戸田建設

技術研究報告第33号

クリーンルームにおける室圧制御に関する研究
その 1 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岩村多美勇 *2
栗木茂 *1
柿沼 正道 *4
平原 省三 *3村江

永井 裕之 *3
小出 剛男 *2
長野 耕司 *5
佐々木信光 *6

行忠 *1

概要

クリーンルームにおいては、クロスコンタミネーションおよび汚染物質の拡散防止の観点から、室圧のコントロールが重要であり、多様化する施設の要求水準に応じた制御手法の導入が望まれている。
本報は、新たに構築したさまざまな室圧制御が可能な実験室の概要と、扉開閉時および局所排気稼働時の室圧変動などに関する基礎的な実験についての報告であり、実験結果においては以下の結論を得た。
扉の開閉については１）扉開閉の速度に応じて前後で大きな変動が生じる、２）PCD 制御時にはオーバーシュートが生じる、３）PID 制御時には復帰に時間を要する、４）BD を用いることにより安定した制御が可能となるなどの変動特性を得るとともに、変動予測のための基礎データとして、５）扉開度と扉通気量との関係を得ることができた。
また、PCD 制御における局所排気発停時の圧力変動については、６）隙間面積が小さいほど変動が大きくなる、７）全体の換気量に対する局所排気風量との比が小さいほど変動は小さくなる、８）比例速度動作帯を小さく設定することで変動が小さくなることなどが確認された。

Study on Room Pressure Control at Cleanroom
Part 1 Experiments on Room Pressure Fluctuation with Door Operation and Local Ventilation Operation
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. ThisPaper is Outline of Basic Experiments on Room Pressure Fluctuation with Door Operation and Local Ventilation Operation, toConstruct the Room Pressure Control System Corresponding to the Demand Performance, and are summarized as follows.
“About Door Operating, 1) When the Door Operation Speed Quickens, the Pressure Fluctuation Becomes Violent, 2) At Controlwith PCD, the Overshoot is Caused, 3) At Control with PID, it Takes Time to Return, 4) The Control Can be Stabilized by Using BD
and 6) The Relation Between the Door Opening Condition and Airflow of the Door was Obtained.
About Local Ventilation Operating, 6) When the Leakage Area is Small, the Pressure Fluctuation Becomes Violent, 7) the Pressure“Fluctuation Becomes gently small the ratio to Local Ventilation Air Volume of Room Ventilation Air Volume and 8) If theProportion Range is reduced, the Pressure Fluctuation Becomes gently.

*2*3
戸田建設（株） 技術研究所
戸田建設（株） 建築設備部
戸田建設（株） 設備設計部*5*6
戸田建設（株） 関東支店
戸田建設（株） エンジニアリング部
戸田建設（株） 省エネ事業推進部*1*2
Technical Research Institute, Toda Corp. Building Equipment Department, Toda Corp. *3 Equipment Design Department, Toda Corp.
*4
Kanto branch, Toda Corp. *5 Engineering Department, Toda Corp. *6 Saving Energy Department, Toda Corp.
*1*43

クリーンルームにおける室圧制御に関する研究

クリーンルームにおける室圧制御に関する研究
その 1 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
�

�

�

�

村江 行忠 *1
岩村多美勇 *2
永井 裕之 *3
栗木茂 *1�������������������������
*2
小出 剛男
柿沼 正道 *4
長野 耕司 *5
平原 �省三 *3���� ��������������������������������
*6佐々木信光���� ����

��������� ���３をそれぞれ 10、20、30Pa になるように調整・設定し�

１．はじめに��� � ����� ������ ������ ���た（表−２）。扉の開閉操作は、Room-２〜３間の扉（表�

製薬工場などのクリーンルームにおいては、クロスコ−３）を対象とし、開から閉までの所用時間約４秒間のら、室圧のコントロールが重要である１、２）。室圧の制御チェックの力だけで閉鎖する所用時間約７秒（パターン������������������� ��� ���������２）の２通りとした。
���������������� ������������

�
ンタミネーションおよび汚染物質の拡散防止の観点か��� ���
������
通常の入退室操作（パターン１）と、緩やかに開放しドア�������
手法にはさまざまな方法がある一方、コストも含めて施������������������������
設側の仕様や要求性能も多様であり、それらに応じた制��������������������������
御手法の導入が望まれている。
���������������������������
上記の背景のもと、本報では、新たに構築したさまざ�������������������������
まな室圧制御が可能な実験室の概要と、室圧変動要因の�������������������������
うち急激な室圧変動をもたらすと思われる、扉開閉時お�������������
よび局所排気稼働時の室圧変動など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。
��������������������������������������������������
２．実験室の概要
�������������������������
図−１に実験室のシステム構成の概要を、表−１に������������������実験室仕様概要を示す。風量による室圧制御として、給気側は定風量装置（CAV）とし、排気側には手動ダンパ���������

