戸田建設

技術研究報告第35号

クリーンルームにおける室圧変動に関する実験的研究
その 3

室圧制御下における定常時の室圧変動に関する実験岩村多美勇 *2 永井 裕之 *3
長野 耕司 *4 栗木茂 *1
5
新宮守 * 渡邊 義明 *6
野沢 勇樹 *3 久保 夏希 *4
齊藤充 *7

村江行忠 *1

概要

本報告は、室圧制御ダンパ（以下、PCD）による室圧制御下における定常時の室圧変動に影響を与える要因とPCD の制御パラメータ（感度）による違いを明らかにするために行った、ダクト接続状況、気密性、風量に着目した実験の概要である。
実験の結果、室圧制御下における定常時の室圧変動に対して、1）ダクト接続に関しては PCD の前後に直管を設けることにより変動を小さくできる、2）気密性と風量に関してはその比（漏気率）が小さい場合は非常に変動が大きくなる、3）PCD の感度に関しては、感度が鈍いほうが定常時の変動が小さいことから、感度の調整が室圧変動の緩和に有効である、などの知見を得た。

Experimental Study on Room Pressure Fluctuation at Cleanroom
Part 3 Experiments on Room Pressure Fluctuation in Steady Conditions
Under Room Pressure Controlled
Yukitada MURAE*1
Hiroyuki NAGAI*3
Shigeru KURIKI*1
Yoshiaki WATANABE*6
Natsuki KUBO*4

Tamio IWAMURA*2
Koji NAGANO*4
Mamoru SHINGU*5
Yuki NOZAWA*3
Mitsuru SAITO*7This Paper is the Outline of Experimental Study on Room Pressure Fluctuation Factor in Steady Conditions at Pressure Controlled
Room by Pressure Control Damper (PCD).
The Results are following that, 1)Ductwork with Straightduct in the Upstream and the Downstream of the PCD was Preferable.
2)When the Ratio of Air Leakage and Supply Air Volume(Air Leakage Ratio) was Small, the Large Fluctuations was Caused.
3)Operating PCD Gradually is Effective for the Pressure Fluctuation Factor in Steady Conditions.

*1 技術研究所 *2 建築購買部 *3 設備設計部 *4 エンジニアリング部 *5 建築設備部*6 関東支店 建築設備部 *7 岡谷精立工業*1
Technical Research Institute *2Building Purchase Department *3Equipment Design Department *4Engineering Department*5
Building Equipment Department *6Kanto Branch Building Equipment Department *7Okaya Seiritsu Engineering2クリーンルームにおける室圧変動に関する実験的研究

クリーンルームにおける室圧変動に関する実験的研究
その 3

室圧制御下における定常時の室圧変動に関する実験
村江
長野
渡邊

１．はじめに

岩村多美勇 *2
栗木茂 *1
野沢 勇樹 *3２．実験概要実験装置概要を表− 1、図− 1 に、実験ケースを表− 2 に示す。実験は室間の扉を開放した実験用クリー
ンルーム 2）の 2 室を用い、Room-3 の排気側に設けた圧力偏差によるダンパ速度制御方式の PCD によりRoom-3 の圧力が 30Pa となるように制御を行った。
実験条件としては、既報 3,4）による室圧の制御性に関する検討結果を踏まえ以下の通りとした。
（1）ダクト接続パターンとして PCD 前後の直管長を変えた図− 1 に示す 4 パターンとした。
実験装置概要項目概要・容積；3.6x2.7x2.2m（h） 21.38m3x2 室
実験室・CR 用断熱パネル＋シール・漏気量；41m3/h（30Pa）
・吹出：680x680mmx2 箇所
給・排気口・排気；240x240mmx1 箇所
・610x610xd150mm
HEPA・捕集効率；99.97％
・初期圧損失；249Pa
・排気；片吸込シロッコファン 0.75kw
・給気；片吸込シロッコファン 2.2kw
ファン・給気ダクト静圧（INV 制御）；450Pa
・排気ダクト静圧（INV 制御）；200Pa・給気主ダクト；亜鉛鉄板ダクト 400x400mm
・給気枝ダクト；亜鉛鉄板スパイラルダクト
ダクト
φ 200mm・排気ダクト；亜鉛鉄板ダクト 300x300mm
・ダンパ；300 × 300mm、対向 2 枚翼
室圧制御 ・制御器；圧力偏差ダンパ速度制御方式
ダンパ
サイクルタイム；1.0s（PCD） ・検出部；± 100Pa（精度± 2％ F.S.）
サンプリング周期；200ms
風量測定 ・整流機構付き複合式ピトー管・給気；シリコンダイヤフラム式
差圧計
100Pa（0.8％ FS）、応答速度；250ms（動圧用） ・排気；シリコンダイヤフラム式± 100Pa（1.5％ FS）、応答速度；50ms

