技術研究報告第 40 号

2014.10

戸田建設株式会社

非一方向流式クリーンルームにおける環境制御に関する研究（その 2）天井レスクリーンルームにおけるパッケージエアコンの適用に関する研究
STUDY ON ENVIRONMENTAL CONTROL IN NON-UNIDIRECTIONAL AIRFLOW CLEANROOM
Part.2 Study on application of Package Air-Conditioner in ceilingless cleanroom

栗 木 茂*1, 鈴 木 孝 彦*2, 永 井 裕 之*3, 伊 藤 茂 久*4, 村 江 行 忠*5, 太 田 裕 司*4
Shigeru KURIKI, Takahiko SUZUKI, Hiroyuki NAGAI, Shigehisa ITO, Yukitada MURAE and Yuuji OOTA

The previous paper had described comparison between conventional and ceilingless system 1 by CFD and experiment inthe non-unidirectional airflow cleanroom.
This paper is the outline that examination of ceilingless system Ⅱ with “Packaged Air Conditioners” in the
non-unidirectional airflow cleanroom , examination of air volume control with “Air Particle Sensor” by the experiment, andenergy saving evaluation. Cleanliness of ceilingless system Ⅱ confirmed that it became the equal performance toconventional system. We confirmed that we could reduce supply air volume of FFU with keeping cleanliness.
Keywords : Non-unidirectional Airflow Cleanroom, Ceilingless, Packaged Air Conditioner, Fun Filter Unit,CFD, Experiment
非一方向流式クリーンルーム，天井レス，パッケージ型空調機，FFU，CFD，実験

1. はじめに

仮想天井高さ（3m）

既報 1)では，非一方向流クリーンルームで一般的にFFU採用されてきたシステム（以下，従来方式）と，天PAC井を設置せず，クリーンルーム用パッケージエアコン（HEPA 付直吸い込みタイプ，以下 CRPAC）を用いて，必要な範囲のみ清浄度を確保するシステム（以生産エリア

下，天井レス方式Ⅰ）の 2 方式について数値解析と（1）平面図（2）断面図図-1 天井レス方式Ⅱシステムイメージ図実験により基礎的な比較を行った．

表-1 数値解析条件
13.7 m ✕7.6 m
5m
9,370 CMH （30 回/h 換気相当）
ISO クラス 722 ℃
機器発熱等 12.3kW
発熱量
天井・壁・床面負荷 8W/m2
数
8 ヶ所 270 CMH
PACFFU
風量
12 ヶ所 780 CMH
側面PAC
位置
FFU
下面
0.2 m✕0.2 m
PAC
大きさ
FFU
0.6 m✕0.6 m
FFU
温度18℃
数4 ヶ所 540 CMH
PAC
FFU
風量
12 ヶ所 780 CMH
下面
PAC
位置
FFU
側面
0.45 m✕0.215 m
PAC
大きさ
FFU
0.4 m✕0.2 m

本報では，コストを下げるため HEPA の無いパッ

解析対象空間解析空間高さ
吹出し風量
設定清浄度
設定温度

ケージ型空調機（以下，一般 PAC）を使用し，一般
PAC からファンフィルタユニット（以下，FFU）に空調空気を供給する方式（以下，天井レス方式Ⅱ）を考案し，数値解析及び実験によりその方式の可能性を検討した．さらに，粒子濃度に合わせて風量を変更するシステムを追加し，実験によりそのシステ

吹出口

ムの制御の検討と省エネルギー評価を行ったので報
告する．

2. 空調システムの概要
天井レス方式Ⅱのシステムイメージを図-1 に示す．

吸込口

天井レス方式Ⅰの CRPAC を一般 PAC に変更し，ダクトを介して空調空気を FFU 吸込口近傍に供給する方式である．従来方式の天井設置位置（高さ 3m）を仮想天井とし，機器の吊込，FFU 吹出口 と一般*1 戸田建設㈱開発センター

Research and Development Center, TODA CORPORATION*2 戸田建設㈱開発センター 修士（工学）Research and Development Center, TODA CORPORATION, M.Eng*3 戸田建設㈱名古屋支店建築設計室

Designing Division, Nagoya Branch, TODA CORPORATION*4 戸田建設㈱設備設計部 工学修士

Mechanical and Electrical Engineering Dept., TODA CORPORATION, M.Eng.

