JP4736059B2 - 層流形クリーンルームの気流供給システム - Google Patents

Description

本発明は、層流形クリーンルームの気流供給システムに関し、より詳しくは、層流形クリーンルームの作業空間と外壁との間に設けられた気流通路に適用され、濾過モジュールのそれぞれが線形通気路に対応し、線形通気路のそれぞれが吸気ユニットに対応するようにクリーンルームが形成される均一気流供給システムに関するものである。

従来、産業界では、高清潔度の層流形クリーンルームにおける製造工程の汚染を効率よく排除し、製造工程の歩留まりを向上させるために、フルカバー式の送風ファンフィルタセットと高架の開口空気環流フロアとの組み合わせにより層流形気流場を生成する方法が多く採用されている。

図１に示すように、半導体製造工場等におけるクリーンルーム１の作業空間１０の天井１１は、骨組み設計を利用して格子状に配置され、骨組みによって形成された格子空間内にフィルタ１２がそれぞれ設けられ、フィルタ１２のそれぞれが送風ファン１３及びハウジングと組み合わされて、送風ファン１３の駆動により、クリーンルーム１の作業空間１０の天井１１上方の空気を吸い込み、ハウジング内の空気静圧を上昇させることで、フィルタを通過させ排出気流１２を形成する。このように、フィルタによって濾過させられた清潔な気流は、クリーンルーム１の作業空間１０に入った後、下方へ流動しつづけ、クリーンルーム１の作業空間１０内の汚染物をクリーンルーム１の作業空間１０下方の開口フロア１４へと導かれ、開口フロア１４の孔を通して汚染物を含有する気流が開口フロア１４下方の空間へと誘導され、外部空気１５と混合された後、再び空気がクリーンルーム１の作業空間１０の天井１１上方へ導かれるように気流を循環させつづけることにより、クリーンルーム１の作業空間１０内の空気が清潔に維持される。

しかしながら、上述のクリーンルームは、フィルタと送風ファンとの組み合わせによって層流形気流場を生成しているため、大型のクリーンルームには、大量の送風ファンフィルタセットが必要となり、このような高使用量に伴って、電力消費または保守維持のコストも大幅に増大している。

従って、上述の従来技術の問題を解決するための層流形クリーンルームの気流供給システムを如何にして提供するかが、この領域において極めて重要な課題となっている。

そこで、以上のとおりの事情に鑑み、本発明は、コスト節約のために、低電力消費及び低メンテナンス費用のクリーンルーム気流供給システムを提供することを課題とする。

上述の課題を解決するために、本発明に係る、クリーンルームの作業空間と外壁との間に設けられた気流通路に適用される層流形クリーンルームの気流供給システムは、気流通路に対応してクリーンルームの作業空間の底部に設けられ、且つ孔が設けられている空気環流フロアと、クリーンルームの外壁に設けられ、外気送風ダクトと通風システム外気空調ボックスが接続され、外部の空気を気流通路に導入する外気導入口と、気流通路に設けられた複数の吸気ユニットと、それぞれが各吸気ユニットに対向してクリーンルームの作業空間の頂部に設けられ、気流通路に対応して設けられた複数の線形通気路と、それぞれが各線形通気路に対向してクリーンルームの作業空間の頂部に設けられた複数の濾過モジュールと、を備えている。

上述のように、クリーンルームの層流形気流供給システムは、空気環流フロアの孔及び外気導入口を通して、それぞれ、作業空間の空気を導出し、外部の空気を気流通路に導入する。そして、これらの空気が気流通路において混合された後、混合された空気を吸気ユニットを介して線形通気路に導入することで、その内部の空気静圧を、濾過モジュールを通過させる圧力に上昇させ、排出気流を形成する。線形通気路の長さが数メートルに達する場合があり、その内部の静圧分布が不均一であるため、濾過モジュールの抵抗の変化によって濾過モジュール表面の排出気流の速度を均一化するとともに、当該排出気流を濾過させることによりクリーンルームの作業空間に導入する。変形例として、まず、線形通気路の構造変化によって線形通気路内においてその内部の圧力を均一化させてから、濾過モジュールを介して排出気流の方向を一致させるとともに、当該排出気流を濾過させることによりクリーンルームの作業空間に導入する。この速度が均一化された気流は、クリーンルームの作業空間を通過した後、空気環流フロアを通過して気流通路に入る。このように前述の工程を続けて行うことにより、クリーンルームの作業空間内の空気を清潔にすることができる。

