戸田建設

技術研究報告第34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 2ダクト部材が室圧変動に与える影響に関する基礎的実験
岩村多美勇 *2 永井 裕之 *3
栗木茂 *1 小出 剛男 *2
柿沼 正道 *4 長野 耕司 *5
平原 省三 *3 佐々木光信 *6

村江

行忠 *1

概要

製薬工場などのクリーンルームにおいては、クロスコンタミネーション防止の観点から、室間差圧の確保が重要であるが、段階的に室間差圧を大きくすると、最終的には大きな圧力が設定されることになり、建築的な耐圧性や漏気などの問題が生じるため、室間差圧を極力小さくすることが要求されている。しかしながら、室間差圧が小さい場合、扉開閉や局所排気を含む風量変更などの一時的な要因の他に、送風系に起因する常時の圧力変動（脈動）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ており、ダクト全体の圧力損失を小さくする合理的なダクトワークが必要とされている。
本報は、上記の背景のもと、ダクト部材の違いが室圧の変動に与える影響に関して、基礎的な実験を行った結果の報告である。

Experimental Study on Room Pressure Control at Cleanroom
Part 2 Basic Experiments on Influence of Ductwork on Room Pressure Fluctuation
Yukitada MURAE*1
Hiroyuki NAGAI*3
Takeo KOIDE*2
Koji NAGANO*5
Mitsunobu SASAKI*6

Tamio IWAMURA*2
Shigeru KURIKI*1
Masamichi KAKINUMA*4
Shozo HIRAHARA*3

The Room Pressure Control is one of the Important Demand Performances for Contamination Control in a Cleanroom. In Caseof the Differential Pressure is Small, the Risk of the Cross Contamination is Caused by the Pressure Fluctuation that Originates in theVentilation System.
This Paper is Outline of Basic Experiments on Influence of Ductwork on Room Pressure Fluctuation, changing the bent duct type,section duct shape and filter, air velocity.

*1 戸田建設（株）技術研究所 *2 戸田建設（株）建築購買部 *3 戸田建設（株）設備設計部*4 戸田建設（株）関東支店 *5 戸田建設（株）エンジニアリング部 *6 戸田建設（株）省エネ事業推進部*1
Technical Research Institute, Toda Corp. *2Procurement Department, Toda Corp
*3Equipment Design Department, Toda Corp. *4Kanto branch, Toda Corp. *5Engineering Department, Toda Corp.
*6Saving Energy Department, Toda Corp.

3

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ダクト部材が室圧変動に与える影響に関する基礎的実験

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ダクト部材が室圧変動に与える影響に関する基礎的実験
村江 行忠 *1
永井 裕之 *3
小出 剛男 *2
長野 耕司 *5
佐々木光信 *6

１．はじめに

岩村多美勇 *2
栗木茂 *1
柿沼 正道 *4
平原 省三 *3

においては 250ms の移動平均によるフィルタ処理をかけて記録したが、Case − 6 〜 8 については詳細分析を行うため、フィルタ処理はかけずに記録した。

製薬工場などのクリーンルームにおいては、クロスコンタミネーション防止の観点から、室間差圧の確保が重要であるが 1）、段階的に室間差圧を大きくすると、最終的には大きな圧力が設定されることになり、建築的な耐圧性や漏気などの問題が生じるため、室間差圧を極力小さくすることが要求されている。しかしながら、室間差圧が小さい場合、扉開閉や局所排気を含む風量変更などの一時的な要因の他に、送風系に起因する常時の圧力変動（脈動）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ており、ダクト全体の圧力損失を小さくする合理的なダク
トワークが必要とされている 2）。
上記の背景のもと、本報では、ダクト部材の違いが室圧の変動に与える影響に関して、基礎的な実験を行ったのでその概要を報告する。