*5 戸田建設㈱開発センター 工学修士

Research and Development Center, TODA CORPORATION, M.Eng.

2-1

非一方向流式クリーンルームにおける環境制御に関する研究 （その 2）表-2 従来方式と天井レス方式Ⅱの風量・温度条件
従来方式
天井レス方式Ⅱ
実験室広さ
4.5 m✕4.5 m
5m
天井高さ3m
仮想天井高さ
AC
PAC
空調機
1,860 CMH
吹出口風量
840 CMH
PAC 吹出風量
923 CMHFFU 風量（1 台）
57 CMH
OA 風量
吹出口平均温度測定値
18.0 ℃
FFU 吹出平均温度測定値
19.4 ℃
PAC 吹出平均温度測定値
10.7 ℃
HEPA フィルタ捕集効率
99.79 ％
99.99 ％
@0.3μm

PAC の吸込口高さとした．また，仮想天井より下の範囲の清浄度を効果的に確保するために，仮想天井より上の範囲を循環させないように FFU の吸込口は側面とした．一般 PAC1 台からダクトを介してFFU2 台に供給する．一般 PAC の風量が FFU の風量より少ないため，ダクトを FFU に接続せず，吸込口手前で開放した．それにより，熱負荷や粒子濃度に合わせて，一般 PAC や FFU の風量を個別に調整できる．なお，設定清浄度は ISO クラス 7 とし，循環風量は，仮想天井より下の容積に対して 30 回/h 相当とした．

3.清浄度・温度分布に関する検討
3.1 数値解析による検討
天井レス方式Ⅱの検討のため数値解析を実施した．
解析条件を表-1 に示す．解析ソフトは，Stream Ver.9を用い，定常解析で温度分布，空気齢指標注 1）を求め

温度センサ ◎

た．熱負荷など詳細条件は，既報 1）と同様とし，従B 断面来方式と比較した．
図-2 に従来方式，図-3 に天井レス方式Ⅱの数値解
析結果を示す．天井レス方式Ⅱは，仮想天井より上の空間に熱気が上がり，従来方式に比べ仮想天井より下の空間では，上下温度差が小さくなった．空気A 断面

齢指標は，仮想天井より上の空間で大きく，塵埃が温度・粒子濃度測定位置

図-4 実験室平面図

滞留する可能性がある．また，従来方式は吸込口が温度（℃）
13

壁下部にあり，清浄空気が生産エリアを循環する前35FL+2.9m

SAに排出される可能性があるが，天井レス方式Ⅱでは，FL+2.2m

生産エリアを通過後に一般 PAC に吸い込まれ，空気FL+1.5m

齢指標が小さくなったと考えられる．

模擬生産装置RA

3.2 実験による検討

FL+1.0m

模擬
生産装置

FL+0.5m
FL+0.1m（1）吹出・吸込口断面（2）吹出口断面
図-5 従来方式の断面温度分布 1)（1）実験 1 概要
天井レス方式Ⅱの温度分布と清浄度を確認する目

FL+4.9m的で実験１を行い，既報 1）の従来方式と比較した．

仮想天井

実験条件は，既報と同様にクリーンルーム内に生産

FL+3.9m

機器，作業者を模した発熱体および発塵を設定した．

PAC

FFU

FFU

FFU

FL+2.9m

表-2 に従来方式と天井レス方式Ⅱの風量・温度条件

FL+2.2m

温度（℃）

13

空気齢指標

1.035

FL+1.5m

6.0

FL+1.0m模擬生産装置

模擬
生産装置

吹出口

FL+0.5m
FL+0.1m（1）A 断面（2）B 断面
図-6 天井レス方式Ⅱの断面温度分布

吸込口（1）断面温度分布（2）断面空気齢指標
図-2 従来方式 数値解析結果
仮想天井
吸込口

吹出口

仮想天井
FFU

PAC

FFU

PAC

CRPAC

CRPAC

3,000

FFU

模擬
生産装置

（1）断面温度分布（2）断面空気齢指標
図-3 天井レス方式Ⅱ 数値解析結果

図-7 天井レス方式Ⅰ 断面温度分布 1)2-22014.10

戸田建設株式会社

4.9
4.6
4.3
4.0
3.7
3.4
3.1
2.8
2.5
2.2
1.9
1.6
1.3
1.0
0.7
0.4
0.1

を示し，図-4 にクリーンルーム実験室の平面図を示す．一般 PAC の温度センサは ◎印（H=1.5ｍ）に設す●印（H=1.4ｍ）の 2 ヶ所から，液噴霧型エアロゾル発生器 3)を用いて発生させた．また，天井レス方式
Ⅱにおいて OA として壁面より加圧し，陽圧を維持

