JP4597769B2 - クリーンルーム及びその設計施工方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体等を製造する際に用いられるクリーンルームに関し、殊に、クリーンエアを給気する作業エリアと還気通路となるメンテナンスエリアとを有する垂直一方向流方式のクリーンルームに関するものである。

従来より、作業エリアとメンテナンスエリアとを区分けするベイ方式のクリーンルームで、作業エリアに天井からダウンフローのクリーンエアを給気し、これを床下を通してメンテナンスエリアに流入させ、メンテナンスエリアを通してアッパーフローで還気させる垂直一方向流方式のクリーンルームが、例えば特許文献１に記載されている。

垂直一方向流方式のクリーンルームの空気の流れは、以下の通りである。作業エリアの天井に備わるファンフィルタユニットから作業エリア内を下降した給気（クリーンエア）が、グレーチング構造の床を介してメンテナンスエリアへ流入し、メンテナンスエリア内を上昇する（還気）。クリーンルーム外部に設置した空調機によって温湿度が調整された空気（空調された空気）が、ダクトを介して所定場所に吐出される。吐出された空気と還気とを混合し、混合した空気を、ファンフィルタユニットを通して清浄化し、作業エリア内へ再び給気する。

作業エリアには、通常、機器類が多く設置されているため、それらが発する熱により、給気されたダウンフローの空気温度が上昇する。半導体等を製造する作業エリアにおいては、一定の温度および湿度を維持することが重要である。従って、作業エリアを通して温度上昇した還気をそのままファンフィルタユニットを通して給気することは好ましくない。そこで、通常は、空調機によって冷却された空気と温度上昇した還気とを混合し、所定の温度に下げた混合空気を作業エリアへ送出している。

しかしながら、従来は、空調された空気と還気とを十分に混合する手段がなく、温度分布が不均一なまま、すなわち、空調機からの低温空気と高温の還気とが十分に混合していない状態の空気がファンフィルタユニットを通過する場合がある。そのため、作業エリア内の温度分布が均一にならず、高温のクリーンエアが給気される部分が生じ、高精度な温湿度管理が必要な製品を製造する際の歩留まりに影響を与えることがある。

また、空気を十分に混合するためにファンを設置する場合があるが、その場合には、ファン設置のためのコストや手間がかかるとともに、スペースが必要となる。
特開２００４−２１８８９８号公報

本発明は、上記従来技術を考慮してなされたものであり、還気と空調された空気とを十分に混合して作業エリアへ給気することにより、作業エリアの高精度な温度管理を行えるクリーンルーム及びその設計施工方法の提供を目的とする。

請求項１の発明は、隣接した作業エリア及びメンテナンスエリアを有し、該両エリアが共通のグレーチング構造の床から共通の天井までを間仕切りによって区分され、前記作業エリアの天井部に給気用のファンフィルタユニットが備わり、前記作業エリアを下降した給気が、前記床を介して前記メンテナンスエリアへ流入し、前記メンテナンスエリア内を上昇する還気として該メンテナンスエリアの天井に設けられた吸込口から天井室へ流入し、空調機により空調された空気と前記還気とを前記天井室内で混合し、該混合空気を前記ファンフィルタユニットを介して前記作業エリアへ送出するクリーンルームにおいて、前記天井室内で、前記吸込口に相対向して前記空調機から送られた空気の吐出口を設け、当該吸込口から吸い込まれた還気と前記吐出口から吐出された空気とを衝突させて混合させる混合スペースを前記吸込口の周囲に形成する混合板を、前記ファンフィルタユニットと前記吸込口との間の天井に設け、当該混合板の上縁は前記吐出口の高さより高い位置とし、前記衝突した空気は該衝突部から周囲へ流れ、該流れた空気は前記混合板に当たり、該混合板に沿って上昇し、該混合板を超えて前記各ファンフィルタユニットの上方へ流れ、該一連の流れにより前記二つの空気は攪拌混合され、前記ファンフィルタユニットから前記作業エリアへ給気される構成としたクリーンルームとした。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、吸込口直上の前記吐出口の位置を、前記ファンフィルタユニットを流通する混合空気の温度分布に基づいて設定することを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項２の発明において、前記混合板の位置を、ファンフィルタユニットを流通する混合空気の温度分布に基づいて設定することを特徴とする。