INV
FAN

CAV
HEPA

Airtight

Airtight

Room-120Pa

30Pa

P ������

Semi airtightRoom-2Room-3P �������

10Pa

BD

PC

SleeveData
Logger

FANSleeve

P

P

INVSleeve

VD

FAN

P

P

P

P

VAV

P

P

P

PCD

FAN

（VD）
、差圧によりPID 制御で開度制御する変風量ダン������������������������

����
図−１ ���������
実験システム概要

パ（VAV*）、差圧によりダンパの作動速度を制御する�������������������������３）
室圧コントローラ（PCD）を設けた他、各部屋には微差������������������������������
圧ダンパ（BD）を壁面に設置し、それらを切り替えるこ������������������ �����������とで、さまざまな制御システムを再現できるようにし������������������������� ��
た。さらにRoom-２と Room-３には、局所排気を模擬��������������������������
�������������������������
した排気ファンを設置した。
������������������������ �����
建築的には、クリーンルーム用断熱パネルを使用し、������������������������ジョイント部をシールにして気密性を確保し、外部〜������������������������
Room-１間は セミエアタイト（SAT）、Room-１ 〜２、�����������������
�����������
Room-２〜３間はエアタイト（AT）の扉を設けた。また������������
��������������������
各室には隙間調整用として、φ 45 のスリーブを設置し��������������������������た。気密性については加圧法により気密試験を行った結�������� ������������������
果、Room-３の相当隙間面積は0. 43cm ２（0. 044cm２����������３ ������������������/m ）であった。
���� ��������������������������
室圧の測定は、制御用とは別に微差圧計を用いて、������������������������フィルターなどはかけずに 0. 1s 間隔で記録可能とした。
����������� ���� ������������表−１ ��������実験室仕様概要
����Room-1

���������CAV� ����VD�VAV*�PCD��������

����� 10Pa3�������

SAT3Low ���201m200 /hAT�������

AT���������������������������������
������� ��������� GC62��������100Pa����1.5���� 50ms
�����������VAV ������ PID ��

表−２ �����実験ケース
����CASE-2�PCD�

3.1.1� ����High ���300m /h�������(����)CAVVDPCD

VAVBD

��

��������������������

��

CASE-1�VD�（CAV）で固定し、排気側で手動ダンパ（VD）、室圧コン

CASE-3�VAV*�����������

トローラ（PCD）、差圧による変風量ダンパのPID 制御
����������������������
����� CASE-4�VAV*+BD��� �� ��（VAV*）および微差圧ダンパ（BD）
を用いて
Room-１〜���������������������������
*1*2*3
戸田建設（株） 技術研究所
戸田建設（株） 建築設備部
戸田建設（株） 設備設計部*4*5*6
戸田建設（株） 関東支店
戸田建設（株） エンジニアリング部
戸田建設（株） 省エネ事業推進部

3−233.6m�2.7m�2.2m���� 21.38m

�����実 験 室（ 図−１）に お い て 、給 気 側 を 定 風 量 装 置

Room-3����

３．扉の開閉に関する実験�������������
3.1 室圧制御下における圧力変動に関する実験
3.1.1 実験概要
3.1� �������������������Room-2��3.1.2
実験結果および考察����������� �������������������
図−２〜５に実験結果を示す。扉開閉時の室圧は、����������������������������
VD で室圧を調整して固定した CASE-２（図−２）にみ�������������������������
られるように、扉が開放され２室間が同圧になる状態�������������������������
を挟んで、開放直後と閉鎖直後に相反する方向に大きく�������������������������
変動するのが基本的な変動である。その変動幅は、扉を�����速く操作したパターン１のほうが大きく、開放直後にはRoom-１と２の室圧が近づき、閉鎖には Room-２と３3.1.2�
���������
が逆転するなど、クロスコンタミネーションの可能性が�������������������������
高くなることが確認された。
���������������������������
PCD に よ る 室 圧 制 御 で あ る CASE- 2（ 図−３）で�������������������������
は、扉閉鎖時の変動の後にオーバーシュートが発生し、�������������������������
Room-１にも影響を及ぼしていた。これは、PCD の制�������������������������
御動作が速く、同圧になった時点で Room-２、３のダ����������������������
�����
ンパがそれぞれ開、閉の方向に急激に動くためと思われ��[Pa]