測定高さ(m)

置し，設定は 22℃の冷房とした．発塵は，図中に示している．なお，測定項目は，既報と同様に温度と清浄度とし，粒径は 0.3μｍ以上を評価対象とした．
（2）温度測定結果①③⑤⑦②④⑥⑧

天井測定高さ(m)技術研究報告第 40 号

16 18 20 22 24 26 28 30

4.94.64.3
4.03.7
3.4
3.1
2.8
2.5
2.2
1.91.61.3
1.00.70.40.1

仮想天井

16 18 20 22 24 26 28 30温度(℃)

図-5 に従来方式，図-6 に天井レス方式Ⅱの断面温①②③④⑤⑥⑦⑧⑨温度(℃)（1）従来方式（2）天井レス方式Ⅱ
図-8 上下温度分布（各測定点の平均温度）度分布を示す．天井レス方式Ⅱの一般 PAC 吹出し温度は 10.7℃と低いが，一般 PAC より FFU の風量が多出し温度は，従来方式と同じ 18℃程度となった．既べ温度の偏りは改善した．
図-4 に示した生産エリア①～⑨の上下温度分布を
図-8 に示す．吹出口や発熱体付近を除けば，高さ0.5m から 2.2m では，概ね従来方式と同様であるこ

測定高さ(m)報 1)の CRPAC を用いた天井レス方式Ⅰ（図-7）と比とを確認した．天井レス方式Ⅱは，仮想天井より上に熱気が上昇していることが確認できる．FFU の吹4.9
4.6
4.3
4.0
3.7
3.4
3.1
2.8
2.52.2
1.91.61.3
1.00.70.4

吹出口の下以外の測定点
天井

測定高さ(m)

く，周囲の空気と混合しているため，FFU からの吹吹出口の下10103105
粒子濃度(個/cf)0出口の下（図-8（2）①③）で温度差があるのは，保4.94.64.3
4.03.73.43.12.8
2.5
2.21.91.6
1.3
1.00.7
0.4

104 個
①②③④⑦

仮想天井発熱体
近傍

吹出口の下

010103105
粒子濃度(個/cf)（1）従来方式（2）天井レス方式Ⅱ
図-9 上下粒子濃度分布（換算値）

温タイプのダクトを使用しているが，一般 PAC からの供給距離により，受け渡し温度の違いがあるためと考えられる．
（3）清浄度測定結果
図-9 に粒子濃度の 3 回の測定値を平均し，この生仮想天井産エリアでは 2 名が作業すると想定して，人 2 名か
（2）らの発塵に換算注 2）した上下粒子濃度分布を示す．
天井レス方式Ⅱでは，生産エリア内の測定点高さに3,000関係なく，6,700 個/cf 以下となり，従来方式と同等の清浄度が確保できた．数値解析結果（図-3）では，仮想天井より上の空間の空気齢指標が大きく，滞留の可能性があったが，実験では 3,300～5,200 個/cf 程度であった．その理由として，数値解析は室内全域に

図-10 風量制御システムイメージ

一様に汚染物質が発生し続ける解析としたが，実験表-3 風量制御システム実験概要

では，仮想天井より上で発塵していないため，粒子濃度が多くならなかったと考えられる．FFU（図-94.5 m✕4.5 m

天井高さ5mFFU 吹出口（仮想天井）高さ3m

FFU 風量（1 台）

大 930 CMH
中 620 CMH
小 465 CMH（2）①③）の吹出口の下では，1,400 個/cf 以下になり，従来方式と同等以上の清浄度が確保でき，ISO実験室広さクラス 7 を達成していることを確認した．