請求項１の発明によると、還気の吸込口の直上に空調された空気の吐出口を設けることにより、空調された空気と還気とを対向させて直接衝突させるので、効果的に混合され、空気の温度を均一化させることができる。また、天井室内にファン等の混合撹拌用の装置を新たに設置しなくてもよいので、低コストで実現可能である。

また、空調された空気と還気が衝突後、天井の内面に沿ってファンフィルタユニットの吸込口まで流れる間に、混合板に当たって流れが乱れ、混合作用が促進されるとともに、混合板を乗り越えて流れることにより、作業エリアへ給気されるまでに空気の流れる距離が増すので、より撹拌されて、空気の温度を均一にすることができる。

請求項２の発明によると、例えばシミュレーション計算により設計段階で、あるいは施工時に現場で天井内空調給気ダクトの吐出口の位置を変えながら天井内のファンフィルタユニットの吸込側または吐出側の温度を測定して温度分布を求めることにより、温度むらがなく最も均一化された分布状態のときの吐出口の高さを、そのクリーンルームに合った最適な位置として定めることができる。これにより、クリーンルームの天井内の形状や大きさ及び各種機器やダクト及び配管設備等の天井内配置状態に応じて、還気吸込口の直上で、且つ空調された空気と還気とが最もよく混合し、最も均一な温度分布が得られる高さの位置に空調給気ダクトの吐出口を設けることができる。

請求項３の発明によると、上記の請求項２の場合と同様にして、設計時または施工時に、混合板の位置を変えながらファンフィルタユニットの吸込側または吐出側の温度分布を求め、クリーンルームの天井内の形状や大きさ及び各種機器やダクト及び配管設備等の天井内配置状態に応じて、空調された空気と還気とが最もよく混合し、最も均一な温度分布が得られる位置に混合板を設けることができる。

図１は本発明の実施の形態であり、全体構成を示す縦断面の概略図である。

クリーンルーム１は、クリーンな区域である作業エリア１１とメンテナンスエリア１２を有している。本実施例では、中央にメンテナンスエリア１２があり、その外側に左右対称に作業エリア１１，１１が設けられている。それぞれのエリア１１，１２は、共通の床５の上から天井３までを間仕切り４によって区分されている。床５はグレーチング構造であり、空気が自在に通過できる。従って、作業エリア１１とメンテナンスエリア１２とは、床５を介して床下部１４で連通する。

作業エリア１１の天井部全体に、ファンフィルタユニット６（以下、ＦＦＵと称する）が備えられる。ＦＦＵ６は、ファンユニット６１と、例えばＨＥＰＡフィルタ等の高性能フィルタ６２とが一体となったものであり、適宜寸法のＦＦＵ６を連続して並べることにより設置する。

メンテナンスエリア１２の天井３の中央に空気の吸込口３１が設けられる。吸込口３１には、圧力損失の少ないフィルタ等が備えられる。また、必要に応じて吸込みファンを設置してもよい。

天井室１３内には、クリーンルーム１の外部に設置された空調機２により空調された空気を天井室１３に送出するための給気ダクト２１が設けられる。空調機２は、空気の温度及び湿度を制御するとともに、空気中の塵埃等を除去する中性能フィルタを有する。給気が正圧であるため、部屋の扉や隙間を通して空調給気がクリーンルーム外部に漏れる（ＥＡ）。このＥＡを補足するため、空調機２に外気（ＯＡ）が導入される。給気ダクト２１先端に設けられる空調された空気の吐出口２２は、吸込口３１の直上に適宜間隔を隔てて設けられる。