本発明に係る好ましい実施形態においては、吸気ユニットは送風ファンであり、線形通気路は送風ダクトによって形成され、線形通気路の構造変化とは送風ダクトの高さ寸法の変化であり、濾過モジュールのそれぞれは、複数の濾過ユニットを有しており、濾過ユニットはフィルタである。

従来技術と比較して、本発明に係るクリーンルームの気流供給システムは、主に、濾過モジュールのそれぞれが線形通気路に対応し、線形通気路のそれぞれが吸気ユニットに対応する方法によって気流が形成されているため、吸気ユニットの使用量、即ち送風ファンの使用量を節約することが可能となり、すなわち、電力消費及び保守維持等のコストを節約できるようになっている。

以下、本発明を実施の形態に基づいてさらに詳細に説明するが、本発明は、これらの実施の形態に限定されるものではなく、この技芸に習熟した者は本明細書に記載の内容によって簡単に本発明のその他の利点や効果が理解できる。本発明は、さらにその他の異なる具体的な実施形態に基づいて実施や応用を行うことができ、本明細書における各細部の内容についても、異なる観点や応用に基づいて、本発明の技術思想の範囲内で数々の修飾や変更が可能であることは言うまでもない。

図２Ａ及び図２Ｂはそれぞれ、本発明に係る層流形クリーンルームの気流供給システムの実施形態１の平面及び立体を模式的に示した図である。この図に示すように、層流形クリーンルームの気流供給システム２は、クリーンルーム３の作業空間３０と外壁３１との間に設けられた気流通路３２に適用され、空気環流フロア２０、外気導入口２１、複数の吸気ユニット２２、複数の線形通気路２３、及び複数の濾過モジュール２４を備えている。

以下、本発明に係る層流形クリーンルームの気流供給システム２の実施形態１の上記各要素について説明する。

空気環流フロア２０は、気流通路３２に対応してクリーンルーム３の作業空間３０の底部に設けられ、かつ孔が設けられている。本実施形態においては、空気環流フロア２０は高架フロアであり、孔を介して作業空間３０の空気を導出する（矢印で示す）。

外気導入口２１は、クリーンルーム３の外壁３１に設けられ、外気送風ダクトと通風システム外気空調ボックスが接続され、外部の空気を気流通路３２に導入する。本実施形態においては、外気導入口２１は、外部空気を気流通路３２に導入する（矢印で示す）。ここで注意すべきは、外気送風ダクト及び通風システム外気空調ボックスは、本発明の主要技術内容ではなく従来技術の範囲であるため、図示していないことである。

複数の吸気ユニット２２は、気流通路３２に設けられている。本実施形態においては、吸気ユニット２２は送風ファンであり、空気の駆動により気流を生成する。図２Ｂに示すように、１２個の吸気ユニット２２を交互に気流通路３２に配列しているが、実際の実施方法はこれに限定されるものではない。実際に実施する場合は、必要に応じて複数の吸気ユニット２２の配列方式およびその数量を調整することができる。

複数の線形通気路２３は、線形通気路２３のそれぞれが吸気ユニット２２に対応する形でクリーンルーム３の作業空間３０の頂部において気流通路３２に設けられている。本実施形態においては、線形通気路２３は、送風ダクトによって形成され、気流がクリーンルーム３の作業空間３０へ流動する通路として使用されている。図２Ｂに示すように、１２個の線形通気路２３を模式的に示しているが、実際の実施方法はそれらに限定されるものではない。実際に実施する場合は、必要に応じて複数の線形通気路２３の数量を調整することができる。

複数の濾過モジュール２４は、濾過モジュール２４のそれぞれが線形通気路２３に対応する形でクリーンルーム３の作業空間３０の頂部に設けられている。本実施形態においては、濾過モジュール２４のそれぞれは、複数の濾過ユニットを有し、当該濾過ユニットはフィルタであって、図２Ｂに示すように、濾過モジュール２４のそれぞれが６つの濾過ユニットを有している（線形通気路２３のそれぞれに描かれた格子が一つの濾過ユニットに対応している）ことを模式的に示しているが、実際の実施方法はそれらに限定されるものではない。実際に実施する場合は、必要に応じて濾過モジュール２４のそれぞれの濾過ユニットの数量を調整することができる。

