファー領域１１０はその入口１１１で防護対象の隔離すべき第１領域１０に通じ、またその出口１１２で第２領域２０に通じている。バッファー領域１１０の入口１１１と出口１１２の各領域部分は互いに流路断面積が同じで対応している。
この領域分離装置１００は一対のエアー注入手段１２０，１２０ａを更に備えており、これらはバッファー領域１１０の入口１１１に吹出口を開いていて、そこからバッファー領域１１０の長手軸心Ｘを間にしてその両側で出口１１２へ向かって二つの高速清浄エアーのジェット流１２１，１２２を前記バッファー領域１１０のほぼ中央領域１１３の位置で両ジェット流１２１，１２２が出会うように前記軸心Ｘに対して傾斜した方向に注入できるようになっている。
即ち、詳細にはエアー注入手段は複数の縦スリット１２０ａ、本実施例では４つの縦スリット１２０ａを備えており、これら縦スリットは、入口１１１の近傍位置で前記バッファー領域の両縦壁１１０ａの各内面に形成され、前記長手軸心を間にしてその両側で互いに対面してバッファー領域１１０へ向かう方向に開口している。これら縦スリット１２０ａは、領域分離装置１００の縦壁１１０ａの上部に設けられた無菌清浄エアー入口１０１に接続された管路１２０を介して清浄エアーの供給を受けている。
図示の実施例においては、これらスリット１２０ａを介して注入されるエアーの体積流量は４３０ｍ3/ｈ程度であり、これはバッファー領域への吹出流速にして約０．７ｍ／ｓに相当する。
図２は、本実施例による領域分離装置１００の空圧動作を更に詳細に示している。
図２から判るように、領域分離装置１００の両縦壁１１０ａの互いに向かい合った内面のそれぞれに設けられた縦スリット１２０ａを介して、清浄エアーの二つのフラットなジェット流１２１，１２２がバッファー領域１１０の長手軸心Ｘに関して傾斜した方向Ｙ１，Ｙ２に高速で注入されている。
これら清浄エアーの二つのジェット流１２１，１２２はバッファー領域１１０の入口１１１と中央領域１１３との間の領域で出会い、この出会う領域は好ましくは中央領域１１３に近接し、二つのジェット流が出会うことで第１領域１０を第２領域２０から分離する遮断バリヤーを形成している。二つの傾斜したジェット流１２１，１２２の合流で生じた合流空気ジェット流１２３はバッファー領域の出口１１２を介して第２領域２０に入る。
この合成空気ジェット流１２３は、安定な作動状態下では周知のジェット流の振る舞いによりバッファー領域の中央部に止まることはできず、領域分離装置１００の二つの縦壁１１０ａのいずれか一方側に寄るようにシフトする。このように合流空気ジェット流１２３が領域分離装置１００の縦壁１１０ａの一方側に片寄る現象によって第２領域２０からの空気を引き込んで回流させる二つの領域１２４，１２５が形成され、この場合、一方の回流領域１２４は清浄エアーのジェット流１２３で閉じられるが、他方の回流領域１２５は第２領域２０に連通するように開いている。
後で詳述するように、上記領域分離装置１００を組み込んだ図３に示す試験設備で行った試験では、図１及び図２に示す領域分離装置の内部に形成される遮断バリヤーは、縦スリットによる注入エアーの体積流量を４００ｍ3/ｈ程度、好ましくは４３０ｍ3/ｈとし、バッファー領域の流路断面積を０．２ｍ2程度、好ましくは０．１７ｍ2とした場合に約５〜１０Ｐａの範囲内の圧力差に耐え得ることが確認されている。この注入エアーの体積流量値はバッファー領域１１０への吹出流速にして約０．７ｍ／ｓに相当する。
勿論、各縦壁の各内面における縦スリットの数を増加したり、或いはこれらスリットから吹き込む清浄エアーの流速を増加したりすることで領域分離装置の耐圧値を高くすることができるのは述べるまでもない。この領域分離装置の耐圧能力は吹き込みエアーの体積流量またはスリットを介してエアーを吹き込む際の流速の自乗にほぼ比例する。
