戸田建設

技術研究報告第36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 4

風量変更時の室圧変動とその抑制手法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、クリーンルームなどにおける省エネルギーを目的として、非製造時などに風量を減じる場合の室圧変動について、新たに開発した風量制御手法も含めて実験的に検討した概要である。
実験の結果、風量変更にともなう室圧変動に関して、1）給気ファン INV による系統全体の風量変更については、INV の加減速時間設定を大きくすることで、室圧変動を小さくできること、2）給気側ダンパを用いた室風量変更時の室圧変動については、既存の CAV に比べてダンパ速度調整機能を組み込んだ PCD が有効であること、3）室圧変動を抑制することでコンタミネーションリスクが軽減できることなどの知見を得た。

Experimental Study on Room Pressure Fluctuation at Cleanroom
Part 4 Examination of Control of Room Pressure Fluctuationin Supply Air Volume Changing
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 Control of Room Pressure Fluctuation in Supply Air Volume Changing atPressure Controlled Room by Pressure Control Damper (PCD).
The Results are following that, 1) Suplly Air Volume Changing in the Entire System, it is Effective to Enlarge Acceleration Timeof Fan Inverter. 2) Suplly Air Volume Changing of Each Room, it is Effective to Use PCD that has the Speed Adjustment Function forSupply Air Volume Control. 3) Control of Room Pressure Fluctuation Reduces the Contamination Risk.

*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 *2 Building Purchase Department *3 Equipment Design Department *4 Engineering Department*5
Building Equipment Department *6 Kanto Branch Building Equipment Department *7 Okaya Seiritsu Engineering1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
風量変更時の室圧変動とその抑制手法に関する実験
村江
長野
渡邊

１．はじめに

行忠 *1
耕司 *4
義明 *6

岩村多美勇 *2
栗木茂 *1
野沢 勇樹 *3

表－ 1

製薬工場などのクリーンルームでは、非生産時などに給気風量を減じて省エネルギーを図る場合でも、コンタミネーションコントロールの観点から室圧変動を最小限に抑えることが望まれている。
本報では、給気ファンに設けられたインバータ（INV）による空調系統全体の風量を変更する場合と、ダンパを用いて室単位で風量を変更する場合の室圧変動について検証するとともに、新たに考案した室圧変動抑制手法について実験的に検討したのでその概要を報告する。

INV
SA

Case-Ⅰ-1
Case-Ⅰ-2
Case-Ⅰ-3
Case-Ⅰ-4

INVPs

SAFAN

CAV

AT

INV 加速時
風量変更
周波数設定値
間設定値
実時間60s
約 23s
90s
43.4Hz（640m3/h） 約 31s
27.0Hz（320m3/h） 約 39s
120s
180s
約 57s