上述のように、層流形クリーンルームの気流供給システム２の作業方式は、空気環流フロア２０の孔及び外気導入口２１を介して、それぞれ、作業空間３０の空気を導出し、外部空気を気流通路３２に導入する。それらの空気が気流通路３２において混合された後、混合された空気を吸気ユニット２２を介して線形通気路２３に導入することで、線形通気路２３の内部の空気静圧を、濾過ユニット（フィルタ）を通過させる圧力に上昇させ、排出気流を形成する。線形通気路２３の長さが数メートルに達する場合があり、線形通気路２３の内部の静圧分布が不均一であるため、濾過モジュール２４の抵抗の変化によって濾過ユニット（フィルタ）表面の排出気流の速度を均一化するとともに、排出気流を濾過させることによりクリーンルーム３の作業空間３０に導入する。変形例として、まず、線形通気路２３の構造変化によって線形通気路２３内においてその内部の圧力を均一化させてから、濾過モジュール２４を介して排出気流の方向を一致させるとともに、当該排出気流を濾過させることによりクリーンルーム３の作業空間３０に導入する。この速度を均一化させた気流は、クリーンルーム３の作業空間３０を通過した後、空気環流フロア２０を通過して気流通路３２に入る。このように前述の工程を続けて行うことにより、クリーンルーム３の作業空間３０内の空気を清潔にすることができる。ここで、線形通気路２３の構造変化とは、例えば、送風ダクトの高さ寸法の変化を指す。

上述のように、本発明に係る層流形クリーンルームの気流供給システム２は、２種類の方法によりクリーンルーム３の作業空間３０に導入される気流の速度および方向を一致させることができる。即ち、濾過モジュール２４のいずれの濾過ユニット（フィルタ）から気流をクリーンルーム３の作業空間３０に導入しても、気流の排出速度及び方向はすべて同一となる。以下、この２種類の方式の実施形態について詳しく説明する。

（１）第１の方式では、濾過モジュール２４の抵抗変化を通じて、フィルタの排出気流の速度を均一化させ、気流の方向を一致させるとともに、気流を濾過させることによりクリーンルーム３の作業空間３０に導入する。一般に高さ寸法が一致した、即ち、変化しない線形通気路２３の内部圧力は、送風ダクトの長さ、送風ダクトの高さ、送風量及びフィルタ抵抗に応じて変化する。例えば、線形通気路２３の通気路の外観（送風ダクト）の規格は以下の通りである。通気路の長さが３５００ｍｍであり、幅が１０００ｍｍであり、通気路気流入口における高さ寸法が２００ｍｍであり、フィルタ抵抗が１４０Ｐａ（Ｖ＝０．５ｍ／ｓである場合）であり、線形通気路２３の風量が２０ｃｍｍ（ｃｍ³／ｍｉｎ）から７０ｃｍｍ（ｃｍ³／ｍｉｎ）まで増加される場合、各風量における送風ダクト通路の各部の圧力の勾配変化は図３に示す通りである。

固定風量の場合、送風ダクトの各部に抵抗の異なるフィルタ（濾過モジュール２４の濾過ユニット）が設けられることにより送風を均一化させる効果を得ることができる。フィルタ（濾過モジュール２４の濾過ユニット）の抵抗分布曲線は、実際の送風ダクト通路の各部分の内外圧力の差に応じて導出される（図４Ａ及び図４Ｂに例示されているように、図４Ａは平均風速が０．３３ｍ／ｓの場合のフィルタ抵抗分布曲線であり、図４ｂは平均風速が０．５ｍ／ｓの場合のフィルタ抵抗分布曲線である）。

ここで注意すべきは、実際に実施する場合、フィルタ抵抗は、完全に抵抗分布曲線に応じて作成することは難しいが、抵抗を段階的に変更することにより送風の均一度を改善することができることである。また、送風量（風速）が変更された場合、最適なフィルタの抵抗分布曲線もそれに伴って変更される。従って、適度な抵抗を有するフィルタを段階的に選択する方法は、圧力の均一度を改善することはできるが、不特定の風量に対する改善程度は、風速の差異（風速差異＝実際の使用風速―所定の風速）の増加に応じて逓減する。