図− 1

データロガ・サンプリング周期；100ms*1 技術研究所 *2 建築購買部 *3 設備設計部*6 関東支店 建築設備部 *7 岡谷精立工業

永井 裕之 *3
新宮守 *6
久保 夏希 *4
齊藤充 *7（2）気密性については、実験室に開口を設けない状態を高気密として、100cm2（中気密）、400cm2（低気密）の開口を設けた 3 パターンとした。
（3）風量は 2 室を同風量として給気風量をボリュームダンパにより換気回数 20、30、40 回換気 /h となるように調節して固定した。
（4）PCD 感度はフルスケール（200Pa）に対する比例制御帯の割合（リセットバンド。以下、RB）を感度が鈍い順に、非稼動、160％、80％、40％、20％とした。
なお、PCD の他の設定値としては不感帯をフルスケールの 1％、制御サイクルタイムは 1 秒に固定した。
測定は PCD に内蔵されている圧力センサーにより検出された天井裏を基準圧とした差圧（以下、室圧）、複合式ピトー管と差圧計で得られる給気、排気の動圧をデータロガにより 1 ケースにつきサンプリング間隔100ms で 1 分間記録した。

製薬工場などのクリーンルームにおける室圧制御に関しては、省エネルギーなどの観点から室間差圧を極力小さくすることが望まれている 1） が、室間差圧が小さい場合には定常時の圧力変動によっても、クロスコンタミネーションのリスクが増大することが懸念される。
本報では、室圧制御ダンパ（以下、PCD）による室圧制御下における定常時の室圧変動に影響を与える要因と PCD の制御パラメータ（感度）による違いを明らかにするために、ダクト接続状況、気密性、風量に着目した実験を行ったのでその概要を報告する。

表− 1

行忠 *1
耕司 *4
義明 *6

*4 エンジニアリング部

2-

*5 建築設備部

実験装置概要戸田建設

３．実験結果3.1 変動幅の全体的な傾向と平均圧力について
図− 2 にすべての実験ケースにおける室圧の平均値、最大値、最小値を、図− 3 に気密性が異なる場合の室圧変動の例を示す。
変動幅（最大値と最小値の差）は実験条件により大きく異なり、ケース 0D − H − 30 − 40 の 16.2Pa が最も大きく、ケース 4D − L − 20 − 80 で 1.5Pa が最も小さかった。全体的には高気密の実験ケースにおいて図− 3 に示すように変動幅が大きい傾向が見られた。
また平均圧力については、高気密の場合に設定圧力（30Pa）よりやや小さくなるケースが見られた。これは PCD に使用したダンパの機械的特性によるものと思われる。図− 4 にダンパの特性曲線 5）を示すが、実験時のダンパ羽根角度（高気密時で 45°）付近では下に凸のカーブであり、ダンパが開く（排気量が増える）方向のほうが閉まる方向に比べて同じ角度でも風量の変化が大きくなる。したがって特に変動が大きい場合に平均を求めると設定値より小さくなる可能性があるものと考えられた。

表−２

実験ケース

ダクト接続
パターン
0D − 0D
1D − 7D
7D − 1DCASE

気密性換気回数

PCD 感度（RB）

0D − H − 30 − 40
1D − H − 30 − 4030/h
40％
7D − H − 30 − 40
4D − H − 20 − 8080％
4D − H − 20 − 4020/h
40％
4D − H − 20 − 2020％
高気密
4D − H − 30 − N30/h （PCD 非稼動）
4D − H − 30 − 160160％（開口ナシ）
4D − H − 30 − 8080％
30/h
4D − H − 30 − 40
40％
4D − H − 30 − 2020％4D − H − 40 − 8080％
4D − H − 40 − 4040/h
40％
4D − H − 40 − 2020％
4D − M − 20 − 80
80％
4D − M − 20 − 4020/h
40％
4D − M − 20 − 2020％
4D − M − 30 − 80 4D − 4D 中気密
80％
4D − M − 30 − 4030/h
40％
24D − M − 30 − 2020％（＋ 100cm ）4D − M − 40 − 8080％
4D − M − 40 − 4040/h
40％
4D − M − 40 − 2020％
4D − L − 20 − 8080％
4D − L − 20 − 4020/h
40％
4D − L − 20 − 2020％
4D − L − 30 − 80
低気密80％
4D − L − 30 − 4030/h
40％
24D − L − 30 − 20（＋ 400cm ）20％
4D − L − 40 − 80
80％
4D − L − 40 − 4040/h
40％
4D − L − 40 − 2020％