開口INV

PC

P

差圧計

実験室

ダクト組合せDataLogger

P 差圧計

複合式ピトー管図− 1

実験装置概要表− 1

実験装置仕様項目

概要
・容積：3.6m × 2.7m × 2.2m（h） 21.38m3
実験室 ・仕様：クリーンルーム用断熱パネル＋シール
・相当隙間面積：0.43cm2・吹出口：680 × 680mm
開口・排気用開口：240mm × 240mm
ATM-17（日本無機）
HEPA
・風量：17m3/min
フィルタ・初期圧力損失：249Pa
片吸込シロッコファン：SRM3（EBARA）
給気・最大風量：1500m3/h
ファン・機外静圧：400Pa 出力：0.75kw
インバータ：E500（三菱電機）
亜鉛鉄板ダクト（板厚：0.6mm）
ダクト・断面積：300x300mm，600x150mm
・内張 GW：32k 50mm
複合式ピトー管（整流機構付き）
風量測定
・AE 300x300（ウェットマスター）
室圧測定用：GC-62（長野計器）
・基準圧：天井裏・測定レンジ：± 100Pa
・精度：FS ± 1.5%F.S.
・応答速度：50ms
差圧計・フィルタ（移動平均）：0,25,250,2500ms
風量（動圧）測定用：KL-14（長野計器）
・測定レンジ：0 ～ 100Pa
・精度：0.8%F.S.
・応答速度：250ms
データ
NR-1000（Keyence）
ロガ
サンプリング間隔：100ms

２．実験概要2.1 実験装置概要
図− 1、表− 1 に実験装置の概要および仕様を示す。
実験は既報 3） で示した実験室の 1 室を対象に、通常の給・排気系統とは別に給気ファンを設けて、さまざまなダクト部材の組み合わせを変更して行った。排気についてはファンを使用せず、実験室壁面に設けた240mm × 240mm の開口からの自然排気とした。
室圧の測定は応答速度 50ms の差圧計からのアナログの電圧出力を取り出して、データロガにより 100msでサンプリングして記録した。
2.2 実験条件
実験条件として実験ケースを表− 1 に、各ケースにおけるダクトの接続状況を図− 2 〜 5 に示す。ダクト部材はいずれも板厚 0.6mm の亜鉛鉄板製角ダクトであり、エルボ部材として、角エルボ（Case − 1、3、6）、ガイド付角エルボ（Case − 2、4）
、R エルボ（Case− 5）、断面寸法として 300 × 300mm 正方形（Case− 1 〜 6）、600 × 150mm 扁平断面（Case − 7）
、さらにグラスウール（GW）内貼りダクト（有効断面は300 × 300mm、Case − 8）を組み合わせた。送風量に つ い て は、 イ ン バ ー タ に よ り フ ァ ン 周 波 数 を、HEPA フィルタ有りの場合は 30、40、50Hz、無しの場合は 15、20、30Hz の各 3 パターンに固定した。
なお、差圧計からのアナログ出力は Case − 1 〜 5*1 戸田建設（株）技術研究所 *2 戸田建設（株）建築購買部 *3 戸田建設（株）設備設計部*4 戸田建設（株）関東支店 *5 戸田建設（株）エンジニアリング部 *6 戸田建設（株）省エネ事業推進部

3-

戸田建設

３．結果および考察

第34号

れが大きくなるためと思われるが、実際のクリーンルームにおいては、清浄度の確保および漏気量なども踏まえて、風量をなるべく小さくする検討が必要であると思われた。

実験結果として、代表的な実験ケースにおける任意の 60 秒間の室圧および給気動圧の変動状況を図− 6〜 15 に、室圧に関するそれぞれの平均、相対標準偏差、相対標準偏差および最大値と最小値との差を平均値で除した値（以下、相対変動幅））を表− 3 に示し、以下に考察する。

3.3 ダクト断面・吸音材の影響差圧の測定および制御に関しては安定性を考慮して通常はフィルタかけて行うが、Case6 〜 8 については実験のためフィルタをかけずに測定した。その結果（図− 10 〜 15）前述の結果と比べ大きな変動となった。
ダクト断面形状について、正方形断面（Case − 6、6’）と比較して、扁平断面（Case − 7、7’）の変動が大きかった。給気動圧を見ると圧力損失はそれほど変わらないことから、ダクトの板振動や、拡大・縮小部材による乱れの発生などが考えられる。

3.1 エルボ部材による違い
単純に直管の間にエルボを取り付けた場合（図− 1）を比較すると、角エルボ（Case − 1）では変動幅が5Pa を超えていたのに対し、ガイド付角エルボ（Case− 2）の変動幅はその 1 ／ 2 以下であり、ガイドベーンによる整流効果が確認できた。しかしながら実際のクリーンルームを想定して風量計（複合式ピトー管）と HEPA を取り付けた場合（図− 7 〜 8）は、エルボによる明確な差異は確認できなかった。これはダクト内静圧が高くなるためにダクト板が安定すること、および複合式ピトー管と HEPA フィルタの整流効果によるものと思われる。ただし、今回は実験を行わなかったが、HEPA フィルタを設けない排気側のダクトについての影響については検討する必要があると考えられる。