SA

VD

ಠ଀㩷

実験ケース（INV 設定値）と風量変更実時間

Ps

FAN

VD

表－ 2PCD

CAV

AT

AT

AT

Ps

Room3
㧔20Pa㧕

Room2
㧔10Pa㧕

Room3
㧔20Pa㧕

Room2
㧔10Pa㧕

Room3
㧔20Pa㧕

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INV
Ps
FAN

C P

PCD

図－ 1Ps

C P

EA

FAN

AT

Room2
㧔10Pa㧕
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䋨㐿ญ䋩

INV

PCD

INV

PCD

C P

PCD

Ps

C P

EA

FAN

PCD

C P

PCD

EA

実験装置概要（左から、実験Ⅰ、実験Ⅱ Case-Ⅱ-1 ～ 4、実験Ⅱ Case-Ⅱ-5 ～ 8）

*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

C Pv

ATC䉮䊮䊃䊨䊷䊤㩷P ቶ࿶᷹ቯ㩷Pv േ࿶᷹ቯ㩷

PCD

C Pv

䋨ቶ࿶஍Ꮕାภ䋩

実験 I は系統全体の風量を変更する場合を想定して、給気ファンに設けられた INV 周波数を変えて風量を変更した場合の室圧変動について実験を行った。
2.1 実験概要
実験装置概要を表－ 1、図－ 1 に示す。実験は実験用クリーンルーム 1） の 2 室を用い、排気側に設けた圧力偏差による速度制御ダンパ（PCD）により、室圧をそれぞれ 10Pa、20Pa に制御した状態で、給気ファン INV により風量を変更した。風量は INV の設定値と し て、 表 － 2 に 示 す よ う に 43.4Hz（1 室 当 た り
640m3/h、約 30 回換気 /h）、27.0Hz（320m3/h、約 15回換気 /h）の 2 段階とし、加減速時間設定値を変えて比較した。室圧制御ダンパ（PCD）の感度（RB）注 2 は、既報 2）より定常時の安定性を考慮し 80％とし、0.1 秒間隔で記録されたデータは 5 秒間の移動平均を求めて処理した。
2.2 実験結果
図－ 2 ～ 4 に室圧と給気風量の経時変化を示す。
INV 周波数の変更に要する時間は、INV の加減速パ
INV

実験装置概要概要･ 容積：3.6×2.7×2.2m（h） 21.38m3×2 室･ CR 用断熱パネル＋シール、・エアタイトドア
実験室
・漏気量：高気密時 64m3/h(10Pa)、低気密時 100m3/h(10Pa)・給気；片吸込シロッコファン 2.2kw
ファン･ 排気；片吸込シロッコファン 1.5kw
・ダクト静圧 PWM 制御
インバータ
給気 500Pa（実験Ⅱ）、排気 200Pa･ 主ダクト：亜鉛鉄板ダクト 400 × 400mm
ダクト ･ 枝 ダ ク ト： 亜 鉛 鉄 板 ス パ イ ラ ル ダ ク ト
φ 200mm
・実験Ⅰ：VD 固定・実験Ⅱ（Case-Ⅱ-1 ～ 4）定風量装置（CAV）：φ 200風量制御
ダンパ速度：全閉 - 全開 120s
（給気）
設定風量：640m3/h/320m3/h
・実験Ⅱ（Case-Ⅱ-5 ～ 8）
圧力制御ダンパ（PCD）による動圧制御注 1･ 室圧制御ダンパ（PCD）：φ 200
室圧制御 ･ 制御器：圧力偏差ダンパ速度制御方式、
サイクルタイム：1.0s（排気）・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（φ 200）･ 給気動圧：ダイヤフラム式± 100Pa(2.0％ FS)、応答速度：250ms
差圧計･ 室圧：ダイヤフラム式± 100Pa(1.5％ FS)、応答速度：50ms
データロガ ･ サンプリング周期：100ms

２．実験Ⅰインバータによる風量変更時の室圧変動FAN

永井 裕之 *3
新宮守 *5
久保 夏希 *4
齊藤
充 *7

項目

䋨ቶ࿶஍Ꮕାภ䋩

その４*4 エンジニアリング部

1-2*5 建築設備部

C P戸田建設

ターン、設定周波数、基底周波数（50Hz）と加減速時間設定値により決まるが、風量変更に実際に要した時間はファン特性などから、表－ 2 に示すとおりであった。
室圧については、2 室とも同様な挙動を示し、加減速時間設定値が小さい 60 秒の Case-I-1 では大きく変動し、Room2 が負圧になった。加減速時間設定値が大 き い ほ ど 室 圧 変 動 は 小 さ く な り、180 秒 と し た
CASE-I-4 では、設定室圧より 4Pa 程度の偏差となった。
また、各ケースとも風量を増加（320m3/h → 640m3/h）する場合に比べ、減少（640m3/h → 320m3/h）する場
合の方がやや室圧変動が大きかったが、これはファンの特性により風量が多い方が静圧変化が大きいためと考えられた。
図－ 6 に各ケースの風量変更中の風量変化速度注 3と室圧の最大偏差の関係注 4 を示す。この結果から、風量変更時の室圧変動を抑制するためには、INV の加減速時間設定値を大きくして風量変化速度を小さくする方法が有効であることがわかった。
なお、本実験では 2 室の容積、風量、排気側 PCDの感度などが同じであるため、Room2 と Room3 が同じ挙動を示して室間差圧は確保されていたが、条件によっては室間差圧が確保できなくなる可能性もあるた
め、INV 加減速時間の設定についてはそれらの条件も考慮する必要がある。