図１と図２に示す領域分離装置の一つの特徴によれば、互いに対面する二つの縦壁１１０ａはそれぞれ多孔シートを備えており、各多孔シートはその多孔部１１０’ａを通してバッファー領域１１０に清浄無菌エアーを吹き込むためにブロワーから清浄無菌エアーの供給を受けるようになっている。この清浄エアーは各縦壁１１０の上部に設けられたエアー入口１０１を介して多孔部１１０’ａに供給される。この場合、多孔部へ清浄エアーを供給するためのエアー入口１０１はスリットへ通じる管路１２０にエアーを供給するエアー入口とは相互に別々の入口とされていることが重要である。これは、多孔部１１０’ａを通して注入される清浄無菌エアーの体積流量とスリット１２０ａを介してバッファー領域１１０に注入されるエアージェット流１２１，１２２の体積流量とを互いに異なる値とすることがあるからであり、この場合、両者の体積流量の比は０．５〜１、好ましくは０．５、即ち清浄エアーのジェット流１２１，１２２の体積流量を４００ｍ3/ｈ程度とした場合は多孔部１１０’ａから注入する清浄エアーの体積流量は２００ｍ3/ｈ程度とするとよい。
多孔部から吹き出される清浄エアーは前記回流領域１２４，１２５に直接達することになり、これによってバッファー領域１１０の中央領域に清浄エアーのフラットなジェット流１２１，１２２によって形成される遮断バリヤーの効果を増大させることができる。
図３は、このような領域分離装置１００を試験するための試験設備の構成を模式的に示している。
図３から明らかなように、領域分離装置１００の上流側にクリーンルーム１０があり、このクリーンルームは天井取付形の完全フィルター３と、その上に重ねて配置されたファン２および入口フィルター１とを装備している。この天井取付形完全フィルター３は、クリーンルーム内に形成されるべき気流としてクリーンルーム床面に向かう一方通行の縦向きの気流を通過させるものである。
クリーンルーム１０の床面は取り外し可能な多孔板からなっている。これにより気流の通過抵抗を変えることが可能である。
領域分離装置１００の下流側には汚染ルーム２０が配置され、その内部には該ルームの天井に取り付けられたファン１２によって汚染空気が供給されて汚染ルーム内が加圧状態におかれるようになっており、この天井ファンには勿論フィルターは装備されていない。
汚染ルームの床面も多孔板によって構成されている。
図３から判るように、各ルーム１０及び２０には内部の状況を観察できるようにそれぞれ透明な密閉窓１１，２１が設けられている。またファン１４を装備したフィルターボックス１３も取り付けられており、これにより分離装置１００の両縦壁１１０ａの上部に設けられたエアー入口１０１（図１参照）への給気が行われ、注入手段の管路１２０を介して領域分離装置１００のバッファー領域１１０にスリット１２０ａを通して清浄エアーが注入されるようになっている。
コンベア５はバッファー領域１１０の幾何学的形状寸法に適合しており、このコンベアは分離装置１００のバッファー領域１１０を通過して製品又は対象物をクリーンルーム１０から汚染ルーム２０へ或いはその逆へ高速で搬送するためのものである。
これらの設備機器は試験室の床面に設置された支持架台４上に取り付けられている。
ファン２とファン１２による各送風流量を変えることによりクリーンルームと汚染ルーム内の圧力をそれぞれ変えることができ、それによって分離装置１００の両境界部に圧力差を生成する。
この試験設備で行う試験の目的は、本発明による領域分離装置１００内に形成される遮断バリヤーが、コンベア５で製品又は対象物を一方のルームから他方のルームへ移動させる際に両ルームすなわち両領域間を移動するかも知れない汚染を実際に遮断できるか、そして汚染ルーム２０内を昇圧した状態でこの遮断バリヤーが両ルーム間に生じる圧力差に耐え得るかを証明することにある。
勿論、殆どの実際上の場面では昇圧下にされるのはクリーンルームであるが、このような昇圧が無い場合、例えば気流生成機能によって生じる吸引流や攪乱流の影響で汚染ルームが一時的に高圧になることがあるのは述べるまでもない。
このため、本発明による領域分離装置は係る逆方向の昇圧状態にも耐えることができなければならない。
試験中に亘って、ダスト微粒子の測定は等速吸引プローブを用いた採取により行った。
このプローブは、横軸Ｘ＝０の位置のクリーン領域（バッファー領域の入口）を始点として横軸Ｘ＝０．８ｍの位置の汚染領域（バッファー領域の出口）までバッファー領域に沿った軸心方向に移動させた。
図３に示した試験設備における領域分離装置１００の動作条件は、
・スリットからの吹き出しエアーの流速７ｍ／ｓ
・スリットからの吹き出しエアーの体積流量４３２ｍ3/ｈ程度
・両縦壁の多孔部への給気無し
とした。