4．風量制御システムに関する検討

HEPA フィルタ捕集効率@0.3μm

99.99 ％

4.1 風量制御システム概要

PAC 風量（強運転）（1 台）

840 CMH

天井レス方式Ⅱに塵埃センサを組み合わせて風量清浄度設定

ISO クラス 7を制御するシステムについて実験（実験 2，3）によパーティクルカウンタ位置

部屋中央 H=1.5mり検討を行った．図-10 に風量制御システムのイメー

表-4 実験 2 における塵埃センサ設定

ジを示す．仮想天井高さに設置した FFU に，塵埃セ

塵埃センサ
位置

ンサ，プログラマブル･ロジック･コントローラ（以下，PLC）とインバータを組み合わせて粒子濃度に合CASEⅠわせて風量を変更するシステムである．これにより，

CASEⅡ

発塵の少ない休憩時や夜間等に風量を下げることに
2-3

FFU
吸込口 a

しきい値（個） タイムラグ（sec）
上値

下値

6000

1000減少時

増加時

305105非一方向流式クリーンルームにおける環境制御に関する研究 （その 2）より省エネルギーを図る．塵埃センサはオムロン製

10,000例もあるが，制御を簡素化するために塵埃センサに設定できるしきい値を利用し，しきい値を通過した場合に風量を変更するシステムとした．

CASEⅠ
CASEⅡ

8,000粒子濃度（個/cf）

る．風量を変更する方法として PID 制御を用いる事

停止

噴霧開始

ZN-PD03-S を使用し，PLC を介し FFU 風量を変更す

上値

6,000
4,000
2,000

4.2 実験 2，3 概要

下0表-3 に実験概要を示す．FFU の風量変更は 3 段階

0:050:000:050:10で，ISO クラス 7 を想定し仮想天井以下の容積の 30

0:15

0:200:25

0:300:35

時間(min）
図-11 実験 2 塵埃センサによる粒子濃度の経時変化

回/h 相当を最大の循環風量とした．最小風量は一般
PAC の風量以下にならないように 15 回/h 相当とした．

10,000の風量の際に部屋の粒子濃度が 10,000 個/cf 程度とな8,000るように，室内の 2 ヶ所（H=1.4m）から濃度 0.2％の塩化ナトリウム水溶液を 20 分噴霧した．粒子濃度の評価は，ISO21501-4:2007 に対応したパーティクルカ
ウンタ（リオン製 KC-52）を部屋中央 H=1.5m に設置

粒子濃度（個/cf）

発塵は液噴霧型エアロゾル発生器を用いて，30 回/h

CASEⅠ
CASEⅡ

6,0004,0002,000し，評価粒径は 0.3μm 以上を対象とした．塵埃セン

0

サは 1 秒毎に 60 秒間の移動平均値を出力し，パー0:05

ティクルカウンタは 0.1cf/60sec の計測値を 1cf 当たりに換算した．

0:00

0:05

0:10

0:15 0:20
時間（min）

0:25

0:300:35

図-12 実験 2 部屋中央における粒子濃度の経時変化

4.3 風量減少タイムラグによる比較（実験２）表-5 実験 3 における塵埃センサ設定

塵埃センサのしきい値通過直後の風量変更は，ハン塵埃センサチングを生じる可能性があるため，タイムラグを設位置定した．表-4 に実験 2 の塵埃センサの設定を示す．

CASE1

部屋中央

粒子濃度がしきい値を超えた場合は，直ぐに風量をCASE2

FFU 吸込口 a

上げ清浄度を保つ必要があり，タイムラグを 5 秒とCASE3

FFU 吸込口 b

しきい値（個） タイムラグ（sec）
上値

下値

減少時

増加時

5000

1000

305

した．しきい値より下がった場合のタイムラグは，30 秒，10 秒の 2 条件とした．塵埃センサの測定位置

12,000a ）とした．
は，FFU 吸込口（図-4○に部屋中央におけるパーティクルカウンタの粒子濃度測定値の経時変化を示す．図-11 にて塵埃センサの値が 6,000 個/cf を超えた時点で FFU の風量が増え，粒子濃度が下がっている．減少時のタイムラグが 10