図１において矢印で示したのは空気の流れる方向である。空調機２で温度および湿度を調整された空気が給気ダクト２１を介して天井室１３内の吐出口２２から吐出される。吐出口２２は吸込口３１の直上に設けられているので、メンテナンスエリア１２から吸い込まれた還気と対向して中央で衝突し、直接混合されて、混合された空気が左右に分かれて左右のＦＦＵ６へ吸い込まれる。

ＦＦＵ６は、ファンユニット６１により天井室１３内の混合空気を吸い込むとともに、高性能フィルタ６２により微粒子等を除去し、作業エリア１１内に清浄な空気をダウンフローで給気する。給気された清浄空気は作業エリア１１内を下降し、グレーチング構造の床５を介してメンテナンスエリア１２へ流入する。

更に、メンテナンスエリア１２内を上昇してアッパーフローの還気となり、吸込口３１から天井室１３へ吸い込まれる。この吸込負圧は、ＦＦＵ６のファンによるものである。このように、このクリーンルーム１は、作業エリア１１内を給気がダウンフローで流れ、これに連続してメンテナンスエリア１２内を還気がアッパーフローで流れる垂直一方向流方式のクリーンルームである。

図２は図１の天井室部分の拡大図である。本実施例では、吸込口３１と吐出口２２との間隔を２，０００ｍｍとする。吐出口２２から吐出される空調された空気と、吸込口から流入する還気とが衝突して、図２の白抜きの矢印に示すような気流が左右に分かれて形成される。このような気流の形成過程で、低温の空調された空気と高温の還気とが十分に混合され、還気温度がほぼ均一に低下して、ほぼ均一でむらのない温度分布の低温混合空気が得られる。

図３および図４は、図２の天井室１３内における温度分布をシミュレーション計算により求め、その分布を示した図である。図３はＦＦＵ６の吸込位置の高さにおける水平面、図４は給気ダクト２１の吐出口２２の位置における鉛直面の温度分布を示す。尚、図２のクリーンルーム１は左右対称形であるため、図３および図４は、メンテナンスエリア１２の中心から左側半分について示している。温度条件は、空調された空気が１４．９℃、還気が２４．９℃である。

これらの温度分布図より、高温の還気と低温の空調された空気とが衝突することにより混合され、天井室１３内の作業エリア１１側でＦＦＵ６に吸い込まれる混合空気の温度がほぼ２１℃〜２２℃となっていることがわかる。

図５は、図４と同じ位置における鉛直面の圧力分布を示す。空調された空気と還気とが衝突する位置の圧力が高く、そこから、矢印で示した圧力が低い位置（渦中心）へ空気が吸い寄せられて気流が形成される。これにより、図２に示すような気流が形成される。

図６は、本発明の異なる実施例であり、空調された空気の吐出口２２を前述の図１の実施例よりも下方に設け、還気の吸込口３１と吐出口２２との間隔を５００ｍｍにしたものである。その他の構成は、前述の実施例と同様である。

図７および図８は、図６の天井室１３内における温度分布をシミュレーション計算により求め、その分布を示した図である。図７はＦＦＵ６の吸込位置の高さにおける水平面、図８は給気ダクト２１の吐出口２２の位置における鉛直面の温度分布を示す。この場合も、前述の実施例と同様、メンテナンスエリア１２の中心から左側半分について示し、温度条件も同様である。

この場合には、ＦＦＵ６の吸込空気の温度分布は、前述の実施例とほぼ同様に２１℃〜２２℃であるが、同じ温度範囲を示す領域が前述の実施例に比べるとやや広く、前述の実施例よりも更に温度が均一化されている。