60

Room-2Room-3

第33号

200-20������

-303����� ��6912-30369121518

��[s]

�

���� ��������� CASE-��VD����[Pa]

60

Room-1Room-29-3

��Room-340
200-20���������������������������
は制御動作が緩慢であるためと考えられるが、緩やかに��������������������������
扉を操作したパターン２ではダンパがある程度作動していると思われ、CASE-１より所定室圧への復帰に時間���������������������������を要した。
�������������������������
微差圧ダンパー（BD）を加えた CASE-４（図−５）は、�����������������������������
扉開放前後で若干室圧が異なっているが、扉開閉による����������
室圧変動の影響が最も少なく、BDが室間差圧を安定的 ���� � ��� ����� ����������������に確保するために有効であることがわかった。しかしな������ ���������������������がら、BD については室間に開口を設けることになるた�������������������������
め、要求性能に応じて採用を検討する必要がある。
�������������������������60������

-303����� ��6120369121518�

��[s]��[Pa]

���� ��������� CASE-2�PCD��
Room-1��Room-2Room-3

4020

�

0-20

������

-303����� ��6912-30369121518

�

��[s]

���� ��������� CASE-��VAV*��
603.2� �������������

実験条件を表−３に示す。実験室の Room-１、２を������������������������開放して大気圧として、Room-３の室圧を PCD によ��������������������������
り５、10、15、20、30、50Pa に 設 定 し た。 そ れ ぞ�������������������������
れの室圧下で扉枠と扉先端との間隔（A）を固定して、�������������������������
室圧が安定した後に排気量を風量計（コーナー札幌製�������������������������
SwemaFlow 125）により測定し、扉閉鎖時の排気量と����������の差から扉通気量を求めた。

Room-1��Room-3Room-240200-20������

-303����� ��6912-30369121518

��[s]���� ��������� CASE-4�VAV*+BD������ ������������
��
���
�

����������������
W740xH2035xD45[mm]����������������(DC)�������W500xH600��������A��4.5��������
5.5��������80[mm]����5,10,15,20,30,50[Pa]����32[���/h]
700

A=11mm������C=6.5mm

D'=50mm

実験概要

��[Pa]

�����������������������������
3.2
扉開度と通気量に関する実験���������������
�������������
クリーンルームの室圧変動の対策検討のためには、そ�������������������������の予測が有効であり、佐久間らにより試みられている ５）���������������� ����������が、扉の開閉など建築的要因については検討がなされて�������������������������
いないため、基礎データを得ることを目的に、扉開度と���� ����������������������
扉操作による開口部の通気量（扉通気量）との関係に関����������������������
する実験を行った。

���

D=45mm���A
����(t4.5)

A=50mm600

実験結果および考察

3.2.1�
����
実験結果として、扉開度と扉通気量との関係を図−６
���������������� ����������に示す。この結果をみると扉開度の範囲に応じて傾きが������������� �����
異なっており、扉開度����������（A）がパッキン厚（4.
5mm）とク����������������
�����������������
リアランス（6. 5mm）の和と等しくなる 11mm、扉開度��������������������������
（A）
が扉枠の深さ（Dʼ= 50mm）と等しくなる 50mm 付近
�������������������������������に分岐点があると考えられた。
そこで、クリアランスなどを含む扉形状から、幾何学���������������������������
的に開度毎の開口面積（扉開放面積）を求めて、通気量との関係を示した（図−７）。これをみると、ある程度直3.2.2�
���������3−3����[m3/h]

3.2.2

技術研究報告40���������������
������������る。このような動作に対しては、扉開閉時に制御条件を３、４）�������������������������変える手法が提案されている。
����������VAV を PID 制 御 し て い る CASE-３（図−４）で は、�������������
���������������
VDを固定している
CASE-１に近い変動となった。これ

3.2.1

Room-1

��

戸田建設

500
400

50Pa
30Pa
20Pa
15Pa
10Pa
5Pa

300
200
100002040����������

60���� ������������80�クリーンルームにおける室圧制御に関する研究

線的な関係が得られたが、ずれが生じる部分があった。
������������������������原因としては、扉開放面積の算出および開口形状の変化
�������������������������

通り高い直線性が得られているが、室圧の予測の観点か��������’������������ ���� �����
らは、扉形状・仕様から求めた開放面積と扉通気量との������������関係をさらに明確にする必要があると思われた。
����������������������������[m3/h]による抵抗係数の変化などが考えられた。
����������������������������
各開度における室圧と扉通気量の関係は図−８に示す��������������������
�����������

100050Pa30Pa
20Pa
15Pa
10Pa
5Pa100�������������������������

４．局所排気発停時の室圧変動に関する実験��������������������������

��������������������������
4.1
実験概要�������������������������
Room-３の１部屋を用いて PCD により室圧を 10Pa
�������������������������に固定し、表−５に示すように換気量、局所排気量、隙�������������������������
間面積およびPCD 設定値である比例速度動作帯（RB）、��������������������������
不感帯（DB）を変えて、局所排気発停止時の室圧変動を測定した。なお
VD 固定により室圧制御を行わない状態���������
での局所排気発停時は図− 10 に示すような室圧偏差（起10101002
�����[m ]1000

y = 139.998x 0.547

�R 2 = 0.998

y = 124.621x 0.467

�2 = 0.954
R

y = 81.698x 0.512
R�2 = 0.992
y = 61.022x 0.528

10010110
��[Pa]4.2
結果および考察�������������������������
4.2.1
隙間面積の違いによる変動特性������� ���������������������
図−11に30 回換気 /hで PCD 設定値を固定（RB: 20％、��������������������������DB:３％）（Low 運����して隙間面積を変えた場合の局所排気�� ��������������������転）の起動・停止時の室圧偏差を示す。最大値に達する���������� ����������������
時間および室圧回復に要する時間については隙間面積に������������������
よる明確な差異はみられなかったが、室圧変動幅は隙間面積が小さいほど大きかった。これは隙間からの漏気量4.2� �������の増減により室圧が調整されるためと考えれる。
また、特に隙間面積が小さい場合（0. 4、15. 6cm２）に4.2.1� ��������������は、起動時においてオーバーシュートを起こしていた。
���� � �� ����� � ��� ��������������
これは、急激に室圧が変化することにより PCD が比例��������������������������� �
速度動作帯を超えて全速動作しためと思われるが、停�������������������������
止時にはファンの特性により時間を要する事に加え、局�������������������������
所排気の経路が隙間として機能するために、オーバー�������������������������
シュートはみられなかった。
�������������������������4.2.2 風量・隙間面積と室圧最大偏差との関係
�����������������������
図− 12 に換気量および局所排気の風量を変えた場合
�����������������������������の隙間面積と局所排気起動時の室圧最大偏差との関係を�������������������������示す。いずれの場合でも隙間面積が小さいほど室圧の最������������������� ��� ����大偏差が大きくなるが、換気量が多いほど室圧変動が小�������������������������さかった。これは、換気量が多いほどダンパ開度に対す�������������������������る調整風量が多いためであり、換気量に対する局所排気

3−4y = 54.427x 0.557

�

R 2 = 0.993y = 47.459x 0.550

�

R 2 = 0.998
y = 25.234x 0.474
�
R 2 = 0.970

100���� �������������� PCD ������
�PEC-10P����� –100�+100���������� 32sec�0�100��������

���������� 1.0[sec]������10��160�FS

�RB�

��10�160[Pa]�
������0��3�FS

����DB�50

�0��1.125[Pa]�

Room-1Room-2Room-340

��[Pa]

� �������������� ��� ������ ���� ��R�2 = 0.993

65.5mm
55.5mm
50.5mm
45.5mm
30.5mm
20.5mm
10.5mm4.0mm

�������動・停止直前の室圧との差）の変動であった。
4.1� ����1000���� �������������

����[m3/h]

続いて、局所排気稼働時の室圧変動にして、近年採用
�������������������������
が多くなりつつある室圧コントローラ（PCD、表−４）
�������������������������を用いて実験を行った。
�������������������������
各 室 へ の 給 気 風 量 を 22 回 換 気 /h と し て 、 PCD�������������������������
（RB: 20％、DB:３％）を用いて Room-１〜３をそれぞれ������������������10、20、30Pa に制御した状態において、局所排気を発停した場合、図−９に示すような室圧変動となった。他���������������������の制御方式に比べ短時間で設定圧力へ回復するが、起������������������������動・停止時に大きな変動が生じる。これに対し局所排気���������������������������の起動速度を緩やかにする方法もあるが、機器からの直������������������� �� �����
接排気の場合は起動速度を調整出来ない場合もあるた�������������������������
��������
め、PCDの設定値および隙間面積と室圧変動の関係つ���������������
��������������
いて実験を行った。
�������������������������3020100ON03060ON90OFF120150
��[s]180OFF210240���� ��������������
�22 ���/h,Low ��,RB:20%,DB:3%��
���� ����������
����������22 ���/h�30 ���/h