粒子濃度（個/cf）

図-11 に塵埃センサによる粒子濃度測定値，図-12

噴霧開始

停止

CASE1
CASE2
CASE3

10,0008,0006,000

上値4,0002,000秒の CASEⅡは CASEⅠに比べ粒子濃度が再増加する

下値0までの時間が短く，細かく上下している．また，部

0:05

0:00

0:05

屋中央のパーティクルカウンタの値も CASEⅡが高0:10

0:15

0:20

0:25

0:30

0:35

時間(min)くなっており，減少時のタイムラグは 10 秒では粒子

図-13 実験 3 塵埃センサによる粒子濃度の経時変化濃度が多くなる可能性があることが分かった．
12,000験 3 を行った．表-5 に実験 3 の塵埃センサの設定を示す．センサの位置は，清浄度が必要な生産装置近傍の部屋中央（パーティクルカウンタ横）と，2 台の粒子濃度（個/ｃｆ）

塵埃センサの測定位置の違いによる比較として実CASE1
CASE2
CASE3

10,0004.4 塵埃センサ測定位置による比較（実験３）

a ，○b （図-4）とした．
FFU の吸込口 ○図-13 に塵埃センサによる粒子濃度測定値，図-14

8,000
6,000
4,000
2,00000:050:10 0:15 0:20 0:25 0:30時間（min）
図-14 実験 2 部屋中央における粒子濃度の経時変化に部屋中央におけるパーティクルカウンタの粒子濃度測定値の経時変化を示す．部屋中央（図-14）では，
2-4

0:000:050:35

技術研究報告第 40 号

2014.10

戸田建設株式会社

CASE1 は CASE2，3 より多くなった．これは，FFUルギー評価を行った．その結果，天井レス方式Ⅱの吸込口の粒子濃度が多く，CASE2，3 が CASE1 より清浄度が従来方式と同等の性能となることを確認しも風量を多くする制御となり，部屋中央の粒子濃度た．また，風量制御について，しきい値 2 点のみのが少なくなったと考えられる．また，FFU の吸込位設定でタイムラグを調整することにより，清浄度を置が発塵位置に近い CASE3 において，塵埃センサの保ったまま FFU の風量を減らすことができることを粒子濃度は多くなっており，その場合のパーティク確認した．

ルカウンタの値も CASE2 より多くなった．しかし，注釈
注 1 空気齢指標：室内全域に一様に汚染物質が発生し続けるとき，給気口から新鮮空気を入れたときの，拡散物質濃度と汚染物質の瞬時一様拡散濃度（完全混合濃度）との比 2）．本解析においては，FFU からの吹出空気を新鮮空気とみなした．
注 2 換算方法；文献値 4）からクリーンルーム用衣服を着て立っている人の発塵（約 5.5×105[個/min 人]）と，発塵器から発生させた量との比から濃度を求めた．

目標とした 10,000 個/cf 以下になっており，かつCASE1 よりも少ない粒子濃度となった．
省エネルギー評価として，FFU を 1 日 10 時間 30回/h での連続運転を基準とし，循環風量を比較した．
CASE1 で 23％減，CASE2 で 12％減，CASE3 で 10％減となった．制御としては部屋中央値で行う CASE1が最も省エネルギーとなった．ただし，清浄度とし参考文献
1)
栗木他；非一方向流式クリーンルームにおける環境制御に関する研究 従来方式と天井レス方式の数値流体
解 析 と 実 測 に よ る 比 較 技 術 研 究 報 告 第 39 号
2013.102)
三次元熱流体解析システム Stream Ver.9 ユーザーズ
ガイド基礎編，リファレンス編 (株)ソフトウェアク
レイドル
3)Model 3075/3076 Constant Output Atomizer
C TSI Incorporated
Instruction Manual，○4)
平塚豊;半導体工場における微粒子管理，空気清浄協会 空気清浄雑誌，第 24 巻第 3 号，pp.2～19,1986.12ては粒子濃度が多くなり，塵埃センサの位置を決める際，注意が必要である．

5. まとめ天井レスクリーンルームにおいて HEPA の無い一般 PAC を使用した天井レス方式Ⅱについて数値解析及び実験によりその方式の可能性を検討した．さらEに，粒子濃度に合わせて風量を変更するシステムを追加し，実験によりシステムの制御の検討と省エネ

2-5A