JP4931230B2 - クリーンルームの空調方法及び空調装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体や医薬品の製造ラインにおいて必須とされるクリーンルームの空調システムの改良に関し、特にスペース効率を向上させる必要があるクリーンルームに対して好適に適用されるものである。

今日、微細加工技術を必要とされる半導体等の工業分野や、高品質を要求される医薬品等の分野において、空気中の塵埃濃度を極力低レベルにコントロールした空間が必要とされ、システム天井（建物の屋根または上階スラブからかなり下方に格子状の枠材を配置した天井）にファンフィルタユニット（ＦＦＵ）を設置した多くの一方向流（層流）又は非一方向流（乱流）クリーンルームが提供されてきた。

今日の大規模クリーンルームにおいては、塵埃除去用のファンフィルタユニット（ＦＦＵ）に湿気除去用のドライコイル（ＤＣ）を併設した方式が一般的なシステムであるが、装置密度の増大により、設置スペースの確保が難しくなってきている。ドライコイルをダクト（シャフト）内に納める方式は、メンテナンススペースも考慮すると、クリーンルーム内に大きなスペース確保が必要になり、生産装置のレイアウトにもスペース上の制約が生じ、清浄度や温度制御が適切になされない欠点を生じつつある。

そこで、生産装置のレイアウトによってクリーンルームの配置が制限されることがないように、クリーンルームの清浄度と温度を最適にし、かつスペース効率を向上させながら短期の施工を確保できるような空調システムが必要となる。

特開２００２−３３３１８０「クリーンルーム用空調システム」では、クリーンルーム内部を複数の領域に分けて温度制御するために、天井部分の給気流路に複数のファン付きドライコイルユニットを配置し、かつ循環空気用ダクト（シャフト）を室内に設けている。このような配置ではダクトが大きな空間を占有し、スペース効率が低下する欠点がある。

特開２００２−１４７８１２「クリーンルーム用空調システム」では、クリーンルーム内部を複数の制御ゾーンに分けて温度制御するために、側方に給気流路を配置し、各制御ゾーンに対応した位置にファン付きドライコイルユニットを配置している。このような配置では側方の給気流路が大きな空間を占有し、スペース効率が低下する欠点がある。

特開２００１−１２４３８６「クリーンルーム」では、循環風量を少なくするために、エリア毎に設けられた短絡送風手段（連通路・ダクト）を設けて、エリア内の空気を個別エリア用チャンバに還流させて送るようにしている。このような配置では短絡風量が増加して清浄度が低下する欠点がある。

特開２００１−５６１４０「クリーンルーム」では、一方向流クリーンエリアと非一方向流クリーンエリアとが併設されたクリーンルームで、空気循環動力エネルギを少なくするために、垂直に垂れ下がる「垂れ壁」と、間仕切り壁とを設置して、気流の乱れを防止している。このような仕切り壁を多用した配置では清浄空気が均一にならず、スペース効率も低下する欠点がある。

上述したように、従来の方式では、ドライコイルがダクト（シャフト）内に収納されているので、メンテナンススペースも考慮すると、クリーンルーム内に大きなスペース確保が必要になり、生産装置のレイアウトにもスペース上の制約が生じ、清浄度や温度制御が適切になされない欠点がある。

そこで、本発明の主たる目的は、ドライコイルを収納するダクトを不要とし、スペース効率の向上を図ることにある。
本発明の他の目的は、天井部材上の給気流路における空気混合率を高め、給気温度を安定化させることにある。
本発明のさらに他の目的は、天井部材上の給気流路内が建物外部に比べて負圧になるのを防止し、外気の侵入を予防し、温度湿度のばらつきを小さくすることにある。

前述した課題を解決するため、本発明はその第１の態様として、クリーンルーム室の天井部材の上面に給気流路を設けると共にファンフィルタユニットを配置し、前記給気流路から前記ファンフィルタユニットを通過させてクリーンルーム室内に向けて清浄空気を送給するクリーンルームの空調方法を提供する。
この空調方法は、クリーンルーム室の床面にファン付きドライコイルを配置し、前記ファン付きドライコイルの上部に設けた空気吹き出しノズルから天井面に設けた開口部分に向けてクリーンルーム室内の還気空気を噴流にして吹き出させ、この噴流を前記開口部分から前記給気流路へと還流させると共に、前記ファン付きドライコイルの周囲からその内部へとクリーンルーム室内からの還気空気を誘引させ、前記噴流を前記給気流路の天井スラブに衝突させて前記給気流路内の空気を均一に混合させ、清浄空気を再循環させながら利用することを特徴とする。