図９は、図８と同じ位置における鉛直面の圧力分布を示す。天井面に近い位置の圧力が低く、衝突後の空気が、コアンダ効果により天井面に沿って流れる。このコアンダ効果で流れる低温の空調された空気と高温の還気は、天井面に沿って中央部から左右のＦＦＵ６のファン吸込口に達するまでの間に十分に混合され、均一に低温化した空気がＦＦＵ６のフィルタを通して清浄化され、クリーンエアとして作業エリア内にダウンフローで給気される。

上記の通り、還気吸込口３１の直上の給気ダクト２１の吐出口２２の高さを変えた場合、図１および図６の実施例のシミュレーション結果からわかるように、吐出口２２は、吸込口３１の直上で低い位置、すなわち吸込口３１に近接している方が温度分布が均一化する。これは、相互に近接している方が衝突する勢いが強く、混合作用が大きいためと考えられる。

しかし、吐出口２２をあまり下げすぎると、空調された低温吐出空気が、還気の吸込口３１を通してそのままメンテナンスエリアに逆流するおそれがある。クリーンルームの機能を十分発揮させるためには、このような吐出口２２と吸込口３１との間隔を最適に設定する必要がある、このためには、吐出口２２及び吸込口３１の大きさ、形状、数量、吐出量や還気量、温度条件、天井内の形状や大きさ、各種機器やダクト及び配管設備等の天井内配置状態を考慮して、個々のクリーンルームの状況や条件に合った最適な高さの位置に吐出口２２を設けることが好ましい。

このような吐出口２２の最適位置は、天井の形状や温度条件等に基づくシミュレーション計算により、クリーンルームの設計段階で設定することができる。

あるいは、実際の現場で空調給気ダクトや吐出口の施工時に、吐出口の位置を変えて、天井に備わるＦＦＵのファン吸込側または吐出側の温度を測定し、温度分布が最も均一化されているときの吐出口の位置をそのクリーンルームに合った最適な吐出口位置として、還気吸込口との間隔を設定してもよい。

図１０は、本発明の更に異なる実施例であり、還気の吸込口３１と吐出口２２との間隔を図６の実施例と同じ５００ｍｍとし、更に、ＦＦＵ６に隣接して天井３に鉛直方向の混合板７を設置したものである。混合板７の設置以外の構成は、図６の実施例と同様である。図１０において、白抜きの矢印は、空調された空気と還気との混合空気の流れを示す。

混合板７は、例えば木材や硬質合成樹脂等の板材からなり、メンテナンスエリア１２部分の天井３の上面に設置する。本実施例では、メンテナンスエリア１２側のＦＦＵ６端部に接した位置に設けているが、これよりもメンテナンスエリア１２の内側寄りに設けてもよい。

この混合板７により、空調された空気と還気がコアンダ効果で天井面に沿って流れる気流に対する邪魔板が形成され、気流が乱れて撹拌作用が高まり、混合が促進される。更に、気流が混合板７を乗り越えて流れるため、空気の流路が長くなり、天井室１３内での撹拌効果を高めて、ＦＦＵ６に吸い込まれる空気の温度分布が均一化される。また、図１０の白抜き矢印で示すように、天井３に沿って混合板７の下部に達した空気が、更に混合板７に沿って上昇し、ＦＦＵ６の上方へ流れ込む。その空気の流れる方向に従って、更にＦＦＵ６の上方に渦が形成され、空気の撹拌が行われ、ここでも混合作用が高められる。

図１１および図１２は、図１０の天井室１３内における温度分布をシミュレーション計算により求め、その分布を示した図である。図１１はＦＦＵ６の吸込位置の高さにおける水平面、図１２は給気ダクト２１の吐出口２２の位置における鉛直面の温度分布を示す。この場合も、前述の実施例と同様、メンテナンスエリア１２の中心から左側半分について示し、温度条件も同様である。