表− 2

実験ケース
風量計

HEPA

ダクト
ファン差圧計
断面
周波数
ﾌｨﾙﾀ
エルボ
[mm]
[Hz]
[ms]
Case-1角エルボ
300x300
無 無 15,20,30 250ms
Case-2
ガイド付
Case-3角エルボ
Case-4 300x300 ガイド付 有 有 30,40,50 250ms
Case-5Ｒエルボ
Case-6
有 30,40,50300x300 角エルボ
Case-6'
無 15,20,30
無Case-7
有 30,40,50600x150 Ｒエルボ 有（0ms）Case-7'
無 15,20,30
Case-8 300x300 角エルボ
有 30,40,50
Case-8' GW 内貼 GW 内貼
無 15,20,30
ケース

3.2 風量による違い
図− 7 〜 9 において風量（ファン周波数）による違いに着目すると、いずれの場合も風量が多いほど室圧の変動幅が大きく、給気動圧の変動と比例していた。
これはダクト内の風速が速くなることにより流れの乱FAN

FAN

開口
240×240

ガイド付エルボ（Case-2）

実験室
300×300
L=1750角エルボ（Case-1）

図− 2

ガイド付エルボ（Case-4）
開口240×240
RRエルボ（Case-5）（HEPA）

300×300
L=1750300×300
L=1750

技術研究報告300×300
L=1750

吹出口680×680

角エルボ（Case-3,6）

ダクト接続状況（Case-1,2）

図− 3

複合式ピトー管実験室
吹出口
680×680ダクト接続状況（Case-3,4,5,6）

FAN

600×150
L=1750L=520

複合式ピトー管

図− 4

実験室
吹出口
680×680

開口240×240
GW内貼り
300×300
L=1000（HEPA）

300×300（HEPA）

開口
240×240300×300
L=1750600×150
L=1750FAN

複合式ピトー管

ダクト接続状況（Case-7）

図− 53-

実験室
吹出口
680×680ダクト接続状況（Case-8）

Case-1

ダクト部材が室圧変動に与える影響に関する基礎的実験

80

Case-26061

室圧[Pa]

59578030Time[s]405040Hz

122030Hz6

室圧の経時変化（Case-1,260

2480

1860

給気動圧[Pa]

4040Hz122030Hz

600010

図− 82030
Time[s]4050157210図− 10102030Time[s]4050

室圧・給気動圧の経時変化（Case-6

室圧・給気動圧の経時変化（Case-3）24給気動圧[Pa]

40Hz

122030Hz

60102030Time[s]405060室圧・給気動圧の経時変化（Case-5）

6425室圧[Pa]62

給気動圧[Pa]

7406018

図− 920685050Hz076

給気動圧[Pa]

40025

室圧[Pa]

30Time[s]40

室圧・給気動圧の経時変化（Case-4）

7020室圧[Pa]607810

図− 750Hz

室圧[Pa]

0030Hz）

60

給気動圧[Pa]201558105565054

室圧[Pa]

60600050Hz）

図− 11102030Time[s]405060室圧・給気動圧の経時変化（Case-6’ 30Hz）

2564762062207415601572105810556505470

室圧[Pa]

給気動圧[Pa]680

図− 12102030Time[s]4050

室圧・給気動圧の経時変化（Case-725642062

図− 144050

室圧・給気動圧の経時変化（Case-85060

室圧・給気動圧の経時変化（Case-7’ 30Hz）
25室圧[Pa]

給気動圧[Pa]

2055650547030Time[s]4010102030
Time[s]587210201515681060740

給気動圧[Pa]図− 13給気動圧[Pa]25給気動圧[Pa]050Hz）

給気動圧[Pa]76

室圧[Pa]

06078
室圧[Pa]

室圧[Pa]給気動圧[Pa]78

室圧[Pa]

室圧[Pa]

40

給気動圧[Pa]図− 620室圧[Pa]10給気動圧[Pa]

0室圧[Pa]給気動圧[Pa]055

室圧[Pa]

18室圧[Pa]

給気動圧[Pa]

室圧[Pa]

63

室圧[Pa]

2450Hz

給気動圧[Pa]65

その2給気動圧[Pa]クリーンルームにおける室圧変動に関する実験的研究

006050Hz）

3-

図− 15

102030Time[s]405060室圧・給気動圧の経時変化（Case-8’ 30Hz）

戸田建設

表− 3

GW 内 貼 ダ ク ト（Case − 8、8’） に つ い て は、HEPA フィルタを設けた場合において通常ダクト（Case − 6）に比べて、変動が若干小さくなる傾向があり、GW の内貼りにより板振動が抑制されていることに加え、乱れの一部が吸収されている可能性が考えられた。