さらに、本発明はその第２の態様として、クリーンルーム室の天井部材の上面に給気流路が設けられかつファンフィルタユニットが配置され、前記給気流路から前記ファンフィルタユニットを通過させられた清浄空気がクリーンルーム室内に向けて送給されるクリーンルームの空調装置を提供する。
この空調装置では、クリーンルーム室の床面にファン付きドライコイルが配置され、前記ファン付きドライコイルの上部に設けた空気吹き出しノズルから天井面に設けた開口部分に向けてクリーンルーム室内の還気空気が噴流にして吹き出させられるように配置され、この噴流が前記開口部分から前記給気流路へと還流させられると共に、前記ファン付きドライコイルはその周囲からその内部へとクリーンルーム室内からの還気空気を誘引するように配置され、前記噴流が前記給気流路の天井スラブに衝突させられて前記給気流路内の空気を均一に混合するように配置されており、清浄空気を再循環させながら利用することを特徴とする。

すなわち、本発明によるクリーンルームシステムでは、クリーンルーム全体の清浄度確保と温度制御を適切に行う循環送風は、システム天井に設置したファンフィルターユニット（ＦＦＵ）で行い、空調負荷処理用として床置きのファン付きドライコイル（ＦＤＣ）をクリーンルーム室内に露出設置し、上部の吹き出しノズルから噴流を適切な風速（８〜１５ｍ／ｓ）で吹き出させる。クリーンルームから一部の還気空気（使用済み空気）を誘引した噴流は、直上に設けたシステム天井の開口部分を通って天井内に吹き込まれ還気経路を形成する。風速は天井高さや吹き出し局部の圧力損失により決定される。従来型の還気用ダクト（シャフト）を不要とするシステムである。

好適には、ファン付きドライコイル（ＦＤＣ）の風量はクリーンルーム循環風量の７０〜９０％程度とし、クリーンルームから一部の還気空気を誘引（吸引）させる。噴流となった混合空気は天井部材の開口部分を通過して天井内のスラブに衝突することにより、むら無く均一に混合して、より一層混合率が高まり、温度制御に有利なシステムとなる。すなわち、クリーンルームから誘引空気として一部をバイパスさせ、ＦＤＣからの吹き出し風量と混合させるので、バイパス流を増大させればＦＤＣの設置台数を減らすことも可能になる。

このシステムは、天井内とクリーンルーム内で生じる差圧を利用し、還気ダクト（シャフト）あるいは「垂れ壁」等を敷設しなくてもその機能を損なうことなく温度制御が可能となる。これにより、ＦＤＣはクリーンルーム内のいずれの場所でも設置でき、物理的な制約から解放される。

天井部材がシステム天井の場合は、長方形のモジュールと呼ばれる長方形板を多数隣接させて形成することになる。モジュール寸法は任意で対応できるが、清浄度確保のための循環風量を担うファンフィルタユニット（ＦＦＵ）の製作上・性能上の制約やシステム天井の強度等によっても決定され、本システム導入のためには７５０×１５００ｍｍ、あるいは１０００×１５００ｍｍ等が現実的なモジュール寸法となる。システム天井以外の一般天井でも同様の考え方で対応できる。ＦＤＣを天井モジュールの幅に合わせて敷設することにより、システム天井のモジュール単位かそのいくつかの組み合わせで還気経路を形成でき、スペース効率が向上し、かつ製造装置のレイアウトの制約に対しても柔軟性があるシステムとなる。

クリーンルーム室内からの誘引空気量（バイパス量）は、室内温度の精度に応じて、ＦＤＣの設置容量（台数）で任意に設定することができる。
ファン付きドライコイル（ＦＤＣ）は必要に応じて、同様の機種を連結することにより、必要風量をモジュール化（集積化）して設置することができる。

配管工事もファン付きドライコイル（ＦＤＣ）の寸法に合わせてモジュール化することにより、省工事化を図ることができる。
本発明の空調システムは、床下にプレナム室がある場合にも同様に構築することができ、一方向流（層流）あるいは非一方向流（乱流）のいずれにおいても適用可能である。