本実施例では、ＦＦＵ６の吸込空気の温度分布は、２２℃程度であり、前述の図１および図６の実施例と比較して、更に均一化されている。

図１３は、図１２と同じ位置における鉛直面の圧力分布を示す。この場合、ＦＦＵ６の上部に気圧の低い個所が生じ、渦が形成されることがわかる。

混合板７は、空調された空気の吐出口２２とＦＦＵ６との間の天井面に、コアンダ効果で流れる気流の邪魔板として設けられる。図１０の実施例では、作業エリア１１とメンテナンスエリア１２の境界部に混合板７を設けたが、これに限らず、メンテナンスエリア１２の中間部分の天井面に混合板７を設けてもよい。

混合板７の位置は、前述の空調された空気の吐出口２２の高さを設定する場合と同様に、シミュレーション計算により設計段階で、あるいは施工時に現場で混合板の位置を変えながら天井内ＦＦＵの吸込側または吐出側の温度を測定して温度分布を求めることにより、温度むらがなく最も均一化された分布状態のときの混合板の位置を、そのクリーンルームに合った最適な位置として定めることができる。

本発明は、高精度な温湿度調整を必要とする垂直一方向流方式のクリーンルームに適用できる。

本発明の実施の形態を示す概略図。 図１の天井室周辺の拡大図。 図２の水平面の温度分布図。 図２の鉛直面の温度分布図。 図２の鉛直面の圧力分布図。 本発明の異なる実施例を示す概略図。 図６の水平面の温度分布図。 図６の鉛直面の温度分布図。 図６の鉛直面の圧力分布図。 本発明の更に異なる実施例を示す概略図。 図１０の水平面の温度分布図。 図１０の鉛直面の温度分布図。 図１０の鉛直面の圧力分布図。

符号の説明

１：クリーンルーム、２：空調機、３：天井、４：間仕切り、５：床、６：ファンフィルタユニット（ＦＦＵ）、７：混合板、１１：作業エリア、１２：メンテナンスエリア、１３：天井室、１４：床下部、２１：給気ダクト、２２：吐出口、３１：吸込口、６１：ファンユニット、６２：高性能フィルタ。

Claims (3)

1. 隣接した作業エリア及びメンテナンスエリアを有し、該両エリアが共通のグレーチング構造の床から共通の天井までを間仕切りによって区分され、前記作業エリアの天井部に給気用のファンフィルタユニットが備わり、前記作業エリアを下降した給気が、前記床を介して前記メンテナンスエリアへ流入し、前記メンテナンスエリア内を上昇する還気として該メンテナンスエリアの天井に設けられた吸込口から天井室へ流入し、空調機により空調された空気と前記還気とを前記天井室内で混合し、該混合空気を前記ファンフィルタユニットを介して前記作業エリアへ送出するクリーンルームにおいて、
   前記天井室内で、前記吸込口に相対向して前記空調機から送られた空気の吐出口を設け、当該吸込口から吸い込まれた還気と前記吐出口から吐出された空気とを衝突させて混合させる混合スペースを前記吸込口の周囲に形成する混合板を、前記ファンフィルタユニットと前記吸込口との間の天井に設け、当該混合板の上縁は前記吐出口の高さより高い位置とし、
   前記衝突した空気は該衝突部から周囲へ流れ、該流れた空気は前記混合板に当たり、該混合板に沿って上昇し、該混合板を超えて前記各ファンフィルタユニットの上方へ流れ、該一連の流れにより前記二つの空気は攪拌混合され、前記ファンフィルタユニットから前記作業エリアへ給気される構成としたことを特徴とするクリーンルーム。
2. 前記吸込口直上の前記吐出口の位置を、前記ファンフィルタユニットを流通する混合空気の温度分布に基づいて設定することを特徴とする請求項１に記載のクリーンルームの設計施工方法。
3. 前記混合板の位置を、前記ファンフィルタユニットを流通する混合空気の温度分布に基づいて設定することを特徴とする請求項２に記載のクリーンルームの設計施工方法。

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