3.2 ダクト接続について
図− 5 にダクト接続パターンによる違いについて、
高気密、風量 30 回換気 /h、PCD 感度（RB）40% における室圧変動の標準偏差と変動幅を示す。
給気動圧についてダクト接続パターンによる差は見られなかったが、室圧と排気動圧については PCD 前後にまったく直管を設けない場合（0D-0D）の変動が大きく、室圧の変動幅は 10Pa を大きく超えていた。
他のケース（1D-7D、4D-4D、7D-1D）の室圧変動幅に関しては 10Pa 弱で顕著な差は見られなかった。標準偏差については PCD 前後両方にダクトサイズの 440Max.

35

Ave.

Min.

30
25

図− 2

実験ケース

室圧の平均値・最大値・最小値

2-

4D-L-40-40
4D-L-40-20

4D-L-30-40
4D-L-30-20
4D-L-40-80

低気密

4D-L-20-80
4D-L-20-40
4D-L-20-20
4D-L-30-80

4D-M-20-20
4D-M-30-80
4D-M-30-40
4D-M-30-20

4D-H-40-40
4D-H-40-20
4D-M-20-80
4D-M-20-40

4D-H-30-40
4D-H-30-20
4D-H-40-80

中気密

4D-H-20-20
4D-H-30-N
4D-H-30-160
4D-H-30-80

7D-H-30-40
4D-H-20-80
4D-H-20-40

高気密

0D-H-30-401D-H-30-40154D-M-40-80
4D-M-40-40
4D-M-40-2020

第35号

倍（4D）の長さの直管を接続した場合（4D-4D）がやや小さく、PCD 後の直管が 1D の場合（7D-1D）はやや大きかった。
これらのことから、PCD 前後に直管のない極端なダクト接続は避け、前後に直管を設けることで室圧変動を低減できるものと考えられた。

以下に実験結果について室圧変動の全体的な傾向とその要因について考察する。

室圧[Pa]

技術研究報告クリーンルームにおける室圧変動に関する実験的研究

3.3 PCD 感度（RB）について
図− 6 にダクト接続パターン 4D − 4D、高気密、
風 量 30 回 換 気 /h に お け る、 標 準 偏 差 と 変 動 幅 のPCD 感度（RB）による違いを示す。
PCD が稼働している他のケースと比べると PCD が非稼動の場合の標準偏差、室圧変動幅が最も小さかった。また感度が高くなる（RB が小さくなる）にしたがって標準偏差、室圧変動幅ともに大きくなる傾向がみられた。これは定常時の時間の短い変動に対しては、感度を高くしてもフィードバック制御の性質上遅れが生じてしまうためであり、感度を鈍くしたほうが定常時の変動が小さくできることを示している。

40

高気密（4D-H-30-40）
中気密（4D-M-30-40）
低気密（4D-L-30-40）

室圧[Pa]

3530
2520

最大風量に対する割合[%]

3.4 気密性と風量について
前述した気密性の他に風量に関しても室圧変動に大きな影響を与えると考えられたため、その評価として、給気量と排気量との差から得た漏気量注） を給気風量で除して求めた値（以下、漏気率）と、室圧の標準偏差の関係を図− 7 に示す。
これによると漏気率が小さい（気密性が高く風量が多い）場合は標準偏差が大きく、特に漏気率 0.2 以下の場合は標準偏差が急激に大きくなっていた。図− 8に示した標準偏差と変動幅との関係を見ると、標準偏差が 1.0Pa 以上で変動幅が 5Pa 以上となることからも、漏気率が 0.2 以下の場合には、感度を鈍くさせて変動を小さくする必要があると思われた。