本発明では、天井部材上の給気流路からクリーンルーム室へとＦＦＵのファンによって空気が送給されるので、給気流路内の気圧は必然的にクリーンルーム室内の気圧よりも低くなる。周知の外気処理調和機を用いて、例えば、システム天井内を＋３〜＋１０Ｐａ、クリーンルーム室内を＋１０〜＋３０Ｐａとして差圧を生じさせれば、ＦＤＣからの吹き出し空気量がクリーンルーム室内へ拡散することなしに、速やかに天井内へと導かれることになる。このことは、同時に、天井部材上の給気流路内が建物外部に比べて負圧になるのを防止し、外気の侵入を予防し、温度湿度のばらつきを低下させることにもなる。

本発明はその好適な例として、天井部材の開口部分の周囲からクリーンルーム室内へと垂下する垂れ壁を設けて、噴流が開口部分の外に逸出するのを防止することができる。

さらに好適な態様として、垂れ壁の下端を空気吹き出しノズルの上端よりも下方まで延伸させれば、噴流が開口部分の外に逸出するのをさらに確実に防止することができる。

また、さらに好適な態様として、垂れ壁の途中に貫通孔を設けて、この貫通孔が垂れ壁周囲のよどんだ空気を誘引するように構成することもできる。

本発明によれば、
（１）ファン付きドライコイルを収納するダクト（シャフト）が不要となり、ファン付きドライコイルをクリーンルーム室内の任意の位置に設置できるので、レイアウトの制限がなくなってスペース効率が向上する。
（２）独立した還気経路を設ける必要がなく、システム構築上の柔軟性が増して施工の工期短縮と施工品質の向上が図られる。
（３）噴流が天井部材上の給気流路に流入するので、給気流路における空気混合率が高められて給気温度が安定化する。
（４）ファン付きドライコイル本体の空気圧力損失を内蔵ファンで受け持つことにより、ファンフィルタユニットの空気圧力損失が低減でき、天井内も正圧にすることが可能になる。これにより、天井部材上の給気流路内が負圧になるのを防止し、外気の侵入を予防し、温度湿度のばらつきを小さくすることができる。
（５）システム天井がモジュール板の集合体で構成される場合は、モジュール単位で開口部分やＦＤＣを配置できるので、スペース効率が高められる。
以下、添付図面の実施例を参照しながら、本発明についてさらに詳述する。

図１乃至図３は、本発明の第１の好適な実施態様によるクリーンルームシステム１０を表しており、図１は平面図、図２は図１の線Ａ−Ａに沿う縦断面図、図３は図１の線Ｂ−Ｂに沿う縦断面図である。

図１に示すように、このクリーンルームシステム１０の天井部材１２は、７５０ｍｍ×１５００ｍｍのサイズのモジュール板１５が縦７列、横１１列にわたって隣接配置されてシステム天井を構成している。この天井部材１２上には、６個のファンフィルタユニット（ＦＦＵ）１４が設置され、その部分はモジュール板１５が取り外されている。中央部には本発明に基づく開口部分１６が形成され、この開口部分１６もモジュール板１５が取り外され、端縁が枠材で補強されて形成されている。

図１における開口部分１６の下方には、図２に示すように、クリーンルーム室２２の床面１３上にファン付きドライコイル（ＦＤＣ）１８が、１組３台連結された状態で２組、合計６台設置されている。図２において、上階スラブ１１と天井部材１２との間は給気流路２０となっており、ＦＦＵ１４を通過させた清浄空気をクリーンルーム室２２に向けて供給するようになっている。

本発明に従い、ＦＤＣ１８の本体の上部に吹き出し用ノズル２４が取り付けられており、クリーンルーム室内で周囲空気（バイパス流）を誘引させ、ノズル２４から天井面に向けて、周囲空気と還気空気２６との混合空気を噴流３０にして吹き出すようになっている。この噴流３０は天井部材に設けられた開口部分１６から給気流路２０へと流入する。すなわち、噴流となった混合空気は天井部材の開口部分を通過して天井内のスラブ１１に衝突することにより、むら無く均一に混合して、より一層混合率が高まり、温度制御に有利なシステムとなる。かくして、清浄空気が再循環させられながら利用されることになり、エネルギ効率が高められることになる。

このとき、クリーンルーム室２２内から還気空気が誘引空気として一部がバイパスさせられ、ＦＤＣからの吹き出し風量と混合させられることになるので、バイパス流を増大させればＦＤＣの設置台数を減らすことも可能になる。