これらの試験で得られた結果を図４に示すが、この図は汚染ルーム２０が昇圧された状態において分離装置１００のバッファー領域の入口と出口との間の圧力差を種々のパラメータとした複数の曲線を示している。図４に示す種々の曲線から明らかなように、本発明による領域分離装置のバッファー領域の中央領域（横軸上でほぼ０．４ｍの位置）に形成される遮断バリヤーはほぼ１０Ｐａのオーダーの圧力差に耐えることができ、これは極めて興味あることである。
また、バッファー領域の入口と出口との圧力差が約２１Ｐａの場合を見ると、本発明による領域分離装置では汚染ルームとクリーンルームとの間で汚染レベルをほぼ１０分の１に減少可能であることが判る。
図４に示した測定結果は、分離装置のバッファー領域の長手軸心Ｘ上で測定したものであるが、このような結果は、測定をバッファー領域の長手軸心Ｘに沿って行った場合に限られるものではないことが確認されている。
例えば圧力差が１０Ｐａの場合について、測定をバッファー領域断面内の他の点（軸心Ｘ上以外の点）で行ってもバッファー領域１１０の長手軸心Ｘ上で得られる結果と同等の結果が得られることが確認されている。
本発明は、いずれにせよ上述及び図示の実施例に限定されるものではなく、当業者であれば本発明の理念の範疇で種々の変形が可能であることは述べるまでもない。
Claims (5)
- 互いに異質な環境に支配された第１と第２の領域(10，20)とを分離するための装置であって、
第１と第２の領域(10，20)との間で長手軸心Ｘに沿って延在し、入口(111）が第１領域(10)に、出口(112）が第２領域(20)にそれぞれ通じ、前記軸心Ｘに沿って延在する互いに対面した多孔シートを備えた二つの縦壁(110a)と底面壁及び頂面壁とにより境界が定められた平行六面体形状の連絡通路を形成するバッファー領域(110)と、
両縦壁(110a)の多孔シート(110'a)を介してバッファー領域(110)内に清浄無菌エアーを吹き込むブロワー手段と、
バッファー領域(110)の入口(111)部分に開口し、前記長手軸心Ｘを間にしてその両側でバッファー領域(110)の出口(112)へ向かって清浄エアーの二つのフラットな高速ジェット流(121,122)をバッファー領域(110)の入口(111)と前記連絡通路内の中央領域(113)との間の位置で互いに交差するように前記軸心Ｘに対して傾斜した方向(Y1，Y2)に注入することにより上記両ジェット流の合成ジェット流を上記二つの縦壁のいずれか一方側へ片寄るようにシフトさせて第１領域(10)と第２領域(20)とを両領域間で前記連絡通路を介して物品の双方向移動ができるように隔離する汚染通過不能な遮断バリヤーを形成するエアー注入手段(120,120a)、
とを備えたことを特徴とする領域分離装置。 - 前記バッファー領域(110）の長手軸心Ｘが水平な軸心であり、エアー注入手段がバッファー領域の境界を定めている両縦壁の互いに向かい合った内面に形成された複数の縦スリット(120a)を備え、これらの縦スリットがバッファー領域(110)の入口(111)近傍の位置で前記長手軸心Ｘを間にしてその両側に互いに対面配置されて清浄エアーの供給を受けていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
- バッファー領域(110）の互いに対面する縦壁の各内面に各々４つずつの縦スリット(120a)が設けられていることを特徴とする請求項２に記載の装置。
- バッファー領域(110）が、直角平行六面体を形成する二つの互いに対面した縦壁、底面壁及び頂面壁によって境界を定められていてほぼ０．２ｍ2の流路断面積を有し、前記エアー注入手段(120,120a)は前記縦スリット(120a)を介してほぼ４００ｍ3/ｈの体積流量で清浄エアーのジェット流を注入し、それにより外部とバッファー領域入口との間で５〜１０Ｐａの圧力差に耐えることのできる遮断バリヤーをバッファー領域内に形成するものであることを特徴とする請求項３に記載の装置。
- 前記縦壁の多孔シート(110'a）を介して注入される清浄無菌エアーとバッファー領域(110)の入口(111)から出口(112）へ向かって吹き込まれる清浄エアーのジェット流(121，122)との体積流量比がほぼ０．５〜１の範囲内であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
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