（２）第２の方式では、まず線形通気路２３の構造変化を通じて線形通気路内において通気路内部の圧力を均一化させてから、濾過モジュール２４を通じてフィルタの排出気流の方向を一致させ、気流を濾過させることによりクリーンルーム３の作業空間３０に導入する。この構造変化の数学モデルは、主に、気流が線形通気路２３において検査体（ｃｏｎｔｒｏｌ ｖｏｌｕｍｅ）内を微小距離（ｄｘ）移動したときの流速及び圧力の変化に応じて導き出され、濾過モジュール２４の濾過ユニット（フィルタ）を経由した気流の風速及び抵抗との関係式を構築したものである。図５に示すように、微小検査体内において、気流の入口流速がｕ_iである場合、ｄｘ下流側では、流速はｕ_i+1となり、濾過モジュール２４の濾過ユニット（フィルタ）の排出風速はｖ_nとなる。気流の出口が大気状態（ｕ_i+1の方向）であるため、Ｘ軸方向に沿った圧力分布はｐ（ｘ）＝Ｐａであり、圧力の変化はゼロとなる。従って、運動量方程式（ｍｏｍｅｎｔｕｍ ｅｑｕａｔｉｏｎ）は式（１）の通りである。

ここで、β値は動量分布比値であり、ｒは高さ寸法である。

また、連続方程式（ｃｏｎｔｉｎｕｉｔｙ ｅｑｕａｔｉｏｎ）（式（２）に示す）により、濾過モジュール２４の濾過ユニット（フィルタ）の排出風速ｖ_nと線形通気路２３の気流流速ｕとの関係式（式（３）に示す）を導き出すことができる。

ｄｐ＝０（圧力変化）であるため、式（１）を無次元（ｎｏｎ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｌｅｓｓ）した後、式（４）を得ることができる。

線形通気路２３の気流場を乱流状態と見なすことができるため、Ｂｌａｓｉｕｓ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ及びｔｕｒｂｕｌｅｎｔ ｆｌｏｗ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｐｒｏｆｉｌｅを式（３）に代入することにより、一次運動量方程式を得ることができる。詳細な導出については、Ａｌｂｅｒｔ Ｌ． Ｌｏｅｆｆｌｅｒ， Ｔｕｒｂｕｌｅｎｔ Ｆｌｏｗ Ｔｈｒｏｕｇｈ Ｐｏｒｏｕｓ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｓ Ｓｌｉｇｈｔｌｙ Ｉｎｃｌｉｎｅｄ Ｔｏ Ｔｈｅ Ｆｌｏｗ Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ， Ｎａｔｉｏｎａｌ Ａｄｖｉｓｏｒｙ Ｃｏｍｍｉｔｔｅｅ Ｆｏｒ Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ， ＮＡＣＡ， Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｎｏｔｅ ４２２１．を参照。

前記一次運動量方程式によれば、線形通気路２３の構造設計（送風ダクトの高さ寸法設計）を行うことができる（ｒ又はｙ：高さ寸法、ｘ：通気路位置）。図６は、線形通気路２３の構造設計のサンプルを示しており、通気路の外観（送風ダクト）における通気路の長さが３５００ｍｍであり、通気路の幅が１０００ｍｍであり、通気路の気流入口における高さ寸法が２００ｍｍであり、フィルタの抵抗が１４０Ｐａ（Ｖ＝０．５ｍ／ｓである場合）である。

さらに、図７Ａ及び図７Ｂはそれぞれ、本発明に係る層流形クリーンルームの気流供給システムの実施形態２の平面及び立体を模式的に示した図である。図に示すように、この実施形態２と前記実施形態１との差異は、本発明に係る層流形クリーンルームの気流供給システム２の外気導入口２１、複数の吸気ユニット２２、複数の線形通気路２３の設置位置にある。この実施形態２のように層流形クリーンルームの気流供給システム２の各要素の配置を行う場合、使用空間が節約され、それによって、空間利用率が向上するため、小型のクリーンルーム３に適用されることが可能となる。