図１乃至図３に示す例では、一例として、クリーンルーム室２２の高さＨは約４３００ｍｍ、ＦＤＣ本体部分１８の高さＦは１９５０ｍｍ、ＦＤＣを３個連結した組の幅Ｗは２４５０ｍｍ、ＦＤＣの組を配管で接続するための配管スペースの幅Ｐは２５１０ｍｍ、ＦＤＣ上部のノズル２４の外径は５００ｍｍ、ノズル２４の高さは７００ｍｍに設定することができる。

給気流路２０及びクリーンルーム室２２には、周知の外気処理調和機（図示せず）から温度調節された外気が供給されている。給気流路２０内からクリーンルーム室２２へとＦＦＵのファンによって空気が送給されるので、給気流路内の気圧は必然的にクリーンルーム室内の気圧よりも低くなる。本発明では、ＦＤＣをクリーンルーム室内に露出させて設置したので、ファンの効果と噴流の吹き出し作用によって還気経路全体での圧力損失が減少し、給気流路内が負圧になるのを防止している。かくして、給気流路に外気が侵入するのを予防し、温度湿度のばらつきを小さくすることができる。

図４は本発明の第２の好適な実施態様によるクリーンルームシステム４０を表しており、クリーンルーム室２２の床面１３の下方にプレナム室４２が設けられている例である。ＦＦＵから吹き出された清浄空気はクリーンルーム室２２を通過し、床面１３の貫通孔からプレナム室４２へと流入した後、再びクリーンルーム室２２へと送られる。このとき、床面１３に設置されたファン付きドライコイル（ＦＤＣ）１８がプレナム室４２内の還気空気２６を誘引し、ノズル２４から天井面に向けて混合空気を噴流３０にして吹き出させるようになっている。この噴流３０は天井部材に設けられた開口部分１６から給気流路２０へと流入する。図１乃至図３の第１の実施態様と同様に、噴流となった混合空気は天井部材の開口部分を通過して天井内のスラブ１１に衝突することにより、むら無く均一に混合して、より一層混合率が高まり、温度制御に有利なシステムとなる。かくして、清浄空気が再循環させられながら利用されることになり、エネルギ効率が高められることになる。

図５及び図６は、本発明の第３の好適な実施態様によるクリーンルームシステム５０を表しており、それぞれ図２及び図３に対応する縦断面図である。図２に示した噴流３０は、天井高さが特に高いような場合には、クリーンルーム室内へと逸出するのを防止することが望ましい。そこで、図５及び図６の実施態様では、天井部材１２の開口部分１６の周囲に沿って、クリーンルーム室２２内へと垂下するカーテン状の垂れ壁５２を設けて、噴流の一部が周囲に逸出するのを防止するようになっている。垂れ壁５２の高さＴは、一例として５００ｍｍに設定することができる。垂れ壁５２の材料は、樹脂製品や軽量金属などにすることができる。

図７及び図８は、本発明の第４の好適な実施態様によるクリーンルームシステム６０を表しており、それぞれ図２及び図３に対応する縦断面図である。図５に示した垂れ壁５２は、噴流の一部が周囲に逸出するのを防止することができるが、空気吹き出しノズル２４の上端から垂れ壁５２の下端まで距離が離れている。そこで、図７及び図８の実施態様では垂れ壁をさらに下方へと延伸させ、垂れ壁６２の下端が空気吹き出しノズル２４の上端よりもわずかに下方まで延伸しているように構成した。これにより、噴流の一部が周囲に逸出するのをほぼ完全に防止することができる。垂れ壁６２の高さＬは、一例として２０００ｍｍ、吹き出しノズル２４上へのかぶり代は３５０ｍｍ程度に設定することができる。

図９は、図５に示したクリーンルームシステム５０において、垂れ壁５２の周囲に空気の渦ができて、停滞した空気のよどみ５６，５８が発生する様子を表している。このようなよどみ５６，５８には塵埃が集積するおそれがある。

図１０は図９の状態を解消するための第５の実施態様によるクリーンルームシステム７０を表しており、垂れ壁５２の途中に貫通孔５４を複数個所にわたり穿設して、これらの貫通孔５４からよどんだ空気を誘引するようにした例である。貫通孔５４は円形又は縦長のスリット状に形成することができる。

垂れ壁の効果について、コンピュータ上で立体的なモデルを構築してシミュレーションを行った。垂れ壁の高さを２０００ｍｍ、５００ｍｍ、なしの３つの場合について、気流の流れによる温度分布の変化を計算した結果、
（１）垂れ壁がない場合でも、天井内にスムーズにドライコイルによる処理空気が流入していくことが確認できた。クリーンルーム内の温度分布も、垂れ壁がある場合とない場合とで大きな差異はなかった。
（２）清浄度に関しては、基準が厳しくない場合には、垂れ壁を５００ｍｍ程度にするか、垂れ壁なしとしても、実用上の問題はないことが判明した。