ケース

パワースペクトル密度[Pa/Hz]

第34号

60 秒間の平均・相対標準偏差・相対変動幅
平均[Pa]

相対 相対
標準 変動偏差 幅
ﾌｧﾝ周波数
15Hz
Case-114.8 0.014 0.061
Case-2
14.6 0.013 0.065
ﾌｧﾝ周波数30Hz
11.2 0.017 0.112
Case-3Case-411.8 0.015 0.076
Case-512.0 0.015 0.075
Case-614.0 0.021 0.129
Case-7
13.7 0.022 0.197
Case-813.6 0.018 0.107
15Hz
14.1 0.032 0.153
Case-6'Case-7'13.9 0.034 0.241
Case-8'13.9 0.036 0.187

3.4 周波数分析による検討
図− 16 〜 18 は Case − 6 〜 8 の室圧変動について
FFT 法による周波数分析を行い、パワースペクトル密度（以下 PSD）を求めた結果である。
2Hz 以上の周波数帯において、PSD は低かったが、いずれの場合も 0.2Hz 以下の低周波領域にてピークがみられた。特に扁平ダクトの場合（図− 17）においては 0.03Hz 付近に大きなピークがみられたが、この周波数帯はファンの回転やダクト固有周期などと比べて明らかに長い周期であり、原因については推定できなかった。
HEPA フィルタの有無で比較すると、Case − 6、Case − 7 では HEPA フィルタがある場合のほうが低周波域での PSD のピークが高く、HEPA フィルタを設置することで、高周波域の変動が吸収されて低周波域の PSD が高くなる効果があるものと思われる。また Case − 8 で は ほ ぼ 同 じ PSD で あ っ た。 こ れ は
HEPA フィルタによる吸収効果と同様の効果が内貼りGW で得られている可能性が考えられた。

技術研究報告平均[Pa]相対 相対標準 変動偏差 幅
20Hz26.5 0.016 0.081
26.7 0.014 0.081
40hz
32.8 0.010 0.055
34.1 0.016 0.070
35.0 0.011 0.061
37.4 0.017 0.080
37.5 0.018 0.097
36.1 0.017 0.091
20Hz
25.9 0.028 0.166
25.4 0.035 0.203
25.4 0.029 0.159

平均
[Pa]

相対 相対
標準 変動

偏差 幅
30Hz
60.0 0.013 0.088
60.1 0.008 0.042
50Hz
67.2 0.010 0.050
69.3 0.009 0.053
71.1 0.010 0.061
73.3 0.015 0.089
74.7 0.019 0.088
71.1 0.012 0.070
30Hz
59.2 0.021 0.12558.3 0.028 0.153
57.8 0.023 0.132

8Case-6(50Hz)
Case-6'(30Hz)

64200.00.51.0
周波数[Hz]1.52.0

パワースペクトル密度[Pa/Hz]

図− 16 周波数分析結果（パワースペクトル密度 Case-6,6’）

５．おわりに

本実験において、ダクト部材と室圧変動の関係について基礎的なデータを蓄積するとともに、いくつかの知見を得た。しかしながら、実際の建物においてみられるようなファン出口直近でのエルボの設置やチャンバによる分岐などダクト内の気流の乱れが懸念される接続方法や、排気側の影響などについても検討する必要があると思われる。今後は、それらについても実験を行い、ダクトワークの室圧変動への影響要因および変動への対策について明らかにしていきたい。

8Case-7(50Hz)
Case-7'(30Hz)

64200.00.51.0
周波数[Hz]1.52.0

パワースペクトル密度[Pa/Hz]図− 17 周波数分析結果（パワースペクトル密度 Case-7,7’）【参考文献】

1） 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.1,1999
2） K.Sukemiya et.al, Investigation of Improvement ofQuality of Room Pressure Control and Energy Saving,
Proceedings of the PDA ASIAN SYMPOSlUM ＆EXHIBIT, 1994
3） 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，2007.94） 空気調和・衛生工学会，SHASE − G1002 − 1993，ダクトの新標準仕様・技術指針・同解説，1993

8Case-8(50Hz)
Case-8'(30Hz)

64
20
0.0

0.5

1.0周波数[Hz]1.5

図− 18 周波数分析結果（パワースペクトル密度 Case-8,8’）3-

2.0