３．実験Ⅱ ダンパによる風量変更時の室圧変動

実験 II では、室単位の風量変更を想定し、CAV による風量変更時の室圧変動について検証するとともに、新たに考案した室圧変動抑制手法について実験的に検討した。
3.1 実験概要
実験 I と同じ実験用クリーンルーム（図－ 1、表－ 1）を用い、給気風量を 640m3/h（約 30 回換気 /h）と320m3/h（約 15 回換気 /h）の設定に対して、2 室同時または Room3 のみを風量変更（減少／増加）した場合の、風量および室圧変動を 0.1 秒間隔で記録し、さらに 5 秒間の移動平均を求めた。
実験ケースは、風量制御方式を既存の CAV と PCDによる動圧制御（後述）の 2 とおり、排気側 PCD の感度（RB）は、40％と 80％の 2 条件、気密性については開口を調整した 2 条件の計 8 ケースとした（表－ 3）。
3.2 PCD による動圧制御方式について
実験 I より風量変化速度と室圧最大偏差との関係から、室圧変動を抑制するためには風量変化速度を緩やかにする必要があることを示した。しかしながら通常の CAV はダンパ速度が定速であることからその調整は難しい。そこでダンパの速度制御を行っているためダンパ速度が可変である PCD の給気風量制御への適用を試みた。Case-II-5,6 は、PCD を単にピトー管により検出される動圧制御に転用したものであり、CaseII-7,8 はさらに排気側 PCD から出力される設定室圧と現在室圧との差に応じて、感度（RB）を 4 段階に変化させることで、偏差が大きい場合には緩やかに風量変更を行う機構を PCD に組み込んだ PCD’を用いた。

第36号

図－ 2

室圧・給気風量の経時変化（Case-Ⅰ-1）

図－ 3

室圧・給気風量の経時変化（Case-Ⅰ-2）

図－ 4

室圧・給気風量の経時変化（Case-Ⅰ-3）

図－ 5

室圧・給気風量の経時変化（Case-Ⅰ-4）

図－ 6

風量変化速度と室圧の最大偏差の関係
表－ 3

Case-Ⅱ-1
Case-Ⅱ-2
Case-Ⅱ-3
Case-Ⅱ-4
Case-Ⅱ-5Case-Ⅱ-6
Case-Ⅱ-7
Case-Ⅱ-8

1-3

技術研究報告実験ケース（実験Ⅱ）

風量制御（給気）

室圧制御（排気）CAV

PCD
PCD’注 1PCD

PCD 感度 気密性（RB）注 340％
高80％40％低80％
40％80％
高40％80％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 実験結果
既存の CAV による実験結果として、室圧と給気風量の経時変化例を図－ 7、8 に示す。Case-II-1 に比べて排気側 PCD の感度を鈍くした Case-II-2 では、風量の 減 少・ 増 加 に か か わ ら ず 室 圧 の 変 動 が 大 き く、Room3 のみ風量変更した場合には、10Pa の室間差圧が確保できなくなっている。既存の CAV を用いたすべてのケースにおける、風量変更開始後 30 秒間の風量変化速度と風量変更時の室間差圧の最大偏差（図－ 9）をみると、風量変化速度は各ケースとも同等で、気密性による明確な違い（Case-II-1,3 と CaseII-2,4）はみられなかったが、室圧の最大偏差は排気側PCD の感度が鈍い Case-II-2,4 が大きかった。これにより定常時の安定性を考慮して PCD の感度を鈍くした場合は、風量変更時には給気側 CAV の動作速度をさらに遅くする必要があることが示唆された。
図－ 10 ～ 12 に PCD を給気制御に用いて風量変更を行った場合の室圧と給気風量の経時変化の例を示す。
PCD は圧力偏差が大きい場合にダンパ速度が速く、小さい場合に遅くなる特性を持ち、単に給気動圧制御に転用した場合（Case-II-6）、風量設定を変更した時点では、圧力偏差が大きくダンパ速度が速いため、大きな室圧変動を生じる（図－ 10）。これに対して PCD'を用いた Case-II-7 では、大きな室圧変動が生じないように風量が緩やかに変化するため、Room3 のみを風量変更した場合でも室間差圧が確保されている（図－ 11）。2 室同時に風量変更した場合（図－ 12）
は 2 室の風量の変化が異なっているが、これは室ごとに条件の違いがあっても、独立して給気側 PCD の速度調整が行われるためと考えられた。
図－ 13 に実験 I および各ケースの風量変化速度注 5と室圧の最大偏差の関係を示す。排気側 PCD の RBが 40％の場合（Case-II-1,3,5）に比べ、80％の場合（実験 I、Case-II-2,4,6）の室圧の最大偏差が大きかったが、PCD' を用いた Case-II-7,8 ではその差もほとんどなく室圧の最大偏差が 5Pa 以下であることから、PCD に組み込んだダンパ速度調整機能が室圧変動の抑制に有効であることが確認できた。