上述のように、本発明に係る層流形クリーンルームの気流供給システムは、主に、空気環流フロア、外気導入口、複数の吸気ユニット、複数の線形通気路、及び複数の濾過モジュールを備え、これらの要素の相互の組み合わせにより、クリーンルーム内において風速が均一で方向が一致した気流を生成し、クリーンルームの作業空間内の空気を清潔にすることができる。従来技術と比較して、本発明に係るクリーンルーム気流供給システムは、吸気ユニットの使用量を低減させるために、主に、濾過モジュールのそれぞれが線形通気路に対応し、線形通気路のそれぞれが吸気ユニットに対応する方法によって気流が形成されており、従って、電力消費及び保守維持等のコストを節約できるようになっている。

上記の実施形態は本発明の原理と効果を例示する目的で示すものに過ぎず、本発明は、これらによって何ら限定されるものではない。本発明に係る実質的な技術内容は、下記の特許請求の範囲に定義される。本発明はこの技術分野に精通したものが本発明の要旨から逸脱しない範囲で種々の修飾や変更が可能であり、そうした修飾や変更は本発明の技術範囲に入るものである。

従来のクリーンルームを模式的に示した平面図である。 本発明に係る層流形クリーンルームの気流供給システムの実施形態１を模式的に示した平面図である。 本発明に係る層流形クリーンルームの気流供給システムの実施形態１を模式的に示した立体図である。 本発明に係る層流形クリーンルームの気流供給システムの送風ダクトの各風量における通路内部各部分の圧力勾配の変化を模式的に示した図である。 本発明に係る層流形クリーンルームの気流供給システムのフィルタの異なる風速における抵抗分布曲線を模式的に示した図である。 本発明に係る層流形クリーンルームの気流供給システムのフィルタの異なる風速における抵抗分布曲線を模式的に示した図である。 本発明に係る層流形クリーンルームの気流供給システムの通気路の分析のための図である。 本発明に係る層流形クリーンルームの気流供給システムの線形通気路の構造設計例を模式的に示した図である。 本発明に係る層流形クリーンルームの気流供給システムの実施形態２を模式的に示した平面図である。 本発明に係る層流形クリーンルームの気流供給システムの実施形態２を模式的に示した立体図である。

符号の説明

２ 気流供給システム
３ クリーンルーム
２０ 空気環流フロア
２１ 外気導入口
２２ 吸気ユニット
２３ 線形通気路
２４ 濾過モジュール
３０ 作業空間
３１ 外壁
３２ 気流通路

Claims (4)

1. クリーンルームの作業空間と外壁との間に設けられた気流通路に適用される層流形クリーンルームの気流供給システムにおいて、
   前記気流通路に対応して前記クリーンルームの作業空間の底部に設けられ、孔が設けられている空気環流フロアと、
   前記クリーンルームの外壁に設けられ、外気送風ダクトと通風システム外気空調ボックスが接続され、外部の空気を前記気流通路に導入する外気導入口と、
   前記クリーンルームの作業空間の側縁に沿って前記気流通路に設けられた複数の吸気ユニットと、
   前記クリーンルームの作業空間の頂部において、前記吸気ユニットのそれぞれに対応して前記クリーンルームの作業空間の頂部の前記側縁に直交する方向に延びて前記気流通路に設けられた複数の線形通気路と、
   前記線形通気路のそれぞれに対向して前記クリーンルームの作業空間の頂部に設けられた複数の濾過モジュールと、を備え、
   前記複数の濾過モジュールのそれぞれは、複数の濾過ユニットを備え、
   前記濾過ユニットは、各前記線形通気路の各部分の内外圧力の差に応じて各前記線形通気路の各部分にそれぞれ設けられ且つ前記線形通気路に沿って段階的に異なる抵抗を有するフィルタであり、
   空気を、異なる抵抗を有する前記フィルタに通すことにより、送風気流を均一化させることを特徴とする層流形クリーンルームの気流供給システム。
2. 前記線形通気路内部の高さ寸法を変更して前記線形通気路内部の圧力を一致させることを特徴とする請求項１に記載の層流形クリーンルームの気流供給システム。
3. 前記吸気ユニットは、送風ファンであることを特徴とする請求項１に記載の層流形クリーンルームの気流供給システム。
4. 前記線形通気路は、送風ダクトから形成されていることを特徴とする請求項１に記載の層流形クリーンルームの気流供給システム。

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