��

10Pa

������

3High ���300m3/h�Low ���201m200 /h����

0.4�15.6�48.4�63.6�82.1�97.3cm2

PCD ���

���������RB��10�20�30������DB��0�1�2�3�

戸田建設

風量との比が小さいほど変動は小さくなることを示して�������������������������いる。
�����������
図− 13�������������������に PCD 設定値を変えた場合の隙間面積と局4.2.2�

所排気起動時の室圧最大偏差との関係を示す。不感帯���� ��������������������（DB）については、局所排気による大きな室圧変動には�������������������������
ほとんど影響がなかった、比例速度動作帯（RB）につい�������������������������ては、小さく設定することで、短い時間で動作速度が�������������������������速くなるために、最大偏差が小さくなる傾向が確認され�������������������������た。
�������������������������60１�������������������������）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）本田他、クリーンルームでの扉開閉の動特性と開閉による�������������������������
浮遊微粒子の移送、第23 回空気清浄とコンタミネーショ
ンコントロール研究大会予稿集、2005.
４��������������������������３）柴田他、微差圧制御システムの開発、空気調和・衛生工学�������������������������
会大会学術講演論文集、2004. ９
�������������������������
４）長谷川他、扉開閉に伴うコンタミネーションの制御（その１、�����������������������２）、第 24 回空気清浄とコンタミネーションコントロール
��������������������
研究大会予稿集、2006. ４５）佐久間他、多室間差圧制御システムに関する研究（その１）、
���������������������
第 19 回空気清浄とコンタミネーションコントロール研究大会予稿集、2001. ４

�������
���������������������������
������������������������������������������������
�������
������������������������
�������������� �� ������������������������������������
�������������������������������������������������������������������������������� �� ������������������������������������
������������������������������� �� �����������������������������������
�

3−5-40LowHigh-2

ON0302460.4cm2
48.4cm2
82.1cm2

����[Pa]

20OFF8 10 12 -2 0��[s]2468 10 121015.6cm263.6cm297.3cm20-10-20-30

ON-20OFF2468 10 12 -2
��[s]02468 10 12����� �������������
�30 ���/h,Low ��,RB:20%,DB:3%��
0-10������[Pa]【参考文献】
����������� ���������������0-20

図－ 10 ��������������VD ���������-20-3022���/h,Low22���/h,High30���/h,Low30���/h,High-40-50-60
02040602������[cm ]80100����� ������������������
�RB:20%,DB:3%��
0������[Pa]������������������ ��������

20-80

５．おわりに��������������������� �����めにさらに実験を重ねていきたい。

40-60�����������������������������
扉開閉時の圧力変動に関しては、１）扉開閉の速度に応じて前後で大きな変動が生じる、２）
PCD 制御時には4.2.3� PCD �����������������
オーバーシュートが生じる、３）
PID 制御時には復帰に時���間を要する、４）BD を用いることにより安定した制御が���� � ��� ������������������可能となるなどの変動特性を得るとともに、変動予測の��������������������������ための基礎データとして、５）
扉開度と扉通気量との関�������������������������
係を得ることができた。
��������������������������また、PCD 制御における局所排気発停時の圧力変動
�������������������������
については、６）
隙間面積が小さいほど変動が大きくな������������������������
る、７）
換気量に対する局所排気風量との比が小さいほど変動は小さくなる、８）比例速度動作帯を小さく設定
�������することで変動が小さくなることなどが確認された。
������������������������
今後は、建築的要因も含めて適切な室圧制御を行うた

第33号

80

����[Pa]

4.2.3 PCD 設定値・隙間面積と室圧最大変位との関係

技術研究報告-5-10
RB:10% DB:3%
RB:20% DB:3%
RB:30% DB:3%
RB:20% DB:3%RB:20% DB:2%
RB:20% DB:1%
RB:20% DB:0%-15-20-2502040602������[cm ]80100����� PCD ��������������������22 ���/h,Low ����