図－ 7

室圧・給気風量の経時変化（風量減少時）

図－ 8室圧・給気風量の経時変化（風量増加時）

図－ 9

各実験ケースの風量変化速度と室圧の最大偏差

図－ 10室圧・給気風量の経時変化（Case-Ⅱ-6 Room3 のみ）

図－ 11室圧・給気風量の経時変化（Case-Ⅱ-8 Room3 のみ）

図－ 12室圧・給気風量の経時変化（Case-Ⅱ-8 2 室同時）

４．実験Ⅲ微粒子によるコンタミネーション評価

実験 III ではさらに室単位の風量変更時に関して微粒子を用いてコンタミネーション評価を行った。
4.1. 実験概要
装置概要および実験条件は図－ 14、表－ 4 に示すとおりであり、実験室の境壁に 10cm2 の開口を設けた状態で行った。微粒子発生器により Room2 の微粒子濃度（粒径 0.3 μ m 以上）が約 50,000 個 /cf で安定した 状 態 で、Room3 の 風 量 を 変 更 し て そ の と き のRoom3 排気ダクトでの濃度を 30 秒間隔（流量 0.05cf）で測定した。
実験ケースは実験 II の Case-II-1、Case-II-7 に相当する 2 条件（Case-III-1、Case-III-7）とした。
4.2. 実験結果
実験結果として、室圧と給気風量の経時変化を図－15、16 に、微粒子濃度の経時変化を図－ 17 に示す。

1-4

戸田建設

室圧変動状況は実験 II と同様の傾向であり、CAV により風量変更を行った Case-III-1 では室圧が逆転していた。そのため Room2 から Room3 へ微粒子が流入し、Room3 の微粒子濃度が上昇した。一方、PCD' によるCase-III-7 は室間差圧が確保されており、Room3 の微粒子濃度に変化はみられなかった。
このことより、風量変更時の室圧変動を抑制することで、コンタミネーションリスクを低減できることがわかった。

図－ 13

技術研究報告風量変化速度と室圧の最大偏差の関係

５．おわりに表－ 4

本実験により、1）給気ファン INV による系統全体の風量変更に関して、INV の加減速時間設定を大きくすることで、室圧変動を小さくできること、2）給気側ダンパを用いた室風量変更時の室圧変動に関し、既存の CAV に比べてダンパ速度調整機能を組み込んだPCD が有効であること、3）室圧変動を抑制することでコンタミネーションリスクが軽減できることなどが確認できた。
今後は、実用化に向けて室規模や風量など様々な条件下で検証を行いたいと考えている。

図－ 14第36号

実験装置概要実験条件

Case-Ⅲ-1 Case-Ⅲ-7
給気制御 CAVPCD’
排気側 PCD
室圧制御（RB=120％）
Room2：20Pa
設定室圧
Room3：30Pa
Room2
約 50,000 個 /cf（0.3 μ m）
清浄度
Room3
100 個 /cf
（0.3 μ m）以下

謝辞

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あらわす。
脚注

注 1：速度調整機能を組み込んだ PCD で基本仕様は排気側の PCD と基本仕様は同じ。詳細は本文中に記載。注 2：
PCD 感度（RB；リセットバンド）はフルスケールに対する比例帯の幅をあらわし、小さい方が感度が高くダンパ速度が速い。注 3：風量変更中の単位時間あたりの変化風量の平均値。注 4：風量変更中の室圧の設定室圧に対する最大偏差。
注 5：Case-II-6 は風量変更開始後 5 秒間、他は 30 秒間の変化風量の平均値。

図－ 15

室圧・給気風量の経時変化（Case-Ⅲ-1）

図－ 16

室圧・給気風量の経時変化（Case-Ⅲ-7）

参考文献

1） 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、空気調和・衛生工学会大会学術講演論文集、2007
2） 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 3、空気調和・衛生工学会大会学術講演論
文集、2009

図－ 17

1-5

Room3 の微粒子濃度の経時変化