01020

図−３室圧変動の例（気密性による違い）

4050601008060

高気密における作動範囲

4020
低気密における作動範囲

0010

図−４3.5 周波数分析による検討
図− 9 は図− 3 に示した気密性の異なる 3 ケースの室圧変動について FFT 法による周波数分析を行い、周波数ごとのパワースペクトル密度を求めた結果である。
室圧変動が大きい高気密のケースでは 0.2 〜 0.3Hzの間にパワースペクトル密度の大きなピークが見られ、気密性が低くなるに従ってパワースペクトル密度のピークとその周波数が小さくなる傾向であった。
図− 10 はすべての実験ケースにおける室圧変動の周波数分析結果からピークのパワースペクトル密度とその周波数を、室圧の変動幅ごとにプロットしたものである。これによると、室圧変動幅が 5Pa 以上のケースはパワースペクトル密度が 1.0Pa/Hz 以上に集中しており、そのうち変動幅が 10Pa を超えるケースの多くはパワースペクトル密度が 2.0Pa/Hz 以上であり、変動幅とパワースペクトル密度と間に相関性がみられた。しかしながら、ピーク周波数は特定の周波数ではなく広く分布していることから、ダクトの板振動など、実験施設固有の振動との共振などは確認できなかった。
これについては圧力センサーの応答速度やサンプリン
グ周波数で分析可能な周波数が限られてしまうため、測定方法も踏まえた検討が必要であると思われた。

30時間[s]2030 40 50 60 70
ダンパ羽根角度[°]8090

ダンパ特性（羽根角度と風量の関係）

4.020
室圧
給気動圧3室圧変動幅3.5152.5

変動幅[Pa]標準偏差[Pa]

3.0

給気動圧2排気動圧

2.0101.51.050.50.00D-0D

図−５4.03.007D-1D

ダクト接続パターンによる変動の違い

室圧
給気動圧3室圧変動幅3.520給気動圧2排気動圧152.5

変動幅[Pa]標準偏差[Pa]

1D-7D
4D-4D
ダクト接続パターン2.0101.5
1.050.5

４．おわりに0.0

本実験により、室圧制御下における定常時の室圧変動に対して、1）ダクト接続に関しては PCD の前後に直管を設けることにより変動を小さくできる、2）気（非稼働）160%80%40%
PCD感度（RB）

図−６2-20%

PCD 感度（RB）による変動の違い

0戸田建設

感度
（RB）
=20%
感度
（RB）
=40%
感度
（RB）
=80%

標準偏差[Pa]

2.5
2.0
1.5
1.0
0.50.00.0

0.10.2 0.3 0.4 0.5 0.6
漏気率（漏気量／給気量）

図−７0.7【謝辞】

0.8

本実験を行うにあたり、岡谷精立工業（株）京極氏、グエン氏に多大な協力をいただいた。ここに記して謝意を表す。

漏気率と標準偏差の関係※注：給気量から排気量を引いて求めた漏気量に、別途行った気密試験結果 2）から推定した漏気量をもとに補正を加えている。

16変動幅[Pa]14121086【参考文献】

感度（RB）=20%
感度（RB）=40%
感度（RB）=80%421） 助宮他：室圧制御に影響を与える要因と対策，PDA
Journal of GMP and Validation in Japan Vol.1，No.1，
19992） 村江他：クリーンルームにおける室圧変動に関する実験的研究（その１）実験室の概要と扉開閉および局所排気発停による室圧変動に関する実験，空気調和・衛生工学会大会学術講演論文集，20073） 村江他：クリーンルームにおける室圧制御手法に関する実験的研究（その３）気密性に関する測定例と室圧の制御性への影響，日本建築学会大会学術講演会梗概
集，20084） 村江他：クリーンルームにおける室圧変動に関する実験的研究（その２）ダクトワークが室圧変動に与える影響に関する基礎的実験，空気調和・衛生工学会大会
学術講演論文集，2008
5） 三功工業所：一般ダンパー技術資料，
http://www.sankoh-product.co.jp/

00.00.51.0

図−８

パワースペクトル密度[Pa/Hz]

第35号

密性と風量に関してはその比（漏気率）が小さい場合は非常に変動が大きくなる、3）PCD の感度に関しては、感度が鈍いほうが定常時の変動が小さいことから、感度の調整が室圧変動の緩和に有効である、などの知見を得た。
今後は、扉の開閉など一時的な変動要因に対する影響についても検討したいと考えている。

3.53.0

技術研究報告1.52.0
標準偏差[Pa]2.53.0標準偏差と変動幅の関係

3.0

高気密（4D-H-30-40）
中気密（4D-M-30-40）
低気密（4D-L-30-40）

2.5
2.01.51.00.50.0
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0
周波数[Hz]図−９周波数分析結果（パワースペクトル密度）

ピークパワースペクトル密度[Pa/Hz]

100.0

変動幅＜5Pa
5Pa≦変動幅＜10Pa
変動幅≧10Pa

10.0

1.00.10.0

図− 100.10.20.3
ピーク周波数[Hz]0.4

ピーク周波数とパワースペクトル密度の関係

2-