以上詳細に説明した如く、本発明によれば、ファン付きドライコイルをクリーンルーム室内の任意の位置に設置できるので、レイアウトの制限がなくなって、スペース効率が向上する。従来のように独立した還気経路を設ける必要がなく、システム構築上の柔軟性が増して施工の工期短縮と施工品質の向上が図られる。噴流が天井部材上の給気流路に流入するので、給気流路における空気混合率が高められて給気温度が安定化する。天井内を外気よりも正圧にすることが可能になり、外気の侵入を予防し、温度湿度のばらつきを小さくすることができるなど、その技術的効果には極めて顕著なものがある。

本発明の第１実施例によるクリーンルームシステムの平面図。 図１の線Ａ−Ａに沿う縦断面図。 図１の線Ｂ−Ｂに沿う縦断面図。 本発明の第２実施例によるクリーンルームシステムの縦断面図。 本発明の第３実施例によるクリーンルームシステムの縦断面図。 本発明の第３実施例によるクリーンルームシステムの縦断面図。 本発明の第４実施例によるクリーンルームシステムの縦断面図。 本発明の第４実施例によるクリーンルームシステムの縦断面図。 本発明の第３実施例における空気のよどみを表す縦断面図。 本発明の第５実施例によるクリーンルームシステムの縦断面図。

符号の説明

１０，４０，５０，６０，７０ クリーンルームシステム
１２ 天井部材
１３ 床面
１４ ＦＦＵ
１６ 開口部分
１８ ＦＤＣ
２０ 給気流路
２２ クリーンルーム室
２４ 吹き出しノズル
２６ 還気空気
３０ 噴流
５２，６２ 垂れ壁
５４ 貫通孔

Claims (5)

1. クリーンルーム室の天井部材の上面に給気流路を設けると共にファンフィルタユニットを配置し、前記給気流路から前記ファンフィルタユニットを通過させてクリーンルーム室内に向けて清浄空気を送給するクリーンルームの空調方法であって、
   クリーンルーム室の床面にファン付きドライコイルを配置し、
   前記ファン付きドライコイルの上部に設けた空気吹き出しノズルから天井面に設けた開口部分に向けてクリーンルーム室内の還気空気を噴流にして吹き出させ、
   この噴流を前記開口部分から前記給気流路へと還流させると共に、前記ファン付きドライコイルの周囲からその内部へとクリーンルーム室内からの還気空気を誘引させ、
   前記噴流を前記給気流路の天井スラブに衝突させて前記給気流路内の空気を均一に混合させ、
   清浄空気を再循環させながら利用することを特徴とするクリーンルームの空調方法。
2. クリーンルーム室の天井部材の上面に給気流路が設けられかつファンフィルタユニットが配置され、前記給気流路から前記ファンフィルタユニットを通過させられた清浄空気がクリーンルーム室内に向けて送給されるクリーンルームの空調装置であって、
   クリーンルーム室の床面にファン付きドライコイルが配置され、
   前記ファン付きドライコイルの上部に設けた空気吹き出しノズルから天井面に設けた開口部分に向けてクリーンルーム室内の還気空気が噴流にして吹き出させられるように配置され、
   この噴流が前記開口部分から前記給気流路へと還流させられると共に、前記ファン付きドライコイルはその周囲からその内部へとクリーンルーム室内からの還気空気を誘引するように配置され、
   前記噴流が前記給気流路の天井スラブに衝突させられて前記給気流路内の空気を均一に混合するように配置されており、
   清浄空気を再循環させながら利用することを特徴とするクリーンルームの空調装置。
3. 前記天井部材の前記開口部分の周囲からクリーンルーム室内へと垂下する垂れ壁が設けられ、この垂れ壁の下端が前記空気吹き出しノズルの上端から距離が離れている請求項２記載の空調装置。
4. 前記天井部材の前記開口部分の周囲からクリーンルーム室内へと垂下する垂れ壁が設けられ、この垂れ壁の下端が前記空気吹き出しノズルの上端よりもわずかに下方まで延伸している請求項２記載の空調装置。
5. 前記垂れ壁の途中に貫通孔が設けられ、この貫通孔が垂れ壁周囲のよどんだ空気を誘引するようになっている請求項３又は４記載の空調装置。

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